對附件銑頭用中心出水結(jié)構(gòu)的研究

徐林波,許荊波,趙巖,蔣文瀟,高玉琢,項軍波

(寧波海天精工股份有限公司，浙江寧波 315899)

0 前言

附件銑頭是數(shù)控加工中心的常用配置，附件頭配置中心出水功能后，往往因為旋轉(zhuǎn)接頭本身質(zhì)量問題、主軸尾端結(jié)構(gòu)問題等，造成使用可靠性下降，旋轉(zhuǎn)接頭漏水會導(dǎo)致主軸部件被淹，給機床使用帶來隱患。

旋轉(zhuǎn)接頭是將流體介質(zhì)由固定管道輸送到旋轉(zhuǎn)或擺轉(zhuǎn)一個角度的管道、設(shè)備中去的流體動密封裝置，是機械設(shè)備關(guān)鍵的密封基礎(chǔ)件。旋轉(zhuǎn)接頭安裝在主軸尾端，實現(xiàn)主軸中心出水功能，是帶中心出水功能主軸的最主要設(shè)計方式。

1 數(shù)控機床常用主軸中心出水結(jié)構(gòu)

常用的數(shù)控機床主軸尾端中心出水結(jié)構(gòu)，是采用分離式的中心出水旋轉(zhuǎn)接頭，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，使用時有滲水的缺點。

見圖1，是龍門加工中心帶中心出水主軸尾端結(jié)構(gòu)示意，旋轉(zhuǎn)接頭包括接頭體1、接頭體2、浮動套、平衡密封環(huán)、碳化鎢密封環(huán)、導(dǎo)向銷、小彈簧、防護套及若干密封圈；接頭體1旋緊安裝在固定桿上，固定桿用螺釘安裝在活塞上，活塞通過打刀油缸和復(fù)位油缸油壓控制可以實現(xiàn)打刀和復(fù)位動作；主軸通過若干軸承架設(shè)在主軸箱上(圖中未畫出)，主軸內(nèi)孔的拉刀桿通過碟簧彈力拉刀，在打刀油缸進油時，活塞下表面推動拉刀桿實現(xiàn)主軸打刀動作。在不通水時，旋轉(zhuǎn)接頭的浮動套上安裝的平衡密封環(huán)和接頭體2上安裝的碳化鎢密封環(huán)不接觸，分開一定距離，活塞底部和拉刀桿頂部距離，拉刀桿第二臺階面和壓蓋內(nèi)側(cè)面距離，圖1所示是主軸帶刀具狀態(tài)，如主軸不帶刀具空轉(zhuǎn)狀態(tài)時，=0，原變?yōu)?，變?yōu)?，主軸旋轉(zhuǎn)時，活塞不轉(zhuǎn)，所以-這個安全距離要保證，->0；同理，在打刀狀態(tài)下，=0，距離變成-，因旋轉(zhuǎn)接頭自身結(jié)構(gòu)，打刀狀態(tài)下，浮動套上安裝的平衡密封環(huán)和接頭體2上安裝的碳化鎢密封環(huán)不可接觸，所以->0。綜上，得出3個距離尺寸的關(guān)系式：>>，一般設(shè)計中，要求為8～10 mm。

旋轉(zhuǎn)接頭的接頭體1下端安裝有防護套，內(nèi)部有小彈簧，頂在浮動套底部，浮動套和接頭體1之間有兩個導(dǎo)向銷，浮動套上下滑動，在中心出水功能開啟、固定桿尾端進水孔進水的時候，浮動套在水壓下頂著彈簧的彈力向下移動，浮動套的平衡密封環(huán)和接頭體2上的碳化鎢密封環(huán)接觸(見圖1)，完成中心出水最關(guān)鍵的密封。

圖1 中心出水關(guān)鍵密封結(jié)構(gòu)示意

從此結(jié)構(gòu)可以看出，旋轉(zhuǎn)接頭在中心出水功能接通和斷開時，浮動套的上下動作會導(dǎo)致部分冷卻液泄漏，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加了迷宮密封。其中迷宮蓋和主軸箱體下端擋水沿構(gòu)成了主軸尾端的防水結(jié)構(gòu)，主軸箱體下部外側(cè)設(shè)有排水孔，保證旋轉(zhuǎn)接頭在使用過程中泄漏的冷卻液可以順利排出箱體外，保證主軸的正常使用。

