马洪亮， 王俊峰， 焦建华， 徐宗宇

（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161005）

0 引言

数控重型立式铣车加工中心具有加工精度高、效率高、可自动换刀等特点，是航空航天、船舶、军工、能源、工程机械等领域的关键设备。数控刀架是数控重型立式铣车加工中心的关键核心部件，直接与工件接触，其精度与稳定性是机床的重要技术指标，直接影响工件的加工精度。据统计，数控铣车机床发生的故障约1/4来源于数控刀架[1]。

数控刀架的综合性能在一定程度上反映了一个国家机械制造的技术水平，也体现了数控加工中心的制造能力和水准，并且直接关系到产品加工精度与生产效率。其选用的合理性和综合性能的优劣也会影响数控加工中心的应用效果。数控刀架技术含量较高，对其研究开发已引起了机械加工行业多方面的重视[2]。

1 数控刀架设计

数控重型立式铣车加工中心数控刀架主要由横梁滑座、回转滑座、滑枕、主轴、卡紧体、卡体等部分组成。垂直刀架通过横梁滑座可在横梁导轨上作水平方向运动，完成X轴进给；横梁滑座与回转滑座通过螺栓固定连接；滑枕可在回转滑座内部作垂直方向运动，完成Z轴进给。

数控刀架水平运动为X轴，采用直线导轨；滑枕垂直运动为Z轴，采用滚滑复合导轨。X轴、Z轴均采用交流伺服电动机驱动，Z轴进给电动机带制动器，防止机床断电掉刀，损伤刀架或工件。数控刀架X轴、Z轴可两轴联动，为提高加工精度，两轴均采用全闭环控制，位置检测元件采用高精度光栅尺。

在数控刀架垂直方向以往多采用单平衡油缸平衡滑枕重力，平衡滑枕重力的同时，也带来了问题：滑枕上部一侧受到平衡油缸的支撑力，另一侧悬空，这样平衡油缸支撑力会对滑枕产生倾覆力矩，使滑枕产生一定程度的弯曲变形，影响滑枕精度，进而影响机床加工精度，阻碍了数控刀架精度指标的提高。该数控刀架垂直方向设置双平衡油缸，平衡油缸布置在滑枕左右两侧，同时对滑枕提供支撑力，弯曲力矩相互抵消，改善了滑枕受力状态，解决了单侧平衡油缸附加的倾覆力矩使滑枕弯曲变形而影响加工精度的问题[3]。同时，双平衡油缸平衡滑枕自身重力70%以上，极大地降低了驱动电动机负荷。

数控刀架滑枕内部安装有主轴，滑枕下端安装有卡紧体。主轴由置于滑枕顶端的交流伺服主轴电动机驱动，经减速器、同步带、传动杠等环节，实现主轴的转速范围，传动杠由高精度滚动轴承支撑。

当数控刀架自动换刀时，滑枕内部主轴拉取刀具上的拉钉，卡紧体的卡爪拉紧刀具卡体的卡爪槽，实现刀具的自动抓取。卡紧体带4个油缸，对刀具卡体圆周上4处卡爪槽进行液压卡紧和放松。此结构卡紧力大，能有效地减小切削振动，提高加工精度，主要应用于切削力较大的工况，如重载车削和铣削。

卡紧体与卡体配套使用，常应用于数控重型立式铣车加工中心。卡紧体安装在数控刀架滑枕下端面，卡体安装在不同的刀夹、刀杆或铣头等刀具附件上。数控刀架滑枕通过主轴及卡紧体抓取刀库上的不同刀具附件，实现不停机换刀，完成复杂零件在一台机床上的多工序加工。

为确保数控重型立式铣车加工中心的加工精度，要求每次自动换刀保持高精度，即每次拉刀后刀尖位置不能改变，不同刀具对刀后坐标点要与初始位置保持一致。并且每台数控重型立式铣车加工中心的刀库通常配置多件刀具，甚至几十件刀具，这就要求每件刀具上的卡体制作时具有高精度、良好的互换性和制造一致性等特性。

卡体结构如图1所示，在数控卧式车床、数控磨床，以及数控镗床上完成外锥面及内孔的加工后，需要在五轴加工中心上完成外锥面上4处卡爪槽的铣削加工。卡爪槽加工一直是卡体加工中的关键工序，但由于卡体结构限制，使其加工时装夹变得困难。如果卡体中心无法找正，则加工出的零件将不合格，所以为了将卡体找正，每次都需要消耗工作人员大量的时间，而且找正后卡体固定也是个难点，很容易再次将卡体错位。

图1 卡体结构示意图

2 类似零件的加工方法

卡体结构如图1所示，是典型的在锥面上加工凹槽结构，而在锥面或斜面上加工凹槽历来是机械加工的难点。传统的加工方法是利用斜面、垫块等辅助件调整被加工件，使凹槽所在锥面或斜面处于水平面，然后固定工件及辅助件，再利用铣床进行加工。该方法不仅零件装夹辅助时间长、加工效率低,而且难以保证产品质量,不适合大批量生产[4]。例如：利用普通铣床加工斜面上的凹槽时，可在虎口钳上装夹零件，通过楔块来调整零件斜度，然后夹紧加工。这种方法效率低，而且在夹紧零件时容易造成调整好的精度走失。

