光学冷加工机床主轴上水机械密封装置的设计

黄建娜，刘 旸

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

光学冷加工机床主轴上水机械密封装置的设计

黄建娜，刘 旸

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

光学零件在研磨抛光时，产生的大量热会影响产品质量和加工效率；为此，提出了一套光学冷加工机床主轴上水机械密封装置的产品设计方案。该方案解决了主轴内喷上水问题，实现了光学加工机床主轴上水无泄漏运行。其加工方便，经济实用，便于推广使用。

机械密封；动密封头；静密封头；摩擦副；接触端面

在光学零件精磨或抛光时，抛光液在镜盘和磨盘之间参与精磨或抛光工件的表面，在除去加工余量的同时，带走加工产生的热量。抛光液向磨盘与镜盘之间输送，有水管外部喷水和主轴内喷上水2种形式。对于大平面或成盘加工，采用水管外部喷水形式，由于重合面较大，在旋转速度较高时，局部加工区域可能会缺少抛光液，从而影响精磨抛光的质量和效率，导致精磨抛光只能在低速下进行。如果改用主轴内喷上水形式，使抛光液均匀到达加工部位，可以提高精磨抛光的质量和效率，克服水管外部喷水的缺陷。

采用主轴内喷上水形式时，主轴和给水管件一动一静，两者之间需要密封连接。传统填料密封结构运动阻力大，容易磨损发热，密封效果差，寿命短，影响了内喷上水形式的推广应用；为此，设计了主轴上水机械密封结构，如图1所示。本文以实现光学加工机床主轴上水无泄漏运行为目标开展研究，对图1所示机械密封结构提出了改进方案，并进行了结构设计和计算，以期获得满意的密封效果。

1 主轴上水机械密封装置结构设计

1.1 结构设计

机械密封亦称端面密封，由至少1对和旋转轴线垂直的端面，在流体压力和补偿机构弹力的作用以及辅助密封装置的配合下，保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置。其典型结构组成主要有密封装置、缓冲补偿机构和辅助密封圈等[1]。

对于光学冷加工技术设备，可按机械密封的结构和特点来设计机床主轴上水机械密封装置。某公司JP350G高速抛光机主轴上水机械密封设计的工艺参数见表1，根据该抛光机设备状况，对图1所示机械密封结构进行了改进，改进后的密封装置如图2所示。

表1 主要工艺设计参数

图2 主轴上水机械密封装置

该密封装置主要由一组动密封头和静密封头组成的平面摩擦副构成。动密封头通过螺纹M20×1.5LH和主轴联接，并随主轴一起旋转。静密封头在弹性构件(弹簧或波纹管)的压紧力作用下，和动密封头紧密贴合。在动密封头和静密封头的接触面之间，维持着一层极薄的液体膜，这层液体膜提供流体动压力和静压力，起着润滑和平衡压紧力的作用，由此阻止泄漏，获得长期的密封效果。O型密封圈仅用于防止流体从动密封头与主轴连接处泄漏。该装置结构属于外装外流非平衡式机械密封，密封件采用工具钢局部淬火。

1.2 结构特点

该装置密封性好，性能稳定，泄漏量少，摩擦功耗低，使用周期长，对主轴磨损小，能满足多种工况要求。主要特点为：1)动、静密封头自适应性强，摩擦面之间相互研磨，具有自磨合特点，随磨合时间的增长，密封效果越来越好；2)摩擦面之间有液体膜存在，摩擦力小，摩擦功耗低；3)摩擦副材料由硬质耐磨材料制成，密封面磨损后自我补偿，使用周期长；4)与主轴之间没有相对摩擦运动，因此主轴磨损小。

1.3 结构工作原理

O型密封圈、动密封头、静密封头和弹簧构成机械密封的主体结构，密封腔体、轴承和导向调整螺母将密封件固定在一个密闭空间内，形成一个整体。轴承支承动密封头旋转，并承受密封结构中弹簧向上的压力。导向调整螺母通过压缩弹簧，使动、静密封头紧密配合，并能够方便调整压紧力大小，使密封装置工作在经济和适用状态下。挡销用于防止静密封头旋转。锁紧螺母用于防止导向调整螺母松动。挡板与机架联接固定，用于防止密封装置转动。

2 有关计算

为了满足实际工作要求，根据机械密封装置的结构特点，需要进行理论计算和分析[2]。此处简化主轴上水机械密封装置的结构(见图3)，以便于标示与计算。图3中，密封腔直径d0为6 mm；密封环接触端面内径D1为10 mm；密封环接触端面外径D2为19.2 mm；PS为弹簧比压，单位为MPa；水压力PL为0.04 MPa；PP为密封环接触端面平均压力，单位为MPa。

