便携式点火加工机的设计.docx

1 绪 论1.1 课题研究的背景电火花加工技术是历史最悠久的特种加工方法，在模具制造业、航空、航天和电子等众多领域得到广泛应用。对于传统的切削加工难于胜任的超硬、耐高温合金等难加工材料以及深孔、窄缝等形状的加工，电火花加工显示出其独特的优势，成为加工这些材料不可缺少的加工方法。1900年科尔许特利用放电制造出了胶状金属粉末，并首次提出有关将放电应用于金属加工的技术关键和电极损耗报告。19351937年美国的斯廷纳和英国的罗得福先后发明了交流放电切割和直流放电切割的方法。然而电弧放电能量不易控制，难以用于金属的精密加工。直到1943年，前苏联拉扎林柯夫妇研究开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被蚀除掉，开创和发明了电火花加工方法，用铜丝在淬火钢上加工出小孔，可用软的工具加工任何硬度的金属材料，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。从而创立了电火花加工(EDM)技术，开创了金属材料非切削加工的新时代。随着科学技术的不断发展和实际生产需要，对机械制造提出了更高的要求：产品向小批量、多品种的柔性制造方向发展，制造进到要求越来越高，制造周期要求越来越短。由于能源和环境保护等问题，制造业还需要实现可持续发展。在这样的背景下，根据电火花加工本身具有的特点，认为电火花加工技术将在加工的精密性、细微化、高速化和高效率、绿色加工以及复合加工方面发展，并需要开发新的电火花加工方法，拓宽电火花加工的范围。1.2 课题研究的意义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、电火花加工的特点如下15：(1) 由于电火花加工是基于脉冲放电时的蚀除原理，其脉冲放电的能量密度很高，因而可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料。此外，在一定条件下还可以加工半导体材料和非导电材料。(2) 加工时，工具电极与工件材料不接触，有利于小孔、薄壁、窄槽以及各山东大学硕士学位论文种复杂截面的型孔、曲线孔、型腔等的加工，也适合于精密细微加工。(3) 当脉冲放电的持续时间很短时，放电时所产生的热量来不及传散，可以减小材料被加工表面热影响层，提高材料加工后的表面质量，同时，还适合于加工热敏感性较强的材料。(4) 脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行粗、半精及精加工。(5) 直接利用电能进行加工，便于实现自动化。2、电火花加工的条件实现电火花加工，应具备如下条件：（1）工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离。（2）两电极间必须充入介质。（3）输送到两电极间的脉冲能量应足够大。（4）放点必须是短时间的脉冲放电。（5）脉冲放电需要重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的。这里包含两个方面的意义：其一，相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道；其二，若在一定时间内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲放电应转移到另一区域。只有如此，才能避免积炭现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。（6）脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，是重复性放电顺利进行。在电火花加工的实际生产中，上述过程通过两个途径完成：一方面，火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性，使出产物以外的其余放电产物亦可以促进上述过程；另一方面，还必须利用一些人为的辅助工艺措施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等等。3、电火花加工的应用基于上述特点和条件，电火花加工的主要用途有以下几项：(1) 穿孔加工一般指贯通的二维型孔的电火花加工。它既可以是等截面通孔，也可以是变截面通孔。此外，还包括用片状电极切断和侧面成形等。(2) 型腔加工一般指三维型腔和型面电火花加工，此外，还包括电火花雕刻。(3) 线电极切割这种加工方法的加工原理是用移动着的线状电极丝按预定的轨迹进行切割加工，其运行轨迹可以用靠模、光电或数字程序等方式来控制，适用于切断、切割各类复杂型孔以及零件和工具等的加工。