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CNC450V 五軸（zhóu）數控電（diàn）火花成型機床的結構設計

2017-3-17 來源（yuán）：江蘇工（gōng）程職業技術（shù）學院作者：丁錦宏（hóng）

摘要：設計了 CNC450V 五軸數控電火花成型機床（chuáng）。該機床在 X、Y、Z 三個直線運動（dòng）軸的基礎上，增加了主軸繞 X 軸和 Y 軸的（de）旋轉，從而構成五軸運動（dòng）係統。在研究分析國內外同類機床的基礎（chǔ）上（shàng），對機床的總體結構進行（háng）了（le）設計，並對機床主要部件的設計進行了闡述。該機床設（shè）計新穎，結構（gòu）緊湊，可實現對具有（yǒu）傾斜特征的麵、孔的電火花加工。

關鍵詞： 五軸；數控；電火花；旋轉機構

0.引言

電火花加工方法是利用浸在工作（zuò）液中兩極之間的脈衝放電產生電火花瞬（shùn）時高（gāo）溫，使局部的金屬熔化而被腐蝕（shí）掉（diào）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（lèi）較多，電火花成型機床廣泛用（yòng）於模（mó）具零件（jiàn）等超硬材料的加工。

目（mù）前我國數控電火花成型機床以（yǐ）立柱式結構為主，即 X、Y、Z 三軸控製。於（yú）基本的 X、Y、Z 三軸控製電火花機床的主軸隻能做（zuò）上下垂（chuí）直運動，對（duì）傾斜特（tè）征的麵、孔等無法加工（gōng），限製了（le）機床的適用範圍。采用多軸（zhóu）回轉係統與多（duō）軸直線運動協調組合成多種複合運動方式（shì），實現傳統電火花機床難（nán）以加工複雜模（mó）具的加工，如斜孔、三維螺（luó）旋麵等。

經過“十二五”的技術攻關，北京市電（diàn）加工（gōng）研究所研製出了五軸（zhóu）數控電火花成型機（jī）床。該機床采用數控轉（zhuǎn）台結構，實現繞 X 軸和繞 Z 軸的旋轉運動（dòng），轉台安裝在工作台上，具（jù）有結構剛性高、運動控製簡（jiǎn）便，廣泛應（yīng）用於各（gè）種機械加工中心。由於電火花機床加工（gōng）時，工件被（bèi）工作液所包圍，因而，這種結構的機床（chuáng），需要全浸液數控轉台，加大了（le）機床的技術難度。國外已經有較為成熟的五軸電火花成型機（jī）床（chuáng），但價格昂貴（guì），且關鍵技術被封鎖。因而，研究具有自主知識（shí）產權的先（xiān）進五軸數控電火花成型（xíng）機床是非常必要的。

1.機床技術（shù）參數（shù）

CNC450V 電火花成（chéng）型機床是在 X、Y、Z 三個直線（xiàn）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（bǎi）動（即 B 軸（zhóu）），構成五軸機床結構。其主要技術參數:工作台麵積為 700 mm×400 mm，X/Y/Z 三向行程分別為 450/350/400，旋轉軸 A/B 的旋轉角度均為±45°之間。

2.機床設計（jì）要求（qiú）

本機床應是具有五軸（zhóu）功能的數控電火花成（chéng）型機床。根據市場調研和國內（nèi）外相同類型（xíng）產品的技術（shù）分析，該機床摒棄在工作台上配備 C 軸（zhóu）的思路，設計新型的（de）結構，由基本的 3 個直線運動軸 X、Y、Z 和繞（rào）X 軸（zhóu）和 Y 軸旋轉的 A、B 軸（zhóu）組成。在結構設計時，設計一個旋轉（zhuǎn）機構，使主軸做 A、B 軸旋轉運動。

同時，結合數控機床的加工（gōng）精度、使用壽命（mìng）和生產效率等方麵的共性要求，在設計時對該機床的結構設計提出（chū）以下要求：

（1）較高（gāo）的機床剛性

數控機床是按照數控（kòng）程（chéng）序自動進行加工的。機床結構中的床身（shēn）、導軌、工作台、主軸等的幾何精度與（yǔ）變（biàn）形產生的（de）定（dìng）位誤差在加工過程中不能加以調整和補償（cháng），因此，必須把各個部件產生（shēng）的（de）彈性變形控製在最小的限度內，以保證所要求的加工精度與表（biǎo）麵質量。

