三轴数控电火花机床设计概述

1、沈阳工程学院毕业论文 题 目：三轴数控电火花机床设计 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2016年 6月 沈阳工程学院本科毕业设计 目录 摘要II AbstractIJJ. 第一章引言1. 1.1题研究的目的和意义 错误！未定义书签。 1.2国内外研究历史与现状 2. 1.3拟解决的关键问题和研究方法错误！未定义书签。 1.4电火花加工特点和适用范围错误！未定义书签。 第二章电火花成型机床总体结构设计 7 2.1电火花成型机的结构形式7. 2.2电火花成型机结构设计8. 第三章主轴传动系统设计12 3.1 主轴传动系统设计方案 12 3.2 电机的选择

2、1.3 3.3 同步齿形带设计错误！未定义书签。 3.4滚珠丝杆副设计1.9 3.5直线导轨设计错误！未定义书签。 第四章工作台设计25 第五章十字滑座设计30 第六章电极夹头的设计33 第七章机床润滑系统36 第八章工作液循环装置结构38 第九章结论39 参考文献40 致谢错误！未定义书签。 摘要 介绍了电火花成型机床的加工原理、特点及其发展历程：它是通过脉冲直流 电源不断产生火花放电来去除工件材料，且在工件与工具之间有绝缘液体介质。 分析并设计了电火花成型机床结构系统。 机床总体布局为单柱立式，主轴采 用步进电机拖动滚珠丝杆完成升降，利用步进电机多级可变细分技术，实现伺服 系统的变频、变步

3、距双重伺服调节，提高系统的跟踪能力和稳定性。 进给系统采 用滚珠丝杆和十字滑座实现工作台的横向、纵向移动，运动平稳。 电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破， 一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。本课题的研究， 是对电火花成型加工发展方向的一次有益尝试， 通过改进电火花加工机床的伺服 系统、控制系统、机床结构等，在保证加工精度的前提下提高了加工效率；通过 开放式的控制系统，提高了电火花成型加工过程的自动化。 关键词：电火花；主轴；滚珠丝杆； 十字滑座；V型导轨 II 沈阳工程学院本科毕业设计 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 全套图纸及说明书，英文翻译可获取 的局限。 本课题以北京迪蒙卡特机床有限公司现有的 CTS400三轴数控电火花成形机 床为研究对象，对机床的X、丫、Z轴的相关运动部分进行变型设计与分析，使 机床机构达到优化，功能趋于完善。通过对 CTS400主要部件的设计与建模、虚 拟装配的研究和动画仿真，初步地探讨了机床设计的思路和虚拟装配这种比较新 的工具在产品开发中的应用。 本课题的主要目的：本课题在对电火花成型机原理分析研究基础上，研究设 计机床的结构系统、驱动控制、结构的动态分析与优化等。其主要内容如下：1、 了解电火花成型机的机械结构系统，根据零件加工要求，设计机

10、床整体结构；2、 设计机床的进给系统，优化系统结构；3、对机床运动进行运动学分析和参数优 化。4、对进给系统进行控制部分设计。 1.2国内外研究历史与现状 电火花成型机在20世纪40年代开始研究并逐步应用于生产，最初出现的只 可单轴进给的单立柱机床。随后出现了多轴联动，多立柱的电火花成型机。异形 小孔的加工机床的出现也是电火花成型机发展史上的一大进步，例如D703型高 速电火花夹攻小孔机床。SP1-30镜面电火花机采用的松下伺服系统，表面粗糙 度可达Ra0.1um,HE350-CNC双头机电火花成型机为我国自主研发，加工效 率成倍提高。但就总体而言，我国在电火花加工领域同日本等国际先进水 平还

11、有一定差距。 当前，电火花加工技术正向着高效化、精密化、智能化、微细化、复合化 等方向发展，一些新技术、新思想不断被运用到电火花加工中去，同时，许多新 的工艺手段也不断涌现，主要包括以下几个方面：(1)微细电火花加工技术 微细 加工是应产品微型化要求而出现的，是加工技术向加工尺寸微小化方向的发展， 一般是指被加工零件直径或宽度小于 200以下的加工手段。微细电火花加工 技术是电火花加工技术在微细加工领域的一个重要分支，从文献检索的情况来看, 国内外关于微细电火花加工方面的论文非常多， 足以说明此研究方向受关注的程 度。(2)超声电火花复合加工技术 在特种加工领域中，综合利用不同加工方法 的技术

