CN104227153A - 电火花成型加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电火花成型加工装置，包括：主轴(10)，安装有工具电极；以及线性电动机装置，以使主轴产生朝向工件的直线移动的方式而构成。主轴包括：金属或合金制的板构件(11)；第1加强构件(51)，被固定于板构件的正面(14)；第2加强构件(52)，被固定于板构件的正面；第3加强构件(53)，被固定于板构件的背面(15)，且隔着板构件而与第1加强构件相向；以及第4加强构件(54)，被固定于板构件的背面，且隔着板构件而与第2加强构件相向，且所述主轴具有在板构件的宽度方向上对称的横剖面。

Description

电火花成型加工装置

技术领域

本发明涉及一种电火花成型加工装置，其使形成在导电性的工件(workpiece)与工具电极(tool electrode)之间的加工间隙(work gap)中产生放电，以对工件进行加工。本发明尤其涉及一种使安装于主轴中的工具电极朝向工件前进的电火花成型加工装置(sinker electric discharge machiningapparatus)。

背景技术

电火花成型加工装置被广泛用于精密地制作模具(mold)。一般而言，工具电极是使用工具固定架(tool holder)而安装于可垂直移动的主轴(quill)或压头(ram)上。工具电极通常由铜或石墨(graphite)所制作。工件被固定在配置于加工槽(work tank)中的加工台上。在加工过程中，加工槽中放满电火花加工液(dielectric liquid)，工具电极被定位得非常靠近工件。加工间隙的大小为数微米至数百微米左右。

当电力脉冲(power pulse)在导通时间(ON time)的期间内被施加至加工间隙时，加工间隙中的电火花加工液的绝缘特性被破坏而产生放电。工件的微量的材料因放电产生的热而蒸发或熔融。当导通时间结束时，加工间隙中的电火花加工液恢复绝缘特性，因此在断开时间(OFF time)的期间内停止电压的施加。放电使工件表面形成凹坑形状(crater-shaped)的细微的孔。电火花成型加工装置通常将导通时间及断开时间控制在1微秒～数毫秒内，将电流脉冲反复供给至加工间隙。绝大多数电火花成型加工装置是使工具电极沿着Z轴朝向工件下降，以将加工间隙维持为固定的大小。工具电极不接触工件，而从工件逐渐去除微量的材料。其结果，在工件中高精度地成型出在形状上与工具电极相辅的凹腔。

对于电火花加工而言，重要的是将从工件中去除的加工屑(machineddebris)从加工间隙中冲洗掉。为了实现该目的，已知有下述方法，即：在加工过程中，使经由加工间隙的电火花加工液流动起来。该方法被称作“冲刷(flushing)”。冲刷防止在加工屑与工具电极之间产生的不期望的二次放电。而且，冲刷有助于在断开时间内恢复绝缘。熟练的作业者会在加工前，预先在工具电极或工件中的适当位置形成冲刷用的孔。经由此种孔，将洁净的电火花加工液送入加工间隙，并从加工间隙中抽吸脏的电火花加工液。在因工具电极的尺寸(size)或形状而导致此种孔的形成受到限制的情况下，作业者要将朝向加工间隙喷射电火花加工液的喷射装置配置于适当的位置。冲刷是用于更快速、更高精度地进行电火花加工的关键。但是，要使电火花加工液均匀地流动而不沉淀在加工间隙中，需要熟练的操作。

已知有被称作“跳动(jump)”的动作，即，使工具电极周期性地沿着Z轴急速上升、急速下降。借助跳动，加工间隙中的脏的电火花加工液几乎全部从工件中的凹腔(cavity)中被驱出。工具电极的往复距离越大，则越多的新鲜液体流入加工间隙，从而越多的脏的液体从加工间隙被排出。理想的是，至少使工具电极上升在工件中加工出的孔的深度以上的距离。由于在跳动动作过程中，加工会被中断，因此理想的是使跳动动作高速化。已知有一种电火花成型加工装置，通过线性电动机(linear motor)的使用与主轴(quill)的轻量化，从而高速地进行高响应的跳动动作。此种电火花成型加工装置在美国专利6353199及日本专利4152507中有所公开。

