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往期回顧
1前言
普通機(jī)械密封是依靠密封端面間的微凸體緊密接觸而將流體密封，因而這種密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)常表現(xiàn)為混合摩擦狀態(tài)，個(gè)別表現(xiàn)為邊界摩擦狀態(tài)。由于密封端面直接接觸，摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)使密封面溫度升高，密封面間介質(zhì)汽化，密封環(huán)變形，密封面磨損，甚至產(chǎn)生熱沖擊和熱裂等。盡管可以使用昂貴的冷卻和沖洗系統(tǒng)等輔助設(shè)施，但對(duì)于高速、高溫、低粘度等工況，往往不能從根本上解決題目。
非接觸式動(dòng)壓型機(jī)械密封通常是在密封端面上人為地加工一些規(guī)則的流槽，如螺旋槽、圓弧槽、直線槽等。利用流體動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)進(jìn)步密封的承載能力，減少端面問(wèn)的磨損，極大地延長(zhǎng)密封壽命。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工相比，激光加工具有適用面廣，工件無(wú)機(jī)械變形、無(wú)污染、速度快、重復(fù)性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。激光加工端面改形及表面處理是機(jī)械密封領(lǐng)域中一項(xiàng)日趨成熟的新技術(shù)。利用脈沖激光束進(jìn)行切割、打孔或者熱處理等，大大改良了機(jī)械密封的加工精度和密封性能。
2非接觸動(dòng)壓型機(jī)械密封
非接觸式機(jī)械密封經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，并形成了基于端面改形與表面處理而進(jìn)步密封綜合性能的發(fā)展趨勢(shì)。目前，非接觸式機(jī)械密封種類很多，主要有各種槽壩型結(jié)構(gòu)的上游泵送機(jī)械密封，表面微凹坑結(jié)構(gòu)的非接觸式機(jī)械密封等密封。
2.1上游泵送機(jī)械密封
“上游泵送”機(jī)械密封的概念，zui早是由JSedy受到螺旋槽氣體潤(rùn)滑密封技術(shù)成功應(yīng)用的啟發(fā)而提出來(lái)的，他將這一技術(shù)應(yīng)用于流體介質(zhì)，從而開(kāi)始形成了液體上游泵送密封技術(shù)。當(dāng)端面外徑開(kāi)設(shè)流體動(dòng)壓槽的動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)壓槽把外徑側(cè)的高壓氣體在粘性剪切力的作用下“泵”進(jìn)密封端面之間，使由外徑至槽徑處氣膜壓力逐漸增加，而自槽徑至內(nèi)徑處氣膜壓力逐漸下降。當(dāng)端面介質(zhì)壓力增加使所形成的開(kāi)啟力大于作用在密封環(huán)上的閉協(xié)力時(shí)，迫使在靜止?fàn)顟B(tài)下保持接觸的兩端面分離并處于穩(wěn)定的非接觸狀態(tài)。由于中間高壓介質(zhì)所形成的氣膜*阻塞了密封介質(zhì)泄漏通道，從而實(shí)現(xiàn)了密封介質(zhì)的零泄漏或零逸出。上游泵送機(jī)械密封的端面形貌結(jié)構(gòu)多種多樣，回納起來(lái)主要有多圓葉臺(tái)階型、雷列臺(tái)階型、類螺旋槽型及組合式復(fù)雜槽型等四大類，其中尤以類螺旋槽機(jī)械密封的應(yīng)用zui為普遍，如圖1所示。
圖1雙密封壩中間開(kāi)槽機(jī)械密封
這個(gè)概念是由以色列教授Etsionzui先提出來(lái)的，1994年他提出了在端面上加工很多孔（凹坑）能夠明顯進(jìn)步機(jī)械密封性能的觀點(diǎn)。1996年又提出了環(huán)表面帶有規(guī)則微觀凹坑的機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
當(dāng)兩環(huán)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于相對(duì)速度，流體粘度，液膜厚度變化等因素，會(huì)在凹坑及其四周區(qū)域產(chǎn)生流體動(dòng)壓力，提供了使兩環(huán)分離的承載力，使兩環(huán)形成非接觸。1996年，他建立了評(píng)價(jià)這種機(jī)械密封的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)假定公道的邊界條件，計(jì)算出了在不同幾何形貌的凹坑下密封的性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：根據(jù)密封工作狀況，選擇合適的凹坑大小和凹坑分布率，可以獲得優(yōu)異的密封性能，并確定了20％為凹坑的*分布率，同時(shí)也可以根據(jù)介質(zhì)粘性、密封壓力、凹坑比率等，來(lái)確定凹坑的大小。
