机械毕业设计（论文）-电火花机床机械结构设计【全套图纸】 .doc

湘潭大学兴湘学院毕业论文题 目：电火花机床机械结构设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号： 2010963002 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014年 5 月 目 录中文摘要 1英文摘要 2一、引言 3 1.1 题研究的目的和意义3 1.2 本设计国内外研究历史与现状 4 1.3 本设计拟解决的关键问题和研究方法5 1.4 电火花成型加工特点和适用范围5二、 电火花成型机床总体结构设计 82.1 电火花成型机的结构 形式8 2.2 电火花成型机结构设计9三、 主轴系统设计133.1 主轴系统设计方案133.2 电机的选择 143.3 同步齿形带设计 193.4 滚珠丝杆副的设计223.5 直线导轨的设计 27四、工作台设计 29五、十字滑座设计34六、电极夹头设计37七、机床润滑系统设计 40八、工作液循环装置结构设计 42参考文献.45谢辞 46附录47翻译52摘 要： 介绍了电火花成型机床的加工原理、特点及其发展历程：它是通过脉冲直流电源不断产生火花放电来去除工件材料，且在工件与工具之间有绝缘液体介质。分析并设计了电火花成型机床结构系统。机床总体布局为单柱立式，主轴采用步进电机拖动滚珠丝杆完成升降，利用步进电机多级可变细分技术，实现伺服系统的变频、变步距双重伺服调节，提高系统的跟踪能力和稳定性。进给系统采用滚珠丝杆和十字滑座实现工作台的横向、纵向移动，运动平稳。电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破，一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。本课题的研究，是对电火花成型加工发展方向的一次有益尝试，通过改进电火花加工机床的伺服系统、控制系统、机床结构等，在保证加工精度的前提下提高了加工效率；通过开放式的控制系统，提高了电火花成型加工过程的自动化。关键词：电火花； 主轴； 滚珠丝杆； 十字滑座； v型导轨全套图纸，加153893706abstract： the processing principles, characteristics and development process of the edm machine by author is introdunced in this paper. it removes material with repetitive spark discharges from a pulsating dc power supply, with a dielectric flowing between the work piece and the tool.analysis and design the system of structure for edm machine . machine overall layout as a single vertical column, 3-axis; stepper motor is used in the machine tool to drive the ball screew up and down directly,the control system of the machinetool acapt divided dreving technique of step motor,and realizes dual regulations with changing feed step and changing feed frequency ,this improves its tracking ablity and stability. feed system uses ball screw and the cross slide take the table move on the horizontal and vertical , smooth motion. edm should be in the processing accuracy, processing efficiency, processing and other aspects of the scope of a major breakthrough, an important direction of development is the right tool forming movement pattern of innovation and diversification. the study of this topic is a direction of development of edm machining a useful attempt, by improving edm servo systems, control systems, machine tool structure, guarantee the processing precision under the premise of improving the processing efficiency; through open the control system to improve the edm process automation.keywords: edm；main spindle；ball screw；cross slide；v-shaped guideways 一 引言精密数控电火花成型机是为了适应工业飞速发展，尤其是模具制造工业发展而设计的新型机床，有较高的加工工艺指标，应用广泛，用于电机、仪表、电器、汽车制造、宇航、家电、轻上、军工等多种行业中的模具制造加工。可以加工各种中小型冲裁模(落料模、复合模和级进模)，型腔模(精密压铸、压延、塑料、玻璃制品、粉末冶金和胶木等)，各种超硬度材料，异型曲面零件，坐标孔零件及成型零件。