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本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文)
畢業(yè)設計（論文）中文題目:
電解小孔加工機床結構設計
English Title:
Electrolytic structure design of small hole machining tool
學 院：
機械工程學院
專業(yè)班級：
機械設計制造及其自動化 機械
學生姓名：
XXX
學 號：
XXXXXXXXXX
指導教師：
XXXXXX
年 月
畢業(yè)設計（論文）中文摘要
電解小孔加工機床結構設計
摘 要：電解加工是金屬工件在電解液中發(fā)生陽極溶解以達到加工目的的一種加工方法。從加工機理上講，電解加工是以“離子”方式去除金屬材料的一種加工工藝，因此這種微去除方式使得電解加工在微、納米加工領域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α．斀袷澜绺鲊际株P注電化學加工的研究，目前我國在電解加工方面的研究處于起步階段，如何利用電解“離子”級的蝕除機理，挖掘電解加工的加工能力，向精密、加工進軍是一個需要迫切解決的重要問題。研究和掌握電解加工的關鍵技術，研制開發(fā)電解加工系統(tǒng)，深入研究電解加工工藝，具有重要意義。
完成了電解小孔加工機床加工樣機的結構設計，該設備具包括 X、Y、Z直線運動軸繞 Z 軸旋轉帶動工具電極旋轉的 R 軸。機床的主要設計工作包括兩部分，一是機床主體結構、傳動方式、工作液循環(huán)系統(tǒng)的設計以及機床零部件三維圖和二維圖的繪制；二是機床傳動系統(tǒng)的理論計算與校核，包括直線導軌、滾珠絲杠、伺服電機的理論計算和選型等；主要有以下幾個方面：X、Y,Z工作臺的傳動機構設計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結構的設計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選取，進一步熟悉其應用。
關鍵詞: 電解加工，電解小孔，加工機床，結構設計，傳動機構，滾珠絲杠
畢業(yè)設計（論文）外文摘要
Electrolytic structure design of small hole machining tool
Abstract: Electrolyte for electrochemical machining of metal artifacts in Anodic dissolution in order to attain a processing method for processing purposes. Speaking from the mechanism, electrochemical machining with "ion" means a process for removal of metallic, removed thus this micro-electrochemical micro-machining in micro-and nano-processing sector has great potential for development. Countries all over the world are very concerned about the study on electrochemical machining of current research in electrochemical machining in the initial stage, how to use electrolysis "ion"-level mechanism of ablation, electrolytic processing of mining and processing capacity. Study and master the key technology of electrolytic process, research and development of ECM system, in-depth study of electrochemical machining process, is of great significance.
Completing electrolysis structure design of small hole drilling machine prototype, the equipment includes x, y, z-linear motion shaft rotary tool around the z axis the r axis of rotation. Machine of main design work including two part, a is machine subject structure, and drive way, and work liquid circulatory system of design and machine parts three dimensional figure and II dimension figure of draws; II is machine drive system of theory calculation and check, including line guide, and ball screw, and servo motor of theory calculation and selection,; main has following several aspects: x, and Y,Z table of drive institutions design, main is ball screw of using; machine overall structure of design, understand advantages and disadvantages, full consider contradiction, preferred selected And become more familiar with its application.
