一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法及成型模具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法及成型模具，適用于粉料壓制成型的機械密封環(huán)。本方法在粉料成型階段，利用下沖模型芯在機械密封環(huán)環(huán)面壓制出泵送槽，泵送槽的深度和寬度根據(jù)密封環(huán)的型號變化而變化。泵送槽在密封端面產(chǎn)生泵送效應(yīng)和流體動壓效應(yīng)，實現(xiàn)非接觸機械密封環(huán)的零泄漏密封。本發(fā)明方法具有壓制成功率高、泵送槽尺寸無回彈的優(yōu)點。實施本發(fā)明方法的成型模具，下沖模包括基座和型芯。型芯在粉料壓制成型過程中，壓制出所需泵送槽，粉料壓制壓力達額定值后，抽掉型芯時分保壓和不保壓兩種情況。本發(fā)明方法在機械密封環(huán)面快速壓制出泵送槽，極大的提升機械密封性能，并且不增加工藝成本。
【專利說明】一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法及成型模具

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法及成型模具，屬于機械密封和碳化硅粉料模壓成型領(lǐng)域，。

【背景技術(shù)】
[0002]機械密封是一種旋轉(zhuǎn)機械的軸封裝置，自1885年英國第一個機械密封的發(fā)明專利以來，機械密封在許多工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大無可替代的作用。20世紀(jì)60年代后，鑒于宇航、核電、天然氣輸送和石油化工等工業(yè)等工業(yè)迅速發(fā)展的需要，研制出在高參數(shù)、高性能的機械密封已成為機械密封行業(yè)的現(xiàn)實需要和迫切要求。國內(nèi)外一些專家先后把微織構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于本領(lǐng)域，相繼研究了一系列新型機械密封。
[0003]碳化硅(SiC)是到目前為止發(fā)現(xiàn)的最好的摩擦副材料，具備各種優(yōu)良性能，在機械密封行業(yè)有最廣闊的應(yīng)用前景，但碳化硅屬于脆硬材料，硬度高脆性大，加工性能差，加工難度大，一般機械加工根本不能滿足加工要求，雖然經(jīng)過一些專家學(xué)者不懈的努力，研究出了一些加工方法，但都或多或少的存在一些缺陷。
[0004]中國專利CN 1667302A中公布了一種實現(xiàn)機械密封零泄漏非接觸的方法，即宏觀泵送槽和微觀凹腔相耦合的新型密封環(huán)，其加工手段是激光，激光器在加工微凹腔的時候效率較高，但在加工泵送槽時效率底下，一個密封環(huán)一般要加工2-4個小時，并且不易實現(xiàn)槽深變化，故效率問題成為制約此種高性能密封環(huán)的瓶頸。另外，中國專利CN 101592225B中公布了一種加工碳化硅密封環(huán)泵送槽的新方法，即在碳化硅密封環(huán)原有的成型工藝中，加入凸模壓制泵送槽工藝，此方法簡便易行，成型效率較高，節(jié)約了大量加工成本，但是一直存在著壓制后粉料的粘模問題，使其成為本技術(shù)的關(guān)鍵問題。
[0005]雜志《模具制造》在2004年發(fā)表過一篇名為“粉末冶金模具常用機構(gòu)的設(shè)計”的文章，文中介紹了粉末冶金壓制成型時的一種抽芯機構(gòu)，但是文章中說的型芯在模壓成型領(lǐng)域來講僅僅是芯棒(2)，只能起到控制圓環(huán)坯料徑向尺寸的作用，并不能在坯料端面壓制出槽形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種具有零泄漏非接觸功能的機械密封環(huán)加工方法極其成型模具。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于包括以下五個步驟:
A)選擇原料，選用碳化硅粉料:粉料濕度3%飛％，粉料中碳化硅顆粒尺寸為0.1 μ m?3 μ m，純度大于99% ；
B)壓制成型，坯料壓制成型分為五個步驟，一，取料，使用量具量取所需粉料；二，裝料，把粉料均勻裝入陰模；三，加壓，對陰模一側(cè)施加壓力，使得粉料內(nèi)部的壓強為5(T300MPa，粉料在壓力作用下，被壓制成坯料，坯料具有上表面和下表面，型芯和基座在壓制過程中同時與下表面接觸，型芯在下表面產(chǎn)生槽，槽深0.8mnT2mm，槽的形狀與型芯和粉料接觸形狀一致，基座產(chǎn)生下表面平面；四，抽芯，將型芯與坯料分離；五，脫模，將基座與坯料分離；
C)無壓燒結(jié)，無壓燒結(jié)分兩步進行:首先將坯料放入氧化燒結(jié)爐內(nèi)，在空氣氣氛下進行預(yù)燒，以5°C /mirTKTC /min的升溫速度加熱到600°C，然后保溫3(T60min，冷卻后取出坯料；其次將預(yù)燒后的坯料放入高溫?zé)Y(jié)爐，在氮氣氣氛下進行無壓燒結(jié)，先以20°C /min?30°C /min的升溫速度升至1400°C,隨后以12.5°C /min?15°C /min的升溫速度升至2200°C，在此溫度下保溫2?3h，隨爐自然冷卻至200°C，開爐取出坯料；
D)檢測上一步驟中，坯料上槽的深度；
E)后處理，磨削加工無壓燒結(jié)后的坯料，磨削過程去除余量小于槽深，由原先的槽產(chǎn)生泵送槽，得到最終成品；成品機械密封環(huán)平面度小于0.9 μ m,表面粗糙度Ra小于0.2 μ m，工作面上具有泵送槽。
[0008]步驟B中的第四步的兩種實現(xiàn)方式為抽芯時壓力機達到額定壓力后先抽掉型芯再泄壓；和抽芯時壓力機達到額定壓力后先泄壓再抽芯。
[0009]進一步地，步驟D中，檢測坯料上槽深的檢測工具為表面輪廓儀。
[0010]進一步地，步驟E中，磨削加工方法，先粗磨再精磨，最后研磨和拋光同時進行；精確控制粗磨和精磨的去除余量，粗磨去除余量為0.6"?.2mm,精磨去除余量0.05、.1mm,研磨和拋光的去除余量10?50 μ m。
[0011 ] 進一步地，步驟E中，泵送槽的個數(shù)為8?30個，深度為8?800 μ m,實現(xiàn)泵送槽淺槽和深槽的加工。
[0012]一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)的成型模具，包括單一圓柱體下沖模，所述單一圓柱體下沖模包括基座和型芯，基座上具有孔和型芯導(dǎo)向槽；型芯具有泵送槽型芯和型芯基座；其中基座下端面位于壓力機底板上方，直接與壓力機底板上端面接觸，支撐整套模具；基座高度5?8mm處均布三個孔，孔沿基座徑向；加壓時插入孔的三個支撐棒與型芯基座下表面直接接觸，起支撐型芯基座作用；型芯基座上表面沿基座軸心方向均布泵送槽型芯，型芯形狀與所設(shè)計的泵送槽槽型一致；泵送槽型芯插入型芯導(dǎo)向槽，并根據(jù)槽深要求高出基座上端面0.8?2mm。
[0013]進一步地，型芯導(dǎo)向槽和泵送槽型芯為間隙配合，最大間隙在(Γ5 μ m之間，使得粉料無法大量進入型芯導(dǎo)向槽，同時泵送槽型芯能夠在型芯導(dǎo)向槽中上下運動。
[0014]上述方案中，所述支撐棒可以用上滑塊和下滑塊代替，抽芯之前先把下滑塊沿徑向方向抽出，上滑塊自動掉落，且在加壓時兩滑塊的接觸面要有自鎖功能；
上述方案中，所述支撐棒也可以用氣缸或者液壓缸代替，加壓時氣缸活塞支撐型芯基座，限制其往下運動，抽芯之前氣缸先泄載使活塞往下運動。
