数控机床万能铣头组合角度计算方法创新

石晓东

(太原重工股份有限公司，山西030032)

为提高大型数控卧式镗铣床、龙门铣床的加工能力，可在机床滑枕端头安装直角铣头、延长铣头、万能铣头等附件，拓展机床可加工的长度、深度和角度范围。万能铣头有两个可调旋转轴，即在机床原X、Y、Z三轴基础上，增加C轴(绕Z轴旋转)和A轴(绕X轴旋转)，通过数控或人工可对两旋转轴的角度进行组合调整，理论上可实现对任意角度的面或孔等的加工[1-2]。对以上两个旋转轴组合角度的准确计算是长期困扰车间生产的工艺难点，以往的计算方法包括查表插补法、公式计算法等[3-4]，调整过程费时，且精度有限，需要利用其它手段对计算结果进行校验，因此迫切需要寻找一种更佳高效、快捷、准确的万能铣头组合角度计算方法。

1 万能铣头分类及特点

按C轴和A轴角度调整的自动化程度分类，分为数控自动调角、手动搬角度两类；按角度调整的定位方式分类，又可分为力矩电机驱动任意角调整、蜗轮蜗杆传动任意角调整、端面齿定位最小角整倍数调整三种。

按万能铣头外形结构分类，分为45°万能铣头、(偏置式)90°万能铣头、音叉式万能铣头三类，三种铣头的优缺点对比见表1。其中，45°万能铣头空间结构紧凑，且传递扭矩较大，因此广泛应用于卧式镗铣床，尤其适合有限空间内的加工作业；90°万能铣头外形结构较大，但角度调整更加直观和灵活，因此主要应用于数控龙门铣床的开放空间作业，可方便实现一次安装中对工件周边5个面的加工；音叉式万能铣头具有结构紧凑和角度调整方便的优点，常见于数控龙门铣床，尤其是4轴或5轴联动龙门铣床，但缺点在于可传递扭矩较小。

表1 常见万能铣头分类及特点Table 1 Classification and features of general universal milling heads

2 万能铣头组合角度常规确定方法

2.1 斜面分类

工件上的斜面分为两类，其中一类是指与坐标平面XY、XZ、YZ的其中一个面垂直，并与另外两个面呈角度的斜面，如图1所示A斜面，简称“单斜面”；另一类指与坐标平面XY、XZ、YZ均呈角度的斜面，如图1所示B斜面，简称“复合斜面”。在加工以上斜面时，为提高加工效率和加工质量，通常将万能铣头的A轴和C轴旋转特定角度，从而使铣刀端面平行于被加工斜面。

(a)单斜面(b)复合斜面

图1 工件上斜面
Figure 1 Various bevels of work piece

1—滑枕连接部 2—C轴旋转部 3—A轴旋转部图2 90°万能铣头的三维模型Figure 2 Three-dimensional model of 90° universal milling head

图3 90°万能铣头各部分的装配及约束关系Figure 3 Assembly and constraints of 90° universal milling head components

图4 铣头各部按约束关系自动旋转Figure 4 Automatic rotation of milling head components with constraints

2.2 单斜面

对于90°万能铣头和音叉式万能铣头，在加工“单斜面”时，仅需将铣头的A轴或C轴旋转相应α或β角即可，简单直观，方便调节。

对于45°万能铣头，在加工“单斜面”时，一般情况下，需根据机床说明书附表，查询相应加工角度对应的两旋转轴的扭转度数，然后进行调整。另外，也可根据文献[3-4]所述方法进行公式计算。总体来说，45°万能铣头角度调整的直观性不如前两种铣头，但仍能满足各种位置“单斜面”的加工。

2.3 复合斜面

对于“复合斜面”，文献[5-6]中提出可采用数控编程分层切削的方法进行加工，这种方法不用调整铣头角度，但缺点是分层切削的加工效率低，且被加工面的粗糙度差，当切削面积较大时，该加工方法的经济性较差。另外，文献[7-10]中提出，利用组合夹具、万能虎钳、斜铁等工装，将被加工件旋转特定角度，从而完成“复合斜面”加工，由于该方法需调整工件的摆放角度，因此仅适合于小型零件生产。

对于大型工件上“复合斜面”的加工，理论上通过调整万能铣头A轴和C轴的旋转角度，可以使刀具的前端面与任意被加工斜面平行，从而提高刀具切削效率和被加工面的光洁度。此时，A轴和C轴旋转角度的计算是工艺难点。

3 万能铣头组合角度创新计算方法

以(偏置式)90°万能铣头为例，A轴和C轴组合角度的计算步骤如下：

(1)忽略内部传动机构，将90°万能铣头的结构简化为滑枕连接部、C旋转轴部和A旋转轴部三部分，然后在三维建模软件中，分别建立铣头各部分的三维模型，连接部分以圆柱和圆形槽进行简化，如图2所示。

(2)在三维软件中，新建90°万能铣头的装配文件，先导入“滑枕连接部”，并固定其位置；然后导入“C旋转轴部”，并约束“C旋转轴部”上端的圆柱与“滑枕连接部”下端的圆形槽同心，再约束两连接面共面，此时“C旋转轴部”可绕“滑枕连接部”中轴线任意旋转；最后，导入“A旋转轴部”，并约束“A旋转轴部”右端的圆柱与“C旋转轴部”左端的圆形槽同心，再约束两连接面共面，此时“A旋转轴部”可绕“C旋转轴部”中轴线任意旋转，如图3所示。

(3)在三维软件中，建立被加工零件的三维模型，然后导入铣头装配文件中，添加被加工面与刀具前端面的平行或共面约束关系，此时，铣头的“A旋转轴部”和“C旋转轴部”自动旋转适应，满足上述约束关系，如图4所示。

(4)利用软件“测量”功能，对“A旋转轴部”和“C旋转轴部”的旋转角度进行测量，从而得出两部分的旋转角度。

当需要计算其它零件上“复合斜面”所对应的铣头旋转角度时，仅需将新零件模型导入铣头装配文件，重新约束和测量即可，方便高效，准确直观。另外，所呈现的铣头模型外观，仅为视觉上接近真实铣头，实际计算时，可以进一步将铣头各部分结构简化为长方体。

4 应用实例及效果

阿赛尔无缝管轧机是重要的单机架无缝管轧制设备，其上、下两部分机架上设计有8处“复合斜面”，用于安装供桶形转鼓转动的铜滑板。8处“复合斜面”面积大，加工精度要求高，且该面上包含键槽、孔等加工要素，因此需严格保证万能铣头组合角度的计算精度。

图4即为该下机架三维模型与铣头模型装配后的状态，通过施加模型约束，最终计算出两组“A旋转轴部”和“C旋转轴部”的旋转角度。利用该方法顺利完成了∅273 mm～∅340 mm系列阿赛尔轧机机架的加工。

该创新方法为大型工件上“复合斜面”的加工提供了便捷的“工具”，并可应用在45°万能铣头“单斜面”的加工中，其显著效益如下：

(1)该方法极大提高了数控机床各种类型万能铣头组合角度的计算效率，降低了计算难度。

(2)通过电脑模拟，可直观显示工件摆放、铣头各部分旋转方向等信息，节省了机床操作人员的识图和铣头调整时间。

(3)通过建立车间不同类型万能铣头的三维模型，可形成设备数字资料库，方便不同类型机床生产需求，便于随时调用。

5 结论

通过建立铣头装配模型，并与被加工件上“复合斜面”进行定位约束的方法，可方便地测量出万能铣头两处旋转轴的旋转角度，该方法计算效率高、直观性好，实际应用效果显著，经济效益良好。