大型數控機床附件銑頭設計

李嵩松

(北京第一機床廠，北京 101300)

大型數控龍門鏜銑床，大型立式車銑復合加工中心及數控落地鏜銑床是目前制造型企業較為通用的3類大型金屬切削設備，主要用于工程機械、礦山機械、船用柴油機、汽輪機等制造行業的大型基礎件的加工。然而重機廠在生產過程中大多數機床都需要配置附件銑頭來擴展主銑頭的加工范圍。所以對龍門鏜銑床等大型金屬切削設備來說設計適合不同工況使用的附件銑頭是必要的。

1 大型機床附件銑頭總體設計理念

根據常用3大類機床的切削特點，附件銑頭的使用最具代表性的是龍門鏜銑床。據調查數控龍門鏜銑床使用各種附件銑頭加工的時間幾乎占機床總加工時間的80%以上。同樣當應用立式車銑中心、落地鏜銑床等機床進行加工時，附件銑頭也是經常使用的關鍵部件。

附件銑頭作為機床使用單位的關鍵部件，設計時一般可以分為兩類:

(1)設計通用型附件銑頭

目前大型機床制造商所標配的通用型附件銑頭一般為直角銑頭、伸長銑頭和萬能銑頭。

此類通用型附件銑頭一般是由機床生產廠家，根據本廠生產的機床類型及切削性能特點，結合市場調研情況，綜合考慮確定出適合于本廠產品機床使用的標配附件銑頭。

(2)設計定制專用型附件銑頭

此類定制專用型銑頭是機床生產商根據使用單位提供的典型工件的加工部位和加工要求等特殊加工需求進行設計的。它們是專為用戶量身設計的多種不同種類附件銑頭，如窄直角銑頭、雙端面銑頭、偏位直角銑頭和反劃銑頭等。

2 附件銑頭設計的一般步驟

盡管附件銑頭外形變化多樣，但無論是龍門鏜銑床、立式車銑復合中心還是落地鏜銑床，設計它們的附件銑頭時總體可以按照以下步驟進行:附件銑頭外形尺寸和性能參數的確定;附件銑頭的傳動鏈、主軸設計;液壓控制及潤滑冷卻系統設計;附件銑頭的裝卸、運送、定位及轉位系統設計;附件銑頭與主銑頭連接方式設計;附件銑頭識別系統設計;附件銑頭基礎件工藝性設計等。

2.1 附件銑頭外形尺寸和性能參數的確定

設計通用型附件銑頭時，機床制造商需結合所生產該機床的使用性能加工特點來確定基本外形參數和性能參數，用來保證機床的基本加工要求。

設計專用型附件銑頭時，生產廠的設計師及工藝師與使用單位的人員要一起經過研討，共同確定附件銑頭的外形參數和性能參數。同時在設計專用型附件銑頭時，設計師應全面考慮，力爭使專用型附件銑頭具有一定通用性和前瞻性。

2.2 附件銑頭傳動鏈設計

對于附件銑頭設計而言，傳動鏈設計是非常重要的。傳動鏈設計包括主傳動鏈設計和進給傳動鏈設計。附件銑頭的傳動鏈構成主要由錐齒輪傳動、直齒輪傳動、蝸桿傳動、花鍵聯接和鍵聯接等幾類常用的機械傳動和聯接方式組成。

2.2.1附件銑頭主傳動鏈設計

任何一種附件銑頭設計時都需要根據外形參數、切削參數和主銑頭性能參數來設計主傳動鏈。例如通用型直角銑頭設計(如圖1)，這類直角附件銑頭設計可以使用普通弧齒錐齒輪傳動方式進行傳動。由于弧齒錐齒輪具備可以改變動力傳遞方向、傳動平穩、傳遞扭矩大等機械特性，所以在主傳動鏈設計中應用廣泛。

直角附件銑頭傳動齒數比一般選為1∶1。確定傳動比后，可以根據設計手冊中提供的設計步驟進行齒輪的設計，在確定弧齒錐齒輪的齒數、模數等設計參數以后，還要注意工藝性設計，如:為每個弧齒錐齒輪設計軸向調整環節，以保證裝配時調整齒輪的嚙合間隙。(計算部分可查看設計手冊在此不再贅述，此例僅供參考)。

2.2.2 進給傳動鏈設計

附件銑頭進給傳動鏈是伴隨著機械五軸附件銑頭的出現而出現的，一般采用蝸桿傳動和直齒輪傳動兩種形式，可以按照機床進給系統設計原則結合實際條件進行設計，具體問題具體分析。

