一種上遊泵送機械密封環的增材製造裝置的製作方法

2023-11-09 21:38:39

本發明屬於機械製造領域，具體地，涉及一種上遊泵送機械密封環的增材製造裝置。

背景技術：

上遊泵送機械密封是一種流體潤滑的非接觸式機械密封，可實現密封介質的零洩漏甚至零逸出、徹底消除對環境的汙染，具有磨損少、發熱小、使用壽命長、運行維護費用低、經濟效益明顯等優點，特別適用於高溫、高壓、易汽化、高危險及高汙染性等難密封場合，可替代普通的接觸式雙端面密封，具有廣闊的應用前景。密封環上的流體動壓槽是影響上遊泵送機械密封使用性能的關鍵部件，其槽形結構複雜，且加工精度和表面質量要求高(槽深精度<1μm，槽底面和槽頂面的表面粗糙度ra<0.1μm，平面度<0.9μm，各槽在密封端面上的位置精度<1μm)，為了提高密封的使用壽命，國內外多採用金屬基陶瓷或硬質合金等製作密封環，它們都具有很高的硬度，很強的耐磨性和耐腐蝕性。複雜的端面形貌結構、較高的加工精度要求以及難加工材料的應用給上遊泵送機械密封環的加工帶來了很大的困難，是影響其推廣應用的關鍵因素。

目前國內外常用的上遊泵送機械密封環的加工方法主要有電火花加工、雷射加工、噴砂法、化學蝕刻、光化學腐蝕等減材製造方法。

電火花加工是利用工具電極和動壓槽之間放電時產生的高溫高壓作用，將動壓槽內待去除的材料蝕刻掉，該方法要求放電間隙內的電介質均一且性能穩定、工具電極端面與密封環端面保持較高的平行度，才能獲得均勻放電的效果，否則難以保證各槽的槽深。此外，該方法加工上遊泵送機械密封環時，要製作與動壓槽形狀一致的工具電極端面，存在加工效率低、加工成本高、加工表面易產生微裂紋降低材料強度等問題，同時，加工過程中工具電極和動壓槽工件的二次放電現象還會使得動壓槽邊緣不齊，影響其使用性能。

雷射加工是一種瞬時局部熔化和氣化的熱加工，加工上遊泵送機械密封環時，其加工表面易存在微裂紋、變質層以及熱影響區等缺陷，同時易造成動壓槽的邊緣不齊。

噴砂法首先要製造噴砂掩膜，掩膜上開孔的圖案與動壓槽結構相同。當掩膜置於密封件端面上時，端面上動壓槽以外的部位被蓋住，露出部位的材料被高能噴砂去除，形成一定深度的動壓槽。該方法存在的問題是製造精度較低、加工的動壓槽邊緣不齊、尖角等精細部位的失真嚴重、截面槽形較差、噴砂面粗糙等，這些都會影響槽線的流體動壓效果及密封特性。

化學蝕刻是利用化學腐蝕液對上遊泵送機械密封環進行腐蝕刻槽。光化學腐蝕法是先在被刻槽的工件上塗以感光膠膜，然後將事先準備好的底片放於其上，經曝光，顯影，塗保護層，再在蝕刻液中浸蝕，以得到所需的上遊泵送機械密封環動壓槽。化學蝕刻和光化學腐蝕不易加工材質均一性差的金屬基陶瓷或硬質合金，且難以加工出高形狀精度的槽形。

申請人2015年申請的中國專利cn104911657a中公開了一種上遊泵送機械密封流體動壓槽的增材製造裝置，該專利通過工具電極下端的海綿擦頭將電鍍液擦塗在工件表面實現電鍍過程，但是採用海綿擦頭會帶來以下問題：

1.電鍍液導入速度慢，所以不能進行大電流的電鍍，導致鍍層增長很慢。

2.在電鍍過程中海綿擦頭始終接觸工件表面，電鍍液的電解容易產生氣泡，由於海綿擦頭始終接觸工件表面使得氣泡無法有效排除，使得電鍍的表面不夠緻密，氣孔較多。

3.海綿擦頭在使用過程中由於摩擦工件表面而帶來較大損耗，且該損耗無法補償，使得鍍層厚度不均勻，影響了製造精度。

4.海綿擦頭的直徑較大，對於形狀複雜精度要求高的密封環流體動壓槽，製作時精度較低。

技術實現要素：

為克服現有技術存在的缺陷，本發明提供一種上遊泵送機械密封環的高效增材製造裝置，高效率的製造出上遊泵送機械密封環整體及表面的流體動壓槽。

本發明的技術方案如下：

一種上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，其特徵在於，包括中心軸(1)、內衝液機構(2)、碳刷(3)、電鍍電源(4)、工作檯(5)、工件(6)、絕緣層(8)、數字伺服控制系統(9)、工具電極(10)、支撐架(12)和數據處理中心；

