聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件及其制作方法与流程

本申请涉及聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件制备领域，具体而言，涉及一种聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件及其制作方法。

背景技术：

一些大体积设备，比如盾构机、风电、水电、单晶硅反应炉、煤化工、大型风洞等装置中，密封需要3米至20米直径的聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件。

传统的方法要加工φ3.0米～φ20米的大尺寸整体成型(无焊接)的高分子材料制品，需要有相应的压力成型机械、加温重定型烤箱、定型装置以及车削加工设备。但是这种大体积设备成本高昂，且占地面积极大。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件及其制作方法，其旨在改善现有的大直径聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件制备时需要大尺寸设备，成本高的问题。

第一方面，本申请提供一种技术方案：

一种聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件的制作方法，包括：

将聚四氟乙烯生料粉末压制成圆筒状毛坯；设置圆筒状毛坯的外径等于密封圈、环类密封元件的外径除以n，其中，n为大于1的奇数；

按照预设的路径将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈首尾相连的折叠环的坯体，坯体的相邻两圈折叠环在高度方向有交叉且在径向上有重叠，以使坯体展开后能够变成一个完整的圈环；

将坯体加温重定型后展开形成密封圈、环类密封元件。

通过制备圆筒状毛坯，将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈折叠环后加温重定型成聚四氟乙烯材料，然后再展开形成直径大致为n倍的圆筒状毛坯的外径的密封圈、环类密封元件，从而获得大直径聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件。该制备方法，不需要大尺寸整体成型的设备，也不需要大体积的加温重定型炉，极大地降低了设备成本和占地面积，使得大直径聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件的制备方法简单可行。

在本申请的其他实施例中，设置圆筒状毛坯的外径时，还在密封圈、环类密封元件的外径除以n的基础上加上加工预留量；

加工预留量为3mm～5mm。

通过设置加工预留量，能够更好地加工调整至需要的尺寸。

在本申请的其他实施例中，上述圆筒状毛坯的壁厚等于密封圈、环类密封元件的外径与密封圈、环类密封元件的内径的差值的二分之一，然后再扩大3(n-1)倍至5(n-1)倍。

圆筒状毛坯的壁厚设置在上述范围内，能够保证密封圈、环类密封元件壁厚方向足够的铣削加工量，提高加工精准度。

在本申请的其他实施例中，上述圆筒状毛坯的高度等于3n倍至5n倍的密封圈、环类密封元件的高度，然后再加上5～10mm的加工预留量。

圆筒状毛坯的高度设置在上述范围内，能够保证在高度方向足够的铣削加工量，提高加工精准度。

在本申请的其他实施例中，上述将圆筒状毛坯铣削加工的步骤，包括：

将圆筒状毛坯放置于加工中心的工作台面的中心位置，对圆筒状毛坯的轴向进行固定，然后采用五轴联动加工方式对圆筒状毛坯进行铣削加工。

通过将圆筒状毛坯放置于加工中心的工作台面的中心位置，能够保证加工的过程中无阻碍，使得各序刀具按照设定的路径运行，精确到达指定位置进行铣削加工。

在本申请的其他实施例中，上述加工中心的水平加工范围大于等于圆筒状毛坯的直径的110％，加工中心的加工高度大于等于圆筒状毛坯的高度的110％。

通过将上述的加工中心的水平加工范围大于等于圆筒状毛坯直径的110％，加工中心的加工高度大于等于圆筒状毛坯的110％，能够保证充足的加工空间，进而保证铣削加工的有序、稳定地进行。

在本申请的其他实施例中，上述按照预设的路径将圆筒状毛坯铣削加工的步骤，包括：

采用3d软件构建三维立体模型，根据三维立体模型生成刀具行走路径，然后按照行走路径对圆筒状毛坯铣削加工。

构建三维立体模型，能够确保刀具运行与设计的产品材料尺寸相互完全吻合，提高准确率。

在本申请的其他实施例中，上述将圆筒状毛坯铣削加工后还进行修整和剪裁，以使n圈折叠环在高度方向上的交叉粘结部位分离。

将粘结处分离，保证n圈折叠环展开后形成一个大圈。

在本申请的其他实施例中，上述将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型后展开形成密封圈、环类密封元件的步骤，包括：

将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型加温重定型后，保温3～5小时，展开形成密封圈、环类密封元件。

