附件銑頭在多面體加工中的應用

作者：虞行國

單位：中國機床工具工業協會經銷商分會專家

來源：《金屬加工（冷加工）》雜誌

在機床加工領域， 採用數控龍門鏜銑及數控落地鏜對各類型腔、表面複雜和多面體箱體等零部件的加工，已經得到了廣泛應用。因為利用這種設備，能夠使產品一次性裝夾且完成所有能加工的工序，保證加工產品的精度，同時可以大量節約工序流轉時間，優點很多。但前提是數控龍門鏜銑及數控落地鏜本身機床的靜態和動態精度要高，各運動軸的重複精度要好、指標要高，特別是加工柴油機機體的主軸孔和凸輪軸孔（見圖1）。

圖　1

這種設備對該主軸孔和凸輪軸孔的直線度誤差以及孔與孔之間的相鄰直線度誤差有嚴格的精度要求。這二項精度完全依賴於機床的精度和機床的大腦數控系統，只有在機床精度高的條件下才能得以保證。

對數控龍門鏜銑和數控落地鏜來講，單有先進的大腦數控系統也不能完成零件的多面體加工，因為80%的工序是依靠機床附件銑頭來執行，只有通過可更換的各種形狀的附件銑頭來對產品進行2端面、2側面和頂面5個面的所有面和孔的加工（見圖2）。

圖　2

數控系統是高端數控機床設備的大腦，各個進給軸是設備的肢體，附件銑頭是肢體的代言人。附件銑頭的外形尺寸、形狀及公差等級決定產品孔徑的圓度、表面粗糙度以及不受干涉加工的可行性。各製造廠家為了滿足不同用戶的需求，在不同檔次的設備上設計和配置了全手動、全自動裝卸和自動分度等，為完成和滿足工藝上要求出現了多種附件銑頭及附件銑頭與主機的聯接方式。

典型的附件銑頭與主機的聯接與拉緊型式

普通結構的附件銑頭，如圖3所示。高端的帶附件頭角度自動識別、在線測量、多方位松拉刀及多方位內外冷卻結構的附件銑頭，如圖4所示。

圖　3

圖　4

圖3中的附件銑頭帶錐柄定心，由傳動槽傳遞轉矩，為T形拉杆結構。此種結構早期應用比較廣泛，以主機的滑枕主軸錐孔與附件銑頭錐柄作為定心，通過主軸的拉刀拉釘機構抓取附件銑頭至附件銑頭的上平面與滑枕下平面接觸，通過圖4標有記號的4個T形拉杆，在液壓油缸的作用力下伸出至圖3標有記號的4個T形槽內，通過感測器檢測到位信號後T形拉杆旋轉90°拉緊。如果要鬆開或更換附件銑頭，則機械液壓動作相反。

這種形式的附件銑頭只能有0°、90°、180°和270°這4個特殊角度，旋轉角度時由主軸編碼器識別角度，精確定位由4個定位鍵完成。為了完成鬆開和拉緊附件銑頭的動作，液壓系統採用了串聯方式，結構複雜（見圖5）。4組T形拉杆採集鬆開和拉緊的信號每組4個，總計使用16個感測器。這種裝置結構複雜、動作多，為了滿足松拉附件頭的需求，液壓壓力高，故障頻率相應也有所提高。T形拉杆長時間受疲勞強度的影響而發生斷裂故障（見圖6、圖7），一旦發生斷裂故障，因設備設計的局限而導致無法實現裝卸，只能通過人為強行拆卸T形拉杆。

圖5　附件頭介面

圖6　故障頭

圖7　損壞的Ｔ形拉杆

目前， 附件銑頭拉緊的結構比較流行， 大量採用一種與拉刀結構類似的裝置即蘑菇釘形式。這種結構比T形拉杆形式動作少、感測器檢測點少且結構安全可靠，每個蘑菇釘的拉力有70kN，4個蘑菇釘的拉力總共有280kN。在強力切削時能保證設備有足夠的切削剛度。如圖8、圖9所示。

圖8　滑枕端面拉緊裝置

圖9　蘑菇釘

主機無主軸錐孔的形式

一般大型數控龍門銑可以通過手動或機械手直接把刀裝在莫氏60°或50°等主軸孔內，對工件進行加工，但是有國外廠家設計機床滑枕主軸無主軸錐孔的形式，也就是說在不裝附件銑頭的情況下是無法加工產品的。經過與有主軸孔的對比分析，這種結構有幾大亮點：①在滑枕內部減少了一套主軸部件裝置，降低了製造成本。②改變了原來附件銑頭利用傳動塊傳遞轉速和轉矩的形式，變附件銑頭的主軸直接通過內外花鍵或者內外齒輪聯接，主軸箱只需做到傳遞的作用，可以大大提升附件銑頭主軸的切削功率和剛度。③保證了機床與各自附件銑頭的加工精度。如圖10所示。

