鋰電池化成設(shè)備的研發(fā)

1、1 緒 論1.1 課題研究的背景鋰離子電池是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的綠色高能環(huán)保電池，具有能量密度高、環(huán)境友好、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、自放電少等突出的優(yōu)點(diǎn)，其生產(chǎn)流程主要由涂布、切片、疊片、注液、化成以及測(cè)試等組成?；墒卿囯姵厣a(chǎn)過程中的重要工序，它是鋰電池形成電池后的第一次活化充放電過程，正極鋰離子通過電解液在電流作用下嵌入負(fù)極石墨形成電勢(shì)，產(chǎn)生電壓，化成的好壞很大程度上決定了這個(gè)電池的使用壽命價(jià)值。該課題的研究對(duì)于提高學(xué)生的工程能力以及為今后鋰電池化成設(shè)備的研發(fā)具有重要的社會(huì)意義和市場價(jià)值。1.2 鋰電池的知識(shí)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 18650鋰電池18650鋰電池中的18650這幾

2、個(gè)數(shù)字，代表外表尺寸：18指電池直徑18.0mm ，650指電池高度65.0mm。常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰和鎳氫電池。電壓及容量規(guī)格為鎳氫電池電壓為1.2V 常見容量為2500MAH，鋰離子電池電壓為3.6V常見容量為1500MAH-3100MAH。鋰電池（Li-ion，Lithium Ion Battery）：鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了圖1-1 18650鋰電池普遍應(yīng)用許多數(shù)碼設(shè)備都用了鋰離子電池作電源，雖然其價(jià)格相對(duì)來說比較昂貴。鋰電池的能量密度很高，它的容量是同等重量的鎳氫電池的1.52倍，而且有極低的自放電率。另外，鋰電池沒有“記憶

3、效應(yīng)”以及沒有有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)也是它廣泛應(yīng)用的主要原因。 1.2.2 鋰離子電池國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)在蓄電池技術(shù)領(lǐng)域，具有重量輕、儲(chǔ)能大、功率大、無污染、使用時(shí)間長、自我放電指數(shù)低、溫度合適的范圍寬泛等優(yōu)點(diǎn)的鋰電池方式逐漸取代鎳氫電池，成為純用電汽車中的核心技術(shù)之一。截至2006年10月為止，全球大部分國家已經(jīng)有了20余家車廠進(jìn)行鋰電池研究發(fā)明，例如富士重工、NEC、東芝、Johnson Controls、Degussa AG/Enax、Sanyo電機(jī)、Panasonic EV Energy等。中國在鋰電池部分的研究水平，有多項(xiàng)指標(biāo)超過了USABC提出的2010年長期指標(biāo)所規(guī)定的目標(biāo)。目前，

4、專家認(rèn)為鋰電池技術(shù)還需更多的發(fā)展。一方面，各企業(yè)所公布的大部分純粹使用蓄電池的電動(dòng)汽車實(shí)驗(yàn)室來測(cè)試數(shù)據(jù)，如加速性能、充電的時(shí)間、持續(xù)里程數(shù)等等，還須在復(fù)雜的外部的環(huán)境實(shí)際運(yùn)行下，進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性，以及生產(chǎn)批量化質(zhì)量控制。另一方面，我國鋰離子電池所需隔膜材料基本依賴進(jìn)口，成本尚待減少。此外，有專家認(rèn)為，蓄電池使用壽命還不長，造成高額使用成本，成為其商業(yè)化的一大瓶頸。1） 超快充電技術(shù)用傳統(tǒng)的慢速充電法，純電動(dòng)汽車充滿一次電需要好幾個(gè)小時(shí)。這雖然能夠保證相對(duì)比較長的續(xù)駛里程，但因?yàn)橐惭b許多電池，增加了車輛的重量以及成本，對(duì)電池一致性的要求也比較高。現(xiàn)在，快速充電電池技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，具有壽命長（可

