基于CAD技术的线切割机床设计-机械毕业设计说明书论文CAD图
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基于CAD技术的线切割机床设计-机械毕业设计说明书论文CAD图,基于,CAD,技术,切割,机床,设计,机械,毕业设计,说明书,论文
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摘要数控电火花线切割机床是一种用于切割导电金属材料的成型机械，属电加工范畴，其采用高温电化学腐蚀的特殊工作原理，具有无宏观切削力，材料利用率高，加工精度高等优点，因此被广泛应用于模具加工、各类机械配件加工以及高精密零件加工等领域。为满足日益增长的工业生产需求，线切割机床正朝着加工高效化和操作简易化等方向发展1。因此，在大学阶段对线切割机床进行关键技术研究很有必要。本课题依据所给的机床性能指标，首先确定了整体方案；然后依据机械专业相关知识完成各机构的设计及主要零部件的校核；最后完成整体机床的建模和装配，同时对走丝架的主梁和端梁进行分析，验证了线架结构的可靠性；最终完成了线切割机床设计。具体完成任务如下：1）在充分调研线切割机床的发展现状和趋势后，论证对比了多种布局后，最终确定了线切割机床的总体方案；2）依据所给的机床参数和性能指标，完成了进给工作台机构、往复运丝机构、升降走丝架机构的详细设计，并对关键零件进行了校核计算；3）设计了配套的工作液循环系统和润滑系统；4）完成了线切割机床的总体装配，并对升降走丝架机构的主梁和端梁。关键词 线切割机床；快走丝；CAD技术；目 录摘要11 绪论31.1 电火花线切割技术的现状21.1.1 电火花线切割技术的发展21.1.2 电火花线切割机床的分类21.1.3 现代电火花线切割机床的发展方向31.2 快走丝数控电火花线切割技术31.2.1 快走丝线切割机床的工作原理31.2.2 快走丝线切割机床的特点41.3 本课题的研究目的和设计内容51.3.1 研究目的51.3.2 设计内容52 总体结构设计62.1 机床主要参数62.2 总体方案设计62.2.1 总体方案一62.2.2 总体方案二72.2.3 布局方案的确定73 工作台设计93.1 工作台布局与传动方案93.1.1 工作台布局93.1.2 工作台传动方案93.2 工作台尺寸和载荷计算103.3 导轨的选择103.3.1 导轨类型选择103.3.2 导轨的技术要求113.3.3 导轨的计算113.4 滚珠丝杠螺母副的设计计算与校核123.4.1 滚珠丝杠副的设计计算123.4.2 滚珠丝杠螺母副的校核143.5 步进电机的选择153.6 轴承的选择校核174 运丝装置设计194.1 往复走丝装置的要求194.2 运丝装置主要机构设计194.2.1 储丝桶组合件设计194.2.2 运丝机构导轨设计224.3 运丝装置传动系统设计234.3.1 传动系统整体方案设计234.3.2 运丝装置电机选择234.3.3 传动系统的计算和主要零件的校核245 走丝架装置设计305.1 走丝架主体设计305.1.1 升降丝杆机构设计305.1.2 端梁和主梁的设计校核315.1.3 线架端梁和主梁的有限元分析365.2 导轮结构设计396 工作液循环系统与润滑系统设计416.1 工作液循环系统设计416.1.1 工作液的选择416.1.2 工作液循环系统原理426.1.3 液泵的选择426.2 润滑系统设计436.2.1 润滑点的确定436.2.2 润滑方法的选择436.2.3 润滑系统工作原理446.2.4 润滑剂的选择44结论46致谢47参考文献48471 绪论电火花线切割技术属于电加工范畴，是特种加工的一种，它与传统成型加工技术的不同之处在于：传统加工技术是通过机械能产生的机械力去切削工件，从而达成加工目的的，而电火花线切割技术是利用局部放电对导电金属材料产生的熔化与腐蚀作用来加工工件的。因此电火花线切割技术可以加工任意强度、硬度、脆性的导电金属材料，在当今的成型技术中占据重要地位。1.1 电火花线切割技术的现状1.1.1 电火花线切割技术的发展上世纪中期，前苏联科研人员偶然发现了电火花产生的瞬间高温使得局部金属零件熔化、氧化腐蚀的现象，并以此为基础开发出了电火花加工。通过技术改进，世界上第一台线切割放电机于1960年的前苏联诞生2。初期的线切割放电机是通过投影器观察，以手动左右前后移动工作台来实现进给加工的。由于其加工速度低于同时代其他机械，因此未能得到广泛应用，但是线切割放电机拥有可以加工传统机械不易加工的细微形状的特点，因此在个别零件加工中得到了应用，比如化织喷嘴的异形孔的加工。1969年的巴黎工作母机展览会上展出了最早的NC（Numerical Control）化的线切割放电机，该机型是由瑞士的一家放电加工制造厂研发的。NC化后，提升了加工速度，同时也解决了无人运转时的安全问题。然而，当时没有计算机程序设计，NC加工程序只能以纸带为介质储存，这对操作者来说是很大的负担，因此在自动程序设计装置（Automatic Programed Tools，APT）问世之前，也很难得到普及。后来，随着计算机技术的逐渐成熟，日本的制造厂商开发出了采用自动程序设计的电火花线切割机床，从此电火花线切割机床得到了快速普及。现代电火花线切割机床的控制系统通常是基于CAD应用技术开发的。1.1.2 电火花线切割机床的分类电火花线切割机床可以分为快走丝线切割机床、慢走丝线切割机床、中速走丝线切割机床三类3。快走丝线切割机床（WEDM-HS）：又称高速走丝线切割机床，电极丝做高速往复运动，一般情况下稳定的工作速度在812m/s之间，往复运动使得电极丝各段均匀工作，可以重复使用，优点是加工速度快，结构较简单，但是快走丝线切割机床的电极丝在高速运动时会产生抖动且换向时运丝速度不均匀，这会使得加工工件的表面质量降低，在我国高速走丝线切割机床应用广泛，生产工艺成熟，也是本课题的主要研究内容。慢走丝线切割机床（WEDM-LS）：又称低速走丝线切割机床，电极丝一般做单向的低速运动，一般工作走丝速度不高于0.2m/s，装好的电极丝使用一遍后不再重复使用，此类电火花机床的优点是工作平稳，电极丝抖动小，加工出来的工件表面质量较高，但加工效率较低，在一些精密度要求较高的模具生产场合应用较多。中速走丝线切割机床：此类机床是我国独创，中速走丝线切割机床并不是指走丝速度介于快走丝和慢走丝机床之间，而是指通过多次的反复切割来达到提高加工工件表面光洁度的目的，开头先使用较快的走丝速度和较高的脉冲电源频率来切割工件，最后用较低的走丝速度和较低的脉冲电源频率进行修光。1.1.3 现代电火花线切割机床的发展方向随着市场竞争日益加剧，模具的制造周期也越来越短，市场上大型化和精密化的零件需求也要求模具生产设备向着大型化和精密化发展。电火花机床也紧跟着发展潮流，顺应市场需求。如今电火花加工技术的主要发展方向如下4：1）可加工工件的大型化：大型化的模具，要求电火花机床的加工厚度不断增大，电火花技术凭借其独特的加工原理，加工速度可以不受加工工件厚度、吃刀量的影响，但是随着加工厚度的增加，电极丝的振动现象呈指数增加才是真正的瓶颈。