工程科学与技术   2018, Vol. 50 Issue (5): 253-262
干气密封螺旋槽的激光加工工艺研究
毛文元, 宋鹏云, 邓强国, 许恒杰, 孙雪剑     
昆明理工大学 化学工程学院,云南 昆明 650500
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51465026)
摘要: 干气密封环螺旋槽的加工质量对干气密封性能有非常显著的影响。为了获得较高的螺旋槽加工质量,并能对螺旋槽加工工艺提供有效指导,利用LM-20型光纤激光标刻机对干气密封常用的碳化硅(SiC)陶瓷材料和碳化钨(WC)硬质合金材料进行了螺旋槽激光加工工艺研究。分别考察了激光功率、扫描速度、填充间距、重复频率、标刻次数等工艺参数对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响;并选用激光功率、扫描速度、重复频率、标刻次数作为4个因素,分别取3个水平对WC的正交试验结果进行了分析。试验结果表明:加工工艺参数对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均有一定的影响,合理的工艺参数有助于提升螺旋槽的加工质量;SiC和WC材质密封环合理的工艺参数范围分别为:激光功率为8~10 W和12~14 W,扫描速度为600~1 000 mm/s和500~800 mm/s,填充间距均为0.01~0.014 mm,重复频率为50~60 kHz和20~30 kHz,标刻次数为4~6次和2~4次。正交试验结果显示:重复频率对槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 的影响最为显著,其次为标刻次数、扫描速度和激光功率。扫描速度对底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响最为显著,其余因素对底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响较小。标刻次数与激光功率、激光功率与扫描速度、扫描速度与频率的交互作用均较弱,对槽底表面加工精度的影响不大。
关键词: 干气密封    螺旋槽    激光加工    加工工艺    
Research on Laser Processing Technology of Spiral Groove for Dry Gas Seal
MAO Wenyuan, SONG Pengyun, DENG Qiangguo, XU Hengjie, SUN Xuejian     
Faculty of Chemical Eng., Kunming Univ. of Sci. and Technol., Kunming 650500, China
Abstract: The processing quality of spiral groove on sealing ring has a significant effect on the performance of dry gas seal. In order to obtain high spiral groove processing quality and provide an effective guidance on spiral groove processing technology, Silicon carbide (SiC) ceramic materials and tungsten carbide (WC) cemented carbide materials, which are commonly used in dry gas seals, are selected to study the laser processing technology of spiral groove by LM-20 fiber laser marking machine. The influence of laser power, scanning velocity, filling spacing, repetition frequency, marking number and other parameters on spiral groove depth ${h_{\rm{g}}}$ and bottom surface roughness Ra are analyzed. The results of orthogonal test for WC are investigated with the conditions of that the laser power, scanning velocity, repetition frequency, number of marking are treated as variables and three levels are taken respectively. The experimental results show that the processing parameters have some influence on the spiral groove depth ${h_{\rm{g}}}$ and the bottom surface roughness Ra, the reasonable process parameters can improve the processing quality of spiral groove. The reasonable parameters of SiC and WC sealing ring obtained by this test are listed as follow: the laser power are 8~10 W and 12~14 W, the scanning speed are 600~1 000 mm/s and 500~800 mm/s, the filling distance is 0.01~0.014 mm, the repetition frequency are 50~60 kHz and 20~30 kHz, the marking number are 4~6 times and 2~4 times. The results of orthogonal test show that the repetition frequency has the most significant effect on the groove depth ${h_{\rm{g}}}$ , followed by the number of marking times, scanning speed and laser power. The scanning velocity has a significant effect on the bottom surface roughness Ra, while other factors can be neglected for Ra. The interaction between marking number and laser power, laser power and scanning velocity, scanning velocity and repetition frequency are minute, and they have a little influence on the processing accuracy of the groove bottom.
Key words: dry gas seal    spiral groove    laser beam machining    processing technology    

