加工中心侧铣头结构设计与工艺探讨

丁永朋

（茂名市高级技工学校，广东茂名 525000）

0 引言

现阶段的机械行业在加工环节中所使用的数控龙门铣床设备中的铣头基本都为立式结构，立式铣头的作用是对加工工件进行X向或Y向铣削操作，或者设置有侧铣头来进行Z向运动，缺点在于只能够进行单向的进行给进运动。从重型龙门铣头的角度来看，所加工的工件体积以及重量都较大，在加工过程中难以进行移动，因此单向进给运动的侧铣头并不适合用于大型工件加工。虽然近年来我国的数控机床制造行业在取得了一定的进步，但依旧存在一些问题，因此相关企业需要从创新、自主研发的方面来提高我国机床的整体质量，建立相应的技术研究中心，完善传统加工工艺的不足，加强国际上的合作，从而使得我国的产品生产实现高起点、专业化、实效高的目标。

1 完善侧铣头结构设计工艺的重要性

为了满足重型数控龙门铣床加工工件的功能需求，对可以进行2个方向进给运动的侧铣头结构进行设计是十分重要的，体积大、质量大的大型工件在加工的各类环节中进行多次安装或者移动都十分费力，但是如果侧铣头可以进行横向进给运动以及纵向进给运动，就可以大大减少工件的移动次数，不仅仅省时省力，还可以降低因为移动工件而产生的加工误差。在对建工中心侧铣头的结构进行设计的过程中还可以利用三维软件来进行建模，这样可以提前查出结构设计的不合理之处，从而提前改正。现阶段机械设备加工企业中数控龙门铣床设置有侧铣头的并不常见，即使带有侧铣头也大多是只能进行单向进给运动，如果将一般的龙门铣床与带有侧铣头的设计结构进行结合，则可实现2个方向加工工件，对于结构较为简单的工件来说，可以达到一次性加工的目的，将调整工件位置的时间以及工序省去，同时还能提高工件的安装精度，因此改善加工中心侧铣头结构设计是十分必要的。

2 数控技术的发展趋势

从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，主要研究热点有4个方面。

（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势。效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（International Institution for Production Engineering Research，按法文名称简称CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。高速加工中心进给速度可达80 m/min，甚至更高，空运行速度可达100 m/min。

在加工精度方面，近十年来，普通级数控机床的加工精度已由 10 μm 提高到 5 μm，精密级加工中心则从（3～5）μm，提高到（1～1.5）μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。

在可靠性方面，国外数控装置的MTBF（Mean Time Between Failure，平均无故障时间）已＞6000 h，伺服系统的MTBF值＞30 000 h，表现出非常高的可靠性。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速发展，应用领域进一步扩大。

（2）5轴联合工作和重合工作机床迅猛发展。使用5轴联合加工三维曲面的零件时，可以选用工具最好的图形形状加工切割，它可以使零件光滑度提高，工作效率大大提升。就效率而言，5轴联合机床的工作效率基本与2台3轴的机床不相上下。尤其是在利用立方氮化硼这些硬度很高的铣刀进行工作时，在进行快速铣削淬火件时，5轴联合工作能发挥更高的效益。

电主轴的产生，使5轴联合工作的复合主轴头内部配置得到简化，生产难度大大降低，使数控机床的价格差距减小，从而促使了这些类型机床的发展。

（3）数控系统发展的主要方向是智慧型、互联网交互化。新时代的数控设备将会拥有一定的人工智能，这个方向的内容包含在具体工作运行中的各个层面。如工作效率和工作水平提高方面的智能化；增加驱动功能和运用联系简化方面的智慧化；简单程序与简便人工操作方面的人工智能化；还有智能检测方面的功能等。

（4）重视新技术标准和规范的建立。数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO 6983-2009标准，即采用G，M代码描述如何（How）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO 14649-2015（STEP－NC），其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。

