数控线切割机床本体设计毕业设计.doc

《数控线切割机床本体设计毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控线切割机床本体设计毕业设计.doc（43页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 摘 要电火花线切割加工（wire-EDM）是一种基于电火花加工技术的适应性流程加工技术，它可以被用在具有二维到三维复杂形状的而且是导电的原材料的加工上。电火花线切割加工最常见的应用是在压模、挤压模、粉末冶金的铸模和标准摸板的装配工中。这样就可以加工出以往依靠花费很高的磨床或昂贵的传统意义上的电火花的电极来进行加工的工件。电火花线切割加工技术是机电一体化技术，是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综合运用。此次设计包括机床的总体布局设计，横向进给、纵向进给设计，其中还包括齿轮的强度计算，滚珠丝杆较核，轴承寿命的验算。这次设计的基本方法包括现场实习，查阅资料，请教专

2、业人士及老师的帮助。关键字：电火花线切割加工；横向进给；纵向进给Abstract Wire electrical-discharge machining(wire-EDM) is an adaptation of the basic EDM process, which can be use for cutting complex two-and-three-dimensional shapes through electrically conducting materials. Wire-EDM is most commonly used for the fabrication of pre

3、ss stamping dies, extrusion dies, powder composition dies, profile gages, and templates. Complicated cutouts can be made in difficult-to-machine metals without the need for high-cost grinding or expensive shaped EDM electrodes, Because the technology of wire electrical-discharge machining is the tec

4、hnology of mechatronics, and it is the integrate application of many subjects and professional knowledge, for example mechanism, electrician, electron, numerical control, auto control and computer application. The design contains collectivity distribution design, landscape orientation feed design, p

5、ortrait feed design, circumgyrate worktable design. It still includes intension calculation of gear wheel, the checking of ball bearing pole and the calculation of axis gearing life-span,The bsasic design method contain that field practice,data access,consult professional personage and the help of t

6、eacher . Key words:wire electrical-discharge machining；Traverse；Longitudinal into to 目 录摘 要I第1章 绪论11.1 数控线切割机床的研究意义11.2 数控线切割机床的发展现状1第2章 总体方案设计32.1 总体方案的拟定32.2 主要技术参数的确定4第3章储丝走丝部件结构设计63.1 储丝走丝部件运动设计63.1.1 对高速走丝机构的要求63.1.2 高速走丝机构的结构及特点63.2 储丝走丝部件主要零件强度计算133.2.1 齿轮传动比的确定133.2.2 齿轮齿数的确定143.2.3 传动件的估算15

7、3.2.4 齿轮模数估算163.2.5 齿轮模数的验算173.3 储丝走丝部件主要零件强度验算203.3.1齿轮强度的验算203.3.2 主轴的验算233.4 主轴组件结构设计253.4.1 轴承的配置形式253.4.2 主轴组件的调整和预紧26第4章 进给传动设计274.1 进给传动运动设计274.2 滚珠丝杆螺母副选型和校核274.2.1 滚珠丝杆螺母副的型号选择274.2.2滚珠丝杆的选型和校核294.3 步进电机的选用324.4 进给机构的支承设计324.4.1 丝杆的支承形式324.4.2 丝杆的支承方式32结 论34致 谢35参考文献36CONTENTSAbstractIIChap

8、ter1 Introduction1 1.1 Nc wedm research significance1 1.2 Nc wedm development present situation1Chapter2 Overall design32.1 Development of overall program32.2 Main Technical Parameters4Chapter3 Wire storage components design to go wire63.1 Reserve component wire to go wire Motion Design63.1.1 High-s

9、peed wire agency requirements go63.1.2 Features of the structure of wire agencies63.2 Reserve component wire to go wire main parts Strength133.2.1 Determine the gear ratio133.2.2 Determination of number of gear teeth143.2.3 Estimation of gear transmission parts to determine153.2.4 gear module estima

10、tes163.2.5 Modulus checking gear173.3 Reserve wire main parts to go wire strength checking Parts203.3.1 checking gear strength203.3.2 Checking the spindle233.4 The structural design of the spindle assembly253.4.1 bearing configurations253.4.2 Adjustment and tightening the spindle assembly 26Chapter4

