研磨盘对精密密封环质量的影响(罗登银论文)

1、研磨盘对精密密封环平面度和粗糙度的影响罗登银*罗登银 高级工程师，自贡硬质合金有限责任公司耐磨零件分厂 （自贡硬质合金有限责任公司 四川自贡 643011）摘 要：本文以硬质合金密封环研磨过程中的研磨盘为研究对象，分析研磨盘的球面半径和硬度怎样影响密封面的平面度、粗糙度，确定出合理的研磨盘球面半径和材质。关键词：精密密封环、研磨盘、球面半径、平面度、粗糙度、硬质合金、滚动、滑动、0 前言精密密封环是一种对密封面的平面度和粗糙度要求很高的密封环，平面度0.0006mm，密封面为凹球面，粗糙度Ra0.030.06，Rz0.5max；而普通的密封环的密封面为平面或凸面，密封面的粗糙度Ra0.02，对

2、Rz没有要求，只要求密封面上没有明显的划痕；目前世界上使用的密封环95%以上为普通密封环，由于密封面的接触面积大，水泵工作介质中的杂质容易进入密封面内，使密封面磨损变形，导致密封失效，其平均寿命只有0.8万小时，水泵启动前密封面间有较大的吸附力，启动负荷大；而精密密封环的密封面为凹球面，粗糙度Ra0.030.06、Rz0.5max，启动负荷小，水泵工作介质中的杂质不易进入密封面内，密封环的磨损小，使用寿命达到2万小时以上。在精密密封环生产过程中，密封面的平面度和粗糙度与研磨机运转的平稳性、研磨盘、研磨膏、研磨压力、研磨时间、转速等有较大关系；本篇文章单独讨论研磨盘，重点分析研磨盘的球面半径和硬

3、度对密封环的平面度和粗糙度的影响。1 研磨盘球面半径对平面度的影响 在密封环研磨过程中，研磨盘是研磨剂的载体，用来涂敷和镶嵌磨料，使游离磨粒嵌入研磨盘起切削作用，同时也把本身的几何形状精度传递给被研工件和磨粒。为了研磨出合格的凹球密封面，应根据密封面内、外径和平面度值计算密封环的球面半径，密封环产品图如1所示；将密封面球面进行放大，将球心分别与密封面内、外径连接，形成两个直角三角形ABO、CDO，如图2所示，图中AO、CO为球面半径R，BD为密封环的平面度值f，从图2可以得到两个方程式AO2=BO2+AB2 （1）CO2=DO2+CD2 （2） 图1 精密密封环产品图 图2 密封环球面半径计算

4、由（1）式可得 BO=AO2-AB2 （3）由（2）式可得 DO=CO2-CD2 （4）BD=DO-BO =CO2-CD2 -AO2-AB2 （5） 将密封面尺寸代入（5）式 f=R2-（d/2）2 -R2-（D/2）2 （6） R=（D2-d2）/f/8-f/2 2 +D2 /4 （7）=（342-242）/0.0006/8-0.0006/2 2 +342 /4 =120833mm121m计算出密封环球面半径后，按产品的球面半径值将研磨盘加工成凸球面，这样就能够将密封面加工成凹球面。研磨盘的形状如图3所示；从（7）式可以看出，在密封环内、外径一定时，球面半径增大，密封环的平面度将减小，球面半

5、径过大，密封面上不出现光环，无法判断球面形状和平面度值；球面半径过小，密封面上的光环数过多，平面度超差，在实际的加工过程中密封面上曾出现45条光环。 图3 球面半径为SR121m研磨盘用平面平晶测定密封环平面度的计算公式为： =0.5N （8）式中：平面度的测定值 N 干涉光谱带数 单色光波波长在测试过程中光源采用钠光灯光源，其光波波长为589nm，将平面度值0.0006代入（8）式，0.0006=0.5×0.000589N，得出 N=2，即用平面平晶检测时应出现2条（或1条）光带；又因为密封面为凹球面，其光带为同心圆环，在观察光环时，用手压住产品，光环向密封面的圆心移动。将图1所示

6、产品用图3所示研磨盘研磨后，在平面平晶上检测出现1条光环，如图4所示。 图4 1条光环的密封环 2 研磨盘的硬度对粗糙度的影响 研磨，两个表面在一起摩擦，表面之间有研磨介质（研磨液和研磨料），材料被载体（研磨盘）表面和压在磨盘上的工件之间无数的松散的粒子磨去。根据载体表面的硬度和疏松度，粒子被碾压成不同的大小程度，这样就形成了在工件表面进行的揉搓和磨去材料的运动。磨粒的运动方式有滚动和滑动两种，其运动形式如图5、6所示。图5 自由滚动粒子图6 粘合粒子一个观察粒子运动的简单方法就是在精细的研磨铝盘上撒上粗研磨粉（150m），用无划痕的介电机有玻璃盘盖上，然后在较轻的压力下微微地测向滑动。图7显