2）提高加工效率：不论是慢走丝线切割机床还是快走丝线切割机床，几十年来加工效率过低一直是电火花线切割技术的一大弊病，提高加工效率，压缩加工周期就等于降低成本，因此一直以来，不断提高电火花线切割机床的加工效率是电火花技术的重要研究内容。3）降低电极丝成本、提升电极丝的耐用度：相较于其他成型机床对刀具的磨损，电火花线切割机床对电极丝的消耗极大，断丝不仅影响加工进度，同时也带来了巨大的额外损失，为降低电极丝损耗，研发人员不断探索着降低电极丝成本、提高电极丝耐久度的方法。除了以上几个方向外，不断提高电火花线切割机床的加工可靠性，更进一步的简化操作，继续降低机床成本，提高自动化程度和开发智能化机床也是电火花技术的改进方向和发展创新趋势5。1.2 快走丝数控电火花线切割技术1.2.1 快走丝线切割机床的工作原理电火花技术的基本原理是：在电极丝和导电工件之间通上高频脉冲电源，在电离作用下产生电火花放电，电极丝附近工件被高温熔化，熔化后的金属在工作液中快速重新凝固成金属渣，并在高速运转的电极丝和流动的工作液的作用下被带走，在工件上形成空洞，通过NC控制电极丝与工件之间相对运动，达到将导电工件切割成想要的轮廓的目的6。快走丝线切割机床的工作原理如图1-1所示。1储丝桶；2数控系统；3电极丝；4导轮；5步进电机；6工件；7工作液喷嘴；8绝缘块和夹具体；9高频脉冲电源；10液泵；11储液池图1-1 快走丝线切割机床工作原理图电极丝3缠绕在1储丝桶上，通过导轮的支撑穿过工件，储丝桶带动电极丝以每秒约11.5m的速度往复运动，往复运动由运丝机构的同步带和丝杆完成，由行程开关控制；高频脉冲电源9正极连接在夹具体8上，负极通过导电块连接电极丝，以此形成电离通道，熔化工件6；工件的进给运动由X、Y方向工作台完成，数控系统2通过插补运算控制步进电机5带动工作台运动；工作液系统主要起介质液、冷却和冲洗作用，工作液储存在储液池11中，按下供液按钮后液泵10将工作液提升到喷嘴7，喷嘴使工作液完全包裹电极丝，保证加工精度和加工过程的安全。1.2.2 快走丝线切割机床的特点由于和传统成型机床采用机械力切削有着本质上的不同，电火花线切割有着其独特的加工特点，可以分为优点和局限性两个方面。1）电火花线切割的优点（1）由于电火花线切割属于轮廓加工，因此不需要单独设计独立的刀具，因此可以降低加工成本，在新产品研制中也可以缩短研制周期；（2）由于不需要接触工件，没有宏观切削力，因此无论工件的大小和刚度，凡是导电材料都可以进行加工；（3）快走丝线切割由于电极丝频繁快速的往复运动，单位位置的电极丝损耗很小，因此不会有刀具磨损产生的系统误差，保证加工精度；2）电火花线切割的局限性（1）入刀位置受限，由于电极丝不可分割，因此在加工时零件只能从边缘入刀，否则只能钻穿丝孔，然后将电极丝从孔中穿过后重新上丝加工；（2）纵向的加工形状受限，虽然可以通过用锥度加工部件，通过四轴联动，和数控系统的精密插补运算，做到小锥度的和部分曲面体形状，但依然无法加工阶梯形状；（3）加工效率受限，当前最大的加工效率，在一般不超过10000mm2/h；（4）加工表面质量不高，加工表面是由反复运作的脉冲放电形成的，由于往复运动换向时，电极丝运行速度产生变化，因此在加工表面会形成规律的凸起和凹陷。1.3 本课题的研究目的和设计内容1.3.1 研究目的基于CAD技术的线切割机床是指用于对铝合金、碳素钢、不锈钢、铜等导电性良好材料进行轮廓加工的数控成型机床，其CNC加工模块和窗口环境由CAD软件提供，路径绘制采用CAD技术和文件。在工业生产中，由于传统手工加工和机械加工受到技术与设备的约束，逐渐无法满足工业需求，而线切割技术方兴未艾，独特的加工原理带来明显地竞争优势，因此线切割技术在模具加工、成型刀具加工、微孔与窄缝加工以及特殊材料加工等行业中成为首选。本课题研究目的是设计一款基于CAD技术的线切割机床。1.3.2 设计内容设计内容包括：确定了线切割机床的总体方案；依据所给的机床参数和性能指标，完成了进给工作台机构、往复运丝机构、升降走丝架机构的详细设计，并对关键零件进行了校核计算；设计了配套的工作液循环系统和润滑系统；完成了线切割机床零件的3D建模和总装，并对升降走丝架机构的主梁和端梁进行有限元分析。本课题线切割机床要求如下：主机外观尺寸1240mm1170mm1400mm；工作台尺寸710mm470mm；工作台行程350mm450mm；最大加工厚度400mm；切割速度不小于100mm2/min；加工表面粗糙度不大于2.5m；电极丝直径取0.10.2mm；稳定运丝速度11.5m/s。2 总体结构设计2.1 机床主要参数线切割机床主要参数有尺寸参数、运动参数、以及效率参数，依据任务书要求，可以确定线切割机床的主要参数如表2-1。表2-1 机床主要参数机床主要参数主机外观尺寸/（mm）124011701400 工作台尺寸/（mm）710470 工作台行程/（mm）350450 加工厚度/（mm）400 切割速度/（mm2/min） 100 电极丝直径/（mm）0.10.2 加工表面粗糙度/（m）2.5电极丝定型速度/（m/s）11.52.2 总体方案设计常见的快走丝电火花线切割机床按照进给运动方式可以分为两类，一类是走丝架进给运动型，另一类是工作台进给运动型两类7。2.2.1 总体方案一1走丝架；2运丝机构；3Y方向进给拖板；4X方向进给拖板；5工作台；6床身图2-1 总体布局方案一方案一属于走丝架进给运动型，如图2-1所示，该方案固定工作台，将走丝架布置在X、Y方向运动的拖板上，通过移动走丝架控制电极丝运动达到进给目的，当采用这种方案时，为了保证电极丝和走丝架在纵向上的相对静止，需要将运丝机构整体和走丝架一起安装固定在Y方向进给拖板上。该方案的优点在于：工作台的承重能力更强。将运动部件安装在走丝架部分，工作台只需要进行简单的定位和固定，因而较重的工件对运动部件传动精度影响较小，一些定制的可加工超大工件的线切割机床常采用这种布局。2.2.2 总体方案二1走丝架；2运丝机构；3床身；4Y方向进给拖板；5X方向进给拖板图2-2 总体布局方案二方案二属于工作台进给运动型，如图2-2所示，该方案使工作台分为X、Y两个进给运动拖板，通过工作台直接带动工件做进给运动，将运丝机构和走丝架分别直接固定在床身上。该方案的优点在于：将运丝机构和走丝架固定在机床上，结构相对简单；当加工工件质量较小时，该方案更加节能；在狭小的空间内很大程度的节省了空间，并且减少运丝机构和走丝架的运动，可以降低电极丝的震动，保障了加工精度和加工表面质量。2.2.3 布局方案的确定依据任务书参数加工行程350mm450mm，加工厚度最大为400mm，假设工件最大密度为7.8g/cm2（合金钢的密度约为7.8g/cm2），可以粗略计算出，最大的工件质量为374.4kg。但考虑实际情况，日常加工中工件质量一般不超过50kg，即不超过运丝机构和走丝架的总质量，因此采用方案二能量损耗较小；方案一移动悬臂，由于走丝架采用悬臂式结构，增加了危险区域范围，并且容易产生干涉现象，方案二结构更为合理；负载能力方面，方案一的优势较明显；方案二降低了电极丝的振动幅度，加工精度也更高。