基于壽命的光學(xué)平面研磨機(jī)床主軸上水密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

朱成俊 孫育竹

(①河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473009；②武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

旋轉(zhuǎn)主軸的內(nèi)噴上水部件是光學(xué)平面研磨機(jī)床的關(guān)鍵部件，它是影響該類(lèi)加工機(jī)床的平均無(wú)故障時(shí)間的關(guān)鍵因素。該類(lèi)平面加工機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于工作磨盤(pán)比較大(平模直徑300～450 mm)，僅使用外噴的研磨液難以達(dá)到磨盤(pán)中間的部位，無(wú)法對(duì)工件進(jìn)行有效的研磨和冷卻的作用，使被研磨工件形成不均勻磨削、局部溫度過(guò)高，結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致工件尺寸超差甚至被燒傷而成為不合格產(chǎn)品。

為解決現(xiàn)有問(wèn)題，達(dá)到預(yù)定的加工效果，人們提出了由主軸中心向工件盤(pán)上不間斷地噴射研磨液的方案。但是，研磨液中含有的高硬度研磨顆粒和研磨液本身的腐蝕性，都會(huì)對(duì)橡膠密封件直接造成損壞，大大降低它的使用壽命，直接造成泄漏、研磨液噴射不充分，并且污染環(huán)境。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有光學(xué)平面研磨機(jī)床主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)的使用壽命普遍在2～5個(gè)月左右，主要問(wèn)題在于密封件容易失效。出現(xiàn)故障后，需要停產(chǎn)維修，增加維修成本，影響生產(chǎn)效率。

綜上，光學(xué)平面研磨機(jī)床主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，直接影響該類(lèi)設(shè)備的精度、使用壽命和維護(hù)成本。分析研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)新一代的主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。本文分析了現(xiàn)有上水結(jié)構(gòu)中密封件失效原因，提出了用柔性結(jié)構(gòu)補(bǔ)償密封件磨損后的間隙，采用耐腐蝕的高強(qiáng)度金屬密封件代替橡膠密封件，以提高密封結(jié)構(gòu)的使用壽命。

1 原有主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)主要問(wèn)題

1.1 原有密封結(jié)構(gòu)工作原理

上世紀(jì)八九十年代直到目前，光學(xué)平面研磨設(shè)備常用圖1所示的主軸防水密封結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中，靜密封接頭2靠固定支架1和螺母3定位固定，靜密封接頭2、密封圈5、密封螺套6、骨架油封7和動(dòng)密封接頭8 組成一個(gè)密封腔體。其中，密封螺套6和靜密封接頭2旋合壓緊密封圈5，骨架油封7過(guò)盈配合裝在密封螺套6內(nèi)，此兩處均為靜密封配合，密封可靠，壽命長(zhǎng)，不會(huì)泄漏；骨架油封7和動(dòng)密封接頭8為動(dòng)密封配合，靠油唇彈簧密封。工作時(shí)，帶輪10在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下以一定速度旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)完成研磨削任務(wù)，研磨液在壓力下由靜密封接頭2向上流動(dòng)，先經(jīng)過(guò)骨架油封7和動(dòng)密封接頭8，再通過(guò)主軸中心孔流入工作區(qū)域。研磨液經(jīng)過(guò)骨架油封7時(shí)，由密封圈防止液體泄漏。本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)零部件制造要求低，安裝方便，成本低，曾被廣泛使用。

1.2 密封結(jié)構(gòu)的失效原因

圖1中密封結(jié)構(gòu)的性能完全靠密封圈保證。由于研磨液中的研磨顆粒的沖刷及其腐蝕性，密封圈容易磨損，研磨液將會(huì)泄漏，此時(shí)可以停機(jī)調(diào)節(jié)螺母3，重新壓緊密封圈。但由于密封圈本身壽命有限，工作環(huán)境惡劣；同時(shí)，骨架油封和主軸間也有摩擦，會(huì)造成油封磨損而漏液，故該結(jié)構(gòu)的可靠性較差。密封結(jié)構(gòu)失效后，需停工維修頻繁，維護(hù)成本高，生產(chǎn)效率低，容易造成場(chǎng)地污染。在實(shí)際生產(chǎn)中，其壽命一般在1～2個(gè)月。該結(jié)構(gòu)壽命不足的主要原因有：(1)密封件材質(zhì)易受研磨液腐蝕。(2)動(dòng)密封接頭與油封為周向接觸，會(huì)產(chǎn)生磨損間隙。(3)密封件磨損后，無(wú)法自動(dòng)壓緊密封件，需停機(jī)手工操作。

