电火花线切割机线架部件设计.doc

数控电火花线切割机线架部件设计目录前言1 数控电火花线切割加工的基本介绍 1.1数控电火花线切割1.11电火花线切割起源1.12 数控电火花线切割加工原理1.13 数控电火花线切割正常加工的必备条件 1.14 数控电火花线切割的特点1.15 数控电火花线切割的应用范围 1.2 数控电火花线切割加工机床的特点1.21 数控电火花线切割加工机床的分类 1.22 数控电火花线切割加工机床的基本组成 2 数控电火花线切割机床的线架部件基本介绍 2.1线架的基本构成 2.11 对线架的基本要求 2.2导轮的基本结构 2.22 对导轮的基本要求 2.23 导轮的材料 2.24 导轮组合件的装配3 电火花线切割机床线架的基本参数的确定 3.1 机床主要参数的确定 3.2 电动机的选择 3.3 运动参数设计 4 轴的设计计算及校核轴的设计计算及校核 4.1第轴的设计及校核 4.2第轴的设计及校核5 轴承寿命校核 5,1第轴上轴承的校荷 5.2第轴轴上轴承的校荷结束语参考文献 前言 毕业设计是学生学完大学教学计划所规定的全部基础课和专业课后，综合运用所学的知识，与实践相结合的重要实践性教学环节。它是四年大学学习的一个总结，是我们结束学生时代，踏入社会，走上工作岗位的必由之路，是对我们工作能力的一次综合性检验。 1.毕业设计的目的（1） 巩固、扩大、深化我们以前所学的基础和专业知识；（2） 培养我们综合分析、理论联系实际的能力；（3） 培养我们调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工 具书的能力；（4） 锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工作能力。 总之，通过毕业设计让我们建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使我们受到一次工程师的基本训练。 2、毕业设计的主要内容和要求（1） 调查使用部门对机床的具体要求，现在使用的加工方法；收集并分析国内外同类型机床的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向；调查制造厂的设备、生产能力和技术经验等。 （2） 数控电火花线切割机床运丝装置的设计主要是设计储丝筒、传动轴、支撑板、传动齿轮及传动螺纹螺母副，确定各部分的相互关系；拟订总体设计方案，根据总体设计方案，选择通用部件，并绘制装配图和各零件的零件图； （3） 进行运动计算和动力计算； 数控电火花线切割机毕业论文 （4） 其他零部件的设计和选择；（5）编制设计技术说明书一份。1.1数控电火花线切割加工 1.1.1电火花线切割起源 电火花线切割加工WCEDM(WireCutEDM)是在上世纪50年代末期由前苏联发展起来的一种特种加工技术，它用直径在0.080.3mm的钼丝、钨丝或铜丝做电极，靠脉冲性火花放电蚀除金属，使材料切割成型，故称为电火花线切割。电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法。由于在线切割加工过程中，工件和电极丝的相对运动是由数字信号控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。电火花线切割主要用来加工形状复杂的模具、细小精密零件和能够导电的一些高硬度材料。电火花线切割加工具有加工精度高、加工余量小、生产周期短、制造成本低等优点，已在生产中获得广泛的应用。目前线切割机床已占电加工机床的60%以上。电火花线切割加工原理如图11所示，工具电极（钼丝或铜丝）接直流脉冲电源的负极，工件接直流脉冲电源的正极，当工具电极和工件的距离在一定范围内时，产生脉冲性火花放电，对工件进行切割。火花放电能够切割工件的主要原因是：正负电极在绝缘工作液中靠近时，由于正负电极的微观表面是凹凸不平的，电极间的电场分布并不均匀，离得最近的凸点处的电场强度最高，两极间介质先被击穿，形成放电通道，同时电流迅速上升。在强大的电场力作用下，通道内的负电子以很高的速度奔向阳极（正极），正离子也以高速奔向阴极（负极）。负电子和正离子在高速运动时互相碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的强烈轰击，使两电极间隙内的微小通道中瞬时产生高温，通道中心温度达到500010000度，瞬时产生的高温由于来不及扩散，使局部金属材料熔化甚至少量金属气化，同时在工件和电极之间的部分绝缘工作液也产生气化，气化后的金属蒸汽和工作液迅速膨胀并产生爆炸，使得熔化和气化后的金属材料从金属表面抛离出来而达到切割的目的。 