立式微细电解加工机床三维造型设计

毕业设计(论文)题目：立式微细电解加工机床三维造型设计学 院 ：专 业 ：姓 名 ：学 号 ：指 导 教 师 ：毕 业 设 计 （ 论 文 ） 时 间 ： 2010 年 3 月 1 日 6 月 25 日 共 17 周摘要I摘 要电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成型的一种特种加工方法。其材料的减少过程以离子的形式进行,由于金属离子的尺寸非常微小，因此这种微溶解去除方式使得电解加工技术在微细制造领域有着很大的发展潜力。特别是对于难切削加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势，在航空、航天推进器以及兵器制造上得到广泛的应用，成为国防工业生产中的关键制造技术。本次毕业设计的内容是完成该机床的机械本体、主传动系统、主轴系统、引电系统的三维造型设计。 作者独立研制了一种新型、实用的微细电解加工机床。机床采用双立柱结构，这样可以保证系统的刚性、紧凑性和良好的操纵性和维护性；传动系统主要实现一个旋转和竖直的复合运动，通过丝杠副将电机的转动变成滑板的竖直运动，带动其上的主轴。旋转运动通过电机实现；采用步进电机驱动并经谐波减速器减速，位移分辨率高，可保证获得较高的加工精度；引电系统采用对称电刷，该结构可以消除电刷对旋转主轴的径向压力，保证引电可靠。因此，该机床的设计有重要的研究意义和实用意义。关键词：电解加工 主轴 传动系统 机床AbstractIIAbstractElectrochemical machining (ECM) is a non-traditional machining technology based on electrochemical anodic dissolution in electrolyte and able to machine difficult-to-cut materials and to produce complex shaped parts or thin-walled workpieces.The process of the reduction of its materials is made by ion. Due to the tiny size of metal ion, this micro-dissolution process brings ECM tremendous potential in the micro-manufacturing field. ECM has been widely applied for manufacturing aero-engine and weapons, and it has been a key technique of manufacture for national defence. The main purpose of this paper is to design the mechanical body, the system of transmission, the system of spindle, the system of electrical conductibility of the vertical micro ECM. A new micro ECM set-up is developed independently by the author. Double vertical column is chosen in the structure of machine tool to get the structure rigidity, compact framework dimension as well as good maneuverability and maintainability. Mechanical transmission system is to perform a compound of rotation and vertical motion; The driving screw parts are used to turn the rotation of the motor to the vertical motion of the nut and bring