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机械毕业设计全套

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GY02-197@电火花加工的产生和加工原理,机械毕业设计全套

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第 1 页 第一章 .绪论 1.1 电火花加工的产生和加工原理 电火花加工是一种新的加工技术，自五十年代以来，我国开始研究和试用。经过不断发展，已得到日益广泛的应用，成为加工各种模具和零件的有效方法。 1.1.1 电火花加工的产生 电火花加工是利用两极见脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法。 早在十九世纪，人们就发现了电器开光的触点开闭时，以为放电，使接触部位烧蚀，造成接触面的损坏。这种放电引起的电极烧蚀现象叫做电腐蚀。起初，电腐蚀被认为是有害的，为减少和避免这种有害的电腐蚀，人们一直在研究电副食产生 的原因和防止的办法。当人们掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电腐蚀用于生产中。 研究结果表明，当两极产生放电的过程中，放电通道瞬时产生大量的热，足以使电极材料表面局部熔化或汽化，并在一定条件下，熔化或汽化的部分能抛离电极表面，形成放电腐蚀的坑穴。 二十世纪四十年代初，人们进一步认识到，在液体介质中进行重复性脉冲放电时，能够对导电材料进行尺寸加工，因此，创立了“电火花加工法”。 电火花加工是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新技术。机械加工是通过机床部件的相对运动，用比工件材料硬的刀具 去切除工件上多余的部分，来得到成品零件的。但随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性、高粘性、高韧性、高纯度等性能的新材料不断出现，具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，仍然采用机械加工法，有时是难于加工或无法加工的。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工法。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显出很多优异性能，因此得到了迅速发展和日益广泛的应用。 1.1.2.电火花加工的物理本质和工作原理 电火花线切割加工是基于在液体介质中小间 隙脉冲放电时材料的电腐蚀的切割加工，它是相当复杂的瞬变的微观物理过程，大致可分为介质击穿和通道形 nts 第 2 页 成，能量转换和传递，电蚀产物的抛出和消电离四个阶段。脉冲放电的原始阶段 是电极间介质的击穿，介质击穿过程非常迅速，一般为 0.1-Ills。介质一旦被击穿，便形成放电通道，间隙电流迅速上升，电流密度可高达 101_ 108A/cm2。介质击穿后，脉冲电源通过放电通道瞬时释放能量，把电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能及电磁波辐射能等。其中大部分转化为热能，使两极放电点局部熔化和气化，并且使通道中的介质气化和热分 解。还有一些热量在传递、辐射过程中消耗掉。一次脉冲放电产生一个放电痕，在高速走丝电火花线切割加工中，因电极丝相对工件快速运动，使放电通道也相应移动，所以单个脉冲的放电痕呈卵圆形。材料的抛出可以呈液相、气相、固相。材料的抛出是热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果。一次脉冲放电后，还应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即通道中带电粒子复合为中性粒子，恢复液体介质的绝缘强度，以待下次脉冲击穿放电。 电火花线切割加工又叫线电极电火花加工 (WEDM )，它是一种用线状电极作工具的电火花加工。其特点是电极丝做 单向低速 (对于 WEDM-LS )或往复高速 (对于WEDM-HS )走丝运动，工件相对电极做 X. Y向的任意轨迹运动。后者可以用靠模、光电、特别是数字来控制。如果电极丝再作某些辅助运动，还可以切割带斜度的复杂工件。 实现电火花加工条件： 1 1.