基于壽命的光學平面研磨機床主軸上水密封結構優化設計*

朱成俊 孫育竹

(①河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009；②武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

旋轉主軸的內噴上水部件是光學平面研磨機床的關鍵部件，它是影響該類加工機床的平均無故障時間的關鍵因素。該類平面加工機床在運轉時，由于工作磨盤比較大(平模直徑300～450 mm)，僅使用外噴的研磨液難以達到磨盤中間的部位，無法對工件進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、局部溫度過高，結果就會導致工件尺寸超差甚至被燒傷而成為不合格產品。

為解決現有問題，達到預定的加工效果，人們提出了由主軸中心向工件盤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，都會對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，并且污染環境。國內現有光學平面研磨機床主軸內噴上水密封結構的使用壽命普遍在2～5個月左右，主要問題在于密封件容易失效。出現故障后，需要停產維修，增加維修成本，影響生產效率。

綜上，光學平面研磨機床主軸內噴上水密封結構設計的好壞，直接影響該類設備的精度、使用壽命和維護成本。分析研究、優化設計新一代的主軸內噴上水密封結構顯得尤為重要。本文分析了現有上水結構中密封件失效原因，提出了用柔性結構補償密封件磨損后的間隙，采用耐腐蝕的高強度金屬密封件代替橡膠密封件，以提高密封結構的使用壽命。

1 原有主軸內噴上水密封結構主要問題

1.1 原有密封結構工作原理

上世紀八九十年代直到目前，光學平面研磨設備常用圖1所示的主軸防水密封結構。該結構中，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和動密封接頭8 組成一個密封腔體。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過盈配合裝在密封螺套6內，此兩處均為靜密封配合，密封可靠，壽命長，不會泄漏；骨架油封7和動密封接頭8為動密封配合，靠油唇彈簧密封。工作時，帶輪10在電動機帶動下以一定速度旋轉，帶動主軸旋轉完成研磨削任務，研磨液在壓力下由靜密封接頭2向上流動，先經過骨架油封7和動密封接頭8，再通過主軸中心孔流入工作區域。研磨液經過骨架油封7時，由密封圈防止液體泄漏。本結構簡單，對零部件制造要求低，安裝方便，成本低，曾被廣泛使用。

1.2 密封結構的失效原因

圖1中密封結構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，研磨液將會泄漏，此時可以停機調節螺母3，重新壓緊密封圈。但由于密封圈本身壽命有限，工作環境惡劣；同時，骨架油封和主軸間也有摩擦，會造成油封磨損而漏液，故該結構的可靠性較差。密封結構失效后，需停工維修頻繁，維護成本高，生產效率低，容易造成場地污染。在實際生產中，其壽命一般在1～2個月。該結構壽命不足的主要原因有：(1)密封件材質易受研磨液腐蝕。(2)動密封接頭與油封為周向接觸，會產生磨損間隙。(3)密封件磨損后，無法自動壓緊密封件，需停機手工操作。

2 基于柔性的密封結構優化

根據現有主軸內噴上水密封結構的失效的主要原因，去掉動密封中的骨架油封，改進主軸內噴上水密封結構，增加機構的柔性，典型的有基于球面接觸的密封結構和基于球面接觸閉式結構兩種。

2.1 基于球面接觸的密封結構

如圖2結構，動密封接頭1和靜密封接頭2均為機械連接件，以球面接觸。其中，動密封接頭1通過螺紋和主軸連接，并隨主軸同步旋轉；靜密封接頭2和調整板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，用來固定兩個調節螺栓3。調整兩個調節螺母7推動支撐板6，通過彈簧5和調整板4，調節靜密封接頭2和動密封接頭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。

該結構優點：由于采用金屬件球頭接觸，其強度較高、耐磨性和耐蝕性較好，隨著時間增加，球面接觸面積增加，密封效果越好；球面磨損后，由彈簧的預緊作用，系統會自動補償間隙，故使用壽命能夠提高到原來的2.5～3倍。但該結構也有不足之處：機構運行之初，由于動靜密封接頭的球面加工精度的影響，需要時間磨合，磨合階段液體泄漏易污染環境；安裝復雜，需同時調節螺母，才能使結構平衡。

