CNC450V 五軸數(shù)控電火花成型機床的結(jié)構(gòu)設計
2017-3-17 來源：江蘇工程職業(yè)技術學院 作者：丁錦宏
摘要：設計了 CNC450V 五軸數(shù)控電火花成型機床。 該機床在 X、Y、Z 三個直線運動軸的基礎上，增加了主軸繞 X 軸和 Y 軸的旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成五軸運動系統(tǒng)。 在研究分析國內(nèi)外同類機床的基礎上，對機床的總體結(jié)構(gòu)進行了設計，并對機床主要部件的設計進行了闡述。 該機床設計新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)對具有傾斜特征的面、孔的電火花加工。
關鍵詞： 五軸； 數(shù)控； 電火花； 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)
0.引言
電火花加工方法是利用浸在工作液中兩極之間的脈沖放電產(chǎn)生電火花瞬時高溫，使局部的金屬熔化而被腐蝕掉的一種特種加工方法。 利用上述原理進行加工工作的機床稱為電火花機床。 電火花機床的種類較多，電火花成型機床廣泛用于模具零件等超硬材料的加工。
目前我國數(shù)控電火花成型機床以立柱式結(jié)構(gòu)為主，即 X、Y、Z 三軸控制。 于基本的 X、Y、Z 三軸控制電火花機床的主軸只能做上下垂直運動，對傾斜特征的面、孔等無法加工，限制了機床的適用范圍。采用多軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與多軸直線運動協(xié)調(diào)組合成多種復合運動方式，實現(xiàn)傳統(tǒng)電火花機床難以加工復雜模具的加工，如斜孔、三維螺旋面等。
經(jīng)過“十二五”的技術攻關，北京市電加工研究所研制出了五軸數(shù)控電火花成型機床。 該機床采用數(shù)控轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)繞 X 軸和繞 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)臺安裝在工作臺上，具有結(jié)構(gòu)剛性高、運動控制簡便，廣泛應用于各種機械加工中心。 由于電火花機床加工時，工件被工作液所包圍，因而，這種結(jié)構(gòu)的機床，需要全浸液數(shù)控轉(zhuǎn)臺，加大了機床的技術難度。國外已經(jīng)有較為成熟的五軸電火花成型機床，但價格昂貴，且關鍵技術被封鎖。 因而，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進五軸數(shù)控電火花成型機床是非常必要的。
1.機床技術參數(shù)
CNC450V 電火花成型機床是在 X、Y、Z 三個直線軸的 機 床 上 ，增 加 主 軸 繞 X 軸 方 向 的 擺 動 （即A軸 ）和 Y 軸方向的擺動 （即 B 軸 ），構(gòu)成五軸機床結(jié) 構(gòu) 。 其主要技術參數(shù):工 作臺面積為 700 mm×400 mm，X/Y/Z 三向行程分別為 450/350/400， 旋轉(zhuǎn)軸 A/B 的旋轉(zhuǎn)角度均為±45°之間。
2.機床設計要求
本機床應是具有五軸功能的數(shù)控電火花成型機床。 根據(jù)市場調(diào)研和國內(nèi)外相同類型產(chǎn)品的技術分析，該機床摒棄在工作臺上配備 C 軸的思路，設計新型的結(jié)構(gòu)，由基本的 3 個直線運動軸 X、Y、Z 和繞X 軸和 Y 軸旋轉(zhuǎn)的 A、B 軸組成。 在結(jié)構(gòu)設計時，設計一個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使主軸做 A、B 軸旋轉(zhuǎn)運動。
同時，結(jié)合數(shù)控機床的加工精度、使用壽命和生產(chǎn)效率等方面的共性要求， 在設計時對該機床的結(jié)構(gòu)設計提出以下要求：
（1）較高的機床剛性