5、充電2000次以上）、沒有記憶性、可以大容量充電及放電等特點(diǎn)，在幾分鐘內(nèi)就可充70%80%的電。前面所述的東芝可急速充電鋰電池的技術(shù)，即是快速充電技術(shù)的其中之一，這為純電動(dòng)汽車的市場化充分供應(yīng)了技術(shù)。但是也有專家對(duì)于蓄電池的快速充放電提出了疑惑，他們認(rèn)為快速充電時(shí)的過度充電和過度放電很有可能會(huì)使各電池在電池組內(nèi)協(xié)同工作環(huán)境惡化，從而造成整體電池組的瓦解崩潰。而現(xiàn)在許多企業(yè)在這方面積極進(jìn)行研發(fā)，也有所進(jìn)展。2005年參考消息報(bào)導(dǎo)內(nèi)華達(dá)州有企業(yè)研制出納米電池，只需6分鐘就能充滿電，每次充電后的使用時(shí)間能達(dá)到目前充電電池的10倍，使電池充電次數(shù)量高達(dá)到2萬次，所提供的電流強(qiáng)度最大能到現(xiàn)在的3倍。這也

6、成為目前純電動(dòng)汽車電池技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向之一。2） 電池與電容相結(jié)合技術(shù)超級(jí)電容具有充電快、無記憶充放電、充放電循環(huán)次數(shù)高、無二次污染等優(yōu)等特性，但是有放電快的缺點(diǎn)；鋰離子電池的儲(chǔ)電量大、儲(chǔ)存時(shí)間長的優(yōu)點(diǎn)，但是充電時(shí)間很長。取他們兩個(gè)的長處，結(jié)合后使用在電動(dòng)的汽車上，除了可以有傳統(tǒng)純電動(dòng)式汽車的“電代油”與“零排放”的主要優(yōu)點(diǎn)外，并且還具有一次充電可以行駛路程（可達(dá)300公里）、速度（可達(dá)100公里/小時(shí)）、而行使的過程中能源回收效率很高等優(yōu)點(diǎn)，為了向著純電動(dòng)汽車的發(fā)展最新趨勢(shì)。目前有富士的重工和NEC聯(lián)合一起開發(fā)“鋰離子電容器”，能量密度達(dá)30瓦時(shí)/千克，為先前的電容器的4倍，達(dá)到用于電動(dòng)汽車的

7、運(yùn)用水準(zhǔn)。我國有上海瑞華集團(tuán)研發(fā)了混合型環(huán)保電能超級(jí)電容極電動(dòng)汽車，還有國家家電網(wǎng)公司在這一方面早已經(jīng)完成了3種電池-混合電容型電力工程車輛的改裝和性能測(cè)試，并將開展示范應(yīng)用。3）電動(dòng)輪技術(shù)電動(dòng)輪亦稱輪內(nèi)電動(dòng)機(jī)（In-Wheel Motor）。目前大部分重型礦用自卸汽車所采用的電動(dòng)輪是直流電動(dòng)機(jī)，而第二代純電動(dòng)汽車所采用的是交流傳動(dòng)系統(tǒng)。其工作原理如下：交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的永磁式三相同步伺服交流電動(dòng)機(jī)緊湊地收藏于車輪內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子托架與車輪輪轂相聯(lián)，而輪轂支撐于轉(zhuǎn)向節(jié)上，輪胎隨同電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)；而電動(dòng)機(jī)的定子則通過定子托板、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)連接于車身上。1.2.3 鋰離子電池原理 一個(gè)

8、鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液及隔膜組成，外加正負(fù)極引線，安全閥，PTC（正溫度控制端子），電池殼等。雖然鋰離子電池種類繁多，但其工作原理大致相同。充電時(shí)，鋰離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)過隔膜和電解液，嵌入到負(fù)極材料中，放電以相反過程進(jìn)行。再充電，又重復(fù)上述過程。以典型液態(tài)鋰離子作為例子，當(dāng)以石墨作負(fù)極材料，以LiCoO2作正極材料時(shí)，其充放電的原理為：放電 6C+LiCoO2Li-xCoO2+LixC6； 充電 6C+LiCoO2Li-xCoO2+LixC6；充電時(shí)，Li+從LiCoO2中發(fā)生脫嵌，釋放出一個(gè)電子，C3+被氧化為C4 +，此時(shí)，Li+經(jīng)過隔膜與電解液流到負(fù)極石墨表面，然后插入

