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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文 題 目：電火花機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2010963002 姓 名： 李斯琴 指導(dǎo)教師： 周里群 完成日期： 2014年 5 月 目 錄 中文摘要 ·································································1 英文摘要 ·································································2 一、引言 ································································3 1.1 題研究的目的和意義················································3 1.2 本設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 ·······································4 1.3 本設(shè)計(jì)擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題和研究方法··································5 1.4 電火花成型加工特點(diǎn)和適用范圍······································5 二、 電火花成型機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ·····································8 2.1 電火花成型機(jī)的結(jié)構(gòu) 形式···········································8 2.2 電火花成型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)···············································9 三、 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)······················································13 3.1 主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案··················································13 3.2 電機(jī)的選擇 ·······················································14 3.3 同步齒形帶設(shè)計(jì) ···················································19 3.4 滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)··················································22 3.5 直線導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) ···················································27 四、工作臺(tái)設(shè)計(jì) ························································29 五、十字滑座設(shè)計(jì)······················································34 六、電極夾頭設(shè)計(jì)·······················································37 七、機(jī)床潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì) ·················································40 八、工作液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ··········································42 參考文獻(xiàn)·······························································.45 謝辭 ···································································46  摘 要： 介紹了電火花成型機(jī)床的加工原理、特點(diǎn)及其發(fā)展歷程：它是通過(guò)脈沖直流電源不斷產(chǎn)生火花放電來(lái)去除工件材料，且在工件與工具之間有絕緣液體介質(zhì)。 分析并設(shè)計(jì)了電火花成型機(jī)床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。機(jī)床總體布局為單柱立式，主軸采用步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)滾珠絲桿完成升降，利用步進(jìn)電機(jī)多級(jí)可變細(xì)分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的變頻、變步距雙重伺服調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的跟蹤能力和穩(wěn)定性。進(jìn)給系統(tǒng)采用滾珠絲桿和十字滑座實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的橫向、縱向移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 電火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范圍等方面取得重大突破，一個(gè)重要的發(fā)展方向就是對(duì)機(jī)床成形運(yùn)動(dòng)方式的創(chuàng)新和多樣化。本課題的研究，是對(duì)電火花成型加工發(fā)展方向的一次有益嘗試，通過(guò)改進(jìn)電火花加工機(jī)床的伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)床結(jié)構(gòu)等，在保證加工精度的前提下提高了加工效率；通過(guò)開放式的控制系統(tǒng)，提高了電火花成型加工過(guò)程的自動(dòng)化。 關(guān)鍵詞：電火花； 主軸； 滾珠絲桿； 十字滑座； V型導(dǎo)軌 Abstract： 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 精密數(shù)控電火花成型機(jī)是為了適應(yīng)工業(yè)飛速發(fā)展，尤其是模具制造工業(yè)發(fā)展而設(shè)計(jì)的新型機(jī)床，有較高的加工工藝指標(biāo)，應(yīng)用廣泛，用于電機(jī)、儀表、電器、汽車制造、宇航、家電、輕上、軍工等多種行業(yè)中的模具制造加工。可以加工各種中小型沖裁模(落料模、復(fù)合模和級(jí)進(jìn)模)，型腔模(精密壓鑄、壓延、塑料、玻璃制品、粉末冶金和膠木等)，各種超硬度材料，異型曲面零件，坐標(biāo)孔零件及成型零件。機(jī)床可以加工如直徑為0．1mm以上的孔徑和0．2mm以上的窄縫，切割各種硬質(zhì)臺(tái)金和取折斷工具等，能對(duì)碳素鋼、工具鋼、淬火鋼、硬質(zhì)合金鋼以及其他高硬度金屬材料進(jìn)行放電加工，是加工復(fù)雜模具和復(fù)雜零件的理想設(shè)備。數(shù)控電火花成型機(jī)也是專門對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化電火花加工而設(shè)計(jì)的。它還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作自動(dòng)加工，大幅度提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。所以說(shuō)，數(shù)控電火花成型機(jī)床的問(wèn)世，對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)加工技術(shù)產(chǎn)生了很大的沖擊，也給制造行業(yè)帶來(lái)了新的發(fā)展和進(jìn)步。 隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密模具制造技術(shù)、材料科學(xué)等尖端科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)零件的精度、性能、壽命的要求越來(lái)越高。因此在設(shè)計(jì)上采用了許多新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致零件的結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜，如薄壁深孔零件，這類零件出于精度、壽命等因素考慮，常采用高溫合金、硬質(zhì)合金、耐熱鋼淬火鋼等材料，且加工精度、表面粗糙度要求高，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法實(shí)現(xiàn)困難、成本高。作為基礎(chǔ)工業(yè)的機(jī)械制造業(yè)，其發(fā)展的核心問(wèn)題之一就是如何進(jìn)一步提高機(jī)械加工的精度和質(zhì)量，同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本。 1.1 題研究的目的和意義 隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)加工領(lǐng)域出現(xiàn)了一些硬度高難于用傳統(tǒng)機(jī)加工方法加工的新材料。于是在工藝上要求出現(xiàn)一種適應(yīng)加工需求的加工機(jī)械。電火花成型機(jī)正是適應(yīng)了這種需求，并且電火花成型機(jī)作為刀具與工件非接觸式加工的機(jī)床，克服了以往切削加工機(jī)床的局限。 本課題的研究意義：本課題根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需要，通過(guò)該課題的研究，將電火花加工技術(shù)及加工機(jī)床的最新發(fā)展成果應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)的機(jī)床具有自動(dòng)進(jìn)給功能，既實(shí)現(xiàn)了研究成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，又為企業(yè)節(jié)約了大量的資金，具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 本課題的主要目的：本課題在對(duì)電火花成型機(jī)原理分析研究基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析與優(yōu)化等。其主要內(nèi)容如下：1、了解電火花成型機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，根據(jù)零件加工要求，設(shè)計(jì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)；2、設(shè)計(jì)機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；3、對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和參數(shù)優(yōu)化。4、對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制部分設(shè)計(jì)。 1.2國(guó)內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 電火花成型機(jī)在20世紀(jì)40年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)，最初出現(xiàn)的只可單軸進(jìn)給的單立柱機(jī)床。隨后出現(xiàn)了多軸聯(lián)動(dòng)，多立柱的電火花成型機(jī)。異形小孔的加工機(jī)床的出現(xiàn)也是電火花成型機(jī)發(fā)展史上的一大進(jìn)步，例如D703型高速電火花夾攻小孔機(jī)床。SP1-30鏡面電火花機(jī)采用的松下伺服系統(tǒng)，表面粗糙度可達(dá)Ra0.1um,HE350-CNC雙頭機(jī)電火花成型機(jī)為我國(guó)自主研發(fā)，加工效率成倍提高。但就總體而言，我國(guó)在電火花加工領(lǐng)域同日本等國(guó)際先進(jìn)水平還有一定差距。 當(dāng)前，電火花加工技術(shù)正向著高效化、精密化、智能化、微細(xì)化、復(fù)合化等方向發(fā)展，一些新技術(shù)、新思想不斷被運(yùn)用到電火花加工中去，同時(shí)，許多新的工藝手段也不斷涌現(xiàn)，主要包括以下幾個(gè)方面:(1) 微細(xì)電火花加工技術(shù) 微細(xì)加工是應(yīng)產(chǎn)品微型化要求而出現(xiàn)的，是加工技術(shù)向加工尺寸微小化方向的發(fā)展，一般是指被加工零件直徑或?qū)挾刃∮?00μm以下的加工手段。微細(xì)電火花加工技術(shù)是電火花加工技術(shù)在微細(xì)加工領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，從文獻(xiàn)檢索的情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)外關(guān)于微細(xì)電火花加工方面的論文非常多，足以說(shuō)明此研究方向受關(guān)注的程度。（2) 超聲電火花復(fù)合加工技術(shù) 在特種加工領(lǐng)域中，綜合利用不同加工方法的技術(shù)特長(zhǎng)，將多種能量形式進(jìn)行巧妙結(jié)合的復(fù)合加工方式往往可大幅提高加工效率或改善加工質(zhì)量，因而一直是倍受關(guān)注的方向之一。電火花加工和超聲加工均因加工速度較慢而困擾著人們，然而在電火花加工中引入工具電極的超聲振動(dòng)，進(jìn)行超聲電火花復(fù)合加工，卻可以改善放電間隙狀況，從而大大提高生產(chǎn)率。(3) 氣體介質(zhì)放電加工技術(shù) 傳統(tǒng)的電火花加工技術(shù)是在液體介質(zhì)(通常稱作工作液)中進(jìn)行放電加工的，而液體介質(zhì)在加工中起到壓縮放電通道使能量高度集中、加速極間冷卻和消電離過(guò)程、加速排除電蝕產(chǎn)物等作用，被認(rèn)為是電火花加工必不可少的幾大要素之一。然而，最近幾年由日本東京農(nóng)工大學(xué)國(guó)枝正典教授等人提出的氣中放電加工技術(shù)完全改變了人們的上述思想。氣中放電一般使用薄壁管狀電極，加工中管狀電極作回轉(zhuǎn)和軸向伺服運(yùn)動(dòng)，一定壓力的氣體自管中高速噴出，以避免加工屑反粘凝固在電極和工件表面上，同時(shí)加速了熔融和氣化金屬的拋出過(guò)程，并起到冷卻電極的作用。氣中放電加工的最大優(yōu)點(diǎn)在于加工過(guò)程中電極損耗極低，而且加工時(shí)不產(chǎn)生有害氣體，安全性較高，又可簡(jiǎn)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，因而也是倍受關(guān)注而成為熱點(diǎn)。(4) 電火花表面強(qiáng)化技術(shù) 由于零件表面性能在零件的使用過(guò)程中所起到的重要作用，表面強(qiáng)化技術(shù)受到了人們的重視。電火花表面強(qiáng)化技術(shù)是一種簡(jiǎn)便而靈活的表面處理方法，它是通過(guò)電火花放電作用將作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)工件表層金屬，形成合金化的表面強(qiáng)化層，從而使工件表面的物理、化學(xué)和機(jī)械性能得到改善。電火花表面強(qiáng)化與其他表面強(qiáng)化方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，在普通電火花加工機(jī)床上即可進(jìn)行，強(qiáng)化成本較低，處理速度較快，因只在局部進(jìn)行放電，零件整體溫度仍為室溫因而不會(huì)引起零件變形，以及可處理復(fù)雜零件等，目前已在軍事、航空、模具、刀具等行業(yè)得到較廣泛的應(yīng)用。通過(guò)查閱分析數(shù)據(jù)及市場(chǎng)調(diào)研，近來(lái)電火花成型機(jī)床在雖然高效率精密加工技術(shù)方面有不斷的進(jìn)步，但在目前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中仍然有著很大的危險(xiǎn)。