上游泵送機械密封的納米增材制造方法技術

本發明專利技術屬于機械制造領域，具體地，涉及一種上游泵送機械密封的納米增材制造方法。該方法步驟如下：1、增材制造支撐環，2、精密磨削支撐環，3、制作掩膜，4、增材制造動密封環，5、精密磨削動密封環，從而制造出上游泵送機械密封環。本發明專利技術采用納米增材制造的方法來制造上游泵送機械密封環，不受密封環槽型結構和材料的限制，能夠制造出性能優于密封環基體的動密封環及其端面流體動壓槽；采用梯度復合電刷鍍納米陶瓷粉增材制造動密封環，實現了動密封環中陶瓷粉含量的梯度增加，可有效地提高上游泵送機械密封流體動壓槽的耐磨性、耐蝕性及其使用壽命，提高了密封效果；密封環的基體采用普通金屬材料，降低了密封環的成本，且易于加工。

【技術實現步驟摘要】
上游泵送機械密封的納米增材制造方法
本專利技術屬于機械制造領域，具體地，涉及一種上游泵送機械密封的納米增材制造方法。
技術介紹
上游泵送機械密封是一種流體潤滑的非接觸式機械密封，可實現密封介質的零泄漏甚至零逸出、徹底消除對環境的污染，具有磨損少、發熱小、使用壽命長、運行維護費用低、經濟效益明顯等優點，特別適用于高溫、高壓、易汽化、高危險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，具有廣闊的應用前景。密封環上的流體動壓密封槽是影響上游泵送機械密封使用性能的關鍵部件，其槽形結構復雜，且加工精度和表面質量要求高(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，國內外多采用金屬基陶瓷或硬質合金等制作密封環，它們都具有很高的硬度，很強的耐磨性和耐腐蝕性。復雜的端面形貌結構、較高的加工精度要求以及難加工材料的應用給上游泵送機械密封的加工帶來了很大的困難，是影響其推廣應用的關鍵因素。目前國內外常用的上游泵送機械密封加工方法主要有激光加工、電火花加工、化學蝕刻、光化學腐蝕、噴砂法等減材制造方法。激光加工是一種瞬時局部熔化和氣化的熱加工，加工上游泵送機械密封時，其加工表面易存在微裂紋、變質層以及熱影響區等缺陷，同時易造成動壓槽的邊緣不齊。電火花加工是利用工具電極和動壓槽之間放電時產生的高溫高壓作用，將動壓槽內待去除的材料蝕刻掉，該方法要求放電間隙內的電介質均一且性能穩定、工具電極端面與密封環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械密封時，要制作與動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、加工表面易產生微裂紋降低材料強度等問題，同時，加工過程中工具電極和動壓槽工件的二次放電現象還會使得動壓槽邊緣不齊，影響其使用性能。化學蝕刻是利用化學腐蝕液對上游泵送機械密封環進行腐蝕刻槽。光化學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，以得到所需的上游泵送機械密封動壓槽。化學蝕刻和光化學腐蝕不易加工材質均一性差的金屬基陶瓷或硬質合金，且難以加工出高形狀精度的槽形。噴砂法首先要制造噴砂掩膜，掩膜上開孔的圖案與動壓槽結構相同。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，露出部位的材料被高能噴砂去除，形成一定深度的動壓槽。該方法存在的問題是制造精度較低、加工的動壓槽邊緣不齊、尖角等精細部位的失真嚴重、截面槽形較差、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。此外，采用金屬基陶瓷或硬質合金等制作密封環，需增加精密定位和安裝機構，使成本大幅增加，且在密封高溫介質時，由于密封環和安裝基體的熱膨脹系數不同，安裝結合面處因熱變形易出現泄漏。
技術實現思路
為克服現有技術存在的缺陷，本專利技術提供一種上游泵送機械密封的納米增材制造方法，解決上游泵送機械密封的加工難題，提高上游泵送機械密封的使用壽命、降低其加工成本。為實現上述目的，本專利技術采用下述方案：上游泵送機械密封的納米增材制造方法，步驟如下：1、增材制造支撐環，2、精密磨削支撐環，3、制作掩膜，4、增材制造動密封環，5、精密磨削動密封環。相對于現有技術，本專利技術具有如下有益效果：1、采用納米增材制造的方法來制造上游泵送機械密封環，不受密封環槽型結構和材料的限制，制造過程中易控制增長表面的尺寸、形狀和位置精度，能夠制造出性能優于密封環基體的動密封環及其端面流體動壓槽，克服了傳統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、平面度等問題。2、采用梯度復合電刷鍍納米陶瓷粉增材制造動密封環，實現了動密封環中陶瓷粉含量的梯度增加，既可有效地提高上游泵送機械密封流體動壓槽的耐磨性、耐蝕性及其使用壽命，又可避免動密封環與支撐環間因材質突變造成的不良影響，提高了密封效果。3、上游泵送機械密封環的基體可采用普通金屬材料，解決了整個密封環全為高性能材料的成本高問題，降低了密封環的成本，且易于加工基體。附圖說明圖1是上游泵送機械密封的納米增材制造方法過程示意圖。具體實施方式如圖1所示，上游泵送機械密封的納米增材制造方法，步驟如下：1、增材制造支撐環，具體步驟如下：(1)、配制鍍液：鍍液成分為蒸餾水1000mL、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，用均質機以6000-7000r/min轉速攪拌10min，靜置至室溫待用；(2)、打磨金屬環端面：將金屬環端面在磨拋機上依次采用600、800、1200目的水砂紙進行打磨至表面粗糙度Ra達到0.2～0.5μm；(3)、清理金屬環端面：將打磨后的金屬環放入清水中進行超聲波清洗2min；清洗完成后，放入配制好的堿液(蒸餾水：氫氧化鈉：碳酸鈉＝1000mL：100g：100g)中70-90℃水浴加熱5min進行除油處理；除油處理之后，放入清水中超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余堿，然后再用流動去離子水清洗金屬環端面5min；接著將金屬環端面放入15％鹽酸溶液中進行除氧化膜并活化處理30s；活化處理之后，用清水進行超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余酸液，最后用流動去離子水清洗金屬環端面5min；(4)、電鍍：將清洗后的金屬環通過導線連接在直流穩壓控制電源負極上，放入鍍槽中，電源正極接鎳板，30-40℃水浴加熱，電流為4A/dm2，時間為1-2h，可在金屬環端面上增材制造出支撐環；2、精密磨削支撐環，具體步驟如下：在精密平面磨床上用粒度為3000#濃度為100％的樹脂結合劑金剛石砂輪對支撐環端面進行精密磨削，使支撐環端面的表面粗糙度Ra達到0.05-0.1μm，以滿足流體動壓槽底面的設計要求，并用作上游泵送機械密封流體動壓槽底面，為進一步掩膜增材制造含有流體動壓槽的動密封環提供高質量支撐環；3、制作掩膜，具體步驟如下：(1)、清洗支撐環端面：將精密磨削后的支撐環端面放入清水中進行超聲波清洗2min；清洗完成后，放入配制好的堿液(蒸餾水：氫氧化鈉：碳酸鈉＝1000mL：100g：100g)中70-90℃水浴加熱5min進行除油處理；除油處理之后，放入清水中超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余堿，然后再用流動去離子水清洗金屬環端面5min；接著將金屬環端面放入15％鹽酸溶液中進行除氧化膜并活化處理30s；活化處理之后，用清水進行超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余酸液，然后用流動去離子水清洗金屬環端面5min；最后用吹風機吹干；(2)、光刻：根據動密封環的流體動壓槽設計要求，在精密磨削后的支撐環端面上涂覆光敏絕緣材料SU8光刻膠，涂覆之前，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種上游泵送機械密封的納米增材制造方法，步驟如下：(1)、增材制造支撐環，(2)、精密磨削支撐環，(3)、制作掩膜，(4)、增材制造動密封環，(5)、精密磨削動密封環。

