摘 要
电化学机械复合光整加工机床是集电解加工和机械磨削加工于一体的高效机械加工机床。
本次设计主要是针对机床工作台进给系统部分进行设计与校核，并涉及到了各零件材料的选择以及电解液的处理等方面。首先是进行机床为立式结构，不同于市面上多采用的卧式。立式机床适用于可垂直放置的零件，其上面用卡盘夹住，下面用顶尖顶住，提高了零件的加工稳定性。其次是进行工作台进给系统的校核与计算。最后是关于材料的选择以及电解液的处理，将工作台的T型槽作为了电解液的导流槽，这样可省去电解液引导结构的设计。
本次设计的立式电化学机械复合光整加工机床有以下几个优点：方便工件的装夹、有利于电解液的喷洒及收集以及可提高零件的稳定性和加工质量。
关键词：电化学；光整；进给系统；立式
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Abstract
Electrochemical-Mechanical Finishing Machining is an efficient machining method combing ECM and mechanical grinding technology. Now it has been used widely in modern manufacturing field.
In the paper the worktable and its feeding system have been designed, and the materials of the worktable and the matter of electrolyte have been all taken in considerations. Firstly, the machine is designed to be vertical. The style is different from the ones existed in the market. With vertical machine workpieces can be fixed vertically by clamping chuck on the top and by a center on the bottom. Thus the stability of the parts can be improved greatly. Secondly, the feeding system of the worktable is designed which involving choosing mechanical parts and the verification of the structure. Finally the material of the worktable is determined. A T-slot is designed on the worktable in order to guide the electrolyte flow.
In the paper the electrochemical-mechanical finishing machine has the following advantages: clamping the workpiece easily, being convenient to spray and collect the electrolyte, and enhancing the machining stability and processing quality.
Keywords: electrochemical-mechanical; finishing machining; feeding system; vertical
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目 录
摘 要 .................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................... II 1 绪论 ................................................................................................................... 1
1.1 电化学机械复合加工的介绍 .......................................... 1
1.2 电化学机械复合加工的研究进展 ...................................... 5 1.3 本课题的研究内容 .................................................. 7
2 影响电化学机械复合加工的因素 .................................................................. 9
2.1 影响生产率的主要因素 .............................................. 9 2.2 影响加工精度的因素 ............................................... 10 2.3 影响表面粗糙度的因素 ............................................. 11
3 机床工作台进给系统的校核与计算 ............................................................ 13
3.1 工作台的选型与计算 ............................................... 13 3.2 滚珠丝杠传动装置的选择 ........................................... 13 3.3 电机型号的选择 ................................................... 20 3.4 联轴器的选择 ..................................................... 21 3.5 滚珠丝杠轴承的选择 ............................................... 22 3.6 导轨的选择 ....................................................... 23
4 材料的选择及其电解液的处理..................................................................... 31
4.1 防腐技术的介绍 ................................................... 31 4.2 本次设计所采用的防腐方法 ......................................... 31 4.3 电解液的介绍 ..................................................... 32 4.4 电解液的处理 ..................................................... 33
总 结 ............................................................................................................... 34 参考文献 ............................................................................................................. 36 附录1 .................................................................................................................. 38 附录2 .................................................................................................................. 42
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1 绪论
1.1 电化学机械复合加工的介绍
1.1.1 定义
电化学机械复合加工是表面加工质量很高的一种新兴的复合加工方法。它是同时利用金属在电解液中的阳极溶解和机械磨削作用进行加工的，比电解加工有更好的加工精度和表面质量，比机械磨削有更高的生产率。目前在国内外已成功地应用于枪炮、航空发动机、火箭等的制造工业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模具制造中也得到了应用，在机械制造中，已经成为一种不可缺少的工艺方法。 1.1.2 基本原理
电解复合加工的一个较为成功的例子是电解磨，我们通过电解磨来说明电化学机械复合加工的基本原理。如图1-1所示，在电解磨中工件接直流电源的正极为阳极。工具即导电磨轮接直流电源的负极为阴极。加工时，工件表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用（电化学腐蚀），被氧化成为一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜，一般称它为阳极薄膜。但刚形成的阳极薄膜迅速被导电磨轮中的磨料刮除，在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解。由电解作用和刮除薄膜的作用交替进行，使工件连续地被加工，直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。
总切量 切深 超切 ω 电解液 导电磨轮 －
＋
工件 工件进给v图1-1 电化学机械复合加工
Fig. 1-1 Composite electrochemical-mechanical processing
通常磨削过程仅负责去除工件表面的钝化膜，90%～95%的材料去除由电解作用来完成。因此，电解磨具有生产效率高、磨轮损耗低的优点。在电解磨中，机械去除量和电化学去除量之间的比例是一个非常重要的参数。新近的一项研究采用脉冲电流代替直流电流。结果表明，脉冲电流中的脉宽、脉间的不同组合可使机械去除和电化学去除的比例大范围可调，因而给过程控制和参数优化带来很大便利。
另外，研究也发现，脉冲电流电解加工有利于提高溶解的定域性，减少杂散腐蚀，提高加工精度。电解磨削时电化学阳极溶解的机理和电解加工相似；不同之处是阳极表
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面形成的钝化膜是靠活性离子（如氯离子）进行活化、或靠很高的电流密度去破坏（活化）而使表面的金属不断溶解去除的，加工电流很大，溶解速度很快，电解产物的排除靠高速流动的电解液的冲刷作用，电解磨削时阳极表面形成的钝化膜是靠砂轮的磨削作用，即机械的刮削来进行活化的。因此，电解加工时必须采用压力较高、流量较大的泵，例如涡旋泵、多级离心泵等，而电解磨削一般可采用冷却润滑液用的小型离心泵。从这个意义上来说，为区别电解磨削，有把电解加工称之为“电解液压加工”的。另外，电解磨削是靠砂轮磨料来刮除具有—定硬度和粘度的阳极钝化膜，其形状和尺寸精度主要是由砂轮相对工件的成形运动来控制的，因此，电解液中不能含有活化能力很强的活性离子如氯离子等，而采用腐蚀能力较弱的钝化性电解液，如以NaNO3、NaNO2等为主的电解液，以提高电解成型精度和有利于机床的防锈防蚀。 1.1.3 基本设备
电化学机械复合光整加工机床的基本设备主要有：直流电源、机床本体、电解液系统等，现分述如下： （1）直流电源