我們可以透過(guò)于02年9月4日在美國(guó)芝加哥舉行的IMT2002來(lái)分析：在此次展覽中，我們可以看到來(lái)自瑞士阿奇夏米爾公司、西班牙歐那公司、日本的三菱公司、沙迪克等公司帶來(lái)的EDM產(chǎn)品。其中，在電火花成型機(jī)床方面，也主要體現(xiàn)在向著高效和精密加工的方向邁進(jìn)，但同時(shí)專家系統(tǒng)的出現(xiàn)也搶占了其部分市場(chǎng)。例如在大面積淺型腔加工、能量控制（變截面加工）、深槽窄縫加工、微細(xì)加工、硬質(zhì)合金加工、鏡面加工、輪廓加工等方面，專家系統(tǒng)保證了精密加工的順利實(shí)現(xiàn)。 目前精密加工技術(shù)中，能加工型腔模的設(shè)備越來(lái)越多，譬如數(shù)控銑床，數(shù)控仿形銑床，加工中心，特別是再近幾年發(fā)展的高速銑床。國(guó)外某些HSM的制造商已經(jīng)把HSM說(shuō)成是“完全可以替代EDM”的“無(wú)EDM加工技術(shù)”，而且說(shuō)HSM是不需要拋光的一次性技術(shù)等等。當(dāng)然這樣的說(shuō)法可能有點(diǎn)言過(guò)其實(shí)，但HSM的發(fā)展對(duì)EDM確實(shí)產(chǎn)生了一定的影響。使得電火花成型機(jī)床在市場(chǎng)中面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 但與HSM的比較中，EDM同時(shí)也有著它自己的特點(diǎn)。例如在加工硬度為50-54HRC的鋼材來(lái)說(shuō)，HSM能加工高硬度材料，不等于它的加工性能好，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理。因?yàn)榧庸に褂玫膬r(jià)格昂貴的刀具壽命只有一小時(shí)。也就是說(shuō)HSM對(duì)硬材料加工性能差，而高硬度材料的加工正是EDM的特長(zhǎng)。所以在更多的材料要求為高硬度、耐磨性好的材料的模具行業(yè)中，EDM體現(xiàn)了它的優(yōu)勢(shì)。 以上說(shuō)明，HSM與電火花成型機(jī)床不是誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題，而是相輔相成、互相發(fā)展的問(wèn)題。同時(shí)也說(shuō)明，在強(qiáng)手林立的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，雖然有著強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但仍然有著良好的發(fā)展前途。 基于上面的分析，我們這次選擇了電火花成型機(jī)床設(shè)計(jì)，希望對(duì)原有電火花成型機(jī)床有一定的改進(jìn)。 1.3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題和研究方法 本機(jī)床采用十字工作臺(tái)，根據(jù)《模具制造工藝裝備及應(yīng)用》采用剛度好的材料并對(duì)摩擦表面進(jìn)行硬化處理，因而能保證加工工件、工作液穩(wěn)定性，避免由于移動(dòng)重物產(chǎn)生慣性、工作液發(fā)生震蕩而造成的不穩(wěn)定性，且不會(huì)因工作臺(tái)面荷重而影響加工精度，X、Y軸移動(dòng)采用滑枕式結(jié)構(gòu)，移動(dòng)穩(wěn)定、可靠，確保加工精度。 根據(jù)《數(shù)控加工技術(shù)》第六章數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)篇，采用滾珠絲桿作為傳動(dòng)元件，使之能實(shí)現(xiàn)微進(jìn)給、無(wú)側(cè)隙、剛性高、高速進(jìn)給。為減少工具電極的損耗，查《電火花加工技術(shù)》表3-3脈沖電源的波形與特點(diǎn)，采用梳形波脈沖電源。 研究方法： 1）文獻(xiàn)調(diào)查法 查閱有關(guān)電火花成型機(jī)的文獻(xiàn)，了解電火花成型機(jī)的加工原理，主要組成部分和他的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。2）觀察法 通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)室的電火花成型機(jī)，了解電火花成型機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，功能和工作原理。3）模擬法 運(yùn)用CATIA進(jìn)行主軸系統(tǒng)的三維建模，并對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，擦看機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，并進(jìn)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)更改以其達(dá)到預(yù)期要求。 1.4 電火花加工特點(diǎn)和適用范圍 1.適合與于難切削材料的加工。由于加工中材料的去除是靠放電時(shí)的電熱作用實(shí)現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及其熱學(xué)特性，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)（氣化點(diǎn)）、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率等，而幾乎與其力學(xué)性能（硬度、強(qiáng)度等）無(wú)關(guān)。這樣可以突破傳統(tǒng)切削加工對(duì)刀具的限制，可以實(shí)現(xiàn)用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可以加工像聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。目前電極材料多采用紫銅或石墨，因此工具電極較容易加工。 2.可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件。由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒(méi)有機(jī)械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細(xì)加工。由于可以簡(jiǎn)單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工，如復(fù)雜型腔模具加工等。數(shù)控技術(shù)的采用使得用簡(jiǎn)單的電極加工復(fù)雜形狀零件也成為可能。 3．易于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程自動(dòng)化。由于是直接利用電能加工，而電能、電參數(shù)較機(jī)械量易于數(shù)字控制、適應(yīng)控制、智能化控制和無(wú)人化操作等。 4．可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)的工藝性。例如可以將拼鑲結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金沖模，改為用電火花加工的整體結(jié)構(gòu)，減少了加工工時(shí)和裝配工時(shí)，延長(zhǎng)了使用壽命。又如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的葉輪，采用電火花加工后可以拼鑲、焊接結(jié)構(gòu)改為整體葉輪，既大大提高了工作可靠度，又大大減少了體積和質(zhì)量。 電火花加工也有其一定的局限性，具體如下： 1．只能用于加工金屬等導(dǎo)體材料。不像切削加工那樣可以加工塑料、陶瓷等絕緣的非導(dǎo)電材料。但近年來(lái)研究表明，在一定的條件下也可以加工半導(dǎo)體和聚晶金剛石等非導(dǎo)體超硬材料。 2．加工速度一般較慢。因此通常安排工藝多采用切削來(lái)去除大部分余量，然后再進(jìn)行電火花加工，以求提高生產(chǎn)率，但最近的研究結(jié)果表明，采用特殊水基不燃性工作液進(jìn)行電火花加工，其粗糙度甚至高于切削加工。 3．存在電極損耗。由于電火花加工靠電、熱來(lái)蝕除金屬，電極也會(huì)遭受損耗，而且電極損耗多集中在尖角或低面，影響成型精度。但最近的機(jī)床的產(chǎn)品在粗加工時(shí)已能將電極相對(duì)損耗比降至1%以下，在中、精加工時(shí)能將損耗0.1%以下，甚至更小。 4．最小角部半徑有限制。一般電火花加工能得到的最小角部半徑等于加工間隙（通常為0.02~0.3mm），若電極有損耗或采用平動(dòng)頭加工，則角部半徑還要增大。