一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法

2023-04-25 05:51:51 5

專利名稱：一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法
技術領域：
本發明屬於複雜形面磨削技術領域，涉及機械密封環的磨削，特別涉及一種由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環複雜形面的超精密磨削方法。
背景技術：
機械密封廣泛應用於泵、壓縮機、反應釜、攪拌器、離心機和過濾機等傳輸液體或氣體的旋轉設備中。現代工業生產的發展對工作在高速、高壓和高溫等條件下的機械密封的性能和壽命要求越來越高。在早期的機械密封中，互相貼合的兩個密封端面被設計和製造得儘可能平整，目的是使兩個密封端面間的有效間隙儘可能小以便減小洩露。然而，在這兩個平面間形成的流體薄膜容易破裂致使這兩個密封端面多工作於接觸狀態，因而導致較 大的摩擦、過早磨損甚至破損。為了減小磨損和避免破損，人們通過在密封環平端面開設深槽、淺槽、徑向錐度、徑向臺肩、周向波度等結構來維持穩定的流體薄膜以避免兩個密封端面直接接觸，從而產生了一系列新型機械密封。其中最有代表性的是美國Lebeck A. 0.等人於1980年代提出的一種流體動靜壓結合型機械密封，在這種流體動靜壓結合型機械密封中，動環也可以是靜環的端面由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成。與另一平的密封環配對使用時，在密封界面沿周向形成波紋狀間隙、沿徑向形成收斂間隙，其優點是由徑向收斂間隙產生的流體靜壓效應保證停機和運轉狀態時兩密封界面之間始終存在液膜，由周向波紋狀間隙產生的流體動壓效應保證足夠的開啟力使兩密封端面分離，而密封壩面增強洩漏控制能力。試驗結果表明這種密封形式比端面開槽的動壓密封和沿徑向開設收斂間隙的靜壓密封有更大的優越性。目前這種流體動靜壓結合型機械密封已經成功應用在汽輪機、油氣管道泵、核主泵和石化設施的高溫泵中。這種密封形式的密封環通常由高硬材料如碳化矽、氮化矽、碳化鎢製成，密封環壩面和斜波紋面的面形精度要求在廣2個氦光帶以內(I個氦光帶長0. 29微米)，表面粗糙度Ra在5納米以內。由於斜傾波紋面是一種空間自由曲面，無法採用傳統磨削方法加工，而採用多軸聯動數控點接觸磨削時，砂輪磨損快，形狀保持性差，很難獲得令人滿意的面形精度；氣囊拋光、磁流變拋光、離子束拋光等計算機控制光學表面修形技術可實現光學曲面的高精度加工，但是加工效率低，加工環狀零件時不同程度存在著邊緣效應問題，密封壩面與斜波紋面交接處是一階微分不連續的，精確修形極其困難；採用雷射加工時存在表面粗糖度偏大問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，能夠實現由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環複雜形面高面形精度、低表面粗糙度加工。本發明採用如下技術方案來實現
採用一個工件軸、一個杯形砂輪、一個砂輪軸、一個擺動工作檯、一個X向直線移動平臺和一個Z向直線移動平臺，通過杯形砂輪端面做切入磨削。密封環被夾持在工件軸前端中心處，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線做高精度迴轉運動，工件軸的徑向跳動和端面跳動為(To. I微米，迴轉定位誤差為(Tl分。杯形砂輪安裝在砂輪軸上，該杯形砂輪繞其迴轉軸線做高精度迴轉運動，砂輪軸的徑向跳動和端面跳動為(To. I微米。工件軸安裝在擺動工作檯上，擺動工作檯的擺動定位誤差為(T20秒，擺動工作檯安裝在X向直線移動平臺的溜板上。砂輪軸安裝在z向直線移動平臺的溜板上，X向直線移動平臺和z向直線移動平臺安裝在工具機床身上。X向直線移動平臺的運動方向和z向直線移動平臺的運動方向垂直，工件軸的迴轉軸線與擺動工作檯的擺動軸線垂直，砂輪軸的回 轉軸線與z向直線移動平臺的運動方向平行，砂輪軸的迴轉軸線與擺動工作檯的擺動軸線垂直相交，杯形砂輪的端面朝向工件軸。X向直線移動平臺帶動擺動工作檯、工件軸及密封環做高精度直線運動，定位精度為(T20納米，z向直線運動平臺帶動砂輪軸及杯形砂輪做高精度直線運動，定位精度為(T20納米。杯形砂輪直徑為15(T700毫米，杯形砂輪端面寬度為2飛毫米，杯形砂輪所用磨料為1000#或更細粒度的金剛石。當杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行時，工件軸迴轉軸線上任意一點到過杯形砂輪迴轉軸線和擺動工作檯擺動軸線的平面的距離等於斜波紋面中徑的二分之一，杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線距離大於砂輪半徑和斜波紋面內半徑平方和後開平方，杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線距離小於砂輪半徑和斜波紋面外半徑平方和後開平方。工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動能夠聯動控制。杯形砂輪轉速為5(T5000轉/分，工件軸轉速為0. f 500轉/分。首先磨削斜波紋面，磨削斜波紋面時，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的迴轉軸線迴轉，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線迴轉，擺動工作檯帶動工件軸繞擺動工作檯的擺動軸線往復擺動，X向直線移動平臺帶動擺動工作檯做直線運動，Y向直線移動平臺帶動砂輪軸做直線運動。需要聯動控制工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動來生成斜波紋面。杯形砂輪的進給運動由Z向直線移動平臺的直線運動來實現。磨削斜波紋面時，若不計Z向直線移動平臺帶動杯形砂輪所做的進給運動，也不計砂輪磨損以及各種誤差，工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動將使杯形砂輪與包含斜波紋面內周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面內周邊上，並同時使杯形砂輪與包含斜波紋面外周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面外周邊上。磨削斜波紋面時，杯形砂輪轉速為10(T5000轉/分，工件軸轉速為0.廣50轉/分，利用杯形砂輪的端面做切入磨削。斜波紋面加工完成後磨削密封壩面，磨削密封壩面時鎖定X向直線移動平臺，擺動工作檯被鎖定在杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行的位置，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線等速迴轉，Z向直線移動平臺帶動杯形砂輪做進給運動，杯形砂輪轉速為1000^10000轉/分，工件軸轉速為10飛00轉/分，利用杯形砂輪的端面做切入磨削，直到磨削到最終尺寸為止。由於採用端面寬度只有2飛毫米的杯形砂輪的端面進行切入磨削，杯形砂輪與工件的磨削接觸區從被加工表面的內周邊一直貫穿到外周邊，不需要沿徑向的進給運動就能實現斜波紋面或壩面的磨削，因此不存在採用多軸聯動數控點接觸磨削時需要做複雜軌跡規劃問題。由於密封環斜波紋面的徑向輪廓傾角的最大值只有幾百微弧度，磨削密封環斜波紋面時，杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線的夾角極小，在幾百微弧度以內，兩軸線大體上是平行的，X向直線移動平臺的移動行程在0. 3毫米以內，因此磨削斜波紋面和密封壩面時杯形砂輪與密封環的接觸弧長度、接觸面積、切入角幾乎不變，磨削力保持恆定，加工狀態穩定，有利於保證加工精度。由於採用端面寬度只有2飛毫米杯形砂輪的端面進行切入磨削，磨削時杯形砂輪與密封環為線接觸，砂輪端面上各處的有效磨粒的切削速度、切削深度和切削路徑長度基本一致，因此砂輪端面各處的磨損是均勻的，磨削時杯形砂輪端面的幾何形狀保持不變，不存在砂輪精確修形難題。由於砂輪磨損只表現為杯形砂輪端面的均勻損耗，杯形砂輪磨損只對杯形砂輪端 面與擺動工作檯擺動軸線的距離產生影響，能夠通過Z向直線移動平臺的直線運動對砂輪磨損進行有效補償。本發明的效果和益處是能夠對由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環複雜形面進行高面形精度和低表面粗糙度加工。


圖I是本發明所要加工的密封環複雜形面示意圖。圖2是本發明的磨削原理圖。圖中1密封環；2斜波紋面；3壩面；4 X向直線移動平臺；5擺動工作檯；6工件軸；7杯形砂輪；8砂輪軸；9 Z向直線移動平臺。