(4) 电火花磨削这种加工方法实质上是应用机械磨削的成形运动进行电火花加工。它的工具电极与工件电极之间作相对运，其中之一或二者作旋转运动。(5) 电火花展成加工这种加工方法是利用成形工具电极与工件电极作相对的展成运动(回转、回摆或往复运动等)，使二者相对应的点保持固定重合的关系，逐点进行电火花加工。(6) 表面强化这种加工方法一般是以空气为极间介质，工具电极相对于工件作小振幅的振动，二者时而短接，时而离开。在这过程中产生脉冲式的火花放电，使空气中的氮或工具材料渗透到工件表面层内部，以改善工件表面的机械性能。(7) 非金属电火花加工一般是用高频高压的脉冲电源，通过尖状电极施加到所要加工的非金属工件上，并使其产生火花放电而瞬时释放出大量的热量，从而使工件的局部材料瞬时熔化和汽化，以达到加工的目的。(8) 其他电火花加工除上述几种应用外，电火花加工还可用于打印标记、刻字、跑合齿轮啮合件、取出折断在零件中的丝锥或钻头，以及对己淬火零件进行整修等。1.3 国内外发展现状随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高。因此，微细加工技术受到了世界各国的普遍重视，投入了大量人力、物力进行研究。70年代初，美国斯坦福大学开始了微型机械的研究。80年代以后，日本和西欧各国对此项研究也日益重视起来。电火花加工技术作为特种加工领域的一个重要分支，在制造业中得到广泛应用。因此，微小型电火花加工装置的研究成为整个微型机械研究领域的一个重要方向。目前，在航空航天、微电子、医学、光学、模具等各个领域中，有许多零件采用常规机床加工困难甚至无法加工，特别是对狭小空间内的加工、微细孔的加工及难加工材料的加工等，采用微小型电火花加工装置加工则会取得令人满意的效果。微小型电火花加工装置己成为整个微型机械制造领域一个非常重要的研究方向，具有重大的理论意义和实际应用前景。在小型电火花加工机构的研究上，国外的主要代表为原日本东京大学的博士生、现丰田工业大学的古谷克司和丰田工业大学的毛利尚武等人。他们已研制出蠕动式、冲击式和椭圆驱动式三种小型电火花加工机构，并在冲击式机构基础上研制出改进的装置和自走式小型电火花加工装置，在蠕动式的基础上研制出点阵式电火花加工装置。在国内，清华大学在北京市自然科学基金的资助下，对采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置进行了研究。哈尔滨工业大学研制出基于WEDM法的微细电火花加工装置和蠕动式小型电火花加工装置，首次提出并研制了基于超声马达的电极直接驱动式微型电火花加工装置。南京航空航天大学较早地开展了小型电火花加工装置的研究，并开发了电磁冲击式小型电火花加工装置。国际上，微小型电火花加工装置向着更加小型化、精密化、实用化的方向发展。我国由于起步晚，考虑实际的技术水平和经济状况，应在以下几方面重点发展，以达到实用化的目的:掌握研究动向，紧跟国际前沿，抓住关键技术;研制性能稳定的放电加工微能脉冲电源;高响应性的伺服驱动系统的研制;结构简单、加工容易、性能可靠的电极驱动机构的研制;在电极上附加小振幅振动的小型电火花加工装置的研制。可见，微小型电火花加工装置将成为电火花加工领域的一个重要组成部分，随着它的进一步完善和发展，将会有广泛的实际应用前景。2 加工机的原理和组成2.1 电火花的基本原理电火花加工又称放电加工(Electrical Discharge Machining简称EDM)，是一种利用电、热能量进行加工的方法。在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因放电过程可见到火花，故称为电火花加工。15电火花成型加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。其基本原理如图21所示是被加工的工件做件电极，石墨或者紫铜做工具电极。脉冲电源发出一连串的脉冲电压，加到工件电极和工具电极上，此时工具电极和工件均淹没于具有一定绝缘性能的工作液中。在自动进给调节装置的控制下，当工具电极与工件的距离小到一定程度时，在脉冲电压的作用下，两极间最近处的工作液被击穿，工具电极与工件之间形成瞬时放电通道，产生瞬时高温，使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来，形成局部的电蚀凹坑。这样随着相当高的频率，连续不断的重复放电，工具电极不断地向工件进给，就可以将工具电极的形状复制到工件上，加工出所需要的和工具形状阴阳相反的零件图 21 电火花加工原理示意图1自动进给调节装置 2脉冲电源 3工具电极4工作液 5工件 6工作台 7过滤器 8工作液泵放电蚀除的物理过程是电动力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。