数控电火花机床的改造

数控电火花机床的改造The transformation of CNC EDM lathe摘 要随着现代科学技术的发展，由难加工材料制成的复杂件的应用越来越广泛。这些复杂件上一般都包括一些难加工的曲面，有些难加工材料零件上的曲面因受加工空间的限制，采用数控铣削方式加工，往往会因刀具刚性不足或磨损过快而无法获得高的加工精度。电解加工因具有工具阴极无损耗、无宏观切削力、适宜加工各种难切削材料零件及薄壁件、加工效率高、表面质量好等优点，因而在制造业中获得了大量应用。本课题目的让学生学会电解加工过程及装备的设计。本课题特色和创新之处主要体现在：1）掌握球头阴极展成电解加工复杂曲面的成形规律和工艺规律，为实际应用提供优化的工艺参数。2）设计结构新颖的内喷式球头阴极，使之适合于复杂曲面的展成电解加工。3）用 VB 6.0 开发具有自主版权的基于球头阴极展成电解加工复杂曲面的CAD/CAM 一体化的数控加工软件。本设计主要任务之一，用 VB6.0 开发出程序，使之能识别 G 指令，并可以根据输入的指令在刀具轨迹框中画出刀具的运行轨迹。进给过程可以在程序中显示出脉冲情况，主轴转向，主轴转速，刀补情况，以及 X、Y、Z 的坐标情况。关键词：电火花；加工；编程The transformation of CNC EDM latheAbstractWith the development of modern science and technology, Made from hard material machining complex parts are widely used.These complex pieces generally include a number of difficult processing of surface.Some parts are difficult to machine materials processing on the surface due to space constraints.CNC milling process can not obtain high precision because of excessive tool wear rigid enough.ECM in the manufacturing sector received a large number of applications because of tools cathode no loss, no macroscopic cutting force, suitable for processing all kinds of hard cutting materials, parts and thin wall, high efficiency, and good surface quality.Purpose of this task is to learn electrolysis process and equipment design.This issue features and innovations are mainly embodied in:1)Master ball cathode in electrochemical machining of complex surface shape laws and rules technology, practical applications for the optimization of process parameters.2)Innovative design within the jet structure of spherical cathode, so that for complex surfaces in electrochemical machining.3)Developed with VB 6.0 with independent copyright on spherical cathode in electrochemical machining complex surface CAD / CAM machining software integration.One of the main purpose of this design, using VB6.0 to develop procedures so that it can identify G command, and can enter the command in the tool box to draw the tool path trajectory. Feeding process can be shown in the program pulse