美国专利6353199公开了一种电火花成型加工装置，其在四棱柱形的主轴的相向的侧面，分别安装有线性电动机动子(linear motor mover)。主轴是由陶瓷(ceramics)所制作。线性电动机定子(linear motor stator)被安装在静止的框上。一般而言，线性电动机动子与线性电动机定子中的一者是贴附在基板(base plate)上的一列永磁铁。基板例如是铁板。线性电动机动子与线性电动机定子中的另一者是具备电枢线圈(armature coil)的磁轭(yoke)。磁轭是硅钢板的层叠体。将金属或合金制的线性电动机动子安装到非金属的主轴上并不容易。

主轴具有在轴中心铅垂地延伸的孔。在该孔内配置有气缸(cylinder)，该气缸对在高加速度下作用于可移动的主轴的重力负载(gravitational load)进行平衡。气缸的上端通过凸缘(flange)而固定于主轴。活塞(piston)可滑动地设置于气缸中。静止的活塞杆(stationary piston rod)的一端连接于活塞。

日本专利4152507的电火花成型加工装置包含轻量且热影响少的四棱柱形的中空主轴。主轴是由陶瓷烧结体或碳纤维强化塑料(carbon fiberreinforced plastic)所制作。为了引导主轴的直线移动，在主轴的侧面安装有导轨(guide rails)，并且在静止的框上安装有承重块(bearing blocks)。导轨及承重块通常是金属或合金制。

就因热引起的膨胀或收缩而言，导轨要比主轴大。因此，主轴或导轨有可能伴随温度变化而产生弯曲。为了防止该弯曲，考虑加大主轴的壁厚。而且，考虑将与导轨为相同形状且相同热膨胀系数的虚设(dummy)构件安装到主轴的内壁。但是，这些防止对策会造成主轴的重量增加，并不理想。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种兼顾主轴的轻量化与高刚性的电火花成型加工装置。本发明的追加目的在于提供一种可使主轴高速移动并且可高精度地引导主轴的电火花成型加工装置。

本发明涉及一种电火花成型加工装置，其包括：主轴10，安装有工具电极；以及线性电动机装置，以使主轴产生朝向工件的直线移动的方式而构成。主轴包括：金属或合金制的板构件11；第1加强构件51，被固定于板构件的正面14；第2加强构件52，被固定于板构件的正面；第3加强构件53，被固定于板构件的背面15，且隔着板构件而与第1加强构件相向；以及第4加强构件54，被固定于板构件的背面，且隔着板构件而与第2加强构件相向，且所述主轴具有在板构件的宽度方向上对称的横剖面。第1加强构件、第2加强构件、第3加强构件及第4加强构件包含碳纤维强化塑料与陶瓷中的任一种。线性电动机装置包括：第1线性电动机动子21，在第1加强构件及第2加强构件之间，被安装于板构件的正面；以及第2线性电动机动子22，在第3加强构件及第4加强构件之间，被安装于板构件的背面，且隔着板构件而与第1线性电动机动子相向。

比重大的金属或合金制的构件被限定为一片板构件，因此主轴轻量。包含碳纤维强化塑料或陶瓷的加强构件被固定于一片板构件，因此主轴既轻量，又具有高刚性。由于线性电动机动子与板构件的热膨胀系数之差小，因此可防止线性电动机动子的变形。加强构件使得在板构件的正面与背面使板构件弯曲的力彼此抵消。

优选的是，主轴的横剖面也在板构件的厚度方向上对称。第1加强构件、第2加强构件、第3加强构件及第4加强构件只要为板状，且垂直地固定于板构件即可。优选的是，电火花成型加工装置还包括：两个引导装置31、32、33、34，被设置在板构件的长度方向端面上，且以引导主轴的直线移动的方式而构成。两个引导装置分别包含：金属或合金制的导轨31、32，相对于通过板构件的重心并铅垂地延伸的中心轴(QC)而对称。