數(shù)控機床是按照數(shù)控程序自動進行加工的。 機床結(jié)構(gòu)中的床身、導軌、工作臺、主軸等的幾何精度與變形產(chǎn)生的定位誤差在加工過程中不能加以調(diào)整和補償，因此，必須把各個部件產(chǎn)生的彈性變形控制在最小的限度內(nèi)，以保證所要求的加工精度與表面質(zhì)量。
（2）減少機床的熱變形
由于機床油槽內(nèi)電火花工作液熱源的影響，機床工作臺將發(fā)生不同程度的熱變形，使機床加工精度下降。
（3）消除傳動間歇
數(shù)控機床的加工精度在很大程度上取決于進給傳動鏈的精度。 除了盡量減少傳動環(huán)節(jié)、選用合適精度的傳動元件外（傳動齒輪、滾珠絲杠等），采用消除間歇，提高傳動精度。
3.機床總體結(jié)構(gòu)設計
機床采用工作臺靜止、滑枕式的結(jié)構(gòu)、在滑枕上配備兩軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。 滑枕的左右、前后運動完成機床的 X、Y 軸方向運動，主軸的上下運動完成機床的Z 軸方向運動， 主軸的前后和左右旋轉(zhuǎn)運動完成機床繞 X 軸和 Y 軸旋轉(zhuǎn)的 A、B 軸運動。 該結(jié)構(gòu)與工作臺上配備轉(zhuǎn)臺（C 軸）的結(jié)構(gòu)相比較，優(yōu)點是避免了制造全浸液精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺，提高了機床使用的可靠性和使用壽命。
機床的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示。
圖 1 機床原理圖
1. 配重 2. 滑鞍 3. 滑枕 4. 立柱 5. 旋轉(zhuǎn)體 6. 旋轉(zhuǎn)軸 7. 主軸 8. 主軸座 9. 電極 10. 工件 11. 油槽 12. 工作臺 13. 床身
機床由床身、工作臺、油槽、立柱、滑枕、配重、旋轉(zhuǎn)體、旋轉(zhuǎn)軸和主軸等組成。 其中，旋轉(zhuǎn)體和旋轉(zhuǎn)軸共同構(gòu)成使主軸做旋轉(zhuǎn)運動的 A/B 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。電極根據(jù)用戶加工自行制作。當機床在工作時，主軸和電極處在一個軸線上，主軸的上下運動，帶動電極完成進給放電和放電后的回退工藝過程。因而，電火花機床主軸是做直線運動，是電火花機床主軸的主要運動特點。
4.主要部件設計
（1）工作臺與床身
機床采用工作臺靜止的技術方案。 由于靜止工作臺在加工時無需運動，因而，提高了工作臺的承載能力。 同時，將工作臺對稱地安裝在機床床身上，使得在加工時，油槽中的熱量均勻地傳遞給工作臺，根據(jù)對稱原理，有效地降低了工作臺熱變形產(chǎn)生的精度誤差。
（2）滑枕、滑鞍與立柱
滑枕安裝在滑鞍上，帶動主軸做 X、Y 方向的運動。 為減少滑枕懸伸產(chǎn)生的彎曲變形，在設計時，通過內(nèi)部加強肋的合理布置， 提高彎曲剛性， 減少變形。 另一方面，在滑枕尾部安裝配重裝置，使滑枕受力對稱，補償滑枕的懸伸變形?；鞍惭b在立柱上方，由于立柱的寬度較寬，當滑鞍運動時，滑鞍都在立柱的支撐范圍內(nèi)，使滑鞍不會產(chǎn)生懸伸變形。
（3）A/B 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)
A/B 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)使機床主軸實現(xiàn)繞 X 軸或 Y軸的旋轉(zhuǎn)，是該機床的創(chuàng)新點之一。在進行技術設計時，必須兼顧結(jié)構(gòu)緊湊、精度高的要求，因此 A/B 軸轉(zhuǎn)動機構(gòu)的設計具有較大難度。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 2 所示。
圖 2 A/B 數(shù)控旋轉(zhuǎn)機構(gòu)原理圖
1. 蝸桿Ⅰ 2. 旋轉(zhuǎn)體 3. 調(diào)整墊片 4. 泄油口 5. 箱體 6. 夾緊套 7. 蝸輪 8. 旋轉(zhuǎn)軸 9. 蝸桿Ⅱ 10. 壓板 11. 進油口
