基于比刚度的牛头式电火花机床平滑枕结构设计与研究.pdf

2 0 1 4年 9月 第4 2卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS S e p ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 7 ． 0 3 6 基于比刚度的牛头式电火花机床平滑枕结构设计与研究 刘智 ，丰树礼 1 ．佛 山职业技术学院，广 东佛山 5 2 8 1 0 0； 2 ．广东工业大学机电工程 学院，广东广州 5 1 0 5 2 0 摘要平滑枕是牛头式电火花机床的关键部件，牛头式结构是典型的悬臂结构。在受到重力和加工力的作用下，作为 悬臂结构的薄弱环节 ，平滑枕极易产生变形，从而反作用于主轴 ，严重降低机床的使用性能。对牛头式电火花机床平滑枕 的筋板结构进行了分析 ，并提出了一种全新的结构形式。最后以比刚度为评价原则，得到最优的结构方案，为牛头式电火 花机床机床运动部件的设计提供了理论依据。 关键词 平滑枕 ；牛头式电火花机床；悬臂结构 ；筋板 ；比刚度 中图分类号T G 5 0 2 ． 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 71 3 1 4 St r uc t u r a l De s i g n a nd Re s e a r c h o f S mo o t h Pi l l o w o f Ta ur e n EDM Ba s e d o n Hi g h S p e c i fic S t i fin e s s L I U Zh i ，FENG S hu l i 1 ． F o s h a n P o l y t e c h n i c ，F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 1 0 0 ，C h i n a ； 2． Fa c u l t y o f El e c t r o me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Gu a ng d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 5 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s mo o t h p i l l o w i s a k e y c o m p o n e n t o f t h e T a u r e n t y p e E l e c t ri c D i s c h a r g e Ma c h i n e E D M ， a n d t h e t y p e i s a t y p i c a l c a n t i l e v e r s t r u c t u r e ． U n d e r t h e a c t i o n o f g r a v i t y a n d c u t t i n g f o r c e ，a s a we a k l i n k o f a c a n t i l e v e r s t r u c t u r e ，s mo o t h p i l l o w i s e a s y t o de f o r m ，wh i ch r e a c t s t o t he s p i n d l e，s e v e r e l y d e g r a d e d t h e p e r f o r ma n c e o f ma c h i ne t o o 1 ．Th e s t i f f e n e d pl a t e s t r u c t u r e o f t h e Ta ur e n t y pe EDM’ S s mo o t h p i l l o w wa s a n a l y z e d，a n d a k i n d o f n e w s t r u c t u r e f o r m wa s p u t f o r w a r d ．