在非接触式机械密封端面开设曲面浅槽新方法

2021-09-14霍凤伟张成建刘逸卓

重庆理工大学学报(自然科学) 2021年8期

霍凤伟，张健，张成建，刘逸卓

(营口理工学院机械与动力工程学院，辽宁营口 115014)

浅槽机械密封是在密封环的平端面上加工出一系列深度为微米级的动压槽，如螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽、直槽及各种异形槽等，在运转时，由于动压槽的动压效应，将进入该槽的密封流体的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这2个面推开而不接触，并在之间形成连续、稳定的密封流体的薄膜，实现非接触式机械密封[1]。浅槽机械密封的动压槽一般在碳化钨、碳化硅、氮化硅等硬质密封面上开设，高精度加工比较困难，但是其几何形状对流体薄膜的厚度、刚度、承载能力和稳定性影响较大，良好的动压槽几何形状设计及高精度加工是浅槽机械密封的核心技术[2-3]。目前浅槽机械密封还存在不足。例如，普通的平底等深螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽及各种异形槽，由于槽深相等，属于二维收敛型动压槽，流体动压效应不强，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封性能的不稳定[4-8]。通过在密封端面开设三维收敛型动压槽来增强端面流体的动压效应，进而增大端面流体薄膜的承载能力和流体膜薄刚度，从而提升密封运行稳定性和可靠性并延长使用寿命，是浅槽机械密封的主要研究方向之一。Sedy Josef[4]提出了一种由两级平底台阶或斜底台阶构成的动压槽型。王玉明[5]发明了一种双螺旋角三维螺旋槽端面密封装置，其端面上开设的螺旋浅槽的槽深从高压侧到低压侧逐渐变浅。王丹[6]发明了一种可双向旋转的阶梯圆弧槽机械密封。刘向锋[7]提出了一种槽底为斜平面的斜直线槽机械密封结构，槽深从上游即高压侧到下游即低压侧逐渐变浅，且呈线性变化，直至与平行端面相接，从而形成一种收敛形直线槽。王和顺[8]提出了一种沿径向次第变深的多级平底台阶构成的螺旋槽机械密封装置。这些三维收敛型动压槽一般具有结构精细而精度高，粗糙度要求严格的特点，可加工性一般较差，现多采用高能激光束分层加工来近似成形。周平等[9]提出了一种周向波度密封环的预变形平面研磨加工方法。毛文元等[10]综述了流体动压槽加工技术研究进展，并评述了各种加工技术的优缺点，包括光刻加工、电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工等。纪仁杰等[11-12]提出复合电镀碳化硅陶瓷粉增材制造上游泵送机械密封环的方法，对复合电镀机理进行深入研究。毛文元等[13]利用光纤激光标刻机对干气密封常用的碳化硅和碳化钨金材料进行了螺旋槽激光加工工艺研究，指出槽深和槽底表面的加工精度将对密封性能产生重大影响，但精准控制槽深和槽底表面仍有挑战。本文中提出基于杯形砂轮线接触磨削原理的在非接触式机械密封端面开设曲面浅槽新方法。

1 浅槽设计与加工新原理

研究发现采用宽度为3 mm的窄杯形砂轮(如图1所示)磨削密封环时，其原理如图2所示，由于砂轮工作表面与工件之间的弧形接触区的宽度较窄，因而可看作线接触，砂轮工作表面可以简化成一个切削圆周，磨削接触区可以简化成一条接触弧线[14-15]。一个圆周在三维空间中有5个自由度，可以借助数学方法，选择5个独立变量建立坐标系和方程来描述该圆周的位姿和位置及其运动。而瞬时位姿和位置可以由直线运动或转动或由它们构成的复合运动来描述。当以适当的位姿沿着一条直线或曲线运动时就可以生成曲面。如果将该圆周最低点始终控制在密封端面之外，那么该圆周在三维空间运动时与密封环有2个交点、1个交点或无交点，当有2个交点时，如果第1个交点在密封端面上，第2个交点在密封环外圆面上，从第2个交点直至第1个交点范围内，圆周上各点相对于密封端面的深度逐渐减小直至为0，所生成的曲面从上游侧向下游侧是逐渐变浅的，从上游侧向下游侧也通常是逐渐变窄的，呈现三维收敛形状。如果杯形砂轮半径、杯形砂轮在三维空间中的位置和位姿合理取值，磨削接触弧线的运动轨迹即为高精度曲面槽，如图3所示。

图1 杯形砂轮照片

图2 杯形砂轮线接触磨削密封环曲面槽原理图

图3 圆周运动形成曲面槽原理图

此外，在机械制造领域利用刀具进行加工时形成表面的过程就是控制刀具的刀刃沿一定轨迹运动将工件上多余的材料去除的过程。采用端面宽度较窄的杯形砂轮磨削时，从磨削加工表面成形的角度来看，杯形砂轮相当于一个具有切削功能的圆周，如果所用的砂轮半径与设计曲面槽时所用的圆周半径相等，杯形砂轮相对于工件所做的成形运动与曲面槽设计时所用的运动规律一致，磨削时没有表面形成原理误差，可精确成形，实现高精度加工。

