機械密封環端面流體動壓槽的加工方法

接觸式機械密封在運轉時，動環和靜環流體機械密封的接觸面要摩擦生熱，對于高PV值系統，摩擦熱在密封面上造成高溫，會使磨損和熱變形增大;當溫度超過一定值時，潤滑膜汽化，摩擦和磨損加劇;如果溫度大大超過材料允許的使用溫度，則密封環可能產生熔融、膠合或大耐泵機械密封熱裂等故障，造成停工停產，帶來巨大的經濟損失或環境污染。因而，接觸式機械密封有必要利用流體動壓效應來提高密封的承載能力，減小摩擦、磨損和漏損，提高密封的可靠性，延長密封的壽命。利用流體動壓效應的通常做法是在摩擦副的一個密封面上開設某種形狀的流體動壓槽。在這些流槽的作用下，普通排污泵機械密封的接觸式密封變成流體動壓非接觸式密封。這些流槽能起流體動力潤滑作用，使密封端面脫離接觸，又能起密封作用防止泄漏。根據機械密封的工況條件、工作參數及使用要求，流槽可以設計成不同的平面圖形和截面槽形。平面圖形有人字槽、八字槽、螺旋槽、圓弧槽、直線槽等，截面槽形有梯形槽、方形槽、V形槽、斜底槽等。流槽按槽深可分為兩大類：一類是淺槽，深度在μm量級;一類是深槽，深度在mm量級。不同深度的流槽作用機理不同，淺槽的密封機理為流體動壓效應，而深槽的密封機理為熱流體動力模效應或流體動壓墊效應。流槽的幾何參數對密封性能影響很大，如槽深、槽數、槽徑比、入口角及槽面粗糙度等都直接關系到開啟力、泄漏量、剛漏比、端面溫升、摩擦系數等密封性能參數的大小。μm級的淺流槽當槽深僅差幾個μm時，泄漏量就會有很大的變化，因而精確設計和加工動壓槽直接影響著機械密封的質量。目前，我國的機械密封工業已有長足的發展，國產的機械密封產品正運行在某些大型或關鍵的設備上，有的還取代了進口產品，累計運行已達5年以上。但是要進一步提高機械密封產品的檔次，還必須從設計、材料、工藝等諸方面作許多工作，如密封環端面流體動壓槽的加工問題便是其中突出的一個。

 

2密封材料

 

密封材料的性能直接關系到動壓槽的加工。在通常的情況下，摩擦副的硬環多選用WC硬質合金制作。因WC硬質合金具備硬度較高、耐磨損性能較好、強度較高等特點，所以是一種較好的密封材料。但是，隨著工業的發展，機械設備的性能要求越來越高，工況條件可能是高壓、高速、高溫等，而密封介質又可能具有強腐蝕性或者含有磨料顆粒等，在這些情況下，WC硬質合金就不是理想的密封材料了。高參數的工況條件給機械密封的研制提出了新的要求，尤其是作為摩擦副硬質材料的質量應達到更高的標準，如耐磨損性、耐腐蝕性、機械強度、耐熱性、自潤滑性、氣密性、可加工性以及與之配對的材料無過大磨損和電化學腐蝕等。而SiC陶瓷幾乎滿足了上述的所有要求，是近年開發并投入使用的新的硬質密封材料，在化工、煉油、造紙、汽車、原子能、航空、航天等各個工業部門的機械密封中，被越來越多地選為摩擦副材料?？梢哉f，為適應機械密封的發展，新的密封材料會不斷地被開發。

 

3密封環端面流體動壓槽的加工方法

 

密封環動壓槽在非接觸機械密封中得到越來越多的應用，但是動壓槽的形狀復雜，結構精細而精度高，粗糙度要求也嚴格，尤其是加工動壓槽的密封環多是硬質材料的，所以動壓槽的加工困難很大，常規的機械加工法幾乎無能為力，因而，人們探索了多種方法，主要有以下幾種：

 

3.1光刻法(化學腐蝕)

 

先在被刻槽的工件上涂以感光膠膜，然后將事先準備好的底片放于其上，經曝光，顯影，涂保護層，再在蝕刻液中浸蝕，便可得到所需的動壓槽。這一方法在青銅上刻槽尚可，在硬質合金上刻槽時，由于膠膜在較高溫度下耐不住浸蝕液的的長時間腐蝕，所以刻出的槽形質量不高。

 

3.2電火花加工(電蝕刻)

 

該方法是利用兩個電極放電的方法，將動壓槽內待去除的材料蝕刻掉。該方法的關鍵是制作放電頭，放電頭端面結構和密封環端面動壓槽結構相同，但圖案是突出的。密封環和放電頭分別作兩個電極通電，當兩個端面接觸時，產生放電，密封環端面動壓槽部位的材料即被蝕刻掉。不過這一方法要求電介質性能要好，放電頭端面與密封環端面要平行等，以取得均勻放電的效果，否則各槽的槽深將難以保證。這一方法的缺點是加工放電頭困難;電蝕刻的效率太低，否則放電頭損耗又較大;加工成本高;效果也欠佳;同時電加工產生的表面應力造成的微裂紋會使材料的強度降低。

 

3.3電鍍法

 

這一方法是將密封環端面動壓槽以外的部位鍍上一層硬質材料，從而制成動壓槽的圖案。這一方法的使用條件首先槽要淺，其次被鍍端面必須是能夠電鍍的材料，而且鍍層要致密，和被鍍面結合強度要足夠高。同時電鍍過程中被鍍件懸掛要正確，否則不同部位的鍍層厚度誤差將加大，造成槽深的不均勻，這樣也破壞了密封環兩個端面的極高的平行度。

 

3.4噴砂法

 

這一方法首先要制造噴沙掩膜，掩膜上開孔的圖案同于動壓槽結構。當掩膜置于密封件端面上時，端面上動壓槽以外的部位被蓋住，露出的部位的材料被高能噴沙去除，形成一定深度的動壓槽。這一方法的技術關鍵在于掩膜材料的選擇、掩膜的制造、掩膜與密封環端面的貼合及噴砂工藝的掌握等。噴沙方法的問題是制造精度較低，加工的動壓槽的邊緣不齊，尖角等精細部位的失真嚴重，截面槽形不好，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。