the shaft on it. Rotation is completed by the motor; The stepper motor is chosen to drive the driving screw parts and reduce speed by the overtone reduction gear .the displacement resolution is high and can guarantee the high processing precision; The symmetrical double carbon brush is adopted in the system of electrical conductibility to eliminate the radial pressure imposed on the rotated shaft by the carbon brush to realize good electrical conductibility. So，the design of the machine has an important significance in practicality and research. Key words: electrochemical machining spindle mechanical transmission system machine tool目录III目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 引言 .11.1 电解加工技术的原理、工艺特点以及应用 .11.1.1 电解加工基本原理 .11.1.2 电解加工的工艺特点 .21.1.3 电解加工的应用 .31.2 微细电解加工技术的研究现状 .41.3 研究立式微细电解加工机床的意义 .51.4 本课题的主要研究内容 .5第二章 立式微细电解加工机床机械系统设计 .72.1 微细电解加工特点分析 .72.2 电解加工机床系统的设计任务 .8第三章 微细电解加工机床总体设计 .103.1 微细电解加工机床的总体设计原则 .103.2 微细电解加工机床的系统总体设计 .113.3 微细电解加工机床进给系统设计 .133.3.1 步进电动机的选择 .133.3.2 减速器的选择 .163.3.3 联轴器的选择 .183.3.4 丝杠的选择 .203.3.5 轴承的选用及润滑 .253.3.6 导轨的选用 .283.4 微细电解加工机床主轴系统设计 .313.4.1 微细电解加工机床主轴系统的工作原理 .313.4.2 主轴的设计 .313.5 机床的安装平台 .343.6 绝缘 .353.7 机床连接件的选择 .35结论 .38参考文献 .39致 谢 .40第一章 引言1第一章 引言1.1 电解加工技术的原理、工艺特点以及应用1.1.1 电解加工基本原理电解加工（Electrochemical machining, 简称 ECM）是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的，加工过程中工具阴极和工件阳极不接触，具有加工不受材料强度和硬度限制、工具阴极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质量好、生产率高等优点。因此自电解加工问世以来，就受到制造业的广泛重视，被应用于加工机械加工困难的整体叶轮、叶片、炮管膛线等零件以及难加工材料成分的零件，还在锻模、齿轮和各种型孔以及去毛刺等方面取得广泛的应用。随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图 1.1 所示。此种加工技术要求被加工的工件必须为导电材料，工具通常为紫铜、黄铜或不锈钢材料。加工时，工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为 520V，加工电流密度为 20200A/cm 2。工具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小的加工间隙（0.10.8mm） ，同时，使具有一定压力（0.52MPa）的电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属材料被逐渐溶解，电解产物被高速流动的电解液带走，从而将工件加工成型。