核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密加工方法

摘要

一种核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密加工方法，属于精密加工技术领域。其特征是将密封环夹持在回转工作台中心，杯形砂轮半径为75～250毫米，杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点到回转工作台回转轴线的距离为100～350毫米，根据磨削生成表面的锥度误差小于给定锥度公差的原则选择杯形砂轮回转轴线相对于回转工作台回转轴线的倾角以及杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角。磨削时回转工作台和杯形砂轮做回转运动，杯形砂轮沿回转工作台回转轴线进给，利用杯形砂轮端面进行切入磨削。本发明的效果和益处是机床结构简单，能实现核主泵用流体静压密封环圆锥面高精度、低表面粗糙度磨削。

权利要求

1.一种核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密加工方法，采用回转工作台带动密封环回转和采用杯形砂轮的端面做切入磨削，其中该杯形砂轮绕杯形砂轮的回转轴线回转，回转工作台将密封环夹持在回转工作台的中心并能带动密封环绕回转工作台的回转轴线回转，杯形砂轮的端面与回转工作台相对，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线移动，其特征是：(1)杯形砂轮的回转轴线相对于回转工作台的回转轴线的倾角为0～0.0008弧度，杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角为1.57～1.5708弧度；

(2)给定杯形砂轮半径以及杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点到回转工作台回转轴线的距离后，根据磨削生成表面的锥度误差小于给定锥度公差的原则确定杯形砂轮回转轴线相对于回转工作台回转轴线的倾角以及杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角；

(3)磨削核主泵用流体静压密封环圆锥面时，杯形砂轮绕杯形砂轮的回转轴线回转，回转工作台绕回转工作台的回转轴线回转，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线进给，通过杯形砂轮的端面切入密封环被加工表面，做有进给运动磨削或做无进给运动的无火花磨削。

说明书

核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密加工方法

技术领域

[0001] 本发明属于核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密加工技术领域，涉及机械密封环的加工，特别涉及核主泵用流体静压密封环圆锥面超精密磨削方法。 背景技术

[0002] 轴封式核主泵多采用能承受高压和重载、长寿命的流体静压机械密封来防止具有放射性的冷却剂泄漏。其密封原理是在动环或静环端面加工出面倾角极小(0.00017～0.0007弧度)的圆锥面，以便在由动环和静环组成的密封界面间产生楔形收敛间隙，由流体静压效应而产生的流体静压力使开启力与闭合力相互平衡，在密封界面之间形成稳定的、具有一定流体静压刚度、厚度为10～20μm的流体薄膜，将两密封环的端面隔开而不发生直接接触。核主泵用流体静压密封环的外径可达300毫米，由硬脆材料如氧化铝、碳化硅、氮化硅等制成，面形精度要求在1～2个氦光带(1个氦光带长0.29微米)以内，表面粗糙度Ra小于5纳米，其超精密加工极其困难。

[0003] 在普通外圆磨床或万能外圆磨床上通过砂轮端面磨削加工核主泵用流体静压密封环圆锥面时，砂轮与密封环为面接触，磨削力大，砂轮端面不均匀磨损严重，无法加工出高精度密封环圆锥面。采用卧轴圆台平面磨床加工密封环圆锥面时，砂轮的工作部分为外圆周面，砂轮轴向宽度一般小于密封环宽度，除了需要圆台的回转运动和砂轮的回转运动以外，还需要沿圆台径向和轴向的进给运动，由于圆台转速较低，砂轮需要相当多的转数才能完全遍历密封环被加工表面一次，砂轮工作表面的非均匀磨损和沿径向的均匀磨损都会影响磨削生 成表面的面形精度，因此卧轴圆台平面磨床不适合加工核主泵用流体静压密封环圆锥面。采用多轴联动数控磨削加工密封环圆锥面时砂轮与密封环为点接触，砂轮切削点的运动路径间存在一定的残留高度，砂轮磨损快，砂轮形状保持性差，现有技术尚不能很好解决砂轮精密修形和砂轮磨损补偿难题，加工精度不易保证。平的密封环面通常采用研磨和抛光来加工，但是研磨或抛光密封环圆锥面时，容易产生塌边和中凸缺陷。 发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种针对核主泵用流体静压密封环圆锥面的超精密加工方法，该方法能够实现核主泵用流体静压密封环圆锥面高精度、低表面粗糙度磨削。

[0005] 本发明的技术方案是采用回转工作台带动密封环回转和采用杯形砂轮的端面做切入磨削。将杯形砂轮安装在超精密主轴上，该杯形砂轮绕其回转轴线做高精度回转运动，将核主泵用流体动压密封环安装在超精密回转工作台上，回转工作台把密封环夹持在回转工作台的中心并能带动密封环绕回转工作台的回转轴线做高精度回转运动。杯形砂轮的端面与回转工作台相对，杯形砂轮在精密直线运动机构驱动下沿回转工作台的回转轴线做进给运动。

