張 勇，蘇拉賢，鄭 虎，穆鵬輝，趙建國(guó)

（秦川機(jī)床工具集團(tuán)股份公司，陜西 寶雞721009）

0 引言

在現(xiàn)代機(jī)床主軸設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)際的使用工況，不僅對(duì)主軸的制造、裝配精度要求越來(lái)越嚴(yán)格，而且要求主軸具有良好的密封性能，特別是高精度磨齒機(jī)床，其砂輪主軸的密封性設(shè)計(jì)和制造都有著極為嚴(yán)格的要求。因?yàn)楦呔饶X機(jī)床主軸的工作環(huán)境比較惡劣，主軸經(jīng)常浸泡在磨削冷卻液噴霧中，這些液體中不但含有一定的腐蝕劑，還包含有磨削中脫落的砂輪磨粒和工件齒輪的磨屑。一旦有磨削冷卻液進(jìn)入到砂輪主軸內(nèi)部的軸承中，那么，機(jī)床主軸的軸承就會(huì)因潤(rùn)滑環(huán)境污染而損壞，導(dǎo)致主軸精度喪失，就必須更換軸承，清理零件，重新裝配，甚至需要更換主軸部件，才能恢復(fù)機(jī)床的原有加工能力。所以，在高精度磨齒機(jī)床中，砂輪主軸的密封設(shè)計(jì)、制造及裝配過(guò)程都是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)需要，每一步都需要嚴(yán)格的控制。

1 磨齒機(jī)床砂輪主軸前段密封結(jié)構(gòu)

某型號(hào)磨齒機(jī)床，其砂輪主軸前段密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。該主軸組件采用了由間隙密封、迷宮密封及油封密封形成的組合式密封結(jié)構(gòu)。但是在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，前端軸承經(jīng)常失效，導(dǎo)致主軸功能喪失。拆開(kāi)主軸后檢查，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)軸承失效的原因是外部磨削冷卻液侵入主軸內(nèi)部，導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑失效，從而造成軸承失效，影響砂輪主軸的精度和使用壽命，嚴(yán)重影響了該產(chǎn)品的質(zhì)量。為了解決這一難題，必須對(duì)該主軸前段的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論探究，從設(shè)計(jì)理論到加工、裝配進(jìn)行全過(guò)程的分析研究。

圖1 主軸前端密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 密封理論分析

機(jī)械密封是由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面構(gòu)成，在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力（或磁力）的作用下（可能需要輔助密封的配合）保持端面貼合，并且端面間有相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置[1]。

非接觸式機(jī)械密封是指密封端面互相不接觸，端面比壓P=0的機(jī)械密封，密封面間有足夠厚度的液膜或氣膜。非接觸式機(jī)械密封處于液體或氣體摩擦狀態(tài)，在密封端面之間有一層完整的流體膜。向密封端面引入壓力流體而產(chǎn)生的流體靜壓效應(yīng)，或者依靠端面的特殊幾何形狀在相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)會(huì)形成這種流體膜。只要流體膜具有足夠大的流體膜膜壓，就能使密封結(jié)構(gòu)組件保持良好的運(yùn)動(dòng)剛性，使兩個(gè)密封端面處于非接觸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這種密封適用于較高速度的場(chǎng)合，在機(jī)床的主軸設(shè)計(jì)中得到廣泛使用。

非接觸式機(jī)械密封是通過(guò)密封間隙的大小和一致性來(lái)保證密封性能的，因此，控制間隙密封中的間隙（徑向間隙和軸向間隙）是保證非接觸式密封的關(guān)鍵，即如何保證動(dòng)靜之間的間隙尺寸，及其尺寸公差的一致性是實(shí)現(xiàn)密封的關(guān)鍵性因素。

3 工藝過(guò)程控制分析

該結(jié)構(gòu)中密封的間隙是由密封蓋和軸承壓蓋組合形成的，其間隙是由兩個(gè)零件上各自的密封環(huán)槽徑向尺寸及軸向尺寸來(lái)控制最終的密封間隙大小，由于兩個(gè)零件中的密封槽都是槽寬3 mm，深度8 mm.兩個(gè)零件在零件加工過(guò)程中，只能通過(guò)車(chē)床一次車(chē)削來(lái)保證環(huán)槽的寬度和深度尺寸公差及其環(huán)槽相對(duì)于安裝基準(zhǔn)孔的同軸度要求，在裝配過(guò)程中再通過(guò)調(diào)整，配磨環(huán)槽端面來(lái)保證間隙要求。由于車(chē)床加工零件精度的限制，使得裝配過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)軸向間隙尺寸差異比較大，即使裝配過(guò)程中，通過(guò)校正零件同心和配磨端面尺寸，也很難保證軸向間隙和徑向間隙的擁有相同的間隙大小。

4 密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)以上分析，非接觸式間隙密封的關(guān)鍵就是要保證間隙的大小及一致性，這不僅要求設(shè)計(jì)出來(lái)的密封符合這項(xiàng)要求，更為重要的是加工制造裝配后的間隙一致性能夠得到保證才是關(guān)鍵之關(guān)鍵。為了能夠精確的控制間隙的一致性，從工藝方面考慮，采用磨床加工密封蓋及軸承端蓋，裝配過(guò)程中采用配磨、配研的工藝方法，來(lái)保證可靠密封的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了新的密封方案，如圖2所示。

圖2 新密封方案簡(jiǎn)圖

新的結(jié)構(gòu)中，我們采用迷宮隔套組合來(lái)保證間隙的大小，這些迷宮隔套可以采用內(nèi)磨、外磨來(lái)保證間隙密封中的徑向間隙，通過(guò)平磨、研磨兩端面來(lái)保證間隙密封中的軸向間隙，可以將裝配間隙控制在0.10～0.15 mm之間，從而將密封的間隙控制到理想的效果，達(dá)到設(shè)計(jì)及使用的目的，從而保證密封的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新的設(shè)計(jì)方案和加工裝配方案的實(shí)施，使用新密封結(jié)構(gòu)的磨齒機(jī)床主軸，軸承的使用環(huán)境得到明顯改善，砂輪主軸的使用壽命明顯改觀。從大修期拆開(kāi)的機(jī)床主軸中，看到軸承工作環(huán)境良好，基本沒(méi)有磨削冷卻液污染的情況發(fā)現(xiàn)，可見(jiàn)，新的結(jié)構(gòu)方案完全可以滿足設(shè)計(jì)制造要求，目前該方案已經(jīng)在同類(lèi)型其它機(jī)床上得到了廣泛應(yīng)用。