这一过程大致可以分为以下几个连续的阶段：极间介质的电离、击穿及放电通道的形成；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；间隙介质的消电离。(1)极间介质的电离、击穿及放电通道的形成当脉冲电压施加于工具电极与工件之间时，两极之间立即形成一个电场。电场强度与电压成正比，与距离成反比，随着极间电压的升高或是极间距离的减小，极间电场强度也将随着增大。由于工具电极和工件的微观表面是凸凹不平的，极间距离又很小，因而极间电场强度是很不均匀的，两极间离得最近的突出点或尖端处的电场强度一般为最大。当电场强度增大到一定数量时，介质被击穿，放电间隙电阻从绝缘状态迅速降低到几分之一欧姆，间隙电流迅速上升到最大值。由于通道直径很小，所以通道中的电流密度很高。间隙电压则由击穿电压迅速下降到火花维持电压（一般约为2030V），电流则由零上升到某一峰值电流。(2)介质热分解、电极材料熔化、汽化热膨胀极间介质一旦被电离、击穿，形成放电通道后，脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变成动能，动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度。通道高温将工作液介质汽化，进而热裂分解汽化。这些汽化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙内成为气泡，迅速热膨胀并具有爆炸的特性。观察电火花加工过程，可以看到放电间隙间冒出气泡，工作液逐渐变黑，并听到轻微而清脆的爆炸声。电火花加工主要靠热膨胀和局部微爆炸，使熔化、汽化了的电极材料抛出蚀除。(3)电极材料的抛出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，热膨胀产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最高，使汽化了的气体不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽，就被排挤、抛出而进入工作液中。由于表面张力和内聚力的作用，使抛出的材料具有最小的表面积，冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒。熔化和汽化了的金属在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中并收缩成小颗粒外，还有一小部分飞溅、镀覆、吸附在对面的电极表面上。这种互相飞溅、镀覆以及吸附的现象，在某些条件下可以用来减少或补偿工具电极在加工过程中的损耗。实际上，金属材料的蚀除、抛出过程比较复杂的。目前，人们对这一复杂的机理的认识还在不断深化中。(4)间隙介质的消电离随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，但此后仍应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复本次放电通道处介质的绝缘强度，以及降低电极表面温度等，以免下次总是重复在同一处发生放电而导致电弧放电，从而保证在两极间最近处或电阻率最小处形成下一次击穿放电通道。由此可见，为了保证电火花加工过程正常地进行，在两次脉冲放电之间一般要有足够的脉冲间隔时间。此外，还应留有余地，使击穿、放电点分散、转移，否则仅在一点附近放电，易形成电弧。2.2 电火花加工机床的组成电火花加工工艺及机床设备的类型较多，但按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途等来分，大致可以分为六大类：电火花穿孔成型加工机床、电火花线切割机床、电火花磨削机床、电火花共扼回转加工机床、电火花表面强化机、电火花刻字装置等。其中应用最广、数量较多的是电火花穿孔成型加工机床和电火花线切割机床。尽管电火花加工机床的结构型式较多，有立柱式、龙门式、滑枕式、摇臂式等。但都包含四个基本部分：脉冲电源、工作液及其循环过滤系统、自动进给调节系统和机床本体部分。2.2.1 脉冲电源电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电流或直流电流转变成具有一定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电间隙所需要的能量。