（a）

（b）

（c）

圖　10

多面體加工的附件銑頭實際應用

多面體加工特別是典型的箱體零件加工，對設備有很高的要求，為了達到工藝標準要求，對設備的附件銑頭有更高的要求和限制。工件對直線度和水平面內垂直度有要求的，附件銑頭要具有精準的分度和分度定位精度；工件外形及型腔複雜的，特別是加工內腔的附件銑頭要具備抗干涉的設計；工件有特殊要求的還必須量身定做。不是一個附件銑頭就能夠加工所有產品的。如圖11所示，是龍門加工中心、鏜床等幾種典型的附件銑頭外形。

（a）

（b）

（c）

（d）

（e）

（f）

圖11　典型的附件銑頭在機床上的應用

經附件銑頭加工的零件的圓度精度、表面粗糙度、分度精度和分度重複定位精度，是與附件銑頭本身的製造精度和安裝精度有直接關係的。有些精度可以通過機床及工藝保證，有些精度還需要通過人工參與鏟刮修正來保證。如圖12所示，就是聯機後通過精密測量進行微調，從而保證附件銑頭的各項指標都符合出廠要求。以上介紹的附件銑頭主軸轉速一般都不會超過6 500r/min，但是最大的優點是具備大功率大轉矩，適合重載重切削加工。

圖12　附件銑頭的精密測量

先進的功能部件和符合中國國情的發展應用理念

隨著加工工藝和材料的發展，高速電主軸五軸加工頭和機械式五軸加工頭更適合有色金屬及特種材料進行高速輕載輕切削加工。設計採用五軸頭的加工機床一般不隨意更換附件銑頭。更有符合優化加工理念、先進的具有國際設計專利的附件銑頭大量地在設備上得到應用。數控機床附件銑頭的分度一種是通過主軸編碼器控制，機械鼠牙盤精確定位。另一種是數控任意分度機械裝置壓緊。兩種方法各有利弊。

西班牙尼古拉斯有眾多型號的附件銑頭，一款為UAD的自動萬能銑頭，新型結構如圖13所示，更有特點和競爭優勢。具有兩個可編程的分度銑頭體，一個為後部銑頭體，另一個為45°傾角的前部銑頭體，使B軸和C軸分別可以進行立式銑削和卧式銑削。特點是在立式銑削和卧式銑削時，分度採用具有高精度的雙Hirth冕狀系統（上、中、下3片機械鼠牙盤定位誤差±3〞）的差齒結構，如圖14所示，亮點在於B、C軸在360°的範圍內可進行分度值在0.02°的分度，並以13MPa的壓力進行鎖緊。

（a）UAD自動萬能銑頭

（b）UAD自動萬能銑頭立卧加工狀態

圖　13

圖14　雙Hirth冕狀系統

這種可以分度的銑頭結構具有精度高、分度範圍廣及滿足重載切削的要求。充分體現機械結構的剛性與數控任意分度的優點。

我國目前在應用的龍門加工中心、落地鏜銑床的現狀是因投入的時期不同，國內外產地多、規格型號多且技術功能形式多。在大型國有企業設備使用中自動化率較高，但在民營和中小型企業中考慮投資的原因，選擇設備自動化相對較低，加上早期設備製造的設計水平和製造能力，設備更換附件銑頭有一大部分都採用手動更換操作，造成製造產品精度有誤差，生產效率受限制等問題。

為了符合中國國情的發展需求， 使原不具有自動功能的設備， 得到技術創新、服務更新和設備升級改造，掀起一陣改革大潮，銘源精密製造企業抓住時機，不但生產製造各種附件銑頭， 還量身定做滿足用戶的需求，為了提升自動化對設備做足了加裝改造的功課。

只要在原靠手動裝卸的設備上加裝中間過度體和一套液壓系統（見圖15），通過圖15標註1的4個螺栓孔與設備聯接，使使用的附件銑頭通過標註2的4個蘑菇拉釘聯接，在標註4的作用下完成與附件銑頭的定位。標註3是附件銑頭松拉刀的快換油接頭。這樣，附件銑頭就可以完成B軸自動分度的工藝要求。這種裝置可以滿足對所有設備的升級改造。功能部件的精度質量、安全可靠性和使用耐磨性決定設備的性價比，只有沉下心積極創新，應用好既有的設備，才能開拓思路為我國裝備事業更上一層樓而努力。

圖15　中間過渡體

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