A/B 軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)主要由蝸桿Ⅰ、旋轉(zhuǎn)體、箱體、旋轉(zhuǎn)軸、蝸輪、蝸桿Ⅱ和夾緊套等組成。旋轉(zhuǎn)體上有一段蝸輪，當蝸桿Ⅰ旋轉(zhuǎn)時，使旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動，帶動主軸實現(xiàn) A 軸運動。
旋轉(zhuǎn)體上前端安裝有箱體，箱體內(nèi)安裝有旋轉(zhuǎn)軸，當蝸桿Ⅱ旋轉(zhuǎn)時，通過蝸輪使旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，帶動主軸實現(xiàn) B 軸運動。
A/B 旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設計是該機床的關鍵部件， 不但要為加工提供第 4 軸和第 5 軸的角度回轉(zhuǎn)運動，而且還要具備較高的定位精度。為此，在技術上采用了如下 2 個技術措施：
①旋轉(zhuǎn)軸鎖緊 在 B 軸旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)軸所承受的力不平衡。 為滿足工件所需的定位精度要求，采用夾緊套環(huán)抱式夾緊方式將旋轉(zhuǎn)軸進行夾緊，將旋轉(zhuǎn)軸的受力傳遞給箱體， 使得旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動系統(tǒng)和傳動機構(gòu)得到釋放，從而保證旋轉(zhuǎn)軸具有較高的傳動剛性，來提高機床 B 軸精度穩(wěn)定性。
夾緊套環(huán)抱式夾緊的工作過程： 當壓力油從進油口進入，作用于夾緊套通過夾緊套與旋轉(zhuǎn)軸之間產(chǎn)生的摩擦力矩對旋轉(zhuǎn)軸進行角度定位夾緊。
②雙螺距漸厚蝸桿消歇傳動 機床的 A/B 軸旋轉(zhuǎn)傳動鏈中，采用了蝸輪蝸桿傳動原理。 為了提高定位精度，蝸桿Ⅰ和蝸桿Ⅱ均采用雙螺距漸厚蝸桿，消除傳動間歇。雙螺距漸厚蝸桿的左、右兩側(cè)面的導程不相等，但同一側(cè)面的導程則是相等的，如圖 3 所示。
由于同一側(cè)的螺距是相同的，仍然可以保持正常的嚙合。而蝸桿齒厚從頭到尾逐漸增厚，所以，可用軸向移動蝸桿的方法來消除蝸桿與蝸輪的間隙。
圖 3雙螺距漸厚蝸桿原理
因而，蝸桿從左到右齒厚逐漸增厚。 當蝸桿向左移動時,嚙合側(cè)隙將會逐漸減小。在圖 2 中，通過減小調(diào)整墊片的厚度，使蝸桿Ⅰ向下運動，從而消除蝸桿Ⅰ與轉(zhuǎn)動體之間的嚙合間隙，提高 A 軸的運動精度。 圖 2 中蝸輪與蝸桿Ⅱ 之間的間隙也是按照這個原理進行消除的，從而提高B 軸的運動精度。
5.結(jié)語
（1）通過一次裝夾完成斜孔及斜面的加工 由于該機床的結(jié)構(gòu)是主軸可以做繞 X 和 Y 軸的旋轉(zhuǎn)運動，因而可以加工斜孔與斜面，且可以在一次裝夾后完成若干個不同方向的孔與傾斜面的加工。 如此由主軸做 A、B 軸旋轉(zhuǎn)的電火花成型機床結(jié)構(gòu)為國內(nèi)首創(chuàng)；
（2）提高加工精度和生產(chǎn)效率 通過一次裝夾能完成若干個不同方向的孔與傾斜面的加工， 消除了因裝夾帶來的誤差，進而提高加工精度，減少二次裝夾與調(diào)整的時間，有效提高生產(chǎn)效率。由于多個工序由同一機床完成，減少了機床的數(shù)量，降低設備成本的效果；
（3）結(jié)構(gòu)新穎、緊湊 該機床采用工作臺靜止 、A、B 軸旋轉(zhuǎn)的設計方案，結(jié)構(gòu)合理緊湊；
（4）機床精度及精度保持性高 該機床采用工作臺靜止不動的方案，且立柱寬厚，能穩(wěn)定地承載滑枕。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)采用雙螺距漸厚蝸桿消隙技術、采用夾緊套環(huán)抱式夾緊方式，并對滑枕進行懸伸配重，不僅提高機床精度，而且精度保持也很高。
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