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便携式电火加工机的设计【说明书+CAD】,说明书+CAD,便携式,加工,设计,说明书,CAD

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摘 要 电火花加工技术是特种加工技术的一种。从电火花创立至今，己经有61年的历史，经过世界各国学者的不断努力，电火花加工的发展非常迅速，应用范围不断扩大，基础理论和技术装备都日趋完善。电火花加工技术发展已成为现代生产上极其重要的加工手段，在制造业中发挥着不可替代的作用。随着制造技术水平的不断提高，涌现出很多问题需要我们解决。目前，便携式电火花加工装置己成为研究的热点。在航空航天、微电子、医学、光学以及模具等各个领域中，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，还有微细孔的加工以及特殊加工材料的加工等，采用便携式电火花加工装置则会取得令人满意的效果。为了适应当今电火花加工技术发展的需要，本文设计了一台便携式电火花加工机，设计内容包括：电火花加工机的机械结构设计，电火花加工机的自动进给调节系统与机械装置设计，并且详细的陈述了电火花的基本工艺规律。AbstractEDM technology is a special processing technology. Founded from the electric spark, has 61 years of history, through the continuous efforts of scholars around the world, EDM has developed rapidly, increasing scope of application, basic theory and technical equipment are maturing. EDM technology has become extremely important modern production process means, in the manufacturing sector plays an irreplaceable role. With increasing levels of manufacturing technology, many problems have emerged we need to solve. At present, the portable device EDM has become a research hotspot. In the aerospace, microelectronics, medical, optical, and mold and other fields, there are many parts using conventional machining difficult, if not processing, particularly for small space processing, as well as micro-hole machining and special processing of materials processing, using EDM equipment will be portable to achieve satisfactory results. To meet the current needs of the development of EDM technology, the paper design of a portable EDM machine, the design includes: Electrical Discharge Machining of Mechanical Design, Electrical Discharge Machining of automatic feed-conditioning and mechanical equipment design, and a detailed statement of the basic technology of EDM law.