通过加温重定型，得到聚四氟乙烯产品。

第二方面，本申请提供一种技术方案：

一种聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件，采用上述方法制得：

密封圈、环类密封元件的直径为3～20米。

该聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件，直径大，能够应用于盾构机、风电、水电、单晶硅反应炉、煤化工、大型风洞等装置中3米至20米直径的密封。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施方式提供的聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件的制作方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的圆筒状毛坯的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的圆筒状毛坯包括三圈折叠环的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的铣削后的包括n圈首尾相连的折叠环的坯体的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的展开后的大直径聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件的结构示意图。

具体实施方式

聚四氟乙烯材料以及高分子聚四氟乙烯填充改性材料，具有优异的性能，应用广泛。其应用温度为-200℃～260℃，高温375℃时不融化，低温在-100℃时不脆裂、抗老化。但是此类特种工程塑料，高温时流动性差，没有“熔融态”，因此不能采用流延法、推注法等方式来加工复杂工件。另外此类材料的化学性能比较稳定，不易粘接或焊接加工，即使采用钠奈试剂处理表面，热熔粘接等类似方法，焊接点强度也会大幅降低，从而影响产品物理性能。

发明人发现，在自然温度状态下，聚四氟乙烯材料有着很好柔韧性，能折叠回环，利用这一特点，发明人选用智能五轴联动加工中心，通过雕、刻、铣、车、钻三维立体成形方式，先制作数字模型，通过程序生成加工数据，再精选多方位角度的功能刀具，使各种刀具按照程序控制，相互运动，制造出一件整体的折叠成小直径的密封环。再经过修整与剪裁，并经高温加热与定型，使折叠状的密封环展开后形成一个整体是原始小圆环直径三倍或五倍以上的超大直径环型制品。采用这种方法可使用小型的设备进行加工，理论上来说，所需加工设备的外形尺寸只是最终产品的1/3或1/5即可。这样就能够大幅降低设备成本和占地面积。

基于此，本申请实施方式提供了一种聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件的制作方法。参照图1，该制作方法包括：

将聚四氟乙烯生料粉末压制成圆筒状毛坯；设置圆筒状毛坯的外径等于密封圈、环类密封元件的外径除以n，其中，n为大于1的奇数；

按照预设的路径将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈首尾相连的折叠环的坯体，坯体的相邻两圈折叠环在高度方向有交叉且在径向上有重叠，以使坯体展开后能够变成一个完整的圈环；

将坯体加温重定型后展开形成密封圈、环类密封元件。

通过制备圆筒状毛坯，将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈折叠环后加温重定型成聚四氟乙烯材料，然后再展开形成直径大致为n倍的圆筒状毛坯的外径的密封圈、环类密封元件，从而获得大直径聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件。该制备方法，不需要大尺寸整体成型的设备，也不需要大体积的加温重定型炉，极大地降低了设备成本和占地面积，使得大直径聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件的制备方法简单可行。

上述的聚四氟乙烯材料包括聚四氟乙烯以及高分子聚四氟乙烯填充改性材料。

在本申请的一些实施方式中，聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件的制作方法，包括：

步骤s1、将聚四氟乙烯生料粉末压制成圆筒状毛坯。

通过将聚四氟乙烯生料粉末压制成圆筒状毛坯，为后续将圆筒状毛坯铣削成包括几个依次叠绕的折叠环提供加工基础。

进一步地，将聚四氟乙烯生料粉末压制成圆筒状毛坯是采用模具将聚四氟乙烯生料粉压制得到。

进一步可选地，上述用于压制圆筒状毛坯的模具包括外套、内套、上下压垫以及压套。通过组合形成腔体，把聚四氟乙烯生料粉末均匀分布填入外套、内套以及下压垫或者上压垫组合形成的腔体内，再将上压垫或者下压垫、以及压套按顺序组装完成。最后对模具采用液压机施加一定的压力，压制得到圆筒状毛坯。

通过聚四氟乙烯生料粉末压制得到的圆筒状毛坯，相对于待制备的大直径密封圈、环类密封元件，外径极大地缩小，从而能够采用较小直径的模具进行压制，极大地降低了模具成本。

圆筒状毛坯的壁体，能够被铣削成包括n圈折叠环，加工简单，可行性高。

步骤s2、按照预设的路径将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈首尾相连的折叠环的坯体，坯体的相邻两圈折叠环在高度方向有交叉且在径向上有重叠，以使坯体展开后能够变成一个完整的圈环。