综上，可以列出下表2-2，表格中“”符号表示更优选择。表2-2 选择因素和最优选择选择因素布局方案一布局方案二负载能力结构合理性能量损耗加工精度综合以上依据，选择总体布局方案二更加符合设计要求，因此机床采用移动工作台、悬臂式走丝架形式。机床布局示意图如图2-3所示。图2-3 机床布局示意图3 工作台设计3.1 工作台布局与传动方案3.1.1 工作台布局工作台主要有支撑工件和提供进给运动两个作用。将工作台机构按照操作习惯放置在床身右侧，根据任务书要求，工作台X、Y方向行程为350mm450mm，工作台的外观尺寸为710mm470mm，为达到数控进给运动目的，应该给工作台分为X方向和Y方向两个独立运动的单元，即下拖板和上拖板，下拖板由步进电机驱动，沿机床床身上的导轨横向（X方向）运动，上拖板也由步进电机驱动，延下拖板上的导轨纵向（Y方向）运动。工作台示意图如3-1所示。图3-1 工作台示意图除此之外，为了达到承重要求，上下拖板需要有较高的强度和刚度，因此在设计时，上下拖板主体结构材料选择铸铁，同时应合理设计筋板，尽量减少质量。且上拖板表面应设计有导水槽，便于工作液的循环。3.1.2 工作台传动方案线切割机床的工作台传动方案以滚珠丝杠螺母副为核心展开，该结构可以使回转运动和直线运动平稳的转换，它由螺纹丝杠和滚珠螺母组成，这种机构的优点主要在于：1）摩擦因数小，传动效率高。滚珠丝杠螺母副的传动效率可以达到0.920.96，远大于普通丝杆螺母副结构；2）定位精度更高。当施加适当的预加载荷后，可消除轴向间隙，极大的消除间隙误差，提高定位精度；3）运动平稳，传动精度高。滚珠丝杠副将滚动摩擦阻力与运动速度无关，因此其低速运动平稳性好，不易出现爬行现象，传动精度高；4）使用寿命长。由于滚珠丝杠螺母副的擦力较小，工作中的磨损也就较小，加上合理的保养，因此滚珠丝杠螺母副的使用寿命更长。滚珠丝杠副由步进电机驱动，通数控系统的插补运算，带动工作台按图纸上的轮廓路径移动，下拖板的滚珠丝杠螺母副，丝杠固定在下拖板上，滚珠螺母固定在床身上，步进电机按照悬臂式的安装方法，安装在丝杠一端，步进电机与丝杠的连接方式采用联轴器或齿轮组，上拖板的安装方式同理，将丝杠固定在上拖板上，滚珠螺母固定在下拖板上。在滚珠丝杠螺母副的另一端应安装刻度手轮，以便在机床不工作时快速进给，调整工件位置。3.2 工作台尺寸和载荷计算因为工作台是机床设计中的主要运动部分和主要承重部分，因此在进行工作台设计时，严格计算校验其尺寸和最大工作载荷，以确保设计出来的设备符合设计要求。依据任务书要求，工作台行程为350mm450mm，工作台面尺寸为710mm470mm，假设上下拖板厚度35mm，材质为铸铁，密度约为7.85g/cm3。由下式（3-1）可以得到上下拖板自身载荷。（3-1）由公式（3-1）得：G上=G下1000N因此上下拖板自身总负荷约为2000N。工件同样取密度较大材质铸铁，工件最大长和宽300mm400mm，高度取最大加工厚度400mm，可以得到工件最大载荷：（3-2）由公式（3-2）得：G工件=3768N取近似值3800N。此外还需计算配件质量，电机、滚珠丝杠螺母副和导轨等，共两组，每组约为100N。综上，工作台总体载荷=上下拖板自重最大工件载荷配件载荷。 =2000N+3800N+200N=6000N3.3 导轨的选择3.3.1 导轨类型选择线切割机床工作台导轨承担着支承工件和传动的作用，并引导上下拖板延轨迹运动，按照工作台进给系统要求，应选择直线导轨副。直线导轨按照相对运动的摩擦形式可以分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三种。1）滑动导轨，滑动导轨之间的相对运动属于滑动摩擦，这种类型的导轨结构较简单，因而使用和维护更方便，但是缺点是低速运动时易产生爬行现象，导致产生震动，加工高精度不稳定，磨损较大，导致使用寿命较短；2）滚动导轨，滚动导轨采用滚柱或者滚珠，将直线运动的滑动摩擦转换为回转部件的滚动摩擦，降低了摩擦阻力，使得运动更加灵活，且运动精度和传动效率更高，缺点是滚动体的接触面是线或者点，接触应力大，抗振能力差；3）静压导轨，静压导轨是指导轨和滑块在液体压力作用下形成油膜，从而相互分离，极大地降低了摩擦系数，但其缺点是结构过于复杂。在快走丝线切割机床工作台中，相较于其他两种类型导轨滚动导轨的优势明显，故而选择直线运动滚动导轨。3.3.2 导轨的技术要求导轨的规格和制造精度对机床加工精度有着直接影响，滚动直线导轨副的精度等级分为四等，即5级、4级、3级、2级依次递增，其中2级精度等级最高，下表3-1为不同机床对滚动导轨副的精度要求，“”代表可选精度等级。表3-1 不同机床对滚动导轨副的精度要求8机床类型坐标轴精度等级2345数控车床XZ数控铣床、加工中心X、YZ数控坐标镗床、数控坐标磨床X、YZ数控磨床X、YZ数控电加工X、YZ查表3-1可得，该电火花线切割机床滚动导轨副应选择精度等级3级。取导轨平面度10m，导轨直线度5m，侧导向面直线度10m，两侧导面平行度10m，垂直度5m；导轨的材料选择铸铁；为了提高导轨的刚度，为导轨施加预紧力。3.3.3 导轨的计算1）导轨基本尺寸首先依据经验承载量选择导轨宽度，导轨的经验承载量与规格之间的关系如下表3-2所示。表3-2 导轨承载量和对应的导轨规格承载量/N3000以下30005000500010000100002500025000500005000080000导轨规格202530354555因此选择导轨公称尺寸25mm，导轨宽度23mm。导轨长度计算见（3-3）。 （3-3）由公式（3-3）可以粗略计算导轨长度不小于850mm，具体长度在进行3D绘制结合装配需求确定。2）确定导轨型号依据上述导轨基本尺寸，拟采用GGD23型滚动直线导轨副，这种型号导轨副的主要参数如表3-3所示。表3-3 GGD25型滚动直线导轨副的主要参数型号导轨副尺寸/（mm）滑块尺寸/（mm）导轨尺寸/（mm）额定动载荷（kN）额定静载荷（kN）高宽长宽高长宽高GGD3530.224927030.27001824.276121已知工作台最大负载为6000N远远小于该型号导轨的额定载荷，因此选用GGD25型滚动直线导轨符合设计要求。3.4 滚珠丝杠螺母副的设计计算与校核要保证工作台进给系统的高精度、高稳定性、高效率，必须对滚珠丝杠螺母副进行计算校核，选型与计算依据参考文献4和GB/T17587.2-1998。上下拖板滚珠丝杠螺母副采用同一规格型号，且下拖板载荷较大，因此仅对下拖板滚珠丝杠螺母副进行校核计算。3.4.1 滚珠丝杠副的设计计算1）工作载荷计算最大工作载荷是指线切割机床最大载荷下，滚珠丝杠螺母副丝杠实际受到的轴向作用力，对于滚动导轨机床，计算公式见（3-4）9。（3-4）式中 Fx、Fz在x、z方向上的切削力，N；f导轨摩擦系数；W移动部件的质量，N；Fr密封阻力，N。