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 远低于钢材许用拉力(14) 系统刚度验算及粒度选择（两端固定支承） 滚珠丝杠的拉压刚度是是随螺母在丝杠上的位置而变化，最大值在端部（螺母至固定支撑距离最大时，即a =L-Lk2 =610-4002 =105mm处），而螺母处于两支撑点中部（即a =L2 ）时刚度最小。滚珠丝杠副的拉压刚度： Rsmax =165d22La（L-a） =16513.52610105（610-105） =346N/um Rsmin =660d22L =66013.52610=197N/um 支撑轴承的组合刚度：由轴承样本（滚动体直径）dQ =7.144mm、滚动体个数Z=17、轴承接触角=60等资料得 RBo =22343dQZ2Famaxsin5 =400um 对两端固定并预紧的轴承：Rb =2RBo =2400 =800N/um 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 Rnu =Rnu（Fp0.1Ca）1/3 =442（2100.14800）1/3 =335.5N/um R的最大值与最小值 1Rmin = 1Rsmin +1Rb+1Ru=1197+1800+1335.5=1107N/um 1Rmax = 1Rsmax+1Rb+1Ru=1346 +1800+1335.5=1146N/um 传动系统的最小刚度（空载运转时）：静摩擦力Fo以由第（4）步算出为200N，重复定位精度即可取反向差值为10um。 Rmin = 1.6Fo反向差值=1.620010=32 N/um Rmin =107 32 满足重复定位要求 系统的定位误差 k =Fo（1Rmin-1Rmax）=200(1107-1146) =0.44um任意300mm内行程变动量对半闭环系统而言 V300p 0.8定位精度k =0.8200.44 =15.56um 选丝杠副为3级精度V300p =12um 2 JLJm =19.534.3 =0.574 合格所以所选电动机的型号为 110BF004。4 电火花加工的基本工艺规律4.1 影响放电蚀除量的主要因素1.极性效应在电火花加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。即使是两极材料相同，例如钢加工钢，正、负两极的电蚀量也是不同的。这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应15。产生极性效应的原因很复杂，对这一现象的传统解释是：在火花放电过程中，正、负两极表面分别收到负电子和正离子的轰击和瞬时热源的作用，在两极表面所分配到的能量不一样，因而熔化、气化抛出的电蚀量也不一样。而实际上，两极能量分配系数的大小与负电子和正离子的轰击没有决定性的关系。到目前为止，研究结果表明，电火花加工过程中，正离子对负极直接碰撞传递给负极的能量很小且与脉宽无显著的关系。正离子的动能转化成光能以光子的形式向外释放，此释放的能量也分成三部分：负极、正极和通道。就正、负极来讲，由于正离子向负极迁移的结果，是负极接受的此部分光能大于正极。脉宽越大，正、负极接受的此部分光能差越显著。近年来的生产实际和研究结果表明，电极表面的吸附、覆盖和镀覆作用也是产生极性效应的原因。例如，纯铜电极加工钢工件，粗加工纯铜工具电极接正极时，纯铜表面明显的存在着吸附的碳黑膜，保护了正极，使负极蚀除速度大于正极。保护膜的形成要满足一定条件：合适的电极表面温度；足够多的形成保护膜的热解产物；足够长的成膜时间。极性效应是一个较为复杂的问题。除了脉宽、脉间的影响外，还有脉冲峰值电流、放电电压、工作液以及电极对的材料等都会影响到极性效应。从提高加工生产率和减少工具电极损耗的角度来看，极性效应愈显著愈好，故在电火花加工过程中必须充分利用。当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗。因此，电火花加工一般都采用单向脉冲电源。