()( + )1vf(a) 加工开始 (b) 加工终止()( + )vf2341电解加工电源；2工具阴极；3工件阳极；4电解液图 1.1 电解加工原理简图第一章 引言2根据法拉第第二定律，推导出电解加工中阳极工件成型规律的方程组，可写作：（1-RaRRUivUiE1）上式中 间隙电解液中的欧姆压降（ ） ；R V阴、阳极之间的电压（ ） ；U电解加工的阴、阳极电极电位值总和（ ） ；E电流密度（ ） ；i 2/cmA电解液的电导率（ ） ；/1电解加工间隙（ ） ；工件的加工速度（ ） ；avsc/电流效率；被电解物质的体积电化学当量（ ） ；sAcm/3一般情况下，采用钻削加工的孔具有良好的几何精度和形位精度，并且其加工经济性较好，所以一直是主要的微细孔缝加工手段。但钻削小孔存在的主要问题有：钻头刚性较差，扭矩及轴向力大，工作时易弯曲、折断，刀具寿命短，切屑不易排出，钻头冷却困难，入钻时难以定心，加工生产率低等。为达到一定的钻削速度，多采用每分钟万转以上的钻头转速，配合很小的进给量，故对整台机床主轴系统的精度要求很高。近年来发展的振动切削加工通过使工件相对于钻头作一定频率和振幅的轴向振动，可解决入钻时难以定心、钻偏、排屑和断屑等问题，在加工精度和表面质量均有明显改善，但生产效率降低。此外，采用微小的立铣刀铣削加工可以获得很高的加工速度和良好的断屑排屑，且通过控制走刀轨迹可以加工几何形状复杂的孔缝结构，不过钻削加工无法加工比刀具更硬的材料，且存在加工应力和毛刺。1.1.2 电解加工的工艺特点 与常规的切削加工方法相比，切削加工是依靠硬的工具挤压软的工件，使工件上多余的金属脱离工件基体到达成型目的。然而，在电解加工中，阴、阳极是不接触的，在阳极上发生电化学溶解反应，阳极的金属原子一个一个地脱第一章 引言3离阳极表面，在阴极上发生析氢反应。因此，电解加工具有如下特点：（1）加工范围广。电解加工是一种非接触式加工，工具材料可以是较软的易加工的金属材料，电解加工不受被加工材料的强度、硬度、韧性的限制，几乎可以加工所有的导电材料，加工后工件材料的金相组织基本不发生变化。因此，它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难切削加工材料以及薄壁、易变形工件。（2）加工效率高。常规的切削加工需要多次切削才能达到零件的尺寸精度，然而，电解加工通过简单的进给运动，一次进给加工出复杂的型面、型腔等，而且加工速度可以随电流密度成比例地增加。据统计，电解加工的加工效率是电火花加工的 510 倍。美国 Sermatech 公司使用电解加工工艺加工发动机部件，提高了生产效率，使得加工时间降低为传统切削加工时间的一半。而且电解加工速度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。（3）加工质量好。型面和型腔的加工精度可达 0.050.20mm；型孔和套料的加工精度可达 0.030.05mm；对于一般中、高碳钢和合金钢，可稳定地达到 Ra1.60.4。（4）无工具阴极损耗。在电解加工过程中，工具阴极上只发生析氢反应，而不发生金属溶解反应。（5）进给运动简单。电解加工的进给运动通常是直线运动，而没有复杂的曲线运动。（6）对难加工材料复杂形状工件的批量生产，电解加工是一种低成本的工艺。尽管电解加工具有诸多的优点，但是也存在一些局限性，主要表现为：（1）加工精度和加工稳定性不高。电解加工中，影响加工精度和稳定性的因素较多，包括电解液流场、加工间隙电场、加工电源电压、进给速度等 10 多个因素。（2）工具阴极的设计和修正比较麻烦，周期长，因而电解加工只适合大批量生产。对于单件小批量生成，成本较高。（3）电解加工所需的附属设备较多，占地面积较大，而且机床需要足够的刚性和防腐蚀性能，造价较高。电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。综上所述，电解加工对难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、高表面质量、经济的工艺方法，只要加工对象选择得当，发挥出电解加工的优势，就能收到良好效果。