但近年來(lái)的多軸數(shù)控電火花加工機(jī)床，采用 X、Y、Z軸數(shù)控?fù)u動(dòng)加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的側(cè)壁和底面。 由于電火花加工具有許多傳統(tǒng)切削加工所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，目前已廣泛應(yīng)用于機(jī)械（特別是模具制造）、宇航、航空、電子、電機(jī)、電器、精密微細(xì)機(jī)械、儀器儀表、汽車、輕工業(yè)等行業(yè)，以解決難加工材料及復(fù)雜形狀零件的加工問(wèn)題。加工范圍已達(dá)到小至幾十微米的小軸、孔、縫，大到幾米的超大型模具和零件。 二 電火花成型機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 電火花成型機(jī)的結(jié)構(gòu)形式 電火花成型加工機(jī)床結(jié)構(gòu)有多種形式，根據(jù)不同加工對(duì)象，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有“C”形結(jié)構(gòu)、龍門式結(jié)構(gòu)、牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)、搖臂式結(jié)構(gòu)和臺(tái)式結(jié)構(gòu)。 圖2.1 “C”形結(jié)構(gòu) 1-床身 2-立柱 3-主軸頭 4-工作臺(tái) “C”形結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。加工時(shí)，工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)X軸和Y軸伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，主軸頭實(shí)現(xiàn)Z軸伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。此類機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：床身、立柱、主軸頭、工作臺(tái)構(gòu)成一“C”字形。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，具有較好的精度和剛性，操作者可以從前、左、右三面充分靠近工作臺(tái)。缺點(diǎn)是：工件裝卸不方便，每次安裝、檢測(cè)工件都必須開門放油，然后再關(guān)門上油?！癈”形結(jié)構(gòu)較適合中、小型機(jī)床，國(guó)內(nèi)機(jī)床大部分采用此種結(jié)構(gòu)形式。[9] 圖2.2牛頭滑枕式結(jié)構(gòu) 1-床身；2-立柱；3-滑座；4-主軸頭；5-工作液槽 牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。這種結(jié)構(gòu)形式類似金屬切削機(jī)床中的牛頭刨床。工作臺(tái)固定不動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)X方向移動(dòng)，主軸頭通過(guò)滑枕實(shí)現(xiàn)Y方向移動(dòng)或X, Y方向的移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：裝卸、檢測(cè)工件十分方便，此結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)、安裝可升降式工作液槽提供方便；當(dāng)可升降工作液槽下降時(shí)，工件完全暴露出來(lái)，可以方便地對(duì)工件進(jìn)行安裝、檢測(cè)，完畢后只需將工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。缺點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造成本較高。牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)比較適合數(shù)控化程度較高的機(jī)床。 因?yàn)椤癈”型結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，具有較好的精度和剛性，且造價(jià)相對(duì)牛頭式機(jī)床更加低廉等優(yōu)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)采用“C”型結(jié)構(gòu)。 2.2 電火花成型機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)電火花成型機(jī)床功能原理的分析，我們需要實(shí)現(xiàn)主軸頭和工件之間通過(guò)脈沖電源放電來(lái)蝕除材料。這要求主軸個(gè)工作臺(tái)之間形成隔緣，然后分別接脈沖電源的正、負(fù)極。根據(jù)任務(wù)書要求，設(shè)計(jì)總體布局為單柱立式。 首先，我將設(shè)計(jì)任務(wù)書所給的條件同時(shí)參照電火花成型機(jī)床參數(shù)列表如下： 1） 機(jī)械規(guī)格 表2.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 名稱 電火花成型機(jī)床 工作臺(tái) 550×300MM 左右行程 300MM 前后行程 200MM 主軸行程 200MM 主軸與工作臺(tái)最大距離 550MM 最大電極容量 60Kgs 最大工作物重量 500Kgs 工作油槽 820×500×300MM 機(jī)械重量 1300Kgs(Net) 裝箱尺寸 1250×1250×2300MM 此次設(shè)計(jì)我采用了類比設(shè)計(jì)，在外觀設(shè)計(jì)上我參考了我們機(jī)械院樓里的電火花加工機(jī)床，對(duì)其大體有個(gè)了解：電火花加工機(jī)床加工時(shí)工件固定在工作臺(tái)上，由滾珠絲桿帶動(dòng)的電極頭緩慢的向下移動(dòng)，且移動(dòng)精度要求較高。其主軸動(dòng)力系統(tǒng)為交流伺服電機(jī)，通過(guò)齒輪變速后連接滾珠絲桿帶動(dòng)主軸頭移動(dòng)，且有光柵尺檢測(cè)其位置；縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)也采用滾珠絲桿傳動(dòng)，直接用手柄驅(qū)動(dòng)，而沒(méi)有采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)軌則采用了滑動(dòng)導(dǎo)軌。 通過(guò)對(duì)電火花成型機(jī)床資料的了解，把電花成型機(jī)分為主機(jī)結(jié)構(gòu)、工作液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)、數(shù)控電源柜等幾個(gè)主要部分開始設(shè)計(jì)。其中，我們主要考慮主機(jī)部分的設(shè)計(jì)，它的結(jié)構(gòu)形式是單柱床身，前邊有十字滑座工作臺(tái)，后邊裝有立柱，立柱正前方裝有主軸頭，能沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)。立柱右側(cè)配有機(jī)床電器控制箱和控制柜。立柱上方裝主軸頭升降電機(jī)及減速箱。其主要包括床身、主軸、電極頭、工作臺(tái)及十字滑座五部分的設(shè)計(jì)。 圖2.3是型電火花成型機(jī)外觀圖 圖2.3 型電火花成型機(jī)外觀圖 （1）床身結(jié)構(gòu) 機(jī)床采用滑枕式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有較好的剛性和較大的承載能力，并且加工精度高，穩(wěn)定性能好，工作液箱大，加工效率高。機(jī)床的X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿的形式。三個(gè)坐標(biāo)導(dǎo)軌采用滑動(dòng)導(dǎo)軌。 （2）主軸箱結(jié)構(gòu)及主傳動(dòng)形式 主軸箱包括主軸伺服系統(tǒng)和主軸平衡結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶與滾珠絲桿連接?；硪苿?dòng)采用精密直線導(dǎo)軌副。主軸箱還裝有剎車裝置，防止主軸頭自動(dòng)滑下。當(dāng)強(qiáng)電接通時(shí)，剎車器放松，電機(jī)可帶滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，使滑板帶動(dòng)主軸箱上下移動(dòng)。當(dāng)強(qiáng)電關(guān)閉時(shí)，剎車器鎖住絲桿，防止主軸箱因自重掉下來(lái)。