CN101961804A

CN101961804A - 一种电火花加工球坐标三轴主轴头机构

Info

Publication number: CN101961804A
Application number: CN 201010507478
Authority: CN
Inventors: 黄玉美; 刘蜀阳; 高峰
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: CN101961804B

Abstract

本发明的电火花加工球坐标三轴主轴头机构，包括C轴驱动组件，C轴驱动组件安装在六轴联动电火花加工数控机床的Z轴部件上，C轴驱动组件向下连有C轴回转体组件；C轴回转体组件下端安有A轴摆动体组件，在A轴摆动体组件与C轴回转体组件接触部位设有过约束结合面J₁和J₂，A轴摆动体组件下端安有B轴回转体组件，在B轴回转体组件上轴向固定有电极；在C轴回转体组件的外侧，对称于C轴轴线L_C安有A轴驱动组件和B轴驱动组件；A轴驱动组件依次经过多个齿轮与A轴摆动体组件传动连接；B轴驱动组件依次经过另外的多个齿轮与B轴回转体组件传动连接。本发明球坐标三轴主轴头机构热对称特性、结构紧凑刚性好、工作精度高、灵活性好、防护简单。

Description

一种电火花加工球坐标三轴主轴头机构

技术领域

本发明属于电加工机床技术领域，涉及电火花加工数控机床主轴头的功能部件，具体涉及一种电火花加工球坐标三轴主轴头机构。

背景技术

电火花加工是利用两极(工具电极和工件电极，一般将工具电极简称为电极，将工件电极简称为工件)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工，电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质中，液体介质又称工作液，工作液放在工作液槽中。电火花加工时，应使液面高度(工件表面到工作液面的最小距离)与工作电流相适应，如工作电流≤50A时，液面高度应≥50mm。与工作液直接接触的零、部件应采取防锈防蚀等防护措施。

利用成型电极进行电火花加工是模具等空间复杂面加工的一种重要工艺方法，其优点是：加工精度高；可加工任何硬度的金属。缺点是：靠电腐蚀蚀除材料，生产效率低；需要预先制造复杂形状的成型电极，费时、成本高；成型电极重量大。高速切削加工技术在不断向高速、高精度发展，采用5轴联动的高速铣削已可以精密、高效地进行模具加工。随着高速切削加工在模具制造中的应用，电加工的地位受到了挑战。但它仍有广泛的应用前景，例如在深窄小型腔、窄缝、沟糟、拐角、冒孔等加工方面，其他加工方法无法代替。因此高速切削加工与电火花加工是互补关系而不是替代。首先采用高速切削进行加工，仅将刀具精铣困难或无法精铣的部位留给电火花加工。这就要求电火花加工向更高精度发展，以满足工件精度不断提高的需要；同时发展六轴联动电火花加工数控机床，以满足难加工部位的加工需要。

关于利用成型电极进行电火花加工时，需要预先制造复杂形状的成型电极问题，其解决途径也是发展六轴联动电火花加工数控机床。工件加工表面可以采用成型电极用成型法进行加工，也可以采用简单形状电极用创成法进行加工。成型法电极形状复杂(形状与被加工表面形状对应)、尺寸大，但需要的机床运动简单，一般只要三个直线运动或三个直线运动和一个回转运动；创成法电极形状简单(形状可为圆柱、矩形等)、尺寸小，但需要的机床运动数量多，空间复杂面加工需要X、Y、Z三个直线运动和A(绕X轴)、B(绕Y轴)、C(绕Z轴)三个回转运动。机床上形成工件加工表面的运动可以分配给工具，也可以分配给工件，电火花加工机床是将工件放置在机床工作液槽中的工作台上，将电极安装在机床主轴头机构上。从防护简单出发，一般将大部分运动分配给电极；同时因工作液槽重量大，又装有工作液，不宜有绕水平轴摆动，故绕水平轴摆动的运动应该分配给电极，所以需要防护简单的安装电极的三轴主轴头机构。

难加工部位的加工，为了避免干涉，要求安装电极的三轴主轴头机构结构要非常紧凑。因此研究开发结构紧凑、精度高、防护简单的电极三轴主轴头机构对六轴联动电火花加工数控机床的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种电火花加工球坐标三轴主轴头机构，为六轴联动电火花加工数控机床提供一种结构紧凑、精度高、防护简单的三轴主轴头机构功能部件。

