机械密封环高速、高效、高精度研磨方法

摘要

机械密封环高速、高效、高精度研磨方法属于一种精密机械加工方法，它可以高速地对硬质合金或工程陶瓷的环形平面进行精磨和抛光，达到高效率、低成本，同时保证加工的平面度和表面粗糙度精度，适用于加工诸如各类泵等动密封摩擦副中的硬质材料密封环。

说明书

本发明属于机械精密加工方法，适用于硬质合金等难加工材料制成的机械密封环的研磨工序，被加工部位是一环形平面，同时涉及到设备和磨具。

现有的加工方法是这样，如美国EC&G  SEALOL公司研磨机（Lapping  Machine）产品说明书所介绍的，参见图1，整套工序涉及到三台同样的研磨机，分别进行粗研磨、半精研磨和精研磨，磨料分别为用三种粒度的金刚石微粉加甘油调制而成的研磨膏，涂在铸铁磨盘（1）上，为了防止研磨膏被甩出，磨盘（1）采取低速旋转方式。研磨时首先将若干个密封环摆放在磨盘（1）上，用套圈（2）将其分为两组，套圈（2）下部开有间距相同的若干个缝隙，以利研磨膏通过，再在每组密封环上各加一重砣（3）。经研磨数小时后，将密封环取下进行严格清洗，以防粗粒度金刚石微粉被带到下一道工序而产生划痕。然后再进行同样工艺的半精研磨和精研磨，磨盘（1）需要定期修整，这种磨盘（1）非常沉重，修整时还需同三个相同规格的磨盘交替研磨，直到满足精度需要为止。

在现有技术中，还有一种用于光学零件加工的研磨方法，见1983年中国国家发明奖授奖项目“环形金刚石磨具的非摆动补偿式加工方法”，编号83-12-091。这种方法一般用来加工光学玻璃，该方法主要用到一种高速研磨机，加工部位为一平面。所用到的是一种在铸铝盘上粘上金刚石磨片的磨具，磨片外密里疏地分布在铸铝盘外围，形成具有一定宽度的环形。加工时，磨具在下，工件在上，磨具高速旋转，工件被动旋转，设备气动加压于工件上，冷却液自动循环。

第一种方法包括三道工序，磨盘（1）转速只有30-50转/分，研磨所需时间长达数小时，每道工序之后都需人工用汽油对工件进行严格清洗，同时使得大量研磨膏无功消耗，在研磨时也不可避免甩出一些研磨膏，操作人员还需搬动10公斤重的重砣（3），修整磨具时还需搬动直径500毫米的铸铁磨盘（1），三道工序占用三台设备，磨料为仅仅粒度不同的金刚石微粉，整个过程缺少理论指导和精确的磨盘修整方法，加工量较小，总共只有0.005-0.010毫米。所以这种方法效率低、成本高、劳动强度大、占用固定资产和场地多、加工精度低且不稳定、磨具需定期修整、对加工前工件精度要求高。而第二种方法只能用来加工光学零件的连续平面，并且只是精磨，不能进行抛光。为了能高效、低成本、低劳动强度、高精度、不需修整磨具、低占用、对加工前工件低要求地加工硬质合金等难加工材质的机械密封环的环形平面，并使之达到纳米级表面粗糙度，我们发明了机械密封环高速、高效、高精度研磨方法。

本发明方法是这样实现的，采用一台高速研磨抛光机，见图2，二种铸铝平盘磨具，见图3，一种用于精磨，一种用于抛光。精磨磨具上的金刚石磨片（5）与现有技术中加工光学零件所用的磨片基本相同，金刚石微粉粒度为40毫米。磨片（5）排列方式一般为外疏里密，形成一环形，外径R₂一般为60-100毫米，可加工平均半径为15-50毫米的密封环（6）。抛光磨具上的金刚石磨片（5）为本发明特制，其结合剂组成（重量百分比）为，铜粉68%，石英粉22%，酚醛6%，滑石粉4%，把粒度为5-7微米的金刚石微粉以结合剂重量的11-12%的量加入，并加总重的2%的酚醛固化剂六次甲基四胺，混匀过筛，压制成型，放入烘箱在150-160℃的温度下保温0.5小时，即制成了金刚石固着抛光磨片（5），其在铸铝平盘（4）上的排列方式与精磨磨具相同。由于无论是精磨还是抛光，磨料都是以固着状态存在，所以可高速进行加工，一般磨具转速在460-850转/分之间，由于这一高速，再加上高压，使得加工过程是在脆性材料的塑性区进行，加工量较大。硬质合金、工程陶瓷等难加工材料制做的机械密封环（6）被摆在磨具的金刚石磨片（5）环形带上，由定位架（7）和压力头（8）使其定位，密封环（6）中心与磨具中心之间的偏心距为一关键参数，这一偏心距应使密封环（6）与磨具之间的接触压力分布一致，高速研磨机通过加压气缸（10）和压力头（8）气动加压15-50公斤力于密封环（6）上。冷却液通过喷孔（11）自动循环通过加工面，研磨时间自动控制，精磨一般为30-40秒/件。精磨抛光两个工序在同一机床上进行。精磨后的密封环（6）不需任何清洗，可直接进入抛光工序。抛光时间一般为10-30秒/件。

