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蘇州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
設(shè)計(jì)題目 便攜式電火花小孔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
院 系 機(jī)電工程系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名 夏 旭 學(xué) 號(hào) 0930116120
起迄日期 2013年 月 日 ~ 2013年 月 日
設(shè)計(jì)地點(diǎn) 校 內(nèi)
指導(dǎo)教師 殷 振 職稱 實(shí)驗(yàn)師
職稱
完成日期: 年 月 日
XXX大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（說(shuō)明書）
便攜式電火花小孔機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要
電火花加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是機(jī)械制造業(yè)中最廣泛采用的機(jī)械切削和磨削加工的重要補(bǔ)充和發(fā)展。隨著新世紀(jì)電火花加工技術(shù)的不斷發(fā)展，同時(shí)也對(duì)電火花加工機(jī)床的可操作性、加工效率和加工質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。智能控制作為一種新興理論，為解決復(fù)雜過(guò)程的控制提供了一條有效途徑，已逐漸成為電火花加工領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，由此開發(fā)而來(lái)的新技術(shù)產(chǎn)品正不斷帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的電火花加工機(jī)床的研究，針對(duì)機(jī)械行業(yè)的需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了便攜式電火花小孔機(jī)。設(shè)計(jì)了便攜式電火花小孔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)對(duì)主軸傳動(dòng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：電火花加工；便攜式；小孔機(jī)；機(jī)械結(jié)構(gòu)
Abstract
EDM technology is an important part of advanced manufacturing technology, is an important supplement and development of mechanical cutting and grinding machining in machine manufacture. With the continuous development of new century electric spark machining technology, but also on the EDM machine tool operation, the machining efficiency and quality put forward higher requirements. Intelligent control is a newly developed theory, which provides an effective way for the control of complicated process, has gradually become a new hotspot in the field of electric spark processing technology, new product development and thus to continuously bring huge economic benefits.
In this paper, through the study of EDM machine tool of the existing machinery, according to industry needs, design and development of portable electric spark small hole machine. The design of the mechanical structure of portable electric spark machine holes, and focus on the main shaft transmission part design.
Keywords: EDM; portable; small hole machine; mechanical structure
?
目 錄
摘 要 ⅰ
Abstract III
第一章 緒論 1
1.1 課題研究的意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外電火花加工的發(fā)展 2
1.2.1 國(guó)外電火花加工的的發(fā)展 2
1.2.2 我國(guó)電火花加工的發(fā)展 2
1.3 電火花加工原理 3
1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 3
第二章 便攜式電火花小孔機(jī)方案分析 5
2.1 便攜式電火花小孔機(jī)加工的優(yōu)勢(shì) 5
2.2 便攜式電火花小孔機(jī)適用范圍及特點(diǎn) 5
2.3 設(shè)計(jì)方案 6
2.3.1 方案要求 6
2.3.2 方案功能設(shè)計(jì)與分析 7
2.3.3 控制部分的作用 7
2.3.3 控制部分的組成及作用 8
2.4 本章小結(jié) 9
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10
3.1 概述 10
3.2 導(dǎo)軌的選擇和計(jì)算 11
3.2.1 導(dǎo)軌 11
3.2.2 滑軌的選擇 12
3.3 絲杠的設(shè)計(jì) 15
3.4 伺服電機(jī)的選擇 17