本发明所采用的技术方案是，一种电火花加工球坐标三轴主轴头机构，包括C轴驱动组件，C轴驱动组件安装在六轴联动电火花加工数控机床的Z轴部件上，在C轴驱动组件向下连接有C轴回转体组件；在C轴回转体组件的下端安装有A轴摆动体组件，A轴摆动体组件的下端垂直A轴轴线L_A安装有B轴回转体组件，B轴回转体组件绕B轴轴线L_B回转，在B轴回转体组件的轴回转体上轴向固定安装有电极；在C轴回转体组件的外侧，对称于C轴轴线L_C安装有A轴驱动组件和B轴驱动组件；在C轴回转体组件上垂直对称于C轴轴线L_C分别支承有轴组件a和轴组件b；在A轴驱动组件的输出轴上安装有固定直齿轮a，在轴组件a上空套有空套直齿轮a，在轴组件b上空套有空套直齿轮b，空套直齿轮b与A轴摆动体组件固定连接，A轴驱动组件依次经过固定直齿轮a、空套直齿轮a、空套直齿轮b与A轴摆动体组件传动连接；在B轴驱动组件的输出轴上安装有固定直齿轮b，在轴组件a上固定安装有固定直齿轮c，在轴组件b上固定安装有固定直齿轮和固定锥齿轮a，在B轴回转体组件的回转轴上固定安装有固定锥齿轮b，固定锥齿轮a与固定锥齿轮b同时位于A轴摆动体组件内腔中，B轴驱动组件依次经过固定直齿轮b、固定直齿轮c、固定直齿轮d、固定锥齿轮a、固定锥齿轮b与B轴回转体组件传动连接。

本发明电火花加工球坐标三轴主轴头机构的有益效果是，灵活性好、工作范围大、上重下轻结构紧凑，适合六轴联动电火花加工数控机床应用；具有热对称特性，减小热变形对电火花加工加工精度的影响；设置有过约束结合面，结构刚性好，工作精度高；需要防护的构件少，防护简单。

附图说明

图1是本发明的电火花加工球坐标三轴主轴头机构在六轴联动电火花加工数控机床上的安装示意图；

图2是本发明球电火花加工球坐标三轴主轴头机构的结构示意图；

图3是本发明的电火花加工球坐标三轴主轴头机构的运动功能示意图。

图中，1.工作液槽，2.工件，3.工作台，4.Y轴部件，5.床身，6.立柱，7.X轴部件，8.Z轴部件，9.球坐标三轴主轴头机构，10.电极，9-1.C轴驱动组件，9-2.B轴驱动组件，9-3.固定直齿轮b，9-4.轴组件a，9-5.固定直齿轮c，9-6.轴组件b，9-7.固定直齿轮d，9-8.C轴回转体组件，9-9.固定锥齿轮a，9-10.固定锥齿轮b，9-11.B轴回转体组件，9-12.A轴摆动体组件，9-13.空套直齿轮b，9-14.空套直齿轮a，9-15.固定直齿轮a，9-16.A轴驱动组件，L_C为C轴轴线，L_A为A轴轴线，L_B为B轴轴线，O为C轴轴线L_C、A轴轴线L_A、B轴轴线L_B三者的交点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1，六轴联动电火花加工数控机床由工作液槽1、放置工件2的工作台3、Y轴部件4、床身5、立柱6、X轴部件7、Z轴部件8连接组成；本发明的球坐标三轴主轴头机构9安装在六轴联动电火花加工数控机床的Z轴部件8上。其中的Y轴部件4安装在床身5的左端上方，工作液槽1安装在Y轴部件4上面，工作台3安装在工作液槽1中，工件2安装在工作台3上面并浸入工作液槽1中的工作液内，立柱6安装在床身5的右端上方，立柱6上段左方向左依次设置有X轴运动组件7、Z轴运动组件8、球坐标三轴主轴头机构9，球坐标三轴主轴头机构9连接有A轴回转体组件，A轴回转体组件与B轴回转体组件连接，在球坐标三轴主轴头机构9的B轴回转体组件的轴回转轴上安装有电极10。

如图2所示，本发明的电火花加工球坐标三轴主轴头机构，即球坐标三轴主轴头机构9的结构是，包括C轴驱动组件9-1，C轴驱动组件9-1安装在六轴联动电火花加工数控机床的Z轴部件8上，在C轴驱动组件9-1向下连接有C轴回转体组件9-8，由C轴驱动组件9-1驱动C轴回转体组件9-8绕C轴轴线L_C回转；

