青岛科技大学本科毕业设计（论文）

题。该课题的主要目的是开发立式超声微细电化学加工机床机械系统。该机床的主要功能是加工微细孔等典型微细金属结构。本次毕业设计的内容是完成系统的总体结构设计，包括系统硬件部分的选型、设计并完成机床机械本体、机械传动系统、主轴系统，超声进给系统的设计。

具体内容如下：

（1）立式超声微细电化学加工机床机械系统的总体结构设计。 （2）立式超声微细电化学加工机床机械系统设备硬件选型。

（3）立式超声微细电化学加工机床机械系统机械本体、机械传动系统、主轴系统，超声进给系统的设计。

（4）关键零部件设计的较核计算。

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立式超声微细电化学加工机床机械系统设计

2 超声微细电解加工机床总体设计

2.1超声微细电解加工机床的总体设计原则

进行总体设计时，首先必须确认设备的工作条件、加工对象的特点和基本要求。这是总体设计的基础和出发点；其次就是要确定设备主要部分的功能、组成、基本方案和相互间的匹配关系，在此基础上进行总体布局；然后根据设计任务书的要求选定设备的总体规格、性能、技术要求；最后定出总体方案。由于电解设备各部分的相对独立性较大且专业领域各异，因此总体设计对于确保设备的整体性能和水平是极为重要的一环，特别是各组成部分之间的相互匹配、协调尤为重要，这是电解加工设备设计与机床设计的重大区别之处。

2.1.1电解加工设备的特殊工作条件以及由此带来的特殊问题

（1）工作环境较恶劣。机床工作箱内和输液系统的零部件均直接接触腐蚀性的电解液，导致零件的化学或电化学腐蚀，其中阳极导电系统的电化学腐蚀问题尤为突出。除此之外，整套设备均处在某些腐蚀性气体的环境中，可能导致金属零件的锈蚀，特别是电器元件的锈蚀。

（2）大的加工电流。电解成型加工时总电流可能高达数万安培，带来大电源控制的稳定性问题，如直流电源的电压、电流波动、脉冲电源的大电流关断的可靠性以及大电流的传导中的发热及能耗等问题。

（3）承受复杂的动态负荷。极间高速的气液两相流导致主轴头承受相当大的动态负荷，极间交变的电磁场大的电磁力，以及极间扰流也会引起电压、电流的振荡，这些因素会导致交变的电磁力并对电力系统产生一定的干扰。

（4）小的动态变化的极间间隔。对此种状态控制不当就会导致阳极局部钝化，使加工中断或极间发生火花短路。

2.1.2电解加工设备的基本要求、总体设计中应考虑的主要问题及遵循的主要原则

基于上述特殊的工作条件，对电解加工设备提出了下列基本要求：

（1）机床的耐蚀性好。机床工作箱及电解液系统的零部件必须有良好的抗化学和抗化学腐蚀的能力，其抗蚀条件应达到在20%Nacl溶液中，50。C条件下不受腐蚀。

（2）机床刚性强。随电解加工向大型、精密发展，采用大电流、高电解压力，高流速，小间隙加工，以及脉冲电流加工的应用，越来越使电解加工机床在较大的动态，交变负荷下工作，要达到高精度、高稳定性就必须有较强的静态和动态刚性，目前国外通行的指标是在额定的主轴等效静负荷下，滑枕最大悬伸时，阴极安装板轴向变形位移0.10—0.20mm或0.001mm/KN，侧向位移≤0.05mm。

（3）进给速度特性硬，调速范围宽。为确保动态交变负荷下小间隙加工的稳定性，进给速度从空载到满载变化量应小于0.025mm/min，采用液压送进时，低速爬行量应小于0.01mm。最低进给速度为0.10mm/min，最高空程速度为500mm/min。

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青岛科技大学本科毕业设计（论文）

（4）较高的机床精度。总的是要确保工具阴极与工件之间相对位置准确，这是采用电极CAD/CAM技术的基本条件，国外多采用此法。国内则采用反拷电极试修法，因而主要要求定位稳定、可靠、重复精度高，而对位置的绝对精度则没有严格要求。

（5）大电流传导性好。大电流传导是电解加工设备中的重要特点，导电系统线路压降大热损就大，导致电能消耗大，传输效率低。

（6）电气系统抗干扰性强。滑枕进给的控制和数字显示系统应能抗本机加工电源大电流通断和极间火花的干扰；电源短路保护系统能抗周围环境的火花的干扰。机床电气系统抗干扰能力强，则加工稳定性就好。

（7）安全可靠。必须杜绝工作箱内氢气爆炸（工作箱内氢气含量应低于0.25%）还应防止有害气体逸出。所有电器柜要防潮及防止腐蚀性气体渗入。阳极与机床间绝缘必须可靠。双头机床的阴极应与机床绝缘。

（8）配套性好。设备应成套，各部分性能应相互匹配以得到最佳工作条件。目前国内则尚未做到这一点，除给用户带来不便外，还会影响整套设备的使用效果。

（9）较大的通用性。电解加工的对象大都属于小批量多品种生产，因而机床的通用性会影响到设备的利用率和经济性，特别是电解设备成本较高，一次投资较大，因而应足够重视机床的通用性。除上述技术要求外。还应充分考虑设备的经济性，应有低的成本性能比。由于电解加工设备一次性投资较大，如果一味的追求高性能而忽视其经济性，就会因为成本过高而影响其推广面和市场效果，在市场中处于劣势。

2.2 超声微细电解加工机床的系统总体设计

在深入分析以上有关超声微细电解加工的加工特点，以及目前国内外已有小型电解加工系统及其相关技术特点的基础上，综合考虑结构刚性、操作维护性、加工精度、加工稳定性等多方面因素，作者独立研制了一套超声微细电解加工系统。系统主要包括机床进给系统和超声加工系统两大部分。

机床进给部分主要包括：底座，立柱，安装板，步进电机，谐波减速器，滚珠丝杠，丝杠螺母副，直线导轨副，工作台等组成。

超声加工部分主要包括：超声发生器，变幅杆，工具阴极等组成。

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立式超声微细电化学加工机床机械系统设计

图2－1本文机床的结构示意图

Figure2-1 Scheme of mechanical structure in the paper

本加工系统设计之初即定位于加工对象尺寸可能从微米级直至毫米级，即能加工微细结构，也能加工较宏观的微细群结构，比如微细群孔和微细群缝结构，加工前者通常是采用浸入式加工或者敞开弱压冲液方式，工具电极及其夹具所受电解液压力的反作用力非常小，可以忽略不计。而加工后者通常需要特定的辅助夹具，并辅以一定的电解液压力，此压力使得电极受到一定的轴向力，所以设计时必须考虑如何使此反力对机械结构所造成的变形在可以接受的范围之内，必须保证整个系统的刚性，只有这样，才能保证微细电解时的加工精度。

如图所示，本文设计的机构为双立柱复合结构，加工过程中主轴所受负载通过一对滚珠导轨副平均传递到两立柱上，每根立柱实际上只承受变形载荷的一半，而且实际加工中负荷小于甚至远远小于设计的最大负荷，故结构实际变形量小于上面的计算值，亚微米级的变形量足以使得其对微细电解加工精度的影响可以忽略不计。

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