3.4.1 軸向進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇 17
3.4.2 工作頭旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的選擇 18
3.5 軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
3.6 本章小結(jié) 20
第四章 結(jié)論 21
4.1 本論文取得的結(jié)果 21
4.2 設(shè)計(jì)的心得總匯 21
致 謝 22
參考文獻(xiàn) 23
IV
第一章 緒論
1.1 課題研究的意義
電火花加工具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。由于它擁有的適合于任何難切削導(dǎo)電材料，并且可以加工特殊及復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械加工領(lǐng)域中，一直占據(jù)著非常重要的位置。因此，電火花加工被廣泛地應(yīng)用于模具的制造，和特殊形狀的加工等方面。
為了提高電火花加工的教學(xué)課堂效果，以及相關(guān)培訓(xùn)所能達(dá)到的效果，設(shè)計(jì)、開發(fā)一個(gè)能夠被用于教學(xué)演示的便攜式微型電火花加工機(jī)床，具有非常重要的意義。
另外，本項(xiàng)目所研制的便攜式電火花加工機(jī)床，也可以作為一種便攜式的電火花加工工具，在不常使用或不易使用大型電火花加工設(shè)備的地方，對(duì)于科研和生產(chǎn)中各種難加工材料、難加工型孔和難加工結(jié)構(gòu)的加工，具有重要的、難以替代的作用。
電火花小孔機(jī)屬于電火花加工機(jī)床的一種。其工作原理是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲（稱為電極絲）作電機(jī)，對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成型。與電火花線切割機(jī)床、成型機(jī)不同的是，它的電脈沖的電極是空心銅棒。介質(zhì)從銅棒孔穿過(guò)與工件發(fā)生放電，腐蝕金屬達(dá)到穿孔的目的，用于加工超硬鋼材、硬質(zhì)合金、銅、鋁及任何可導(dǎo)電性物質(zhì)的細(xì)孔。
作為先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要分支，特種加工技術(shù)，尤其是電火花加工技術(shù)，自20世紀(jì)40年代開創(chuàng)以來(lái)，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已成為先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。
電火花加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 可以加工難以用金屬切削方法加工的零件，不受材料硬度影響。
2. 由于工具電極與工件電極不直接接觸，沒(méi)有機(jī)械切削力。所以在制作工具電極時(shí)不必考慮其受力特性，工具電極可以做的十分微細(xì)，能進(jìn)行微細(xì)加工和復(fù)雜型面加工。
3. 電火花加工是通過(guò)脈沖放電來(lái)腐蝕金屬材料的，而脈沖電源的參數(shù)隨時(shí)可調(diào)，因此在同一情況下，只需調(diào)整電參數(shù)即可切換粗、半精、精、超精加工。
電火花加工的局限性：
1. 電火花加工生產(chǎn)效率低
2. 被加工的工件只能是導(dǎo)體
3. 存在電極損耗，這就影響了成型精度
4. 加工表面有變質(zhì)層
5. 加工過(guò)程必須在工作液中進(jìn)行。電火花加工時(shí)放電部位必須在工作液中，否則將引起異常放電。
6. 線切割加工有厚度極限。
1.2 國(guó)內(nèi)外電火花加工的發(fā)展
1.2.1 國(guó)外電火花加工的的發(fā)展
目前計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，電火花加工實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化和無(wú)人化。美國(guó)、日本的一些電火花加工設(shè)備生產(chǎn)公司依靠其精密機(jī)械制造的雄厚實(shí)力，通過(guò)兩軸、三軸和多軸數(shù)控系統(tǒng)、自動(dòng)工具交換系統(tǒng)及采用多方向伺服的平動(dòng)、搖動(dòng)方案，解決了電火花加工技術(shù)中一系列實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題。隨著具有高精度、高剛度、高自動(dòng)化、高加工表面粗糙度的機(jī)床不斷出現(xiàn)，使加工的功能及范圍不斷擴(kuò)大。如今，在國(guó)際上，電火花加工可以加工大至數(shù)十噸重的模具和零件，小至幾微米的微孔。
1.2.2 我國(guó)電火花加工的發(fā)展
20世紀(jì)50年代初期，我國(guó)開始研究和試制電火花鍍敷設(shè)備，即把硬質(zhì)合金用電火花工藝鍍敷在高速鋼金屬切削刀具和冷沖模刃口上，提高金屬切削刀具和模具的使用壽命。同時(shí)我國(guó)還成功研制了電火花穿孔機(jī)，并廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)噴嘴小孔的加工。
20年代初，上?？茖W(xué)院電工研究所成功研制了我國(guó)第一臺(tái)靠模仿形電火花線切割機(jī)床。隨后又出現(xiàn)了具有我國(guó)特色的冷沖模工藝，即直接采用凸模打凹模的方法，使凸凹模配合的均勻性得到了保證，大大簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。
60年代末，上海電表廠張維良工程師在陽(yáng)極切割的基礎(chǔ)上發(fā)明了我國(guó)獨(dú)有的高速走絲線切割機(jī)床。上海復(fù)旦大學(xué)研制出電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)。
70年代隨著電火花工藝裝備的不斷進(jìn)步，電火花型腔模具成型加工工藝已經(jīng)成熟。線切割工藝也從加工小型冷沖模發(fā)展到可以加工中型和較大型模具。切割厚度不斷增加，加工精度也不斷提高。
