三軸數(shù)控電火花機床設(shè)計概述

1、沈陽工程學院畢業(yè)論文 題 目：三軸數(shù)控電火花機床設(shè)計 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2016年 6月 沈陽工程學院本科畢業(yè)設(shè)計 目錄 摘要II AbstractIJJ. 第一章引言1. 1.1題研究的目的和意義 錯誤！未定義書簽。 1.2國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 2. 1.3擬解決的關(guān)鍵問題和研究方法錯誤！未定義書簽。 1.4電火花加工特點和適用范圍錯誤！未定義書簽。 第二章電火花成型機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 2.1電火花成型機的結(jié)構(gòu)形式7. 2.2電火花成型機結(jié)構(gòu)設(shè)計8. 第三章主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計12 3.1 主軸傳動系統(tǒng)設(shè)計方案 12 3.2 電機的選擇

2、1.3 3.3 同步齒形帶設(shè)計錯誤！未定義書簽。 3.4滾珠絲桿副設(shè)計1.9 3.5直線導軌設(shè)計錯誤！未定義書簽。 第四章工作臺設(shè)計25 第五章十字滑座設(shè)計30 第六章電極夾頭的設(shè)計33 第七章機床潤滑系統(tǒng)36 第八章工作液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)38 第九章結(jié)論39 參考文獻40 致謝錯誤！未定義書簽。 摘要 介紹了電火花成型機床的加工原理、特點及其發(fā)展歷程：它是通過脈沖直流 電源不斷產(chǎn)生火花放電來去除工件材料，且在工件與工具之間有絕緣液體介質(zhì)。 分析并設(shè)計了電火花成型機床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 機床總體布局為單柱立式，主軸采 用步進電機拖動滾珠絲桿完成升降，利用步進電機多級可變細分技術(shù)，實現(xiàn)伺服 系統(tǒng)的變頻、變步

3、距雙重伺服調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的跟蹤能力和穩(wěn)定性。 進給系統(tǒng)采 用滾珠絲桿和十字滑座實現(xiàn)工作臺的橫向、縱向移動，運動平穩(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， 一個重要的發(fā)展方向就是對機床成形運動方式的創(chuàng)新和多樣化。本課題的研究， 是對電火花成型加工發(fā)展方向的一次有益嘗試， 通過改進電火花加工機床的伺服 系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機床結(jié)構(gòu)等，在保證加工精度的前提下提高了加工效率；通過 開放式的控制系統(tǒng)，提高了電火花成型加工過程的自動化。 關(guān)鍵詞：電火花；主軸；滾珠絲桿； 十字滑座；V型導軌 II 沈陽工程學院本科畢業(yè)設(shè)計 Abstract The process ing pri

4、n ciples, characteristics and developme nt process of the EDM mach ine by author is in trod un ced 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 st

5、ructure 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 mach in etool acapt divided drev ing tech nique of step motor,a nd realizes dual regulations with ch

6、anging 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 horiz on tal and vertical , smooth moti on. EDM should be in the process ing accuracy, process ing efficie ncy, process ing and ot

7、her aspects of the scope of a major breakthrough, an importa nt directi on of development is the right tool forming movement pattern of innovation and diversificati on. The study of this topic is a directi on of developme nt of EDM machining a useful attempt, by improving EDM servo systems, control

8、systems, machine tool structure, guarantee the processing precision under the premise of improvi ng the process ing efficie ncy; through ope n the con trol system to improve the EDM process automatio n. Keywords: EDM ； main spindle； ball screw； Cross slide； V-shaped guideways iii 第一章引言 第一章引言 QQ:1235

9、36215、 870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取 的局限。 本課題以北京迪蒙卡特機床有限公司現(xiàn)有的 CTS400三軸數(shù)控電火花成形機 床為研究對象，對機床的X、丫、Z軸的相關(guān)運動部分進行變型設(shè)計與分析，使 機床機構(gòu)達到優(yōu)化，功能趨于完善。通過對 CTS400主要部件的設(shè)計與建模、虛 擬裝配的研究和動畫仿真，初步地探討了機床設(shè)計的思路和虛擬裝配這種比較新 的工具在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用。 本課題的主要目的：本課題在對電火花成型機原理分析研究基礎(chǔ)上，研究設(shè) 計機床的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動控制、結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析與優(yōu)化等。其主要內(nèi)容如下：1、 了解電火花成型機的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，根據(jù)零件加工要求，設(shè)計機