Key words: ECM electrolytic hole, machine tools, design, drive, ball screw
目 錄
電解小孔加工機床結構設計 II
Electrolytic structure design of small hole machining tool III
第1章 緒論 1
1.1微小孔加工技術研究現(xiàn)狀 1
1.2 對電解小孔加工機床的技術要求 6
第2章 電解小孔整體方案設計 8
2.1 總體要求 8
2.2 電解加工原理 8
2.3 機床總體布局選型 10
2.4 傳動方式的選擇 11
2.5 床身 13
2.6 滑枕頭 13
2.7 進給系統(tǒng) 13
2.8 工作箱 14
圖 2.8 工作箱 14
2.9 工作臺 14
2.10 導電系統(tǒng) 14
2.11 工作原理 15
第3章 電解小孔加工機床的設計和計算 16
3.1 電動機介紹及選型 16
3.2 同步帶的傳動計算 18
3.3 進給伺服系統(tǒng)的設計 22
3.4 進給傳動的計算 24
3.5 直線滾動導軌副的計算、選擇 36
3.6 圓柱直齒輪傳動的設計與校核 39
3.7 聯(lián)軸器的選擇 41
3.8 軸承的選擇 42
3.9 步進電機的選擇 43
結 論 45
參考文獻 46
致 謝 48
淮海工學院二〇一七屆本科畢業(yè)設計（論文） 第 48 頁 共 43 頁
第1章 緒論
1.1微小孔加工技術研究現(xiàn)狀
隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，航空發(fā)動機內(nèi)部結構設計越來越復雜，關鍵零部件出現(xiàn)越來越多微小孔結構，其加工難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
①零件材料一般多為高強度高硬度的難加工材料，如高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等；
②由于孔徑小，所以微小孔長徑比往往較大；
③對孔壁的金相組織有特殊要求，如要求孔壁無重鑄層、無微裂紋等。為了克服這些困難，國內(nèi)外的學者研究并嘗試了多種方法來制造微小孔構件，如機械鉆孔加工、機械沖孔加工、電解放電加工、電化學加工、激光加工等，見表 1.1。需要根據(jù)微小孔精度、粗糙度、小孔孔徑以及加工材料的不同來選擇合適的加工方法。
表1.1微小孔的主要加工方法
1.1.1 機械加工方法
1.1.1.1 機械鉆孔加工
機械鉆孔是應用最普遍的孔加工技術，與許多特種加工方法相比，機械鉆孔加工可以加工任何導電或非導電材料，因而已成為微小孔加工的主要工藝方法之一，應用非常廣泛。機械鉆孔加工具有生產(chǎn)效率高、加工精度好、加工深徑比大等優(yōu)點，但在加工微小孔時，也需要克服許多技術難點：①鉆頭的強度和剛度隨著加工孔徑的減小而降低明顯，容易在切削力和機床振動的作用下折斷；②加工深小孔時，由于容屑空間小，排屑和散熱困難，容易導致刀具的變形和損壞，降低刀具的壽命；③在加工孔徑極小的微孔時，鉆頭也變得較細剛度較小，受力后容易偏移，導致在孔位和孔徑方面產(chǎn)生加工誤差；④被加工材料硬度大于刀具材料時，鉆孔加工將不再適用，而目前高硬度高強度的合金材料等難加工材料應用越來越廣泛。
為了解決上述技術難點，主要從加工機械設備、加工工藝方法和加工刀具等三方面加以改進。機械方面，隨著電主軸的設計制造越來越精密、主軸轉速越來越高，機床主軸轉速也得到了大幅度提高，利用這些先進的新型電主軸部件和進給機構，以制造出更為先進的微小孔鉆孔加工設備。工藝方面，主要通過優(yōu)化鉆孔速度、進給量、冷卻條件等切削參數(shù)獲得，振動鉆孔技術的提出，也為解決微小孔鉆孔的技術難點指明了新方向。振動鉆孔的原理如下：鉆頭在受激勵后做振動，這種振動是周期性的，因而在傳統(tǒng)機械鉆孔基礎上，實現(xiàn)切削用量按需求的規(guī)律改變，最終改善切削效能。采用這種工藝方法的好處是不僅鉆頭壽命顯著增加，小孔加工的精度和表面質(zhì)量也得到了提升。加工刀具方面，目前利用 WEDG (Wire Electrode Discharge Grinding)技術可以制作出直徑約 10μm 的鉆頭，如圖 1.2 所示。