导电块 上导轮下导轮 电极丝工件 脉冲 电源 -电脉冲 电储丝筒 图11电火花线切割加工原理图1.1.3数控电火花线切割正常加工必须具备的条件 （1） 工具电极与工件的被加工表面之间必须保持一定量的间隙，间隙的大小由加工电压、脉冲电流大小，脉冲间隙等电规准来决定，间隙大小一般在几十微米之间。如果间隙小于或大于这个距离，都不能进行火花放电。间隙过小，正负极容易短路，不能产生火花放电；间隙过大，极间电压不易击穿介质，也不能产生火花放电。 （2） 在切割工件时，必须在绝缘工作液中进行。常用的绝缘工作液有煤油、皂化液、去离子水等，用的工作液不一样，在相同的电规准下，加工的速度和表面精度也不尽相同。用绝缘性工作液主要有以下几个作用：利于产生脉冲性的火花放电；排除间隙内电蚀产物；起冷却电极的作用。 （3） 采用脉冲电源，火花放电必须是脉冲性、间歇性的。 （4）被加工材料必须导电。只有导电材料才能产生火花放电，导电材料一般为金属材料和半导体非金属材料等。1.1.4数控电火花线切割加工的特点 接利用线状的电极丝作为电极，不需要像电火花成型加工的成型工具电极，可节约电极设计和制造费用，缩短了生产准备时间。 可以加工用传统切削加工方法难以加工的微细异形孔、窄缝和形状复杂的零件。 利用电蚀原理加工，电极丝与工件不直接接触，两者之间的作用力很小，因而工件的变形很小，电极丝、夹具不需要太高的强度。 传统的车、铣、钻加工中，刀具硬度必须比工件硬度大，而数控电火花线切割机床的电极丝材料不必比工件材料硬，所以可以加工硬度很高或很脆，用一般切削加工方法难以加工或无法加工的材料。在加工中作为刀具的电极丝无须刃磨，可以节省辅助时间和刀具费用。 直接利用电、热能进行加工，可以方便地对影响加工精度的加工参数进行调整，有利于加工精度的提高，便于实现加工过程的自动化控制。 电极丝是不断移动的，单位长度损耗少，特别是慢走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，故加工精度高（可达2.5m） 采用线切割加工冲模时，可实现凸、凹模一次加工成形。1.1.5数控电火花线切割的应用范围 电火花线切割加工由于具有诸多优势，主要应用在以下几个方面：（1） 广泛应用于冲压模具的加工。 （2） 加工微细异形孔、任意曲线窄缝和复杂形状的工件。（3） 加工镶拼型腔模、拉丝模、粉末冶金模、波纹板成型模。（4） 加工样板尺和成型刀具。1.2数控电火花线切割加工机床的特点 1.2.1数控电火花线切割加工机床的分类1） 数控电火花线切割加工简述 电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，它用一根移动着的导线（电极丝）作为工具电极对工件进行切割，故称线切割加工。线切割加工中，工件和电极丝的相对运动是由数字控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。 2）数控电火花线切割加工机床的分类 （1） 按走丝速度分：可分为慢速走丝方式和高速走丝方式线切割机床。 （2） 按加工特点分：可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型线切割机床。 （3） 按脉冲电源形式分：可分为电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源线切割机床。1.2.2数控电火花线切割加工机床的基本组成 数控电火花线切割加工机床可分为机床主机和控制台两大部分。 1)控制台 控制台中装有控制系统和自动编程系统，能在控制台中进行自动编程和对机床坐标工作台的运动进行数字控制。 2)机床主机 机床主机主要包括坐标工作台、运丝机构、丝架、冷却系统和床身五个部分。图2一 1为线切割机床主机示意图。 （1） 坐标工作台它用来装夹被加工的工件，其运动分别由两个步进电机控制。 （2） 运丝机构它用来控制电极丝与工件之间产生相对运动。（3） 丝架它与运丝机构一起构成电极丝的运动系统。它的功能主要是对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度，以满足各种工件（如带锥工件）加工的需要。 （4） 冷却系统它用来提供有一定绝缘性能的工作介质工作，同时可对工件和电极丝进行冷却。