摘 要 高速加工能显著地提高生产效率和降低生产成本，而高速加工最核心的零件是高速电主轴。为了防止粉尘、水、雾等其他杂志进入主轴内部从而损害主轴，必须对主轴进行相应的密封保护措施，文章对高速电主轴的非接触密封进行探讨。
关键词 电主轴；密封；保护措施
1 概述
电主轴是机床的核心部件。要实现高速加工，需要攻克以下關键技术：高速切削理论技术、高速加工刀具、高速加工工艺以及高速反馈系统等[1]。电主轴作为机床的核心部件[2]，已经成为各国发展高速加工研究的主要对象。电主轴主要包括以下几个部分：高速轴承、高速电机、冷却系统、拉刀机构、密封结构等。电主轴在高速加工时，机床都会有冷却液对刀具前端和工件部分进行冷却，以防止过热导致刀具磨损和工件的损坏[3]。因切屑液或粉尘的存在，长时间会渗入到主轴内部，损坏轴承或其他零件，导致主轴过早失效[4]。因此，有必要对主轴前端进行有效的密封[5]。高速电主轴因其转速高，任何的接触密封都会导致前端密封过早失效，因此高速电主轴往往都会采用非接触式密封结构。
2 电主轴非接触密封关键技术
非接触密封种类很多，电主轴非接触密封结构形式主要有以下几种：气幕密封、迷宫密封、螺旋密封、动压密封。
2.1 气幕密封
利用压缩气体堵住旋转轴的泄露间隙，来防止液体、粉尘等进入密封间隙，当压缩气体大于液体、粉尘在进口处停滞压力时，液体、灰尘等便不能进入密封区域。
如图1所示，旋转轴轴芯与防尘盖板之间存在间隙，向间隙中通入吹尘气体，此时需要满足如下条件：各处间隙h1>h2>h3，各处压强P1 2.2 迷宫密封 迷宫密封是指在旋转件和固定件之间形成很小的曲折间隙来实现密封。迷宫密封主要分为四种形式：直通型、参差型（错列型）、复合直通型、阶梯型[6]。各形式优点如下表1： 参差型是目前电主轴中用到的最多的形式，由于电主轴空间结构的限制，常常推荐齿数取1～3个。 2.3 螺旋密封 电主轴螺旋密封主要分为单向螺旋密封和两段反向螺纹密封。 单向螺旋密封：螺旋槽为一段，单旋向。利用螺杆泵原理用单段螺旋将进入间隙的液体打回，可密封外来液体，如切屑液。同时主轴高速运转时，轴芯内部形成高压气流，可密封外来气雾。 两段反向螺纹密封：螺旋槽为两段，旋向相反，轴在高速旋转时，两反向螺纹将中间部分的气体向两侧排除，中间形成真空陷阱，实现真空密封。 螺纹密封主要影响因素为：螺旋旋向、内外密封套间隙、螺纹形式、螺旋升角、主轴线速度等。 旋向：注意方向，若将方向搞错，则不但不能密封，相反，却把外部杂物吸入主轴内部。 密封间隙：螺旋的密封间隙越小，对密封越有力。为了尽可能减小间隙，但同时又要避免轴碰到壳体的孔壁而导致抱轴，可在壳体孔壁增加一些润滑材料、比如石墨等。通常间隙取：δ=（0.6/1000-2.6/1000）d，或者取δ=0.2mm，d 为密封轴径。 螺纹形式：有普通三角形螺纹、锯齿形螺纹、梯形螺纹、半圆形螺纹、矩形螺纹。螺纹的头数可以是单头，也可以是多头，对于高转速的电主轴来讲，最好选用单头螺纹。从提高密封压力角度考虑，选用三角形螺纹最好、梯形螺纹中等、矩形螺纹最差[7]。目前因矩形螺纹加工方便，其应用最为广泛。 螺旋角度α：加大角度α可以提高密封性能 密封轴的线速度：在一定速度范围内，加大线速度可以提高密封性能。 2.4 动压密封 动压密封主要是利用伯努利原理，主轴密封前端旋转轴轴径大于后端轴径，当旋转轴转动时，后端的空气速度小于前端的空气速度，后端压强大于前端压强，形成压力差[8]，此时空气将沿着后端向密封前端面移动，起到气封效果。 动压密封往往需要与其他密封串联起来同时使用，才能使密封效果更佳。 3 结束语 从上述介绍中可以看出，高速电主轴非接触密封主要有气幕密封、迷宫密封、螺旋密封、动压密封。在苛刻的加工环境下，为了达到更好的密封效果，从而防止粉尘、水雾等进入主轴内部，其密封结构往往采用上述几种串联结构，例如：可同时使用气幕密封、迷宫密封、螺旋密封、动压密封于同一款产品中。虽然高速电主轴密封技术在理论和应用上都取得了不少的进展，但对于主轴密封各参数的合理选取仍是一个难点，对于复杂工况下的密封设计还需要作进一步的研究。 参考文献 [1] 吴魁，吴志璇. 超高速空气静压电主轴的关键技术[J] 高新技术企，2016，369（18）：148-149. [2] 舒鹏程.超高速空气静压电主轴的动静态性能分析与实验研究[D].广州：广东工业大学，2011. [3] 陈夺，冯明.高速电主轴稳态温度场分析[J].组合机床与自动化加工技术，2014，（5）：54-57. [4] 鄢新华，彭建. 高速离心压缩机机械浮环组合密封的研制和应用[J]流体机械，1997，（10）：15-18. [5] 宋鹏云，陈匡民，董宗玉，等. 端面开槽机械密封技术的应用与发展[J].云南化工，1999 ，（3）：47-49. [6] 郑海泉，陈汝灼.机械密封机理的探讨[J].化工炼油机械， 1981，（3）：51-55. [7] E Mayer，姚兆生.机械密封（第六版）[M].北京：化学工业出版社，1981：55-59. [8] T Doust，A Parmer.Transient Thermoelastic Effects in a Mechanical Face Seal [C]. Proc.of 11th International Conference on Fluid Sealing，1987：407-422. 作者简介 吴魁（1986-），男，湖北省麻城市人；学历：硕士，现就职单位：广州市昊志机电股份有限公司，研究方向：超高速空气静压电主轴设计。 吴志璇（1989-），女，内蒙古赤峰市人；学历：硕士，现就职单位：广州市昊志机电股份有限公司，研究方向：市场管理。