[0006] 杯形砂轮半径为75～250毫米，杯形砂轮端面的工作面宽度为2～5毫米。杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台的回转轴线的距离为100～350毫米。杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角为1.57～1.5708弧度，杯形砂轮的回转轴线相对于回转工作台的回转轴线的倾角为0～0.0008弧度。给定杯形砂轮半径以及杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台的回转轴线的距离后，根据磨削生成表面的锥度误差小于给定锥度公差的原则确定杯 形砂轮回转轴线相对于回转工作台回转轴线的倾斜角度以及杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角。

[0007] 磨削核主泵用流体静压密封环圆锥面时，杯形砂轮绕杯形砂轮的回转轴线回转，杯形砂轮转速为1000～10000转/分，回转工作台绕回转工作台的回转轴线回转，回转工作台转速为50～500转/分，杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线进给，进给速度为0～5微米/分，通过杯形砂轮的端面切入密封环被加工表面，做有进给运动磨削或做无进给运动的无火花磨削。

[0008] 由于采用杯形砂轮的端面进行切入磨削，杯形砂轮与密封环为线接触，磨削时砂轮与密封环的接触长度、接触面积、切入角固定不变，因此磨削力保持恒定，加工状态稳定。适当微调整杯形砂轮的回转轴线相对于回转工作台的回转轴线的倾角或杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角可以补偿由于机床变形引起附加面形误差。

[0009] 由于采用杯形砂轮的端面进行切入磨削，磨削时杯形砂轮端面的几何形状不因杯形砂轮的磨损而产生变化，因此杯形砂轮的磨损对磨削加工表面的面形精度没有影响。 [0010] 由于杯形砂轮的切削深度是杯形砂轮进给速度与回转工作台转速的比值，当杯形砂轮进给速度为0～5微米/分、回转工作台转速为50～500转/分时，杯形砂轮的切削深度小于0.1微米，因此能实现微切深磨削。

[0011] 本发明的效果和益处是与现有核主泵用流体静压密封环圆锥面加工方法相比，不仅具有面形精度高、表面粗糙度低的优点，而且机床结构简单，加工效率高，成本低。 附图说明

[0012] 附图是本发明的加工原理示意图。

[0013] 图中：1回转工作台；2杯形砂轮；3密封环。

具体实施方式

[0014] 下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

[0015] 本发明的技术方案是采用密封环回转、杯形砂轮端面切入磨削方式，将如图所示的杯形砂轮安装在超精密空气轴承电主轴上，杯形砂轮所用的磨粒为金刚石，杯形砂轮的半径为50～250毫米，杯形砂轮端面的工作面宽度为2～5毫米。超精密空气轴承电主轴的轴向跳动和径向跳动小于0.05微米，超精密空气轴承电主轴可以带动杯形砂轮绕超精密空气轴承电主轴的回转轴线做高精度回转运动。将密封环夹持在由空气轴承支撑的超精密回转工作台的中心，回转工作台能带动密封环绕回转工作台的回转轴线做高精度回转运动，回转工作台的轴向跳动和径向跳动小于0.05微米。杯形砂轮的端面与回转工作台相对，杯形砂轮在精密直线运动机构驱动下可以沿回转工作台的回转轴线方向做进给运动。杯形砂轮的端面与杯形砂轮的回转轴线交点到回转工作台的回转轴线的距离为100～350毫米。杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角为1.57～1.5708弧度，杯形砂轮回转轴线相对于回转工作台回转轴线的倾角为0～0.0008弧度。根据磨削生成表面的锥度误差小于给定锥度公差的原则选择杯形砂轮回转轴线相对于回转工作台回转轴线的倾角以及杯形砂轮回转轴线与过杯形砂轮端面与杯形砂轮回转轴线的交点且垂直相交于回转工作台回转轴线的直线的夹角。

[0016] 磨削核主泵用流体静压密封环的圆锥面时，杯形砂轮绕杯形砂轮的回转轴线回转，杯形砂轮的转速为1000～10000转/分，回转工作台绕回转工作台的回转 轴线回转，回转工作台的转速为50～500转/分。杯形砂轮沿回转工作台的回转轴线方向进给，杯形砂轮的进给速度为0～5微米/分，通过杯形砂轮的端面切入密封环被加工表面，进行有进给运动磨削或进行无进给运动的无火花磨削。

[0017] 为提高加工效率，降低加工成本，磨削核主泵用流体静压密封环的圆锥面时，可以分为粗磨和精磨两个阶段，在粗磨阶段，采用粗粒度杯形砂轮快速去除绝大部分加工余量，在精磨阶段，采用#2000或更细粒度的杯形砂轮进行超精密磨削。