基于壽命的光學平面研磨機床主軸上水密封結構優(yōu)化設計*

朱成俊 孫育竹

(①河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473009；②武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

旋轉主軸的內(nèi)噴上水部件是光學平面研磨機床的關鍵部件，它是影響該類加工機床的平均無故障時間的關鍵因素。該類平面加工機床在運轉時，由于工作磨盤比較大(平模直徑300～450 mm)，僅使用外噴的研磨液難以達到磨盤中間的部位，無法對工件進行有效的研磨和冷卻的作用，使被研磨工件形成不均勻磨削、局部溫度過高，結果就會導致工件尺寸超差甚至被燒傷而成為不合格產(chǎn)品。

為解決現(xiàn)有問題，達到預定的加工效果，人們提出了由主軸中心向工件盤上不間斷地噴射研磨液的方案。但是，研磨液中含有的高硬度研磨顆粒和研磨液本身的腐蝕性，都會對橡膠密封件直接造成損壞，大大降低它的使用壽命，直接造成泄漏、研磨液噴射不充分，并且污染環(huán)境。國內(nèi)現(xiàn)有光學平面研磨機床主軸內(nèi)噴上水密封結構的使用壽命普遍在2～5個月左右，主要問題在于密封件容易失效。出現(xiàn)故障后，需要停產(chǎn)維修，增加維修成本，影響生產(chǎn)效率。

綜上，光學平面研磨機床主軸內(nèi)噴上水密封結構設計的好壞，直接影響該類設備的精度、使用壽命和維護成本。分析研究、優(yōu)化設計新一代的主軸內(nèi)噴上水密封結構顯得尤為重要。本文分析了現(xiàn)有上水結構中密封件失效原因，提出了用柔性結構補償密封件磨損后的間隙，采用耐腐蝕的高強度金屬密封件代替橡膠密封件，以提高密封結構的使用壽命。

1 原有主軸內(nèi)噴上水密封結構主要問題

1.1 原有密封結構工作原理

上世紀八九十年代直到目前，光學平面研磨設備常用圖1所示的主軸防水密封結構。該結構中，靜密封接頭2靠固定支架1和螺母3定位固定，靜密封接頭2、密封圈5、密封螺套6、骨架油封7和動密封接頭8 組成一個密封腔體。其中，密封螺套6和靜密封接頭2旋合壓緊密封圈5，骨架油封7過盈配合裝在密封螺套6內(nèi)，此兩處均為靜密封配合，密封可靠，壽命長，不會泄漏；骨架油封7和動密封接頭8為動密封配合，靠油唇彈簧密封。工作時，帶輪10在電動機帶動下以一定速度旋轉，帶動主軸旋轉完成研磨削任務，研磨液在壓力下由靜密封接頭2向上流動，先經(jīng)過骨架油封7和動密封接頭8，再通過主軸中心孔流入工作區(qū)域。研磨液經(jīng)過骨架油封7時，由密封圈防止液體泄漏。本結構簡單，對零部件制造要求低，安裝方便，成本低，曾被廣泛使用。

1.2 密封結構的失效原因

圖1中密封結構的性能完全靠密封圈保證。由于研磨液中的研磨顆粒的沖刷及其腐蝕性，密封圈容易磨損，研磨液將會泄漏，此時可以停機調(diào)節(jié)螺母3，重新壓緊密封圈。但由于密封圈本身壽命有限，工作環(huán)境惡劣；同時，骨架油封和主軸間也有摩擦，會造成油封磨損而漏液，故該結構的可靠性較差。密封結構失效后，需停工維修頻繁，維護成本高，生產(chǎn)效率低，容易造成場地污染。在實際生產(chǎn)中，其壽命一般在1～2個月。該結構壽命不足的主要原因有：(1)密封件材質(zhì)易受研磨液腐蝕。(2)動密封接頭與油封為周向接觸，會產(chǎn)生磨損間隙。(3)密封件磨損后，無法自動壓緊密封件，需停機手工操作。

2 基于柔性的密封結構優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)有主軸內(nèi)噴上水密封結構的失效的主要原因，去掉動密封中的骨架油封，改進主軸內(nèi)噴上水密封結構，增加機構的柔性，典型的有基于球面接觸的密封結構和基于球面接觸閉式結構兩種。

2.1 基于球面接觸的密封結構

如圖2結構，動密封接頭1和靜密封接頭2均為機械連接件，以球面接觸。其中，動密封接頭1通過螺紋和主軸連接，并隨主軸同步旋轉；靜密封接頭2和調(diào)整板4靠螺母7固定在一起。固定板9固定在主軸軸承座下端面，用來固定兩個調(diào)節(jié)螺栓3。調(diào)整兩個調(diào)節(jié)螺母7推動支撐板6，通過彈簧5和調(diào)整板4，調(diào)節(jié)靜密封接頭2和動密封接頭1之間的壓力，以保證球面密封面在壓力最小的情況下研磨液不泄漏。

該結構優(yōu)點：由于采用金屬件球頭接觸，其強度較高、耐磨性和耐蝕性較好，隨著時間增加，球面接觸面積增加，密封效果越好；球面磨損后，由彈簧的預緊作用，系統(tǒng)會自動補償間隙，故使用壽命能夠提高到原來的2.5～3倍。但該結構也有不足之處：機構運行之初，由于動靜密封接頭的球面加工精度的影響，需要時間磨合，磨合階段液體泄漏易污染環(huán)境；安裝復雜，需同時調(diào)節(jié)螺母，才能使結構平衡。