采用本发明方法加工机械密封环（6），仅从研磨时间上算，效率较现有密封环加工方法提高了20.6-36.0倍，现有方法平均每件三道工序共需24分钟，而本发明每件两道工序共需时间仅40-70秒。从磨料消耗上算，本发明方法的费用仅占现有方法的21.7%，本发明平均每件需磨料成本0.22-0.28元，而现有方法至少为1.0-1.3元/件。从密封环（6）的平面度和表面粗糙度两项主要技术指标看，精度高于现有方法，本发明平面度峰谷值为0.07-0.11微米，现有方法≤0.9微米，本发明表面粗糙度为0.005-0.007微米，现有方法为0.015-0.030微米。从磨具修整周期看，现有方法（第一种）的磨盘（1）定期需修整（一般为一个月），而本发明磨具一经修整后，就不再需要修整。从加工量上看，由于本发明加工量达0.01-0.10毫米，所以仅要求加工前密封环的表面粗糙度为1.0-1.2微米。而现有方法加工量只有0.005-0.010毫米，则要求加工前的密封环表面粗糙度低于0.8微米。本发明仅需一台设备，工件不需清洗，无重砣（3），磨具轻巧，降低了设备场地占用率，减轻了劳动强度，改善了环境。由于采用了环形金刚石磨具，则可从理论计算中得到合理的偏心距，从而提高加工精度和精度稳定性;磨具均匀磨耗，则不需修整。开始时环形金刚石磨具可根据给出的偏心距进行光学动态修整，方便精确。

图1是现有技术中加工机械密封环的设备示意图，（1）是磨盘，（2）是套圈，（3）是重砣，图2是本发明采用的高速研磨抛光机侧视示意图，（4）是铸铝平盘，（5）是磨片，（6）是机械密封环，（7）是定位架，（8）是压力头，（9）是主轴，（10）是加压气缸。图3是本发明之磨具俯视图，（11）是喷孔，R₁为环形内径，R₂为环形外径。

现举实例进一步说明本发明之方法，高速研磨抛光机主轴（9）逆时针旋转，转速560转/分，压力头（8）压力为30公斤力。工件平均半径为25毫米，钨钴硬质合金材料制做，环形平面的宽度为7毫米，加工前表面粗糙度为0.8微米。精磨金刚石磨片金刚石微粉粒度为40微米，抛光金刚石磨片金刚石微粉粒度为7微米，按现有技术制得精磨金刚石磨片，按本发明制得抛光金刚石磨片，两种磨片直径均为8毫米，将两种若干个制得的磨片分别粘在两个直径为140毫米的铸铝平盘上，密度大致成外疏里密，形成一环形，环形内径R₁为30毫米，外径R₂为67.5毫米，按光学动态磨具修整方法将两磨具修整后，将精磨磨具装在主轴（9）上，（抛光磨具装在另一主轴上），将工件摆在磨具左侧，调整定位架（7），使偏心距为45.9毫米，放下压力头（8），开动研磨机，加工约30-40秒，即可精磨完一件，在同一机床的第二轴上进行抛光，每件加工10-30秒，即可加工出平面度峰谷值达0.07-0.10微米，表面粗糙度达0.005-0.007微米的机械密封环。上述规格两磨具可用来加工平均半径为15-45毫米机械密封环，实际大量使用的机械密封环平均半径一般为20、25和30毫米，均在这一范围内，与这一范围相对应的偏心距参见下表。单位：毫米。

密封环平均半径：15202530354045偏    心    距：50.048.245.942.838.833.626.5