主傳動(dòng)形式主要有三種（如圖2.4）：1帶有變速齒輪的主傳動(dòng)(a) ；2.通過(guò)帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)（b）； 3．由主軸電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)(c) 。 圖2.4主傳動(dòng)形式 由于主傳動(dòng)要保證傳動(dòng)比，并且同步齒形帶傳動(dòng)噪音小，故本設(shè)計(jì)采用同步齒形帶傳動(dòng)。 （3） 工作臺(tái) 工作臺(tái)采用手柄直接與滾珠絲桿副相連，滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛性好、抗震性高等特點(diǎn)，移動(dòng)采用精密直線滑動(dòng)導(dǎo)軌副。 (a)滑動(dòng)導(dǎo)軌 (b)滾動(dòng)導(dǎo)軌 圖2.5 工作臺(tái)連接結(jié)構(gòu) （4）桿的支承形式： ???滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，而徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。其兩端支承的配置情況分為一端固定一端自由、兩端固定和一端固定一端浮動(dòng)，如圖2.6所示。 圖2.6 滾珠絲杠的支承配置 a)一端固定一端自由 b)兩端固定 c)一端固定一端浮動(dòng) 1)圖3.7(a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向剛度低，適用于短絲杠及垂直布置絲杠，一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)整環(huán)節(jié)和升降臺(tái)式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)軸。 2)圖3.7(b)所示是一端固定一端浮動(dòng)的支承形式，絲杠軸向剛度與a)形式相同，絲杠受熱后有膨脹伸長(zhǎng)的余地，需保證螺母與兩支承同軸。這種形式的配置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難，適用于較長(zhǎng)絲杠或臥式絲杠。 3)圖3.7(c)所示是兩端固定的支承形式，絲杠的軸向剛度約為一端固定形式的4倍，可預(yù)拉伸，這樣既可對(duì)滾珠絲杠施加預(yù)緊力，又可使絲杠受熱變形得到補(bǔ)償，保持恒定預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)工藝都較復(fù)雜，適用于長(zhǎng)絲杠。本課題中采用第一種支承配置方式 5）工作液槽結(jié)構(gòu) 工作液槽安裝在工作臺(tái)上，工作液槽采用單開門的結(jié)構(gòu)形式，門外密封采用O形密封結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)油開關(guān)及沖吸油壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)改變油壓壓力。為了保證加工過(guò)程安全進(jìn)行，加工時(shí)工作液面必須比工件上表面高出一定高度，因而在工作液槽上裝有液面高度控制器，隨著不同高度的工件調(diào)節(jié)手柄的高度。當(dāng)液面升到一定位置時(shí)，液面控制器接通，此時(shí)才能進(jìn)行放電工作狀態(tài)。當(dāng)加工中液面降低時(shí)，液面控制器斷開，電柜報(bào)警，停止加工。當(dāng)加工中工作油溫超過(guò)60·時(shí)，溫度控制器斷開，電柜報(bào)警，停止加工。 三 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 電火花機(jī)床主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要部分是實(shí)現(xiàn)電火花主軸自動(dòng)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。即是保持電極與工件之間有恒定的放電間隙，而達(dá)到穩(wěn)定的加工目的。因而伺服系統(tǒng)的品質(zhì)優(yōu)劣直接影響電火花機(jī)床性能的指標(biāo)。根據(jù)電火花機(jī)床加工的特點(diǎn)，伺服控制系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下要求： 響應(yīng)速度快； 進(jìn)給速度調(diào)節(jié)范圍廣； 超調(diào)量小，保證在正常放電間隙內(nèi)。 國(guó)內(nèi)電火花機(jī)床較普遍采用噴嘴擋板式液壓主軸頭，這里我們參考電火花機(jī)床，采用電動(dòng)機(jī)絲桿式主軸頭，主要由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)），絲桿和滑枕組成，其工作原理：立柱上方裝有伺服電機(jī)，通過(guò)同步齒形皮帶和減速齒輪傳遞給滾珠絲桿，再通過(guò)絲桿螺母把絲桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成滑枕的上下直線移動(dòng)，主軸下端裝有電極夾具，從而實(shí)現(xiàn)伺服加工。主軸剖面示意圖如下： 圖3.1 主軸剖面示意圖 1.絲桿支撐座 2.軸承 3.減速齒輪4.壓緊螺母5.軸承座6.螺母7.絲桿 9.直線導(dǎo)軌 3.2 電機(jī)的選擇 電機(jī)的選擇：由于伺服驅(qū)動(dòng)部件是數(shù)控系統(tǒng)中與機(jī)械直接有關(guān)的部分，它們的性能決定了機(jī)床各進(jìn)給軸、主軸和其他伺服軸的基本控制特性，它們的價(jià)格也占整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的大部分，所以正確、合理地選擇可靠(因?yàn)閺哪壳扒闆r來(lái)看，伺服故障占電氣故障的比例較大)的伺服驅(qū)動(dòng)部件對(duì)提高產(chǎn)品的功能/價(jià)格比起著決定性的作用。這里我們選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為主軸的伺服電機(jī)。 脈沖當(dāng)量的選擇 目前，常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖控制的特種電機(jī)，對(duì)于每一個(gè)電脈沖步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移，每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角，可由選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)從技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出。 因此，每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲桿使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行件（如工作臺(tái)）的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為，單位為mm/脈沖。 應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來(lái)選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。此次設(shè)計(jì)的電火花成型機(jī)對(duì)機(jī)床定位精度的設(shè)計(jì)要求是±0.01mm，根據(jù)該精度要求可確定脈沖當(dāng)量為=0.005mm/脈沖 傳動(dòng)比的選定 因?yàn)椴捎猛烬X形帶傳動(dòng)，故能精確的保證傳動(dòng)比為1:1。 步進(jìn)電機(jī)的選用 轉(zhuǎn)矩的有關(guān)計(jì)算： 本課題中的已知條件： 根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)要求,電極最大重量為70Kg，根據(jù)估計(jì)有關(guān)的工件重量為：主軸35Kg, 直線導(dǎo)軌6Kg，主軸絲桿2.5 Kg,主軸下端板8Kg，罩殼等重量3.5 Kg，滾珠絲桿預(yù)壓力N=400N 直線導(dǎo)軌摩擦力不計(jì)，電機(jī)需要拖動(dòng)重量共計(jì)G=125Kg，電機(jī)需要拖動(dòng)力F=1250N。 