张海波

(科德数控股份有限公司，辽宁 大连116600)

在不同的工业领域，对机床及主轴的要求是不一样的。随着我国经济和制造业的快速发展，对主轴的需求越来越严格，如主轴的速度、功率、扭矩、可靠性、寿命、维修和运行费用等要求均有所提升。在不同的加工条件下，为了提高零件的表面精度，对外部冷却流量加大，实现快速冲屑，也是目前越来越重视的发展趋势。近20多年来，电主轴在市场需求拉动和技术进展的推动下，不断攻克轴承、冷却、润滑及效率等一系列技术难题。但由于航空航天等行业，对零件结构性及加工工艺的复杂性增高，对复合机床的需求增加，如铣磨机床、超声波机床和短电弧机床，这些机床的加工工况极其恶劣，加工含有磨料碳粒或碳纤维增强塑料的零件，均存在大量的粉尘等微颗粒，因此对主轴前端密封结构要求就更加专业[1]。

主轴前端的特殊性，需要结构紧凑，主轴设计人员都了解轴承到主轴最前端跨距越短越好，因此前端的结构形势是至关重要。对主轴增加热伸长、振动及温度传感器等功能的需求是显而易见，这些附加功能都需要在主轴前端来实现。因此就要考虑在有效的空间内实现密封的作用，还要给附加功能留出充足的空间。本文研究内容就是分析一下什么密封结构形式较为合理。

1 密封形式介绍

密封结构无非以接触式与非接触式两种方式，或者以这两种方式为基础进行组合。

(1)接触式密封更加可靠，常用于低速主轴中，但接触式密封对密封件的要求较高(线速度)，目前行业内国内外的密封件很难达到高速主轴的要求，且高速旋转会产生大量的热量，造成额外的热伸长。相信随着新材料及新型密封结构的产生，未来密封元件肯定以更高端、更可靠和更稳定的方向发展，今后的论点可能会发生变化。

(2)非接触式密封以迷宫密封为主，在苛刻的工况中，同时需要气密封结构。非接触式密封结构复杂，保证的要点环节多，为高速主轴中最为常见结构形式。能够有效通过结构阻挡外部冷却液和杂质，是本文中研究要点。机床设计过程中密封方式及元件的选择越来越多样化，机床设计过程中需多了解最新技术发展并引用至机床设计中，为机床主轴轴承提供更可靠的轴承密封。典型性的非接触式密封结构有GMN无接触密封圈密封[2]和setco无接触密封圈密封单元[3]，原理都是机械结构型密封配合气源，通过气体在迷宫密封里形成气体屏障，来保护主轴。当然完全可以根据此原理，对主轴的结构进行设计。

2 故障介绍

主轴最常见的故障和损坏是由于外部冷却剂、冷凝气、杂质以及碎片侵入主轴内部造成污染、最终导致轴承严重损坏。这种主轴轴承密封圈的失效，使得污染物进入设备内部，图1为密封条件不好的实例照片。

具体工况见图2。左侧为油及油雾环境下的磨削，右侧为粉尘工况的快速切削。

3 非接触式密封结构介绍及研究

想更加有效地防止外界杂质进入轴承，造成失效，就要做到结构牢靠。非接触式迷宫密封有很多种，关注的要点需要把握和控制。主轴安装有3种方式，立式、卧式和摆动(立卧转换)，外界污染源非常严重时，建议必须由气体密封和迷宫密封相结合形成屏障。根据这3种方式给出结构分析推荐，要着重注意的一点是，不管哪种方式，都要避免外界喷溅液体直接飞溅到缝隙,如图3所示。

防止直接喷溅液体的办法有很多种，方式各种各样，可根据具体情况给出合理的结构。

(1)卧式结构设计要点介绍

通过图片，给出推荐以及结构举例，如图4 。

(2)立式结构设计要点介绍

通过图片，给出推荐以及结构举例，如图5。

(3)综合性结构要点介绍

结构设计的要点为间隙控制、集气槽、压力释放点以及轴承的防护。细节是决定密封结构的关键，需在图纸和零件要求上注明想达到理想效果。对尺寸的控制，尺寸公差和形位公差都是需要反复探讨的，如图6所示。

(4)气体流向测试方法介绍

气源密封条件和状态，可以根据SolidWorks里流体的有限元分析进行校对，查看各位置气体分布情况、气体速度和压力等信息。保证轴承端有少量的气流入，大部分气体流向主轴前端，测量集气孔压力，能够达到要求的气体屏障。可以根据计算出来的结果，进行结构间隙调整，示例如图7。图片中左侧为主轴前端，右侧为轴承端，可以根据软件探测出各处压力、流量和流速等信息，辅助完成结构设计。

4 结语

在上述给出的故障举例和故障分析及形式实验过程中发现，乳化液的最大漏损发生在启停的瞬间，这个过程稳定期应该需要1 min左右，因此要充分地测试此过程，才能完成有效的结构设计[4]。

通过有效的结构设计，可以减小主轴前端空间，使结构紧凑，同时可以完全消除由于轴承污染而产生的主轴故障。综合性结构设计技术为行业中最好和最可靠的，可以达到最理想的轴承密封效果。 本文以图片形式介绍了结构要点，清晰直观地表达出了注意事项。