第一章 引言41.1.3 电解加工的应用20 世纪 60 年代初，电解加工工艺首先在炮管膛线和航空发动机涡轮叶片的加工中得到应用，其后又逐渐扩大应用于锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮的加工以及去毛刺等领域，取得了显著的经济效果，电解加工已成为制造业中一种重要的加工工艺之一。70 年代以后，虽然其应用范围有所减小，但应用要求更高，且在某些新的领域又得到新的应用。现在国内外已广泛用于叶片、机匣、深细小孔、膛线、花键等重要零件的加工。近二十年在民用工业如汽车、拖拉机、煤机等的锻模加工及去除毛刺中也得到了广泛应用。为适应高新技术的发展、新型军工型号研制的需要，以及提高电解加工自身的水平，近二十余年，国内外在提高电解加工精度及扩大电解加工的应用等方面进行了大量的研究工作。新型电解液、脉冲电流电解加工、复合电解加工、数控展成电解加工等新兴工艺方法以及 CNC 自动生产线、CNC 自动机床等新兴电解加工设备的出现，为实现上述战略目标展现了广阔的前景。1.2 微细电解加工技术的研究现状随着越来越多的微细结构出现在工业应用中，微细加工的研究得到越来越广泛的重视。近几年来由于许多其它领域的新技术、新工艺的引入以及对电解加工过程机理的更深入研究，电解加工一改原来加工精度不高的特点，被应用于高精度微细结构的加工中，在微细电解技术方面的研究也迅速发展起来。微纳米加工的尺寸多在几微米以下，而普通小型加工尺寸为毫米级，中间的这段范围（几微米至几百微米）称为 meso scale，随着现代工业向精密化、微细化发展，微电子、航空航天、精密仪器和精密模具等领域中出现了越来越多的金属微细结构，而其中大部分的尺寸都是 meso scale，它们的加工精度、加工质量、加工效率等对产品的性能、质量和成本有很大的影响，由于上述原因，国外近年来越来越重视 meso machining 的研究，因此研究这一经济、高效和实用的微细加工技术显得很有意义。目前微细电解加工发展方向主要有两方面：一是不断追求微细电解加工的极限加工能力，探求微纳米尺度上的加工；二是针对目前工业制造中大量存在的 meso scale(尺寸从几微米至几百微米)的微细结构，研究如何采用电解加工经济、高效地进行加工。目前，国内外开展这方面的研究主要包括针对硅材料的半导体微细加工技术和针对金属等非硅基材料的微细加工技术，前者研究比较系统、成熟；而针对金属材料，目前发展了许多不同的加工技术（如 LIGA 技第一章 引言5术、微细电火花加工技术、激光加工技术等） ，虽然加工精度和加工尺寸均能达到较高的水平，但是存在加工效率低、成本昂贵、加工范围有限等缺点。近年来微细电解加工技术在整个微细制造领域，尤其是在 meso machining研究中正受到越来越广泛的重视，美国、德国、日本等发达国家的科研机构相继开展了这方面的研究，并在加工机理、加工精度等关键问题上取得了一定的进展。作为一种新的很有应用前景的微型机械加工技术，微细电解加工在国内的研究才刚刚起步，需要迎头赶上。1.3 研究立式微细电解加工机床的意义电解加工是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将零件加工成形的，加工过程中工具阴极和工件阳极不接触，具有加工不受材料强度和硬度限制、工具阴极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质量好、生产率高等优点。因此自电解加工问世以来，就受到制造业的广泛重视，被应用于加工整体叶轮、叶片、炮管膛线等零件以及难以加工的材料，还在锻模、齿轮和各种型孔以及去毛刺等方面取得广泛的应用。长期以来，由于加工间隙难以控制的很小，电解加工的加工精度不高，在微细制造方面的应用研究一直停滞不前。近年来由于在短脉冲电解、掩模电解、精密电解方面的研究突破，以及在电解液、控制加工间隙方面的新的研究进展，电解加工开始逐步应用于微孔加工，成功加工出从几微米到几毫米的小孔，加工精度越来越高。随着微纳米技术的不断发展，微细加工技术作为实现其应用的关键技术和重要基础，得到了研究人员的广泛关注，基于各种原理的精密微细加工技术层出不穷。随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。因此对立式微细电解加工机床的研究有着重要的价值。1.4 本课题的主要研究内容该课题是自选课题。该课题的主要目的是开发微细电解加工专用机床设备。