2 数控电火花线切割机床的线架部件基本介绍 线架按功能可以分为固定式、升降式和偏移式三种类型：按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。 悬臂式固定线架主要由线架本体、导轮运动组合件及保持器等组成。2.1 线架本体结构 中、小型线切割机床的线架本体常采用单拄支撑、双臂悬梁式结构。由于支撑电极丝的导轮位于悬臂的端部，同时电极丝保持一定张力，因此应加强线架本体的刚度和强度，使线架的上下悬臂在电极丝运动时不致振动和变形。 为了进一步提高刚度和强度，在上下悬臂间增加加强筋结构。有的机床的线架本体有的采用龙门结构。这时，工作台拖板只沿一个坐标方向运动，另一个坐标方向的运动通过架在横梁上的线架拖板来实现。 此外，针对不同厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可调的分离式结构。活动丝臂在导轨上滑动，上下移动的距离由丝杆副调节。松开固定螺钉时，旋转丝杆带动固定于上丝臂体的丝母，使上丝臂移动。调整完毕后拧紧固定螺钉，上丝臂位置固定下来。为了适用线架丝臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮。 2.21 对线架的基本要求具有足够的刚度和强度，在电极丝运动（特别是高速走丝）时，不应出现震动和变形；线架的导轮有较高的运动精度，径向偏摆和轴向窜动不超过0.005mm；导轮与线架本体、线架与床身之间有良好的绝缘性能； 导轮运动组合件有密封措施，可防止带有大量放电产物和杂质的工作液进入导轮轴承；线架不但能保证电极丝垂直于工作台面，在具有锥度切割功能的机床上，还具有能使电极丝按给定要求保持与工作台平面呈一定角度的功能。2.2导轮的基本机构 2.22 对导轮的基本要求导轮V形槽面应有较高的精度，V形槽底的圆弧半径必须小于选用的电极丝半径，保证电极丝在导轮槽内运动时不产生轴向移动。 在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮的质量，以减少电极丝换向时的电极丝与导轮间的摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度，以提高其耐磨性。2.23 导轮的材料 为了保证导轮轴径与导向槽的饿同轴度，一般采用整体结构。导轮要求使用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以选用硬质合金或陶瓷材料制造导轮的镶件来增强导轮V形工作面的耐磨性和耐蚀性。 2.24导轮组合件的装配 导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题，避免滚动体与套杯工作表面在负荷作用下产生弹性变形，以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此，常用对轴承施加预负荷来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须选择得当，若轴承受预加负荷过大，在运转时会产生急剧磨损。同时，轴承必须清洗得很洁净，并在显微镜下检查滚道内是否有金属粉末、炭化物等，轴承经清洗、干燥后，填以高速润滑脂，起润滑和密封作用。3 该机床的主要参数如下所示； 工作台行程/mm500*320 最小切削厚度/mm30（可调） 加工表面粗糙度Ra/m2.5 切割速度/mm2/min100 加工精度/mm0.015 切割工件最大厚度/mm300 电极丝移动速度1.1m/s 电极丝直径0.10.2mm3.2电动机的选择确定运丝机构所需的功率Pw，运丝机构的工作原理是电动机通过弹性连轴器带动长轴转动，长轴中间装有储丝筒另一端是齿轮传动，通过齿轮副传递到第二根轴，第二根轴同样通过齿轮副将运动传递到丝杠，将螺母固定到工作台上面，丝杠与螺母配合，从而驱动整个运丝机构在导轨上运动。驱动运丝机构对于丝杠需要的驱动力f记为F，则电动机所需要的功率为p=1000FN/h=其中总效率， =126324251h1=电动机的效率,10.70;2h2=滚动轴承的效率,2=0.99;3h3=滑动轴承的效率,3=0.97;4h4=齿轮传动的效率,4=0.99;5h5=连轴器的效率，50.99；则=12632425=0.70*0.996*0.972*0.992*0.99=0.5897，丝杠的线速度8.167m/s=，力27.5FN=，则电动机的功率为P=FV/1000=(=27.5*8.167*1000 )/589.7=370w转速为N=1400r/min=，型号为 YS7124 三相交流异步电动机 电动机的基本参数为 功率：370W 电压：220 /380 V 频率：50Hz 电流：1.94 /1.12 A 效率：0.70 转速：1400 r/min 功率因数：0.72 重量：6.8Kg 工作制：S1 绝缘等级：B级 防护等级：IP55 冷却方式：IC411 环境温度：40C 3.3 传动装置的运动参数设计 从与电动机相连接的高速轴到低速轴算起，各轴依次命名为轴，轴，轴。 