2.2 基于球面接觸的閉式密封結構

為解決圖2所示結構平衡問題和磨合階段研磨液泄漏問題，對結構進一步優(yōu)化，仍采用球面接觸密封，并設計了密封殼體用于回收研磨液，如圖3所示。圖中，動密封接頭2靠螺紋和主軸連接，保證兩者的同步轉動，壓緊的密封圈1，保證密封可靠。上密封殼體3內(nèi)的推力軸承4和深溝球軸承5，用于保證動密封接頭2的定位精度和旋轉靈活性，同時，還可以承受來自靜密封接頭6的軸向密封壓力。導向調(diào)節(jié)螺母9對靜密封接頭6起定位導向和密封壓力調(diào)節(jié)的作用，通過動、靜密封接頭對中性和彈簧的壓力調(diào)節(jié)來保證密封面的良好密封性。鎖緊螺母10對導向調(diào)節(jié)螺母9有防松作用，鍵11是防止靜密封接頭6的轉動。密封面磨合階段泄漏的研磨液，可由泄漏排水口流向研磨液容器，避免研磨液的浪費和環(huán)境污染。

該結構優(yōu)點：體積小；動、靜密封接頭對中性好，運轉靈活，密封面的密封調(diào)節(jié)方便；使用前磨合時間縮短，密封面磨損時泄漏的研磨液可回收，不浪費、不污染；密封效果好，使用壽命提高到原來的3～5倍。缺點：結構復雜，整體零件加工精度提高；密封面磨損后，需要重新調(diào)節(jié)動、靜密封接頭之間的壓力。

以上兩種優(yōu)化后的主軸內(nèi)噴上水密封結構，它們的工作原理相同，結構形式略有差別，壽命比傳統(tǒng)的密封結構高。但是，兩類球面接觸式密封結構存在共性問題：(1)動靜密封接頭為非標準件，制造難度大，精度難以保證，成本高。(2)有磨合時間，且與材料硬度和球面精度關系很大。(3)由于靜密封部分為柔性結構，主軸轉速過高時，容易引起靜密封結構振動，影響密封效果。

3 基于標準機封的防水密封結構優(yōu)化

針對柔性密封結構存在的問題，以降低成本、縮短磨合時間、解決主軸高速時的振動問題為目標。在分析內(nèi)噴上水結構的原理基礎上，借鑒標準的機械密封結構的基礎上，使用標準的密封件，以降低成本。

優(yōu)化后的密封結構如圖4所示。其結構和工作原理如下：簡化其結構核心，改變以往密封結構的關鍵，把自制設計加工的球形動、靜密封接頭，改為外購的標準平面密封環(huán)，動、靜密封環(huán)的材質(zhì)、硬度、表面粗糙度和精度由專業(yè)廠家解決，密封面的表面質(zhì)量為上水密封提供可靠保障。連接軸1旋轉靈活性、對中性和受力的合理性，依靠和上腔體3、推力軸承4、深溝球軸承5組成的裝配體來保證，其下端的動密封環(huán)7和動連接軸1為可靠的靜密封連接。動密封環(huán)7和調(diào)整螺母11為靜密封連接，密封可靠；調(diào)整螺母11通過和下腔體9的螺紋旋合完成上下尺寸的調(diào)節(jié)，并靠鎖緊螺母10鎖緊，最終完成動、靜密封環(huán)密封面的壓力調(diào)節(jié)和密封。此結構的特點：成對的標準密封件配合為平面接觸，易保證精度，磨合時間短；靜密封部分為剛性結構，無振動問題。標準密封件的耐磨性好、制造成本低，加工周期短，安裝調(diào)節(jié)方便，運轉靈活，密封面摩擦力小，無泄漏，使用壽命長，可達到原來的8～10倍。

4 結語

通過對主軸內(nèi)噴上水密封結構的3次優(yōu)化，提高了其密封效果，增加了其使用壽命。優(yōu)化前后結構的性能對比如表1。

表1 密封結構優(yōu)化前后的性能對比

結構特點效果壽命/月成本缺點原有結構橡膠墊密封,結構簡單差2低密封件易損、無法自動調(diào)節(jié)球面接觸式金屬球面密封,耐腐蝕,可自動調(diào)節(jié)密封面一般5～6高有磨合時間、高速運動時有振動球面接觸閉式漏液可回收,對中性好,體積小,安裝方便較好6～10高高速運動時有振動標準機封式結構簡單,使用標準件好16～20低無法自動調(diào)節(jié)

通過以上對比分析可以看到，通過優(yōu)化設計，大大提高了主軸內(nèi)噴水的防水效果，其中標準機封式的壽命最長，綜合性能最好。通過對密封結構的優(yōu)化設計，有效的降低了光學平面研磨機床的維修頻率，提高生產(chǎn)效率。在優(yōu)化設計過程中，解決了如下工程問題，可為類似機械結構的優(yōu)化設計提供借鑒。

(1)以金屬球面接觸密封結構代替橡膠密封圈，解決了橡膠腐蝕老化問題。

(2)將靜密封部分設計為柔性結構，能夠自動補償密封件磨損后間隙。

(3)在靜密封部分設計了閉式腔體，回收泄漏研磨液，防止污染環(huán)境。

(4)以標準機封件代替球面密封，能夠簡化結構，降低成本，提高壽命。

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