光學(xué)冷加工機(jī)床主軸上水機(jī)械密封裝置的設(shè)計(jì)

黃建娜，劉 旸

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

光學(xué)冷加工機(jī)床主軸上水機(jī)械密封裝置的設(shè)計(jì)

黃建娜，劉 旸

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

光學(xué)零件在研磨拋光時(shí)，產(chǎn)生的大量熱會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率；為此，提出了一套光學(xué)冷加工機(jī)床主軸上水機(jī)械密封裝置的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。該方案解決了主軸內(nèi)噴上水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)加工機(jī)床主軸上水無(wú)泄漏運(yùn)行。其加工方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，便于推廣使用。

機(jī)械密封；動(dòng)密封頭；靜密封頭；摩擦副；接觸端面

在光學(xué)零件精磨或拋光時(shí)，拋光液在鏡盤(pán)和磨盤(pán)之間參與精磨或拋光工件的表面，在除去加工余量的同時(shí)，帶走加工產(chǎn)生的熱量。拋光液向磨盤(pán)與鏡盤(pán)之間輸送，有水管外部噴水和主軸內(nèi)噴上水2種形式。對(duì)于大平面或成盤(pán)加工，采用水管外部噴水形式，由于重合面較大，在旋轉(zhuǎn)速度較高時(shí)，局部加工區(qū)域可能會(huì)缺少拋光液，從而影響精磨拋光的質(zhì)量和效率，導(dǎo)致精磨拋光只能在低速下進(jìn)行。如果改用主軸內(nèi)噴上水形式，使拋光液均勻到達(dá)加工部位，可以提高精磨拋光的質(zhì)量和效率，克服水管外部噴水的缺陷。

采用主軸內(nèi)噴上水形式時(shí)，主軸和給水管件一動(dòng)一靜，兩者之間需要密封連接。傳統(tǒng)填料密封結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)阻力大，容易磨損發(fā)熱，密封效果差，壽命短，影響了內(nèi)噴上水形式的推廣應(yīng)用；為此，設(shè)計(jì)了主軸上水機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本文以實(shí)現(xiàn)光學(xué)加工機(jī)床主軸上水無(wú)泄漏運(yùn)行為目標(biāo)開(kāi)展研究，對(duì)圖1所示機(jī)械密封結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算，以期獲得滿意的密封效果。

1 主軸上水機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械密封亦稱端面密封，由至少1對(duì)和旋轉(zhuǎn)軸線垂直的端面，在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力的作用以及輔助密封裝置的配合下，保持貼合并相對(duì)滑動(dòng)而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置。其典型結(jié)構(gòu)組成主要有密封裝置、緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和輔助密封圈等[1]。

對(duì)于光學(xué)冷加工技術(shù)設(shè)備，可按機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)床主軸上水機(jī)械密封裝置。某公司JP350G高速拋光機(jī)主軸上水機(jī)械密封設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)見(jiàn)表1，根據(jù)該拋光機(jī)設(shè)備狀況，對(duì)圖1所示機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的密封裝置如圖2所示。

表1 主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 主軸上水機(jī)械密封裝置

該密封裝置主要由一組動(dòng)密封頭和靜密封頭組成的平面摩擦副構(gòu)成。動(dòng)密封頭通過(guò)螺紋M20×1.5LH和主軸聯(lián)接，并隨主軸一起旋轉(zhuǎn)。靜密封頭在彈性構(gòu)件(彈簧或波紋管)的壓緊力作用下，和動(dòng)密封頭緊密貼合。在動(dòng)密封頭和靜密封頭的接觸面之間，維持著一層極薄的液體膜，這層液體膜提供流體動(dòng)壓力和靜壓力，起著潤(rùn)滑和平衡壓緊力的作用，由此阻止泄漏，獲得長(zhǎng)期的密封效果。O型密封圈僅用于防止流體從動(dòng)密封頭與主軸連接處泄漏。該裝置結(jié)構(gòu)屬于外裝外流非平衡式機(jī)械密封，密封件采用工具鋼局部淬火。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該裝置密封性好，性能穩(wěn)定，泄漏量少，摩擦功耗低，使用周期長(zhǎng)，對(duì)主軸磨損小，能滿足多種工況要求。主要特點(diǎn)為：1)動(dòng)、靜密封頭自適應(yīng)性強(qiáng)，摩擦面之間相互研磨，具有自磨合特點(diǎn)，隨磨合時(shí)間的增長(zhǎng)，密封效果越來(lái)越好；2)摩擦面之間有液體膜存在，摩擦力小，摩擦功耗低；3)摩擦副材料由硬質(zhì)耐磨材料制成，密封面磨損后自我補(bǔ)償，使用周期長(zhǎng)；4)與主軸之間沒(méi)有相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)，因此主軸磨損小。