80年代以來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，電火花加工也引進(jìn)了數(shù)控技術(shù)和電腦編程技術(shù)，數(shù)控技術(shù)的普及，使人們從繁重、瑣碎的編程工作中解放出來(lái)，極大的提高了效率。
1.3 電火花加工原理
電火花加工是一種新的加工技術(shù)，自五十年代以來(lái)，我國(guó)開始研究和試用。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，已得到日益廣泛的應(yīng)用，成為加工各種模具和零件的有效方法。
電火花加工是利用兩極見脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，對(duì)材料進(jìn)行加工的方法。
早在十九世紀(jì)，人們就發(fā)現(xiàn)了電器開光的觸點(diǎn)開閉時(shí)，以為放電，使接觸部位燒蝕，造成接觸面的損壞。這種放電引起的電極燒蝕現(xiàn)象叫做電腐蝕。起初，電腐蝕被認(rèn)為是有害的，為減少和避免這種有害的電腐蝕，人們一直在研究電副食產(chǎn)生的原因和防止的辦法。當(dāng)人們掌握了它的規(guī)律之后，便創(chuàng)造條件，轉(zhuǎn)害為益，把電腐蝕用于生產(chǎn)中。
研究結(jié)果表明，當(dāng)兩極產(chǎn)生放電的過(guò)程中，放電通道瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱，足以使電極材料表面局部熔化或汽化，并在一定條件下，熔化或汽化的部分能拋離電極表面，形成放電腐蝕的坑穴。
二十世紀(jì)四十年代初，人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，在液體介質(zhì)中進(jìn)行重復(fù)性脈沖放電時(shí)，能夠?qū)?dǎo)電材料進(jìn)行尺寸加工，因此，創(chuàng)立了“電火花加工法”。
電火花加工是與機(jī)械加工性質(zhì)完全不同的一種新工藝、新技術(shù)。機(jī)械加工是通過(guò)機(jī)床部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，用比工件材料硬的刀具去切除工件上多余的部分，來(lái)得到成品零件的。但隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、高脆性、高粘性、高韌性、高純度等性能的新材料不斷出現(xiàn)，具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)與特殊工藝要求的工件越來(lái)越多，仍然采用機(jī)械加工法，有時(shí)是難于加工或無(wú)法加工的。因此，人們除了進(jìn)一步發(fā)展和完善機(jī)械加工法之外，還努力尋求新的加工法。電火花加工法能夠適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，并在應(yīng)用中顯出很多優(yōu)異性能，因此得到了迅速發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。
1.4 本論文研究的主要內(nèi)容
本人系統(tǒng)學(xué)習(xí)了電火花加工技術(shù)的知識(shí)，查閱了一些相關(guān)的文獻(xiàn)資料，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合本人的設(shè)想和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行了以下幾項(xiàng)工作：
(1) 進(jìn)行電火花小孔機(jī)本體結(jié)構(gòu)的方案分析和設(shè)計(jì)。
(2) 對(duì)電火花小孔機(jī)主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算。
(3) 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
第二章 便攜式電火花小孔機(jī)方案分析
2.1 便攜式電火花小孔機(jī)加工的優(yōu)勢(shì)
隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)對(duì)各種機(jī)械設(shè)備零件的加工量愈來(lái)愈大， 對(duì)其質(zhì)量和精度要求，也再不斷提高。我們都知道，在機(jī)械加工過(guò)程中，容易將絲錐、鉆頭、絞刀等加工工具斷折在工件內(nèi)部，不僅影響生產(chǎn)進(jìn)度，還會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，目前常規(guī)的辦法是手工提取或用電火花加工機(jī)提取，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，有時(shí)還會(huì)將工件報(bào)廢，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
該項(xiàng)目是針對(duì)上述問(wèn)題而開發(fā)的高技術(shù)產(chǎn)品。不但用于模型的制造、維修、斷錐鉆頭及破損刀具在工件內(nèi)部的提取，還可作為培訓(xùn)模具專業(yè)人員的入門機(jī)型，是一靈活多用的小型五金工具。
此外，該項(xiàng)目投產(chǎn)后，其產(chǎn)品主要應(yīng)用于機(jī)械制造，汽車制造、加工、修理及特種加工行業(yè)，作為特種加工工具(便攜式小型設(shè)備)使用。各大、中、小企業(yè)都適用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和通用性。容易普及和推廣?？山o生產(chǎn)本產(chǎn)品的企業(yè)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，其社會(huì)效益也是不可估量的。例如生產(chǎn)汽油機(jī)、柴油機(jī)的企業(yè)及模具加工企業(yè)，每年因?yàn)榻z錐、鉆頭以及其他加工工具折斷在工件內(nèi)部，無(wú)法取出而造成廢品，其經(jīng)濟(jì)損失約占6～7％。因而，該產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量相當(dāng)大。