conditions, spindle turning, spindle speed, tool compensation, as well as X, Y, Z coordinates of the situation.Key Words：EDM; processing; Programming目 录摘 要 .IAbstract .II一、 绪论 .1（一）电火花加工相关的简介、特点及其应用与发展.11电火花加工的基本原理.12电火花加工特点.43电火花加工的应用.54电火花加工的发展.6（二）本课题主要研究的内容.7二、 数控系统及电解加工机床研制 .9（一）数控系统的改造.9（二）电解加工机床研制.101电解加工设备的组成.102电解加工设备的总体设计原则.103直流电源.124电解液系统的整体方案.135电解液泵.136工作箱.137电解液槽.148温控系统.14三、 数控工作台结构设计与控制 .15（一）数控工作台结构设计.151 X、Y、Z 向工作台 .152 B 向摆动装置 .173 C 向摆动装置 .19（二）伺服电机选型.20（三）数控工作台结构控制.211 控制系统硬件.212 控制系统软件.22（四）装置结构实物图.23四、 展成运动的计算及相应数控编程仿真软件开发 .24（一）展成运动的计算.241 展成加工阴极设计的基本要求.242 球头阴极设计概述.243 球头阴极设计方案.254 电场分析理论.285 ANSYS 有限元分析 .296 试验验证及分析.32（二）相应数控编程仿真软件开发.361相应数控编程软件介绍.362相应数控编程软件的使用方法.38总结 .42参 考 文 献 .43附录 数控加工仿真系统 VB 核心代码 .45致 谢 .83一、 绪论（一）电火花加工相关的简介、特点及其应用与发展电火花加工(Electrical Discharge Machining,简称 EDM) 又称电加工，属于特种加工的技术范畴，是广泛采用的高速铣削加工的重要补充和发展，主要包括电火花成型加工和电火花线切割加工。现代电火花加工是数字系统控制下直接利用电能加工工件的一种方法，因些与其他加工方式相比有自己独立的特点。电火花加工工艺利用具有特定几何形状的放电电极（EDM 电极）在金属（导电）部件上烧灼出电极的几何形状。 电火花加工工艺常用于冲裁模和铸模的生产。利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。 电火花加工主要由机械厂完成。电火花是一种自激放电，其特点如下： 火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间（通常为 10-7-10-3s）后及时熄灭，才可保持火花放电的 “冷极”特性（即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深），使通道能量作用于极小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。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，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。1电火花加工的基本原理电火花加工是在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和工具电极之间保持适当的放电间隙，当工具电极和工件之间施加很强的脉冲电压（达到间隙中介质的击穿电压）时，会击穿介质绝缘强度最低处，如图所示。由于放电区域很小，放电时间极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高达 10000-12000，工件表面和工具电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发。局部熔化和汽化的金属在爆炸力的作用下抛入工作液中，并被冷却为金属小颗粒，然后被工作液迅速冲离工作区，从而使工件表面形成一个微小的凹坑。一次放电后，介质的绝缘强度恢复等待下一次放电。如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出工具电极的形状，从而达到成型加工的目的。图 1.1 电火花成形加工原理图电火花加工的原理是基于工具电极和工件电极之间的脉冲性的火花放电来蚀除多余的金属，从而达到对零件的尺寸、形状和表面的加工要求的。放电腐蚀现象早在 20世纪 40 年代就被人们发现，如电器开关触电通断时产生火花，造成触电烧毛或损毁。1940 年前后，前苏联的科学家拉扎连柯夫妇发现了这一现象，并将其成功地运用到电火花加工中。火花放电时，工件表面的金属被电腐蚀掉，究竟是什么原因呢？