單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法
2023-10-23 03:51:57
專利名稱：單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法
技術領域：
本發明屬於等離子體加工碳化矽密封環類零件的技術領域。
背景技術：
隨著現代科學技術的迅速發展，在核工業、石油工業、化工工業、化纖、化肥、原子能、航空航天和機械製造等工業領域中，對機械密封提出了更高的要求。碳化矽(SiC)的耐化學腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦係數小，抗氧化性強、極高的溫度下有良好的尺寸穩定性、熱膨脹係數低、熱穩定性好。另外，碳化矽材料具有適中的密度、較高的比剛度、較好的導熱係數、耐熱衝擊性、抗熱震、各向同性的機械性能、高彈性模量和使用壽命長等特點。可用於放射性、腐蝕性、劇毒、易燃、易爆、高溫、高純、超淨等諸多複雜工況條件。因而是製造密封環的理想材料。但同時碳化矽材料硬度高，脆性大，表面的加工難度大。用傳統的加工方法加工，加工過程相當耗時並且效率相當低，面型修整困難，費用高；另外加工質量不可控，加工質量一致性差；並且精度低，工具磨損非常快，磨損嚴重。這使得碳化矽密封環類零件的加工非常不易。為了使密封環能起到較好的密封效果，密封環表面需要加工出微結構。在這種情況下，裝配密封環時，密封環表面上存在的微結構可以彌補裝配過程中產生的變形，從而起到更好的密封作用。但是這會增加加工過程算法的複雜程度和控制過程的複雜程度，增加對加工過程穩定性的要求，使得加工難度更大。
發明內容
本發明的目的是提 供一種單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法，為了解決碳化矽密封環類零件的難加工問題。所述的目的是通過以下方案實現的:所述的一種單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法，它的步驟方法是:
步驟一:將圓盤形電極架的上端面絕緣連接在龍門加工工具機的豎直運動工作轉軸上，圓盤形電極架外圓面上豎直設置有一片薄片形電極，薄片形電極與圓盤形電極架的直徑所在直線共線，使薄片形電極通過圓盤形電極架與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；圓盤形電極架上的出氣孔通過圓盤形電極架中心的導氣孔、氣管與混合等離子體氣源導氣連通，圓盤形電極架出氣孔的出口端設置在薄片形電極附近；
步驟二:將待加工碳化矽密封環類零件裝卡在地電極上，地電極固定在龍門加工工具機的工作平臺上；將地電極接地作為大氣等離子體放電的陰極；將龍門加工工具機設置在密閉工作艙中；
步驟三:圓盤形電極架的迴轉軸心線與待加工碳化矽密封環類零件的軸心線重合，使薄片形電極的下端面靠近待加工碳化矽密封環類零件的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電間隙範圍為；步驟四:預熱射頻電源，預熱時間為5-10分鐘；然後打開混合等離子體氣源，混合等離子體氣源包含反應氣體、大氣等離子體激發氣體和輔助氣體，使大氣等離子體激發氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應氣體與大氣等離子體激發氣體的流量比為1:l(Tl:1000 ;輔助氣體與反應氣體的流量比為1:10 1:1 ；
步驟五:當薄片形電極和待加工碳化矽密封環類零件的待加工表面之間的區域內充滿大氣等離子體激發氣體、反應氣體與輔助氣體的混合氣體後，啟動射頻電源，逐步增加射頻電源的功率，使功率達到100W-400W，同時控制射頻電源的反射功率為零，在射頻電源工作的過程中持續穩定的通入混合氣體，使薄片形電極和待加工碳化矽密封環類零件的待加工表面之間的放電區域產生穩定的等離子體放電，同時啟動龍門加工工具機的轉軸轉動，使圓盤形電極架做迴轉運動，從而帶動薄片形電極繞迴轉軸心線做迴轉運動；
步驟六:根據去除量的要求，控制薄片形電極的運動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產生的大氣等離子體對零件表面進行加工；
步驟七:待加工完成後，關閉射頻電源的電源，關閉混合等離子體氣源，停止龍門加工工具機的轉軸轉動，取出待加工碳化矽密封環類零件，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達到加工要求。本發明能對那些表面微結構形狀比較複雜的、不規則的尤其是在圓周方向上不具有周期重複性的密封環類零件表面進行高精度、高效率的加工。本發明與現有技術相比還具有下列優點:
1.等離子體電極結構簡單，電極為常見金屬製成，製造簡單，大氣等離子體加工過程對電極的損傷很小，因此加工過程穩定可控，加工質量一致性好，費用低；
2.本方法針對微結構表面，利用等離子體電極的加工表面，計算駐留時間，只需要一個方向的迴轉運動就可 以實現微結構的加工，算法和數控過程簡單；
3.等離子體的產生是在開放的大氣條件下實現的，避免了採用真空反應容器，大大降低了使用成本。
圖1是本發明的整體結構示意 圖2是圖1中圓盤形電極架1、薄片形電極1-1與待加工碳化矽密封環類零件4相對位置結構示意 圖3是圖2的俯視結構意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結合圖1、圖2、圖3所示，它的步驟方法是:
步驟一:將圓盤形電極架I的上端面絕緣連接在龍門加工工具機2的豎直運動工作轉軸2-1上，圓盤形電極架I外圓面上豎直設置有一片薄片形電極1-1，薄片形電極1-1與圓盤形電極架I的直徑所在直線共線，使薄片形電極1-1通過圓盤形電極架I與射頻電源3的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；圓盤形電極架I上的出氣孔1-2通過圓盤形電極架I中心的導氣孔1-3、氣管6-1與混合等離子體氣源6導氣連通，圓盤形電極架I出氣孔1-2的出口端設置在薄片形電極1-1附近；步驟二:將待加工碳化矽密封環類零件4裝卡在地電極2-3上，地電極2-3固定在龍門加工工具機2的工作平臺2-2上；將地電極2-3接地作為大氣等離子體放電的陰極；將龍門加工工具機2設置在密閉工作艙5中；
步驟三:圓盤形電極架I的迴轉軸心線與待加工碳化矽密封環類零件4的軸心線重合，使薄片形電極1-1的下端面靠近待加工碳化矽密封環類零件4的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電間隙範圍為；
步驟四:預熱射頻電源3，預熱時間為5-10分鐘；然後打開混合等離子體氣源6，混合等離子體氣源6包含反應氣體、大氣等離子體激發氣體和輔助氣體，使大氣等離子體激發氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應氣體與大氣等離子體激發氣體的流量比為1:1(T1:1000 ;輔助氣體與反應氣體的流量比為1:l(Tl:1 ；
步驟五:當薄片形電極1-1和待加工碳化矽密封環類零件4的待加工表面之間的區域內充滿大氣等離子體激發氣體、反應氣體與輔助氣體的混合氣體後，啟動射頻電源3，逐步增加射頻電源3的功率，使功率達到100W-400W，同時控制射頻電源3的反射功率為零，在射頻電源3工作的過程中持續穩定的通入混合氣體，使薄片形電極1-1和待加工碳化矽密封環類零件4的待加工表面之間的放電區域產生穩定的等離子體放電，同時啟動龍門加工工具機2的轉軸2-1轉動，使圓盤形電極架I做迴轉運動，從而帶動薄片形電極1-1繞迴轉軸心線做迴轉運動；
步驟六:根據去除量的要求，控制薄片形電極1-1的運動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產生的大氣等離子體對零件表面進行加工；
步驟七:待加工完成後，關閉 射頻電源3的電源，關閉混合等離子體氣源6，停止龍門加工工具機2的轉軸2-1轉動，取出待加工碳化矽密封環類零件4，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達到加工要求。所述薄片形電極1-1的材質為鋁。所述薄片形電極1-1的下加工表面可設計成平面型、內斜梯形或外斜梯形。所述龍門加工工具機2為龍門銑床或龍門刨床。所述射頻電源3的頻率為13.56MHz或27.12MHz，最大功率為2KW。所述混合等離子體氣源6為三元氣體混合系統，供氣流量為l-100L/min。所述混合等離子體氣源6中的大氣等離子體激發氣體為氦氣或氬氣；反應氣體為六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；輔助氣體為氧氣、氫氣或氮氣。工作原理:由射頻電源3輸出端連接薄片形電極1-1作為大氣等離子體放電的陽極，零件地電極接地作為大氣等離子體放電的地電極，由混合等離子體氣源6提供的能被激發產生等離子體的氣體充滿薄片形電極1-1和零件之間的間隙，由射頻電源3提供輸出電能，在薄片形電極1-1和待加工碳化矽密封環類零件4的放電間隙產生等離子體，同時反應氣體被激發，產生具有反應活性的原子與待加工碳化矽密封環類零件4的表面發生化學反應，生成揮發性的反應產物並被旋轉的薄片形電極帶離零件表面，由此實現對碳化矽密封環類零件的無損傷快速加工。四氟化碳在等離子體的作用下，發生電離，產生激發態的活性F原子，激發態的活性F原子與碳化矽材料的密封環類零件發生化學反應，生成揮發性產物，可以很順利地從零件表面揮發，從而實現材料的原子級去除，最終生成超光滑表面，並且不會在零件表面產生新的損傷層；
