走丝系统的设计说明书

走丝系统的设计1、储丝机构的设计储丝机构如图所示，包含电动机、联轴器、储丝筒、同步带及大小带轮、螺母、丝杠、滑板等结构。储丝筒组件示意图储丝机构驱动电动机的选用1）储丝机构驱动电机的最高转速一般分为两种 曹凤国主编.电火花加工技术.北京：化学工业出版社，2005.，1400r/min和3000r/min，本设计采用1400r/min。2）电动机功率计算电动机最大输出功率发生在电动机换向时，滚筒换向、大小带轮换向、整个储丝机构移动方向瞬时改变，均消耗较大的功率，同时还要克服各滚动轴承、联轴器、螺母丝杠副损耗、克服所需功率、所需功率等。储丝筒对储丝筒的技术要求：在储丝筒高速运转时，同时要进行相应的轴向移动，以保证不同直径的电极丝能在储丝筒上整齐排绕；为了保证电极丝运行平稳，无跳动现象，要求储丝筒的各项运动精度要高，径向跳动要小；储丝筒具有正反向旋转功能，电极丝的走丝速度在612m/s范围内可调或恒速运转；储丝筒是电极丝稳定移动和整齐排绕的关键部件之一，一般用45号钢、不锈钢、铝合金材料制造 罗学科，李跃中主编.数控电加工机床.北京：化学工业出版社，2003.，本次设计采用45号钢。为减小转动惯量，筒壁应尽量薄，按机床规格不同，选用范围为1.55mm，本机床定位为中小型机床，壁厚选用=3mm。用钢制作储丝筒时，直径一般采用120mm；用铝合金材料制作储丝筒时，直径在120160mm之间。要求储丝筒外表面粗糙度Ra0.8m,储丝筒组件要做动平衡实验，以保证运转平稳，延长轴承使用寿命。机床走丝速度定位为8m/s，滚筒与电动机通过联轴器连接，其转动速度为1400r/min。故其大径为D=60vn=60814003.14=0.1091m,圆整取D=110mm。则其小径d=D-2=110-23=104mm储丝筒长度，由于是中小型机床，选用L=400mm。查相关资料可知，碳钢的密度=7.8103Kg/m3故储丝筒的质量m=v=7.81031102-104210-60.44 =3.15Kg 储丝筒的转动惯量J=mr2=mD24=3.15(11010-3)24=0.0096Kg.m2由于在换向过程中，电极丝速度是变化的，从一个方向的8m/s逐渐减小到0再加速至另一个方向的8m/s。当电动机换向时，电极丝与工件间停止放电。故为了提高加工效率，应缩短电动机的换向时间。这里取换向时间t=1s。非换向过程，储丝筒角速度=2n60=23.14140060=146.5 rad/s换向时储丝筒角加速度=t=146.5-(-146.5)1=293 rad/s2则换向时所需的转矩T=J=0.0096293=2.81Nm换向时所需的功率P筒=T=2.81146.5=412.1W整个储丝机构移动方向改变时需要的功率假设本机床适用直径0.25mm以下的电极丝，则储丝筒每转一圈，滑板轴向移动0.25mm以上。每分钟储丝筒转1400转，则每秒滑板轴向移动1400600.25=5.83mm，即滑板移动速度为5.83mm/s。整个储丝机构在1秒内速度从一个方向的5.83mm/s逐渐减小到0再增加到另一个方向的5.83mm/s。加速度a=vt=5.83-(-5.83)1=11.66mm/s2储丝机构导轨多采用燕尾形滑动导轨和三角形、矩形组合式导轨 杨宗强.高速走丝电火花数控线切割机床维修技术.北京：化学工业出版社，2007.。燕尾形滑动导轨，如图1所示 该导轨结构紧凑，调整方便。旋转调整螺杆带动塞铁，可以改变导轨副的配合间隙。但该结构制造和检验比较复杂，刚性较差，传动中摩擦损失也较大。 三角形、矩形组合式导轨，如图2所示 导轨的配合间隙有螺钉和垫片组成的调整环节来调节。由于储丝筒走丝机构的上托板一边装有走丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上托板能平稳地往复移动，应把下托板设计得较长，以使走丝机构工作时，上托板部分可以始终不滑出下托板，从而保证托板的刚度、机构的稳定性即运动精度。 