Ионная технология создания прецизионных канавок на деталях газодинамических бесконтактных торцовых уплотнений.

Разделение трущихся поверхностей  газовым слоем нашло применение в подшипниковых опорах высокоскоростных шпинделей шлифовальных станков, опорах прецизионных навигационных приборов (гироскопах), в торцовых уплотнениях  центробежных насосов и компрессоров.    Для всех вышеперечисленных устройств характерно применение поверхностей трения, отличительной особенностью которых является наличие профилированных углублений (канавок),  по крайней мере, на одной из них. В результате относительного перемещения поверхностей трения друг относительно друга, канавки обеспечивают нагнетание газовой  среды и повышение давления в зазоре поверхностями, приводя к устойчивому их разделению. Применение бесконтактных  торцовых уплотнений с газодинамическими канавками  в нагнетателях и компрессорах значительно упрощает конструкцию их герметизирущих устройств.

Несущая способность газового слоя сильно зависит от формы (очертаний) и точности изготовления газовых канавок. Допуски на отклонение размеров такого рельефа по глубине, как правило, не превышают ~ (5-10)% от номинальных значений (составляющих для глубины канавок от нескольких единиц до одного-двух десятков  микрометров). Форма в плане канавок чрезвычайно разнообразна. Наиболее применяемые в настоящее время канавки: спиральные, шевронные, прямоугольные и в виде «елочки».

Учитывая, что применяемые для газодинамических "сухих" уплотнений материалы (различные керамики в виде компактных изделий или в виде покрытий, твердые сплавы, быстрорежущие стали) обладают повышенной твердостью и стойкостью к агрессивным средам, механические и химические способы формирования канавок с заданной конфигурацией малоэффективны. Ионное и плазменное  травление поверхностей посредством бомбардировки их высокоэнергетичными ионами через окна в металлической тонколистовой маске (шаблоне), накладываемой предварительно на обрабатываемую поверхность, является, по существу, единственно приемлемым способом обработки (рис. 5 и рис. 6). Маска имеет прорези (окна) требуемой конфигурации. Через эти прорези и ведется травление обрабатываемой поверхности изделия в течение определенного времени.

В поперечном сечении форма канавки, как правило, имеет П-образную форму. Создание уклона дна канавки приводит к значительному повышению жесткости несущего газового слоя и, следовательно, к уменьшению вероятности кратковременных касаний в аварийной ситуации и снижению времени контактного взаимодействия в периоды пуска и остановки.

Рис. 5. Фотографии различных колец торцовых уплотнений и масок	Рис. 6. Фотография экспериментальной установка для ионного травления газодинамических канавок  торцовых уплотнений

В лаборатории разработана  технология получения газодинамических канавок сложного профиля,  основанная на применении техники ионно-плазменного травления твердых тел и механизма экранирования области обработки.   (Патент RU 2 421 845 C2, H01J 37/31, C23C 14/48   Способ получения газодинамических канавок и устройство для его осуществления; Опубликовано: 20.06.2011, Бюл. № 17) (рис. 7).

Рис. 7.  Фотография части кольца торцового уплотнения после ионного травления по новой технологии и профилограммы поперечного сечения канавок на различных радиусах обработанного кольца

Получение наклона дна канавок по ширине (в тангенциальном направлении)  и по длине канавки (в радиальном направлении) на поверхности кольца осуществляется путем  использования совместно с традиционной маской, применяемой для получения газодинамических канавок с одинаковой глубиной по длине и ширине канавки, дополнительного маскирующего шаблона (маски-шторки), который имеет окна, определенной формы.  В процессе ионной обработки маска-шторка совершает возвратно-вращательное движение на некоторый угол  относительно оси кольца. Размеры и форма в плане окон в маске шторки подбираются под требуемую степень уклона дна газодинамической канавки. Геометрия окон в традиционной маске обеспечивает получение заданного конструктором профиля канавки в плане. Наклон  дна канавок обеспечивается формой окон и скоростью движения маски-шторки. Теоретически рассчитаны профили канавок для некоторых типовых законов изменения угловой скорости экранирующей маски.

Подробнее