該產(chǎn)品還可以和數(shù)控銑、立銑、加工中心等設(shè)備配合使用，完成數(shù)控放電加工所能完成的任務(wù)?？蔀樾⌒吞胤N加工企業(yè)和小型模具加工企業(yè)節(jié)省大量的設(shè)備費(fèi)用。降低生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的利潤(rùn)，而產(chǎn)品本身成本低廉，其經(jīng)濟(jì)效益也就不言而喻。
2.2 便攜式電火花小孔機(jī)適用范圍及特點(diǎn)
電火花小孔機(jī)的適用范圍主要有以下幾點(diǎn)：
1、去除折斷在工件中各種直徑的絲錐、鉆頭、絞刀、螺釘、塞規(guī)等工具/刀具；
2、可在任意大小、形狀的工件上加工；
3、工件上各種角度位置的加工；
4、加工非精度要求孔；
5、尤其適用于難于在電火花機(jī)床上加工的大型工件。
其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：
1、采用電蝕原理去除折斷刀具，非接觸加工，加工中不受力，不損傷工件；
2、便攜式設(shè)計(jì)、可以方便的在各種環(huán)境下使用；
3、采用磁性底座，加工裝置可以吸到工件上加工；
4、工作頭可任意角度調(diào)整；
5、自動(dòng)進(jìn)給加工，不占用人員；
7、采用水作工作液，經(jīng)濟(jì)方便；
8、電源采用單相220V電源，可方便接線；
10、加工深度自動(dòng)控制；
11、采用專用電極，可以做200mm以內(nèi)的深孔加工作業(yè)；
12、內(nèi)置進(jìn)口高壓電磁水泵，給水方便快捷，啟動(dòng)后2秒鐘內(nèi)出水；
13、提供多種選購(gòu)件以適用于不同的需求；
14、提供磁力外部給水管，方便外部給水作業(yè)；
2.3 設(shè)計(jì)方案
2.3.1 方案要求
設(shè)備性能:
1.能加工不銹鋼、淬火鋼、硬質(zhì)合金、銅、鋁等各種導(dǎo)電材料；
2.能加工孔徑0.3-3.0，最大深徑比能達(dá)200:1以上；
3.加工速度可達(dá)10-50mm/min；
4.直接使用自來(lái)水作工作液；
5.外形小巧，便于攜帶。
主要技術(shù)參數(shù)：
1. 工作臺(tái)面尺寸：460×260mm
2. 最大加工深度：200mm
3. 加工孔徑0.3-3mm
4. 最大加工速度：10-50mm/min
5. 供電電源：220V
6. 整機(jī)重量：＜20kg
2.3.2 方案功能設(shè)計(jì)與分析
電火花小孔機(jī)主要由機(jī)械部分和控制部分兩個(gè)部分組成?？刂撇糠趾蜋C(jī)械部分構(gòu)成了電火花小孔機(jī)的整體。
2.3.3 控制部分的作用
電火花加工在微觀上表現(xiàn)為兩極間的脈沖性火花放電，間隙放電過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，受到多種因素的干擾，使加工過(guò)程的穩(wěn)定性很難得到保證。對(duì)于手動(dòng)控制的電火花加工機(jī)床的加工，要求操作人員經(jīng)常調(diào)整伺服進(jìn)給、脈間、抬刀、沖液等參數(shù)，保持加工過(guò)程的穩(wěn)定和高效，由于控制參數(shù)多，存在相互影響，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。而具有自動(dòng)控制功能的電火花加工機(jī)床，目前還不能完全脫離人的因素，在加工的穩(wěn)定性和高效性方面，與機(jī)器相比，熟練工人仍具有較大的優(yōu)勢(shì)。面向快速制造的電火花加工技術(shù)要求加工過(guò)程的無(wú)人化和智能化，這也是電火花加工研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。目前該方向尚存在兩方面的問(wèn)題需要解決：一方面是離線參數(shù)的選擇，如電規(guī)準(zhǔn)選取等，可以通過(guò)智能數(shù)據(jù)庫(kù)及專家系統(tǒng)來(lái)解決；另一方面是控制參數(shù)的在線調(diào)節(jié)問(wèn)題，如脈沖間隔、抬刀、伺服參考電壓等，由于目前尚沒(méi)有有效的數(shù)學(xué)模型可以利用，這類問(wèn)題只有依靠智能控制方法來(lái)解決。
電火花加工過(guò)程控制通常包括三部分；
1．加工前工藝參數(shù)的選擇。主要是根據(jù)以往的加工經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的加工規(guī)準(zhǔn)，以滿足加工質(zhì)量的要求。這種功能可以由智能專家系統(tǒng)完成，智能專家系統(tǒng)以加工速度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以工具、工件材料、工作液性質(zhì)及加工零件復(fù)雜性為約束條件，根據(jù)工藝參數(shù)與加工質(zhì)量(包括表面粗糙度、仿型精度)之間的關(guān)系，給出合理的加工規(guī)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外在這方面己有許多研究成果報(bào)道。
2．加工中放電狀態(tài)的控制。主要是以放電狀態(tài)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以保證加工長(zhǎng)時(shí)間高效、持續(xù)、穩(wěn)定進(jìn)行。通常的電火花加工控制主要是針對(duì)這部分而言，對(duì)它的研究一直是電火花加工領(lǐng)域的熱點(diǎn)，各種研究成果層出不窮。
3．各種復(fù)雜形面加工的數(shù)控。主要是以加工軌跡跟蹤的精確性為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各空間伺服坐標(biāo)軸進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以保證加工的仿型精度。這方面的研究從五十年代初開始，發(fā)展極為迅速，到目前為止，理論上已基本成熟。
2.3.3 控制部分的組成及作用
