毕业论文设计DK7745高速走丝电火花线切割机床整机设计

毕业论文（设计）-DK7745高速走丝电火花线切割机床整机设计 四川大学 硕士学位论文 DK7745高速走丝电火花线切割机床整机设计 姓名：程明 申请学位级别：硕士 专业：机械工程 指导教师：罗阳;蒋国金 20070501 四jI 大学硕士学位论文 DK7745高速走丝电火花线切割机床整机设计 机械制造专业 研究生：程明 指导教师： 罗阳 摘要 电火花线切割机床是具有中国特色的一种电加工机床，线切割技术自诞生 以来，就获得了迅速的发展，逐步成为一种高精度和高自动化的加工方法广泛 地应用于模具加工工业。 电火花线切割机床分高速走丝线切割机和低速走丝线切割机两种。国外 生产的主要是低速走丝线切割机，技术已经很成熟，加工精度、自动化程度比 较高，但费用昂贵，不适合中小企业用户的需求。而国内生产的主要是高速走 丝线切割机，高速走丝线切割机最大切割效率及最佳表面粗糙度与低速走丝线 切割机相比有较大差距。其最大优点是结构简单、成本低廉且在普通工件加工 中具有很高的适应性，在我国得到广泛地应用。为缩小与低速走丝线切割机的 技术差距，满足工业产品零件大型化和精度的不断提高要求，快速、大型、精 密、大厚度切割等都是高速走丝线切割机床今后的发展方向。不断提高电火花 加工机床的可靠性、继续降低电极损耗、进一步简化操作、提高自动化程度及 降低机床成本，也是电火花加工机床的发展方向。为此，高速走丝线切割机床 应在机床整体结构的改进、数控系统方面、数字脉冲电源、加工参数的优化、 多次切割工艺的应用进行研究，以及计算机软件的不断改进来提高机床的整体 加工性能。 论文在理论和实践中的主要研发工作包括： 1 DK7745电火花线切割机床整机总体结构设计 应用结构化设计思想，设计DK7745高速走丝线切割机床的总体结构，为实 现系统功能设计相应的功能模块。 2 DK7745电火花线切割机床整机各部件系统关键技术的研究 针对系统要实现的主要功能，深入研究线切割机床整机各部件系统开发的 关键技术和方法。 捅要 3 系统实现 在系统总体结构设计和关键技术研究的基础上，将系统的各模块有机地结 合成一个整体，实现DK7745高速走丝线切割机床的良好运行。 4 关键结构件的结构力学分析 出的关键结构件的有限元结构分析方法非常适合中小企业，不仅可以进行强度 校核，而且通过分析计算结果可以进行结构优化和工艺优化。 论文对DK7745型电火花线切割机床切割实验作了分析说明，结果证明，本 次开发的DK7745型电火花线切割机床在各项指标上达到了设计要求。 关键词： 机床设计， 高速走丝电火花线切割机床， 机械系统， 电气系统， 计算机控制系统，有限元分析 2 ofDK7745 electrical Design h讪一speed discharge machillemaCnme WlIeCU伽g wi一cu蛐g MechallicalM Speciany a11_娟弑uring Lu0 Y锄g ChengMing SuperVisOr Postg豫duate Abshct isakind n啪ericalof control Electrical machine wirecutting disch唱e has chinesecharacteristic gainrapid machine淅th ， wirecuttingtechnique mould hasbeen usedfor sinceits invented，tllistecque widely developmentbeing a alld manufacturingprocess high-precisionhighautomation processingindust巧aS 黟adually intotwo isclassified Electrical machine groups： wirecuning discha玛e inVentedand wedmand began wedm，lowspeed、Vedm、Vas highspeed lowspeed in of country，technologicaldeVelopment masspmductingforeign are than t11e ofautomation is and hi曲er mature，themallufactllringprecisionde笋ee theneedsofsmalland wedmbutit costs meet highspeed much，doesnt