W i t h t h e s p e c i fi c s t i f f n e s s a s e v a l u a t i o n p r i n e i p i e，t h e o pt i mu m s t r u c t ur e s c he me i s g o t t e n，whi c h pr o v i d e s t he t he o r e t i c a l ba s i s f o r t he d e s i g n o f Ta ur e n EDM’ S mo v i n g pa r t s ． Ke y wo r d s S mo o t h p i l l o w；T a u r e n t y p e ED M ；C a n t i l e v e r s t r u c t u r e；S t i f f e n e d p l a t e ；S p e c i fi c s t i f f n e s s 0前言 电火 花加工是先进加工技术 的一种 ，广泛应用 于 模具 制造 业 ，汽车制造业 ，航天 、航空 、军工制造业 中⋯。现代电火花加工技术的发展对于机床的精度和 稳定性提出了越来越高的要求。牛头式电火花机床类 似于金属切削机床 中 的牛 头刨 床 ，一般 工作 台 固定 ， 主轴头通过鞍座 和平滑枕 实现 、y方 向移 动 ，主 轴 头 自身 可 以实 现 z方 向移 动。它 具 有 承 载 能 力强 、 加工稳定性好 、检测方便 、平滑枕移 动轻捷 且加工精 度不受工作台负荷影响等优点 ，因此这种结构形式 被广泛应用 于大 中型电火 花机 床上。但是牛头式结构 属于典型 的悬臂结构 ，悬臂结构 随着平 滑枕 伸出量的 增大，变形量成倍增加，主轴相关部件的精度，势必 受重力和加工力的显著影响，图 1 给出了牛头式机床 主轴相关部件及其变形示意图。由图 1 可知 ，平滑枕 以及与其相连接的调整座、主轴头受力的作用而发生 变形 ，随着平滑枕沿 l ， 方 向 的移动 ，变形量会不 断 地增大 。 图 1 牛头式机床主轴相关部件及其变形示意图 1 牛头式电火花机床平滑枕载荷特点 电火花加工是 与机械加工性质完全不 同的一种工 艺技术 ，随着工业生产 的发展和科学技术的进步 ，具 有高熔点、高硬度 、高强度、高脆性、高黏性 、高纯 度等性能的新材料不断出现 ，各种复杂形状的工件也 越来越多。因此传统的机械加工难以满足要求，故电 火花加工应 运而生并不 断地发展 。 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 1 6 作者简介刘智 1 9 8 6 一 ，硕士研究生 ，助理工程师 ，研究方向为机械制造装备。Em a i l l z c h n h u y y 1 6 3 ． c o n。 z L 1 3 2 机床与液压 第4 2卷 针对大尺寸零件进行加工的大型双牛头电火花机 床 ，其不仅具有大型机床运动部件质量大 、运动时产 生的惯性力大，动态刚度差因而造成运动不稳定等缺 点 ，而且还呈现 出电火花加工时所独有的特点 由于 工具电极质量大 ，在随着主轴在工作液中上下反复运 动时，加之速度快 、响应时间短，造成平滑枕除自身 质量外还承受着由主轴带来的较大压差阻力，以及与 黏性工作液体摩擦产生的黏性摩擦阻力，使得平滑枕 部件在放电和冲洗的加工循环过程中产生跟随式的变 形，甚至产生变形的叠加干涉。而由于电火花机床电 极工作的放电间隙很小 ，完全靠对主轴的伺服反馈控 制，因此，安装着主轴头的平滑枕部件的跟随式变形 将严重影响机床的加工精度及生产效率。 牛头式机床平滑枕的受力结构形式是典型的单支 承悬臂梁结构形式 ，造成平滑枕变形 的主要是重力和 加工时的工作力。除了平滑枕本身以及主轴头质量大 造成稳定变形外，当考虑平滑枕伸出量不断增大，处 于大悬伸量时，引起平滑枕不稳定的弯曲变形 ，直至 变形量达到最大。