電火花加工由于其非接觸加工的特點(diǎn)，加工放電間隙很小，要求其在電極進(jìn)給方向具有更精確的伺服迸給控制。其主要特點(diǎn)有：脈沖放電的能量密度高：脈沖放電的持續(xù)時(shí)間極短，產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)擴(kuò)散范圍?。杭庸r(shí)，工作電極與工件材料不接觸，兩者之間宏觀作用力極??；直接利用電能加工，便于實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化電火花加工系統(tǒng)分析及智能控制方案的設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示：
15.磁力表座 16.升降臂 17.升降臂鎖緊把手
18.升降軸 19.定深鎖緊螺釘 20.電極卡頭
21.鱷魚夾（接工件） 22.主軸頭旋轉(zhuǎn)控制把手 23.沖水接頭
圖2-1 電火花小孔機(jī)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
由上述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知：本加工成型機(jī)主要包括：支架和箱體單元，其中箱體單元是一臺(tái)電火花加工機(jī)的重點(diǎn)，本文在下文將詳細(xì)介紹。
2.4 本章小結(jié)
本章主要擬定便攜式電火花小孔機(jī)的設(shè)計(jì)方案，其主要包括電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。通過(guò)本章我們基本確認(rèn)本設(shè)計(jì)的具體方案，為下文的設(shè)計(jì)計(jì)算打下基礎(chǔ)。
第3章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 概述
由上述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知：本加工成型機(jī)主要包括：支架和箱體單元，其中箱體單元是一臺(tái)電火花加工機(jī)的重點(diǎn)，所以本文重點(diǎn)介紹主軸箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
主傳動(dòng)箱體結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示，在整個(gè)便攜式電火花小孔機(jī)中，其起到的作用是電加工的微動(dòng)進(jìn)給，定位，加工深度的設(shè)定。是整個(gè)便攜式電火花小孔機(jī)的重要組成單元。
本加工成型機(jī)主要包括：箱體，伺服電機(jī)，滾珠絲杠，直線導(dǎo)軌，微動(dòng)裝置，加工頭等。下面具體分述如下。
圖3-1 主軸箱結(jié)構(gòu)
3.2 導(dǎo)軌的選擇和計(jì)算
3.2.1 導(dǎo)軌
1)導(dǎo)軌的功用
在各類機(jī)器和儀器上，運(yùn)動(dòng)部件在支撐部件上運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)部件相互接觸的部分稱為導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌的功用是為運(yùn)動(dòng)部件導(dǎo)向和承受載荷。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方稱為動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的一方稱為支撐導(dǎo)軌。動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支撐導(dǎo)軌一般只有一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)軌和軸承在功用、工作原理和機(jī)構(gòu)上都有很多相同之處，特別是圓周運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌更是如此，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)和軸承設(shè)計(jì)有許多共同之處。
導(dǎo)軌還常常是整個(gè)機(jī)器或儀器的安裝、裝配和工作基準(zhǔn)。
2）對(duì)導(dǎo)軌的基本要求
（1）導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)部件沿著導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的軌跡的準(zhǔn)確性。這是導(dǎo)軌工作質(zhì)量最重要的指標(biāo)。特別是精密機(jī)械和儀器。
影響導(dǎo)向精度的因素有:
1．導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和截面形狀；
2．導(dǎo)軌的加工質(zhì)量（幾何精度、接觸精度和粗糙度）以及裝配調(diào)整質(zhì)量；
3．導(dǎo)軌和其支撐件的剛度及熱變形；
4．潤(rùn)滑狀況。
（2）精度的保持性
要在規(guī)定的期限內(nèi)保持導(dǎo)軌的初始精度。對(duì)精密或大型機(jī)械，由于成本高，希望能比較長(zhǎng)的時(shí)間保持精度。
影響精度保持性的因素有：
耐磨性。耐磨性與導(dǎo)軌的材料、硬度和摩擦表面的情況有關(guān)，還與導(dǎo)軌副的材料匹配有關(guān)。
1)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和截面形狀（磨損后能否自動(dòng)補(bǔ)償或調(diào)整很方便）
2)潤(rùn)滑狀況好壞。
3)防護(hù)裝置的好壞。
（3）運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏性
要保證在低速運(yùn)動(dòng)或微量運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生爬行，能實(shí)現(xiàn)要求的定位精度。
影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和靈敏度的因素有:
1)導(dǎo)軌面的摩擦特性（與導(dǎo)軌的材料、類型機(jī)潤(rùn)滑狀態(tài)有關(guān)）。
2)傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。
3)負(fù)載情況。
（4）其他
