一種上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置的制作方法

本發(fā)明屬于機(jī)械制造領(lǐng)域，具體地，涉及一種上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置。

背景技術(shù)：

上游泵送機(jī)械密封是一種流體潤滑的非接觸式機(jī)械密封，可實(shí)現(xiàn)密封介質(zhì)的零泄漏甚至零逸出、徹底消除對環(huán)境的污染，具有磨損少、發(fā)熱小、使用壽命長、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高溫、高壓、易汽化、高危險(xiǎn)及高污染性等難密封場合，可替代普通的接觸式雙端面密封，具有廣闊的應(yīng)用前景。密封環(huán)上的流體動(dòng)壓槽是影響上游泵送機(jī)械密封使用性能的關(guān)鍵部件，其槽形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且加工精度和表面質(zhì)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(nèi)外多采用金屬基陶瓷或硬質(zhì)合金等制作密封環(huán)，它們都具有很高的硬度，很強(qiáng)的耐磨性和耐腐蝕性。復(fù)雜的端面形貌結(jié)構(gòu)、較高的加工精度要求以及難加工材料的應(yīng)用給上游泵送機(jī)械密封環(huán)的加工帶來了很大的困難，是影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

目前國內(nèi)外常用的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的加工方法主要有電火花加工、激光加工、噴砂法、化學(xué)蝕刻、光化學(xué)腐蝕等減材制造方法。

電火花加工是利用工具電極和動(dòng)壓槽之間放電時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓作用，將動(dòng)壓槽內(nèi)待去除的材料蝕刻掉，該方法要求放電間隙內(nèi)的電介質(zhì)均一且性能穩(wěn)定、工具電極端面與密封環(huán)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，該方法加工上游泵送機(jī)械密封環(huán)時(shí)，要制作與動(dòng)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(chǎn)生微裂紋降低材料強(qiáng)度等問題，同時(shí)，加工過程中工具電極和動(dòng)壓槽工件的二次放電現(xiàn)象還會(huì)使得動(dòng)壓槽邊緣不齊，影響其使用性能。

激光加工是一種瞬時(shí)局部熔化和氣化的熱加工，加工上游泵送機(jī)械密封環(huán)時(shí)，其加工表面易存在微裂紋、變質(zhì)層以及熱影響區(qū)等缺陷，同時(shí)易造成動(dòng)壓槽的邊緣不齊。

噴砂法首先要制造噴砂掩膜，掩膜上開孔的圖案與動(dòng)壓槽結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)掩膜置于密封件端面上時(shí)，端面上動(dòng)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(dòng)壓槽。該方法存在的問題是制造精度較低、加工的動(dòng)壓槽邊緣不齊、尖角等精細(xì)部位的失真嚴(yán)重、截面槽形較差、噴砂面粗糙等，這些都會(huì)影響槽線的流體動(dòng)壓效果及密封特性。

化學(xué)蝕刻是利用化學(xué)腐蝕液對上游泵送機(jī)械密封環(huán)進(jìn)行腐蝕刻槽。光化學(xué)腐蝕法是先在被刻槽的工件上涂以感光膠膜，然后將事先準(zhǔn)備好的底片放于其上，經(jīng)曝光，顯影，涂保護(hù)層，再在蝕刻液中浸蝕，以得到所需的上游泵送機(jī)械密封環(huán)動(dòng)壓槽。化學(xué)蝕刻和光化學(xué)腐蝕不易加工材質(zhì)均一性差的金屬基陶瓷或硬質(zhì)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中公開了一種上游泵送機(jī)械密封流體動(dòng)壓槽的增材制造裝置，該專利通過工具電極下端的海綿擦頭將電鍍液擦涂在工件表面實(shí)現(xiàn)電鍍過程，但是采用海綿擦頭會(huì)帶來以下問題：

1.電鍍液導(dǎo)入速度慢，所以不能進(jìn)行大電流的電鍍，導(dǎo)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(chǎn)生氣泡，由于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致密，氣孔較多。

