一种高精度直角铣头结构设计及其温升形变检测*

金 辉 佟 琨 郭志超 喻 鹏

(沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142)

直角铣头作为立式车铣中心、龙门式镗铣中心最常见的附件头，是进行切削加工的最终执行机构，其具有良好结构，较小的温升及形变是机床具有良好加工精度的重要保证。如何减小直角铣头的温升及形变是现代机床的重要研究课题。

本文提供了一种结构紧凑、布局合理、装配方便的直角铣头结构，通过温升及形变的检测证明了该直角铣头结构是具有较小温升及小形变的优良直角铣头结构。

1 高精度直角铣头特点

本文介绍的一种高精度直角铣头，其立轴支撑方式为上端采用两个角接触球轴承串联下端采用3个角接触球轴承串联，上下轴承形成背对背的支撑方式；卧轴前段采用两个角接触球轴承形成背对背支撑方式，后端采用一个深沟球轴承进行支撑，此种轴承布置形式刚性好，可以承受倾覆力矩；另外通过调整内套与外套之间的高度差，使用锁紧螺母对轴承进行预紧，进一步提升了直角铣头的刚性及精度。前端采用迷宫形式进行密封，且有高压气体进入对主轴轴承进行气密封，防止加工时有杂质进入轴承，免使结构损坏。前端具有锥孔吹气功能，在换刀等无刀状态下对主轴结构进行清洁保护。整个直角铣头采用一体式的设计结构，在设计初期即考虑温升及形变对结构的影响，从而保证了具有此结构的直角铣头的精度保持性。

2 高精度直角铣头结构介绍

高精度直角铣头结构如图1所示。卧轴前轴承外套1与卧轴前轴承内套2用于调整前轴承8内外环的高度差并使用前端锁紧螺母9和265 N·m的预紧力对前轴承进行预紧，预紧力通过查询轴承样本得到，两个前轴承采用背靠背的安装方式；前端密封盖3用于对主轴前端密封。

拉刀机构4、与锥孔套5用于刀具拉刀；主轴6为主要旋转零件；前端盖7用于对前端进行密封；上端外轴承套10、上端内轴承套11与立轴支撑套20用于调整立轴轴承19的内外高度差，轴承用上端锁紧螺母13锁紧；上体12为上部主体，上端过渡垫18用于上体与上部连接套14连接，上端密封盖15对上端进行密封；伞齿轮16将立轴旋转传递到卧轴旋转；换头感应装置17用于换头感应；中体21与中体过渡垫22构成中体主体；卧轴后轴承23对卧轴后端进行支撑，卧轴锁紧螺母28对其进行锁紧，后端过渡套24、后端过渡垫25、后端盖26、后端防尘盖29组成卧轴后端结构；内冷接口27用于内冷；后端锁紧螺母30用于锁紧卧轴伞齿轮32；后端过渡垫31用于调整间隙；下体33构成下体主要结构。

拉爪34用于直角铣头与滑枕的结合；刀具松开接口35为刀具松开腔供油；定位键36用于滑枕与直角铣头之间的定位；气密封接口37为轴承前端气密封压缩空气入口； 内冷接口38提供刀具内冷切削液；外冷39切削时提供外冷切削液；刀具夹紧切削液40为刀具夹紧腔供油；锥孔吹气接口41为压缩空气入口。

3 高精度直角铣头温升与形变检测

如图2所示，将直角铣头安装到滑枕上，与滑枕形成一体式结构。分别在直角铣头的前向、后面、顶部、后上位置安装温度传感器，用于检测直角铣头在转动过程中随着时间的推移各部的温升如图3所示；在直铣头的X、Y、Z方向分别设置3个位置传感器用于检测直角铣头在转动过程中，随着时间的推移3个方向的形变如图4所示。测试中主轴最高转速为2 500 r/min，测试时间为从上午07：56至下午15:10。

如图3温升曲线所示，顶部温升最高，其次依次为后上、前向、后向，且4个检测位置都在转速达到2 500 r/min时温度发生阶跃式提高，20 min内温度最大可升高7 ℃。

如图4所示，X轴的最大形变为0.095 mm；Y轴的最大形变为0.033 mm；Z轴的最大形变为0.118 mm。

从试验结果看出该结构的直角铣头具有良好的温升及形变特性，可以保证此结构直角铣头在长时间运行的状况下仍然保持高精度，使其具有稳定的加工能力。

4 结语

本文提供了一种高精度直角铣头结构，由于其结构的合理性，结构设计阶段即考虑了温升对直角铣头的影响，根据轴承要求对轴承采取合理的定压预紧，使整机直角铣头结构具有低温升特性及良好的保持小形变能力。并通过测试验证了直角铣头的温升、形变特性，为以后其他形式或规格的直角铣头设计和其他形式的附件头设计提供参考，由于其具有良好的精度保持性，大大提升了国产机床的整体性能。

[1] 濮良贵.机械设计[M].5版.北京：高等教育出版社，1994.

[2]戴曙.金属切削机床设计[M]. 北京: 机械工业出版社，1991.

[3] 李嵩松.大型数控机床附件铣头设计[J].制造技术与机床，2012(5)：141-146.

[4]王伟.介绍几种附件头联结盘定位装置[J].制造技术与机床，2012(12)：208-209.

[5] 王凯.龙门镗铣加工中心的故障分析与附件头的设计改造[J].煤矿机械，2011，32(4)：182-184.

[6] 张坤.高精度摆角铣头的结构设计研究[J].机械设计与制造，2011(6)：25-27.

[7]倪爱礼.一种龙门加工中心的立卧复合镗铣头设计[J].新产品设计，2007，34(7)：53-54.