9、到石墨結(jié)構(gòu)中，石墨結(jié)構(gòu)同時(shí)獲得一個(gè)電子，形成鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6，放電時(shí)過程則相反，Li+從石墨結(jié)構(gòu)脫插，嵌入到正極LiCoO2中。圖1-2 鋰電池充放電示意圖1.2.4 鋰電池組成 正極： 鋰電池的正極組成材料為氧化物， 錳酸鋰(LiMn2O4)、 氧化鈷鋰(鈷酸鋰 LiCoO2)、 氧化鎳鋰(鎳酸鋰 LiNiO2)、 磷酸鐵鋰(LiFePO4)等。 負(fù)極：鋰電池的負(fù)極組成材料最主要是石墨型化碳材料(碳素)。 導(dǎo)電劑：乙炔黑。 粘接劑：聚四氟乙烯。 電解質(zhì)：鋰電池的電解質(zhì)主要有兩種，液態(tài)電解質(zhì)(碳酸脂)和固態(tài)電解質(zhì)(聚合物)。 隔膜：鋰電池用隔膜是聚烯微孔隔膜，此隔膜的優(yōu)點(diǎn)是離子交換能力

10、強(qiáng)，保液能力好，強(qiáng)度高，抗氧化性能好。 鋁殼或塑殼。 1.2.5鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程1.2.6鋰離子電池的化成 組裝好的鋰離子電池首先進(jìn)行化成?；晒に嚕阂?0.1C 恒流(40mA/g)充電到 3.6V，再以 0.2C 恒流充電到 4.2V，最后以 4.2V 恒壓充電 2 小時(shí)。靜置 10min，以 0.2C 恒流放電至 2.5V3.0V 終止，充電同前。1.2.7鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn) 1)超長壽命，鉛酸電池具有長壽命，它的循環(huán)的壽命在300次左右，能達(dá)到的最高也就500次，而磷酸鐵鋰電池，循環(huán)的壽命可以達(dá)到2000次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時(shí)率）使用，也可以達(dá)到近2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“

11、新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年”，最多也就11.5年時(shí)間，而磷酸鐵的鋰電池在同樣的條件下，將達(dá)到年可以說是終身制。綜上所述，性價(jià)比是鉛酸電池的5倍以上。 2)使用安全，磷酸鐵鋰電池能夠充分地解決鈷酸鋰和錳酸鋰所產(chǎn)生的安全隱患問題，錳酸鋰和鈷酸鋰在劇烈的碰撞下會(huì)爆炸，這對(duì)于消費(fèi)者的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩珳y(cè)試，它即使在最惡劣的交通事故下也不會(huì)爆炸，是最特色的鋰電池。3)可大電流2C快速的充放電，在于專用的充電器下，1.5C充電40min內(nèi)就可以讓電池充滿，起動(dòng)電源可達(dá)2C，然而鉛酸電池現(xiàn)如今沒有該性能。4)耐高溫，磷酸鐵鋰電最高溫能夠達(dá)到350500然而錳酸鋰和鈷酸鋰的溫度只

12、能達(dá)到200左右。5)大容量，它生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池的 續(xù)行里程能夠達(dá)到同等質(zhì)量的鉛酸電池的34倍，她得優(yōu)點(diǎn)能夠讓電動(dòng)自行車處在適中重量的前提下，只需要充一次電就能跑100多公里，基本充一次電能，上班族能夠使用一周的時(shí)間。然而鉛酸電池來裝備的電動(dòng)自行車在整車重量不超標(biāo)的條件下，其電池容量最大為12Ah（鉛酸電池重量此時(shí)已達(dá)13公斤，而同內(nèi)容的磷酸鐵鋰離子電池的重量只有5公斤），充一次電最多能夠行駛50km左右。6)無記憶效應(yīng)，充電池在補(bǔ)充完的的情況下，容量會(huì)低于額定容量，這叫記憶效應(yīng)。而像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，磷酸鐵鋰離子電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。7)

