專利名稱：模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在核工業(yè)、石油工業(yè)、化工工業(yè)、化纖、化肥、原子能、航空航天和機械制造等工業(yè)領(lǐng)域中，對機械密封提出了更高的要求。碳化硅(SiC)的耐化學(xué)腐蝕性好、強度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系數(shù)小，抗氧化性強、極高的溫度下有良好的尺寸穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性好。另外，碳化硅材料具有適中的密度、較高的比剛度、較好的導(dǎo)熱系數(shù)、耐熱沖擊性、抗熱震、各向同性的機械性能、高彈性模量和使用壽命長等特點?？捎糜诜派湫?、腐蝕性、劇毒、易燃、易爆、高溫、高純、超凈等諸多復(fù)雜工況條件。因而是制造密封環(huán)的理想材料。但同時碳化硅材 料硬度高，脆性大，表面的加工難度大。用傳統(tǒng)的加工方法加工，加工過程相當(dāng)耗時并且效率相當(dāng)?shù)停嫘托拚щy，費用高；另外加工質(zhì)量不可控，加工質(zhì)量一致性差；并且精度低，工具磨損非?？?，磨損嚴(yán)重。這使得碳化硅密封環(huán)類零件的加工非常不易。為了使密封環(huán)能起到較好的密封效果，密封環(huán)表面需要加工出微結(jié)構(gòu)。在這種情況下，裝配密封環(huán)時，密封環(huán)表面上存在的微結(jié)構(gòu)可以彌補裝配過程中產(chǎn)生的變形，從而起到更好的密封作用。但是這會增加加工過程算法的復(fù)雜程度和控制過程的復(fù)雜程度，增加對加工過程穩(wěn)定性的要求，使得加工難度更大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法，為了解決碳化硅密封環(huán)類零件的難加工問題。所述的目的是通過以下方案實現(xiàn)的:所述的一種模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法，它的步驟方法是:
步驟一:將圓盤形電極架的上端面絕緣連接在龍門加工機床的豎直運動工作轉(zhuǎn)軸上，圓盤形電極架的上端面上設(shè)置有多個薄片形電極模塊的安裝孔，當(dāng)薄片形電極模塊安裝在圓盤形電極架上的安裝孔時，薄片形電極模塊與圓盤形電極架的直徑所在直線共線，根據(jù)待加工碳化硅密封環(huán)類零件微結(jié)構(gòu)面型的要求選擇薄片形電極模塊的個數(shù)；使每片薄片形電極模塊都通過圓盤形電極架與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；圓盤形電極架上的多個出氣孔都通過圓盤形電極架中心的導(dǎo)氣孔、氣管與混合等離子體氣源導(dǎo)氣連通，圓盤形電極架上的每個出氣孔的出口端分別設(shè)置在每片薄片形電極模塊附近；步驟二:將待加工碳化硅密封環(huán)類零件裝卡在地電極上，地電極固定在龍門加工機床的工作平臺上；將地電極接地作為大氣等離子體放電的陰極；將龍門加工機床設(shè)置在密閉工作艙中；
步驟三:圓盤形電極架的回轉(zhuǎn)軸心線與待加工碳化硅密封環(huán)類零件的軸心線重合，使每片薄片形電極模塊的下端面都靠近待加工碳化硅密封環(huán)類零件的待加工表面，并使它們之間都保持一定的放電間隙，放電間隙范圍均為；
步驟四:預(yù)熱射頻電源，預(yù)熱時間為5-10分鐘；然后打開混合等離子體氣源，混合等離子體氣源包含反應(yīng)氣體、大氣等離子體激發(fā)氣體和輔助氣體，使大氣等離子體激發(fā)氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應(yīng)氣體與大氣等離子體激發(fā)氣體的流量比為1:l(Tl:1000 ;輔助氣體與反應(yīng)氣體的流量比為1:10 1:1 ；
步驟五:當(dāng)每片薄片形電極模塊與待加工碳化硅密封環(huán)類零件的待加工表面之間的區(qū)域內(nèi)充滿大氣等離子體激發(fā)氣體、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合氣體后，啟動射頻電源，逐步增加射頻電源的功率，使功率達(dá)到100W-400W，同時控制射頻電源的反射功率為零，在射頻電源工作的過程中持續(xù)穩(wěn)定的通入混合氣體，使所有薄片形電極模塊與待加工碳化硅密封環(huán)類零件的待加工表面之間的放電區(qū)域都產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體放電，啟動龍門加工機床的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使圓盤形電極架做回轉(zhuǎn)運動，從而帶動所有薄片形電極模塊繞回轉(zhuǎn)軸心線做回轉(zhuǎn)運動；