我们从微观的物理过程分析其现象就可得到电为花加工的机理。了解这一微观现象，有助于对电火花加工工艺基本规律的理解，也有助于对电规准(脉冲宽度、脉冲间隔、放电时间、放电峰值电流、峰值电压等参数)的理解，同时也电火花机床提出了合理的操作要求。从大量的实验资料上看，放电腐蚀的微观过程是相当复杂的，其间包含了电场力、磁场力、热力、流体动力和电化学力等综合作用的过程。这一过程可大致分分为以下四个阶段：极间介质的电离、击穿，形成放电通道；介质的热分解，电极材料熔化、激化；电极材料的抛出；极间介质的消电离，如图 1-2 所示：图 1.2极间介质的电离、击穿，形成放电通道如果我们从微观上观察工具电极和工件电极的表面，会发现两个表面呈现凹凸不平状。放电加工的过程中，两个电极之间的放电间隙很小，在电场的作用下，距离最近的表面质点的电场强度是最大的，所以放电几率也是最大的。两个电极之间的液体介质(通常是煤油)含有某种介质(金属粒子、碳粒子等)，存在一些自由电子，使极意介质呈现出一定的电导率。在电场的作用下，会产生场，致电子激发，由负极表面向正极表面发射电子。电子向正极运动的过程中，会撞击工作液中的分子或中性的原子，产生碰撞电离，形成电粒子，导致带电粒子数量激增，使极间介质击穿，形成放电通道。介质的热分解，电极材料熔化、汽化放电通道形成后，脉冲电源使通道中的电子向正极方向高速运动，同时正离子会向负极运动。在运动过程中，带电粒子对相互碰撞，产生大量的热，导致放电通道内温度骤升。通道内的高温把工作液介质汽化，同时，也使金属材料熔化，乃至沸腾、汽化。这些汽化后的工作液和金属节气，会瞬间体积膨胀，如同一个个小的“炸药”。若观察电火花加工过程，可以看到放电间隙处冒出很多小的气泡，工作液变黑，并能听到轻微的爆炸声。电极材料的抛出放电通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液汽化和金属材料熔化、汽化、热膨胀，这会产生很高的瞬时压力。通道中心部位的压力最高，汽化后的气体体积不断向外部膨胀，形成气泡。气泡向四处飞溅，将熔化和汽内化了的金属抛出。抛出的金属遇到冷的工作液后凝聚成细小的颗粒。熔化的金属抛出后，电极表面形成一个电痕，也称称放电坑。极间介质的消电离随着脉冲电压和脉冲电流下降至零，标志了一次脉冲放电过程的结束。放电通道内的带电粒子重又恢复到中性粒子状态，恢复了放电通道处间隙介质的绝缘强度，同时新的工作液不断地进入放电间隙中，使电极的表面温度得以不断降低，为下一周期的放电作准备 1。上述电火花放电机理的四个队段可以从脉冲电压和脉冲电流的波形上得到很好的解释，如图 1-3 所示：图 1-2 极间放电电压和电流波形2电火花加工特点电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺，电火花加工特点如下：1：电火花属于不接触加工。工具电极和工件之间并不直接接触，而是有一个火花放电间隙 0.10.01mm，间隙中充满工作液。2：加工过程中没有宏观切削力。火花放电时，局部、瞬时爆炸力的平均值很小，不足以引起工件的变形和位移。3：可以“以柔克刚”。由于电火花加工直接利用电能和热能来去除金属材料，与工件材料的强度和硬度等关系不大，因此町以用软的工具电极加工硬的工件，实现“以柔克刚”。4：可以加工任何难加工的金属材料和导电材料。由于加工中材料的去除是靠放电时的电、热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及热学特性，如熔点、沸点、比热容、导热系数、电阻率等，而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制，可以实现用软的工具加工硬、韧的工件甚至可以加工聚晶金刚行、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。5：可以加工形状复杂的表面。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。特别是数控技术的采用，使得用简单的电极加工复杂形状零件成为现实。6：可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。由于加工中工具电极和工件不自接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。总之，电火花加工可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及高纯度的导电材料；加工时无明显机械力，适用于低刚度工件和微细结构的加工：脉冲参数可依据需要调节，可在同一台机床上进行粗加工、半精加工和精加工；电火花加工后的表面呈现的凹坑，有利于贮油和降低噪声。