图1 燕尾形导轨 图2 三角形、矩形组合式导轨三角形导轨磨损后能自动补偿，导向精度高，它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90，为增加承载面积，减小比压，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角（110120），为提高导向性，采用较小的顶角（60）；矩形导轨结构简单，制造方、检验、修理方便，导轨面较宽，承载力较大，刚度高。采用三角形、矩形组合式导轨，具有二者的优点，本次设计采用该结构。滑板与导轨材料常用灰口铸铁，它具有成本低，工艺性好，热稳定性高等优点。在润滑和防护良好的情况下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200HT400，硬度以HB=180200较为合适。适当增加铸铁中含碳量和含磷量，减少含硅量，可提高导轨的耐磨性。为提高铸铁导轨的耐磨性，常对导轨表面进行淬火处理。还应有润滑措施，润滑油能使导轨间形成一层极薄的油膜，阻止或减少导轨面直接接触，减小摩擦和磨损，以延长导轨的使用寿命。同时，对低速运动，润滑可以防止爬行；对高速运动，可减少摩擦热，减少热变形。查相关设计手册得，滑动摩擦系数为0.15。三角形导轨截面角度选为90,假设整个储丝机构重量200Kg。槽面摩擦力 申永胜.机械原理教程（第二版）.北京：清华大学出版社，2005.F=feQ=fsinQ 其中，fe为当量摩擦角，为三角形截面角度一半，Q为物体重量。平面摩擦力F=fQ若导轨只是三角形导轨，F=feQ=fsinQ=0.15sin452009.8=415.8N若导轨只是矩形导轨，F=fQ=0.152009.8=294N则三角形、矩形组合式导轨滑动摩擦力294NF415.8N与。压板与垫片之间的摩擦力、滑板与导轨之间一定的预紧力（相对于储丝机构自重较小），实际上摩擦阻力比计算所得大。后续计算中取F=415.81.5=623N。在换向过程中，根据牛顿第二定律有ma=F驱-F， 则F驱=ma+ F=20011.6610-3+623=625N则在换向过程中，用来驱动储丝机构的最大功率：P=F驱v=6255.8310-3=3.6W螺母丝杠副丝杠传动副是有丝杠和螺母组成。丝杠传动副的作用是将电机的旋转运动变为滑板的直线运动。要使丝杠副的传动精确，丝杠和螺母必须是高精度，电火花线切割机床丝杠副的制作精度应保证6级或高于6级地精度。若丝杠副的精度太低，造成储丝筒轴向移动不稳定，可能使电极丝排绕不整齐而发生断丝等情况。该处螺母丝杠副螺旋传动属于传导螺旋，即以传递运动为主，有时也承受较大的轴向力，能够实现精确的直线移动。其特点是一般需要在较长的时间内连续工作，工作速度较高，要求具有较高的传动精度或工作速度。一般采用三角形螺纹或矩形螺纹，结构简单、制造方便，易于保证精度。本次设计采用三角形螺纹。螺母结构有整体式、组合式、对开式等 刘莹，吴宗泽主编.机械设计教程（第二版）.北京：机械工业出版社，2007.，如图3所示。整体式螺母结构简单，但有磨损产生的轴向间隙不能补偿，只是适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除和补偿由磨损产生的轴向间隙，避免反向传动是的空行程，常采用组合螺母或对开式螺母。本设计采用组合式螺母结构。 图3 组合式螺母与对开式螺母1 固定螺钉 2调整螺钉 3调整垫块传动螺旋的设计计算1耐磨性计算计算条件：p=FZd2hp, F螺旋上作用的总轴向载荷； Z旋合圈数，Z=H/P（H为螺母高度，P为螺距），一般Z10； d2螺纹中径； h螺纹牙的工作高度，近似取h=(d-d1)/2；设计时因螺母高度H未知，引进高径比系数，=H/d2，整体式螺母取1.21.5，剖分式螺母取2.53.5。以上式子变换为:d2FPhp螺杆材料应具有较高的强度、较高的耐磨性及良好的加工性能，本设计采用45钢。螺母材料除要求有较高的强度外，还应有较好的减摩性（与螺杆配合时摩擦因数小）、较高的耐磨性即抗胶性。