干气密封是在气体润滑推力轴承技术的基础上发展起来的一种以气体作为润滑剂的新型轴端密封,属于非接触式机械密封[12]。由于密封端面间不发生接触,可以显著改善其摩擦特性和润滑效果,因此被广泛地应用于离心式压缩机、离心泵等旋转机械中。螺旋槽干气密封的性能与螺旋槽的加工质量密切相关,但是如何加工出高质量的螺旋槽一直是一个技术难点。主要原因在于密封环材质与螺旋槽结构的特殊性及对螺旋槽的加工精度要求较高。加工螺旋槽的干气密封环一般为碳化硅(SiC)或碳化钨(WC)硬质合金,其硬度高、熔点高,加工难度大。螺旋槽结构的特殊性在于槽深仅为微米量级,当槽深相差几个微米其泄漏量和开启力会发生很大的变化,需要严格控制螺旋槽的槽深;此外,根据《干气密封技术条件》的要求,动压槽的槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 不大于0.8 μm[3],这也对螺旋槽的加工工艺提出了更高的要求。常用的螺旋槽加工方法有:光刻加工、电火花加工、喷砂法、激光加工等,其中激光加工以可加工任何材料、效率高、加工质量好等优点,成为目前螺旋槽主要的加工方式。

目前,关于激光的刻槽加工主要围绕微观尺度上表面织构(如微孔、微槽)加工进行,并从加工工艺、烧蚀阈值、材料去除机理等方面进行了相关的研究。Vilhena等[4]利用Nd:YAG纳秒激光器分别研究了单模、多模两种模式下脉冲能量及脉冲数量对微孔的几何特征(直径、深度及边缘毛刺高度)的影响。Tshabalala等[5]利用纳秒激光器对Si3N4-SiC陶瓷材料进行了表面织构的实验研究,考察了激光能量和横向脉冲重叠对Si3N4-SiC陶瓷材料平行微槽表面加工质量的影响。结果表明,随着脉冲能量和横向脉冲重叠的增加,材料去除率呈对数增加,且在0.3 mJ脉冲能量和50%的横向脉冲重叠的组合下可实现最佳表面织构化。武伟等[6]对高速钢表面沟槽织构的激光加工工艺进行了实验研究,系统考察了激光输出功率、扫描速度及重复频率与沟槽织构几何参数的关系。符永宏等[7]利用Nd:YAG纳秒激光器对SiC机械密封环表面微织构(微凹腔、微凹槽)的加工工艺进行了实验研究,给出了较优的微凹腔和微凹槽加工工艺参数范围。赵清亮等[8]利用飞秒激光器针对SiC的烧蚀特性进行了理论和实验研究,获得了脉冲数目、重复频率和入射激光功率等对加工微结构形貌的影响规律,并从材料的烧蚀阈值、去除机理等方面进行了分析研究。从上述的研究来看,他们主要集中于工艺参数对表面织构几何特征影响的研究,忽略了工艺参数对微织构表面加工质量的影响,而干气密封螺旋槽对槽底表面加工精度要求非常高,因此,需要在这方面做进一步探讨。另外,与微孔、微槽不同之处在于干气密封环上螺旋槽的槽深与其他两个方向的尺寸一般相差3个量级,这种差异性可能会导致工艺参数对材料的作用规律不一致。目前,针对螺旋槽激光加工工艺的研究还不太多,只有少数几位学者进行了相关的研究。张珊等[9]较早地对碳化硅(SiC)陶瓷密封环端面动压槽的激光加工进行了研究,获得了SiC动压槽的关键工艺参数和方法,可以加工任意槽深、任意形状、精度高的动压槽,且加工的动压槽无裂纹和变质层的产生。姚瑞龙等[10]利用激光对硬质合金机械密封环端面开槽进行了初步的实验研究,主要考察了激光电流对槽深的影响,其余工艺参数没有进行研究。在此基础上,刘萍萍等[11]进一步考察了有效矢量步长、有效矢量步间延时、频率及电流对槽底表面粗糙度和槽深的影响规律。他们的研究为干气密封螺旋槽的加工提供了一定的指导作用,不过仍存在考察因素过少,加工因素对螺旋槽槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 及槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响程度不清晰等问题,不足以给螺旋槽加工提供有效的指导作用。因此,有必要对螺旋槽激光加工进行更为全面的研究。

