电火花机械体设计.docx
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电火花机械体设计
目 录
绪论……………………………………………………………………….………….02
第一章机床的形状分析及型号.………………………………………..…..….03—05
第一节.机床的形状分析………………………………………………….............03
第二节机床的型号…………………………………………………………...........04
第二章电火花机床主运动传动部件………………………………………………..06
第一节滚珠丝杠副分析………………………………………………………..07
第二节滚珠丝杠副的代号及编号规则………………………………………..14
第三章滚珠丝杠副传动系统的计算………………………………………...……...16
第一节滚珠丝杠副螺母副的特点…..................................................................16
第二节滚珠丝杠的标准和精度选择…………………………………………..20
第三节滚珠丝杠螺母副的设计计算………………………………………..…20
第四节滚珠丝杠的支承………………………………………………………..21
第五节滚珠丝杠螺母副的选择步骤…………………………………………..23
第四章滚珠丝杠参数的分析与计算………………………………………………..23
第一节滚珠丝杠的选用方式………………………………..…………………23
第二节滚珠丝杠支承方式的选用……………………………………………..25
第三节本设计中丝杠参数的校验………...…………………………………...26
第五章翻译部分（translationoftheWEDM）……………………………….26—55
总结及鸣谢………………………………………………..…………………………56
参考文献…………………………………………….……………………………….56
绪论
电火花加工技术（EDM）是一种把电能用来转换成热能来加工的一种新技术，它是靠热能来融化工件从而使工件得到有效的尺寸从而与传统的机械加工技术有了本质的区别，在加工精度上有着无法比拟的差距。
本书主要介绍电火花机床主轴头里零件的设计等，但主轴头里滚珠丝杠将是本书的要点，从滚珠丝杠的设计到最后的校合书上都一一讲明，至于其他电方面的系统与零件本书只是略有提及。
滚珠丝杠在电火花中的主要作用是把伺服电机的旋转转化为电极的直线运动，所以对滚珠丝杠的尺寸和形状公差要求比较高，本书基本上涉及到丝杠的各个技术要求，从形状的分析到零件材料的选择和热处理等等，希望本书的出现能给读者带来实质上的帮助。
由于编者水平有限，书中难免有不足之处，恳请读者批评指正。
第一章机床的形状分析及型号
第一节.机床的形状分析;
如图1-1所示为最常见的电火花穿孔机,它包括主机、电源箱、工作液循环系统、如果采用液压伺副服系统，则应该还包括液压系统，共四大部分组成.但兼于本设计趋向于机械传动所以本书只在于表达滚珠丝杠传动部分.
主机用于支撑工具电极和工件间相对的位置,并实现电极在加工过程中稳定的进给运动.主机主要由床身、立柱、主轴头、工作台及润滑系统组成.电源箱包括脉冲电源,自动控制系统和其他电气控制系统组成
电火花机床是靠带电电极与工件间通过一定的间隙（0.01～0.5mm）放电使高压电流击穿绝缘介质使介质电离导电产生瞬间的高温把金属材料逐步去除,所以放电的间隙对工件加工的精度有着绝对的影响,而这方面主要取决于主轴头里滚珠丝杠的精度.
第二节机床的型号
本节主要介绍电火花机床的型号及选用方法;
我国早期生产的电火花机床主要采用RC﹑RLC﹑和电子管等窄脉冲电源分别命名为D61系列,但80年代以后开始大批使用晶体管脉冲电源电火花机床既可以用来做穿孔加工也可以用来做成型加工故1985年起国家机械部把电火花机床定名为D71系列,具体型号表示方法如下:
D（电火花加工机床）71（穿孔成型加工机床）32（工作台宽度）
表（1.1）电火花穿孔加工机床主参数标准
工作台
台面
宽度B
/mm
200
250
320
400
500
630
800
1000
长度L
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
行程
纵向X
160
250
400
630
横向Y
200
320
500
800
最大承载质量/KG
50
100
200
400
800
1500
3000
6000
T型槽
槽数
/mm
3
5
7
槽宽
10
12