火花放电必须是瞬时的脉冲性放电才能用于加工，放电连续一段时间后需要停歇一段时间，放电延续时间一般为10-7-10-9 s，这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分，使每一次的放电分别局限在很小的范围内。否则像持续电弧放电那样，使表面烧伤而无法用作尺寸加工，因此电火花加工必须采用脉冲电源。 脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极消耗等技术经济指标有很大的影响。脉冲电源的种类很多，可以归纳为RC、RLC线路脉冲电源，电子管、闸流管脉冲电源，晶体管脉冲电源和可控硅脉冲电源四类。不同的脉冲电源其脉冲宽度及应用是不同的，应根据加工对象与加工要求合理地选择。电火花加工机床采用的各种脉冲电源的特点及应用范围见表21。表21 各种脉冲电源的特点及应用和范围类型特点应用范围RC 脉冲电源结构简单，工作可靠，使用、维修方便，加工精度较高，表面粗糙度值小但工具电极损耗较大，生产率较低，电能利用率较低，工作液绝缘性能和间隙状态对脉冲参数有影响，稳定性较差主要用于电火花精微加工闸流管式脉冲电源加工稳定，加工精度较高，表面粗糙度值小，生产率比RC 脉冲电源大，但脉冲参数调节范围较小，较难获得大的脉冲参数，工具电极损耗较大主要用于钢打钢时穿孔加工，目前已被晶体管式脉冲电源代替晶体管式脉冲电源脉冲参数调节范围广，可适应粗、半精、精加工的需要，容易实现自动化控制，工具电极损耗低，生产率高，但大功率脉冲电源的线路比可控硅电源复杂适用于电火花加工用各种情况下的脉冲电源，除大功率电源采用可控硅电源外，一般均已采用晶体管电源可控硅式脉冲电源可适应粗、半精加工的需要，生产率高，大能量、大功率加工时的路线比晶体管电源简单，但精加工用脉冲电源的控制和调节不如晶体管电源方便适用于中、大型工件穿孔和成型加工RC脉冲电源的线路如图22所示，它是脉冲电源的基本线路。它由两个回路组成：一个回路是充电回路，由直流电源E、充电电阻R(调节充电速度，同时防止电流过大转变为电弧放电，又称限流电阻)和电容器C组成；另一个回路是放电回路，由电容器C、工件电极和工具电极及放电间隙组成。该脉冲电源能周期性对电容器缓慢充电，在极短时间内快速放电，把工频交流电流或直流电流转换成一定频率的重复脉冲电流。电容 器时而充电，时而放电，一弛一张，故称为弛张式脉冲电源。 1工具电极 2工件 图22 RC脉冲电源的线路 RC线路脉冲电源的电能利用率很低，因为大部分电能经过限流电阻时转化为热能损失掉了；而且生产率也低，因为电容器的充电时间比放电时间长得多。为了改进RC线路脉冲电源的性能，在充电回路中加入一个带有空气隙的铁心电感L，V 组成RLC脉冲电源，如图23所示。限流电阻R分为两部分:一部分电阻用以限制短路电流;另一部分电阻用电感L代替。因为纯电感对直流电路来说阻值很小，但对交流电或脉冲电流却具有感抗能力，起限流作用，从而发热消耗的电能少。所以RLC线路脉冲电源的电能利用率比RC线路高，最大可达80%92%，在实际应用中一般也有60%80%。缩短电容器C的充电时间，即缩短了脉冲间歇时间，从而提高了脉冲频率。 图23 RLC脉冲电源的线路RC、RLC线路脉冲电源都是弛张式脉冲电源，它们的优点是：线路简单可靠，成本低廉，容易掌握。其缺点是：生产率低，工具损耗大，工作稳定性较差(其中，RLC线路比RC线路的电能利用率高，脉冲间歇系数较小)。因为弛张式脉冲电源中电容器放电时间较短，很难获得高生产率、损耗低的长脉冲，而且这种电源本身并不独立形成和发生脉冲，而是靠电极间工作液的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断。间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度和排出情况都影响脉冲参数，脉冲的频率、宽度、能量不稳定，而且放电间隙经过限流电阻始终和直流电源接通，没有开关元件使之隔离出来，随时都有放电的可能，容易转为电弧放电。针对这些缺点，研制出放电间隙和直流电源各自独立，互相隔离，能独立形成和发生脉冲的电源，主要有闸流管式、电子管式、晶闸管式、晶体管式等脉冲电源。它们减少了电极间隙物理状态参数变化的影响。本次设计选用晶体管脉冲电源，它适用于电火花加工用各种情况下的脉冲电源。并且，脉冲参数调节范围广，可适应粗、中、精加工的要求，易于实现电机低损耗、生产效率高；易于实现自适应控制和微机控制，脉冲参数、波形的调节范围非常广。近年来，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊要求，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源基础上，派生出高、低压复合脉冲电源，多回路脉冲电源，自适应控制脉冲电源，高频分组和梳形波脉冲电源等。