为了充分的利用极性效应，最大限度的降低工具电极的损耗，应合理选用工具电极的材料，根据电极对材料的物理性能、加工要求选用最佳的电参数，正确的选用极性，使工件的蚀除速度最高，工具损耗尽可能小。2.电参数电火花加工脉冲电源的可控参数有：脉宽、脉间、峰值电流、开路电压脉冲的前沿上升率和后沿下降率。对蚀除量影响的综合作用规律可以用脉冲能量的大小和变化率来描述。无论正极或负极，都存在单个脉冲的蚀除量q与单个脉冲能量WM在一定范围内成正比的关系。某一段时间内的总蚀除量 q约等于这段时间内各单个有效脉冲蚀除量的总和。可用公式表达为qa = Ka WM t qc = Kc WM t va = qat = Ka WM vc = qct = Kc WM 式中 qa、qc 正极、负极的总蚀除量；va、vc 正极、负极的蚀除速度，亦即工件生产率或工件损耗速度； WM 单个脉冲能量； 脉冲频率； t 加工时间； Ka、Kc 阳极、阴极的极间能量分配系数，主要与电极对的材料有关； 有效脉冲利用率。（以上符号中，角标a表示阳极，c表示阴极）脉冲前后沿变化率相对于脉冲宽度较小时，影响蚀除量的单个脉冲能量即为单脉冲放电能量，可表示为WM = 0teut i(t)dt式中 te 单个脉冲实际放电时间（s）； u（t） 放电间隙中随时间而变化的电压（V）； i（t） 放电间隙中随时间而变化的电流（A）； WM 单个脉冲放电能量（J）。电火花放电间隙的电阻是非线性的，击穿后间隙上的火花维持电压时一个与电极对材料及工作液种类有关的数值（如在煤油中用纯铜加工钢时约为25V，用石墨加工钢时为3035V；而在乳化液中用钼丝加工钢时则为1618V）。火花维持电压与脉冲电压幅值、极间距离以及放电电流大小等的关系不大，因而可以说，正、负极的电蚀量正比于平均放电电流的大小和电流脉宽；对于矩形波脉冲电流，实际上正比于放电电流的幅值。当纯铜电极加工铜时的单个脉冲能量为 WM = （2025）i ete式中 i e脉冲电流幅值（A）由此可见，提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲能量WM，或者说增加平均放电电流ie (对矩形脉冲即为峰值电流i e)和脉冲宽度ti，减小脉间to,设法提高系数Ka、Kc。当然，实际生产时要考虑到这些因素之间的相互制约关系和对其他工艺指标的影响。例如脉冲间隔时间过短，将产生电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度值也随之增加等等。高能窄脉宽电源是新材料的电火花加工、高效、高精度电火花加工的产物，此时，脉冲前后沿的变化率对蚀除量的影响不可忽视。在此情况下，上升率对气相和液相蚀除比例的影响可以忽略，要有足够高的前沿上升率，确保达到所需的高峰值能量。后沿变化率对气相和液相蚀除比例的影响较大，对于升华材料的蚀除量没有明显的影响，应尽可能增大后沿变化率，便于提高脉冲频率，对熔化、气化材料要有适当的后沿宽度，以获得最大的熔坑体积。研究表明，由于放电回路具有电感，降低后沿宽度是比较难解决的问题，通常大于8us，超过最优后沿宽度。3.金属材料热学常数热学常数是指熔点、沸点（气化点）、热导率（导热系数）、比热容、熔化潜热、气化潜热等。几种常用材料的热学常数如表4-1所示。表 4-1 常用材料的热学常数热学物理常数材料铜石 墨钢钨铝熔点Tr/1083372715353410657比热容c/J(kgK)-1393.561674.7695.04.911004.8熔化潜热qr/Jkg-1179258.4209340159098385185.6沸点Tf/25954830300059302450气化潜热qf/Jkg-15304256.946054800629066710894053.6导热系数/J(msk)-1399.880.081.6170.0237.8热扩散率a/cm2s-11.1790.2170.1500.5680.920密度/gcm-38.92.27.919.32.54当脉冲放电能量相同时，金属的熔点、沸点、比热容、熔化潜热、气化潜热愈高，电蚀量将愈少，愈难加工；导热系数愈大的金属，由于较多的把产生的热量传导散失到其他部位，降低了本身的蚀除量。