大型数控机床附件铣头设计

大型数控龙门镗铣床，大型立式车铣复合加工中心及数控落地镗铣床是目前制造型企业较为通用的3类大型金属切削设备，主要用于工程机械、矿山机械、
船用柴油机、汽轮机等制造行业的大型基础件的加工。然而重机厂在生产过程中大多数机床都需要配置附件铣头来扩展主铣头的加工范围。所以对龙门镗铣床等
大型金属切削设备来说设计适合不同工况使用的附件铣头是必要的。

l 大型机床附件铣头总体设计理念

根据常用3大类机床的切削特点，附件铣头的使用代表性的是龙门镗铣床。据调查数控龙门镗铣
床使用各种附件铣头加工的时间几乎占机床总加工时间的80％以上。同样当应用立式车铣中心、落地镗铣
床等机床进行加工时，附件镜头也是经常使用的关键部件。尺寸的变化有限；尼龙分隔器，转动惯萤小，起动扭矩小，易于控制角分度；优化预紧力．刚度高，跳动小；线
接触，滚子运转精度高；渗碳钢提供优良的抗冲击力和表面抗磨能力；简单但润滑充分。并且交叉滚子轴承
安装简单，在轴承安装时只需将交叉滚子轴承预紧到推荐的数值，易于调整和按原有安装形式维修，非常适合应用于大型回转工作台等部件。

附件铣头作为机床使用单位的关键部件，设计时一般可以分为两类：
(1)设计通用型附件铣头
目前大型机床制造商所标配的通用型附件铣头一般为直角铣头、伸长铣头和铣头。此类通用型附件铣头一般是由机床生产厂家，根据本厂生产的机床类型及切削性能特点，结合市场调

2 附件铣头设计的一般步骤尽管附件铣头外形变化多样，但无论是龙门镗铣床、立式车铣复合中心还是落地镗铣床，设计它们的附
件铣头时总体可以按照以下步骤进行：附件铣头外形尺寸和性能参数的确定；附件铣头的传动链、主轴设计；液压控制及润滑冷却系统设计；附件铣头的装卸、
运送、定位及转位系统设计；附件铣头与主铣头连接方式设计；附件铣头识别系统设计；附件铣头基础件工艺性设计等。

2．1
附件铣头外形尺寸和性能参数的确定设计通用型附件铣头时，机床制造商需结合所生产该机床的使用性能加工特点来确定基本外形参数和
性能参数，用来保证机床的基本加工要求。设计专用型附件铣头时，生产厂的设计师及工艺
师与使用单位的人员要一起经过研讨，共同确定附件铣头的外形参数和性能参数。同时在设计专用型附件铣头时，设计师应全面考虑，力争使专用型附件铣头具有一定通用性和前瞻性。

2．2附件铣头传动链设计

对于附件铣头设计而言，传动链设计是非常重要的。传动链设计包括主传动链设计和进给传动链设计。附件铣头的传动链构成主要由锥齿轮传动、直齿
轮传动、蜗杆传动、花键联接和键联接等几类常用的机械传动和联接方式组成。

2．2．1附件铣头主传动链设计

任何一种附件铣头设计时都需要根据外形参数、切削参数和主铣头性能参数来设计主传动链。例如通用型直角铣头设计(如图I)，这类直角附件铣头设计
可以使用普通弧齿锥齿轮传动方式进行传动。由于弧齿锥齿轮具备可以改变动力传递方向、传动平稳、传递扭矩大等机械特性，所以在主传动链设计中应用广泛。

一种通用型直角附件铣头外形图
直角附件铣头传动齿数比一般选为l：l。确定传动比后，可以根据设计手册中提供的设计步骤进行齿轮的设计，在确定弧齿锥齿轮的齿数、模数等设计参
数以后，还要注意工艺性设计，如：为每个弧齿锥齿轮设计轴向调整环节，以保证装配时调整齿轮的啮合间隙。(计算部分可查看设计手册在此不再赘述，此例仅供参考)。

2．2．2进给传动链设计
附件铣头进给传动链是伴随着机械五轴附件铣头的出现而出现的，一般采用蜗杆传动和直齿轮传动两种形式，可以按照机床进给系统设计原则结合实际条件进行设计，具体问题具体分析。

2．3附件铣头主轴设计

2．3．1通用型附件铣头主轴设计通用型附件铣头主轴部分空间尺寸一般给定时较为宽裕，所以主轴可以参照数控龙门镗铣床常用的主
轴形式进行设计。设计时需要注意：(1)使主轴设计满足切削功率要求；(2)主轴设计要便于装配；(3)主轴轴向调整定位环节的设计。

2．3．2定制专用型附件铣头主轴设计用户定制专用附件铣头，大多数有条件要求，决定了它们主轴空间位置很可能受到限制，这对附件铣头
主轴设计提出了更高的要求。定制专用型附件铣头主轴设计时一般可以按4步进行设计：