轻载中、高速即一般的传动可以选用铸造青铜，如ZCuSn10P1等。本设计采用金属型铸造锡青铜ZCuSn10P1。式中，F=625N，P取2mm，查看普通螺纹基本尺寸（GB/T 196-2003）当螺距取2mm且大径不大时，工作高度h约为1mm左右，为2.5，许用压强p为1Mpa。带入上式得d2625212.51=12.6mm查普通螺纹基本尺寸相关国家标准GB/T 196-2003，中径大于12.6mm的螺纹，公称直径18mm，螺距2mm，中径16.701mm，小径15.835mm的丝杠。校核耐磨性条件：h=(d-d1)/2=1.0825, 若旋合圈数Z取10p=6251015.8351.0825=1.1MPap=1MPa为了提高强度，增大Z的取值，Z取50，则p=0.22MPa,符合要求。2强度计算螺杆的强度校核其强度条件为v=(4Fd12)2+3(T0.2d13)2其中T=Fd22tan(+v), =sS=3555=71MPa（螺旋升角）=tan-1Phd2=tan-12216.701=4.36，为了提高传动效率，采用双线螺旋。v(当量摩擦角）=tan-1fcos=tan-10.15cos30=9.83T=Fd22tan(+v)=62516.7012tan（4.36+9.83）=1319.6Nmmv=(462515.8352)2+3(1319.60.215.8353)2=4.28MPa螺杆的强度满足要求。螺纹牙的强度校核螺母材料的强度（310MPa）低丝杠螺纹牙的强度（600MPa），故螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母上，只需对螺母进行强度校核。弯曲强度条件：F=3Fhdb2ZF，F=40MPa其中，b=0.75P=0.752=1.5mm,F=3Fhdb2Z=36251.0825181.5250=0.31MPaF弯曲强度满足要求剪切强度条件：=FdbZ,其中=30MPa=FdbZ=625181.550=0.14MPaSs=5丝杠稳定性符合要求。小结：丝杠长度700mm，螺纹公称直径18mm，小径15.835mm，中径16.701mm，螺距2mm，材料45钢。电动机经同步齿形带减速驱动丝杠，滚筒每转一圈，滑板移动距离s=11iP,同步带传动比i=Ps=20.25=8，则丝杠转速为n丝=ndi=14008=175r/min。丝杠的质量:m=v=4d22l=7.8103416.7270010-9=1.2Kg丝杠的转动惯量：J=mZ2=1.2(330.7)2=0.096Kgm2非换向过程，丝杠角速度=2n60=23.1417560=18.3 rad/s换向时丝杠角加速度=t=18.3-（-18.3）1=36.6 rad/s2则换向时所需的转矩T=J=0.09636.6=3.5N.m换向时所需的功率P丝杠=T=3.518.3=64W同步齿形带传动的设计计算电动机通过中间传动结构驱动丝杠，目前，常用的传动形式为齿轮传动及同步带传动。为提高齿轮使用寿命及使传动部分结构紧凑，在齿轮传动形式中常采用多级齿轮传动，从而增加传动零件，结构复杂，成本上升。采用同步带传动，传动比准确，对轴和轴承的压力小，耐磨性好，允许采用较小的带轮直径、较短的中心距和较大的速比（可达10），传动效率可达99.5%，速度可达50m/s，传动功率从几瓦到数百千瓦 常德功，樊智敏，孟兆明主编.带传动和链传动设计手册.北京：化学工业出版社，2009.。传动系统结构紧凑，只需一级传动，传动零件仅有一对同步带轮及一根同步带，且同步带零件有专业厂家生产，价格便宜，质量可靠，易于实现零件的系列化及标准化生产。齿形带的节距大致可分为周节制、模数制和特殊节距三大类。汽车同步带和圆弧齿同步带也分别采用特定的节距。齿形带的工作面目前用得最多的是梯形齿，近年来又发展了圆弧齿形同步带。圆弧齿形的同步带传动性能和承载能力比梯形齿好圆弧齿同步带的问世，扩大了同步带的传动范围，是同步带不但能适用于高速低扭矩的场合，也能适用于低速高扭矩的场合。