上游泵送機(jī)械密封的納米增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)械密封的納米增材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]上游泵送機(jī)械密封是一種流體潤(rùn)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(duì)環(huán)境的污染，具有磨損少、發(fā)熱小、使用壽命長(zhǎng)、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(chǎng)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)壓密封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〈I μ m，槽底面和槽頂面的表面粗糙度Ra〈0.1 μ m，平面度〈0.9 μ m，各槽在密封端面上的位置精度〈I ym)，為了提高密封的使用壽命，國(guó)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)械密封的加工帶來(lái)了很大的困難，是影響其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外常用的上游泵送機(jī)械密封加工方法主要有激光加工、電火花加工、化學(xué)蝕刻、光化學(xué)腐蝕、噴砂法等減材制造方法。
[0004]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。
[0005]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。此夕卜，該方法加工上游泵送機(jī)械密封時(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(wèn)題，同時(shí)，加工過(guò)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。
[0006]化學(xué)蝕刻是利用化學(xué)腐蝕液對(duì)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)械密封動(dòng)壓槽?；瘜W(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。
[0007]噴砂法首先要制造噴砂掩膜，掩膜上開(kāi)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?chē)娚叭コ?，形成一定深度的?dòng)壓槽。該方法存在的問(wèn)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。
[0008]此外，采用金屬基陶瓷或硬質(zhì)合金等制作密封環(huán)，需增加精密定位和安裝機(jī)構(gòu)，使成本大幅增加，且在密封高溫介質(zhì)時(shí)，由于密封環(huán)和安裝基體的熱膨脹系數(shù)不同，安裝結(jié)合面處因熱變形易出現(xiàn)泄漏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]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)械密封的納米增材制造方法，解決上游泵送機(jī)械密封的加工難題，提高上游泵送機(jī)械密封的使用壽命、降低其加工成本。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案:
[0011 ] 上游泵送機(jī)械密封的納米增材制造方法，步驟如下:
[0012]1、增材制造支撐環(huán)，
[0013]2、精密磨削支撐環(huán)，
[0014]3、制作掩膜，
[0015]4、增材制造動(dòng)密封環(huán)，
[0016]5、精密磨削動(dòng)密封環(huán)。
[0017]相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0018]1、采用納米增材制造的方法來(lái)制造上游泵送機(jī)械密封環(huán)，不受密封環(huán)槽型結(jié)構(gòu)和材料的限制，制造過(guò)程中易控制增長(zhǎng)表面的尺寸、形狀和位置精度，能夠制造出性能優(yōu)于密封環(huán)基體的動(dòng)密封環(huán)及其端面流體動(dòng)壓槽，克服了傳統(tǒng)的減材制造方法存在的難以保證槽底和槽頂面的表面粗糙度、平面度等問(wèn)題。