11、 Design of the feed drive274.1 Feed drive motion design274.2 The ball screw model selection 274.2.1 screw nut beads model selection274.2.2 Selection and check of ball screw294.3 The selection of the stepper motor324.4 Bearing design feed mechanism324.4.1 support in the form of screw324.4.2 Screw Bea

12、ring Form32Conclusion30Thanks31References32.VII第1章 绪论1.1 数控线切割机床的研究意义数控电火花线切割加工最大的优势在于拥有良好的性能价格比。电火花线切割加工最常见的应用是在压模、挤压模、粉末冶金的铸模和标准摸板的装配工中。这样就可以加工出以往依靠花费很高的磨床或昂贵的传统意义上的电火花的电极来进行加工的工件。由于它的实用性，经济性，所以在国内有较大的市场。但数控电火花线切割机床加工受到电极丝的损耗、机械部分的结构与精度不足、进给系统的开环控制、加工工作液导电率的变化，加工环境的温度变化及本身加工的特点（如运丝速度快，导轮磨损大）等因素的影响

13、，机床的加工精度有限，功能自动化等方面欠缺。正是由于存在诸多的利弊，对它的研究才更加有意义，如何扬长避短是数控线切割机床研究的关键，通过有效的改进现有的线切割机床使它更加适应机械加工，如果研究能取得具有建设性的成果将对实际生产产生不可估量的作用1.2 数控线切割机床的发展现状电火花线切割加工（wire-EDM）是一种基于电火花加工技术的适应性流程加工技术，它可以被用在具有二维到三维复杂形状的而且是导电的原材料的加工上。电火花线切割加工最常见的应用是在压模、挤压模、粉末冶金的铸模和标准摸板的装配工中。这样就可以加工出以往依靠花费很高的磨床或昂贵的传统意义上的电火花的电极来进行加工的工件。电火花线

14、切割加工技术是机电一体化技术，是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综合运用店火花加工具有加工精度高，速度快，加工成本低等一系列的优点受到国内学者的重视。为了提高加工工件的直线度，日本三菱电机公司开发出了Digital AE 电源1。该电源通过放电位置的检测和控制，实现了工件上、中、下表面的均匀放电，进而达到提高加工直线度的目的。 为了提高加工形状精度， 日本沙迪克公司近几年在所有的线切割加工机上都装上了直线电机,重点发展了了直线电机电火花线切割加工在提高加工精度方面的优越性能 。国内数控线切割机床的发展动向和主要新技术和国外的单向走丝电火花线切割机床相比， 尽管

15、国内的数控线切割技术相对落后， 但经历了这几年的发展后，与国外的机床相比， 其差距在渐渐缩小。苏州电加工机床研究所展出的DK7632 机床。在原有技术基础上又有新的突破， 改进了放电状态检测及伺服控制电路， 实现了放电状态检测电路温漂硬件补偿， 提高了检测精度， 采用恒电压加工伺服控制与恒速进给加工相结合的控制策略，既保证了工件加工的尺寸精度， 又可确保变截面加工和拐角控制能顺利进行，进一步提高了加工稳定性和微细部位的加工精度。另外该机床还可配置微精加工双向走丝线切割技术是中国发明的， 具有浓厚的中国特色， 其主要特点为：往复走丝、结构简单、价格低廉、切割厚度大、运行成本低， 但其最大的缺点就

16、是加工精度较低、加工表面质量不尽人意。随着模具行业对加工要求的不断提高以及市场竞争的日趋激烈，近年来国内生产数控线切割机床厂家都将提升机床的加工精度和加工表面质量作为产品发展的主攻目标。第2章 总体方案设计2.1 总体方案的拟定线切割机床具体加工过程为：加工者根据图纸中的工件尺寸，编制成一定的程序，并且通过键盘或光电机等输入设备将程序输入到控制器中去。在控制系统接受到输入的程序后，将其存入存储器中。点火花先切割机在收到命令后，就开始运行程序，通过微机控制系统进行插补运算。每运算一次，发出一个进给脉冲，然后经过功放驱动步进电机，使机床工作台按预定的轨迹进行加工。运丝系统由运丝电机传动给储丝筒，通