但是，电火花加工的生产效率低于切削加工；放电过程有部分能量消耗在工具电极上，导致电极损耗，影响成形精度。3电火花加工的应用电火花加工主要用于模具生产中的型孔、型腔加工，已成为模具制造业的主导加工方法，推动了模具行业的技术进步。电火花加工零件的数量在 3000 件以下时，比模具冲压零件在经济上更加合理。按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途不同，电火花加工可大体分为：电火花成形加工、电火花线切割加工、电火花磨削加工、电火花展成加工、非金属电火花加工和电火花表面强化等。电火花成形加工 该方法是通过工具电极相对于工件作进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件上，从而加工出所需要的零件。它包括电火花型腔加工和穿孔加工两种。电火花型腔加工主要用于加工各类热锻模、压铸模、挤压模、塑料模和胶木膜的型腔。电火花穿孔加工主要用于型孔（圆孔、方孔、多边形孔、异形孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔和微孔的加工。近年来，为了解决小孔加工中电极截面小、易变形、孔的深径比大、排屑困难等问题，在电火花穿孔加工中发展了高速小孔加工，取得良好的社会经济效益。电火花线切割加工 该方法是利用移动的细金属丝作工具电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。按金属丝电极移动的速度大小分为高速走丝和低速走丝线切割。我国普通采用高速走丝线切割，近年来正在发展低速走丝线切割，高速走丝时，金属丝电极是直径为 0.020.3mm 的高强度钼丝，往复运动速度为 810m/s。低速走丝时，多采用铜丝，线电极以小于 0.2m/s 的速度作单方向低速运动。线切割时，电极丝不断移动，其损耗很小，因而加工精度较高。其平均加工精度可达 0.0lmm，大大高于电火花成形加工。表面粗糙度 Ra 值可达 1.6 或更小。国内外数控电火花线切割机床都采用了不同水平的微机数控系统，实现了电火花线切割数控化。目前电火花线切割广泛用于加工各种冲裁模（冲孔和落料用）、样板以及各种形状复杂型孔、型面和窄缝等。4电火花加工的发展1943 年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路。50 年代初，改进为电阻- 电感- 电容等回路。同时，还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使蚀除效率提高，工具电极相对损耗降低。随后又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。60 年代中期，出现了晶体管和可控硅脉冲电源，提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，并扩大了粗精加工的可调范围。到 70 年代，出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。目前电加工技术的发展趋势可归纳为五化：精密微细化、智能化、个性化、绿色环保化和高效化。精密微细化电火花微细加工主要指尺寸小于 300m 的轴孔、沟槽、型腔等的加工。通过采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置，可以成功地加工出微细孔和微细轴。不仅可以加工圆孔，还可以加工各种异型孔。通过微细电火花铣削技术还可以制造更小的微三维结构，进而制造更小的微型机械及微型机器人，从而体现该技术更为广泛的潜在价值和应用前景。智能化电火花成形加工智能控制系统应重点研究以下技术：（1）专家系统的应用；（2）人工神经网络技术的应用；（3）模糊控制技术的应用。个性化为了适应零件多品种、小批量的特点，电火花加工机床的结构和功能也呈现出个性化的发展趋势。出现了聚晶金刚石超硬材料的电火花加工专用机床、轮胎模具的电火花加工机床、航空蜂窝密封组件电火花加工机床、330 MW 汽轮机高压喷嘴组零件的电火花加工机床等。绿色环保绿色电火花加工的研究内容包括：（1）高效节能脉冲电源的研制；（2）提高脉冲电源的电磁兼容性；（3）处理“三废”。高效化近年来在提高电火花成型加工效率方面有了新突破。利用非燃性工作液或在工作液中加入添加剂的电火花成形加工机可成倍提高加工速度。以往直线电机主要用在加工中心上。目前，直线电机在一些 EDM 和 WEDM 机床上已广泛应用。直线电机的使用使传动机构简单，能实现高速度、高加速度移动，满足了 EDM 加工高速响应的特别要求。最大驱动力高达 3 000 N ，快进速度可达 100 m/ min。