具體實施例方式下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式
。如附圖I所示，待加工密封環的端面為由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動靜壓結合型機械密封環複雜形面，其內徑為160毫米、外徑為200毫米、密封壩面外徑為170毫米、斜波紋面徑向輪廓線傾角在(T0. 0006弧度之間沿周向周期性變化，波紋數量為9個，材料為無壓燒結碳化矽。如附圖2所示，採用一個高精度空氣軸承支撐的工件軸、一個杯形砂輪、一個高精度空氣軸承支撐砂輪軸、一個高精度液體靜壓軸承支撐的擺動工作檯、一個高精度液壓X向直線移動平臺和一個高精度液壓Z向直線移動平臺，通過杯形砂輪端面做切入磨削。密封環被夾持在工件軸前端中心處，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線做高精度迴轉運動，工件軸的徑向跳動和端面跳動為(To. 05微米，迴轉定位誤差為(To. 5分。杯形砂輪安裝在砂輪軸上，該杯形砂輪繞其迴轉軸線做高精度迴轉運動，砂輪軸的徑向跳動和端面跳動為(To. 05微米。工件軸安裝在擺動工作檯上，擺動工作檯的擺動定位誤差為(T8秒，擺動工作檯安裝在X向直線移動平臺的溜板上。砂輪軸安裝在Z向直線移動平臺的溜板上，X向直線移動平臺和Z向直線移動平臺安裝在工具機床身上。X向直線移動平臺的運動方向和Z向直線移動平臺的運動方向垂直，工件軸的迴轉軸線與擺動工作檯的擺動軸線垂直，砂輪軸的迴轉軸線與Z向直線移動平臺的運動方向平行，砂輪軸的迴轉軸線與擺動工作檯的擺動軸線垂直相交，杯形砂輪的端面朝向工件軸。X向直線移動平臺帶動擺動工作檯、工件軸及密封環做高精度直線運動，定位精度為(T20納米，Z向直線運動平臺帶動砂輪軸及杯形砂輪做高精度直線運動，定位精度為(T20納米。杯形砂輪直徑為350毫米，杯形砂輪端面的工作面寬度為3毫米，杯形砂輪所用磨料為1000#金剛石。當杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行時，工件軸迴轉軸線上任意一點到過杯形砂輪迴轉軸線和擺動工作檯擺動軸線的平面的距離等於92. 5毫米，杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線距離等於197毫米。工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動能夠聯動控制。杯 形砂輪轉速為50飛000轉/分，工件軸轉速為0. r500轉/分。首先磨削斜波紋面，磨削斜波紋面時，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的迴轉軸線迴轉，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線迴轉，擺動工作檯帶動工件軸繞擺動工作檯的擺動軸線往復擺動，X向直線移動平臺帶動擺動工作檯做直線運動，Y向直線移動平臺帶動砂輪軸做直線運動。需要聯動控制工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動來生成斜波紋面。杯形砂輪的進給運動由Z向直線移動平臺的直線運動來實現。磨削斜波紋面時，若不計Z向直線移動平臺帶動杯形砂輪所做的進給運動，也不計砂輪磨損以及各種誤差，工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動將使杯形砂輪與包含斜波紋面內周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面內周邊上，並同時使杯形砂輪與包含斜波紋面外周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面外周邊上。磨削斜波紋面時，杯形砂輪轉速為500轉/分，工件軸轉速為I轉/分，進給速度為0. 5微米/分，利用杯形砂輪的端面做切入磨削。斜波紋面加工完成後磨削密封壩面，磨削密封壩面時鎖定X向移動移動平臺，擺動工作檯被鎖定在杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行的位置，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線等速迴轉，Z向直線移動平臺帶動杯形砂輪做進給運動，杯形砂輪轉速為2000轉/分，工件軸轉速為50轉/分，利用杯形砂輪的端面做切入磨削，進給速度為I微米/分，微進給運動解析度為0. I微米。直到磨削到最終尺寸為止。
