兩種直角銑頭結構的對比分析

劉曉玲， 劉洪海， 江崇民

（齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

0 引言

直角銑頭是大型銑削類機床的一種常用附件頭，其主要功能是通過改變機床主軸的加工方向，擴大機床的工藝范圍，在落地銑鏜床及龍門鏜銑床上的應用相當廣泛。直角銑頭的主軸組件結構對產品的精度、性能等技術指標有較大影響，本文對兩種常見結構進行對比分析。

1 兩種典型的銑頭結構方案

方案一主軸采用前三后二的角接觸軸承布局，主軸上的螺旋傘齒輪布置在靠近后支承的位置，如圖1所示；方案二采用前二后二的角接觸軸承布局，主軸上的螺旋傘齒輪布置在靠近前支承的位置，如圖2。

圖1 銑頭結構方案一

圖2 銑頭結構方案二

2 功能及其受力分析

2.1 軸承組受力分析

直角銑頭主要用來完成平面加工，開槽，鉆孔，攻絲、锪窩等功能。其所受軸向力均為從主軸端部指向尾部（向里推主軸）。也就是說，兩種方案中的軸向力由前軸承組承擔，二者的受力狀態基本一樣。除上述功能外，直角銑頭偶爾還會用到反锪功能，軸向力是由尾部指向頭部的情況（向外拉主軸）。在這種工況下，兩種方案的受力狀態是不同的。方案一中的軸向力由前軸承組中的第三個軸承擔負。并通過軸承組將力傳遞給前端法蘭盤。再通過螺釘作用到銑頭體上。由于只有1個軸承擔負軸向力并通過螺釘作用到銑頭體上，因此，在反锪時只能承受較小的反锪力。方案二中，軸向力直接由后軸承組承擔，并通過軸承外環直接作用到銑頭體上，因此，可以承受較大的反锪力。

2.2 銑頭體受力分析

由于方案二中錐齒輪放置到了主軸的前端，這就使得主軸前端面到回轉中心線的距離L2要比方案一中L1大很多，在相同切削力的作用下，方案二的銑頭體受到的彎矩（垂直平面內）及扭矩（水平面內）要比方案一的大。

3 結構對精度及其穩定性影響

在方案一中，前后軸承組的游隙控制（精度調整）分別通過2個不同的螺母來實現的。前螺母1本身就可以將前軸承組進行預緊，后螺母5則可以對后軸承組進行預緊的同時，還能對錐齒輪3進行軸向鎖緊。前軸承組用來承受軸向力，后軸承組則僅起到徑向支撐作用。主軸前端定位，后端浮動，當主軸受熱時，主軸向后伸長，對刀尖的位置影響不大.

但在方案二中，由于前后軸承組均為2個串聯角接觸球軸承，前螺母1僅能將前軸承組的內環及錐齒輪3進行軸向鎖緊，并不能對前軸承組進行預緊，前后軸承組的預緊均是通過后螺母2來調整的。不能實現分別控制，不易于實現高精度裝配。該方案中的前后軸承是兩端固定的，前后軸承組分別承受兩個不同方向的軸向力，受熱時主軸會向兩端伸長，會導致軸承組的預緊力變小，預緊剛度下降，旋轉精度降低。因此精度保持性較方案一的要差。

4 結構對軸剛度的影響

對于同樣內徑的前軸承，方案一中主軸的平徑直徑比方案二中軸的直徑大很多，而且從大端到小端的直徑變化是漸變的，沒有出現截面突然變小的情況，但在方案二中，從前軸承組的支撐軸徑到錐齒輪的定位直徑卻一下要小很多，這是由于方案二中錐齒輪靠近前軸承，如果安裝齒輪軸的直徑做成與方案一中的一樣大，就會導致螺母1與齒輪7相干涉。為避免此類情況發生，只好將這一段直徑變小，同樣后軸承的直徑也會隨之變小。這就導致方案二主軸的剛度比方案一要小很多。

5 結構工藝性的優劣

5.1 銑頭體的機加工藝性

方案一中銑頭體的前后主軸孔為一通孔，加工時兩孔可在一道工序中完成，其同軸度易于保證；方案二中銑頭體的前后主軸孔為一階梯孔，兩孔的同軸度的加工難度比方案一大得多。

5.2 裝配工藝性

如圖1，方案一中主軸前軸承組件裝配調整好后一起裝入銑頭體內，然后從銑頭體的后部裝入錐齒輪3（為方便錐齒輪從后部裝入，后軸承孔需要增加一軸承套4來過渡），通過改變調整墊2的厚度來調整好錐齒輪副的嚙合間隙，調整合適后，再裝入后軸承套4及后軸承并用螺母5鎖緊，整個調整過程方便、快捷，易于操作，無需拆卸主軸及前軸承。如圖2，方案二中錐齒輪是靠近前軸承組，錐齒輪是與主軸及前軸承組裝好后一起從前軸承孔裝入（為了能從前端將齒輪裝入，前軸承孔需要通過一軸承套來過渡），調整方式有2種，一種是調整錐齒輪與前軸承組之間的隔墊2，每次調整均要將整個主軸組件（包括軸承套）拆下來才能完成，一方面費時費力，另一方面還不利于前軸承組精度的調整。因此，方案二的裝配工藝性要比方案一差很多。另一種方式是調整軸承套下面的隔墊6，調整時無需將整個主軸拆下，只需將隔墊6拆下即可，整個主軸組件（包括錐齒輪3）的軸向位置隨隔墊6的厚度相應改變，達到調整錐齒輪副嚙合間隙的作用。此方法比前一方法要好很多，但由于軸承套4與銑頭體的配合公差多為過渡配合或微量過盈配合，因此調整時還是不太方便。

6 結論

方案一的結構無論從精度調整、精度穩定性還是工藝的合理性來講均要優于方案二。但用于反锪加工時，方案二的結構可承受更大的軸向力。