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幾種新的主軸密封形式

2013-11-04

王鋼
（大連機床集團自動化裝備所，遼寧大連　116033）
　　隨著機床行業的快速發展，越來越多的組合機床及加工中心努力使主軸高速化，而且為提高自動化及刀具的耐用度，大都采用外部大流量冷卻。這樣就對主軸密封結構提出了新的要求。密封裝置的主要目的是防止外部水分、切屑、塵埃等物質侵入軸承，并保證軸承內部潤滑劑不發生泄露，同時還要考慮安裝維修的快捷與方便。在軸承樣本中，對軸承的密封都做了介紹，本文不再贅述。在這里只介紹三種新的主軸密封形式。
　　1　V形密封圈密封
　　V形密封圈是一種軸向作用的彈性橡膠圈，用作轉軸無壓密封。它由本體、密封唇、頸部三部分組成。
　　工作原理：V型密封圈借助彈性可靠地抱緊在相配零件上；錐形密封唇在軸向與垂直于軸線零件的表面相接觸，可補償轉軸的微量角度偏移；頸部在本體和密封唇之間起到形似彈簧連接的作用，它可使密封唇對接觸表面產生輕微的壓力，從而形成可靠的密封（見圖1）。
　　特性：和一般的油封不同，V形密封圈形成軸向密封作用。密封唇有較好的彈性，可補償相配件較大的公差和轉軸所產生的角度偏差。
　　主要優點：
　　1）對于工作條件相對較好的情況（如對潤滑油及潤滑脂的密封），可以降低與密封圈相配零件密封表面的質量或對軸硬度的要求；密封表面可以不必淬硬，減少加工工序。
　　2）安裝簡便。不要求特殊的準備工作，不需要安裝倒角，也不需其它結構措施。安裝時，V形圈可拉長達20%，將之裝到相配零件上。
　　3）由于密封表面不在軸上，對軸沒有磨損，從而延長軸的壽命。
　　4）摩擦力小，摩擦損失小，壽命長。密封唇很小的接觸壓力確保有很小的磨擦損失。啟動轉矩要比徑向油封的值小的多。
　　5）可適用于高速，密封接觸點Z高線速度可達40m/s。
　　由于使用方便和工作可靠，以及所需的設計工作量小，使V形密封圈的應用領域十分廣泛，它可用于防塵，防污，防油脂，防濺油、水和其它介質。在一些特殊場合，也可用作靜止部件上的密封。
　　2　GMN無接觸密封圈密封
　　這是由德國GMN公司生產的一種新型密封圈。它Z大的優點就是在高速情況下密封情況良好，而安裝卻十分方便。這種密封圈可用于多種條件甚至高溫和高速下，通常我們只需考慮密封圈鋁制外環所容許的Z高溫度（170℃），而對于軸和內環溫度則可以更高。
　　工作原理：它是由高精度的鋼制內環和鋁制外環通過特殊的生產工藝（已獲專利），使之成為具有迷宮形式，在高速旋轉時產生離心力將水分、切屑、塵埃等物質甩到排泄油溝中來實現密封的（見圖2）。
　　特性：它是一種徑向密封，內外環無接觸，而且內外環是不可分的，突破傳統接觸密封的原理，尤其適合大直徑、高轉速的主軸密封。
　　主要優點：
　　1）結構緊湊，其外型尺寸等于或類似于軸承或接觸密封圈。可用于內環和/ 或外環旋轉。
　　2）由于無接觸，因此無由密封所引起的磨損和發熱，無磨擦所引起的功率損耗。
　　3）由于無接觸，因此無需維修和更換，壽命長。
　　4）安裝方便經濟，對軸和孔要求的公差帶很寬，對相配零件沒有熱處理及磨削要求，減少加工工時。
　　5）由于是金屬材質，可應用于環境溫度170℃的高溫，速度可以達到50m/s。
　　下面就接觸密封圈與無接觸密封圈做一下比較：
　　3　密封圈與氣密封結合使用的密封
　　對于大多數組合機床來說，許多工序是鉆孔和攻絲，其主軸直徑一般不大，線速度也不會很高，這就使得此類主軸使用接觸密封圈成為可能。這樣不僅能夠滿足使用上的要求，而且大大降低費用，非常經濟。但對于只使用單層接觸密封圈來說，很難使外部的冷卻水和污物不進入到箱體內。對于無大流量冷卻排屑的主軸，一般采用雙唇密封圈就可以很好的解決問題。
　　而對于大流量冷卻沖屑的主軸，經常發生冷卻液進入到主軸箱體內部，這是我們所不愿看到的。為此，我們采用了雙層密封圈與氣密封相結合的使用方法，以使結構更為可靠。
　　工作原理：在兩層密封圈之間加入壓縮空氣，形成氣腔，氣腔中氣體的壓力大于外部壓力，保證了外界的冷卻液和鐵屑及其它雜質不會進入箱體內，而實現密封（見圖3）。還可以避免由于虹吸現象而使雜質滲入到箱體內部。
　　另外，由于氣源中不可避免的會夾雜著水分，所以在兩層密封圈之間應開一個排泄口，保證水分能夠及時的排出。對于使用雙層密封圈，發熱量會增大很多，因此需要對軸徑加以控制，具體數值如圖3所示。
　　特性：對于線速度低的主軸可以采用雙層接觸密封圈及氣密封來防止冷卻液和鐵屑的進入。比較經濟，易于實現。
　　綜上所述，主軸的密封有各種各樣的方法，如何選用，需要與具體實際情況結合起來。對于鏜、銑類主軸，由于線速度非常高，宜采用GMN密封圈密封，既保證了密封效果，又不會引起高的溫升，但其缺點是價格相對較貴，而且需要進口，周期較長。對于鉆、 擴、鉸和攻絲類主軸，就可以采用雙層密封圈和氣密封結合使用，其優點是價格便宜，易于實現，密封效果也比較好。如果在一個主軸箱中使用了兩種潤滑脂（油和油脂），就可以考慮使用V形密封圈來密封。這幾種密封形式都已經具體應用在實踐中，并能夠很好的滿足使用要求。
來源：《組合機床與自動化加工技術》2002年04期