2.2 基于球面接觸的閉式密封結構

為解決圖2所示結構平衡問題和磨合階段研磨液泄漏問題，對結構進一步優化，仍采用球面接觸密封，并設計了密封殼體用于回收研磨液，如圖3所示。圖中，動密封接頭2靠螺紋和主軸連接，保證兩者的同步轉動，壓緊的密封圈1，保證密封可靠。上密封殼體3內的推力軸承4和深溝球軸承5，用于保證動密封接頭2的定位精度和旋轉靈活性，同時，還可以承受來自靜密封接頭6的軸向密封壓力。導向調節螺母9對靜密封接頭6起定位導向和密封壓力調節的作用，通過動、靜密封接頭對中性和彈簧的壓力調節來保證密封面的良好密封性。鎖緊螺母10對導向調節螺母9有防松作用，鍵11是防止靜密封接頭6的轉動。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，避免研磨液的浪費和環境污染。

該結構優點：體積小；動、靜密封接頭對中性好，運轉靈活，密封面的密封調節方便；使用前磨合時間縮短，密封面磨損時泄漏的研磨液可回收，不浪費、不污染；密封效果好，使用壽命提高到原來的3～5倍。缺點：結構復雜，整體零件加工精度提高；密封面磨損后，需要重新調節動、靜密封接頭之間的壓力。

以上兩種優化后的主軸內噴上水密封結構，它們的工作原理相同，結構形式略有差別，壽命比傳統的密封結構高。但是，兩類球面接觸式密封結構存在共性問題：(1)動靜密封接頭為非標準件，制造難度大，精度難以保證，成本高。(2)有磨合時間，且與材料硬度和球面精度關系很大。(3)由于靜密封部分為柔性結構，主軸轉速過高時，容易引起靜密封結構振動，影響密封效果。

3 基于標準機封的防水密封結構優化

針對柔性密封結構存在的問題，以降低成本、縮短磨合時間、解決主軸高速時的振動問題為目標。在分析內噴上水結構的原理基礎上，借鑒標準的機械密封結構的基礎上，使用標準的密封件，以降低成本。

優化后的密封結構如圖4所示。其結構和工作原理如下：簡化其結構核心，改變以往密封結構的關鍵，把自制設計加工的球形動、靜密封接頭，改為外購的標準平面密封環，動、靜密封環的材質、硬度、表面粗糙度和精度由專業廠家解決，密封面的表面質量為上水密封提供可靠保障。連接軸1旋轉靈活性、對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組成的裝配體來保證，其下端的動密封環7和動連接軸1為可靠的靜密封連接。動密封環7和調整螺母11為靜密封連接，密封可靠；調整螺母11通過和下腔體9的螺紋旋合完成上下尺寸的調節，并靠鎖緊螺母10鎖緊，最終完成動、靜密封環密封面的壓力調節和密封。此結構的特點：成對的標準密封件配合為平面接觸，易保證精度，磨合時間短；靜密封部分為剛性結構，無振動問題。標準密封件的耐磨性好、制造成本低，加工周期短，安裝調節方便，運轉靈活，密封面摩擦力小，無泄漏，使用壽命長，可達到原來的8～10倍。

4 結語

通過對主軸內噴上水密封結構的3次優化，提高了其密封效果，增加了其使用壽命。優化前后結構的性能對比如表1。

表1 密封結構優化前后的性能對比

結構特點效果壽命/月成本缺點原有結構橡膠墊密封,結構簡單差2低密封件易損、無法自動調節球面接觸式金屬球面密封,耐腐蝕,可自動調節密封面一般5～6高有磨合時間、高速運動時有振動球面接觸閉式漏液可回收,對中性好,體積小,安裝方便較好6～10高高速運動時有振動標準機封式結構簡單,使用標準件好16～20低無法自動調節

通過以上對比分析可以看到，通過優化設計，大大提高了主軸內噴水的防水效果，其中標準機封式的壽命最長，綜合性能最好。通過對密封結構的優化設計，有效的降低了光學平面研磨機床的維修頻率，提高生產效率。在優化設計過程中，解決了如下工程問題，可為類似機械結構的優化設計提供借鑒。

(1)以金屬球面接觸密封結構代替橡膠密封圈，解決了橡膠腐蝕老化問題。

(2)將靜密封部分設計為柔性結構，能夠自動補償密封件磨損后間隙。

(3)在靜密封部分設計了閉式腔體，回收泄漏研磨液，防止污染環境。

(4)以標準機封件代替球面密封，能夠簡化結構，降低成本，提高壽命。

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