1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。
2)工藝性好。
3）維修方便。
4）價(jià)格合理。
3） 導(dǎo)軌的分類
按運(yùn)動(dòng)形式分類
（1）直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌
1）直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副，動(dòng)導(dǎo)軌支撐在靜導(dǎo)軌上，支撐載荷并作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
2）直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌（靜導(dǎo)軌）一般不等長(zhǎng)，動(dòng)導(dǎo)軌常比支撐導(dǎo)軌短。若動(dòng)導(dǎo)軌在支撐導(dǎo)軌上移動(dòng)的位置和長(zhǎng)度經(jīng)常改變，則支撐導(dǎo)軌外露部分容易調(diào)入異物損壞導(dǎo)軌，需注意防護(hù)。此外，支撐導(dǎo)軌在長(zhǎng)度方向上磨損不均勻，會(huì)影響導(dǎo)向精度。
3）直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的長(zhǎng)度決定于運(yùn)動(dòng)部件的尺寸、行程及對(duì)強(qiáng)度、壽命、剛度的要求。
4）直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌一般由螺旋螺母、齒輪齒條、液壓缸和氣缸等傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)。這些傳動(dòng)件沒(méi)有導(dǎo)向作用，導(dǎo)軌起導(dǎo)向和支撐作用。當(dāng)精度要求特別高時(shí)，為了減小導(dǎo)軌磨損而增設(shè)副導(dǎo)軌，專門用于承受載荷。
（2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌
1）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌起支撐和定中心作用。
2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)、靜導(dǎo)軌在整個(gè)圓周上始終接觸，導(dǎo)軌沒(méi)有外露。因此在圓周方向上沒(méi)有磨損不均勻問(wèn)題，但在徑向由于半徑不同，各點(diǎn)磨損不均勻。導(dǎo)軌不外露，防護(hù)簡(jiǎn)單，但散熱困難。
3.2.2 滑軌的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確認(rèn)：
本設(shè)計(jì)的軸向運(yùn)動(dòng)的行程為200mm，進(jìn)給速度為0.1m/s。無(wú)明顯碎屑，要求壽命為10年。精度、剛性滿足一般要求。負(fù)荷方式，承受豎直向下的力和較小的轉(zhuǎn)矩。
1） 選擇導(dǎo)軌型號(hào)
HGW 10CC，HG系列，無(wú)法蘭型滑塊，滑塊固定方式為上鎖式。
2）導(dǎo)軌工作計(jì)算
（1）受力條件
1）進(jìn)給部分工作臺(tái)安裝有兩個(gè)導(dǎo)軌；
2）進(jìn)給部分重量為工作頭的重量；
（2）受力計(jì)算
進(jìn)給部分重力給每個(gè)滑塊的力：
（3）壽命計(jì)算
當(dāng)線性滑軌承受負(fù)荷并作運(yùn)送時(shí)，珠道表面與鋼珠因不斷的受到循環(huán)應(yīng)力的作用，一旦到達(dá)滾動(dòng)疲勞的臨界值，接觸面就會(huì)開始產(chǎn)生疲勞破損，并在部分表面發(fā)生魚鱗狀薄片的剝落現(xiàn)象，此種現(xiàn)象叫做剝離。壽命，珠道表面及鋼珠因材料疲勞而產(chǎn)生表面剝離現(xiàn)象時(shí)為止的總運(yùn)行時(shí)間。
計(jì)算壽命時(shí)間公式
：壽命時(shí)間 h
：運(yùn)行速率
：負(fù)荷比
由尺寸表知，10CC型號(hào)的基本動(dòng)額定載荷38.74。
負(fù)荷大?。ǜ鶕?jù)負(fù)荷狀況與使用速度選擇）f根據(jù)由表7-1選擇
運(yùn)行速率，帶入上式中
符合要求。
表 3-1 負(fù)荷系數(shù)f
負(fù)荷狀況
使用速度
F
無(wú)沖擊力且平滑
微笑沖擊力
普通負(fù)荷力
受沖擊力及振動(dòng)
V≤15m/min
15m/min
120m/min
1～1.2
1.2～1.5
1.5～2.0
2.0～3.5
4）互換性單出件精度
根據(jù)型號(hào)與等級(jí)選擇，本設(shè)計(jì)因受力較小精度要求不高，選用普通級(jí)。
以下列出線性滑軌的各項(xiàng)精度：
高度H
寬度N
成對(duì)高度H的相互誤差
成對(duì)寬度N的相互誤差
行走平行度精度
（5）導(dǎo)軌預(yù)緊
預(yù)緊力是預(yù)先給予鋼珠負(fù)荷力，利用鋼珠與鋼道之間負(fù)向間隙給予預(yù)緊，以提高線性滑軌的剛性及消除間隙。小規(guī)格建議選用輕預(yù)緊，以避免因預(yù)緊選用過(guò)重降低其使用壽命。
本設(shè)計(jì)中拋光機(jī)負(fù)荷輕且要求一定精度，選用的導(dǎo)軌是小規(guī)格的，采用輕預(yù)緊。
采用預(yù)緊力為 ()
（6）剛性
導(dǎo)軌承受負(fù)荷時(shí)，滑塊或線性滑軌等在容許負(fù)荷的范圍之內(nèi)作彈性變形，此時(shí)的變形量與負(fù)荷的比就是線性滑軌的剛性值。可以依據(jù)剛性值計(jì)算線性滑軌的變形量，以確定是否影響設(shè)備精度。
變形量的計(jì)算公式：
——變形量
——工作負(fù)荷（）
：剛性值
：負(fù)荷系數(shù)
在上述計(jì)算中知工作負(fù)荷
由HGW45CC規(guī)格的線性滑軌采用輕預(yù)緊選擇剛性值
選用 ，代入式
符合要求。
（7）潤(rùn)滑
采用潤(rùn)滑油脂潤(rùn)滑，在滑塊的前端裝上油嘴以供手動(dòng)打油。單個(gè)滑軌的潤(rùn)滑油脂油量為。潤(rùn)滑頻率，每運(yùn)行補(bǔ)充油脂一次。
3.3 絲杠的設(shè)計(jì)