14
18
槽间距离
63
80
100
125
主轴连接板至工作台最大距离H
300
400
500
650
700
800
900
1000
主轴头
伺服行程Z
80
100
125
150
180
200
250
300
滑座行程W
150
200
250
300
350
400
450
500
工具电极
最大质量/kg
Ⅰ型
20
50
100
250
Ⅱ型
25
100
200
500
连接尺寸
工作液槽内壁
长度d
/mm
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
宽度c
300
400
500
630
800
1000
1250
1600
高度h
200
250
320
400
500
500
800
1000
现在国内外主要电火花穿孔成型机床的型号往往会加上本厂的厂名及其他代号，每个厂的型号都不是统一的，在细节上因厂而异但是主体上是相差不远的，只是在主标准的前后添上各自的厂标。
第二章电火花机床主运动传动部件
滚珠丝杠在电火花机床中是把伺服电机转化成电极轴的直线运动所以一个电火花机床的性能指标很大程度上依赖与主轴伺服电机相连接的滚珠丝杠的精度。
（见CAD图2-1）39
滚珠螺旋的特点及应用场合图（2-2）如下；
特点
应用场合
（1）摩擦阻力小，传递效率高（η>90%）
（2）结构复杂制造困难
（3）具有运动可逆性，可回转运动转为直线运动也可直线运动转为回转运动。
（4）运动平稳启动后无颤动。
低速时无爬行。
（5）螺母与螺杆经顶紧可达到很高的定位精度（1um~2um）和重复定位精度（1um~2um）并可提高轴向刚度。
（6）工作寿命长，不易发生故障。
（7）抗冲击性能差。
数控机床，精密机床，测试机械，仪器的传动螺旋和调整螺旋，飞行器，船舶自动控制系统和传力螺旋。
滚珠丝杠副不仅具有上述优点以外还因为它象滚动轴承一样可作为配套元件模块化生产因此其型号也比较繁多。
第一节滚珠丝杠副分析
早在19世纪末就发明了滚珠丝杠副，但很长一段时间未能实际应用，因制造难度太大。
世界上第一个使用滚珠丝杠副的是美国通用汽车公司萨吉诺分厂，它将滚珠丝杠副用于汽车的转向机构上。
1940年，美国开始成批生产用于汽车转向机构的滚珠丝杠副，1943年，滚珠丝杠副开始用于飞机上。
精密螺纹磨床的出现使滚珠丝杠副在精度和性能上产生了较大的飞跃，随着数控机床和各种自动化设备的发展，促进了滚珠丝杠副的研究和生产。
从50年代开始，在工业发达的国家中，滚珠丝杠副生产厂家如雨后春笋般迅速出现，例如：
美国的WARNER-BEAVER公司、GM－SAGINAW公司；英国的ROTAX公司；日本的NSK公司、TSUBAKI公司等。
我国早在50年代末期开始研制用于程控机床、数控机床的滚珠丝杠副。
40多年来，由于滚珠丝杠副具有高效率、高精度、高刚度等特点，被广泛应用于机械、航天、航空、核工业等领域。
现在，滚珠丝杠副已成为机械传动与定位的首选部件。
滚珠丝杠副的发展主要在以下几方面。
1 滚珠丝杠副的种类
由于滚珠丝杠副的使用不断普及，使用领域不断扩大，对滚珠丝杠副的要求也越来越多，普通规格的滚珠丝杠副已远远满足不了使用要求，如航天航空领域、小型精密测试装置、电子仪器以及半导体装置等基本上都需要公称直径d0≤12mm，导程Ph=0.5～2.5mm的微型滚珠丝杠副。
日本NSK公司已开发出公称直径d0=4mm，导程Ph=0.5mm的世界最小导程微型滚珠丝杠副。
半导体插件装置、小型机器人等需要微型大导程滚珠丝杠副，以满足高速驱动要求。
本设计中滚珠丝杠的公称直径定为35mm。
随着机械产品向高速、高效、自动化方向发展，工业机器人、数控锻压机械、加工中心以及机电一体化自动机械等，其进给驱动速度不断提高，大导程滚珠丝杠副的出现，满足了高速化的要求。
日本NSK公司已开发出公称直径×导程为：
15mm×40mm、16mm×50mm、20mm×60mm、25mm×80mm超大导程滚珠丝杠副，快速进给速度达180m/min。
现国内外文献上对滚珠丝杠副还没有统一的分类，但各国一般是按以下原则进行分类的，普通滚珠丝杠副一般指公称直径d0=16～100mm，导程Ph=4～20mm，螺旋升角φ＜9°。
微型滚珠丝杠副指公称直径d0≤12mm的滚珠丝杠副。
对于导程Ph≤3mm的滚珠丝杠副称为微型小导程滚珠丝杠副，螺旋升角φ＞9°的滚珠丝杠副称为微型大导程滚珠丝杠副。
大导程滚珠丝杠副指公称直径d0≥16mm，螺旋升角17°≥φ＞9°或导程
d0≤Ph≤d0的滚珠丝杠副，对于螺旋升角φ＞17°称为超大导程滚珠丝杠副。
重型滚珠丝杠副指公称直径d0≥125mm的滚珠丝杠副。
2 滚珠丝杠副结构
