一種高精度直角銑頭結構設計及其溫升形變檢測*

金 輝 佟 琨 郭志超 喻 鵬

(沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142)

直角銑頭作為立式車銑中心、龍門式鏜銑中心最常見的附件頭，是進行切削加工的最終執行機構，其具有良好結構，較小的溫升及形變是機床具有良好加工精度的重要保證。如何減小直角銑頭的溫升及形變是現代機床的重要研究課題。

本文提供了一種結構緊湊、布局合理、裝配方便的直角銑頭結構，通過溫升及形變的檢測證明了該直角銑頭結構是具有較小溫升及小形變的優良直角銑頭結構。

1 高精度直角銑頭特點

本文介紹的一種高精度直角銑頭，其立軸支撐方式為上端采用兩個角接觸球軸承串聯下端采用3個角接觸球軸承串聯，上下軸承形成背對背的支撐方式；臥軸前段采用兩個角接觸球軸承形成背對背支撐方式，后端采用一個深溝球軸承進行支撐，此種軸承布置形式剛性好，可以承受傾覆力矩；另外通過調整內套與外套之間的高度差，使用鎖緊螺母對軸承進行預緊，進一步提升了直角銑頭的剛性及精度。前端采用迷宮形式進行密封，且有高壓氣體進入對主軸軸承進行氣密封，防止加工時有雜質進入軸承，免使結構損壞。前端具有錐孔吹氣功能，在換刀等無刀狀態下對主軸結構進行清潔保護。整個直角銑頭采用一體式的設計結構，在設計初期即考慮溫升及形變對結構的影響，從而保證了具有此結構的直角銑頭的精度保持性。

2 高精度直角銑頭結構介紹

高精度直角銑頭結構如圖1所示。臥軸前軸承外套1與臥軸前軸承內套2用于調整前軸承8內外環的高度差并使用前端鎖緊螺母9和265 N·m的預緊力對前軸承進行預緊，預緊力通過查詢軸承樣本得到，兩個前軸承采用背靠背的安裝方式；前端密封蓋3用于對主軸前端密封。

拉刀機構4、與錐孔套5用于刀具拉刀；主軸6為主要旋轉零件；前端蓋7用于對前端進行密封；上端外軸承套10、上端內軸承套11與立軸支撐套20用于調整立軸軸承19的內外高度差，軸承用上端鎖緊螺母13鎖緊；上體12為上部主體，上端過渡墊18用于上體與上部連接套14連接，上端密封蓋15對上端進行密封；傘齒輪16將立軸旋轉傳遞到臥軸旋轉；換頭感應裝置17用于換頭感應；中體21與中體過渡墊22構成中體主體；臥軸后軸承23對臥軸后端進行支撐，臥軸鎖緊螺母28對其進行鎖緊，后端過渡套24、后端過渡墊25、后端蓋26、后端防塵蓋29組成臥軸后端結構；內冷接口27用于內冷；后端鎖緊螺母30用于鎖緊臥軸傘齒輪32；后端過渡墊31用于調整間隙；下體33構成下體主要結構。

拉爪34用于直角銑頭與滑枕的結合；刀具松開接口35為刀具松開腔供油；定位鍵36用于滑枕與直角銑頭之間的定位；氣密封接口37為軸承前端氣密封壓縮空氣入口； 內冷接口38提供刀具內冷切削液；外冷39切削時提供外冷切削液；刀具夾緊切削液40為刀具夾緊腔供油；錐孔吹氣接口41為壓縮空氣入口。

3 高精度直角銑頭溫升與形變檢測

如圖2所示，將直角銑頭安裝到滑枕上，與滑枕形成一體式結構。分別在直角銑頭的前向、后面、頂部、后上位置安裝溫度傳感器，用于檢測直角銑頭在轉動過程中隨著時間的推移各部的溫升如圖3所示；在直銑頭的X、Y、Z方向分別設置3個位置傳感器用于檢測直角銑頭在轉動過程中，隨著時間的推移3個方向的形變如圖4所示。測試中主軸最高轉速為2 500 r/min，測試時間為從上午07：56至下午15:10。

如圖3溫升曲線所示，頂部溫升最高，其次依次為后上、前向、后向，且4個檢測位置都在轉速達到2 500 r/min時溫度發生階躍式提高，20 min內溫度最大可升高7 ℃。

如圖4所示，X軸的最大形變為0.095 mm；Y軸的最大形變為0.033 mm；Z軸的最大形變為0.118 mm。

從試驗結果看出該結構的直角銑頭具有良好的溫升及形變特性，可以保證此結構直角銑頭在長時間運行的狀況下仍然保持高精度，使其具有穩定的加工能力。

4 結語

本文提供了一種高精度直角銑頭結構，由于其結構的合理性，結構設計階段即考慮了溫升對直角銑頭的影響，根據軸承要求對軸承采取合理的定壓預緊，使整機直角銑頭結構具有低溫升特性及良好的保持小形變能力。并通過測試驗證了直角銑頭的溫升、形變特性，為以后其他形式或規格的直角銑頭設計和其他形式的附件頭設計提供參考，由于其具有良好的精度保持性，大大提升了國產機床的整體性能。

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