直角銑頭設計要點及常見故障分析

劉毅

摘 要：隨著制造業的發展，銑頭作為鏜銑床常用輔具已成為當今機床行業發展方向之一。銑頭無需調整機床結構便可改變機床加工方向，減少重復裝夾次數，擴大加工范圍，提高效率及加工精度。為滿足銑頭高精度、高速度、高剛性的要求，就需要在設計中進行結構分析、受力分析、工況分析。文章通過研究直角銑頭的常見故障，分析其產生原因并加以改進，以減少維修成本及故障率。

關鍵詞：銑頭；故障分析

1 銑頭的定義、工作原理及分類

銑頭是通過改變機床主軸與刀具旋轉中心線之間的角度，將機床動力傳遞到刀具上的一種機床輔具。機床主軸上的錐孔是銑頭的定位基準，通過兩個主軸鍵將動力傳遞到銑頭輸入軸上的螺旋傘齒輪（主動輪），與之嚙合的另一個螺旋傘齒輪（從動輪）帶動銑頭輸出軸旋轉。由于螺旋傘齒輪嚙合軸線空間相交，從而使機床主軸與刀具旋轉中心線產生夾角，改變機床加工方向。銑頭按照結構可分為直角銑頭、加長直角銑頭、延伸銑頭、萬向銑頭等。

2 直角銑頭常見故障分析

2.1 銑頭殼體損壞及軸承孔、臺階磨損

銑頭殼體損壞是由于外力撞擊或切削力過大、殼體壁過薄引起的。銑頭所受軸向力為從銑頭主軸前端到后端，若背帽、端蓋等處預緊力不足，則會產生沖擊力，故軸承臺階處磨損量較小且均勻。銑頭所受徑向力與切削方向相反，徑向受力方向根據走刀方向不同而不同，故軸承孔磨損量較小且不均勻。

修復銑頭殼體時，常采用補焊并重新加工、擴大孔徑并加套、端面加墊等方法。銑頭殼體的加工精度直接影響其運轉精度。故必須要保證以下形位度要求：

（1）銑頭上平面C與輸入軸軸線A的垂直度及自身的平面度：如果此項精度較差將會導致機床輸出軸線與銑頭輸入軸線A不重合，運轉時產生噪聲并降低傘齒輪使用壽命。

（2）輸出軸軸線B與輸入軸軸線A空間位置度：如果此項精度較差將會影響螺旋傘齒輪嚙合，降低其使用壽命。

（3）前、后端軸承孔的同軸度：如果此項精度較差將會導致輸出軸及兩端軸承附加徑向力，影響軸承使用壽命。

（4）前、后端端面與輸出軸軸線B的垂直度及自身的平面度：如果此項精度較差將會導致兩端蓋把合不嚴，甚至使軸承產生附加軸向力。

為保證以上形位度要求，應在同一臺機床完成銑頭殼體多個工序的加工。銑頭殼體作為其內部零件的承載體和基礎，設計時要保證足夠壁厚的前提下，盡量減小銑頭空間尺寸。合理設計加強筋及觀察孔的位置及大小，保證銑頭有足夠的剛性。

2.2 螺旋傘齒輪齒面磨損、斷裂和點蝕

螺旋傘齒輪嚙合過程中既有滾動又有滑動。齒面磨損是由于齒面高點引起塑性變形，滑動摩擦力過大造成的。傘齒輪磨損后齒面間的嚙合間隙過大產生沖擊，同時齒根部受交變應力，加速傘齒輪齒面磨損，甚至產生斷裂。若傘齒輪齒面硬度、抗疲勞強度較低及內部有缺陷，經過長時間嚙合，齒面微小裂紋不斷延伸導致表面脫落形成點蝕。