圖2端面微觀凹坑機(jī)械密封
端面改形的機(jī)理是流體動(dòng)壓效應(yīng)。基于流體消息壓潤(rùn)滑理論，機(jī)械密封通過(guò)在一個(gè)密封環(huán)端面加工成一定外形的流體動(dòng)壓槽，由這些槽產(chǎn)生分離兩密封端面的開(kāi)啟力來(lái)達(dá)到非接觸，零泄露。但對(duì)于非接觸機(jī)械密封也存在著怎樣減小泄漏量，進(jìn)步流體膜剛度和工作穩(wěn)定性等題目。同時(shí)，為了使加工出的流體槽zui大程度的產(chǎn)生開(kāi)啟力，要求加工時(shí)保證尺寸精度和表面粗糙度，這就給加工帶來(lái)了困難。近年來(lái)對(duì)不同槽型的特性進(jìn)行了研究，這些槽型都具有外形復(fù)雜，結(jié)構(gòu)精細(xì)而精度高、粗糙度要求嚴(yán)格的特點(diǎn)。由于加工動(dòng)壓槽的密封環(huán)多數(shù)是硬質(zhì)材料，所以加工有相當(dāng)難度，機(jī)械加工方法幾乎無(wú)能為力。通過(guò)實(shí)踐摸索總結(jié)了一些方法，在密封端面上開(kāi)各種槽型主要有光化學(xué)腐蝕法、電火花加工、電化學(xué)加工法、激光加工法等。
3激光加工技術(shù)
自1960年美國(guó)科學(xué)家梅曼研制出*臺(tái)紅寶石激光器，隨著世界科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，激光技術(shù)有了迅速發(fā)展，尤其近十幾年來(lái)的發(fā)展更為迅速，從而也極大地促進(jìn)了激光加工技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。激光具有單色性、相干性、方向性和高光強(qiáng)特點(diǎn)。激光束易于傳輸，其時(shí)間特性和空間特性可以分別控制，經(jīng)聚焦后可得到極小的光斑，具有*功率密度的激光光束可以熔化、氣化任何材料，也可進(jìn)行局部區(qū)域的精密快速加工。
經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究開(kāi)發(fā)和完善，當(dāng)代的激光器和激光加工技術(shù)與設(shè)備已相當(dāng)成熟，形成系列激光加工工藝。用于材料加工的激光器，主要有二氧化碳激光器、YAG激光器、*和半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器以及飛秒激光器、光纖激光器等。
激光加工主要用于切割、表面處理、焊接、打標(biāo)和打孔等。激光表面處理包括激光相變硬化、激光熔敷、激光表面合金化和激光表面熔凝等。激光加工技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著激光加工技術(shù)、設(shè)備、工藝研究的不斷深進(jìn)，將具有更廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景。由于加工過(guò)程中輸進(jìn)工件的熱量小，熱影響區(qū)和熱變形小；加工效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。波長(zhǎng)為1.06μm金屬材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。此外在不需很高功率的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用遠(yuǎn)景，如打標(biāo)、微調(diào)、掩模修整、刻劃和切割等。高輸出功率的YAG激光器目前在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)切割對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用高功率YAG激光器可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量不低于二氧化碳激光器的鋼板切割加工。YAG激光器通過(guò)光纖傳輸控制，可以在不銹鋼板上打出高深寬比的微孔。波長(zhǎng)為1.06μm的YAG激光器由于波是非、金屬表面的反射率低，故適用于金屬材料的精密切割、微孔加工、精密焊接等。YAG激光器的脈寬和波長(zhǎng)可調(diào)，其基本波長(zhǎng)為1064nm，通過(guò)非線性光學(xué)元件可以獲得二次諧波（532nm）、三次諧波（355nm）和四次諧波（266nm）。四次諧波的波長(zhǎng)與KrF*的波長(zhǎng)相近，因此可用于精密的刻蝕加工。此外YAG高倍頻激光器操縱輕易、輸出穩(wěn)定。激光加工技術(shù)有以下很多*的優(yōu)點(diǎn)。
（1）可以對(duì)多種金屬、非金屬加工，特別是可以加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料。