而且，优选的是，电火花成型加工装置还包括：两个平衡装置40、48，相对于通过板构件的重心并铅垂地延伸的中心轴而对称地配置，且以对作用于主轴的重力负载进行平衡的方式构成。电火花成型加工装置也可还包括：连结构件46，被安装在主轴的上端，且两个平衡装置分别包含活塞杆、静止的气缸及活塞，所述活塞杆的一端安装于连结构件，所述活塞被安装于活塞杆的另一端，且可在静止的气缸中滑动。两个平衡装置使作用于主轴的重力负载大幅减少，因此主轴可高速且高响应地移动。

附图说明

图1是将一部分作为透视图而表示本发明的电火花成型加工装置的立体图。

图2是将一部分分解而表示图1中的主轴与保持构件的立体图。

图3是表示图2中的主轴的立体图。

图4是从图2中的A-A线观察的主轴与保持构件的剖面图。

[符号的说明]

1：电火花成型加工装置

2：立柱

3：机床身

4：座板

5：平台

6：加工槽

7：保持构件

8：工具电极

9：工具固定架

10：主轴

11：板构件

14：板构件的正面

15：板构件的背面

16、17：板构件的长度方向端面

18：开口

21：第1线性电动机动子

22：第2线性电动机动子

23：第1线性电动机定子

24：第2线性电动机定子

31、32：导轨

33、34：导块

36：标尺

37：传感器

38：托架

40、48：平衡装置

41：气缸

42：活塞

43：活塞杆

44：上室

45：下室

46：连结构件

51～54：加强构件

62：制动装置

64：固定板

66：分隔板

QC：中心轴

具体实施方式

以下，参照图1至图4来说明本发明的电火花成型加工装置。如图1所示，立柱(column)2被配置于机床身(bed)3的后方，座板(saddle)4可沿Y轴方向滑动地设置于机床身3上。平台(table)5可沿X轴方向滑动地设置于座板4上。加工槽6被设置于平台5上，工件(未图示)被固定在加工槽6中。加工槽6在加工过程中被放满电火花加工液。

保持构件7被固定于立柱2的正面。保持构件7具有供主轴10铅垂地通过的孔。主轴10由保持构件7可沿Z轴方向移动地予以保持。工具电极8只要直接或间接地安装于主轴10的下端即可。实施例中，工具电极8通过工具固定架9与分隔板66而安装于主轴10的下端。电火花成型加工装置1构成为，使工具电极8以超过重力加速度(1G)的加速与减速且10m/min以上的速度高精度地移动。因此，可执行移动量大的跳动动作，而不会降低材料去除速度(material removal rate)。

如图2所示，主轴10包含一个板构件11及板状的加强构件51、52、53、54。板构件11沿Z轴方向延伸。板构件11为金属或合金制，因此能够以高尺寸精度来容易地加工板构件11。除此以外，还能够将加强构件51、52、53、54等容易地固定于板构件11。加强构件51、52、53、54在形状及材质上相同，且具有矩形的横剖面。

如图3所示，一对加强构件51、52在板构件11的正面14，被垂直地固定于板构件11。另一对加强构件53、54在板构件11的背面15，被垂直地固定于板构件11。加强构件51、52、53、54包含碳纤维强化塑料，平行于Z轴方向且相互平行地延伸。粘合剂被用于固定加强构件51、52、53、54。加强构件51隔着板构件11而与加强构件53相向，加强构件52隔着板构件11而与加强构件54相向。板构件11与加强构件51、52、53、54在长度上相等。主轴10的横剖面在板构件11的宽度方向及厚度方向上对称。

