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      摘要：分析了電火花成型機(jī)床各種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)電火花成型機(jī)床常見結(jié)構(gòu)的內(nèi)在問題進(jìn)行深入剖析和比較，提出了高精密電火花成型機(jī)床相應(yīng)結(jié)構(gòu)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上完成了G450C龍門式高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)。

  
      精密數(shù)控電火花成型加工機(jī)床是精密特種加工技術(shù)的重要設(shè)備之一，對(duì)精密機(jī)械、汽車、微電子、家電產(chǎn)品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意義[1]。當(dāng)前，市場(chǎng)上高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床主要是以國外知名品牌為主，國內(nèi)品牌的電火花成型機(jī)床與之相比無論在機(jī)床性能、精度，還是穩(wěn)定性方面都存在著較大的差距。面向巨大的市場(chǎng)需求，結(jié)合精密零件和工模具技術(shù)發(fā)展的要求，筆者公司引進(jìn)德國歐吉索先進(jìn)技術(shù)，成功研制出技術(shù)領(lǐng)先、性能優(yōu)越、價(jià)格適中的中小型龍門式高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床G450C。

      1、數(shù)控電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及其存在問題分析

      1.1數(shù)控電火花成型機(jī)床的結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

      數(shù)控電火花成型機(jī)床通常是由機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、脈沖電源系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)及附件等組成。機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、主軸、工作臺(tái)和工作液槽等組成。根據(jù)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，主要分為立柱式（C型） 結(jié)構(gòu)、滑枕式（牛頭式） 結(jié)構(gòu)、龍門式結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機(jī)床。各種機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)不一樣，分別適用于不同性能要求的機(jī)床。

  
      立柱式（C型） 結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：床身和立柱固定不動(dòng)，滑板通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)相對(duì)底座床身實(shí)現(xiàn)橫向伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)滑板實(shí)現(xiàn)縱向伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸頭通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)立柱實(shí)現(xiàn)上下伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。底座和立柱連成一體呈楔形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，剛性和精度較好。因采用三面開放式設(shè)計(jì)，操作者容易進(jìn)入工作區(qū)域，裝夾工件比較方便。由于此結(jié)構(gòu)是靠工作臺(tái)支承和裝夾工件并實(shí)現(xiàn)縱橫向運(yùn)動(dòng)，因此工件的尺寸和重量不能太大，通常應(yīng)用于中、小型數(shù)控電火花成型機(jī)床。

      圖1 立柱式數(shù)控電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

      滑枕式（牛頭式） 結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：工作臺(tái)固定不動(dòng)，滑板通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑枕和主軸頭相對(duì)底座床身實(shí)現(xiàn)橫向伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滑枕通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)主軸頭相對(duì)滑板實(shí)現(xiàn)縱向伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸頭通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)滑枕實(shí)現(xiàn)上下伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)沿用三面開放式設(shè)計(jì)，操作者容易進(jìn)入工作區(qū)域，裝夾工件比較方便，也為設(shè)計(jì)、安裝可升降式工作液槽提供方便。該結(jié)構(gòu)三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸相互關(guān)聯(lián)，制造比較困難。滑枕式結(jié)構(gòu)在大、中、小型機(jī)床中均有采用，比較適合數(shù)控化程度較高的機(jī)床。
 

      龍門式結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：工作臺(tái)一般固定在床身上，龍門架通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑板和主軸頭相對(duì)底座床身實(shí)現(xiàn)縱向伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，滑板通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)主軸頭相對(duì)龍門架實(shí)現(xiàn)橫向伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸頭通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)滑板實(shí)現(xiàn)上下伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。這種機(jī)床剛性好，精度高，穩(wěn)定性好。但由于龍門結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造比較困難。龍門式結(jié)構(gòu)適合大、中型電火花成型機(jī)床采用。

     圖2 滑枕式數(shù)控電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

     圖3 龍門式數(shù)控電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

     1.2電火花成型機(jī)床常見機(jī)床結(jié)構(gòu)內(nèi)在問題分析

     滑枕式結(jié)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、工件安裝穩(wěn)定性好、滑枕移動(dòng)便捷，且加工精度不受工作臺(tái)負(fù)荷影響等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，但滑枕式的結(jié)構(gòu)使得其主軸相關(guān)部件的精度受重力的影響較大，圖4給出了滑枕式機(jī)床主軸相關(guān)部件及其變形示意圖。由圖可知，平滑枕以及與其相連接的立軸底座、立滑枕受重力的作用而發(fā)生變形，隨著它們沿十字馬鞍向+Y 方向的移動(dòng)，變形量還會(huì)不斷增大，剛性也隨著變差[2]。