aIld waSinVented medi啪sized wedm begaIl ente椰seshi曲一speed mebestsurface in 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andt11e paperanalyze reSult memaChine machinability proves achieVesall index、Vehad for expected Wbrds： ofthemaclline Key design t001， mechanical highspeedwedm， system，electrical control FEA system，computersystems， 4 四川大学硕士学位论文 尸声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 学生 班妮 时间 迎Z 翩 璺 时间殄刁r 四川大学硕士学位论文 1 绪论 11概述 电火花线切割机床是具有中国特色的一种电加工机床，线切割技术自诞生 以来，就获得了迅速的发展，逐步成为一种高精度和高自动化的加工方法广泛 地应用于模具加工工业，成型刀具、难加工材料及精密复杂零件的加工制造。 随着中国经济的持续高速发展，在强大市场需求的拉动下，我国模具工业得到 快速发展。据相关资料统计，1996年至2002年模具工业总产值年均增长14， 2003年增长25，模具生产总值逾60亿美元，位居世界第三。现代模具工业 是技术密集型，资金密集型产业，机械、汽车、电子通讯、家电、石化、建筑 等国民经济的支柱产业都要求模具工业的发展与之相适应，为其提供生产保证。 而模具生产制件所表现出的高精度，高复杂程度，高一致性，高生产率和低消 耗是其它加工制造方法所不能比拟的，模具技术已成为衡量一个国家产品制造 水平的重要标志之一。电火花线切割机床作为模具工业的主要装备之一，随着 模具工业的快速发展，电火花线切割机床的产量得到很大提升，目前我国电火 花线切割机床的年产量约为4万台左右【l】【2】。 12国内外动态 电火花线切割机床分高速走丝线切割机和低速走丝线切割机两种。国外生 产的主要是低速走丝线切割机，比较知名的机床生产公司有瑞士的 Charmilles， Agie，日本的Sodick及三菱电机等公司，而国内生产的主要 是高速走丝线切割机。 121国外动态 据介绍目前低速走丝线切割机切割加工，由于采用新的高效电源与工艺措 u 施，最高加工速度已达到325350唧2min，加工精度达2m，加工表面粗糙 度Ra03um。三菱电机公司称，在加工速度325姗2min时能稳定加工；国 内低速走丝线切割机床加工速度与国外相比还有差距，如苏州沙迪克三光公司 1绪论 mm2min。 低速走丝线切割机在去离子水中加工，加工件容易氧化锈蚀、产生变质层 和显微裂纹等，降低了加工表面的硬度和使用寿命，为此各公司推出了不同形 式的无电解脉冲电源，该电源为交变的电压波形，消除了阳极氧化作用，提高 了加工表面质量，其变质层极浅，没有显微裂纹，加工表面粗糙度Ralpm， 模具使用寿命提高153倍。日本沙迪克公司的线切割机超高频精加工电源 SUPPERPIKA w ，其超短脉冲的峰值电流达几百安培，加工表面粗糙度Ra 004um。 为解决低速走丝线切割机高速和高精度加工的矛盾，瑞士夏米尔公司推出 粗丝和高峰值电流进行高速切割；精加工用01册细丝，用精规准进行高精 度和低粗糙度切割，两套走丝系统各自独立，粗加工完成后，自动断丝 烧断 ， 换精加工系统再穿丝，整个过程45秒完成，使用一个导向器，据介绍加工效率 所迪蒙机电新技术公司也推出了KM25型双走丝系统机床，粗加工用钼丝进行快 走丝往复加工，精加工采用铜丝在慢走丝系统进行单向慢走丝加工，能多次切 u 割，加工精度O01咖，粗糙度Ral6m。虽然双走丝线切割机结构较复杂， 机床投资增加510，但效果明显，可以很快得以回报。 沙迪克公司最早在电火花成型机床上采用了直线电机驱动，在2001年第 七届北京国际机床展览上，推出了AQ550L性直线电机驱动的低速走丝线切割机 床，由于直线电机驱动与主轴为同一个零件，无丝杠联接，无反向间隙，移动 准确，实现了高响应和高跟踪，以及高精度位置控制，防止了断丝，能保持最 佳放电状态的稳定加工，提高了放电效率和加工精度，并克服了线切割加工中 的表面条纹。国外低速走丝线切割机床的自动控制功能强、控制内容丰富，输 入参数越来越简捷，都有专家系统 智能控制或模糊控制 。