电解加工中常用的直流电源为硅整流电源及晶闸管整流电源。硅整流电源中先用变压器把380V的交流电变为低电压的交流电，而后再用大功率硅二极管将交流电整成直流。为了能无级调压，目前生产中采用有：扼流式饱和电抗器调压、自饱和式电抗器调压、晶闸管调压。
在硅整流电源中，晶闸管调压和饱和电抗器调压相比，晶闸管调压可以节省大量铜、铁材料，也减少恶劣电源的功率损耗。同时，晶闸管是无惯性元件，控制速度快，灵敏度高，有利于进行自动控制和火花保护。其缺点是抗过载能力差，较易破坏。
为了进一步提高电解加工精度，生产中采用了脉冲电流电解加工，这时需要采用脉冲电源。由于电解加工采用大电流，因而都采用晶闸管脉冲电源。 （2）机床本体
① 对电解加工机床的要求
在电解加工机床上要安装夹具、工件和阴极工具，实现进给运动，并接通直流电源和电解液系统。它与一般金属切削机床相比，有其特殊性，这些特殊性要求是：机床的刚性，进给速度的稳定性，防腐绝缘，安全措施。
② 机床类型及设计要点
阴极固定式的专用加工机床，只需装夹固定好工件，并引入直流电源和电解液即可，它实际上是一套夹具。移动式阴极电解加工机床采用得比较多，这种机床的形式主要有卧式和立式两类。卧式机床主要用于加工叶片，深孔及其它长筒型零件。立式机床主要用于加工模具、齿轮、型孔、短的花键及其它扁的零件。
电解加工机床目前大多采用伺服电机或直流电机无级调速的进给系统，容易实现自动控制。行星减速器，谐波减速器在电解加工机床中正被更多地采用。为了保证进给系
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统的灵敏度，使低速进给时不发生爬行现象，故广泛地采用了滚珠丝杠传动，用滚珠导轨代替滑动导轨。
对长期与电解液及其腐蚀性气体接触的部分，目前采用的主要材料是不锈钢，但不锈钢的表面接触电阻大，导电性差，故也采用铜制的工作台面。
图1-2 电解加工机床的组成示意图
Fig. 1-2 The composition of electrolysis machine diagram
1电解液废液处理系统 2快速短路保护 3控制系统 4直流电源 5工件阳极 6进给系统7抽风机 8工具阴极 9、10绝缘层 11电解液 12阳极座 13电解液净化系统
对电解加工机床的其他部分如导轨等，也可采用花岗石，耐蚀水泥等制造。对易受电解加工过程中杂散腐蚀影响的工作台等，可采用牺牲阳极的阴极保护法，即在工作台四周镶上可更换的锌版，由于锌的电极电位比不锈钢更负，这样，工作台相对锌版就成为阴极，杂散腐蚀只在锌版上发生，锌版可定期更换，而工作台被保护起来。 （3）电解液系统
电解液系统是电解加工设备中不可缺少的一个组成部分，系统的主要组成有泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀等。
电解液的主要作用是：作为导电介质传递电流；在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能顺利而有控制地进行；及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起更新与冷却作用。对电解液的基本要求：具有足够的蚀除速度；具有较高的加工精度和表面质量；阳极反应的最终产物是不溶性的化合物以及操作安全，对设备的腐蚀性小，价格便宜。电解液可分为中性盐溶液，酸性溶液与碱性溶液三大类。中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全，应用最普遍。最常用的有氯化钠、硝酸钠、氯酸钠三种电解液。氯化钠电解液的蚀除速度高，但其杂散腐蚀也严重，故复制精度较差。硝酸钠电解液是一种钝化型电解液，在质量分数30%以下时，有比较好的非线性性能，成形精度高，而且对机床设备的腐蚀性小，使用安全，价格也不高。它的主要缺点是电流效率低，生产率也低，另外加工时在阴极有氨气析出，所以硝酸钠会消耗。氯酸钠三蚀能力小，加工精度高。具有很高的溶解度，导电能力强。
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随着电解加工的进行，电解液中电解产物含量增加，最后粘稠成为糊状，严重时将堵塞加工间隙，引起局部短路，故电解液的净化是非常必要的。
电解液的净化方法很多，一般用自然沉淀法。由于金属氢氧化物是成絮状物存在于电解液中，而且质量较小，因此自然沉淀的速度很慢，必须要有较大的沉淀面积 ，才能获得好的效果。 1.1.4 特点
电化学机械复合加工与其它加工方法相比具有很多优点:可以明显改进表面质量和减少表面粗糙度，它有助于增加产品寿命。对金属材料的强度、硬度和表面粗糙度不敏感，如镍的超级合金，钛钼合金。在正常的机械加工过程中没有电极损失。在加工过程中的阴极电解质的应用与绿色制造的趋势相配合。
如以上电解磨削与机械磨削比较，具有以下特点：
（1）加工范围广，加工效率高。由于它主要是电解作用，因此只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度与高韧性的金属材料，例如磨削硬质合金队时，与普通的金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削的加工效率要高3—5倍。
（2）可以提高加工精度及表面质量。因为砂轮并不主要磨削金属，磨削力和肩削热磨削热都很小，不会产生磨削毛刺、裂纹及烧伤现象，一般表面粗糙度可优于Ra0.16μm。 （3）砂轮的磨损量小。例如磨削硬质合金，普通刃磨时，碳化硅砂轮的磨损量为切除硬质合金重量的400％—600％；电解磨削时，砂轮的磨损量不超过硬质合金切除量的50％—100％，与普通金刚石砂轮磨削相比较，电解磨削用的金刚石砂轮的消耗速度仅为它们的l／5—1／10 ，可显若降低成本。
当然与机械磨削相比，电解磨削也有不足之处：如加工刀具等的刃口不易磨得非常锋利；机床、夹具等需采取防蚀防锈措施；还需增加吸气、排气装置，以及需要直流电源、电解液过滤、循环装置等附属设备等。 1.1.5 应用
电化学机械复合加工由于集中了电解加工和机械磨削的优点，因此在生产中已用来磨削一些高硬度的零件，如各种硬质合金刀具、量具、挤压拉丝模具、轧辊等。对于普通磨削很难加工的小孔、深孔、薄壁筒、细长杆零件等，电化学机械复合加工也能显出优越性。因此电化学机械复合加工应用范围正在日益扩大。目前主要应用于：硕质合金刀具的电化学机械复合加工、硬质合金轧辊的电化学机械复合加工、电解垳磨、电解研磨。如图1-3所示为电解研磨加工的示意图。
电化学机械复合加工适合于加工各种高强度、高硬度、热敏性、脆性等难磨削的金属材料，如硬质合金、高速钢、钛合金、不锈钢、镍基合金和磁钢等。用电解磨削可磨削各种硬质合金刀具、塞规、轧辊、耐磨衬套、模具平面和不锈钢注射针头等。电解磨削的效率一般高于机械磨削，磨轮损耗较低，加工表面不产生磨削烧伤、裂纹、残余应力、加工变质层和毛刺等，表面粗糙度一般为Ra0.63～0.16微米，最高可达Ra0.04～0.02
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微米。
图1-3 电解研磨加工（固定磨料方式）
Fig. 1-3 Electrolytic grinding process (fixed abrasive method) 1回转装置 2工件 3电解液 4研磨材料 5工具电极 6主轴
采用适应控制技术，可进一步提高电化学机械复合加工的稳定性和自动化程度。同时，为了提高加工精度，采用兼有纯机械磨削能力的导电磨轮，粗加工时靠电解磨削的高效率完成大部分加工量，然后切断电解电源，靠纯机械磨削磨掉精加工余量，这样能显著提高加工精度。电解磨削方式已从平面磨削扩大到内圆磨削、外圆磨削和成形磨削。电解加工的原理也可与珩磨和超精加工结合起来，成为电解珩磨和电解超精加工。如图1-4所示为电解珩磨用电解珩轮。
图1-4 电解珩齿用电解珩轮
1金属齿片 2珩轮
1.2 电化学机械复合加工的研究进展
电解加工自20世纪50年代问世以来，到60年代迅速在众多的机械制造领域得到开拓和—定的应用，70年代电解加工在技术上走向成熟、定型；在应用领域上开始定向。由于电解加工能解决机械加工难以解决的难切削材料，复杂形状零件的加工问题，且高
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效、高表面质量，较好地适应了军工产品的需要，因而在军事工业，特别是航空航天推进器的制造上得到了广泛的应用，成为国防工业生产中的关键制造技术，在某些民用的国民经济重要部门，例如汽车、能源等制造业中也得到—定的开拓河应用，获得较好的成效。
如今电解加工已成为机械制造业中一个不可缺少的组成部分。但是电解加工尚存在某些重要的不足之处，较为关键的是加工精度和稳定性不够高、调整较复杂、设备成本偏高。90年代随着高科技的发展，以及新型举品型号的出现，新的高强、高韧、高硬的材料以及高精度、复杂形状、薄壁整体结构的零件日益增多，因而对电解加工提出了更多的需求。因此，国内外在电解加工的基础理论、工艺、设备三大领域中均有新的开拓与重大的发展。这些新技术的出现将进一步克服电解加工现存弱点，促使它从一般加工向精密加工、细加工发展，打开一个新的应用领域。
图1-5 电解及其复合加工的研究进展
电解复合加工常指将电解加工与其它加工方法组合在一起，取长补短，以达到更好的加工效果，获得较高的加工效率。
电火花加工的创始人拉扎连科最早提出将电解与放电过程复合在一起，形成一种新的加工方法——电火花电解复合加工，此加工方法是利用这电火花加工和电解加工这两种方法的各自优点，将二者有机地复合在一起，同时作用在一个加工表面上，使其具有加工精度高，表面质量好，生产率高的优点，但也带来了电解加工原本没有的工具损耗问题，其加工原理如图1-6所示。加工时能够看到在阴极工具表面有大量的氢气泡产生，这些氢气泡不断被高速流动的工作液带走又不断生成。所以加工间隙始终被工作液和氢气泡所充满。由于电解作用，工件阳极金属的铁原子失去电子成为正离子溶人工作液，又与工作液中的氢氧根离子及水分子直接作用成为氢氧化铁．当阳极电位足够高时，在
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阳极表面形成致密的氧化膜(即钝化膜)。脉冲电源发出的高压脉冲将气膜和钝化膜击穿产生电火花，蚀除工件上多余的金属，露出一层新的基体。在该基体上又发生电解作用，阴极上产生氢气膜，阳极上生成钝化膜，再进行火花击穿。如此循环住复，最后将工件加工成形。20世纪80年代对其加工机理进行了大量的研究工作，并在孔加工和线切割中实现了复合过程，工件去除速度是电火花和电解加工的5～50倍；20世纪90年代又进行了型腔复合加工试验研究、复合加工切割难加工材料的试验研究，均实现了在电解液中正常的电弧放电，但在尺寸控制方面还存在一些问题。
图1-6 电解放电复合加工
Fig. 1-6 Discharge electrolysis composite processing
1.3 本课题的研究内容
本文要完成的机床可以实现升降运动的工作台、工件装夹部分、电解液供液系统等硬件部分的选型、关键零部件设计的较核计算。
在设计过程中主要完成如下的技术指标：
回转体杆件≤Φ80mm，加工时要求悬垂。工作台可以实现360度旋转，待加工工件由工作台送进加工区。电机支撑工作台升降行程为200-400mm，载重>=50Kg。配以机床，要求光整加工后面粗糙度降至Ra0.05μm，不改变原有尺寸精度和形状精度。
本课题拟采用丝杠伺服进给系统，该进给系统在工作台的后面，带动丝杠螺母副上下移动，螺母副带动一个传动体上下移动，该传动体又跟装在导轨上的滑枕连接，该滑枕又跟工作台连接，从而带动工作台上下移动。而工作台的前面又有两根光杠进行导向，具体设计思路如总体布局的草图如图1-7所示。
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12 6 11 5 10 4 9 8 3 2 7
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图1-7 机床总体布局图 Fig. 1-7 Diagram of the machine
1-下底座 2-伺服电动机 3-减速器 4-联轴器 5-轴承 6-丝杠 7-后箱壁 8-光杠 9-导轨 10-工作台 11-顶尖 12-上箱盖