能消除由于电蚀产物未排除而发生的集中放电，二次放电间隙不均匀性等得到极大的抑制，从而改善了加工质量，提高了加工效率。随着国际互联网的高速发展和普及，EDM 机床的通信和控制也发生了巨大的变化。FANAC 公司开发了集中管理软件包。公司的总监视器通过国际互联网可很便利地监控多台远程异地 WEDM 机床的工作状况，并能实时诊断分析每一台机床的工作故障，及时向用户提出解决措施，实现了电火花加工过程的高效性。此外，新型电源和机器人技术也已应用到了电火花加工机床中。例如夏米尔公司生产的某系列电火花线切割机床，不仅使用了先进的“Clean Cut”新型脉冲电源，还配备了小型 HSR-5 机器人，使电火花线切割机床的加工速度和其他性能有了大幅度提高 2。（二）本课题主要研究的内容从理论上讲，本课题是数控系统及电解加工机床改造及研制。利用高精度滚珠丝杠导轨副对现有机床进行改装，使之成为具有三个平动轴 X、Y 、Z 的电解加工机床。但实际上要设计出基于三轴联动的控制系统，并创建基于 PC 机并行打印机接口的数控系统。通过对加工曲面的几何分析、计算，构造阴极相对工件的展成运动，计算展成运动轨迹，确定系统的插补运算方法，利用 VB 6.0 开发相应的 CAD/CAM 应用软件，并作出系统运行的界面。主要研究内容有以下几个方面：数控系统及电解加工机床研制。创建基于 PC 机并行打印机接口的数控系统，利用高精度滚珠丝杠导轨副对现有一小型机床进行改装，使之成为具有三个平动轴 X、 Y、Z 轴联动的电解加工机床。数控工作台结构设计与控制。由于数控工作台的功能要求连续 进给并与其 他坐标轴联动，因此采用伺服驱动系统来实现定位和和重复定位，其定位精度由控制系统决定。展成运动的计算及相应数控编程软件开发。通过对加工曲面的几何分析、计算，构造阴极相对工件的展成运动，并确定展成运动轨迹。将利用 VB 6.0 开发相应的基于球头阴极展成电解加工复杂曲面的 CAD/CAM 一体化的数控加工软件。用 VB6.0 开发出程序，使之能识别 G 指令，并可以根据输入的指令在刀具轨迹框中画出刀具的运行轨迹。进给过程可以在程序中显示出脉冲情况，主轴转向，主轴转速，刀补情况，以及 X、Y、Z 的坐标情况。二、 数控系统及电解加工机床研制（一）数控系统的改造本次设计是以电火花机床为基础改造 X、Y 横向的进给机构。把原来的手动进给机构改为如同铣床的自动进给机构，以完成按数控编程内容完成加工目的。采用高精度滚珠丝杠导轨副对现有机床进行改装，使之成为具有三个平动轴 X、Y 、Z 的电解加工机床。这样可以节省了加工的麻烦与手工调整的时间，提高机床的工作效率以及加工准确度。工作台结构装置图：图 2-1 工作台结构装置图工作台详细的改造过程请见第三章。（二）电解加工机床研制1电解加工设备的组成电解加工包括机床本体、整流电源、电解液系统三个主要实体以及相应的工艺装备及控制系统。各组成部分既相对独立，又必须在统一的技术工艺要求下，形成一个相互关联、相互制约的在机整体。电解加工装置的组成框图 2-2 所示 3。图中虚线框内为基本组成部分。图 2-2 电解加工装置的组成框图机床本休以及工艺装备是进行电解加工的场所，其主要功能是安装工件和工具阴极，并按需要送进工具阴极；电源则以一定的方式提供工件发生阳极溶解所需要的电能；电解液系统存储电解液，并以给定的温度、压力和流量将电解液送到加工区并对电解液进行净化以及电解产物的处理；控制系统对加工过程进行控制，保证组成部分之间运动协调，并按照一定的参数提供所要求的阳极溶解的条件，使加工过程始终保持在最佳的阳极溶解状态。2电解加工设备的总体设计原则由于电解加工设备的特殊工作条件以及由此带来的特殊问题，在进行总体设计时主要考虑以下几个方面的问题：工作环境恶劣电解加工中所用的电解液是腐蚀性介质，会导致与其接触的金属零件发生化学或电化学腐蚀，其中阳极导电系统的电化腐蚀问题尤其突出。此外，在进行电解加工过程中有可能产生腐蚀气体，会造成金属零件的锈蚀，特别是电器元件的锈蚀。电解加工过程中会产生大量的氢气，当工作箱内氢气的含量超过一定范围时，就可能引起爆炸。需承受复杂的动态负荷极间高速气液两相流，导致机床主轴头承受相当大动态负荷，当极间出现打扰流时还叠加有交变负荷。特别是在脉冲电流加工时，极间压力波振荡产生连续的交变负荷。极是交变的电磁场，当电流较大时将会导致较大的电磁力。在直流加工时，其上还叠加有 5030Hz 的交流电流分量；脉冲电流加工时，有频率高达 kHz 甚至 MHz 级的大电流通断过程；短路时会产生 0.520kHz 的火花振荡电压分量。上述极间扰流也会引起电压、电流的振荡，这些因素均会导致交变的电磁力并对电气系统产生一定的干扰。极间间隙小且呈现动态变化极间小间隙若控制不当就会导致阳极局部钝化，使加工终端或极间产生打火、短路现象 3,4,5。