時(shí)間常數(shù)：T=25 ms；滾珠絲杠基本導(dǎo)程： Ph=4mm； 脈沖當(dāng)量： mm/step；步距角：/step； 快速進(jìn)給速度：m/min； 加工進(jìn)給速度V=0.08m/min； 綜合系數(shù)f’=0.2； 主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： （1）主軸質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （2）絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （3）齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很少，故忽略不計(jì) 因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算： 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 式中 —空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； —折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩； —由于絲杠絲杠所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩； —切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩； —折算到電極軸上的切削負(fù)載力矩。 當(dāng)時(shí) 當(dāng) 時(shí) 所以快速空載啟動(dòng)所需力矩 所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí) =9.96kgf.cm=99.6N.cm 步進(jìn)電機(jī)具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。 數(shù)控電火花成型機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，根據(jù)求出的最大轉(zhuǎn)矩=9.96kgf.cm=99.6N.cm與進(jìn)給速度。我們選用了型號(hào)90BF004的電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。 校核時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟： 1.根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào) (1)步距角 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角,由于 綜合考慮，我初選了，即 可滿足以上公式。 (2)距頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是： Mmq= 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算： 式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。 而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即： MkqMmq=λMjmax 計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下： ①加速力矩 ②空載摩擦力矩 ③附加摩擦力矩 2．啟動(dòng)矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。 前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。 突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。 3.3 同步齒形帶設(shè)計(jì) 由于電火花機(jī)床工作對(duì)放電間隙要求比較高，所以在選擇電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿之間的轉(zhuǎn)矩傳遞時(shí)，我們選擇了同步帶傳動(dòng)。它綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶通常是以鋼絲繩或玻璃纖維繩等為抗拉層、氯丁橡膠或聚氨酯橡膠為基體、工作面上帶齒的環(huán)狀帶，如下圖3-2所示。工作時(shí)，帶的凸齒與帶輪外緣上的齒槽進(jìn)行嚙合傳動(dòng)。由于抗拉層承載后變形小，能保持同步帶的周節(jié)不變，所以帶與帶輪之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)，從而也保證了同步傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。下面我們將進(jìn)行同步帶的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算： 設(shè)計(jì)功率Pd,，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)二》表14.1-55查得Ka=1.5 根據(jù)Pd和n1，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)《二》圖14-1-14選取帶型為XL型，節(jié)距Pb=5.080MM。 小帶輪齒數(shù)Z1根據(jù)帶型L和小帶輪轉(zhuǎn)速n1,查表14-1-56得小帶輪齒數(shù)Zmin=15，此處取Z1=16。 圖 3.2 小帶齒輪 小帶輪節(jié)圓直徑d1： 由表14.1-60查得其外徑 大帶輪齒數(shù)： 大帶輪節(jié)圓直徑： 由表14.1-60查得其外徑 帶速V 初定軸間距： 取 帶長(zhǎng)及其齒數(shù)： 由表14.1-51查得應(yīng)該選用帶長(zhǎng)代號(hào)為210的XL型同步帶，其節(jié)線長(zhǎng)為L(zhǎng)p=533.40MM，節(jié)線長(zhǎng)上的齒數(shù)Z=90。 實(shí)際軸間距a，此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整 小帶輪嚙合齒數(shù)Zm 基本額定功率P0 由表14.1-58查得Ta=50.17N，m=0.022kg/m 所需帶寬 由表14.1-52查得L型帶=9.5mm，=7，=1。 由表14.1-52查得應(yīng)選帶寬代號(hào)為037的XL型帶，=9.5mm。 帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動(dòng)選用的同步帶為210XL037 小帶輪： ，， 大帶輪：， 綜上計(jì)算，可根據(jù)上列參數(shù)決定帶輪的結(jié)構(gòu)和全部尺寸。 3.4 滾珠絲桿副設(shè)計(jì) 根據(jù)主軸升降設(shè)計(jì)方案，需要選擇傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)——滾珠絲桿及螺母。 滾珠絲桿副是由螺桿、螺母、滾珠和密封等零件組成的高精度機(jī)械傳動(dòng)部件，由于滾珠絲桿副的螺桿和螺母之間有滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以有較高的運(yùn)動(dòng)效率。其機(jī)械效率一般為0.92-0.96，而滑動(dòng)絲桿機(jī)械效率為0.20-0.40，與滑動(dòng)絲桿相比較，它的驅(qū)動(dòng)扭矩也在滑動(dòng)絲桿的1/3以下。另外，它也能把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而且還有運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)無(wú)爬行，使用期限長(zhǎng)等特點(diǎn)。 根據(jù)絲桿和螺母的運(yùn)動(dòng)情況，其基本傳動(dòng)形式有四種，如下圖所示：（a）螺母固定、絲桿傳動(dòng)并移動(dòng)；（b）絲桿傳動(dòng)，螺母移動(dòng)；（c）螺母移動(dòng)，絲桿傳動(dòng)；（d）絲桿固定、螺母?jìng)鲃?dòng)并移動(dòng)。這里，我們選擇絲桿傳動(dòng)、螺母移動(dòng)的傳動(dòng)方式。 圖3.3絲桿和螺母的傳動(dòng)形式 在主軸中的傳動(dòng)方式下圖1和圖2即反映出滾珠絲桿與滑動(dòng)絲桿傳動(dòng)效率以及滾珠絲桿傳動(dòng)中傳動(dòng)效率與摩擦系數(shù)、導(dǎo)程角的關(guān)系。 