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2 影响电化学机械复合加工的因素
2.1 影响生产率的主要因素
2.1.1 电化学当量
电化学当量为：按照法拉利定律，单位电量理论上所能电解蚀除的金属量。电解磨削和电解加工时一样,可以根据需要去除的金属量来计算所需的电流和时间。不过由于电解时阳极上还可能有气体被电解折出，多损耗电能，或者由于磨削时还有机械磨削作用在内，节省了电解蚀除金属用的电能，所以电流的效率可能小于或大于l。由于工件材料实际上足由多种金属元素组成的，各金属成分以及杂质的电化学当量不一样，所以电解蚀除速度就有差别（尤其在金属晶格边缘）。它是造成表面粗糙度不好的原因之一。 2.1.2 电流密度
提高电流密度能加速阳极溶解。提高电流密度的途径为：1) 提高工作电压2) 缩小电极间隙；3) 减小电解液的电阻率；4) 提高电解液温度等。 2.1.3 磨轮（阴极）与工件间的导电面积
当电流密度一定时，通过的电量与导电面积成正比。阴极和工件的接触面积愈大，通过的电量愈多，单位时间内金属的去除率愈大。出此，应尽可能增加两极之间的导电面积，以达到提高生产率的目的。当磨削外圆时工件和砂轮之间的接触面积较小，为此可采用“中极法”，如图2-1所示即为中极法电解磨削的原理图。
由图可见，在普通砂轮之外再附加一个中间电极作为阴极，工件接正极，砂轮不导电，电解作用在中间电极和工件之间进行，砂轮只起刮除钝化膜的作
用，从而大大增加了导电面积，提高生产率。如果利用多孔的中间电极往工件表面喷射电解液，则生产率可更高。采用中极法的缺点是在外圆磨削时，加工不同直径需要更换电极。
图2-1 中极法电解磨削
Fig.2-1 An new example of electrolysis grinding
1普通砂轮 2工件 3中间电极 4钝化膜（阳极薄膜） 5电解液喷嘴
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2.1.4 磨削压力
磨削压力愈大、工作台走刀速度越快，阳极金属被活化的程度愈高，生产率也随之提高。但过高的压力容易使磨料磨损或脱落，减小了加工间隙，影响电解液的输入，引起火花放电或发生短路现象，将使生产率下降。通常的磨削压力采用0.1～0.3MPa。
2.2 影响加工精度的因素
2.2.1电解液
电解液的成分直接影响到阳极表面钝化膜的性质。如果所生成的钝化膜的结构疏松，对工件表面的保护能力差，加工精度就低。要获得高精度的零件，在加工过程中工件表面应生成一层结构紧密、均匀的、保护性能良好的低价氧化物。钝性电解液形成的阳极钝化膜不易受到破坏。硼酸盐、磷酸盐等弱电解质的含氧酸盐的水溶液都是较好的钝性电解掖。
加工硬质合金时，要适当控制电解浓的pH值，因为硬质合金的氧化物易溶于碱性溶液中。要得到较厚的阳极钝化膜，不应采用高pH值的电解液，一般pH＝7～9为宜。 2.2.2阴极导电面积和磨砺轨迹
电解磨削平面时，常常采用碗状砂轮以增大阴极面积，但工件往复移动时，阴、阳极上各点的相对运动速度和轨迹的重复程度并不相等，砂轮边缘线速度高，进给方向两侧轨迹的重复程度较大，磨削量较多，磨出的工件往往成中凸的“鱼背”形状。
工件在往复运动磨削过程中，由于两极之间的接触面积逐渐减少或逐渐增加，引起电流密度相应的变化，造成表面电解不均匀，也会影响加工成形精度。此外杂散腐蚀尖端放电常引起棱边塌角或侧表面局部变毛糙。 2.2.3被加工材料的性质
对合金成分复杂的材料，由于不同金属元素的电极电位不同，阳极溶解速度也不同，特别是电解磨削硬质合金和刚料的组合件时，问题更为严重。因此要研究适合多种金属、同时均匀溶解的电解液配方，这是解决多金属材料电解磨削的主要途径。 2.2.4机械因素
电解磨削过程中，阳极表面的活化主要是靠机械磨削作用，因此机床的成形运动精度、夹具精度、磨轮精度对加工精度的影响是不可忽视的。其中电解磨轮占有重要地位，它不但直接影响到加工精度，而且影响到加工间隙的稳定，如图2-2所示。电解磨削时的加工间隙是由电解磨轮保证的，为此，除了精确修整砂轮外，砂轮的磨科应选择较硬的、耐磨损的，采用中极法磨削时，应保持阴极的形状正确。
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图2-2 电解磨削加工过程原理图
Fig. 2-2 Electrolytic grinding process schematic diagram 1-磨粒 2-结合剂 3-工件 4-阳极薄膜 5-电极间隙及电解液
2.3 影响表面粗糙度的因素
2.3.1 电参数
工作电压是影响表面粗糙度的主要因素。工作电压低，工件表面溶解解速度慢，钝化膜不易被穿透，因而溶解作用只在表面凸处进行，有利于提高精度，精加工时应选用较低的工作电压。但不能低于合金中元素的最高分解电压。工作电压过低，会使电解作用减弱，生产率降低，表面质量变坏。过高时表面不易整平，甚至引起火花放电或电弧放电，使表面粗糙度恶化，电解磨削较合理的工作电压一般为5～12V。此外还应与砂轮切深相配合。
电流密度过高，电解作用过强，表面粗糙度不好。电流密度过低，机械作用过强，也会使表面粗糙度变坏。因此，电解磨削时电流密度的选择应使电解作用和机械作用配合恰当。 2.3.2 电解液
电解液的成分和浓度是影响阳极钝化膜性质和厚度的主要因素，因此为了改善表面粗糙度，常常选用钝性或半钝性电解液。为了使电解作用正常进行，间隙中应充满电解液，因此电解液的流量必须充足，而且应予过滤以保持电解液的清洁度。 2.3.3 工件材料性质
其影响原因如2.2.3节内容所述。 2.3.4机械因素
磨料力度愈细，愈能均匀地去除凸起部分的钝化膜，另一方面使加工间隙减小，这两种作用都加快了整平速度，有利于改善表面租糙度。但如果磨料过细，加工问隙过小，容易引起火花而降低表面质量。一股粒度在40～100号内选取。
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由于去除的是比较软的钝化膜，因此，磨料的硬度对表面粗糙度的影响不大。磨削压力太小，难以去除钝化膜；磨削压力过大，机械切削作用强，磨科磨损加快，使表面粗糙度恶化。
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3 机床工作台进给系统的校核与计算
3.1 工作台的选型与计算
工作台分固定式和移动式，后者除台体外还有X、Y双向导轨。本方案工作台为上下平移运动，工作台的长宽高分别为600 mm 、400mm和40mm。因此工作台的体积为：
v0.60.40.040.0096m3 （3—1）
由于工作台采用的是花岗石材料，而花岗石的密度为（2.6—2.8）×103kg/ m3，从而工作台的质量为：
mv2.81030.009626.88kg （3—2）
工作台的重力为：
Gmg26.889.8263.424N （3—3）
工作台的行程为300mm，最大速度为5mm/s，最大载重为80kg。
3.2 滚珠丝杠传动装置的选择
滚珠丝杠和滑动丝杠相比具有摩擦小、传动效率高；传动灵敏，不易产生爬行；定位精度高；磨损小、寿命长、精度保持好等优点。因此，从20世纪50年代开始，滚珠丝杠副就被广泛应用于机械、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。但同时滚珠丝杠副也有它自己的缺点：如不能自锁，用于升降传动时需另加自锁机构；结构复杂，成本高。 3.2.1 滚珠丝杠副的种类
滚珠丝杠副的分类如图3-1所示：
微型小导程滚珠丝杠副 微型滚珠丝杠副 滚珠丝杠副种类 大导程滚珠丝杠副 超大导程滚珠丝杠副 重型滚珠丝杠副 图3-1 滚珠丝杠副的分类
Fig. 3-1 Classification of ball screws
普通滚珠丝杠副 大导程滚珠丝杠副 微型大导程滚珠丝杠副
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（1）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。
（2）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°。
（3）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1/2d0≤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。 （4）重型滚珠丝杠副指公称直径d0≥125mm的滚珠丝杠副。 由以上分析，本方案初步选用普通滚珠丝杠副。 3.2.2 滚珠丝杠副的结构
滚珠丝杠螺母传动装置主要分为两种：外循环式和内循环式，两者的比较见表3.1。
表3.1 滚珠丝杠副不同循环方式比较
Table3.1 The cyclic forms of ball screws
内循环 循环方式 浮动式 代号 结构特点 F 固定式 G 插管式 C 螺旋槽式 L 外循环 滚珠循环链最短，反向灵活，结构紧滚珠循环链较长，但轴向排列紧凑，凑，刚性好，使用可靠，工作寿命长，轴向尺寸小，螺母配合外径较大（C螺母配合外径较小，扁圆型反向器螺型较小）刚性较差，但滚珠流畅性好，母轴向尺寸最短 灵活、轻便 小 较差 最高 小 差 较高 较小 好 较低 重型载荷、高速运动及精密定位系统在大导程、多头螺纹中显示其独特优点 较大 一般 较低 适用于一般工程机械，不适宜高刚度、高速运转的传动 摩擦力矩 工艺性 制造成本 使用场合 各种高灵敏、高精度、高刚度的进给定位系统
由以上分析比较，本方案采用内循环固定式，其示意图如图3-2所示：
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图3-2 内循环固定式示意图（G型）
Fig.3-2 The diagram of the stationary internal recycling (G)
1—滚珠；2—丝杠；3—反向器；4—螺母
滚珠丝杠副有五种不同的预紧方式，分别为：双螺母齿差预紧、双螺母垫片预紧、双螺母螺纹预紧、单螺母变位导程预紧和单螺母增大钢球预紧。 表3.2比较了不同预紧方式的特点及应用场合。
表3.2 滚珠丝杠副不同预紧类型的比较
Table3—2 Comparisons of different preload types of ball screws
预紧类型 双螺母齿差预紧 C（Ch） 双螺母垫片预紧 D 双螺母螺纹预紧 L 单螺母变位导程预紧 B 单螺母增大钢球预紧 Z 代号 滚珠螺母 拉伸 受力性质 拉伸 压缩 拉伸（外） 压缩（内） 拉伸（Ph） — 压缩（Ph） 结构特点 可实现2μm以下的紧密微调，预紧可靠，调整方便，结构复杂，轴向尺寸偏大 结构简单，轴向刚性好，预紧可靠，不可调整，轴向尺寸适中，工艺性好 使用中可随时调整预紧力，但不能实现定量调整，螺母轴向尺寸大 结构紧凑、简单，完全避免了双螺母结构中形位误差的干扰，技术性强，不可调整 结构最简单、紧凑，但不适宜预紧力过大的场合，不调整，轴向尺寸小 15
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使用场合 用于要求准确预加载荷的精密定位系统 用于高刚度、重载荷的传动，目前应用最广泛 用于不需要准确预加载荷且用户自调的场合 用于中等载荷以下，且对预加载荷有要求的机密定位、传动系统 用于中等载荷以下轴向尺寸受限制的场合 备注 “内预紧”结构型式。方便用户使用，一般不提倡用户自调，而由生产厂根据用户要求用仪器检测来调整 难以实现“内预紧”，使用不准确，不广泛 最典型的“内最典型的“内预紧”结构，预紧”结构，适用广泛 适用广泛 由以上比较分析，本方案采用双螺母齿差预紧方式。
为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，必须充分重视滚珠丝杠副支承的设计。注意选用轴向刚度高、摩擦力矩小、运转精度高的轴承及相应的支承形式，本方案采用两端固定的方式。其两种固定方式如图3-3所示。
（a） （b）
图3-3 丝杠副的安装方式
Fig.3-3 Installation screw vice
