螺旋密封结构在动静压主轴轴系上的应用

2022-06-28宋治中陈益军

精密制造与自动化 2022年1期

宋治中陈益军

（上海机床厂有限公司上海 200093）

由于动静压轴承结构特殊性，需要提供一定的油压形成动压效应，同时也对磨削过程中压力油的密封性提出了要求，常用的密封为接触式骨架油封，也称为旋转径向油封，该密封结构选型简单，使用方便，但由于长时间主轴旋转，会造成油封磨损，从而无法阻挡磨削垃圾进入轴承内部，造成主轴抱死。本文尝试将非接触式螺旋密封与砂轮主轴轴系设计相结合应用于产品制造，以提高砂轮主轴轴系使用效率和寿命的目的。

1 现有密封方式

现阶段国产高精密磨床砂轮主轴系统多采用骨架密封方式进行密封，该密封方式虽然应用较为广泛、结构相对简单，但在某些工况较差的环境下，也暴露出一些不足之处。比如骨架密封对主轴的功率损失，以及对主轴和轴系内孔表面的损伤，如图1所示。另一方面骨架密封还存在着橡胶老化的问题，密封圈老化后，密封效果明显下降，容易导致异物进入主轴系统，从而导致主轴损坏，后果严重。此外，前后骨架密封圈会对主轴前后端的静压浮起量有一定影响，易导致主轴理论轴线变化，从而影响主轴回转精度。为了克服以上这些问题，结合公司研制新型主轴轴系设计的契机，希望在密封结构上加以改进突破。

图1 骨架油封对动静压主轴轴系的损伤

2 螺旋密封的原理和结构特点

螺旋密封是一种利用流体动压反输的径向非接触式转轴密封结构[1]。螺旋密封是以特定的螺旋线为基准，在密封需求部位的轴或孔的表面上切出螺旋沟槽。当螺旋线槽在砂轮主轴上时，称之为螺杆式螺旋密封；当螺旋线槽开在孔上时，称之为螺套式螺旋密封；当两者的表面上同时切出旋转方向相反并相互嵌合的螺旋槽时，称之为迷宫式密封，其工作原理如图2所示，它是在旋转主轴与孔盖之间设有狭小的径向间隙，其间充满粘性液体。当主轴旋转时候，螺旋槽对液体施加一个推进力并进行能量交换，将轴的旋转动能转换成粘性液体的压力能，从而形成密封压头（即泵送效应）。该压头与被密封介质压力相互平衡，从而阻止流体泄漏。这种密封是依靠被密封液体的粘性力产生压头来封住介质的，因此也称为粘性密封或粘滞密封[2]。

图2 螺旋密封的作用原理图

螺旋密封的主要优点是它属于非接触式密封结构，主轴磨削时候密封件之间不发生摩擦磨损，主轴的功率损耗和发热小，寿命长；在密封件与孔之间保持大间隙的情况下仍能起作用；特别适合于条件苛刻的介质密封。因此，越来越受到人们的重视，在很多技术场合得到广泛应用。

3 螺旋密封在动静压主轴轴系上的应用

为了解决骨架密封遇到的问题，新的主轴轴系尝试采用螺旋密封结构。如图3所示，主轴前端和后端分别设有前透盖和后透盖，两个透盖内设有骨架密封。由于高精度的内螺纹加工困难，为了将螺旋密封结构与轴系的结合，不难看出，可采用螺杆式螺旋密封结构，也就是说在主轴上对应两透盖的位置加工左旋外螺纹和右旋外螺纹，左螺纹和右螺纹需根据主轴的旋转方向而定，这样螺旋密封产生的泵送效应将动静压轴承的缝隙流量推送流入体壳内，达到密封的效果。

图3 螺旋密封结构与轴系的结合

采用螺旋密封结构后，使动静压轴系密封成为非接触式，基本解决了骨架密封产生的问题，不影响动静压轴系的基本结构，有利于提高主轴使用寿命，有利于提高主轴精度，有利于动静压轴系的模块化设计。

为了更准确计算油液泄漏量，其螺旋密封泄漏量Q可通过下式调整[3]

式中：d0为螺纹外径，单位为 cm；∆p为螺纹密封内外压差，单位为kg/cm2；Cr为密封处半径方向的间隙，单位为cm；ψ为密封螺纹的螺旋角，单位为（°）；B为密封长度，单位为cm；u为液体介质的动力粘度系数，单位为kg•s/cm2。

由式（1）可知，泄漏量 Q与间隙Cr成正比，应尽可能减少半径方向间隙，从而减少泄漏量。针对公司需要改进的轴径Φ100 mm动静压主轴轴系来说，其液压油为 FD5号主轴油，供油压力为 35 kg/cm2，为了尽量减少对原主轴设计方案零件的变动，经反复计算，径向间隙取值在0.04～0.06 mm范围内。由于间隙较小，可通过配磨工艺实现。

这种新式的密封方法有效地避免了对主轴转速及功率的损耗，但同时也对主轴的机械加工工艺和轴系的回油方式提出一定的要求。为了优质高效的批量生产主轴，故对主轴制造工艺进行了工艺改进。