螺旋傘齒輪作為直角銑頭最重要的零件，其各項力學性能將直接影響使用壽命，其安裝結構及調整方法直接影響直角銑頭的運轉精度。

（1）在設計中合理選擇材質及熱處理方法不僅可提高齒面硬度和抗疲勞強度，減少點蝕現象發生，還可提高齒面的抗塑性變形能力。再經過跑合除去齒面高點，可減少齒面磨損。

（2）在設計中為保證傘齒輪軸線空間相交且垂直，銑頭殼體各項精度需達到要求。否則會影響傘齒輪嚙合，降低其使用壽命，還會引起接刀現象。

（3）在設計時選擇合理的結構調整傘齒輪嚙合間隙，使傘齒輪分錐頂點相交。對于主動輪可采用修磨平墊的方法；從動輪可采用一端固定一端用鎖緊螺母進行調整或兩端都采用鎖緊螺母。調整時若齒面間隙過大，則產生沖擊及反向間隙，連續運轉會產生噪聲，加速齒面磨損甚至斷裂。若間隙過小，則傘齒輪轉動困難，加速齒面磨損甚至產生卡死和斷裂現象，連續運轉發熱量將會增加。所以調整適當的齒面嚙合間隙，可有效減少斷裂現象發生。

2.3 軸承點蝕、塑性變形、磨損與膠合

軸承長時間在載荷作用下，工作表面疲勞失效，產生點蝕。當軸承承受載荷超過工作表面的屈服極限時，發生永久塑性變形。當硬度較大的顆粒狀雜質進入軸承內部時，在工作表面相對滑動造成磨損。當工作表面上的高點或雜質摩擦生熱過大，導致表面退火甚至熔化，產生膠合。

為減緩軸承失效，延長使用壽命，可以通過以下方法：

（1）潤滑可降低軸承滑動、滾動摩擦，減少軸承磨損。同時可在軸承工作表面形成油膜，防止氧化生銹，也可降低軸承溫升，防止軸承產生膠合現象。在直角銑頭工作中難以經常供油，故使用潤滑脂潤滑。

（2）軸承若在較大載荷下長時間工作將會產生塑性變形，加速點蝕形成。在選擇軸承時應考慮其承載能力及受力方向。直角銑頭常用軸承有：深溝球軸承、圓柱滾子軸承（只承受徑向力），推力球軸承（只承受單方向軸向力），圓錐滾子軸承、角接觸球軸承（可承受徑向力和單方向軸向力）。在使用角接觸球軸承時，其安裝方法不同，受力狀態也不形同。角接觸球軸承背對背安裝時（DB）可承受徑向力及雙向軸向力；面對面安裝時（DF）受力狀態相同，但承載載荷較小；串聯使用（DT）是用多套軸承承載單方向軸向力。

（3）安裝軸承時預加軸向力，并使軸承工作表面產生彈性變形，起到預緊效果。調整軸承游隙可使軸承運轉平穩，受力均勻，提高軸承的旋轉精度和剛性，從而提高軸承使用壽命。軸承預緊力過小則無法消除游隙，過大則將會加速軸承磨損，甚至產生膠合現象。軸承預緊時還要考慮溫度對軸承的影響，避免溫度升高預緊力過大。在設計時一般采用鎖緊螺母或端蓋預緊，有時采用同一螺母預緊軸承和螺旋傘齒輪，不能起到分別控制的作用，還會使預緊力過大。

（4）軸承固定方式有兩端固定、一端固定一端游動及兩端游動。兩端固定軸承皆可承受雙向軸向力及徑向力，當銑頭主軸受熱伸長時會產生彎曲變形，進而影響傘齒輪嚙合及軸承受力狀態，適用于主軸較短或熱變形不大的銑頭。一端固定一端游動安裝時，為防止刀具位置改變固定端需在銑頭前端，且承受雙向軸向力及徑向力。游動端軸承只承受徑向力，調節主軸受熱伸長量，適用于主軸受熱變形較大的銑頭。兩端游動軸承不能承受軸向力，在銑頭中應用較少。

（5）軸承在使用過程中為防止灰塵、鐵屑、切削液等雜質進入軸承內部，加大軸承磨損，在設計直角銑頭時要選擇合適的密封形式。

3 結束語

銑頭在鏜銑床中具有重要作用，其結構的穩定性及運轉的精確性對加工精度影響較大。本文通過分析直角銑頭常見故障及其產生的原因，總結在設計中需要注意的要點，對銑頭維修、減少故障率、降低成本都具有重要意義。

參考文獻

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