2 曲面槽磨削方法

控制杯形砂轮在三维空间位置的参数至少有3个，控制杯形砂轮在三维空间位姿的参数至少有2个，而控制密封环相位角的参数有1个，在数学可能性上，实现密封环曲面槽的磨削成形可以是无联动、2轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动或6轴联动，然而从超精密机床设计和制造观点来看，联动轴数量越多，越不利于保证机床的刚度和精度，在工程上可实现的难度越大。根据少轴高刚度高精度原则，本研究中提出了一种无需联动的磨削方法和2种2轴联动磨削方法，分别标记为磨削方法1～3。

2.1 磨削方法1

磨削方法1不用联动控制即可加工密封环的曲面槽，其运动关系和机床简图如图4、5所示，由2个直线进给轴、1个砂轮轴、1个杯形砂轮和1个分度转台构成，杯形砂轮回转轴线与分度转台的回转轴线略微倾斜一微小角度，带动分度转台做进给运动的直线轴的运动方向与分度转台的回转轴线不垂直，而是偏离一微小角度。合理选择砂轮半径并合理设定砂轮倾角、带动分度转台做进给运动的直线轴的俯仰角和方位角，分度转台的初始方位角、杯形砂轮工作面中心到分度转台回转轴线的初始距离和杯形砂轮的高度后，分度转台在进给轴的带动下从进给轴的一端运动到另一端时磨削生成表面，即为一个完整的曲面槽，进而将分度转台转过一个适当角度后，即可磨削下一曲面槽，分度转台转过完整一周后，即可加工出密封环的全部曲面槽。由于采用方法1磨削时分度转台是静止不动的，仅需要一个直线运动就可以实现曲面槽的成形，因而是最简单的加工方法。

图4 磨削方法1的运动关系示意图

图5 磨削方法1的机床简图

2.2 磨削方法2

采用磨削方法1加工密封环曲面槽时，由于磨削时分度转台静止不动，还无法自由控制曲面槽沿周向扩展，因此所能加工的面形种类比较有限。与方法1不同，磨削方法2采用1个C轴和1个X轴，通过二者联动实现曲面槽成形，可自由控制曲面槽沿周向扩展，还可以一定程度上控制槽深和径向扩展，如图6、7所示。

图6 磨削方法2的运动关系示意图

图7 磨削方法2的机床简图

2.3 磨削方法3

除了磨削方法2外，还存在另一种形式的2轴联动磨削方法，即磨削方法3，其运动关系和机床简图如图8和图9所示，由1个C轴、1个砂轮轴、1个杯形砂轮和一个Z轴构成，杯形砂轮回转轴线与C轴的回转轴线略微倾斜一微小角度。合理选择杯形砂轮半径并合理设定杯形砂轮倾角、C轴方位角、杯形砂轮工作面中心到C轴回转轴线的距离高度后，联动控制C轴和Z轴即可加工出曲面槽。磨削方法3可以加工径向对称的或非对称的、径向轮廓倾斜程度大体一致的曲面槽。

图8 磨削方法3的运动关系示意图

图9 磨削方法3的机床简图

3 曲面槽设计方法

上节提出的3种磨削方法都能够实现密封环曲面槽的加工，因此分别依据这3种磨削成形原理提出了3种密封环曲面槽设计方法。

参照图10所示坐标系用α、β、k、θ、φ、ψ、e、k1、β1、h和R共11个设计变量建立统一的曲面槽数学模型。

图10 密封环曲面槽设计坐标系示意图

在坐标系O4(X4，Y4，Z4)、O4(X3，Y3，Z3)、O1(X2，Y2，Z2)和O(X1，Y1，Z1)下磨削接触弧上任意点P坐标为

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：φ为磨削接触弧上任意一点P的相位角； Δ1为杯形砂轮工作面中心到杯形砂轮倾斜控制轴心的距离。

磨削接触弧线与曲面槽内周边交点的z1坐标与密封坝面的z1坐标相等，因此有

h-Rsinα-Rsinαcosφ1=Δ2

(5)

式中：Δ2为密封坝面在坐标系O(X1，Y1，Z1)下的高度值。

磨削接触弧线与曲面槽外周边交点P2的径向距离恒等于密封环外半径r2，因此有

(6)

式中：φ1和φ2分别为点P1和P2的相位角。

直线AO与y1负半轴的夹角θd为

(7)

由磨削接触弧线运动轨迹所生成的曲面槽在坐标系O(X，Y，Z)下的方程为

(8)

其中0≤θ≤2π，φ2≤φ≤φ1。

3.1 基于磨削成形原理1的设计方法

基于磨削成形原理1的曲面槽设计方法有10个设计变量。其中R物化为砂轮半径，α、φ、k1和β1为独立机床结构参数，分别物化为杯形砂轮倾角，进给轴相位角、杯形砂轮与密封环刚好接触时的杯形砂轮工作面中心到分度转台的距离、杯形砂轮与密封环刚好接触时的分度转台相位角。ψ为非独立机床结构参数，物化为进给轴俯仰角。k为独立机床运动参数，物化为杯形砂轮工作面中心到分度转台的距离。β、θ和h为非独立机床运动参数，分别物化为分度转台方位角、分度转台相位角和砂轮高度，如图10所示。β、θ、ψ和h由下式给出

