對附件銑頭用中心出水結構的研究

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，往往因為旋轉接頭本身質量問題、主軸尾端結構問題等，造成使用可靠性下降，旋轉接頭漏水會導致主軸部件被淹，給機床使用帶來隱患。

旋轉接頭是將流體介質由固定管道輸送到旋轉或擺轉一個角度的管道、設備中去的流體動密封裝置，是機械設備關鍵的密封基礎件。旋轉接頭安裝在主軸尾端，實現主軸中心出水功能，是帶中心出水功能主軸的最主要設計方式。

1 數控機床常用主軸中心出水結構

常用的數控機床主軸尾端中心出水結構，是采用分離式的中心出水旋轉接頭，結構復雜，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構示意，旋轉接頭包括接頭體1、接頭體2、浮動套、平衡密封環、碳化鎢密封環、導向銷、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位油缸油壓控制可以實現打刀和復位動作；主軸通過若干軸承架設在主軸箱上(圖中未畫出)，主軸內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主軸打刀動作。在不通水時，旋轉接頭的浮動套上安裝的平衡密封環和接頭體2上安裝的碳化鎢密封環不接觸，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側面距離，圖1所示是主軸帶刀具狀態，如主軸不帶刀具空轉狀態時，=0，原變為-，變為-，主軸旋轉時，活塞不轉，所以-這個安全距離要保證，->0；同理，在打刀狀態下，=0，距離變成-，因旋轉接頭自身結構，打刀狀態下，浮動套上安裝的平衡密封環和接頭體2上安裝的碳化鎢密封環不可接觸，所以->0。綜上，得出3個距離尺寸的關系式：>>，一般設計中，要求為8～10 mm。

旋轉接頭的接頭體1下端安裝有防護套，內部有小彈簧，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和接頭體2上的碳化鎢密封環接觸(見圖1)，完成中心出水最關鍵的密封。

圖1 中心出水關鍵密封結構示意

從此結構可以看出，旋轉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致部分冷卻液泄漏，所以在結構設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成了主軸尾端的防水結構，主軸箱體下部外側設有排水孔，保證旋轉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接頭，具有尺寸大、易滲漏的缺點，在附件頭上使用此設計，會導致局部尺寸變大、結構臃腫，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構

目前市面上常用的帶中心出水自動直角銑頭尾端結構見圖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的若干矩形彈簧，使活塞復位，拉桿和旋轉接頭在碟簧的作用下復位，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構

這種帶中心出水直角頭主軸尾端結構，是國內產品常用設計結構：旋轉接頭螺紋連接在拉桿上，尾端裝在后端蓋內；銑頭正常加工時，后端蓋進水孔進水時，旋轉接頭右側旋轉端隨拉桿、主軸一起做高速旋轉運動；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位，拉桿在碟簧作用力下向左運動，帶動旋轉接頭復位。此種結構有3個缺點：

(1)旋轉接頭要求安裝精度高、同軸度要好；旋轉接頭頭部通過螺紋安裝在拉桿上，旋轉接頭尾部安裝在后端蓋中心孔內，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致旋轉接頭損壞，旋轉接頭此種安裝方式也限制銑頭主軸的最高轉速。

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

(3)此旋轉接頭沒有卸水孔，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構

針對上述問題，本文作者介紹一種全新的銑頭中心出水結構，如圖3所示。此結構可以應用在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在主軸箱內，傳動齒輪通過對鍵安裝在主軸后端(圖中未畫出)，主軸內部設有拉桿、碟簧、擋環和打刀螺母等零件，后軸承座內部安裝有彈簧座；彈簧座內裝有若干彈簧，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有打刀油缸，打刀液壓油從主軸箱經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位，完成抓刀動作。

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

圖3 改進的附件銑頭中心出水結構

此處結構設有兩層排水結構：第一層，旋轉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，確保旋轉接頭正常使用；第二層，防水蓋下側設有導水沿，后端蓋內側設有擋水沿，此處有一定蓄水空間，旋轉接頭發生滲水時，在旋轉接頭旋轉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出箱體外。

旋轉接頭使用時有少量切削液從排水孔流出，這是正常的，在第二層排水結構處發現滲水，就需要及時檢修和更換旋轉接頭了。旋轉接頭一旦故障漏水，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。新結構采用二層防水，尤其是第二層處，可把壓力大、流量大的冷卻液及時導出箱體，保證了泄漏冷卻液不會進入主軸，只需更換旋轉接頭一個零件即可。

4 結語

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

該部件目前已經成功應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)。產品試制后通過長時間跑合測試，性能穩定，在客戶現場反復驗證，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，提升了產品的市場競爭力。

圖4 直角頭5 MPa中心出水應用(一)

圖5 直角頭5 MPa中心出水應用(二)

圖6 直角頭5 MPa中心出水應用(三)