换句话说，按照预设的路径将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈折叠环。

通过制备圆筒状毛坯，将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈折叠环，使得后续加温重定型时密封圈、环类密封元件的直径缩小了n倍。采用这个圆筒状毛坯进行加温重定型，不需要大体积的加温重定型设备，极大地降低了加工成本以及占地面积。

进一步地，圆筒状毛坯的外径等于密封圈、环类密封元件的外径除以n，其中，n为大于1的奇数。例如，n可以选择为3、5或者7。

通过将上述的圆筒状毛坯的外径设置为等于密封圈、环类密封元件的外径除以n，可以制得直径为n倍的大直径密封圈、环类密封元件。

进一步地，设置圆筒状毛坯的外径时，还在密封圈、环类密封元件的外径除以n的基础上加上加工预留量。

通过设置加工预留量，能够更好地加工调整至需要的尺寸。

进一步可选地，加工预留量为3mm～5mm。

示例性地，上述的加工预留量可以选择3mm、4mm或者5mm。

进一步可选地，上述的加工预留量选择3.5～4.5mm。

进一步可选地，上述的加工预留量选择3.6～4.6mm。

在上述的范围内，能够保证加工的准确性。

进一步地，圆筒状毛坯的壁厚等于密封圈、环类密封元件的外径与密封圈、环类密封元件的内径的差值的二分之一，然后再乘以3(n-1)倍至5(n-1)倍。示例性地，对密封圈、环类密封元件的外径与密封圈、环类密封元件的内径的差值的二分之一，乘以3(n-1)、3.5(n-1)、4(n-1)、4.5(n-1)或者5(n-1)倍。

将圆筒状毛坯的壁厚设置在上述范围内，能够提供足够的加工预留量，从而保证壁厚方向的铣削加工量，提高加工精准度。

进一步可选地，对密封圈、环类密封元件的外径与密封圈、环类密封元件的内径的差值的二分之一，然后再扩大3.2(n-1)至4.8(n-1)倍。

进一步可选地，对密封圈、环类密封元件的外径与密封圈、环类密封元件的内径的差值的二分之一，然后再扩大3.5(n-1)至4.5(n-1)倍。

示例性地，圆筒状毛坯的壁厚等于密封圈、环类密封元件的外径与密封圈、环类密封元件的内径的差值的二分之一，然后再扩大3.1(n-1)倍。当密封圈、环类密封元件的外径为10mm，密封圈、环类密封元件的内径为9mm，n＝3时，圆筒状毛坯的壁厚为(10-9)/2*3.1*(3-1)＝3.1mm。

进一步地，圆筒状毛坯的高度等于3n倍至5n倍的密封圈、环类密封元件的高度，然后再加上5～10mm的加工预留量。

示例性地，圆筒状毛坯的高度等于3n倍、3.5n倍、4n倍、4.5n倍或者5n倍的密封圈、环类密封元件的高度，然后再加上5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或者10mm的加工预留量。

将圆筒状毛坯的高度设置在上述范围内，能够提供足够的加工预留量，从而保证高度方向的铣削加工量，提高加工精准度。

进一步可选地，圆筒状毛坯的高度等于3.2n倍至4.8n倍的密封圈、环类密封元件的高度，然后再加上5.5mm～9.5mm的加工预留量。

进一步可选地，圆筒状毛坯的高度等于3.5n倍至4.5n倍的密封圈、环类密封元件的高度，然后再加上5.6～9.6mm的加工预留量。

示例性地，圆筒状毛坯的高度等于3.6n倍的密封圈、环类密封元件的高度，然后再加上5mm的加工预留量。密封圈、环类密封元件的高度为3.3mm，n等于3，那么圆筒状毛坯的高度为3.6*3*3.3+5mm＝40.64mm。

进一步地，将圆筒状毛坯铣削加工的步骤，包括：

首先，按照上述给出的圆筒状毛坯的尺寸，准确计算好所用毛坯筒材料的外径、壁厚以及高度。

然后，采用3d软件构建三维立体模型，根据三维立体模型生成刀具行走路径，然后按照行走路径对圆筒状毛坯铣削加工。

进一步可选地，可以采用solidworks等3d软件构建三维立体模型。然后再传入加工中心的程控数字设备转化为执行语句中，再进行模拟刀具行走轨迹演示图，进行核实校对与验证，确保程序运行与设计的产品材料尺寸相互完全吻合，保证100％准确率。