圖 1.2 機械鉆孔加工中的微型鉆頭
1.1.1.2 機械沖孔加工
機械沖孔加工需要制造專用的模具，設備投資較大，生產(chǎn)周期較長，加工成本高，與鉆孔加工不同的是沖孔加工更適用于板件上的大量孔加工。沖孔加工的優(yōu)點有：①在成批量加工小孔時，成本遠低于鉆孔加工；②加工穩(wěn)定性好，加工用的模具使用壽命長。沖孔加工也存在不足之處，如當加工的小孔孔徑小于 1mm，且板厚大于 1mm 時，沖孔加工就會變得非常困難，
不僅加工效率很低，而且造成工件的加工變形。圖 1.3 所示是機械沖孔加工出的直徑為 25μm的微孔。
1.1.2 特種加工方法
1.1.2.1 高速電解穿孔加工
高速電解穿孔加工是一種利用電腐蝕現(xiàn)象進行加工的方法，它通過在工具電極和工件之間施加脈沖電壓，利用火花放電時產(chǎn)生的局部高溫來去除多余的金屬材料，進而達到一定加工要求。小孔加工是高速電解穿孔加工的一種典型應用，尤其在加工非沖模類的小孔、深孔、群孔、異型孔和微孔時，具有相當實用、經(jīng)濟性好、效率高的優(yōu)勢。高速電解穿孔加工，高速流動的工作液從中空管狀電極內(nèi)噴出，充滿加工區(qū)域，并配合以工具電極旋轉進給的方式進行加工。高速電解穿孔加工速度快，深徑比大，最大加工深度可達 60mm，加工穩(wěn)定性好，成本較低，正越來越多的應用于發(fā)動機葉片上氣膜冷卻孔的加工中。 高速電解穿孔加工會在孔壁上產(chǎn)生再鑄層、微裂紋等，影響零件的使用性能和壽命，通
過優(yōu)化加工參數(shù)，可實現(xiàn)高速電解加工后較少的再鑄層，再鑄層厚度在 40μm 以下，采用高速電解穿孔加工后的氣膜冷卻孔還需進行后期再處理，以去除再鑄層，圖 1.4 為電解穿孔加工葉片氣膜冷卻孔。
（a）加工導向葉片 （b）加工工作葉片
圖 1.4 電解穿孔加工葉片氣膜冷卻孔
1.1.2.2 管電極電解加工
管電極電解加工，電解液一般為酸性 H2SO4、HCL 溶液或中性 Na NO3、Na Cl 溶液及其混合溶液等，使用中空狀的金屬管作為工具陰極，工具電極由主軸帶動向下進給，同時高速流動的工作液從管電極內(nèi)部流出充滿加工間隙（正流方式），利用電解作用持續(xù)腐蝕去除工件多余材料，從而加工出預定的孔型，圖 1.5 是管電極電解加工示意圖。
圖 1.5 管電極電解加工示意圖
管電極電解加工時，進給裝置帶動工具電極進給，由于電場的發(fā)散性，小孔入口周圍不需要加工的側面區(qū)域也會造成一定量的去除，形成類似喇叭狀的小孔入口，形成雜散腐蝕現(xiàn)象，使工件表面粗糙度增大，引起孔型變化，影響小孔加工精度。通常采用兩種方法來提高電解加工的定域能力，從而提高加工精度：一是通過控制加工參數(shù)（電壓、電流）或陰極進給速度來控制極間間隙，研究表明陰陽極間間隙越小，加工精度越高；二是對電極進行絕緣性處理，改變電極的邊緣條件，以減弱電極側壁電場的影響。在管電極電解加工中，管電極要有適宜的外形和尺寸，以達到加工出預定孔型的要求；絕緣層要涂覆均勻且與管壁間有良好的結合力，在承受電解液的高速沖刷和加工熱的作用不會脫落，且絕緣層內(nèi)不允許有氣孔和雜質(zhì)等缺陷。側壁涂絕緣層的管電極電解加工出的小孔，如圖 1.6 所示。
（a）垂直于工件表面加工的小孔 （b）呈一定角度加工的斜孔
圖 1.6 管電極電解加工小孔
1.1.2.3 復合加工
復合加工是組合了兩種或兩種以上的加工方法而產(chǎn)生的新型工藝方法。復合加工利用了不同加工方法的優(yōu)點，可獲得較高的加工效率與加工質(zhì)量。目前常用的微小孔復合加工方法有微細電解-電解加工、微細超聲-電解加工、微細激光-電解復合加工技術等。
Minh Dang Nguyen等人利用微細電解-電解加工技術（SEDCM milling）加工微小孔，以低電導率的去離子水作為工作液，利用微細電解加工去除材料和電解加工對電解加工后的側壁進行光整，進行微小孔加工，得到了表面質(zhì)量好，孔型精度高的微孔。采用脈沖頻率500k Hz，占空比 30%，進給速度 0.2μm/s 的加工參數(shù)，在 14min內(nèi)加工出直100μm 左右的微孔，如圖 1.7 所示。由加工時間 14min可見采用低電導率的去離子水作為工作液，進行微細電解-電解加工效率較低，不適合大量微小孔的加工。