图（a）采用大接触角α=60°角接触球轴承的安装方式；图（b）采用推力球轴承或角接触球轴承组合的安装方式，或采用滚针和推力滚子组合轴承。 3.2.3 滚珠丝杠副的选择计算 （1）初算导程Ph
PhVmaxNmaxi5606mm （3—4） 15000100Vmax ——丝杠幅最大移动速度（mm/min）； Nmax ——电机最高转速（初步选定）（r/min）；
i ——丝杠与电机的转速之比。
（2）当量载荷Fm
Fmax(8060)9.81372NFmin609.8588N11Fm(2FmaxFmin)(21372588)1110.67N33 （3—5）
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Fmax ——最大轴向载荷（N）； Fmin ——最小轴向载荷（N）。 （3）当量转速nm
11(nmaxnmin)(501.2)25.6rmin （3—6） 22nmax ——最高转速（r/min）；
nmnmin ——最小转速（r/min）。 （4）额定动载荷计算Cam
CamfwFm60nmLh100fafc1/3 （3—7）
fa ——精度系数，丝杠精度等级为T3级，由机械设计手册（旧版）表12-1-35得fa =1.0；
Lh ——预期工作寿命15000h；
fc ——可靠性系数，机械设计手册（旧版）表12-1-36（可靠性90%）得fc =1.0； fw ——载荷性质系数，由机械设计手册（旧版）表12-1-37得fw =1.1。
Cam1.11110.67(6025.615000)3476.5N3.477KN
1001113（5）按上述估算的Ph、Cam值，从机械设计手册（旧版）表12-1-30中可选南京工艺装备厂的内循环2504-3型，基本参数为：丝杠底径d2=21.9mm，螺母长度L=72mm，额定动载荷Ca=8.2kN，静载荷Coa=23kN，刚度R=654N/μm。丝杠副循环方式选内循环固定式，预紧方式为双螺母齿差预紧，丝杠安装方式为两端固定。丝杠的材料选用9Cr18，热处理方式为中频加热表面淬火。
（6）计算预紧力Fp
Fp11Fmax1372457.3N （3—8） 33（7）行程补偿值C
lu= 行程+（8-14）Ph=300+12×6=372mm
C11.8tlu10311.8337210313.169 （3—9）
t——温度变化值2～3°；
lu——丝杠副有效行程（mm）。
（8）预拉伸力Ft
Ft1.95td21.95321.922805.7185N （3—10）
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（9）丝杠压杆稳定性验算
K1K2105d24FcFmaxLc2 （3—11）
K1 ——安全系数，丝杠水平安装取1/3；
K2 ——支承系数，由机械设计手册（旧版）表12-1-40得K2=4； Lc ——丝杠最大受压长度（mm）。 丝杠两端轴承支承支点间距离为：
Lb=1.1×行程+（10-14）Ph=1.1×300 + 12×6=402mm
当丝杠螺母移动到丝杠一端不能再移动时，Lc最大。
LcLbLL17269402331.5mm （3—12） 2222L——丝杠螺母长度（mm），机械设计手册（旧版）表12-1-30；
L1 ——丝杠轴端有关尺寸（mm），机械设计手册（旧版）表12-1-17。
1410521.943009.8FC2418.6KN2.94KN （3—13）
1000331.52满足要求。
（10）丝杠副极限转速nc计算
nc107fd2Lc2 （3—14）
f ——支承系数，由机械设计手册（旧版）表12-1-40得f =21.9。
10721.921.9nc43643.66rnmax50r 2minmin331.5满足要求。
（11）对于T3级丝杠，其在任意300行程内，行程变动量为12μm，显然满足给定的定位精度要求。 （12）系统刚度K计算
1111KKsKbR （3—15）
Ks ——丝杠副拉压刚度（N/μm）；
Kb ——轴承刚度，可从轴承生产厂产品样本中的查出，在此Kb =920N/μm； R ——轴向接触刚度（N/μm），机械设计手册（旧版）表12-1-30。
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丝杠副拉压刚度：
Ksd22E4Lc103 （3—16）
d2 ——丝杠底径（mm）； E ——弹性模量（钢216GPa）； Lc ——丝杠最大受压长度（mm）。
2K21.92206Sd2E4L3C104331.5103234.1Num
11KK111110.00689N sKbR234.1920654umK = 145.2 N/μm。 （13）dn值校验
dnd0nmax25501250r.mmmin70000r.mmmin d0——丝杠公称直径（mm）。
满足要求。
（14）额定静载荷C0验算
C0fs.Fmax21.3722.744KNCoa23KNfs ——静态安全系数，一般取1～2。 满足要求。
（15）丝杠轴拉压强度验算
pd224Fmax p——丝杠轴许用拉压应力(MPa)
5301060.021924199643NFmax1372N
根据以上计算，丝杠型号满足要求。丝杠形状如下图所示：
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（3—17）
（3—18）
（3—19）
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图3-4 滚珠丝杠
Fig.3-4 The designed ball screws in this paper
3.3 电机型号的选择
与普通电机相比伺服电机具有高速性能好、抗过载能力强、低速运行平稳、加减速的动态响应时间短、发热和噪音低等优点，因此本次设计采用全数字交流伺服电动机。以下是电机型号的确定过程： （1）电机的转动惯量JM
根据实际生产经验，负载惯量应限制在2.5倍电机惯量之内。（如果超过2.5倍也可以使用，但调整范围将会减小，时间常数将会增加）。在本论文中，负载惯量近似理解为丝杠的转动惯量。
JL2.5JM （3—20）
JL ——丝杠的转动惯量。
11111JJMLmd22d22Ld22d24L2.582.520480 L ——丝杠总长，初步确定L=540mm； ρ ——钢的密度（7.85103kg/m3）； m ——丝杠质量（kg）；
d2 ——丝杠底径（mm）。
JM0.021940.67.851034.25105kg.m2
80（2）电机额定转矩
本设计中，把丝杠加速和电机加速引起的当量力矩忽略不计，因为太小。
M1Ph2 （3—21）
FMη ——丝杠传动效率；
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M ——负载转矩（N·m）。
MFmph1110.670.0061.1785N.m 20.92电极额定转矩：
MM(1.52.2)M21.17852.357N.m （3）电机额定功率
PWMMMMM22vM2.3573000740.5W （3—22） 6060wM ——电机角速度； vM ——电机的额定转速。
根据以上参数查机械设计手册（新版第5卷），选用松下MSMA系列全数字式交流伺服电动机，型号为MSMA08-2A1F，电动机主要性能指标如下：额定功率750W，额定转矩2.4N·m，转动惯量0.36×10-4kg·m2，额定转速3000 r/min。
3.4 联轴器的选择
联轴器种类很多，根据其内部是否包含有弹性元件，可划分为刚性联轴器与弹性联轴器两大类：弹性联轴器具有弹性元件，故能吸收振动、缓和冲击，同时也可利用弹性变形不同程度地补偿两轴线可能发生的偏移；刚性联轴器根据其结构特点可分为固定式与平移式两类，前者没有补偿位移的能力，后者利用其中某些元件间的相对运动来补偿两轴线的偏移。通常刚性可移式联轴器补偿能力高于弹性联轴器，但无吸收振动、缓和冲击的能力。
本次设计采用弹性柱销齿式联轴器，其校核步骤如下： （1）载荷计算 电机轴上的公称转矩：
T9550P0.7595502.4mn3000 （3—23）
P ——电机额定功率（kW）； n ——电机额定转速（r/min)。 谐波减速器低速轴转矩：
T1Ti2.41000.98235.2 （3—24）
i ——减速器减速比； η ——谐波减速器传动效率。 （2）型号选择
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谐波减速器低速轴最大转速：
n3Nmax500050r （3—25）
mini100nmax——电机最高转速（r/min）； i ——减速器减速比。
由于丝杠轴端直径为14mm，而减速器低速轴直径为22mm，两者相差太大，所以在丝杠轴端上加3mm厚的套筒。
所以根据以上参数，从GB5014－85中查得LZ2型弹性柱销齿式联轴器的公称转矩为315N·m，许用最大转速为5600 r/min，轴径为20～35mm之间，满足要求。
3.5 滚珠丝杠轴承的选择
3.5.1 轴承概述
轴承是各种机械的旋转轴或可动部位的支承元件，也是依靠滚动体的滚动实现对主机旋转的支承元件。根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动轴承和滚动轴承。滚动轴承是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的，与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小，功率损耗少，启动容易等优点，所以滚动轴承成为现代机械的主要支承型式，被广泛应用。
3.5.2 滚动轴承选择与校核
根据丝杠轴径大小，现实中丝杠轴承的使用情况及各轴承特点，选用角接触球轴承，轴承型号为：滚动轴承7303C GB/T292-94。基本参数为：额定动载荷Cr =12.8kN，额定静载荷C０=8.62 kN。轴承所受轴向最大载荷为1960N，所受径向最大载荷为75kg即735N。轴承预期寿命为15000h。 （1）轴承的判断系数
Fa19600.375Co735 （3—26）
根据《机械设计（第七版）》P314得e=0.56。 （2）轴承的载荷系数
Fa19602.67eFr735 （3—27）
根据《机械设计（第八版）》P321得X=0.44，Y=1.00。 （3）轴承动态等效载荷为
PXFrYFa0.447351.0019602283.4 （3—28）
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（4）轴承寿命
106Lh60nmaxCrP （3—29）
3nmax——丝杠最大转速（mm/min）； Cr——轴承额定动载荷（N）； P ——动态载荷（N）。
106128003Lh（）58716.8h15000h
605022834故所选轴承满足寿命要求。
3.6 导轨的选择
3.6.1 导轨概述
按运动学原理，所谓导轨就是将运动构件约束到只有一个自由度的装置，这一自由度可以是直线运动或回转运动。
导轨装置是在机械中是使用频率较高的零件之一，没有不使用导轨的金属切削机床。在测量机、绘图机上，导轨是它们的工作基准；在其它机械中，例如轧机、压力机、纺织机等也都离不开导轨的导向。工作台导轨对机床的精度有很大影响：导轨的制造误差直接影响工作台运动的几何精度；导轨的摩擦特性影响工作台的定位精度和低速进给的均匀性；导轨的材料和热处理影响工作精度的保持性。按机床调节技术的要求，希望工作台导轨要刚度大、摩擦小和阻尼性能好。
由此可见，导轨的精度、承载能力和使用寿命等将直接影响机械的工作质量。 3.6.2 导轨的类型及其特点
导轨按运动轨迹划分，可以分为直线运动导轨和圆周（回转）运动导轨。按结构特点和摩擦特性划分的导轨类型见表3.3，各类型导轨的主要特点和应用列于表中。
表3.3 导轨类型、特点及应用
Table3—3 The types，characters and applications of guides
导轨类型 主要特点 1.结构简单，使用维修方便 普通滑动导轨 2.未形成完全液体摩擦时低速易爬行 （滑动导轨） 3.磨损大、寿命地、运动精度不稳定 应用 普通机床、冶金设备上应用普遍 23
