CNC450V 五軸數(shù)控電火花成型機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2017-3-17  來源：江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院  作者：丁錦宏

      摘要：設(shè)計(jì)了 CNC450V 五軸數(shù)控電火花成型機(jī)床。 該機(jī)床在 X、Y、Z 三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸的基礎(chǔ)上，增加了主軸繞 X 軸和 Y 軸的旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成五軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 在研究分析國(guó)內(nèi)外同類機(jī)床的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)床主要部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。 該機(jī)床設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)緊湊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)具有傾斜特征的面、孔的電火花加工。

      關(guān)鍵詞： 五軸； 數(shù)控； 電火花； 旋轉(zhuǎn)機(jī)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(shí)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(jìn)行加工工作的機(jī)床稱為電火花機(jī)床。 電火花機(jī)床的種類較多，電火花成型機(jī)床廣泛用于模具零件等超硬材料的加工。

      目前我國(guó)數(shù)控電火花成型機(jī)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(jī)床的主軸只能做上下垂直運(yùn)動(dòng)，對(duì)傾斜特征的面、孔等無法加工，限制了機(jī)床的適用范圍。采用多軸回轉(zhuǎn)系統(tǒng)與多軸直線運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)組合成多種復(fù)合運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電火花機(jī)床難以加工復(fù)雜模具的加工，如斜孔、三維螺旋面等。

      經(jīng)過“十二五”的技術(shù)攻關(guān)，北京市電加工研究所研制出了五軸數(shù)控電火花成型機(jī)床。 該機(jī)床采用數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)繞 X 軸和繞 Z 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在工作臺(tái)上，具有結(jié)構(gòu)剛性高、運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械加工中心。 由于電火花機(jī)床加工時(shí)，工件被工作液所包圍，因而，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，需要全浸液數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，加大了機(jī)床的技術(shù)難度。國(guó)外已經(jīng)有較為成熟的五軸電火花成型機(jī)床，但價(jià)格昂貴，且關(guān)鍵技術(shù)被封鎖。 因而，研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)五軸數(shù)控電火花成型機(jī)床是非常必要的。

      1.機(jī)床技術(shù)參數(shù)

      CNC450V 電火花成型機(jī)床是在 X、Y、Z 三個(gè)直線軸的 機(jī) 床 上 ，增 加 主 軸 繞 X 軸 方 向 的 擺 動(dòng) （即A軸 ）和 Y 軸方向的擺動(dòng) （即 B 軸 ），構(gòu)成五軸機(jī)床結(jié) 構(gòu) 。 其主要技術(shù)參數(shù):工 作臺(tái)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(jī)床設(shè)計(jì)要求

      本機(jī)床應(yīng)是具有五軸功能的數(shù)控電火花成型機(jī)床。 根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和國(guó)內(nèi)外相同類型產(chǎn)品的技術(shù)分析，該機(jī)床摒棄在工作臺(tái)上配備 C 軸的思路，設(shè)計(jì)新型的結(jié)構(gòu)，由基本的 3 個(gè)直線運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使主軸做 A、B 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

      同時(shí)，結(jié)合數(shù)控機(jī)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(shè)計(jì)時(shí)對(duì)該機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下要求：

      （1）較高的機(jī)床剛性

      數(shù)控機(jī)床是按照數(shù)控程序自動(dòng)進(jìn)行加工的。 機(jī)床結(jié)構(gòu)中的床身、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、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(bǔ)償，因此，必須把各個(gè)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(jī)床的熱變形

      由于機(jī)床油槽內(nèi)電火花工作液熱源的影響，機(jī)床工作臺(tái)將發(fā)生不同程度的熱變形，使機(jī)床加工精度下降。

      （3）消除傳動(dòng)間歇

      數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上取決于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的精度。 除了盡量減少傳動(dòng)環(huán)節(jié)、選用合適精度的傳動(dòng)元件外（傳動(dòng)齒輪、滾珠絲杠等），采用消除間歇，提高傳動(dòng)精度。

      3.機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      機(jī)床采用工作臺(tái)靜止、滑枕式的結(jié)構(gòu)、在滑枕上配備兩軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 滑枕的左右、前后運(yùn)動(dòng)完成機(jī)床的 X、Y 軸方向運(yùn)動(dòng)，主軸的上下運(yùn)動(dòng)完成機(jī)床的Z 軸方向運(yùn)動(dòng)， 主軸的前后和左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成機(jī)床繞 X 軸和 Y 軸旋轉(zhuǎn)的 A、B 軸運(yùn)動(dòng)。 該結(jié)構(gòu)與工作臺(tái)上配備轉(zhuǎn)臺(tái)（C 軸）的結(jié)構(gòu)相比較，優(yōu)點(diǎn)是避免了制造全浸液精密數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，提高了機(jī)床使用的可靠性和使用壽命。