圖 1.7 利用電解-電解復合加工出的微孔
南京航空航天大學朱荻教授課題組采用超低濃度鹽溶液作為工作液，以中空狀的管電極為陰極進行微小孔電解-電解復合加工，充分利用電解高速穿孔加工效率高的優(yōu)勢和電解加工去除再鑄層的優(yōu)點，得到了加工效率高、表面質(zhì)量較好，材料去除率較高和再鑄層厚度較小的微孔。 圖 1.8 為電解加工后和電解-
電解復合加工后的小孔金相照片對比，從小孔端面和孔深方向可以看到電解加工后分布的白色再鑄層組織，而電解-電解復合加工后白色的再鑄層組織已大多被去除。
圖 1.8 小孔再鑄層去除效果對比
1.2 對電解小孔加工機床的技術要求
本文研制的微小孔電解-電解復合加工機床用于渦輪葉片氣膜冷卻孔的加工，小孔加工精度與機床性能、幾何精度等因素相關?？紤]電解-電解復合加工技術的要求，該設備平臺具備下列特點：
（1）良好的耐腐蝕性。本文提出的復合加工方法采用了超低濃度的中性鹽溶液作為工作液，雖然其濃度極低，但也有可能對金屬材料產(chǎn)生一定腐蝕?，F(xiàn)有的大多數(shù)電解加工機床，床身采用鑄鐵鑄造，故需對復合加工機床進行一定的防腐處理，同時在與工作液接觸的部位采用具備良好耐腐蝕性能的不銹鋼材料。
（2）高工作液壓力。高的工作液壓力有利于加工產(chǎn)物的排出，尤其是采用管電極內(nèi)沖加工時，由于管電極直徑較細，其內(nèi)徑更小，高的工作液壓力能確保工作液的流速，及時帶走產(chǎn)物，所以本機床的循環(huán)系統(tǒng)中設計了高壓泵供液系統(tǒng)。
（3）良好的循環(huán)過濾裝置。復合加工過程中將產(chǎn)生電蝕顆粒和電解產(chǎn)物，因此需對工作液進行有效凈化，故設備中配置了循環(huán)過濾裝置。
（4）多軸運動機構，以適應多角度小孔加工要求。考慮到氣膜冷卻孔的角度分布，機床應有較多的運動或旋轉軸，覆蓋盡可能大的空間范圍，才能夠滿足葉片氣膜冷卻孔加工的位置要求。同時各軸均需由數(shù)控系統(tǒng)控制，以保證機床運動精度，運動速度應可調(diào)。
（5）更為有效的脈沖電源。例如可以采用高低壓復合脈沖電源用于復合加工，實現(xiàn)高效率高質(zhì)量加工。高壓時主要進行電解加工，用于快速去除材料，低壓時主要進行電解作用，用于去除電解加工產(chǎn)生的再鑄層。高低壓復合脈沖電源的峰值電流、脈寬、脈間、進給速度等分檔可調(diào)，實現(xiàn)多檔位選擇。
第2章 電解小孔整體方案設計
2.1 總體要求
本設計的的研究目的主要在于研制專用孔的加工裝置。技術要求為：加工孔徑?≤3mm,深徑比約為1:30。本設計需要采用C型立式結構，設計機床的主要部件如床身、滑枕頭、進給系統(tǒng)、工作箱、工作臺和導電系統(tǒng)。對各個主要部件要進行認真分析計算和設計，從而達到較好的設計效果。
2.2 電解加工原理
電化學制造技術按原理可分為兩類，一類是基于陰極沉積原理的增材制造技術，如精密電鑄、刷鍍等，另一類是基于陽極溶解原理的減材制造技術，如電解加工、電解拋光等。這兩類技術有一個共同點，無論是材料的減少還是增加，加工過程都是以離子的形式進行的。要實現(xiàn)微細加工，首先要解決其加工單位的微細化問題，既單位加工量盡可能地少。在電解加工過程中，材料的轉移是以離子尺度進行，由于金屬離子的尺寸非常微小(10-1nm級)，這在加工原理上解決材料“切削量”的微細化問題。因此，相對于其它“微團”去除材料方式(如微細電解、微細機械磨削)，這種以“離子”方式去除材料的微去除方式使得電化學加工技術在微、納米加工領域存在著極大的研究探索空間。
圖2-1為微細電解加工原理圖。電解加工系統(tǒng)是一個由兩類導體串聯(lián)形成的電化學系統(tǒng)，電子得失的電化學反應發(fā)生在兩類導體界面，即電極的雙電層。由于雙電層的形成，在界面上就產(chǎn)生一定的電位差，即電極電位，在一定外加電壓下，電極電位偏離，使界面發(fā)生電化學反應。其導電過程的機理是在外電場作用下，金屬導體中的自由電子定向運動，電解液中的正、負離子分別向陰極、陽極移動，在雙電層上進行有電子參與的電化學反應，既電極反應，如此而形成完整的導電回路。
圖2.1 液態(tài)介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)圖