鉴于以上的研究现状,作者以干气密封中常用的SiC、WC材质密封环作为研究对象,采用光纤激光标刻试验机进行了不同工艺参数下的标刻试验,结合粗糙度仪和显微镜对标刻的槽底表面进行了测量和分析,并从机理上揭示工艺参数对螺旋槽深度和槽底表面加工精度的影响。最后,通过正交试验法,考察了各因素对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响程度及各因素之间的交互作用。试验研究结果可拓展至其他各种干气密封用流体动压槽的加工,可为流体动压槽的激光加工应用提供一定的指导作用。

1 试验部分 1.1 试验设备及试件

试验中螺旋槽的加工采用LM-20型光纤激光标刻机,由主机和计算机标刻系统两部分组成,如图1所示,其主要技术指标如表1所示。利用SEF-680型表面粗糙度轮廓形状测定机完成螺旋槽2维几何形貌的测量,从而获得螺旋槽的深度和底表面粗糙度数据,如图2所示。此外,试验中还用到了激光功率计、超声波清洗机和金相显微镜,分别用于激光实际功率的测量、试件的清洗及螺旋槽底表面形貌特征的观测。试件材料为购置的反应烧结碳化硅(SiC)密封环和镍基碳化钨(WC)硬质合金密封环成品,其表面均已经过镜面抛光处理,表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均已达到《干气密封技术条件》中干气密封硬质材料密封环 $R_{\rm a}$ 不大于0.1 μm的规定[2],主要规格参数如表2所示。

1.2 螺旋槽的几何参数及加工要求

选取的螺旋槽几何参数为:螺旋槽槽数12个,螺旋线螺旋角度15°,螺旋槽槽宽与台槽宽的比值0.25。螺旋槽的加工要求主要是对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 两个指标进行严格控制。目前,干气密封螺旋槽的深度 ${h_{\rm{g}}}$ 一般为5~10 μm左右[12],采用激光加工得到的槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ =0.4~1.6 μm[13],因此,将螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ =10 μm,槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ =0.8 μm作为本试验的预定目标。

图1 LM-20型光纤激光标刻机 Fig. 1 LM-20 fiber laser marking machine

图2 SEF-680型表面粗糙度轮廓形状测定机 Fig. 2 SEF-680 surface roughness profile shape measuring machine

表1 光纤激光标刻机的主要技术指标 Tab. 1 Main technical parameters of fiber laser marking machine

表2 SiC密封环和WC密封环的规格参数 Tab. 2 Specifications parameters of SiC seal ring and WC seal ring

1.3 螺旋槽的激光加工原理

螺旋槽激光加工时,其加工轨迹由螺旋槽图形的边界及槽内填充的线条决定。螺旋槽的填充方式一般可分为单方向填充和双方向填充,如图3所示。双方向加工与单方向加工的原理相同,可视作分别在XY方向各完成一次单方向加工。为了叙述方便,以单方向加工为例对螺旋槽的激光加工原理进行阐述。

图4为单方向激光加工原理示意图。

在这里,定义X方向为脉冲激光的扫描方向(扫描次数增加的方向),Y方向为脉冲激光的加工轨迹方向(脉冲数增加的方向)。由图可知,脉冲激光第1次加工的轨迹是沿AB,第2次加工的轨迹是沿CD。当脉冲激光辐照到试件表面时,会使辐照区域的表层材料瞬间发生熔化、气化,形成一定深度的槽区。随着激光器振镜沿Y方向(加工轨迹方向)偏移,一系列脉冲激光会从A点移动到B点完成第1次加工,使得AB方向形成一条沟槽。随后,激光振镜将脉冲激光沿X方向偏移至C点,重复第1次加工过程完成第2次加工,在CD方向形成另一条沟槽。如此反复便形成了完整的螺旋槽结构。如无特别说明,以下的研究均为单方向加工。

图3 填充方向示意图 Fig. 3 Schematic diagram of filling direction

图4 单方向激光加工原理示意图 Fig. 4 Schematic diagram of a unidirectional laser processing principle