      圖4 滑枕式機(jī)床主軸相關(guān)部件及其變形示意圖

      對(duì)于滑枕式結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣ぷ黝^的位置隨滑枕的移動(dòng)引起各部件受力的變化，長(zhǎng)期精度不穩(wěn)定，如圖5所示。同時(shí)，由于平滑枕懸伸過長(zhǎng)剛性變差導(dǎo)致軸的行程也受到限制，導(dǎo)軌平行度誤差也隨著懸伸量（變形量） 的增大而得到放大；該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求床身重、工作頭輕，這會(huì)導(dǎo)致床身受溫度的變化較緩慢，而工作頭受溫度的變化較為敏感，這種受熱不均結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致機(jī)床的精度受溫度的變化而變化，熱穩(wěn)定性較差。

      
  
         圖5 滑枕式機(jī)床受力變化示意圖

     立柱式電火花機(jī)床依靠工作臺(tái)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)X/Y軸的運(yùn)動(dòng)，因而這兩條軸的精度與工件的重量密切相關(guān)，其動(dòng)態(tài)精度和剛性都會(huì)受之影響。同時(shí)，X/Y軸的行程因工作臺(tái)需在狹小有限的空間內(nèi)移動(dòng)而受到限制，如果要設(shè)計(jì)加工稍大一點(diǎn)的工件，則機(jī)床的底座和立柱會(huì)更顯大型化，相對(duì)于機(jī)床尺寸來說，可加工區(qū)域明顯偏小，而剛性也會(huì)隨著立柱橫梁懸伸加長(zhǎng)而變差。此結(jié)構(gòu)不宜設(shè)計(jì)、安裝可升降式工作液槽，工作液容易隨著工作臺(tái)的不斷平動(dòng)而濺出。

     以上兩種國內(nèi)常見電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)由于機(jī)械結(jié)構(gòu)本身內(nèi)在的問題，導(dǎo)致在實(shí)際的使用中直接影響到零件或模具的加工精度和表面質(zhì)量，因此必須通過機(jī)床結(jié)構(gòu)正確選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)存在的問題來尋求相對(duì)應(yīng)的解決方案。

  
     2、高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

     2.1結(jié)構(gòu)選型基本思路

     通過對(duì)國內(nèi)常用的兩種電火花成型機(jī)床機(jī)構(gòu)內(nèi)在問題點(diǎn)的比較及分析研究，從中得到結(jié)論：雖然通過改良部分零件的設(shè)計(jì)和采用性能更加好的功能部件如導(dǎo)軌和絲桿等，可以改善國內(nèi)兩種常見結(jié)構(gòu)機(jī)床的剛性和精度，但要避免因結(jié)構(gòu)本身帶來的各種問題，因此需要對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、性能可靠，以達(dá)到高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床在性能、精度和穩(wěn)定性等方面的要求。

  
     相對(duì)于滑枕式結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)因?yàn)楣ぷ黝^懸掛在龍門架上，受力情況不會(huì)隨主軸頭的位置而變化，長(zhǎng)期精度可以保持穩(wěn)定，主軸頭可以到達(dá)工作臺(tái)面任意一個(gè)角落，且受力情況都是一致的，如圖6所示。同時(shí)，由于工作頭懸伸短且固定不變，剛性好，受外力影響較小，平行度誤差也最小化；該結(jié)構(gòu)的床身、工作液和龍門架可以實(shí)現(xiàn)整體溫度控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的高精度和熱穩(wěn)定性。

     相對(duì)于立柱式結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)（動(dòng)龍門式） 因機(jī)床工作臺(tái)固定不動(dòng)，各條軸的運(yùn)動(dòng)與工件的重量和工作液無關(guān)，其動(dòng)態(tài)精度和剛性不會(huì)受之影響。此結(jié)構(gòu)便于設(shè)計(jì)、安裝可升降式工作液槽，油槽可裝滿工作液時(shí)移動(dòng)，隨放電成型加工的位置自動(dòng)升降，省去沖放時(shí)間。

