來源：《機械設計》 2019年第S02期

徐（xú）建（jiàn）平　尹作升　王維　周星興　孫（sūn）薇

（沈機集團昆明機床股份有限公司）

摘　要：主軸是機床主（zhǔ）要功能部件，其性能直（zhí）接決定機床的加工精度及加工性能。臥式（shì）加工中心機床主軸臥式布（bù）局，大流量（liàng）冷卻（què）及加（jiā）工塵屑極易汙染主軸及（jí）主軸軸承，所以主（zhǔ）軸部（bù）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（guò）程中常見主軸結構類型及其主軸前（qián）端密封的結構及選用（yòng）。

關鍵（jiàn）詞：主軸；前端密封；密（mì）封結構；主軸結（jié）構

臥式加（jiā）工中心機床主軸臥式布局， 然而大流（liú）量冷卻液的使用和機（jī）床加工材料的多樣化（huà）（切削為粉末），致冷卻液及加工塵屑極易在（zài）主軸（zhóu）前端進（jìn）入主（zhǔ）軸軸承位置， 極大影響了機床使用壽命及傳動精度（dù）。故而主軸軸承的（de）密封效果直接影響（xiǎng）軸承的壽命乃至整（zhěng）台機床質量。主軸密封的（de）研究與應用（yòng）伴隨（suí）著機床及新型功能材料發展一直進行著並不斷改進，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（mì）封圈、非接觸式迷宮密封、以蓋和螺母構成的迷（mí）宮（gōng）式密封、圓片式迷宮密封（луд）五種結構形式進行試驗研究， 並指出接觸式密封（fēng）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（fēng）圈（quān）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（mì）封 3 種密封形式， 並在文中詳述了其結構特點及使用狀態。李（lǐ）銀玉等［３］通（tōng）過密封原（yuán）理分析並對主軸前（qián）端結構形式進行（háng）改進以提（tí）高機（jī）床主軸密封性能。通過新材料的不斷出現和主（zhǔ）軸密封結構的不斷改進， 文中介紹了兩種目前臥（wò）式加工中心機床的主軸密封形式的選用與改進。

１、固定主（zhǔ）軸形式（shì）的（de）主軸密封

如圖 １ 所示（shì）主軸為固定式主軸 （主軸隻可旋轉無前（qián）後移動功能）， 主軸配置有主軸中心冷卻及主軸端麵環噴外冷功（gōng）能，且主軸為臥式（shì）布局（jú），在大流量冷卻液加工環境中，主軸軸承（尤（yóu）其是主軸前軸（zhóu）承（chéng）） 極易出現冷卻液從前端回流至軸承處（chù）出現軸承被汙染的風險。根據使（shǐ）用狀態和前期（qī）設（shè）計經驗， 本主軸箱設計（jì）中，防水結構采（cǎi）用了多層防水（shuǐ）結（jié）構組合（hé）使用（yòng），確保主軸軸承在使用過程中的穩定與可靠。 

圖１ 主（zhǔ）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（yào）功能為防塵）。在軸承前端設置有迷宮密（mì）封，迷宮密封結構參考文獻［４］，實現軸（zhóu）承前部Z後一道環節密封，在左迷宮下部開設（shè）泄水孔，以便前端冷卻液少量滲入時從泄水（shuǐ）槽中（zhōng）留出。迷宮（gōng）前端主軸與主軸連接處設置有較大台階（jiē），台階與主軸箱與軸（zhóu）承外圈壓（yā）緊（jǐn）端蓋處設置有氣幕。通（tōng）氣後在端麵形成氣幕密封 （在前（qián）端通入空氣後形成內部輕微（wēi）正壓力氣壓），防止冷卻（què）水（shuǐ）與加工粉塵進入內（nèi）部。

在主軸Z前端（duān）主軸與（yǔ）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（de）功能。在端（duān）蓋下部設置有泄水口 １。通過 ４ 層（céng）防水結構實現主軸的軸承（chéng）防護結構。

主（zhǔ）軸前端氣幕結構設計如圖 ２ 所示， 在（zài）主軸箱體（tǐ）內部（bù）設置有走氣通道，在（zài）零件連接處均設置（zhì）有“0”形密封圈，防止空氣泄漏。在（zài）端蓋上設置環形走氣（qì）槽，當通入空氣以切向角度進入走氣槽後（hòu），順著走線槽環形移動後，通過主軸前端與端蓋之間的（de）間隙處吹出並形成主軸內部正壓空氣環境。 通（tōng）入空氣要求在機床氣路控製（zhì）中供給，空氣需進行二次過濾幹（gàn）燥，以確（què）保空氣中的水分及雜質導致通道內部鏽（xiù）蝕。通入氣路設（shè）置有（yǒu）節流閥和（hé）減壓閥，精確（què）控製空氣的流量及（jí）氣壓， 防止（zhǐ）流量過大導致（zhì）軸（zhóu）承潤滑（huá）油脂被破壞或產生風穴噪聲。