所以，对于像金属一类的材料，在电火花加工过程中，单个脉冲能量一定时，脉冲电流幅值愈小，即脉冲宽度愈长，散失的热量也较多，从而影响电蚀量的减少；相反，若脉冲宽度愈短，脉冲电流幅值愈大，由于热量过于集中而来不及传导扩散，虽使散失的热量减少，但抛出的金属中气化部分比例增大，多耗用不少气化热，电蚀量也会降低。对于像氮化硅、碳化硅等一类分解升华的工程材料，则有其特有的规律。总之，电极材料的蚀除量与电极材料的导热系数以及其他热学常数、单个脉冲能量、脉冲能量变化率有密切关系。当脉冲能量一定时，有一个使工件电蚀量最大的最佳脉宽。由于各种材料的热学特性和热学常数不同，故获得最大电蚀量的最佳脉宽和最佳后沿变化率也是不同的。通过对放电过程进行模型化分析，结合实验研究，得到放电痕熔化体积可用下式求出V = QCTr-To+qr式中 V 电极上脉冲放电痕熔化体积（cm3）； Q 电极上脉冲放电区域集聚的能量（J）； c 比热容（J(kgK)-1）； 密度（gcm-3）； Tr 熔点（）； To 原始温度（）； qr 熔化温度（J/kg）。图图4-1 铜和钢两种材的 脉宽与蚀除量的关系图41示意的描绘了在相同放电电流的情况下，不同电极材料的电蚀量与脉宽的关系。从图中可以看出，当采用不同的工具、工件材料时，选择脉冲宽度在ti附近时，再加以正确选择极性，就既可以获得较高的生产率，又可以获得较低的工具损耗，有利于实现“高低效损耗”加工。4.2 电火花加工的加工速度和工具的损耗速度电火花加工时，工具和工件同时遭到不同程度的电蚀。单位时间内工件的蚀除量称之为加工速度，亦即生产率；单位时间内工具的蚀除量称之为损耗速度。1.加工速度一般采用体积加工速度uw（mm3/min）来表示，即被加工掉的体积V除以加工时间t uw = V/t有时为了测量方便，也采用重量加工速度vG来表示，单位为g/min。或直线加工速度vL，单位为mm/min。前述的电蚀量分析是基于材料的变化过程，没有涉及材料的转移过程。热加工工艺过程就是材料的相变和转移过程。提高单脉冲放电的相变量并及时将相变材料转移离开电极表面和加工区，就是提高加工速度。要增加电蚀量，必须增加单脉冲能量、提高脉冲频率、提高极间能量分配系数Ka或Kc，合理选用电极材料、电参数和工作液，改善工作液的循环过滤方式等。在具体条件下，极间能量分配系数Ka或Kc特定数值的确定还有待于深入研究。工作液和稳定性是影像材料转移的主要因素。工作液帮助电蚀产物的抛出和转移，对电蚀量有较大影响。介电性能好、密度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电蚀产物的抛出效应。工作液的强迫循环和工具电极定时抬刀是及时转移电蚀的有效途径。加工过程的稳定性影响电蚀总量和转移量的平衡性，进一步影响稳定性。恶性循环影响加工速度。加工过程不稳定，将干扰以致破坏正常的火花放电，使有效脉冲利用率降低。加工深度、加工面积增加，或加工型面复杂程度增加，都不利于电蚀产物的排出，影响加工稳定性，降低加工速度，严重时将造成结碳拉弧，使加工难以进行。如果加工面积较小，而采用的加工电流较大，也会使局部电蚀产物浓度过高，放电点不能分散转移，放电后的余热来不及传播扩散而积累起来，造成过热，形成电弧，破坏加工的稳定性。电极材料对加工稳定性也有影响，钢电极加工钢是不易稳定，纯铜、黄铜加工钢时则比较稳定。加工极性也影响加工稳定性，通过对液体介质的击穿机理模型化分析研究知，无论脉宽的大小，正极性加工都有利于放电通道的形成，从而提高加工稳定性。脉冲电源的波形及其前后沿陡度影响着输入能量的集中或分散程度，对电蚀量也有很大影响。电火花成形加工的加工速度，粗加工（加工表面粗糙度Ra1020um）时可达2001000mm3/min，半精加工（Ra2.510um）时降低到20100mm3/min，精加工（Ra0.322.5um）时一般都在10mm3/min一下。随着表面粗糙度的改善，加工速度明显下降。2.工具电极损耗速度在生产实际中，衡量工具电极是否耐损耗，不只是看工具损耗速度vE，还要看同时能达到的加工速度vW，因此，采用相对损耗或称损耗比作为衡量工具电极耐磨损的指标。即 = （vE/vW）100%上式中的加工速度和损耗速度均以mm3/min为单位计算，则为体积相对损耗。