      機(jī)床的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 1 所示。

圖 1 機(jī)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(tái) 13. 床身

      機(jī)床由床身、工作臺(tái)、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(yùn)動(dòng)的 A/B 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。電極根據(jù)用戶加工自行制作。當(dāng)機(jī)床在工作時(shí)，主軸和電極處在一個(gè)軸線上，主軸的上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)電極完成進(jìn)給放電和放電后的回退工藝過程。因而，電火花機(jī)床主軸是做直線運(yùn)動(dòng)，是電火花機(jī)床主軸的主要運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

      4.主要部件設(shè)計(jì)

      （1）工作臺(tái)與床身

      機(jī)床采用工作臺(tái)靜止的技術(shù)方案。 由于靜止工作臺(tái)在加工時(shí)無需運(yùn)動(dòng)，因而，提高了工作臺(tái)的承載能力。 同時(shí)，將工作臺(tái)對(duì)稱地安裝在機(jī)床床身上，使得在加工時(shí)，油槽中的熱量均勻地傳遞給工作臺(tái)，根據(jù)對(duì)稱原理，有效地降低了工作臺(tái)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(dòng)主軸做 X、Y 方向的運(yùn)動(dòng)。 為減少滑枕懸伸產(chǎn)生的彎曲變形，在設(shè)計(jì)時(shí)，通過內(nèi)部加強(qiáng)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(duì)稱，補(bǔ)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(dāng)滑鞍運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑鞍都在立柱的支撐范圍內(nèi)，使滑鞍不會(huì)產(chǎn)生懸伸變形。

      （3）A/B 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

      A/B 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使機(jī)床主軸實(shí)現(xiàn)繞 X 軸或 Y軸的旋轉(zhuǎn)，是該機(jī)床的創(chuàng)新點(diǎn)之一。在進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須兼顧結(jié)構(gòu)緊湊、精度高的要求，因此 A/B 軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)油口

      A/B 軸旋轉(zhuǎn)機(jī)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(dāng)蝸桿Ⅰ旋轉(zhuǎn)時(shí)，使旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn) A 軸運(yùn)動(dòng)。

      旋轉(zhuǎn)體上前端安裝有箱體，箱體內(nèi)安裝有旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)蝸桿Ⅱ旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過蝸輪使旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn) B 軸運(yùn)動(dòng)。

      A/B 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是該機(jī)床的關(guān)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(yùn)動(dòng)，而且還要具備較高的定位精度。為此，在技術(shù)上采用了如下 2 個(gè)技術(shù)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(jìn)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(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到釋放，從而保證旋轉(zhuǎn)軸具有較高的傳動(dòng)剛性，來提高機(jī)床 B 軸精度穩(wěn)定性。

      夾緊套環(huán)抱式夾緊的工作過程： 當(dāng)壓力油從進(jìn)油口進(jìn)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(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行角度定位夾緊。

      ②雙螺距漸厚蝸桿消歇傳動(dòng) 機(jī)床的 A/B 軸旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)鏈中，采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)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(dòng)間歇。雙螺距漸厚蝸桿的左、右兩側(cè)面的導(dǎo)程不相等，但同一側(cè)面的導(dǎo)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(dòng)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(dāng)蝸桿向左移動(dòng)時(shí),嚙合側(cè)隙將會(huì)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(yùn)動(dòng)，從而消除蝸桿Ⅰ與轉(zhuǎn)動(dòng)體之間的嚙合間隙，提高 A 軸的運(yùn)動(dòng)精度。 圖 2 中蝸輪與蝸桿Ⅱ 之間的間隙也是按照這個(gè)原理進(jìn)行消除的，從而提高B 軸的運(yùn)動(dòng)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(jī)床的結(jié)構(gòu)是主軸可以做繞 X 和 Y 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(gè)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(jī)床結(jié)構(gòu)為國(guó)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(gè)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(jìn)而提高加工精度，減少二次裝夾與調(diào)整的時(shí)間，有效提高生產(chǎn)效率。由于多個(gè)工序由同一機(jī)床完成，減少了機(jī)床的數(shù)量，降低設(shè)備成本的效果；

      （3）結(jié)構(gòu)新穎、緊湊 該機(jī)床采用工作臺(tái)靜止 、A、B 軸旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)合理緊湊；

      （4）機(jī)床精度及精度保持性高 該機(jī)床采用工作臺(tái)靜止不動(dòng)的方案，且立柱寬厚，能穩(wěn)定地承載滑枕。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用雙螺距漸厚蝸桿消隙技術(shù)、采用夾緊套環(huán)抱式夾緊方式，并對(duì)滑枕進(jìn)行懸伸配重，不僅提高機(jī)床精度，而且精度保持也很高。