CN105643036B - 一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，包括机床底座，滑枕，旋转体，旋转轴，主轴，摆动机构以及工作台，所述机床底座上设有滑动轨道，所述滑动轨道上活动设有滑枕，所述滑枕的一端部连接有旋转体，所述旋转体通过回转机构、旋转轴活动连接有主轴，所述主轴下端连接有摆动机构，所述摆动机构下方设有工作台。本发明所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其结构设计合理，通过采用附加A/B轴的方式构成五轴数控电火成型机床结构，加工精确度高、控制方便且工艺更加集中，可有效减少装夹次数，可为复合、复杂型面的模具加工提高精度以及效率，具有重要的发展前景。

Description

一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床

技术领域

本发明属于数控机床技术领域，具体涉及一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床。

背景技术

电火花加工方法是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电产生电火花瞬时高温，使局部的金属熔化而被腐蚀掉的一种特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。

利用上述原理进行工作的机床称为电火花机床。电火花机床的种类较多，可分为电火花成型机床、电火花线切割机床等等。

数控电火花成型机床是以电极作为正极、工件作为负极，在工作液中两者之间产生放电从而将电极的形状“复制”到工件上的一种无切削加工机床。

电火花机床主要有两种情况使用场合。一是超硬材料的加工，主要是模具零件及军工、航空航天发动机中的部分零件，因其材料具有高强度、高韧性、高脆性，用传统的加工方法难以满足要求。二是加工复杂型腔、狭缝等结构件。

自1943年前苏联科学家拉扎林科夫研制出世界上第一台实用的电火花加工装置以来，美国、日本、瑞士等对数控电火花成型机床的研究世界领先，如瑞士的夏米尔、日本的沙迪克、牧野等公司等一直在推动电火花加工设备的发展，并已在通讯、家电制品、电动工具中、电子仪表、汽车、军工、航空航天等领域得到广泛的应用。如手机外壳模具、洗衣机传动轴模具、冲击钻振动锤模具、汽车转向轴挤压模具、航空发动机冠状蜗轮等的加工。

尽管美国、日本、瑞士等对数控电火花成型机床的研究比较深入和领先，但由于电火花机床许多方面的原理还不够清晰，所以，这些发达国家的主要精力集中在这些理论研究，对机床结构的研究比较少。世界上，电火花成型机床的种类基本上都是立柱式，分为单轴数控、三轴数控、五轴联动等。

单轴数控为只对主轴垂向(Z轴)的运动进行自动控制，工作台的左右和前后运动为手动；三轴数控为对主轴垂向(Z轴)和工作台的左右(X轴)和前后(Y轴)运动进行自动控制；五轴联动是在三轴控制的基础上增加数控回转轴。

比较典型的有两种形式，一种是在工作台上增加两轴数控转台(A/C轴)，这种结构的主轴设计不受限制，但回转不能设计太大，A轴回转到90°时，工作台承受很大的偏心力矩，适合中小零件的加工，可以加个叶片、转子、曲轴等，同时，由于电火花机床加工时，工件必须在工作液中进行，因而需要浸液式电机，这是一个难点。

另一种是配备两轴数控旋转头(A/B轴)，这种结构的主轴结构密集，设置在主轴端，主要用于加工发动机机壳、大型模具等。由于在放电的过程中，Z轴需要在电极与工件间距离很小时，迅速回退，所以，这种结构无法加工打斜孔、斜缝隙和内腔小的斜面。

随着技术的发展，现代产品的结构越来越紧凑，在汽车、通讯、电动工具等行业，大量采用整体复合一体化结构的零件，这就要求将几个零件甚至更多的零件组合而成的部件设计成一个整体件。但这些零件设计有斜孔、斜面等复合型面，其加工工艺性差，零件的加工困难，大量需要多轴数控电火花设备进行加工。研制的新型数控电火花机床，为这些行业的复合一体化模具制造提供一种中档次的数字化电火花制造装备。