1.3 結(jié)構(gòu)工作原理

O型密封圈、動(dòng)密封頭、靜密封頭和彈簧構(gòu)成機(jī)械密封的主體結(jié)構(gòu)，密封腔體、軸承和導(dǎo)向調(diào)整螺母將密封件固定在一個(gè)密閉空間內(nèi)，形成一個(gè)整體。軸承支承動(dòng)密封頭旋轉(zhuǎn)，并承受密封結(jié)構(gòu)中彈簧向上的壓力。導(dǎo)向調(diào)整螺母通過(guò)壓縮彈簧，使動(dòng)、靜密封頭緊密配合，并能夠方便調(diào)整壓緊力大小，使密封裝置工作在經(jīng)濟(jì)和適用狀態(tài)下。擋銷(xiāo)用于防止靜密封頭旋轉(zhuǎn)。鎖緊螺母用于防止導(dǎo)向調(diào)整螺母松動(dòng)。擋板與機(jī)架聯(lián)接固定，用于防止密封裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 有關(guān)計(jì)算

為了滿足實(shí)際工作要求，根據(jù)機(jī)械密封裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要進(jìn)行理論計(jì)算和分析[2]。此處簡(jiǎn)化主軸上水機(jī)械密封裝置的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，以便于標(biāo)示與計(jì)算。圖3中，密封腔直徑d0為6 mm；密封環(huán)接觸端面內(nèi)徑D1為10 mm；密封環(huán)接觸端面外徑D2為19.2 mm；PS為彈簧比壓，單位為MPa；水壓力PL為0.04 MPa；PP為密封環(huán)接觸端面平均壓力，單位為MPa。

圖3 主軸上水機(jī)械密封裝置簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

1)載荷系數(shù)K。介質(zhì)壓力作用于補(bǔ)償環(huán)上，對(duì)非補(bǔ)償環(huán)趨于閉合的有效作用面積Ae與密封接觸端面面積A之比稱為載荷系數(shù)K，其大小表示介質(zhì)壓力加到密封斷面上的載荷程度，即：

2)密封環(huán)接觸端面平均壓力PP。

PP=λPL=0.5×0.04=0.02 (MPa)

式中，λ為反壓力系數(shù)，水介質(zhì)一般取λ=0.5。

3)密封環(huán)接觸端面液膜推開(kāi)力R。

4)彈簧比壓PS。彈性元件在接觸端面上產(chǎn)生的單位壓力，大小應(yīng)能保證密封低壓操作、停車(chē)時(shí)的密封和阻力，查手冊(cè)，因K<0.3，得其值應(yīng)高于介質(zhì)水壓力0.2～0.3 MPa, 取PS=0.25 MPa。

5)總的彈簧力FS。

6)密封腔內(nèi)介質(zhì)作用力FL。

7)靜環(huán)所受的合力F(有接觸端面承受) 。

F=FS+FL-R=52.75-1-4.22=47.5 (N)

8)端面比壓PC。

端面比壓PC>0，端面始終被壓緊貼合。機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中一般規(guī)定PC在0.15～0.4 MPa內(nèi)，故滿足要求。

9)校驗(yàn)PCv值。端面比壓PC與端面平均周速v(單位為m/s)的乘積PCv值，與端面摩擦產(chǎn)生的熱量及端面磨損率成正比，可視作耐熱性和耐磨性指標(biāo)，是機(jī)械密封的主要工作性能指標(biāo)。

極限PCv值是密封失效指標(biāo)，計(jì)算如下：

計(jì)算出的極限PCv值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工具鋼極限許用值11 MPa·m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。

