摘要（yào）：分析了（le）電火花成型機床各種結構的運動特點，對電火花成型機床常見結構的內在問題進行深（shēn）入剖（pōu）析和比較，提出了高精密電火花（huā）成（chéng）型機床相應結構模型和優化設計方案，並在此基礎上完成（chéng）了G450C龍門式高精密數控電火花成型機床（chuáng）的主機設計。

  
      精密數控電火花成型加工機床是精（jīng）密特（tè）種加工技術的重要設備之一，對精密機械、汽車、微電子、家電（diàn）產品以及航（háng）空航天的精（jīng）密零件和精密工模具製造具有重要（yào）意義[1]。當前，市場（chǎng）上高精密（mì）數控電（diàn）火花（huā）成型機床（chuáng）主要是以國外知（zhī）名品牌（pái）為主，國內品（pǐn）牌的電火花成型機床與之相比無論在機床性能、精度，還是（shì）穩定性方麵都存在著（zhe）較大的差（chà）距。麵向（xiàng）巨大的市（shì）場需求，結合精密零（líng）件和工模具技術（shù）發展的要求（qiú），筆者公司引進德國歐吉索先進技術，成功研製出技術領先、性能優越、價格適中（zhōng）的中小型龍門式高精密數控電火花成型機床G450C。

      1、數控電火花成型機床結構運動（dòng）特點及其存在問題分析

      1.1數控電火花成（chéng）型機床的結構形式及運動特點

      數（shù）控電火花成型機床通常是由機械運動係統、脈衝電源係統、數控係（xì）統和工作液循環過濾係統及附件（jiàn）等組成。機械運動係統主要由運動部件、運動機構（gòu）、主軸、工作台和工作液槽等組成（chéng）。根據不（bú）同的機械結構形式，主要分為立柱（zhù）式（shì）（C型） 結構（gòu）、滑（huá）枕式（牛頭（tóu）式（shì）） 結構、龍門式結構（gòu）數控電火花（huā）成（chéng）型機（jī）床。各種（zhǒng）機械結構運動特點不一樣（yàng），分別適（shì）用於不同性能要求的（de）機床。

  
      立（lì）柱式（C型） 結構數控電火花成型機床的運動特點是：床身和立柱固定不動（dòng），滑板通過運動（dòng）機構帶動工作台相對底座床身實現橫向伺（sì）服進（jìn）給運動，工作台通過運動機構相（xiàng）對滑板實現縱向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構（gòu）相對立（lì）柱（zhù）實現上下伺服進（jìn）給運動，如圖1所示。底座和立柱連成一（yī）體呈楔形對稱結構，剛（gāng）性和精度較好。因采用三麵開放式設計，操作者容易進入（rù）工作區（qū）域，裝（zhuāng）夾工件（jiàn）比較方便（biàn）。由於（yú）此結構是靠工作台支承和裝夾工件並實（shí）現（xiàn）縱（zòng）橫向運動，因（yīn）此（cǐ）工件的尺寸和重量不能太大，通常應用於（yú）中、小型數控電火（huǒ）花成型機床。

      圖1 立柱式數控電火花成型機床結構示意圖

      滑枕式（牛頭式） 結構數（shù）控電火花成型機床（chuáng）的運動特（tè）點是（shì）：工作台固定（dìng）不動，滑板通過運動機構帶（dài）動滑（huá）枕和主軸頭相對底座床身（shēn）實現橫向伺服（fú）進給運動，滑枕通過運動機構帶動主軸頭相對滑板（bǎn）實現縱向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構相對滑枕實現上下伺服進給運動，如圖2所示。該結構沿用三麵開放式設計，操作者容易進入工作（zuò）區域，裝夾工件比較方便，也為設（shè）計、安裝可升降式工作液槽提供方便。該結構三個運動軸相互關聯，製造比較困難。滑枕式結構在大、中、小型（xíng）機床中均有（yǒu）采用，比較適合數控化程度較高的機床（chuáng）。
 

      龍門式結構數控電火花（huā）成型機床的運動特點是：工（gōng）作台一般固定在床身上，龍門架通過運動機構帶動滑板（bǎn）和主軸頭相對底（dǐ）座床身實現縱向伺服進給運動，滑板通過運動機構帶動主軸頭相對龍門架（jià）實現（xiàn）橫向伺服（fú）進給（gěi）運動，主軸頭通過運動機構（gòu）相對滑板實現上下伺服進給運動，如圖3所示。這種機床剛性（xìng）好，精度高，穩（wěn）定性好。但由（yóu）於龍門結構較為複雜，製造（zào）比較困難。龍門式結（jié）構適合大（dà）、中型電火花（huā）成（chéng）型機床采用。