【技術特征摘要】
1.一種上游泵送機械密封的納米增材制造方法，步驟如下：(1)、增材制造支撐環，具體步驟如下：(A)、配制鍍液：鍍液成分為蒸餾水1000mL、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，用均質機以6000-7000r/min轉速攪拌10min，靜置至室溫待用；(B)、打磨金屬環端面：將金屬環端面在磨拋機上依次采用600、800、1200目的水砂紙進行打磨至表面粗糙度Ra達到0.2～0.5μm；(C)、清理金屬環端面：將打磨后的金屬環放入清水中進行超聲波清洗2min；清洗完成后，放入配制好的堿液(蒸餾水：氫氧化鈉：碳酸鈉＝1000mL：100g：100g)中70-90℃水浴加熱5min進行除油處理；除油處理之后，放入清水中超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余堿，然后再用流動去離子水清洗金屬環端面5min；接著將金屬環端面放入15％鹽酸溶液中進行除氧化膜并活化處理30s；活化處理之后，用清水進行超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余酸液，最后用流動去離子水清洗金屬環端面5min；(D)、電鍍：將清洗后的金屬環通過導線連接在直流穩壓控制電源負極上，放入鍍槽中，電源正極接鎳板，30-40℃水浴加熱，電流為4A/dm2，時間為1-2h，可在金屬環端面上增材制造出支撐環；(2)、精密磨削支撐環，具體步驟如下：在精密平面磨床上用粒度為3000#濃度為100％的樹脂結合劑金剛石砂輪對支撐環端面進行精密磨削，使支撐環端面的表面粗糙度Ra達到0.05-0.1μm，以滿足流體動壓槽底面的設計要求，并用作上游泵送機械密封流體動壓槽底面，為進一步掩膜增材制造含有流體動壓槽的動密封環提供高質量支撐環；(3)、制作掩膜，(4)、增材制造動密封環，(5)、精密磨削動密封環。2.根據權利要求1所述的上游泵送機械密封的納米增材制造方法，制作掩膜，具體步驟如下：(1)、清洗支撐環端面：將精密磨削后的支撐環端面放入清水中進行超聲波清洗2min；清洗完成后，放入配制好的堿液(蒸餾水：氫氧化鈉：碳酸鈉＝1000mL：100g：100g)中70-90℃水浴加熱5min進行除油處理；除油處理之后，放入清水中超聲波清洗2min以除去金屬環端面的殘余堿，然后再用流動去離子水清洗金屬環端面5min；接著將金屬環端面放入15％鹽酸溶...

【專利技術屬性】
技術研發人員：紀仁杰，劉永紅，徐臣臣，鄭超，申泱，劉增凱，蔡寶平，李小朋，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：山東;37