机床可以加工如直径为01mm以上的孔径和02mm以上的窄缝，切割各种硬质台金和取折断工具等，能对碳素钢、工具钢、淬火钢、硬质合金钢以及其他高硬度金属材料进行放电加工，是加工复杂模具和复杂零件的理想设备。数控电火花成型机也是专门对导电材料进行标准化电火花加工而设计的。它还可以实现无人操作自动加工，大幅度提高生产效率和经济效益。所以说，数控电火花成型机床的问世，对传统的机加工技术产生了很大的冲击，也给制造行业带来了新的发展和进步。随着电子技术、计算机技术、精密模具制造技术、材料科学等尖端科学技术的飞速发展，对零件的精度、性能、寿命的要求越来越高。因此在设计上采用了许多新技术、新材料、新结构，导致零件的结构、形状复杂，如薄壁深孔零件，这类零件出于精度、寿命等因素考虑，常采用高温合金、硬质合金、耐热钢淬火钢等材料，且加工精度、表面粗糙度要求高，传统的机械加工方法实现困难、成本高。作为基础工业的机械制造业，其发展的核心问题之一就是如何进一步提高机械加工的精度和质量，同时降低经济成本。1.1 题研究的目的和意义 随着社会的进步和科学技术的发展，在机加工领域出现了一些硬度高难于用传统机加工方法加工的新材料。于是在工艺上要求出现一种适应加工需求的加工机械。电火花成型机正是适应了这种需求，并且电火花成型机作为刀具与工件非接触式加工的机床，克服了以往切削加工机床的局限。 本课题的研究意义：本课题根据企业的实际生产需要，通过该课题的研究，将电火花加工技术及加工机床的最新发展成果应用于企业的生产实际，设计的机床具有自动进给功能，既实现了研究成果向生产力的转化，又为企业节约了大量的资金，具有重大的经济价值和现实意义。本课题的主要目的：本课题在对电火花成型机原理分析研究基础上，研究设计机床的结构系统、驱动控制、结构的动态分析与优化等。其主要内容如下：1、了解电火花成型机的机械结构系统，根据零件加工要求，设计机床整体结构；2、设计机床的进给系统，优化系统结构；3、对机床运动进行运动学分析和参数优化。4、对进给系统进行控制部分设计。1.2国内外研究历史与现状 电火花成型机在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产，最初出现的只可单轴进给的单立柱机床。随后出现了多轴联动，多立柱的电火花成型机。异形小孔的加工机床的出现也是电火花成型机发展史上的一大进步，例如d703型高速电火花夹攻小孔机床。sp1-30镜面电火花机采用的松下伺服系统，表面粗糙度可达ra0.1um,he350-cnc双头机电火花成型机为我国自主研发，加工效率成倍提高。但就总体而言，我国在电火花加工领域同日本等国际先进水平还有一定差距。 当前，电火花加工技术正向着高效化、精密化、智能化、微细化、复合化等方向发展，一些新技术、新思想不断被运用到电火花加工中去，同时，许多新的工艺手段也不断涌现，主要包括以下几个方面:(1) 微细电火花加工技术 微细加工是应产品微型化要求而出现的，是加工技术向加工尺寸微小化方向的发展，一般是指被加工零件直径或宽度小于200m以下的加工手段。微细电火花加工技术是电火花加工技术在微细加工领域的一个重要分支，从文献检索的情况来看，国内外关于微细电火花加工方面的论文非常多，足以说明此研究方向受关注的程度。（2) 超声电火花复合加工技术 在特种加工领域中，综合利用不同加工方法的技术特长，将多种能量形式进行巧妙结合的复合加工方式往往可大幅提高加工效率或改善加工质量，因而一直是倍受关注的方向之一。电火花加工和超声加工均因加工速度较慢而困扰着人们，然而在电火花加工中引入工具电极的超声振动，进行超声电火花复合加工，却可以改善放电间隙状况，从而大大提高生产率。(3) 气体介质放电加工技术 传统的电火花加工技术是在液体介质(通常称作工作液)中进行放电加工的，而液体介质在加工中起到压缩放电通道使能量高度集中、加速极间冷却和消电离过程、加速排除电蚀产物等作用，被认为是电火花加工必不可少的几大要素之一。然而，最近几年由日本东京农工大学国枝正典教授等人提出的气中放电加工技术完全改变了人们的上述思想。气中放电一般使用薄壁管状电极，加工中管状电极作回转和轴向伺服运动，一定压力的气体自管中高速喷出，以避免加工屑反粘凝固在电极和工件表面上，同时加速了熔融和气化金属的抛出过程，并起到冷却电极的作用。气中放电加工的最大优点在于加工过程中电极损耗极低，而且加工时不产生有害气体，安全性较高，又可简化机床结构，因而也是倍受关注而成为热点。(4) 电火花表面强化技术 由于零件表面性能在零件的使用过程中所起到的重要作用，表面强化技术受到了人们的重视。电火花表面强化技术是一种简便而灵活的表面处理方法，它是通过电火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进工件表层金属，形成合金化的表面强化层，从而使工件表面的物理、化学和机械性能得到改善。电火花表面强化与其他表面强化方法相比，具有如下优点：设备简单，在普通电火花加工机床上即可进行，强化成本较低，处理速度较快，因只在局部进行放电，零件整体温度仍为室温因而不会引起零件变形，以及可处理复杂零件等，目前已在军事、航空、模具、刀具等行业得到较广泛的应用。通过查阅分析数据及市场调研，近来电火花成型机床在虽然高效率精密加工技术方面有不断的进步，但在目前市场竞争中仍然有着很大的危险。我们可以透过于02年9月4日在美国芝加哥举行的imt2002来分析：在此次展览中，我们可以看到来自瑞士阿奇夏米尔公司、西班牙欧那公司、日本的三菱公司、沙迪克等公司带来的edm产品。其中，在电火花成型机床方面，也主要体现在向着高效和精密加工的方向迈进，但同时专家系统的出现也抢占了其部分市场。例如在大面积浅型腔加工、能量控制（变截面加工）、深槽窄缝加工、微细加工、硬质合金加工、镜面加工、轮廓加工等方面，专家系统保证了精密加工的顺利实现。 目前精密加工技术中，能加工型腔模的设备越来越多，譬如数控铣床，数控仿形铣床，加工中心，特别是再近几年发展的高速铣床。国外某些hsm的制造商已经把hsm说成是“完全可以替代edm”的“无edm加工技术”，而且说hsm是不需要抛光的一次性技术等等。