龙门镗铣床角度铣头的设计

姚 瑶 苗维新

(陕西秦川机械发展有限公司研究院，陕西 宝鸡721009)

角度铣头是一种机床功能部件。大功率、大扭矩角度铣头是数控龙门镗铣床的关键功能部件。据调查，数控龙门镗铣床使用各种附件头加工的时间占机床总加工时间的80%以上。笔者公司制造生产的数控龙门镗铣床配置使用的一直为手动安装、手动分度的角度铣头，机床的加工效率被严重限制。外购全自动高品质的角度铣头成本高，于是决定自行设计全自动角度铣头。

1 角度铣头功能

全自动角度铣头的设计应主要具备以下功能:(1)角度铣头自动交换功能;(2)自动装卸刀具功能;(3)自动清洁功能;(4)角度铣头自动分度功能。

下面以笔者主任设计的两种角度铣头(图1)为例进行说明。

2 关键技术的结构设计

2.1 传动结构

角度铣头主轴3 旋转动力来自机床方枕主轴电动机。主轴电动机驱动方枕主轴，方枕主轴的锥孔为角度铣头心轴锥柄13 的定心孔，两个端面键传递动力到铣头心轴的弧齿锥齿轮1 上，与之啮合的另一弧齿锥齿轮2 带动角度铣头的主轴3 旋转。弧齿锥齿轮不但能够改变动力传递方向，而且传递扭矩大，传动平稳。每个弧齿设计轴向调整环节，以保证装配时调整齿轮的啮合间隙。铣头主轴采用专用精密主轴轴承支撑，精度刚性能够充分保证。

2.2 自动分度结构

在方枕主铣头上增加C 轴功能，使得附件铣头随主轴一同转角度以实现分度定位功能。高精度的端面多齿盘是首选。两个齿数和齿形相同的端面齿盘需要对合而成。其中一个齿盘与方枕连接，固定不动，称为定齿盘15;另一个齿盘固定在角度铣头分度回转盘上，称为动齿盘8。分度转位时，动齿盘8 抬起与定齿盘15 脱开，然后与角度铣头主轴一起转角度。当转至要求角度位置时，两齿盘再对合并压紧。多齿盘啮合后，可获得高的定位精度和重复定位精度。多齿盘的设计齿数为72，最小分度角度为5°，满足角度分度工位要求。

2.3 自动装卸结构

为了适应工件结构的日益多样化及复杂化，多个附件铣头被应用在同一机床上。因此所有附件铣头与滑枕具有相同的连接交换接口。铣头要能够自动地被装夹与拆卸，故主要设计一套可靠的拉紧放松装置及油路分离装置。结合机床方枕结构、方枕主轴安装等工艺特点，设计1 个过渡连接盘16，用螺钉固连在滑枕端面。连接盘四角设计有4 个夹紧油缸装置18、4个油气分离装置17。夹紧油缸装置18 与角度铣头连接盘上的拉钉11 共同实现对角度铣头的拉紧与放松。油气分离装置17 和连接盘上的油气分离装置10 在安装时要准确对接，对接后在角度头内形成畅通的油路和气路。设计该对接结构的技术难点是要克服对接元件的过定位问题。主要是在设计过程中要精准计算相关的尺寸链，控制尺寸公差，其次要设计调整结构，依靠调整措施来解决。

2.4 刀具自动装夹结构

角度铣头主轴3 对刀具的松开/拉紧机构采用液压弹簧装置。当角度铣头与方枕准确夹紧后，松刀油缸的进(出)油路经过油气分离装置10 和17 形成通路。主轴3 需要松开刀具时，电磁阀动作，进油口7 进油，角度铣头主轴内油缸活塞运动，拉杆5 压下碟形弹簧和拉爪4，拉爪张开，刀具锥柄被松开，松刀动作完成。同时，主轴中间吹气，刀具锥孔被自动清洁。当主轴需要拉紧刀具时，电磁阀换向，进油口6 进油，油缸活塞被推回原位，被压缩的碟形弹簧释放，拉爪回复到夹紧状态，刀具被拉紧。碟形弹簧需提供20000 N 的拉紧力。

