数控机床万能铣头组合角度计算方法创新

《中国重型装备》CHINAHEAVYEQUIPMENT
No.4 November2019
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t制造工艺i
数控机床万能v头组合角度计算方法创新
石晓东
（太原重工股份有限公司，山西030032）
摘要:对数控机床常用万能铳头组合角度的“单斜面”和“复合斜面”的常规加工方法进行了研究,创新性地提出通过建立铳头装配模型，与被加工件上“复合斜面”进行定位约束的方法,较好地解决了万能铳头两处旋转轴组合角度的计算问题。

关键词:数控加工;万能铳头;复合斜面;三维建模
中图分类号:TH16文献标志码:A
Calculation Method Innovetion of Combined Angle
for Numerical Control Machine Universal Mitling Head
Shi Xiaodong
Abstract:General machining process of the single bevel and the composite bevel by numerical control machine universae milling head combined angle have been researched,furthermore positioning constraints of the composite bw-el on machining part has been put forward by establishing milling head assembled modee,which solved well calcule-tion issue of two rotating shafts combined angle for universal milling head.
Key wordt:numerical control machining;universr 为提高大型数控卧式镇铳床、龙门铳床的加工能力，可在机床滑枕端头安装直角铳头、延长铳头、万能铳头等附件，拓展机床可加工的长度、深度和角度范围。

万能铳头有两个可调旋转轴，即在机床原X、Y、Z三轴基础上，增加C轴（绕Z轴旋转）和A轴（绕X轴旋转），通过数控或人工可对两旋转轴的角度进行组合调整,理论上可实现对任意角度的面或孔等的加工口亠打对以上两个旋转轴组合角度的准确计算是长期困扰车间生产的工艺难点,以往的计算方法包括查表插补法、公式计算法等］,调整过程费时，且精度有限，需要利用其它手段对计算结果进行校验，因此迫切需要寻找一种更佳高效、快捷、准确的万能铳头组合角度计算方法。

1万能v头分类及特点
按C轴和A轴角度调整的自动化程度分类,分为数控自动调角、手动搬角度两类;按角度调整的定位方式分类，又可分为力矩电机驱动任意角调整、蜗轮蜗杆传动任意角调整、端面齿定位最小角整倍数调整三种。

按万能铳头外形结构分类，分为45。

万能铳头、（偏置式）90。

万能铳头、音叉式万能铳头三类,三种铳头的优缺点对比见表1。

其中,45。

万
收稿日期:2019-04-02
作者简介:石晓东（1987-），男，硕士,工程师，主要从事轧钢设备生产工艺研究。

milling head;composite bevee;three-^11638103x1modeling
能铳头空间结构紧凑，且传递扭矩较大，因此广泛应用于卧式镇铳床,尤其适合有限空间内的加工作业;90。

万能铳头外形结构较大,但角度调整更加直观和灵活，因此主要应用于数控龙门铳床的开放空间作业，可方便实现一次安装中对工件周边5个面的加工;音叉式万能铳头具有结构紧凑和角度调整方便的优点,常见于数控龙门铳床，尤其是4轴或5轴联动龙门铳床，但缺点在于可传递扭矩较小。

表1常见万能铳头分类及特点
Table1ClassiUcation and featuret oU
general universal mUling heads
45。

万能铳头90。

万能铳头音叉式铳头
机械结构复杂度一般一般复杂
可传递扭矩大小大大小
空间结构紧凑性好差好
角度调整方便性差好好
2万能V头组合角度常规确定方法
2.1斜面分类
工件上的斜面分为两类，其中一类是指与坐标平面XY、XZ、YZ的其中一个面垂直，并与另外两个面呈角度的斜面，如图1所示A斜面，简称“单斜面”；另一类指与坐标平面XY、XZ、YZ均呈角度的斜面，如图1所示B斜面，简称“复合斜面”。

在加工以上斜面时，为提高加工效率和加工质量，通常将万能铳头的A轴和C轴旋转特定角度，从而使铳刀端面平行于被加工斜面。

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Figure 1 Various beveis of work piecc
1—滑枕连接部2—C 轴旋转部3—A 轴旋转部
图2 90。