该机床的主要功能是加工微细缝、微细槽和微细探针等典型的微细金属结构。本次毕业设计的内容是完成该机床的机械本体、主传动系统、主轴系统、引电第一章 引言6系统的三维造型设计，具体内容如下：1.确定立式微细电解加工机床的机械本体、主传递系统、主轴系统、引电系统的总体结构；2.立式微细电解加工机床设备硬件选型；3.校核关键零部件；4.各零部件三维造型、装配；5.结构测量。第二章 立式微细电解加工机场机械系统设计7第二章 立式微细电解加工机床机械系统设计2.1 微细电解加工特点分析为了研制微细电解加工系统，有必要对微细电解加工特点进行深入分析，结合分析结果，进行其加工系统的总体设计和具体研制。和其它传统加工相比，电解加工过程独特性在于其阳极的溶解成型过程是以离子的形式进行的，由于金属离子具有非常微小的尺寸，因此这种微去除方式使得电解加工在微细制造领域有潜在的重要应用前景。微细电解的加工精度、加工稳定性和加工间隙、电极设计及绝缘处理、电解液的选择、加工工艺参数安排、流场的设计安排等因素密切相关。和常规电解加工相比，微细电解加工的加工面积很小，一般采用较小的加工电压，通常为 4-10 伏，而常规电解加工为 5-20 伏。微细电解加工的加工电流更是远远小于常规电解加工的情况。在采用非线性电解液的加工中，越低的电流密度意味着越低的电流效率，也就更容易将过程控制在比常规加工更小的加工间隙下进行，有利于加工精度的提高。此外，由于加工间隙很小，对电源输出要求很精确，微小的输出变化将对加工精度过程稳定性产生很大的影响。而对电源的输出功率要求很低，通常采用普通桌面型电源即可。采用高频脉冲电源可以有效地避免由于加工间隙内电解液成分变化及温度升高等造成溶液电阻率增加所带来的加工精度降低问题，而且可以在脉冲间隔时间内冲刷电解产物，补充新鲜电解液，保证微细电解加工的加工稳定性。因为微细电解加工对象本身尺寸一般为 0.1-1mm，考虑到其相应的加工精度，必须采用小间隙加工。微细电解的加工间隙一般为 0.01-0.1mm 之间，远小于常规电解加工间隙的尺寸 0.1-1mm。在微细电解加工中，加工间隙的大小和稳定程度是对加工得以实现非常重要。电解加工间隙分为端面间隙、侧面间隙和法向间隙。要保证高的成型精度，除了端面间隙要维持在一个比较小的水平外，侧面间隙的大小随加工深度的变化也必须保证在较小的范围，这样才能保证加工微孔的锥度和加工窄缝侧壁的垂直度。在占微细电解加工中大部分的微孔窄缝加工中，由于间隙无法直接测量，通常采用加工孔径和工具电极直径之差的一半（即侧面间隙大小）来间接评定加工间隙。电极侧壁的绝缘是必须的，加工间隙如图 2-1 所示。第二章 立式微细电解加工机场机械系统设计8（2-220bbs x1）微细电解中侧壁绝缘的工具电极一般不保留图 2-2 中所示的宽度为 b 的工作带，即式（2-1）内的参数 b 趋近于 0，故加工中侧面间隙 。s微细电解时加工间隙很小，间隙内电解液的量也很少，如果要实现和匀速电解加工一样的加工速度，间隙内的温升和气泡析出将极大的影响电导率变化，而且排出电解产物比匀速加工困难，其对稳定加工的影响远远大于匀速加工，所以通常采用低速加工或者非匀速进给方式加工，以提高加工稳定性，但其平均进给速度将显著低于匀速进给电解加工，导致加工效率下降。在微细电解中采用有效的工具阴极复杂运动进给方案，可以维持在小间隙下稳定进行加工，不仅可以提高加工稳定性，而且还可以提高加工精度。对于单轴电解加工而言，加工对象的局限性较大，只局限于获得其表面形状由精确复制工具电极的表面形状而来的加工对象，无法加工空间螺旋槽等类似结构。另外，电解加工出的微孔的圆度、尺寸精度等在很大程度上受加工流场的影响。加工间隙内电解液的更新是否及时会直接影响加工流场是否均匀稳定。由于微细电解加工的间隙微小，电解液更新困难，因此可以考虑采取新颖的结构设计来实现更新电解液和排除电解产物的功能。因此，有必要根据微细电解加工的独特性，设计一种微细电解加工机床，其本体结构必须兼顾好的系统刚性、系统结构小型化和方便的操作维护性，有利于加工稳定地维持在微小间隙下，刚度大，精度高，结构简单，同时尽可能扩展加工对象的多样性。2.2 电解加工机床系统的设计任务该课题的主要目的是开发微细电解加工专用机床设备。本次毕业设计的内容是完成该系统硬件部分的选型、设计并完成机床机械本体、机械传动系统、 s b绝缘层 工具电极工件bx0 b-端面加工间隙； s-侧面加工间隙；x0-侧面加工间隙；b-工作带宽度；图 2-1 电解加工间隙示意图第二章 立式微细电解加工机场机械系统设计9主轴系统的零件图的绘制。