專利名稱：一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法
技術領域：
本發(fā)明屬于復雜形面磨削技術領域，涉及機械密封環(huán)的磨削，特別涉及一種由平的圓環(huán)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(huán)復雜形面的超精密磨削方法。
背景技術：
機械密封廣泛應用于泵、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(yè)生產的發(fā)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制造得盡可能平整，目的是使兩個密封端面間的有效間隙盡可能小以便減小泄露。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于接觸狀態(tài)，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(huán)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(wěn)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. O.等人于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(huán)也可以是靜環(huán)的端面由平的圓環(huán)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(huán)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(yōu)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(tài)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，而密封壩面增強泄漏控制能力。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(yōu)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(huán)通常由高硬材料如碳化硅、氮化硅、碳化鎢制成，密封環(huán)壩面和斜波紋面的面形精度要求在Γ2個氦光帶以內(I個氦光帶長O. 29微米)，表面粗糙度Ra在5納米以內。由于斜傾波紋面是一種空間自由曲面，無法采用傳統(tǒng)磨削方法加工，而采用多軸聯(lián)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(huán)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(xù)的，精確修形極其困難；采用激光加工時存在表面粗糖度偏大問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，能夠實現由平的圓環(huán)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(huán)復雜形面高面形精度、低表面粗糙度加工。本發(fā)明采用如下技術方案來實現
采用一個工件軸、一個杯形砂輪、一個砂輪軸、一個擺動工作臺、一個直線移動平臺，通過杯形砂輪端面做切入磨削。密封環(huán)被夾持在工件軸前端中心處，工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線做高精度回轉運動，工件軸的徑向跳動和端面跳動為(To. I微米，回轉定位誤差為(Ti分。杯形砂輪安裝在砂輪軸上，該杯形砂輪繞其回轉軸線做高精度回轉運動，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臺上，砂輪軸安裝在直線移動平臺的溜板上，擺動工作臺和直線移動平臺安裝在機床床身上。工件軸的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線垂直，砂輪軸的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線垂直相交，砂輪軸的回轉軸線與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。擺動工作臺帶動工件軸繞擺動工作臺的擺動軸線做高精度往復擺動，擺動定位誤差為(Γ20秒。直線移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(Γ20納米。杯形砂輪直徑為15(Γ700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。當杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行時，工件軸回轉軸線上任意一點到過杯形砂輪回轉軸線和擺動工作臺擺動軸線的平面的距離等于斜波紋面中徑的二分之一，杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線距離大于砂輪半徑和斜波紋面內半徑平方和后開平方，杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線距離小于砂輪半徑和斜波紋面外半徑平方和后 開平方。工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動、直線移動平臺的直線運動能夠聯(lián)動控制。杯形砂輪轉速為5(Γ10000轉/分，工件軸轉速為O. Γ500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回轉軸線回轉，工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線回轉，擺動工作臺帶動工件軸和密封環(huán)繞擺動工作臺的擺動軸線往復擺動，直線移動平臺帶動砂輪軸和杯形砂輪做直線運動。需要聯(lián)動控制工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動和直線移動平臺的往復直線運動來生成斜波紋面。磨削時杯形砂輪相對于密封環(huán)的進給運動由直線移動平臺的直線運動來實現。磨削斜波紋面時，若不計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，工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動和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，并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(Γ5000轉/分，工件軸轉速為O.廣50轉/分，利用杯形砂輪的端面做切入磨削。斜波紋面加工完成后磨削密封壩面，磨削密封壩面時擺動工作臺被鎖定在杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行的位置，工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線等速回轉，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的回轉軸線等速回轉，直線移動平臺帶動杯形砂輪做進給運動，杯形砂輪轉速為100(Γ10000轉/分，工件軸轉速為1(Γ500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。由于采用端面寬度只有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(qū)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，因此不存在采用多軸聯(lián)動數控點接觸磨削時需要做復雜軌跡規(guī)劃問題。由于密封環(huán)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(huán)斜波紋面時，杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線的夾角極小，在幾百微弧度以內，兩軸線大體上是平行的，因此磨削斜波紋面和密封壩面時杯形砂輪與密封環(huán)的接觸弧長度、接觸面積、切入角幾乎不變，磨削力保持恒定，加工狀態(tài)穩(wěn)定，有利于保證加工精度。由于采用端面寬度只有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(huán)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。由于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臺擺動軸線的距離產生影響，能夠通過直線移動平臺的直線運動對砂輪磨損進行有效補償。本發(fā)明的效果和益處是能夠對由平的圓環(huán)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(huán)復雜形面進行高面形精度和低表面粗糙度加工?！?br>