工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离在该距离范围内，既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可以适应在火花通道熄灭后介质消电离以及排出蚀除产物的要求。若两电极距离过大，则脉冲电压不能击穿介质、不能产生火花放电，若两电极短路，则在两电极间没有脉冲能量消 耗，也不可能实现电腐蚀加工。 2.两电极之间必须充入介质在进行材料电火花尺寸加工时，两极间为液体介质(专用工作液或工业煤油 );在进行材料电火花表面强化时，两极间为气体介质。 3.输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大在火花通道形成后，脉冲电压变化不大，因此，通道的电流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足够大，才可以使被加工材料局部熔化或气化，从而在被加工材料表面形成一个腐蚀痕 (凹坑 )，实现电火花加工。因而，通道一般必须有 105-106A1em电流密度。放电通nts 第 3 页 道必须具有足够大的峰值电流，通道才可以在 脉冲期间得到维持。一般情况下，维持通道的峰值电流不小于 2A. 4.放电必须是短时间的脉冲放电脉冲。放电持续时间一般为 10-1-10-3s。由于放电时间短，使放电时产生的热能来不及在被加工材料内部扩散，从而把能量作用局限在很小范围内，保持火花放电的冷极特性。 5.脉冲放电需重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的这里包含两个方面的意义 :其一时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道 ;其二，若在一定时间范围内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲放电应转移到另一区域。只有如此， 才能避免积碳现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。 6.脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行在电火花加工的生产实际中，上述过程通过两个途径完成。一方面，火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性 ;蚀除物以外的其余放电产物如介质的气化物 )亦可以促进上述过程 ;另一方面，还必须利用一些人为的辅助工艺措施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等等。 图 1.1中脉冲电源的正极接工件，负极接电极丝。电极丝以一定的速度往复运动。在电极丝和工件间注入具有一定量的液体 介质，使电极丝和工件之间发生脉冲放电，再加上有效地控制电极丝和工件在水平面内的相对运动轨迹和速度，当两极达到一定距离时，极间的液体介质被击穿，发生放电，使工件被蚀除一个小凹坑，工具电极也会因放电而出现损耗。放电后的电蚀产物由液体介质排至放电间隙之外，同时经过短暂的间隔时间，使极间恢复绝缘，即消电离。然后进行下一次放电，又使工件蚀除一个小凹坑。如此不断地进行放电蚀除，工具电极不断地向工件移动，便可以切割出具有一定形状和尺寸的工件 nts 第 4 页 图 1.1 电火花线切割加工 示意图 总之，电火花加工这门新工艺以其特有的功能，为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的改革与制造提供了新的加工设备，电火花加工工艺技术的应用范围目前仍在迅速扩大，逐步渗透到各个工业部门，展示了广阔的发展前景。 1.2 电火花线切割加工的现状与发展 1.2.1 电火花线切割加工的现状 提起电火花线切割加工，国人首先想到的是高速走丝电火花线切割加工。高速走丝电火花线切割机作为我国独创技术的机种，已成为我国数控机床中产量最大，应用最广的机种之一。据估计目前全国有数万台高速走丝电火花 线切割机正在模具制造和零件加工中发挥着重要的作用。 近年来，高速走丝电火花线切割加工的发展虽然不尽人意，但还是取得了可喜的成绩。首先在机床数量上有了很大的突破，取得了广泛的基础，当然其中有一些这样或那样的问题，但总体是向前发展了。机床产量由过去的年产量 2 3千台上升到 1万多台，其次在性能价格比上亦有了很大的提高。