臥式加工中心機床主軸密封結構設計及(jí)選用
2020-12-8 來源:沈機集團昆明機床股份有限公司 作(zuò)者:徐建平 尹作升 王維 周星興 孫薇
摘要:主(zhǔ)軸是機床主要功能(néng)部件,其性能直(zhí)接決定機(jī)床的加工精(jīng)度及(jí)加工性能。 臥式加(jiā)工中心機床主軸臥式布局,大流量(liàng)冷卻及加工塵屑極易(yì)汙(wū)染主軸及主軸軸承,所以主軸部件設計過(guò)程中需重點考慮主軸前(qián)端密封結構設計及選(xuǎn)用。 重點介紹了機床設計過程(chéng)中常見主軸結構類型及其主軸前端密封的結構(gòu)及(jí)選用。
關鍵詞:主軸;前端密封;密封(fēng)結構;主軸結構
臥(wò)式加工(gōng)中心機床主軸臥式布局, 然而大(dà)流量冷卻液的使(shǐ)用和機床加工材料的多樣(yàng)化(切削為粉(fěn)末),致冷卻(què)液及加工塵屑(xiè)極易在主(zhǔ)軸前端進入主軸軸承位置, 極大影響了機床使用壽命及傳動精度。 故而主軸(zhóu)軸承(chéng)的密(mì)封(fēng)效果直接影響軸承的壽命乃至整台機床質量。 主軸密封的研究(jiū)與應用伴隨著機床(chuáng)及新型(xíng)功能材料發展一直(zhí)進行著並不斷改進,王守堯[1]翻譯(yì)過《機床主軸密封的實驗(yàn)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(chù)式牛(niú)皮密(mì)封圈、非接觸式迷宮密封、以蓋和(hé)螺母構成的迷(mí)宮式密封、圓片式迷宮密封(луд)五(wǔ)種結構形式進行試驗研究(jiū), 並指出接觸式密(mì)封與非接觸式密(mì)封的(de)使用狀態及使用條件, 同時對第 5 種其改進過的機構性能(néng)進行試驗及性能描述。
王鋼[2]提出(chū) V 形密封圈(quān)密封、GMN 無接觸密封(fēng)圈(quān)密(mì)封和密封(fēng)圈與氣密封結(jié)合使用的(de)密封 3 種密封形式, 並在文中詳述了其結構(gòu)特(tè)點及使用狀態。 李銀玉等[3]通過密封原理分析並對主軸(zhóu)前端結構形式進行改進以提高機(jī)床主軸密封性能。 通過新材料的(de)不斷出現和主軸密封結構的不斷改進, 文中介紹(shào)了兩種(zhǒng)目前臥式加工中心機床的(de)主軸密封形式的選用與改進。
1 、固定主軸形式的主軸密封
如圖 1 所示主軸為固定式(shì)主(zhǔ)軸(zhóu) (主(zhǔ)軸(zhóu)隻可旋轉無前後(hòu)移動(dòng)功能), 主(zhǔ)軸(zhóu)配置有主軸中心冷卻(què)及主軸端麵環噴外冷功能,且主軸為臥式布局,在大(dà)流量冷卻液加工環境中,主軸軸(zhóu)承(尤其是主軸前軸承) 極易出現冷卻液(yè)從前端回流至軸承處出現(xiàn)軸承被(bèi)汙染的風(fēng)險。 根據使用狀態和前期設計經驗, 本主軸箱設計中,防水結構采用了多層防水結構組合使用,確保主軸軸承在使
用過程中的(de)穩定與可靠。
圖1 主軸密封(fēng)結(jié)構(gòu)圖
選用帶密封功(gōng)能的高精度角接觸成組軸承,軸承(chéng)配置有密封蓋(主要功能為防塵(chén))。在軸承前端設(shè)置有迷宮密封,迷宮密封結構參考文獻[4],實現軸承前部最後一道環節密封,在左迷(mí)宮下部開設泄水孔,以便前端冷卻液少量滲入時從(cóng)泄水槽中留出。 迷宮前端主軸與主軸連接處設置有較大台階,台階與主軸箱(xiāng)與軸承外圈壓緊端蓋處設置有氣幕。通氣後在端麵形成氣幕(mù)密封 (在前端通入空氣後形成內部輕微正壓力氣壓),防止冷(lěng)卻水與加工粉塵進入內(nèi)部。
在主軸最前端主軸與端(duān)蓋上均設(shè)置有反向倒尖槽, 實現主軸靜止時的防止冷卻液回流的功能。 在(zài)端蓋下部設置(zhì)有泄水口 1。 通過 4 層防水結構實現主軸的軸承防護結構。
主軸前端氣幕結構設(shè)計如(rú)圖 2 所示, 在(zài)主軸箱體內(nèi)部設置(zhì)有走氣通道,在零件連接處均設(shè)置有“0”形密封圈(quān),防止(zhǐ)空氣泄漏。在端蓋上(shàng)設置環形(xíng)走氣槽,當通入空氣(qì)以切(qiē)向角度進入走氣