10)機(jī)械密封摩擦功率P。機(jī)械密封的摩擦功率只有密封面摩擦功率，其值計(jì)算如下：

4.6×0.039=0.001 (W)

式中，dm為密封端面平均直徑，單位為m，dm=(D1+D2)/2；b為密封環(huán)接觸端面寬度，單位為m，b=(D2-D1)/2；f為密封環(huán)接觸端面摩擦因數(shù)，取值f=0.1。

11)幾何尺寸確定。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，密封端面幾何尺寸可以確定如下：端面接觸內(nèi)徑D1=10 mm，端面接觸外徑D2=19.2 mm。

為補(bǔ)償動(dòng)、靜密封頭的偏斜和軸的振動(dòng)，靜密封頭與導(dǎo)向調(diào)整螺母之間，留1～2 mm間隙，以免造成動(dòng)、靜密封頭組成的摩擦副配合不嚴(yán)和比壓的不均勻，影響密封效果。

3 密封制造使用技術(shù)要求[3]

當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算完成后，在制造過(guò)程中需要注意如下技術(shù)要求：1)動(dòng)密封頭的密封環(huán)接觸端面內(nèi)外徑和M20螺紋聯(lián)接面、φ21圓柱面、軸承定位圓柱面的同軸度≤0.03 mm；2)動(dòng)、靜密封頭密封面粗糙度為Ra0.4 μm；3)密封面局部淬火硬度為55～60 HRC；4)動(dòng)、靜密封頭的球面要配研；5)密封裝置不能在無(wú)水情況下運(yùn)行；6)靜密封頭在導(dǎo)向調(diào)整螺母中的軸向運(yùn)動(dòng)應(yīng)順暢，兩者的間隙≥1 mm；7)密封體不要強(qiáng)制固定，安裝時(shí)留一定的自由度；8)彈簧不可過(guò)度壓緊，在保證液體介質(zhì)不泄漏的情況下，盡量放松彈簧。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)冷加工機(jī)床主軸上水機(jī)械密封裝置，具有如下特點(diǎn)：1)獨(dú)立構(gòu)成1個(gè)單元模塊，易于制造安裝；2)只需1個(gè)螺紋止口就可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，易于推廣使用；3)密封面的球面摩擦副接觸面大，密封性能好；4)彈簧壓力大小可調(diào)，適用范圍廣；5)密封件由工具鋼整體制造，密封面磨損后自我補(bǔ)償，使用壽命長(zhǎng)；6)摩擦副為硬-硬材料組合，在拋光液環(huán)境下耐磨性能好；7)拋光液與多數(shù)元件不接觸，防腐要求低；8)彈簧元件不隨主軸旋轉(zhuǎn)，不受離心力作用，性能穩(wěn)定。

該機(jī)械密封裝置2002年起開(kāi)始在JP030.4大型平面拋光機(jī)上使用，取得了良好效果，曾一度作為技改裝置單元部件，成套銷(xiāo)售給有關(guān)光學(xué)廠使用，深得用戶信賴。設(shè)計(jì)生產(chǎn)至今已經(jīng)銷(xiāo)售2 000余套，并推廣到JP042S、JPS040、JP035.2和HB-8等型號(hào)光學(xué)設(shè)備上使用。

[1] 程劍鋒.化工泵的維護(hù)和檢修[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[2] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

責(zé)任編輯彭光宇

DesignofConveyingWaterUpwardThroughMechanicalSealDeviceofOpticalColdProcessingMachineToolSpindle

HUANG Jianna，LIU Yang

(Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China)

During the time of polishing optical components, it will generate a lot of heat which affecting the quality and efficiency of the product. For this situation, putting forward a design scheme on conveying water upward through mechanical seal problem of optical cold processing machine tool spindle is taken, which uses mechanical seals to solve spray water within the spindle and to achieve a leak-free operation. This design is convenient，economical, practical，and easy to use.

mechanical seal，dynamic seal，static seal，friction，contact surface

TH 122

：B

黃建娜(1980-)，女，講師，工學(xué)碩士，主要從事模具設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等方面的研究。

2014-11-24