1.4 试验方法及内容

试验前,用浸有丙酮溶液的棉球擦洗试件表面使其保持洁净,并放置于工作台装夹定位;设置合适的激光工艺参数并采用LM-20型光纤激光标刻机对试件进行标刻;标刻结束后,将试件放入盛有丙酮溶液的超声波清洗机内清洗15 min以去除槽底面及试件表面附着的残渣,取出吹干后准备进行表面形貌测量;随后,使用SEF-680型表面粗糙度轮廓形状测定机完成螺旋槽表面形貌的测量。在测量过程中,首先沿激光加工轨迹方向,在标刻区域内随机取3个位置测量槽深,以确定标刻后螺旋槽深度的平均值,记为 ${h_{\rm{g}}}$ 。然后分别沿激光的加工轨迹和扫描轨迹方向,在标刻区域内随机取3个位置测量槽底表面粗糙度,以确定槽底表面的平均质量。其中,沿X方向(扫描轨迹方向)上测量的槽底表面粗糙度记为 $R{_{\rm ax}}$ ,沿Y方向上(激光加工轨迹方向)测得的槽底表面粗糙度记为 $R{_{\rm ay}}$ ,最终槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 取两者的平均值。

试验先采用单因素法分析各激光工艺参数对螺旋槽深度和槽底表面质量的影响规律,然后采用正交试验法分析各工艺参数对螺旋槽深度和槽底表面质量的影响程度及各因素之间的交互作用。

2 试验结果与分析

螺旋槽加工质量指螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 的精度和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的平整度。为了获得较好的螺旋槽加工质量,一般可通过调节光纤激光标刻机的加工参数如激光功率 $P$ 、重复频率 $f$ 、扫描速度 $v$ 、标刻次数 $n$ 、填充间距 $S$ 等进行控制,配合表面粗糙度轮廓形状测定机完成螺旋槽几何形貌的测量,经过反复打标、测量直至达到预定目标。为了便于分析单因素对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 及槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响规律,确定了各加工参数的范围:激光功率1.49~13.40 W,重复频率20~60 kHz,扫描速度100~1 500 mm/s,填充间距0.01~0.02 mm,标刻次数1~10次。

2.1 激光功率

激光功率是影响螺旋槽加工质量的一个重要因素。图5给出了不同激光功率对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响规律。由图5可知,SiC、WC两种材质密封环的螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 表现出相似的规律:1)激光功率较小且低于某一值时(SiC、WC分别对应的激光功率为3.38 、4.46 W)加工得到的槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 几乎为零,表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 也较小。这说明激光的能量密度还未达到材料的气化阈值。2)当激光功率较大达到一定值时(SiC、WC分别对应的激光功率是5.54 、6.70 W),随着激光功率的增大,槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均几乎呈线性增大。此时,激光的能量密度已超过材料的气化阈值。3)激光功率介于两者之间,即:SiC、WC的激光加工功率分别在3.38~5.54 、4.46~6.70 W范围内时,随着激光功率的增大,槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 会缓慢随之增大,而底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 则会急剧增加。这说明,引起材料表面损伤的最小激光功率在此激光功率范围之内。

上述现象解释如下:脉冲激光聚焦光斑和重复频率一定时,激光的能量密度取决于激光功率。激光的能量密度小于材料的气化阈值时,材料表面吸热后温度升高会产生一定的热影响痕迹,但不足以使辐照区域材料气化。因此,材料几乎不会被去除,表面加工质量较好;激光的能量密度超过材料的气化阈值时,随着能量密度的增加,单个脉冲去除材料的深度呈对数增加,服从Beer-Lambert定律[14]。因而,加工的槽深会显著得到提升,表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 也随之增大;激光的能量密度在材料的气化阈值附近时,辐照区域的材料会受热形成蒸气羽,由于能量密度较低导致蒸汽压不够,虽然一部分气化物或熔融物在蒸汽压的作用下会脱离基体形成一定的槽深,但是大部分的气化物或熔融物无法及时去除,会在螺旋槽底表面或边缘处重新凝固附着形成熔渣导致槽底表面质量迅速恶化。WC材料表面损伤的最小激光功率高于SiC的原因在于:WC的熔点比SiC高,对应的气化阈值也越大,因此需要的激光功率也越高。