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塑料导轨 （贴塑导轨） 1.动导轨表面贴塑料软带等与铸铁或钢导轨搭配，摩擦系数小，且动、静摩擦系数相近。不易爬行，抗磨损性能好。 2.贴塑工艺简单 3.刚度较低、耐热性差，容易蠕变 1.在支撑导轨上镶装有一定硬度的钢板或钢带，提到导轨耐磨性（比灰铸铁高5-8倍），改善摩擦或满足焊接界床身结构需要 2.在动导轨上镶有青铜之类的金属防止咬合磨损，提高耐磨性、运动平稳、精度高 1.运动灵敏度高、低速运动平稳性好，定位精度高 主要应用于中、大型机床压强不大的导轨，应用日趋广泛 镶钢导轨工艺复杂，成本高。常用于重型机床如立车、龙门铣床的导轨上 镶钢、镶金属导轨 广泛用于各类精密机床、数控机床、纺织机械等 滚动导轨 2.精度保持性好，磨损少、寿命长 3.刚性和抗振性差，结构复杂成本高，要求良好的防护 1.速度（90m/min-600m/min），形成液体摩擦 2.阻尼大、抗振性好 主要用于速度高、精度要求一般的机床主运动导轨 动压导轨 3.结构简单，不需要复杂供油系统，使用维护方便 4.油膜厚度随载荷与速度而变化，影响加工精度，低速重载一出现导轨面接触 1.摩擦系数很小，驱动力小 2.低速运动平稳性好 3.承载能力大，刚性、吸振性好 4.需要一套液压装置，结构复杂、调整困各种大型、重型机床、精密机床、数控机床的工作台 静压导轨 24
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难 3.6.3 滚动导轨的介绍
滚动导轨的最大优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数很小，因此，运动轻便灵活，运动所需功率小，摩擦发热少、磨损小，精度保持性好，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度高。滚动导轨还具有润滑简单（有时可用油脂润滑），高速运动时不会像滑动导轨那样因动压效应而使导轨浮起等优点。但滚动导轨结构比较复杂、制造比较困难、成本比较高、抗振性较差。对脏物比较敏感，因此必须有良好的防护。
滚动导轨广泛应用于各种类型机床和机械。每一种机床和机械都利用了它的某些特点。例如：数控机床、坐标镗床、仿形机床和外圆磨床砂轮架导轨等，采用导轨是为了实现低速平稳无爬行和精确位移；工具磨床的工作台采用滚动导轨是为了手摇轻便；平面磨床工作台采用滚动导轨，是为了防止高速时因动压效应使工作台浮起，以便提高加工精度；立式车床工作台采用滚动导轨是为了提高速度，等等。
滚动导轨的类型很多，按运动轨迹分有直线运动导轨和圆运动导轨；按滚动体的形式分有滚珠、滚柱和滚针导轨；按滚动体是否循环分有滚动体不循环和滚动体循环导轨。滚动导轨类型、特点及应用见表3.4。
表3.4 滚动导轨类型、特点及应用
Table3—4 The types,characters and applications of rolling guide 类型 滚动体不循环的滚动导轨 特点及应用 由于导轨滑座与滚动体存在速度方向相同的运动关系，所以这种导轨只能应用于行程较短的场合。 滚珠导轨，摩擦阻力小，刚度低、承载能力差，不能承受大的颠覆力矩和水平力。 滚柱导轨 这种导轨用于载荷不超过1000N的机床。 滚柱导轨，承载能力及刚度比滚珠导轨高，交叉滚柱导轨副四个方向均能受载。 滚针导轨 滚针导轨载荷能力刚度最高。 滚珠、滚针对导轨面的平行度误差要求比较敏感，且容易侧向偏移和滑动。 滚动滚动直线导轨副 有专业化生产厂生产品种规格比较齐全、技术质量保证。设计制造滚珠导轨 25
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体循环的滚动导轨 滚柱交叉导轨副 滚柱导轨块 滚动直线导轨套副 滚动花键副 机器采用这类导轨副，可缩短设计制造周期、提高质量、降低成本。 任何能承受径向力的滚动轴承（或轴承组）都可以作为这种导轨的滚动元件。 轴承的规格多，可设计成任意尺寸和承载能力的导轨，导轨行程可以很长。 很适合大载荷、高刚度、行程长的导轨，如大型磨头移动式平面磨床、绘图机等导轨。 滚动轴承滚动导轨 根据以上分析，及滚动导轨运动灵敏度高，低速运动平稳性好，磨损少，寿命长等优点，在本论文设计中，选用滚动直线导轨副。 3.6.4 滚动直线导轨的优点和工作原理
滚动直线导轨在数控机床中有广泛的应用，相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：
①定位精度高
直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。
②降低机床造价并大幅度节约电力
采用滚动直线导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。
③可提高机床的运动速度
直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。
④可长期维持机床的高精度
对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使滚动直线导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在
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机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。
滚动直线导轨包括导轨条和滑块两部分组成。导轨条通常为两根，装在对撑件上，每根导轨上有两个滑块，固定在移动件动导轨体上。
2
1
3
图3-5 滚动直线导轨的配置
Fig.3-5 Configurations of the rolling linear guides 1—导轨条； 2—动导轨体 ； 3—滑块
滚动直线导轨的工作原理如图3-6，滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的直线滚道内滚动。当导轨与滑块作相对运动时，滚珠沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，当滚珠滚到滑块的端点，就经合成树脂制造的端面挡板4和滑块中的回珠孔2回到另一端，经另一端挡块再进入循环。四组滚珠各有自己的回珠孔，分别处于滑块的四角。四组滚珠和滚道相当于四个直线运动角接触球轴承。接触角等于45°时，四个方向具有相同的承载能力。由于滚道的曲率半径略大于滚珠半径，在载荷的作用下接触区椭圆，接触面积随载荷的大小而变化。
滚动导轨块用滚子作滚动体，所以承载能力和刚度都比滚动直线导轨高，但摩擦系数略大。支撑导轨一般采用镶钢导轨，表面淬硬至HRC58以上，淬硬深度不小于2mm，表面粗糙度Ra不超过0.63μm。为使导轨块受力均匀，动导轨安装滚动导轨块的基面与支撑导轨面的平行度公差，应控制在0.02mm/1000mm以内。为避免导轨块在运动中的侧向偏移和打滑，滚子轴线的倾斜精度应控制在0.02mm/300mm以内，定位精度越高，对倾斜度的要求越严。为了保证导轨块工作时的载荷均匀，要求滚动块的高度具有等高一致性。对于一般的加工过程，机床的载荷主要以切削力为主，工件的重力、导轨副的重力相对较小，在受力分析时可以忽略不计。但是，本论文设计的工作台使电解加工用工作台，根据电解加工的特点，切削力很小，可忽略不计。滑块主要受轴向力F和重力G的作用，其合力设为G'。考虑到工作台上还有轴起导向作用，以及支架的支撑作用，可估计G'=260N。另外可令a=60mm，l =500mm。
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为了保证滚动导轨块所需的运动精度、承载能力和刚度，也可以进行预紧。预紧方式可通过在动导轨体与动导轨块之间放置垫片、弹簧和楔铁的方式进行。下图是采用楔铁方式进行预紧的滚动导轨块。通过调节两个螺钉1（一推一拉）来调节楔块2的位置，达到所需的预紧程度。预紧力一般不超过额定动负荷的20%，如果预紧力过大，则容易使滚子不转或产生滑动。润滑油从油孔3进入，润滑滚动体4。
图3-6滚动导轨块的预紧
3.6.5 滚动直线导轨的设计计算 （1）受力分析
四个滑块的载荷按机械设计手册（新版第5卷）表9.3-49序号11的载荷计算式计算:
l'F1F2F3F4G （3—30）
2a
l ——轴向力F作用点与滚动滑块的距离； a ——同根导轨条上两滑块的中心距离； F1～F4 ——每个滑块的载荷值（N）。
500F1F2F3F42601.08kN260
则四个滑块的总工作载荷为：
F4F141.084.32kN （3—31）
根据手册（新版第5卷）表9.3-53，初步选用GGC微型滚动直线导轨副，型号为
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GGC15BA，主要性能参数为：额定动载荷Ca=5.4kN，额定静载荷C0=5.5 kN。 （2）额定寿命计算
滚动直线导轨副的额定寿命是以一定的载荷下运行一定距离，90%的支承不发生点蚀为依据。这个载荷就称为额定动载荷。运行距离就称为支承的额定寿命。对于用滚珠的滚动直线导轨额定寿命为50km；用圆柱滚子的滚动导轨块额定寿命为100km。滚动导轨的寿命除与额定动载荷和导轨的实际外（工作）载荷有关外，还与导轨的硬度、滑块部分的工作温度和每根导轨上的滑块数目有关。
fhftfcfaCaLKfwP （3—32）
PFmax （3—33）
式中 L——额定寿命（km）；
Ca——额定动载荷（kN）； P——当量动载荷（kN）；
Fmax——受力最大的滑块所受的载荷（kN）； z——导轨上滑块数；
ε——指数，当滚动体为滚珠时，ε =3；当滚柱时，ε =10/3；
K——额定寿命单位（km），滚珠时，K=50 km； 滚柱时K=100 km； fh——硬度系数，由于产品技术要求规定，滚道硬度不得低于58HRC，故通常
可取fh =1；
ft——温度系数，机械设计手册（新版第5卷）表9.3-45； fc——接触系数，机械设计手册（新版第5卷）表9.3-46； fa——精度系数，机械设计手册（新版第5卷）表9.3-47；
fw——载荷系数，机械设计手册（新版第5卷）表9.3-48。
查机械设计手册（新版第5卷）表9.3-46-48，各项系数为ft=0.73，fc=0.81， fa =1（导轨精度为3级），fw=1.2。本论文设计的导轨滚动体为滚珠，所以：
10.730.8115.43L()50747.76km
1.21.08如果寿命以h记，则
L103Lh2Lan260 （3—34）
式中 Lh——寿命时间（h）；
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L——额定寿命（km）； La——行程长度，La =0.2m； n2——每分钟往返次数，n2=0.9。
747.76103Lh20771h15000h
20.3160比预期工作寿命长，满足要求。确定导轨型号为GGC15BA。滚动直线导轨的形状如图3-7所示：
图3-7滚动直线导轨
Fig.3-8 The designed diagram of rolling linear guides
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4 材料的选择及其电解液的处理
由于设计的是电化学机械复合光整加工机床，机床材料难免会处于带有腐蚀性的电
解液中，因此防腐蚀是材料选择的首要条件。对于不便使用防腐材料的地方，应有防腐措施。
4.1 防腐技术的介绍
对在腐蚀性介质中的金属材料及其制品采用的各种不同的防腐蚀技术。它可以延长金属制品的使用寿命，保证工艺设备的安全和顺利运行。防腐蚀技术主要有下列几类：
（1）合理选材。这是防止和控制设备腐蚀的最普通和最有效的方法之一。选材必须了解环境因素和腐蚀因素，包括介质的种类、浓度、温度、压力、流动状态、杂质种类和数量、含氧量 ，以及有无固体悬浮物和微生物等；研究有关资料数据；按实际条件进行模拟试验，以获得选材的可靠数据，以此了解材料的耐蚀性能及其工艺特性；综合考虑材料的耐蚀性和经济性；考虑合适的防腐蚀措施。