具体来说，主要反映在以下几个方面： （ 1）大锥度切割技术发展迅速，并逐步完善、成熟。（ 2）大厚度切割不断进步，其他工艺水平同步提高。（ 3）多次切割工艺的探索取得了一定的进展。（ 4）nts 第 5 页 工艺指标及 工艺水平得到了提高。（ 5）机床结构取得了新的进展，不再是单一音叉结构，无论在外观造型、整体形象及性能都了有较大改善。（ 6）控制系统不断推陈出新，完善成熟。 总体看来，高速走丝线切割加工因其机床具有结构简单、操作方便、可维护性好，使用费用低、占地面积小、价格低廉，故其性能价格比较好，适合国内的大多数需求，在中低档模具和零件加工中适用性好，尤其在大厚度、变厚度加工中更显优势。 然而与低速走丝电火花线切割加工技术相比，高速走丝电火花线切割加工技术发展缓慢，加工品质较差。对此国内的研究所，生产企业等早在十多 年前就纷纷研究生产低速走丝电火花线切割机。经过多年努力，近两年有所突破。 2000年国产最大的低速走丝线切割机床生产单位年销售量仅为几十台（约占全国市场的九分之一），而到 2002年其年销售量已达一百多台（约占全国市场的五分之一），并且这些产品通过合资引进了技术，使产品水平跨越了一个台阶，达到了国际 20世纪 90年代初的水平。譬如切割速度可达 200多平方毫米 /min，加工精度达 5微米，粗糙度 Ra达零点几个微米，其价格仅为 50万元左右人民币（约为同类进口机床的二分之一），取得了良好的开端，具有广阔的前景。国内低速走 丝线切割机床的年市场量已从 2000年的 300台左右上升到 2002年 700台左右，随着模具行业的迅速发展和水平不断提高，精密零件的加工需求增加，低速走丝线切割机床及使用耗材价格迅速下降，加之人们对低速走丝线切割加工认识的逐步深入，预计低速走丝线切割机的年销量将不断扩大，国产低速走丝线切割机的占有率也将进一步上升，并且有望出口国际市场。 1.2.2 电火花线切割机的发展策略 1高速走丝线切割机的发展策略 （ 1）多次线切割加工实用化， （ 2）改进和完善运丝系统，保持电极丝状态的相对稳定， （ 3）加强机床本体 的研究，进一步提高机床本休精度， （ 4）扬长避短，发挥高速走丝线切割的独特优势， （ 5）完善和规范 ISO代码， （ 6）加强周边器材的开发与研究， nts 第 6 页 （ 7）加强对各类标准的研究，提高贯标率。 2.低速走丝线切割机的展策略 （ 1）走引进、消化、吸收、创新的道路 （ 2）研究开发先进的控制系统， （ 3）开发高效率、高加工质量的脉冲电源， （ 4）加强宣传、培训、交流、推广、使用户了解熟悉低速走丝线切割机，正确使用低速走丝线切割机，扩大使用，促进提高和发展。 1.2.3 设计过程 此课题主要是确定数控电火花线切割 机床坐标工作台进给系统设计，包括总体方案，主轴主件，电机传动等部分的设计。 总体方案的确定：进给系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，调速方案的确定。确定之后，画出各部分的结构，且必须对进给系统进行受力分析，以各主轴主件尺寸的确定及各部分重量计算，从而决定采用哪钟方式的传动副，最后根据工作台所需求的标准考虑电机传动。 研究手段：以上内容可根据书上内容以及我们所参观的各种数控机床，然后结合实际情况加以修改，最后确定方案。 nts 第 7 页 第二章 .工作台设计方案及分析 2.1.数控电火花线切 割机床的机构组成及其作用 图 2.1是电火花线切割机床结构图。 图 2.1 电火花线切割机床机构图 可知电火花线切割机床主要由坐标工作台、高速走丝机构、床身、工作液系统、脉冲电源和控制器等部分组成。其中 X, Y 坐标工作台是用来装夹被加工工nts 第 8 页 件， X轴、 Y轴由控制器发出进给信号，分别控制两步进电动机，运行预定的轨迹。 2.1.1 高速走丝机构 高速走丝机构主要由储丝筒组合件上、下拖板、齿轮副、丝杠副、换向装置和绝缘件等部分组成。高速走丝机构主要用来带动电极丝按一定的 线速度移动，并将电极丝整齐地排绕在储丝筒上。 2.1.2 电极丝的运动系统 丝架导轮机构与走丝机构组成了电极丝的运动系统。丝架的主要功用是在电极丝按给定的线速度运动时，对电极丝起支撑作用，使电极丝工作部分与工做台平面保持一定的几何角度。导轮位于丝架悬臂的端部，丝架通过导轮对电极丝起支撑作用。丝架按功能可分为固定式、升降式和偏移式三种类型；按结构可分为悬臂式和龙门式。 