[0015]本發(fā)明實現(xiàn)了機械密封環(huán)的跨尺度造型，在碳化硅密封環(huán)原有無壓燒結(jié)工藝的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計下沖模結(jié)構(gòu)，使其在壓制時順利實現(xiàn)模壓成型上游泵送槽。經(jīng)過后續(xù)燒結(jié)、磨削、研磨、拋光處理后，根據(jù)不同使用要求，使其槽深保持在8?800 μ m之間。然后在激光器上加工出需要的微凹腔，從而實現(xiàn)了新型陶瓷密封環(huán)的零泄漏非接觸功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]附圖1是保壓抽芯新型模具的剖視圖。[0〇17] 附圖2是基座不意圖。
[0018]附圖3是型芯示意圖。
[0019]附圖4是壓制出的上游泵送槽。
[0020]附圖5是壓制出的弧形槽。
[0021]附圖6是使用滑塊代替支撐棒后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]附圖7是使用氣缸代替支撐棒后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]I—上沖豐旲2—芯棒3—陰豐旲 4一還料 5—基座6—型芯 7—支撐棒 8—孔
9一型芯導(dǎo)向槽10—泵送槽型芯 11一型芯基座
12—上游泵送槽 13—圓弧槽14 一壓力機壓板
15—壓力機底板 16—上滑塊17—下滑塊
18 一活塞19 一氣缸。

【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進一步詳細說明。
[0025]第一步:加工。根據(jù)不同槽型要求，利用端面銑、電火花、線切割等機加工手段加工出所需要的型芯6和基座5，然后在下沖?；霞庸と齻€均布的沿基座徑向的孔8。
[0026]第二步:裝配。把加工好的型芯6和基座5裝配起來，裝入3根支撐棒7，限制其向下運動，然后一起導(dǎo)入陰模3中，使陰模下端面與型芯基座11上端面接觸。
[0027]第三步:裝料。把芯棒2放入陰模3內(nèi)正確位置后開始裝料，主要原料:山東青州的碳化硅微粉，濕度3%飛％，顆粒尺寸為0.5 μ m，純度>99% ;粘結(jié)劑:聚乙烯醇(PVA);輔助原料:制備工藝中的消泡劑、分散劑以及固相燒結(jié)用助燒劑為炭黑和硼化硼等。每次裝粉料時輕輕敲打陰模3外壁并轉(zhuǎn)動芯棒2盡量保證粉料同一疏密性和表層的平整性，確保壓制密封環(huán)時模具各部分受力的均勻。
[0028]第四步:加壓。裝完粉料后放入上沖模I開始加壓，以lOMPa/s的加壓速度加壓到10MPa后保壓1s后，以同樣速度卸載；再次用同樣速度加壓到200MPa并保壓90s。分兩次加壓主要是為了排除粉料內(nèi)的氣體，以免在制品表面形成開裂。
[0029]第五步:保壓抽芯。達到200MPa的壓力后保持不變，卸下3個支撐棒7，借助外力向下垂直抽出型芯部分6，接著卸載直到壓力為零。然后在陰模3下端面加套筒，套筒高度大于等于陰模3中下沖?；?與坯料4高度之和，利用壓力機壓板14在上沖模I上端面施加壓力，直至從陰模3中壓出基座5和坯料4 ;然后壓力機壓板14向上運動，取出上沖模I，分離基座5和坯料4。
[0030]第六步:燒結(jié)。燒結(jié)方式為固相無壓燒結(jié)，首先將坯料4放入氧化燒結(jié)爐內(nèi)，在空氣氣氛下進行預(yù)燒，以5°C /min的升溫速度加熱到600°C，然后對其保溫30min，使坯料4中殘留的有機物添加劑充分揮發(fā)，冷卻后取出密封環(huán)試樣。然后將預(yù)燒后密封環(huán)試樣放入高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，在氮氣保護氣氛下進行無壓燒結(jié)，先以25V Mn的升溫速度升至1400°C，再以12.5°C/min的升溫速度升至2200°C，在此溫度下保溫2h，保溫結(jié)束后切斷熱源讓其隨爐自然冷卻，待溫度降至200°C左右，開爐取出密封環(huán)試樣。