各轴转速计算 1 第轴转速 n1=n=1400r/min= 2 第轴转速 n2=n1/i1=1400/3.44=407r/min = 3. 第轴转速 n3=n2/i2=407/3.44=118.3r/min式中 n电动机转速第轴到第轴传动比 第轴第轴传动比2各轴功率计算第轴功率 第轴功率 第轴功率 式中 电动机的效率, 0.70;滚动轴承的效率, =0.99;滑动轴承的效率, =0.97;齿轮传动的效率, =0.99;连轴器的效率，0.99；3各轴扭矩计算第轴扭矩第轴扭矩第轴扭矩将以上计算数据列表轴 号转 速n输出功率P（W）输出扭矩T传动比效率轴246416801066轴2305396344093轴222517961.73440934 轴的设计计算及校核4.1 第轴的设计及校核1 轴上的各参数功率转速转矩2 求作用在齿轮上的力由齿轮设计部分知小齿轮的分度圆直径为，可以求得，。3 初步确定轴的最小直径先按式（152）初步估算轴的最小直径。根据表153取A=112,于是得由于轴较长，并且轴上装有储丝筒直径较大，最小直径处需要与连轴器相配合，另外轴上开有键槽，查表选取键的类型及其尺寸为普通平建5520mm选取连轴器为弹性柱销连轴器，与轴配合的尺寸取，长度为。 图41 第一根轴的装配方案4轴的结构设计 1） 定轴上零件的装配方案如图所示 2) 确定轴的各段直径和长度 (1) 为了满足半联轴器的轴向定位要求，-段右端需要制出一轴肩，故取段的直径，段的长度首先要考虑到在不需要拆卸联轴器的情况下能够将轴承盖取下查看轴承。因此取。（2）初步选择滚动轴承。因为轴承仅承受径向力的作用，但是由于轴较长，并且轴的直径较小，储丝筒在高速运转下要求平稳，无不正常震动。储丝筒外圆振摆应小于0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应彻底消失。故在，段各安装一对调心球轴承，型号为D36204 GB276，基本尺寸为dDT174012mm，故，而。（3）轴承采用轴肩定位，轴，段的直径除了轴向定位轴承外还要装配储丝筒，因此，段需要安装储丝筒端盖，周向采用普通平键定位，键的基本尺寸为：。（4）储丝筒的轴肩定位，段对储丝筒器轴肩定位的作用，因此其直径取。长度根据储丝筒的长度确定。（5）轴段安放齿轮，同时在齿轮与轴承之间采用套筒进行轴向定位，由于齿轮与箱体壁最小间距为6mm，齿轮采用普通平键进行径向定位，键的尺寸为：，轴上各尺寸为，。（6）齿轮右端采用螺母进行轴向定位，螺纹的螺矩为1mm。（7）段为方形，其边长为10mm，轴向长度为13mm，主要是为了装钼丝时用手轮搅动方便而设计。3）确定轴上圆角和倒角尺寸轴端及各轴肩倒角均取1。圆角半径见零件图示。4）按弯扭合成应力校荷轴的强度进行校荷时，通常只校荷轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面C）的强度。根据式155及表中的数据，并取，轴的计算应力前已选定轴的材料为45钢，调质处理由表151查得。因此，故安全。4.2 第轴的设计及校核1轴上的各参数，以下各量均为第二根轴的输出参数：功率转速转矩2求作用在齿轮上的力由齿轮设计部分知大齿轮的分度圆直径为可以求得大齿轮上的受力状况：同样右端销齿轮上受力状况为：3初步确定轴的最小直径先按式（152）初步估算轴的最小直径。根据表153取A=112,于是得，轴上最小直径处是螺纹连接，其作用是对齿轮起到轴向定位的作用则，长度用两个螺母紧固4轴的结构设计1） 拟定轴上零件的装配方案如图所示 图43 第二根轴的零件图2) 确定轴的各段直径和长度(1) 对于轴由以下几种装配方案：其一，传统的传动方案，由于轴的长度较小，可以将轴的左端利用滑动轴承紧固在箱体上，为了增加轴的传动平稳性，可以增加轴承的数量，在轴段安放两个调心球轴承，同时在箱体壁上开处直径的孔，为了轴承的拆卸方便，轴承外圈与箱体壁的配合采用过盈配合。 轴上齿轮采用普通平键联接固定在轴上，右端同样采用螺母轴向定位，由于第二级齿轮传动的齿轮同时对轴由着支撑的作用这种方案的缺点是轴的平稳性能不够好，成本较高。