CN102990308A - 一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法 - Google Patents

一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法 Download PDF

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Abstract

一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法，加工设备为20W光纤打标机；加工方法为：(1)设计槽形：应用专门的绘图软件设计干气密封螺旋槽；(2)定位：ａ.环的外径小于或等于100mm时，在打标范围之内定位；ｂ.环的外径大于100mm时的定位：采取逐槽加工的办法；(3)刻槽：选择焦距、打标速度、有效矢量步长、功率、频率等合适的打标参数进行刻槽。激光刻槽法具有适用面广，对不同材料、不同形状的加工表面均适合，具有工件无机械变形、无污染、速度快、精度高、重复性好、自动化程度高等特点，用于加工对数螺旋槽、矩形槽、双梯形槽，尤其适用于浅槽加工，对提高产品质量和加工效率具有显著的效果。

Description

一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法
技术领域
本发明涉及一种螺旋槽的加工方法，具体说涉及一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法。
背景技术
目前,干气密封应用越来越广泛，而密封环上的动压槽是干气密封的核心技术,其加工质量的好坏决定了产品的性能。在研发干气密封产品的过程中，遇到的最大问题是如何在密封环上刻槽，虽然查阅了大量的文献和资料，但这些文献和资料只是偏重于对各种槽形的理论研究，介绍各种计算方法，以达到槽形的最优化设计。但对于如何加工槽形，没有具体论述。
发明内容
针对现有干气密封螺旋槽加工方法方面存在的问题，本发明提供一种方法简单、速度快、精度高、重复性好、自动化程度高的干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法。
解决上述技术问题的具体技术措施是：
一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法，其特征在于：
(1) 加工设备
加工外径小于或等于100mm的密封环5，使用20W光纤打标机1；加工直径大于100mm的密封环5，在20W光纤打标机1上安装一个精度0.02mm的XY轴进给工作台2和分度精度1″/格的回转工作台3；
(2) 加工方法
  ①设计槽形：为在密封环端面加工出合格的槽形，首先应设计出槽形，应用专门的绘图软件设计的干气密封螺旋槽，它由动压槽10、密封堰20和密封坝30的两段对数螺线和圆弧构成；
  ②定位
a. 密封环5的外径小于或等于100mm时，在打标范围之内定位：每种不同直径的环片都需要加工定位胎具51，在定位胎具51中心钻出直径小于0.5mm的中心孔52，调整XY进给工作台2，使胎具中心孔52与激光点重合，另外在胎具表面用激光打出与中心孔同心的定位线圆53，直径小于胎具直径5～10mm，测量圆到胎具边缘的距离，再微调XY进给工作台2，使二者的同心度小于或等于0.05mm，密封环的内孔与胎具的外圆定位，两者经过磨削加工，胎具淬火处理，间隙小于等于0.02mm；
b. 密封环5的外径大于100mm时的定位：采取逐槽加工的办法，加工前依前述ａ的方法定位，环片定位后，通过XY工作台2使密封环5在Y轴方向移动到L，至少能有一个槽在打标范围内,同时在作图时让螺旋槽偏移L距离，加工时，先将位于打标范围之内的槽刻出，然后通过回转工作台3逐个分度,当通过密封环5的移动,能在打标范围之内放置两个或两个以上的螺旋槽时,多个槽一次性打出；
③刻槽
刻槽参数如下：
焦距：250～260mm；
打标速度：1000～2000mm/s；
有效矢量步长：0.01mm；
功率：40%～90%；
频率：5～10kHz。
本发明的有益效果：激光加工是利用激光的高能量，进行工业热加工的一种方法，激光能将材料在极短的时间内被汽化、熔化而去除。与其它加工方法比较，激光刻槽法具有适用面广，对不同材料、不同形状的加工表面均适合，具有工件无机械变形、无污染、速度快、精度高、重复性好、自动化程度高等特点，尤其适用于浅槽加工。本发明利用20W光纤打标机进行激光刻槽，加工方法简单, 速度快，精度高，重复性好，自动化程度高，用于加工对数螺旋槽、矩形槽、双梯形槽等槽形，对提高产品质量和加工效率具有显著的效果。
附图说明
图1是干气密封螺旋槽的结构示意图；
图2是干气密封螺旋槽加工设备的结构示意图；
图3是环的外径在刻槽范围之内的刻槽定位示意图； 
图4是环的外径大于100mm的刻槽定位示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法，
(1)加工设备
激光刻槽的核心加工设备是深圳市大族激光科技股份有限公司制造的20W光纤打标机，其光斑的定位精度及线条的光滑度能达到0.001mm,特别适用于反复打标,对深度、光滑度、精细度有严格要求的场合，打标范围100×100mm，过大的打标范围将影响光斑的功率密度及打标精度。在刻槽的过程中，要求所刻的动压槽以环的圆心为中心均布，因此必须保证激光光斑中心与环的圆心在同一点上，这就需要在打标前进行找正。为了保证找正精度并拓展加工范围，能加工超过打标范围，直径大于100mm的密封环，在打标机上1上分别增设了一个进给精度0.02mm的 XY轴进给工作台2和分度精度1″/格的回转工作台3， 激光头4、密封环5置于回转工作台3上，如图2所示，密封环通过自行设计的胎具固定在回转工作台3的工作面上，保证密封环的圆心与工作面圆心的偏差控制在0.02mm以内，通过这样的改造可实现密封环XY方向精确的调整与定位。
2) 加工方法
 ① 设计槽形
为在密封环端面加工出合格的槽形，首先应设计出槽形，如图1所示，应用专门的绘图软件设计的干气密封螺旋槽，它由动压槽10,密封堰20和密封坝30的两段对数螺线和圆弧构成。
② 定位
a. 当密封环5的外径小于等于100mm时的加工定位如图3所示, 密封环5可以放置在虚线所示的打标范围之内，密封环5上的螺旋槽可一次打出。每种不同直径的密封环都需要加工定位胎具51，在加工胎具51时，在胎具51中心钻出直径小于0.5mm的中心孔52，通过调整XY进给工作台2，使胎具中心孔52与激光头4的激光点重合，这样做，还不能完全保证光斑与胎具的圆心同心，因此，还需要在胎具表面用激光打出一个与中心孔同心的定位线圆53,其直径要小于胎具外圆5～10mm，测量圆到胎具边缘的距离，再通过微调XY进给工作台2，使二者同心，保证二者的同心度小于等于0.05mm，密封环通过内孔与胎具的外圆定位，两者经过磨削加工，胎具淬火处理，间隙小于等于0.02mm，这样,加工出来的螺旋槽与中心的偏差可小于0.1mm。
b. 当密封环5的外径大于100mm时的加工过程如图4所示, 这时环的大小超出打标范围，环上分布的螺旋槽不能一次性打出，因此必须采取逐槽加工的办法。加工前也是须先找正，找正的方法同图3。环片找正后，通过XY工作台使环在Y轴方向移动L距离，至少能保证有一个槽在打标范围之内，同时在作图时也要让螺纹槽偏移L距离。加工时，先将位于打标范围之内的槽刻出，然后通过回转工作台分度，由于槽在圆上均布，所以每一次的分度的角度值是一样的，有多少个槽，就需要分度多少次。还有一种情况 ，当通过环的移动，能在打标范围之内放置两个或两个以上的螺旋槽时，这几个槽可一次打出，这样,可减少分度次数,提高刻槽效率。
③刻槽
刻槽工艺参照常规20W光纤打标机的刻槽参数选择，干气密封的螺旋槽深度为0.0025～0.01mm，为了加工出合格的槽深,必须选择合适的打标参数。影响槽深的参数有焦距、打标速度、有效矢量步长、功率、频率等。激光是能量高度集中的光束，只有在焦点平面才能进行加工，因此在每次刻槽前必须调焦，使激光焦点会聚在密封环面上，获得最好的刻槽效果。在实际刻槽过程中，螺旋线是通过激光点所走的微小直线趋近的，这就要控制好有效矢量步长，步长越大，线条越粗糙；步长越小，效率越低；功率是打标机输出激光的强度，不同材料所需要的激光强度是不一样的；频率是单位时间内激光点的数量，控制这个参数，对槽深及槽底的平面度都有重要影响，打标速度影响到槽面的粗糙度。合适的打标参数如下：
焦距：250～260mm；
打标速度：1000～2000mm/s；
有效矢量步长：0.01mm；
功率：40%～90%；
频率：5～10kHz。