2.3 附件銑頭主軸設計

2.3.1 通用型附件銑頭主軸設計

通用型附件銑頭主軸部分空間尺寸一般給定時較為寬裕，所以主軸可以參照數控龍門鏜銑床常用的主軸形式進行設計。設計時需要注意:(1)使主軸設計滿足切削功率要求;(2)主軸設計要便于裝配;(3)主軸軸向調整定位環節的設計。

2.3.2 定制專用型附件銑頭主軸設計

用戶定制專用附件銑頭，大多數有條件要求，決定了它們主軸空間位置很可能受到限制，這對附件銑頭主軸設計提出了更高的要求。定制專用型附件銑頭主軸設計時一般可以按4步進行設計:

(1)粗選軸徑

根據專用附件銑頭使用時要求達到的切削功率數值，主軸軸端最大尺寸和主軸錐孔尺寸這3個參數粗選主軸基本外徑。

(2)安全校核

由于機床主軸要求剛度較高，因此在主軸結構設計中對主軸軸頸尺寸安全系數要求較高。所以在附件銑頭主軸設計時，要選擇較高的安全系數進行校核。

(3)選擇軸承

在為專用附件銑頭選擇主軸軸承時，因為軸頸尺寸選擇的軸承一般已經具備了較高的安全系數，因此軸承的選擇主要取決于主軸的精度和剛度。

(4)綜合設計

在確定主軸最終結構時還需要考慮主軸的加工工藝性，軸承的軸向調整環節，主軸最高轉速及潤滑冷卻等問題。

2.4 附件銑頭潤滑冷卻系統設計

隨著機床主銑頭轉速越來越高，附件銑頭的轉速也隨之提高，這對附件銑頭的潤滑冷卻提出了更高要求。

在設計時，我們可以根據轉速劃分潤滑冷卻形式。對于大型數控機床而言轉速一般以2 000 r/min為分界線，當附件銑頭輸出轉速≤2 000 r/min時，齒輪和軸承的潤滑可以采用油脂潤滑，冷卻可以采用自然冷卻。當用脂潤滑齒輪及傳動軸軸承時可以采用普通型潤滑脂，一般每3個月填充一次，若潤滑脂發黑變臟，應用專用清洗劑清洗干凈后更換新的潤滑脂。主軸部分要采用長效高速潤滑脂，一般在機床大修周期內不需要維護。同時要注意主軸軸承的密封設計，一般可以按主軸軸承選型樣本中推薦的方式進行主軸的密封設計。

大型機床設備所用的附件銑頭，結構比較復雜，而且一些功能要與主銑頭相配合使用。當附件銑頭輸出轉速＞2 000 r/min時，這類附件銑頭輸出轉速較高，所以附件銑頭中所用的齒輪可以采用稀油潤滑冷卻，主軸軸承可以采用油脂潤滑，稀油循環冷卻。傳動軸可以采用空心軸在軸內部進行稀油循環冷卻。

在設計稀油潤滑冷卻的附件銑頭時要根據不同的使用方式和使用效果選擇不同類型的潤滑油。例如選擇齒輪的潤滑冷卻油時，根據經驗應采用粘度較低的潤滑油。附件銑頭主軸循環冷卻可以和主銑頭主軸循環冷卻使用相同牌號的潤滑油。潤滑油的循環流量等方面都可以與主銑頭主軸保持一致。

由于附件銑頭所用齒輪密閉在箱體內部，不利于散熱，為保證潤滑冷卻的效果，需要設計供油回油系統。此系統需要單獨冷卻、單獨過濾，從而更好地保證附件銑頭齒輪的潤滑冷卻效果。如果主銑頭行程較長時，這種情況對潤滑冷卻系統的回油要求就更高。我們可以增加“接力回油系統”的設計，可以在主銑頭頂端設計二級回油泵，加強吸油能力，以便將潤滑冷卻油及時吸回液壓箱。

2.5 主銑頭對附件銑頭夾持系統設計

2.5.1 數控龍門鏜銑床中主銑頭對附件銑頭夾持方式

當機床需要使用附件銑頭進行加工時，要將附件銑頭連接到主銑頭端面。所以附件銑頭設計時，主銑頭對附件銑頭的夾持方式也是較為重要的環節。主要有以下幾種方式:

(1)螺釘緊固夾持

此類夾持結構簡單，但基本為手動夾持，主要應用于簡易數控龍門鏜銑床。

(2)應用旋轉油缸夾持系統

此類夾持系統，夾持效果穩定，但是結構較為復雜，維修不便。

(3)應用數控刀具夾持系統

目前應用較為普遍的是將數控刀具夾持系統應用于主銑頭對附件銑頭夾持的方法。這種刀具夾持系統的優點在于夾緊力較大，附件銑頭受力情況較好。夾持系統所用零件具備通用性和互換性，方便使用。

