加工正锥面密封环的热套式磨削装置的制作方法

本发明涉及一种用于加工密封环的密封端面，特别是具有正锥形密封端面密封环的磨削装置。

背景技术：

在机械密封中实现密封的核心构件是轴向固定并可随轴旋转的动环，以及经轴端密封面与动环相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环。锥面机械密封是指在动环和/或静环的密封端面上开设有沿径向与端面具有一定锥度的正锥形或倒锥形的密封面，通过改变锥形面的参数变化来调整介质在密封端面之间形成的流体膜的动、静压效应，以获得充足的开启力及流体膜刚度。锥面机械密封适用于密封面压降大、介质粘度较大的场合，目前较多应用于核电主泵的轴端密封。

由于锥面机械密封中密封环上锥形密封面的锥角较小，量值一般仅为数分至数十分，因此加工时对其端面沿轴向的最大切削量也不过数十微米，并且由于对密封端面的表面质量，包括表面粗糙度、平面度、与轴线的垂直度等都有非常高的要求，这就使得一般的方法难以有效获得该具有锥形密封面的密封环。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供了一种用于加工密封环的密封端面，特别是具有正锥形密封面密封环的磨削装置，可以有效解决这一问题。

本发明所述的加工正锥面密封环的热套式磨削装置，结构中包括一个以中心轴线为回转中心的径向外展盘片体，以及在其径向内侧向一侧轴向延伸并具有可与被加工密封环的内孔直径相适应外径的轴向延伸结构。所述盘片体的两轴向端面为分别垂直于中心轴线的基准面和可与被加工密封环的非密封端面接触的定位工作面，因而该基准面与定位工作面呈相互平行状。所述轴向延伸结构的外周面为其定位工作面方向的根部周面的直径≥轴向延伸端直径的圆柱状或圆锥状的回转面。

此外，所述轴向延伸结构外周面的最大半径，一般情况下可以使其与被加工密封环的内孔面半径间保持有5~500微米的过盈量。

根据对密封端面为与旋转轴垂直的平面或是为具有不同角度锥斜面的要求，通常可将上述结构中所述轴向延伸结构的圆柱状或圆锥状回转面的锥角大小控制为0~30' 的范围。过大的锥角会导致磨削装置与被加工密封环接触时，易使密封环的局部产生较大的应力集中和变形量；当锥角为零时，轴向延伸结构的外周面即为一个圆柱面。

作为一种优选形式，上述结构中所述的径向外展盘片体与其端部的所述轴向延伸结构，可采用为具有同一内孔面的整体式筒状结构体。

进一步的可优化结构还包括，上述轴向延伸结构的轴向延伸长度，至少可小于被加工密封环的轴向厚度1毫米，以方便对密封环端面的磨削加工。此外，所述外展盘片体的外周半径也可至少小于密封环的外周半径2毫米，以方便磨削加工完成后，使密封环与磨削装置的拆卸分离。

此外，在上述与定位工作面邻接的轴向延伸结构部位还可设置有一径向的凹槽。该凹槽一方面可有利于使被加工的密封环在磨削工装上顺利安装到位，此外该凹槽的大小也可通过所述盘片体两轴向端面基准面和定位工作面对被加工密封环的综合变形产生相应影响。当径向外展盘片体与其端部的轴向延伸结构为所述的筒状结构体时，该凹槽的径向深度，一般情况下可优选地使其与筒状轴向延伸结构的最大径向厚度之比为0.01~0.5:1。例如，通常情况下所述凹槽的径向深度可为0.2~3毫米。此外，上述结构中所述凹槽的轴向宽度与轴向延伸结构的轴向延伸长度之比，一般可以优选为0.01~0.6:1。例如，所述凹槽的轴向宽度的取值一般可为0.3~6毫米。

本发明上述磨削装置的结构中，所述凹槽的轴向宽度，是指定位工作面与凹槽的相对壁面之间的轴向距离；所述凹槽的径向深度，是指所述凹槽与轴向延伸结构外周面的邻接壁面转折处与凹槽底部圆柱面间的径向距离；所述轴向延伸结构的轴向延伸长度，是指由径向外展盘片体的定位工作面至轴向延伸结构的延伸端面之间的轴向距离；当径向外展盘片体与其端部的轴向延伸结构为所述的整体式筒状结构体时，所述的轴向延伸结构的径向厚度，是指轴向延伸结构的外周面与其筒状结构内孔面之间的最大径向距离。

在上述结构的基础上，还可以在所述定位工作面的径向外侧，设置有向所述基准面方向内凹的台阶结构，其中优选的是可使该台阶结构的轴向宽度与外展盘片体的轴向宽度之比为0~0.6:1，和/或当径向外展盘片体与其端部的轴向延伸结构为所述的整体式筒状结构体时，可使所述该台阶结构的径向长度与盘片体的径向长度之比为0~0.3:1。此台阶的设置，可方便在所述外展盘片体外径较大的情况下对所述定位工作面径向大小的调整，使其能与被加工密封环的非密封端面有更好的接触面径向位置及接触面积。