17、过行程开关使储丝筒作往复运动，从而使得钼丝运动。钼丝经过机架上的导轮与工件相接近，小到一定的距离。乳化液泵即工作液将线切割机专用乳化液通过喷嘴喷入工作切口上，高频脉冲电源产生的连续高频脉冲被分别加到钼丝与工件之间的间隙进行检测，检测信号的大小送入变频电路，再由变频电路产生的频率大小来控制微机的进给速度。当间隔增大时就加快进给速度，当间隙减小时，就减慢进给速度，以保持均衡的放电间隙，从而也维持了一定的电流。1数控电火花线切割机床的动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且额定功率小。据此电机应采用步进电机。2纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杆螺母

18、副组成，起传动比应满足机床所要求的。3为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。图21 线切割机工作原理示意图 4采用滚动道轨可以减少道轨见的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。在上述的基础上，有条件的还可以进一步实现钼丝的角度调节，使加工过程更加细致。2.2 主要技术参数的确定技术参数主要包括运动参数，尺寸参数和动力参数。DK7732电火花线切割机床的主要技术参数如下：工作台行程/mm 500*320最小切削厚度/mm 30（可调）加工表面粗糙度Ra/m 2.5

19、切割速度/mm/min 100加工精度/mm 0.015切割工件最大厚度/mm 300电极丝移动速度 1.1m/s电极丝直径 0.10.2mm36第3章 储丝走丝部件结构设计3.1 储丝走丝部件运动设计运丝机构的运动是由丝筒电机正反转得到的。电极通过联轴节与丝筒连接，丝筒装有齿轮，通过过度齿轮与丝杆上的齿轮齿合。丝杆固定在拖板上，螺母固定在底座上，拖板与底座采用装有滚珠的V形滚动导轨连接，这样丝筒每转一周拖板直线移动相应的距离，因此机床工作前应根据零件厚薄和精度要求可在0.12mm到0.25mm之间调节。3.1.1 对高速走丝机构的要求 1. 高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动

20、，以保证极丝在储丝筒上整齐排绕。 2. 储丝筒的径向和轴向窜动量要小。 3. 储丝筒要能够正反向旋转，电极丝的走丝速度在712m/s范围内无级或有级可调，或恒速转动。 4. 走丝机构最好与床身相互绝缘。 5. 传动齿轮副、丝杆副应具备润滑措施1。3.1.2 高速走丝机构的结构及特点高速走丝机构由储丝筒组合件、上下拖板、丝杆副、齿轮副、换向装置和绝缘件等部分组成，如图3-1所示储丝筒由电动机通过联轴器带动实现正反向转动。储丝筒另外一端通过二对齿轮减速后带动丝杆。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杆则安装在拖板上，调整螺母安装在底座上，拖板在底座上来回运动。螺母具有消除间隙的副螺母和

21、弹簧，齿轮及丝杆螺距的搭配为设旋转一圈拖板移动0.25mm，所以该储丝筒适用于0.25mm以下的钼丝。储丝筒运转时应平稳，无不正常振动。滚筒外圆振摆应小于0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应完全彻底消除。图31 DK7732机床的储丝走丝系统机构结构图高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或其它赃物进入。储丝筒本身作为高速正反向转动，电机、滚筒及丝杆的轴承应定期拆洗并加润滑脂，换油期限可根据使用情况具体决定。其余中间轴、齿轮、三角导轨及丝杆、螺母等每班应注油一次。1. 储丝筒旋转组合件 储丝筒旋转组合件主要由储丝筒、联轴器和轴承组成

22、。(1) 储丝筒 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号钢制造。为了减少转动惯量，筒壁应尽量薄，按机床规格的不同，选用的范围一般为1.55mm。为进一步降低转动惯量，也可选用铝镁合金材料制造。储丝筒壁厚要均匀，工作表面要有较好的表面粗糙度，一般R为0.8m。为保证丝筒组合件动态平衡，应严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。储丝筒与主轴装配后的径向跳动量应不大于0.01mm。一般装配后，以轴的两端中心孔定位，重磨储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。(2) 联轴器 走丝机构中运动组合件的电极轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运转时频繁换