從以上分析可以看出，主軸上常用的這種旋轉(zhuǎn)接頭，具有尺寸大、易滲漏的缺點，在附件頭上使用此設(shè)計，會導(dǎo)致局部尺寸變大、結(jié)構(gòu)臃腫，滲漏的冷卻液損害軸承和齒輪等不良影響。

2 普通附件銑頭主軸中心出水結(jié)構(gòu)

目前市面上常用的帶中心出水自動直角銑頭尾端結(jié)構(gòu)見圖2，后端蓋固定在主軸后軸承座上，后端蓋和活塞之間有油缸，通過打刀油缸進油，推動活塞向右運動，推桿上的旋轉(zhuǎn)接頭向右運動，完成松刀動作；打刀油缸油壓斷開，通過固定在主軸后軸承座上的彈簧座內(nèi)的若干矩形彈簧，使活塞復(fù)位，拉桿和旋轉(zhuǎn)接頭在碟簧的作用下復(fù)位，完成抓刀動作。直角頭中的外冷冷卻水，通過上箱體的冷卻水路，經(jīng)過傳動軸軸承座，進入到下箱體，再通過主軸后軸承座，進入到后端蓋，通過進水孔進入到旋轉(zhuǎn)接頭，再進入到拉桿，通過刀具中心孔噴射出，完成中心出水功能。

圖2 普通附件頭中心出水結(jié)構(gòu)

這種帶中心出水直角頭主軸尾端結(jié)構(gòu)，是國內(nèi)產(chǎn)品常用設(shè)計結(jié)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)接頭螺紋連接在拉桿上，尾端裝在后端蓋內(nèi)；銑頭正常加工時，后端蓋進水孔進水時，旋轉(zhuǎn)接頭右側(cè)旋轉(zhuǎn)端隨拉桿、主軸一起做高速旋轉(zhuǎn)運動；銑頭打刀時，打刀油缸進油，推動活塞向右運動，頂住拉桿上安裝的鎖緊螺母，進而帶動拉桿上安裝的旋轉(zhuǎn)接頭向右運動，完成打刀動作；打刀動作完成后，打刀油缸油壓歸零，活塞在矩形彈簧作用下復(fù)位，拉桿在碟簧作用力下向左運動，帶動旋轉(zhuǎn)接頭復(fù)位。此種結(jié)構(gòu)有3個缺點：

(1)旋轉(zhuǎn)接頭要求安裝精度高、同軸度要好；旋轉(zhuǎn)接頭頭部通過螺紋安裝在拉桿上，旋轉(zhuǎn)接頭尾部安裝在后端蓋中心孔內(nèi)，拉桿安裝面的垂直度、拉桿與后端蓋的同軸度要求都高，并且拉桿動平衡要求也高；加工和裝配稍有缺陷會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭損壞，旋轉(zhuǎn)接頭此種安裝方式也限制銑頭主軸的最高轉(zhuǎn)速。

(2)旋轉(zhuǎn)接頭往復(fù)運動，使用可靠性低；旋轉(zhuǎn)接頭隨拉桿在打刀/松刀時一起往復(fù)動作，對旋轉(zhuǎn)接頭尾端較大直徑的密封圈造成磨損，對旋轉(zhuǎn)接頭的可靠性造成較大影響。

(3)此旋轉(zhuǎn)接頭沒有卸水孔，可靠性低，一旦漏水會損壞銑頭軸承和齒輪。

3 全新附件銑頭主軸中心出水結(jié)構(gòu)

針對上述問題，本文作者介紹一種全新的銑頭中心出水結(jié)構(gòu)，如圖3所示。此結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在AB擺頭、AC擺頭、直角銑頭、萬能銑頭等帶中心出水功能的附件銑頭主軸上，在使用過程中，主軸可擺動至任意角度使用。圖3按立式使用示例：主軸通過前后軸承座及配套軸承架設(shè)在主軸箱內(nèi)，傳動齒輪通過對鍵安裝在主軸后端(圖中未畫出)，主軸內(nèi)部設(shè)有拉桿、碟簧、擋環(huán)和打刀螺母等零件，后軸承座內(nèi)部安裝有彈簧座；彈簧座內(nèi)裝有若干彈簧，后軸承座上端安裝有后端蓋，后端蓋和彈簧座之間裝有打刀活塞，打刀活塞和后端蓋之間設(shè)有打刀油缸，打刀液壓油從主軸箱經(jīng)后軸承座打刀油路進入打刀油缸，推動打刀活塞下壓打刀螺母，帶動拉桿下移，完成打刀動作；打刀液壓油壓力釋放，小彈簧推動打刀活塞上移，拉桿和打刀螺母在碟簧作用下復(fù)位，完成抓刀動作。

