摘要：分析了電火花成型機床各種結構的運動特點，對電火花成型機床常見結構的內在問題進行深入剖析和比較，提出了高精密電火花成型機床相應結構模型和優化設計方案，并在此基礎上完成了G450C龍門式高精密數控電火花成型機床的主機設計。
精密數控電火花成型加工機床是精密特種加工技術的重要設備之一，對精密機械、汽車、微電子、家電產品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意義[1]。當前，市場上高精密數控電火花成型機床主要是以國外知名品牌為主，國內品牌的電火花成型機床與之相比無論在機床性能、精度，還是穩定性方面都存在著較大的差距。面向巨大的市場需求，結合精密零件和工模具技術發展的要求，筆者公司引進德國歐吉索先進技術，成功研制出技術領先、性能優越、價格適中的中小型龍門式高精密數控電火花成型機床G450C。
1、數控電火花成型機床結構運動特點及其存在問題分析
1.1數控電火花成型機床的結構形式及運動特點
數控電火花成型機床通常是由機械運動系統、脈沖電源系統、數控系統和工作液循環過濾系統及附件等組成。機械運動系統主要由運動部件、運動機構、主軸、工作臺和工作液槽等組成。根據不同的機械結構形式，主要分為立柱式（C型） 結構、滑枕式（牛頭式） 結構、龍門式結構數控電火花成型機床。各種機械結構運動特點不一樣，分別適用于不同性能要求的機床。
立柱式（C型） 結構數控電火花成型機床的運動特點是：床身和立柱固定不動，滑板通過運動機構帶動工作臺相對底座床身實現橫向伺服進給運動，工作臺通過運動機構相對滑板實現縱向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構相對立柱實現上下伺服進給運動，如圖1所示。底座和立柱連成一體呈楔形對稱結構，剛性和精度較好。因采用三面開放式設計，操作者容易進入工作區域，裝夾工件比較方便。由于此結構是靠工作臺支承和裝夾工件并實現縱橫向運動，因此工件的尺寸和重量不能太大，通常應用于中、小型數控電火花成型機床。
圖1 立柱式數控電火花成型機床結構示意圖
滑枕式（牛頭式） 結構數控電火花成型機床的運動特點是：工作臺固定不動，滑板通過運動機構帶動滑枕和主軸頭相對底座床身實現橫向伺服進給運動，滑枕通過運動機構帶動主軸頭相對滑板實現縱向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構相對滑枕實現上下伺服進給運動，如圖2所示。該結構沿用三面開放式設計，操作者容易進入工作區域，裝夾工件比較方便，也為設計、安裝可升降式工作液槽提供方便。該結構三個運動軸相互關聯，制造比較困難。滑枕式結構在大、中、小型機床中均有采用，比較適合數控化程度較高的機床。
龍門式結構數控電火花成型機床的運動特點是：工作臺一般固定在床身上，龍門架通過運動機構帶動滑板和主軸頭相對底座床身實現縱向伺服進給運動，滑板通過運動機構帶動主軸頭相對龍門架實現橫向伺服進給運動，主軸頭通過運動機構相對滑板實現上下伺服進給運動，如圖3所示。這種機床剛性好，精度高，穩定性好。但由于龍門結構較為復雜，制造比較困難。龍門式結構適合大、中型電火花成型機床采用。
圖2 滑枕式數控電火花成型機床結構示意圖
圖3 龍門式數控電火花成型機床結構示意圖
1.2電火花成型機床常見機床結構內在問題分析
滑枕式結構具有承載能力強、工件安裝穩定性好、滑枕移動便捷，且加工精度不受工作臺負荷影響等結構優勢，但滑枕式的結構使得其主軸相關部件的精度受重力的影響較大，圖4給出了滑枕式機床主軸相關部件及其變形示意圖。由圖可知，平滑枕以及與其相連接的立軸底座、立滑枕受重力的作用而發生變形，隨著它們沿十字馬鞍向+Y 方向的移動，變形量還會不斷增大，剛性也隨著變差[2]。
圖4 滑枕式機床主軸相關部件及其變形示意圖
對于滑枕式結構，因為工作頭的位置隨滑枕的移動引起各部件受力的變化，長期精度不穩定，如圖5所示。同時，由于平滑枕懸伸過長剛性變差導致軸的行程也受到限制，導軌平行度誤差也隨著懸伸量（變形量） 的增大而得到放大；該結構的設計要求床身重、工作頭輕，這會導致床身受溫度的變化較緩慢，而工作頭受溫度的變化較為敏感，這種受熱不均結構會導致機床的精度受溫度的變化而變化，熱穩定性較差。
圖5 滑枕式機床受力變化示意圖
立柱式電火花機床依靠工作臺的移動來實現X/Y軸的運動，因而這兩條軸的精度與工件的重量密切相關，其動態精度和剛性都會受之影響。同時，X/Y軸的行程因工作臺需在狹小有限的空間內移動而受到限制，如果要設計加工稍大一點的工件，則機床的底座和立柱會更顯大型化，相對于機床尺寸來說，可加工區域明顯偏小，而剛性也會隨著立柱橫梁懸伸加長而變差。此結構不宜設計、安裝可升降式工作液槽，工作液容易隨著工作臺的不斷平動而濺出。