这种特征的加工要素用国内现有的主轴只能垂直运动的电火花机床无法加工，迫使设计者只能设计成分体式的结构。而分体式的结构，降低了刚性和精度。另外，模具技术的发展,一模多腔模具需求增加，模具的尺寸也变来越大，因此为满足模具要求，机床工作台需能够安装较大更重的工件。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种通过采用的附加A/B轴多轴数控电火机机床结构，加工精确度高、控制方便且工艺更加集中，可有效减少装夹次数，可为复合、复杂型面的模具加工提高精度以及效率，具有重要的发展前景的主轴摆动式五轴数控电火花成型机床。

技术方案：本发明所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，包括机床底座，滑枕，旋转体，旋转轴，主轴，摆动机构，以及工作台，所述机床底座上设有滑动轨道，所述滑动轨道上活动设有滑枕，所述滑枕的一端部连接有旋转体，所述旋转体通过回转机构、旋转轴连接有主轴，所述主轴下端连接有电极，所述电极下方设有工作台；所述回转机构包括蜗轮，蜗杆，夹紧套，箱体以及压板，所述箱体上设有进油口、泄油口，所述夹紧套环向设置在所述旋转轴上，所述压板设置在所述箱体的端部；所述摆动机构包括对称设置的本体，伺服电机，伞齿轮机构，直齿轮机构，摆动体以及电极，所述伺服电机安装于所述本体的内腔，所述伺服电机下部连接有伞齿轮机构，所述伞齿轮机构下方设有直齿轮机构，所述直齿轮机构下方设有摆动体，所述摆动体上方设有扇形齿，所述摆动体下方连接有电极，所述扇形齿与所述直齿轮机构相互啮合；所述直齿轮机构通过直齿轮芯轴以及直齿轮轴承与所述本体活动连接，所述摆动体通过摆动体芯轴以及摆动体轴承与所述本体活动连接。

进一步的，所述蜗杆采用双螺距渐厚蜗杆。

进一步的，所述蜗杆蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距，而同一侧面的齿距则是相等的。

进一步的，所述蜗杆的端部还设有调整垫片。

进一步的，所述旋转轴和主轴的端部还设有ENCODERH-90型旋转编码器。

进一步的，所述伞齿轮机构包括两只相互啮合的螺旋式的第一伞齿轮和第二伞齿轮。

进一步的，所述直齿轮机构包括两片直齿轮，且相互之间用弹簧错开。

进一步的，所述扇形齿的弧度为110°。

有益效果：本发明所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其结构设计合理，通过采用附加A/B轴的多轴数控电火机机床结构，加工精确度高、控制方便且工艺更加集中，可有效减少装夹次数，可为复合、复杂型面的模具加工提高精度以及效率，具有重要的发展前景。

附图说明

图1为本发明的机床整体结构示意图；

图2为本发明的回转机构结构示意图；

图3为本发明的摇摆机构结构示意图；

图4为本发明的蜗轮蜗杆结构示意图；

图5为本发明的蜗杆原理示意图。

具体实施方式

如图1所示的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，包括机床底座1，滑枕3，旋转体4，旋转轴5，主轴7，摆动机构，以及工作台10，所述机床底座1上设有滑动轨道2，所述滑动轨道2上活动设有滑枕3，所述滑枕3的一端部连接有旋转体4，所述旋转体4通过回转机构、旋转轴5连接有主轴7，所述主轴7下端连接有电极8，所述电极8下方设有工作台10。

如图2所示的回转机构结构示意图。回转机构包括蜗轮11，蜗杆12，夹紧套15，箱体6以及压板17，所述箱体6上设有进油口13、泄油口14，所述夹紧套15环向设置在所述旋转轴5上，所述压板设置在所述箱体6的端部。

在对工件9指定角度的特征进行加工时，由于回转部件所承受力的不平衡，仅靠驱动系统和传动机构通常不能满足工件所需的定位精度要求。需要具备回转部件的定位夹紧功能。回转部件中使用定位夹紧机构，不但能够为回转部件提高较高的定位精度，还能够转移传动机构的受力，将力传递给滑枕，使得驱动系统和传动机构得到释放，从而保证回转机构具有较高的传动刚性，明显提高机床耐重切削的能力。