由于雙電層電荷間距為10-10m數(shù)量級，雙電層場強相當大，使本來不能進行的化學反應變得可以進行。工件作陽極，在其表面的金屬原子M失去電子成為金屬正離子M+n溶入電解液而逐層地被電解下來，使工件尺寸、形狀發(fā)生變化，實現(xiàn)加工的目的。
從加工機理上來說是離子去除，因此可達到微細加工的目的。根據(jù)法拉第定律，陽極金屬溶解的質(zhì)量（M）和溶解的體積（V）分別為：
（2-1）
（2-2）
式中 M——陽極溶解的質(zhì)量；
V——陽極溶解的體積；
Q——通過界面的電量；
к——質(zhì)量電化當量；
I——電流強度；
t——電流通過的時間；
ρ——陽極金屬的密度；
ω——電化學當量。
由式（2-1）和（2-2）可知，只要控制電流密度大小、電化學反應區(qū)域和電流通過的時間，就可以控制工件的去除量和去除速度，實現(xiàn)電化學微細溶解，又由于電解過程中沒有宏觀作用力產(chǎn)生，不需考慮工件材料的強度、硬度等機械特性，加工表面不產(chǎn)生應力，因而具備實現(xiàn)微細加工的基本條件。電解加工技術具有優(yōu)良的加工機理，在微細加工領域具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但電解加工的雜散腐蝕及間隙中電場、流場的多變性嚴重制約了其加工精度，加工間隙大，其加工的微細程度目前還不能與電化學沉積的微細電鑄相比，因此需要在加工工藝和裝置上不斷創(chuàng)新，才能實現(xiàn)微細電解加工。
2.3 機床總體布局選型
本機床選擇C 型立式結構，因為本電解機床受力較小，屬小型機床，此種布局簡單、清晰、結構聯(lián)接件較少。機床支撐采用立柱式結構，用螺釘緊固在工作臺面上，橫梁固定安裝在立柱上。主軸進給采用步進電機，由滾珠絲杠傳動，直線滾珠導軌上下移動，步進電機與絲杠用剛性聯(lián)軸器相接。無減速機構，直接用電機轉速調(diào)節(jié)主軸頭上下運動。
本設計為了使電極旋轉，從而使加工孔徑均勻、質(zhì)量提高，故在主軸頭上加了一附件（旋轉電機），采用V 帶傳動，帶動電極轉動，結構見裝配圖。
采用C 型立式結構有下列優(yōu)點：
結構簡單，結構聯(lián)接件較少，采用直線滾珠導軌易于保證直線度和垂直度。
采用步進電機價格低廉，無積累誤差，易于數(shù)字控制，傳動剛度和靈敏度都可滿足，加工穩(wěn)定，加工精度可以保證。
圖2.1 機床總體布局
1.床身 2.工作臺
3.工作箱 4.滑枕頭
5.電機 6.輸液系統(tǒng)
7.導電系統(tǒng)
2.4 傳動方式的選擇
機械傳動方式主要有齒輪傳動、帶傳動、電動機直接驅(qū)動等。傳動方式的選
擇主要取決于主軸的轉速、所傳遞的轉矩、對運動平穩(wěn)性的要求以及結構緊湊、裝卸維修方便等要求
(1)齒輪傳動齒輪傳動的特點是：齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大
優(yōu)點：
1：傳動效率高；
2：傳動比大；
3：傳遞扭矩大；
4：壽命長。
缺點：
1：重量大；
2：噪音大；
3：傳動距離較??；
4：需要經(jīng)常潤滑。
（2）帶傳動
帶傳動是由固聯(lián)于主動軸上的帶輪（主動輪）、固聯(lián)于從動軸上的帶輪（從動輪）和緊套在輪上的傳動帶組成的.
⑴ 帶傳動的類型：
常見的傳動類型有：平帶傳動、V型帶傳動、多楔帶傳動、同步帶傳動.
① 平帶傳動是帶傳動中最簡單的結構,適用于中心距較大的情況,但它不適合于高速傳動.
② V帶傳動（俗稱三角帶）：V傳動有較大的摩擦力且傳動平穩(wěn)應用廣泛.
③ 多楔帶傳動：它兼有平帶和V帶的優(yōu)點,柔性好,摩擦力大,適用于傳遞功率較大而又要求結構緊湊的場合.
④ 同步帶傳動：他是嚙合傳動,轉速高,精度高,適合高精度儀器裝置中.
⑵ 帶傳動的特點：優(yōu)點:結構簡單,使用維護方便；過載時,帶會在帶輪上打滑,避免損壞其它零件,有過載保護作用；運行平穩(wěn)噪音小、振動??；制造安裝精度要求不高.
缺點:由于彈性且靠摩擦力傳動,因此帶與帶輪之間存在彈性滑動,不能保證準確傳動比；由于傳動中存在彈性滑動,消耗了部分功率,傳動效率較低；使用壽命較短；與嚙合傳動相比,張緊力和軸上壓力較大,軸易受損；不適宜高溫、易燃、易爆、油污的場所.