步驟六:根據(jù)去除量的要求，控制所有薄片形電極模塊的運動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產(chǎn)生的大氣等離子體對零件表面進行加工；
步驟七:待加工完成后，關(guān)閉射頻電源的電源，關(guān)閉混合等離子體氣源，停止龍門加工機床的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，取出待加工碳化硅密封環(huán)類零件，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達(dá)到加工要求。本發(fā)明能對那些表面要求比較高的、加工難度比較大的、需要多個工序才能完成加工的密封環(huán)類零件表面進行先均勻的大去除、然后局部修琢的小去除、最后刻蝕微結(jié)構(gòu)的高精度、高效率的加工。本發(fā)明與現(xiàn)有 技術(shù)相比還具有下列優(yōu)點:
1.等離子體電極結(jié)構(gòu)簡單，電極為常見金屬制成，制造簡單，大氣等離子體加工過程對電極的損傷很小，因此加工過程穩(wěn)定可控，加工質(zhì)量一致性好，費用低；
2.本方法針對微結(jié)構(gòu)表面，利用等離子體電極的加工表面，計算駐留時間，只需要一個方向的回轉(zhuǎn)運動就可以實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的加工，算法和數(shù)控過程簡單；
3.等離子體的產(chǎn)生是在開放的大氣條件下實現(xiàn)的，避免了采用真空反應(yīng)容器，大大降低了使用成本。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖1中圓盤形電極架1、薄片形電極模塊1-1與待加工碳化硅密封環(huán)類零件4相對位置結(jié)構(gòu)示意 圖3是圖2的俯視結(jié)構(gòu)意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結(jié)合圖1、圖2、圖3所示，它的步驟方法是:
步驟一:將圓盤形電極架I的上端面絕緣連接在龍門加工機床2的豎直運動工作轉(zhuǎn)軸2-1上，圓盤形電極架I的上端面上設(shè)置有多個薄片形電極模塊1-1的安裝孔1-4，當(dāng)薄片形電極模塊1-1安裝在圓盤形電極架I上的安裝孔1-4時，薄片形電極模塊1-1與圓盤形電極架I的直徑所在直線共線，根據(jù)待加工碳化硅密封環(huán)類零件4微結(jié)構(gòu)面型的要求選擇薄片形電極模塊1-1的個數(shù)；使每片薄片形電極模塊1-1都通過圓盤形電極架I與射頻電源3的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；圓盤形電極架I上的多個出氣孔1-2都通過圓盤形電極架I中心的導(dǎo)氣孔1-3、氣管6-1與混合等離子體氣源6導(dǎo)氣連通，圓盤形電極架I上的每個出氣孔1-2的出口端分別設(shè)置在每片薄片形電極模塊1-1附近；
步驟二:將待加工碳化硅密封環(huán)類零件4裝卡在地電極2-3上，地電極2-3固定在龍門加工機床2的工作平臺2-2上；將地電極2-3接地作為大氣等離子體放電的陰極；將龍門加工機床2設(shè)置在密閉工作艙5中；
步驟三:圓盤形電極架I的回轉(zhuǎn)軸心線與待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的軸心線重合，使每片薄片形電極模塊1-1的下端面都靠近待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的待加工表面，并使它們之間都保持一定的放電間隙，放電間隙范圍均為；
步驟四:預(yù)熱射頻電源3，預(yù)熱時間為5-10分鐘；然后打開混合等離子體氣源6，混合等離子體氣源6包含反應(yīng)氣體、大氣等離子體激發(fā)氣體和輔助氣體，使大氣等離子體激發(fā)氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應(yīng)氣體與大氣等離子體激發(fā)氣體的流量比為1:1(T1:1000 ;輔助氣體與反應(yīng)氣體的流量比為1:l(Tl:1 ；