[0031]第七步:測量泵送槽深度。使用表面輪廓儀測量出泵送槽的深度，便于下一步計算磨削的加工余量。
[0032]第八步:后處理。先粗磨再精磨，最后研磨和拋光同時進行；精確控制粗磨和精磨的去除余量，粗磨去除余量為0.6"?.2mm,精磨去除余量0.05^0.1mm,研磨和拋光的去除余量1(Γ50 μ m。然后研磨、拋光到密封環(huán)平面度小于0.9 μ m、表面粗糙度小于0.2 μ m，加工總余量在0.7^1.4mm之間，保證槽深滿足使用要求。
[0033]另外，本實施例中的三個支撐棒7也可以用上滑塊16和下滑塊17代替，在第五步的過程中，抽芯之前先把下滑塊17沿徑向方向抽出，上滑塊16就會自動掉落，在加壓時兩滑塊的接觸面要有自鎖功能。支撐棒7也可以用氣缸19或者液壓缸代替，加壓時氣缸活塞18支撐型芯基座11，限制其往下運動，抽芯之前氣缸先泄載使活塞往下運動。
[0034]實施例一的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)的成型模具，包括單一圓柱體下沖模，其特征在于:所述單一圓柱體下沖模包括基座5和型芯6，基座5上具有孔8和型芯導(dǎo)向槽9 ;型芯6具有泵送槽型芯10和型芯基座11 ;其中基座5下端面位于壓力機底板15上方，直接與壓力機底板15上端面接觸，支撐整套模具；在基座5外圓，高度5?8mm處均布三個孔8，孔8沿基座5徑向；加壓時插入孔8的三個支撐棒7與型芯基座11下表面直接接觸，起支撐型芯基座作用；型芯基座11上表面沿基座5軸心方向均布泵送槽型芯10，型芯形狀與所設(shè)計的泵送槽槽型一致；泵送槽型芯10插入型芯導(dǎo)向槽9，并根據(jù)槽深要求高出基座5上端面0.8?2mm。型芯導(dǎo)向槽9和泵送槽型芯10為間隙配合,最大間隙在0?5 μ m之間，使得粉料無法大量進入型芯導(dǎo)向槽9，同時泵送槽型芯10能夠在型芯導(dǎo)向槽9中上下運動。
【權(quán)利要求】
1.一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于包括以下五個步驟: A)原料選擇，選用碳化硅粉料:粉料濕度3%飛％，粉料中碳化硅顆粒尺寸為0.1 μ m?3 μ m，純度大于99% ； B)壓制成型，坯料(4)壓制成型分為五個步驟，一，取料，使用量具量取所需粉料；二，裝料，把粉料均勻裝入陰模(3);三，加壓，對陰模(3)—側(cè)施加壓力，使得粉料內(nèi)部的壓強為5(T300MPa，粉料在壓力作用下，被壓制成坯料(4)，坯料(4)具有上表面和下表面，型芯(6 )和基座(5)在壓制過程中同時與下表面接觸，型芯(6)在下表面產(chǎn)生槽，槽深0.8mnT2mm，槽的形狀與型芯(6)和粉料接觸形狀一致，基座(5)產(chǎn)生下表面平面；四，抽芯，將型芯(6)與坯料(4)分離；五，脫模，將基座(5)與坯料(4)分離； C)無壓燒結(jié)，無壓燒結(jié)分兩步進行:首先將坯料(4)放入氧化燒結(jié)爐內(nèi)，在空氣氣氛下進行預(yù)燒，以5°C /mirTKTC /min的升溫速度加熱到600°C，然后保溫3(T60min，冷卻后取出坯料(4);其次將預(yù)燒后的坯料(4)放入高溫?zé)Y(jié)爐，在氮氣氣氛下進行無壓燒結(jié)，先以200C /min^30°C /min的升溫速度升至1400°C，隨后以12.5°C /mirTl5°C /min的升溫速度升至2200°C，在此溫度下保溫疒3h，隨爐自然冷卻至200°C，開爐取出坯料(4)； D)檢測上一步驟中，坯料(4)上槽的深度； E)后處理，磨削加工無壓燒結(jié)后的坯料(4)，磨削過程去除余量小于槽深，由原先的槽產(chǎn)生泵送槽(12)，得到最終成品；成品機械密封環(huán)平面度小于0.9 μ m，表面粗糙度Ra小于0.2 μ m，工作面上具有泵送槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于:步驟B中的第四步，抽芯時壓力機達到額定壓力后先抽掉型芯再泄壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于:步驟B中的第四步，抽芯時壓力機達到額定壓力后先泄壓再抽芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于:步驟D中，檢測坯料(4)上槽深的檢測工具為表面輪廓儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于:步驟E中，磨削加工方法，先粗磨再精磨，最后研磨和拋光同時進行；精確控制粗磨和精磨的去除余量，粗磨去除余量為0.6"?.2mm,精磨去除余量0.05、.1mm,研磨和拋光的去除余量1(Γ50μπι。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)加工方法，其特征在于:步驟E中，泵送槽的個數(shù)為8?30個，深度為8?800 μ m,實現(xiàn)泵送槽淺槽和深槽的加工。
7.—種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)的成型模具，包括單一圓柱體下沖模，其特征在于:所述單一圓柱體下沖模包括基座(5)和型芯(6)，基座(5)上具有孔(8)和型芯導(dǎo)向槽(9);型芯(6)具有泵送槽型芯(10)和型芯基座(11);其中基座(5)下端面位于壓力機底板(15)上方，直接與壓力機底板(15)上端面接觸，支撐整套模具；在基座(5)外圓，高度5?8mm處均布三個孔(8)，孔(8)沿基座(5)徑向；加壓時插入孔(8)的三個支撐棒(7)與型芯基座(11)下表面直接接觸，起支撐型芯基座作用；型芯基座(11)上表面沿基座(5)軸心方向均布泵送槽型芯(10)，型芯形狀與所設(shè)計的泵送槽槽型一致；泵送槽型芯(10)插入型芯導(dǎo)向槽(9)，并根據(jù)槽深要求高出基座(5)上端面0.8?2_。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)的成型模具，其特征在于:型芯導(dǎo)向槽(9)和泵送槽型芯(10)為間隙配合，最大間隙在(Γ5μπι之間，使得粉料無法大量進入型芯導(dǎo)向槽(9)，同時泵送槽型芯(10)能夠在型芯導(dǎo)向槽(9)中上下運動。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)的成型模具，其特征在于:所述支撐棒(7)用上滑塊(16)和下滑塊(17)代替，加壓時兩滑塊的接觸面自鎖，抽芯之前先把下滑塊(17 )沿徑向方向抽出，上滑塊(16 )自動脫落。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種密封面具有泵送槽的機械密封環(huán)的成型模具，其特征在于:所述支撐棒(7)用氣缸(19)或者液壓缸代替，加壓時氣缸活塞(18)支撐型芯基座(11)，限制其往下運動，抽芯之前氣缸先泄載使活塞往下運動。
【文檔編號】C04B35/565GK104311033SQ201410414001
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】符永宏, 康正陽, 劉黎明, 符昊, 華希俊 申請人:江蘇大學(xué)