数控中走丝线切割机床高精度锥度装置的设计与应用

饶佩明，李浩洲

（江苏冬庆数控机床有限公司，江苏泰州225300）

随着航空航天、国防科技及模具工业的飞速发展，模具制造正在不断地升级换代，配套零件的尺寸精度和表面质量要求也越来越高，普通往复走丝线切割机床已不能满足精密模具制造的要求，促使数控中走丝线切割机床产业化及技术日益提升。

作为中走丝线切割机床核心部件之一的锥度装置，其各项指标都比普通往复走丝机床锥度装置的要求更高。最新发布实施的JB/T 11999.1—2014《数控往复走丝型多次切割电火花线切割机床 第1部分：精度检验》标准中规定：U（V）轴运动对X（Y）轴运动在垂直和水平面内的平行度允差分别为0.030 mm和0.015 mm，均比普通往复走丝线切割机床精度标准所规定的0.040 mm和0.020 mm有所提高；且加工检验中的锥度加工检查项目规定的大端尺寸差和锥度偏差分别为0.020 mm和1′，也比普通往复走丝线切割机床精度标准所规定的0.030 mm和1′30″有所提高。由此看来，精度检验标准要求的提高，实质就是对产品质量的控制和对技术提升的推动。如何进一步提高锥度切割精度和多次切割精度，已成为广大业内技术人员的新课题和研发方向。

1 锥度加工原理及关联要素

往复走丝线切割机床锥度加工是通过U、V坐标移动并配合X、Y坐标移动，使电极丝在上、下两个主导轮间沿中心轴线产生空间位移轨迹，实现锥度切割加工和上下异面加工。

影响锥度加工精度及表面质量的主要因素有X、Y、U、V坐标的定位精度、导轮的旋转精度及其V型槽的导向精度。在锥度加工时，鉴于V型槽开放性的导向缺陷，会引起电极丝切点的变化，从而带来不可避免的锥度切割误差；此外，更重要的是U、V坐标的位移和重复定位，这对锥度加工和多次切割起着决定性的作用。

2 锥度装置结构及加工误差分析

普通往复走丝线切割机床的锥度装置一般采用十字滑板结构（图1），刚性滚珠导轨，步进电机驱动减速齿轮、小螺距微型丝杠实现位移。由于两层滑板厚度相对较薄，导轨运动是沿钢球两个切点形成的直线，垂直面的受力完全落在钢珠上，所以导轨的刚性和承载能力较差，微型小螺距滑动丝杠的精度及间隙也很难控制；再加上步进电机的驱动特性，使UV轴的定位精度低，传递扭矩小，无螺距和间隙补偿功能，累计传动误差大，故只能满足精度在0.05 mm左右的锥度加工。此外，整体安装在靠近加工区域，防护性能、精度保持性和使用寿命都受到影响。

图1 步进锥度装置

3 高精度锥度装置设计

3.1 高精度锥度装置总体结构

设计思路是将锥度装置设计成独立的整体，避开加工区域安装，解决防护问题，采用精密直线导轨、精密滚珠丝杠和专用轴承，交流伺服电机直联驱动，保证有足够的刚性，实现高精度传动。

3.2 机械结构简述

该锥度头装置为T字滑台式结构（图2）。UV轴滑座采用箱式精密铸件，互成90°连接。直线导轨的安装应用了数控龙门铣床横梁导轨的安装方式，两条直线导轨分别安装在互为垂直的两个平面，使连接导轮座或其他部件时的垂直受力得到分解，可获得较大的载荷和抗扭能力。伺服电机通过联轴器直联驱动滚珠丝杠，连接可靠，传动精度准确。

图2 T字滑台式UV轴

该装置可作为独立的部件进行装配和在平台上进行几何精度、运动精度的测试，因此，生产制造和精度调整极为方便。另外，整体安装在主机的主轴头部前方，远离放电区域，有效防止了水雾、放电氧化雾气、切削液等蚀除物的污染，综合防护性能得到改善。

3.3 提高控制和修复能力

通过改进数控系统和软件控制功能，对滚珠丝杠的螺距、反向间隙误差进行补偿，消除了丝杠本身精度误差和装配过程中产生的人为误差因素，提高了UV轴的定位精度和重复定位精度，在锥度加工、多次切割控制方面，数控系统和软件也作了相应的电路改进及技术提升，从而使锥度加工精度得到稳定提高。

通过公司全交流伺服驱动中走丝系列产品十多个批次的检测验证，几何精度的U（V）轴运动对X（Y）轴运动在垂直和水平面内的平行度允差分别低于0.015 mm和0.010 mm；UV轴数控精度的测量值为：双向定位精度≤0.015 mm，单向重复定位精度≤0.008 mm，反向间隙≤0.005 mm（测量长度≤100 mm）。在加工40mm厚的40Cr时，平均切割效率为3200 mm2/h；加工直八方的精度为±0.005 mm，加工正八棱台的大端尺寸差为0.002 mm，锥度偏差为 36″；最佳表面粗糙度为 Ra0.78 μm。

4 结语

这款独立悬挂滑台式锥度装置在全交流伺服驱动中走丝系列产品上得到应用，装配和调试易掌握，维护保养非常方便，有利于批量化生产。通过两年来的市场验证，用户反映良好。实践证明伺服锥度装置传动定位精度高，加工稳定可靠，锥度加工和多次切割精度较步进锥度装置有大幅提升，并已申报了发明专利（ZL201210379477.6）。