        圖6 龍門式機(jī)床受力變化示意圖

     通過以上比較可以看出，龍門式結(jié)構(gòu)除了能夠避免滑枕式結(jié)構(gòu)和立柱式結(jié)構(gòu)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)問題，而且本身很多優(yōu)點(diǎn)也正好能夠滿足高精密電火花成型機(jī)床的各種要求，因此龍門式結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床的首選機(jī)械結(jié)構(gòu)。

     2.2方案
 

     G450C龍門式高精密數(shù)控電火花機(jī)床是巨輪股份專門為中小型高精密零件和工模具市場(chǎng)開發(fā)的新機(jī)型，該機(jī)型針對(duì)常見龍門式結(jié)構(gòu)電火花成型機(jī)床制造成本高，操作不太方便，占地面積大，只適合大、中型電火花成型機(jī)床等問題點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)適用及加工工藝性好的設(shè)計(jì)原則方面考慮對(duì)龍門式結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

     與常見的龍門式電火花機(jī)床一樣，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的G450C機(jī)床主體機(jī)械結(jié)構(gòu)仍然由床身、龍門架、滑枕、主軸箱和工作液槽組成，整體結(jié)構(gòu)沒改變，只是將一些主要零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

     優(yōu)化后的龍門式電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)跟原來的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在如下不同點(diǎn)。

     傳統(tǒng)的龍門式機(jī)床采用動(dòng)龍門結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾枰凶銐虼蟮?ldquo;門”結(jié)構(gòu)空間懸掛滑枕和主軸頭，因此只適合大中型電火花成型機(jī)床設(shè)計(jì)使用。為了兼容床身和工作液槽，通常床身是由鋼板焊接而成。為保證主軸頭的懸伸剛性，滑枕和主軸箱在滿足剛性和使用尺寸的情況下，采用了緊湊的設(shè)計(jì)原則。如圖3所示。
 

     而優(yōu)化后的龍門結(jié)構(gòu)則是針對(duì)G450C機(jī)床適用零件的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械部分的幾大部件進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。主要體現(xiàn)在：龍門架采用三角橫梁設(shè)計(jì)，既能保持龍門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，又加強(qiáng)了龍門架的剛性（對(duì)比門式龍門架）；床身為了配合龍門架的三角橫梁設(shè)計(jì)，將原來長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化成L型箱體結(jié)構(gòu)，使得三角龍門架可以在L型箱體上部實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)；為了確保X/Y 軸的行程和剛性，滑枕和主軸箱由原來的緊湊設(shè)計(jì)改成仿生箱體設(shè)計(jì)。如圖7所示。

     圖7 G450C機(jī)床模型圖

     相對(duì)于傳統(tǒng)的龍門式電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的G450C機(jī)床結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1） 整機(jī)結(jié)構(gòu)沿用經(jīng)仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)的龍門式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊且行程大，剛性大且可保持長(zhǎng)期高精度，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能俱佳；
    （2） 采用高性能鑄鐵結(jié)構(gòu)，確保機(jī)床的機(jī)械穩(wěn)定性和精度，不受工件重量或工作液重量的影響；
    （3） 機(jī)床設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)原理，提供了機(jī)床占地面積和加工面積的最佳比例，工作臺(tái)采用3方向的全開放式設(shè)計(jì)，高度根據(jù)東方人的身高特點(diǎn)而設(shè)計(jì)；
    （4） ATC采用獨(dú)創(chuàng)的內(nèi)藏式和懸掛導(dǎo)軌伸縮設(shè)計(jì)，充分利用有限空間，電極容量大且不干涉主軸的移動(dòng)，沒有運(yùn)動(dòng)死角；
      5） 采用黃金侵害比例設(shè)計(jì)的外觀造型，整機(jī)簡(jiǎn)潔、勻稱、色彩搭配協(xié)調(diào)，巧妙的主軸伸縮防護(hù)設(shè)計(jì)確保了機(jī)床操作的安全性。

      3、結(jié)束語

     高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床的制造首先應(yīng)該有合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，G450C通過對(duì)龍門電火花成型機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)，既吸取了立柱式和滑枕式機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，也保持了龍門式機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)能有效地保證機(jī)床的高精度和高性能，是高精密數(shù)控電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確方向。