10、床整體結(jié)構(gòu)；2、 設(shè)計機床的進給系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；3、對機床運動進行運動學分析和參數(shù)優(yōu) 化。4、對進給系統(tǒng)進行控制部分設(shè)計。 1.2國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 電火花成型機在20世紀40年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)，最初出現(xiàn)的只 可單軸進給的單立柱機床。隨后出現(xiàn)了多軸聯(lián)動，多立柱的電火花成型機。異形 小孔的加工機床的出現(xiàn)也是電火花成型機發(fā)展史上的一大進步，例如D703型高 速電火花夾攻小孔機床。SP1-30鏡面電火花機采用的松下伺服系統(tǒng)，表面粗糙 度可達Ra0.1um,HE350-CNC雙頭機電火花成型機為我國自主研發(fā)，加工效 率成倍提高。但就總體而言，我國在電火花加工領(lǐng)域同日本等國際先進水 平還

11、有一定差距。 當前，電火花加工技術(shù)正向著高效化、精密化、智能化、微細化、復合化 等方向發(fā)展，一些新技術(shù)、新思想不斷被運用到電火花加工中去，同時，許多新 的工藝手段也不斷涌現(xiàn)，主要包括以下幾個方面：(1)微細電火花加工技術(shù) 微細 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∮?200以下的加工手段。微細電火花加工 技術(shù)是電火花加工技術(shù)在微細加工領(lǐng)域的一個重要分支，從文獻檢索的情況來看, 國內(nèi)外關(guān)于微細電火花加工方面的論文非常多， 足以說明此研究方向受關(guān)注的程 度。(2)超聲電火花復合加工技術(shù) 在特種加工領(lǐng)域中，綜合利用不同加工方法 的技術(shù)

12、特長，將多種能量形式進行巧妙結(jié)合的復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， 進行超聲電火花復合加工，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程、加速排除電蝕產(chǎn)物等作用，被認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)工大學國枝正典教授等人提 出的氣中放電加工技術(shù)完

13、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)和軸向伺服運動，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， 同時加速了熔融和氣化金屬的拋出 過程，并起到冷卻電極的作用。氣中放電加工的最大優(yōu)點在于加工過程中電極損 耗極低，而且加工時不產(chǎn)生有害氣體，安全性較高，又可簡化機床結(jié)構(gòu)，因而也 是倍受關(guān)注而成為熱點。（4）電火花表面強化技術(shù)由于零件表面性能在零件的 使用過程中所起到的重要作用，表面強化技術(shù)受到了人們的重視。電火花表面強 化技術(shù)是一種簡便而靈活的表面處理方法， 它是通過電火花放電作用將作為電極 的導電材料熔滲進工件表層金屬，形成合金

14、化的表面強化層，從而使工件表面的 物理、化學和機械性能得到改善。電火花表面強化與其他表面強化方法相比，具 有如下優(yōu)點：設(shè)備簡單，在普通電火花加工機床上即可進行，強化成本較低，處 理速度較快，因只在局部進行放電，零件整體溫度仍為室溫因而不會引起零件變 形，以及可處理復雜零件等，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。通過查閱分析數(shù)據(jù)及市場調(diào)研，近來電火花成型機床在雖然高效率精 密加工技術(shù)方面有不斷的進步，但在目前市場競爭中仍然有著很大的危險。 我們 可以透過于02年9月4日在美國芝加哥舉行的IMT2002來分析：在此次展覽中， 我們可以看到來自瑞士阿奇夏米爾公司、 西班牙歐那公司

15、、日本的三菱公司、沙 迪克等公司帶來的EDM產(chǎn)品。其中，在電火花成型機床方面，也主要體現(xiàn)在向著 高效和精密加工的方向邁進，但同時專家系統(tǒng)的出現(xiàn)也搶占了其部分市場。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現(xiàn)。 目前精密加工技術(shù)中，能加工型腔模的設(shè)備越來越多，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。國外某些HSM勺制造商 已經(jīng)把HSM說成是“完全可以替代 EDM的“無EDM加工技術(shù)”，而且說HSM是 不需要拋光的一次性技術(shù)等等。當然這樣的說法可能有點言過其實，但H

16、SM勺發(fā) 展對EDM確實產(chǎn)生了一定的影響。使得電火花成型機床在市場中面臨激烈的競爭。 但與HSM的比較中，EDM同時也有著它自己的特點。例如在加工硬度為 50-54HRC的鋼材來說，HSM能加工高硬度材料，不等于它的加工性能好，技術(shù)經(jīng) 濟合理。因為加工所使用的價格昂貴的刀具壽命只有一小時。也就是說HSM寸硬 材料加工性能差，而高硬度材料的加工正是EDMS特長。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。 以上說明，HSMW電火花成型機床不是誰替代誰的問題，而是相輔相成、互 相發(fā)展的問題。同時也說明，在強手林立的市場競爭中，雖然有著強有力的競爭 對手，但仍然

17、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床設(shè)計， 希望對原有電火花成型 機床有一定 QQ:123536215、 870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取 6 加工中材料的去除是靠放電時的電熱作用實現(xiàn)的， 材料的可加工性主要取決 于材料的導電性及其熱學特性，如熔點、沸點（氣化點）、比熱容、導熱系數(shù)、 電阻率等，而幾乎與其力學性能（硬度、強度等）無關(guān)。這樣可以突破傳統(tǒng)切削 加工對刀具的限制，可以實現(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. 可以加工特殊及復雜形狀