23、向，联轴器瞬间会受到正反向的剪切力，但由于这个力不大，且储丝筒中心轴与电极轴有较高的同轴度要求。所以本设计采用弹性联轴器2.上下拖板 走丝机构的上下拖板一般有下面二种滑动导轨。 (1)燕尾型导轨这种结构紧凑，调整方便。旋转调整杆带动塞铁，可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。(2)三角、矩形组合式导轨如下图所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调整。本设计采用三角、矩形组合式导轨。如图3-2由于储丝筒走丝机构的上拖板一边装有运丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上拖板能平稳的往复移动，应把下拖板设计的较长以使走丝机构工作时，上拖板部

24、分可始终不滑出下拖板，从而保证拖板的刚度、机构的稳定性及运动精度。3.齿轮副和丝杆副走丝机构上拖板的传动链是由2级减速齿轮副和一组丝杆副组成，它使储丝筒在转动的同时，作相应的轴向位移，保证电极丝整齐的排绕在储丝筒上。 图32 三角矩形组合式导轨在本次设计线切割机中，走丝机构是常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离，以适应徘绕不同直径的电机丝的要求。丝杆副一般采用轴向调节法来消除螺纹配合间隙。为防止走丝电机换向装置的失灵，导致丝杆副和齿轮副的损坏，在齿轮副中，可选用尼龙代替部分金属齿轮。这不但可以在电机换向装置失灵时，由于尼龙齿轮先损坏，保护丝杆副与走丝电机，还可以减少噪声。但是由于要照

25、顾专业知识的复习，所以决定选用传统的金属材料制造。4.线架、导轮部件结构线架与走丝机构组成了电极丝的运动系统。线架的主要功能是在电极丝按给定线速度运动时，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。对线架的要求是： 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

26、给定要求保持与工作台平面呈一定角度的功能2。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。(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

27、厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可调的分离式结构，如下图3-3所示。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，如图3-3所示： 图2-3 可调式线架本体结构（1） 导轮部件结构导轮是本机床关键零件，关系到切割质量，对导轮运动组合件的要求如下。图3-4 可移动丝臂 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

28、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。导轮装配后转动应轻便灵活，应尽量减少轴向窜动和径向跳动。进行有效的密封，以保证轴承的正常工作条件3。（3）双轴尖支撑结构。悬臂支撑结构简单，上丝方便。但是因为悬臂支撑，张紧的电极丝运动的稳定性较差，难于维持较高的运动精度，同时也影响导轮和轴承的使用寿命。双支撑结构为导轮居中，两端用轴承支撑，结构复杂，上丝麻烦。但是此种结构的运动稳定性较好，刚度较高，不容易发生变形及跳动。双轴尖支撑结构。导轮两端加工成30锥形轴尖，硬度在RC60以上。轴承由红宝石或锡磷青铜制成。该结构易于保证导轮运动部件的同轴度，导轮轴向窜动和

29、径向跳动量可以控制在较小的范围内。缺点是轴尖运动副摩擦力大，易于发热和磨损。为补偿轴尖运动副的磨损，利用弹簧的作用力使运动副良好接触。通过比较以上三种结构的特点，可以看出第二种结构比较适合作为DK7732高速走丝电火花线切割机床的导轮结构。(4) 导轮的材料 为了保证导轮轴径与导向槽的同轴度，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。(5) 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

30、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4。3.2 储丝走丝部件主要零件强度计算3.2.1 齿轮传动比的确定钼丝丝距选择0.25mm，储丝筒每转一周，拖板带动储丝筒移动0.25mm，丝杆螺距选择为3mm。所以储丝筒与丝杆的传动比为： u=1：12；采用二级齿轮传动，取u=1：4；u=1：3。3.2.2 齿轮齿数的确定取Z=15；由

31、于齿轮齿根与轴上键的距离不能为零。即-（d+t）2m由d=16mm查文献4表7-1得：t=2.3mm； 而d=-2h =（Z-2ha-）m =（15-2-0.5）m =12.5m 代入上式得：12.5/2m-（16+2.3）/22m 取m=2；又有Z=4Z=60 所以 =mZ=215=30mm =mZ=260=120mm取Z=25；同理可得： 取m=3；又有Z=3Z=75 所以 =mZ=325=75 =mZ=375=225齿轮1，2中心距 a=（30+120）/2=75mm齿轮3，4中心距 a=（75+225）/2=150mm5 取 b=0.5d=0.530=15mm其他数据如下 da=（Z2