在C轴回转体组件9-8的下端对称于C轴轴线L_C设置有钳字形缺口，在C轴回转体组件9-8的钳字形缺口内安装有A轴摆动体组件9-12，A轴摆动体组件9-12绕A轴轴线L_A摆动，在A轴摆动体组件9-12与C轴回转体组件9-8的钳字形缺口内侧的接触部位对称地设置有过约束结合面J₁和J₂；A轴摆动体组件9-12的下端垂直A轴轴线L_A安装有B轴回转体组件9-11，在B轴回转体组件9-11的轴回转体上轴向固定安装有电极10；

在C轴回转体组件9-8的外侧，对称于C轴轴线L_C安装有A轴驱动组件9-16和B轴驱动组件9-2；在C轴回转体组件9-8上垂直对称于C轴轴线L_C分别支承有轴组件a9-4和轴组件b9-6，轴组件a9-4和轴组件b9-6的轴线平行；在A轴驱动组件9-16的输出轴上安装有固定直齿轮a9-15，在轴组件a9-4上空套有空套直齿轮a9-14，在轴组件b9-6上空套有空套直齿轮b9-13，空套直齿轮b9-13与A轴摆动体组件9-12固定连接，A轴驱动组件9-16经过固定直齿轮a9-15、空套直齿轮a9-14、空套直齿轮b9-13的传动，带动A轴摆动体组件9-12绕A轴轴线L_A摆动；在B轴驱动组件9-2的输出轴上安装有固定直齿轮b9-3，在轴组件a9-4上固定安装有固定直齿轮c9-5，在轴组件b9-6上固定安装有固定直齿轮9-7和固定锥齿轮a9-9，在B轴回转体组件9-11的回转轴上固定安装有固定锥齿轮b9-10，固定锥齿轮a9-9与固定锥齿轮b9-10同时位于A轴摆动体组件9-12内腔中，并且通过直角锥形齿轮方式连接，B轴驱动组件9-2依次经过固定直齿轮b9-3、固定直齿轮c9-5、固定直齿轮d9-7、固定锥齿轮a9-9、固定锥齿轮b9-10的传动，带动B轴回转体组件9-11最终使得电极10绕B轴轴线L_B回转。

上述的固定直齿轮b9-3、固定直齿轮c9-5、固定直齿轮d9-7、固定直齿轮a9-15、空套直齿轮a9-14、空套直齿轮b9-13均设置在C轴回转体组件9-8内腔中，固定锥齿轮a9-9、固定锥齿轮b9-10位于A轴摆动体组件9-12内腔中，便于与外界密封。

J₁为A轴摆动体组件的壳体左侧面与C轴回转体组件壳体的钳字形缺口内处相对应的右侧面的过约束结合面，J₂为A轴摆动体组件壳体右侧面与C轴回转体组件壳体的钳字形缺口内处相对应的左侧面的过约束结合面。设置过约束结合面J₁和J₂的技术原理是，A轴摆动体组件与空套直齿轮b是固定连接，A轴摆动体组件已定位，故在A轴摆动体组件与C轴回转体组件的钳字形缺口内的对应部位设置的结合面J₁和J₂属于过约束，在结合面J₁和J₂上喷涂有小摩擦系数的树脂，既减小结合面J₁和J₂的摩擦，又可以减小因A轴摆动体组件、B轴回转体组件及电极的自重引起的轴组件b的弯曲变形，从而提高三轴球坐标机构的刚度及工作精度。

空套直齿轮a9-14和固定直齿轮c9-5安装在同一个轴组件a9-4上，空套直齿轮b9-13、固定直齿轮9-7和固定锥齿轮a9-9安装在同一个轴组件b9-6上，结构简单重量轻，且具有上重下轻的特点。

如图3，是本发明电火花加工球坐标三轴主轴头机构的运动功能示意图，C轴回转体组件9-8安装在C轴驱动组件9-1的下方，由C轴驱动组件9-1驱动其绕C轴轴线L_C回转；A轴驱动组件9-16和B轴驱动组件9-2对称于C轴轴线L_C安装在C轴回转体组件9-8两侧，保证三轴球坐标机构具有热对称特性；A轴驱动组件9-16通过安装在C轴回转体组件9-8内的传动机构带动A轴摆动体组件9-12绕A轴轴线L_A摆动；B轴驱动组件9-2通过安装在C轴回转体组件9-8内的传动机构带动B轴回转体组件9-11绕B轴轴线L_B回转。C轴轴线L_C、A轴轴线L_A、B轴轴线L_B三者的交点O为球坐标三轴主轴头机构的球坐标系原点。电极10安装在B轴回转体组件9-11的回转轴上，随球坐标三轴主轴头机构9作绕C轴回转、绕A轴摆动、绕B轴回转的空间复合转摆运动。