2.5.2 主銑頭對附件銑頭夾持方式在其他機床中應用

由于立式車銑復合中心所使用的附件銑頭與主車銑頭聯接的受力情況與龍門鏜銑床相似，所以也可以應用數控刀具夾持系統作為夾持方式。而對于落地鏜銑床而言，由于主鏜銑頭為水平放置，附件銑頭夾持系統需要承受一定的剪切力，所以可以采用螺釘緊固聯接。當前數控落地鏜銑床應用較為普遍的夾持方式是借鑒HSK/CAPTO等短刀柄刀具夾持系統設計出的，此類夾具可承受一定的剪切力確保附件銑頭被拉緊，而且結構簡單便于裝配。

大型數控機床選擇什么樣的夾持方式，應由附件銑頭生產廠家和夾持系統生產廠家針對機床特點進行溝通選擇，以保證夾持的效果，進一步增強機床穩定性和可靠性。

2.6 附件銑頭傳動軸的定位裝置設計

目前隨著加工業的全面自動化，當使用單位要求實現五面加工時，就需要使附件銑頭與主銑頭間實現轉位功能。當機床加工工件的不同部位時，就需要使用不同的附件銑頭，這時機床就要進行附件銑頭的更換。設計附件銑頭傳動軸定位系統來實現附件銑頭的自動轉位和自動交換功能。

2.7 附件銑頭的裝卸轉位設計

附件銑頭轉位常用的4種形式如下:

(1)手動轉位

附件銑頭與主銑頭完全脫開，放在附件銑頭支撐架或運輸小車上進行轉位，轉位后再與主銑頭聯接。這種方法屬于附件銑頭人工轉位，主要在簡易龍門鏜銑床等上用。

(2)自動4×90°轉位

這種轉位形式其工作原理較為復雜，由主銑頭松拉刀機構和附件頭傳動軸定向機構配合實現4×90°轉位。

(3)自動1 ×360°或0.5 ×720°轉位

目前較為常用的形式主要有以下兩種:

①在主銑頭上增加C軸功能，使得附件銑頭隨主銑頭進行轉位。這種結構可靠性高，性能穩定，切削功率高，扭矩大。但這種轉位形式對主銑頭的要求較高，目前國內只有少數大型機床制造商掌握此項技術。

②在附件銑頭上增加C軸功能。此類形式設計出的附件銑頭結構較為復雜，這種設計一般會影響附件銑頭的剛度，可靠性也隨之降低不適合大功率切削，可能會增加用戶后期維護成本。

(4)自動n×360°連續轉位

主要應用于五軸加工機床，包含有電動機直驅式五軸附件銑頭和機械式五軸附件銑頭。直驅式五軸附件銑頭主要用于輕型機床;機械式五軸附件銑頭一般為分體式設計，主要應用于重型機床。國內關于五軸附件銑頭的研究日趨增多，五軸附件銑頭是重型裝備制造業的重點需求產品，目前完全自主掌握此項技術的國內機床制造商并不多。

2.8 附件銑頭與主銑頭的聯接定位

為保證附件銑頭和主銑頭聯接時各個接口位置精確對正，一般需在主銑頭和附件銑頭上安裝定位裝置。由于主銑頭箱體和附件銑頭箱體的基礎件是分別進行加工的，所以要保證附件銑頭定位裝置的定位精度是非常困難的。現以龍門鏜銑床為例，按其精度檢驗標準，其中直角附件銑頭主軸軸線對主銑頭主軸軸線的偏置要求為0.02 mm，要保證這個較高的精度，除對主銑頭端面和附件銑頭端面進行刮研外，還要對聯接定位裝置進行調整。可在滑枕端面裝配鍵槽塊，在附件銑頭端面裝配定位鍵塊，以保證聯接定位的準確性。這種方式也可在落地鏜銑床上應用，對于立式車銑中心，由于機床以車削為主，切削特性區別于以銑削為主的機床，所以需要使用工藝手段進行保證。

2.9 附件銑頭的運輸識別系統設計

設計附件銑頭時，識別系統也是非常重要的環節。當機床配有多個附件銑頭時，對附件銑頭識別系統的設計要求也在提高。目前較為常用的識別方式有4種基本形式:

(1)在附件銑頭運輸小車上安裝識別碼

附件銑頭一般放置在附件銑頭運輸小車上，利用運輸小車將附件銑頭運送到機床換頭處。在換頭處一般裝有4位或2位識別器，它的功能是識別器識別附件銑頭運輸小車是否到位，是否可以執行換銑頭程序，同時可以識別附件銑頭種類。但是這種方式識別種類較少，當附件銑頭個數較多時受到限制。

(2)利用感應開關識別

在主銑頭端面裝配多點式感應開關，同時在附件銑頭端面加工出相應的感應點。這種識別方法應用了數字式感應技術，感應開關只能感應金屬和非金屬2個狀態。

(3)利用芯片讀取器識別

在主銑頭端面裝配芯片讀取器。在附件銑頭端面安裝芯片，在芯片中寫入附件銑頭的全部信息，例如切削功率、有無刀具冷卻、有無中心冷卻以及有無自動松拉刀等。在使用附件銑頭時由芯片讀取器讀取。這種識別方式不受附件銑頭數量限制簡單易行，適用于配置多種附件銑頭的機床。

(4)設計制造附件銑頭庫，實現附件銑頭全自動運輸和更換

根據實際需要設計制造附件銑頭庫結構，要考慮到機床類型上的區別，附件銑頭個數不同等因素。例如:①工作臺移動式龍門鏜銑床，附件銑頭個數不多的情況下，一般可以采用火車式附件銑頭庫;②龍門移動式鏜銑床，當龍門框架行程較長時可以采用自動運輸車式附件銑頭庫。這種以刀庫理念設計附件銑頭庫的方式，不受附件銑頭個數限制，但由于結構較為復雜，同時對電氣調試要求較高，目前國內制造商應用并不多。

另外對立式車銑復合加工中心而言，由于此類機床以車削為主，而且主滑枕端面較龍門鏜銑床主銑頭端面較小，所以附件銑頭體積相對較小、重量較輕。目前常用的存儲識別方式是將附件銑頭與刀具全部設計到刀庫中，由電氣系統進行識別，這種結構國內外機床制造商應用較多。

落地鏜銑床與龍門鏜銑床切削功能相類似，所以對于附件銑頭的運輸，識別系統可以借鑒龍門鏜銑床較為成熟的結構。

綜上，在設計附件銑頭運輸識別系統時，設計師要根據機床實際情況和使用單位的要求，進行優化組合這些識別系統，達到方便用戶使用的目的。

3 附件銑頭基礎件的工藝性是設計附件銑頭的重要保證

附件銑頭的基礎件加工的難點有:超長箱體加工，附件銑頭箱體孔的加工等。

3.1 附件銑頭基礎件加工工藝性設計

對于一些特殊附件銑頭的設計，要將基礎件工藝性設計與附件銑頭結構設計相結合。例如，設計用于加工大型船用發動機機座導軌板的專用雙端面附件銑頭時，銑頭總長度達到2 250 mm。這個附件銑頭基礎件(箱體)的加工和裝配都是比較困難的，所以要在設計時綜合考慮，可以采取分體式設計。如圖2所示，上部可以采用延伸銑頭設計理念，力求結構簡單;下部按定制附件銑頭設計理念設計，這樣可以上下部分分別加工裝配，保證了工藝要求，節省成本，縮短生產周期，達到檢驗精度最終滿足用戶要求。

3.2 注意附件銑頭箱體加工

在附件銑頭的設計中，主要零件的工藝性也是設計中的重要環節，特別是基礎件(如附件銑頭箱體)更是重中之重。附件銑頭要實現各種液壓潤滑冷卻等功能，就需要在箱體上加工交叉孔，孔徑多為6 mm或8 mm。但由于目前國內鑄造工藝水平所限，在鑄鐵件中經常出現砂眼、疏松等現象，交叉孔經常出現互相串通的現象，所以在箱體加工時特別要注意。

4 結語

附件銑頭作為大型金屬切削機床拓展功能的重要組成部分，它的研發生產是一個綜合過程。附件銑頭結構設計是其中重要的環節，但要生產出高品質的附件銑頭，加工工藝和裝配工藝都是不可或缺的重要保障。國內的機床制造商要全面提高附件銑頭的生產制造水平，這樣才能做到根據用戶需要合理配置高品質的附件銑頭，使機床更具經濟性和實用性，為用戶創造更多的價值。

［1］戴曙.金屬切削機床設計［M］.北京:機械工業出版社，1991.

［2］機床設計編寫組編.機床設計手冊，第三冊［M］.北京:機械工業出版社，1986.

［3］吳宗澤.機械結構設計［M］.北京:機械工業出版社，1988.