万能铳头的三维模型
Figur 2 Three-dimensionai model of
90。

universal milling head
图3 90。

万能铳头各部分的装配及约束关系
Figur 3 Assembly and constraints of 90° universai milling head component
图4铳头各部按约束关系自动旋转
Figur 4 Automatic rotation of milling head componenrs
with constraints
2.2单斜面
对于90。

万能铳头和音叉式万能铳头,在加 工“单斜面”时,仅需将铳头的A 轴或C 轴旋转相 应™或P 角即可，简单直观，方便调节。

对于45。

万能铳头,在加工“单斜面”时，一般 情况下,需根据机床说明书附表,查询相应加工角 度对应的两旋转轴的扭转度数，然后进行调整。

另外,也可根据文献［3 -4］所述方法进行公式计 算。

总体来说,45。

万能铳头角度调整的直观性不 如前两种铳头，但仍能满足各种位置“单斜面”的 加工。

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2.3复合斜面
对于“复合斜面”，文献［5 -6］中提出可采用 数控编程分层切削的方法进行加工，这种方法不 用调整铳头角度，但缺点是分层切削的加工效率 低，且被加工面的粗糙度差，当切削面积较大时, 该加工方法的经济性较差。

另外，文献［7 -10］ 中提出，利用组合夹具、万能虎钳、斜铁等工装，将
被加工件旋转特定角度，从而完成“复合斜面”加 工，由于该方法需调整工件的摆放角度，因此仅适 合于小型零件生产。

对于大型工件上“复合斜面”的加工,理论上 通过调整万能铳头A 轴和C 轴的旋转角度，可以 使刀具的前端面与任意被加工斜面平行,从而提 高刀具切削效率和被加工面的光洁度。

此时,A 轴和C 轴旋转角度的计算是工艺难点。

3万能V 头组合角度创新计算方法
以(偏置式)90。

万能铳头为例,A 轴和C 轴 组合角度的计算步骤如下：
(1) 忽略内部传动机构，将90。

万能铳头的结 构简化为滑枕连接部、C 旋转轴部和A 旋转轴部 三部分，然后在三维建模软件中,分别建立铳头各 部分的三维模型，连接部分以圆柱和圆形槽进行 简化，如图2所示。

(2) 在三维软件中，新建90。

万能铳头的装配 文件，先导入“滑枕连接部”，并固定其位置;然后 导入“C 旋转轴部”，并约束“C 旋转轴部”上端的 圆柱与“滑枕连接部”下端的圆形槽同心,再约束 两连接面共面，此时“C 旋转轴部”可绕“滑枕连 接部”中轴线任意旋转；最后，导入“A 旋转轴 部”，并约束“ A 旋转轴部”右端的圆柱与“C 旋转 轴部”左端的圆形槽同心，再约束两连接面共面, 此时“A 旋转轴部”可绕“ C 旋转轴部”中轴线任 意旋转，如图3所示。

(3) 在三维软件中，建立被加工零件的三维 模型，然后导入铳头装配文件中,添加被加工面与 刀具前端面的平行或共面约束关系，此时，铳头的 “A 旋转轴部”和“C 旋转轴部”自动旋转适应，满 足上述约束关系，如图4所示。

(4) 利用软件“测量”功能，对“A 旋转轴部” 和“C 旋转轴部”的旋转角度进行测量，从而得岀 两部分的旋转角度。

当需要计算其它零件上“复合斜面”所对应
的铳头旋转角度时,仅需将新零件模型导入铳头
装配文件,重新约束和测量即可，方便高效,准确
直观。

另外，所呈现的铳头模型外观，仅为视觉上
接近真实铳头,实际计算时,可以进一步将铳头各
部分结构简化为长方体。

(下转第61页
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员和进入施工现场人员必须佩带安全帽,无关人员严禁进入施工现场。

(4)作业前，认真检查SPMT小车是否运转正常。

(5)通讯保持通畅良好，对运输指挥及相关人员做好安全技术交底。

(6)提前安排对道路考察，对临时场地进行承载力测试,确保大件运输车辆驳运安全。

(7)工作区域须拉好警戒线,保证无关车辆及人员不进入警戒区域。

施工人员与主梁小车保持安全距离。

6结语
随着造船行业的快速发展，大型门式起重机的主梁结构尺寸越来越大,其运输组装的难度也越来越复杂,根据主梁运输的要求，选取两种运输方案进行对比分析，最终选用多台载重250t的八轴线自行式模块运输车进行联合运输，解决了主梁前后两次转运，一次对接的重大运输组装问题。