本发明上述磨削装置对密封环的密封端面进行正锥面加工时，可先将被加工的密封环加热后，以使其非密封端面与定位工作面接触抵紧的方式热套在上述装置中的轴向延伸结构上。受上述装置中的定位工作面及所述的轴向延伸结构外周面的共同约束作用，冷却后的被加工密封环的密封面就会形成一个具有锥角β的倒锥状凸起变形的表面。以本发明磨削装置的基准面置于磨床工作台面上，用磨削头对密封环该锥形凸起的表面从凸起最高的外径侧开始，由外向内逐渐进行磨削，直至磨削到所需的密封端面的径向宽度处停止加工，并用常规的液压拉马等方式将使加工的密封环与装置分离。解除了磨削装置中定位工作面及轴向延伸结构外周面的约束作用的被加工密封环即可恢复其原始形状，并在其密封端面的所需半径外侧部位形成一个具有锥角β′ 的正锥状表面。

由此可以理解，本发明上述结构的装置，可以方便精确地在密封端面上加工出仅有数分至数十分左右、沿轴向的最大切削量不过数十微米，且对密封端面的表面质量要求非常高的具有正锥状表面。

以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是本发明的加工正锥面密封环的热套式磨削装置的一种轴向剖面的结构示意图。

图2是被加工密封环热套在图1所示磨削装置上冷却变形后密封端面产生倒锥状变形的结构示意图。

图3是磨削装置及被加工密封环在磨床上进行加工的状态示意图。

图4是与磨削装置分离后的被加工密封环上形成得到正锥状密封端面的结构示意图。

图5图4所示具有正锥状密封端面的密封环用于机械密封装置时的一种结构示意图。

具体实施方式

图1～图4所示的是本发明用于加工具有正锥面密封环的磨削装置1的一种结构，包括一个整体型以中心轴线27为回转中心并具有中心孔的径向外展的盘片体3，及其径向内侧位于其一端具有同一内孔面29的中心孔的筒状轴向延伸结构4。

盘片体3的两轴向端面为分别垂直于中心轴线27的基准面25和可与被加工密封环2的非密封端面接触的定位工作面7，盘片体3的外周半径r1小于被加工密封环2的外周半径r5至少2毫米。在与定位工作面7邻接的轴向延伸结构4部位，设有一径向凹槽6，凹槽6的径向深度为0.2~3毫米，且其深度与筒状轴向延伸结构4的最大径向厚度之比为0.01~0.5:1；凹槽6的轴向宽度可为0.3~6毫米，且其轴向宽度与轴向延伸结构4的轴向延伸长度之比为0.01~0.6:1。在定位工作面7的径向外侧设有一向基准面方向内凹的台阶结构8，台阶结构8的轴向宽度与盘片体3的轴向宽度之比可为0~0.6:1，台阶结构8的径向长度与盘片体3的径向长度之比可为0~0.3:1。

轴向延伸结构4的轴向延伸长度小于被加工密封环2的轴向厚度至少1毫米；轴向延伸结构4的外周面5为其定位工作面7方向的根部周面的直径≥轴向延伸端直径的圆柱状或圆锥状的回转面形式，且该轴向延伸结构4的圆柱状或圆锥状回转外周面5的锥角β为0~30'。轴向延伸结构4的外径与被加工密封环2的内孔9的直径相适应，且其最大半径r2与被加工密封环2的内孔面9半径r4间具有5~500微米的过盈量。

使用上述磨削装置进行密封环密封端面加工时，首先将待加工锥形面的密封环2加热（加热温度一般可为100~400℃）后，将其热套在磨削装置的轴向延伸结构4上，具体方式是，径向以被加工密封环2的内孔面9套装于磨削装置的轴向延伸结构4的外周面5上，轴向上使被加工密封环2的非密封端面10与磨削装置中盘片体3的定位工作面7接触抵靠定位。在定位工作面7及轴向延伸结构4的外周面5共同作用下，冷却后的被加工密封环2的密封端面26就会形成一个具有锥角β的倒锥状的凸起变形表面。以盘片体3的基准面25为平面，将套装在一起的磨削装置和被加工密封环2放置于磨床工作台面28上，用磨削头30对被加工密封环2的凸起密封面26进行磨削。磨削时，先对密封端面26的外径侧进行磨削，由外向内逐渐对密封端面26进行磨削，直至磨削到所需要的半径r3时停止。用液压拉马等方式使被加工密封环2与轴向延伸结构4分离后，解除了磨削装置1的轴向延伸结构4外周面5和定位工作面7约束作用的密封环2，即恢复其原来形状，并在密封端面26上半径大于r3的外侧部位的端面上形成一个锥角为β′的正锥状表面11。

图5是一种采用经上述磨削装置加工的具有正锥状密封端面的密封环的机械密封装置的基本结构，包括有可随轴16旋转且具有正锥状表面11密封端面的动环2，和经轴端密封面与动环2相对设置并可作轴向浮动的非旋转的静环12，其中静环12经与其非密封轴向端相接触设置的推环21、弹性结构22和防转定位结构23，浮动支承于推环座13内。动环2的径向经公差环18与轴套14套装在一起；轴向与轴套14的台阶面接触，并经压紧套19压紧，周向经传动销15与轴套14固定在一起。两密封环密封端面间的无锥形面处之间以间隙h₀分开。

除图5所示的结构形式密封装置外，所述具有正锥状表面11的密封端面，还可以采用单独设置在静环12的密封端面上，或同时设置在动环和静环相对的密封端面上的形式。