如以g/min为单位计算，则为重量相对损耗；如以mm/min为单位计算，则为直线相对损耗。要降低工具电极的相对损耗，首先要根据电极对的材料特性确定最佳脉宽，其次有效利用电火花加工过程中的各种效应，如极性效应、吸附效应、传热效应等。模型化分析表明，放电通道在电极表面产生的熔坑体积，随峰值电流的持续时间（峰值电流宽度）的变化而变化。每种电极材料都有一最佳峰值电流宽度与熔坑的最大体积对应。合理选择工具电极的材料，以确保工具电极的最佳峰值电流宽度偏离工件的最佳峰值电流宽度，以工件电极的最佳峰值电流宽度作为依据选择加工脉冲的参数，可以保证电极的低损耗。钨、钼的熔点和沸点较高，损耗小，但其机械加工性能不好，价格又贵，所以除线切割外很少采用。铜的熔点随较低，但其导热性好，因此损耗较小，又能制成各种精密、复杂电极，常用作中、小型腔加工用的工具电极。石墨电极不仅热学性能好，而且在长脉冲粗加工时能吸附游离的碳来补偿电极的损耗，所以相对损耗很低，目前已广泛用作型腔加工的电极。铜碳、铜钨、银钨合金等复合材料，不仅导热性好，而且熔点高，因而电极损耗小。但由于其价格较贵，制造成形比较困难，因而一般只在精密电火花加工时采用。最佳峰值电流脉冲宽度随脉冲能量的增加而增大。在煤油中采用负极性加工时，脉冲电流幅值与放电脉冲宽度的比值（i e/it）满足如下条件时，可以获得低损耗加工：石墨加工钢 i e/it 0.10.2A/us铜加工钢 i e/it 0.060.12A/us钢加工钢 i e/it 0.040.08A/us式中以电压脉宽ti代替te，以便于参数的设定。 图42 电极相对损耗与极性、脉宽的关系 1正极性加工 2负极性加工极性效应对工具电极损耗影响如图42所示。实验用的工具电极为6mm的纯铜，加工工件为铜，工作液为煤油，矩形波脉冲电源，加工电流峰值为10A。由图可见，负极性加工时，纯铜电极的相对损耗随脉冲宽度的增加而减少。当脉冲宽度大于120us后，电极相对损耗将小于1%，可以实现低损耗加工（相对损耗小于1%的加工）。如果采用正极性加工，不论采用哪一档脉冲宽度，电极的相对损耗都很难低于10%。然而在脉宽小于15us的窄脉宽范围内，正极性加工的工具电极相对损耗比负极性加工小。4.3 影响加工精度的主要因素影响加工精度的因素很多，机床本身的各种误差，以及工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到加工精度。这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。主要影响的因素有放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定性和“二次放电”。电火花加工放电间隙对加工精度的影响表现在放电间隙的不稳定和间隙内电场分布不均匀性，如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正工具电极的尺寸，对放电间隙进行补偿，能够获得较高的加工精度。放电间隙可用下列经验公式来表示S = Kuui + KRWM0.4 + Sm式中 S 放电间隙（指单位放电间隙，um）； ui 开路电压（V）； Ku 与工作液介电强度有关的系数，纯煤油时为510-2，含有电蚀产物后Ku增大； KR 常数，与加工材料有关，一般易熔金属的值较大，对铁，KR = 2.5102，对硬质合金，KR = 1.4102，对铜，KR = 2.3102；WM 单个脉冲能量（J）Sm 考虑热膨胀、收缩、振动等影响的机械间隙，约3um。由于间隙内电场分布不均匀性，只是间隙大小对加工精度也有影响，尤其是对复杂形状的表面加工，棱角部位电场强度分布不均匀，间隙越大，影响越严重。因此，为了减少加工误差，应该采用较弱的加工规准，缩小放电间隙，这样不但能提高仿行精度，而且放电间隙愈小，可能产生的变化量与愈小；另外，还必须尽可能使加工过程稳定。电参数对放电间隙的影响是非常显著的，精加工的放电间隙一般只有0.01mm（单面），而在粗加工时则可达0.5mm以上。工具电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时，点击可以贯穿型孔而补偿电极的损耗。型腔加工时则无法实现这一方法。