7、示，在高倍放大时在精细表面被碾压的磨粒留下的痕迹。随着不断的研磨过程，不断的揉搓作用引起材料脱落被加工的表面，如图8、9所显示。图7 通过碾压（研磨）切削的介电有机玻璃表面（3500倍）图8 经过一段研磨时间后介电有机玻璃表面的痕迹（云状）图9 被碾压（研磨）痕迹覆盖的研磨工件表面（12倍），最初的表面被精细地研磨过通过碾压运动而被研磨出来的表面显得没有光泽，如图10所示。图10 被碾压（研磨）的表面（12倍）将被研磨过的无光泽表面高倍放大，可以显示出粗糙的表面，如图11所示。图11 被碾压研磨的工件表面（2500倍），材料ST50，Rz0.8如果粒子被脱离碾压、或是选择相应的载体盘、压力、液

8、体，就会引起粒子被阻塞，将导致在类似下到研磨或磨损的一个延续材料变形过程；由于粒子被阻塞，产生不了碾压运动，结果就形成了切削运动或滑动。切削磨粒产生明亮甚至有光泽的表面，如图11所示。图12 磨粒作滑动运动的工件表面放大图（1350倍），材料ST50，Rz0.5软研磨盘发生的滚动运动少于硬研磨盘，磨粒容易嵌入研磨盘；当研磨盘的硬度低于一定值时，磨粒将嵌入研磨盘表面，磨粒不再作滚动运动（碾压研磨），此时磨粒对工件只有切削运动，工件表面形成不规则的切痕。图12所示的表面是我们希望得到的理想表面，这种表面的粗糙度值Ra比较均匀，且Rz值不会太大，Rz/Ra比值较小，在调整Ra值时更能有效的控制Rz0

9、.5max。在精密密封环的研磨过程中我们采用了两种硬度的研磨盘进行试验，我们称其为A研磨盘和B研磨盘。A研磨盘材质为灰口铸铁HT150，硬度HB160；B研磨盘材质为球墨铸铁QT600-3，硬度HB240。 在粒度、浓度、压力、研磨时间、转速相同的前提下，用同一个型号的硬质合金密封环分别在A研磨盘和B研磨盘上进行试验，试验记录如表1、2所示表1 A研磨盘上试验数据编号粗糙度位置1位置2位置3位置4位置5均值Rz/Ra1Ra0.0380.0390.0370.0380.0380.038 Rz0.4550.4460.4530.4550.5040.463 12.2 2Ra0.0380.0390.036

10、0.0360.0370.037 Rz0.4930.4790.4480.3760.4130.442 11.9 3Ra0.0380.0390.0370.0380.0390.038 Rz0.4740.490.4750.4090.4130.452 11.8 粗糙度平均值 Ra0.038 Rz0.452 12.0 表2 B研磨盘上试验数据编号粗糙度位置1位置2位置3位置4位置5均值Rz/Ra4Ra0.0320.0320.0330.0320.0350.033 Rz0.370.3990.370.4080.4990.409 12.5 5Ra0.0350.0330.0360.0330.0360.035 Rz0.

11、3960.410.4460.4310.4910.435 12.6 6Ra0.0330.0350.0340.0370.0320.034 Rz0.4790.4650.3810.4740.3620.432 12.6 粗糙度平均值 Ra0.034 Rz0.425 12.6 从表1、2上可以看出，由于球墨铸铁硬度高（相对于灰铸铁），金刚石嵌入在研磨盘上的深度较浅，嵌入的颗粒数较少，参与切削作用的金刚石颗粒相对较少，工件的粗糙度值Ra低，Rz/Ra的比值高于灰铸铁研磨盘；灰铸铁研磨盘比球墨铸铁研磨盘的Ra值高10%，Rz/Ra低5%。从试验记录看，在研磨盘的材质选择上，应选用硬度相对较低、一般硬度值在HB140220的灰铸铁。3 结论通过研磨盘的球面半径和硬度对精密密封环研磨的平面度和粗糙度的影响及分析得到以下结论：1、 在球面密封环研磨过程中，研磨盘的球面半径与工件的球面半径应一致；研磨