（2）表面防护。金属材料及其制品表面经处理后形成的防护层，可以使金属表面与外界介质隔开，阻止两者发生作用，同时还能取得装饰性外观。表面防护是防止或减轻基体金属腐蚀应用最普遍的方法。表面防护层常见的有金属镀层和非金属涂层两类。金属表面镀层方法有扩散渗镀、喷镀、电镀。非金属涂层常用于提高制品的耐蚀性和装饰性，有机涂层有涂料（包括油漆）、塑料、橡胶等。无机涂层有搪瓷、玻璃等。
（3）环境（介质）处理。即改变起腐蚀作用的介质的性质，以防止或减轻介质对金属制品或设备的腐蚀。这种方法只能在有腐蚀性的介质的体积有限的条件下使用。环境处理分为：除去或减少介质中的有害组分（常用的方法有去湿、防尘、除氧、脱盐）和添加缓蚀剂（在腐蚀介质中加入能显著降低腐蚀速度的物质）两类 。
（4）电化学保护。即根据电化学原理来控制金属在电解质溶液中的腐蚀，包括阴极保护和阳极保护。
4.2 本次设计所采用的防腐方法
对长期与电解液及其腐蚀性气体接触的部分，如滚珠丝杠、顶尖等，采用的主要材料是奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢是在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如果含有Mo、Cu等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类钢中的含碳量
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若低于0.03%或含Ti、Ni，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高硅的奥氏体不锈钢浓硝酸肯有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面的和良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。但不锈钢也有一些缺点，如：强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化；表面接触电阻大，导电性差等。
由于电解加工机床的工作台组件是直接处在腐蚀性介质及潮湿环境中，因而防蚀是设计中要考虑的特殊问题。早期的台体均采用不锈钢制成，但其制造工作量大，材料昂贵，因而成本甚高。近年已为花岗石所取代，花岗石刚性好、不会吸潮变形，绝缘强度高．易于达到高精度，其平面度及各基准面间的平行度和垂直度可达到0.01mm以内，是较佳的工作台材料。花岗石较脆，虽抗压能力强，但抗弯、抗振能力差，因而外廓尺寸具有较大的厚度面积比。安装的底平面(含床身上的安装基面)，不复挖空。在要求有螺纹孔、定位销孔或开槽处，均应嵌镶预先加工好的螺纹孔、销孔或T型槽的不锈钠块，用环氧树脂粘结固定。当然工作台也可采用牺牲阳极的阴极保护法，即在工作台四周镶上可更换的锌版，由于锌的电极电位比不锈钢更负，这样，工作台相对锌版就成为阴极，杂散腐蚀只在锌版上发生，锌版可定期更换，而工作台被保护起来。本次设计采用的是前者。
4.3 电解液的介绍
4.3.1 电解液的作用
电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体，其主要作用如下：
（1）与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系，实现所要求的电解加工过程，同时也是电解池中传送电流的介质。
（2）排除电解产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行。
（3）带走电解加工过程所产生的热量，使加工区不致过热而引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。 4.3.2 电解液的要求
对电解液的基本要求：具有足够的蚀除速度；具有较高的加工精度和表面质量；阳极反应的最终产物是不溶性的化合物以及操作安全，对设备的腐蚀性小，价格便宜。电解液可分为中性盐溶液，酸性溶液与碱性溶液三大类。中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全，应用最普遍。最常用的有氯化钠、硝酸钠、氯酸钠三种电解液。氯化钠电解液的蚀除速度高，但其杂散腐蚀也严重，故复制精度较差。硝酸钠电解液是一种钝化型电解液，在质量分数30%以下时，有比较好的非线性性能，成形精度高，而且对机床设备的腐蚀性小，使用安全，价格也不高。它的主要缺点是电流效率低，生产率也低，另外加工时在阴极有氨气析出，所以硝酸钠会消耗。氯酸钠三蚀能力小，加工精度高。具有很高的溶解度，导电能力强。
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4.4 电解液的处理
由于电解液中含有腐蚀性物质，因此不能直接排放，否则有可能会对人体造成伤害，对大气造成污染。本方案中工作台上有T型槽，如图4-1所示，在长度方向上从中间往两边由一定的倾斜，而在工作台的两边放有乘装电解液的容器，当电解液落到工作台上时，电解液会顺着T型槽流到两边的容器中，但需定时的将容器中的电解液处理掉。如果加上一个电解液净化循环系统，则可更加高效的进行生产。
图4-1 工作台及其导流槽 Fig. 4-1 Slot table and diversion
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总 结
随着时代的发展，电化学机械复合光整加工这种效率高、加工质量高的加工方法越来越多的应用于生产实际中。在三个月左右的毕业设计时间中，我综合运用专业课程和技术基础课程的基本知识，结合生产实习来进行分析，完成了电化学机械复合光整加工工作台传动系统的选型和设计，如图5-1所示，机床工作台行程为300mm，可加工的工件长度范围为30mm~270mm，光整加工后表面粗糙度可降至Ra0.05μm。同时，本次设计还对材料和电解液的处理做了一些研究。现在市面上生产的该类型的机床大多是卧式的，而本次设计的是立式的机床，这是本次设计的创新点及亮点。
图5-1机床三维图
Figure 5-1 Three-dimensional map of the machine
当然本次毕业设计也存在许多不足之处，首先由于市面上大多是卧式电解加工机床，没有太多的立式机床的参考资料可以参考，因此参数并不是很完善；其次，本次设计并没有涉及到电解液的循环利用，这样不利于生产效率及经济效益的提高。再次，本次设计由于时间所迫，工作台仅设计为可以上下平移运动的，而没有加上旋转运动，这也在一定程度上影响了生产效率的提高。
对于下次进一步的设计，我觉得应该首先将参数完善，同时对电解液的处理应进一步的改善，最好是可以循环利用的。最重要的是工作台的设计最好能同时实现上下平移和旋转运动。
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致 谢
大学三年的学习就要结束了，在这三年的大学生活中我们学到了很多，收获了很多，大学的三年是人生的转折点，大学三年也是值得我们留恋的，老师们都很努力的在传授给我们知识，在此我要感谢所有的老师，是你们的辛勤付出才使我们学到了知识。
在学校里我们学到很多课本知识，但是学的并不扎实，没有形成一个完整的知识体系，与实际结合的程度也不够。通过本次毕业设计，使我们对以前的知识有了更深的理解，并且初步掌握了一般性的设计步骤和方法，提高了运用相关的知识解决实际中遇到的问题的能力，使理论与实际得到了结合，真正达到了学以致用的目的。
通过三年的数控加工专业的学习，以及在毕业设计中的实践，使我深深感到数控机床加工与普通机床加工相比较所具有的巨大优越性。高精度。高效率，自动化，和可以完成普通机床难以完成或者根本无法完成的加工。数控机床是综合计算机，自动控制，自动检测及精密机械等高新技术的产品，因而它涉及到的知识是十分丰富的，掌握他们是非常具有挑战性的，四年的学习，仅仅是打下了一个较为坚实的基础，真正的掌握熟悉这门技术，还需要自己在今后在工作实践中不段的钻研。
在毕业设计的编程实践中，使我学到了许多课堂没有领悟的知识。更加深深的体会到：作为一名合格的编程员，不仅要熟悉数控机床的结构，数控系统的功能及标准，这些理论性的知识，还要熟悉零件的加工工艺、装夹办法、刀具、切削用量的选择等很多知识。
感谢三年朝夕相伴，辛苦培养我们的老师们。我们一定不会你们失望，以优异的成绩来结束这四年的学习，以报答辛勤的老师们！
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附录1
关于电化学机械光整表面微观特征的试验研究
我们研究了电化学机械光整(ECMF)工作机理。实验性系统开发之后，电化学过程的参数比如工作电压、电解质组分和浓度、电解质温度、电极间隙和电流密度得到了评估。重要表面微观特征, 譬如表面粗糙度，表面波纹度和表面微观结构在电化学机械光整前后得到了详细的比较和分析。实验结果表明,在降低表面粗糙度、提高表面质量和形状精度这些方面，ECMF是一个很有效的机械加工方法。
1.简介
伴随着现代产业的迅速发展，产品的表面质量变得越来越受关注。粗劣的表面质量可能增加表面粗糙度、导致耐热强度和机械抗疲劳寿命降低、降低受压强度，从而造成过早的疲劳失效。初始加工后的光整方法影响表面质量。光整总的来说是一个乏味和费时的过程。研磨和擦亮的手工操作劳动强度大，且易导致人为失误。其它机械光整方法譬如喷丸和喷流所得到的加工表面是粗糙的和不精确的。相比较而言，ECMF技术是复合光整技术，它结合了常规的研磨加工方法和电化学反应机械加工方法[1,2]。ECMF的优点是:(1) ECMF可以明显改进表面质量和减少表面粗糙度，它有助于增加产品寿命。（2）ECMF对金属材料的强度、硬度和表面粗糙度不敏感，如镍的超级合金，钛钼合金。（3）在正常的机械加工过程中没有电极损失。（4）在ECMF 过程中的阴极电解质的应用与绿色制造的趋势相配合。所以，ECMF已经变成了一种主要的用于产品光整的方法并且它已经在各种各样产业中得到运用（譬如航空航天，铸模和冲模，国防工业和汽车制造业）。
本文首先研究了ECMF 过程机理，然后讨论了某些关键参数例如电极间隙的大小，钝化膜厚度和沿工件表面的轮廓的微观电场分配的影响。本文开发了实验系统和控制单元并且评估了电化学机械光整加工参数。而且，ECMF加工前后的表面粗糙度、表面波纹度和表面微观结构等特性得到了比较和分析。
2. ECM工作机理
初始加工之后工件表面的微观面貌包括很多微观的局部波峰和波谷如图1所示。光整的最终目的是为了消除这些局部波峰和波谷，以便得到光滑表面。因此，局部波峰去除率应该大于那些波谷的。假设阳极波峰A点的间隙是ΔA，波谷B点的间隙是ΔB，并且ΔA〈ΔB，这就意味着沿工件表面的间隙分配是不相同的。因此，电解质的电阻
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分配沿工件表面是不同的。假设电解质的电阻在波峰A和波谷B电阻数值分别为RA1和RB1。
此外，在ECMF 过程中钠硝酸盐(NaNO3) 水溶液经常被选择为电解液，因为对大多数金属来说它是普通电解质，并且易使用，价格低廉。但是，在NaNO3溶液中钝化膜已形成并覆盖在加工表面上。这些膜阻止工件与电解质的直接接触，使正常的阳极溶解无法进行。因此，钝化膜可以保护工件表面。波峰A的钝化膜相当稀薄，很容易溶解到电解质中去。但是，波谷B的钝化膜比较厚很难溶解。这就导致了钝化膜沿工件表面分布不一致。假设A和B的钝化膜厚度数值分别为δA和δB。所以波峰A和波谷B的电阻数值计算如下： RA2kmARB2kmB• 阻值计算如下：
RRRAA1A2(1)
这里的km指的是钝化膜的电阻系数。考虑到电解质的电阻，则A点和B点总的电
RBRB1RB2 •
(2)
因为，δA〈δB并且ΔA〈ΔB，则RA〈RB。根据欧姆定律，当工作电压是定值时，A的电流大于B的电流值。因此，电流密度iA〉iB，根据法拉第定律和电化学机加工理论，金属去除速度可以表达如下： i•
i UR•
URA(3)
(4)
由（3）和（4）,A和B点的金属去除速度可表达如下：
AiABiB..