之后，将圆筒状毛坯放置于加工中心的工作台面的中心位置，在圆筒状毛坯的轴向进行固定，然后采用五轴联动加工方式对圆筒状毛坯进行铣削加工。

通过将圆筒状毛坯放置于加工中心的工作台面的中心位置，能够保证加工的过程中无阻碍，使得各序刀具按照生成的路径运行，精确到达指定位置进行铣削加工。

进一步地，在圆筒状毛坯的轴向进行固定可以选择采用卡压的方式，在圆筒状毛坯的轴向施加压力，将圆筒状毛坯固定在工作台面上。通过从轴向对圆筒状毛坯进行固定，能够避免圆筒状毛坯在铣削加工的过程中发生松动，保证铣削加工过程稳定进行。

进一步地，加工中心的水平加工范围大于等于圆筒状毛坯的直径的110％，加工中心的加工高度大于等于圆筒状毛坯的高度的110％。

通过将上述的加工中心的水平加工范围大于等于圆筒状毛坯的直径的110％，加工中心的加工高度大于等于圆筒状毛坯的高度的110％，能够保证充足的加工空间，进而保证铣削加工的有序、稳定地进行。

进一步可选地，上述的加工中心可以选择五轴数控加工中心。

加工时，将圆筒状毛坯放置在五轴数控加工中心的加工中心的台面中心位置，装配好刀具，输入程序，启动运行，缓慢试行，注意观察，逐步提高运行速度。

进一步可选地，铣削加工时的加工刀具选用棒状多功能和异状特种成型五轴联动加工方式，刀具形状与刀杆长度，要精心策划细致打磨，要与设计编辑的程序与实践操作使用相互融合。

需要说明的是，在铣削加工时，需要合理安排刀具位序，例如，先加工简单部位，后加工繁锁部位，先加工薄点处，再厚点处。

最后，将圆筒状毛坯铣削加工后还进行修整和剪裁，以使n圈折叠环在高度方向上的交叉粘结部位分离。

在将圆筒状毛坯铣削加工成包括n圈折叠环时，高度方向相交处的折叠环之间仍然是粘结在一起的，此时需要将粘结处分离，保证n圈折叠环展开后形成一个完整的大圈环。

步骤s3、将铣削加工得到的坯体加温重定型后展开形成密封圈、环类密封元件。

通过将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型后展开形成密封圈、环类密封元件，使得加温重定型设备的体积极大地减小，从而有效地节约了成本。

进一步地，将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型后展开形成密封圈、环类密封元件的步骤，包括：

将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型后，保温3～5小时，展开形成密封圈、环类密封元件。

示例性地，将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型后，保温3小时、3.5小时、4小时、4.5小时或者5小时。

进一步可选地，将铣削加工后的圆筒状毛坯高温熟化加温重定型后，保温3.5～4.5小时，展开形成密封圈、环类密封元件。

进一步可选地，将铣削加工后的圆筒状毛坯加温重定型后，保温3.6～4.6小时，展开形成密封圈、环类密封元件。

进一步可选地，将铣削加工后的圆筒状毛坯加温的温度选择380℃以上，可以根据实际情况适应性调整。示例性地，加温温度选择380℃、390℃或者400℃。

进一步地，将加温重定型后的叠状密封圈、环类密封元件展开是趁着高温迅速将其展开。

需要说明的是，在展开的过程中，施力需要均匀，不能有拧劲。

进一步地，展开后，将密封圈、环类密封元件放入定型胎模具中，进行定型处理，自然冷却时间为16～24小时。

示例性地，自然冷却时间为16小时、17小时、18小时、19小时、20小时、21小时、22小时、23小时或者24小时。

进一步可选地，自然冷却时间为17～23小时。

进一步可选地，自然冷却时间为18～22小时。

进一步地，待最终产品完全冷却和形状稳定后，用胎具从中取出，即可完成，制得大直径密封圈、环类密封元件。

进一步地，上述的定型胎具选择时，按最终产品件相应尺寸，制造一个与最终产品件尺寸相吻合的金属环形胎模具和一个大型的组合平台。

在其他可选的实施例中，也可以选择非金属平台。

本申请提供的聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件的制作方法，解决了用小设备制造大尺寸高分子材料制品的难题。尤其是解决了高端装备制造业和大型装备制造业中广泛存在的大型密封圈、环类密封元件瓶颈。能够应用于比如盾构机、风电、水电、单晶硅反应炉、煤化工、大型风洞等装置中3米至20米直径的密封。解决了目前无法一体加工成型大直径密封、支撑组件的技术问题。