2 基于柔性的密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)有主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)的失效的主要原因，去掉動(dòng)密封中的骨架油封，改進(jìn)主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)，增加機(jī)構(gòu)的柔性，典型的有基于球面接觸的密封結(jié)構(gòu)和基于球面接觸閉式結(jié)構(gòu)兩種。

2.1 基于球面接觸的密封結(jié)構(gòu)

如圖2結(jié)構(gòu)，動(dòng)密封接頭1和靜密封接頭2均為機(jī)械連接件，以球面接觸。其中，動(dòng)密封接頭1通過(guò)螺紋和主軸連接，并隨主軸同步旋轉(zhuǎn)；靜密封接頭2和調(diào)整板4靠螺母7固定在一起。固定板9固定在主軸軸承座下端面，用來(lái)固定兩個(gè)調(diào)節(jié)螺栓3。調(diào)整兩個(gè)調(diào)節(jié)螺母7推動(dòng)支撐板6，通過(guò)彈簧5和調(diào)整板4，調(diào)節(jié)靜密封接頭2和動(dòng)密封接頭1之間的壓力，以保證球面密封面在壓力最小的情況下研磨液不泄漏。

該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：由于采用金屬件球頭接觸，其強(qiáng)度較高、耐磨性和耐蝕性較好，隨著時(shí)間增加，球面接觸面積增加，密封效果越好；球面磨損后，由彈簧的預(yù)緊作用，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償間隙，故使用壽命能夠提高到原來(lái)的2.5～3倍。但該結(jié)構(gòu)也有不足之處：機(jī)構(gòu)運(yùn)行之初，由于動(dòng)靜密封接頭的球面加工精度的影響，需要時(shí)間磨合，磨合階段液體泄漏易污染環(huán)境；安裝復(fù)雜，需同時(shí)調(diào)節(jié)螺母，才能使結(jié)構(gòu)平衡。

2.2 基于球面接觸的閉式密封結(jié)構(gòu)

為解決圖2所示結(jié)構(gòu)平衡問(wèn)題和磨合階段研磨液泄漏問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，仍采用球面接觸密封，并設(shè)計(jì)了密封殼體用于回收研磨液，如圖3所示。圖中，動(dòng)密封接頭2靠螺紋和主軸連接，保證兩者的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，壓緊的密封圈1，保證密封可靠。上密封殼體3內(nèi)的推力軸承4和深溝球軸承5，用于保證動(dòng)密封接頭2的定位精度和旋轉(zhuǎn)靈活性，同時(shí)，還可以承受來(lái)自靜密封接頭6的軸向密封壓力。導(dǎo)向調(diào)節(jié)螺母9對(duì)靜密封接頭6起定位導(dǎo)向和密封壓力調(diào)節(jié)的作用，通過(guò)動(dòng)、靜密封接頭對(duì)中性和彈簧的壓力調(diào)節(jié)來(lái)保證密封面的良好密封性。鎖緊螺母10對(duì)導(dǎo)向調(diào)節(jié)螺母9有防松作用，鍵11是防止靜密封接頭6的轉(zhuǎn)動(dòng)。密封面磨合階段泄漏的研磨液，可由泄漏排水口流向研磨液容器，避免研磨液的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：體積?。粍?dòng)、靜密封接頭對(duì)中性好，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，密封面的密封調(diào)節(jié)方便；使用前磨合時(shí)間縮短，密封面磨損時(shí)泄漏的研磨液可回收，不浪費(fèi)、不污染；密封效果好，使用壽命提高到原來(lái)的3～5倍。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體零件加工精度提高；密封面磨損后，需要重新調(diào)節(jié)動(dòng)、靜密封接頭之間的壓力。