本次设计采用圆弧形同步齿形带。带轮材料采用灰铸铁，密度为7103Kgm3。初步假定小带轮直径50mm、宽度30mm，则小带轮质量约0.5Kg；大带轮直径300mm，则大带轮质量约12Kg。则小带轮转动惯量J=12mR2=120.50.0252=0.0002Kgm2，大带轮转动惯量J=12mR2=12120.152=0.135Kgm2。换向时小带轮所需转矩T=J=0.0002293=0.06Nm，大带轮说需转矩T=J=0.13536.6=4.9Nm。换向时小带轮所消耗功率P=T=0.06146.5=8.8W，大带轮所消耗功率P=T=4.918.3=89.7W换向时，驱动储丝机构轴向移动消耗功率3.6W，丝杠转动惯量所消耗的功率64W,大带轮消耗89.7W，小带轮消耗8.8W。考虑传递效率，滚动轴承传动效率0.99、螺母丝杠副传动效率0.301（根据上面计算所得）、弹性联轴器传动效率0.99、同步带传动效率0.99。则带轮传递功率P=3.60.3010.990.99+640.990.99+89.7+8.80.99=177W小带轮传递转矩T=9550Pn=95500.1771400=1.21Nm大带轮传递转矩T=9550Pn=95500.177175=9.66Nm已知：同步带传动功率177W,小带轮转速1400r/min，大带轮转速175r/min,传动比为8。设计同步带传动。设计功率设计功率Pd=KAP，工况系数KA=2，则Pd=KAP=2*177=354W=0.354KW选带型及节距根据Pb和n1选取5M型圆弧制同步齿形带，则其节距pb为5mm确定小带轮齿数z1根据z1 zmin，查资料得小带轮最少齿数为20个，选择z1=20确定小带轮节圆直径d1根据JB/T 7512.21994，小带轮节圆直径d1=31.83mm，外圆直径d0=30.69mm。确定大带轮齿数及直径Z2=Z1i=208=160，根据JB/T 7512.21994，大带轮节圆直径D1=254.65mm，外圆直径D0=253.51mm。确定带速v=d1n1601000=31.831400601000=2.3m/s,5M圆弧齿同步带最大带速为4050m/s，故带速小于允许最大带速。初定中心距a0根据0.7（d1+D1)a02（d1+D1)即200.5mma08d1,大小带轮两侧均设挡圈大小带轮的挡圈尺寸（JB/7512.2-1994）项目大带轮挡圈小带轮挡圈槽型5M5M挡圈最小高度K3mm3mm挡圈厚度t2mm2mm挡圈外径df40mm262mm挡圈弯曲处直径dw34mm256mmR=(dw-d0)/21.5mm1.5mm带的相关参数（JB/T7512.1-1994）项目参数值项目参数值型号5M齿顶圆角半径ra1.49mm节距pb5mm带高hs3.80mm齿形角214齿根圆角半径rr0.40mm齿根厚S3.05mm带宽bs代号9齿高ht2.06mm公称尺寸9mm储丝筒轴的设计先按扭转强度条件设计轴的结构轴的直径计算公式：dA03PnP=412.1W+177W=589W，n=1400r/mim，轴的材料用45钢，则A0=120代如上式dA03Pn=12030.5891400=9mm当轴上有键槽时，轴径加大5%，则d91+0.05=9.45mm,初步选定轴直径20mm。若轴的长度为700mm,则轴的质量m=d24l=7.81030.02240.7=1.7Kg。则转动惯量J=mr2=mD24=1.7(2010-3)24=0.00017Kg.m2换向时转矩T=J=0.00017293=0.05Nm换向时所需的功率P=T=0.05146.5=7.5W联轴器的设计确定联轴器类型：由于储丝筒运行时频繁换向，联轴器瞬间受到正反剪切力很大，因此多用弹性联轴器，具有缓冲、减振特性。弹性联轴器结构简单，惯性力矩小，换向平稳，无金属撞击声，可减小对储丝筒中心轴的冲击，允许电动机轴和储丝筒轴稍有不同心和不平行（最大不同心允许为0.20.5mm，最大不平行为1），但弹性联轴器的不足是由它连接的两轴在传递扭矩是会有相对转动。