3.海綿擦頭在使用過程中由于摩擦工件表面而帶來較大損耗，且該損耗無法補(bǔ)償，使得鍍層厚度不均勻，影響了制造精度。

4.海綿擦頭的直徑較大，對于形狀復(fù)雜精度要求高的密封環(huán)流體動(dòng)壓槽，制作時(shí)精度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種上游泵送機(jī)械密封環(huán)的高效增材制造裝置，高效率的制造出上游泵送機(jī)械密封環(huán)整體及表面的流體動(dòng)壓槽。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，其特征在于，包括中心軸(1)、內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)(2)、碳刷(3)、電鍍電源(4)、工作臺(tái)(5)、工件(6)、絕緣層(8)、數(shù)字伺服控制系統(tǒng)(9)、工具電極(10)、支撐架(12)和數(shù)據(jù)處理中心；

所述數(shù)據(jù)處理中心用于接收用戶輸入的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的建模圖形數(shù)據(jù)，并將建模圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字伺服控制系統(tǒng)(9)能夠識(shí)別的控制數(shù)據(jù)，用于控制工作臺(tái)在x、y、z軸方向的移動(dòng)；

中心軸(1)連接在機(jī)床主軸上，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)下端外壁涂有較薄的絕緣層(8)，工具電極(10)上部靠近中間位置設(shè)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(fù)極相連接；

內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)(2)通過支撐架(12)連接到機(jī)床上；內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)(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(shè)有通入鍍液(7)的通孔,該通孔與金屬軟管(11)相連接用于通入鍍液；與外殼體(18)的通孔對應(yīng)的，中心軸(1)上也開設(shè)有與該通孔配合的通孔作為鍍液(7)的輸入通道；

數(shù)字伺服控制系統(tǒng)(9)用于控制工作臺(tái)在x、y、z軸方向的移動(dòng)，同時(shí)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)(9)還用于實(shí)時(shí)監(jiān)測并反饋工具電極末端和工件表面的距離。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，工具電極末端和工件表面的距離保持在0.1-1mm之間。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，外殼體(18)內(nèi)部位于金屬軟管(11)的上、下設(shè)置兩個(gè)凹槽，用來定位用于密封的o型圈(17)。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，中心軸(1)上開設(shè)的與外殼體(18)的通孔配合的鍍液(7)輸入通道結(jié)構(gòu)為：在中心軸(1)正對于外殼體(18)通道入口的軸表面上開有一個(gè)360°的環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的高度比外殼體(18)的通孔直徑大，環(huán)形凹槽內(nèi)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(jìn)入中心軸(1)中空通道的入口。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，工具電極直徑為0.3-3mm。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，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。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，外殼體(18)內(nèi)部的上下部分各安裝一個(gè)滾動(dòng)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(nèi)沖液機(jī)構(gòu)(2)通過左上側(cè)的螺柱(13)和螺母(14)連接到支撐架(12)上，支撐架(12)通過螺栓連接到機(jī)床上。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，數(shù)字伺服控制系統(tǒng)(9)是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測并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，并通過控制工作臺(tái)沿z方向的移動(dòng)來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離。

所述的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的增材制造裝置，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；在配制過程中，先在燒杯中依次倒入硼酸和990ml蒸餾水，70-90℃水浴加熱并用玻璃棒攪拌使硼酸溶解；然后倒入硫酸鎳和氯化鎳，繼續(xù)水浴加熱并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，并用濾紙過濾待用；在另一燒杯中倒入十二烷基硫酸鈉和剩余的10ml的蒸餾水，70-90℃水浴加熱得到十二烷基硫酸鈉溶液，并將其倒入過濾后的試劑中，用均質(zhì)機(jī)以6000-7000r/min轉(zhuǎn)速攪拌10min，靜置至室溫待用。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