当然这样的说法可能有点言过其实，但hsm的发展对edm确实产生了一定的影响。使得电火花成型机床在市场中面临激烈的竞争。但与hsm的比较中，edm同时也有着它自己的特点。例如在加工硬度为50-54hrc的钢材来说，hsm能加工高硬度材料，不等于它的加工性能好，技术经济合理。因为加工所使用的价格昂贵的刀具寿命只有一小时。也就是说hsm对硬材料加工性能差，而高硬度材料的加工正是edm的特长。所以在更多的材料要求为高硬度、耐磨性好的材料的模具行业中，edm体现了它的优势。以上说明，hsm与电火花成型机床不是谁替代谁的问题，而是相辅相成、互相发展的问题。同时也说明，在强手林立的市场竞争中，虽然有着强有力的竞争对手，但仍然有着良好的发展前途。基于上面的分析，我们这次选择了电火花成型机床设计，希望对原有电火花成型机床有一定的改进。1.3 拟解决的关键问题和研究方法 本机床采用十字工作台，根据模具制造工艺装备及应用采用刚度好的材料并对摩擦表面进行硬化处理，因而能保证加工工件、工作液稳定性，避免由于移动重物产生惯性、工作液发生震荡而造成的不稳定性，且不会因工作台面荷重而影响加工精度，x、y轴移动采用滑枕式结构，移动稳定、可靠，确保加工精度。 根据数控加工技术第六章数控机床的结构篇，采用滚珠丝杆作为传动元件，使之能实现微进给、无侧隙、刚性高、高速进给。为减少工具电极的损耗，查电火花加工技术表3-3脉冲电源的波形与特点，采用梳形波脉冲电源。 研究方法： 1）文献调查法 查阅有关电火花成型机的文献，了解电火花成型机的加工原理，主要组成部分和他的发展历史和现状。2）观察法 通过观察实验室的电火花成型机，了解电火花成型机的主要结构，功能和工作原理。3）模拟法 运用catia进行主轴系统的三维建模，并对模型进行仿真实验，擦看机构设计是否合理，并进过反复实验更改以其达到预期要求。1.4 电火花加工特点和适用范围1.适合与于难切削材料的加工。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其热学特性，如熔点、沸点（气化点）、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，甚至可以加工像聚晶金刚石、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。2.可以加工特殊及复杂形状的零件。由于加工中工具电极和工件不直接接触，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。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。数控技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件也成为可能。3易于实现加工过程自动化。由于是直接利用电能加工，而电能、电参数较机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制和无人化操作等。4可以改进结构设计，改善结构的工艺性。例如可以将拼镶结构的硬质合金冲模，改为用电火花加工的整体结构，减少了加工工时和装配工时，延长了使用寿命。又如喷气发动机中的叶轮，采用电火花加工后可以拼镶、焊接结构改为整体叶轮，既大大提高了工作可靠度，又大大减少了体积和质量。电火花加工也有其一定的局限性，具体如下： 1只能用于加工金属等导体材料。不像切削加工那样可以加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。但近年来研究表明，在一定的条件下也可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。2加工速度一般较慢。因此通常安排工艺多采用切削来去除大部分余量，然后再进行电火花加工，以求提高生产率，但最近的研究结果表明，采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其粗糙度甚至高于切削加工。3存在电极损耗。由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或低面，影响成型精度。但最近的机床的产品在粗加工时已能将电极相对损耗比降至1%以下，在中、精加工时能将损耗0.1%以下，甚至更小。4最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙（通常为0.020.3mm），若电极有损耗或采用平动头加工，则角部半径还要增大。但近年来的多轴数控电火花加工机床，采用 x、y、z轴数控摇动加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底面。由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，目前已广泛应用于机械（特别是模具制造）、宇航、航空、电子、电机、电器、精密微细机械、仪器仪表、汽车、轻工业等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几十微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。 二 电火花成型机床总体结构设计2.1 电火花成型机的结构形式电火花成型加工机床结构有多种形式，根据不同加工对象，常见的结构有“c”形结构、龙门式结构、牛头滑枕式结构、摇臂式结构和台式结构。图2.1 “c”形结构1-床身 2-立柱 3-主轴头 4-工作台“c”形结构如图2.1所示。加工时，工作台实现x轴和y轴伺服进给运动，主轴头实现z轴伺服进给运动。此类机床的结构特点是：床身、立柱、主轴头、工作台构成一“c”字形。这种结构的优点是：结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，操作者可以从前、左、右三面充分靠近工作台。缺点是：工件装卸不方便，每次安装、检测工件都必须开门放油，然后再关门上油。“c”形结构较适合中、小型机床，国内机床大部分采用此种结构形式。