根据上述电解加工的特殊工作条件，电解加工设备在设计时应注意以下基本要求：设备的耐腐蚀性好电解加工工作箱及电解液系统的零部件必须具有良好的抗化学和电化学腐蚀的能力，能耐浓度为 20%、温度为 50的 NaCl 电解液工作环境下的腐蚀。其他零部件(包括电气系统)也应具有对腐蚀性气体的防腐蚀能力。机床精度较高在电解加工过程中，为了保证工具阴极和工件之间间隙的准确性，机床应满足以下精度指标 3：1)工作台和阴极安装板的平面度及基准面间的平行度和垂直度均应控制在0.02mm/300mm 内。2)工作台和阴极安装板之间的平行度应控制在 0.02mm/100mm 内。3)导轨面与阴极安装板的垂直度应控制在 0.018mm/100mm 内。4)导轨面与工作台的垂直度应控制在 0.018mm/100mm 内。3.机床刚性强目前，电解加工中广泛采用小间隙、大电流、高电解液压力、高流速等工艺技术，造成了电解加工机床经常处于动态、交变负荷下工作，要保证加工的高精度和稳定性，就必须拥有很强的静态和动态刚性。4.进给速度特性硬、调速范围宽进给速度的变化会影响工件的加工精度，导致极间火花、短路或加工表面局部烧伤。为了保证小间隙加工下的稳定性，位置分辨度应高于 0.01mm，速度分辨度应高于0.01mm/min，进给速度从空载到满载的变化量应小于 0.025mm/min。电解加工工艺要求机床应具有宽的进给速度调节范围，最低进给速度应小于0.1mm/min，最高空程速度应大于 300mm/min。5.大电流传导性好电解加工中需传输大电流，为了提高传输效率必须尽量降低导电系统线路压降以减少电能损耗。在脉冲电流加工过程中，还要采用低电感导线，以避免引起波形失真。通常汇流排、电缆及接头的温度应小于 60。6.通用性好电解加工设备成本较高，而电解加工的对象大部分为小批量多品种的难加工材料零件，因而为保证设备的利用率和经济性，就、就要求机床的通用性好。7.安全、可靠必须具备强制排风措施，将加工中产生的各种气体和电解液水雾及时、有效排出。机床与工件之间应可靠绝缘 3,4。3直流电源直流电源是电解加工设备的核心部分，电解加工机床和电解液系统的规格都取决于电源的输出电流，同时电源高压、稳压精度和短路保护系统的功能与机床及电解液系统一样，影响着加工精度、稳定性和经济性 4,5。电解加工的极间间隙很小，所需的加工电压也不高，一般在 824V 之间。本试验装置选用的电源为天马 KDF 硅整流直流电源，电压 024V 连续可调，额定电流200A，带有短路保护功能，有稳压、恒流两种工作方式，面板上可适时显示电压和电流值。4电解液系统的整体方案图 2-3 试验装置电解液系统电解液系统的作用是向加工区域供应一定压力、足够流量和适宜温度的干净电解液。它主要由泵、电解液槽、过滤器、阀、流量计、温度控制系统等组成。本试验装置电解液系统的简图如图 2-2 所示。5电解液泵由于电解液具有很强的腐蚀性，本试验装置的泵选用了进口的耐腐蚀离心泵，其型号为：SV200N30,主要参数如下表：表 2-1 泵的参数6工作箱工作箱是电解加工的场所。一方面要向工作箱内引入加工电压和电解液；另方面需将加工过程中产生的电解产物、热量和有害气体及时、有效排出。本系统的工作箱采用拼装式结构，其特点如下：(1)工作箱顶盖上设计一个通孔，阴极通过该孔进入工作箱，并可进行一定角度的摆动。为了防止电解液和有害气体的泄露，在孔的外侧和阴极支架之间用可伸缩的波纹管连接。(2)工作箱顶盖和工作箱间采用搭扣连接，方便拆卸。(3)工作箱侧边开有排气孔，并与排气管和排所扇连通，可将加工过程中产生的气体和热量排出。(4)工作箱底部设计两个排液孔，排液孔与排水管相连，将加工过程中输进的电解液回流到电解液槽中。(5)工作箱底部设计四个安装孔，通过四个立柱将工作箱安装在 X 向工作台上。7电解液槽电解加工试验装置的电解液槽采用箱式结构，由不锈钢钢板焊接而成。泵将电解液从一边抽出，工作箱将电解液回流至电解液槽的另一边，中间用挡板隔开，两部分通过中间挡板上的过滤网交换电解液。两侧挡板的作用是减小回流电解液的扰动，使得电解产物尽量沉淀到一边，保证泵的进口不受电解产物的影响，输送到工作箱的为干净的电解液。8温控系统电解加工是在一定温度的电解液下进行的，电解液温度应尽量保持稳定，保证加工过程平稳进行。本系统采用自动对电解液加热的温度控制系统。加工前设定温度，温控系统通过加热管对电解液进行加热，加热过程中通过温度传感器测量电解液温度并反馈风扇进行吹风散热，实现降温。三、 数控工作台结构设计与控制（一）数控工作台结构设计1 X、Y、Z 向工作台数控精密工作台的选型计算主要根据滚珠丝杠选型以及工作台行程、搭载重量和运行精度等的选择，本节以 X 向工作台为例进行说明。