试验过程中发现,当激光功率达到一定程度时,材料表面会发出强烈的爆炸声。这是因为激光能量远大于材料气化阈值时,螺旋槽内大量的蒸汽相物质会产生强烈的冲击波,熔融物会在高压蒸汽的作用下从槽底高速向外喷射,两者的作用下会引起空气的剧烈震动产生爆炸声,而且爆炸声会随着激光功率的增加而增大[15]。不过,激光功率过大时会引起烧蚀区域的材料过度烧蚀,导致螺旋槽加工质量的迅速恶化。通过分析,SiC、WC两种材质密封环所对应的较优激光功率范围分别为8~10 W,12~14 W。

图5 激光功率对螺旋槽深度 ${{h}}_{\bf{g}}$ 和底表面粗糙度 ${{R_{\rm a}}}$ 的影响 Fig. 5 Influence of laser power on spiral groove depth ${{h}}_{\bf{g}}$ and bottom surface roughness ${{R_{\rm a}}}$

2.2 扫描速度

扫描速度是指单位时间内脉冲激光沿加工轨迹方向(Y方向)上的扫描距离。扫描速度主要影响沿加工轨迹方向上的光斑重合率及加工效率。

图6为不同的扫描速度对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响规律。由图可知,SiC、WC两种材质密封环的螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均呈现出相同的规律。即:随着扫描速度的增加,槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 随之减小,槽底的表面质量也随之得到提升。这是由于两相邻光斑重合率减小的缘故。根据图4所示的几何关系,可分别得到XY方向的光斑重合率:

X方向光斑重合率:

${\delta _x} = \Delta x/d$ (1)

Y方向光斑重合率:

${\delta _y} = \Delta y/d$ (2)

式(1)~(2)中, $\Delta x$ $\Delta y$ 分别为XY方向上两个光斑重叠部分的距离,其中, $\Delta x = d - x$ $\Delta y = d - y$ $x$ $y$ 分别为XY方向上两个光斑的距离, $y = v/f$ $d$ 为聚焦光斑直径, $v$ 为扫描速度, $f$ 为重复频率。由式(2)可知,随着扫描速度的增大,沿加工轨迹Y方向上的两个光斑重合率降低,即激光与材料相互作用的时间减少,使得材料表面接受的能量下降,对材料的热影响程度也会降低,导致槽深减小,槽底表面质量提高。

通过上述的分析可知,扫描速度较小时会有利于槽深的增加,但是同时会引起槽底表面加工精度的下降,而过小的扫描速度还会导致加工效率的低下。不过,扫描速度过大时也会导致槽底表面加工的精度的下降。从图7所示的WC螺旋槽底表面2维形貌图可以看出,扫描速度为1 500 mm/s时,沿加工轨迹Y方向上的槽底表面已出现不连续加工的情况;进一步增大扫描速度到10 000 mm/s,槽底表面已明显出现间断的凹坑。根据 $y = v/f$ $f$ =30 kHz,可以计算出两种扫描速度下沿加工轨迹方向(Y方向)上两个光斑的距离分别为50、333.33 μm,已经等于或远大于聚焦光斑直径(50 μm),此时两个光斑已不重合,两光斑未重合区域上的材料则不会被去除,出现不连续加工或间断的凹坑。因此,在实际加工中扫描速度需要进行合理的选择以满足螺旋槽的设计要求。在本试验中,SiC和WC合适的扫描速度范围分别为600~1 000、500~800 mm/s。

图6 扫描速度对螺旋槽深度 ${{h}}_{\bf{g}}$ 和底表面粗糙度 ${{R}}_{\bf{a}}$ 的影响 Fig. 6 Influence of scanning velocity on spiral groove depth ${{h}}_{\bf{g}}$ and bottom surface roughness ${{R}}_{\bf{a}}$