13、體積很小、重量很輕，相同規(guī)格容量的磷酸鐵鋰離子電池的大小是鉛酸電池大小的2/3，質(zhì)量是鉛酸電池的1/3。1.2.8 鋰離子電池的缺點(diǎn)1)電池成本較高。主要表現(xiàn)在LiCoO2的價(jià)格高（Co的資源較?。?，電解質(zhì)體系提純比較困難。2)不能過大的電流放電。由于有了機(jī)電解質(zhì)體系等等的原因，電池的內(nèi)阻相對(duì)于其他一類的電池較大。因此要求比較小的放電的電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只能用于中小型電流的用電器使用。3)保護(hù)線路的控制。A、過充保護(hù)：電池過度充能將會(huì)破壞掉正極結(jié)構(gòu)從而影響到了它的壽命和性能；而與此同時(shí)過度的充電使得電解液分解，它的內(nèi)部壓力過高會(huì)導(dǎo)致漏液等等的問題；因此必須要在4.1V-4.

14、2V的恒壓下再充電；B、過放保護(hù)：過度放會(huì)使活性物質(zhì)的恢復(fù)很困難，因此也要有線路保護(hù)的控制。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 任務(wù)要求及參數(shù)據(jù)現(xiàn)有的鋰電池化成工藝要求，設(shè)計(jì)一種化成設(shè)備，具有極耳間距調(diào)整、極片或極板夾緊以及充放電功能，完成該化成設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主要零件的力分析、完成該設(shè)備三維建模及仿真。以18650鋰電池為例，18650這幾個(gè)數(shù)字，代表外表尺寸：18指電池直徑18.0mm 650指電池高度65.0mm2.2 升降機(jī)構(gòu)方案升降機(jī)構(gòu)方案一：絲杠傳動(dòng)如下圖所示，采用步進(jìn)電機(jī)和絲杠帶動(dòng)電極工作臺(tái)升降。此方案的優(yōu)點(diǎn)是升降工作臺(tái)升降速度可調(diào)，升降高度可以通控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)來調(diào)節(jié)，升降距離可以

15、很長。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。圖2-1 方案一：升降臺(tái)采用絲杠傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)方案二：采用氣壓傳動(dòng)如下圖所示，方案二采用的是氣壓傳動(dòng)來控制升降臺(tái)升降，該傳動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)敏捷，以便于集中的供氣和中距離的輸送，使用很安全，沒有爆炸和電擊的危險(xiǎn)，具有過載保護(hù)能力；缺點(diǎn)是：（1）由于空氣的可壓縮性大，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)所帶來的速度穩(wěn)定性很差，給系統(tǒng)的速度還有位置控制的精度帶來了很大的影響。（2）氣壓傳動(dòng)的噪聲很大，尤其是排氣的時(shí)侯，需要加一個(gè)消音器。圖2-2 方案二：升降臺(tái)采用氣缸傳動(dòng)在本機(jī)械中，所要求升降臺(tái)提升高度不高，如果采用絲杠傳動(dòng)，會(huì)使結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，如采用氣壓傳動(dòng)，會(huì)使結(jié)構(gòu)更