Claims (1)

1.一种干气密封螺旋槽的激光刻槽加工方法，其特征在于：
(1) 加工设备
加工外径小于或等于100mm的密封环（5），使用20W光纤打标机（1）；加工直径大于100mm的密封环（5），在20W光纤打标机（1）上安装一个精度0.02mm的XY轴进给工作台（2）和分度精度1″/格的回转工作台（3）；
(2) 加工方法
 ① 设计槽形
为在密封环端面加工出合格的槽形，首先应设计出槽形，应用专门的绘图软件设计的干气密封螺旋槽，它由动压槽（10）、密封堰（20）和密封坝（30）的两段对数螺线和圆弧构成；
 ② 定位
a. 密封环（5）的外径小于或等于100mm时，在打标范围之内定位：每种不同直径的环片都需要加工定位胎具（51），在定位胎具（51）中心钻出直径小于0.5mm的中心孔（52），调整XY进给工作台（2），使胎具中心孔（52）与激光点重合，另外在胎具表面用激光打出与中心孔同心的定位线圆（53），直径小于胎具直径5～10mm，测量圆到胎具边缘的距离，再微调XY进给工作台（2），使二者的同心度小于或等于0.05mm，密封环的内孔与胎具的外圆定位，两者经过磨削加工，胎具淬火处理，间隙小于等于0.02mm；
b. 密封环（5）的外径大于100mm时的定位：采取逐槽加工的办法，加工前依前述(ａ)的方法定位，环片定位后，通过XY工作台(2)使密封环（5）在Y轴方向移动到L，至少能有一个槽在打标范围内,同时在作图时让螺旋槽偏移L距离，加工时，先将位于打标范围之内的槽刻出，然后通过回转工作台（3）逐个分度,当通过密封环（5）的移动,能在打标范围之内放置两个或两个以上的螺旋槽时,多个槽一次性打出；
③ 刻槽
刻槽参数如下：
焦距：250～260mm；
打标速度：1000～2000mm/s；
有效矢量步长：0.01mm；
功率：40%～90%；
频率：5～10kHz。
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