權利要求
1.一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，採用一個工件軸、一個杯形砂輪、一個砂輪軸、一個擺動工作檯、一個X向直線移動平臺和一個Z向直線移動平臺，通過杯形砂輪端面做切入磨削，其特徵是工件軸安裝在擺動工作檯上，擺動工作檯安裝在X向直線移動平臺的溜板上，砂輪軸安裝在Z向直線移動平臺的溜板上，X向直線移動平臺和Z向直線移動平臺安裝在工具機床身上，X向直線移動平臺的運動方向和Z向直線移動平臺的運動方向垂直，工件軸的迴轉軸線與擺動工作檯的擺動軸線垂直，砂輪軸的迴轉軸線與擺動工作檯的擺動軸線垂直相交，砂輪軸的迴轉軸線與Z向直線移動平臺的運動方向平行，杯形砂輪的端面朝向工件軸。
2.根據權利要求I所述的一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，其特徵在於，當杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行時，工件軸迴轉軸線上任意一點到過杯形砂輪迴轉軸線和擺動工作檯擺動軸線的平面的距離等於斜波紋面中徑的二分之一，杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線距離大於砂輪半徑和斜波紋面內半徑平方和後開平方，杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線距離小於砂輪半徑和斜波紋面外半徑平方和後開平方。
3.根據權利要求I所述的一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，其特徵在於，磨削斜波紋面時，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的迴轉軸線迴轉，工件軸帶動密封環繞工件軸的迴轉軸線迴轉，擺動工作檯帶動工件軸繞擺動工作檯的擺動軸線往復擺動，X向直線移動平臺帶動擺動工作檯做直線運動，Z向直線移動平臺帶動砂輪軸做直線運動，聯動控制工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動來生成斜波紋面，杯形砂輪的進給運動由Z向直線移動平臺的直線運動來實現。
4.根據權利要求I所述的一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，其特徵在於，磨削斜波紋面時，若不計Z向直線移動平臺帶動杯形砂輪所做的進給運動，也不計砂輪磨損以及各種誤差，工件軸的迴轉運動、擺動工作檯的往復擺動、X向直線移動平臺的直線運動和Z向直線移動平臺的直線運動將使杯形砂輪與包含斜波紋面內周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面內周邊上，並同時使杯形砂輪與包含斜波紋面外周邊的圓柱面交點始終在理論正確幾何形狀的斜波紋面外周邊上。
5.根據權利要求I所述的一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，其特徵在於，斜波紋面加工完成後磨削密封壩面，磨削壩面時杯形砂輪迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行。
全文摘要
一種四軸聯動機械密封環複雜形面磨削方法，屬於複雜形面磨削技術領域。其特徵是採用一個工件軸、一個杯形砂輪、一個砂輪軸、一個擺動工作檯、一個X向直線移動平臺和一個Z向直線移動平臺，工件軸安裝在擺動工作檯上，擺動工作檯安裝在X向直線移動平臺上，砂輪軸安裝在Z向直線移動平臺上，通過砂輪端面做切入磨削。磨削斜波紋面時聯動控制工件軸迴轉運動、擺動工作檯往復擺動、X向直線移動平臺和Z向直線移動平臺的直線運動，磨削壩面時砂輪軸迴轉軸線與工件軸迴轉軸線平行。本發明的效果和益處能實現由平的圓環形壩面和徑向輪廓為略微傾斜直線且其傾角沿周向周期性變化的斜波紋面構成的流體動壓密封環複雜形面高面形精度、低表面粗糙度加工。
文檔編號B24B19/11GK102785149SQ201210254280
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月20日 優先權日2012年7月20日
發明者馮光, 康仁科, 郭東明, 金洙吉, 霍鳳偉 申請人:大連理工大學