南通农业职业技术学院（江苏　226007）　张炜

　　数控机床进给伺服系统的精度在整机精度中占有重要的地位，其中所选用的滚珠丝杠精度等级是衡量数控机床品质的一个重要指标。设计人员往往注重选用高品质和高精度等级的滚珠丝杠来配置于进给伺服系统，以便通过其较小的滚珠丝杠螺距误差和反向间隙补偿获得更高的整机精度。而在设计滚珠丝杠的轴承密封方面往往忽略细节，造成整机出厂后，在设备使用不久出现早期轴承失效的问题，这种隐形设计缺陷Z终造成了滚珠丝杠精度的超差，企业不得不进行额外的维修和更换。

　　1.滚珠丝杠专用轴承常用密封结构的设计

　　滚珠丝杠专用轴承的密封结构是数控机床伺服系统的重要设计环节之一。设计要求该结构具有长期有效密封和防尘作用，摩擦和安装误差小，装配方便且拆卸、维护保养便捷。为了保证轴承正常的运行环境，防止轴承脂或润滑油的泄漏，防止有害异物从外部侵入到轴承滚道内，有必要尽可能采用完善的密封结构设计，来保证数控机床进给伺服精度。

　　密封结构按照其工作原理不同可分为接触式密封和非接触式密封两大类。非接触式密封不受速度限制，而接触式密封只能用在线速度较低的场合，为保证密封件的使用寿命，减少发热量和磨损，密封轴径接触部分的硬度应在40HRC以上，表面粗糙度值Ra=0.80～1.60μm。

　　随着数控机床进给伺服系统的高速化发展，交流伺服电动机的转速远在2000r/min以上，如果仍然采用接触式密封，密封件与密封轴径产生的摩擦使得滚珠丝杠温度上升，不仅缩短了密封件的使用寿命，而且由于温升较大，造成滚珠丝杠温升迅速上升，影响了整个伺服系统的传动精度。因此，高速数控机床的滚珠丝杠轴承的密封，必须采用非接触式密封方式。

　　非接触式密封有缝隙密封、甩油环密封和迷宫密封等多种形式。由于存在间隙，除甩油环密封外，非接触式密封一般应用于轴承脂润滑场合。本文推荐的密封结构是采用主动稀油连续润滑的方式，适合于水平或垂直方向安装的伺服轴，通过多种组合密封结构的运用，有效地阻止了丝杠上流淌的废油和环境中灰尘对轴承的污染，提高了轴承的使用寿命。

　　图1所示为进给伺服系统典型的开放式轴承密封结构设计，一般采用轴承脂润滑，进给轴行程的两端设计有行程缓冲垫，用来缓冲进给轴碰撞时的冲击。该结构的缺点在于，当滚珠丝杠用作垂直轴应用时，滚珠丝杠螺母稀油润滑或其他切削液，就会沿着丝杠轴向流淌到下端轴承的滚道上，造成轴承滚道上轴承脂的流失，废油或切削液造成滚道污染。下端轴承组的工况非常差，极易造成该轴承组润滑不足、锈蚀或卡死等早期失效现象的发生。

　　图2所示的结构进行了设计改进，上下轴承组采用主动稀油润滑，下端整个轴承座设置有轴承防护罩，用来保护轴承组免受外界灰尘的污染。该结构关键之处在于下端轴承组配置有骨架密封，用来阻止从丝杠轴向流淌下来的润滑油或切削液等对下端轴承组的污染，属于接触式轴承密封设计，不可应用于高速伺服轴的场合（用于伺服电动机Z高转速2000r/min以下），否则，伺服电动机转速过快，造成骨架密封圈发热、磨损和密封失效。

图2

　　2.值得推广可免维护的滚珠丝杠轴承密封结构的设计

　　图3所示为非接触式轴承密封结构，上端交流伺服电动机10与滚珠丝杠螺母12通过联轴器9联接，为直联传动结构。上端轴承组为滚珠丝杠的固定端，上端配置迷宫式密封轴套4，阻滞外部灰尘对上部轴承组的污染。电动机安装座11前端配置有防尘盖板，轴承组上部的防尘可以简化。上部轴承组的润滑采用稀油润滑，进油口和出油口加装油管接头，出油管接头联接到回油槽中。电动机安装座下端和下端轴承座分别固定有碰撞缓冲垫3和13，缓冲过行程时造成的激烈碰撞。

 

　　下端轴承座可以作为支承端，也可以作为固定端使用。作为固定端可以通过预留迷宫式密封轴套1与滚珠丝杠轴肩的间隙，来实现滚珠丝杠预拉伸的设计。通过轴肩处预装两片半圆垫片，控制预拉伸量。正式装配时，取下两片半圆垫片，通过调整精密锁紧螺母16的位置和转矩，确保预拉伸量符合装配工艺的要求。

　　下端轴承组的出油口，用于将沿着滚珠丝杠轴向的润滑油或切削液等在迷宫式密封轴套1的高速转动下，将废油、废液甩出。洁净的润滑油通过进油口接头源源不断地送入轴承组内，达到有效润滑的作用。使用过的润滑油经过轴承组，从轴承防护罩17的漏油孔排出。

　　当滚珠丝杠水平或垂直安装时，由于丝杠的高速运转，当废油流经丝杠的沟槽处时，在离心力的作用下把一部分油污沿轴径向甩出，而未完全甩掉的废油进入到轴承座14后，法兰盖2与迷宫式密封轴套1形成的迷宫结构有效阻止了油污的进一步深入，并从轴承座底部的漏油孔流出。另外，法兰盖2与迷宫式密封轴套1之间形成迷宫结构外，互相间还是小间隙配合，并且与滚珠丝杠之间也是小间隙配合，这种结构可以起到很好的防尘作用。

　　3.结语

　　（1）图3所示的滚珠丝杠轴承密封结构是集合了迷宫密封、甩油密封及间隙密封等多种密封方式于一体的组合结构，该结构采用小间隙配合，有效阻止外部污染，使得丝杠轴承组得到Z佳的防护。

　　（2）可应用于水平和垂直安装进给伺服轴，采用主动稀油润滑方式，轴承组润滑充分，大量的润滑油可将混入滚道内的污物及时冲洗干净。可通过调整轴肩间隙的方法，实现预拉伸的工艺要求。

　　（3）适合于高速进给伺服轴的设计，尤其是在高速数控机床日益普及的今天，更需要高可靠性免维护的设计结构。该轴承密封结构的设计已经应用于各类加工中心和龙门式数控机床上，经过验证取得了良好的实际效果，丝杠轴承组早期失效的现象大大降低，在整个产品寿命期内可以实现免维护和充分润滑的效果。
 

来源：《金属加工（冷加工）》2014年15期