臥式加工中心機(jī)床主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用
2020-12-8 來(lái)源：沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司 作者：徐建平 尹作升 王維 周星興 孫薇
摘要：主軸是機(jī)床主要功能部件，其性能直接決定機(jī)床的加工精度及加工性能。 臥式加工中心機(jī)床主軸臥式布局，大流量冷卻及加工塵屑極易污染主軸及主軸軸承，所以主軸部件設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)考慮主軸前端密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用。 重點(diǎn)介紹了機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)主軸結(jié)構(gòu)類(lèi)型及其主軸前端密封的結(jié)構(gòu)及選用。
關(guān)鍵詞：主軸；前端密封；密封結(jié)構(gòu)；主軸結(jié)構(gòu)
臥式加工中心機(jī)床主軸臥式布局， 然而大流量冷卻液的使用和機(jī)床加工材料的多樣化（切削為粉末），致冷卻液及加工塵屑極易在主軸前端進(jìn)入主軸軸承位置， 極大影響了機(jī)床使用壽命及傳動(dòng)精度。 故而主軸軸承的密封效果直接影響軸承的壽命乃至整臺(tái)機(jī)床質(zhì)量。 主軸密封的研究與應(yīng)用伴隨著機(jī)床及新型功能材料發(fā)展一直進(jìn)行著并不斷改進(jìn)，王守堯［１］翻譯過(guò)《機(jī)床主軸密封的實(shí)驗(yàn)研究》， 文中以帶彈簧的接觸式鋼架橡膠密封圈、帶彈簧的接觸式牛皮密封圈、非接觸式迷宮密封、以蓋和螺母構(gòu)成的迷宮式密封、圓片式迷宮密封（луд）五種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試驗(yàn)研究， 并指出接觸式密封與非接觸式密封的使用狀態(tài)及使用條件， 同時(shí)對(duì)第 5 種其改進(jìn)過(guò)的機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行試驗(yàn)及性能描述。
王鋼［２］提出 Ｖ 形密封圈密封、ＧＭＮ 無(wú)接觸密封圈密封和密封圈與氣密封結(jié)合使用的密封 3 種密封形式， 并在文中詳述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用狀態(tài)。 李銀玉等［３］通過(guò)密封原理分析并對(duì)主軸前端結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)以提高機(jī)床主軸密封性能。 通過(guò)新材料的不斷出現(xiàn)和主軸密封結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)， 文中介紹了兩種目前臥式加工中心機(jī)床的主軸密封形式的選用與改進(jìn)。
１ 、固定主軸形式的主軸密封
如圖 １ 所示主軸為固定式主軸 （主軸只可旋轉(zhuǎn)無(wú)前后移動(dòng)功能）， 主軸配置有主軸中心冷卻及主軸端面環(huán)噴外冷功能，且主軸為臥式布局，在大流量冷卻液加工環(huán)境中，主軸軸承（尤其是主軸前軸承） 極易出現(xiàn)冷卻液從前端回流至軸承處出現(xiàn)軸承被污染的風(fēng)險(xiǎn)。 根據(jù)使用狀態(tài)和前期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)， 本主軸箱設(shè)計(jì)中，防水結(jié)構(gòu)采用了多層防水結(jié)構(gòu)組合使用，確保主軸軸承在使
用過(guò)程中的穩(wěn)定與可靠。
圖１ 主軸密封結(jié)構(gòu)圖
選用帶密封功能的高精度角接觸成組軸承，軸承配置有密封蓋（主要功能為防塵）。在軸承前端設(shè)置有迷宮密封，迷宮密封結(jié)構(gòu)參考文獻(xiàn)［４］，實(shí)現(xiàn)軸承前部最后一道環(huán)節(jié)密封，在左迷宮下部開(kāi)設(shè)泄水孔，以便前端冷卻液少量滲入時(shí)從泄水槽中留出。 迷宮前端主軸與主軸連接處設(shè)置有較大臺(tái)階，臺(tái)階與主軸箱與軸承外圈壓緊端蓋處設(shè)置有氣幕。通氣后在端面形成氣幕密封 （在前端通入空氣后形成內(nèi)部輕微正壓力氣壓），防止冷卻水與加工粉塵進(jìn)入內(nèi)部。
在主軸最前端主軸與端蓋上均設(shè)置有反向倒尖槽， 實(shí)現(xiàn)主軸靜止時(shí)的防止冷卻液回流的功能。 在端蓋下部設(shè)置有泄水口 １。 通過(guò) ４ 層防水結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主軸的軸承防護(hù)結(jié)構(gòu)。
主軸前端氣幕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 ２ 所示， 在主軸箱體內(nèi)部設(shè)置有走氣通道，在零件連接處均設(shè)置有“0”形密封圈，防止空氣泄漏。在端蓋上設(shè)置環(huán)形走氣槽，當(dāng)通入空氣以切向角度進(jìn)入走氣
槽后，順著走線(xiàn)槽環(huán)形移動(dòng)后，通過(guò)主軸前端與端蓋之間的間隙處吹出并形成主軸內(nèi)部正壓空氣環(huán)境。 通入空氣要求在機(jī)床氣路控制中供給，空氣需進(jìn)行二次過(guò)濾干燥，以確保空氣中的水分及雜質(zhì)導(dǎo)致通道內(nèi)部銹蝕。通入氣路設(shè)置有節(jié)流閥和減壓閥，精確控制空氣的流量及氣壓， 防止流量過(guò)大導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑油脂被破壞或產(chǎn)生風(fēng)穴噪聲。