加强构件51、52、53、54是小比重且高刚性的材料，因此主轴10的金属或合金制的部分被最小化。因此，主轴10的重量被抑制得小，并且主轴10的刚性提高。加强构件51、52、53、54的材质也可为小比重的陶瓷。因板构件11与加强构件51、52的热膨胀系数的大的差异而在板构件11的正面14侧产生的弯曲，被在板构件11的背面15侧产生的弯曲抵消。这样，可防止主轴10的弯曲。

工具电极8及工具固定架9是与中心轴QC成同轴地安装。中心轴QC是通过板构件11的重心并铅垂地延伸的线。如图2所示，分隔板66也可设置在主轴10的下端与工具固定架9之间。设置有将分隔板66固定于主轴10下端的固定板64。板构件11也可在工具固定架9的附近具有开口18。在工具固定架9搭载用于使工具电极8回旋的旋转装置时，开口18为工具固定架9提供足够的空间。

主轴10借助两个线性电动机，能够以1G以上的加速度沿Z轴方向移动。第1线性电动机动子21在加强构件51、52之间，被安装于板构件11的正面14。第2线性电动机动子22在加强构件53、54之间，被安装于板构件11的背面15。第1线性电动机动子21及第2线性电动机动子22相对于中心轴QC而对称地、且隔着板构件11而相向。线性电动机动子21、22分别包含基板、及被贴附于该基板的一列永磁铁。基板只要为铁板即可。在板构件11包含铁基材料(iron-based material)的情况下，也可将多个永磁铁直接贴附于板构件11的表面。

第1线性电动机定子23被固定于保持构件7，且隔着空隙(air gap)而与第1线性电动机动子21相向。第2线性电动机定子24被固定于保持构件7，且隔着空隙而与第2线性电动机动子22相向。空隙的尺寸在板构件11的正面14侧及背面15侧相同。第1线性电动机定子23及第2线性电动机定子24分别包含电枢线圈与磁轭。两个线性电动机的推力的合成力作用于中心轴QC。

两个引导装置以引导主轴10的Z轴方向的直线移动的方式而构成。两个引导装置被设置于板构件11的长度方向端面16、17上。引导装置包含各自的导轨31、32。导轨31、32相对于中心轴QC而对称地安装于板构件11的长度方向端面16、17上。导轨31、32也可与板构件11一体地形成。卡合于导轨31的一对导块(guide block)33被固定于保持构件7。卡合于导轨32的一对导块34被固定于保持构件7。导轨31、32与导块33、34为金属或合金制。导块33、34也可被安装于板构件11的长度方向端面16、17，而导轨31、32被固定于保持构件7。

板构件11、线性电动机动子21、22、导轨31、32及导块33、34为金属或合金制，因此可防止因热膨胀系数的大的差异引起的变形。可防止线性电动机动子21、22、导轨31、32及导块33、34的变形，因此主轴10可高精度地移动。

对主轴10在Z轴方向上的位置进行检测的装置包含标尺(scale)36与传感器(sensor)37。标尺36通过托架(bracket)38而安装于板构件11的正面15。传感器37被安装于保持构件7，且以读取标尺36的方式而构成。也可在保持构件7或立柱2上设置制动(brake)装置62，该制动装置62通过夹着主轴10的一部分而防止主轴10掉落。

电火花成型加工装置1如图2及图4所示，具备两个平衡装置40、48。平衡装置40、48以对作用于主轴10的重力负载进行平衡的方式构成。作用于主轴10的重力负载根据Z移动体的质量而变化。Z移动体主要是主轴10，但包含线性电动机动子21、22、分隔板66、工具固定架9、工具电极8等。作用于主轴10的重力负载例如根据所使用的工具电极8的质量而变化。

平衡装置40、48通过连结构件46而安装于主轴10。连结构件46被固定于主轴的上端。平衡装置40、48被分别设置于连结构件46的左右两端中的一端，且相对于中心轴QC而对称地配置。平衡装置40、48分别包含活塞杆、活塞及静止的气缸(stationary cylinder)。平衡装置40的活塞杆43的上端被固定于连结构件46的一端，平衡装置48的活塞杆的上端被固定于连结构件46的另一端。活塞杆43的下端被安装于活塞42。平衡装置40的气缸41被固定于保持构件7或立柱2。活塞42可在静止的气缸41中滑动，气缸41中的空间被活塞42分割为上室44与下室45。