这里选用弹性注销联轴器。确定联轴器型号：联轴器所需传递总功率P=P滚筒0.990.99+P轴0.990.99+P带轮0.990.990.99+P丝杠0.990.990.990.99+P滑板0.3010.990.990.990.990.99P=412.10.990.99+7.50.990.99+1770.990.990.99+640.990.990.990.99+3.60.3010.990.990.990.990.99=689W则联轴器传动扭转矩T=9550Pn=95500.6891400=4.7Nm根据联轴器传递转矩4.7Nm和工作转速1400r/min，选择LX2型弹性柱销联轴器。其相关参数：公称转矩560Nm、许用转速6300r/min、转动惯量0.009Kgm2。则换向时联轴器所需的转矩T=J=0.009293=2.6Nm换向时联轴器所消耗的功率P=T=2.6146.5=386W整个储丝机构消耗的功率P=689+386=1075W根据功率1075W和转速1400r/min，选择Y90S-4型号的三相异步电动机，其相关参数为：额定功率1.1KW、满载转速1400r/min、额定转矩2.3KNm、质量22Kg、电机轴直径24mm。根据电动机轴和储丝筒轴的直径确定联轴器的轴孔直径及轴孔长度。最终确定的联轴器标记为：LX2联轴器 J1A2438J1A2038 GBT5014-2003查键的相关标准GB/T 1095-2003，可知：电机轴连接键尺寸：8720储丝筒轴连接键尺寸：6620储丝筒轴的强度和刚度校核A、强度校核计算轴承支反力FA=F23465=17423465=9NFB=F465442=174465442=183N画出弯矩图在右边轴承处弯矩为M=FB23=18323=4209Nmm画出轴的转矩图求当量弯矩并画当量弯矩图按下式求当量弯矩Me=M2+(T)2其中，=0.6联轴器键连接处当量弯矩：M1=M2+(T)2=02+(0.64700)2=2820Nmm储丝筒中心处当量弯矩：M2=M2+(T)2=19892+(0.64700)2=3451Nmm右边轴承处当量弯矩：M3=M2+(T)2=42092+(0.61200)2=4270Nmm确定许用应力轴的材料为45钢，调制，硬度217255HBW，查相关资料得-1=60Mpa校核轴的强度联轴器键连接处强度条件：=M1W=M10.1d3=28200.1203=3.5MPa-1储丝筒中心处强度条件：=M2W=M20.1d3=34510.1283=1.6MPa-1右边轴承处强度条件：=M3W=M30.1d3=42700.1253=2.7MPa-1按玩牛合成强度校核储丝筒轴的强度足够安全。B、刚度校核a、弯曲刚度校核把右边滚动轴承右侧部分作为悬臂梁，查材料力学相关资料 刘鸿文主编.材料力学（第四版）.北京：高等教育出版社,2004.得，轴承处挠度为=Fl33EI，=Fl22EI，对于钢E=200GPa，I=d464=19175mm4挠度=Fl33EI=174563320000019175=0.0027mm转角=Fl22EI=174562220000019175=0.00007轴的挠度许用值y=0.0003442=0.13mm轴的许用挠度=0.09故弯曲刚度符合要求。b、扭转刚度校核扭转刚度计算公式为：=5.73104TmaxGIP其中，对于钢G=8.1104MPa，IP为轴断面的极惯性矩，IP=d432=20432=15708mm4许用扭转角，对于精密传动，=0.25/m=5.73104TmaxGIP=5.7310447008010015708=0.21/m故扭转刚度符合要求。滚动轴承的强度校核由于储丝机构有轴向移动，为了防止储丝筒轴与其他部件的相对位置发生变化，采用角接触球轴承，根据轴颈25mm，选用7005C型号的角接触球轴承。其内径25mm、外径47mm、宽度12mm。各处键连接的设计大带轮处键6乘以6乘以102、线架的设计