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

θ=0

(15)

槽外周边的深度d为

(16)

r1=

(17)

l=2r2arctanζ-2r2arctanξ

(18)

当杯形砂轮工作面中心到分度转台的距离为k0时，此时，分别对应β0、φ10、φ20，有

(19)

式中：

(20)

(21)

槽外周边的深度d为

(22)

(23)

式中：k2为杯形砂轮与密封环脱离接触时的杯形砂轮工作面中心到分度转台的距离；r2为密封环外半径。

给定R、α、φ、k1和β1后，当k从k1连续变化到k2时，式(8)所描述的曲面即为一个曲面槽。改变R、α、β、φ、k1和β1中的一个或多个变量的设定值都可以改变曲面槽的形状，以密封性能、承载能力、流体膜刚度、稳定性为目标，通过有限元或连续流体动力学分析可以找到较优的曲面槽形。

3.2 基于磨削成形原理2的设计方法

基于磨削成形原理2的曲面槽设计方法有11个设计变量。其中R物化为砂轮半径，α、φ、k1和β1为独立机床结构参数，分别物化为杯形砂轮倾角，进给轴相位角、杯形砂轮与密封环刚好接触时的杯形砂轮工作面中心到C轴的距离、杯形砂轮与密封环刚好接触时的C轴相位角。ψ为非独立机床结构参数，物化为进给轴俯仰角。k和θ为独立机床运动参数，分别物化为杯形砂轮工作面中心到C轴的距离和C轴相位角。β和h为非独立机床运动参数，分别物化为C轴方位角和砂轮高度。β、ψ和h由式(9)～(14)给出。

给定R、α、φ、k1和β1后，使k为θ的连续周期函数，当k从k1连续变化到k2，或者当k从k1连续变化到k1和k2之间的某一个值后再回退到k1，或者当k从k2连续变化到k1和k2之间的某一个值后再回退到k2，式(8)所描述的曲面即为一个曲面槽。改变R、α、β、φ、k1和β1中的一个或多个变量的设定值都可以改变曲面槽的形状，改变k和θ的数学关系也可以改变曲面槽的形状，以密封性能、承载能力、流体膜刚度、稳定性为目标，通过有限元或连续流体动力学分析可找到较优的曲面槽型。

3.3 基于磨削成形原理3的设计方法

基于磨削成形原理3的曲面槽设计方法有6个设计变量。其中R物化为砂轮半径，α、k和β为独立机床结构参数，分别物化为杯形砂轮倾角、杯形砂轮工作面中心到C轴的距离和C轴方位角。k和θ为独立机床运动参数，分别物化为杯形砂轮工作面中心到分度转台的距离和C轴相位角。θ和h为独立机床运动参数，分别物化为C轴相位角和砂轮高度，如图10所示。给定R、α、k和β后，使h为θ连续周期函数，式(8)所描述的曲面即为一个曲面槽。改变R、α、k和β中的一个或多个变量的设定值都可以改变曲面槽的形状，改变θ和h的数学关系也可以改变曲面槽的形状，以密封性能、承载能力、流体膜刚度、稳定性为目标，通过有限元或连续流体动力学分析可以找到较优的曲面槽型。

4 初步验证

采用磨削方法1加工密封环曲面槽时只需要一个进给轴的直线运动即可实现曲面槽的成形，而无需多轴联动，在3种方法中最容易实现。因此针对第一种方法进行实验验证。

4.1 曲面槽面形设计

所设计的密封环内外直径分别为110 mm和150 mm。杯形砂轮半径R=140 mm。砂轮倾角α=0.000弧度，进给轴相位角φ=9°，杯形砂轮与密封环刚好接触时的杯形砂轮工作面中心到分度转台的距离k1=161.658 mm，杯形砂轮与密封环刚好接触时的分度转台相位角β1=51°。杯形砂轮与密封环刚好脱离接触时的分度转台相位角β2=95°。根据式(1)～(23)在密封端面设计出5个曲面槽，深度为10.2 μm，整个密封环端面如图11所示。

图11 基于磨削成形原理1设计的密封环曲面槽形状示意图

4.2 曲面槽密封环加工实验

加工实验在一个经过改造的三轴加工中心上进行，如图12所示。X轴被调成与水平面倾斜0.000 4弧度、X轴相位角为9°、砂轮主轴相对于密封环平端面被调成倾斜0.000 9弧度。密封环为镍基碳化钨硬质合金，内外直径分别为110 mm和150 mm，要求在端面上加工出5个深度为10 μm左右的曲面浅槽。分别选用600#和2 000#陶瓷结合剂金刚石杯形砂轮进行粗磨和精磨，砂轮直径为280 mm。粗磨和精磨现场照片如图13、14所示。磨削后的密封环如图15所示。采用LK-G5000型激光位移传感器测得浅槽最深处为10.6 μm。采用Newview5022型三维表面轮廓仪测得表面粗糙度Ra为5.1 nm，表明所提出的方法是可行的。