16、簡單，因此，升降機(jī)構(gòu)采用氣壓傳動(dòng)。2.3 進(jìn)料機(jī)構(gòu)方案進(jìn)料機(jī)構(gòu)方案一：齒輪齒條傳動(dòng) 如下圖所示，方案一采用的是齒輪齒條傳動(dòng)來控制送料臺(tái)送料，承載力大，傳動(dòng)精度較高，可達(dá)0.1mm，可無限長度對(duì)接延續(xù)，傳動(dòng)速度可以很高，可達(dá)2m/s，缺點(diǎn)：若加工安裝精度差，傳動(dòng)噪音大，磨損大。圖2-3 進(jìn)料機(jī)構(gòu)方案一：齒輪齒條傳動(dòng)方案進(jìn)料機(jī)構(gòu)方案二：氣壓傳動(dòng)如下圖所示，進(jìn)料機(jī)構(gòu)方案二采用的是氣壓傳動(dòng)來控制進(jìn)料臺(tái)工作，該傳動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)敏捷，以便于集中的供氣和平均距離的輸送，為了使用的安全，沒有爆炸和電擊的危險(xiǎn)，有了過載保衛(wèi)能力；缺點(diǎn)是：（1）因?yàn)榭諝饽軌虮粯O大的壓縮，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)它的速度的穩(wěn)定性不

17、高，給系統(tǒng)帶來的速度以及位置控制精度帶來了較大的影響。（2）氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)有很大的噪音，尤其是在排氣的時(shí)候，需要加一個(gè)消音器。圖2-4 進(jìn)料機(jī)構(gòu)方案二：送料機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案綜上所述，為能夠集中供氣和中距離的傳輸，為了使用安全，沒有爆炸和電擊的危險(xiǎn)，有過載保護(hù)能力；進(jìn)料機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)一樣，統(tǒng)一采用氣壓傳動(dòng)。2.4 總體方案擬定根據(jù)以上升降機(jī)構(gòu)和進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后擬定傳動(dòng)方案如下圖所示：由氣缸帶動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)，氣桿伸出，可以往電池模板里放入鋰電池，模板底部彈片與電池負(fù)極接通，氣桿縮進(jìn)，電池模板與正電極模板對(duì)齊。由氣缸帶動(dòng)升降臺(tái)作上下運(yùn)動(dòng)，升降臺(tái)上升，正電極與池正極脫開，升降臺(tái)下降，正電極與電池正

18、極接合，接通電源便可開始對(duì)鋰電池化成。圖2-5 總體方案 3 氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)3.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖該系統(tǒng)由左右移動(dòng)的進(jìn)料氣缸、升降氣缸、組成。氣源出來的氣體經(jīng)過二聯(lián)件處理后進(jìn)入到匯流板。通過相應(yīng)的電磁換向閥進(jìn)入氣動(dòng)執(zhí)行元件，分別驅(qū)動(dòng)氣缸1的左右移動(dòng)、氣缸2的上升下降運(yùn)動(dòng).3.1 升降氣缸設(shè)計(jì)升降氣缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)升降行程升降速度 1）所要克服的重力G=170Kg10=1780 N2）氣缸的直徑本氣缸主要帶動(dòng)升降板升降，氣缸必須克服升降板的重力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: (3-1)式中: - 活塞桿上的推力，N - 升降板重力G，N- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N- 氣缸工作壓力，Pa在設(shè)計(jì)中，必須考

19、慮負(fù)載率的影響，則:由以上分析得氣缸的直徑: (3-2)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以:查有關(guān)手冊(cè)圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中， 則:滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3）缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (3-3)式中: - 缸筒壁厚，mm- 氣缸內(nèi)徑，mm- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa材料為:ZL3,=6MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:3.2 進(jìn)料氣缸設(shè)計(jì)進(jìn)料氣缸運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程伸縮速度 最大加速度1m/s2 1）所要克服的摩擦阻力f=150Kg100.17=255N2

20、）氣缸的直徑本氣缸主要帶動(dòng)移動(dòng)板伸縮，氣缸必須克服移動(dòng)板和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: (3-4)式中: - 活塞桿上的推力，N - 升降板重力G，N- 氣缸工作時(shí)的總阻力，N- 氣缸工作壓力，Pa在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則:由以上分析得氣缸的直徑: (3-5)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得所以:查有關(guān)手冊(cè)圓整，得由,可得活塞桿直徑:圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式有:其中， 則:滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。3）缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (3-6)式中: - 缸筒壁厚，mm- 氣缸內(nèi)徑，mm- 實(shí)驗(yàn)壓