(5)
URB(6)
这里的η代表电流效率，ω代表被电解物质的体积电化学当量，UR代表电解液欧姆电压降。Δ代表电极间隙，VA代表阳极上A点的金属去除速度，VB代表阳极上B点的金属去除速度。因为iA〉iB，所以VA〉VB。而且，电极间隙越小，电极去除速度越大。因为去除速度的不同，随着ECMF的进行，局部波峰可能变平。
3.实验工作
3.1 实验系统。
ECMF 系统电化学子系统与ECM过程相似，除了工作电压和电流密度比ECM过程低。ECMF过程通常是在几伏电压下工作，并且电流密度不高于10A/cm2。图2显示
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的是ECMF实验系统原理图。
工件7，一根不锈钢棒（d=30mm）作为阳极，光整工具头1是阴极。两个珩磨条用弹簧紧紧压在工件的表面。NaNO3水溶液用作电解质。控制子系统由位置传感器，数控单元和其它辅助设备组成。它的作用是检测和调整珩磨条的压力，以保证与工件表面之间足够的压力。泵用来使NaNO3电解质在加工区域内循环。过滤器用来使电解质在它重新流回电解槽之前起过滤作用。当电极间的间隙充满电解质时，在工作电压作用下发生电化学反应。这就意味着阴极薄膜同时形成。珩磨条用来破坏钝化膜，使得底层的新表面暴露在电解液中，这样就能使电化学反应继续进行。因此，为了得到好的表面，在电化学反应和机械工艺研磨之间维持一个合适的平衡是很重要的。这个平衡可以通过调整工件旋转速度和工件与珩莫条之间的压力来实现。 3.2 优化实验参量。
上面对ECMF 过程机理的分析表明：在光整过程中的主要影响因素是工作电压、电解质成分和浓度、电极间隙、温度和电流密度。其中工作电压和电解质密度是最重要的参数。评估这些参数和发现优选的匹配是必要的。二因素，工作电压和NaNO3溶液浓度和三水平的正交实验，共计九个实验得到了开发。其中的电压是7, 10 和12V，浓度是10, 15 和22%。
4．表面微观特征分析：
4.1 表面粗糙度高度参数。
最初的制件表面是磨削的表面。ECMF 试验参量见表1。在ECMF 以后，表面轮廓仪，型号TALS-212，用来测量这些样本表面的粗糙度。表2 总结的是ECMF 加工前后的表面粗糙度高度参数的变化。为了消除任意测量误差，这数据是三个样本的平均值。
表2 显示了在ECMF 以后，加工表面的平均粗糙度Ra，最大轮廓高度Ry和最大轮廓平均高度Rz各自减少87.4%, 58.6% 和84.7%。比Ra更能描绘表面粗糙度的粗糙度的平方根Rq和最大轮廓峰值Rp各自减少88.3%和72.1%。 4.2 表面粗糙度的间距特征。
以上提到的这些粗糙度高度参数通常能有效地反映出表面粗糙度的变化。然而，最近研究表明表面粗糙度的间距参数，譬如轮廓波纹度的平方根λq，轮廓
不规则平均间隙Sm，轮廓局部峰值的平均间隙S, 轮廓峰值密度D对耐磨性、耐腐蚀性、硬度等特征有重要的影响。如图3所示，实际的样本测量表面在初始加工表面和ECMF 加工表面的粗糙度间距特征有明显的区别。图3显示在ECMF 和D反方向增加之后，这些粗糙度参数λq，Sm和S减少到一个低的数值。这说明与这些工件初始加工表面相比，粗糙度的间距特征得到改进并且表面波纹更密集了。
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4.3 表面轮廓和波纹度分析。
图4是一个样本表面记录。它包括表面粗糙度和波纹度特性（水平的方向放大100倍，垂直的方向放大5000倍）。如图4中(a) 和(b)的所示，表面轮廓的比较，证明ECMF 过程能有效地降低表面峰态并且平均最大轮廓峰值高度，这就意味着表面轮廓高度变得平均并且这些局部表面峰顶变得光滑了，它也表明表面波纹度得到改进。像粗糙度参数那样，波纹度参数对评估表面质量是非常重要的。有评估的波纹度参数的一个重大问题是，为了得到有统计的标志性的结果我们需要一个更长的测量长度。当前，像对粗糙度参数那样，对于多长是足够的长度是没有标准的。这里我们选择测量长度L=2.0mm作为评估波纹度的参数。表格3表明在ECMF 过程前后工作表面波纹度参数发生的变化。
表格3表明ECMF加工后表面的波纹度参数比那些初始加工表面的要小。ECMF加工后，表面波纹度幅度减小并且表面质量明显提高。随后，在显微镜下检查最后光整表面为了与样本表面的显微结构相比较以便确定ECMF 过程能否获得高质量表面和光滑表面。像图5(a)中所示，初始加工表面有明显的刮痕和瑕疵。
在图5(b)中，这些刮痕几乎消失并且表面是光滑的。瑕疵似乎被平整掉了。依照以上提到的，ECMF的确可以作为一个有效的为提高表面质量和降低表面粗糙度和波纹度的机械加工方法。
5．总结和结论
在这篇文章中，我们首先研究了ECMF 过程机理。从机理分析出发，本文讨论了一些重要的过程参数，并且找到了优化的参数匹配。根据这些优化的参数匹配，我们开发了ECMF实验。并且比较和分析了ECMF 过程前后工件粗糙度的间隙特征，表面波纹度特性和微结构特性。实验结果表明ECMF 过程是一个更加完美的光整技术，因为这过程：
能够有效地改进表面粗糙度和间隙特征并控制粗糙度值在0.1μm以下。
能够明显的降低表面波纹度幅度到小于0.03μm并且获得高质量表面和光滑表面。 能够消除表面刮痕和瑕疵并能增加工件的耐热强度，提高抗机械疲劳寿命。
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附录2
Experimental investigation on surface microscopic characteristics
in electrochemical mechanical finishing
School of Mechanical Engineering, ShanDong University of Technology, ZiBo ,China Key word: electrochemical finishing; surface quality; microscopic characteristic Abstract: The mechanism of electrochemical mechanical finishing (ECMF) process was investigated. The experimental system was developed and electrochemical process parameters such as operating voltage, electrolyte component and concentration, electrolyte temperature, electrode gap and current density were evaluated. The important surface microscopic characteristics, such as height and spacing characteristics of surface roughness, surface waviness and microscopic structure before and after ECMF were compared and analyzed in detail. The experiment results indicate that ECMF is an effective machining method to reduce surface roughness and promote surface quality and shape accuracy.
1. Introduction
With the rapid development of modern industries, the surface quality of products becomes more and more concernful. Poor surface quality can increase surface irregular roughness and cause reduced thermal and mechanical fatigue life and reduction in impact strength, leading to premature die failure. The surface quality relates nearly to the finishing method used after initial machining. Finishing in general is a tedious and time-consuming process. The manual operations of grinding and polishing are labor intensive and prompt for human error. The other mechanical finishing methods such as shot peening and sand blasting are rough and imprecise. In comparison, electrochemical mechanical finishing (ECMF) technology is a compound finishing technology by combining the mechanical action of a conventional grinding process and the electrochemical reaction of an electrochemical machining (ECM) process [1,2]. The main advantages of ECMF are: (1) ECMF can improve surface quality and reduce surface roughness obviously, which contributes to the increase in products life. (2) ECMF is insensitive to the strength, hardness and toughness of metal materials, such as nickel-based superalloys, titanium and molybdenum alloys. (3) There is no tool loss in normal machining conditions. (4) The application of passive electrolyte in ECMF process accords with the tendency of “green manufacturing”[3~5]. Therefore, ECMF has
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become a main machining method for products finishing and been widely applied in various industries (such as aerospace, mould and die, defense and automotive industries).
