帶B 軸的車銑頭*

軒廣進 洪壽福 顏克輝

(中捷機床有限公司，遼寧 沈陽 110142)

上世紀80 年代，數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床成為制造技術(shù)的主流之后，相繼出現(xiàn)了在一次裝夾下對回轉(zhuǎn)體件進行車、銑、鉆、鏜、攻絲的3 軸(X、Z、C)數(shù)控車削中心和可以鉆削或銑削偏離回轉(zhuǎn)體件軸心線的孔或槽的帶Y 軸控制轉(zhuǎn)塔刀架的4 軸(X、Y、Z、C)復合車削中心。到了90 年代，從車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來的5 軸控制(X、Y、Z、B、C)車銑復合加工中心成為熱點，因其不僅進一步增加了B 軸控制(使動力刀架繞Y 軸擺動)，可以鉆斜孔和銑斜面或用五軸聯(lián)動功能銑削各種復雜的空間曲面，并且不采用車削中心傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔刀架型式，取而代之以帶B 軸的車銑頭形式。帶B 軸的車銑頭的應用極大地擴大了機床的銑削、鉆削能力，帶B 軸的車銑頭是車銑復合加工中心上的核心部件，此部件的有無也是車銑復合加工中心與車削加工中心的區(qū)別。

1 帶B 軸的車銑頭組成、類型、具體應用和生產(chǎn)廠家

1.1 帶B 軸的車銑頭組成

帶B 軸的車銑頭包括用于安裝刀具的動力主軸和使動力主軸擺動的B 軸，其動力主軸不僅可以安裝旋轉(zhuǎn)刀具進行銑、鉆等加工，而且要能定向停、鎖緊以便安裝車刀進行車削加工。能安裝車刀進行車削加工是車銑頭區(qū)別于鏜銑頭的主要標志。

1.2 帶B 軸的車銑頭類型

根據(jù)安裝方式的不同，帶B 軸的車銑頭可分為底座式(Foot -type Fixing)(圖1)和法蘭式(Flange -type Fixing)(圖2)兩種類型。

1.3 帶B 軸的車銑頭具體應用

底座式帶B 軸的車銑頭主要應用在平床身+斜床鞍結(jié)構(gòu)(如大隈的Multus B 系列、Mazak 的Integrex IV 系列、EMCO 的Hyperturn MC Plus 系列等)(圖3)、斜床身+平床鞍結(jié)構(gòu)(如WFL 的M 系列、沈陽機床的HTM63、80 系列等)(圖4)、“山”型床身結(jié)構(gòu)(如大連機床的CHD25)(圖5)的臥式車銑復合加工中心上。

法蘭式帶B 軸的車銑頭主要應用在平床身+立柱結(jié)構(gòu)的臥式車銑復合加工中心上(如Mazak 的Integrex e -H Ⅱ、Integrex-i、Integrex -j 系 列、DMG 的CTX TC 系 列、Mori Seiki 的NT 和NTX系列、沈陽機床的HTM40100h 和HTM63150等)(圖6)。當然，也可以應用在像威力銘、寶美公司的“山”型床身+立柱結(jié)構(gòu)的小型車銑復合機床上。

底座式和法蘭式帶B 軸車銑頭在立式車銑復合加工中心上均可以應用(如大隈的VTM 系列、Mazak的INTEGREX eⅡV 系列、沈陽機床的VTM6335 等)(圖7、圖8)。

1.4 帶B 軸的車銑頭生產(chǎn)廠家

目前，銷售帶B 軸的車銑頭廠家主要有Duplomatic、Weiss、Kessler、Sauter、WMZ。其中Weiss、Kessler、WMZ 僅銷售帶B 軸車銑頭中的動力主軸，不帶B 軸，且Kessle 銷售的動力主軸不帶外殼，需要機床廠家自己制造。上述廠家中，只有Duplomatic 和Sauter 的帶B 軸的車銑頭規(guī)格較齊全，其余的廠家都沒有明確的規(guī)格，多是在其現(xiàn)有銑削主軸上改制而成，類似于特殊訂制，需要與廠家進行技術(shù)溝通。Duplomatic 公司的帶B 軸的車銑頭有底座式和法蘭式，而Sauter 公司只有底座式。

WFL、DMG、Mazak 和Mori Seiki 等知名機床廠家為降低車銑復合加工中心的制造成本，基本都是自己生產(chǎn)帶B 軸的車銑頭，且不對外銷售。沈陽機床生產(chǎn)的車銑復合加工中心上所用的帶B 軸的車銑頭中的動力主軸多數(shù)是外購的(僅部分是自己生產(chǎn)的)，但B軸基本都是自己生產(chǎn)的，底座式和法蘭式均有。

2 帶B 軸車銑頭的驅(qū)動結(jié)構(gòu)

隨著車銑復合加工技術(shù)的發(fā)展，帶B 軸的車銑頭技術(shù)也在高速發(fā)展，很多新技術(shù)在其上都有成功應用，比如高速內(nèi)置式電動機驅(qū)動的動力主軸、力矩電動機直接驅(qū)動的高剛性高定位精度B 軸。