圖3.4傳動(dòng)效率關(guān)系圖 結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)滾珠絲桿傳動(dòng)原理，選擇滾珠循環(huán)方式為為螺旋槽式。 由于滾珠絲桿為螺母?jìng)鬟f。所以需進(jìn)行軸向間隙消除，常用的間隙調(diào)整和加預(yù)緊力方法有：1）墊片式調(diào)整；2）螺紋式間隙調(diào)整；3）差齒調(diào)整間隙。 精度和表面光潔度的選擇：目前，滾珠絲桿副的精度標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用范圍我們可以從下表中得到： 表3.1精度等級(jí) 精度等級(jí) 應(yīng)用范圍 代號(hào) 名稱 P 普通級(jí) 普通機(jī)床 B 標(biāo)準(zhǔn)級(jí) 一般數(shù)控機(jī)床 J 精密級(jí) 精密數(shù)控機(jī)床 G 超精級(jí) 精密數(shù)控機(jī)床 等 根據(jù)電火花機(jī)床機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)，我們選擇J級(jí)精度。 滾珠絲桿副各零部件選材及其熱處理方式，參考《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)二》，滾珠絲桿材料為GCr15或GCr15SiMn，熱處理及硬度為G60或C60；滾珠螺母材料為GCr15，硬度為C60；內(nèi)循環(huán)用反向器，材料為40Cr，熱處理及硬度為D-HRC56（離子氮化）；外循環(huán)用反向器材料為45#，65Mn，>HRC56。 綜合上述， 根據(jù)最大電極重量以及上述等因數(shù)，選擇直徑為d20的絲桿為GS320電火花成型機(jī)床主軸傳動(dòng)絲桿，又根據(jù)滾珠絲桿副的公稱軸徑與基本導(dǎo)程的組合，d20滾珠絲桿可以選擇導(dǎo)程為4MM。從機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)二中我們可以選出相應(yīng)的型號(hào)為的CDM2004-2.5滾珠絲桿。 滾珠絲桿的計(jì)算校核： 根據(jù)滾珠絲桿的選擇方法：我們可以通過(guò)校核額定動(dòng)載荷或者靜載荷強(qiáng)度來(lái)確定。根據(jù)額定動(dòng)載荷計(jì)算公式： 又計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速 絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速 計(jì)算絲桿所需的額定載荷 綜合上公式計(jì)算得滿足強(qiáng)度要求。 由于滾珠桿的摩擦系數(shù)小，不能自鎖，具有逆向傳動(dòng)功能。在用于傳動(dòng)垂直移動(dòng)時(shí)，必須防止傳動(dòng)中止后，由于主軸的自重而產(chǎn)生逆向傳動(dòng)，由部件重力使?jié)L珠絲桿產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)的力矩Mf為： 其中G為重力，S為導(dǎo)程，逆?zhèn)鲃?dòng)效率，一般可認(rèn)為與正向傳動(dòng)效率相等。 由上可知，要防止中斷后逆轉(zhuǎn)，只需增加一個(gè)大于或等于Mf的反向力矩即可。這里我們采用的方法是直接選用不能逆?zhèn)鲃?dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 螺母的選擇：根據(jù)滾珠絲桿的參數(shù)，選擇相應(yīng)的螺母。 螺母示意圖如下（圖3.5） 有滾珠絲桿的端軸徑選擇型號(hào)為202單列向心球軸承1對(duì)。外配有相應(yīng)軸承座和軸承蓋及直徑為12的壓緊圓螺母。 圖3.5 滾珠絲桿螺母副 滾珠絲桿副的潤(rùn)滑： 為了使?jié)L珠絲桿充分發(fā)揮機(jī)能，所以在其工作狀態(tài)下必須潤(rùn)滑，其潤(rùn)滑方式主要有兩種： 潤(rùn)滑脂：潤(rùn)滑脂的給脂兩一般是螺母內(nèi)空間容積的1/3。一般滾珠絲桿副在出廠時(shí)已經(jīng)在螺母內(nèi)加注GB7324+942#鋰基潤(rùn)滑脂。 潤(rùn)滑油：潤(rùn)滑油的給量標(biāo)準(zhǔn)如下表所示： 表3.2潤(rùn)滑油的給量標(biāo)準(zhǔn) 軸承（mm） Φ4~Φ8 0.03 Φ10~Φ14 0.05 Φ15~Φ18 0.07 Φ20~Φ25 0.10 Φ28~Φ32 0.15 Φ36~Φ40 0.25 Φ45~Φ50 0.30 Φ55~Φ63 0.40 3.5 直線導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 根據(jù)主軸的運(yùn)動(dòng)要求：a)摩擦阻力低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 b)起動(dòng)摩擦力小，隨動(dòng)性能好。 c)壽命長(zhǎng)，機(jī)械能耗小和精度高以及高剛度，變形小等因數(shù)。綜上所述，GS320電火花成型機(jī)床主軸上我們選擇了雙V型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌。它由兩根具有V型滾道的導(dǎo)軌，滾子保持架，滾子等組成。同時(shí)，滾動(dòng)導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小，動(dòng)、靜摩擦的系數(shù)很接近等特點(diǎn)。因此，運(yùn)動(dòng)輕便靈活，運(yùn)動(dòng)所需功率小，摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持性好，低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，移動(dòng)精度和定位精度都高，而切其潤(rùn)滑簡(jiǎn)單，直線排列的圓珠滾子在經(jīng)過(guò)精密磨削的V型滾道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可承受各個(gè)方向的載荷，實(shí)現(xiàn)高精度，平穩(wěn)的直線運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)如下圖所示（圖3.6） 圖3.6滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾動(dòng)導(dǎo)軌的材料：滾動(dòng)導(dǎo)軌最常用的材料是硬度為HRC60-62的淬硬鋼，以及硬度為HB200-220的鑄鐵，如HT20-40。 淬硬鋼導(dǎo)軌具有承載能力高和耐磨等優(yōu)點(diǎn)，但制造困難、成本較高。它主要適用于載荷高、動(dòng)載和沖擊載荷大、需要預(yù)緊和防護(hù)比較困難的場(chǎng)合。而鑄鐵導(dǎo)軌適用于中、小載荷又無(wú)動(dòng)載荷，不需要預(yù)緊，以及采用鑲裝結(jié)果困難的情況。根據(jù)主軸運(yùn)動(dòng)情況，我們選擇鑄鐵為材料的滾動(dòng)導(dǎo)軌。 技術(shù)要求：因?yàn)閷?dǎo)軌面和滾動(dòng)體的制造誤差，直接影響機(jī)床的加工精度和各滾動(dòng)體上載荷的分布。對(duì)于電火花成型機(jī)床，設(shè)計(jì)導(dǎo)軌要求導(dǎo)軌的不直度小于10微米，導(dǎo)軌的不平行度在兩導(dǎo)軌面間一般為3微米，滾動(dòng)體的直徑差要求小于1微米。 滾動(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)緊：不預(yù)緊的導(dǎo)軌跟混合摩擦滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，剛度約低25-50%。通常我們預(yù)緊的辦法一般有兩種：（1）采用過(guò)盈配合，一般過(guò)盈量為δ=5-6微米。（2）采用調(diào)整元件，即使用調(diào)整斜鑲條和調(diào)節(jié)螺釘進(jìn)行預(yù)緊。這里，我們采用前面一種方法，即在裝配是采用過(guò)盈配合。 選擇V型導(dǎo)軌型號(hào)： 圖3.7滾動(dòng)導(dǎo)軌尺寸 表3.3導(dǎo)軌參數(shù) 參數(shù) 型號(hào) d W a b c M l l D h 額定荷載 （KN） Ca COa DV3 3 18 8 8.3 3.5 M4 12.5 25 6 3.1 0.27 0.36 DV4 4 22 11 10.2 4.5 M5 20 40 8 4.2 0.63 0.76 DV6 6 30 15 14.4 6 M6 25 50 9.5 5.2 1.7 1.9 DV9 9 40 20 19.2 8 M8 50 100 10.5 6.2 4.3 4.36 綜上選擇型號(hào)為DV6直線導(dǎo)軌。