數(shù)控中走絲線切割機床高精度錐度裝置的設(shè)計與應(yīng)用

饒佩明，李浩洲

（江蘇冬慶數(shù)控機床有限公司，江蘇泰州225300）

隨著航空航天、國防科技及模具工業(yè)的飛速發(fā)展，模具制造正在不斷地升級換代，配套零件的尺寸精度和表面質(zhì)量要求也越來越高，普通往復(fù)走絲線切割機床已不能滿足精密模具制造的要求，促使數(shù)控中走絲線切割機床產(chǎn)業(yè)化及技術(shù)日益提升。

作為中走絲線切割機床核心部件之一的錐度裝置，其各項指標都比普通往復(fù)走絲機床錐度裝置的要求更高。最新發(fā)布實施的JB/T 11999.1—2014《數(shù)控往復(fù)走絲型多次切割電火花線切割機床 第1部分：精度檢驗》標準中規(guī)定：U（V）軸運動對X（Y）軸運動在垂直和水平面內(nèi)的平行度允差分別為0.030 mm和0.015 mm，均比普通往復(fù)走絲線切割機床精度標準所規(guī)定的0.040 mm和0.020 mm有所提高；且加工檢驗中的錐度加工檢查項目規(guī)定的大端尺寸差和錐度偏差分別為0.020 mm和1′，也比普通往復(fù)走絲線切割機床精度標準所規(guī)定的0.030 mm和1′30″有所提高。由此看來，精度檢驗標準要求的提高，實質(zhì)就是對產(chǎn)品質(zhì)量的控制和對技術(shù)提升的推動。如何進一步提高錐度切割精度和多次切割精度，已成為廣大業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的新課題和研發(fā)方向。

1 錐度加工原理及關(guān)聯(lián)要素

往復(fù)走絲線切割機床錐度加工是通過U、V坐標移動并配合X、Y坐標移動，使電極絲在上、下兩個主導輪間沿中心軸線產(chǎn)生空間位移軌跡，實現(xiàn)錐度切割加工和上下異面加工。

影響錐度加工精度及表面質(zhì)量的主要因素有X、Y、U、V坐標的定位精度、導輪的旋轉(zhuǎn)精度及其V型槽的導向精度。在錐度加工時，鑒于V型槽開放性的導向缺陷，會引起電極絲切點的變化，從而帶來不可避免的錐度切割誤差；此外，更重要的是U、V坐標的位移和重復(fù)定位，這對錐度加工和多次切割起著決定性的作用。

2 錐度裝置結(jié)構(gòu)及加工誤差分析

普通往復(fù)走絲線切割機床的錐度裝置一般采用十字滑板結(jié)構(gòu)（圖1），剛性滾珠導軌，步進電機驅(qū)動減速齒輪、小螺距微型絲杠實現(xiàn)位移。由于兩層滑板厚度相對較薄，導軌運動是沿鋼球兩個切點形成的直線，垂直面的受力完全落在鋼珠上，所以導軌的剛性和承載能力較差，微型小螺距滑動絲杠的精度及間隙也很難控制；再加上步進電機的驅(qū)動特性，使UV軸的定位精度低，傳遞扭矩小，無螺距和間隙補償功能，累計傳動誤差大，故只能滿足精度在0.05 mm左右的錐度加工。此外，整體安裝在靠近加工區(qū)域，防護性能、精度保持性和使用壽命都受到影響。

圖1 步進錐度裝置

3 高精度錐度裝置設(shè)計

3.1 高精度錐度裝置總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計思路是將錐度裝置設(shè)計成獨立的整體，避開加工區(qū)域安裝，解決防護問題，采用精密直線導軌、精密滾珠絲杠和專用軸承，交流伺服電機直聯(lián)驅(qū)動，保證有足夠的剛性，實現(xiàn)高精度傳動。

3.2 機械結(jié)構(gòu)簡述

該錐度頭裝置為T字滑臺式結(jié)構(gòu)（圖2）。UV軸滑座采用箱式精密鑄件，互成90°連接。直線導軌的安裝應(yīng)用了數(shù)控龍門銑床橫梁導軌的安裝方式，兩條直線導軌分別安裝在互為垂直的兩個平面，使連接導輪座或其他部件時的垂直受力得到分解，可獲得較大的載荷和抗扭能力。伺服電機通過聯(lián)軸器直聯(lián)驅(qū)動滾珠絲杠，連接可靠，傳動精度準確。

圖2 T字滑臺式UV軸

該裝置可作為獨立的部件進行裝配和在平臺上進行幾何精度、運動精度的測試，因此，生產(chǎn)制造和精度調(diào)整極為方便。另外，整體安裝在主機的主軸頭部前方，遠離放電區(qū)域，有效防止了水霧、放電氧化霧氣、切削液等蝕除物的污染，綜合防護性能得到改善。

3.3 提高控制和修復(fù)能力

通過改進數(shù)控系統(tǒng)和軟件控制功能，對滾珠絲杠的螺距、反向間隙誤差進行補償，消除了絲杠本身精度誤差和裝配過程中產(chǎn)生的人為誤差因素，提高了UV軸的定位精度和重復(fù)定位精度，在錐度加工、多次切割控制方面，數(shù)控系統(tǒng)和軟件也作了相應(yīng)的電路改進及技術(shù)提升，從而使錐度加工精度得到穩(wěn)定提高。

通過公司全交流伺服驅(qū)動中走絲系列產(chǎn)品十多個批次的檢測驗證，幾何精度的U（V）軸運動對X（Y）軸運動在垂直和水平面內(nèi)的平行度允差分別低于0.015 mm和0.010 mm；UV軸數(shù)控精度的測量值為：雙向定位精度≤0.015 mm，單向重復(fù)定位精度≤0.008 mm，反向間隙≤0.005 mm（測量長度≤100 mm）。在加工40mm厚的40Cr時，平均切割效率為3200 mm2/h；加工直八方的精度為±0.005 mm，加工正八棱臺的大端尺寸差為0.002 mm，錐度偏差為 36″；最佳表面粗糙度為 Ra0.78 μm。

4 結(jié)語

這款獨立懸掛滑臺式錐度裝置在全交流伺服驅(qū)動中走絲系列產(chǎn)品上得到應(yīng)用，裝配和調(diào)試易掌握，維護保養(yǎng)非常方便，有利于批量化生產(chǎn)。通過兩年來的市場驗證，用戶反映良好。實踐證明伺服錐度裝置傳動定位精度高，加工穩(wěn)定可靠，錐度加工和多次切割精度較步進錐度裝置有大幅提升，并已申報了發(fā)明專利（ZL201210379477.6）。