滚珠丝杠设计计算表 3-1 技术要求1) 确定滚珠丝杠副的导程 ：hp由机床传动要求确定导轨：(3.1)maxhvni式中： ：工作台最快进给速度 m/min；maxv：电机最高转速 r/min，取 3000r/min;i代入计算得： 5hp2) 确定当量载荷(F m)与当量转速(n m)当负载与转速接近正比变化，各种转速使用机会均等时，采用下式计算：(3.2)axmini23mnF为最大转速，取 3000r/min， 为最小转速，取 1r/min；maxnin：机床承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力，包括工作台重量和电解液压力F引起的摩擦力， ；max0.2(50)14N：机床空载时滚珠丝杠副的传动，即工作台重量引起的摩擦力，minF；i10N代入计算得： 150/min27mnrFN3)确定预期额定运载荷 aC按照预期工作时间 (小时)计算：hL(3.3)360()1mwamhacFfnLN式中： ：预期工作时间，查表为 20000 小时；h：精度系数，查表取 1.0； af：可靠性系数，查表取 1；c：负荷系数，查表取 1.1；wf代入计算得： 169amCN4)确定允许的最小螺纹底径 2md估算丝杠允许的最大轴向变形量 ： 重复定位精度 (3.4)(1/34) 定位精度 (3.5)5m分别计算得：(0.002mm0.0015mm)、(0.013mm0.001mm)，取两种结果的小值。0.15m估算最小螺纹底径 ：2md(3.6)001.39mFLE式中： ：导轨静摩擦力0F05WNL：两个固定支撑之间的距离 L(1.11.2)行程+(1014) =0.55mmhP代入得 29.15md5)确定滚珠丝杠副的规格代号选用内循环浮动式变位导程预紧滚珠丝杠副，由上述计算出的 、 、 选取hamC2dFFB2005-2 型滚珠丝杠，其参数如下表：表 3-2 FFB2005-2 型滚珠丝杠参数X 向工作台选型根据滚珠丝杠选结果以及工作台行程、搭载重量和运行精度等的要求，X 向工作台选用南京工艺制造装备厂的数控精密工作台，型号为 DZHT400，具体参数如表 3-3所示。该工作台采用滚动直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构，具有精密度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、摩擦系数小、结构紧凑、通用、性强等 特点。表 3-3 DZHT400 型数控精密工作台参数按 X 向工作台的选型过程，得到 Y、Z 向工作台的型号均为 DZHT400。2 B 向摆动装置在加工复杂曲面时，需要将阴极摆动一定的角度，正对加工区域，沿着曲面的法线方向进行材料去除，才能保证加工的精度和表面质量，因此为了满足加工需要，本试验装置设计了 B 向摆动装置，如图 3-1 所示。图 3-1 向摆动装置结构示意图B 向摆动装置主要包括：摆动工作台、调速电机、阴极支架、大小带轮等。B 向摆动工作台通过连接板安装在 Z 向工作台上，Z 向伺服电机带动 Z 向工作台与 B 向摆动工作台等实现竖直方向的进给运动。阴极支架连同球头阴极安装在 B 向摆动工作台上，伺服电机通过联轴器驱动 B 向摆动工作台旋转运动，从而带动阴极支架旋转，实现阴极绕 Y 轴的摆动。同时，为了达到流场的均匀，调速电机带动阴极旋转，实现球头阴极的旋转运动。B 向摆动工作台选用烟台环球集团 TS200A 型机械转台，具体参数表 3-4 所示。表 3-4 TS200A 型机械转台参数3 C 向摆动装置图 3-2 C 向回转装置结构示意图为了方便加工回转类零件，本电解加工试验机床设置了 C 向回转装置，如图 3-2所示，主要包括：回转工作台、旋转轴、伺服电机、大小带轮、分水盘等。C 向回转工作台与工作箱之间通过旋转轴连接在一起并安装在连接板上。旋转轴与连接板之间通过推力轴承连接，与工作箱凸台之间通过深沟球轴承连接，保证了工作台的旋转精度。伺服电机通过同步带减速后驱动旋转轴旋转，从而带动 C 向回转工作台及安装在其上的工件转动。在加工时，由于电解液的四处喷溅，会有少量电解液从凸台中心孔与旋转轴之间的缝隙泄露下去腐蚀机床，所以在连接板下面设置了一个分水装置。上分水盘与旋转轴一起旋转，同时将泄露下去的电解液收集起来，通过分水盘上的小孔流入下分水盘。下分水盘固定在连接板的下面，通过下分水盘底部的直角弯管将泄露的电解液重新排回至电解液槽中，保证了电解液的循环使用。（二）伺服电机选型伺服电机选型计算主要包括额定转矩和转动惯量的计算 14,15。本节以 X 向伺服电机的选型为例进行说明。转矩计算作用在 X 向滚珠丝杠上的转矩：(3.7)2xhFPT式中： ：X 向所受力最大负荷 Fmax；xF：滚珠丝杠导程；hP：滚珠丝杠传动效率，查表取 0.9；代入计算得：T x=0.124 Nm对于交流伺服电动机来说，扭矩的选择原则 14,15是：负载转矩应小于 0.20.3 倍的电动机额定转矩，因此，选用的伺服电机额定转矩应小于 0.20.3 倍的电动