加工中心側銑頭結構設計與工藝探討

丁永朋

（茂名市高級技工學校，廣東茂名 525000）

0 引言

現階段的機械行業在加工環節中所使用的數控龍門銑床設備中的銑頭基本都為立式結構，立式銑頭的作用是對加工工件進行X向或Y向銑削操作，或者設置有側銑頭來進行Z向運動，缺點在于只能夠進行單向的進行給進運動。從重型龍門銑頭的角度來看，所加工的工件體積以及重量都較大，在加工過程中難以進行移動，因此單向進給運動的側銑頭并不適合用于大型工件加工。雖然近年來我國的數控機床制造行業在取得了一定的進步，但依舊存在一些問題，因此相關企業需要從創新、自主研發的方面來提高我國機床的整體質量，建立相應的技術研究中心，完善傳統加工工藝的不足，加強國際上的合作，從而使得我國的產品生產實現高起點、專業化、實效高的目標。

1 完善側銑頭結構設計工藝的重要性

為了滿足重型數控龍門銑床加工工件的功能需求，對可以進行2個方向進給運動的側銑頭結構進行設計是十分重要的，體積大、質量大的大型工件在加工的各類環節中進行多次安裝或者移動都十分費力，但是如果側銑頭可以進行橫向進給運動以及縱向進給運動，就可以大大減少工件的移動次數，不僅僅省時省力，還可以降低因為移動工件而產生的加工誤差。在對建工中心側銑頭的結構進行設計的過程中還可以利用三維軟件來進行建模，這樣可以提前查出結構設計的不合理之處，從而提前改正。現階段機械設備加工企業中數控龍門銑床設置有側銑頭的并不常見，即使帶有側銑頭也大多是只能進行單向進給運動，如果將一般的龍門銑床與帶有側銑頭的設計結構進行結合，則可實現2個方向加工工件，對于結構較為簡單的工件來說，可以達到一次性加工的目的，將調整工件位置的時間以及工序省去，同時還能提高工件的安裝精度，因此改善加工中心側銑頭結構設計是十分必要的。

2 數控技術的發展趨勢

從目前世界上數控技術及其裝備發展的趨勢來看，主要研究熱點有4個方面。

（1）高速、高精加工技術及裝備的新趨勢。效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現代制造技術之一，國際生產工程學會（International Institution for Production Engineering Research，按法文名稱簡稱CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一。高速加工中心進給速度可達80 m/min，甚至更高，空運行速度可達100 m/min。

在加工精度方面，近十年來，普通級數控機床的加工精度已由 10 μm 提高到 5 μm，精密級加工中心則從（3～5）μm，提高到（1～1.5）μm，并且超精密加工精度已開始進入納米級（0.01μm）。

在可靠性方面，國外數控裝置的MTBF（Mean Time Between Failure，平均無故障時間）已＞6000 h，伺服系統的MTBF值＞30 000 h，表現出非常高的可靠性。

為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速發展，應用領域進一步擴大。

（2）5軸聯合工作和重合工作機床迅猛發展。使用5軸聯合加工三維曲面的零件時，可以選用工具最好的圖形形狀加工切割，它可以使零件光滑度提高，工作效率大大提升。就效率而言，5軸聯合機床的工作效率基本與2臺3軸的機床不相上下。尤其是在利用立方氮化硼這些硬度很高的銑刀進行工作時，在進行快速銑削淬火件時，5軸聯合工作能發揮更高的效益。

電主軸的產生，使5軸聯合工作的復合主軸頭內部配置得到簡化，生產難度大大降低，使數控機床的價格差距減小，從而促使了這些類型機床的發展。

（3）數控系統發展的主要方向是智慧型、互聯網交互化。新時代的數控設備將會擁有一定的人工智能，這個方向的內容包含在具體工作運行中的各個層面。如工作效率和工作水平提高方面的智能化；增加驅動功能和運用聯系簡化方面的智慧化；簡單程序與簡便人工操作方面的人工智能化；還有智能檢測方面的功能等。

（4）重視新技術標準和規范的建立。數控標準是制造業信息化發展的一種趨勢。數控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO 6983-2009標準，即采用G，M代碼描述如何（How）加工，其本質特征是面向加工過程，顯然，他已越來越不能滿足現代數控技術高速發展的需要。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統標準ISO 14649-2015（STEP－NC），其目的是提供一種不依賴于具體系統的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統一數據模型，從而實現整個制造過程，乃至各個工業領域產品信息的標準化。