（2）無(wú)需直接作用于工件；生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
（3）加工速度快，并且是局部加工，對(duì)非激光照射部位沒(méi)有或影響極小。其影響區(qū)小，工件變形小。
（4）激光束易于導(dǎo)向、聚焦實(shí)現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，形成智能化控制系統(tǒng)。
4激光加工機(jī)械密封的應(yīng)用
機(jī)械密封環(huán)所用的材料，一般是以WC為代表的各種硬質(zhì)合金以及各種新陶瓷，如SiC、SiN等，它們都具有很大的硬度、耐磨性和耐腐蝕性。激光加工是指利用高能量密度激光束對(duì)材料表面進(jìn)行往除材料的一種特殊加工方法。到目前為止，該方法廣泛應(yīng)用的技術(shù)有激光切割、激光打孔、激光打標(biāo)等。激光加工機(jī)械密封環(huán)表面微凹坑，實(shí)現(xiàn)密封的高性能運(yùn)行，已有一定程度的研究。由于激光加工是一種瞬時(shí)、局部熔化、氣化的熱加工，影響因素很多，因此精微加工時(shí)，精度和表面粗糙度不易保證，必須進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，尋找優(yōu)化的工藝參數(shù)及公道輔助工藝措施，才能保證加工質(zhì)量要求。
對(duì)于機(jī)械密封端面改形及表面處理，普通加工方法顯得嚴(yán)重不足。激光加工無(wú)疑是密封環(huán)端面形貌改良的*方法。通過(guò)研究不同的激光器，不同的激光強(qiáng)度，不同的輔助條件來(lái)尋找一種合適的加工設(shè)備，國(guó)內(nèi)外在這方面都取得了一定的進(jìn)步。Muller在1997年利用激光技術(shù)加工出了“液體回流式”流體潤(rùn)滑機(jī)械密封的槽型，并采用有限元法分析了端面之間流體的活動(dòng)，以及通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種槽型能產(chǎn)生更大的承載能力。Etsion教授也利用激光技術(shù)進(jìn)行密封表面規(guī)則微凹坑的加工，刻出不同幾何外形、大小和孔隙率的微凹坑如圖3所示，并對(duì)均勻孔直徑為90μm，不等孔深2～26μm，孔隙率25％的激光紋理環(huán)進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，天津激光研究所利用激光打標(biāo)技術(shù)在陶瓷密封環(huán)上加工出了深度不等的螺旋槽。
流體動(dòng)壓型密封受到流體動(dòng)承的啟示，通過(guò)在密封端面上開(kāi)槽、臺(tái)階、斜面、孔等主動(dòng)利用流體動(dòng)、靜壓特性。在端面上開(kāi)槽主要是開(kāi)微米級(jí)的槽，深度大約3—5μm，略大于端面問(wèn)的間隙1μm。利用激光加工而成的非接觸式機(jī)械密封，其密封面問(wèn)的摩擦只有流體之間的內(nèi)摩擦，并且工作在流體潤(rùn)滑狀態(tài)下，這就大大延長(zhǎng)了機(jī)械密封的壽命。
圖3具有微觀凹坑的SiC機(jī)械密封端面
基于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論的非接觸式機(jī)械密封，通過(guò)密封環(huán)端面改形技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸、零泄露。由于節(jié)能、環(huán)保的要求，對(duì)密封性能要求越來(lái)越高。激光加工機(jī)械密封端面，實(shí)現(xiàn)各種形貌特征，必將是一個(gè)趨勢(shì)。目前非接觸式研究還不夠成熟，激光加工的密封產(chǎn)品還沒(méi)有成為規(guī)模，還不是非常普及。怎樣選擇合適的激光加工參數(shù)和輔助條件，使加工出的產(chǎn)品造型尺寸，是一個(gè)重要的課題。應(yīng)用激光加工方法，加工出各種外形的端面形貌，使之具有非接觸液體潤(rùn)滑的能力，具有巨大的實(shí)用價(jià)值。
在激光加工技術(shù)方面還有很多課題需要研究，如降低加工裝置本錢、進(jìn)步加工效率及加強(qiáng)復(fù)雜零件加工的適應(yīng)性等，特別是在精細(xì)加工方面，如何進(jìn)步光束質(zhì)量、聚光性以及輸出功率均是重要的研究課題。激光加工作為一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)、數(shù)控等*技術(shù)的自動(dòng)化加工方式，今后隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，必將獲得更大的應(yīng)用和發(fā)展。采用激光處理技術(shù)可以擴(kuò)大密封的使用范圍，進(jìn)步密封的可靠性，節(jié)省輔助設(shè)備。因此研究機(jī)械密封端面的激光加工方法及具有激光加工槽形的機(jī)械密封的性能，具有巨大的技術(shù)潛力和更大的貿(mào)易價(jià)值。