滚珠丝杠副的结构传统分为内循环结构（以圆形反向器和椭圆形反向器为代表）和外循环结构（以插管为代表）两种。
这两种结构也是最常用的结构。
这两种结构性能没有本质区别，只是内循环结构安装连接尺寸小；外循环结构安装连接尺寸大。
图2-3 滚珠丝杠副组成框架
目前，滚珠丝杠副的结构已有10多种，但比较常用的主要有（图2，附表）：
内循环结构；外循环结构；端盖结构；盖板结构。
图2-4 滚珠丝杠副主要结构
内循环结构反向器的形状有多种多样，但是，常用的外形就是圆形和椭圆形。
由于圆形滚珠反向通道较短，因此，在流畅性上不如椭圆形结构。
现在，最好的反向器结构为椭圆形内通道结构，由于滚珠反向不通过丝杠齿顶，类似外循环结构，因此，消除了丝杠齿顶倒角误差给滚珠反向带来的影响。
但由于制造工艺较复杂，影响了这种结构的推广。
种 类
特 点
循环圈数
螺母
尺寸
圈数
列数
内循环结构
通过反向器组成滚珠循环回路，每一个反向器组成1圈滚珠链。
因此承载小。
适应于微型滚珠丝杠副与普通滚珠丝杠副。
1
2列
以上
小
外循环结构
通过插管组成滚珠循环回路，每一个插管至少1.5圈滚珠链，因此，承载大。
适应于小导程、一般导程、大导程与重型滚珠丝杠副。
1.5
以上
1列
以上
大
端盖结构
通过螺母两端的端盖组成滚珠循环回路，每个回路至少1圈滚珠链，承载大。
适应于多头大导程、超大导程滚珠丝杠副。
1
以上
2列
以上
小
盖板结构
通过盖板组成滚珠循环回路，每个螺母一个盖板，每个盖板组成至少1.5圈滚珠链。
适应于微型滚珠丝杠副。
1.5
以上
1
中
3 滚珠丝杠副精度
过去，为了获得高的定位精度，主要通过提高滚珠丝杠副本身的精度来实现，因此，对滚珠丝杠的导程累积误差要求很高，给滚珠丝杠副的制造带来困难，使滚珠丝杠副的生产成本加大。
特别是高精度滚珠丝杠副，只有通过数控螺纹磨床或激光反馈螺纹磨床加工才能达到。
随着科学技术的不断发展，人们掌握了数控补偿技术，因而，不需要很高精度的滚珠丝杠副，也能获得高的定位精度。
为了适应数控补偿技术的要求，国际标准ISO3408-3-1992以及部颁标准JB3162.2-92都对滚珠丝杠副的行程变动量作了要求，如有效行程内行程变动量、任意300mm行程内行程变动量、2π弧度内行程变动量。
其目的就是要控制滚珠丝杠副行程误差的直线性，也即滚珠丝杠副行程误差线性化。
为数控误差补偿创造条件。
4 滚珠丝杠副性能
随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，这就要求滚珠丝杠副不但有高的精度，而且运转平稳，无阻滞现象。
滚珠丝杠副运转是否平稳，主要取决于滚珠丝杠副预紧转矩的变动量，不同转速下滚珠丝杠副的滚珠链运动的流畅性不同，因此，滚珠丝杠副的预紧转矩也不相同。
国际标准ISO3408－3－1992以及部颁标准JB3162.2－92规定了在转速为100r/min时，滚珠丝杠副预紧转矩的允差。
由于存在加工误差，如：
滚珠丝杠中径尺寸全长不一致，丝杠、螺母的导程误差，丝杠与螺母的滚道齿形误差以及螺纹滚道的粗糙度等，使滚珠丝杠副的动态预紧转矩在丝杠螺纹全长上是不恒定的，这直接影响驱动系统的平稳性，因而也影响滚珠丝杠副的定位精度。
因此，滚珠丝杠副预紧转矩变动量的大小是反映滚珠丝杠副性能好坏的重要指标。
近几年来，人们对滚珠丝杠副的预紧转矩变动量的大小开始重视起来，以前人们只重视滚珠丝杠副综合行程误差曲线，现在也开始重视滚珠丝杠副预紧转矩的曲线。
因为有了这两条曲线，滚珠丝杠副的性能就能很好地反映出来。
为了满足上述要求，北京机床研究所先后研制了滚珠丝杠副综合行程误差测量仪和预紧转矩测量仪。
应用现代化的测量手段和高精度的传感器，在测量过程中能实时显示行程误差曲线和预紧转矩曲线，并打印出完整的测量报告，为衡量滚珠丝杠副的总成质量，提供了可靠的检测手段。
随着数控机床的发展，“高速、高效”成为各厂家追求的目标，对于高速驱动与定位部件，国外已有直线电动机问世，开始用于加工中心，快速进给速度达到160m/min以上，加速度达4g以上，向滚珠丝杠副提出严峻的挑战。
但由于直线电动机存在价格昂贵、控制系统复杂、需采取措施解决磁铁吸引金属切屑、强磁对人身危害以及发热等缺点，在近一段时间很难得到普及。
滚珠丝杠副仍是现在高速驱动的最优先选择，国外大部分高速加工中心仍使用滚珠丝杠副。
为了达到高速驱动目的，设计时在提高电动机转速（电动机最高转速可达4000r/min）的同时，使用大导程滚珠丝杠副，导程可达32mm。
如日本马扎克公司在FF660机床上使用滚珠丝杠副，机床快速移动速度达90m/min，加速度达1.5g。
从前，担心大导程滚珠丝杠副驱动对加工中心精度的影响，设计时取导程Ph≤10mm。