帶B 軸的車銑頭的動力主軸有機械式驅(qū)動的和電主軸式驅(qū)動的兩種。目前，各廠家銷售的帶B 軸的車銑頭的動力主軸都是電主軸式驅(qū)動的，而機械式驅(qū)動的應用較多的是WFL 公司的M 系列臥式車銑復合加工中心，以及沈陽機床的HTM63、80 系列臥式車銑復合加工中心。機械式驅(qū)動的一般采用主軸電動機+減速機+1 對傘齒輪+滾珠花鍵+同步帶輪+1 對傘齒輪來傳遞動力。電主軸式驅(qū)動的轉(zhuǎn)速較高，比較適合高速加工，而機械式驅(qū)動的扭矩較大，比較適合黑色金屬加工。

帶B 軸的車銑頭的B 軸有伺服電動機+蝸輪蝸桿式驅(qū)動的、伺服電動機+減速機式驅(qū)動的、伺服電動機+滾子凸輪式驅(qū)動的、力矩電動機式驅(qū)動的。伺服電動機+蝸輪蝸桿式驅(qū)動的、伺服電動機+減速機式驅(qū)動的屬于早期的結(jié)構(gòu)形式，需要通過消隙機構(gòu)來減小反向間隙，其B 軸剛性好，驅(qū)動力矩大，此結(jié)構(gòu)以WFL 等為代表。伺服電動機+滾子凸輪式的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，目前主要是在Mazak 的車銑復合加工中心上應用。力矩電動機式驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，因為是直接驅(qū)動，所以不僅減少了傳遞環(huán)節(jié)，而且消除了反向間隙，提高了定位精度和動態(tài)特性，目前應用越來越廣，以Duplomatic、DMG 和Mori Seiki 等為代表。

3 帶B 軸車銑頭的關(guān)鍵技術(shù)

帶B 軸車銑頭的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面:

(1)動力主軸鎖緊技術(shù)。動力主軸的定向停、鎖緊是帶B 軸車銑頭的一個主要要求。在車削過程中，車刀是非旋轉(zhuǎn)刀具，且需保證準確的中心高，要求動力主軸限制原有的旋轉(zhuǎn)自由度，實現(xiàn)準確定向停止。目前常見的鎖緊機構(gòu)為三齒盤鎖緊(也有采用鎖緊銷或者其他鎖緊機構(gòu)的)，由于三齒盤結(jié)構(gòu)在軸向和徑向同時定位，限制了6 個自由度，其中5 個自由度超定位，同時動力主軸結(jié)構(gòu)緊湊，空間狹小，故對零件加工精度、裝配精度要求非常高，否則容易產(chǎn)生“蹩勁”［1］。

(2)動力主軸卸荷技術(shù)。動力主軸具有自動換刀功能，由于打刀力一般在1 000 kN 以上，且是瞬間動作，沖擊力很大，對動力主軸軸承有損害。所以需要在一個有限的空間內(nèi)，卸掉打刀時作用在動力主軸軸承上的載荷，以提高動力主軸的精度和壽命。

(3)高剛性高定位精度的B 軸技術(shù)。帶B 軸的車銑頭的B 軸不僅有任意角度鎖緊要求，而且還有固定角度鎖緊要求(一般是5°的倍數(shù))，所以在B 軸上需要2 套鎖緊機構(gòu)。固定角度鎖緊一般采用三齒盤鎖緊機構(gòu);任意角度鎖緊方法相對較多。對于三齒盤鎖緊機構(gòu)，要重點解決定齒盤與回轉(zhuǎn)支撐軸承的同心問題，消除“蹩勁”，減少對B 軸軸承的附加載荷，以提高B 軸固定角度的鎖緊剛性。B 軸無論采用何種驅(qū)動方式，都要消隙傳動鏈的間隙，以提高B 軸的定位精度。就此方面而言，力矩電動機的驅(qū)動方式較其他方式有一定優(yōu)勢。

(4)油、水、氣、線通道。動力主軸要求有主軸定向鎖緊、松開，刀具鎖緊、松開，刀具內(nèi)冷、外冷，錐口清潔，主軸電動機(如果是電主軸)循環(huán)水冷，軸承氣密封、潤滑、循環(huán)冷卻;動力主軸上相關(guān)的執(zhí)行元件要有檢測信號。B 軸要求有固定角度鎖緊、松開，任意角度鎖緊、松開，力矩電動機(如果采用力矩電動機驅(qū)動)循環(huán)水冷，B 軸軸承氣密封，B 軸上相關(guān)的執(zhí)行元件要有檢測信號。所以在動力主軸上和B 軸上(動力主軸上的油、水、氣、線通道都需要經(jīng)過B 軸)需要多個油、水、氣、線通道，而且要確保通暢、不泄露，以提高帶B軸的車銑頭的可靠性，這就對帶B 軸的車銑頭的結(jié)構(gòu)布局和相關(guān)件的加工提出了高要求。

4 結(jié)語

近些年，在以沈陽機床為代表的國內(nèi)機床企業(yè)在帶B 軸的車銑頭方面的研究雖然取得了一定的進步和發(fā)展，積累了一定的經(jīng)驗和研發(fā)能力，但與國際先進水平比較還有較大差距，對一些關(guān)鍵技術(shù)(如內(nèi)置式電動機的刀具動力主軸、大扭矩的機械式刀具動力主軸和力矩電動機驅(qū)動的B 軸)雖然已經(jīng)開始有應用，但是至今沒有取得突破性進展，因此還需繼續(xù)努力。

［1］李憲凱.車銑復合機床五軸頭關(guān)鍵技術(shù)［J］.設(shè)備管理與維修，2005(12):25 -26.