由于电火花线切割机床的特殊原理，电极丝与工件之间没有作用力，因此式中Fx、Fz=零，对于滚动导轨，摩擦系数f=0.004，由第一节得移动部件质量W=6000N，查阅相关资料可知，密封阻力Fr约为5N，将数据带入公式（3-4）得：最大工作载荷 F=24N2）滚珠丝杠螺母副导程Ph滚珠丝杠螺母副的导程决定因素有：传动要求、负载大小、传动效率，先按照主要要求传动要求进行导程计算，计算公式（3-5）如下：（3-5）式中 Ph丝杠导程，mm；Vmax最快进给速度，mm/min；nmax步进电机最大转速，r/min；i电机到丝杠的传动比。参考实验室DK7735快走丝电火花机床，查阅相关数据，Vmax=1000mm/min，nmax=200r/min，步进电机与丝杠之间采用联轴器联接，故传动比i=1，带入公式（3-5）得滚珠丝杠螺母副导程Ph=5mm3）滚珠螺母的选择滚珠丝杠螺母副对螺母刚度要求较高，因此在选择螺母型时要充分考虑其刚度，内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预加载和形式具有多重优势，在数控机床中应用最广泛，因此在电火花工作台中也选择此类螺母。4）估算许用最大轴向变形量许用变形量计算公式见（3-6）、（3-7）。（3-6）（3-7）式中 m最大轴向变形量，m。已知：重复定位精度为10m，定位精度为25m。计算得：m3m，m6m取最小值，许用最大轴向变形量m=3m。5）丝杠螺纹长度的计算丝杠螺纹长度计算公式见（3-8）。（3-8）式中 l有效行程，mm；le余程，mm；l1螺母长度，mm。由题设可知，有效行程为450mm，余程20mm，查滚珠丝杠螺母副装配规格可知标准螺母长度应取50mm，将数据代入公式（3-8）得：l=520mm6）计算最小螺纹底径螺纹底径的最小值是依据在最大摩擦力载荷下螺纹的轴向变形量不大于许用轴向变形量计算的，计算公式见（3-9）。（3-9）式中 d2m最小螺纹底径，mm；F0轴向最大载荷，N；L螺纹长度，mm；m许用轴向变形量，m；E丝杠的弹性模量。已知轴向载荷为24N，螺纹长度为520mm，许用轴向变形量为3m，丝杠的材料一般为GCr15，故弹性模量为2.1105MPa，代入公式（3-9）得：最小螺纹底径d2m24.5mm，为保证刚度取较大标准值，对照标准表取公称直径32mm。7）确定规格代号依据GB/T17587写出滚珠丝杠副的标识：GB/T17587-325520-TP3R，规格代号FFZD3205-3。该型号滚珠丝杠螺母副主要参数如下表3-4所示。表3-4 FFZD3205-3的主要技术参数规格代号公称直径/mm公称导程/mm丝杠外径/mm丝杠底径/mm额定负荷刚度/（kcN/m）动载荷/kN静载荷/kNFFZD3205-332531.528.910.429.68263.4.2 滚珠丝杠螺母副的校核1）承载能力的校核丝杠的轴向最大动载荷Q计算公式见（3-10）。（3-10）式中 Q计算最大动载荷，N；nm当量转速，取值最大进给速度时的转速200rpm；Lh设计寿命，15000h；fH硬度系数，1；fw载荷性质，无冲击的平稳运动取1；Pmax在电火花机床中，等于最大轴向载荷，24N。将以上数据代入公式（3-10）得：Q=135N最大动载荷Q远小于额定动载荷，故承载能力足够。2）极限转速校核为防止丝杠转速达到共振频率，需要对丝杠极限转速进行校核，极限转速计算公式见（3-11）。（3-11）式中 E弹性模量，2.1105，N/mm2；Lb安装距离600mm，因丝杆采取一端固定一端支承，故系数取2；、因采取两端支承，故分别为9.7、3.142；I最小截面惯性矩；dr丝杠底径，28.9mm；将数据代入公式（3-11）得：nc1947r/minncnmax，故不会发生共振。3）寿命校核滚珠丝杠螺母副的时间寿命计算公式见（3-12）。（3-12）式中 L时间寿命，h；Ca额定动载荷，10.4KN；Fa轴向载荷，24N；fw运转条件系数，查表取1.2；n转速，200r/min。代入（3-12）计算得：L=1.18108h计算寿命远大于设计寿命。经过计算，选择该型号滚珠丝杠螺母副承载能力、极限转速、寿命都符合设计要求，因此选择该型号滚珠丝杠螺母副合理。3.5 步进电机的选择进给伺服电机有多种类型，如改进直流电机、永磁直流伺服电机、步进电机等等，由上述计算可知，快走丝线切割机床进给系统功率并不大，且步进电机结构简单，制造容易，考虑经济因素，选择步进电机作为机床进给系统的进给电机。步进电机将电脉冲信号转化为角位移，每输入一个脉冲信号，转子就旋转一个单位角度（步距角）10。步进电机的选择依据有以下三点：1）依据脉冲当量选择步距角；2）最大静转矩满足设计要求；3）起动转矩满足设计要求。具体计算步骤如下：1）依据步距角初选步进电机型号由丝杠的重复定位精度为25m，则取脉冲当量0.01mm。电机步距角和脉冲当量之间的关系满足下式（3-13）。（3-13）式中 i传动比，联轴器联接，故取1；步距角，；脉冲当量，0.01mm；Ph丝杠导程，5mm。将数据代入公式（3-13）得：步距角=0.72根据步距角初步选择电机型号90BF006，具体参数如下表（3-5）。表3-5 90BF006步进电机的主要参数电机型号相数分配方式步距角（）额定电压（V）额定电流（A）最大静转矩（Nm）最高空载启动频率（Hz）90BF0065五相十拍0.722432.15624002）总力矩的计算总力矩的计算公式见（3-14）。 （3-14）式中 M总力矩，Nm；Ma空载启动力矩，Nm；Mf空载时折算到电机主轴上的摩擦力矩，Nm；M0预加载荷折算摩擦力矩，Nm。空载启动力矩计算公式见（3-15）。（3-15）摩擦力矩计算公式见（3-16）。（3-16）预加载和摩擦力矩计算公式见（3-17）。（3-17）式中 J丝杠和联轴器的转动惯量，kgm2；nmax步进电机转速，200r/min；t空载加速到最大转速时间，t；G运动部件的总重力，2000N；滚珠丝杠螺母副的摩擦系数，0.003；Ph丝杠导程，5mm；h传动系统总效率，0.98；I传动比，1；Pt螺母预紧力，5N。滚珠丝杠和联轴器的转动惯量近似值计算公式见（3-18）。（3-18）式中 材料的密度，约8.7103kg/m3；d近似直径，约29mm；l丝杠和联轴器的长度，约600mm。空载加速到最大转速时间t计算公式见（3-19）。（3-19）式中 Tmax步进电机的最大静转矩，2.156Nm。将数据代入上述公式得：Ma=0.021Nm，Mf=0.006Nm，M0=0.004Nm，因此，空载启动力矩M为0.031Nm。空载启动力矩M应小于等于（0.20.4）名义启动力矩Mq，五相十拍步进电机的名义启动力矩Mq=0.951Tmax=2.05Nm，M=0.031Nm小于0.2Mq=0.41Nm，因此所选步进电机转矩符合设计要求。3.6 轴承的选择校核1）轴承型号选择已知丝杆采用两端由轴承支承的支承形式，丝杆的主要作用力为轴向作用力，因此在轴承的选择时，应采用双向推力球轴承，根据丝杠直径和双向推力球轴承标准尺寸，选择中圈内径20mm，因此选择22系列双向推力球轴承，轴承型号52205。