对附件铣头用中心出水结构的研究

徐林波,许荆波,赵岩,蒋文潇,高玉琢,项军波

(宁波海天精工股份有限公司，浙江宁波 315899)

0 前言

附件铣头是数控加工中心的常用配置，附件头配置中心出水功能后，往往因为旋转接头本身质量问题、主轴尾端结构问题等，造成使用可靠性下降，旋转接头漏水会导致主轴部件被淹，给机床使用带来隐患。

旋转接头是将流体介质由固定管道输送到旋转或摆转一个角度的管道、设备中去的流体动密封装置，是机械设备关键的密封基础件。旋转接头安装在主轴尾端，实现主轴中心出水功能，是带中心出水功能主轴的最主要设计方式。

1 数控机床常用主轴中心出水结构

常用的数控机床主轴尾端中心出水结构，是采用分离式的中心出水旋转接头，结构复杂，占用空间大，使用时有渗水的缺点。

见图1，是龙门加工中心带中心出水主轴尾端结构示意，旋转接头包括接头体1、接头体2、浮动套、平衡密封环、碳化钨密封环、导向销、小弹簧、防护套及若干密封圈；接头体1旋紧安装在固定杆上，固定杆用螺钉安装在活塞上，活塞通过打刀油缸和复位油缸油压控制可以实现打刀和复位动作；主轴通过若干轴承架设在主轴箱上(图中未画出)，主轴内孔的拉刀杆通过碟簧弹力拉刀，在打刀油缸进油时，活塞下表面推动拉刀杆实现主轴打刀动作。在不通水时，旋转接头的浮动套上安装的平衡密封环和接头体2上安装的碳化钨密封环不接触，分开一定距离，活塞底部和拉刀杆顶部距离，拉刀杆第二台阶面和压盖内侧面距离，图1所示是主轴带刀具状态，如主轴不带刀具空转状态时，=0，原变为-，变为-，主轴旋转时，活塞不转，所以-这个安全距离要保证，->0；同理，在打刀状态下，=0，距离变成-，因旋转接头自身结构，打刀状态下，浮动套上安装的平衡密封环和接头体2上安装的碳化钨密封环不可接触，所以->0。综上，得出3个距离尺寸的关系式：>>，一般设计中，要求为8～10 mm。

旋转接头的接头体1下端安装有防护套，内部有小弹簧，顶在浮动套底部，浮动套和接头体1之间有两个导向销，浮动套上下滑动，在中心出水功能开启、固定杆尾端进水孔进水的时候，浮动套在水压下顶着弹簧的弹力向下移动，浮动套的平衡密封环和接头体2上的碳化钨密封环接触(见图1)，完成中心出水最关键的密封。

图1 中心出水关键密封结构示意

从此结构可以看出，旋转接头在中心出水功能接通和断开时，浮动套的上下动作会导致部分冷却液泄漏，所以在结构设计中增加了迷宫密封。其中迷宫盖和主轴箱体下端挡水沿构成了主轴尾端的防水结构，主轴箱体下部外侧设有排水孔，保证旋转接头在使用过程中泄漏的冷却液可以顺利排出箱体外，保证主轴的正常使用。

从以上分析可以看出，主轴上常用的这种旋转接头，具有尺寸大、易渗漏的缺点，在附件头上使用此设计，会导致局部尺寸变大、结构臃肿，渗漏的冷却液损害轴承和齿轮等不良影响。

2 普通附件铣头主轴中心出水结构

目前市面上常用的带中心出水自动直角铣头尾端结构见图2，后端盖固定在主轴后轴承座上，后端盖和活塞之间有油缸，通过打刀油缸进油，推动活塞向右运动，推杆上的旋转接头向右运动，完成松刀动作；打刀油缸油压断开，通过固定在主轴后轴承座上的弹簧座内的若干矩形弹簧，使活塞复位，拉杆和旋转接头在碟簧的作用下复位，完成抓刀动作。直角头中的外冷冷却水，通过上箱体的冷却水路，经过传动轴轴承座，进入到下箱体，再通过主轴后轴承座，进入到后端盖，通过进水孔进入到旋转接头，再进入到拉杆，通过刀具中心孔喷射出，完成中心出水功能。

图2 普通附件头中心出水结构

这种带中心出水直角头主轴尾端结构，是国内产品常用设计结构：旋转接头螺纹连接在拉杆上，尾端装在后端盖内；铣头正常加工时，后端盖进水孔进水时，旋转接头右侧旋转端随拉杆、主轴一起做高速旋转运动；铣头打刀时，打刀油缸进油，推动活塞向右运动，顶住拉杆上安装的锁紧螺母，进而带动拉杆上安装的旋转接头向右运动，完成打刀动作；打刀动作完成后，打刀油缸油压归零，活塞在矩形弹簧作用下复位，拉杆在碟簧作用力下向左运动，带动旋转接头复位。此种结构有3个缺点：