随着科学技术的进步，从1999年日本国际机床展览会上可看出，设计与研究现在大部分高速加工中心都使用大导程滚珠丝杠副。
滚珠丝杠副在高速驱动时主要存在的问题是：
噪声、温升、精度。
滚珠丝杠副噪声产生的原因主要有：
滚珠在循环回路中的流畅性、滚珠之间的碰撞、滚道的粗糙度、丝杠的弯曲等。
滚珠丝杠副的温升主要是由滚珠与丝杠、螺母、反向器之间的摩擦及滚珠之间的摩擦产生的。
要解决上述问题首先应从滚珠丝杠副的结构设计开始，对存在的问题采取措施；另一方面，从工艺上解决，通过合理的工艺流程，提高产品的内在质量；选取适当的滚珠丝杠副预紧转矩；减小滚珠丝杠副的预紧转矩的变动量，使滚珠丝杠副适应高速驱动的要求。
总之，随着社会的不断发展，用户对滚珠丝杠副的要求越来越严，要求也多样化，促使滚珠丝杠生产厂不断提高产品质量、开发新品种，以满足用户的需求。
第二节滚珠丝杠副的代号及编号规则
根据ZBJ51004-89《滚珠丝杠副参数》和国际标准化组织（ISO）的有关文件标准，对滚珠丝杠副的参数代号、特征代号及滚珠螺纹旋向代号做了如下规定：
一.代号
1.参数代号
表2-3参数代号
参数名称
代号
参数名称
代号
公称直径
d
螺母螺纹内径
D1
导程
p
螺母螺纹底径
D2
基本导程
Ph
滚道圆弧偏心距
e
丝杠螺纹外径
d1
丝杠滚道圆弧半径
Rs
丝杠螺纹底径
d2
螺母滚道圆弧半径
Rn
螺纹全长
l
滚珠直径
Dw
接触角
a
2.特征代号
特征代号包括循环方式代号、预紧代号、负荷滚珠总圈数代号、精度等级代号及螺纹旋向代号等，具体见下图：
表格1循环方式代号表格2预紧方式代号
循环方式
代号
F
预紧方式
代号
内循环
浮动返向器
单螺母变位导程预紧
B
单螺母增大钢球直径预紧
Z
固定反向器
G
CM
双螺母垫片预紧
D
外循环
插管式
埋入
双螺母齿差预紧
C
凸出
CT
双螺母调整预紧
L
螺旋槽式
L
单螺母无预紧
W
表格3负荷滚珠圈数代号表格4精度等级代号表格5螺纹旋向代号
负荷滚珠总圈数
代号
精度等级
代号
螺纹旋向
代号
1.5圈
1.5
1级精度
1
右旋
不标
2圈
2
2级精度
2
左旋
LH
2.5圈
2.5
3级精度
3
3圈
3
4级精度
4
3.5圈
3.5
5级精度
5
4圈
4
7级精度
7
4.5圈
4.5
10级精度
10
5圈
5
（3）滚珠螺纹的代号
起代号用“GQ”表示，标注在公称直径前如
GQ50×8-3
二，滚珠丝杠副的型号
滚珠丝杠副的型号按以下格式编写：
标记示例：
CMD50-3.5-3表示为插管埋入式外循环（CM）双螺母垫片预紧片预紧（D）的滚珠丝杠副负荷滚珠总圈数为3.5圈，精度等级为3级，螺旋方向为右旋。
为了表示滚珠丝杠副的全长和螺纹长度，一般在滚珠丝杠副型号下用丝杠全长×螺纹长度表示：
CMD50-3.5-3/2200×1800表示丝杠的长度为2200，螺纹长度为1800。
第三章滚珠丝杠副传动系统的计算
第一节滚珠丝杠螺母副的特点
滚珠丝杠螺母副是一种低摩擦、高精度、高效率的机构。
滚珠丝杠螺母副其它特点如下：
1.运动极灵敏，低速时不会出现爬行；
2.可以完全消除间隙并可预紧，故有较高的轴向刚度，反向定位精度高；
3.滚珠丝杠螺母副摩擦系数小，无自锁，能实现可逆传动；
4.滚珠丝杠螺母副的滚珠循环方式一般分外循环和内循环两种，如图7.3所示。
图7.3滚珠丝杠螺母副
预紧是指它在过盈的条件下工作，把弹性变形量控制在最小限度。
滚珠丝杠多采用双螺母调隙结构。
用双螺母加预紧力消除轴向间隙时，必须注意：
预紧力不宜过大或过小，要特别减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙。
双螺母调隙结构分为螺纹式、垫片式和齿差式等，如图7.4所示。
a.螺纹式
b.垫片式
c.齿差式
图7.4双螺母调隙结构
滚珠丝杠的主要技术参数如图7.5所示。
1）名义直径D0
滚珠丝杠的名义直径D0是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径。
它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。
名义直径与承载能力有直接关系，D0越大，承载能力和刚度越大。
2）基本导程Ph
导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。
导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。
导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。