图3 主轴上水机械密封装置简化结构

1)载荷系数K。介质压力作用于补偿环上，对非补偿环趋于闭合的有效作用面积Ae与密封接触端面面积A之比称为载荷系数K，其大小表示介质压力加到密封断面上的载荷程度，即：

2)密封环接触端面平均压力PP。

PP=λPL=0.5×0.04=0.02 (MPa)

式中，λ为反压力系数，水介质一般取λ=0.5。

3)密封环接触端面液膜推开力R。

4)弹簧比压PS。弹性元件在接触端面上产生的单位压力，大小应能保证密封低压操作、停车时的密封和阻力，查手册，因K<0.3，得其值应高于介质水压力0.2～0.3 MPa, 取PS=0.25 MPa。

5)总的弹簧力FS。

6)密封腔内介质作用力FL。

7)静环所受的合力F(有接触端面承受) 。

F=FS+FL-R=52.75-1-4.22=47.5 (N)

8)端面比压PC。

端面比压PC>0，端面始终被压紧贴合。机械设计手册中一般规定PC在0.15～0.4 MPa内，故满足要求。

9)校验PCv值。端面比压PC与端面平均周速v(单位为m/s)的乘积PCv值，与端面摩擦产生的热量及端面磨损率成正比，可视作耐热性和耐磨性指标，是机械密封的主要工作性能指标。

极限PCv值是密封失效指标，计算如下：

计算出的极限PCv值远远小于工具钢极限许用值11 MPa·m/s，满足设计要求。

10)机械密封摩擦功率P。机械密封的摩擦功率只有密封面摩擦功率，其值计算如下：

4.6×0.039=0.001 (W)

式中，dm为密封端面平均直径，单位为m，dm=(D1+D2)/2；b为密封环接触端面宽度，单位为m，b=(D2-D1)/2；f为密封环接触端面摩擦因数，取值f=0.1。

11)几何尺寸确定。根据上述计算结果，密封端面几何尺寸可以确定如下：端面接触内径D1=10 mm，端面接触外径D2=19.2 mm。

为补偿动、静密封头的偏斜和轴的振动，静密封头与导向调整螺母之间，留1～2 mm间隙，以免造成动、静密封头组成的摩擦副配合不严和比压的不均匀，影响密封效果。

3 密封制造使用技术要求[3]

当结构设计与计算完成后，在制造过程中需要注意如下技术要求：1)动密封头的密封环接触端面内外径和M20螺纹联接面、φ21圆柱面、轴承定位圆柱面的同轴度≤0.03 mm；2)动、静密封头密封面粗糙度为Ra0.4 μm；3)密封面局部淬火硬度为55～60 HRC；4)动、静密封头的球面要配研；5)密封装置不能在无水情况下运行；6)静密封头在导向调整螺母中的轴向运动应顺畅，两者的间隙≥1 mm；7)密封体不要强制固定，安装时留一定的自由度；8)弹簧不可过度压紧，在保证液体介质不泄漏的情况下，尽量放松弹簧。

4 结语

本文设计的光学冷加工机床主轴上水机械密封装置，具有如下特点：1)独立构成1个单元模块，易于制造安装；2)只需1个螺纹止口就可以实现联接，易于推广使用；3)密封面的球面摩擦副接触面大，密封性能好；4)弹簧压力大小可调，适用范围广；5)密封件由工具钢整体制造，密封面磨损后自我补偿，使用寿命长；6)摩擦副为硬-硬材料组合，在抛光液环境下耐磨性能好；7)抛光液与多数元件不接触，防腐要求低；8)弹簧元件不随主轴旋转，不受离心力作用，性能稳定。

该机械密封装置2002年起开始在JP030.4大型平面抛光机上使用，取得了良好效果，曾一度作为技改装置单元部件，成套销售给有关光学厂使用，深得用户信赖。设计生产至今已经销售2 000余套，并推广到JP042S、JPS040、JP035.2和HB-8等型号光学设备上使用。

[1] 程剑锋.化工泵的维护和检修[M].北京：石油工业出版社，2013.

[2] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3] 杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

责任编辑彭光宇

DesignofConveyingWaterUpwardThroughMechanicalSealDeviceofOpticalColdProcessingMachineToolSpindle

HUANG Jianna，LIU Yang

(Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China)

During the time of polishing optical components, it will generate a lot of heat which affecting the quality and efficiency of the product. For this situation, putting forward a design scheme on conveying water upward through mechanical seal problem of optical cold processing machine tool spindle is taken, which uses mechanical seals to solve spray water within the spindle and to achieve a leak-free operation. This design is convenient，economical, practical，and easy to use.

mechanical seal，dynamic seal，static seal，friction，contact surface

TH 122

：B

黄建娜(1980-)，女，讲师，工学硕士，主要从事模具设计与制造、机械设计与制造等方面的研究。

2014-11-24