该型号轴承主要参数如下表3-6。表3-6 52205轴承主要参数轴承型号d2DT1d1Bd1sD1rsr1CC0n5220520472825747270.60.327600550005300表中 d2中圈内径，mm；D座圈外径，mm；T1轴承高度，mm；d1中圈外径，mm；B双向轴承中圈高度，mm；d1s中圈最大单一外径，mm；D1座圈最小单一内径，mm；rs座圈背面最小单一倒角尺寸，mm；r1中圈端面最小倒角尺寸，mm；C额定动载荷，N；C0额定静载荷，N；n额定转速，r/min。2）轴承寿命校核在实际计算中，轴承的寿命用工作小时数表示，双向推力球轴承的寿命计算公式见（3-20）。（3-20）式中 C额定动载荷，27600N；P当量动载荷，N；n轴承的转速，5300r/min；寿命指数，对于球轴承，3。其中当量动载荷P计算公式（3-21）如下。（3-21）式中 Fj径向载荷，约25N；Fz轴向载荷，24N；X径向载荷系数，由公称接触角查GB/T6391，取1.18；Y轴向载荷系数，由公称接触角查GB/T6391，取0.59。将数据代入计算得：额定寿命Lh7.94108h额定寿命大于设计寿命，因此选择52205双向推力球轴承符合设计要求。4 运丝装置设计1上拖板；2下拖板；3齿轮齿带传动副4换向装置；5储丝桶组合件；6丝杠副图4-1 运丝机构运丝装置的作用是为快走丝线切割机床的钼丝提供往复运动，以达到减少钼丝损耗和快速排屑的目的11，如图4-1所示。往复运丝装置主要由上下拖板、齿轮齿带传动副、换向装置、储丝桶组合件以及丝杠副等组成。将钼丝一端固定在储丝桶上，穿过丝架后转动手轮，将钼丝紧密缠绕在储丝桶上固定好另一端；由换向装置控制电机正反转通过联轴器带动储丝桶正反转动，使得钼丝往复运动；储丝桶轴的另一端通过同步带同步带轮副以一定传动比传动到丝杠副；丝杠副螺母固定在下拖板，丝杠与储丝桶固定在上拖板，上下拖板之间由轨道约束做往复运动；上下拖板上安装的换向装置由行程开关控制，行程根据钼丝的长度在每次换丝的时候调节。4.1 往复走丝装置的要求1）根据任务书要求，电极丝直径为0.10.2mm，定型速度为11.5m/s；2）运丝装置的最大纵向尺寸不得超过总体外观尺寸1170mm；3）上拖板在导轨上轴向往复运动时，移动速度必须与钼丝的走丝速度相配合，确保钼丝可以在储丝桶上紧密均匀的缠绕；4）为保证传动精确，储丝桶组合件之间应尽量紧密配合，尤其应该注意储丝桶在在轴向上的缝隙不可过大；5）由于快走丝往复运动频率高，丝杠副以及导轨应该具备润滑设备；4.2 运丝装置主要机构设计依据往复走丝机构的要求及参数，依次对上下拖板、储丝桶组件、齿轮齿带传动机构、丝杠副机构进行设计4.2.1 储丝桶组合件设计储丝桶组合件由储丝桶、主轴、联轴器、轴承与连接件组成。1）储丝桶设计（1）储丝桶主要尺寸的确定电极丝的稳定往复运动主要依靠储丝桶的转动，电极丝的运动速度与储丝桶的直径紧密相关，已知电极丝的定型速度为11.5m/s，可以依据电极丝的定型速度和电机的转速推算出储丝桶的直径，速度关系见（4-1）。（4-1）式中 v电极丝的定型速度11.5m/s；Dn储丝桶的直径；n电机转速1400r/min。由公式（4-1）得：为计算方便取储丝桶的直径为157mm，储丝桶的轴向长度取200mm。（2）储丝桶结构方案选择方案一一体式结构，如图4-2所示。图4-2 一体式丝桶一体式的结构是指圆柱筒壁和与主轴相连的端盖为一整体。该结构与主轴装配时采用键联接，以达到随轴转动的目的，为了确保在轴向上的固定，需要再添加垫片与套筒或者螺母。优点：结构简单，同轴度高，径向跳动小。缺点：不易制造，安装主轴时比较麻烦。方案二分离式结构，如图所示。图4-3 分离式丝桶分离式结构是指圆柱形筒壁与两端的端盖相互分离，这样的结构在加工时可以分开加工。装配时先将一端端盖通过螺钉与主轴固定，之后将主轴穿过筒壁，用沉孔螺钉定位筒壁与端盖，最后装上另一端端盖，用螺钉上紧。优点：螺钉连接极大的减少了轴向和径向的跳动，加工工艺更加简单。缺点：配件较多，装配复杂。由于储丝桶与主轴之间并不须要频繁拆卸，且储丝桶的运动稳定性要求较高，所以采用螺钉联接主轴和储丝桶优势更为明显，因此拟采用方案二。（3）储丝桶工艺要求储丝桶作为主要转动部件，一般采用45钢，因为其转速较快，因此为减少其转动惯量，筒壁设计时应当薄一些，且厚度分布应该均匀。桶的表面要与钼丝直接接触，为减少对钼丝的损伤，桶表面粗糙度应该控制在Ra0.8。为保证往复运丝的稳定，应该严格控制内控与主轴之间的配合间隙、同轴度，确保径向跳动量0.01mm。2）联轴器的选择往复走丝机构中的联轴器用来联接电机输出轴和储丝桶主轴，以达到传递扭矩以及运动的目的。（1）选择联轴器形式联轴器主要分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类，刚性联轴器由刚性元件组成，适用于两轴线相对位移量甚微的场合，这类联轴器结构简单，体积小，成本低；挠性联轴器又分为金属弹性元件挠性联轴器和非金属弹性元件挠性联轴器两种，挠性联轴器弹性元件强度较高，制造较复杂，成本高。在储丝桶工作时需要电机高频次换向，因此联轴器会在瞬间受到较大剪切力，但是储丝桶产生的转矩并不大，而且储丝桶和电机主轴同步要求高，因此应该选择刚性联轴器。（2）计算联轴器的计算转矩表4-1 工作情况系数表8工作机KA原动机工作情况及举例单缸内燃机双缸内燃机电动机汽轮机转矩变化很小2.21.81.3转矩变化小2.42.01.5转矩变化中等2.62.21.7转矩变化和冲击载荷中等2.82.41.9转矩变化和冲击载荷大3.22.82.3转矩变化大并由极强烈冲击载荷4.03.63.1联轴器传递的最大转矩应不超过许用扭矩值，最大扭矩不易得到时可以依据计算扭矩计算，计算扭矩TC计算公式如下。（4-2）（4-3）式中 TC计算扭矩，Nm；KA工作情况系数，查表4-1，KA取1.3；PW驱动功率，约取400W；n转速，1400rpm。由公式（4-2）、（4-3）得：（3）型号选择从GB/T5843-1986中查得，应选择GYD18有对中榫凸缘联轴器，轴孔直径选择14mm，参数如下表。表4-2 GDY18联轴器参数表型号公称转矩Tn/（Nm）许用转速n/（r/min）轴孔直径d1、d2DmmD1mmbmmb1mmS转动惯量I/（kgm2）质量m/kgGDY182512000148030264260.00081.16许用转矩为25Nm，计算扭矩远小于许用转矩。4.2.2 运丝机构导轨设计下拖板通过螺钉固定在床身上，上端固定着储丝桶的上拖板依靠丝杠的轴向力沿着导轨前后往复运动，因此上下拖板之间的导轨是设计的重点。往复式快走丝装置工作时上下拖板之间会频繁的以较高速度往复运动，依据工作特点，采用滚动动式导轨更为适合。拟采用八字形滚柱导轨如图4-4所示。滚动导轨上导轨应短于下导轨，以保证支撑和受力稳定，导轨长度多出储丝桶长度50%，取300mm。滚柱取材GCr15，直径12mm，长度12mm。