本发明电火花加工球坐标三轴主轴头机构的优点是：

1)、A轴驱动组件及其传动件和B轴驱动组件及其传动件对称于C轴轴线L_C布置，故本发明的三轴球坐标机构具有热对称特性，减小了热变形对电火花加工加工精度的影响，工作精度高。

2)、本发明的三轴球坐标机构用于安装创成法用的电极，电极重量小；空套直齿轮a和固定直齿轮c安装在同一个轴组件a上，空套直齿轮b、固定直齿轮7和固定锥齿轮a安装在同一个轴组件b上，结构简单重量轻；A轴摆动体组件和B轴回转体组件对称地布置在C轴回转体组件的钳字形缺口内，对称地支承在C轴回转体组件上，无悬臂；C轴驱动组件要承受C轴回转体组件及安装在其上的A轴、B轴、电极等全部构件的自重，C轴驱动组件承受的自重相对较大，A轴驱动组件和B轴驱动组件承受的自重相对较小，A轴驱动组件及B轴驱动组驱动力小及结构轻。因此本发明的三轴球坐标机构具有自重小、上重下轻，比刚度(刚度与重量之比)高的特点。

3)、即使A轴摆动角度达到90°，即电极在水平方向加工，轴组件a及A轴驱动组件和B轴驱动组件也不会浸入工作液内(特别是A轴和B轴的驱动电机不会浸入工作液内)，因此本发明的三轴球坐标机构需要防护的构件少，防护简单。

Claims

1.一种电火花加工球坐标三轴主轴头机构，其特征在于：包括C轴驱动组件(9-1)，C轴驱动组件(9-1)安装在六轴联动电火花加工数控机床的Z轴部件(8)上，在C轴驱动组件(9-1)向下连接有C轴回转体组件(9-8)；

在C轴回转体组件(9-8)的下端安装有A轴摆动体组件(9-12)，A轴摆动体组件(9-12)的下端垂直A轴轴线L_A安装有B轴回转体组件(9-11)，B轴回转体组件(9-11)绕B轴轴线L_B回转，在B轴回转体组件(9-11)的轴回转体上轴向固定安装有电极(10)；

在C轴回转体组件(9-8)的外侧，对称于C轴轴线L_C安装有A轴驱动组件(9-16)和B轴驱动组件(9-2)；在C轴回转体组件(9-8)上垂直对称于C轴轴线L_C分别支承有轴组件a(9-4)和轴组件b(9-6)；在A轴驱动组件(9-16)的输出轴上安装有固定直齿轮a(9-15)，在轴组件a(9-4)上空套有空套直齿轮a(9-14)，在轴组件b(9-6)上空套有空套直齿轮b(9-13)，空套直齿轮b(9-13)与A轴摆动体组件(9-12)固定连接，A轴驱动组件(9-16)依次经过固定直齿轮a(9-15)、空套直齿轮a(9-14)、空套直齿轮b(9-13)与A轴摆动体组件(9-12)传动连接；在B轴驱动组件(9-2)的输出轴上安装有固定直齿轮b(9-3)，在轴组件a(9-4)上固定安装有固定直齿轮c(9-5)，在轴组件b(9-6)上固定安装有固定直齿轮(9-7)和固定锥齿轮a(9-9)，在B轴回转体组件(9-11)的回转轴上固定安装有固定锥齿轮b(9-10)，固定锥齿轮a(9-9)与固定锥齿轮b(9-10)同时位于A轴摆动体组件(9-12)内腔中，B轴驱动组件(9-2)依次经过固定直齿轮b(9-3)、固定直齿轮c(9-5)、固定直齿轮d(9-7)、固定锥齿轮a(9-9)、固定锥齿轮b(9-10)与B轴回转体组件(9-11)传动连接。

2.根据权利要求1所述的电火花加工球坐标三轴主轴头机构，其特征在于，所述的C轴轴线L_C、A轴轴线L_A、B轴轴线L_B在空间交于一点。

3.根据权利要求1所述的电火花加工球坐标三轴主轴头机构，其特征在于：所述的C轴回转体组件(9-8)的下端对称于C轴轴线L_C设置有钳字形缺口，在C轴回转体组件(9-8)的钳字形缺口内安装有A轴摆动体组件(9-12)，A轴摆动体组件(9-12)绕A轴轴线L_A摆动，在A轴摆动体组件(9-12)与C轴回转体组件(9-8)的钳字形缺口内侧的接触部位对称地设置有过约束结合面J₁和J₂，在结合面J₁和J₂上喷涂有树脂。