9图2.2牛头滑枕式结构1-床身；2-立柱；3-滑座；4-主轴头；5-工作液槽牛头滑枕式结构如图2.2所示。这种结构形式类似金属切削机床中的牛头刨床。工作台固定不动或实现x方向移动，主轴头通过滑枕实现y方向移动或x, y方向的移动。这种结构的优点是：装卸、检测工件十分方便，此结构为设计、安装可升降式工作液槽提供方便；当可升降工作液槽下降时，工件完全暴露出来，可以方便地对工件进行安装、检测，完毕后只需将工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。缺点是:结构较复杂，制造成本较高。牛头滑枕式结构比较适合数控化程度较高的机床。因为“c”型结构具有结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，且造价相对牛头式机床更加低廉等优点，故本设计采用“c”型结构。2.2 电火花成型机结构设计根据对电火花成型机床功能原理的分析，我们需要实现主轴头和工件之间通过脉冲电源放电来蚀除材料。这要求主轴个工作台之间形成隔缘，然后分别接脉冲电源的正、负极。根据任务书要求，设计总体布局为单柱立式。 首先，我将设计任务书所给的条件同时参照电火花成型机床参数列表如下：1） 机械规格 表2.1 设计参数名称 电火花成型机床工作台550300mm左右行程300mm前后行程200mm主轴行程200mm主轴与工作台最大距离550mm最大电极容量60kgs最大工作物重量500kgs工作油槽820500300mm机械重量1300kgs(net)装箱尺寸125012502300mm 此次设计我采用了类比设计，在外观设计上我参考了我们机械院楼里的电火花加工机床，对其大体有个了解：电火花加工机床加工时工件固定在工作台上，由滚珠丝杆带动的电极头缓慢的向下移动，且移动精度要求较高。其主轴动力系统为交流伺服电机，通过齿轮变速后连接滚珠丝杆带动主轴头移动，且有光栅尺检测其位置；纵向、横向进给系统也采用滚珠丝杆传动，直接用手柄驱动，而没有采用电机驱动，导轨则采用了滑动导轨。通过对电火花成型机床资料的了解，把电花成型机分为主机结构、工作液循环装置结构、数控电源柜等几个主要部分开始设计。其中，我们主要考虑主机部分的设计，它的结构形式是单柱床身，前边有十字滑座工作台，后边装有立柱，立柱正前方装有主轴头，能沿导轨上下移动。立柱右侧配有机床电器控制箱和控制柜。立柱上方装主轴头升降电机及减速箱。其主要包括床身、主轴、电极头、工作台及十字滑座五部分的设计。图2.3是型电火花成型机外观图图2.3 型电火花成型机外观图（1）床身结构 机床采用滑枕式结构，此结构具有较好的刚性和较大的承载能力，并且加工精度高，稳定性能好，工作液箱大，加工效率高。机床的x、y、z三个坐标采用步进电动机驱动滚珠丝杆的形式。三个坐标导轨采用滑动导轨。（2）主轴箱结构及主传动形式 主轴箱包括主轴伺服系统和主轴平衡结构。步进电动机通过同步带与滚珠丝杆连接。滑枕移动采用精密直线导轨副。主轴箱还装有刹车装置，防止主轴头自动滑下。当强电接通时，刹车器放松，电机可带滚珠丝杆旋转，使滑板带动主轴箱上下移动。当强电关闭时，刹车器锁住丝杆，防止主轴箱因自重掉下来。主传动形式主要有三种（如图2.4）：1带有变速齿轮的主传动(a) ；2.通过带传动的主传动（b）； 3由主轴电机直接驱动的主传动(c) 。图2.4主传动形式由于主传动要保证传动比，并且同步齿形带传动噪音小，故本设计采用同步齿形带传动。（3） 工作台 工作台采用手柄直接与滚珠丝杆副相连，滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚性好、抗震性高等特点，移动采用精密直线滑动导轨副。(a)滑动导轨(b)滚动导轨图2.5 工作台连接结构 （4）杆的支承形式：滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，而径向载荷主要是卧式丝杠的自重。其两端支承的配置情况分为一端固定一端自由、两端固定和一端固定一端浮动，如图2.6所示。图2.6 滚珠丝杠的支承配置a)一端固定一端自由 b)两端固定 c)一端固定一端浮动1)图3.7(a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。2)图3.7(b)所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与a)形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。3)图3.7(c)所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。本课题中采用第一种支承配置方式5）工作液槽结构 工作液槽安装在工作台上，工作液槽采用单开门的结构形式，门外密封采用o形密封结构。通过调节进油开关及冲吸油压力调节阀来改变油压压力。为了保证加工过程安全进行，加工时工作液面必须比工件上表面高出一定高度，因而在工作液槽上装有液面高度控制器，随着不同高度的工件调节手柄的高度。当液面升到一定位置时，液面控制器接通，此时才能进行放电工作状态。当加工中液面降低时，液面控制器断开，电柜报警，停止加工。当加工中工作油温超过60时，温度控制器断开，电柜报警，停止加工。三 主轴传动系统设计3.1 主轴传动系统设计方案 电火花机床主轴系统设计主要部分是实现电火花主轴自动进给伺服系统的设计。即是保持电极与工件之间有恒定的放电间隙，而达到稳定的加工目的。因而伺服系统的品质优劣直接影响电火花机床性能的指标。根据电火花机床加工的特点，伺服控制系统应该满足以下要求：响应速度快；进给速度调节范围广；超调量小，保证在正常放电间隙内。国内电火花机床较普遍采用喷嘴挡板式液压主轴头，这里我们参考电火花机床，采用电动机丝杆式主轴头，主要由旋转电动机（直流电动机、步进电动机），丝杆和滑枕组成，其工作原理：立柱上方装有伺服电机，通过同步齿形皮带和减速齿轮传递给滚珠丝杆，再通过丝杆螺母把丝杆的旋转运动转化成滑枕的上下直线移动，主轴下端装有电极夹具，从而实现伺服加工。