2.1.3 工作液循环与过滤系统 工作液系统用以在电火花线切割加工过程中，供给有一定绝缘性质的工作介质一一工作液，以冷却电极丝和工件，排除 电蚀产物等，这样才能保证火花放电持续进行。一般线切割机床的工作液系统包括 :工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管及过滤网等。其中工作液地清洁程度对加工地稳定性起着重要的作用。 2.1.4 电火花线切割脉冲电源 电火花线切割脉冲电源通常又叫高频电源，是数控电火花线切割机床的主要组成部分，是影响线切割加工工艺指标的主要因素之一。线切割脉冲电源的基本组成线切割脉冲电源是由脉冲发生器、推动级、功放及直流电源四部分组成。 2.2 坐标工作台的组成 坐标工作台主要由拖板、导轨、丝杠运动副、齿轮副或蜗轮传动 副四部分组成。 1.拖板 拖板主要由下拖板、中拖板、上拖板和工作台四部分组成。通常下拖板与床身固定连接；中拖板置于下拖板之上，运动方向为坐标 Y方向；上拖板置于中拖板之上，运动方向为坐标 X方向；工作台通过绝缘体与上拖板相连接。其中，上、中拖板一端呈悬臂形式，以放置拖动电机。 nts 第 9 页 2.导轨 坐标工作台的纵、横拖板是沿着导轨往复移动的。因此，对导轨的精度、刚度和耐磨性有较高的要求。此外，导轨应使拖板运动灵活、平稳。线切割机床常选用滚动导轨。因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，而 且润滑方法也简单。缺点是接触面之间不易保持油膜，抗振能力较差。滚动导轨有滚珠导轨、滚柱导轨和滚针导轨等几种形式。 3.丝杠传动副 丝杠传动副的作用是将传动电机的旋转运动变为拖板的直线位移运动。要使丝杠副传动精确，丝杠与螺母应当精确，应保证在 6级精度或高于 6 级精度。 4.齿轮副 步进电机与丝杠间传动通常是采用齿轮副来实现。由于齿侧间隙、轴和轴承之间的间隙及传动链中的弹性变形的影响，当步进电机主轴上的主动齿轮改变传动方向时，会出现传动空程。为了减少和消除齿轮传动空程，应当采用以下措施： （ 1）采用尽量少 的齿轮减速级数，力求从结构上减少齿轮传动精度的误差。 （ 2）采用齿轮副中心距可调整结构，通过改变步进电机的固定位置实现。 （ 3）将被动齿轮或介轮沿轴向剖分为双轮的形式。装配时应保证两齿轮廓分别与主动齿轮廓的两侧面接触，当步进电机变换旋转方向时，丝杠上都能迅速得到相应反映。 2.3.主要参数： 查阅国家标准电火花线切割机床参数（ GB 7925-87），暂定设计型号为： DK7763，该型号的电火花线切割机床的主要参数为： 工作台：横向行程 630mm；纵向行程 800mm；切削工件最大厚度 500mm；切割工件总 重量 960kg；步进电机步距角 1.5度；粗糙度 58HRC 钢 硬化 磨 58HRC 4.4 6 刚 调质 滚、刨、插 210HBS 钢 调质 滚、刨、插 180HBS 1.0 刚 调质 滚、刨、插 350HBS 钢 调质 滚、刨、插 300HBS 1.8 刚 硬化 磨 58HRC 钢 硬化 磨 58HRC 4.0 nts 第 22 页 表 6-2 齿面接触强度 （ 1）使用系数 AK 由手册可得 AK =1。 （ 2）动载系数 vK 查齿轮公差表， 122 4 , 2 7p t p tf m f m，则由手册可得123 .9 3 , 3 .7 2 ,cc它们均 58HRC 钢 硬化 磨 58HRC 4.4 6 刚 调质 滚、刨、插 210HBS 钢 调质 滚、刨、插 180HBS 1.0 刚 调质 滚、刨、插 350HBS 钢 调质 滚、刨、插 300HBS 1.8 刚 硬化 磨 58HRC 钢 硬化 磨 58HRC 4.0 nts 第 27 页 表 7-2 齿面接触强度 （ 1）使用系数 AK 由手册可得 AK =1。 （ 2）动载系数 vK 查齿轮公差表， 122 4 , 2 7p t p tf m f m，则由手册可得123 .9 3 , 3 .7 2 ,cc它们均 5，故取 vK =1.1（大小齿轮相同）。 （ 3）齿向载荷分布系 HFKK、 有手册可得， S=0，故 /K =0.48。 