两边均为八字形排列，每边各取10个。下拖板两条导轨的两端用螺钉固定四个档珠板。4.3 运丝装置传动系统设计4.3.1 传动系统整体方案设计运丝装置传动系统主要传动目的有两个，其一是主轴带动储丝桶做回转运动，其二上拖板应该在导轨上往复运动，两种运动的运动速度应该以一定比例协调同时运动，因此宜取同一动力源。1）滚筒主轴传动方案设计电机与主轴的联接方式采用联轴器GYD18联接，与齿轮连接相比优势在于，节省空间、结构简单、传动效率高。2）上拖板往复运动传动方案设计上拖板往复运动由丝杠螺母副提供，相比齿轮齿条传动，丝杠螺母副传动精度更高，传动平稳，寿命长等多方面有点。传动方案采用同步带同步带轮传动，与齿轮传动相比无滑动有更高的传动比。4.3.2 运丝装置电机选择1）电机选择原则在选择运丝装置的电动机时要考虑以下因素：（1）符合实际负载情况；（2）电机的功率应该合理；（3）符合国家电网电压和频率；（4）应考虑防护级别、和绝缘等级。2）计算电机相关参数储丝桶需要的功率P1计算公式见（4-4）。（4-4）式中 F切削力；v储丝筒线速度，11.5m/s。储丝桶带动钼丝做回转运动，不做切削，查阅依据资料设张紧力F=20N，带入式（4-4）得：整体效率总的计算公式见（4-5）。（4-5）联轴器=0.99 轴承=0.99 丝杠=0.96 同步带=0.99求得：总=0.92电动机需要功率P的最小值Pmin计算公式见（4-6）。（4-6）3）选择电机型号依据计算结果，找到两个三相异步交流电动机作为待选类型，YS-7112和YS-7124参数如下表4-3：表4-3 电动机参数表型号功率/W电流/A电压/V转速（r/min）效率/%额定转矩/kN重量（kg）YS-71123700.15380280073.52.29.6YS-71243701.12380140069.52.29.1依据表中数据，YS-7112转速为2800r/min，重量为9.6kg；YS-7124转速为1400r/min，重量为9.1kg。在储丝桶设计中取了储丝桶转速1400r/min，因此选择YS-7124型号的电机做动力源。4.3.3 传动系统的计算和主要零件的校核1）同步带和同步带轮1小同步带轮；2同步带；3大同步带轮；4往复运动丝杆图4-4 同步带轮传动组合（1）确定传动比按照运丝装置的运动要求，需要储丝桶每转一周，丝杠需要轴向移动的距离应该大于电极丝直径的最大值0.2mm，取ds=0.2mm。预设丝杠导程Ph1为1mm，则主动轮转速n2与从动轮转速n1之间应满足如下关系式（4-7）。（4-7）已知相关参数如下：电极丝直径ds0.4mm，主动轮转速n11400r/min，丝杠导程Ph1=1mm。由公式（4-7）得（4-8）。（4-8）则传动比i计算式见（4-9）。（4-9）由公式（4-8）和（4-9）得：取：i=4（2）选择同步带（4-10）式中 KA载荷修正系数1.6；P电机功率0.37kW。由公式（4-10）得：Pd=0.6kW由转速和设计功率查GB/T-11616得应选用梯形齿L型同步带、轮，节距9.525mm。（3）选择同步带轮确定带轮的齿数：小带轮Z1：查GB/T-11361，Z应不小于12，取Z1=12。大带轮Z2：Z2=4Z1=48，取标准48。确定带轮的节圆直径：小带轮：查GB/T-11361得，d1=36.38mm。大带轮：d2=145.53mm。（4）计算带速带速计算公式（4-11）如下。（4-11）将d1和n1带入得：v1.35m/s（5）计算轴间距轴间距a0应满足：计算得：127.34mma0363.82mm取a0=200mm（6）计算带长和齿数同步带带长计算公式（4-12）。（4-12）计算得：L=685.74mm查GB/T-11616得带长应取标准值685.8mm，此型同步带齿数为72。（7）确定额定功率和带宽基准额定功率计算公式（4-13）。（4-13）式中 Ta带宽为bs0的许用工作拉力，244.46N；bs0节距为Pb的标准带的最大宽度即基准宽度，25.4mm；m带宽为bs0的单位长度的质量，0.095kg/m；V带的速度，1.35m/s。计算得：P00.88kW近似公式见（4-14）。（4-14）查GB/T-11361得，Kz=1；（4-15）根据设计要求，PdP因此带宽：取标准值25.4mm。（8）工作能力验算额定功率精确计算公式（4-16）。（4-16）计算得：P=0.234kW7.7mm，则运丝主轴的强度足够。（3）运丝主轴的扭转刚度校核计算由于运丝主轴受到径向的钼丝张紧力和储丝桶和自重的组合力较小，所以不做弯曲刚度校核，只进行扭转刚度校核。主轴的扭转变形量要用每米长的扭转角表示，单位为()/m。阶梯轴的单位长度扭转角计算公式（4-18）。（4-18）极惯性矩Ip计算公式（4-19）。（4-19）式中 T主轴所受的扭矩，2200Nmm；G主轴的剪性弹性模量，MPa，对于钢材，G=8.1104MPa；L阶梯主轴受到扭矩作用的长度，352mm；Ti、li、Ipi阶梯轴第i段的扭矩、长度、极惯性矩；Z阶梯主轴受扭矩作用的轴段数3。为计算方便，将轴径相等的轴段结合计算。D段直径足够大，C段有储丝桶外壁加持强化，F段工作时不受扭矩作用，故而不做计算。此时各轴段的转矩近似相等，2.2Nm。表4-5 主轴的参数轴段ABC长度（mm）587251极惯性矩（mm）3769.578195.5022986.37扭矩（Nmm）220022002200各轴段的相关数据如上表4-5将数据带入公式（4-18）、（4-19）得=0.117/m对于一般传动轴，=0.51/m（4）结论储丝桶主轴强度和刚度均安全合格，故而主轴设计合理。5 走丝架装置设计走丝架装置和运丝装置共同构成电极丝的往复运动系统。走丝架的作用是撑起钼丝，在钼丝往复运动时张紧钼丝，通过导电块将钼丝连接到高频电源负极，并且可以调节加工厚度。由整体布局设计，选定悬臂梁式走丝架，悬臂梁走丝架主体应该包括一根主梁和两根端梁，主梁上应该设有升降装置，端梁上要有导轮和导电快。图5-1 升降丝架机构5.1 走丝架主体设计该机床线架拟采用单柱支撑、双悬臂梁式结构。因为支撑钼丝得导轮安装在端梁的远端，且钼丝上载有一定大小的张力，同时要考虑端梁的自重，因此在进行线架主体设计时，应考虑加强线架主体的硬度和刚度，减少结构的自重，使线架在工作时不易产生震动和弯曲变形，从而满足设计要求12。5.1.1 升降丝杆机构设计走丝架主梁里的丝杆机构是走丝架的重要运动部件，用于为上端梁提供上下运动和定位，小型线切割机床一般采用手轮手动转动，从而改变上端梁的高度，达到切削不同厚度工件的目的。1）丝杆安装方式的选择要使上端梁的移动能够获得较高的精度和空间垂直平行度，除了丝杆本身的精度之外，丝杆的安装方式同样重要。常见的丝杆安装方式有四种：两端固定型、一端固定一端自由型、一端固定一端游动型、两端游动型。在该机型中，升降丝杆的主要作用是移动和定位，且定位精度要求较低，为降低成本和结构复杂性，在丝杆的安装方式选择上选择一端固定一端游动型，动力源采用手轮手动转动的形式。