图7 不同扫描速度下螺旋槽(WC)底表面2维形貌图 Fig. 7 Two dimensional morphology of bottom surface of spiral groove (WC) at different scanning velocity

2.3 填充间距

填充间距是指两条填充线条(加工轨迹)之间的距离。填充间距是影响扫描方向(X方向)上光斑的重合率和加工效率的另外一个重要因素。

图8为不同的填充间距对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响规律。由图8可知,SiC、WC两种材质螺旋槽的深度 ${h_{\rm{g}}}$ 呈现出相同的规律。即螺旋槽的深度 ${h_{\rm{g}}}$ 随填充间距的增加而减小。其原因在于随着填充间距的逐渐增加,扫描方向上的光斑重合率随之减小,因而槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 呈现出减小的趋势。SiC、WC两种材质螺旋槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 大体上也呈现出与槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 相同的规律,注意到,两条表面粗糙度曲线均存在一个最低点,此点对应的填充间距即为最优填充间距,其数值分别为0.013 mm(SiC)、0.019 mm(WC)。该现象可从光斑重合率方面来揭示,当XY方向上具有相同的光斑重合率时,即XY方向上两个光斑距离相等时,槽底表面最为光滑平整。由式(1)和(2)可知,最优填充间距为:

$x = y = v/f$ (3)

本试验中,SiC材质密封环选取的扫描速度为800 mm/s、重复频率为60 kHz。WC材质密封环选取的扫描速度为600 mm/s,重复频率为30 kHz。由式(3)计算可得,SiC、WC材质密封环对应的最佳填充间距分别为0.013 3、0.02 mm,计算结果与试验结果基本一致。

填充间距的合理选择有助于螺旋槽加工质量及加工效率的提升。图9为不同填充间距下WC螺旋槽底表面2维形貌图。

图9中可以看到,填充间距为0.02 mm时,槽底面加工较为均匀;填充间距为0.04 mm时,槽底表面出现不连续加工的情况;填充间距为0.1 mm时,槽底表面出现间断的条状沟槽。这是因为当填充间距增大到一定程度时,会导致扫描方向(X方向)上的光斑重合率过小,甚至是不重合,因而槽底表面会出现不连续加工的情况或间断的条状沟槽。这说明并不是填充间距越大,获得的槽底表面质量越好。因此,填充间距需要进行合理的选择。对于加工效率而言,填充间距越小,意味着填充线条的数目也越大,脉冲激光的加工轨迹也越长,加工效率则越低,反之,则是填充间距越大加工效率越高。从提高加工效率的角度来说,应尽可能选择较大的填充间距。而当螺旋槽的加工精度要求较高时,则应选择最优的填充间距。经分析,SiC、WC合适的填充间距范围均可选择0.010~0.014 mm。

图8 填充间距对螺旋槽深度 ${{h}}_{\bf{g}}$ 和底表面粗糙度 ${{R}}_{\bf{a}}$ 的影响 Fig. 8 Influence of filling spacing on spiral groove depth ${{h}}_{\bf{g}}$ and bottom surface roughness ${{R_{\rm a}}}$

图9 不同填充间距下WC螺旋槽底表面2维形貌图 Fig. 9 Two dimensional morphology of bottom surface of spiral groove (WC) at different filling spacing

2.4 重复频率

重复频率是指单位时间内发出的脉冲个数。重复频率是影响螺旋槽加工质量的另一个重要因素。

图10为不同的重复频率对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响规律。从图10中可以看到,随着重复频率的增加,SiC密封环的螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均呈现出先上升后下降的趋势;WC密封环的螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 先是缓慢下降然后会迅速下降,而底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 则是呈现缓慢增加然后急剧增加的趋势。针对槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 和表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 随重复频率增加而减小的原因解释如下:由于重复频率为激光平均功率与单个脉冲能量的比值,激光平均功率一定时,随着重复频率的提高,单个脉冲获得的能量随之减小,使得材料的气化减弱,导致标刻深度会变浅;同时,随着重复频率的提高,虽然沿加工轨迹Y方向上的光斑重合率变大,但由于单个脉冲的能量减小,对材料的热影响程度也会降低,因此槽底表面的加工质量得到提升。