[0019]2、采用梯度復(fù)合電刷鍍納米陶瓷粉增材制造動(dòng)密封環(huán)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)密封環(huán)中陶瓷粉含量的梯度增加，既可有效地提高上游泵送機(jī)械密封流體動(dòng)壓槽的耐磨性、耐蝕性及其使用壽命，又可避免動(dòng)密封環(huán)與支撐環(huán)間因材質(zhì)突變?cè)斐傻牟涣加绊?，提高了密封效果?br>[0020]3、上游泵送機(jī)械密封環(huán)的基體可采用普通金屬材料，解決了整個(gè)密封環(huán)全為高性能材料的成本高問(wèn)題，降低了密封環(huán)的成本，且易于加工基體。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是上游泵送機(jī)械密封的納米增材制造方法過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]如圖1所示，上游泵送機(jī)械密封的納米增材制造方法，步驟如下:
[0023]1、增材制造支撐環(huán)，具體步驟如下:
[0024](I)、配制鍍液:
[0025]鍍液成分為蒸餾水lOOOmL、硼酸55_60g、硫酸鎳380_400g、氯化鎳17_20g、十二烷基硫酸鈉0.1-0.2g、活性炭6-8g、雙氧水4-6mL。在配制過(guò)程中，先在燒杯中依次倒入硼酸和990mL蒸餾水，70-90°C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(guò)濾待用；在另一燒杯中倒入十二烷基硫酸鈉和剩余的1mL的蒸餾水，70-90°C水浴加熱得到十二烷基硫酸鈉溶液，并將其倒入過(guò)濾后的試劑中，用均質(zhì)機(jī)以6000-7000r/min轉(zhuǎn)速攪拌lOmin，靜置至室溫待用；
[0026](2)、打磨金屬環(huán)端面:
[0027]將金屬環(huán)端面在磨拋機(jī)上依次采用600、800、1200目的水砂紙進(jìn)行打磨至表面粗糙度Ra達(dá)到0.2?0.5 μ m ;
[0028](3)、清理金屬環(huán)端面:
[0029]將打磨后的金屬環(huán)放入清水中進(jìn)行超聲波清洗2min ;清洗完成后，放入配制好的堿液(蒸餾水:氫氧化鈉:碳酸鈉=100mL:100g:100g)中70_90°C水浴加熱5min進(jìn)行除油處理；除油處理之后，放入清水中超聲波清洗2min以除去金屬環(huán)端面的殘余堿，然后再用流動(dòng)去離子水清洗金屬環(huán)端面5min ;接著將金屬環(huán)端面放入15%鹽酸溶液中進(jìn)行除氧化膜并活化處理30s ;活化處理之后，用清水進(jìn)行超聲波清洗2min以除去金屬環(huán)端面的殘余酸液，最后用流動(dòng)去離子水清洗金屬環(huán)端面5min ；
[0030](4)、電鍍:將清洗后的金屬環(huán)通過(guò)導(dǎo)線連接在直流穩(wěn)壓控制電源負(fù)極上，放入鍍槽中，電源正極接鎳板，30-40°C水浴加熱，電流為4A/dm2，時(shí)間為l_2h，可在金屬環(huán)端面上增材制造出支撐環(huán)；
[0031]2、精密磨削支撐環(huán)，具體步驟如下:
[0032]在精密平面磨床上用粒度為3000#濃度為100%的樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì)支撐環(huán)端面進(jìn)行精密磨削，使支撐環(huán)端面的表面粗糙度Ra達(dá)到0.05-0.1 μπι，以滿足流體動(dòng)壓槽底面的設(shè)計(jì)要求，并用作上游泵送機(jī)械密封流體動(dòng)壓槽底面，為進(jìn)一步掩膜增材制造含有流體動(dòng)壓槽的動(dòng)密封環(huán)提供高質(zhì)量支撐環(huán)；
[0033]3、制作掩膜，具體步驟如下:
[0034](I)、清洗支撐環(huán)端面:將精密磨削后的支撐環(huán)端面放入清水中進(jìn)行超聲波清洗2min ;清洗完成后，放入配制好的堿液(蒸餾水:氫氧化鈉:碳酸鈉=100mL:100g:100g)中70-90°C水浴加熱5min進(jìn)行除油處理；除油處理之后，放入清水中超聲波清洗2min以除去金屬環(huán)端面的殘余堿，然后再用流動(dòng)去離子水清洗金屬環(huán)端面5min ;接著將金屬環(huán)端面放入15%鹽酸溶液中進(jìn)行除氧化膜并活化處理30s ;活化處理之后，用清水進(jìn)行超聲波清洗2min以除去金屬環(huán)端面的殘余酸液，然后用流動(dòng)去離子水清洗金屬環(huán)端面5min ;最后用吹風(fēng)機(jī)吹干；
[0035](2)、光刻:根據(jù)動(dòng)密封環(huán)的流體動(dòng)壓槽設(shè)計(jì)要求，在精密磨削后的支撐環(huán)端面上涂覆光敏絕緣材料SU8光刻膠，涂覆之前，首先把SU8光刻膠放在25?30°C水浴中加熱30min，然后將光刻膠倒入量筒中，再?gòu)牧客仓袑⒐饪棠z倒入到支撐環(huán)端面上，給支撐環(huán)端面上膠；支撐環(huán)上膠之后，將其安裝到勻膠機(jī)上，啟動(dòng)勻膠機(jī)，使其轉(zhuǎn)速?gòu)腛勻加速到400r/min，并維持10?15s，然后勻加速到1600r/min，并維持40s左右，然后勻減速到零，室溫環(huán)境下靜放20-30min，以使SU-8膠自我整平和排出膠中氣體，然后取下支撐環(huán)；
[0036]將支撐環(huán)放入烘干箱中以40-50°C預(yù)烘20min，然后升溫到90_100°C，恒溫維持60-70min，然后閉箱自然冷卻15_20min，再開(kāi)箱自然冷卻到室溫；
[0037]將支撐環(huán)從烘干箱中取出，