權利要求
1.單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法，其特徵在於包括如下步驟:步驟一:將圓盤形電極架(I)的上端面絕緣連接在龍門加工工具機(2)的豎直運動工作轉軸(2-1)上，圓盤形電極架(I)外圓面上豎直設置有一片薄片形電極(1-1)，薄片形電極(1-1)與圓盤形電極架(I)的直徑所在直線共線，使薄片形電極(1-1)通過圓盤形電極架(O與射頻電源(3)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；圓盤形電極架(I)上的出氣孔(1-2)通過圓盤形電極架(I)中心的導氣孔(1-3)、氣管(6-1)與混合等離子體氣源(6)導氣連通，圓盤形電極架(I)出氣孔(1-2)的出口端設置在薄片形電極(1-1)附近；步驟二:將待加工碳化矽密封環類零件(4)裝卡在地電極(2-3)上，地電極(2-3)固定在龍門加工工具機(2)的工作平臺(2-2)上；將地電極(2-3)接地作為大氣等離子體放電的陰極；將龍門加工工具機(2)設置在密閉工作艙(5)中； 步驟三:圓盤形電極架(I)的迴轉軸心線與待加工碳化娃密封環類零件(4)的軸心線重合，使薄片形電極(1-1)的下端面靠近待加工碳化矽密封環類零件(4)的待加工表面，並使它們之間保持一定的放電間隙，放電間隙範圍為； 步驟四:預熱射頻電源(3)，預熱時間為5-10分鐘；然後打開混合等離子體氣源(6)，混合等離子體氣源(6)包含反應氣體、大氣等離子體激發氣體和輔助氣體，使大氣等離子體激發氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應氣體與大氣等離子體激發氣體的流量比為1:1(T1:1000 ;輔助氣體與反應氣體的流量比為1:l(Tl:1 ；步驟五:當薄片形電極(1-1)和待加工碳化矽密封環類零件(4)的待加工表面之間的區域內充滿大氣等離子體激發氣體、反應氣體與輔助氣體的混合氣體後，啟動射頻電源(3)，逐步增加射頻電源(3)的功率，使功率達到100W-400W，同時控制射頻電源(3)的反射功率為零，在射頻電源(3)工作的過程中持續穩定的通入混合氣體，使薄片形電極(1-1)和待加工碳化矽密封環類零件(4)的待加工表面之間的放電區域產生穩定的等離子體放電，同時啟動龍門加工工具機(2 )的轉軸(2-1)轉動，使圓盤形電極架(I)做迴轉運動，從而帶動薄片形電極(1-1)繞迴轉軸心線做迴轉運動； 步驟六:根據去除量的要求，控制薄片形電極(1-1)的運動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產生的大氣等離子體對零件表面進行加工； 步驟七:待加工完成後，關閉射頻電源(3)的電源，關閉混合等離子體氣源(6)，停止龍門加工工具機(2)的轉軸(2-1)轉動，取出待加工碳化矽密封環類零件(4)，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達到加工要求。
2.根據權利要求1所述的單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法，其特徵在於所述薄片形電極(1-1)的材質為鋁。
3.根據權 利要求1所述的單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法，其特徵在於所述混合等離子體氣源(6)中的大氣等離子體激發氣體為氦氣或氬氣；反應氣體為六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；輔助氣體為氧氣、氫氣或氮氣。
全文摘要
單電極大氣等離子體加工碳化矽密封環類零件的方法。它屬於等離子體加工碳化矽密封環類零件的技術領域。它是為了解決碳化矽密封環類零件的難加工問題。它的步驟一圓盤形電極架外圓面上豎直設置有一片薄片形電極；步驟二待加工碳化矽密封環類零件裝卡在地電極上；步驟三薄片形電極的下端面靠近待加工表面；步驟四預熱射頻電源和混合等離子體氣源；步驟五通入混合氣體，啟動射頻電源；步驟六控制薄片形電極的運動軌跡和在零件表面的駐留時間；步驟七取出待加工碳化矽密封環類零件。本發明能對那些表面微結構形狀比較複雜的、不規則的尤其是在圓周方向上不具有周期重複性的密封環類零件表面進行高精度、高效率的加工。
文檔編號H01J37/02GK103236393SQ20131017707
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月14日 優先權日2013年5月14日
發明者王波, 金江, 姚英學, 金會良, 喬政, 李娜, 辛強, 李鐸 申請人:哈爾濱工業大學