非接触式机械密封在磨削主轴中的应用改进

张 勇，苏拉贤，郑 虎，穆鹏辉，赵建国

（秦川机床工具集团股份公司，陕西 宝鸡721009）

0 引言

在现代机床主轴设计中，考虑到实际的使用工况，不仅对主轴的制造、装配精度要求越来越严格，而且要求主轴具有良好的密封性能，特别是高精度磨齿机床，其砂轮主轴的密封性设计和制造都有着极为严格的要求。因为高精度磨齿机床主轴的工作环境比较恶劣，主轴经常浸泡在磨削冷却液喷雾中，这些液体中不但含有一定的腐蚀剂，还包含有磨削中脱落的砂轮磨粒和工件齿轮的磨屑。一旦有磨削冷却液进入到砂轮主轴内部的轴承中，那么，机床主轴的轴承就会因润滑环境污染而损坏，导致主轴精度丧失，就必须更换轴承，清理零件，重新装配，甚至需要更换主轴部件，才能恢复机床的原有加工能力。所以，在高精度磨齿机床中，砂轮主轴的密封设计、制造及装配过程都是一个非常重要的环节需要，每一步都需要严格的控制。

1 磨齿机床砂轮主轴前段密封结构

某型号磨齿机床，其砂轮主轴前段密封结构简图如图1所示。该主轴组件采用了由间隙密封、迷宫密封及油封密封形成的组合式密封结构。但是在长期的使用过程中发现，前端轴承经常失效，导致主轴功能丧失。拆开主轴后检查，经常发现轴承失效的原因是外部磨削冷却液侵入主轴内部，导致轴承润滑失效，从而造成轴承失效，影响砂轮主轴的精度和使用寿命，严重影响了该产品的质量。为了解决这一难题，必须对该主轴前段的密封结构进行理论探究，从设计理论到加工、装配进行全过程的分析研究。

图1 主轴前端密封结构简图

2 密封理论分析

机械密封是由至少一对垂直于旋转轴线的端面构成，在流体压力和补偿机构弹力（或磁力）的作用下（可能需要辅助密封的配合）保持端面贴合，并且端面间有相对滑移运动，而构成的防止流体泄漏的装置[1]。

非接触式机械密封是指密封端面互相不接触，端面比压P=0的机械密封，密封面间有足够厚度的液膜或气膜。非接触式机械密封处于液体或气体摩擦状态，在密封端面之间有一层完整的流体膜。向密封端面引入压力流体而产生的流体静压效应，或者依靠端面的特殊几何形状在相对旋转时产生的流体动压效应会形成这种流体膜。只要流体膜具有足够大的流体膜膜压，就能使密封结构组件保持良好的运动刚性，使两个密封端面处于非接触的相对运动状态。这种密封适用于较高速度的场合，在机床的主轴设计中得到广泛使用。

非接触式机械密封是通过密封间隙的大小和一致性来保证密封性能的，因此，控制间隙密封中的间隙（径向间隙和轴向间隙）是保证非接触式密封的关键，即如何保证动静之间的间隙尺寸，及其尺寸公差的一致性是实现密封的关键性因素。

3 工艺过程控制分析

该结构中密封的间隙是由密封盖和轴承压盖组合形成的，其间隙是由两个零件上各自的密封环槽径向尺寸及轴向尺寸来控制最终的密封间隙大小，由于两个零件中的密封槽都是槽宽3 mm，深度8 mm.两个零件在零件加工过程中，只能通过车床一次车削来保证环槽的宽度和深度尺寸公差及其环槽相对于安装基准孔的同轴度要求，在装配过程中再通过调整，配磨环槽端面来保证间隙要求。由于车床加工零件精度的限制，使得装配过程中会出现轴向间隙尺寸差异比较大，即使装配过程中，通过校正零件同心和配磨端面尺寸，也很难保证轴向间隙和径向间隙的拥有相同的间隙大小。

4 密封结构改进

根据以上分析，非接触式间隙密封的关键就是要保证间隙的大小及一致性，这不仅要求设计出来的密封符合这项要求，更为重要的是加工制造装配后的间隙一致性能够得到保证才是关键之关键。为了能够精确的控制间隙的一致性，从工艺方面考虑，采用磨床加工密封盖及轴承端盖，装配过程中采用配磨、配研的工艺方法，来保证可靠密封的实现，设计了新的密封方案，如图2所示。

图2 新密封方案简图

新的结构中，我们采用迷宫隔套组合来保证间隙的大小，这些迷宫隔套可以采用内磨、外磨来保证间隙密封中的径向间隙，通过平磨、研磨两端面来保证间隙密封中的轴向间隙，可以将装配间隙控制在0.10～0.15 mm之间，从而将密封的间隙控制到理想的效果，达到设计及使用的目的，从而保证密封的可靠性。

5 结语

通过新的设计方案和加工装配方案的实施，使用新密封结构的磨齿机床主轴，轴承的使用环境得到明显改善，砂轮主轴的使用寿命明显改观。从大修期拆开的机床主轴中，看到轴承工作环境良好，基本没有磨削冷却液污染的情况发现，可见，新的结构方案完全可以满足设计制造要求，目前该方案已经在同类型其它机床上得到了广泛应用。