它包含对加工条件 自动选择和编程，自动找垂直、自动穿丝，在切割中断丝再处理，切割异常时 加工参数和加工条件再修改等等，操作者仅输入工件材料、切割厚度、加工形 状尺寸、粗糙度等，自动生成加工电规准和工艺，自动完成加工f3】f4】【5】【61。 低速走丝线切割机的发展已经很成熟，加工精度、自动化程度比较高， 占领很大的国际市场，但费用太高，不适合中小企业用户的需求。 2 婴型查兰堡主竺垡笙茎 122国内动态 我国也是较早研究电火花线切割加工方法的国家之一，几乎在低速走丝 线切割机诞生的同时，我国也研制出自己独创的高速走丝线切割机。高速走丝 线切割机的最大优点是结构简单、成本低廉且在普通工件加工中具有很高的适 应性。虽然，这类机床精度低、自动化程度相对低速走丝线切割机床也低得多， 但机床价格便宜，适合中小企业用户的需求，特别是个体私营企业的需求。快 走丝线切割机是我国独创的电加工设备，经过近30年的发展，已成为我国产量 最大、应用最广泛的机床种类之一。据粗略统计，目前快走丝线切割机年销量 逾4万台，销售额约为16亿元，说明此种机床是符合我国国情的。我国目前国 内快走丝线切割机能达到的最大切割效率为120胁2min，最佳表面粗糙度值 Ral6。与慢走丝线切割机相比，在这两项指标上有较大差距。但它结构简单， 生产成本和使用成本低廉、在切割大厚度工件及大锥度工件上保持竞争优势。 目前快走丝线切割机不仅成为模具制造的重要工艺手段，而且跻身于精密零件 加工和特殊材料加工领域，发挥着不可替代的重要作用。 随着产量的不断增加，生产企业的增多，近年反映突出的是机床制造质 量存在较多问题，明显表现是加工精度保持性差及表面质量降低。为满足产品 发展及激烈市场竞争的要求，模具制品在性能，质量，外观，生产效率等方面 对模具加工提出了更高要求，许多有资金实力的企业为提升企业装备水平，倾 向于购买高质量高档次设备。根据近两年的市场反映，一些价格便宜的低端经 济性机床销量大减，更多顾客选择有品牌，性能质量好的产品【71。 13电火花线切割加工原理及机床基本结构 高速走丝电火花线切割加工 简称HSwEDM 是一种应用广泛的特种加 工方法。它是通过线状工具电极与工件间的相对运动，对工件进行脉冲放电， 利用电极之间的放电蚀除金属，从而形成零件轮廓。电极丝以一定的速度移动， 不断进入和离开放电区域，在电极丝和工件之间喷射液体介质，排除放电蚀除 的金属，保证良好的间隙状态。因此只要有效地控制电极丝相对于工件的运动 轨迹和速度，就能切割出一定形状和尺寸的工件。 1绪论 131线切割加工原理 电火花加工是一种利用电极间脉冲放电所产生的电腐蚀现象进行加工的 方法。加工时通过浸在工作液 电介质 中的工具电极和工件问的多次火花放 电，增加工件的蚀除量，使工件达到一定的尺寸精度和表面粗糙度要求。电火 花腐蚀的微观过程是热 表面热源 和力 电场力、磁场力、热力、流体动力 等综合作用的过程。这一过程可分成：形成放电通道 击穿放电 ；工件表面实 现能量转换 电能转变为热能 ，使金属在局部范围加热至熔化或气化；电蚀产 物抛出放电间隙 消电离 等三个连续阶段。 电极的微观表面是凹凸不平的，两电极间离得最近的尖端处电场强度最高， 这样就会在强场最大的地方产生场致电子发射，由阴极表面逸出电子。在电场 作用下，极间的介质电离并导致雪崩式增多，介质迅速被击穿，形成放电通道。 这时，电极间隙的电阻按很复杂的规律从绝缘状态变到几乎短路状态，放电通 道的电流很大，又因放电通道受到放电时磁场力和周围液体介质的压缩，其断 面很小，所以放电通道的电流密度极大。由于电子、离子剧烈运动高速碰撞， 产生大量的热，电极间隙内沿通道形成一瞬时热源，通道中心温度高达10000 。在热源作用区的电极表面很快被加热到熔化，直至气化的温度。通道中气 体密度从中心向边缘增加，通道瞬时压力可达上百个大气压，并随放电时间的 增加而迅速下降。放电过程伴随有热效应、电磁效应、光效应、声效应和波长 范围很宽的电磁波辐射与爆炸冲击波等。由于爆炸力、电动力和流体动力综合 作用的结果，把熔化或气化的金属 电蚀产物 排至放电间隙外，其大部分抛 入液体介质而冷却。冷却后的电蚀产物由于表面张力和内聚力的作用形成细小 的圆球颗粒，大部分落入液体介质中，有小部分则相互飞溅或覆盖包容在两极 表面上【8】【9】【10】。 图卜1线切割加工原理图 4 婴型奎兰婴主竺垡堡茎 电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲放电。如图卜1所 示，工件接脉冲电源的正极，电极丝接脉冲电源的负极。