龍門鏜銑床角度銑頭的設計

姚 瑤 苗維新

(陜西秦川機械發展有限公司研究院，陜西 寶雞721009)

角度銑頭是一種機床功能部件。大功率、大扭矩角度銑頭是數控龍門鏜銑床的關鍵功能部件。據調查，數控龍門鏜銑床使用各種附件頭加工的時間占機床總加工時間的80%以上。筆者公司制造生產的數控龍門鏜銑床配置使用的一直為手動安裝、手動分度的角度銑頭，機床的加工效率被嚴重限制。外購全自動高品質的角度銑頭成本高，于是決定自行設計全自動角度銑頭。

1 角度銑頭功能

全自動角度銑頭的設計應主要具備以下功能:(1)角度銑頭自動交換功能;(2)自動裝卸刀具功能;(3)自動清潔功能;(4)角度銑頭自動分度功能。

下面以筆者主任設計的兩種角度銑頭(圖1)為例進行說明。

2 關鍵技術的結構設計

2.1 傳動結構

角度銑頭主軸3 旋轉動力來自機床方枕主軸電動機。主軸電動機驅動方枕主軸，方枕主軸的錐孔為角度銑頭心軸錐柄13 的定心孔，兩個端面鍵傳遞動力到銑頭心軸的弧齒錐齒輪1 上，與之嚙合的另一弧齒錐齒輪2 帶動角度銑頭的主軸3 旋轉。弧齒錐齒輪不但能夠改變動力傳遞方向，而且傳遞扭矩大，傳動平穩。每個弧齒設計軸向調整環節，以保證裝配時調整齒輪的嚙合間隙。銑頭主軸采用專用精密主軸軸承支撐，精度剛性能夠充分保證。

2.2 自動分度結構

在方枕主銑頭上增加C 軸功能，使得附件銑頭隨主軸一同轉角度以實現分度定位功能。高精度的端面多齒盤是首選。兩個齒數和齒形相同的端面齒盤需要對合而成。其中一個齒盤與方枕連接，固定不動，稱為定齒盤15;另一個齒盤固定在角度銑頭分度回轉盤上，稱為動齒盤8。分度轉位時，動齒盤8 抬起與定齒盤15 脫開，然后與角度銑頭主軸一起轉角度。當轉至要求角度位置時，兩齒盤再對合并壓緊。多齒盤嚙合后，可獲得高的定位精度和重復定位精度。多齒盤的設計齒數為72，最小分度角度為5°，滿足角度分度工位要求。

2.3 自動裝卸結構

為了適應工件結構的日益多樣化及復雜化，多個附件銑頭被應用在同一機床上。因此所有附件銑頭與滑枕具有相同的連接交換接口。銑頭要能夠自動地被裝夾與拆卸，故主要設計一套可靠的拉緊放松裝置及油路分離裝置。結合機床方枕結構、方枕主軸安裝等工藝特點，設計1 個過渡連接盤16，用螺釘固連在滑枕端面。連接盤四角設計有4 個夾緊油缸裝置18、4個油氣分離裝置17。夾緊油缸裝置18 與角度銑頭連接盤上的拉釘11 共同實現對角度銑頭的拉緊與放松。油氣分離裝置17 和連接盤上的油氣分離裝置10 在安裝時要準確對接，對接后在角度頭內形成暢通的油路和氣路。設計該對接結構的技術難點是要克服對接元件的過定位問題。主要是在設計過程中要精準計算相關的尺寸鏈，控制尺寸公差，其次要設計調整結構，依靠調整措施來解決。

2.4 刀具自動裝夾結構

角度銑頭主軸3 對刀具的松開/拉緊機構采用液壓彈簧裝置。當角度銑頭與方枕準確夾緊后，松刀油缸的進(出)油路經過油氣分離裝置10 和17 形成通路。主軸3 需要松開刀具時，電磁閥動作，進油口7 進油，角度銑頭主軸內油缸活塞運動，拉桿5 壓下碟形彈簧和拉爪4，拉爪張開，刀具錐柄被松開，松刀動作完成。同時，主軸中間吹氣，刀具錐孔被自動清潔。當主軸需要拉緊刀具時，電磁閥換向，進油口6 進油，油缸活塞被推回原位，被壓縮的碟形彈簧釋放，拉爪回復到夾緊狀態，刀具被拉緊。碟形彈簧需提供20000 N 的拉緊力。