所述數據處理中心用於接收用戶輸入的上遊泵送機械密封環的建模圖形數據，並將建模圖形數據轉換為數字伺服控制系統(9)能夠識別的控制數據，用於控制工作檯在x、y、z軸方向的移動；

中心軸(1)連接在工具機主軸上，中心軸(1)下端通過螺紋連接工具電極(10)，中心軸(1)和工具電極(10)的中空通道連通，工具電極(10)下端外壁塗有較薄的絕緣層(8)，工具電極(10)上部靠近中間位置設置碳刷(3)，工具電極(10)通過碳刷(3)與電鍍電源(4)的正極相連接，工件(6)與電鍍電源的負極相連接；

內衝液機構(2)通過支撐架(12)連接到工具機上；內衝液機構(2)包括外殼體(18)、中心軸(1)、軸承(16)、o型圈(17)、螺柱(13)、螺母(14)；其中，外殼體(18)為圓筒形，表面開設有通入鍍液(7)的通孔,該通孔與金屬軟管(11)相連接用於通入鍍液；與外殼體(18)的通孔對應的，中心軸(1)上也開設有與該通孔配合的通孔作為鍍液(7)的輸入通道；

數字伺服控制系統(9)用於控制工作檯在x、y、z軸方向的移動，同時數字伺服控制系統(9)還用於實時監測並反饋工具電極末端和工件表面的距離。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，工具電極末端和工件表面的距離保持在0.1-1mm之間。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，外殼體(18)內部位於金屬軟管(11)的上、下設置兩個凹槽，用來定位用於密封的o型圈(17)。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，中心軸(1)上開設的與外殼體(18)的通孔配合的鍍液(7)輸入通道結構為：在中心軸(1)正對於外殼體(18)通道入口的軸表面上開有一個360°的環形凹槽，環形凹槽的高度比外殼體(18)的通孔直徑大，環形凹槽內開有一軸線與中心軸(1)軸線垂直相交的通孔，貫穿中心軸(1)，該通孔作為鍍液進入中心軸(1)中空通道的入口。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，工具電極直徑為0.3-3mm。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，工具電極末端和工件表面的電流密度為50-100安培/平方分米。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，外殼體(18)內部的上下部分各安裝一個滾動軸承，軸承外部安裝軸承端蓋(15)，軸承端蓋(15)與外殼體(18)通過螺柱(13)、螺母(14)連接，內衝液機構(2)通過左上側的螺柱(13)和螺母(14)連接到支撐架(12)上，支撐架(12)通過螺栓連接到工具機上。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，數字伺服控制系統(9)是通過實時監測並反饋工具電極和工件表面之間的電壓，以此來判斷工具電極和工件之間的距離，並通過控制工作檯沿z方向的移動來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離。

所述的上遊泵送機械密封環的增材製造裝置，鍍液(7)的成分為蒸餾水1000ml、硫酸鎳400-420g、硼酸55-60g、氯化鎳18-21g、活性炭6-8g、十二烷基硫酸鈉0.1-0.2g、雙氧水4-6ml；在配製過程中，先在燒杯中依次倒入硼酸和990ml蒸餾水，70-90℃水浴加熱並用玻璃棒攪拌使硼酸溶解；然後倒入硫酸鎳和氯化鎳，繼續水浴加熱並用玻璃棒攪拌至全部溶解；倒入活性炭顆粒和雙氧水試劑活化30min，並用濾紙過濾待用；在另一燒杯中倒入十二烷基硫酸鈉和剩餘的10ml的蒸餾水，70-90℃水浴加熱得到十二烷基硫酸鈉溶液，並將其倒入過濾後的試劑中，用均質機以6000-7000r/min轉速攪拌10min，靜置至室溫待用。