精密型腔加工时可采用更换电极的方法。间隙内电场分布不均匀性和工具电极损耗使电火花加工时工具的尖叫或凹角很难精确地复制在工件上。这是因为当工具为凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的机率大，容易遭受腐蚀而 成为圆角，如图43a所示。 图43 电火花成形加工时圆角的形成 当工具为尖角时，一则由于放电间隙的等距性，工件上只能加工出以圆角顶点为圆心、放电间隙S为半径的圆弧，二则工具上的尖角本身因尖端放电蚀除的机率大而损耗成圆角，如图43b所示。采用高频窄脉宽精加工，放电间隙小，圆角半径可以明显减小，因而提高了仿行精度，可以获得圆角半径小于0.01mm的尖棱，这对于加工精度小模数齿轮等冲模是很重要的。目前，电火花加工进精度可达0.010.05mm左右。“二次放电”是指已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角棱角变钝方面。 图 44 电火花加工产生斜度的示意图产生加工斜度的情况如图44所示。由于工具电极下端部加工时间长，绝对损耗大，而电极入口处的放电间隙则由于电蚀产物的存在，“二次放电”的机率大而扩大，因而加工斜度。 4.4 电火花加工表面完整性评定电火花加工表面完整性的主要参数是：表面粗糙度、表面变质层和表面力学性能。1.表面粗糙度电火花加工表面是由无方向性的无数小坑和硬凸边组成，特别有利于保存润滑油，表面的润滑性能和耐磨损性能均比机械加工表面好。表面粗糙度评定指标常用微观不平度的平均算数偏差Ra和不平度的最大高度值Rmax，在数值大小上，Rmax约是（45）Ra。对表面粗糙影响最大的是单个脉冲能量。因为脉冲能量大，每次脉冲放电的电蚀量也大，放电凹坑即大又深，从而使表面粗糙度变差。表面粗糙度和脉冲能量之间的关系，可用如下实验公式来表示 Rmax = KRte0.3i e0.4式中 Rmax 实测的表面粗糙度（um）；KR 常数，铜加工钢时常取2.3；te 脉冲放电时间（us）；i e 峰值电流（A）。表面粗糙度和加工速度的一对矛盾体。例如从Ra2.5um提高到Ra1.25um，加工速度要下降很多，仅为原有速度的1/5。电火花成型加工要达到由于Ra0.32um是比较困难的。通过采用平动或摇动加工及混粉加工等工艺，可以大为改善。目前，电火花穿孔加工的侧面的最佳表面粗糙度问哦Ra1.250.32um，电火花成型加工平动或摇动后最佳表面粗糙度为Ra0.630.04um，而类似电火花磨削的加工方法，其表面粗糙度可优于Ra0.040.02um，这时加工速度很低。因此，一般电火花加工到Ra2.50.63um之后采用其他研磨方法改善其表面粗糙度比较经济。工件材料对加工表面粗糙度也有影响。熔点高的材料（如硬质合金），在相同能量下加工的表面粗糙度要比熔点低的材料（如钢）好。当然，加工速度会相应下降。精加工时，工具电极的表面粗糙度也将影响到加工表面粗糙度。由于石墨电极很难加工到非常光滑的表面，因此用石墨点击的加工表面粗糙度较差。2.表面变质层和表面力学性能电火花加工过程中，在火花放电的瞬时高温和工作液的快速冷却下，材料表面层的化学成分、微观结构发生了很大变化，形成一层通常存在残余应力和微观裂纹的变质层。对于熔化、气化材料，可将变质层分为熔化凝固层和热影响层。熔化凝固层的厚度工件表面最上层，它被放电时瞬时高温熔化而有停滞下来，受工作液快速冷却而凝固。对于碳钢来说，熔化层在金相照片上呈现白色，故又称之为白层，他与基体金属完全不同，是一种树枝状的淬火铸造组织，与内层的结合也不甚牢固。它由马氏体、晶粒极细的参与奥氏体和某些碳化物组成。熔化凝固层的厚度随脉冲能量的增大而变厚，大约为12倍的Rmax，但一般不超过0.1mm。热影响层介于熔化凝固层和基体之间。热影响层的金属材料并没有变化，只是受到高温的影响，使材料的金相组织发生了变化，它和基体材料之间并没有明显的界限。由于温度场分布和冷却的速度不同，对淬火钢，热影响层包括再淬火区、高温回火区和低温回火区；对未淬火钢，热影响层主要为淬火区。因此，淬火钢的热影响层厚度比为淬火钢大。热影响层中靠近熔化凝固层部分，由于受到高温作用并迅速冷却，形成淬火区其厚度与具体条件有关，一般为23倍的最大微观不平度值。