2）丝杆材料、长度和导程选择丝杆应该具有较高的硬度和刚度，因此选用材料取GCr15。依据机床参数，最大加工厚度为400mm，则上端梁的可移动范围应该略大于400mm，因此取丝杆工作部分长度500mm，导程设计为3mm。3）估算许用最大轴向变形量已知：重复定位精度为10m，定位精度为25m。计算得：m3m，m6m取最小值，许用最大轴向变形量m=3m。4）丝杆螺纹底径的计算丝杆最小螺纹底径计算公式（5-1）。（5-1）式中 dm最小螺纹底径，mm；F0静摩擦力，1000N；L丝杆长度，500mm；m最大轴向变形量，3m。代入计算得：dm=15.9mm丝杆底径取标准值20mm。5.1.2 端梁和主梁的设计校核走丝架主梁和端梁用于撑起和张紧电极丝，其结构性能通过影响电极丝稳定性间接影响着加工表面质量，因此设计时要充分考虑悬臂梁和主梁的强度刚度，设计完成后与要进行挠曲度校核，并进行有限元分析。1）上下端梁设计与校核为保证结构刚度和强度，端梁主体应采用加强筋，除两个导轮外，端梁还需考虑与主梁导槽配合的滑块、丝杆组件、导电块的固定和预留走线孔。上端梁要有固定螺钉，用于锁定上端梁在主梁上的位置。上端梁悬臂部分截面形状如图5-2所示，外伸度l=400mm，已知合金钢的弹性模量E=210GPa。图5-2 上端梁截面图计算得横截面积：A=1846mm2H形截面惯性矩计算公式（5-2）如下。（5-2）其中B=24 mm，H=65 mm，b=26 mm，h=11 mm。因此：I=552133.83 mm4选取工作坐标系如下图5-3所示。图5-3 上端梁受力简化图悬臂梁受自重均布载荷q，和电极丝的张紧力F=10N，均布载荷计算公式（5-3）。（5-3）式中 q均布载荷；G悬臂梁自重；材料密度，7.8510-6 kg/mm3；V悬臂梁体积；l伸出度，400 mm；g重力加速度，10 m/s；A横截面积，1846 mm2。求得：q=0.145 N/mm对于电极丝张紧力F=10N：上端梁上任意横截面的弯矩为公式（5-4）。（5-4）挠曲线的微分方程为公式（5-5）。（5-5）积分得：（5-6）（5-7）在固定端，转角和挠度w均为零，因此：C=0D=0再将积分常数C、D带入式（5-6）和式（5-7），得转角方程和挠曲线方程分别为：（5-8）（5-9）以右端面的横坐标x=l带入上式得末端截面的转角和挠度分别为：（5-10）（5-11）将F=10N，l=400mm，I=552133.83mm4，E=210GPa带入得：F=6.910-7 radwF=4.610-7 mm对于端梁自重均布载荷q，末端截面的转角和挠度分别为：（5-12）（5-13）计算得：q=1.310-6 radwq=410-4 mm叠加以上计算结果，求得张紧力和自重共同作用下，上端梁末端得转角和挠度分别为：=F+q=7.0310-7 radw=wF+wq=4.04610-4 mm对于精密机床，根据实际工作需求：=0.001 radww=0.0002l=0.08 mm计算得到的上端梁转角和挠度均满足要求。下端梁悬臂部分截面形状如下图5-4所示，外伸度l=400mm，已知合金钢的弹性模量E=210GPa。图5-4 下端梁截面计算得到下端梁悬臂部分横截面积：A=2730 mm2惯性矩计算公式（5-14）。（5-14）将B=60 mm，H=80 mm，b=45 mm，h=46 mm带入上式，计算得：I=2194990 mm4下端梁受自重均布载荷和电极丝张力F=10N方向向上，如下图5-5所示。图5-5 下端梁受力简化图由公式（5-3）得均布载荷：q=0.214 N/mm由式（5-10）、（5-11）、（5-12）、（5-13），计算得：F=1.7310-7 radwF=4.62810-5 mmq=4.9510-7 radwq=1.4910-4 mm叠加以上计算结果，在自重和张紧力共同作用下，下端梁的转角和挠度分别为：=F+q=6.6810-7 radw=wF+wq=1.95310-4 mm对于精密机床，根据实际工作需求：=0.001 radww=0.0002l=0.08 mm计算得到的下端梁转角和挠度均满足要求。2）主梁结构设计主梁主体采用立柱套筒型结构，由四根螺钉固定在床身，必须保证垂直度。下段主要起支撑作用，为使下端梁位置略高于工作台面，下段长度先拟定为284mm；中段需要固定下端梁，预留螺孔和导电块导线穿孔；上段为主梁主要部分，上段内部安装上下丝杆，两侧设置导槽，用于为上端梁提供上下运动。主梁的垂直度对上下端梁的平行度有影响，进而影响电极丝的垂直度，影响加工精度，因此需要对主梁上段工作不分的刚度进行必要的校核，工作部分起始位置从底座末端算起，到上端梁上升的最大位置结束共500mm，工作部分主要受上端梁重量和电极丝张力的符合扭矩作用，竖直方向上的拉压和自重不做考虑因此可以受力分析时将主梁放倒，近似截面图5-6和受力简图5-7如下。图5-6 立柱工作部分截面示意图图5-7 主梁受力图主梁工作部分截面形状如下图5-4所示，外伸度l=500mm，已知合金钢的弹性模量E=210GPa。横截面积：A=2000 mm2惯性矩计算公式（5-15）如下。（5-15）将B=40 mm，H=50 mm带入上式，计算得：I=416666.67 mm4最末端扭矩Me由上端梁自重扭矩M1和电极丝张力扭矩M2组成：（5-16）（5-17）将q=0.145N/mm2，l=500mm，F=10N，带入计算得：Me=M1+M2=18125 Nmm+5000 Nmm=23125 Nmm端截面转角和挠度计算公式如下：（5-18）（5-20）计算得：=1.3210-5 radw=3.3010-3 mm对于精密机床，根据实际工作需求： =0.001 radww=0.0002l=0.1 mm因此立柱设计刚度足够。5.1.3 线架端梁和主梁的有限元分析采用有限元分析，将求解区域分为相互连接的单元，并求近似解，这样可以获得更加可靠的结构受力信息，将材料变形可视化，在设计阶段为结构和材料的安全性提供参考，省时省力，帮助我们创造出高品质的可靠产品。1）上端梁的有限元分析（1）先打开绘制好的上端梁模型；（2）点击进入“高级仿真”，右键导航器下方的文件，新建仿真如下图5-8。图5-8 高级仿真界面（3）按照装配条件合理的新建约束如图5-9所示。图5-9 创建约束（4）添加载荷，“重力”和作用在导轮孔上的“张紧力”10 N，方向向下；（5）点击“指派材料”，选择材料钢“Steel”；（6）点击“3D四面体网格”，为体创建网格，网格大小10 mm，网格效果如图所示。图5-10 创建网格效果图（7）打开“结算器”求解，等待计算机处理出结果“Solution1”；（8）在后处理导航器中导入上一步中求出的结果；（9）在导入结果展开栏中双击“位移-节点的”幅值，得到上端梁有限元分析的结果，如图5-11所示。图5-11 有限元分析结果（10）如上图所示，最大变形量为5.23510-3 mm，满足要求。2）下端梁的有限元分析采用相同方法对下端梁进行有限元分析，受力情况为“自重”和10N的向上的“电极丝张紧力”结果如下图5-12所示。