圖I是本發(fā)明所要加工的密封環(huán)復雜形面示意圖。圖2是本發(fā)明的磨削原理圖。圖中1密封環(huán)；2斜波紋面；3壩面；4擺動工作臺；5工件軸；6杯形砂輪；7直線移動平臺；8砂輪軸。
具體實施例方式下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方式
。如附圖I所示，待加工密封環(huán)的端面為由平的圓環(huán)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(huán)復雜形面，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(Γ0. 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硅。如附圖2所示，采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、一個高精度液壓擺動工作臺和一個高精度液壓直線移動平臺，通過杯形砂輪端面做切入磨削。密封環(huán)被夾持在工件軸前端中心處，工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線做高精度回轉運動，工件軸的徑向跳動和端面跳動小于O. 05微米，回轉定位誤差小于O. 5分。杯形砂輪安裝在砂輪軸上，該杯形砂輪繞其回轉軸線做高精度回轉運動，砂輪軸的徑向跳動和端面跳動小于O. 05微米。工件軸安裝在擺動工作臺上，砂輪軸安裝在直線移動平臺的溜板上，擺動工作臺和直線移動平臺安裝在機床床身上。工件軸的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線垂直，砂輪軸的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線垂直相交，砂輪軸的回轉軸線與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。擺動工作臺帶動工件軸繞擺動工作臺的擺動軸線做高精度往復擺動，擺動定位誤差為0 8秒，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(Γ20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。當杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行時，杯形砂輪回轉軸線上任意一點到過杯形砂輪回轉軸線和擺動工作臺擺動軸線的平面的距離等于92. 5毫米，杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線距離為197毫米。杯形砂輪轉速為5(Γ5000轉/分，工件軸轉速為O. Γ500轉/分。首先磨削斜波紋面，磨削斜波紋面時,工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線回轉，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的回轉軸線回轉，擺動工作臺帶動工件軸和密封環(huán)繞擺動工作臺的擺動軸線往復擺動，直線移動平臺帶動砂輪軸和和杯形砂輪做直線運動。需要聯(lián)動控制工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動和直線移動平臺的直線運動來生成斜波紋面。磨削時杯形砂輪的進給運動由直線移動平臺的直線運動來實現。磨削斜波紋面時，若不計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，工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動和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，并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O. 5微米/分，利用杯形砂輪的端面做切入磨削。斜波紋面加工完成后磨削密封壩面，磨削密封壩面時擺動工作臺被鎖定在杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行的位置，工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線回轉，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的回轉軸線回轉，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，微進給運動分辨率為O. I微米，直到磨削到最終尺寸為止。
權利要求
1.一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，采用一個工件軸、一個杯形砂輪、一個砂輪軸、一個擺動工作臺和一個直線移動平臺，通過杯形砂輪端面做切入磨削，其特征是密封環(huán)被夾持在工件軸前端中心處，工件軸安裝在擺動工作臺上，砂輪軸安裝在直線移動平臺的溜板上，擺動工作臺和直線移動平臺安裝在機床床身上，工件軸的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線垂直，砂輪軸的回轉軸線與擺動工作臺的擺動軸線垂直相交，砂輪軸的回轉軸線與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所述的一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，其特征在于，當杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行時，工件軸回轉軸線上任意一點到過杯形砂輪回轉軸線和擺動工作臺擺動軸線的平面的距離等于斜波紋面中徑的二分之一，杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線距離大于砂輪半徑和斜波紋面內半徑平方和后開平方，杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線距離小于砂輪半徑和斜波紋面外半徑平方和后開平方。
3.根據權利要求I所述的一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，其特征在于，磨削斜波紋面時，砂輪軸帶動杯形砂輪繞砂輪軸的回轉軸線回轉，工件軸帶動密封環(huán)繞工件軸的回轉軸線回轉，擺動工作臺帶動工件軸和密封環(huán)繞擺動工作臺的擺動軸線往復擺動，直線移動平臺帶動砂輪軸和杯形砂輪做直線運動，聯(lián)動控制工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動直線移動平臺的往復直線運動來生成斜波紋面，磨削時杯形砂輪相對于密封環(huán)的進給運動由直線移動平臺的直線運動來實現。
4.根據權利要求I所述的一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，其特征在于，磨削斜波紋面時，若不計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，工件軸的回轉運動、擺動工作臺的往復擺動和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，并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所述的一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，其特征在于，斜波紋面加工完成后磨削密封壩面，磨削密封壩面時擺動工作臺被鎖定在杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行的位置。
全文摘要
一種三軸聯(lián)動機械密封環(huán)復雜形面磨削方法，屬于復雜形面磨削技術領域。其特征是采用一個工件軸、一個杯形砂輪、一個砂輪軸、一個擺動工作臺、一個直線移動平臺，工件軸安裝在擺動工作臺上，砂輪軸安裝在直線移動平臺上，砂輪軸回轉軸線與擺動工作臺擺動軸線垂直相交，砂輪軸回轉軸線與直線移動平臺運動方向平行，通過砂輪端面做切入磨削。磨削斜波紋面時聯(lián)動控制工件軸回轉運動、擺動工作臺往復擺動和直線移動平臺直線運動。磨削壩面時杯形砂輪回轉軸線與工件軸回轉軸線平行。本發(fā)明的效果和益處能實現由平的圓環(huán)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(huán)復雜形面高面形精度、低表面粗糙度加工。
文檔編號B24B19/11GK102806508SQ201210259958
公開日2012年12月5日 申請日期2012年7月20日 優(yōu)先權日2012年7月20日
發(fā)明者霍鳳偉, 郭東明, 康仁科 申請人:大連理工大學