21、力，取, Pa材料為:ZL3,=6MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:取，則缸筒外徑為:3.3 升降氣缸尺寸設(shè)計(jì)與校核1）尺寸設(shè)計(jì)氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=40mm,氣缸內(nèi)徑為=63mm，氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=1MPa,則驅(qū)動(dòng)力： (3-7) 2）尺寸校核（1）測(cè)定上模板質(zhì)量為170kg,則重力： （2）設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， 總受力=1955N 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。3.4 伸縮氣缸尺寸設(shè)計(jì)與校核1）尺寸設(shè)計(jì)氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=1100mm,氣缸內(nèi)徑為=50mm，氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=1MPa,則驅(qū)動(dòng)力： (

22、3-8) 2）尺寸校核（1）設(shè)計(jì)加速度，則慣性力： （3）考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， 總受力=165N 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選用縱向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算1） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 (3-9)：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；I ：傳動(dòng)比電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式，i=4（取一級(jí)減速齒輪）由上表查得=4m/min，=1500r/min 代入得0.67mm查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)取5mm2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速 (3-10)由上表查的=0.6, =0.8, =1, =4代入得120，160，200，800（2） 各種切削方式下，

23、絲杠軸向載荷：絲杠軸向載荷，：縱向切削力，：垂向切削力由上表得(i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N (i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N 已知800 N，200 N 代入得(i=1,2,3,4)分別為2200N，1150N，620N，1000N（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速/100+/100+/100+/100數(shù)據(jù)代入得240r/min（4） 當(dāng)量載荷 (3-11)帶入數(shù)據(jù)得1057N3） 初選滾珠絲杠副由公式現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（3.724）知 (3-12)查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表（3.751）表（3.754）得1，1，1，0.53，=1.3，10000

24、h代入數(shù)據(jù)可求得13589N=13.58KN4)確定允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量（1/31/4）重復(fù)定位精度 (1/41/5 )定位精度：最大軸向變形量已知重復(fù)定位精度10定位精度253，6取兩種結(jié)果最小值3（2）估算最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式 (3-13)：最小螺紋底徑mmL（1.11.2）行程+(1014) 靜摩擦力=已知行程950mm，800N, =0.2代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，160N, =9.5mm5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)（5） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（6） 由計(jì)算出的，在現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲

25、杠副FFZD4005-5 =5, =22000N=13589N6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力= 其中2200733N7)行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值C=11.8式中查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)950110，（24）15溫差取代入數(shù)據(jù)得C=32(2)預(yù)拉伸力1.95 代入得4807N8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格（1）軸承所承受得最大軸向載荷480722007007（2）軸承類型兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承（7） 軸承內(nèi)徑d略小于40，=，取d30帶入數(shù)據(jù)得2336N（8） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷（9） 按現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選取軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)d30mm，預(yù)加負(fù)荷為：所以送7602

26、030TVP軸承d30，預(yù)加負(fù)荷為29002336N9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)(1)絲杠螺紋長度由表查得余程（2）兩固定支承距離，絲杠L(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離1290，13501410，3010）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（1）絲杠抗壓剛度1）絲杠最小抗壓剛度6.6 :絲杠底徑：固定支承距離代入數(shù)據(jù)782N/2）絲杠最大抗壓剛度 6 .6代入數(shù)據(jù)得9000 N/（2）支承軸承組合剛度1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度：滾珠直徑mm， Z：滾珠數(shù)：最大軸向工作載荷N ：軸承接觸角由現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍8700N/ =375 N/ 2）支承軸承組合剛度 750 N/3)滾珠絲

27、杠副滾珠和滾道的接觸剛度 (3-14)：現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)上的剛度2150 N/, =2200N, =733N代入數(shù)據(jù)得1491 N/11）剛度驗(yàn)算及精度選擇=3.5，Z17，（1） (3-15)代入前面所算數(shù)據(jù)得 代入前面所算數(shù)據(jù)得已知800N, =0.2, =160N:靜摩擦力，：靜摩擦系數(shù)，：正壓力（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度；已知反向差值或重復(fù)定位精度為103025.6（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差（），代入5（4）確定精度：任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言0.8定位精度定位精度為20/30014.3,絲杠精度取為3級(jí)12=1500橫向滾珠絲杠的設(shè)計(jì)與計(jì)算切削方式縱向切削力Pxi(N