2.2.2 工作液及其循环过滤系统电火花加工大多数是在工作液中进行的。电火花加工对工作液的基本要求是：有较高的绝缘性能，较好的流动性和渗透能力，能进入窄小的放电空隙，能冷却电极和工件表面，把电蚀产物冷凝、扩散到放电间隙之外，此外还应对人体及设备无害、安全和价格低廉。目前还没有一种液体介质能全面满足上述全部要求。电火花加工时常采用煤油作为工作液。煤油系碳氢化合物，在电火花放电时能分解出氢气和游离碳黑微粒，这些游离碳在负极性加工时，被吸附在带正电荷的工具电极表面上可以大大减少和补偿电极损耗。但是煤油的最大特点是易燃和易蒸发呛人的油烟在大功率粗加工时常采用机械油或渗入一定比例的机械油，它的闪点、燃点和挥发性都大大低于普通煤油，不易着火，对人及环境的危害较小。常用的工作液有：煤油、乳化液和水。电加工界一直在努力研究用水或水基工作液来代替煤油。在小面积精加工时，如加工喷丝板上的小异型孔，可用蒸馏水或离子水或水中加入甘油、酒精等添加剂的水基工作液。但在大面积加工时效果还不如煤油。工作液在电火花加工过程中需要油泵使之循环流动，此外还需用过滤装置把工作液中的电蚀产物金属小屑和高温分解出来的碳黑过滤出来。工作液循环过滤系统包括工作液箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散，定期抬刀以及使刀具电极附加振动等排除外，常采用强迫循环的办法加以排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度。此外也可带走一部分热量。图24为工作液强迫循环的两种方式，a)和b)为冲油式，较易实现，排屑冲刷能力强，一般常采用，但电蚀产物仍通过已加工区，稍影响加工精度；c)和d)为抽油式，在加工过程中，分解出来的气体(H2、C2H2等)易积聚在抽油回路的死角处，遇电火花引燃会爆炸“放炮”，因此一般用得较少，在要求小间隙、精加工时也有采用的。 a)和b)为冲油式 c)和d)为抽油式 图24 工作液强迫循环方式为了不使工作液越用越脏，影响加工性能，必须加以净化或过滤。常用的过滤方式及特点见表22所示。表22 常用的过滤方式及特点过滤方式特点介质过滤(木屑、黄砂、硅藻土、纸质、灯草芯、棉纱头、活性炭、塑料泡沫等)结构简单，造价低，对中小型工件、加工用量不大时，一般都能满足过滤要求，可就地取材，因地制宜，但使用时间较低，油耗多自然沉淀过滤速度太慢，周期太长，只用于单件、小批量加工要求油箱的容量较大离心过滤过滤结果较好，结构简单，清渣较困难高压静电过滤结构较复杂，一般不采用，因电压高，有安全问题，故用于小流量的场合2.2.3 自动进给调节系统在电火花加工时，必须使工具和工件之间始终保持一定的放电间隙。间隙过大，所加电压不能击穿间隙，形成开路，无法实现电火花加工；间隙过小，形成短路，也不能进行电火花加工。而且，由于工件不断地被蚀除，工具也有一定的损耗，间隙会不断增大。为使加工继续进行，必须使工具电极及时补进。因此，工具电极自动进给调节系统是电火花加工机床的重要组成部分，它能在加工过程中使工具慢慢进给，维持间隙在一个合理的平均放电间隙范围内。间隙自动调节系统的类型及特点见表23所示。表23 自动进给调节系统的类型及特点调节系统给性特点液压进给调节喷嘴挡板式我国目前80%的电火花加工机床采用这一系统。易于制造，成本低，但性能较差，占地面积较大，噪声较大，容易漏油伺服阀式我国只有少数高档机床采用这种系统。性能好，但成本高，制造与维修有一定困难步进电机进给调节目前国内外小型电火花加工机床主要采用这一系统。结构简单，占地面积小，但负载能力小，进给、响应速度低伺服电机进给调节国外大部分采用这一系统。负载能力大，调速较宽，进给速度高，反映灵敏，但系统复杂，成本高自动调节系统由测量环节、比较环节、放大环节和执行环节组成。测量环节测量与放电间隙成比例的参数。弛张式脉冲电源测量电流、电压变化信号；独立式脉冲电源检测击穿电压和击穿延时变化信号。把电参数传给比较环节，测量参数与预先给定值比较，输出控制信号。经放大器放大后传输给电机械转换器，使主轴运动调节放电间隙。2.2.4 主机部分电火花成型机床的主机主要包括：主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽几部分。坐标工作台安装在床身上，主轴头安装在立柱上。床身和立柱是机床的主要基础件，要有足够的刚度。要求机床的工作面与立柱导轨具有一定的垂直度，导轨应耐磨和充分消除内应力。作纵、横向移动的工作台，一般是用刻度手轮通过丝杠、螺母机构调节位置。精度要求高的机床，采用光学坐标读数装置、数显装置。随着数控技术的发展，三坐标伺服控制，以及主轴和工作台回转运动并加三向伺服控制的五坐标数控机床已有很多应用，机床的坐标位移精度可达2um，以至更高。