对于大型机床，运动部件的质量 大 ，加工力也很大 ，因此受力分 析时 ，必须 同时考虑 运动部件本身重力和加工力等载荷作用 。电火花成 形机床工作时，主轴作伺服运动，由于主轴伺服运动 瞬时速度 和加速度 较大 ，会产 生一个较 大 的惯性力 。 同时，加工时浸在工作液中的电极周围会产生压差， 当电极 的加 工面积较大和加工型腔的深度较深 时 ，压 差会作用给电极一个变化的、较大的阻力。 以某型号双牛头电火花加工机床平滑枕为研究对 象，其与周围部件的装配关系及受力如图 2 所示。 主轴 头 Ff 注 重力，方向向下； 分别为液体黏性摩擦力 和压差阻力，方向与运动方向相反。 图2 平滑枕与周围部件装配关系及受力 平滑枕可以沿着 y轴方向移动，当运动到 l ， 轴正 方向极限位置时其变形量最大，此状态时所受的外部 载荷主要 为工具 电极 、主轴头 、主轴 调整座及工具 电 极所受重力及压差阻力 。最后 ，根据机床受力结构 和工作要求，分析得出极限工作载荷，作为设计平滑 枕结构的依据 。 2 牛头式机床平滑枕筋板形式 平滑枕的内部筋板是根据载荷特点 ，通过合理 布 置加强筋以提高平滑枕的局部刚度的重要形式。图3 是几种常见的筋板形式示意图其 中图3 a 是最 简单的一种形式 ，图 3 b 、 C 、 d 结构相对 复 杂 ，可获得 较 好 的 刚度 效 果 ，但 工艺 要 求 高 。图 3 b 结构是现有机床结构形式 ，为蜂窝型筋板。图3 C 结构 在 日本进 口的某些机床 中出现过 ，图 3 d 结构是米字型筋板。除此 以外 ，还有人字筋、 几种形式筋的组合等形式。如某组合筋平滑枕，前部 伸缩出来的部分采用仿生的叶脉型交叉筋条，为提高 悬伸部分的局部刚度而设置，后部采用交叉肋条，以 提高整体刚度。 b 一 d 图3 平滑枕加强筋布置示意图 3一种特殊的牛头机床平滑枕结构 对于悬臂的牛头机床平滑枕 ，自身重力是导致变 形的最主要原因，因此尽量减少平滑枕的质量，是减 少其变形的有效手段。由于受到拱桥 的结构原理的启 发 ，本文作者提出一种无筋板 的拱形平滑枕结构 ，如 图 4所示 。这种平滑枕结构最显著 的特点是上下壁均 采用拱形结构，利用拱形的张力支承作用；内壁完全 没有筋板，而是以与平滑枕等宽的拱形撑板代替，大 大减轻了部件的质量，从而达到减少变形的目的。 图4 拱形结构平滑枕剖视图 第 1 7期 王丽慧 等 基于加权平均法 的电火花线切割加工参数 优化 8 3 评价指标 的权 重 分别 为 4 0 ％ 、6 0 ％ 。将 表 2中 的数 据 y 按照公式 1 计算 ，可 以得 到综合 评价指 标的 数值 ，见表 2 。 2 ． 3 实验 数据 分析 分 别对切割速度 、表面粗糙度及两者综合指标进 行 正交 试验极差分析 ，见表 3 。 由表 3 极差分析结果可知，各加工因素对加工指 标表面粗糙度影响的主次顺序依次为 B Ac ，即 脉冲宽度 短路峰值 电流 脉间／ 脉宽 比，各因素的 最佳搭配为 A B c ，即短路峰值 电流 2 0 A，脉冲宽 度 6 tx s ，脉间／ 脉宽 比 6 ；各 加工 因素 对加 工指 标切 割速度影响 的主次顺序依次为 AC B，即短路 峰 值电流 脉 间／ 脉宽 比 脉 冲宽度，各因素最佳搭 配为 A 日 C ， ，即 短路 峰 值 电流 3 6 A，脉 冲宽 度 1 2 s ，脉间／ 脉宽比3 ；各加工因素对综合指标影响的 主次顺序依次为BCA，即脉 冲宽度 脉间／ 脉 宽 比短 路 峰 值 电 流，各 因 素 最 佳 搭 配 为 A B c ， ，即短路峰 值 电流 2 4 A，脉冲宽度 1 2 s ， 脉 间／ 脉宽 比 3 。 3结论 采用 正交法 对试 验进行优化设计 ，利用加权平均 法将 多 目标转 化成单 目标的计算 ，最后通过对试验结 果进行极差分析表明，该优化方法是可行的。 通 过研究 ，得出如下 的结论 1 短路 峰值 电流 对线 切 割加工 的速度 影 响最 为显著 ，短路 峰值 电流越大 ，切割速度越快 ，同时表 面粗糙度值也越大；短路峰值电流对线切割加工的综 合指标影响是最小的，考虑综合指标，短路峰值电流 最优取值 为 2 4 A 。 