1.本發(fā)明采用內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)進(jìn)行電鍍液的導(dǎo)入，電鍍液導(dǎo)入速度快，能夠進(jìn)行大電流的電鍍，鍍層增長很快，可以采用較大的電流密度(參考表1)，因此鍍層增長效率高。

2.本發(fā)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(chǎn)生的氣泡，再加上電鍍液的快速流動(dòng)可以將氣泡沖走，還可以在電鍍間隙中時(shí)刻保持新鮮的電鍍液，有利于改善電鍍效果。

3.本發(fā)明采用數(shù)字伺服控制系統(tǒng)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，并通過控制工作臺(tái)沿z方向的移動(dòng)來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離，可以提高制造精度。

4.由于取消了海綿擦頭的技術(shù)方案，本發(fā)明可以采用直徑較小的工具電極(工具電極直徑0.3-3mm。)，可以制作形狀復(fù)雜、精度要求高的流體動(dòng)壓槽(如圖3所示)。

附圖說明

圖1是上游泵送機(jī)械密封環(huán)的高效增材制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是上游泵送機(jī)械密封環(huán)的高效增材制造裝置內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)示意圖；

圖中：1、中心軸，2、內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)，3、碳刷，4、電鍍電源，5工作臺(tái)、6、工件，7、鍍液，8、絕緣層，9、數(shù)字伺服控制系統(tǒng)，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(huán)形凹槽。

圖3是常見上游泵送機(jī)械密封動(dòng)密封環(huán)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(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1和圖2所示，上游泵送機(jī)械密封環(huán)的高效增材制造裝置，包括中心軸1、內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)2、碳刷3、電鍍電源4、工作臺(tái)5、工件6、絕緣層8、數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9、工具電極10、支撐架12和數(shù)據(jù)處理中心；

所述數(shù)據(jù)處理中心用于接收用戶輸入的上游泵送機(jī)械密封環(huán)的建模圖形數(shù)據(jù)，并將建模圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9能夠識(shí)別的控制數(shù)據(jù)，用于控制控制工作臺(tái)在x、y、z軸方向的移動(dòng)。

其中：中心軸1連接在機(jī)床主軸上，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下端外壁涂有較薄的絕緣層8，工具電極10上部靠近中間位置設(shè)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(fù)極相連接。內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)2通過支撐架12連接到機(jī)床上。

本發(fā)明中，工具電極直徑為0.3-3mm。

內(nèi)沖液機(jī)構(gòu)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(shè)有通入鍍液7的通孔,該通孔與金屬軟管11相連接用于通入鍍液。外殼體18內(nèi)部位于金屬軟管11的上、下設(shè)置兩個(gè)凹槽，用來定位用于密封的o型圈17。與外殼體18的通孔對應(yīng)的，中心軸1上也開設(shè)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正對于外殼體18通道入口的軸表面上開有一個(gè)360°的環(huán)形凹槽19，環(huán)形凹槽19的高度比外殼體18的通孔直徑大，環(huán)形凹槽19內(nèi)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(jìn)入中心軸1中空通道的入口；由于環(huán)形凹槽的存在，無論中心軸1位于什么位置，鍍液始終能夠進(jìn)入中心軸1的中空通道內(nèi)，以保證中心軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體能均勻地進(jìn)入中心軸通道內(nèi)，防止鍍液產(chǎn)生不穩(wěn)定的脈動(dòng)。

外殼體18內(nèi)部的上下部分各安裝一個(gè)滾動(dòng)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(nèi)沖液機(jī)構(gòu)2通過左上側(cè)的螺柱13和螺母14連接到支撐架12上，支撐架12通過螺栓連接到機(jī)床上。