（3）電動機直接驅(qū)動
普通的伺服電機要實現(xiàn)低速大扭矩輸出時，必須加減速機等減速機構，以實現(xiàn)降低轉速，提升扭矩。雖然這種解決辦法可以實現(xiàn)低速大扭矩的運行，但在此過程中，由于加入了減速機構，降低了系統(tǒng)的精度及效率。給系統(tǒng)帶來了能量損耗、精度損失、噪音等等不良后果。電動機的也現(xiàn)，完美的解決了此類問題的發(fā)生。電動機本身為低速大扭矩輸出，不用減速機構，直接與負載相連。消除了由于減速機構所帶來的不良后果，整體上提高了系統(tǒng)的精度。另外，由于電動機本身的高定位精度、高響應速度等特點，更好的保證和提高了系統(tǒng)的精度，簡化了系統(tǒng)結構，同時，也節(jié)省成本。
綜合以上傳動方式比較，在此次設計的機床中，因為在電解加工中幾乎無任何切削力，機床功率較小，故選擇V 帶傳動。其具有安裝容易、占地面積小、傳動效率高和噪音小等優(yōu)點，在整個傳動領域中占有重要地位 。
2.5 床身
選擇C 型結構：特點：剛性尚且還可以，穩(wěn)定性好，工作箱可達性好，操
作方便。
設計要求:
(1)確保床身縱向剛度，防止在電解加工中受軸向力而撓曲變形。
(2)床身工作臺設計時防止工作臺受壓變形。
(3)床身工作臺對滑枕的安裝基面垂直度要求公差≤0.025mm。
(4)床身外表面途耐蝕絕緣漆，并加陰極保護。
2.6 滑枕頭
選擇滾珠絲杠。
選用直線滾珠導軌（具體見零部件設計）。
設計要求:
滑枕頭導軌面與工作臺面垂直度公差0.01mm.
滾珠絲杠副與絲杠螺母副相比較，絲杠螺母不但要清除傳動的間隙的復雜程
度高，而且耐磨性、潤滑性不好，使用不耐久，精度低，而采用滾珠絲杠副傳動
平穩(wěn)，摩擦系數(shù)較小，形位精度高，運動靈活，傳動精度高，剛性強。
2.7 進給系統(tǒng)
選擇步進電機拖動數(shù)字控制系統(tǒng)
技術要求：
⑴進給靈敏度高，分辨率高，位置分辨度：0.01mm，速度分辨度：0.01mm/min。
⑵進給穩(wěn)定，不爬行，飄移小于0.01mm.
(3)速度特性硬：空載到滿載Dv<0.025mm/min。
特點：
⑴精度較高
⑵功率較小
(3)調(diào)速范圍較寬采用此系統(tǒng)對于加工盲孔具有很大優(yōu)點，能夠較為準確的加工盲孔的深度。
2.8 工作箱
采用整體玻璃鋼板裝配式。此結構耐蝕性好，輕便，省料，但易變行（高溫
時）。工作箱的設計主要考慮密封和防腐蝕兩方面問題。工作箱上部與皮套相配合，達到全封閉效果。為防酸液濺出傷人，在工作箱上開有通氣孔和管接頭孔。箱體設計為長方形，結構如圖2.8 所示，面與面之間用鉸鏈相連，中間鑲嵌玻璃鋼，并考慮密封裝置，在其中一面之上設計一類似于門的結構，以便更換零件，考慮加密封墊。
圖 2.8 工作箱
2.9 工作臺
選擇工作臺X、Y 向運動部件(t 拖動、傳動及導軌部件)夾層充油密封圈。
設計要求：
⑴ 剛性強。
⑵ 耐蝕、絕緣好。
(3) 定位面平面度高。
(4)有高精度定位鍵定位孔及分布廣的螺孔或梯形孔。
此種結構運動部件使用效果較好，只適用于小行程運動系統(tǒng)。
2.10 導電系統(tǒng)
選用實心電纜。 特點：⑴簡單、耐蝕性尚可。
⑵散熱差，電流密度低，導線多。
由于此機床為小型機床，電流小，熱量產(chǎn)生少，電流密度低，故可行。
2.11 工作原理
介質(zhì)從銅孔通過放電和工件，該金屬的目的穿孔腐蝕，孔加工超硬的鋼，硬質(zhì)合金，銅，鋁和任何導電材料。
第3章 電解小孔加工機床的設計和計算
3.1 電動機介紹及選型
一般原動機的類別，如果沒有特別說明的，我們大都會選擇用交流電動機來作原動機。電動機是系列化的產(chǎn)品。在機械設計的過程中，我們只需要根據(jù)工作機的工作運轉狀況，從而進行選取適用的電動機的容量，轉速，以及類型等，從而提出詳細的電動機型號來。電動機實物如下圖所示
圖3.1 電動機
一般在實際的選取中，若沒有特別的說明，我們大都會選用Y系列的三相交流異步電動機。而對于在一些需要電動機具備比較強的超載能力和不大的轉動慣量時，比如起重物體，我們可以選用起重用途的三相異步電動機，而在現(xiàn)實中我們使用頻率比較多的是YZR型或者YZ型號的電動機。
在實際的選取電動機的過程中，功率是一個非常重要的參數(shù)，其大小對電動機的工作性能和節(jié)約性上均上作用非比尋常。如果選的大了，則會由于效率低下而造成資源的浪費，并且大功率的，其價格也會很高，作用無法完全體現(xiàn)出來；而如果其功率選的小了，則又無法確保設備能穩(wěn)定運轉，亦或?qū)е码姍C由于負荷過大而早早地就會出故障。因而，在選取過程中，我們必須選取功率大小適合的電機，而對于那些能夠持續(xù)平穩(wěn)運行的機器設備，一般我們僅需要使得電動機的額定功率稍微大于其所需的實際運轉功率即可。
粗略計算所需電動機的功率
假設重量為m=10kg
g=10N/kg
則總重力G1=mg=10*10=100N （3.1）
經(jīng)查表3.1得摩擦系數(shù)為0.04
表3.1 摩擦系數(shù)表
作用在一個滾子上的載荷（包括滾子自重） N
物品與接觸的底面材料
金屬
木材
硬底板
0～110
0.04
0.045
0.05
110～450
0.035
0.035
0.05
450～900
0.025
0.03
0.045
≥900
0.02
0.025
0.05
（1）驅(qū)動功率計算
則工件受到的摩擦力為：
4N （3.2）
則驅(qū)動電機所需牽引力為：
N （3.3）
假設直徑d=100mm
假設額定轉速na=1400r/min
則的線速度vω=πdna=π×0.1×1400/60=7.4m/s （3.4）
設功率安全系數(shù)為1.2，驅(qū)動裝置的效率為0.8，則需要的驅(qū)動功率為：