步驟五:當(dāng)每片薄片形電極模塊1-1與待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的待加工表面之間的區(qū)域內(nèi)充滿大氣等離子體激發(fā)氣體、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合氣體后，啟動射頻電源3，逐步增加射頻電源3的功率，使功率達(dá)到100W-400W，同時控制射頻電源3的反射功率為零，在射頻電源3工作的過程中持續(xù)穩(wěn)定的通入混合氣體，使所有薄片形電極模塊1-1與待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的待加工表面之間的放電區(qū)域都產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體放電，啟動龍門加工機床2的轉(zhuǎn)軸2-1轉(zhuǎn)動，使圓盤形電極架I做回轉(zhuǎn)運動，從而帶動所有薄片形電極模塊1-1繞回轉(zhuǎn)軸心線做回轉(zhuǎn)運動；
步驟六:根據(jù)去除量的要求，控制所有薄片形電極模塊1-1的運動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產(chǎn)生的大氣等離子體對零件表面進行加工；
步驟七:待加工完成后，關(guān)閉射頻電源3的電源，關(guān)閉混合等離子體氣源6，停止龍門加工機床2的轉(zhuǎn)軸2-1轉(zhuǎn)動，取出待加工碳化硅密封環(huán)類零件4，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達(dá)到加工要求。所述薄片形電極模塊1-1的材質(zhì)為鋁。所述薄片形電極模塊1-1的下加工表面可設(shè)計成平面型、內(nèi)斜梯形或外斜梯形。所述龍門加工機床2為龍門銑床或龍門刨床。所述射頻電源3的頻率為13.56MHz或27.12MHz，最大功率為2KW。所述混合等離子體氣源6為三元氣體混合系統(tǒng)，供氣流量為l-100L/min。所述混合等離子體氣源6中的大氣等離子體激發(fā)氣體為氦氣或氬氣；反應(yīng)氣體為六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；輔助氣體為氧氣、氫氣或氮氣。工作原理:由射頻電源3輸出端連接薄片形電極模塊1-1作為大氣等離子體放電的陽極，零件地電極接地作為大氣等離子體放電的地電極，由混合等離子體氣源6提供的能被激發(fā)產(chǎn)生等離子體的氣體充滿薄片形電極模塊1-1和零件之間的間隙，由射頻電源3提供輸出電能，在薄片 形電極模塊1-1和待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的放電間隙產(chǎn)生等離子體，同時反應(yīng)氣體被激發(fā)，產(chǎn)生具有反應(yīng)活性的原子與待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物并被旋轉(zhuǎn)的薄片形電極帶離零件表面，由此實現(xiàn)對碳化硅密封環(huán)類零件的無損傷快速加工。四氟化碳在等離子體的作用下，發(fā)生電離，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的活性F原子，激發(fā)態(tài)的活性F原子與碳化硅材料的密封環(huán)類零件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性產(chǎn)物，可以很順利地從零件表面揮發(fā)，從而實現(xiàn)材料的原子級去除，最終生成超光滑表面，并且不會在零件表面產(chǎn)生新的損傷層；
SiO^ + 4.. 1 ~^ SiF4 + Oj 卞。所述薄片形電極模塊1-1的設(shè)計原則:等離子體電極的長度范圍根據(jù)待加工碳化硅密封環(huán)類零件4的內(nèi)外半徑差為2 mm到100 mm可選。等離子體電極寬度范圍由待加工微結(jié)構(gòu)的波長決定，由于電極寬度約為單位去除函數(shù)的半高寬的二分之一，且為了保證加工的精確性，要求單位去除函數(shù)的半高寬小于待加工波長的五分之一，因此電極的寬度范圍要求小于待加工碳 化硅密封環(huán)類零件4的內(nèi)圈待加工波長的十分之一，建議范圍為0.5mm至Ij 2mm。
權(quán)利要求
1.模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一:將圓盤形電極架(I)的上端面絕緣連接在龍門加工機床(2)的豎直運動工作轉(zhuǎn)軸(2-1)上，圓盤形電極架(I)的上端面上設(shè)置有多個薄片形電極模塊(1-1)的安裝孔(1-4)，當(dāng)薄片形電極模塊(1-1)安裝在圓盤形電極架(I)上的安裝孔(1-4)時，薄片形電極模塊(1-1)與圓盤形電極架(I)的直徑所在直線共線，根據(jù)待加工碳化硅密封環(huán)類零件(4)微結(jié)構(gòu)面型的要求選擇薄片形電極模塊(1-1)的個數(shù)；使每片薄片形電極模塊(1-1)都通過圓盤形電極架(I)與射頻電源(3)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；圓盤形電極架(I)上的多個出氣孔(1-2)都通過圓盤形電極架(I)中心的導(dǎo)氣孔(1-3)、氣管(6-1)與混合等離子體氣源(6)導(dǎo)氣連通，圓盤形電極架(I)上的每個出氣孔(1-2)的出口端分別設(shè)置在每片薄片形電極模塊(1-1)附近； 