图11为不同重复频率下WC螺旋槽底表面的2维形貌图。由图11可知,在填充间距为0.1 mm时,两种不同重复频率下加工得到的槽底表面形貌均为间断的沟槽,且重复频率为20 kHz时的沟槽宽度明显大于重复频率为60 kHz时的沟槽宽度。其原因在于重复频率降低时单个脉冲的能量会增大,聚焦光斑作用的热影响区域也变大,导致沟槽宽度增加。

图10 重复频率对螺旋槽深度 ${{h}}_{\bf{g}}$ 和底表面粗糙度 ${{R}}_{\bf{a}}$ 的影响 Fig. 10 Influence of repeat frequency on spiral groove depth ${{h}}_{\bf{g}}$ and bottom surface roughness ${{R}}_{\bf{a}}$

注意到重复频率在40~60 kHz范围内,WC密封环的槽底表面粗糙度会随着重复频率的增加而迅速增大,呈现出与SiC密封环完全相反的趋势。结合图12所示的不同重复频率下WC螺旋槽底表面2维轮廓图,作如下解释:由于WC的熔点比SiC高,气化时所需的能量密度更大。当重复频率增大时,单个脉冲的能量会随之下降,材料的气化量也随之减小,使得槽内蒸汽压力降低,导致蒸汽压力带走的熔融物减少,进而在槽底沉积引起槽底表面粗糙度急剧增大。因此,重复频率为60 kHz时的槽底表面加工质量远不如重复频率为20 kHz时的槽底表面加工质量。理论上,当激光的能量密度远大于材料的气化阈值时,易实现槽深 ${h_{\rm{g}}}$ =10 μm的预定目标,此时选取的重复频率越大加工得到的槽底表面质量越好。不过对于WC而言,要将重复频率从30 kHz提升至60 kHz且保证单个脉冲的能量不下降,则意味着激光的平均功率需要增大一倍,显然现有条件是无法满足的。由试验可知,SiC和WC合理的重复频率取值范围分别为50~60 kHz和20~30 kHz。

图11 不同重复频率下WC螺旋槽底表面的2维形貌图 Fig. 11 Two dimensional morphology of bottom surface of spiral groove (WC) at different repeat frequency

图12 不同重复频率下WC螺旋槽底表面的2维轮廓图 Fig. 12 Two dimensional profile of bottom surface of spiral groove (WC) at different repeat frequency

2.5 标刻次数

标刻次数是影响螺旋槽槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 的一个重要因素。图13为不同的标刻次数对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的影响规律。由图13可知,SiC、WC两种材质螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均随标刻次数的增加呈线性变化。这是因为激光功率和聚焦光斑直径一定时,单次标刻辐照在材料表面的能量及对材料的热作用区域基本相同,使得每次标刻后螺旋槽的去除深度和表面粗糙度的变化程度也基本相等。随着标刻次数的增加,螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 和底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 均会随之线性增大。因此,实际加工中可根据槽深的需要,通过控制标刻次数并配合其他加工参数达到精确控制槽深的效果。经分析,SiC和WC合理的标刻次数分别为4~6次、2~4次。

图13 标刻次数对螺旋槽深度 ${{h}}_{\bf{g}}$ 和底表面粗糙度 ${{R}}_{\bf{a}}$ 的影响 Fig. 13 Influence of number of marking on spiral groove depth ${{h}}_{\bf{g}}$ and bottom surface roughness ${{R}}_{\bf{a}}$

通过以上的研究发现,SiC、WC两种材质密封环分别在加工参数: $p$ =9 W, $f$ =60 kHz, $v$ =800 mm/s, $S$ =0.013 mm, $n$ =5次及 $p$ =13.4 W, $f$ =30 kHz, $v$ =600 mm/s, $S$ =0.012 mm, $n$ =3次下,加工得到的螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 分别为10.11和10.15 μm,槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 分别为1.04和0.93 μm。两种材质密封环的螺旋槽均已实现槽深 ${h_{\rm{g}}}$ =10 μm的预定目标,而槽底表面粗糙度均未能达到 $R_{\rm a}$ 不大于0.8 μm的预定目标。因此,在后续的工作中需对螺旋槽的激光加工工艺进行更深入的优化研究,将表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 控制在0.8 μm以下。