主轴剖面示意图如下：图3.1 主轴剖面示意图1.丝杆支撑座 2.轴承 3.减速齿轮4.压紧螺母5.轴承座6.螺母7.丝杆 9.直线导轨3.2 电机的选择电机的选择：由于伺服驱动部件是数控系统中与机械直接有关的部分，它们的性能决定了机床各进给轴、主轴和其他伺服轴的基本控制特性，它们的价格也占整个数控系统的大部分，所以正确、合理地选择可靠(因为从目前情况来看，伺服故障占电气故障的比例较大)的伺服驱动部件对提高产品的功能/价格比起着决定性的作用。这里我们选择步进电动机作为主轴的伺服电机。脉冲当量的选择目前，常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。步进电机每转一转传感器发出一定数量的脉冲每个脉冲代表电机一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件（如工作台）的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为，单位为mm/脉冲。应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。此次设计的电火花成型机对机床定位精度的设计要求是0.01mm，根据该精度要求可确定脉冲当量为=0.005mm/脉冲传动比的选定因为采用同步齿形带传动，故能精确的保证传动比为1:1。步进电机的选用 转矩的有关计算：本课题中的已知条件：根据机床设计要求,电极最大重量为70kg，根据估计有关的工件重量为：主轴35kg, 直线导轨6kg，主轴丝杆2.5 kg,主轴下端板8kg，罩壳等重量3.5 kg，滚珠丝杆预压力n=400n 直线导轨摩擦力不计，电机需要拖动重量共计g=125kg，电机需要拖动力f=1250n。时间常数：t=25 ms；滚珠丝杠基本导程： ph=4mm；脉冲当量： mm/step；步距角：/step；快速进给速度：m/min； 加工进给速度v=0.08m/min；综合系数f=0.2；主轴转动惯量计算：（1）主轴质量折算到电机轴上的转动惯量 （2）丝杠的转动惯量 （3）齿轮的转动惯量因为电动机转动惯量很少，故忽略不计因此，总的转动惯量=转动力矩计算：快速空载启动时所需力矩 最大切削负载时所需力矩 快速进给时所需力矩 式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杠丝杠所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 切削时折算到电机轴上的加速度力矩； 折算到电极轴上的切削负载力矩。 当时 当 时所以快速空载启动所需力矩所需最大力矩发生在快速启动时 =9.96kgf.cm=99.6n.cm 步进电机具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速起动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。数控电火花成型机的动力系统要求电动机电位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小，并且可用于开环系统。而bf系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，根据求出的最大转矩=9.96kgf.cm=99.6n.cm与进给速度。我们选用了型号90bf004的电动机作为主运动的动力源。校核时主要有以下几个步骤：1.根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(1)步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角,由于 综合考虑，我初选了，即 可满足以上公式。(2)距频特性步进电机最大静转矩mjmax是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩mmq与最大静转矩mjmax的关系是： mmq=步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算： 式中：mkq为空载启动力矩；mka为空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩。而且初选电机型号时应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动转矩，即： mkqmmq=mjmax计算mkq的各项力矩如下：加速力矩 空载摩擦力矩 附加摩擦力矩 2启动矩频特性校核 步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。 前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。 步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.3 同步齿形带设计 由于电火花机床工作对放电间隙要求比较高，所以在选择电动机与滚珠丝杆之间的转矩传递时，我们选择了同步带传动。它综合了带传动和链传动的优点。同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体、工作面上带齿的环状带，如下图3-2所示。工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带的周节不变，所以带与带轮之间没有相对滑动，从而也保证了同步传动来实现电动机与滚珠丝杆之间的转矩传递。下面我们将进行同步带的尺寸设计计算：设计功率pd,，由机械设计手册二表14.1-55查得ka=1.5根据pd和n1，由机械设计手册二图14-1-14选取带型为xl型，节距pb=5.080mm。小带轮齿数z1根据带型l和小带轮转速n1,查表14-1-56得小带轮齿数zmin=15，此处取z1=16。