平衡装置48与平衡装置40相同，因而省略其说明。气缸41的下室45经由精密空气调节器(air regulator)而连接于压缩机(compressor)等空气源。上室44实质上开放。精密空气调节器构成为，高速地将空气供给至下室45中或者从下室45中排出空气，从而将下室45中的空气压维持固定。当因主轴10的下降而下室45中的压力上升时，精密空气调节器将下室45中的空气高速排出。当因主轴10的上升而下室45中的压力下降时，精密空气调节器将空气高速供给至下室45。下室45内的空气压可在精密空气调节器中进行设定。下室45内的空气压被设定为产生平衡力的值，该平衡力对作用于主轴10的重力负载进行平衡。借助平衡装置40、48，在主轴10的静止过程中，可节约供给至线性电动机的电力。为了防止粉尘的侵入，主轴10、保持构件7及两个线性电动机由适当的罩(cover)及波纹管(bellows)予以覆盖。

实施例是为了说明发明的原理及其实用性的应用而选择。可参照所述的记述来进行各种改良。发明的范围由随附的权利要求书而定义。

Claims (7)

1.一种电火花成型加工装置，包括：

主轴(10)，安装有工具电极；以及线性电动机装置，以使所述主轴产生朝向工件的直线移动的方式而构成，所述电火花成型加工装置的特征在于，所述主轴包括：

金属或合金制的板构件(11)；

第1加强构件(51)，被固定于所述板构件的正面(14)；

第2加强构件(52)，被固定于所述板构件的所述正面；

第3加强构件(53)，被固定于所述板构件的背面(15)，且隔着所述板构件而与所述第1加强构件相向；以及

第4加强构件(54)，被固定于所述板构件的所述背面，且隔着所述板构件而与所述第2加强构件相向，且所述主轴具有在所述板构件的宽度方向上对称的横剖面，所述第1加强构件、第2加强构件、第3加强构件及第4加强构件包含碳纤维强化塑料与陶瓷中的任一种，所述线性电动机装置包括：

第1线性电动机动子(21)，在所述第1加强构件及第2加强构件之间，被安装于所述板构件的所述正面；以及

第2线性电动机动子(22)，在所述第3加强构件及第4加强构件之间，被安装于所述板构件的所述背面，且隔着所述板构件而与所述第1线性电动机动子相向。

2.根据权利要求1所述的电火花成型加工装置，其特征在于，所述主轴的所述横剖面在所述板构件的厚度方向上对称。

3.根据权利要求1所述的电火花成型加工装置，其特征在于，所述第1加强构件、所述第2加强构件、所述第3加强构件及所述第4加强构件为板状，且垂直地固定于所述板构件。

4.根据权利要求1所述的电火花成型加工装置，其特征在于，更包括：两个引导装置，被设置在所述板构件的长度方向端面上，且以引导所述主轴的所述直线移动的方式而构成。

5.根据权利要求4所述的电火花成型加工装置，其特征在于，所述两个引导装置分别包含金属或合金制的导轨，所述金属或合金制的导轨相对于通过所述板构件的重心并铅垂地延伸的中心轴而对称。

6.根据权利要求1所述的电火花成型加工装置，其特征在于，还包括：两个平衡装置，相对于通过所述板构件的重心并铅垂地延伸的中心轴而对称地配置，且以对作用于所述主轴的重力负载进行平衡的方式构成。

7.根据权利要求6所述的电火花成型加工装置，其特征在于，还包括：连结构件，被安装在所述主轴的上端，且所述两个平衡装置分别包含活塞杆、静止的气缸及活塞，所述活塞杆的一端安装于所述连结构件，所述活塞被安装于所述活塞杆的另一端，且可在所述静止的气缸中滑动。