32、ha）m =（15+21）2 =34mm da=124mm da=81mm da=231mm dr=（Z2ha2c）m =（15-2120.25）2 =25mm dr=115mm dr=67.5mm dr=217.5mm3.2.3 传动件的估算根据公式 d=91mm其中 N该传动轴的输入功率 N=N其中 N电机颌定功率 从电机到该转动轴之间传动件的传动效率的乘积 n该转动轴的计算转速r/min计算转速n是传动件能传递全部功率的最低转速6 每米长度上允许的扭转角（deg/m） 取=0.995，N=0.55kw N= N =0.550.995 =0.54725kw n=1390r/min d=91

33、 =10.2mm3.2.4 齿轮模数估算1.齿轮弯曲疲劳估算： m32 =32 =1.039mm2.齿面点蚀估算： A370 =370 =49.28mm其中n为该转动轴的计算转速r/min，A为齿轮中心距中心距A及齿数Z、Z求出模数 m= = =1.31取较大的那个模数，在这个设计中，第一对齿轮传动取 m=2mm第二对齿轮传动取 m=3mm3.2.5 齿轮模数的验算根据接触疲劳计算齿轮模数公式为 m=16300mm式中： N计算齿轮传递的颌定功率 N=Nkw n计算齿轮（小齿轮）的计算转速r/min 齿宽系数，=b/m，常取610 Z计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数 大小齿轮的齿数

34、比=，“+”用于外齿合，“-”用于内齿合；k寿命系数，k=；工作期限系数，=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数Cn齿轮的最低转速r/minT预定的齿轮工作期限，中型机床推荐T=1500020000h转速变化系数材料强化系数，幅值低的交变载荷可使用金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用7；功率利用系数工作情况系数载荷系数齿向载荷分布系数Y齿形系数、许用弯曲接触能力由文献6查表3-17可得：=1.2，=1.2，=1.15 = = =0.780.510.60 =0.91N=0.54725KW，=10，=600MPa则 =16300mm =1.625mm根据弯

35、曲疲劳计算齿轮计算模数公式为： =275mm =275 =0.063mm = = =0.890.700.75 =0.554 所以m=2符合要求 同理m=3也符合要求3.3 储丝走丝部件主要零件强度验算3.3.1 齿轮强度的验算 齿轮危险截面的弯曲强度条件公式=k载荷系数k=齿宽系数，取0.5k使用系数，取1k载荷系数，取1.05齿间载荷分配系数，=1.0，=1.0齿向载荷分布系数小齿轮传递的转距=95.510 =95.5100.55/1390 =3.7810Nmm=1.11+0.18（1+6.7）+0.1510b =1.11+0.18（1+6.70.25）0.25+0.150.0010.5 =

36、1.23045K=11.051.01.6 =1.218由文献7查表5.1-13得：b/h=23/4.5 =5.11 =1.16载荷作用与齿顶时齿形系数载荷作用与齿顶时应力校正系数由文献7查表5.1-15得：=2.69，=1.575则 = =18.4MPaN=60njL=601390120000=1.668s疲劳强度安全系数s=1.5K寿命系数 （）齿轮的疲劳强度=340MPa=520MPa =272MPa所以 其中：Z区域系数Z弹性影响系数 K=11.051.01.23045 =1.29 =259.89=520MPa所以 因此，所设计的齿轮1、2也满足齿面接触疲劳强度要求同理也可得到所设立的齿轮3、4也满足齿面接触疲劳强度要求齿轮设计合格3.3.2 主轴的验算按弯扭合成应力校核轴的强度：如图3-5。并分别为根据轴的结构图作出轴的计算简图，水平方向和垂直方向的弯矩图以及扭矩图。先计算轴上的载荷：Nm齿轮的分度圆直径为：252NN 图3-5 轴的结构图与弯矩图从轴的