此處采用全新結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)接頭，旋轉(zhuǎn)接頭外殼體通過若干頂絲安裝在尾端蓋上，防水蓋安裝在拉桿尾端，旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)軸尖嘴插入拉桿尾端孔中，通過旋轉(zhuǎn)軸尖嘴前端兩個O形圈密封；旋轉(zhuǎn)軸上驅(qū)動柄有兩個扁口，和拉桿上端固定的防水蓋內(nèi)孔相適配；在附件頭主軸旋轉(zhuǎn)時，拉桿帶動防水蓋及旋轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動柄一起旋轉(zhuǎn)。在附件頭打刀動作時，拉桿和防水蓋向下運動，旋轉(zhuǎn)接頭整體保持不動，旋轉(zhuǎn)軸前端O形圈不會從拉桿尾端孔中脫開。此處設(shè)計，拉桿尾端孔和旋轉(zhuǎn)接頭尖嘴軸之間有間隙，使旋轉(zhuǎn)接頭中心和拉桿中心同心度要求降低。旋轉(zhuǎn)接頭尾端通過兩個定心孔安裝在尾端蓋中心，對比圖3旋轉(zhuǎn)接頭螺紋連接在拉桿上，新結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)接頭中心和拉桿中心對同心度要求較之前可放寬3～5倍，可大幅提升旋轉(zhuǎn)接頭可靠性和使用壽命。

圖3 改進的附件銑頭中心出水結(jié)構(gòu)

此處結(jié)構(gòu)設(shè)有兩層排水結(jié)構(gòu)：第一層，旋轉(zhuǎn)接頭尾端有排水孔路，接通至尾端蓋上的排水孔，可排出少量冷卻液，確保旋轉(zhuǎn)接頭正常使用；第二層，防水蓋下側(cè)設(shè)有導(dǎo)水沿，后端蓋內(nèi)側(cè)設(shè)有擋水沿，此處有一定蓄水空間，旋轉(zhuǎn)接頭發(fā)生滲水時，在旋轉(zhuǎn)接頭旋轉(zhuǎn)軸和外殼體之間的軸承處會有冷卻液流下，可通過后端蓋若干排水孔導(dǎo)出箱體外。

旋轉(zhuǎn)接頭使用時有少量切削液從排水孔流出，這是正常的，在第二層排水結(jié)構(gòu)處發(fā)現(xiàn)滲水，就需要及時檢修和更換旋轉(zhuǎn)接頭了。旋轉(zhuǎn)接頭一旦故障漏水，漏水量就會很大，冷卻液進入主軸、軸承處，整個主軸箱體部件就需拆卸檢修。新結(jié)構(gòu)采用二層防水，尤其是第二層處，可把壓力大、流量大的冷卻液及時導(dǎo)出箱體，保證了泄漏冷卻液不會進入主軸，只需更換旋轉(zhuǎn)接頭一個零件即可。

4 結(jié)語

文中的附件頭用中心出水主軸部件，通過改進旋轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、更改旋轉(zhuǎn)接頭在附件頭尾端的安裝方式，使旋轉(zhuǎn)接頭不會隨附件頭打刀動作做往復(fù)運動，從而提升了旋轉(zhuǎn)接頭的可靠性；通過設(shè)計多層排水結(jié)構(gòu)，保證了在旋轉(zhuǎn)接頭滲漏的情況下，泄漏的冷卻液能順利排出附件頭體外。

該部件目前已經(jīng)成功應(yīng)用在某公司自動直角頭和自動萬能頭上，使直角頭和萬能頭具備了最大壓力5 MPa的主軸中心出水功能(見圖4、圖5和圖6)。產(chǎn)品試制后通過長時間跑合測試，性能穩(wěn)定，在客戶現(xiàn)場反復(fù)驗證，可靠性好，得到了市場認可和客戶的一致好評。目前，帶中心出水附件銑頭是該公司主推的功能選項，提升了產(chǎn)品的市場競爭力。

圖4 直角頭5 MPa中心出水應(yīng)用(一)

圖5 直角頭5 MPa中心出水應(yīng)用(二)

圖6 直角頭5 MPa中心出水應(yīng)用(三)