小齿轮结构尺寸系数 21b（ ）d = 0.7225； 0 0.012shf =0.00867； 直齿和斜齿轮（对称支承） 说 明 材料及热处理 1/bd 1）对人字齿， 1/bd应不大与左示值的 1.8倍 2）非对称支承， 1/bd应不大与左示值的 0.8倍 3）悬臂支承， 1/bd应不大与左示值的 0.5倍 4）非刚性结构， 1/bd应不大与左示值的 0.6倍 5） u=1 时， 1/bd应不大与左示值的1.8 倍 正火 （ HBS 180） 调质 （ HBS 200） 渗碳或表面淬火 氮化 1.6 1.4 1.1 0.8 nts 第 28 页 圆周力 12000t TF 1d =7345384.615N； 径向力 tanrtFF =2720510； /r A VF K K b =60455.77N/mm； 0( / )r A v shf F K K b f =19.2 m ； 查齿轮公差表 6 2 3 , 3 2 ,f m F m以数值较大的大轮计算， 则 0 . 5 1 6 ,maf F m 则 1 . 3 3x sh m aF f Z f =41.536 m ； 取 120 .8 5xx 则 yxF F x =35.3056 m ； 查手册 取 1 9 . 8 / ( ) , 1 . 4 6rc N m m m 则 1 0 . 5 yrH t A vF c bKF K K =1.1377 ()NFHKK =1.1161 齿间载荷分布参数 1HHKK。 节点处计算接触应力的基本值 0H 011tH H EF uZ Z Z Zd b u式中 HZ 节点区域系数： 22 c o s c o s 2 . 3 1 3c o s s i nbtH ttZ； EZ 弹性系数，刚 -刚时， 2 1 / 21 8 9 . 8 ( / )EZ N m m ； Z 重合度系数，1 0 . 8 2 6 4Z ； nts 第 29 页 Z 螺旋角系数， cosZ = u 齿数比， 21Zu Z ； 所以 0 11tH H EF uZ Z Z Zd b u=723.5655； 则 其接触应力 H 10H B H A v H HZ K K K K ； 20H D H A v H HZ K K K K ； 其中 1BDZZ，故 12H H H H =989.62； 计算叙用接触应力 HP l i mm i nHH P H T L v R W XHZ Z Z Z Z Zs 式中 limH 齿轮才的疲劳极限应力。取 2l i m 1 5 0 0 /H N m m ； HTZ 寿命系数，取其值为 1； L v RZ ZZ 润滑油膜系数，取其值为 0.92； WZ 齿面工作硬化系数，取其值为 1； XZ 尺寸系数，取其值为 1； minHs 最小安全系数，取其值为 1.25； 21500 1 0 . 9 2 1 1 1 1 0 4 /1 . 2 5HP N m m 。 接触强度的安全系数 HS l i mH H T L v R W XH HZ Z Z Z Z ZS =1.39。 则所选取的齿面满足要求。 nts 第 30 页 结论 将近一个学期的毕业设计就已经结束了，在这一个学期的毕业设计中，遇到了很多的麻烦，也碰到了很多的挫折，伴随着这一个一个的问题走下来，我觉得自己在毕业之前得到了快速的成长。 在设计初期，总以为时间很长很长，可以慢慢的来，可到了初期检查的时候才知道自己的任务是很重的。这样我才 对毕业设计重视起来。在设计开头阶段，是我感觉最难最难的，因为这个时候我对自己设计的东西基本上连感性认识都还不够，更谈不上什么理性认识了！于是我到图书馆查阅大量相关资料，在导师 鄢 老师的带领下，我们一同到湖大海捷制造公司参观实习，这样我才对电火花线切割机床的有了感性认识以及有了理性认识。在这段毕业设计的时间里，我学会了好多以前所没学到的东西，而且学的方式不再是老师传授，而是我自己去书本里挖掘，自己去理会，自己去组织，再经过老师讲解。 设计任务虽然算是顺顺利利的完成了，但是我们都知道，我们设计的东西若真的用于 生产那还差好远好远，我们的设计考虑的东西实在是太少太少了，好多东西我们都还是想当然的设计，有的东西我们连实物都还没完整的见到过，我们要学的东西还有好多好多。 nts 第 31 页 致谢 首先感谢 *老师对我的指导与帮助。感谢他在设计期间对我们严格要求，并认真负责的控制我们的设计进度，以及他对我们疑难问题的耐心讲解。 其次感谢湖大海捷公司的员工，因为在毕业设计期间我们去参观，他们耐心的给我们示范对我们的毕业设计起了很大的帮助 最后感谢所有在我毕业设计中帮过我的同学和朋友。 nts 第 32 页 参考文献 1 曹凤国 .电火花加工技术 M.北京 :化学工业出版社 ,2005. 2 程新江 .高速走丝气中电火花线切割精加工机理研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学 2004. 3 郝阳 .高速走丝电火花线切