（2）減少機床的熱變形

由於機床（chuáng）油（yóu）槽內電火（huǒ）花工作液（yè）熱源的影響，機床工作台將發生不同程度的熱變形，使機床加工精度下降。

（3）消除（chú）傳動間歇（xiē）

數控機床的加工精度在（zài）很大程度上取決（jué）於（yú）進給傳（chuán）動鏈的精度。除了盡量減少傳動環節、選用合適精度的傳動元件（jiàn）外（傳動齒（chǐ）輪、滾珠絲杠等），采用消除間歇（xiē），提高傳動（dòng）精度。

3.機床總體（tǐ）結構設計

機床采用工作台靜（jìng）止、滑枕式的結構、在滑枕上配備兩軸旋轉機構。滑枕的左右、前後運動完成機床的 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，主軸的前後和（hé）左右旋轉運動完成機床繞 X 軸和 Y 軸旋轉的 A、B 軸運動。該（gāi）結構與工作台上配備轉台（C 軸）的結構相比較，優點是避免了製造全（quán）浸液精密數（shù）控轉台，提高了機床使用的可靠（kào）性和使用壽命。

機床的結構原理圖如圖 1 所示。

圖 1 機床（chuáng）原理圖

1. 配重 2. 滑（huá）鞍 3. 滑枕 4. 立柱 5. 旋轉體 6. 旋（xuán）轉軸 7. 主軸 8. 主軸座 9. 電極 10. 工件 11. 油槽 12. 工作台 13. 床身

機床由床身、工作台、油槽、立柱、滑枕、配重、旋轉體、旋轉軸和主軸等組成。其中，旋轉（zhuǎn）體和旋轉軸共同構成使主軸做旋轉運動的 A/B 軸旋轉機構。電極根據用戶（hù）加工自行製作。當機床在工作時，主軸和電（diàn）極處在一個軸（zhóu）線上（shàng），主軸的上下運動，帶動電極完成進給放電和（hé）放電後（hòu）的回退工藝過程。因而，電（diàn）火花機床主軸是做直線運（yùn）動，是電火花機床主軸的主要運動（dòng）特點。

4.主要部件設計

（1）工作台與床身

機床采用工作台靜止（zhǐ）的技術方案。由（yóu）於靜止工作台在加工時無（wú）需運動，因而，提高了工作台（tái）的承載能力。同時，將工作台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（chuán）遞給（gěi）工作台，根據對稱原理，有效地（dì）降（jiàng）低了工作台熱（rè）變（biàn）形產生的精度誤差。

（2）滑枕、滑鞍與立柱

滑枕安裝在滑鞍上，帶動主軸（zhóu）做 X、Y 方向的運動。為減少滑枕懸伸產生的彎曲變形，在設（shè）計時，通過內部加強肋（lèi）的合理布置，提高彎曲剛性，減少變形。另一方麵，在滑枕尾部安裝配重裝（zhuāng）置，使滑枕受力對稱，補償（cháng）滑枕的懸（xuán）伸變形（xíng）。滑鞍安裝在（zài）立柱上方，由於立柱的寬度較寬，當滑鞍運（yùn）動時，滑鞍都在立（lì）柱的支撐範圍（wéi）內，使（shǐ）滑鞍不會產生懸（xuán）伸變形。

（3）A/B 軸旋轉機構

A/B 軸旋轉機構使機床主軸實現繞 X 軸或 Y軸的旋轉，是該機床的創新點之一。在進行技術設計時，必須兼顧結構緊湊、精度高的要求，因此 A/B 軸轉動機構的設計具有（yǒu）較大難度。其結（jié）構原理圖如圖 2 所示。

圖 2 A/B 數控旋轉機（jī）構原理圖

1. 蝸杆Ⅰ 2. 旋轉體 3. 調整墊片 4. 泄油口 5. 箱體 6. 夾緊套（tào） 7. 蝸輪 8. 旋轉軸 9. 蝸杆Ⅱ 10. 壓板 11. 進油口

A/B 軸旋（xuán）轉機（jī）構主要由蝸杆Ⅰ、旋轉體、箱體、旋轉軸、蝸輪、蝸杆Ⅱ和夾緊套等組成。旋轉體上有一段蝸輪，當蝸杆Ⅰ旋轉時（shí），使旋轉體轉動，帶動主（zhǔ）軸實（shí）現 A 軸（zhóu）運（yùn）動。

