用于加工内键槽的数控铣床附件机构设计
2023-8-7 来源：- 作者：潘建新 何文学
摘要：针对普通立式数控铣床不能加工零件内孔轴向键槽的问题，设计了用于加工内键槽的数控铣床附件机构。 介绍了两种附件机构的设计方案与工作原理，将所设计的附件机构与现有立式数控铣床相配合，能够方便地加工出零件内孔轴向键槽，并且加工速度快，效率高，质量好。
关键词：数控铣床 内键槽 加工 附件机构 设计
１、设计背景
普通立式数控铣床安装的立式铣刀只能铣削工件外形轮廓、型腔、槽、平面、曲面，对于齿轮、皮带轮、飞轮等工件的内键槽，却无法铣削，由此限制了立式数控铣床铣削加工的应用范围。
为了解决上述问题，笔者根据现有立式数控铣床主轴端部的结构，设计了一种用于加工工件内键槽的数控铣床附件机构，将只能在竖直方向进刀的立式铣刀改变方向，成为在水平方向也能进刀的立式铣刀，这样可以加工出工件内键槽，满足工件内键槽铣削加工
的需要。
２、方案一
２.１ 结构
方案一为使用直柄立式铣刀的数控铣床附件机构，如图1所示。 在方案一附件机构中，弹性联轴器上半部的顶端采用莫氏锥柄结构，工作时与铣床主轴固连。 弹性联轴器上半部通过弹性体与弹性联轴器下半部相连。 弹性联轴器下半部与主动锥齿轮轴通过平键连接，并由紧固螺母紧固。 主动锥齿轮轴与主动锥齿轮为整体结构。 弹性联轴器下半部、主动锥齿轮轴分别通过上轴承、下轴承安装在上壳体内。 在下壳体内安装从动轴、左轴承、右轴承、从动锥齿轮、锁紧螺母。
从动轴左右两端分别通过左轴承、右轴承安装在下壳体内，从动锥齿轮固定在从动轴上，从动轴左端内孔安装直柄立式铣刀。 下壳体左右两端分别安装盖板和封堵螺母。 主动锥齿轮和从动锥齿轮啮合，上壳体与下壳体通过连接螺栓连接。 上壳体通过连接螺栓与铣床主轴箱的主轴法兰相连，改变连接孔位，可以改变直柄立式铣刀在水平方向上的轴向方位。 将直柄立式铣刀尾部圆柱面的一边磨成一偏平面，套装在从动轴内孔中，并用沉头螺钉紧定。 方案一外形如图 ２ 所示。
２．２ 工作原理
方案一附件机构在壳体内安装有主动锥齿轮轴、主动锥齿轮、从动轴、从动锥齿轮，主动锥齿轮轴通过弹性联轴器与数控铣床输出轴连接，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，从动轴输出端连接直柄立式铣刀，数控铣床输出轴通过两锥齿轮的啮合改变方向，铣刀不再是竖直向下进刀，而是旋转了 ９０°，成为水平横向进刀，这样就可以实现工件内键槽的铣削加工。 方案一的优点为结构合理，能使立式铣刀水平安装，当机床竖直向下运动时，与输出轴相连的附件机构随之向下运动，这样就可以在工件孔内加工竖直方向的键槽。 方案一的缺点为下壳体体积大，只能在工件较大孔径中加工键槽，若孔径小于下壳体外形尺寸，则无法进入孔内加工键槽。 另外，如果键槽尺寸较大，立式铣刀又为锥柄，那么无法将锥柄立式铣刀尾部圆锥面的一边磨成一偏平面，锥柄立式铣刀无法安装固定。
３、方案二
３．１ 结构
方案二为使用锥柄立式铣刀的数控铣床附件机构，如图3所示。 方案二与方案一的不同之处是，将从动轴改为空心轴，从动轴左端做成锥孔，能够安装锥柄立式铣刀。 拉紧螺栓从从动轴右端伸入，将锥柄立式铣刀拉紧固定。
３.２ 工作原理
方案二与方案一的工作原理一致，也是在壳体内安装有主动锥齿轮轴、主动锥齿轮、从动轴、从动锥齿轮，主动锥齿轮轴通过弹性联轴器与数控铣床输出轴连接，主动锥齿轮与从动锥齿轮啮合，从动轴输出端安装铣刀。 数控铣床的输出轴通过两锥齿轮的啮合而改变方向，铣刀不再是竖直向下进刀，而是旋转90°，成为水平横向进刀，这样就可以实现工件内键槽的铣削加工。 方案二的优点是采用锥柄立式铣刀，能够铣削大型工件内键槽，改变方案一只能采用小型直柄立式铣刀的结构，更方便加工大孔径工件中的键槽。 方案二的缺点是下壳体体积大，只能在工件较大孔径中加工键槽，若工件孔径小于下壳体外形尺寸，则无法加工键槽。
４、传动设计
在上述用于加工内键槽的数控铣床附件机构中，联轴器的设计比较简单，可以采用弹性联轴器方案，也可以采用刚性连接方案。 采用刚性连接方案时，可将联轴器的一端做成孔，另一端做成轴，将轴伸入孔中，中间用平键连接。 联轴器只受扭力，设计简单。锥齿轮传动则相对复杂，主要考虑以下六点：①锥齿轮传递的功率大小，以及锥齿轮的转速范围；②采用不同输出轴方式时锥齿的轮受力大小与方向；③锥齿轮轮对的设计寿命；④ 锥齿轮的齿形结构与锥齿轮的材料、热处理、加工精度；⑤ 锥齿轮的齿数与锥齿轮轮对的传动比；⑥ 锥齿轮的冷却润滑方式。
上述六点确定以后，就可以方便地设计出锥齿轮轮对。对于主动轴与从动轴上的轴承，主要基于各轴的受力情况来选择合适的尺寸与型号。
５、应用效果
在确定用于工件内键槽的数控铣床附件机构方案以后，基于笔者单位现有VM850 立式数控铣床的主轴端部外形结构，按方案一设计了一套用于加工内键槽的数控铣床附件机构。
考虑外形尺寸及质量，在设计时不能按VM850 立式数控铣床的全功率负荷来设计附件机构。 考虑密封方便，不能采用润滑油润滑，而是采用锂基润滑脂润滑，转速按1500ｒ／min 来考虑。
按设计图纸制作出用于加工内键槽的数控铣床附件机构，安装直径为14mm 的立铣刀后，对内孔直径为 140mm 的皮带轮内键槽进行加工，效果良好。
来源：
１． 长沙职业技术学院 智能制造工程学院 潘建新
２． 湖南科技职业学院 智能装备技术学院 何文学
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