步驟二:將待加工碳化硅密封環(huán)類零件(4)裝卡在地電極(2-3)上，地電極(2-3)固定在龍門加工機床(2)的工作平臺(2-2)上；將地電極(2-3)接地作為大氣等離子體放電的陰極；將龍門加工機床(2)設(shè)置在密閉工作艙(5)中； 步驟三:圓盤形電極架(I)的回轉(zhuǎn)軸心線與待加工碳化娃密封環(huán)類零件(4)的軸心線重合，使每片薄片形電極模塊(1-1)的下端面都靠近待加工碳化硅密封環(huán)類零件(4)的待加工表面，并使它們之間都保持一定的放電間隙，放電間隙范圍均為； 步驟四:預(yù)熱射頻電源(3)，預(yù)熱時間為5-10分鐘；然后打開混合等離子體氣源(6)，混合等離子體氣源(6)包含反應(yīng)氣體、大氣等離子體激發(fā)氣體和輔助氣體，使大氣等離子體激發(fā)氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應(yīng)氣體與大氣等離子體激發(fā)氣體的流量比為1:1(T1:1000 ;輔助氣體與反應(yīng)氣體的流量比為1:l(Tl:1 ； 步驟五:當(dāng)每片薄片形電極模塊(1-1)與待加工碳化硅密封環(huán)類零件(4)的待加工表面之間的區(qū)域內(nèi)充滿大氣等離子體激發(fā)氣體、 反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合氣體后，啟動射頻電源(3)，逐步增加射頻電源(3)的功率，使功率達(dá)到100W-400W，同時控制射頻電源(3)的反射功率為零，在射頻電源(3)工作的過程中持續(xù)穩(wěn)定的通入混合氣體，使所有薄片形電極模塊(1-1)與待加工碳化硅密封環(huán)類零件(4)的待加工表面之間的放電區(qū)域都產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體放電，啟動龍門加工機床(2)的轉(zhuǎn)軸(2-1)轉(zhuǎn)動，使圓盤形電極架(I)做回轉(zhuǎn)運動，從而帶動所有薄片形電極模塊(1-1)繞回轉(zhuǎn)軸心線做回轉(zhuǎn)運動； 步驟六:根據(jù)去除量的要求，控制所有薄片形電極模塊(1-1)的運動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產(chǎn)生的大氣等離子體對零件表面進行加工； 步驟七:待加工完成后，關(guān)閉射頻電源(3)的電源，關(guān)閉混合等離子體氣源(6)，停止龍門加工機床(2)的轉(zhuǎn)軸(2-1)轉(zhuǎn)動，取出待加工碳化硅密封環(huán)類零件(4)，對加工去除深度進行測量，以判斷是否達(dá)到加工要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法，其特征在于所述薄片形電極模塊(1-1)的材質(zhì)為鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法，其特征在于所述混合等離子體氣源(6)中的大氣等離子體激發(fā)氣體為氦氣或氬氣；反應(yīng)氣體為六氟化硫、四氟化碳或三氟化氮；輔助氣體為氧氣、氫氣或氮氣。
全文摘要
模塊化電極大氣等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的方法，它屬于等離子體加工碳化硅密封環(huán)類零件的技術(shù)領(lǐng)域。它是為了解決碳化硅密封環(huán)類零件的難加工問題。它的步驟一圓盤形電極架的面上設(shè)置有多個薄片形電極模塊的安裝孔；步驟二待加工碳化硅密封環(huán)類零件裝在地電極上；步驟三薄片形電極模塊的下端面都靠近待加工表面；步驟四預(yù)熱；步驟五通入混合氣體，啟動射頻電源；步驟六控制薄片形電極模塊的運動軌跡；步驟七、取出待加工碳化硅密封環(huán)類零件。本發(fā)明能對那些表面要求比較高的、加工難度比較大的、需要多個工序才能完成加工的密封環(huán)類零件表面進行先均勻的大去除、然后局部修琢的小去除、最后刻蝕微結(jié)構(gòu)的高精度、高效率的加工。
文檔編號B26F3/06GK103231418SQ20131017706
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者王波, 金江, 姚英學(xué), 金會良, 喬政, 李娜, 辛強, 李鐸 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)