旋轉體上前端安裝有箱體，箱體（tǐ）內安裝有旋轉軸，當蝸杆Ⅱ旋轉時，通過蝸輪（lún）使旋（xuán）轉軸轉（zhuǎn）動，帶動主軸實現 B 軸運（yùn）動。

A/B 旋轉機構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 軸的角度回轉運動，而且還要具備較高的定位精度。為此，在技術上采用（yòng）了如下 2 個技術措施：

①旋轉軸鎖（suǒ）緊在 B 軸旋轉後，旋轉軸所承受的力不平衡。為滿（mǎn）足工件所需的定位（wèi）精度要求，采用夾緊套環抱式夾緊方式將旋轉軸進行夾緊，將旋轉軸（zhóu）的受力傳遞給箱（xiāng）體，使得旋轉軸驅（qū）動係統和傳動機構得到釋放，從而保證旋轉軸具有較高的傳動剛（gāng）性，來提高機床（chuáng） B 軸精度穩定性。

夾緊套（tào）環抱式（shì）夾緊的工作過程：當壓力油從進油口進（jìn）入，作用於夾緊套通過夾緊套（tào）與旋轉軸之（zhī）間產生的摩擦力矩對旋轉軸進行角度定位夾緊。

②雙（shuāng）螺距漸（jiàn）厚蝸杆消歇傳（chuán）動機床的 A/B 軸（zhóu）旋轉傳動鏈中，采用了蝸輪蝸杆傳動（dòng）原理。為了提高定位精度，蝸杆Ⅰ和蝸杆Ⅱ均采用雙螺距漸厚蝸杆，消除傳（chuán）動間歇。雙螺距漸厚蝸杆（gǎn）的左、右（yòu）兩側麵的導程不相等，但同一側麵的導程則是相等的，如圖（tú） 3 所示。

由於同一側的螺距是相同的，仍然可以保持正常的（de）齧合。而（ér）蝸杆齒厚從（cóng）頭到尾逐（zhú）漸增厚，所以，可用軸向移動蝸杆的方法來消除蝸（wō）杆與（yǔ）蝸輪（lún）的（de）間（jiān）隙。

圖 3雙螺距漸厚蝸（wō）杆原理

因而，蝸杆從（cóng）左到右齒厚逐漸（jiàn）增厚。當蝸杆向左移動時,齧合側隙將會（huì）逐漸減小。在圖 2 中，通過減小調整墊片的厚（hòu）度，使蝸杆Ⅰ向下運動，從而（ér）消除蝸杆Ⅰ與（yǔ）轉動體之間的齧合間隙，提高 A 軸的運動精度。圖 2 中蝸輪與蝸杆Ⅱ 之間的間隙也是按照這個原理進行消除的，從而（ér）提高B 軸的運動精度。

5.結語

（1）通過一（yī）次裝（zhuāng）夾（jiá）完成斜孔及斜麵的加（jiā）工由於該機床的結構是主軸可以做繞 X 和 Y 軸的旋轉（zhuǎn）運（yùn）動，因而可以加工斜孔（kǒng）與斜麵，且可以在一次裝夾後完成若幹個（gè）不同方向的孔與傾（qīng）斜麵的加工。如此由（yóu）主軸做 A、B 軸旋轉的電火花成型機床結構為國內首創；

（2）提高（gāo）加工精度和生（shēng）產（chǎn）效率通過一次裝夾能完成若（ruò）幹個（gè）不同方向的孔與傾（qīng）斜麵的加工，消除了（le）因裝夾帶來的誤差，進而提高加（jiā）工精度，減少二次裝夾與調整的時間，有效提（tí）高生產效率。由於多個工序由同一機床完成，減少了機床（chuáng）的數量，降低設備成本的效果；

（3）結構新穎、緊湊該機床采用工作台靜止、A、B 軸旋轉的設計方案，結構合理緊湊；

（4）機（jī）床精度及精度保持性高該（gāi）機床采用（yòng）工作台靜止不動的方案，且立柱寬厚，能穩定地（dì）承載滑枕。旋轉機構采（cǎi）用雙螺距漸厚蝸（wō）杆消（xiāo）隙技術、采用夾緊套環抱（bào）式夾緊方式，並對滑枕（zhěn）進行（háng）懸伸配重，不（bú）僅提高機床精度，而（ér）且精度保持也很高（gāo）。

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