带B 轴的车铣头*

轩广进 洪寿福 颜克辉

(中捷机床有限公司，辽宁 沈阳 110142)

上世纪80 年代，数控技术和数控机床成为制造技术的主流之后，相继出现了在一次装夹下对回转体件进行车、铣、钻、镗、攻丝的3 轴(X、Z、C)数控车削中心和可以钻削或铣削偏离回转体件轴心线的孔或槽的带Y 轴控制转塔刀架的4 轴(X、Y、Z、C)复合车削中心。到了90 年代，从车削中心基础上发展起来的5 轴控制(X、Y、Z、B、C)车铣复合加工中心成为热点，因其不仅进一步增加了B 轴控制(使动力刀架绕Y 轴摆动)，可以钻斜孔和铣斜面或用五轴联动功能铣削各种复杂的空间曲面，并且不采用车削中心传统的转塔刀架型式，取而代之以带B 轴的车铣头形式。带B 轴的车铣头的应用极大地扩大了机床的铣削、钻削能力，带B 轴的车铣头是车铣复合加工中心上的核心部件，此部件的有无也是车铣复合加工中心与车削加工中心的区别。

1 带B 轴的车铣头组成、类型、具体应用和生产厂家

1.1 带B 轴的车铣头组成

带B 轴的车铣头包括用于安装刀具的动力主轴和使动力主轴摆动的B 轴，其动力主轴不仅可以安装旋转刀具进行铣、钻等加工，而且要能定向停、锁紧以便安装车刀进行车削加工。能安装车刀进行车削加工是车铣头区别于镗铣头的主要标志。

1.2 带B 轴的车铣头类型

根据安装方式的不同，带B 轴的车铣头可分为底座式(Foot -type Fixing)(图1)和法兰式(Flange -type Fixing)(图2)两种类型。

1.3 带B 轴的车铣头具体应用

底座式带B 轴的车铣头主要应用在平床身+斜床鞍结构(如大隈的Multus B 系列、Mazak 的Integrex IV 系列、EMCO 的Hyperturn MC Plus 系列等)(图3)、斜床身+平床鞍结构(如WFL 的M 系列、沈阳机床的HTM63、80 系列等)(图4)、“山”型床身结构(如大连机床的CHD25)(图5)的卧式车铣复合加工中心上。

法兰式带B 轴的车铣头主要应用在平床身+立柱结构的卧式车铣复合加工中心上(如Mazak 的Integrex e -H Ⅱ、Integrex-i、Integrex -j 系 列、DMG 的CTX TC 系 列、Mori Seiki 的NT 和NTX系列、沈阳机床的HTM40100h 和HTM63150等)(图6)。当然，也可以应用在像威力铭、宝美公司的“山”型床身+立柱结构的小型车铣复合机床上。

底座式和法兰式带B 轴车铣头在立式车铣复合加工中心上均可以应用(如大隈的VTM 系列、Mazak的INTEGREX eⅡV 系列、沈阳机床的VTM6335 等)(图7、图8)。

1.4 带B 轴的车铣头生产厂家

目前，销售带B 轴的车铣头厂家主要有Duplomatic、Weiss、Kessler、Sauter、WMZ。其中Weiss、Kessler、WMZ 仅销售带B 轴车铣头中的动力主轴，不带B 轴，且Kessle 销售的动力主轴不带外壳，需要机床厂家自己制造。上述厂家中，只有Duplomatic 和Sauter 的带B 轴的车铣头规格较齐全，其余的厂家都没有明确的规格，多是在其现有铣削主轴上改制而成，类似于特殊订制，需要与厂家进行技术沟通。Duplomatic 公司的带B 轴的车铣头有底座式和法兰式，而Sauter 公司只有底座式。

WFL、DMG、Mazak 和Mori Seiki 等知名机床厂家为降低车铣复合加工中心的制造成本，基本都是自己生产带B 轴的车铣头，且不对外销售。沈阳机床生产的车铣复合加工中心上所用的带B 轴的车铣头中的动力主轴多数是外购的(仅部分是自己生产的)，但B轴基本都是自己生产的，底座式和法兰式均有。

2 带B 轴车铣头的驱动结构

随着车铣复合加工技术的发展，带B 轴的车铣头技术也在高速发展，很多新技术在其上都有成功应用，比如高速内置式电动机驱动的动力主轴、力矩电动机直接驱动的高刚性高定位精度B 轴。