该机床的A/B轴是一种任意角度的回转部件，采用夹紧套环抱式夹紧方式。当压力油从进油口进入，作用于夹紧套时，通过夹紧套与回转轴之间产生的摩擦力矩对回转轴进行角度定位的夹紧。这样的机构，夹紧力矩大，结构紧凑，不会产生轴向推力，也不会产生扭曲。而且将驱动系统和夹紧系统很好地融合在一起，从而获得理想的夹紧效果。

如图3所示的摇摆机构结构示意图。摆动机构包括对称设置的本体81，伺服电机82，伞齿轮机构，直齿轮机构，摆动体89以及电极8，所述伺服电机82安装于所述本体81的内腔，所述伺服电机82下部连接有伞齿轮机构，所述伞齿轮机构下方设有直齿轮机构，所述直齿轮机构下方设有摆动体89，所述摆动体89上方设有扇形齿，所述摆动体89下方连接有电极8，所述扇形齿与所述直齿轮机构相互啮合；所述直齿轮机构通过直齿轮芯轴87以及直齿轮轴承86与所述本体81活动连接，所述摆动体89通过摆动体芯轴88以及摆动体轴承91与所述本体81活动连接。

所述伞齿轮机构包括两块相互啮合的螺旋式的第一伞齿轮83和第二伞齿轮84，以提高传动的平稳性。所述直齿轮机构包括两片直齿轮85，且相互之间用弹簧错开，利用错齿轮的原理消除齿轮侧隙，减少制造、安装和磨损引起的误差，制造成本低，便于推广应用。所述扇形齿的弧度为110°，与双片直齿轮相啮合，下端联接电极；通过伺服电机的控制，使电极可以倾斜某一角度。

该摆动机构在工作时，将该机构本体的上端与机床主轴相联接，下端与电极相联接。将伺服电机与数控系统相联接，通过数控程序控制电极的倾斜角度。

如图4所示的蜗轮蜗杆结构示意图。本机床中蜗轮副的啮合侧隙无论是对分度、定位精度,还是传动精度的影响最大,因此消除蜗轮副的侧隙就成为数控回转工作台的关键问题。

本机床中的蜗杆12采用双螺距渐厚蜗杆,以便调整啮合侧隙到最小限度。双螺距渐厚蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距(导程)；而同一侧面的齿距(导程)则是相等的。

由于蜗杆齿左、右两侧面具有不同的齿距,即左、右两侧面具有不同的模数m(m＝t/π)。此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。在使用时，通过调整垫片16使蜗杆轴向移动,直至调整到蜗轮蜗杆的啮合间隙为零,来消除蜗杆与蜗轮的齿侧隙。

从图5中可知，蜗杆左侧的齿矩为t_左,右侧的齿距为t_右,中间齿距为t中。当t_右>t_左时,相邻两齿齿厚：A1＝t_左-B1，A2＝t_右-B1，相邻两齿厚的差值Δs＝B2-B1＝t_右-t_左。任意两相邻齿厚之差(沿同一轴向截面上)都是Δs＝B_i+1-B_i＝t_右-t_左,这样的蜗杆从左到右齿厚逐渐增厚,当蜗杆向左移动时，啮合侧隙将会逐渐减小。

考虑到机床性能要求的精密性以及加工的准确性。因此要求设计一闭环数控回转台,其回转角度,回转速度要有反馈信号,所以选用FAGRO公司的两个ENCODERH-90型旋转编码器分别安装在旋转轴5和主轴7的末端，这样即使在传动过程中有误差或间隙也可在反馈后得到数控系统的补偿。

本机床的关键技术主要有以下几点：

1)无间隙蜗杆传动

本机床中蜗轮副的啮合侧隙无论是对分度、定位精度,还是传动精度的影响最大,因此消除蜗轮副的侧隙就成为数控回转工作台的关键问题。

2)A/B旋转轴的锁紧

机床旋转轴和旋转盘是该机床的关键功能部件，不但要为加工提供第四轴和第五轴的任意角度的回转进给运动，而且而且要具备定位夹紧功能。本产品使用夹紧套环抱式定位夹紧机构，其夹紧机构的设计以及机构和液压系统、电气系统的互相协调是需解决的关键技术。