对淬火钢，与淬火层相邻的部分收接近相变温度的影响和较缓慢的冷却而形成高温、低温回火区，回火区的厚度约为最大微观不平度的34倍。不同金属材料的热影响层金相组织结构是不同的，耐热合金的热影响层与基体差异不大。显微裂纹一般只在熔化层内出现，只有在脉冲能量很大的情况下（粗加工时）才有可能扩展到热影响层。脉冲能量对显微裂变的影响是非常明显的，能量愈大，显微裂纹愈宽愈深。脉冲能量很小时（例如加工表面粗糙度优于Ra1.25um时）一般不出现显微裂纹。不同工件材料对裂纹的敏感性也不同，硬脆材料容易产生裂纹。工件预先的热处理状态对裂纹产生的影响也很明显。加工淬火材料要比加工淬火后回火或退火的材料容易产生裂纹，因为淬火材料脆硬，原始内应力较大。表面变质层的形成导致电火花加工表面力学性能的改变，通常硬度和耐磨性能提高，而抗疲劳性能下降。要提高表面完整性，必须设法减小表面变质层的厚度。实验表明，当表面粗糙度在Ra0.320.08um范围内时，表面变质层的厚度在35um，电火花加工表面的耐疲劳性能将与精密机械加工表面相近。高能窄脉宽电火花加工工艺是解决表面完整性和提高加工效率的有效方法。5 总 结这次毕业设计让我更熟悉了从理论到实践的跨越。从接到设计题目到实际查阅资料再到设计和撰写的整个过程，这其中有许多值得回味的地方。我设计的题目是便携式点火加工机的设计，本文从电火花的起源、历史背景和发展为起点，然后点出电火花的工作原理和机械结构的设计，最后是对便携式电火花加工机自动进给系统和机械装置的设计。通过本次毕业设计，我才我才真正的体会到什么叫“书到用时方恨少”。设计从查阅资料开始就遇到了困难，不知该从何入手，不知该怎样开始，不知该做些什么，到了三不知的局面。在本次毕业设计中我总结了以下几点不足：（1） 对专业知识的掌握程度不够，在设计过程中用到的一些小的专业知识比如概念、零件间的相互配合和一些计算公式等。（2） 对一些机械结构的了解不是很充分，在设计过程中不能准确的应用，需要查阅大量的资料才能确定，浪费了设计的时间。 （3） 不能熟练运用AutoACD、Pro/E等画图软件，这样使整个设计的过程又加长了。（4） 绘图时，对偏差、粗糙度和其他一些公差的遗忘。毕业设计是对大学三年所学知识的一次综合运用的考察，又是对所学知识的融会贯通做了学以致用。通过此次设计，将课本上的知识运用到实际中，极大地培养了独立思考和解决问题的能力，对于以后的学习和工作都有莫大的帮助。致 谢走出毕业论文的千头万绪，几多往事历历在目，一丝伤感轻轻划过，无限感动激荡心头。诚然，更多的感激注定只能驻扎在心底，但还是禁不住尝试有些呆板的文字表述。转眼间，我已经在美丽的琴岛学院度过了三个年头。三年，这是我人生中非常重要的三年，我有幸能够接触到这些不仅传授我知识、学问，而且从更高层次指导我的人生与价值追求的良师。他们使我坚定了人生的方向，获得了追求的动力，留下了大学生活的美好回忆。感谢琴岛学院三年来的培养，在此，我真诚地向我尊敬的老师们和母校表达我深深的谢意！首先我要郑重的感谢我的导师。这篇论文是在我的导师老师的多次指导下完成的。从论文的选题到结构安排，从内容到文字润饰，都凝聚了他大量的心血。在这篇论文的写作过程中，老师不辞辛劳，多次与我就论文中许多核心问题作深入细致地探讨，给我提出切实可行的指导性建议，并细心全面地修改了我的论文。老师对本论文从选题、构思、资料收集到最后定稿的各个环节给予细心的指引和教导。对此,我打心眼里表示我最衷心的感谢.李老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度、积极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我毕生的学习楷模.李老师的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。李老师这种一丝不苟的负责精神，使我深受感动。更重要的是李老师在指导我的论文的过程中，始终践行着“授人以鱼，不如授之以渔”的原则。他常教导我要志存高远，严格遵守学术道德和学术规范，为以后的继续深造打好坚实的基础。在此，请允许我向尊敬的老师表示真挚的谢意！感谢和我一起度过三年大学的朋友和同学。