本次毕业设计的主要目的是完成微细孔电化学加工机床硬件系统的设计工作。在设计过程中主要完成如下的技术指标：（1） 进给速度范围:060mm/min（2） X 轴最大轴向负载: 400N（3） X 轴运动行程: 100mm（4） X 轴进给定位精度: 5m/120mm（5） X 轴重复定位精度: 3m （6） O 轴圆周跳动: 8m第三章 微细电解加工机床总体设计10第三章 微细电解加工机床总体设计3.1 微细电解加工机床的总体设计原则 进行总体设计时，首先必须确认设备的工作条件、加工对象的特点和基本要求。这是总体设计的基础和出发点；其次就是要确定设备主要部分的功能、组成、基本方案和相互间的匹配关系，在此基础上进行总体布局；然后根据设计任务书的要求选定设备的总体规格、性能、技术要求；最后定出总体方案。由于电解设备各部分的相对独立性较大且专业领域各异，因此总体设计对于确保设备的整体性能和水平是极为重要的一环，特别是各组成部分之间的相互匹配、协调尤为重要，这是电解加工设备设计与机床设计的重大区别之处。（1） 电解加工设备的特殊工作条件以及由此带来的特殊问题：1）工作环境较恶劣。机床工作箱内和输液系统的零部件均直接接触腐蚀性的电解液，导致零件的化学或电化学腐蚀，其中阳极导电系统的电化学腐蚀问题尤为突出。除此之外，整套设备均处在某些腐蚀性气体的环境中，可能导致金属零件的锈蚀，特别是电器元件的锈蚀。2）大的加工电流。电解成型加工时总电流可能高达数万安培，带来大电源控制的稳定性问题，如直流电源的电压、电流波动、脉冲电源的大电流关断的可靠性以及大电流的传导中的发热及能耗等问题。3）承受复杂的动态负荷。极间高速的气液两相流导致主轴头承受相当大的动态负荷，极间交变的电磁场大的电磁力，以及极间扰流也会引起电压、电流的振荡，这些因素会导致交变的电磁力并对电力系统产生一定的干扰。4）小的动态变化的极间间隔。对此种状态控制不当就会导致阳极局部钝化，使加工中断或极间发生火花短路。（2） 电解加工设备的基本要求、总体设计中应考虑的主要问题及遵循的主要原则：基于上述特殊的工作条件，对电解加工设备提出了下列基本要求。1）机床的耐蚀性好。机床工作箱及电解液系统的零部件必须有良好的抗化学和抗化学腐蚀的能力，其抗蚀条件应达到在 20%Nacl 溶液中，50 。 C 条件下不受腐蚀。2）机床刚性强。随电解加工向大型、精密发展，采用大电流、高电解压力，高流速，小间隙加工，以及脉冲电流加工的应用，越来越使电解加工机床第三章 微细电解加工机床总体设计11在较大的动态，交变负荷下工作，要达到高精度、高稳定性就必须有较强的静态和动态刚性，目前国外通行的指标是在额定的主轴等效静负荷下，滑枕最大悬伸时，阴极安装板轴向变形位移 0.100.20mm 或 0.001mm/KN，侧向位移0.05mm。3）进给速度特性硬，调速范围宽。为确保动态交变负荷下小间隙加工的稳定性，进给速度从空载到满载变化量应小于 0.025mm/min，采用液压送进时，低速爬行量应小于 0.01mm。最低进给速度为 0.10mm/min，最高空程速度为 500mm/min。4）较高的机床精度。总的是要确保工具阴极与工件之间相对位置准确，这是采用电极 CAD/CAM 技术的基本条件，国外多采用此法。国内则采用反拷电极试修法，因而主要要求定位稳定、可靠、重复精度高，而对位置的绝对精度则没有严格要求。5）大电流传导性好。大电流传导是电解加工设备中的重要特点，导电系统线路压降大热损就大，导致电能消耗大，传输效率低。6）电气系统抗干扰性强。滑枕进给的控制和数字显示系统应能抗本机加工电源大电流通断和极间火花的干扰；电源短路保护系统能抗周围环境的火花的干扰。机床电气系统抗干扰能力强，则加工稳定性就好。7）安全可靠。必须杜绝工作箱内氢气爆炸（工作箱内氢气含量应低于0.25%）还应防止有害气体逸出。所有电器柜要防潮及防止腐蚀性气体渗入。阳极与机床间绝缘必须可靠。双头机床的阴极应与机床绝缘。8）配套性好。设备应成套，各部分性能应相互匹配以得到最佳工作条件。目前国内则尚未做到这一点，除给用户带来不便外，还会影响整套设备的使用效果。9）较大的通用性。电解加工的对象大都属于小批量多品种生产，因而机床的通用性会影响到设备的利用率和经济性，特别是电解设备成本较高，一次投资较大，因而应足够重视机床的通用性。