滑動(dòng)螺旋的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便；②易于實(shí)現(xiàn)逆行程自鎖，工作安全可靠；③摩擦阻力大，傳動(dòng)效率低；④容易磨損，軸向剛度較差。
滾珠螺旋的特點(diǎn)：①摩擦阻力小，傳動(dòng)效率高；②磨損小、壽命長(zhǎng)、工作可靠性好；③具有運(yùn)動(dòng)的可逆性，應(yīng)設(shè)防逆動(dòng)裝置；④軸向剛度較高，抗沖擊性能較差；⑤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造較難；⑥預(yù)緊后得到很高的定位精度（約達(dá)5um/300㎜）和重復(fù)定位精度（可達(dá)1~2um）。
參照設(shè)計(jì)要求發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)螺旋和滾動(dòng)螺旋均可滿足要求。擬選定滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)方式。
(1)滾珠絲桿副的選用與校核計(jì)算
導(dǎo)軌摩擦力 Fu=u(m1+m2)g=16N
其中m1 =10㎏——移動(dòng)負(fù)載；
m2 =70㎏——工作臺(tái)質(zhì)量和滑塊質(zhì)量；
u=0.15——導(dǎo)軌與支撐之間的摩擦系數(shù)
u—— 直線導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦因素 0.02
(2)軸向載荷Fxmax和等效軸向載荷Fm的計(jì)算
其中負(fù)載移動(dòng)阻力系數(shù)k=1.15 ;
Fx——負(fù)載移動(dòng)阻力；
Fz= g; G= g; =0.1m/s2;
Fxmax=Fm=78N;
(3)預(yù)設(shè)滾動(dòng)絲桿基本參數(shù)
螺紋公稱直徑——d0=10mm ；
導(dǎo)程——Ph=5mm；
鋼球直徑——Dw=1.488mm;
圈數(shù)×列數(shù)——i×k=2.5×1；
螺桿滾道曲率——rs=0.52 Dw;
轉(zhuǎn)速;
(4)計(jì)算動(dòng)載荷Ca’：Ca’=Kh·KF·KH·Kl·Fm/kn=26280N
壽命系數(shù)：Kh =(Lh/500)1/3
工作壽命Lh查下表3-2：
表3-2 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間
機(jī)械類型
Lh
備注
普通機(jī)械
普通機(jī)床
數(shù)控機(jī)床
精密機(jī)床
測(cè)試機(jī)械
航空機(jī)械
5000～10000
10000～15000
20000
20000
15000
1000
250（天）×16（h）×10（年）×0.5（開機(jī)率）=20000
由于是普通絲桿傳動(dòng)，選Lh =15000h；又查表3-3得：
表3-3a載荷系數(shù)
載荷性質(zhì)
無(wú)沖擊平穩(wěn)時(shí)
一般運(yùn)行
有沖擊和振動(dòng)
KF
1-1.2
1.2-1.5
1.5-2
表3-3b 硬度系數(shù)
硬度系數(shù)
大于等于58
55
50
KH
1.0
1.11
1.56
表3-3c 精度系數(shù)
精度系數(shù)
1、2、3
4、5
7
KA
1.0
0.9
0.8
由上表知： 載荷系數(shù)KF=1.2；動(dòng)載荷硬度系數(shù)KH=1.0;
轉(zhuǎn)速系數(shù)Kn=（33.3/n）1/3,其中n是絲桿轉(zhuǎn)速； 短行程系數(shù)KL=1.0。
即：
（5）螺旋導(dǎo)程角λ
λ=arctan Ph/лd0= arctan0.417=4.6°
（6）基本額定載荷校核Ca
Ca=fc（icosa）0.7Z2/3Dwtana=321N
fc= KF·KH·KA· Fm=262.8
其中fc：與滾珠絲桿副滾道的幾何形狀制造精度和材料有關(guān)的系數(shù)一圈螺紋滾道內(nèi)的鋼球數(shù)量Z=лd0/Dw； 鋼球滾到便面在接觸點(diǎn)處的公法線與螺紋軸線的垂直線間的夾角a=45o
由上可知：Ca大于Ca′所以符合要求。
3.4 伺服電機(jī)的選擇
3.4.1 軸向進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇
已知條件：
工作臺(tái)在直線導(dǎo)軌上的摩擦力Fu=16N，暫定穿軸的作用力為10KG
即：
T——絲杠所需驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Nm
F——絲杠的軸上作用力N
Ph——絲杠的導(dǎo)程m
——絲杠的傳動(dòng)效率 0.9
根據(jù)產(chǎn)品樣本，電機(jī)的扭矩要為所需驅(qū)動(dòng)扭矩的1.5倍，即：
根據(jù)西門子選型樣本：
我們選擇電機(jī)的型號(hào)為：1FK7 040-5AF71。
表3-4為為該電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。
表3-4 1FK7 040-5AF71型伺服電機(jī)主要參數(shù)
額定轉(zhuǎn)速
r/min
力矩
Nm
慣性矩
J/kgm2
重量
Kg
3000
0.7
1.1×10-4
2.6
3.4.2 工作頭旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的選擇
已知條件：
假設(shè)加工式的阻力為20N，伺服電機(jī)和工作頭的減速比為2，同步帶的直徑為20mm
即：
根據(jù)產(chǎn)品樣本，電機(jī)的扭矩要為所需驅(qū)動(dòng)扭矩的1.5倍，即：
根據(jù)西門子選型樣本：
我們選擇電機(jī)的型號(hào)為：1FK7 030-5AF71。
表3-4為為該電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。
表3-5 1FK7 030-5AF71型伺服電機(jī)主要參數(shù)
額定轉(zhuǎn)速
r/min
力矩
Nm
慣性矩
J/kgm2
重量
Kg
3000
0.5
0.9×10-4
2.3
3.5 軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算
滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算公式如下：
在實(shí)際計(jì)算中，一般用工作小時(shí)數(shù)表示軸承的額定壽命，這時(shí)上式改寫為