为了确保电极丝和工 件之间产生的是火花放电而不是电弧放电，必须使两个电脉冲之间有足够的间 隔时间，使放电间隔中的介质充分消除电离，即使放电通道中的带电粒子复合 为中性粒子，恢复本次放电通道处间隔中介质的绝缘强度，避免在同一处发生 电弧放电。一般脉冲间隔时间应为脉冲宽度的4到10倍。为了保证电火花放 电时电极丝 钼丝 不被烧断，必须向放电间隙注入大量工作液，以使电极丝 得到充分冷却。同时电极丝在加工区必须作高速直线运动以避免电极丝局部位 置火花放电而被烧断。电极丝线速度一般都控制在911ms左右，高速运动 的电极丝还有利于将工作液带入放电间隙区从而将电蚀产物从间隙中带走。 电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲放电。对图12所 示，电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。当间隙小于放电间隙， 间隙间来一个脉冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，蚀除一部分金 属。加工的同时向间隙冲电介液，带走蚀除产物保证间隙消电离，要想再一次 放电，必须移动工件保持间隙到放电间隙。通常认为放电间隙6在O0l毫米 左右。因此，线切割机的数控系统最根本的作用就是保证工件以合适的进给速 度和进给量移动，使电极丝和工件之间的间隙在正常放电间隙状态【11】【12】。 132机床基本结构 高速走丝线切割机床由四部分组成，分别为：机床机械部件，机床电器， 微机控制系统，脉冲电源。高速走丝线切割机床的结构如图卜2所示 本文以 成都无线电专用设备厂的机床为例 。在线切割加工中，工件装夹在机床工作台 上，随着工作台一起运动。当切割二维零件时，电极丝不动而工件随工作台运 动，即X，Y轴运动；当切割三维零件时，电极丝和工件均参与运动，即X， Y，U，V四个轴运动。 5 1绪论 钼丝 上丝点 图1-2线切割机床的结构 14电火花线切割机床关键零部件的有限元分析 141CAE概述 CAE即计算机辅助工程，指工程设计中的分析计算与分析仿真。通用的CAE 软件可对多种类型的工程和产品的物理学性能进行分析、模拟、预测、评价和 E1ement 优化，以实现产品技术创新。CAE技术种类很多，包括有限元法 Finite Element Method，FEM 、边界元法 Boundary Difference Method，FDM 等。每种方法各有其应用领域，其中有限元法应用 的领域越来越广，广泛应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电 路学和电磁学等四【141。CAE技术在机床结构件设计中的应用主要有如下两个方 面： 1 结构件的结构强度分析，分析计算结构件各部位应力分布及位移变化； 2 结构件的运动模拟仿真； 142线切割机床关键结构件有限元结构分析 检验工序在机床零件制造及装配过程中居于非常重要的地位。常规的检验 6 四川大学硕士学位论文 包括破坏性检验和非破坏性检验两大类，而每一大类包括许多具体的检验方法， 这些检验方法通常是进行实物试验。有限元法是一种数值分析方法，在计算机 模拟结构件参数最优化的研究中，有限元法是最主要的武器，有限元分析方法 在结构件运动模拟和尺寸参数最优化中具有独特的作用。这就是：只要通过少 量验证试验证明有限元分析方法在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选 工作便可由计算机进行，而不必再进行大量的试验工作，这就大大地节约了人 力、物力和时间，具有很大的经济效益【15】。 本论文研究的问题是采用有限元法分析线切割机床结构件在使用过程中的 强度和性能，也就是在试验条件不具备的条件下，用有限元结构分析方法代替 常规的结构件力学性能检验的各种具体试验方法。在设计机床构件时，静载情 况下必须进行静强度计算，动载情况下必须进行疲劳强度计算。对于简单的构 件，可以采用材料力学公式和相应的强度理论进行手工计算，校核其静强度或 疲劳强度。但是对于复杂的机床结构件，如果采用常规的计算手段校核其强度， 计算过程将非常复杂，并且计算结果不可靠，有时常规的校核方法并不可行， 这就要求采用一种实际可行的计算方法。有限元结构分析方法可以对构件的工 作情况进行模拟，并可以建立构件的实体模型，通过有限元结构分析获得各处 的应力以及构件变形。通常结构件的工作状况以静载为主，在本文的第三章将 要讨论机床结构件的结构力学分析问题。 