28、)垂向切削力Pzi(N)進(jìn)給速度Vi(m/min)工作時(shí)間百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強(qiáng)力切削200012000.610292060一般切削10005000.830185080精切削5002001501320100快速進(jìn)給00280015001） 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程 ：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度；：電機(jī)最高轉(zhuǎn)速I ：傳動(dòng)比電機(jī)與絲杠間為齒輪連接式i=4（取一級(jí)減速齒輪）由上表查得=2m/min，=1500r/min 代入得0.33mm查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)取5mm2） 確定當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷（1） 各種切削方式下，絲杠轉(zhuǎn)速由上表查的=0.6, =0.8, =1, =2代入得120，160

29、，200，400（2） 各種切削方式下，絲杠軸向載荷：絲杠軸向載荷，：縱向切削力，：垂向切削力由上表得 (i=1,2,3,4)分別為2000 N,1000N,500N,0N (i=1,2,3,4)分別為1200N,500N,200N,0N 已知800 N，200 N 代入得 (i=1,2,3,4)分別為2200N，1150N，620N，1000N（3） 當(dāng)量轉(zhuǎn)速/100+/100+/100+/100數(shù)據(jù)代入得200r/min（4） 當(dāng)量載荷 (3-17)帶入數(shù)據(jù)得1097N3） 初選滾珠絲杠副，由公式現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)（3.724）知 (3-18)查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表（3.751）表（3.754

30、）得1，1，1，0.53，=1.3，10000h代入數(shù)據(jù)可求得13272N=13.27KN4)確定允許的最小螺紋底徑（1）估算絲杠允許的最大軸向變形量（1/31/4）重復(fù)定位精度 (1/41/5 )定位精度：最大軸向變形量已知重復(fù)定位精度10，定位精度25，36取兩種結(jié)果最小值3（2）估算最小螺紋底徑絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式：最小螺紋底徑mmL（1.11.2）行程+(1014) 靜摩擦力=已知行程950mm，800N, =0.2代入數(shù)據(jù)得L=1110mm，160N, =9.5mm5）確定滾珠絲杠副得規(guī)格代號(hào)（1） 選內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式法蘭，直筒螺母型墊片預(yù)緊形式（2） 由計(jì)算出的，在現(xiàn)代

31、機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中選取相應(yīng)規(guī)格的滾珠絲杠副FFZD4005-5 =5, =22000N=13272N6)確定滾珠絲杠副預(yù)緊力= 其中2200733N7)行程補(bǔ)償值與拉伸力（1）行程補(bǔ)償值C=11.8，式中查現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)950，110，（24）15溫差取代入數(shù)據(jù)得C=32(2)預(yù)拉伸力1.95 代入得4807N8）確定滾珠絲杠副支承用得軸承代號(hào)，規(guī)格（1）軸承所承受得最大軸向載荷480722007007（2）軸承類型兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60角接觸推力球軸承（3） 軸承內(nèi)徑d略小于40，=，取d30帶入數(shù)據(jù)得2336N（4） 軸承預(yù)緊力：預(yù)力負(fù)荷（5） 按現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選取軸承型號(hào)規(guī)格當(dāng)

32、d30mm，預(yù)加負(fù)荷為：所以送7602030TVP軸承d30，預(yù)加負(fù)荷為29002336N9)滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)(1)絲杠螺紋長度由表查得余程（2）兩固定支承距離，絲杠L(3)行程起點(diǎn)離固定支承距離1290，1350，1410，3010）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度（1）絲杠抗壓剛度1）絲杠最小抗壓剛度6 .6:絲杠底徑：固定支承距離代入數(shù)據(jù)782N/2）絲杠最大抗壓剛度 6 .6 代入數(shù)據(jù)得9000 N/（2）支承軸承組合剛度1）一對(duì)預(yù)緊軸承的組合剛度：滾珠直徑mmZ：滾珠數(shù)， ：最大軸向工作載荷N ：軸承接觸角由現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)查得7602030TVP軸承是預(yù)加載荷得3倍8700N/ =375 N/ 2