式中 ——軸承的額定壽命，h；
P —— 當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，N；
n —— 軸承的轉(zhuǎn)速，r/min；
——壽命指數(shù)，對(duì)球軸承為3，對(duì)滾子軸承為10/3；
C ——額定動(dòng)負(fù)荷，N。
當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷P的計(jì)算公式如下：
；
式中 ——實(shí)際徑向負(fù)荷，N；
——實(shí)際軸向負(fù)荷，N；
X ——徑向系數(shù)；如下表；
Y ——徑向系數(shù)；如下表；
表3-5 1FK7 030-5AF71型伺服電機(jī)主要參數(shù)
軸承類型
單列軸承
雙列軸承
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
推力軸承
tg
1
通過(guò)查閱相關(guān)資料可以確定選7000c的推力軸承
3.6 本章小結(jié)
本章主要設(shè)計(jì)計(jì)算了便攜式電火花小孔機(jī)的主軸箱系統(tǒng)，重點(diǎn)計(jì)算了，導(dǎo)軌，絲杠，伺服電機(jī)。通過(guò)本章的計(jì)算確定傳動(dòng)箱各個(gè)主要部件的尺寸。
第四章 結(jié)論
4.1 本論文取得的結(jié)果
(1) 完成了便攜式電火花小孔機(jī)本體方案創(chuàng)成、分析確定，進(jìn)行了便攜式電火花小孔機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計(jì)
(2) 進(jìn)行了便攜式電火花小孔機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括一些零部件的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.2 設(shè)計(jì)的心得總匯
高效穩(wěn)定、價(jià)格低廉、操作靈活的電火花加工機(jī)床一直是人們不斷追求的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)的電火花加工機(jī)床體積龐大，價(jià)格昂貴，為廣大的機(jī)械加工行業(yè)帶來(lái)了諸多不便。本文在查閱了大量有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)的研究，實(shí)現(xiàn)了電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)的小型化，并且提出了一種新型的加工電極振動(dòng)裝置，達(dá)到改善加工狀況，提高加工速度的目的。
在本課題的研究過(guò)程中，作者深深感到新興技術(shù)對(duì)于推動(dòng)電火花加工技術(shù)不斷發(fā)展的重要作用。本文所設(shè)計(jì)的便攜式電火花加工機(jī)只是加工系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際中還存在著一些不足之處，需在進(jìn)一步的設(shè)計(jì)中加以改進(jìn)和完善。
致 謝
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以圓滿的完成，離不開導(dǎo)師XXX的悉心指導(dǎo)。從課題的提出和論證到論文完成，X導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、先進(jìn)的學(xué)術(shù)思想、對(duì)待研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和無(wú)私的奉獻(xiàn)精神都是學(xué)生的楷模，使我受益匪淺，在論文完成之際，謹(jǐn)向尊敬的X導(dǎo)師致以崇高的敬意和由衷的感謝。
經(jīng)過(guò)這段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感覺(jué)到掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和學(xué)會(huì)使用必要工具的重要性，深刻體會(huì)到網(wǎng)絡(luò)資源的巨大作用，在遇到難以解決的問(wèn)題時(shí)，可以在網(wǎng)絡(luò)中尋找所需的資料，到相關(guān)的論壇上去求得幫助；學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用電腦網(wǎng)絡(luò)這個(gè)現(xiàn)代工具是我們必備的素質(zhì)。同時(shí)畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我的英語(yǔ)水平也提出了較高的要求，通過(guò)閱讀英文資料、翻譯英文材料切實(shí)提高了我使用英語(yǔ)的水平，使我在今后的學(xué)習(xí)中不至落后現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的潮流。
在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中 ，我的感激之情無(wú)以言表，僅以此文獻(xiàn)給他們，感謝我的朋友們，大家這四年來(lái)無(wú)論深處何地，距離多遠(yuǎn)，我始終感受的到與你們大家在一起；感謝我的老師，四年來(lái)對(duì)我的關(guān)心幫助讓我在學(xué)校的生活和學(xué)習(xí)中都能有親人般的感覺(jué)；感謝我的同學(xué)們，大家雖然來(lái)自不同的地方，但是大家始終相親相愛(ài)，團(tuán)結(jié)一致。我很慶幸能有了你們大家陪我一路走過(guò)艱難的歷程?；厥状髮W(xué)四年，往事歷歷在目，心緒難以平復(fù)，如此多的關(guān)心和幫助讓我感到莫大的幸運(yùn)，感覺(jué)充滿力量，無(wú)論是身邊的同學(xué)老師還是遠(yuǎn)方的親人朋友們，他們的支持是我可以努力和堅(jiān)持的最大動(dòng)力，有了他們才真正讓我感受到這個(gè)世界是無(wú)與倫比的美麗，這些都將支持我走向新的崗位，為社會(huì)為他人貢獻(xiàn)我的綿薄之力。
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