主轴头是电火花成形机床最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构。要求主轴头结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小，具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度高、能承受一定负载的要求。主轴头主要由进给系统、导向防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。我国目前生产的电火花成型机床大多采用液压主轴头。3 自动进给调节系统与机械装置设计3.1 自动进给调节系统的设计3.1.1 自动进给调节系统的作用及技术要求电火花加工与切削加工不同，属于“不接触加工”。在电火花加工时，工具和工件之间有一放电间隙S。如图3-1所示。图3-1放电间隙、蚀除速度和进给速度如果放电间隙S过大，脉冲电压不能击穿间隙的绝缘工作液，所以不会产生火花放电。要使工作液被击穿，必须使工具电极向下进给， 直到工具电极与工件之间的间隙S等于、小于某一值时(一般情况下S=0.10.01mm，这与加工规准有关)，才能击穿间隙并产生火花放电。在正常的电火花加工时，工件以VW的速度不断被蚀除，间隙S将逐渐扩大，必须使电极工具以速度Vd补偿进给，以维持所需的放电间隙。如进给量大于工件的蚀除速度，则间隙S将逐渐变小，当间隙过小时，必须减小进给速度Vd。如果工具和工件之间一旦短路(即S=0时)，则必须使工具以较大的速度Vd反向快速回退，消除短路状态。随后再重新向下进给，调节到所需的放电间隙。这是正常电火花加工所必须解决的关键问题。由于火花放电间隙S很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等因素有关，因此很难靠人工调节间隙的大小，也不能像钻削那样采用“机动”、等速进给，所以，必须采用自动进给调节系统。这种不等速的自动进给调节系统也称之为伺服进给系统。3.1.2 自动进给调节系统的基本组成部分电火花加工用的自动进给调节系统和其它任何一个完善的调节装置一样，也是由调节对象、测量环节、比较环节、放大驱动环节、执行环节等几个主要环节组成，图32是其基本组成部分方框图。实际上根据电火花加工机床的简、繁或不同的完善程度，基本组成部分可能略有增减。图32 自动进给调节系统的基本组成方框图1.侧量环节在实际加工中，直接测量电极间隙及其变化是很困难的，都是采用测量与放电间隙成比例关系的电参数来间接反映放电间隙的大小。因为当间隙较大、为开路状态时，间隙电压最大或接近脉冲电源的峰值电压;当间隙为零、短路时，间隙电压为零，虽然不成正比，但也有一定的相关性。常用的信号检测方法有两种：一种是平均间隙电压测量法，另一种是利用稳压管来测量脉冲电压的锋值信号。对于弛张式脉冲电源，一般可采用平均值检测法。对于独立式脉冲电源，则采用峰值检测法。因为在脉冲间歇期间，两极间的电压总是为零，故平均电压很低，对极间距离变化的反映不及峰值电压灵敏。由于本机使用的RC脉冲电源属于弛张式脉冲电源，因此，自动进给调节系统的检测电路，使用平均间隙电压测量法，见图3-3。图中间隙电压经电阻R1，由电容器C充电滤波后，成为平均值，又经电位器R2分压取其一部分，输出的U即为表征间隙平均电压的信号。图中充电时间常数R1C应略大于放电时间常数R2C。图3-3 平均间隙检测电路2.比较环节比较环节用以根据“给定值”来调节进给速度，以适应粗、中、精不同的加工规准。实质上是把从测量环节得来的信号，与“给定值”的信号进行比较，再按此差值来控制加工过程。大多数比较环节包含或合并在测量环节中。3.放大驱动环节由测量环节获得的信号，一般都很小，难于驱动执行元件，必须要有一个放大环节，通常称它为放大器，作用是将信号放大。为了获得足够的驱动功率，放大器要有一定的放大倍数，然而，放大倍数过高也不好，它将会使系统产生过大的超调，即出现自激现象，使工具电极时进时退，调节不稳定。4.执行环节执行环节又称执行机构，它根据控制信号的大小及时地调节工具电极的进给量，以保持合适的放电间隙，从而保证电火花加工正常进行。由于它对自动进给调节系统有很大的影响，因此要求它的机电时间常数要尽可能小，以便能够快速反映间隙状态的变化;机械传动间隙和摩擦力也应当尽量小，以减小系统的不灵敏区;具有较宽的调速范围，以适应各种加工规准和工艺条件的变化。3.1.3 步进电机的电机械式自动进给调节系统的选用在加工过程中，电火花加工机经常存在着稳定电弧放电，防止烧伤工件的可能性。试验研究表明，如果伺服进给系统调节得不适当，伺服进给系统动态特性差而使系统不稳定，往往会产生可恢复性不稳定电弧放电。