33、）支承軸承組合剛度 750 N/3)滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 ：現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)上的剛度2150 N/, =2200N, =733N代入數(shù)據(jù)得1491 N/11）剛度驗(yàn)算及精度選擇=3.5，Z17，（1） 代入前面所算數(shù)據(jù)得 (3-18)代入前面所算數(shù)據(jù)得已知800N, =0.2, =160N:靜摩擦力，：靜摩擦系數(shù)，：正壓力（2）驗(yàn)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度已知反向差值或重復(fù)定位精度為103025.6（3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度變化引起得定位誤差（），代入5（4）確定精度：任意300mm內(nèi)行程變動(dòng)量對(duì)系統(tǒng)而言0.8定位精度；定位精度為20/30014.3,絲杠精度取為3級(jí)；12=15004 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1下

34、模板設(shè)計(jì)圖4-1 下模板下模板設(shè)計(jì)如上圖所示，下模板由支撐板、絕緣層、電極層、模框及燕尾槽組成，支撐板的材料為不銹鋼板，主要起支撐作用，燕尾槽塊材料為45鋼，與支撐板焊接在一起。支撐板上邊為絕緣層，材料是絕緣塑料，絕緣層有一方形凹坑，坑中安放有銅片電極，銅片電極上壓著?？?。支撐板、絕緣層、電極層、?？蛴陕菟?lián)接。4.2 上模板設(shè)計(jì)圖4-2 上模板上模板設(shè)計(jì)如上圖所示，上模板由支撐板、絕緣層、電極層、模框及導(dǎo)向套組成，支撐板的材料為不銹鋼板，主要起支撐作用，導(dǎo)向套為45鋼，與支撐板聯(lián)接在一起。支撐板下邊為絕緣層，材料是絕緣塑料，絕緣層有一方形凹坑，坑中安放有銅片電極，銅片電極下壓著?？?。支撐板、

35、絕緣層、電極層、?？蛴陕菟?lián)接，彈簧電極與銅片電極層焊接在一起。4.3 機(jī)架設(shè)計(jì)1）機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則底座、機(jī)架、箱體、基板等零件都屬于機(jī)架零件。機(jī)架零件可劃分為四大類：即機(jī)座類、機(jī)架類、基板類和箱殼類，對(duì)機(jī)架零件一般可提出下列要求:(1)工況要求：即任何的機(jī)架所出的設(shè)計(jì)，第一應(yīng)該保證機(jī)器所需的特定工作要求。比如，要保證該機(jī)架上的零部件能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順利，機(jī)架上的外形或者結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙的運(yùn)動(dòng)件所通過的突起,設(shè)置來執(zhí)行某一種工況必要的平臺(tái)；保證其上下料要求、以及人工簡便的操作以及安全等。(2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對(duì)機(jī)架的主要要求是剛度。如果基礎(chǔ)部件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會(huì)產(chǎn)生變形，振動(dòng)或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其它性能。例如機(jī)床的零部件中，床身的剛度則決定了機(jī)床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度。(3)強(qiáng)度要求：對(duì)于一般設(shè)備的機(jī)架，剛度達(dá)到要求，同時(shí)也能滿足強(qiáng)度的要求(4)對(duì)穩(wěn)定性要求：在對(duì)于細(xì)長的或者薄壁的結(jié)構(gòu)以及受彎-壓結(jié)構(gòu)所存在失穩(wěn)的問題，對(duì)于某些板殼的結(jié)構(gòu)也會(huì)存在失穩(wěn)問題或者局部失穩(wěn)的問題。失穩(wěn)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的破壞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該校核。(5)美觀：目前對(duì)機(jī)器的要求不僅僅要能完成特定的工作，還要使得它的外形美觀。(6)其它：如散熱的要