相對於現有技術，本發明具有如下有益效果：

1.本發明採用內衝液機構進行電鍍液的導入，電鍍液導入速度快，能夠進行大電流的電鍍，鍍層增長很快，可以採用較大的電流密度(參考表1)，因此鍍層增長效率高。

2.本發明工具電極距離工件表面有一定間隙(0.1-1mm)，可以很方便地排除電鍍液電解過程中產生的氣泡，再加上電鍍液的快速流動可以將氣泡衝走，還可以在電鍍間隙中時刻保持新鮮的電鍍液，有利於改善電鍍效果。

3.本發明採用數字伺服控制系統來檢測工具電極和工件表面之間的電壓，以此來判斷工具電極和工件之間的距離，並通過控制工作檯沿z方向的移動來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離，可以提高製造精度。

4.由於取消了海綿擦頭的技術方案，本發明可以採用直徑較小的工具電極(工具電極直徑0.3-3mm。)，可以製作形狀複雜、精度要求高的流體動壓槽(如圖3所示)。

附圖說明

圖1是上遊泵送機械密封環的高效增材製造裝置結構示意圖；

圖2是上遊泵送機械密封環的高效增材製造裝置內衝液機構示意圖；

圖中：1、中心軸，2、內衝液機構，3、碳刷，4、電鍍電源，5工作檯、6、工件，7、鍍液，8、絕緣層，9、數字伺服控制系統，10、工具電極，11、金屬軟管，12、支撐架，13、螺柱，14、螺母，15、軸承端蓋，16、軸承，17、o型圈，18、外殼體，19環形凹槽。

圖3是常見上遊泵送機械密封動密封環端面開槽類型，a單列外徑開槽型，b人字槽型，c八字槽型。

具體實施方式

以下結合具體實施例，對本發明進行詳細說明。

如圖1和圖2所示，上遊泵送機械密封環的高效增材製造裝置，包括中心軸1、內衝液機構2、碳刷3、電鍍電源4、工作檯5、工件6、絕緣層8、數字伺服控制系統9、工具電極10、支撐架12和數據處理中心；

所述數據處理中心用於接收用戶輸入的上遊泵送機械密封環的建模圖形數據，並將建模圖形數據轉換為數字伺服控制系統9能夠識別的控制數據，用於控制控制工作檯在x、y、z軸方向的移動。

其中：中心軸1連接在工具機主軸上，中心軸1下端通過螺紋連接工具電極10，中心軸1和工具電極10的中空通道連通，工具電極10下端外壁塗有較薄的絕緣層8，工具電極10上部靠近中間位置設置碳刷3，工具電極10通過碳刷3與電鍍電源4的正極相連接，工件6與電鍍電源的負極相連接。內衝液機構2通過支撐架12連接到工具機上。

本發明中，工具電極直徑為0.3-3mm。

內衝液機構2包括外殼體18、中心軸1、軸承16、o型圈17、螺柱13、螺母14。其中，外殼體18為圓筒形，表面開設有通入鍍液7的通孔,該通孔與金屬軟管11相連接用於通入鍍液。外殼體18內部位於金屬軟管11的上、下設置兩個凹槽，用來定位用於密封的o型圈17。與外殼體18的通孔對應的，中心軸1上也開設有與該通孔配合的通孔作為鍍液的輸入通道；具體的：在中心軸1正對於外殼體18通道入口的軸表面上開有一個360°的環形凹槽19，環形凹槽19的高度比外殼體18的通孔直徑大，環形凹槽19內開有一軸線與中心軸1軸線垂直相交的通孔，貫穿中心軸1，該通孔作為鍍液進入中心軸1中空通道的入口；由於環形凹槽的存在，無論中心軸1位於什麼位置，鍍液始終能夠進入中心軸1的中空通道內，以保證中心軸在高速旋轉時液體能均勻地進入中心軸通道內，防止鍍液產生不穩定的脈動。

外殼體18內部的上下部分各安裝一個滾動軸承，軸承外部安裝軸承端蓋15，軸承端蓋15與外殼體18通過螺柱13、螺母14連接，內衝液機構2通過左上側的螺柱13和螺母14連接到支撐架12上，支撐架12通過螺栓連接到工具機上。

數字伺服控制系統9用於控制工作檯在x、y、z軸方向的移動，同時數字伺服控制系統9還用於實時監測並反饋工具電極末端和工件表面的距離，實時保持兩者距離在0.1-1mm之間。數字伺服控制系統9是通過實時監測並反饋工具電極和工件表面之間的電壓，以此來判斷工具電極和工件之間的距離，並通過控制工作檯沿z方向的移動來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離。