当这种电弧放电持续几次发生后，又会转化为不可恢复烧伤性稳定电弧。本文设计的便携式电火花加工机，采用步进电机的电机械式自动进给调节系统。由于该系统的低速性能好，可直接带动丝杠进退，因而传动链短、灵敏度高、体积小、结构简单，而且惯性小，有利于实现加工过程的自动控制和数字程序的控制。3.1.4 步进电机自动进给调节系统的原理由于步进电动机和力矩电动机的电一机械式自动调节系统它们的低速性能好，可直接带动丝杠进退，因而传动链短、灵敏度高、体积小、结构简单，而且惯性小，有利于实现加工过程的自动控制和数字程序控制，因而在中、小型电火花机床中得到越来越广泛的应用7。图3-4是步进电动机自动进给调节系统的原理框图。图3-4 步进电动机自动进给调节系统的原理框图检测电路对放电间隙进行检测后，输出一个反映间隙大小的电压信号。变频电路为一个电压频率(V )转换器，将该电压信号放大并转换成不同频率的脉冲串，送至进给与门，准备为环形分配器提供进给触发脉冲。同时，多谐振荡器发出恒频率的回退触发脉冲，送到回退与门，准备为环形分配器提供回退触发脉冲，根据放电间隙平均电压的大小，两种触发脉冲由判别电路通过单稳电路，选其中一种送至环形分配器，决定进给或是回退。当极间放电状态正常时，判别电路通过单稳电路，打开进给与门；当极间放电状态异常(短路或形成有害的电弧)时，则判别电路通过单稳电路打开回退与门，分别驱动环形分配器正向或反向的相序，使步进电动机正向或反向转动，使主轴进给或退回。在步进电动机自动调节系统中，应注意脉冲当量(步矩)的选择。脉冲当量是输入一个脉冲信号时，步进电动机转动一“步”时的主轴位移量。它的大小与电火花加工工艺密切相关，如果脉冲当量太大，会常短路，使加工稳定性和加工速度明显降低；相反，如果脉冲当量太小，又会影响主轴的进给和回退速度，特别是在放电间隙发生短路或有害电弧时，使电极来不及快速回退而导致电极与工件的烧伤。3.2 机械装置的设计3.2.1 加工机结构类型和主要技术参数的确定常见的电火花机床的结构类型主要有立柱式、龙门式、滑枕式、摇臂式等。后三种适用于大型或中、大型的机床，本设计采用适用于中、小型机床的立柱式结构，该类型具有结构简单，制造、维修、装夹方便等优点，能够满足本设计的要求。本论文设计的电火花加工机与普通的机床相比，具有体积小、重量轻、携带方便等优点，是一种适用于流动性场合的电火花加工机。针对该电火花加工机的应用范围、实际生产的情况和便携式加工机自身结构的特点，现拟定该便携式加工机的主要技术参数如下： 电源：普通220V交流电 工作台：台面宽度B=250mm 长度L=400mm 行程：纵向X=160mm 横向Y=200mm 最大承载质量100 T形槽槽数为 3槽宽为10mm 槽间距离为45mm主轴连接板至工作台面最大距离H：400mm主轴头：伺服行程Z=200mm工作液槽内壁：长d=400mm 宽c=200mm 高h=170mm3.2.2 丝杠的选择与计算3.2.2.1 丝杠的选型丝杠按其摩擦特性可分为三类:即滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。三种丝杠的特点如表31所示。表31 丝杠的种类和特点种类特点滑动丝杠结构简单，制造方便，在机床上应用比较广泛滚珠丝杠分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。滚珠丝杠与滚柱丝杠相比而言，摩擦力小，传动效率高，精度也高，因而比较常用，但是其制造工艺比较复杂静压丝杠其螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同，但牙形高于同规格标准螺纹1.52倍，目的在于获得良好油封及提高承载能力，但是调整比较麻烦，而且需要一套液压系统，工艺复杂，成本较高，常被用于精密机床和数控机床的进给机构中本文选用滚珠丝杠。这种丝杠摩擦力小，传动效率高，精度也高同时兼具以下特点：1、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 2、高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3、微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。 4、无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 5、高速进给可能 滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。