槽(cáo)後,順著走線槽環形移動(dòng)後,通過主軸前端與端蓋之(zhī)間的間隙處吹出並形成主軸內部正壓空(kōng)氣環境。 通入空氣(qì)要求在機床氣路控製中供給,空氣需進行二次過濾幹燥,以(yǐ)確保空氣中的水分及(jí)雜質導致通道內部(bù)鏽蝕。通入氣(qì)路設置有節流閥和減壓(yā)閥,精(jīng)確(què)控製空氣的流量及氣壓, 防止流量過(guò)大導致軸承潤滑油脂被破壞或產生風穴噪聲。
圖2 主(zhǔ)軸前端氣幕結構圖
2 、帶鏜軸形式的主軸軸承(chéng)密封
鏜軸結構是臥(wò)式加(jiā)工中心(xīn)機床中常見的一種主軸形式,鏜軸在銑軸內前後移動(dòng), 銑軸通過主軸箱箱(xiāng)體後端設置變速傳動機(jī)構實(shí)現旋轉運動, 該結構(gòu)提高鏜軸剛性的(de)同時(shí)還(hái)可提高機床(chuáng)的加工工藝性能。 如圖(tú) 3 所示,針對該主軸箱結(jié)構特點,主軸軸承密封結構設計過程中, 鏜軸與銑軸之間存在前後(hòu)移(yí)動的相對運動,故選擇特瑞堡進口組(zǔ)合密封圈實現密封(密封圈在(zài)密封的同時具有一定(dìng)的耐磨(mó)損功能)。
圖 3 原鏜(táng)軸結構主(zhǔ)軸(zhóu)軸承密封結構圖
主軸軸承安(ān)裝於(yú)銑軸外圓(yuán),軸(zhóu)承(chéng)內圈通過銑軸設置台階定位,軸承外圈通過端蓋壓緊,銑軸反向倒(dǎo)尖槽防(fáng)止切削液(yè)倒流, 端蓋上設置有泄水(shuǐ)孔(kǒng)進行少量(liàng)回流水的排(pái)出, 但在機床(chuáng)使用(yòng)過程中存在切削液回流導致軸承(chéng)被淹的情況。
針對上述問題,通過目前密封技術發展,銑軸前端(duān)選擇了國內某公司(sī)生產的(de)磁性密封元件, 外形尺寸(cùn)按原機床端蓋尺寸進行設(shè)計,以替代原密封端蓋,具體機構如圖 4 所示。
圖4 改進後鏜軸結構主軸軸承密封(fēng)結構圖
磁性密封元件結(jié)構如圖 5 所示,有固定外圈,其功能替代原主軸箱前端密(mì)封端蓋,通過螺釘連接固定在主軸箱(xiāng)箱體上,後部設置台階(jiē)實現主軸軸承外圈壓緊。 從(cóng)動內圈內孔加工有“o”形密封圈槽並安裝有密封圈,且以密封膠安裝固定於銑軸上,在內外圈前端設計(jì)防水倒鉤結構,防止大量切削液回流。內(nèi)圈外圈之間設計(jì)有槽,槽(cáo)內填入磁性流體,磁性流體在(zài)內外(wài)圈相對運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)產生運動, 摩擦發熱導(dǎo)致結構件變(biàn)形的同(tóng)時產生很好的防(fáng)水效果,解決了主軸軸(zhóu)承密封結構存在的進水汙染問題。
目前磁性流體密封元件已大量在水電站發電機組及環境惡(è)劣的有水環境中使用且效果(guǒ)優良。
圖5磁性密封元件結構圖
隨著加工過程中大量切削液的使用(yòng)與特種材料加工的要求,機床(chuáng)加工過程(chéng)中主軸軸承的使用環境越來越惡(è)劣,從而(ér)對主軸軸承密封性能要求越來越高。針對目前使用結果(guǒ),接觸(chù)式密封由於在運行過(guò)程中存在發熱導致變形或直接燒(shāo)壞等(děng)缺陷, 且安(ān)調過程複雜(zá)(安裝間隙(xì)與壓緊力調節)。 隨著加工要求主軸轉(zhuǎn)速越(yuè)來越高, 導致接觸式密封結構使用越來越難滿足機床使用要求,從而非(fēi)接觸密封機構的優勢越來越明顯,但非接觸式(shì)密(mì)封結構使用(yòng)中,如何保(bǎo)障各密封部件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(qián)端設置有氣幕密封,
以改善主軸軸承的密封效果。 文中(zhōng)介紹結構均以多重密封結構確保主(zhǔ)軸軸承的密(mì)封效(xiào)果, 磁性流體密(mì)封的使用也是(shì)一種很好的主軸軸承密封與防水的(de)結構之一。
3 、結語
密封機構無非以接觸式與非接觸式兩種方式為(wéi)基礎進行組合與發展,多(duō)重結構組合使用確為一種可靠的方式。隨著新材料及新型密封結(jié)構的產生,未來主軸軸承(chéng)密封元(yuán)件(jiàn)肯定以更高端、可靠、更穩定的方向發(fā)展。 機床設計過程中,密封方(fāng)式及元件的選擇也越來(lái)越多樣(yàng)化, 機床設計過(guò)程中需多了解最新技術發展並引用至機(jī)床設計中, 為(wéi)機床主軸軸承提供更可靠的軸承密封。
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