关于高速主轴前端密封结构形式的研究*

2022-01-19 06:12张海波
制造技术与机床 2022年1期
关键词:主轴机床密封

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。

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