除上述技术要求外。还应充分考虑设备的经济性，应有低的成本性能比。由于电解加工设备一次性投资较大，如果一味的追求高性能而忽视其经济性，就会因为成本过高而影响其推广面和市场效果，在市场中处于劣势。3.2 微细电解加工机床的系统总体设计在深入分析以上有关微细电解加工的加工特点，以及目前国内外已有小型电解加工系统及其相关技术特点的基础上，综合考虑结构刚性、操作维护性、加工精度、加工稳定性等多方面因素，作者独立研制了一套微细电解加工系统。系统主要包括机床进给系统和机床主轴系统两大部分。机床进给部分主要包括：底座，立柱，安装板，步进电机，谐波减速器，第三章 微细电解加工机床总体设计12滚珠丝杠，丝杠螺母副，直线导轨副，工作台等组成。机床主轴部分主要包括：步进电机，轴承座，主轴，电刷等组成。本设计方案的优点为机床所占空间小，进给系统和主轴系统可分别由各自的电机驱动，所有的连接均有内六角沉头螺钉完成，外型美观，加工范围大。图 31 为系统总体机床的结构示意图本加工系统设计之初即定位于加工对象尺寸可能从微米级直至毫米级，即能加工微细结构，也能加工较宏观的微细群结构，比如微细群孔和微细群缝结构，加工前者通常是采用浸入式加工或者敞开弱压冲液方式，工具电极及其夹具所受电解液压力的反作用力非常小，可以忽略不计。而加工后者通常需要特定的辅助夹具，并辅以一定的电解液压力，此压力使得电极受到一定的轴向力，所以设计时必须考虑如何使此反力对机械结构所造成的变形在可以接受的范围之内，必须保证整个系统的刚性，只有这样，才能保证微细电解时的加工精度。如图所示，本文设计的机构为双立柱复合结构，加工过程中主轴所受负载通过一对滚珠导轨副平均传递到两立柱上，每根立柱实际上只承受变形载荷的一半，而且实际加工中负荷小于甚至远远小于设计的最大负荷，故结构实际变形量小于上面的计算值，亚微米级的变形量足以使得其对微细电解加工精度的图 3-1 立式电解机床总装配图第三章 微细电解加工机床总体设计13影响可以忽略不计。3.3 微细电解加工机床进给系统设计进给系统的结构如上图 3-2 所示，工作原理为：由软件控制步进电机按不同的转速旋转，电机输出轴与减速器输入轴之间用联轴器连接用来传递转速，通过减速器减速后，减速器输出轴与滚珠丝杠光杠端用联轴器连接用来传递转速，滚珠丝杠与工作台相连，工作台与导轨滑块相连，当滚珠丝杠旋转时带动连接板左右移动，连接板带动导轨滑块左右移动，从而使安装在导轨滑块上的主轴系统左右移动，完成整个运动过程。3.3.1 步进电动机的选择合理的选用步进电动机是相当重要的，通常希望电动机的输出转矩大、启动频率和运行频率高，步距误差小，性价比高。但增大转矩与快速运行有一定的矛盾，因此在实际选用时，必须全面考虑。已知条件：进给速度范围： 060mm/min;Z 轴最大轴向负载： 400N；Z 轴运动行程： 100mm； 摩擦系数： =0.04；图 3-2 立式电解机床进给系统第三章 微细电解加工机床总体设计14丝杠机构效率： =0.9；丝杠轴径： D=25mm；螺距： P=5mm;拟选用二相 0.9/ 1.890BYG 型步进电机。1) 分辨力 ；30 1097.103625iDLl2) 脉冲当量 ；mi 3.9.363) 步进电机转速与输入脉冲频率成正比，即 in/42018.501.00 3rfffn 式中： 电机转速（ ）r/in控制脉冲频率（ ）f zH4) 负载转矩估算：mNiPFn296.410)253/40.9254()T15) 丝杠惯量: 224434B 14)(102.5109.72J cmggDLB 移动体惯量： 2233 87.3)(7.8)2()( cmPMJz 负载惯量为 14cgJZBW根据以上数据可初选 型步进电机YG57其转动惯量为 210cgJM空载启动频率 Hzf8有要求速度可求出运行频率 Hzklvf 6379.0197.603需加减速驱动方式。6) 验算：第三章 微细电解加工机床总体设计15TtNfRtLgJLT02 )(18加速时间 Ht0根据选中的步进电机，结合转子惯量，再次用需要的运行转矩 负 载 转 矩加 速 时 间步 距 角转 子 惯 量驱 动 物 体 惯 量运 行 转 矩 14.37.980mN.25296.0.3614所得数值与矩频特性曲线对照，在曲线范围内可确定步进电机的型号 90BYG201.