以上兩種優(yōu)化后的主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)，它們的工作原理相同，結(jié)構(gòu)形式略有差別，壽命比傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)高。但是，兩類(lèi)球面接觸式密封結(jié)構(gòu)存在共性問(wèn)題：(1)動(dòng)靜密封接頭為非標(biāo)準(zhǔn)件，制造難度大，精度難以保證，成本高。(2)有磨合時(shí)間，且與材料硬度和球面精度關(guān)系很大。(3)由于靜密封部分為柔性結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，容易引起靜密封結(jié)構(gòu)振動(dòng)，影響密封效果。

3 基于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)封的防水密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)柔性密封結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題，以降低成本、縮短磨合時(shí)間、解決主軸高速時(shí)的振動(dòng)問(wèn)題為目標(biāo)。在分析內(nèi)噴上水結(jié)構(gòu)的原理基礎(chǔ)上，借鑒標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用標(biāo)準(zhǔn)的密封件，以降低成本。

優(yōu)化后的密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。其結(jié)構(gòu)和工作原理如下：簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)核心，改變以往密封結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，把自制設(shè)計(jì)加工的球形動(dòng)、靜密封接頭，改為外購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)平面密封環(huán)，動(dòng)、靜密封環(huán)的材質(zhì)、硬度、表面粗糙度和精度由專(zhuān)業(yè)廠家解決，密封面的表面質(zhì)量為上水密封提供可靠保障。連接軸1旋轉(zhuǎn)靈活性、對(duì)中性和受力的合理性，依靠和上腔體3、推力軸承4、深溝球軸承5組成的裝配體來(lái)保證，其下端的動(dòng)密封環(huán)7和動(dòng)連接軸1為可靠的靜密封連接。動(dòng)密封環(huán)7和調(diào)整螺母11為靜密封連接，密封可靠；調(diào)整螺母11通過(guò)和下腔體9的螺紋旋合完成上下尺寸的調(diào)節(jié)，并靠鎖緊螺母10鎖緊，最終完成動(dòng)、靜密封環(huán)密封面的壓力調(diào)節(jié)和密封。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：成對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)密封件配合為平面接觸，易保證精度，磨合時(shí)間短；靜密封部分為剛性結(jié)構(gòu)，無(wú)振動(dòng)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)密封件的耐磨性好、制造成本低，加工周期短，安裝調(diào)節(jié)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，密封面摩擦力小，無(wú)泄漏，使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)到原來(lái)的8～10倍。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)主軸內(nèi)噴上水密封結(jié)構(gòu)的3次優(yōu)化，提高了其密封效果，增加了其使用壽命。優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比如表1。

表1 密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的性能對(duì)比

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)效果壽命/月成本缺點(diǎn)原有結(jié)構(gòu)橡膠墊密封,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單差2低密封件易損、無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)球面接觸式金屬球面密封,耐腐蝕,可自動(dòng)調(diào)節(jié)密封面一般5～6高有磨合時(shí)間、高速運(yùn)動(dòng)時(shí)有振動(dòng)球面接觸閉式漏液可回收,對(duì)中性好,體積小,安裝方便較好6～10高高速運(yùn)動(dòng)時(shí)有振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)封式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用標(biāo)準(zhǔn)件好16～20低無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)

通過(guò)以上對(duì)比分析可以看到，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了主軸內(nèi)噴水的防水效果，其中標(biāo)準(zhǔn)機(jī)封式的壽命最長(zhǎng)，綜合性能最好。通過(guò)對(duì)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效的降低了光學(xué)平面研磨機(jī)床的維修頻率，提高生產(chǎn)效率。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，解決了如下工程問(wèn)題，可為類(lèi)似機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

(1)以金屬球面接觸密封結(jié)構(gòu)代替橡膠密封圈，解決了橡膠腐蝕老化問(wèn)題。

(2)將靜密封部分設(shè)計(jì)為柔性結(jié)構(gòu)，能夠自動(dòng)補(bǔ)償密封件磨損后間隙。

(3)在靜密封部分設(shè)計(jì)了閉式腔體，回收泄漏研磨液，防止污染環(huán)境。

(4)以標(biāo)準(zhǔn)機(jī)封件代替球面密封，能夠簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高壽命。

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