1)创新机床结构

该机床首次提出滑枕式电火花机床结构，工作台静止，和新设计的A/B轴回转结构配合组成新型五轴机床，为国内首创。

2)创新的A/B回转机构

根据电火花机床加工工艺特点，选择用工作台上的A/C回转工作台，需要解决浸液式电机，这是难以做到的。现发明一种A/B轴回转机构，安装与机床滑枕上，提高了机床的可靠性。

本机床的技术参数如下：

工作台面积 700*400mm

X/Y/Z三向行程 450*350*200mm

主轴前后旋转角度(A) ±90°

主轴左右旋转角度(B) ±110°

工作台到电极头平面最大距离 520mm

最大电极重量 80Kg

最大工件重量 1000Kg

数控系统 夕特

编程最小设定单位 0.001mm

快速移动速度(X/Y/Z) 10/10/8m/min

主轴前后旋转速度(A) 8m/min

主轴左右旋转速度(B) 8m/min

(X/Y/Z)直线定位精度 0.005mm

(A/B)回转角度误差 10″

最大加工效率 ≥400mm³/min

Z最佳粗糙度 ≤Ra0.6mm

本发明的五轴数控电火花机床的过程化与产业化将全面提高我国民用复合模具零件的生产水平，提高零件的复杂化程度，提高模具零件的性能，促进企业技术进步、产品升级换代、实现国民工业发展的全面振兴，创造巨大的社会效益。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：包括机床底座（1），滑枕（3），旋转体（4），旋转轴（5），主轴（7），摆动机构，以及工作台（10），所述机床底座（1）上设有滑动轨道（2），所述滑动轨道（2）上活动设有滑枕（3），所述滑枕（3）的一端部连接有旋转体（4），所述旋转体（4）通过回转机构、旋转轴（5）连接有主轴（7），所述主轴（7）下端连接有电极（8），所述电极（8）下方设有工作台（10）；所述回转机构包括蜗轮（11），蜗杆（12），夹紧套（15），箱体（6）以及压板（17），所述箱体（6）上设有进油口（13）、泄油口（14），所述夹紧套（15）环向设置在所述旋转轴（5）上，所述压板设置在所述箱体（6）的端部；所述摆动机构包括对称设置的本体（81），伺服电机（82），伞齿轮机构，直齿轮机构，摆动体（89）以及电极（8），所述伺服电机（82）安装于所述本体（81）的内腔，所述伺服电机（82）下部连接有伞齿轮机构，所述伞齿轮机构下方设有直齿轮机构，所述直齿轮机构下方设有摆动体（89），所述摆动体（89）上方设有扇形齿，所述摆动体（89）下方连接有电极（8），所述扇形齿与所述直齿轮机构相互啮合；所述直齿轮机构通过直齿轮芯轴（87）以及直齿轮轴承（86）与所述本体（81）活动连接，所述摆动体（89）通过摆动体芯轴（88）以及摆动体轴承（91）与所述本体（81）活动连接。

2.根据权利要求1所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述蜗杆（12）采用双螺距渐厚蜗杆。

3.根据权利要求1或2所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述蜗杆（12）蜗杆齿的左、右两侧面具有不同的齿距，而同一侧面的齿距则是相等的。

4.根据权利要求1或2所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述蜗杆（12）的端部还设有调整垫片（16）。

5.根据权利要求1所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述旋转轴（5）和主轴（7）的端部还设有ENCODERH-90型旋转编码器。

6.根据权利要求1所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述伞齿轮机构包括两只相互啮合的螺旋式的第一伞齿轮（83）和第二伞齿轮（84）。

7.根据权利要求1所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述直齿轮机构包括两片直齿轮（85），且相互之间用弹簧错开。

8.根据权利要求1所述的一种主轴摆动式五轴数控电火花成型机床，其特征在于：所述扇形齿的弧度为110°。