此外,还可得知激光功率、重复频率、扫描速度、填充间距、标刻次数等工艺参数对螺旋槽的加工质量均有一定的影响。除重复频率外,同一加工参数对SiC、WC两种材质螺旋槽加工质量的影响规律基本一致。不过各因素对螺旋槽加工质量的影响程度并不相同,且各因素之间还可能会存在交互作用。因此,有必要通过正交试验来进行分析比对。

3 正交试验结果分析

为了充分了解各因素对螺旋槽加工质量的影响程度及各因素之间的交互作用,选用正交表L27(313),以标刻次数、激光功率、扫描速度、重复频率作为4个因素,分别取3个水平进行正交分析。因素水平表和正交设计表分别见表3表4。受篇幅限制,下面仅对碳化钨(WC)密封环进行正交试验及结果分析。

表3 因素水平表 Tab. 3 Table of factor levels

表56分别为螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 及底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 的方差分析结果。通过分析可知,在选定的加工参数范围内,由强至弱,对螺旋槽深度 ${h_{\rm{g}}}$ 影响的因素依次为D(重复频率)、A(标刻次数)、B(激光功率)、AB(标刻次数与激光功率)交互、BC(激光功率与扫描速度)交互、C(扫描速度)、CD(扫描速度与重复频率)交互;对螺旋槽底表面粗糙度影响 $R_{\rm a}$ 则是因素C(扫描速度)、D(重复频率)、A(标刻次数)、AB(标刻次数与激光功率)交互、CD(扫描速度与重复频率)交互、BC(激光功率与扫描速度)交互、B(激光功率)。对比F值与F临界值可知,对槽深 ${h_{\rm{g}}}$ 影响显著性从大到小的因素依次为D(重复频率)、A(标刻次数)、B(激光功率)、C(扫描速度);对槽底表面粗糙度 $R_{\rm a}$ 影响最为显著的因素是C(扫描速度);而因素AB(标刻次数与激光功率)、BC(激光功率与扫描速度)、CD(扫描速度与重复频率)的交互作用不明显,对槽底表面加工精度的影响不大。

表4 正交试验结果分析 Tab. 4 Analysis results of orthogonal layout

表5 螺旋槽深度的方差分析表 Tab. 5 Analysis table of variance about the spiral groove depth

表6 螺旋槽底表面粗糙度的方差分析表 Tab. 6 Analysis table of variance about the surface roughness at the spiral groove bottom

4 结 论

通过以上的研究,得出如下结论:

1)各因素对螺旋槽的加工质量均有一定的影响。对于SiC、WC两种材质而言,除重复频率外,同一因素对螺旋槽加工质量的影响规律基本均一致,选择合理的加工参数有助于提升螺旋槽的加工质量。

2)在所研究的加工参数范围内,对WC材质螺旋槽深度影响最为显著的因素为重复频率,其余依次为标刻次数、激光功率、扫描速度。对WC材质螺旋槽底表面粗糙度影响最为显著的因素为扫描速度。而标刻次数与激光功率、激光功率与扫描速度、扫描速度与频率的交互作用对螺旋槽底表面粗粗糙度的影响不大。

3)加工参数分别为 $p$ =9 W, $f$ =60 kHz, $v$ =800 mm/s, $S$ =0.013 mm, $n$ =5次及 $p$ =13.4 W, $f$ =30 kHz, $v$ =600 mm/s, $S$ =0.012 mm, $n$ =3次时,SiC、WC两种材质螺旋槽均可达到槽深10 μm的预定目标,不过加工得到的螺旋槽底表面精度还不够高。为了进一步提升螺旋槽的加工质量,需在后续的工作中对其加工工艺进行更深入的优化研究。

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