以上兩種國內常見電火花成型機床結構由于機械結構本身內在的問題，導致在實際的使用中直接影響到零件或模具的加工精度和表面質量，因此必須通過機床結構正確選型和優化設計，特別是針對這兩種結構存在的問題來尋求相對應的解決方案。
2、高精密數控電火花成型機床結構選型及優化設計方案
2.1結構選型基本思路
通過對國內常用的兩種電火花成型機床機構內在問題點的比較及分析研究，從中得到結論：雖然通過改良部分零件的設計和采用性能更加好的功能部件如導軌和絲桿等，可以改善國內兩種常見結構機床的剛性和精度，但要避免因結構本身帶來的各種問題，因此需要對機床的結構進行合理選型和優化設計，力求結構簡潔、性能可靠，以達到高精密數控電火花成型機床在性能、精度和穩定性等方面的要求。
相對于滑枕式結構，龍門式結構因為工作頭懸掛在龍門架上，受力情況不會隨主軸頭的位置而變化，長期精度可以保持穩定，主軸頭可以到達工作臺面任意一個角落，且受力情況都是一致的，如圖6所示。同時，由于工作頭懸伸短且固定不變，剛性好，受外力影響較小，平行度誤差也最小化；該結構的床身、工作液和龍門架可以實現整體溫度控制，從而實現機床的高精度和熱穩定性。
相對于立柱式結構，龍門式結構（動龍門式） 因機床工作臺固定不動，各條軸的運動與工件的重量和工作液無關，其動態精度和剛性不會受之影響。此結構便于設計、安裝可升降式工作液槽，油槽可裝滿工作液時移動，隨放電成型加工的位置自動升降，省去沖放時間。
圖6 龍門式機床受力變化示意圖
通過以上比較可以看出，龍門式結構除了能夠避免滑枕式結構和立柱式結構的內在結構問題，而且本身很多優點也正好能夠滿足高精密電火花成型機床的各種要求，因此龍門式結構是設計高精密數控電火花成型機床的首選機械結構。
2.2方案
G450C龍門式高精密數控電火花機床是巨輪股份專門為中小型高精密零件和工模具市場開發的新機型，該機型針對常見龍門式結構電火花成型機床制造成本高，操作不太方便，占地面積大，只適合大、中型電火花成型機床等問題點，從結構適用及加工工藝性好的設計原則方面考慮對龍門式結構進行優化設計。
與常見的龍門式電火花機床一樣，結構優化后的G450C機床主體機械結構仍然由床身、龍門架、滑枕、主軸箱和工作液槽組成，整體結構沒改變，只是將一些主要零部件的結構進行改進和優化。
優化后的龍門式電火花成型機床結構跟原來的機械結構存在如下不同點。
傳統的龍門式機床采用動龍門結構，因為需要有足夠大的“門”結構空間懸掛滑枕和主軸頭，因此只適合大中型電火花成型機床設計使用。為了兼容床身和工作液槽，通常床身是由鋼板焊接而成。為保證主軸頭的懸伸剛性，滑枕和主軸箱在滿足剛性和使用尺寸的情況下，采用了緊湊的設計原則。如圖3所示。
而優化后的龍門結構則是針對G450C機床適用零件的特點，對機械部分的幾大部件進行改進和優化。主要體現在：龍門架采用三角橫梁設計，既能保持龍門結構的特點，又加強了龍門架的剛性（對比門式龍門架）；床身為了配合龍門架的三角橫梁設計，將原來長方體的結構改進優化成L型箱體結構，使得三角龍門架可以在L型箱體上部實現前后運動；為了確保X/Y 軸的行程和剛性，滑枕和主軸箱由原來的緊湊設計改成仿生箱體設計。如圖7所示。
圖7 G450C機床模型圖
相對于傳統的龍門式電火花成型機床結構，優化后的G450C機床結構具有如下優點：
（1） 整機結構沿用經仿生優化設計的龍門式結構，結構緊湊且行程大，剛性大且可保持長期高精度，靜態和動態性能俱佳；
（2） 采用高性能鑄鐵結構，確保機床的機械穩定性和精度，不受工件重量或工作液重量的影響；
（3） 機床設計符合人機工程學原理，提供了機床占地面積和加工面積的最佳比例，工作臺采用3方向的全開放式設計，高度根據東方人的身高特點而設計；
（4） ATC采用獨創的內藏式和懸掛導軌伸縮設計，充分利用有限空間，電極容量大且不干涉主軸的移動，沒有運動死角；
5） 采用黃金侵害比例設計的外觀造型，整機簡潔、勻稱、色彩搭配協調，巧妙的主軸伸縮防護設計確保了機床操作的安全性。
3、結束語
高精密數控電火花成型機床的制造首先應該有合理的結構設計，G450C通過對龍門電火花成型機床的結構進行仿生優化設計，既吸取了立柱式和滑枕式機床結構的優點，也保持了龍門式機床結構的優點，這樣的機械結構能有效地保證機床的高精度和高性能，是高精密數控電火花成型機床結構設計的正確方向。
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