图 3.2 小带齿轮小带轮节圆直径d1： 由表14.1-60查得其外径大带轮齿数： 大带轮节圆直径：由表14.1-60查得其外径带速v 初定轴间距：取带长及其齿数：由表14.1-51查得应该选用带长代号为210的xl型同步带，其节线长为lp=533.40mm，节线长上的齿数z=90。实际轴间距a，此结构的轴间距可调整小带轮啮合齿数zm 基本额定功率p0 由表14.1-58查得ta=50.17n，m=0.022kg/m 所需带宽 由表14.1-52查得l型带=9.5mm，=7，=1。 由表14.1-52查得应选带宽代号为037的xl型带，=9.5mm。带轮结构和尺寸传动选用的同步带为210xl037小带轮： ，大带轮：， 综上计算，可根据上列参数决定带轮的结构和全部尺寸。3.4 滚珠丝杆副设计根据主轴升降设计方案，需要选择传动机构滚珠丝杆及螺母。 滚珠丝杆副是由螺杆、螺母、滚珠和密封等零件组成的高精度机械传动部件，由于滚珠丝杆副的螺杆和螺母之间有滚珠在做滚动运动，所以有较高的运动效率。其机械效率一般为0.92-0.96，而滑动丝杆机械效率为0.20-0.40，与滑动丝杆相比较，它的驱动扭矩也在滑动丝杆的1/3以下。另外，它也能把直线运动转变为旋转运动。而且还有运动灵敏，低速时无爬行，使用期限长等特点。根据丝杆和螺母的运动情况，其基本传动形式有四种，如下图所示：（a）螺母固定、丝杆传动并移动；（b）丝杆传动，螺母移动；（c）螺母移动，丝杆传动；（d）丝杆固定、螺母传动并移动。这里，我们选择丝杆传动、螺母移动的传动方式。图3.3丝杆和螺母的传动形式 在主轴中的传动方式下图1和图2即反映出滚珠丝杆与滑动丝杆传动效率以及滚珠丝杆传动中传动效率与摩擦系数、导程角的关系。 图3.4传动效率关系图 结构形式：根据滚珠丝杆传动原理，选择滚珠循环方式为为螺旋槽式。由于滚珠丝杆为螺母传递。所以需进行轴向间隙消除，常用的间隙调整和加预紧力方法有：1）垫片式调整；2）螺纹式间隙调整；3）差齿调整间隙。精度和表面光洁度的选择：目前，滚珠丝杆副的精度标准及应用范围我们可以从下表中得到： 表3.1精度等级精度等级应用范围代号名称p普通级普通机床b标准级一般数控机床j精密级精密数控机床g超精级精密数控机床 等 根据电火花机床机床标准，我们选择j级精度。 滚珠丝杆副各零部件选材及其热处理方式，参考机床设计手册二，滚珠丝杆材料为gcr15或gcr15simn，热处理及硬度为g60或c60；滚珠螺母材料为gcr15，硬度为c60；内循环用反向器，材料为40cr，热处理及硬度为d-hrc56（离子氮化）；外循环用反向器材料为45#，65mn，hrc56。 综合上述， 根据最大电极重量以及上述等因数，选择直径为d20的丝杆为gs320电火花成型机床主轴传动丝杆，又根据滚珠丝杆副的公称轴径与基本导程的组合，d20滚珠丝杆可以选择导程为4mm。从机床设计手册二中我们可以选出相应的型号为的cdm2004-2.5滚珠丝杆。滚珠丝杆的计算校核：根据滚珠丝杆的选择方法：我们可以通过校核额定动载荷或者静载荷强度来确定。根据额定动载荷计算公式：又计算当量转速 丝杆预期工作转速计算丝杆所需的额定载荷综合上公式计算得满足强度要求。 由于滚珠杆的摩擦系数小，不能自锁，具有逆向传动功能。在用于传动垂直移动时，必须防止传动中止后，由于主轴的自重而产生逆向传动，由部件重力使滚珠丝杆产生逆转的力矩mf为： 其中g为重力，s为导程，逆传动效率，一般可认为与正向传动效率相等。由上可知，要防止中断后逆转，只需增加一个大于或等于mf的反向力矩即可。这里我们采用的方法是直接选用不能逆传动的步进电动机。 螺母的选择：根据滚珠丝杆的参数，选择相应的螺母。螺母示意图如下（图3.5） 有滚珠丝杆的端轴径选择型号为202单列向心球轴承1对。外配有相应轴承座和轴承盖及直径为12的压紧圆螺母。 图3.5 滚珠丝杆螺母副滚珠丝杆副的润滑：为了使滚珠丝杆充分发挥机能，所以在其工作状态下必须润滑，其润滑方式主要有两种：润滑脂：润滑脂的给脂两一般是螺母内空间容积的1/3。一般滚珠丝杆副在出厂时已经在螺母内加注gb7324+942#锂基润滑脂。润滑油：润滑油的给量标准如下表所示： 表3.2润滑油的给量标准轴承（mm）480.0310140.0515180.0720250.1028320.1536400.2545500.3055630.403.5 直线导轨设计根据主轴的运动要求：a)摩擦阻力低，运动平稳。 b)起动摩擦力小，随动性能好。 c)寿命长，机械能耗小和精度高以及高刚度，变形小等因数。综上所述，gs320电火花成型机床主轴上我们选择了双v型直线滚动导轨。它由两根具有v型滚道的导轨，滚子保持架，滚子等组成。同时，滚动导轨具有摩擦系数小，动、静摩擦的系数很接近等特点。因此，运动轻便灵活，运动所需功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度都高，而切其润滑简单，直线排列的圆珠滚子在经过精密磨削的v型滚道上往复运动，可承受各个方向的载荷，实现高精度，平稳的直线运动。其结构如下图所示（图3.6） 图3.6滚动导轨滚动导轨的材料：滚动导轨最常用的材料是硬度为hrc60-62的淬硬钢，以及硬度为hb200-220的铸铁，如ht20-40。 淬硬钢导轨具有承载能力高和耐磨等优点，但制造困难、成本较高。它主要适用于载荷高、动载和冲击载荷大、需要预紧和防护比较困难的场合。而铸铁导轨适用于中、小载荷又无动载荷，不需要预紧，以及采用镶装结果困难的情况。根据主轴运动情况，我们选择铸铁为材料的滚动导轨。技术要求：因为导轨面和滚动体的制造误差，直接影响机床的加工精度和各滚动体上载荷的分布。对于电火花成型机床，设计导轨要求导轨的不直度小于10微米，导轨的不平行度在两导轨面间一般为3微米，滚动体的直径差要求小于1微米。滚动导轨的预紧：不预紧的导轨跟混合摩擦滑动导轨相比，刚度约低25-50%。通常我们预紧的办法一般有两种：（1）采用过盈配合，一般过盈量为=5-6微米。（2）采用调整元件，即使用调整斜镶条和调节螺钉进行预紧。这里，我们采用前面一种方法，即在装配是采用过盈配合。