2.5 輔助裝置

如果機床使用方枕立銑頭加工時，設計一專用連接板，由油缸夾緊裝置自動裝夾在過渡連接盤上，作為對固定端齒盤、油路離合裝置的保護裝置。專用連接板可自動拆卸放置在自動頭庫上(為了提高不同功能的附件頭的交換效率，相應的自動頭庫是必不可少的)。

3 角度銑頭自動裝夾交換原理

以45°銑頭與90°直角銑頭自動交換為例進行說明。

首先將滑枕開到“換頭點”上方，角度頭傳送裝置已把空工位(未放置附件頭的工位)傳送到“換頭點”。滑枕移動到“換頭點”上方。緩慢下移。90°直角頭外殼上的觸點壓到頭庫上檢測元件，檢測元件將信號反饋給系統，系統發指令，電磁閥通電，油缸夾緊裝置18執行放松動作，角度頭上的拉釘11 被松開。方枕主軸的松刀機構同時松開，在重力作用下，角度銑頭被拆卸并放置在頭庫上。隨后方枕主軸上移，傳送裝置傳送45°銑頭到“換頭點”，方枕主軸定向后下移，方枕主軸錐孔與銑頭心軸錐柄對接，銑頭上的拉釘與夾緊油缸對接，動齒盤8 與定齒盤15 對合，油路分離裝置10 和17 對合，方枕主軸的拉爪拉緊角度銑頭心軸錐柄13，同時油缸夾緊裝置18 動作，角度銑頭上的拉釘11 被拉緊，端齒盤嚙合被壓緊，油氣路接通，至此角度銑頭自動交換安裝完成。

如要45°銑頭分度轉角度，電磁閥換向，油缸夾緊裝置18 執行松刀動作，角度頭連接盤上4 個拉釘11被釋放，在重力作用下，角度頭分度回轉盤上的動齒盤8 與過渡連接盤16 上的定齒盤15 脫開，與連接盤9一起向下滑移，行程約5 mm(一般為兩端齒盤剛剛脫開的尺寸，必須小于拉釘完全被拉爪放松的距離尺寸)。動力鍵14 滑動到旋轉法蘭盤12 的槽內，分度回轉盤通過動力鍵與旋轉法蘭連接。此時，連接盤9 上的拉釘處于不完全被放松狀態，油氣離合裝置處于分離狀態。隨后油缸活塞上的接近開關發訊，主軸電動機開始旋轉，角度銑頭主軸一起旋轉到系統指定角度，接到主軸角度編碼器的發訊訊號，主軸電動機停止轉動。電磁閥動作，油缸夾緊裝置18 完成對角度銑頭拉釘的完全拉緊，連接盤9 向上移動，動齒盤和定齒盤對合同時被壓緊。油氣離合裝置完全對合，角度銑頭分度完成。

4 制造及調試

在加工制造過程中，工藝要精確保證角度頭殼體零件上主要孔的加工精度，即輸入軸安裝孔與輸出主軸安裝孔之間的角度精度，一對弧齒錐齒齒面的制造精度，連接盤9 上拉緊裝置和油氣離合裝置安裝孔的位置度以及端齒的加工精度等。這些關鍵零件的加工精度和裝配精度是決定角度銑頭的角度精度、分度精度、裝卸精度的關鍵因素。

此裝卸結構的角度頭與機床方枕連接調試很關鍵。其中角度頭的心軸錐柄與方枕主軸的錐孔，油氣離合裝置的安裝孔，夾緊油缸裝置的安裝孔，動齒盤與定齒盤的嚙合間隙是相互制約的。在對接時有嚴重的過定位問題。加工誤差要通過調整環節和修配相關安裝面得到修正。聯機調試取得的調整零件的修正數據能為隨后的設計優化，工藝優化提供可靠的經驗數據。

5 結語

本文介紹的角度銑頭已經制造、裝配調試后使用在筆者公司的龍門鏜銑床VMM1850 上，改進完善后在龍門銑車復合加工中心VMT260 上使用。使用結果證明，該結構附件頭裝卸結構可靠、分度精準，能夠進行大扭矩切削，是一款性價比較高的機床附件。