为了使零件加工更为便捷和精确，需要被加工零件与机床、刀具的相对位置更为精确，需要对被加工零件进行定位、固定。夹具的设计和使用能够使被加工零件不会因外力或其它因素而影响其稳固性，通过夹具将被加工零件固定，在加工过程中不会出现变形、位移和振动，可以使零件的精度和质量得到有效保证。夹具的主要作用包括：提高机床工作效率；提高零件加工精度；扩大机床应用范围；完成旧机床改造；实现自动化加工[5]。

随着现代制造业对零件加工精度与效率的要求越来越高，夹具设计受到了足够的重视，针对在锥面或斜面上加工凹槽的零件，技术人员设计了专用夹具，在一定程度上解决了加工难题。刘娟桂[6]设计了一种锥面铣槽定位夹具，该夹具底座通过压板固定在机床工作台上，底座侧面带有斜面，通过将被加工零件固定于底座的斜面上，使键槽所在锥面处于水平面，零件定位固定后，可以完成键槽的铣削加工。何彩玉[7]设计了一种锥面多槽孔加工夹具，该夹具根据被加工零件的锥度，将分度盘、固定盘件倾斜一定角度安装，使连接在分度盘上的被加工零件的锥面处于水平面，利用带有斜度的活动夹紧机构将零件夹紧，然后进行锥面槽孔的加工。完成一个槽孔的加工后，松开活动夹紧机构，调整分度盘，进行零件的分度转位，将下一个槽孔的位置调至水平面，然后夹紧零件，再进行槽孔的加工。

上述加工方法都是在铣床上完成的，在一定程度上解决了锥面或斜面凹槽加工的难题，夹具的设计使用一定程度上提高了加工精度与效率。然而随着制造技术的不断提高，机床技术水平的不断进步，五轴加工中心的应用越来越广泛，上述方法已不再适用。尤其是手动调节零件，精度、效率与五轴加工中心不适应；每一次零件的分度转位都需要拆卸一次零件，更是造成了五轴加工中心加工能力的巨大浪费。

3 卡体加工夹具设计

数控重型立式铣车加工中心刀库中包含多件刀具，需要配置多个卡体零件，要求卡体零件不但自身精度要高，而且各零件的精度一致性要好。为完成卡体锥面上4处卡爪槽的加工，必须设计工装夹具，将卡体固定装夹在五轴加工中心工作台上。为保证卡体加工的高精度、高效率，以及卡体之间的良好互换性，要求工装夹具具备精准定位、快速装夹的功能。

本文设计的卡体卡爪槽加工工装夹具结构如图2所示，主要包括底座、压垫、调整垫、定位销、内六角螺钉和手柄。底座上部为圆柱体，其中心开设有销孔，其底部中心设置定位销，底座底部四周为固定连接的法兰盘，法兰盘上开设有用于装夹在工作台上的安装孔。底座上方设置调整垫，调整垫中心同样开设有销孔，周围开设有通孔。在调整垫上方设置压垫，压垫中心安装手柄，压垫周围开设有通孔，压垫的通孔内安装内六角螺钉。

图2 卡体卡爪槽加工工装夹具结构示意图

卡体安装在工装夹具上的装配图如图3所示。卡体置于调整垫上方，卡体底部销轴插入调整垫和底座上的销孔，压垫位于卡体内部，内六角螺钉从垫片上方插入，穿过卡体的安装孔和调整垫的通孔，其螺纹旋入底座内，将卡体固定在工装夹具上。

图3 卡体安装在工装夹具上的装配图

工装夹具底部中心定位销的直径与五轴加工中心工作台中心孔直径相同，便于工装夹具快速、准确地在机床上定位、装夹。压垫直径略小于卡体内径，其上开设的通孔与卡体上的安装孔位置、布局相同，且直径相同。调整垫和底座上开设的销孔的直径与卡体底部销轴直径相同，便于卡体快速、准确地在工装夹具上定位、装夹。

该工装夹具通过定位销定位在工作台中心，通过螺栓把合在工作台上。卡体通过销轴插入销孔在工装夹具上定位，并通过压垫和内六角螺钉与工装夹具固定连接，从而实现卡体卡爪槽的高精度、高效率加工。安装和拆卸时，可通过手柄轻松取出压垫，从而快速拆装卡体。

设计该工装夹具时，摆脱了将锥面调整至水平面的思想束缚，同时避免了手动分度转位的繁琐与不确定性。利用五轴加工中心可以实现锥面上凹槽在任意方位上的机械加工，利用五轴加工中心工作台的精确分度定位功能，配合设计的工装夹具，可以实现锥面上凹槽的定位，精度高、效率高。

4 结语

本文设计了数控重型立式铣车加工中心高精度数控刀架及卡体加工工装夹具，解决了锥面凹槽的加工难题。经实际使用证明，该数控刀架定位精度高，稳定性好；该工装夹具能够快速地将工件定位、固定在工作台上，保证工件中心与机床工作台中心同轴，保证了加工精度，提高了工作效率，降低了工作人员的劳动强度。本文设计的数控刀架已大量配置在公司的机床产品上，市场反馈良好；工装夹具已广泛应用于卡体加工，实际使用效果良好。