數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9用于控制工作臺(tái)在x、y、z軸方向的移動(dòng)，同時(shí)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9還用于實(shí)時(shí)監(jiān)測并反饋工具電極末端和工件表面的距離，實(shí)時(shí)保持兩者距離在0.1-1mm之間。數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測并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，并通過控制工作臺(tái)沿z方向的移動(dòng)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。在配制過程中，先在燒杯中依次倒入硼酸和990ml蒸餾水，70-90℃水浴加熱并用玻璃棒攪拌使硼酸溶解；然后倒入硫酸鎳和氯化鎳，繼續(xù)水浴加熱并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，并用濾紙過濾待用；在另一燒杯中倒入十二烷基硫酸鈉和剩余的10ml的蒸餾水，70-90℃水浴加熱得到十二烷基硫酸鈉溶液，并將其倒入過濾后的試劑中，用均質(zhì)機(jī)以6000-7000r/min轉(zhuǎn)速攪拌10min，靜置至室溫待用。

成形方法：

步驟1：用戶向數(shù)據(jù)處理中心輸入上游泵送機(jī)械密封環(huán)本體及流體動(dòng)壓槽的建模圖形數(shù)據(jù)，并將建模圖形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9能夠識(shí)別的控制數(shù)據(jù)，并將該控制數(shù)據(jù)輸送到數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9；

步驟2：工件6安裝在工作臺(tái)5上，中心軸1和工具電極10在機(jī)床的帶動(dòng)下做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，鍍液7在1-2mpa的壓力作用下經(jīng)過金屬軟管11進(jìn)入到中心軸1內(nèi)孔中，然后進(jìn)入到工具電極10內(nèi)孔，流入到工件表面。

步驟3：電鍍電源4上電，數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心傳來的控制數(shù)據(jù)，控制工作臺(tái)進(jìn)行x、y方向的移動(dòng)成形所需要的機(jī)械密封環(huán)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游泵送機(jī)械密封環(huán)本體，使得工件表面快速生長出一層均勻的上游泵送機(jī)械密封環(huán)本體金屬層。與此同時(shí)，工具電極則失去電子產(chǎn)生金屬離子進(jìn)入鍍液，以補(bǔ)充鍍液中消耗的金屬離子；數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9實(shí)時(shí)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，并通過控制工作臺(tái)5沿z軸方向的移動(dòng)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(bǔ)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(dāng)工件表面生長出一層均勻的上游泵送機(jī)械密封環(huán)本體金屬層后，數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9控制工作臺(tái)沿z正方向上移所生長的金屬層的厚度，重復(fù)步驟3繼續(xù)增材制造出一層均勻厚度的上游泵送機(jī)械密封環(huán)本體金屬層，循環(huán)往復(fù)可逐層增材制造出符合要求的上游泵送機(jī)械密封環(huán)本體。

步驟5：數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心傳來的控制數(shù)據(jù)，控制工作臺(tái)進(jìn)行x、y方向的移動(dòng)，在機(jī)械密封環(huán)本體上成形所需要的流體動(dòng)壓槽；數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9實(shí)時(shí)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，并通過控制工作臺(tái)5沿z軸方向的移動(dòng)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(bǔ)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(dāng)工件表面生長出一層均勻的流體動(dòng)壓槽金屬層后，數(shù)字伺服控制系統(tǒng)9控制工作臺(tái)沿z正方向上移所生長的流體動(dòng)壓槽金屬層的厚度，重復(fù)步驟5繼續(xù)增材制造出一層均勻厚度的流體動(dòng)壓槽金屬層，循環(huán)往復(fù)可逐層增材制造出符合要求的流體動(dòng)壓槽。

由于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(shù)字伺服控制系統(tǒng)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，并通過控制工作臺(tái)5沿z方向的移動(dòng)來保證工具電極和工件之間維持在合適的距離。當(dāng)工具電極沿長度方向消耗之后，其消耗的工具電極外壁處的絕緣層會(huì)被高速流動(dòng)的鍍液所沖走，離開工件表面。

申請人針對cn104911657a和本發(fā)明專利，采用相同的鍍液做了對比試驗(yàn)，參考表1，本發(fā)明半個(gè)小時(shí)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(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。