如图 3-37) 基本参数如表 3-1：表 3-1 步进电机参数型号 90BYG201 保持转矩( )mN5相数 2 定位转矩( ) 6步距角 8.1/90空载启动频率（半步方式） KHz8.2图 3-3 步进电机第三章 微细电解加工机床总体设计163.3.2 减速器的选择谐波减速器也就是谐波齿轮传动。谐波齿轮传动是靠柔性齿轮（柔轮）所产生的可控弹性变形来实现传递运动和动力的。它的基本构件有：柔轮、波发生器和刚轮。刚轮固定，当波发生器转动时，迫使柔轮产生弹性变形，使它的齿与刚轮的齿相互作用，从而实现了传动的啮合。谐波传动减速器具有以下优点：1) 结构简单，体积小，重量轻。谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较， 其零件减少 50%，体积和重量均减少 1/3 左右或更多。2) 传动比范围大3) 单级谐波减速器传动比可在 50-300 之间，优选在 75-250 之间；双级谐波减速器传动比可在 3000-60000 之间；复波谐波减速器传动比可在 200-140000 之间。 4) 同时啮合的齿数多双波谐波减速器同时啮合的齿数可达 30%，甚至更多一些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有 2-7%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有 1-2 对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。 5) 载能力大谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。 6) 运动精度高由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。 7) 运动平稳，无冲击，噪声小齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。 8) 齿侧间隙可以调整静态相电流 )(A5.1转动惯量( )2cmg150相电阻（ ）重量(Kg) 3.5第三章 微细电解加工机床总体设计17谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。 9) 传动效率高与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250)，效率约在 65-96%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。 10) 同轴性好谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。11) 可实现向密闭空间传递运动及动力采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。 12) 可实现高增速运动由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。 13) 方便的实现差速传动由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结构性能。而且谐波减速器在国内已有不少厂家专门生产，并形成系列化。因此减速器选用谐波减速器，查资料定型号为 XBW-60。减速器的选用步骤：1）由于本课题加工精度要求高，主轴转速小， Z 轴进给速度为 060mm/min而 90BYG2001 系列的转速 n 按照计算公式 n= (r/min)算 n=840(r/min)，因6bfQ此需要一个大的降速比，拟选用 i=100, 算得输出转速 n=840/100=8.4r/min。2）减速机输入功率 ，输出扭矩 的计算：c1Pc2T);(086.36.0c1 KWKA。945Nm7T2式中： 减速机的额定输入功率 ；P 减速机的额定输出扭矩 ； ()第三章 微细电解加工机床总体设计18 工况系数。AK3）减速机输出轴悬臂负荷 Fc1RACF/D2T1F85.0.357悬臂负荷 1，符合要求。4）基本参数如表 3-2：表 3-2 谐波减速机参数输入转速 1000r/min机型输出力矩 )(2mNT输出转速 )(2rpmn额定输入功率 )(KWPXBW-60-100-50 72.5 6.7 0.0