鍍液7的成分為蒸餾水1000ml、硫酸鎳400-420g、硼酸55-60g、氯化鎳18-21g、活性炭6-8g、十二烷基硫酸鈉0.1-0.2g、雙氧水4-6ml。在配製過程中，先在燒杯中依次倒入硼酸和990ml蒸餾水，70-90℃水浴加熱並用玻璃棒攪拌使硼酸溶解；然後倒入硫酸鎳和氯化鎳，繼續水浴加熱並用玻璃棒攪拌至全部溶解；倒入活性炭顆粒和雙氧水試劑活化30min，並用濾紙過濾待用；在另一燒杯中倒入十二烷基硫酸鈉和剩餘的10ml的蒸餾水，70-90℃水浴加熱得到十二烷基硫酸鈉溶液，並將其倒入過濾後的試劑中，用均質機以6000-7000r/min轉速攪拌10min，靜置至室溫待用。

成形方法：

步驟1：用戶向數據處理中心輸入上遊泵送機械密封環本體及流體動壓槽的建模圖形數據，並將建模圖形數據轉換為數字伺服控制系統9能夠識別的控制數據，並將該控制數據輸送到數字伺服控制系統9；

步驟2：工件6安裝在工作檯5上，中心軸1和工具電極10在工具機的帶動下做高速旋轉運動，同時，鍍液7在1-2mpa的壓力作用下經過金屬軟管11進入到中心軸1內孔中，然後進入到工具電極10內孔，流入到工件表面。

步驟3：電鍍電源4上電，數字伺服控制系統9根據數據處理中心傳來的控制數據，控制工作檯進行x、y方向的移動成形所需要的機械密封環本體，在電鍍電源4的作用下，鍍液中的金屬離子在工件6處被還原為金屬，從而在工件表面沉積得到上遊泵送機械密封環本體，使得工件表面快速生長出一層均勻的上遊泵送機械密封環本體金屬層。與此同時，工具電極則失去電子產生金屬離子進入鍍液，以補充鍍液中消耗的金屬離子；數字伺服控制系統9實時檢測工具電極和工件表面之間的電壓，以此來判斷工具電極和工件之間的距離，並通過控制工作檯5沿z軸方向的移動來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離(0.1-1mm之間)，以此彌補工具電極消耗引起的工具電極和工件之間的距離增加。

步驟4：當工件表面生長出一層均勻的上遊泵送機械密封環本體金屬層後，數字伺服控制系統9控制工作檯沿z正方向上移所生長的金屬層的厚度，重複步驟3繼續增材製造出一層均勻厚度的上遊泵送機械密封環本體金屬層，循環往復可逐層增材製造出符合要求的上遊泵送機械密封環本體。

步驟5：數字伺服控制系統9根據數據處理中心傳來的控制數據，控制工作檯進行x、y方向的移動，在機械密封環本體上成形所需要的流體動壓槽；數字伺服控制系統9實時檢測工具電極和工件表面之間的電壓，以此來判斷工具電極和工件之間的距離，並通過控制工作檯5沿z軸方向的移動來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離(0.1-1mm之間)，以此彌補工具電極消耗引起的工具電極和工件之間的距離增加。

步驟6：當工件表面生長出一層均勻的流體動壓槽金屬層後，數字伺服控制系統9控制工作檯沿z正方向上移所生長的流體動壓槽金屬層的厚度，重複步驟5繼續增材製造出一層均勻厚度的流體動壓槽金屬層，循環往復可逐層增材製造出符合要求的流體動壓槽。

由於工具電極距離工件表面的距離很小，在0.1-1mm之間，工具電極和工件表面之間的電場密度很高，因此工具電極沿長度方向消耗較快，數字伺服控制系統9檢測工具電極和工件表面之間的電壓，以此來判斷工具電極和工件之間的距離，並通過控制工作檯5沿z方向的移動來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離。當工具電極沿長度方向消耗之後，其消耗的工具電極外壁處的絕緣層會被高速流動的鍍液所衝走，離開工件表面。

申請人針對cn104911657a和本發明專利，採用相同的鍍液做了對比試驗，參考表1，本發明半個小時的鍍層增長厚度為0.5-1毫米，相比cn104911657a來說提高了4-7倍，電流密度為50-100安培/平方分米，提高了10-20倍，表面很少有氣孔。

表1

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。