两种直角铣头结构的对比分析

刘晓玲， 刘洪海， 江崇民

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

0 引言

直角铣头是大型铣削类机床的一种常用附件头，其主要功能是通过改变机床主轴的加工方向，扩大机床的工艺范围，在落地铣镗床及龙门镗铣床上的应用相当广泛。直角铣头的主轴组件结构对产品的精度、性能等技术指标有较大影响，本文对两种常见结构进行对比分析。

1 两种典型的铣头结构方案

方案一主轴采用前三后二的角接触轴承布局，主轴上的螺旋伞齿轮布置在靠近后支承的位置，如图1所示；方案二采用前二后二的角接触轴承布局，主轴上的螺旋伞齿轮布置在靠近前支承的位置，如图2。

图1 铣头结构方案一

图2 铣头结构方案二

2 功能及其受力分析

2.1 轴承组受力分析

直角铣头主要用来完成平面加工，开槽，钻孔，攻丝、锪窝等功能。其所受轴向力均为从主轴端部指向尾部（向里推主轴）。也就是说，两种方案中的轴向力由前轴承组承担，二者的受力状态基本一样。除上述功能外，直角铣头偶尔还会用到反锪功能，轴向力是由尾部指向头部的情况（向外拉主轴）。在这种工况下，两种方案的受力状态是不同的。方案一中的轴向力由前轴承组中的第三个轴承担负。并通过轴承组将力传递给前端法兰盘。再通过螺钉作用到铣头体上。由于只有1个轴承担负轴向力并通过螺钉作用到铣头体上，因此，在反锪时只能承受较小的反锪力。方案二中，轴向力直接由后轴承组承担，并通过轴承外环直接作用到铣头体上，因此，可以承受较大的反锪力。

2.2 铣头体受力分析

由于方案二中锥齿轮放置到了主轴的前端，这就使得主轴前端面到回转中心线的距离L2要比方案一中L1大很多，在相同切削力的作用下，方案二的铣头体受到的弯矩（垂直平面内）及扭矩（水平面内）要比方案一的大。

3 结构对精度及其稳定性影响

在方案一中，前后轴承组的游隙控制（精度调整）分别通过2个不同的螺母来实现的。前螺母1本身就可以将前轴承组进行预紧，后螺母5则可以对后轴承组进行预紧的同时，还能对锥齿轮3进行轴向锁紧。前轴承组用来承受轴向力，后轴承组则仅起到径向支撑作用。主轴前端定位，后端浮动，当主轴受热时，主轴向后伸长，对刀尖的位置影响不大.

但在方案二中，由于前后轴承组均为2个串联角接触球轴承，前螺母1仅能将前轴承组的内环及锥齿轮3进行轴向锁紧，并不能对前轴承组进行预紧，前后轴承组的预紧均是通过后螺母2来调整的。不能实现分别控制，不易于实现高精度装配。该方案中的前后轴承是两端固定的，前后轴承组分别承受两个不同方向的轴向力，受热时主轴会向两端伸长，会导致轴承组的预紧力变小，预紧刚度下降，旋转精度降低。因此精度保持性较方案一的要差。

4 结构对轴刚度的影响

对于同样内径的前轴承，方案一中主轴的平径直径比方案二中轴的直径大很多，而且从大端到小端的直径变化是渐变的，没有出现截面突然变小的情况，但在方案二中，从前轴承组的支撑轴径到锥齿轮的定位直径却一下要小很多，这是由于方案二中锥齿轮靠近前轴承，如果安装齿轮轴的直径做成与方案一中的一样大，就会导致螺母1与齿轮7相干涉。为避免此类情况发生，只好将这一段直径变小，同样后轴承的直径也会随之变小。这就导致方案二主轴的刚度比方案一要小很多。

5 结构工艺性的优劣

5.1 铣头体的机加工艺性

方案一中铣头体的前后主轴孔为一通孔，加工时两孔可在一道工序中完成，其同轴度易于保证；方案二中铣头体的前后主轴孔为一阶梯孔，两孔的同轴度的加工难度比方案一大得多。

5.2 装配工艺性

如图1，方案一中主轴前轴承组件装配调整好后一起装入铣头体内，然后从铣头体的后部装入锥齿轮3（为方便锥齿轮从后部装入，后轴承孔需要增加一轴承套4来过渡），通过改变调整垫2的厚度来调整好锥齿轮副的啮合间隙，调整合适后，再装入后轴承套4及后轴承并用螺母5锁紧，整个调整过程方便、快捷，易于操作，无需拆卸主轴及前轴承。如图2，方案二中锥齿轮是靠近前轴承组，锥齿轮是与主轴及前轴承组装好后一起从前轴承孔装入（为了能从前端将齿轮装入，前轴承孔需要通过一轴承套来过渡），调整方式有2种，一种是调整锥齿轮与前轴承组之间的隔垫2，每次调整均要将整个主轴组件（包括轴承套）拆下来才能完成，一方面费时费力，另一方面还不利于前轴承组精度的调整。因此，方案二的装配工艺性要比方案一差很多。另一种方式是调整轴承套下面的隔垫6，调整时无需将整个主轴拆下，只需将隔垫6拆下即可，整个主轴组件（包括锥齿轮3）的轴向位置随隔垫6的厚度相应改变，达到调整锥齿轮副啮合间隙的作用。此方法比前一方法要好很多，但由于轴承套4与铣头体的配合公差多为过渡配合或微量过盈配合，因此调整时还是不太方便。

6 结论

方案一的结构无论从精度调整、精度稳定性还是工艺的合理性来讲均要优于方案二。但用于反锪加工时，方案二的结构可承受更大的轴向力。