基于寿命的光学平面研磨机床主轴上水密封结构优化设计*

朱成俊 孙育竹

(①河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009；②武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)

旋转主轴的内喷上水部件是光学平面研磨机床的关键部件，它是影响该类加工机床的平均无故障时间的关键因素。该类平面加工机床在运转时，由于工作磨盘比较大(平模直径300～450 mm)，仅使用外喷的研磨液难以达到磨盘中间的部位，无法对工件进行有效的研磨和冷却的作用，使被研磨工件形成不均匀磨削、局部温度过高，结果就会导致工件尺寸超差甚至被烧伤而成为不合格产品。

为解决现有问题，达到预定的加工效果，人们提出了由主轴中心向工件盘上不间断地喷射研磨液的方案。但是，研磨液中含有的高硬度研磨颗粒和研磨液本身的腐蚀性，都会对橡胶密封件直接造成损坏，大大降低它的使用寿命，直接造成泄漏、研磨液喷射不充分，并且污染环境。国内现有光学平面研磨机床主轴内喷上水密封结构的使用寿命普遍在2～5个月左右，主要问题在于密封件容易失效。出现故障后，需要停产维修，增加维修成本，影响生产效率。

综上，光学平面研磨机床主轴内喷上水密封结构设计的好坏，直接影响该类设备的精度、使用寿命和维护成本。分析研究、优化设计新一代的主轴内喷上水密封结构显得尤为重要。本文分析了现有上水结构中密封件失效原因，提出了用柔性结构补偿密封件磨损后的间隙，采用耐腐蚀的高强度金属密封件代替橡胶密封件，以提高密封结构的使用寿命。

1 原有主轴内喷上水密封结构主要问题

1.1 原有密封结构工作原理

上世纪八九十年代直到目前，光学平面研磨设备常用图1所示的主轴防水密封结构。该结构中，静密封接头2靠固定支架1和螺母3定位固定，静密封接头2、密封圈5、密封螺套6、骨架油封7和动密封接头8 组成一个密封腔体。其中，密封螺套6和静密封接头2旋合压紧密封圈5，骨架油封7过盈配合装在密封螺套6内，此两处均为静密封配合，密封可靠，寿命长，不会泄漏；骨架油封7和动密封接头8为动密封配合，靠油唇弹簧密封。工作时，带轮10在电动机带动下以一定速度旋转，带动主轴旋转完成研磨削任务，研磨液在压力下由静密封接头2向上流动，先经过骨架油封7和动密封接头8，再通过主轴中心孔流入工作区域。研磨液经过骨架油封7时，由密封圈防止液体泄漏。本结构简单，对零部件制造要求低，安装方便，成本低，曾被广泛使用。

1.2 密封结构的失效原因

图1中密封结构的性能完全靠密封圈保证。由于研磨液中的研磨颗粒的冲刷及其腐蚀性，密封圈容易磨损，研磨液将会泄漏，此时可以停机调节螺母3，重新压紧密封圈。但由于密封圈本身寿命有限，工作环境恶劣；同时，骨架油封和主轴间也有摩擦，会造成油封磨损而漏液，故该结构的可靠性较差。密封结构失效后，需停工维修频繁，维护成本高，生产效率低，容易造成场地污染。在实际生产中，其寿命一般在1～2个月。该结构寿命不足的主要原因有：(1)密封件材质易受研磨液腐蚀。(2)动密封接头与油封为周向接触，会产生磨损间隙。(3)密封件磨损后，无法自动压紧密封件，需停机手工操作。

2 基于柔性的密封结构优化

根据现有主轴内喷上水密封结构的失效的主要原因，去掉动密封中的骨架油封，改进主轴内喷上水密封结构，增加机构的柔性，典型的有基于球面接触的密封结构和基于球面接触闭式结构两种。

2.1 基于球面接触的密封结构

如图2结构，动密封接头1和静密封接头2均为机械连接件，以球面接触。其中，动密封接头1通过螺纹和主轴连接，并随主轴同步旋转；静密封接头2和调整板4靠螺母7固定在一起。固定板9固定在主轴轴承座下端面，用来固定两个调节螺栓3。调整两个调节螺母7推动支撑板6，通过弹簧5和调整板4，调节静密封接头2和动密封接头1之间的压力，以保证球面密封面在压力最小的情况下研磨液不泄漏。

该结构优点：由于采用金属件球头接触，其强度较高、耐磨性和耐蚀性较好，随着时间增加，球面接触面积增加，密封效果越好；球面磨损后，由弹簧的预紧作用，系统会自动补偿间隙，故使用寿命能够提高到原来的2.5～3倍。但该结构也有不足之处：机构运行之初，由于动静密封接头的球面加工精度的影响，需要时间磨合，磨合阶段液体泄漏易污染环境；安装复杂，需同时调节螺母，才能使结构平衡。