18、的零件。由于加工中工具電極和工件不直接接 觸，沒有機械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細加工。由于可以 簡單地將工具電極的形狀復制到工件上，因此特別適用于復雜表面形狀工件的 加工，如復雜型腔模具加工等。數(shù)控技術(shù)的采用使得用簡單的電極加工復雜形 狀零件也成為可能。 3 易于實現(xiàn)加工過程自動化。由于是直接利用電能加工，而電能、電參 數(shù)較機械量易于數(shù)字控制、適應(yīng)控制、智能化控制和無人化操作等。 4.可以改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，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)，減少了加工工時和裝配工時，延長 了使用壽命。又如噴氣發(fā)動機中的葉輪，采用電火花加工后可以拼鑲、焊

19、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 等絕緣的非導電材料。但近年來研究表明，在一定的條件下也可以加工半導體 和聚晶金剛石等非導體超硬材料。 2. 加工速度一般較慢。因此通常安排工藝多采用切削來去除大部分余量， 然后再進行電火花加工，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、熱來蝕除金屬，電極也會遭受損 耗，而且電極損耗多集中在尖角或低面，影響成型

20、精度。但最近的機床的產(chǎn)品 在粗加工時已能將電極相對損耗比降至 1%以下，在中、精加工時能將損耗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0.020.3mm）,若電極有損耗或采用平動頭加工，則角部半徑還 要增大。但近年來的多軸數(shù)控電火花加工機床，采用X、丫、Z軸數(shù)控搖動加 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)切削加工所無法比擬的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域 日益擴大，目前已廣泛應(yīng)用于機械（特別是模具制造）、宇航、航空、電子、電 機、電器、精密微細機械、儀器儀表、汽車、輕工業(yè)等行業(yè)，以解決難加工材料

21、 及復雜形狀零件的加工問題。加工范圍已達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。 第二章電火花成型機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 第二章電火花成型機床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1電火花成型機的結(jié)構(gòu)形式 電火花成型加工機床結(jié)構(gòu)有多種形式，根據(jù)不同加工對象，常見的結(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)和臺式結(jié)構(gòu)。 % -r 1 1 T / 1 _L_l ( 1 .1 丨 、 1 -1 圖2.1“ C”形結(jié)構(gòu) 1-床身2-立柱3-主軸頭 4-工作臺 “C”形結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。加工時，工作臺實現(xiàn)X軸和丫軸伺服進給運動， 主軸頭實現(xiàn)Z軸伺服進給運動。此類機床的結(jié)構(gòu)特點是：床身、立柱

22、、主軸頭、 工作臺構(gòu)成一“ C字形。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，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。缺點是：工件裝 卸不方便，每次安裝、檢測工件都必須開門放油，然后再關(guān)門上油?！?C”形結(jié)構(gòu) 較適合中、小型機床，國內(nèi)機床大部分采用此種結(jié)構(gòu)形式。 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床中的牛頭刨 床。工作臺固定不動或?qū)崿F(xiàn)X方向移動，主軸頭通過滑枕實現(xiàn)丫方向移動或X, 丫 方向的移動。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：裝卸、檢測工件十分方便，此結(jié)構(gòu)為設(shè)計、安 裝可升降式工作液槽提供方便；當可升降工作

23、液槽下降時，工件完全暴露出來， 可以方便地對工件進行安裝、檢測，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。缺點是：結(jié)構(gòu)較復雜，制造成本較高。牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)比較適 合數(shù)控化程度較高的機床。 因為“C型結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，具有較好的精度和剛性，且造 價相對牛頭式機床更加低廉等優(yōu)點，故本設(shè)計采用“ C”型結(jié)構(gòu)。 2.2電火花成型機結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)對電火花成型機床功能原理的分析，我們需要實現(xiàn)主軸頭和工件之間通 過脈沖電源放電來蝕除材料。這要求主軸個工作臺之間形成隔緣， 然后分別接脈 沖電源的正、負極。根據(jù)任務(wù)書要求，設(shè)計總體布局為單柱立式。 首先，我將設(shè)計任務(wù)書所給的條件同時參照電火花成型機床參數(shù)列表如下： 1）機械規(guī)格 表2.1設(shè)計參數(shù) 名稱一一 電火花成型機床 工作臺 550X 300MM 左右行程 300MM 前后行程 200MM QQ:123536215、 870862708 全套圖紙及說明書，英文翻譯可獲取 12 (b) 圖2.4主傳動形式 由于主傳動要保證傳動比, 并且同步齒形帶傳動噪音小, 故本設(shè)計采用同步 齒形帶傳動。 （3）工作臺 工作臺采用手柄直接與滾珠絲桿副相連，滑動導軌具有結(jié)構(gòu)簡 單、制造方便、剛