直角銑頭設(shè)計要點(diǎn)及常見故障分析

劉毅

摘 要：隨著制造業(yè)的發(fā)展，銑頭作為鏜銑床常用輔具已成為當(dāng)今機(jī)床行業(yè)發(fā)展方向之一。銑頭無需調(diào)整機(jī)床結(jié)構(gòu)便可改變機(jī)床加工方向，減少重復(fù)裝夾次數(shù)，擴(kuò)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(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(chǎn)生原因并加以改進(jìn)，以減少維修成本及故障率。

關(guān)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(jī)床主軸與刀具旋轉(zhuǎn)中心線之間的角度，將機(jī)床動力傳遞到刀具上的一種機(jī)床輔具。機(jī)床主軸上的錐孔是銑頭的定位基準(zhǔn)，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(zhuǎn)。由于螺旋傘齒輪嚙合軸線空間相交，從而使機(jī)床主軸與刀具旋轉(zhuǎn)中心線產(chǎn)生夾角，改變機(jī)床加工方向。銑頭按照結(jié)構(gòu)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(yù)緊力不足，則會產(chǎn)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(jù)走刀方向不同而不同，故軸承孔磨損量較小且不均勻。

修復(fù)銑頭殼體時，常采用補(bǔ)焊并重新加工、擴(kuò)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(yùn)轉(zhuǎn)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(dǎo)致機(jī)床輸出軸線與銑頭輸入軸線A不重合，運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)致兩端蓋把合不嚴(yán)，甚至使軸承產(chǎn)生附加軸向力。

為保證以上形位度要求，應(yīng)在同一臺機(jī)床完成銑頭殼體多個工序的加工。銑頭殼體作為其內(nèi)部零件的承載體和基礎(chǔ)，設(shè)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(shè)計加強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)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(chǎn)生沖擊，同時齒根部受交變應(yīng)力，加速傘齒輪齒面磨損，甚至產(chǎn)生斷裂。若傘齒輪齒面硬度、抗疲勞強(qiáng)度較低及內(nèi)部有缺陷，經(jīng)過長時間嚙合，齒面微小裂紋不斷延伸導(dǎo)致表面脫落形成點(diǎn)蝕。

螺旋傘齒輪作為直角銑頭最重要的零件，其各項力學(xué)性能將直接影響使用壽命，其安裝結(jié)構(gòu)及調(diào)整方法直接影響直角銑頭的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。

（1）在設(shè)計中合理選擇材質(zhì)及熱處理方法不僅可提高齒面硬度和抗疲勞強(qiáng)度，減少點(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生，還可提高齒面的抗塑性變形能力。再經(jīng)過跑合除去齒面高點(diǎn)，可減少齒面磨損。

（2）在設(shè)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(dá)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(xiàn)象。

（3）在設(shè)計時選擇合理的結(jié)構(gòu)調(diào)整傘齒輪嚙合間隙，使傘齒輪分錐頂點(diǎn)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(jìn)行調(diào)整或兩端都采用鎖緊螺母。調(diào)整時若齒面間隙過大，則產(chǎn)生沖擊及反向間隙，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生噪聲，加速齒面磨損甚至斷裂。若間隙過小，則傘齒輪轉(zhuǎn)動困難，加速齒面磨損甚至產(chǎn)生卡死和斷裂現(xiàn)象，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱量將會增加。所以調(diào)整適當(dāng)?shù)凝X面嚙合間隙，可有效減少斷裂現(xiàn)象發(fā)生。

2.3 軸承點(diǎn)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(chǎn)生點(diǎn)蝕。當(dāng)軸承承受載荷超過工作表面的屈服極限時，發(fā)生永久塑性變形。當(dāng)硬度較大的顆粒狀雜質(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部時，在工作表面相對滑動造成磨損。當(dāng)工作表面上的高點(diǎn)或雜質(zhì)摩擦生熱過大，導(dǎo)致表面退火甚至熔化，產(chǎn)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(chǎn)生膠合現(xiàn)象。在直角銑頭工作中難以經(jīng)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(chǎn)生塑性變形，加速點(diǎn)蝕形成。在選擇軸承時應(yīng)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(tài)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(tài)相同，但承載載荷較小；串聯(lián)使用（DT）是用多套軸承承載單方向軸向力。

（3）安裝軸承時預(yù)加軸向力，并使軸承工作表面產(chǎn)生彈性變形，起到預(yù)緊效果。調(diào)整軸承游隙可使軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，受力均勻，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛性，從而提高軸承使用壽命。軸承預(yù)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(chǎn)生膠合現(xiàn)象。軸承預(yù)緊時還要考慮溫度對軸承的影響，避免溫度升高預(yù)緊力過大。在設(shè)計時一般采用鎖緊螺母或端蓋預(yù)緊，有時采用同一螺母預(yù)緊軸承和螺旋傘齒輪，不能起到分別控制的作用，還會使預(yù)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(dāng)銑頭主軸受熱伸長時會產(chǎn)生彎曲變形，進(jìn)而影響傘齒輪嚙合及軸承受力狀態(tài)，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(diào)節(jié)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(yīng)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(zhì)進(jìn)入軸承內(nèi)部，加大軸承磨損，在設(shè)計直角銑頭時要選擇合適的密封形式。

3 結(jié)束語

銑頭在鏜銑床中具有重要作用，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)轉(zhuǎn)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(chǎn)生的原因，總結(jié)在設(shè)計中需要注意的要點(diǎn)，對銑頭維修、減少故障率、降低成本都具有重要意義。

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