带B 轴的车铣头的动力主轴有机械式驱动的和电主轴式驱动的两种。目前，各厂家销售的带B 轴的车铣头的动力主轴都是电主轴式驱动的，而机械式驱动的应用较多的是WFL 公司的M 系列卧式车铣复合加工中心，以及沈阳机床的HTM63、80 系列卧式车铣复合加工中心。机械式驱动的一般采用主轴电动机+减速机+1 对伞齿轮+滚珠花键+同步带轮+1 对伞齿轮来传递动力。电主轴式驱动的转速较高，比较适合高速加工，而机械式驱动的扭矩较大，比较适合黑色金属加工。

带B 轴的车铣头的B 轴有伺服电动机+蜗轮蜗杆式驱动的、伺服电动机+减速机式驱动的、伺服电动机+滚子凸轮式驱动的、力矩电动机式驱动的。伺服电动机+蜗轮蜗杆式驱动的、伺服电动机+减速机式驱动的属于早期的结构形式，需要通过消隙机构来减小反向间隙，其B 轴刚性好，驱动力矩大，此结构以WFL 等为代表。伺服电动机+滚子凸轮式的驱动结构，目前主要是在Mazak 的车铣复合加工中心上应用。力矩电动机式驱动的结构，因为是直接驱动，所以不仅减少了传递环节，而且消除了反向间隙，提高了定位精度和动态特性，目前应用越来越广，以Duplomatic、DMG 和Mori Seiki 等为代表。

3 带B 轴车铣头的关键技术

带B 轴车铣头的关键技术包括以下几个方面:

(1)动力主轴锁紧技术。动力主轴的定向停、锁紧是带B 轴车铣头的一个主要要求。在车削过程中，车刀是非旋转刀具，且需保证准确的中心高，要求动力主轴限制原有的旋转自由度，实现准确定向停止。目前常见的锁紧机构为三齿盘锁紧(也有采用锁紧销或者其他锁紧机构的)，由于三齿盘结构在轴向和径向同时定位，限制了6 个自由度，其中5 个自由度超定位，同时动力主轴结构紧凑，空间狭小，故对零件加工精度、装配精度要求非常高，否则容易产生“蹩劲”［1］。

(2)动力主轴卸荷技术。动力主轴具有自动换刀功能，由于打刀力一般在1 000 kN 以上，且是瞬间动作，冲击力很大，对动力主轴轴承有损害。所以需要在一个有限的空间内，卸掉打刀时作用在动力主轴轴承上的载荷，以提高动力主轴的精度和寿命。

(3)高刚性高定位精度的B 轴技术。带B 轴的车铣头的B 轴不仅有任意角度锁紧要求，而且还有固定角度锁紧要求(一般是5°的倍数)，所以在B 轴上需要2 套锁紧机构。固定角度锁紧一般采用三齿盘锁紧机构;任意角度锁紧方法相对较多。对于三齿盘锁紧机构，要重点解决定齿盘与回转支撑轴承的同心问题，消除“蹩劲”，减少对B 轴轴承的附加载荷，以提高B 轴固定角度的锁紧刚性。B 轴无论采用何种驱动方式，都要消隙传动链的间隙，以提高B 轴的定位精度。就此方面而言，力矩电动机的驱动方式较其他方式有一定优势。

(4)油、水、气、线通道。动力主轴要求有主轴定向锁紧、松开，刀具锁紧、松开，刀具内冷、外冷，锥口清洁，主轴电动机(如果是电主轴)循环水冷，轴承气密封、润滑、循环冷却;动力主轴上相关的执行元件要有检测信号。B 轴要求有固定角度锁紧、松开，任意角度锁紧、松开，力矩电动机(如果采用力矩电动机驱动)循环水冷，B 轴轴承气密封，B 轴上相关的执行元件要有检测信号。所以在动力主轴上和B 轴上(动力主轴上的油、水、气、线通道都需要经过B 轴)需要多个油、水、气、线通道，而且要确保通畅、不泄露，以提高带B轴的车铣头的可靠性，这就对带B 轴的车铣头的结构布局和相关件的加工提出了高要求。

4 结语

近些年，在以沈阳机床为代表的国内机床企业在带B 轴的车铣头方面的研究虽然取得了一定的进步和发展，积累了一定的经验和研发能力，但与国际先进水平比较还有较大差距，对一些关键技术(如内置式电动机的刀具动力主轴、大扭矩的机械式刀具动力主轴和力矩电动机驱动的B 轴)虽然已经开始有应用，但是至今没有取得突破性进展，因此还需继续努力。

［1］李宪凯.车铣复合机床五轴头关键技术［J］.设备管理与维修，2005(12):25 -26.