圖2 主軸前端氣幕結構（gòu）圖

２、帶鏜軸（zhóu）形式的主軸軸承密封

鏜軸結構是（shì）臥式加工中心機床中常見的一種主軸形式，鏜軸在銑軸內前後移（yí）動， 銑軸（zhóu）通過主軸箱箱體後端設（shè）置變速傳動機構實現旋轉運動， 該結構提（tí）高鏜軸剛性的同時還可提高（gāo）機床的加工工藝性能。如圖３所示，針對該主軸箱結構（gòu）特點，主軸軸（zhóu）承密封結構設計（jì）過（guò）程中， 鏜軸與銑軸之間存在前後移動的相對運動，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（yǒu）一定的耐磨損功能）。 

圖（tú）３ 原鏜軸結構主軸軸承密封結構圖

主軸軸承安裝（zhuāng）於銑軸外圓，軸承內圈通過銑軸設置台階定（dìng）位，軸承外圈通過端蓋壓緊，銑軸反向倒尖槽（cáo）防止切削液倒流， 端蓋上設置（zhì）有（yǒu）泄水孔進行少量（liàng）回流水的排出， 但（dàn）在機床使用過程（chéng）中存在切削液回流導致軸承被淹的情況。

針對上述（shù）問題，通過目前密封（fēng）技術發展，銑（xǐ）軸前端選擇了國（guó）內某公司生產的磁性密封元件， 外形尺寸按原機床端蓋尺寸進行設（shè）計，以替代（dài）原密封端蓋，具體（tǐ）機構如圖４所示。

圖4 改進後鏜軸結構主軸軸承密封結構圖

磁性（xìng）密封元件結構如圖５所示（shì），有固定外圈，其功能替代原主軸箱（xiāng）前端密封端蓋，通過螺釘連接固定（dìng）在主軸箱箱體上，後部設置台階實現主軸軸承外圈壓緊。從動內圈（quān）內孔加工有“ｏ”形密封（fēng）圈槽並安裝有密封圈（quān），且以（yǐ）密（mì）封膠安裝固定於銑軸上，在內外圈（quān）前端設（shè）計防水倒鉤（gōu）結構，防止大量切削液回流。內圈（quān）外圈之間設計有槽，槽內填（tián）入（rù）磁性流體（tǐ），磁性流體在內外圈相對運動過程中（zhōng）不會產生運動， 摩擦發熱導致（zhì）結構件變形的同時（shí）產生很好的防（fáng）水效果，解決了（le）主軸軸承密封結構存在的進水汙染問題。

目前磁（cí）性流體密封元件已大（dà）量在水電站發電機組及環境惡劣的有（yǒu）水（shuǐ）環境中（zhōng）使用且效（xiào）果優良。

圖５磁性（xìng）密封元（yuán）件（jiàn）結構圖

隨（suí）著加工過程（chéng）中大量（liàng）切削液的使（shǐ）用與特種材（cái）料加工的要求，機床加工過（guò）程中主軸軸承的使用環境越來越惡劣，從而對主軸軸承密封性能要求越來越高。針對目前使用結（jié）果，接觸式密封由於在運行過（guò）程中存在發熱導致變形或直接燒壞等缺陷， 且安調過程複雜（安裝間隙與壓緊力調節（jiē））。隨著加工要求主軸轉速越來越高， 導（dǎo）致接觸式密封結構使用越來越難滿（mǎn）足機床使用要（yào）求，從而非接觸密封（fēng）機（jī）構的優勢越來越明顯，但非接觸式密封結構使用中，如何（hé）保障各密封部（bù）件（jiàn）之間的間隙與其防水效果，目前國內外多家機床生產廠家均在主軸軸承前端設置有氣幕密封， 以改善主軸軸承的（de）密封效果。文中（zhōng）介紹結構均以多重密封結構確保主軸軸承的密封效果， 磁性流體密封的（de）使用也（yě）是一種很好的主軸軸承密封與防水的結構之一。

3、結語

密封機構無非以接觸式與非接觸式（shì）兩種方式為基礎進行組合與發展，多重結構組合使用確為一種可靠的方式。隨著新（xīn）材料及新型密封結構的產生，未來主軸軸承密封元件（jiàn）肯定以更高端（duān）、可靠、更穩定的方向發展。機床設計（jì）過程（chéng）中，密封方式及元件的選擇也越來（lái）越（yuè）多樣化， 機（jī）床設計過程中需多（duō）了解Z新技術發展並引（yǐn）用（yòng）至機床設計中， 為機床主軸軸承提（tí）供更可靠的軸承密（mì）封。