圖2 主軸前端氣幕結(jié)構(gòu)圖
２ 、帶鏜軸形式的主軸軸承密封
鏜軸結(jié)構(gòu)是臥式加工中心機(jī)床中常見(jiàn)的一種主軸形式，鏜軸在銑軸內(nèi)前后移動(dòng)， 銑軸通過(guò)主軸箱箱體后端設(shè)置變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 該結(jié)構(gòu)提高鏜軸剛性的同時(shí)還可提高機(jī)床的加工工藝性能。 如圖 ３ 所示，針對(duì)該主軸箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸軸承密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中， 鏜軸與銑軸之間存在前后移動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故選擇特瑞堡進(jìn)口組合密封圈實(shí)現(xiàn)密封（密封圈在密封的同時(shí)具有一定的耐磨損功能）。
圖 ３ 原鏜軸結(jié)構(gòu)主軸軸承密封結(jié)構(gòu)圖
主軸軸承安裝于銑軸外圓，軸承內(nèi)圈通過(guò)銑軸設(shè)置臺(tái)階定位，軸承外圈通過(guò)端蓋壓緊，銑軸反向倒尖槽防止切削液倒流， 端蓋上設(shè)置有泄水孔進(jìn)行少量回流水的排出， 但在機(jī)床使用過(guò)程中存在切削液回流導(dǎo)致軸承被淹的情況。
針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)目前密封技術(shù)發(fā)展，銑軸前端選擇了國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的磁性密封元件， 外形尺寸按原機(jī)床端蓋尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，以替代原密封端蓋，具體機(jī)構(gòu)如圖 ４ 所示。
圖4 改進(jìn)后鏜軸結(jié)構(gòu)主軸軸承密封結(jié)構(gòu)圖
磁性密封元件結(jié)構(gòu)如圖 ５ 所示，有固定外圈，其功能替代原主軸箱前端密封端蓋，通過(guò)螺釘連接固定在主軸箱箱體上，后部設(shè)置臺(tái)階實(shí)現(xiàn)主軸軸承外圈壓緊。 從動(dòng)內(nèi)圈內(nèi)孔加工有“ｏ”形密封圈槽并安裝有密封圈，且以密封膠安裝固定于銑軸上，在內(nèi)外圈前端設(shè)計(jì)防水倒鉤結(jié)構(gòu)，防止大量切削液回流。內(nèi)圈外圈之間設(shè)計(jì)有槽，槽內(nèi)填入磁性流體，磁性流體在內(nèi)外圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)， 摩擦發(fā)熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件變形的同時(shí)產(chǎn)生很好的防水效果，解決了主軸軸承密封結(jié)構(gòu)存在的進(jìn)水污染問(wèn)題。
目前磁性流體密封元件已大量在水電站發(fā)電機(jī)組及環(huán)境惡劣的有水環(huán)境中使用且效果優(yōu)良。
圖５磁性密封元件結(jié)構(gòu)圖
隨著加工過(guò)程中大量切削液的使用與特種材料加工的要求，機(jī)床加工過(guò)程中主軸軸承的使用環(huán)境越來(lái)越惡劣，從而對(duì)主軸軸承密封性能要求越來(lái)越高。針對(duì)目前使用結(jié)果，接觸式密封由于在運(yùn)行過(guò)程中存在發(fā)熱導(dǎo)致變形或直接燒壞等缺陷， 且安調(diào)過(guò)程復(fù)雜（安裝間隙與壓緊力調(diào)節(jié)）。 隨著加工要求主軸轉(zhuǎn)速越來(lái)越高， 導(dǎo)致接觸式密封結(jié)構(gòu)使用越來(lái)越難滿(mǎn)足機(jī)床使用要求，從而非接觸密封機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，但非接觸式密封結(jié)構(gòu)使用中，如何保障各密封部件之間的間隙與其防水效果，目前國(guó)內(nèi)外多家機(jī)床生產(chǎn)廠家均在主軸軸承前端設(shè)置有氣幕密封，
以改善主軸軸承的密封效果。 文中介紹結(jié)構(gòu)均以多重密封結(jié)構(gòu)確保主軸軸承的密封效果， 磁性流體密封的使用也是一種很好的主軸軸承密封與防水的結(jié)構(gòu)之一。
3 、結(jié)語(yǔ)
密封機(jī)構(gòu)無(wú)非以接觸式與非接觸式兩種方式為基礎(chǔ)進(jìn)行組合與發(fā)展，多重結(jié)構(gòu)組合使用確為一種可靠的方式。隨著新材料及新型密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，未來(lái)主軸軸承密封元件肯定以更高端、可靠、更穩(wěn)定的方向發(fā)展。 機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，密封方式及元件的選擇也越來(lái)越多樣化， 機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中需多了解最新技術(shù)發(fā)展并引用至機(jī)床設(shè)計(jì)中， 為機(jī)床主軸軸承提供更可靠的軸承密封。
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