臥式加工中心機床主軸密封結構設計及選用
2020-12-8 來源：沈機集團昆明機床股份有限公司 作者：徐建平 尹作升 王維 周星興 孫薇
摘要：主軸是機床主要功能部件，其性能直接決定機床的加工精度及加工性能。 臥式加工中心機床主軸臥式布局，大流量冷卻及加工塵屑極易污染主軸及主軸軸承，所以主軸部件設計過程中需重點考慮主軸前端密封結構設計及選用。 重點介紹了機床設計過程中常見主軸結構類型及其主軸前端密封的結構及選用。
關鍵詞：主軸；前端密封；密封結構；主軸結構
臥式加工中心機床主軸臥式布局， 然而大流量冷卻液的使用和機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入主軸軸承位置， 極大影響了機床使用壽命及傳動精度。 故而主軸軸承的密封效果直接影響軸承的壽命乃至整臺機床質量。 主軸密封的研究與應用伴隨著機床及新型功能材料發展一直進行著并不斷改進，王守堯［１］翻譯過《機床主軸密封的實驗研究》， 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、以蓋和螺母構成的迷宮式密封、圓片式迷宮密封（луд）五種結構形式進行試驗研究， 并指出接觸式密封與非接觸式密封的使用狀態及使用條件， 同時對第 5 種其改進過的機構性能進行試驗及性能描述。
王鋼［２］提出 Ｖ 形密封圈密封、ＧＭＮ 無接觸密封圈密封和密封圈與氣密封結合使用的密封 3 種密封形式， 并在文中詳述了其結構特點及使用狀態。 李銀玉等［３］通過密封原理分析并對主軸前端結構形式進行改進以提高機床主軸密封性能。 通過新材料的不斷出現和主軸密封結構的不斷改進， 文中介紹了兩種目前臥式加工中心機床的主軸密封形式的選用與改進。
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 （主軸只可旋轉無前后移動功能）， 主軸配置有主軸中心冷卻及主軸端面環噴外冷功能，且主軸為臥式布局，在大流量冷卻液加工環境中，主軸軸承（尤其是主軸前軸承） 極易出現冷卻液從前端回流至軸承處出現軸承被污染的風險。 根據使用狀態和前期設計經驗， 本主軸箱設計中，防水結構采用了多層防水結構組合使用，確保主軸軸承在使
用過程中的穩定與可靠。
圖１ 主軸密封結構圖
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）。在軸承前端設置有迷宮密封，迷宮密封結構參考文獻［４］，實現軸承前部最后一道環節密封，在左迷宮下部開設泄水孔，以便前端冷卻液少量滲入時從泄水槽中留出。 迷宮前端主軸與主軸連接處設置有較大臺階，臺階與主軸箱與軸承外圈壓緊端蓋處設置有氣幕。通氣后在端面形成氣幕密封 （在前端通入空氣后形成內部輕微正壓力氣壓），防止冷卻水與加工粉塵進入內部。
在主軸最前端主軸與端蓋上均設置有反向倒尖槽， 實現主軸靜止時的防止冷卻液回流的功能。 在端蓋下部設置有泄水口 １。 通過 ４ 層防水結構實現主軸的軸承防護結構。
主軸前端氣幕結構設計如圖 ２ 所示， 在主軸箱體內部設置有走氣通道，在零件連接處均設置有“0”形密封圈，防止空氣泄漏。在端蓋上設置環形走氣槽，當通入空氣以切向角度進入走氣
槽后，順著走線槽環形移動后，通過主軸前端與端蓋之間的間隙處吹出并形成主軸內部正壓空氣環境。 通入空氣要求在機床氣路控制中供給，空氣需進行二次過濾干燥，以確保空氣中的水分及雜質導致通道內部銹蝕。通入氣路設置有節流閥和減壓閥，精確控制空氣的流量及氣壓， 防止流量過大導致軸承潤滑油脂被破壞或產生風穴噪聲。
圖2 主軸前端氣幕結構圖
２ 、帶鏜軸形式的主軸軸承密封
鏜軸結構是臥式加工中心機床中常見的一種主軸形式，鏜軸在銑軸內前后移動， 銑軸通過主軸箱箱體后端設置變速傳動機構實現旋轉運動， 該結構提高鏜軸剛性的同時還可提高機床的加工工藝性能。 如圖 ３ 所示，針對該主軸箱結構特點，主軸軸承密封結構設計過程中， 鏜軸與銑軸之間存在前后移動的相對運動，故選擇特瑞堡進口組合密封圈實現密封（密封圈在密封的同時具有一定的耐磨損功能）。
圖 ３ 原鏜軸結構主軸軸承密封結構圖
主軸軸承安裝于銑軸外圓，軸承內圈通過銑軸設置臺階定位，軸承外圈通過端蓋壓緊，銑軸反向倒尖槽防止切削液倒流， 端蓋上設置有泄水孔進行少量回流水的排出， 但在機床使用過程中存在切削液回流導致軸承被淹的情況。
針對上述問題，通過目前密封技術發展，銑軸前端選擇了國內某公司生產的磁性密封元件， 外形尺寸按原機床端蓋尺寸進行設計，以替代原密封端蓋，具體機構如圖 ４ 所示。
圖4 改進后鏜軸結構主軸軸承密封結構圖
磁性密封元件結構如圖 ５ 所示，有固定外圈，其功能替代原主軸箱前端密封端蓋，通過螺釘連接固定在主軸箱箱體上，后部設置臺階實現主軸軸承外圈壓緊。 從動內圈內孔加工有“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，在內外圈前端設計防水倒鉤結構，防止大量切削液回流。內圈外圈之間設計有槽，槽內填入磁性流體，磁性流體在內外圈相對運動過程中不會產生運動， 摩擦發熱導致結構件變形的同時產生很好的防水效果，解決了主軸軸承密封結構存在的進水污染問題。
目前磁性流體密封元件已大量在水電站發電機組及環境惡劣的有水環境中使用且效果優良。
圖５磁性密封元件結構圖
隨著加工過程中大量切削液的使用與特種材料加工的要求，機床加工過程中主軸軸承的使用環境越來越惡劣，從而對主軸軸承密封性能要求越來越高。針對目前使用結果，接觸式密封由于在運行過程中存在發熱導致變形或直接燒壞等缺陷， 且安調過程復雜（安裝間隙與壓緊力調節）。 隨著加工要求主軸轉速越來越高， 導致接觸式密封結構使用越來越難滿足機床使用要求，從而非接觸密封機構的優勢越來越明顯，但非接觸式密封結構使用中，如何保障各密封部件之間的間隙與其防水效果，目前國內外多家機床生產廠家均在主軸軸承前端設置有氣幕密封，
以改善主軸軸承的密封效果。 文中介紹結構均以多重密封結構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構之一。
3 、結語
密封機構無非以接觸式與非接觸式兩種方式為基礎進行組合與發展，多重結構組合使用確為一種可靠的方式。隨著新材料及新型密封結構的產生，未來主軸軸承密封元件肯定以更高端、可靠、更穩定的方向發展。 機床設計過程中，密封方式及元件的選擇也越來越多樣化， 機床設計過程中需多了解最新技術發展并引用至機床設計中， 為機床主軸軸承提供更可靠的軸承密封。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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