(1)粗选轴径
根据专用附件铣头使用时要求达到的切削功率数值，主轴轴端尺寸和主轴锥孔尺寸这3个参数粗选主轴基本外径。

(2)安全校核
由于机床主轴要求刚度较高，因此在主轴结构设计中对主轴轴颈尺寸安全系数要求较高。所以在附件铣头主轴设计时，要选择较高的安全系数进行校核。

(3)选择轴承
在为专用附件铣头选择主轴轴承时，因为轴颈尺寸选择的轴承一般已经具备了较高的安全系数，因此轴承的选择主要取决于主轴的精度和刚度。

(4)综合设计
在确定主轴最终结构时还需要考虑主轴韵加工工艺性，轴承的轴向调整环节，主轴转速及润滑冷却等问题。

2.4
附件铣头润滑冷却系统设计随着机床主铣头转速越来越高，附件铣头的转速也随之提高，这对附件铣头的润滑冷却提出了更高要
求。在设计时，我们可以根据转速划分润滑冷却形式。对于大型数控机床而言转速一般以2 000 r／min为分界线，当附件铣头输出转速≤2 Ooo r／min时。齿轮和轴承的润滑可以采用油脂润滑，冷却可以采用自然冷
却。当用脂润滑齿轮及传动轴轴承时可以采用普通型润滑脂．一般每3个月填充一次，若润滑脂发黑变脏，应用专用清洗剂清洗干净后更换新的润滑脂。主轴部
分要采用长效高速润滑脂，一般在机床大修周期内不需要维护。同时要注意主轴轴承的密封设计，一般可以按主轴轴承选型样本中推荐的方式进行主轴的密封
设计。大型机床设备所用的附件铣头，结构比较复杂，而且一些功能要与主铣头相配合使用。当附件铣头输
转速>2 000 r／min时，这类附件铣头输出转速较高，所以附件铣头中所用的齿轮可以采用稀油润滑冷却，主
轴轴承可以采用油脂润滑，稀油循环冷却。传动轴可以采用空心轴在轴内部进行稀油循环冷却。
在设计稀油润滑冷却的附件铣头时要根据不同的使用方式和使用效果选择不同类型的润滑油。例如选
择齿轮的润滑冷却油时，根据经验应采用粘度较低的润滑油。附件铣头主轴循环冷却可以和主铣头主轴循
环冷却使用相同牌号的润滑油。润滑油的循环流量等方面都可以与主铣头主轴保持一致。
由于附件铣头所用齿轮密闭在箱体内部，不利于散热。为保证润滑冷却的效果，需要设计供油回油系统。此系统需要单独冷却、单独过滤，从而更好地保证
附件铣头齿轮的润滑冷却效果。如果主铣头行程较长时，这种情况对润滑冷却系统的回油要求就更高。我
们可以增加“接力回油系统”的设计。功能部件端设计二级回油泵，加强吸油能力，以便将润滑冷却油
及时吸回液压箱。

2。5主铣头对附件铣头夹持系统设计

2．5．1 数控龙门镗铣床中主铣头对附件铣头夹持方式当机床需要使用附件铣头进行加工时．要将附件铣头连接到主铣头端面。所以附件铣头设计时，主铣
头对附件铣头的夹持方式也是较为重要的环节。主要有以下几种方式：

(1)螺钉紧固夹持此类夹持结构简单，但基本为手动夹持，主要应用于简易数控龙门镗铣床。

(2)应用旋转油缸夹持系统此类夹持系统，夹持效果稳定，但是结构较为复杂，维修不便。

(3)应用数控刀具夹持系统

目前应用较为普遍的是将数控刀具夹持系统应用于主铣头对附件铣头夹持的方法。这种刀具夹持系统的优点在于夹紧力较大，附件铣头受力情况较好。夹持系统所用零件具备通用性和互换性，方便使用。

2．5．2主铣头对附件铣头夹持方式在其他机床中应用由于立式车铣复合中心所使用的附件铣头与主车铣头联接的受力情况与龙门镗铣床相似，所以也可以
应用数控刀具夹持系统作为夹持方式。而对于落地镗铣床而言，由于主镗铣头为水平放置，附件铣头夹持系统需要承受一定的剪切力，所以可以采用螺钉紧固联接。当前数控落地镗铣床应用较为普遍的夹持方式是
借鉴HSK／CAfrr0等短刀柄刀具夹持系统设计出的，此类夹具可承受一定的剪切力确保附件铣头被拉紧，而且结构简单便于装配。大型数控机床选择什么样的夹持方式，应由附件铣头生产厂家和夹持系统生产厂家针对机床特点进行
沟通选择，以保证夹持的效果，进一步增强机床稳定性和可靠性。

2．6附件铣头传动轴的定位装置设计目前随着加工业的全面自动化，当使用单位要求实现五面加工时，就需要使附件铣头与主铣头间实现
转位功能。当机床加工工件的不同部位时，就需要使用不同的附件铣头，这时机床就要进行附件铣头的更换。设计附件铣头传动轴定位系统来实现附件铣头的自动转位和自动交换功能。

2．7 附件铣头的装卸转位设计
附件铣头转位常用的4种形式如下：

功能都件
(1)手动转位
附件铣头与主铣头*脱开，放在附件铣头支撑架或运输小车上进行转位，转位后再与主铣头联接。这种方法属于附件铣头人工转位，主要在简易龙门镗
铣床等上用。

(2)自动4×90。转位这种转位形式其工作原理较为复杂，由主铣头松拉刀机构和附件头传动轴定向机构配合实现4×900转位。

(3)自动1×3600或0．5×7200转位目前较为常用的形式主要有以下两种

①在主铣头上增加C轴功能，使得附件铣头随主铣头进行转位。这种结构可靠性高，性能稳定，切削功率离。扭矩大。但这种转位形式对主铣头的要求较高，目前国内只有少数大型机床制造商掌握此项技术。

②在附件铣头上增加c轴功能。此类形式设计出的附件铣头结构较为复杂，这种设计．一般会影响附件铣头的刚度，可靠性也随之降低不适合大功率切削，可能会增加用户后期维护成本。．

(4)自动，l×360。连续转位主要应用于五轴加工机床，包含有电动机商驱式五轴附件铣头和机械式五轴附件铣头。直驱式五轴附件铣头主要用于轻型机床；机械式五轴附件铣头一般为分体式设计，主要应用于重型机床。国内关于五轴
附件铣头的研究日趋增多，五轴附件铣头是重型装备制造业的重点需求产品，目前*自主掌握此项技术的国内机床制造商并不多。