3 側銑頭結構的整體設計方案

圖1為側銑頭結構圖，為了使側銑頭能夠進行雙向進給切削，即Z向及X向進給，可以將側銑頭的結構設置成2個部分，第一部分是垂直導軌來用于側銑刀進行縱向運動，第二部分是水平滑枕來實現側銑刀的橫向運動，分別在這2個結構上裝置導軌，因為一般使用雙向切削的機床為重型數控龍門銑床，其側銑頭的質量較大，并且在運行過程中側銑頭會受到較大切削力的作用，這就對垂直導軌以及水平滑枕的導軌剛度有了一定的要求，為了保證重型數控龍門銑床加工工件的精度，可選用貼塑滑動式矩形導軌，矩形導軌的剛度高、負荷能力強并且結構簡單。傳統的滑動導軌摩擦因數大，在應用過程中易出現爬行問題，而選用貼塑方式的優勢在于摩擦因數較小，并且抗咬合磨損性能、工藝性能較好，發生爬行的概率小。但是矩形導軌受到磨損后不可以對磨損間隙進行自動補償，這樣會降低定位精度以及加工精度，因此還需要加裝導軌主承載面相應的間隙調整裝置，可以選用如斜鑲條類結構對導軌間隙進行調整。

圖1 側銑頭結構

從主軸結構設計的角度來說，電機可以借助聯軸器來使得主軸進行運動，還可以使用同步帶來達到這個目的，如果重型數控龍門銑床選用的電機功率較大，雖然可以使側銑頭進行進給運動，并且使用聯軸器進行連接，但會大大增加側銑頭的體積，加大側銑頭結構的整體質量。如果使用同步帶傳動結構，可以去除電機的尺寸，將其放置在側銑頭結構之外的位置，可以縮小結構尺寸。從性能角度來看，使用同步帶進行傳送的效率很高，傳動比的準確性也高，從經濟環保的角度來看，這種方式能減少原材料的投入，還能降低機械設備運行的噪聲。想要使得側銑頭可以進行橫向進給運動，可以應用滾珠絲杠螺母副與聯軸器進行連接的方式來實現側銑頭的水平滑枕運動，也可以使用滾珠絲杠螺母副與同步帶向連接的方式來實現。

第一個方案的缺點在于需要將聯軸器與電機安裝到水平滑枕的末端，由于使用的電機功率較大、質量較大，會使得水平滑枕的末端負荷加大，這樣會導致此裝置出現扭矩，對橫向給進加工的精度帶來不良影響，還會在一定程度上降低其摩擦性能，并且此結構需要的水平滑枕結構尺寸較長，再將電機安裝在其末端，會增加數控機床的整體安裝空間。

第二種橫向進給運動的結構設計方案是將電機安裝在豎直導軌的側面，可以有效增加豎直導軌側面空間的利用率、降低水平滑枕空間的占用，而垂直導軌要通過帶輪箱與電機連接。2個方案都選用滾珠絲杠螺母副的原因在于其摩擦損失較小、運行阻力小、傳動效率高，并且動態與靜態的摩擦因數差異不大，平穩性較強，在低速時出現爬行的概率低、精度高、使用壽命長。

如果使用第二種方案則要將滾珠絲杠螺母副安裝在垂直導軌面，使用絲杠螺母座來連接水平滑枕與滾珠絲杠螺母副，這樣才能使得滑枕和導軌之間進行相互運動。加工中心側銑頭的電機可選用交流伺服電機，此類電機占用面積小、結構簡單，并且符合經濟性原則。從電機維護的角度來看，交流伺服電機沒有設置換向器及電刷、穩定性較好，不需要技術人員頻繁的檢修，與直流伺服電機相比，交流伺服電機不會因火花而限制其運行速度。想要提升側銑頭水平滑枕在X向的定位精確性，可以加裝直線光柵尺來對位置進行檢測，這樣的閉環控制系統可以有效的降低系統的整體定位誤差，使得系統的傳動誤差可以控制在合理的范圍內，并且動態性能也會有所提升。缺點在于閉環控制系統的結構復雜，安裝工作和投入使用后的調試工作都較為苛刻，并且需要較多費用投入。

4 總結

在對加工中心側銑頭結構進行設計時，要同時考慮到其強度要求以及技術要求，在合理的范圍內使得結構尺寸最小化，可以節省原料，將側銑頭結構簡單化，還可以大大減少安裝人員以及維修人員的工作量，對側銑頭結構進行分析計算可以使設備部件的選擇依據更具針對性，從而防止成本浪費。另外，從定位精度上來說，推薦安裝直線光柵尺，這樣的閉環系統可以提升位置檢測結果的精確性。完善加工中心側銑頭結構設計工藝可以有效提高數控龍門銑床的實用性，提升工件尺寸的加工精確度，推動我國機械制造加工行業的發展。