kW （3.5）
（2）電動機總效率η
ηc—聯(lián)軸器效率，ηc=0.99
ηb—滾動軸承效率，ηb=0.99
ηv—皮帶效率，ηv=0.97
則傳動系統(tǒng)總效率
η=ηvηb^4ηcηcy=0.97×0.99^4×0.99=0.92 (2.6)
（3）所需電動機的功率Pd (kW)
Pd=Pd/η=0.044/0.92=0.05 kW (2.7)
為了保證驅(qū)動電機有足夠的功率余量，且綜合考慮電動機和傳動機構的尺寸，重量以及價格等因素，這里選擇額定功率為0.37kW的YS7124型電機，其主要技術參數(shù)列于下表中。
表3.2 驅(qū)動電機的技術參數(shù)
電動機型號
額定功率（kW）
轉速（r/min）
YS7124
0.37
1400
3.2 同步帶的傳動計算
3.2.1 同步帶的計算選型
（1）確定其功率
同步帶所需要的設計功率由作用在帶上的類型，驅(qū)動電機的技術參數(shù)，帶輪每日的工作周期大小，以及其所要求驅(qū)動電機提供的原功率大小等一起影響的，具體公式為：
（3.8）
上式中 ——同步帶所需傳遞的名義功率 kW ；
——使用系數(shù)，根據(jù)下面圖表數(shù)值，可選取為=1.7；
圖表2-5使用系數(shù)
(2) 確定帶的型號以及其節(jié)距
由傳動裝置的Pd'以及其轉速n1，可查其參數(shù)圖表以鎖定其要的參數(shù)
由上面已求得Pd=0.63kw，n1=1400r/min。經(jīng)查圖表2-6
圖表2-6
所以可選取同步帶的型號為H：，節(jié)距為：Pb=8.00mm
(3) 選擇帶輪的齒數(shù)Z1，Z2
圖表2-7
經(jīng)實際查表2-7查得小帶輪最小齒數(shù)18。
而實際中所用到的齒數(shù)需要比此數(shù)值要大
所以初選z1=34，則大帶輪的齒數(shù)就是：z2=i×z1=1×z1=34 （2-9）
所以為z1=34 ，且z2=34
（4）兩帶輪的節(jié)圓直徑d1，d2
小帶輪的節(jié)圓直徑為：d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.6mm (2.10)
大帶輪的節(jié)圓直徑為：d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.6mm (2.11)
（5）驗算帶輪的速度v
根據(jù)式v=πd1n1/60000 （3.12）
m/s﹤vmax=40 m/s,而vmax=40m/s根據(jù)圖表2-8所求。
圖表2-8
（6）帶輪嚙合齒數(shù)計算
由于此畢業(yè)機械設計中我用到的傳動比是1，因此這里的帶與帶輪之間的嚙合齒數(shù)即是其本身數(shù)量的一半，則=17
e) 帶輪運轉時對軸的載荷
N (2.13)
3.2.2 主要的內(nèi)部結構部分
（1）節(jié)距
概念：節(jié)距是指帶上緊靠在一起的兩個帶齒的所在處在節(jié)線方向測出的數(shù)值。示意圖如下圖所示。
圖2-6 帶的節(jié)距示意圖
在設計同步帶及同步帶輪時，我們要考慮的因素和參數(shù)很多，但在這些技術和尺寸圖形參數(shù)中，節(jié)距卻是最重要的一個，其值過大，則其他部分的數(shù)值也要隨之變大，其能擔負的工作強度也會變大。在此次設計中，我們選用的是梯形帶，其內(nèi)部結構的各部分標準參考值如下所示。
（2）節(jié)線長
帶內(nèi)部繩的中心線就是我們通常所說的節(jié)線，在其進行傳動運轉時，其數(shù)值應始終是一定值，而其輪廓長度之和就是它的節(jié)線長度。在工作機進行工作運轉時，其數(shù)值大小是一個我們必須要考慮到的技術數(shù)據(jù)。在實際設計運用中，其值大小已被規(guī)定在一個的區(qū)域之中，具體如下。
3.2.3 繪制所需圖
此處，根據(jù)實際具體的畢業(yè)設計的相關技術要求和相關的尺寸參數(shù)標準，所繪制的平面示意圖如下圖所示。
3.3 進給伺服系統(tǒng)的設計
3.3.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求
進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結構及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質(zhì)或形式無關。
(2) 精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標就行。
(3) 快速響應性
快速響應特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。
3.3.2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求
在靜態(tài)設計方面有：
(1) 能夠克服摩擦力和負載
(2) 很小的進給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉剛度
(4) 足夠的調(diào)速范圍
(5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象
在動態(tài)設計方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動轉矩
(2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量
(3) 負載引起的軌跡誤差盡可能小
對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求
