數控電火花機床可調式電極平動裝置的設計

朱勇泉

（中航航空高科技股份有限公司，南通 226001）

0 引言

電火花成型加工方法是利用工件和電極之間的放電產生電火花，使金屬熔化的一種特種加工方法，廣泛用于超硬材料的模具零件加工[1]。

當用電極進行模具型腔粗加工后，工件的大部分余量被腐蝕，同時，電極與工件之間存在放電間隙。傳統的方法是在粗加工更換電極，進行半精加工和精加工。型腔精度要求越高，需要更換的電極越多。

為提高加工效率，在機床主軸與電極之間增加平動裝置，使電極在水平面內做小圓周運動，小圓的半徑即為平動量，電極包絡線形成的輪廓，擴大了電極的加工范圍。平動量的值為模具型腔理論輪廓與電極輪廓之間的差值，從而實現使用同一個電極，進行模具型腔的粗、精加工。使用平動裝置的加工原理如圖1 所示。

圖1 平動加工原理

1 總體結構設計

由于粗、精加工放電間隙大小一般為0.15-0.30mm 和0.05-0.15mm[2]。本設計確定平動裝置的平動量調節范圍為0-2mm。同時，平動時必須具有良好的剛性，保證精加工質量。

平動裝置總體結構如圖2 所示。

圖2 平動裝置結構

平動裝置固定安裝于機床主軸下方，機床主軸上下運動，使電極接近模具，進行放電。平動裝置可同時工作，使電極平動，進行精加工。

偏心套、偏心桿、調節螺桿和調節螺母等構成平動量調節機構。

聯接板、左右移動板、平動板、下固定板和固定柱、滾柱和滾針共同構成平動機構。左右移動板和平動板是平動機構的活動部件，電極夾具與平動板固定聯接。

平動量調節機構與平動機構之間，通過聯動板進行聯接。聯動板的一端與平動板剛性聯接，另一端通過軸承與偏心桿聯接。

電機旋轉時，通過帶輪1、帶輪2 和偏心套，帶動偏心桿旋轉，使聯動板一端的軸承中心做半徑為R 的小圓周運動，驅使平動板做平動量為R 的運動，從而使電極做平動。

2 平動機構設計

上固定板的下平面，左右移動板上、下兩個平面和平動板的上平面均設計有一對間距相等、相互平行的V 型槽導軌，V 型槽的角度為90°，用于安裝圓柱形滾柱[3]，如圖3 所示。

圖3 左右移動板

V 型槽中的滾柱可以承受較高的雙向受力。每條導軌上的滾柱使用一條保持架，將滾柱均勻地相互隔開，且使用黃油進行導軌的潤滑。保持架的兩端彎曲成折邊，防止滾柱脫落。

下固定板通過四根固定柱與上固定板進行固定，將左右移動板和平動板夾于其中，并有一定的預緊力，保證了平動板移動時具有良好的剛性。

當左右移動板的上、下V 型槽里安裝滾柱后，左右移動板和平動板的運動自由度就受到了約束。左右移動板只能相對于上固定板做左右運動（X 向），平動板只能相對于左右移動板做前后運動（Y 向）。

由于平動板與下固定板之間存在X 方向和Y 方向的相對運動，故在兩者之間使用球形滾珠加以隔開，并設計滾珠保持架[4]，如圖4 所示。

圖4 滾珠保持架

設上固定板、左右移動板和平動板的上平面幾何中心分別為O、O1和O2，以O 點為原點建立X-Y 坐標系。由于左右移動板只能相對于上固定板進行左右移動，故O1點沿著O-X 坐標軸移動，移動距離為OO1，如圖5（a）所示；由于平動板只能相對于左右移動板進行前后移動，故O2點沿著O1-Y1坐標軸移動，移動距離為O1O2，如圖5（b）所示。

圖5 相對運動

當偏心軸對聯動板施加外力F 后，與之相剛性聯接的平動板不能做X 方向的移動，作用在平動板上的水平分力FX通過平動板上的滾柱傳遞給左右移動板，使其左右移動，OO1=BBX；垂直分力FY使平動板前后移動，O1O2=BBY。如此，O2點在X-O-Y 坐標系內，相對于O 點實現了平動，平動后到達O2，平動量為OO2長度，如圖6 所示。圖中，B 為聯動板右端的軸承中心未平時的位置，B’為B 點平動后的位置。

圖6 平動原理

3 平動量調節機構設計

平動量大小的調節原理為：通過調節螺桿的上下移動，使偏心桿與偏心套之間產生相對轉動，轉動角度為，從而產生平動量，平動量的原理后序。

3.1 調節螺桿的設計

調節螺桿為外螺紋結構，在螺桿的全長度上加工鍵槽，操作者旋轉上方的調節螺母，使調節螺桿上下移動。調節螺桿下方通過軸承與偏心桿連接，通過調節螺桿上下運動。

3.2 偏心軸的設計

偏心軸由主體部分和下方偏心圓柱組成，主體部分軸心線為O5，偏心圓柱軸心線為B。兩者的偏心距離為L。在俯視圖上，以O5與B 的連線為一條邊，對應中心角為90°的外圓區域內，開設一個螺旋槽，螺旋槽上E 點以上和F點以下為直槽，用于偏心軸的安裝與拆卸[5]。E 點與F 點之間的軸向距離為H，如圖7 所示。

圖7 偏心軸

偏心套上固定安裝的銷嵌入在螺旋槽內，安裝時，固定銷初始位置位于螺旋槽的E 點。當偏心軸向上移動H距離后，偏心軸相對于偏心套左旋90°。

設計時，增大H 值，有利于調節平順，但結構不緊湊，在此，H 值取外圓直徑的二分之一，對應的螺旋升角約為62.5°，不會形成自鎖，調節較為平順。

3.3 偏心套的設計

偏心套外圓軸心線為O4，其內孔軸心線A 與O4之間偏心，偏心套的偏心距離與偏心軸的偏心距離相等，均為L。

當兩者按照圖8 中的位置關系裝配后，偏心軸的主體部分軸心線O5與偏心套內孔軸心線A 重合，偏心套外圓軸心線O4與偏心軸下方偏心圓柱軸心線B 重合，當偏心套旋轉時，偏心軸下方偏心圓柱做無偏心旋轉，與之相聯接的聯動板靜止不動，與之相聯接的平動板也靜止不動，即此時平動量R=0。

圖8 偏心套與偏心軸

圖9 平動量產生原理

4 結束語

平動裝置采用V 型槽導軌，不僅可以限制活動件的運動自由度，使平動板產生平動，而且在固定板的夾緊下，平動機構具有較高的剛性。在實際應用時，首先檢測粗加工后的模具加工尺寸，計算出精加工時電極需要平動的量，然后旋轉調節螺母，按照圖10 的方法測量平動量，當平動量達到所需的值后，用鎖緊螺釘將調節螺桿鎖緊。

圖10 平動量測量

使用平動裝置，經應用與檢測，在不更換電極的情況下，可方便地實現模具的粗、精加工，模具側壁粗糙度穩定在Ra1.2μm，尺寸精度可達到0.004mm，滿足精加工的要求。