卧式加工中心机床主轴密封结构设计及选用

来源：《机械设计》 2019年第S02期

徐建平　尹作升　王维　周星兴　孙薇

（沈机集团昆明机床股份有限公司）

摘　要：主轴是机床主要功能部件，其性能直接决定机床的加工精度及加工性能。卧式加工中心机床主轴卧式布局，大流量冷却及加工尘屑极易污染主轴及主轴轴承，所以主轴部件设计过程中需重点考虑主轴前端密封结构设计及选用。重点介绍了机床设计过程中常见主轴结构类型及其主轴前端密封的结构及选用。

关键词：主轴；前端密封；密封结构；主轴结构

卧式加工中心机床主轴卧式布局， 然而大流量冷却液的使用和机床加工材料的多样化（切削为粉末），致冷却液及加工尘屑极易在主轴前端进入主轴轴承位置， 极大影响了机床使用寿命及传动精度。故而主轴轴承的密封效果直接影响轴承的寿命乃至整台机床质量。主轴密封的研究与应用伴随着机床及新型功能材料发展一直进行着并不断改进，王守尧［１］翻译过《机床主轴密封的实验研究》， 文中以带弹簧的接触式钢架橡胶密封圈、带弹簧的接触式牛皮密封圈、非接触式迷宫密封、以盖和螺母构成的迷宫式密封、圆片式迷宫密封（луд）五种结构形式进行试验研究， 并指出接触式密封与非接触式密封的使用状态及使用条件， 同时对第 5 种其改进过的机构性能进行试验及性能描述。 

王钢［２］提出 Ｖ 形密封圈密封、ＧＭＮ 无接触密封圈密封和密封圈与气密封结合使用的密封 3 种密封形式， 并在文中详述了其结构特点及使用状态。李银玉等［３］通过密封原理分析并对主轴前端结构形式进行改进以提高机床主轴密封性能。通过新材料的不断出现和主轴密封结构的不断改进， 文中介绍了两种目前卧式加工中心机床的主轴密封形式的选用与改进。

１、固定主轴形式的主轴密封

如图 １ 所示主轴为固定式主轴 （主轴只可旋转无前后移动功能）， 主轴配置有主轴中心冷却及主轴端面环喷外冷功能，且主轴为卧式布局，在大流量冷却液加工环境中，主轴轴承（尤其是主轴前轴承） 极易出现冷却液从前端回流至轴承处出现轴承被污染的风险。根据使用状态和前期设计经验， 本主轴箱设计中，防水结构采用了多层防水结构组合使用，确保主轴轴承在使用过程中的稳定与可靠。 

图１ 主轴密封结构图

选用带密封功能的高精度角接触成组轴承，轴承配置有密封盖（主要功能为防尘）。在轴承前端设置有迷宫密封，迷宫密封结构参考文献［４］，实现轴承前部Z后一道环节密封，在左迷宫下部开设泄水孔，以便前端冷却液少量渗入时从泄水槽中留出。迷宫前端主轴与主轴连接处设置有较大台阶，台阶与主轴箱与轴承外圈压紧端盖处设置有气幕。通气后在端面形成气幕密封 （在前端通入空气后形成内部轻微正压力气压），防止冷却水与加工粉尘进入内部。

在主轴Z前端主轴与端盖上均设置有反向倒尖槽， 实现主轴静止时的防止冷却液回流的功能。在端盖下部设置有泄水口 １。通过 ４ 层防水结构实现主轴的轴承防护结构。

主轴前端气幕结构设计如图 ２ 所示， 在主轴箱体内部设置有走气通道，在零件连接处均设置有“0”形密封圈，防止空气泄漏。在端盖上设置环形走气槽，当通入空气以切向角度进入走气槽后，顺着走线槽环形移动后，通过主轴前端与端盖之间的间隙处吹出并形成主轴内部正压空气环境。 通入空气要求在机床气路控制中供给，空气需进行二次过滤干燥，以确保空气中的水分及杂质导致通道内部锈蚀。通入气路设置有节流阀和减压阀，精确控制空气的流量及气压， 防止流量过大导致轴承润滑油脂被破坏或产生风穴噪声。

图2 主轴前端气幕结构图

２、带镗轴形式的主轴轴承密封

镗轴结构是卧式加工中心机床中常见的一种主轴形式，镗轴在铣轴内前后移动， 铣轴通过主轴箱箱体后端设置变速传动机构实现旋转运动， 该结构提高镗轴刚性的同时还可提高机床的加工工艺性能。如图３所示，针对该主轴箱结构特点，主轴轴承密封结构设计过程中， 镗轴与铣轴之间存在前后移动的相对运动，故选择特瑞堡进口组合密封圈实现密封（密封圈在密封的同时具有一定的耐磨损功能）。 

图３ 原镗轴结构主轴轴承密封结构图

主轴轴承安装于铣轴外圆，轴承内圈通过铣轴设置台阶定位，轴承外圈通过端盖压紧，铣轴反向倒尖槽防止切削液倒流， 端盖上设置有泄水孔进行少量回流水的排出， 但在机床使用过程中存在切削液回流导致轴承被淹的情况。

针对上述问题，通过目前密封技术发展，铣轴前端选择了国内某公司生产的磁性密封元件， 外形尺寸按原机床端盖尺寸进行设计，以替代原密封端盖，具体机构如图４所示。

图4 改进后镗轴结构主轴轴承密封结构图

磁性密封元件结构如图５所示，有固定外圈，其功能替代原主轴箱前端密封端盖，通过螺钉连接固定在主轴箱箱体上，后部设置台阶实现主轴轴承外圈压紧。从动内圈内孔加工有“ｏ”形密封圈槽并安装有密封圈，且以密封胶安装固定于铣轴上，在内外圈前端设计防水倒钩结构，防止大量切削液回流。内圈外圈之间设计有槽，槽内填入磁性流体，磁性流体在内外圈相对运动过程中不会产生运动， 摩擦发热导致结构件变形的同时产生很好的防水效果，解决了主轴轴承密封结构存在的进水污染问题。

目前磁性流体密封元件已大量在水电站发电机组及环境恶劣的有水环境中使用且效果优良。

图５磁性密封元件结构图

随着加工过程中大量切削液的使用与特种材料加工的要求，机床加工过程中主轴轴承的使用环境越来越恶劣，从而对主轴轴承密封性能要求越来越高。针对目前使用结果，接触式密封由于在运行过程中存在发热导致变形或直接烧坏等缺陷， 且安调过程复杂（安装间隙与压紧力调节）。随着加工要求主轴转速越来越高， 导致接触式密封结构使用越来越难满足机床使用要求，从而非接触密封机构的优势越来越明显，但非接触式密封结构使用中，如何保障各密封部件之间的间隙与其防水效果，目前国内外多家机床生产厂家均在主轴轴承前端设置有气幕密封， 以改善主轴轴承的密封效果。文中介绍结构均以多重密封结构确保主轴轴承的密封效果， 磁性流体密封的使用也是一种很好的主轴轴承密封与防水的结构之一。

3、结语

密封机构无非以接触式与非接触式两种方式为基础进行组合与发展，多重结构组合使用确为一种可靠的方式。随着新材料及新型密封结构的产生，未来主轴轴承密封元件肯定以更高端、可靠、更稳定的方向发展。机床设计过程中，密封方式及元件的选择也越来越多样化， 机床设计过程中需多了解Z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。