该方法能够极大地节约成本，前期压制可以采用传统工艺，工艺简洁，无需大规模资产注入，中期铣削加工工艺新颖、独特。产品加工周期短，成本回收快，承担风险低。

本申请的一些实施方式还提供一种聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件，该密封圈、环类密封元件的直径为3～20米。

示例性地，该密封圈、环类密封元件的直径为3米、4米、5米、6米、7米、8米、8米、10米、11米、12米、13米、14米、15米、16米、17米、18米、19米或者20米。

进一步可选地，该密封圈、环类密封元件的直径为5～20米。

进一步可选地，该密封圈、环类密封元件的直径为8～20米。

进一步可选地，该密封圈、环类密封元件的直径为10～20米。

进一步地，该密封圈、环类密封元件采用前述实施方式提供的聚四氟乙烯材料密封圈、环类密封元件的制作方法，制备方法简单可行，成本低。

下面给出了一个具体的实施例。

请参照图2-图5，图示的实施例提供了一种聚四氟乙烯密封圈、环类密封元件，是这样制得的：

最终密封圈、环类密封元件产品规格设为：外径φ10m/内径φ9.92m/高度0.03m；

则圆筒状毛坯规格选定为：外径φ3.5m/壁厚0.32m/高度0.36m。如图2所示。

1、计算圆筒状毛坯规格。

(1)、圆筒状毛坯外径尺寸的计算：

确定为折叠3圈，密封圈、环类密封元件外径除以3，如φ10m/3圈＝φ3.33m。如图3所示。

(2)、圆筒状毛坯壁厚尺寸的计算：

最终产品外径减内径的差除以2等于壁厚，壁厚乘以4作为预留加工量，再乘以折叠层2，所得的积即是毛坯筒材料的壁厚。即(10-9.92)/2×4＝0.32m。

(3)、毛坯筒材料高度尺寸的计算：密封圈、环类密封元件的高度乘以4，作为预留加工量，乘以3圈，如(高度0.03m×4预留加工量×3圈)，高度尺寸就等于(0.36m)。0.03×4×3＝0.36m。然后再加上5mm的加工预留量，等于0.41mm。

2、铣削加工。

采用solidworks构建三维立体模型，之后再传入程控数字设备转化为执行语句中，再进行模拟刀具行走轨迹演示图，进行核实校对与验证，确保程序运行与设计的产品材料尺寸相互完全吻合，保证100％准确率。

合理安排刀具位序，先加工简单部位，后加工繁锁部位，先加工薄点处，再厚点处。

毛坯筒材料在工作台的摆放与卡压：应放在工作台面中心位，这样摆放有利于加工的过程中无阻碍，使各序刀具按照程序运行指令，到位进行铣削加工。卡压就是把毛坯筒料卡牢压实，不能在加工过程中有松动的迹象发生，这样才能保证产品工件稳步进行铣削加工直至结束。

五轴数控加工中心加工产品，放置毛坯筒料工件，装配好刀具，输入程序，启动运行，缓慢试行，注意观察，逐步提高运行速度。

加工后的工件，要对其进行修整和剪裁，使折叠环粘连部位分离，形成了一个折叠3折叠环，再进一步修整与剪裁使之凸出的部位平滑顺畅均可，就成一个折叠3折叠环的产品件。铣削加工成包括n圈首尾相连的折叠环的坯体的示意图如图4所示。

3、加温重定型，展开。

按最终产品件相应尺寸，制造一个与最终产品件尺寸相吻合的金属环形胎模具和一个大型的组合平台。

把经过修正和剪裁的圆筒状毛坯，放入高温炉中于400℃加热，保温时间设定为5小时，等到工艺条件满足后，取出产品，趁着高温迅速将其展开(注意：不能有拧劲)，放入定型胎模具中，进行定型处理，自然冷却时间为20小时。

待最终产品完全冷却和形状稳定后，用胎具从中取出，即可完成。展开后的大直径氟橡胶材料密封圈、环类密封元件如图5所示。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。