關(guān)于高速主軸前端密封結(jié)構(gòu)形式的研究*

張海波

(科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連116600)

在不同的工業(yè)領(lǐng)域，對機床及主軸的要求是不一樣的。隨著我國經(jīng)濟和制造業(yè)的快速發(fā)展，對主軸的需求越來越嚴格，如主軸的速度、功率、扭矩、可靠性、壽命、維修和運行費用等要求均有所提升。在不同的加工條件下，為了提高零件的表面精度，對外部冷卻流量加大，實現(xiàn)快速沖屑，也是目前越來越重視的發(fā)展趨勢。近20多年來，電主軸在市場需求拉動和技術(shù)進展的推動下，不斷攻克軸承、冷卻、潤滑及效率等一系列技術(shù)難題。但由于航空航天等行業(yè)，對零件結(jié)構(gòu)性及加工工藝的復(fù)雜性增高，對復(fù)合機床的需求增加，如銑磨機床、超聲波機床和短電弧機床，這些機床的加工工況極其惡劣，加工含有磨料碳粒或碳纖維增強塑料的零件，均存在大量的粉塵等微顆粒，因此對主軸前端密封結(jié)構(gòu)要求就更加專業(yè)[1]。

主軸前端的特殊性，需要結(jié)構(gòu)緊湊，主軸設(shè)計人員都了解軸承到主軸最前端跨距越短越好，因此前端的結(jié)構(gòu)形勢是至關(guān)重要。對主軸增加熱伸長、振動及溫度傳感器等功能的需求是顯而易見，這些附加功能都需要在主軸前端來實現(xiàn)。因此就要考慮在有效的空間內(nèi)實現(xiàn)密封的作用，還要給附加功能留出充足的空間。本文研究內(nèi)容就是分析一下什么密封結(jié)構(gòu)形式較為合理。

1 密封形式介紹

密封結(jié)構(gòu)無非以接觸式與非接觸式兩種方式，或者以這兩種方式為基礎(chǔ)進行組合。

(1)接觸式密封更加可靠，常用于低速主軸中，但接觸式密封對密封件的要求較高(線速度)，目前行業(yè)內(nèi)國內(nèi)外的密封件很難達到高速主軸的要求，且高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生大量的熱量，造成額外的熱伸長。相信隨著新材料及新型密封結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，未來密封元件肯定以更高端、更可靠和更穩(wěn)定的方向發(fā)展，今后的論點可能會發(fā)生變化。

(2)非接觸式密封以迷宮密封為主，在苛刻的工況中，同時需要氣密封結(jié)構(gòu)。非接觸式密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保證的要點環(huán)節(jié)多，為高速主軸中最為常見結(jié)構(gòu)形式。能夠有效通過結(jié)構(gòu)阻擋外部冷卻液和雜質(zhì)，是本文中研究要點。機床設(shè)計過程中密封方式及元件的選擇越來越多樣化，機床設(shè)計過程中需多了解最新技術(shù)發(fā)展并引用至機床設(shè)計中，為機床主軸軸承提供更可靠的軸承密封。典型性的非接觸式密封結(jié)構(gòu)有GMN無接觸密封圈密封[2]和setco無接觸密封圈密封單元[3]，原理都是機械結(jié)構(gòu)型密封配合氣源，通過氣體在迷宮密封里形成氣體屏障，來保護主軸。當然完全可以根據(jù)此原理，對主軸的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

2 故障介紹

主軸最常見的故障和損壞是由于外部冷卻劑、冷凝氣、雜質(zhì)以及碎片侵入主軸內(nèi)部造成污染、最終導(dǎo)致軸承嚴重損壞。這種主軸軸承密封圈的失效，使得污染物進入設(shè)備內(nèi)部，圖1為密封條件不好的實例照片。

具體工況見圖2。左側(cè)為油及油霧環(huán)境下的磨削，右側(cè)為粉塵工況的快速切削。

3 非接觸式密封結(jié)構(gòu)介紹及研究

想更加有效地防止外界雜質(zhì)進入軸承，造成失效，就要做到結(jié)構(gòu)牢靠。非接觸式迷宮密封有很多種，關(guān)注的要點需要把握和控制。主軸安裝有3種方式，立式、臥式和擺動(立臥轉(zhuǎn)換)，外界污染源非常嚴重時，建議必須由氣體密封和迷宮密封相結(jié)合形成屏障。根據(jù)這3種方式給出結(jié)構(gòu)分析推薦，要著重注意的一點是，不管哪種方式，都要避免外界噴濺液體直接飛濺到縫隙,如圖3所示。

防止直接噴濺液體的辦法有很多種，方式各種各樣，可根據(jù)具體情況給出合理的結(jié)構(gòu)。

(1)臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計要點介紹

通過圖片，給出推薦以及結(jié)構(gòu)舉例，如圖4 。

(2)立式結(jié)構(gòu)設(shè)計要點介紹

通過圖片，給出推薦以及結(jié)構(gòu)舉例，如圖5。

(3)綜合性結(jié)構(gòu)要點介紹

結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點為間隙控制、集氣槽、壓力釋放點以及軸承的防護。細節(jié)是決定密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，需在圖紙和零件要求上注明想達到理想效果。對尺寸的控制，尺寸公差和形位公差都是需要反復(fù)探討的，如圖6所示。

(4)氣體流向測試方法介紹

氣源密封條件和狀態(tài)，可以根據(jù)SolidWorks里流體的有限元分析進行校對，查看各位置氣體分布情況、氣體速度和壓力等信息。保證軸承端有少量的氣流入，大部分氣體流向主軸前端，測量集氣孔壓力，能夠達到要求的氣體屏障。可以根據(jù)計算出來的結(jié)果，進行結(jié)構(gòu)間隙調(diào)整，示例如圖7。圖片中左側(cè)為主軸前端，右側(cè)為軸承端，可以根據(jù)軟件探測出各處壓力、流量和流速等信息，輔助完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)語

在上述給出的故障舉例和故障分析及形式實驗過程中發(fā)現(xiàn)，乳化液的最大漏損發(fā)生在啟停的瞬間，這個過程穩(wěn)定期應(yīng)該需要1 min左右，因此要充分地測試此過程，才能完成有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。

通過有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以減小主軸前端空間，使結(jié)構(gòu)緊湊，同時可以完全消除由于軸承污染而產(chǎn)生的主軸故障。綜合性結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)為行業(yè)中最好和最可靠的，可以達到最理想的軸承密封效果。 本文以圖片形式介紹了結(jié)構(gòu)要點，清晰直觀地表達出了注意事項。