图5-12 下端梁的有限元分析结果下端梁位移最大变形量为4.02610-3mm，满足设计要求。3）主梁的有限元分析依据5.1.2的计算结果，作用在立柱上力矩为23.125 Nm，有限元分析结果如下图5-13所示。图5-13 立柱有限元分析主梁的最大位移量为4.56010-6 mm，满足设计需求。通过有限元分析验证了升降走丝架机构主梁和端梁的刚度，证明了结构满足精密加工要求。5.2 导轮结构设计导轮组件如图5-14是线切割机床的关键部件，对切割质量有着很大的影响。图5-14 导轮工作原理简图1）导轮组件要求导轮导槽精度要求要高，槽底的圆弧半径需要小于选择的钼丝半径，从而保证钼丝在导轮槽中不会产生偏移；为减少导轮与钼丝之间的摩擦以及降低导轮轴承的工作载荷，导轮质量应该尽量的轻，导轮的材料要具有耐磨性和绝缘性；应该具有一定的密封性，保障导轮轴承有较好的工作环境。2）导轮运动组件的结构市面上的导轮运动组件按结构分类主要有两类：双边支撑形如图5-15和单边悬臂式支撑形。双边支撑的结构的特点是导轮位于中间，采用双轴承支承。这种结构形式运动稳定性较好，精度更到，且刚度较高，但复杂的结构会增加成本导致维护和上丝更麻烦。单边悬臂式支撑结构的结构简单，上丝更加方便，但是由于悬臂式支撑结构因素，其运动精度和稳定性都较差，因此会影响导轮组合件的寿命。对钼丝作用在各导轮上的分力分析可以发现，作用在一对主导轮上的纵向压力更大，且运动精度要求也更高，而作用在一对副导轮上的压力相对较小。综合以上因素，端梁导轮采用双边支撑形结构更合适。图5-15 一种用于快走丝机床的导轮3）导轮材料选择由于导轮的轴径和导向槽同轴度要求较高，因此导轮主体和轴承应采用一体式结构。导轮材质要求采用硬度较高并且耐磨性较好的材料，比如GCr15、W18Cr4V，同时也可以采用硬质合金、陶瓷制品等嵌件提高工作面的耐腐蚀性以及耐磨性。6 工作液循环系统与润滑系统设计6.1 工作液循环系统设计电火花线切割机床在加工工件时，电极丝与工件之间产生的电化学反应和高温不仅腐蚀了工件，同时也影响加工精度，缩短电极丝的使用寿命，并且腐蚀掉的加工碎屑需要及时排出，因此需要设计工作液循环系统来达到灭弧、冷却、洗涤、防锈、润滑的目的13。6.1.1 工作液的选择在电火花线切割机床加工过程中，工作液作为加工介质，可以维持电极丝与工件之间合适的绝缘度，使得放电通道更窄，将放电能量集中在极其狭小的空间，流动的工作液可以带走放电间隙产生的加工渣，使电极丝和工件及时冷却，除此之外，高端的工作液产生的分解产物对电极丝产生镀覆作用，有效地降低了电极丝的损耗。工作液的选择对影响加工工艺指标有着显著的作用，对电火花线切割机床的加工精度、工作效率、表面质量、工作环境等方面有着深远的影响13。以下是几种常见的工作液和其优缺点：1）油基工作液常见的油基工作液稀释液是矿物油，主要组成成分为矿物油油溶性添加剂等等。最初的电火花加工工作液煤油就属于油基工作液。优点：防锈效果好、切割效率高、绝缘灭弧效果好；缺点：对环境污染严重、易燃引发大火。由于油基工作液污染严重，价格较高且危险性高，因而现已基本淘汰。2）乳化液工作液常见的乳化液工作液稀释液是水，主要组成成分为矿物油、乳化剂添加剂等等。优点：切割效率高、润滑效果好、绝缘灭弧效果较好、节约矿物油；缺点：环境污染较严重。因乳化液工作液的综合效率较好，现在作为主流线切割工作液使用。3）水基工作液常见的水基工作液稀释液是水，主要组成成分为矿物油、乳化剂、水溶性防锈剂、水溶性物质等等。优点：切割效率高、污染较小、节约矿物油；缺点：电介效果差、防锈效果差。随着环保理念的倡导，水基工作液是现在电火花工作液的主要发展方向。综合考虑以上三种类型的工作液的优缺点后，选择采用乳化液工作液为改型线切割机床的适配工作液。6.1.2 工作液循环系统原理常见的工作液循环系统有饱和浸泡式和冲液式两种。慢走丝机床常采用浸泡式的工作液供液方式，因慢走丝机床运丝速度慢，电极丝需要更快的散热速度，该方式适合精度要求较高的线切割机床，而快走丝线切割机床常采用喷嘴冲液式循环工作液的方式。1线架；2上水管道；3液泵；4储液桶；5钼丝6排水槽；7工作台；8过滤器；9下水管道图6-1 工作液循环系统原理图快走丝机床工作液循环系统由液泵、储液箱、过滤器、流量控制阀、上液和排液管道以及工作台上配套的排水槽组成。当按下供液开关，液泵启动将储液箱里的工作液通过上液管道运到喷嘴，喷嘴喷出的工作液将钼丝包裹，达到降温排屑的目的，然后工作液顺着工作台上的排水槽流入排液管道，最后经过过滤器过滤后流回储液箱。6.1.3 液泵的选择图6-2 YBS系列液泵液泵是工作液循环系统的关键元器件，选择合适的液泵要考虑的条件包括：工作液成分、负荷功率、流量稳定性要高、使用寿命要足够长、节能性要好等。YSB系列电动液泵是较常见的机床冷却润滑液泵，YBS系列三相异步交流电动机符合快走丝电火花线切割机床的工作液循环系统的要求。表6-1 各型号YBS系列液泵参数型号额定流量（L/min）额定扬程（m）电动机额定参数功率（kW）频率（Hz）电压（V）电流（A）AB-121234050/60380/2200.24AB-252549050/60380/2200.31AB-5050412050/60380/2200.37AB-100100425050/60380/2200.69AB-200200445050/60380/2201.2参照上表6-1各型号液泵的参数，选择YSB系列AB-12型三相异步交流电动机液泵作为该型号机床的工作液循环系统液泵。6.2 润滑系统设计数控电火花线切割机床具有众多运动部件，如丝杠螺母副、丝杆、轴承、导轨、同步带轮等，为了保证机械平稳精密的运行和延长各运动部件的使用寿命，需要依据GB/T6576-2002为机床设计润滑系统14。6.2.1 润滑点的确定表6-2 机床主要润滑点序号润滑点序号润滑点1Y方向滚珠丝杠副6X方向滚珠丝杠副2Y方向拖板左导轨7X方向拖板左导轨3Y方向拖板右导轨8X方向拖板右导轨4运丝拖板左导轨9往复丝杆副5运丝拖板右导轨10升降丝杆副润滑点是指需要注入润滑剂的地点，一般在选择润滑点的时候会选择相对运动的零部件之间，该型机床的润滑点如表7-1所示。6.2.2 润滑方法的选择主要的机床润滑方法有损耗性润滑系统、循环润滑系统、静压润滑系统三种。损耗性润滑系统是指润滑剂被送到润滑点作用后就被消耗掉；循环润滑系统是指润滑剂被送到润滑点作用后重新返回到油盒里，可以循环利用；静压润滑系统属于流体润滑，即是用流动的润滑剂将静止或者而滑动的表面相互分开。在该机型中轴承和丝架处的导轮采用密封式的润滑脂润滑，其他润滑点采用手动式的多管路集中润滑，这种润滑方式将润滑剂从一个泵的多个出口输出，其中每一个出口独立的负责将润滑剂送到一个润滑点。6.2.3 润滑系统工作原理A手动泵；B一级分流器；C二级分流器；110导流管图6-3 润滑系统工作原理图润滑系统工作原理简图如上图7-2所示，设计手动式的多管路集中润滑原
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