3 侧铣头结构的整体设计方案

图1为侧铣头结构图，为了使侧铣头能够进行双向进给切削，即Z向及X向进给，可以将侧铣头的结构设置成2个部分，第一部分是垂直导轨来用于侧铣刀进行纵向运动，第二部分是水平滑枕来实现侧铣刀的横向运动，分别在这2个结构上装置导轨，因为一般使用双向切削的机床为重型数控龙门铣床，其侧铣头的质量较大，并且在运行过程中侧铣头会受到较大切削力的作用，这就对垂直导轨以及水平滑枕的导轨刚度有了一定的要求，为了保证重型数控龙门铣床加工工件的精度，可选用贴塑滑动式矩形导轨，矩形导轨的刚度高、负荷能力强并且结构简单。传统的滑动导轨摩擦因数大，在应用过程中易出现爬行问题，而选用贴塑方式的优势在于摩擦因数较小，并且抗咬合磨损性能、工艺性能较好，发生爬行的概率小。但是矩形导轨受到磨损后不可以对磨损间隙进行自动补偿，这样会降低定位精度以及加工精度，因此还需要加装导轨主承载面相应的间隙调整装置，可以选用如斜镶条类结构对导轨间隙进行调整。

图1 侧铣头结构

从主轴结构设计的角度来说，电机可以借助联轴器来使得主轴进行运动，还可以使用同步带来达到这个目的，如果重型数控龙门铣床选用的电机功率较大，虽然可以使侧铣头进行进给运动，并且使用联轴器进行连接，但会大大增加侧铣头的体积，加大侧铣头结构的整体质量。如果使用同步带传动结构，可以去除电机的尺寸，将其放置在侧铣头结构之外的位置，可以缩小结构尺寸。从性能角度来看，使用同步带进行传送的效率很高，传动比的准确性也高，从经济环保的角度来看，这种方式能减少原材料的投入，还能降低机械设备运行的噪声。想要使得侧铣头可以进行横向进给运动，可以应用滚珠丝杠螺母副与联轴器进行连接的方式来实现侧铣头的水平滑枕运动，也可以使用滚珠丝杠螺母副与同步带向连接的方式来实现。

第一个方案的缺点在于需要将联轴器与电机安装到水平滑枕的末端，由于使用的电机功率较大、质量较大，会使得水平滑枕的末端负荷加大，这样会导致此装置出现扭矩，对横向给进加工的精度带来不良影响，还会在一定程度上降低其摩擦性能，并且此结构需要的水平滑枕结构尺寸较长，再将电机安装在其末端，会增加数控机床的整体安装空间。

第二种横向进给运动的结构设计方案是将电机安装在竖直导轨的侧面，可以有效增加竖直导轨侧面空间的利用率、降低水平滑枕空间的占用，而垂直导轨要通过带轮箱与电机连接。2个方案都选用滚珠丝杠螺母副的原因在于其摩擦损失较小、运行阻力小、传动效率高，并且动态与静态的摩擦因数差异不大，平稳性较强，在低速时出现爬行的概率低、精度高、使用寿命长。

如果使用第二种方案则要将滚珠丝杠螺母副安装在垂直导轨面，使用丝杠螺母座来连接水平滑枕与滚珠丝杠螺母副，这样才能使得滑枕和导轨之间进行相互运动。加工中心侧铣头的电机可选用交流伺服电机，此类电机占用面积小、结构简单，并且符合经济性原则。从电机维护的角度来看，交流伺服电机没有设置换向器及电刷、稳定性较好，不需要技术人员频繁的检修，与直流伺服电机相比，交流伺服电机不会因火花而限制其运行速度。想要提升侧铣头水平滑枕在X向的定位精确性，可以加装直线光栅尺来对位置进行检测，这样的闭环控制系统可以有效的降低系统的整体定位误差，使得系统的传动误差可以控制在合理的范围内，并且动态性能也会有所提升。缺点在于闭环控制系统的结构复杂，安装工作和投入使用后的调试工作都较为苛刻，并且需要较多费用投入。

4 总结

在对加工中心侧铣头结构进行设计时，要同时考虑到其强度要求以及技术要求，在合理的范围内使得结构尺寸最小化，可以节省原料，将侧铣头结构简单化，还可以大大减少安装人员以及维修人员的工作量，对侧铣头结构进行分析计算可以使设备部件的选择依据更具针对性，从而防止成本浪费。另外，从定位精度上来说，推荐安装直线光栅尺，这样的闭环系统可以提升位置检测结果的精确性。完善加工中心侧铣头结构设计工艺可以有效提高数控龙门铣床的实用性，提升工件尺寸的加工精确度，推动我国机械制造加工行业的发展。