2.2 基于球面接触的闭式密封结构

为解决图2所示结构平衡问题和磨合阶段研磨液泄漏问题，对结构进一步优化，仍采用球面接触密封，并设计了密封壳体用于回收研磨液，如图3所示。图中，动密封接头2靠螺纹和主轴连接，保证两者的同步转动，压紧的密封圈1，保证密封可靠。上密封壳体3内的推力轴承4和深沟球轴承5，用于保证动密封接头2的定位精度和旋转灵活性，同时，还可以承受来自静密封接头6的轴向密封压力。导向调节螺母9对静密封接头6起定位导向和密封压力调节的作用，通过动、静密封接头对中性和弹簧的压力调节来保证密封面的良好密封性。锁紧螺母10对导向调节螺母9有防松作用，键11是防止静密封接头6的转动。密封面磨合阶段泄漏的研磨液，可由泄漏排水口流向研磨液容器，避免研磨液的浪费和环境污染。

该结构优点：体积小；动、静密封接头对中性好，运转灵活，密封面的密封调节方便；使用前磨合时间缩短，密封面磨损时泄漏的研磨液可回收，不浪费、不污染；密封效果好，使用寿命提高到原来的3～5倍。缺点：结构复杂，整体零件加工精度提高；密封面磨损后，需要重新调节动、静密封接头之间的压力。

以上两种优化后的主轴内喷上水密封结构，它们的工作原理相同，结构形式略有差别，寿命比传统的密封结构高。但是，两类球面接触式密封结构存在共性问题：(1)动静密封接头为非标准件，制造难度大，精度难以保证，成本高。(2)有磨合时间，且与材料硬度和球面精度关系很大。(3)由于静密封部分为柔性结构，主轴转速过高时，容易引起静密封结构振动，影响密封效果。

3 基于标准机封的防水密封结构优化

针对柔性密封结构存在的问题，以降低成本、缩短磨合时间、解决主轴高速时的振动问题为目标。在分析内喷上水结构的原理基础上，借鉴标准的机械密封结构的基础上，使用标准的密封件，以降低成本。

优化后的密封结构如图4所示。其结构和工作原理如下：简化其结构核心，改变以往密封结构的关键，把自制设计加工的球形动、静密封接头，改为外购的标准平面密封环，动、静密封环的材质、硬度、表面粗糙度和精度由专业厂家解决，密封面的表面质量为上水密封提供可靠保障。连接轴1旋转灵活性、对中性和受力的合理性，依靠和上腔体3、推力轴承4、深沟球轴承5组成的装配体来保证，其下端的动密封环7和动连接轴1为可靠的静密封连接。动密封环7和调整螺母11为静密封连接，密封可靠；调整螺母11通过和下腔体9的螺纹旋合完成上下尺寸的调节，并靠锁紧螺母10锁紧，最终完成动、静密封环密封面的压力调节和密封。此结构的特点：成对的标准密封件配合为平面接触，易保证精度，磨合时间短；静密封部分为刚性结构，无振动问题。标准密封件的耐磨性好、制造成本低，加工周期短，安装调节方便，运转灵活，密封面摩擦力小，无泄漏，使用寿命长，可达到原来的8～10倍。

4 结语

通过对主轴内喷上水密封结构的3次优化，提高了其密封效果，增加了其使用寿命。优化前后结构的性能对比如表1。

表1 密封结构优化前后的性能对比

结构特点效果寿命/月成本缺点原有结构橡胶垫密封,结构简单差2低密封件易损、无法自动调节球面接触式金属球面密封,耐腐蚀,可自动调节密封面一般5～6高有磨合时间、高速运动时有振动球面接触闭式漏液可回收,对中性好,体积小,安装方便较好6～10高高速运动时有振动标准机封式结构简单,使用标准件好16～20低无法自动调节

通过以上对比分析可以看到，通过优化设计，大大提高了主轴内喷水的防水效果，其中标准机封式的寿命最长，综合性能最好。通过对密封结构的优化设计，有效的降低了光学平面研磨机床的维修频率，提高生产效率。在优化设计过程中，解决了如下工程问题，可为类似机械结构的优化设计提供借鉴。

(1)以金属球面接触密封结构代替橡胶密封圈，解决了橡胶腐蚀老化问题。

(2)将静密封部分设计为柔性结构，能够自动补偿密封件磨损后间隙。

(3)在静密封部分设计了闭式腔体，回收泄漏研磨液，防止污染环境。

(4)以标准机封件代替球面密封，能够简化结构，降低成本，提高寿命。

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