3.2.2.2 丝杠的计算丝杠计算的相关参数： 工作台重量 W1=1000N 工件及夹具最大重量 W2=1000N 工作台最大行程 LK=400mm 工作台导轨动摩擦因数u=0.1 静摩擦因数u0=0.2 快速进给速度 Vmax=5m/min定位精度：全程定位精度为25um 重复定位精度为10um要求寿命：Lh=20000h可靠度：97%切削方式轴向切削力Pxi/N垂向切削力Pzi/N进给速度Vi/m.min-1工作时间百分比ti/rmin-1丝杠速度ni/rmin-1强力切削4002400.21020一般切削2001000.33030精切削100400.55050快速切削00510500(1) 确定滚珠丝杠副导程1Ph = VmaxNmax = 5000 500 =10mm 经查表可取Ph=10mm(2) 确定当量载荷Fm与当量转速nmni = ViPh103V1 = 0.2m/min 则 n1 = 20r/min；V2 = 0.3m/min 则 n2 = 30r/min；V3 = 0.5m/min 则 n3 = 50r/min；V4 = 5m/min 则 n4 = 500r/min各种切削方式下，丝杠的轴向载荷 Fi = Pxi + u (W1 + W2 + Pzi)，则有 F1 = 400 + 0.1(1000 + 1000 + 240) = 624N F2 = 200 + 0.1(1000 + 1000 + 100) = 410N F3 = 100 + 0.1(1000 + 1000 + 40) = 304N F4 = 0 + 0.1（1000 + 1000）= 200N Fm = 3F13n1t1+F23n2t2+F33n3t3+F43n4t4n1t1+n2t2+n3t3+n4t4 = 362432010+41033030+30435050+2003105002010+3030+5050+50010 = 295N由此可得当量载荷 当量转速 nm = n1t1+n2t2+n3t3+n4t4t1+t2+t3+t4 =2010+3030+5050+5001010+30+50+10 =86r/min(3) 确定预期额定动载荷 Cam先按Lh要求用Cam=wFm360nmLh100ac 计算，轻微冲击取w=1.3，45级精度取a =0.9，可靠度97%取c =0.44，则 Cam=wFm360nmLh100ac =1.32953608640001000.90.44 =2656.5N拟采用预紧丝杠，取e=4.5，按最大载荷Fmax计算 Cam=eFmax =4.5624 =2808N取Cam与Cam较大值，则Cam =2808N(4) 确定允许的最小螺纹底径d2m估算丝杠允许的最大轴向变形量m。 m=（1/31/4）重复定位精度=（1/31/4）10 = 3.32.5um m=（1/41/5）全程定位精度=（1/41/5）25 = 6.255um 取两者最小值m = 2.5um导轨静摩擦力 FO = uoW = uoW1 = 0.21000 =200N L = 行程了Lk+安全行程(24)Ph+两个余程+螺母长+一个支撑长 = 400 + (2040) + 240 + 65 + 44 =609629 可取L = 610mm丝杠要求预拉伸，取两端固定的支撑形式 a = 0.039 d2m = a2FoLm =0.03922006102.5 = 8.6mm(5) 确定滚珠丝杠副的规格代号选内循环浮动法兰式，直筒双螺母垫片式预紧 FFZD型1604-3（不对其调整垫片进行设计）。经查表知：do =16mm d2=13.5mm d2m =8.6mm Ca =4.8KN Cam=2808N Coa=9.7KN Dw=4.762mm Rnu=441N/um由表可知螺母长为65mm，同时选定JB/T3162推荐的固定轴端形式, do =16mm,采用一对7201AC/DF角接触球轴承，则一个支承长为44mm。(6) Dn值的校检 Dpwnmax =（d2+ Dw）nmax = （13.5+4.762）500 = 9131 e = 0.68 X =0.67 Y =1.41 P =XFr +YFa =0.67200 +1.411000 =1544N基本额定动载荷： C =hmdntP =1.8151.510.4051 1544 = 11437NCr =11500N由此，可以暂时选定7201 AC/DF 型轴承当量静载荷： Po =Fr +0.76Fa =200 +0.761000 =960N额定静载荷计算：取 So =2 Co =SoPo =2960 =1920nmax =500 r/min 合格。(13) 滚珠丝杠压杆稳定性验算由最大轴向载荷Pxmax =400N,小于丝杠的预拉伸力Ft =888.5，丝杠不会受压失稳，不用验算。验算抗拉强度： p =Ftd22/4 =888.53.1413.52/4 = 6.2MPa 远低