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

  
      精密數(shù)控電火花成型加工機床是精密特種加工技術(shù)的重要設(shè)備之一，對精密機械、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，市場上高精密數(shù)控電火花成型機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床與之相比無論在機床性能、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，筆者公司引進德國歐吉索先進技術(shù)，成功研制出技術(shù)領(lǐng)先、性能優(yōu)越、價格適中的中小型龍門式高精密數(shù)控電火花成型機床G450C。

      1、數(shù)控電火花成型機床結(jié)構(gòu)運動特點及其存在問題分析

      1.1數(shù)控電火花成型機床的結(jié)構(gòu)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。機械運動系統(tǒng)主要由運動部件、運動機構(gòu)、主軸、工作臺和工作液槽等組成。根據(jù)不同的機械結(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)控電火花成型機床。各種機械結(jié)構(gòu)運動特點不一樣，分別適用于不同性能要求的機床。

  
      立柱式（C型） 結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機床的運動特點是：床身和立柱固定不動，滑板通過運動機構(gòu)帶動工作臺相對底座床身實現(xiàn)橫向伺服進給運動，工作臺通過運動機構(gòu)相對滑板實現(xiàn)縱向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構(gòu)相對立柱實現(xiàn)上下伺服進給運動，如圖1所示。底座和立柱連成一體呈楔形對稱結(jié)構(gòu)，剛性和精度較好。因采用三面開放式設(shè)計，操作者容易進入工作區(qū)域，裝夾工件比較方便。由于此結(jié)構(gòu)是靠工作臺支承和裝夾工件并實現(xiàn)縱橫向運動，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)控電火花成型機床。

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

      滑枕式（牛頭式） 結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機床的運動特點是：工作臺固定不動，滑板通過運動機構(gòu)帶動滑枕和主軸頭相對底座床身實現(xiàn)橫向伺服進給運動，滑枕通過運動機構(gòu)帶動主軸頭相對滑板實現(xiàn)縱向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構(gòu)相對滑枕實現(xiàn)上下伺服進給運動，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)沿用三面開放式設(shè)計，操作者容易進入工作區(qū)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(jié)構(gòu)三個運動軸相互關(guān)聯(lián)，制造比較困難。滑枕式結(jié)構(gòu)在大、中、小型機床中均有采用，比較適合數(shù)控化程度較高的機床。
 

      龍門式結(jié)構(gòu)數(shù)控電火花成型機床的運動特點是：工作臺一般固定在床身上，龍門架通過運動機構(gòu)帶動滑板和主軸頭相對底座床身實現(xiàn)縱向伺服進給運動，滑板通過運動機構(gòu)帶動主軸頭相對龍門架實現(xiàn)橫向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構(gòu)相對滑板實現(xiàn)上下伺服進給運動，如圖3所示。這種機床剛性好，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、中型電火花成型機床采用。

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

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

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

     滑枕式結(jié)構(gòu)具有承載能力強、工件安裝穩(wěn)定性好、滑枕移動便捷，且加工精度不受工作臺負(fù)荷影響等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，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，變形量還會不斷增大，剛性也隨著變差[2]。

      圖4 滑枕式機床主軸相關(guān)部件及其變形示意圖

      對于滑枕式結(jié)構(gòu)，因為工作頭的位置隨滑枕的移動引起各部件受力的變化，長期精度不穩(wěn)定，如圖5所示。同時，由于平滑枕懸伸過長剛性變差導(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)計要求床身重、工作頭輕，這會導(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)會導(dǎo)致機床的精度受溫度的變化而變化，熱穩(wěn)定性較差。

      
  
         圖5 滑枕式機床受力變化示意圖

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

     以上兩種國內(nèi)常見電火花成型機床結(jié)構(gòu)由于機械結(jié)構(gòu)本身內(nèi)在的問題，導(dǎo)致在實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，因此必須通過機床結(jié)構(gòu)正確選型和優(yōu)化設(shè)計，特別是針對這兩種結(jié)構(gòu)存在的問題來尋求相對應(yīng)的解決方案。

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

     2.1結(jié)構(gòu)選型基本思路

     通過對國內(nèi)常用的兩種電火花成型機床機構(gòu)內(nèi)在問題點的比較及分析研究，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，因此需要對機床的結(jié)構(gòu)進行合理選型和優(yōu)化設(shè)計，力求結(jié)構(gòu)簡潔、性能可靠，以達(dá)到高精密數(shù)控電火花成型機床在性能、精度和穩(wěn)定性等方面的要求。

  
     相對于滑枕式結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)因為工作頭懸掛在龍門架上，受力情況不會隨主軸頭的位置而變化，長期精度可以保持穩(wěn)定，主軸頭可以到達(dá)工作臺面任意一個角落，且受力情況都是一致的，如圖6所示。同時，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現(xiàn)整體溫度控制，從而實現(xiàn)機床的高精度和熱穩(wěn)定性。

     相對于立柱式結(jié)構(gòu)，龍門式結(jié)構(gòu)（動龍門式） 因機床工作臺固定不動，各條軸的運動與工件的重量和工作液無關(guān)，其動態(tài)精度和剛性不會受之影響。此結(jié)構(gòu)便于設(shè)計、安裝可升降式工作液槽，油槽可裝滿工作液時移動，隨放電成型加工的位置自動升降，省去沖放時間。

        圖6 龍門式機床受力變化示意圖

     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)點也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(jié)構(gòu)是設(shè)計高精密數(shù)控電火花成型機床的首選機械結(jié)構(gòu)。

     2.2方案
 

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

     與常見的龍門式電火花機床一樣，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的G450C機床主體機械結(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)進行改進和優(yōu)化。

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

     傳統(tǒng)的龍門式機床采用動龍門結(jié)構(gòu)，因為需要有足夠大的“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床設(shè)計使用。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)計原則。如圖3所示。
 

     而優(yōu)化后的龍門結(jié)構(gòu)則是針對G450C機床適用零件的特點，對機械部分的幾大部件進行改進和優(yōu)化。主要體現(xiàn)在：龍門架采用三角橫梁設(shè)計，既能保持龍門結(jié)構(gòu)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的三角橫梁設(shè)計，將原來長方體的結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化成L型箱體結(jié)構(gòu)，使得三角龍門架可以在L型箱體上部實現(xiàn)前后運動；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)計改成仿生箱體設(shè)計。如圖7所示。

     圖7 G450C機床模型圖

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

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

      3、結(jié)束語

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