In this study the mechanism of ECMF process and the influences of some key factors such as electrode gap distribution, passive film and microscopic electric field distribution along workpiece surface profile on the ECMF procedure were investigated and discussed. The experimental system and control unit were developed and electrochemical machining parameters were evaluated. Furthermore, the characteristics of surface roughness, waviness property and microscopic appearance of workpiece surface before and after ECMF also were compared and analyzed.
2. Mechanism of ECMF process
The microscopic appearance of workpicec surface consists of a great deal of microscopic local peaks and valleys after initial machining, as shown in Fig.1.The purpose of finishing is to eliminate these local peaks and valleys and obtain a smooth surface. Hence, the removed rates of local peaks should be greater than those of local valleys. Suppose the gap of peak A point on anode surface is Δa, and the gap of valley B point is Δb, and Δa<Δb, which means the gap distribution along the workpiece surface is not uniform. So the electrolyte electrical resistance distribution is quite different along the workpicec surface. Suppose the electrolyte electrical resistance values of A and B are RA1 and R 2 respectively.
Cathode (tool)
Furthermore, the sodium nitrate (NaNO3) aqueous solution is often chosen as the passive electrolyte in ECMF process, because NaNO3 is a generic electrolyte for a wide range of metals, readily available and inexpensive. However, the passive film can form and cover on the machined surface of
_ Δa Local Peak A Δb B Local valley + Anode (workpicec) Fig.1 Schematic diagram of microscopic the workpicec in the presence of NaNO3
solution. This passive film is composed of appearance of metallic hydroxide and oxide and has higher electrical resistance. It can prevent the workpiece from a direct contact with the electrolyte and normal anodic dissolution cannot proceed. Hence, the passive film can protect the workpiece surface. The passive film of peak A is quite thin and transports into electrolyte easily. Whereas, the passive film of valley B is thicker and difficult to transfer, which results in the passive film distribution along workpicec surface is not uniform. Suppose the passive film thickness values of A and B are δA and δB respectively,
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and δA<δB, so the electrical resistance values of A and B are calculated as
RA 2kmARB2kmB• (1)
Where km is the electrical resistance coefficient of passive film. Consider the electrolyte electrical resistance, the total electrical resistance values of A and B are calculated as
RARA1RA2Because of δA<δB and Δa<Δb, thus RA < RB. According to Ohm´s law, when the
RBRB1RB2 •
(2)
operating voltage is constant, the current value of A is larger than that of B, i.e. IA>IB. Hence, the current density iA is larger than iB, i.e. iA>iB. According to Farady´s law and electrochemical machining theories, the metal removed rate can be expressed as follows: i• iUR•
•From (3) and (4), the metal removed rates of A and B can be reformulated as iURAA.A• UB
iBR.BWhere η is current efficiency, ω the volumetric electrochemical equivalent of anode metal, UR the operating voltage, κ the electrolyte conductivity, Δ the electrode gap, νA the metal removed rate of A on anode and νB the metal removed rate of B on anode. Since iA> iB , so νA>νB. Furthermore, the smaller the electrode gap, the larger the metal removed rate will be. Because of the differences in the removed rate, those local peaks can be leveled off gradually with the ECMF proceeding.
3 Experiment work
3.1 Experiment system.
The electrochemical subsystem of ECMF system is similar to that of the ECM process except that the operational voltage and current density is much lower than those of the ECM process. The ECMF process usual operates in the range of several voltages and the current density is less than 10A/cm2. The schematic diagram of experiment system for ECMF is shown in Fig.2.
The workpiece, 7, a stainless steel rod (d=30mm) with titanium alloy components, is anode and the finishing head, 1, is cathode. Two pieces of soft grinding bars, were pressed tightly on the workpiece surface with springs. NaNO3 aqueous solution was used as
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(3)
(4)
(5) (6)
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electrolyte. The control subsystem is
Fig.2 Schematic diagram of ECMF system 1.Cathode 2.Spring 3. Position sensor
4.Grinding bar 5. DC power
5 6 7 8 9 ▲ 1 2 3 + 4 _ Control Subsystem composed of position sensor, numerical control unit and other assistant apparatus. Its function is to detect and adjust the pressure of grinding bars in order to retain enough pressure against the workpiece surface. A pump was used to circulate the NaNO3 electrolyte to the machining domain and a filter was used before the electrolyte was recirculated to the holding tank. When the gap between the electrodes is filled with NaNO3 electrolyte, the electrochemical reaction takes place under the applied voltage, which means the passive film beginning to form at the same time. The grinding bars were used to breakdown the passive film and made the fresh surface of the substrate expose to the electrolyte for that the electrochemical reaction can continue. Hence, a proper balance between the electrochemical reaction and the mechanical grinding is vital in order to obtain the optimal result. This balance can be realized through adjusting workpicec rotate rate and the pressure between workpiece and grinding bars.
3.2 Optimization of experimental parameters.
The above analysis of mechanism of ECMF process demonstrates the main influence factors on finishing process are the operating voltage, electrolyte components and concentration, electrode gap, temperature and current density, in which the operating voltage and electrolyte concentration are the most important parameters. So it is necessary to evaluate
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these parameters and find out the optimal match. A two-variable, the operating voltage and NaNO3 solution concentration, and three-level full factorial design experiment, total of nine tests, was developed, in which the voltages are 7, 10 and 12V and the concentration levels are 10, 15 and 22%. The optimal parameters match after experimental tests are shown in Table1.
Table 1 Optimal parameters match resulting from
ECMF experimental tests
Parameter Operating voltage [V] Electrolyte component Electrolyte concentration [wt%] Electrolyte temperature [ºC] Electrolyte temperature Electrode gap [mm] Current density [A/cm2] Value 10.0 NaNO3 15% 25.0 0.6 7.5 4 Surface microscopic characteristics analysis
4.1 Height characteristics of surface roughness.
The initial workpiece surface is grinded surface. ECMF experiments were conducted with the parameters listed in Table 1. After ECMF, a Surftest profilometer, Model TALS-212, was used to measure these specimens surface roughness. Table 2 summarizes the changes in height parameters of surface roughness before and after ECMF. These data are all averages of three experimental specimens in order to eliminate the random measure errors.
Table 2 Changes in the height parameters of surface roughness
Roughness height parameter Roughness Average Ra [μm] Root Mean Square Roughness Rq [μm] Maximum Height of the Profile Ry [μm] Average Maximum Height of the Profile Rz [μm] Maximum Profile Peak Height Rp [μm] Initial surface 0.750 0.975 1.50 1.375 0.86 Finishing surface 0.095 0.114 0.62 0.210 0.24 46
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Table 2 shows the roughness average Ra, the maximum height of the profile Ry and the average maximum height of the profile Rz of the initial surface reduce respectively by 87.4%, 58.6% and 84.7% after ECMF. The root mean square roughness Rq and the maximum profile peak height Rp, which can more characterize the surface roughness than Ra, reduce respectively by 88.3% and 72.1%.
4.2 Spacing characteristics of surface roughness.
These roughness height parameters mentioned above usually can effectively reflect the changes in surface roughness. However, the recent researches demonstrate the spacing parameters of surface roughness, such as the root mean square wavelength of the Profile λq, the mean spacing of profile irregularities Sm, the mean spacing of local peaks of the profile S and the profile peak density D, have important influences on the wear resistance, corrosion resistance, stiffness and reflection property of workpiece[6]. The actual specimens measure results also indicate there are distinct differences in the roughness spacing characteristics between the initial and ECMF surface, as shown in Fig.3. Fig.3 shows these roughness spacing parameters, λq, Sm and S, reduce to a low level after ECMF and D increases adversely. This illustrates the roughness spacing characteristics are improved and the surface ripples are denser than those of the initial surface. which means the surface profile height become mean and those surface local peaks have been smoothed down. It also indicates the surface waviness is improved. The waviness
Initial 系列1 surface ECMF surface 系列2706050403020100
(a) Initial surface profile
Value (μm) (b) ECMF surface profile
Fig.4 Comparison of surface profile
λq 1Sm 23S D 4Fig.3 Comparison of the spacing 4.3 Surface profile and waviness analysis.
Surface profile record of one specimen ,which includes the surface roughness and
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waviness properties (Horizontal direction 100×, Vertical direction 5000×). The comparison of the surface profile, as shown in Fig.4 (a) and (b), demonstrates ECMF process can effectively reduce the surface kurtosis and average maximum profile peak height, parameters just like roughness parameters are very vital to evaluate the surface quality. One major problem with evaluating waviness parameters is that a longer trace length is needed in order to have statistically significant results. At present, there is no standard for how long is long enough or how to break the waviness into separate specimen lengths as do for roughness. Here a trace length L=2.0mm was chosen to evaluate the waviness parameters. Table 3 shows the changes in surface waviness parameters before and after ECMF process.
Table 3 Changes in the surface waviness parameters
Surface waviness parameter Average Waviness Wa [μm] Root Mean Square Waviness Wq [μm] Maximum Waviness Peak Height Wp [μm] Average Waviness Depth Wv [μm] Initial surface 0.25 0.345 0.18 0.25 Finishing surface 0.028 0.037 0.03 0.06 Table 3 shows the waviness parameters of the ECMF surface are much less than those of initial surface. The surface waviness amplitude after ECMF decreases and the surface quality is improved distinctly. Subsequently, the final finishing surface was inspected under a microscope to compare the microstructure
(a) Initial surface appearance (b) ECMF surface appearance
Fig.5 Comparison of surface microscopic appearance before and after
ECMF (500×)
on the specimen surface to determine ,if the ECMF process can obtain the high surface quality and a smooth surface. The initial surface, as shown in Fig. 5(a), has visible scratch marks and
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defects. In Fig. 5(b), these scratch marks are almost disappeared and the surface is smooth. The defects seem to be leveled-off. As mentioned above, ECMF can indeed act as an effective machining method to improve surface quality and reduce surface roughness and waviness.
5 summary and conclusions
The mechanism of ECMF process was investigated firstly in this paper. From the mechanism analysis, the significant influence factors on ECMF process were evaluated by experimental tests and the optimal parameters match was found out. On the basis of these optimal machining parameters match, ECMF experiments were developed. The specimens surface microscopic properties such as the roughness height and spacing characteristics, the surface waviness and microstructure before and after ECMF were compared and analyzed.
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