     圖2 滑枕式數控電火花成型機床結構示意圖

     圖3 龍門式數控電火花成（chéng）型機床結構示意圖

     1.2電火花成型機（jī）床常見機床結構內在問題（tí）分析

     滑枕式結構具有承載能力強、工件（jiàn）安裝穩定性好、滑（huá）枕移動便捷，且加工精度（dù）不受工作台負荷影（yǐng）響等結構優勢，但滑枕式的結構使得其主軸相關部件的精度受重力的影（yǐng）響較大，圖4給出了滑枕式機床主軸相關部件及其（qí）變形（xíng）示意圖（tú）。由圖可知，平滑枕以及與其相連接（jiē）的立軸底座、立滑枕（zhěn）受（shòu）重力（lì）的作用而發生變形，隨（suí）著它們（men）沿十字（zì）馬鞍向+Y 方向的（de）移（yí）動，變形量（liàng）還會不（bú）斷增大，剛性也隨著變差[2]。

      圖4 滑枕式機床主軸相關（guān）部件及其（qí）變形示意圖

      對於滑枕（zhěn）式結構，因為工作頭（tóu）的（de）位（wèi）置隨滑枕的移動引起（qǐ）各部件受力的變化，長期精度（dù）不穩（wěn）定（dìng），如圖（tú）5所示。同時，由於平滑枕懸伸過長剛（gāng）性變（biàn）差導致（zhì）軸的行程也（yě）受到限製，導軌平（píng）行度誤差也隨著懸伸量（變形（xíng）量） 的增大而得到放大；該結構的設計（jì）要求床身重、工作頭輕，這會導致床（chuáng）身（shēn）受溫度的變化較緩慢，而工作頭受溫度的變（biàn）化較為敏感，這種受熱（rè）不均結構會導致機床的精度受溫度的變化而變化，熱穩定性較差。

      
  
         圖5 滑枕式機床受力變（biàn）化示意圖

     立柱（zhù）式電火花（huā）機床（chuáng）依靠工作台的移動來實現X/Y軸的運動，因而這兩條軸的精度與工件的重量密（mì）切相關，其動態精度和剛性都會受（shòu）之影響。同時，X/Y軸的行程因工（gōng）作台（tái）需在狹小有限的空間（jiān）內移動而受到限製，如果（guǒ）要設計加工稍大（dà）一點的工（gōng）件，則機床的底座和立（lì）柱會更顯大型化，相對於（yú）機床尺（chǐ）寸來說，可加工（gōng）區域明顯偏小，而剛性也會（huì）隨著立柱橫梁懸伸加長而變差。此結構不宜設計、安裝可升降式工作液槽，工作液（yè）容易隨著工（gōng）作（zuò）台的不斷平動而濺出。

     以上兩種國內常見電火花成型機床結構由於（yú）機械結構本身內在（zài）的問題，導致在（zài）實際的（de）使用中直（zhí）接影響到（dào）零件或模具的加工精度和表麵質量，因此必須通過機床結構正（zhèng）確選型和優化設計（jì），特別是針對這（zhè）兩種結構存在的問題來尋求相對（duì）應的解決（jué）方案。

  
     2、高精密數控電火（huǒ）花成型機床結構選型及優化設計方案

     2.1結構選型基本思路（lù）

     通過對國內常用的兩種電火花成型機床機構內在問題點的比較及分析研究，從中得到結論：雖（suī）然通過改良部（bù）分零件的（de）設（shè）計和采（cǎi）用性能更加好（hǎo）的功能部件如導軌和絲杆等，可（kě）以改善國內兩種常見結構機床的剛性和精度，但要避免因結構本身帶來的各種問題，因此（cǐ）需要對機床（chuáng）的結構進行合理選型和優化設計，力（lì）求結構簡潔、性能可靠，以達到高精密數（shù）控電火花成型機床（chuáng）在性能、精度和穩（wěn）定（dìng）性等方麵（miàn）的要求。

  
     相對於滑枕式結構，龍門（mén）式結構因為工作（zuò）頭懸掛在龍門架上，受力情況不會隨主（zhǔ）軸頭的（de）位置而變化，長期精度可以保持穩定，主軸頭可以到達工作台麵任（rèn）意一個角落（luò），且受力（lì）情況都（dōu）是一致的，如圖6所示。同時，由於工作頭懸（xuán）伸短且固定不變，剛性好，受外力影響較小（xiǎo），平行度誤差也最小化；該結構的床身、工（gōng）作液和龍門架（jià）可以實現整體溫度控製，從而實現機床的高精度和熱穩定性。

