一种多主轴动力头的设计

摘 要：介绍了一种新型结构的多主轴动力头，每个主轴上可安装不同的刀具，可单独伸缩快速移动，单独运转，并且每根主轴的传递力矩和转速独立可调。在数控系统控制下使用此动力头可对机械零件进行多工位、多工序的连续加工，且设备制造成本低，生产效率高。

关键词：多主轴；动力头；多刀具；连续加工

1 设计背景

对机械零件某个部位点、线和面的加工很多情况下需要多把刀具才能完成。通常，在通用机床上是人工更换刀具，换刀时必须重新对刀，效率低，工人劳动强度大，对操作工人的技术要求高；在数控机床上则使用刀库和机械手自动换刀，数控机床成本高，控制复杂，换刀时间长；现在一般使用的传统多轴动力头可提高生产效率，如多孔钻动力头，这种动力头的几个主轴同时进退和旋转，每种动力头的加工对象只能是一种零件的一道工序，零件稍复杂就需要大量的动力头及配套设备才能完成一种零件的加工，其专用性很强，成本高，设备的调试复杂。

针对上述问题，改进设计了一种新型结构的多轴多刀具动力头，每个主轴上可安装不同的刀具（如钻头、丝攻、铰刀、铣刀等），每个主轴均可独立进退，单独转动，转速可调，并且具有力矩保护功能，刀具一次安装后即可进行不同孔位、孔径或不同加工平面的连续加工，当某个主轴在进行加工时其他主轴不会旋转、不会快速移动，。这样，在零件加工过程中，该动力头可以对机械零部件的点、线和面连续进行多工位、多工序的加工，刀具主轴柔性强，当刀具遇到突变阻力时，有一定缓伸，并且刀具转速重新可调。

2 新型多主轴动力头的设计

2.1 设计方案简介

本多主轴动力头设计原理就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。其设计多根刀具主轴，每根主轴一端根据加工需要安装上不同的刀具，另一端则加工成花键轴，主轴装在一主轴套筒活塞内，主轴套筒活塞两端分别装有两对角接触轴承和一个推力球轴承以支承主轴，主轴套筒活塞则装在一多孔主轴箱内，主轴箱的每个安装主轴套筒活塞的孔就是一个油缸，这样，主轴套筒活塞的两端通过液压阀控制分别进油或泄油，就可使主轴套筒活塞带动主轴伸缩。在主轴箱的主轴花键端是一与主轴箱相连的传动箱，传动箱内有与主轴箱的主轴对应的沿圆周方向均匀分布的多个从动齿轮，每个从动齿轮上都装有一带内花键的电磁离合器与主轴的花键相连，在多个从动齿轮的中心装有一主传动齿轮，带动多个从动齿轮旋转，因此，当电磁离合器没有吸合时，从动齿轮空转。当需要使用某根主轴工作时，某根主轴上的电磁离合器通电，主轴旋转，同时，主轴套筒活塞的一端通油（或压缩空气），使主轴套筒活塞伸出，而其他主轴则不会旋转和伸出。改變电磁离合器的通电电流的大小，就可改变该离合器传递力矩的大小。当需要改变某根主轴的转速时，改变电动机的转速，就可改变每个主轴的转速。如果将此动力头安装在一三维工作台上，通过一套NC程序的控制，就可根据需要选择任一主轴上的刀具进行加工，也可很方便地修改任一根主轴的转速、传递力矩。本设计方案可实现每根刀具主轴转速可调并且力矩的大小可控制，每根刀具主轴可单独或同时快速移动，（根据工作需要一般一次一根刀具主轴快速移动），刀具主轴快速移动使刀具接近工件之后，切削进刀由三维工作台运动完成，每根刀具主轴可单独或同时进行加工（一般一次一根刀具主轴工作），在刀具主轴上按要求安装了不同的刀具，把整个动力头安装在一三维工作台上，配上一套NC系统，再按加工需要设计一套自动控制程序，就成为一台多功能的加工设备。

2.2 主要结构

3 结语

本多刀多主轴动力头，属金属切削机床的一个功能部件，其动力头的多根主轴上可安装多种刀具，主轴、主轴套筒活塞装在液压油缸或气缸内，每根主轴由液压油缸或气缸推动作伸缩运动，主轴的转矩由电磁离合器来控制，转速由一调速电动机控制，因此，每根刀具主轴可单独伸缩快速移动，单独运转，并且每根主轴的传递力矩和转速独立可调，将本动力头装在一三维（或四维、五维）工作台上后，通过NC系统控制，就可作为一台加工中心使用，从而可对机械零件的点、线和面进行多工位、多工序的连续加工。实际制造和使用表明，使用此动力头制造的设备比加工中心少了刀库和换刀机构，价格更便宜，而且换刀时间大大减少，效率更高。

参考文献：

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[2]包屹.数控车床动力头功能的应用[J].科技传播，2013（3）：162-163.

[3]赵玉平，徐玉海，王爱平，等.机械加工刀具的未来发展结构性创新研究[J].科技创新导报，2015（10）：107-109.

作者简介：陈继红（1966-），男，湖北云梦人，本科，湖北职业技术学院教授，主要研究机械制造技术及加工工艺等。