是你们在我失意时给我鼓励，在我失落时给我支持，感谢你们和我一路走来，让我在人生这一驿站中倍感温暖！感谢父母对我二十多年来辛勤的养育,焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿!在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到许多老师学姐和学长的帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 最后，衷心感谢所有老师对我的栽培、支持和鼓励，感谢所有朋友的关心和帮助。向在百忙中抽出时间对此论文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！ 衷心祝愿母校琴岛学院的明天更加美好！参 考 资 料1、成大先主编. 机械设计手册 第五卷. 北京：化学工业出版社，2008 2、张展主编. 机械设计通用手册. 北京：机械工业出版社，20083、吴宗泽. 机械零件设计手册. 北京：机械工业出版社，20074、机械设计实用手册编委会. 机械设计实用手册. 北京：机械工业出版社，20085、王昆等主编. 机械设计、机械设计基础课程设计. 北京：高等教育出版社，19966、杨可桢，程光蕴，李仲生主编. 机械设计基础. 北京：高等教育出版社， 20067、郁建平主编. 机电控制技术. 北京：科学出版社, 20068、秦曾煌主编. 电工学上册. 北京：高等教育出版社，20049、刘小年，刘振魁主编. 机械制图. 北京：高等教育出版社，200010、范思仲主编. 机械基础. 北京：机械工业出版社，200511、陈于萍，周兆元主编. 互换性与测量技术基础. 北京：机械工业出版社， 200512、梁景凯，盖玉先主编. 机电一体化技术与系统. 北京：机械工业出版社， 200613、张普礼，杨琳主编. 机械加工设备. 北京：机械工业出版社， 200714、骆素君主编. 机械设计课程设计实例与禁忌. 北京：化学工业出版社，200915、张建华主编. 精密与特种加工技术. 北京：机械工业出版社，200316、董建国主编. CAD/CAM专业英语. 北京：机械工业出版社，2002附 录计算机辅助设计16计算机辅助设计系统基本上是一种设计工具，计算机是用来分析所设计的产品的各个方面。CAD系统支持各种阶段的设计过程设计构想、初步设计及最终设计。设计者然后可在各种环境条件，比如温度的变化或不同机械压力下检验产品状况。尽管CAD系统并非一定要包含计算机绘图，但能将设计的产品显示在屏幕上是CAD系统的最有价值的特性之一。物体的图形通常显示在阴极射线管屏幕上。计算机图形功能式设计者可用多种办法研究物体：将物体在计算机屏幕上旋转、将其分成几段、将物体局部放大以仔细研究以及在运动程序的帮助下研究机构的运动。大多数CAD系统使用互动式图形系统。互交式图形系统使用户可直接和计算机通过交互作用以对图形进行调整及修改。对CAD系统来说，交互式图形系统就算不是必要的，也已经是很有价值的工具。许多CAD系统的最终产品是在与计算机连接的绘图仪中产生的图形。在CAD图形中，最难解决的问题之一是消去那些被挡住的线。计算机生成图形是线框图线。由于计算机定义物体时没有考虑图的透视效果，它显示出物体的所有面，而不考虑这些面是在朝向观测者的一面还是位于通常人眼无法看到的背面。可使用多种不同办法在计算机屏幕上生成图形。一种办法是采用几何模板形式，这种办法是用基本形状和基本的元素创建图形，元素的长度及半径可以修改。例如，圆柱是一个基本元素，在已显示的零件上去掉一个规定半径和长度的圆柱就可生成一个孔。但是每次变化都保留零件所有的几何特征。另外，CAD系统使用成组技术设计零件。成组技术是在功能、结构相同或加工方法相似的工件基础上采用分组编码的一种加工方法。采用成组技术可使工厂减少所用零件的数量，并使零件在工厂中的制造、运输效率更高。最近的CAD系统使用了压力有限元分析法。在用这种方法时，待分析物体用很多有压力及弯曲特性的小元素组成的模型表示。这种分析办法要求同时分解许多方程，用计算机执行一项任务，物体的弯曲可以通过生成动画的方式显示在计算机屏幕上。采用这种办法中的任一种或其他常用办法