2 脉 冲宽度对加工表 面粗糙度 影响最 为显著 ， 脉冲宽度越大切割速度越快，表面粗糙度也随之而增 大 ，脉冲宽度对 线切割加工的综合指标影 响也是最大 的，考虑综合指标，脉冲宽度最优取值为 1 2 s 。 3 脉 间／ 脉 宽 比对线 切割加 工的速度影 响较 为 显著，脉问／ 脉宽比越大加工的速度越小，表面粗糙 度也越小 ；脉问／ 脉宽 比对 线切 割加工 的综合 指标影 响是较为显著的，考虑综合指标 ，脉间／ 脉宽 比最优 取值为 3 。 电参数对工件加工质量影 响较大 ，实际生产中须 根据具体 的加工对象综合考虑相关 因素及其相互影响 关系选取合适的电参数 ，以达到最优。 参考文献 [ 1 ]伍俊， 李明辉． 浅谈高速走丝电火花线切割加工技术的 发展趋势[ J ] ． 电加工与模具， 2 0 0 0 2 1 3 ． [ 2 ]L E E K， D O MF E L D D A ． A S t u d y o f S u r f a c e R o u g h n e s s i n t h e M i c r o E n d Mi l l i n g P r o c e s s [ M] ． L a b o r a t o r y f o r Ma n u f a c t u r i n g Au t o ma t i o n， 2 0 0 4 4 4 6 3 ． [ 3 ]赵国光． 电火花线切割加工的表面完整性[ J ] ． 电加工 ， 1 9 9 9 3 1 71 9 ． [ 4 ]李明奇， 李明辉． 高速走丝电火花线切割加工质量控制 系统框架及其关 键技 术 [ J ] ． 电加 工与模 具 ， 2 0 0 4 2 5 9． [ 5 ]肖伟杰． 高速走丝电火花线切割工艺仿真系统的研究 [ D] ． 杭州 浙 江大学 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ]疏达， 赵雪松 ， 孙际超， 等． 基于正交试验法优化电火花 线切割加工参数的研究[ J ] ． 安徽工程科技学院学报， 2 0 1 0， 2 5 3 3 841 ． 上接 第 1 3 4页 有 一定程度的提高 ，其 中拱型结构 的 1阶固有频率提 高 2 0 ． 6 ％左右 ，2阶模 态基本与原 模型持平 ，3阶模 态提高 2 ． 6 ％。这一结果说明经过重新设计 ，平滑枕 的动态性能得到较大提高 。 表 2 平滑枕 固有频 率及振型分析 7结 论 对牛头式电火花机床的平滑枕进行了结构设计研 究，并对平滑枕的各项力学性能进行了仿真和比刚度 评价分析 。从结构改进 和新结构两方 面人 手 ，获得 了 较理想的效果，尤其是采用新结构以后，平滑枕的 轻量 化效果 明显 ，质量减 轻 1 7 ． 2 ％ ，比刚度却 提高 1 2 ． 1 ％。按 新 结 构 改 进 后，一 阶 固 有 频 率 提 高 2 0 ． 6 ％左 右 ，稳定性得 以提 高 ，达到 了较为满意 的效 果 。 参考文献 [ 1 ]曹凤国． 电火花加工技术[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 05． [ 2 ]杨大勇， 王大鹏， 张海峰， 等． 牛头式电火花机床重力引 发变形的有限元分析 [ J ] ． 新技术新工艺， 2 0 1 1 3 5 35 5． [ 3 ]杨大勇， 伏金娟． 电火花成形加工技术及其发展动向 [ J ] ． 航空制造技术 ， 2 0 1 0 5 4 3 4 6 ． [ 4 ]罗传林 ， 李锻能． 龙门式机床的横梁结构设计研究 [ J ] ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 6， 3 5 3 4 5 4 7 ． [ 5 ]李龙 ， 叶军， 朱红敏， 等． 电火花成形机床滑枕的有限元 瞬态动力学分析[ J ] ． 电极加工与模具， 2 0 1 1 2 2 3 2 8． [ 6 ]潘变． 桥式起重机箱形主梁的结构仿生优化设计 [ D] ． 太 原 中北大学 ， 2 0 1 3 ．