     相對於立柱式結構，龍（lóng）門式結構（gòu）（動龍（lóng）門式） 因機床工作台固定不動，各條軸的（de）運動與工件的重量（liàng）和工作液無關，其動態精度和剛性不會受之影響。此結構（gòu）便於設計、安裝可升降式工作液槽（cáo），油槽可裝滿工作液時移動，隨（suí）放電成型加（jiā）工的位置自動升降，省（shěng）去衝放時間。

        圖6 龍門式機床受力變化示意圖

     通過（guò）以上（shàng）比較可以看出，龍門式結（jié）構除了能夠避免滑枕式結構和立柱式結構的內在結構問題，而且本身很（hěn）多優點（diǎn）也（yě）正好能夠滿足高精密電火花成型機床的各種要求，因此龍門式結構是設計高（gāo）精（jīng）密數控電火花成型機床的（de）首選機械結構。

     2.2方案
 

     G450C龍門式高精（jīng）密數控電火花機床是巨輪股份專門為中小型高精密零件（jiàn）和（hé）工模具市場開發的新機型，該機型（xíng）針對常見龍門式結構電火花成型機床（chuáng）製造成（chéng）本高，操作不太方便，占地麵積大，隻適合大、中型電火花成型機床等問題點，從結（jié）構適用（yòng）及（jí）加工工藝性好的設計（jì）原則方（fāng）麵考（kǎo）慮對龍門式結構進行（háng）優化設（shè）計。

     與常（cháng）見的龍門（mén）式電火花機（jī）床一樣，結（jié）構優化後的G450C機床主體機械結構仍然由床身、龍門架、滑枕、主軸箱和工作液槽組成，整體結構沒改變，隻是將一些主要零部件的結構進行改進和優化。

     優化後的龍門式電火花成型機床結構跟原來的機械結構存（cún）在如下不同點。

     傳統的龍門式機床采用（yòng）動龍門結構，因為需要有足夠大的“門”結構空間懸掛（guà）滑枕和主軸頭，因此隻適合大中型電火花成型機床設（shè）計使用。為（wéi）了兼容床身和工作液槽，通常床身是由（yóu）鋼板焊接而成。為保證主軸頭的懸（xuán）伸剛性，滑枕和主軸箱（xiāng）在滿足剛性（xìng）和使用尺寸的情況（kuàng）下，采用了緊湊（còu）的設計（jì）原則。如圖3所示。
 

     而優化後的龍門結構則（zé）是針對G450C機床適用零件（jiàn）的特點，對（duì）機械部分的幾大部件（jiàn）進行改進（jìn）和優化。主（zhǔ）要體現在：龍門架采用三角橫梁設計（jì），既能保持龍門（mén）結構的特點，又加強了龍門架的剛性（對比門式龍門架）；床身為了配合龍門架（jià）的三角橫梁設計，將原來長方體的結構改進優化成L型箱（xiāng）體結構，使（shǐ）得三角（jiǎo）龍門架可以在L型箱體上部實現前後運動；為了確保X/Y 軸的行程和剛性，滑枕和主（zhǔ）軸箱由原來的（de）緊湊設計改成仿生箱體設計。如圖7所示。

     圖7 G450C機床模型圖

     相對於傳統的龍門式電火花成型機床結構，優化後的G450C機床（chuáng）結構具有如下優點：

    （1） 整（zhěng）機結構沿用經仿生（shēng）優化設計的龍門式結構，結構緊湊且行程大，剛性大且可保持長期高精度（dù），靜態和動（dòng）態性能俱佳；
    （2） 采用高性能鑄鐵結構，確保機床的（de）機械穩定性和精度（dù），不受工件重量或工作液重量的影響；
    （3） 機床設計符合人（rén）機工程學原理，提供了機（jī）床占地麵積和加工（gōng）麵積的最佳比例（lì），工作台采用3方向的全開放（fàng）式設計，高度根據東方人的身高特點而設計；
    （4） ATC采用獨創的內藏式和懸掛導軌伸縮設計，充分利用有限空間，電（diàn）極容量大且（qiě）不幹涉主軸的移動，沒有運動死角；
      5） 采用黃金侵害比例設計的外觀造（zào）型，整（zhěng）機簡潔、勻稱、色彩（cǎi）搭配協（xié）調，巧妙的主軸（zhóu）伸縮防護設計確保了機床操作的安全性（xìng）。

      3、結束（shù）語

     高精密數控電火花成型（xíng）機床的製造（zào）首先應該有合理的結構設計，G450C通過對龍門電火花成型機床的結構進（jìn）行仿生優化設計，既吸取了立柱式和滑（huá）枕式機床結構的優點，也保持了龍門（mén）式機床結構（gòu）的優點，這樣的機械結（jié）構能有效（xiào）地保證機床的高精度和高（gāo）性能（néng），是高精密數控電火花成型機床結構設計的正確方向。