12、特长，将多种能量形式进行巧妙结合的复合加工方式往往可大幅提高加工 效率或改善加工质量，因而一直是倍受关注的方向之一。电火花加工和超声加工 均因加工速度较慢而困扰着人们，然而在电火花加工中引入工具电极的超声振动， 进行超声电火花复合加工，却可以改善放电间隙状况，从而大大提高生产率。（3） 气体介质放电加工技术 传统的电火花加工技术是在液体介质（通常称作工作液） 中进行放电加工的，而液体介质在加工中起到压缩放电通道使能量高度集中、加 速极间冷却和消电离过程、加速排除电蚀产物等作用，被认为是电火花加工必不 可少的几大要素之一。然而，最近几年由日本东京农工大学国枝正典教授等人提 出的气中放电加工技术完

13、全改变了人们的上述思想。 气中放电一般使用薄壁管状 电极，加工中管状电极作回转和轴向伺服运动，一定压力的气体自管中高速喷出， 以避免加工屑反粘凝固在电极和工件表面上， 同时加速了熔融和气化金属的抛出 过程，并起到冷却电极的作用。气中放电加工的最大优点在于加工过程中电极损 耗极低，而且加工时不产生有害气体，安全性较高，又可简化机床结构，因而也 是倍受关注而成为热点。（4）电火花表面强化技术由于零件表面性能在零件的 使用过程中所起到的重要作用，表面强化技术受到了人们的重视。电火花表面强 化技术是一种简便而灵活的表面处理方法， 它是通过电火花放电作用将作为电极 的导电材料熔渗进工件表层金属，形成合金

14、化的表面强化层，从而使工件表面的 物理、化学和机械性能得到改善。电火花表面强化与其他表面强化方法相比，具 有如下优点：设备简单，在普通电火花加工机床上即可进行，强化成本较低，处 理速度较快，因只在局部进行放电，零件整体温度仍为室温因而不会引起零件变 形，以及可处理复杂零件等，目前已在军事、航空、模具、刀具等行业得到较广 泛的应用。通过查阅分析数据及市场调研，近来电火花成型机床在虽然高效率精 密加工技术方面有不断的进步，但在目前市场竞争中仍然有着很大的危险。 我们 可以透过于02年9月4日在美国芝加哥举行的IMT2002来分析：在此次展览中， 我们可以看到来自瑞士阿奇夏米尔公司、 西班牙欧那公司

15、、日本的三菱公司、沙 迪克等公司带来的EDM产品。其中，在电火花成型机床方面，也主要体现在向着 高效和精密加工的方向迈进，但同时专家系统的出现也抢占了其部分市场。例如 在大面积浅型腔加工、能量控制（变截面加工）、深槽窄缝加工、微细加工、硬 质合金加工、镜面加工、轮廓加工等方面，专家系统保证了精密加工的顺利实现。 目前精密加工技术中，能加工型腔模的设备越来越多，譬如数控铣床，数控 仿形铣床，加工中心，特别是再近几年发展的高速铣床。国外某些HSM勺制造商 已经把HSM说成是“完全可以替代 EDM的“无EDM加工技术”，而且说HSM是 不需要抛光的一次性技术等等。当然这样的说法可能有点言过其实，但H

16、SM勺发 展对EDM确实产生了一定的影响。使得电火花成型机床在市场中面临激烈的竞争。 但与HSM的比较中，EDM同时也有着它自己的特点。例如在加工硬度为 50-54HRC的钢材来说，HSM能加工高硬度材料，不等于它的加工性能好，技术经 济合理。因为加工所使用的价格昂贵的刀具寿命只有一小时。也就是说HSM寸硬 材料加工性能差，而高硬度材料的加工正是EDMS特长。所以在更多的材料要求 为高硬度、耐磨性好的材料的模具行业中，EDM体现了它的优势。 以上说明，HSMW电火花成型机床不是谁替代谁的问题，而是相辅相成、互 相发展的问题。同时也说明，在强手林立的市场竞争中，虽然有着强有力的竞争 对手，但仍然

17、有着良好的发展前途。 基于上面的分析，我们这次选择了电火花成型机床设计， 希望对原有电火花成型 机床有一定 QQ:123536215、 870862708 全套图纸及说明书，英文翻译可获取 6 加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的， 材料的可加工性主要取决 于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点（气化点）、比热容、导热系数、 电阻率等，而几乎与其力学性能（硬度、强度等）无关。这样可以突破传统切削 加工对刀具的限制，可以实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶 金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工 具电极较容易加工。 2. 可以加工特殊及复杂形状