其二，将轴固定在箱体壁上，同时在箱体壁上开出直径为的孔，一边轴的拆卸方便，轴上需要安放齿轮，同时齿轮要作高速旋转，同样又有两种方案：a. 轴与齿轮间采用滚动轴承联接，但是由于齿轮的轮毂长度较大，对于每个轮毂上需要安放两个滚动轴承，其缺点是成本较大安放与拆卸麻烦。b. 轴与齿轮间采用滑动轴承配合，即能满足传动的要求，又节约成本，轴瓦的材料可以选用铸造青铜，因为铸造青铜主要用于高速，重载的轴承，同时可以承受较大的冲击，其成分为。对比以上装配方案，在同样能够满足使用要求，同时又经济，装配与拆卸方便的原则，可知第二种装配方案种的滑动轴承联接更好。以下就采用此方案进行计算确定轴的各参数。（2）轴与段需要安放滑动轴承，滑动轴承的轴瓦与齿轮装配，根据齿轮的轮毂直径及其轮毂长度同时要考虑到轴向定位的稳定性，确定与段的尺寸，这两个轴段需要装滑动轴承，加工精度要求较高，表面粗糙度要达到1.6。（3） 大齿轮左端采用轴肩定位，轴肩高度要求，取，则，段长度由装配后确定，要保证齿轮与箱体壁的间距，取。（4）段根据材料力学及强度计算可以确定基本尺寸，。5）按弯扭合成应力校荷轴的强度进行校荷时，通常只校荷轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面B）的强度。根据式155及表中的数据，并取，轴的计算应力。前已选定轴的材料为45钢，调质处理由表151查得。因此，故安全。5 轴承寿命校核5.1 第轴上轴承的校荷两端均采用双轴承联接轴承类型：深沟球轴承，轴承代号：6203标称尺寸： 在校荷时每个轴承所承受的载荷是支撑点处载荷的一半计算，寿命计算： h滚动轴承的当量动载荷： 其中：X、Y分别为径向、轴向载荷系数。 因为轴承只受纯径向载荷。则 参照前面轴的计算可知： 左轴承： 右轴承： 3）载荷系数：查表“载荷系数”（按中等冲击）得 4）转速： 5）寿命指数： 6）额定动载荷：查表知 C7.36K 左轴承： 右轴承： 由此可知：该轴承符合要求符合要求5. 2 第轴轴上轴承的校荷两端均采用双轴承联接轴承类型：深沟球轴承，轴承代号：6203 标称尺寸：在校荷时每个轴承所承受的载荷是支撑点处载荷的一半计算，寿命计算： h滚动轴承的当量动载荷： 其中：X、Y分别为径向、轴向载荷系数。 因为轴承只受纯径向载荷。则 参照前面轴的计算可知： 3）载荷系数：查表“载荷系数”（按中等冲击）得 4）转速： 5）寿命指数： 6）额定动载荷：查表知 C7.36KN 由此可知：该轴承符合要求符合要求结束语临近结束，回想这次毕业设计，既是对我们的一次考验，也是对我们的一次锻炼。说是考验，是因为在毕业设计前总觉得自己已经做过那么多次的课程设计，水平没有八两也该有半斤吧。可是刚拿到题目时却是一头的雾水，不知从何下手。从来没有过的不知所措的感觉一下子涌了上来。设计过程中要用到太多的知识，而且是综合性的运用。而自己就是知识也都忘记得差不多了，更别说什么综合运用了！再掂掂自己的水平，说实话已不足半斤了。一切要从头做起！以自己不足半斤八两的实力去面对如此复杂的毕业设计这本身就是一个很大的考验，但换个角度，也是一种很大的挑战！说是锻炼，很显然，让我这种不足半斤水平的实力来完成如此复杂的的毕业设计，这个过程就是一种锻炼！通过这次锻炼，提高了自己查阅资料的能力，并熟悉了有关的技术政策，提高了熟练应用国家标准、规范手册、图册等工具书进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。在我们团队的的紧密配合下，在老师的指导下，我们克服了一个又一个的难题。就我们目前的水平来说，一人独立设计一台机床是很艰难的，只有我们紧密合作发挥出团队的精神才可以完成。对于一个即将踏上社会的学生来讲，将会面临更多、更强的考验和锻炼，而这次练兵无疑增加了我们去面对未来，迎接挑战的砝码！然而由于我们能力有限，加之时间仓促，设计中一定会存在问题，希望老师同学批评指正，多提宝贵意见。参考文献1 机械工程手册 第二版（传动设计卷）机械工业出版社 2004 2 何宁主编 机械设计制造技术基础 高等教育出版社20063 濮良贵，陈定国，吴立言主编 机械设计 高等教育出版社 20064 宋延民主编 微机数控线切割机床 兵器工业出版社 20025 孙恒 陈作模主编 机械原理 西北工业大学机械原理及机械零件教研室 20006 王爱玲主编 现代数控机床结构及设计 兵器工业出版社 20007 李忠文编著 电火花机和线切割机编程及机电控制 化学工业出版社 1998