铣头自动交换技术在A/C轴双摆角铣头中的应用*

高秀峰 孙 璐

（①沈阳机床（集团）设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110142;②沈阳铁路局沈阳通信段，辽宁沈阳 110020）

为了适应工件结构的日益多样化及复杂化，具有高柔性的多功能加工中心通常具有一个铣头库及多个附件铣头，如直铣头、加长铣头、直角铣头、角度铣头以及专用铣头等，所有铣头与滑枕具有相同的交换接口，各个铣头之间可以任意交换。随着加工效率的逐渐提高，铣头的自动交换技术已经逐步取代了以往的手动交换技术。

1 A/C轴双摆角铣头

A/C轴双摆角铣头是中、大规格五轴联动加工中心的核心功能部件［1－2］，常用于加工具有复杂曲面的大型精密零部件［3］。为了有效保证待加工工件的加工精度，避免因二次装夹等因素引起的加工误差，通常需要在一台加工中心上完成从粗加工到精加工的全部工序，即现在的机床设计中倡导的“Done in one理念”，这样的加工背景需要A/C轴双摆角铣头应当具有A轴自动交换功能。

如图1所示为意大利JOBS公司生产的铣头库，C轴与主轴动力均内置在滑枕中，铣头库包含1个低速大扭矩A轴、1个高速轻切削A轴以及1个直铣头，3个附件铣头具有相同的交换接口，可以分别与C轴实现自动对接，从而可以实现从粗加工到精加工的全部工序。

2 A轴自动交换技术

如图2所示，A/C轴双摆角铣头的A/C轴自动交换接口包括C轴交换接口与A轴交换接口。

2．1 A轴自动交换原理

如图2所示，A/C轴自动交换接口包括16对液压快接插头、4对电气快接插头、4对拉钉、2个定位销以及1对齿盘，一共5种对接元件。在A轴自动交换时，必须遵循这样一套原理:C轴首先将欲换下的A轴放到铣头库的相应位置上并松开，然后滑枕带动C轴上移并移动到即将换取的A轴正上方，此时，必须保证C轴与A轴所有的对接元件在对接之前的位置一一对应，不允许有错位的现象发生，否则会损坏对接元件;在定位准确之后，滑枕带动C轴缓慢下移开始抓取A轴，在抓取A轴时，C轴与A轴交换接口中对接行程长的元件先对接，对接行程短的元件后对接;当C轴完成抓取A轴时，所有的对接元件同时完成对接。C轴完成抓取A轴后，滑枕带动双摆角铣头上移脱离铣头库，此时，完成了A轴自动交换的全部过程。

2．2 A轴自动交换过程

松开A轴是抓取A轴的逆过程。因此，以下将以抓取A轴为例详细阐述各元件的对接过程。

图3为A/C轴自动交换接口的展开图。由图所示，在A轴交换接口上，定位销的高度高于其他所有的对接元件，原因在于2个夹角为90°的定位销用于抓取A轴时的粗定位。如图4所示，总的对接行程为42 mm，在2个定位销粗定位22 mm后，4对电气快接插头开始对接，并且电气快接公插头在下，电气快接母插头在上，目的是防止液压系统泄漏而流入电气快接插头中;当总行程对接到26.3 mm时，液压快接插头1开始对接，并且液压快接母插头在下，液压快接公插头在上，目的是防止对接过程中液压快接插头对接时产生的泄漏;当总行程对接到32.5 mm时，液压快接插头2开始对接，对接原理与液压快接插头1相同;当总行程对接到38.39 mm时，上下齿盘开始对接用于抓取A轴的精确定位，此时必须保证2个齿盘的齿顶正确对应齿槽，否则会损坏其他对接元件;当总行程对接到42 mm时，液压系统对4个拉钉同时供油，拉钉进油拉紧A轴并自锁，至此完成了抓取A轴的全部过程。

2．3 A轴自动交换的技术难点

A轴自动交换的技术难点主要包括对接元件的过定位问题以及A轴与铣头库的定位问题。

2．3．1 过定位问题

在A轴自动交换的过程中，每一种对接元件均存在径向定位、周向定位与轴向定位，因此，所有的对接元件在对接过程中，都会产生严重的过定位问题，详情如表1所示。

表1 A轴自动交换接口过定位问题

为了解决如表1所示的过定位问题，可以采取如下方法。

（1）粗定位过定位的解决方法有如下2种:一是可以依靠机械加工的手段，保证各零部件的位置精度及尺寸精度应当在其正常工作的允许范围之内;二是可以采用自适应的方法来确定其工作位置，如在设计时可以让电气快接插头在对接过程中通过对自身位置的变动进行自适应调整。

（2）精确定位过定位可以依靠调整措施来解决。如图3所示，可以在C轴与A轴接口之间以及拉钉端盖下方安装调整垫，通过配磨调整垫来实现精确定位的精确调整。但仍然值得注意的是，由于调整垫的调整范围有限，因此，为了减小调整环节的调整量，接口周边结构的尺寸链误差在设计时必须经过精确计算。

2．3．2A轴与铣头库的定位问题

该问题的解决方法有如下2种:

（1）采用一面两销的定位方式。如图1所示，两销可以采用1个圆柱销与1个削边销，近年来，国外某些双摆角铣头厂家通过精密加工的方式，采用2个圆柱销。

（2）采用1个锥孔加4个横销的定位方式。图5为德国Cytec的解决方案，通过在A轴两侧插入4个横销，然后利用主轴锥孔插入到铣头库中心的锥柄上，用以A轴在铣头库中的定位。

3 结语

通过对铣头自动交换技术的深入研究，有效地解决了A/C轴双摆角铣头A轴自动交换的过程中，A轴自动交换的原理、对接元件的对接过程、对接元件的过定位问题以及A轴与铣头库的定位问题。我公司已将该技术成功应用到具有A轴自动交换功能的直驱式A/C轴双摆角铣头MH30fhc产品中，通过样机试制以及对A轴进行自动交换验证，取得了非常满意的效果，充分证明了该技术的正确性与合理性。

［1］林剑峰，闫明，郑鹏，等．直驱式A/C轴双摆角铣头模态分析［J］．机械传动，2010，34（4）:61－63．

［2］林剑峰，闫明，郑鹏，等．直驱式双摆角铣头C轴传动部分有限元分析［J］．机械传动，2010，34（5）:59－61．

［3］Muditha Dassanayake K M，Masaomi Tsutsumi，Akinori Saito．A strategy for identifying static deviations in universal spindle head type multiaxismachining centres［J］． InternationalJournalofMachine tools＆Manufacture，2006，46:1097 －1106．