18、的零件。由于加工中工具电极和工件不直接接 触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以 简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的 加工，如复杂型腔模具加工等。数控技术的采用使得用简单的电极加工复杂形 状零件也成为可能。 3 易于实现加工过程自动化。由于是直接利用电能加工，而电能、电参 数较机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制和无人化操作等。 4.可以改进结构设计，改善结构的工艺性。例如可以将拼镶结构的硬质 合金冲模，改为用电火花加工的整体结构，减少了加工工时和装配工时，延长 了使用寿命。又如喷气发动机中的叶轮，采用电火花加工后可以拼镶、焊

19、接结 构改为整体叶轮，既大大提高了工作可靠度，又大大减少了体积和质量。 电火花加工也有其一定的局限性，具体如下： 1. 只能用于加工金属等导体材料。不像切削加工那样可以加工塑料、陶瓷 等绝缘的非导电材料。但近年来研究表明，在一定的条件下也可以加工半导体 和聚晶金刚石等非导体超硬材料。 2. 加工速度一般较慢。因此通常安排工艺多采用切削来去除大部分余量， 然后再进行电火花加工，以求提高生产率，但最近的研究结果表明，采用特殊 水基不燃性工作液进行电火花加工，其粗糙度甚至高于切削加工。 3. 存在电极损耗。由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损 耗，而且电极损耗多集中在尖角或低面，影响成型

20、精度。但最近的机床的产品 在粗加工时已能将电极相对损耗比降至 1%以下，在中、精加工时能将损耗0.1% 以下，甚至更小。 4. 最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工 间隙（通常为0.020.3mm）,若电极有损耗或采用平动头加工，则角部半径还 要增大。但近年来的多轴数控电火花加工机床，采用X、丫、Z轴数控摇动加 工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底面。 由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域 日益扩大，目前已广泛应用于机械（特别是模具制造）、宇航、航空、电子、电 机、电器、精密微细机械、仪器仪表、汽车、轻工业等行业，以解决难加工材料

21、 及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几十微米的小轴、孔、缝，大 到几米的超大型模具和零件。 第二章电火花成型机床总体结构设计 第二章电火花成型机床总体结构设计 2.1电火花成型机的结构形式 电火花成型加工机床结构有多种形式，根据不同加工对象，常见的结构有“c” 形结构、龙门式结构、牛头滑枕式结构、摇臂式结构和台式结构。 % -r 1 1 T / 1 _L_l ( 1 .1 丨 、 1 -1 图2.1“ C”形结构 1-床身2-立柱3-主轴头 4-工作台 “C”形结构如图2.1所示。加工时，工作台实现X轴和丫轴伺服进给运动， 主轴头实现Z轴伺服进给运动。此类机床的结构特点是：床身、立柱

22、、主轴头、 工作台构成一“ C字形。这种结构的优点是：结构简单，制造容易，具有较好 的精度和刚性，操作者可以从前、左、右三面充分靠近工作台。缺点是：工件装 卸不方便，每次安装、检测工件都必须开门放油，然后再关门上油。“ C”形结构 较适合中、小型机床，国内机床大部分采用此种结构形式。 1-床身；2-立柱；3-滑座；4-主轴头；5-工作液槽 牛头滑枕式结构如图2.2所示。这种结构形式类似金属切削机床中的牛头刨 床。工作台固定不动或实现X方向移动，主轴头通过滑枕实现丫方向移动或X, 丫 方向的移动。这种结构的优点是：装卸、检测工件十分方便，此结构为设计、安 装可升降式工作液槽提供方便；当可升降工作

23、液槽下降时，工件完全暴露出来， 可以方便地对工件进行安装、检测，完毕后只需将工作液槽升起即可重新加工， 提高了工作效率。缺点是：结构较复杂，制造成本较高。牛头滑枕式结构比较适 合数控化程度较高的机床。 因为“C型结构具有结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，且造 价相对牛头式机床更加低廉等优点，故本设计采用“ C”型结构。 2.2电火花成型机结构设计 根据对电火花成型机床功能原理的分析，我们需要实现主轴头和工件之间通 过脉冲电源放电来蚀除材料。这要求主轴个工作台之间形成隔缘， 然后分别接脉 冲电源的正、负极。根据任务书要求，设计总体布局为单柱立式。 首先，我将设计任务书所给的条件同时参照电火花成型机床参数列表如下： 1）机械规格 表2.1设计参数 名称一一 电火花成型机床 工作台 550X 300MM 左右行程 300MM 前后行程 200MM QQ:123536215、 870862708 全套图纸及说明书，英文翻译可获取 12 (b) 图2.4主传动形式 由于主传动要保证传动比, 并且同步齿形带传动噪音小, 故本设计采用同步 齿形带传动。 （3）工作台 工作台采用手柄直接与滚珠丝杆副相连，滑动导轨具有结构简 单、制造方便、刚