(1) 被加速的運動部件具有較小的慣量
(2) 高的剛度
(3) 良好的阻尼
(4) 傳動部件在拉壓剛度 扭轉剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能
小的非線性
3.3.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析
(1). 時間響應特性
進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應特性和頻率響應特性。
時間響應特性是用來描述系統(tǒng)對迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應兩部分組成。由于系統(tǒng)包含一些儲能元件，所以當輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應過程（或叫過渡過程）。穩(wěn)定響應是指當時間t趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時，輸出和輸入不能完全吻合，就認為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。
(2) 頻率響應特性
時間響應特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應隨時間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時間應速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應特性法。所謂頻率響應特性,就是系統(tǒng)對正眩輸入信號的響應，即它通過研究系統(tǒng)對正眩輸入信號的響應規(guī)律來獲得啟動態(tài)特性。
(3) 快速性分析
所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。
對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機電轉換裝置和機械傳動機構，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時間常數(shù)，對高頻信號來不及反應，只是一個地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對高頻信號響應速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應速度。
3.4 進給傳動的計算
3.4.1 X軸滾珠絲杠副
(1) 精度
要求：進給精度
快速進給精度
(2) 疲勞強度
絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量700kg,則：
1） 摩擦力
根據(jù)《機電一體化設計基礎》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2） 計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
3） 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4） 穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。
臨街轉速按下式計算：
式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5） 剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：
通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6） 效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.2 Y軸滾珠絲杠副
（1） 精度
要求：進給精度
快速進給精度
（2） 疲勞強度
絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量900kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機電一體化設計基礎》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2）計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。
臨街轉速按下式計算：
式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：
通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6）效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.3 Z軸滾珠絲杠副
（1）精度
要求：進給精度
快速進給精度
（2）疲勞強度
絲鋼的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機電一體化設計基礎》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2）計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨街轉速。要求絲杠的最大轉速。
臨街轉速按下式計算：
式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：