选择v型导轨型号：图3.7滚动导轨尺寸表3.3导轨参数参数型号dwabcmlldh额定荷载（kn）cacoadv331888.33.5m412.52563.10.270.36dv44221110.24.5m5204084.20.630.76dv66301514.46m625509.55.21.71.9dv99402019.28m85010010.56.24.34.36综上选择型号为dv6直线导轨。下面对dv6进行寿命时间计算： 额定寿命 寿命时间 年 满足机床要求。导轨的润滑和防护：为了减少摩擦，提高机械效率；减少磨损，延长寿命；降低温度，改善工作条件和防止生锈。都必须对导轨进行润滑。此处导轨润滑方式我们采取压力油强制润滑。润滑油可选择30号或40号机械油。导轨的防护我们采取主轴外罩上外罩，使导轨处于封闭状态下，隔绝各种硬粒进入导轨工作面而产生磨损。四 工作台设计根据设计任务书要求：工作台面积 长*宽为550mm*300mm 工作台t型槽数：3条，工作台中央基准t型槽宽12h8。工作台用以安装工件，根据电火花成型机床设计要求，工作台为移动工作台，因此，则有一组导轨。移动工作台的形状有三种：（1）箱形升降台式，如下图所示： 图4.1箱形升降台式（2）矩形工作台，如铣床、刨床、磨床等。其结构如下图所示： 图4.2矩形工作台 （3）圆形工作台，如立式车床，齿轮加工机床等，起结构如下图所示： 图4.3圆形工作台从上面知识了解及电火花机床对工作台的要求，我们设计电火花成型机床工作台与十字滑座配合，可以进行左右行程移动。为了提高刚度，特别是提该局部刚度，工作抬内部我们设计了隔板和筋。又因为矩形和圆形工作台的刚度主要由它们的高度决定，所以我们在设计工作台尺寸时还需要注意到工作台的高度与其宽度之比，根据机床设计手册二，这个比值大约为0.1-0.18，较窄的工作台取大值。所以工作台底座应有与十字滑座配合的导轨。而且导轨的设计必须满足下列要求：1）几何精度要求，即运动的直线度或回转精度。2）运动精度要求，运动的平稳性和定位精度（线定位和角定位）。3）具有足够的承载能力和刚度，使用寿命长。4）结构简单、工艺性好、便于调整和安装。5）具有良好的润滑和防护装置。根据工作台的运动条件：我们选择导向精度高，磨损后能自动补偿的对称形v型导轨和矩形平导轨相配合的导轨组成形式。 参考gs320电火花成型机床工作台导轨尺寸，我们可以从机械设计手册 二中表9.3-5选取三角形导轨尺寸b=35mm，相应矩形平导轨尺寸b=40mm。 导轨间隙调整：这里我们采用三角形和矩形配合导轨，不需要镶条调整间隙，导向精度好。导轨的结构和尺寸如下图示： 图4.4导轨的结构和尺寸 导轨材料：由于用于导轨的材料应该具有良好的耐磨性，摩擦系数小和动静摩擦系数差小，加工和使用时产生的内应力小，尺寸稳定性好等性能。机床滑动导轨常用材料主要是灰铸铁和耐磨铸铁。其中灰铸铁通常以ht200或ht300做固定导轨，以ht150或ht200做动导轨。这里我们选择铸铁-铸铁导轨。 导轨热处理：一般重要导轨，铸件粗加工后要进行一次时效处理，高精度导轨半精加工后还要进行第二次时效处理。目前常用的淬火方法有：1） 高、中频淬火，淬硬层深度（12）mm。硬度（40-50）hrc。2） 电接触加热自冷表面淬火，淬硬层深度（0.20.25）mm，显微硬度600hm左右。这种淬火方法主要用于大型铸件导轨。综上，我们这里选择第一种热处理方式。 导轨的技术要求：1） 表面粗糙度，导轨的加工我们采用磨削，要求达到的表面粗糙度为：动导轨0.4，固定导轨0.2。2） 几何精度（主要指导轨的直线度和导轨间的平行度、垂直度等）。 滑动导轨的压强计算1） 导轨的许用压强：导轨的许用压强是影响导轨耐磨性和接触变形的主要因素之一。设计导轨时将压强取的过大，则会加剧导轨的磨损；若取得过小，又会加大尺寸，因此要根据具体的情况，适当的选择压强的许用值。通用机床铸铁-铸铁，铸铁-钢导轨副的许用压强可以从下表中选择。 表4.1铸铁导轨的使用压强（mpa）导轨种类平均压强最大压强直线运动导轨主运动导轨和滑动速度较大的进给运动导轨中型机床0.4-0.50.8-1.0重型机床0.2-0.30.4-0.6滑动速度低的进给运动导轨中型机床1.2-1.52.5-3.0重型机床0.51.0-1.5磨床0.025-0.040.05-0.08主运动和滑动速度较大的进给运动的圆导轨，d为导轨直径mmd3000.2-0.3环状0.15 从上表中我们可以选择最大压强为2.5-3.0，平均压强为1.2-1.5的铸铁-铸铁导轨。由于电火花成型机床是通过间隙放电腐蚀材料加工，所以没有切削力存在，导轨仅受到导轨部件和工件重力g和牵引力q。 外力矩 ： 导轨平均压强的计算： 所以上述导轨尺寸满足强度要求。五 十字滑座设计 参照电火花成型机床十字滑座，工作台通过导轨在滑座上横向移动，移动行程为300mm，十字滑座由下座导轨和床身配合进行纵向移动，移动行程为200mm。即十字滑座上面有与工作台相配合的凹形三角形和矩形平导轨，下面有与床身相配合的凸形三角形和矩形导轨进行纵向移动。工作台和十字滑座通过丝杆传动。 材料选择：ht200。 十字滑座结构设计如下图示： 图5.1十字滑座结构滑座上凹型部分各尺寸要求与工作台导轨尺寸相应配合。十字滑座下部分凸形导轨设计：根据工作台导轨设计计算： （1）直线运动导轨截面形状选用三角形导轨和矩形平导轨成对配合的形式。 （2）三角形导轨和矩形平导轨尺寸选择，参照机床设计手册三表6.2-8和表6.2-9，三角形导轨型式尺寸为：b=40，b4，=90；矩形导轨型式尺寸：b=40。 （3）不需要镶条调整间隙，导向精度好。 （4）滑动导轨比压计算：由于导轨的损坏形式主要是磨损，而导轨的磨损又与导轨表面的比压（单位面积上的压力）有着密切的关系随着导轨比压的增加，导轨的磨损量也增加。因此这里我们需要校核导轨比压是否在材料允许范围内。由于导轨面比压分布比较复杂，为了进行下一步计算，我们先做下面假设：首先，导轨所在部件本身刚度很高，受力以后导轨面仍保持为一平面；其次，导轨面上的接触变形与比压成正比例；再者，导轨面宽度远比接触长度小，沿导轨宽度方向上的的比压各处相等。根据上述假设，可以认为，导轨面上沿长度方向的比压按直线规律分布。