下面對(duì)DV6進(jìn)行壽命時(shí)間計(jì)算： 額定壽命 壽命時(shí)間 年 滿足機(jī)床要求。 導(dǎo)軌的潤(rùn)滑和防護(hù)：為了減少摩擦，提高機(jī)械效率；減少磨損，延長(zhǎng)壽命；降低溫度，改善工作條件和防止生銹。都必須對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行潤(rùn)滑。此處導(dǎo)軌潤(rùn)滑方式我們采取壓力油強(qiáng)制潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油可選擇30號(hào)或40號(hào)機(jī)械油。導(dǎo)軌的防護(hù)我們采取主軸外罩上外罩，使導(dǎo)軌處于封閉狀態(tài)下，隔絕各種硬粒進(jìn)入導(dǎo)軌工作面而產(chǎn)生磨損。 四 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求：工作臺(tái)面積 長(zhǎng)*寬為550MM*300MM 工作臺(tái)T型槽數(shù)：3條，工作臺(tái)中央基準(zhǔn)T型槽寬12H8。 工作臺(tái)用以安裝工件，根據(jù)電火花成型機(jī)床設(shè)計(jì)要求，工作臺(tái)為移動(dòng)工作臺(tái)，因此，則有一組導(dǎo)軌。移動(dòng)工作臺(tái)的形狀有三種： （1）箱形升降臺(tái)式，如下圖所示： 圖4.1箱形升降臺(tái)式 （2）矩形工作臺(tái)，如銑床、刨床、磨床等。其結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖4.2矩形工作臺(tái) （3）圓形工作臺(tái)，如立式車床，齒輪加工機(jī)床等，起結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖4.3圓形工作臺(tái) 從上面知識(shí)了解及電火花機(jī)床對(duì)工作臺(tái)的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)電火花成型機(jī)床工作臺(tái)與十字滑座配合，可以進(jìn)行左右行程移動(dòng)。為了提高剛度，特別是提該局部剛度，工作抬內(nèi)部我們?cè)O(shè)計(jì)了隔板和筋。又因?yàn)榫匦魏蛨A形工作臺(tái)的剛度主要由它們的高度決定，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)工作臺(tái)尺寸時(shí)還需要注意到工作臺(tái)的高度與其寬度之比，根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)二，這個(gè)比值大約為0.1-0.18，較窄的工作臺(tái)取大值。所以工作臺(tái)底座應(yīng)有與十字滑座配合的導(dǎo)軌。而且導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)必須滿足下列要求： 1）幾何精度要求，即運(yùn)動(dòng)的直線度或回轉(zhuǎn)精度。 2）運(yùn)動(dòng)精度要求，運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和定位精度（線定位和角定位）。 3）具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長(zhǎng)。 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、便于調(diào)整和安裝。 5）具有良好的潤(rùn)滑和防護(hù)裝置。 根據(jù)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)條件：我們選擇導(dǎo)向精度高，磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?duì)稱形V型導(dǎo)軌和矩形平導(dǎo)軌相配合的導(dǎo)軌組成形式。 參考GS320電火花成型機(jī)床工作臺(tái)導(dǎo)軌尺寸，我們可以從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 二》中表9.3-5選取三角形導(dǎo)軌尺寸B=35MM，相應(yīng)矩形平導(dǎo)軌尺寸B=40MM。 導(dǎo)軌間隙調(diào)整：這里我們采用三角形和矩形配合導(dǎo)軌，不需要鑲條調(diào)整間隙，導(dǎo)向精度好。 導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和尺寸如下圖示： 圖4.4導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和尺寸 導(dǎo)軌材料： 由于用于導(dǎo)軌的材料應(yīng)該具有良好的耐磨性，摩擦系數(shù)小和動(dòng)靜摩擦系數(shù)差小，加工和使用時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，尺寸穩(wěn)定性好等性能。機(jī)床滑動(dòng)導(dǎo)軌常用材料主要是灰鑄鐵和耐磨鑄鐵。其中灰鑄鐵通常以HT200或HT300做固定導(dǎo)軌，以HT150或HT200做動(dòng)導(dǎo)軌。這里我們選擇鑄鐵-鑄鐵導(dǎo)軌。 導(dǎo)軌熱處理：一般重要導(dǎo)軌，鑄件粗加工后要進(jìn)行一次時(shí)效處理，高精度導(dǎo)軌半精加工后還要進(jìn)行第二次時(shí)效處理。 目前常用的淬火方法有： 1） 高、中頻淬火，淬硬層深度（1—2）MM。硬度（40--50）HRC。 2） 電接觸加熱自冷表面淬火，淬硬層深度（0.2—0.25）MM，顯微硬度600HM左右。這種淬火方法主要用于大型鑄件導(dǎo)軌。 綜上，我們這里選擇第一種熱處理方式。 導(dǎo)軌的技術(shù)要求： 1） 表面粗糙度，導(dǎo)軌的加工我們采用磨削，要求達(dá)到的表面粗糙度為：動(dòng)導(dǎo)軌0.4，固定導(dǎo)軌0.2。 2） 幾何精度（主要指導(dǎo)軌的直線度和導(dǎo)軌間的平行度、垂直度等）。 滑動(dòng)導(dǎo)軌的壓強(qiáng)計(jì)算 1） 導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng)： 導(dǎo)軌的許用壓強(qiáng)是影響導(dǎo)軌耐磨性和接觸變形的主要因素之一。設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)將壓強(qiáng)取的過(guò)大，則會(huì)加劇導(dǎo)軌的磨損；若取得過(guò)小，又會(huì)加大尺寸，因此要根據(jù)具體的情況，適當(dāng)?shù)倪x擇壓強(qiáng)的許用值。通用機(jī)床鑄鐵-鑄鐵，鑄鐵-鋼導(dǎo)軌副的許用壓強(qiáng)可以從下表中選擇。 表4.1鑄鐵導(dǎo)軌的使用壓強(qiáng)（MPa） 導(dǎo)軌種類 平均壓強(qiáng) 最大壓強(qiáng) 直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和滑動(dòng)速度較大的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 中型機(jī)床 0.4-0.5 0.8-1.0 重型機(jī)床 0.2-0.3 0.4-0.6 滑動(dòng)速度低的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 中型機(jī)床 1.2-1.5 2.5-3.0 重型機(jī)床 0.5 1.0-1.5 磨床 0.025-0.04 0.05-0.08 主運(yùn)動(dòng)和滑動(dòng)速度較大的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的圓導(dǎo)軌，D為導(dǎo)軌直徑MM D<300 0.4 D>300 0.2-0.3 環(huán)狀 0.15 從上表中我們可以選擇最大壓強(qiáng)為2.5-3.0，平均壓強(qiáng)為1.2-1.5的鑄鐵-鑄鐵導(dǎo)軌。 由于電火花成型機(jī)床是通過(guò)間隙放電腐蝕材料加工，所以沒(méi)有切削力存在，導(dǎo)軌僅受到導(dǎo)軌部件和工件重力G和牽引力Q。 外力矩 ： 導(dǎo)軌平均壓強(qiáng)的計(jì)算： 所以上述導(dǎo)軌尺寸滿足強(qiáng)度要求。 五 十字滑座設(shè)計(jì) 參照電火花成型機(jī)床十字滑座，工作臺(tái)通過(guò)導(dǎo)軌在滑座上橫向移動(dòng)，移動(dòng)行程為300MM，