2.5 辅助装置

如果机床使用方枕立铣头加工时，设计一专用连接板，由油缸夹紧装置自动装夹在过渡连接盘上，作为对固定端齿盘、油路离合装置的保护装置。专用连接板可自动拆卸放置在自动头库上(为了提高不同功能的附件头的交换效率，相应的自动头库是必不可少的)。

3 角度铣头自动装夹交换原理

以45°铣头与90°直角铣头自动交换为例进行说明。

首先将滑枕开到“换头点”上方，角度头传送装置已把空工位(未放置附件头的工位)传送到“换头点”。滑枕移动到“换头点”上方。缓慢下移。90°直角头外壳上的触点压到头库上检测元件，检测元件将信号反馈给系统，系统发指令，电磁阀通电，油缸夹紧装置18执行放松动作，角度头上的拉钉11 被松开。方枕主轴的松刀机构同时松开，在重力作用下，角度铣头被拆卸并放置在头库上。随后方枕主轴上移，传送装置传送45°铣头到“换头点”，方枕主轴定向后下移，方枕主轴锥孔与铣头心轴锥柄对接，铣头上的拉钉与夹紧油缸对接，动齿盘8 与定齿盘15 对合，油路分离装置10 和17 对合，方枕主轴的拉爪拉紧角度铣头心轴锥柄13，同时油缸夹紧装置18 动作，角度铣头上的拉钉11 被拉紧，端齿盘啮合被压紧，油气路接通，至此角度铣头自动交换安装完成。

如要45°铣头分度转角度，电磁阀换向，油缸夹紧装置18 执行松刀动作，角度头连接盘上4 个拉钉11被释放，在重力作用下，角度头分度回转盘上的动齿盘8 与过渡连接盘16 上的定齿盘15 脱开，与连接盘9一起向下滑移，行程约5 mm(一般为两端齿盘刚刚脱开的尺寸，必须小于拉钉完全被拉爪放松的距离尺寸)。动力键14 滑动到旋转法兰盘12 的槽内，分度回转盘通过动力键与旋转法兰连接。此时，连接盘9 上的拉钉处于不完全被放松状态，油气离合装置处于分离状态。随后油缸活塞上的接近开关发讯，主轴电动机开始旋转，角度铣头主轴一起旋转到系统指定角度，接到主轴角度编码器的发讯讯号，主轴电动机停止转动。电磁阀动作，油缸夹紧装置18 完成对角度铣头拉钉的完全拉紧，连接盘9 向上移动，动齿盘和定齿盘对合同时被压紧。油气离合装置完全对合，角度铣头分度完成。

4 制造及调试

在加工制造过程中，工艺要精确保证角度头壳体零件上主要孔的加工精度，即输入轴安装孔与输出主轴安装孔之间的角度精度，一对弧齿锥齿齿面的制造精度，连接盘9 上拉紧装置和油气离合装置安装孔的位置度以及端齿的加工精度等。这些关键零件的加工精度和装配精度是决定角度铣头的角度精度、分度精度、装卸精度的关键因素。

此装卸结构的角度头与机床方枕连接调试很关键。其中角度头的心轴锥柄与方枕主轴的锥孔，油气离合装置的安装孔，夹紧油缸装置的安装孔，动齿盘与定齿盘的啮合间隙是相互制约的。在对接时有严重的过定位问题。加工误差要通过调整环节和修配相关安装面得到修正。联机调试取得的调整零件的修正数据能为随后的设计优化，工艺优化提供可靠的经验数据。

5 结语

本文介绍的角度铣头已经制造、装配调试后使用在笔者公司的龙门镗铣床VMM1850 上，改进完善后在龙门铣车复合加工中心VMT260 上使用。使用结果证明，该结构附件头装卸结构可靠、分度精准，能够进行大扭矩切削，是一款性价比较高的机床附件。