如果作用于导轨面上的集中载荷位于导轨长度方向的中点，则比压按矩形分布（如下图所示a），而如果该载荷偏离中心，则比压按梯形分布（下图所示b） 图5.2受力图靠近载荷一端的比压大，最大比压为pmax ，离开载荷远的一端的比压小，最小比压为pmin,它们的平均比压为 当pmin=0时，pmax=2 。此时比压按三角形分布。且导轨之间仍然保持接触。所以导轨受力后只要导轨没有脱离接触，则最大比压。平均比压： f为导轨向上反力，即与导轨上承受的各部件重力相等，方向相反，根据最大工件重量为500千克，初步计算f=6000/2=3000n；b为导轨宽度，即b=40mm，ln为工作导轨长度，ln=540mm。 所以得 =13.8 ()而当成三角形分布时，此时有pmax，且由上比压分布图得pmax=2 。所以 pmax=27.6（）对照机床设计手册二表6.2-31铸铁导轨的许用比压，从上可知，该导轨设计满足要求。 十字滑座滚珠丝杆设计计算：参考d1740电火花成型机床设计，这里选用d32滚珠丝杆。查上表2-4，选择导程为5mm。其基本结构如下图示： 图5.3丝杆丝杆各部分计算校核主轴丝杆部分计算同理，且满足强度等各方面要求。 滚珠丝杆端部通过平键与手柄连接并由轴承固定在工作台侧面，而滚珠丝杆螺母则由螺母座通过螺钉固定在十字滑座上，这样转动手柄，即滚珠丝杆。就可以转化为工作台的的横向移动。丝杆螺母的安装可以从图2-7中看出。同理，十字滑座的纵向移动也通过滚珠丝杆和固定在床身上的滚珠螺母来实现。丝杆的长度由设计任务书要求的横向、纵向移动来设计。六 电极夹头的设计 电极夹具上装夹电极，与工作台上工件形成正、负极在脉冲电源下进行间隙放电。一般电火花成型机床随机带有一个普通电极夹头，它可以根据工作需要匹配各种附件。在使用过程中，根据加工工件的不同，选择适合的电极夹具，并用螺钉把电极夹具固定在主轴上。同样，这里我们可以先介绍集中我们常见的电极夹具。如下图2-12 a、b、c、d所示： ab cd图6.1 电极夹头其中a为普通电极夹具 b为钻卡式电极夹具 c为钻卡式电极夹具 d为异形电极夹头。还有套筒式电极夹头，柄式电极夹头，u型夹头，内冲油式管状电极夹头，多电极组合夹头和单电极组合专用夹具等等。 综上我们设计了电火花成型机床的电极头：其主要由指示环、刻度环、过度环、主调节环、锥度垫、绝缘环、电板上座、调节环、电极安装座和一些各型号螺钉等等零件组成。 具体的装配和使用功能的实现为：指示环和刻度环通过螺杆连接，螺杆上装有轴承，刻度环可通过轴承绕螺杆转动一定的角度，来调整工具电极的方向。过度环连接刻度环与主调节环，主调节环中装有锥度垫，锥度垫通过螺杆连接安装，可调节调节螺杆即通过刚球和锥度垫来调整工具电极与工作台的垂直度，而绝缘环用来隔离电火花成型机床床身与工具电极，形成工作的正、负极。电极安装座安装在电板上座上，下面调节环也用来固定电极。 在电极头的设计中，我们需要主要注意考虑的问题是过度环以下为一整体的在y-z和x-z平面的调整移动。所以过度环上连接刻度环的四个螺杆的沉头孔需要有一定的间隙使得下面部分有相应的调节空间。其结构如下图2-13所示：这里，我们还拓宽介绍一下工具电极的正确安装和电极装夹时应该注意的一些地方：电极的安装目的是把工具电极牢固的装夹在电极夹具上，并保证电极轴线与主轴进给轴线一致，使电极与工件垂直。安装电极时，由于在实际加工中经常会碰到各种不同类型的电极，我们上面已经介绍过多种不同的电极夹头，可以根据不同的电极类型采取相应的方法装夹。 图6.2电极夹头 电极装夹时应注意的几点为：1） 电极与夹具接触面应该保持清洁，接触良好，并保持滑动部位灵活。2） 在紧固时，要注意电极的变形，不要用力过大，特别对小型电极，要防止弯曲，螺钉的松紧应该以牢固为准，不能用力过大或过小。3） 电极体积较大时，要考虑电极夹具的强度和位置，防止由于安装不牢，在加工过程中产生松动等等给加工带来麻烦。工具电极的调整、校正和定位找正：调整、校正是使工具电极轴心线严格与工作台面垂直；定位、找正是使电极在x，y方向与工件有一正确位置。调整在校正之前，一般在电极装夹完后，首先调整电极的角度和轴心线，使其大概垂直于工作台面或被加工件，然后进行电极的校正工作。校正的工具主要是角尺和百分表等。常用以下几种校正和找正方法：1） 当电极直壁面较长时，可以用精密角尺对光校正或百分表校正。2） 可按照电极或者电极的上固定板端面作为辅助基准校正电极，这时使用百分表检验电极与工作台面的平行度。3） 对没有直壁面的电极，在校正时是比较困难的，只有采用精基准、小电流放电打印法，使电极与工作四周火花放电均匀，以完成校正和找正工作。七 机床润滑系统我们可以借鉴sc400型和d7140型精密电火花成型机床机械传动部分润滑点以及方式。分为手动和油泵自动润滑两种方式，设计电火花成型机床工作台导轨及滚动丝杆，十字滑座导轨和滚动丝杆，主轴滚珠丝杆及直线导轨等传动部件的润滑。手动润滑系统为了机械精密度与寿命，在机床操作前我们还需进行下面如图所示的各处润滑。图7.1 手动润滑系统a、主油管 b、分流器入口 c、传动箱左供油管 d、传动箱右供油管 e、主轴供油管 f、床身底座油管 g、滑座下导轨左1油管 h、滑座下导轨左2油管 i、滑座下导轨左3油管 j、滑座下导轨左2油管 k、油路清洗孔（已阻塞） l、滑座下导轨右1油管 m、滑座上导轨左1油管 n、滑座上导轨右2油管 o、滑座下导轨右2油管 p、y向滚动丝杆供油管 q x向滚动丝杆供油管 表7.1润滑零部件明细表序号材料名称数量19001铸铝手动油泵12钼油管锁嘴直通33塑胶塑胶油管14铸铝五通分油器15钼油管锁嘴直通16钼节油阀（3号）17钼节油阀（3号）18钼节油阀（2号）19钼油管锁嘴直通110塑胶塑胶油管111钼节油阀（3号）112钼节油阀（3号）113钼节油阀（3号）114钼节油阀（3号）115铜铜塞116铸铝12通分油器117铜油管锁嘴直通118铜节油阀（3号）119铜节油阀（3号）120铜节油阀（3号）21铜节油阀（3号）122铜节油阀（2号）123铝铝管124铜油管锁嘴直通125铁锁紧螺丝326铝铝管127铁锁紧螺丝2八 工作液循环装置结构 工作液循环装置结构： 由电火花