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軸承知識
臥式加工中心機床主軸密封結構設計及選用

來源:《機械設計》 2019年第S02期

徐建平 尹作升 王維 周星興 孫薇

(沈機集團昆明機床股份有限公司)

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,

發布時間:2022-09-23


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