(1)旋转接头要求安装精度高、同轴度要好；旋转接头头部通过螺纹安装在拉杆上，旋转接头尾部安装在后端盖中心孔内，拉杆安装面的垂直度、拉杆与后端盖的同轴度要求都高，并且拉杆动平衡要求也高；加工和装配稍有缺陷会导致旋转接头损坏，旋转接头此种安装方式也限制铣头主轴的最高转速。

(2)旋转接头往复运动，使用可靠性低；旋转接头随拉杆在打刀/松刀时一起往复动作，对旋转接头尾端较大直径的密封圈造成磨损，对旋转接头的可靠性造成较大影响。

(3)此旋转接头没有卸水孔，可靠性低，一旦漏水会损坏铣头轴承和齿轮。

3 全新附件铣头主轴中心出水结构

针对上述问题，本文作者介绍一种全新的铣头中心出水结构，如图3所示。此结构可以应用在AB摆头、AC摆头、直角铣头、万能铣头等带中心出水功能的附件铣头主轴上，在使用过程中，主轴可摆动至任意角度使用。图3按立式使用示例：主轴通过前后轴承座及配套轴承架设在主轴箱内，传动齿轮通过对键安装在主轴后端(图中未画出)，主轴内部设有拉杆、碟簧、挡环和打刀螺母等零件，后轴承座内部安装有弹簧座；弹簧座内装有若干弹簧，后轴承座上端安装有后端盖，后端盖和弹簧座之间装有打刀活塞，打刀活塞和后端盖之间设有打刀油缸，打刀液压油从主轴箱经后轴承座打刀油路进入打刀油缸，推动打刀活塞下压打刀螺母，带动拉杆下移，完成打刀动作；打刀液压油压力释放，小弹簧推动打刀活塞上移，拉杆和打刀螺母在碟簧作用下复位，完成抓刀动作。

此处采用全新结构的旋转接头，旋转接头外壳体通过若干顶丝安装在尾端盖上，防水盖安装在拉杆尾端，旋转接头旋转轴尖嘴插入拉杆尾端孔中，通过旋转轴尖嘴前端两个O形圈密封；旋转轴上驱动柄有两个扁口，和拉杆上端固定的防水盖内孔相适配；在附件头主轴旋转时，拉杆带动防水盖及旋转接头驱动柄一起旋转。在附件头打刀动作时，拉杆和防水盖向下运动，旋转接头整体保持不动，旋转轴前端O形圈不会从拉杆尾端孔中脱开。此处设计，拉杆尾端孔和旋转接头尖嘴轴之间有间隙，使旋转接头中心和拉杆中心同心度要求降低。旋转接头尾端通过两个定心孔安装在尾端盖中心，对比图3旋转接头螺纹连接在拉杆上，新结构的旋转接头中心和拉杆中心对同心度要求较之前可放宽3～5倍，可大幅提升旋转接头可靠性和使用寿命。

图3 改进的附件铣头中心出水结构

此处结构设有两层排水结构：第一层，旋转接头尾端有排水孔路，接通至尾端盖上的排水孔，可排出少量冷却液，确保旋转接头正常使用；第二层，防水盖下侧设有导水沿，后端盖内侧设有挡水沿，此处有一定蓄水空间，旋转接头发生渗水时，在旋转接头旋转轴和外壳体之间的轴承处会有冷却液流下，可通过后端盖若干排水孔导出箱体外。

旋转接头使用时有少量切削液从排水孔流出，这是正常的，在第二层排水结构处发现渗水，就需要及时检修和更换旋转接头了。旋转接头一旦故障漏水，漏水量就会很大，冷却液进入主轴、轴承处，整个主轴箱体部件就需拆卸检修。新结构采用二层防水，尤其是第二层处，可把压力大、流量大的冷却液及时导出箱体，保证了泄漏冷却液不会进入主轴，只需更换旋转接头一个零件即可。

4 结语

文中的附件头用中心出水主轴部件，通过改进旋转接头的结构设计、更改旋转接头在附件头尾端的安装方式，使旋转接头不会随附件头打刀动作做往复运动，从而提升了旋转接头的可靠性；通过设计多层排水结构，保证了在旋转接头渗漏的情况下，泄漏的冷却液能顺利排出附件头体外。

该部件目前已经成功应用在某公司自动直角头和自动万能头上，使直角头和万能头具备了最大压力5 MPa的主轴中心出水功能(见图4、图5和图6)。产品试制后通过长时间跑合测试，性能稳定，在客户现场反复验证，可靠性好，得到了市场认可和客户的一致好评。目前，带中心出水附件铣头是该公司主推的功能选项，提升了产品的市场竞争力。

图4 直角头5 MPa中心出水应用(一)

图5 直角头5 MPa中心出水应用(二)

图6 直角头5 MPa中心出水应用(三)