143有限元分析原理 Element 有限元分析FEA Finite 子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的数值解法。在机械结构的动力学 分析中，利用弹性力学有限元法建立结构的动力学模型，进而可以计算出结构 的固有频率、振型等模态参数以及动力响应 包括响应位移和响应应力 。由于 有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点，所以在短短50 多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程 等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计 算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和计算机工作站的 SAP等 可用，从而为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更为良 7 1绪论 好的条件。 有限元分析的基本思路是【14】【15】： 1 把很复杂的结构拆分为若干个形状简单的单元，这些单元一般要小到 可以用简单的数学模型来描述特性参数在其中的分布，这一步骤称为离散； 2 通过对单元的研究来建立各特性参数之间的关系方程，这一过程称为 单元分析，在弹性力学中，单元分析的任务是：建立联系应变与节点位移分量 的方程，建立联系应力与节点位移分量的方程，同时研究单元的节点力与节点 位移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载荷转化成节点载荷； 3 在单元分析基础上，利用平衡条件和连续条件，将各个单元拼装成整 体结构，对整体在确定边界条件下进行分析，从而得到整体的参数关系方程组， 即矩阵方程，这一过程称为整体分析； 4 解这样的矩阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。 144 Cosmosworks的特点 0ffice Professional包括S01idworks3D机械设计软件 全套的设计交流和CAD辅 助工具 以及PDMworks 唯一适合为个人和工作组管理S01idWorks产品数据 全球范围用于开发各种类型和尺寸的新型机械 包括零件数目数以千计的机 项目，同时又能方便地对机械进行自定义，以满足特殊要求通过使用 Soli dworks分析工具模拟真实世界情况和测试多种“假设条件隋况，优化产 品设计。 Cosmosworks是完全嵌入在Solidworks软件中的强大的、易于使用的设计分 分析方面的专家的工程师。 各种行业内的公司都采用COSMOS设计分析软件 系列产品来改进产品设计、减少材料浪费、节省时间以及将产品以比他们的竞 快的解算器，能够解决线性应力、应变、位移、热力、优化设计、非线性等诸 8 四川大学硕士学位论文 多问题。无论是应用于机械、电动机械、航天、运输、能源、医药还是建筑工 业，Cosmosworks都能有助于缩短开发时间、降低测试成本、提高产品质量、 71。 增加收益和缩短投放市场时间【16】【1 15课题背景、研究意义及主要研究工作 1 课题背景、研究意义 1课题来源及研究内容 既成都无线电专用设备厂 本课题来源于成都无线电专用设备厂。我厂是西南地区最早生产快走丝 线切割机的厂家。自二十世纪七十年代起就开始研制生产高速走丝线切割机床， 至今已有三十多年的历史，在业内享有较好的信誉。产品的加工精度保持性及 表面质量得到广大用户的肯定。该厂生产的高速走丝线切割机床经历了几代的 发展。由最初单板机控制的DK7716型高速走丝线切割机床到单片机控制的 DK7725型系列高速走丝线切割机床及上世纪九十年代初出现的计算机或工业 控制机作为控制器的锥度电火花线切割机床。该厂近十年来，其大型机床的研 制几乎停止不前，而只是朝着提高原有小机型的加工性能及降低成本方向发展 与电加工行业中其他兄弟单位相比，已有不小的差距。据不完全统计，在高速 走丝线切割机床的销售量中，DK7732以上机型的数量要占50左右。而在国内 大中型高速走丝线切割机床中，低端和经济型机床占绝大多数，在加工指标及 可实现的功能上已不能满足快速发展的精密制造要求。为了满足市场需求，提 升我厂技术开发水平，缩小与兄弟单位差距甚至达到国内电加工行业中的领先 水平，我们自发组织和研究大型的高速走丝线切割机床，此过程得到了成都无 线电专用设备厂厂领导的重视，给我们提供了一台电火花线切割机床和一台计 算机以及示波器等