通过本次运输实践表明：
(1)SPMT小车的联合运输承载能力大，完全适用于大型造船门式起重机的结构件的运输。

(2)相较于其他运输设备,SPMT小车组合方便(可进行多种方式的横向与纵向组合拼接)，运输效率高，对运输场地(道路)的要求较低。

(3)SPMT小车操作灵活、准确，精度高，可实现对主梁总段的定位与对接合拢，运输就位方便。

(4)运用SPMT小车运输，可实现门式起重机主梁等大型结构件异地建造组装,改变了原有的基础先施工，设备结构后进场，总组施工最后再进行吊装的顺序,大大缩短了项目的整体建造工期,也给大型造船门式起重机的结构件异地总组、转场吊装提供了一种新的方法。

参考文献
[1]张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册[M].
北京：中国铁道出版社，1997.
[2]全国起重机械标准化技术委员会.GB/3811—2008起重
机设计规范[S].中国标准出版社，2008：10.
[3]全国起重机械标准化技术委员会.GB6067.1—2010起
重机械安全规程第1部分总则[S].中国标准出版社，
2010：9.
(上接第54页)
4应用实例及效果
阿赛尔无缝管轧机是重要的单机架无缝管轧制设备，其上、下两部分机架上设计有8处“复合斜面”，用于安装供桶形转鼓转动的铜滑板。

8处“复合斜面”面积大，加工精度要求高，且该面上包含键槽、孔等加工要素，因此需严格保证万能铳头组合角度的计算精度。

图4即为该下机架三维模型与铳头模型装配后的状态，通过施加模型约束，最终计算出两组“A旋转轴部”和“C旋转轴部”的旋转角度。

利用该方法顺利完成了0273mm-0340mm系列阿赛尔轧机机架的加工。

该创新方法为大型工件上“复合斜面”的加工提供了便捷的“工具”,并可应用在45。

万能铳头“单斜面”的加工中，其显著效益如下：
(1)该方法极大提高了数控机床各种类型万能铳头组合角度的计算效率，降低了计算难度。

(2)通过电脑模拟，可直观显示工件摆放、铳头各部分旋转方向等信息,节省了机床操作人员的识图和铳头调整时间。

(3)通过建立车间不同类型万能铳头的三维模型，可形成设备数字资料库,方便不同类型机床生产需求，便于随时调用。

5结论
通过建立铳头装配模型,并与被加工件上“复合斜面”进行定位约束的方法，可方便地测量出万能铳头两处旋转轴的旋转角度，该方法计算效率高、直观性好,实际应用效果显著，经济效益良好。

参考文献
[1]姚瑶，苗维新.龙门僮铳床角度铳头的设计[J].制造
技术与机床，2014(7):84-86.
[2]胡敏，向兵飞，徐明，等.角度头加工技术在航空结构件
上的应用研究[J].教练机，2016(1)：11-16.
[3]张政泼，吕勇，覃学东，等.45。

型万能铳头精度特性及
其调整计算和研究[J].制造技术与机床，2017(10):
50-54.
[4]朱明阳.万能铳头工作角度的计算[J].华侨大学学报
(自然版),1999(1).
[5]彭中年.基于复合斜面数控铳削加工方法的探讨[J].
机械工程师，2012(8):40-41.
[6]刘朝阳.精确控制复合斜面表面粗糙度的铳加工[J].
金属加工('加工)，2017(11)：48-49.
[7]周明.复合斜面滑板新精铳加工工艺[J].中国新技术
新产品，2018(10):69-70.
[8]朱达新.复合斜面铳削方法及加工实例探讨[J].金属
加工('加工)，2016(19):52-53.
[9]马金凤，时宗林.复合斜面铳削分析[J].煤矿机械，
2004(5):84-85.
[10]赵忠鑫.复合斜面的一次成形[J].航天制造技术，
1990(Z1)：59-62.
61。