3）滚珠直径d0
一般取d0=0.6Ph
4）滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N
工作圈数j一般取2.5~3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。
5）列数K
要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。
图7.5滚珠丝杠的主要技术参数
第二节滚珠丝杠副的标注和精度选择
滚珠丝杠螺母副按其使用范围及要求分为7个精度等级。
1级精度最高，其余依次逐级递减。
数控机床和精密机械可选用2、3级精度。
本机床上则选用的是3级精度。
第三节滚珠丝杠螺母副的设计计算
1）额定动载荷和额定静载荷
额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在n>=10r/min的相同工作条件下运转1000000转后，90%的螺旋副（指螺纹滚道和滚动体）不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Ca。
额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速（n<=10r/min）条件下，受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷Ca0。
在本设中由于滚珠丝杠应用在主要承受轴向力的电火花机床上，所以这些参数显得由为重要。
2）滚珠丝杠副疲劳强度计算
滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。
滚珠丝杠的当量动载荷为：
Cm=Fm3√L（N）
式中
Fm---轴向工作载荷（N），当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时Fm=（2Fmax+Fmin）/3；
Fmax,Fmin---丝杠最大，最小轴向载荷（N）；
L---工作寿命，以106转为1单位，L=60nT/106；
n---丝杠转速（r/min）；
T---使用寿命（H），对数控机床可取T=15000h。
第四节滚珠丝杠的支承
滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，而径向载荷主要是卧式丝杠的自重。
其两端支承的配置情况分为一端固定一端自由、两端固定和一端固定一端浮动，如图7.6所示。
图7.6滚珠丝杠的支承配置
a）一端固定一端自由b）两端固定c）一端固定一端浮动
a）所示是一端固定一端自由的支承形式。
其特点是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。
b）所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与a）形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。
这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。
c）所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。
滚珠丝杠所用轴承为接触角为60度的角接触球轴承和滚针-推力圆柱滚子组合轴承。
第五节滚珠丝杠螺母副的选择步骤
1.计算最大的工作载荷；
2.计算最大动载荷，对于静态或低速运转的滚珠丝杠，需考虑最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠工作载荷；
3.验算刚度；
4.压杆稳定性核算。
第四章滚珠丝杠参数的分析与计算
第一节滚珠丝杠的选用方式
纵上所述滚珠丝杠的优点很显然是可以应用在电火花机床主轴上的，正如图（1-1）所示电火花机床的主运动就是电机的旋转运动转化为主轴的直线进给与退出，在本设计中运用的是插管埋入式外循环双螺母螺纹预紧的滚珠丝杠，因为外循环具有：
滚珠在滚道内返回平滑，传动平稳而且可运用多列的方式在点火花机床上承受大的轴向力。
对采用内嵌式的是因为在电火花机床主轴头里机械设备非常复杂，所以用来放置各个机械零件的空间也就变得小了，在要得空间小、精度又要非常高的情况下只有采用外循环内嵌式的滚珠丝杠了；采用螺纹预紧是因为螺纹预紧具有以下优点：
1.通过旋
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