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高速电火花打小孔机床机械结构的设计(含三维SW模型及CAD图纸)
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高速电火花打小孔机床机械结构的设计(含三维SW模型及CAD图纸),高速,电火花,小孔,机床,机械,结构,设计,三维,SW,模型,CAD,图纸
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毕 业 设 计高速电火花打小孔机床机械结构设计学生姓名:XXX专业班级:机械设计XXXX级X班指导教师:XX 讲师学 院:机电工程学院2013年05月东北林业大学毕 业 设 计 任 务 书高速电火花打小孔机床机械结构设计学生姓名:XXX专业班级:机械设计XXXX级X班指导教师:XX 讲师学 院:机电工程学院2014年05月05日题目名称:高速电火花打小孔机床机械结构设计任务内容(包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求)1. 搜集资料:查阅图书馆,资料室的有关资料,对查阅的资料进行分类和标注,作为以后的撰写工作做基础。另外通过网络进行资料的收集,可以在期刊和有关的学术论文中学习相应的设计方法。2. 通过实习。将实习中所学到的知识运用到设计中。通过对比,修正设计的中相应的参数。3. 利用自己所学的,如机械原理等知识进行机构及磨片的创新设计,利用机械设计知识进行零部件的设计以期待在老师的指导下取得设计的最佳方案4. 运用 CAD等软件,完成产品的概念、外观、结构、零部件和总体设计,并完成虚拟装配。2. 计划与时间安排:1)2013年12月05 日2013年12月20日:调研、搜集文献资料。利用网络检索功能查找有关电火花打小孔机床的各方面资料。2)2014年3月15日2014年3月30日:设计任务分析,确定电火花打小孔机床的主要参数查找并计算其他的相关参数,进行磨片齿形的创新设计及监测控制系统的设计,确定整体方案。3)2014年4月1日2014年5月15日:利用CAD软件来完成对电火花打小孔机床结构的平面绘制工作。4)2014年5月16日2014年6月15日:编写设计说明书,对图纸进行最终的修改和完善,进行最终的答辩。其中: 参考文献篇数:说明书字数:图纸张数:20篇以上8 000字以上折合A0图纸4张,其中至少1张装配图专业负责人意见签名:年 月 日 高速电火花打小孔机床机械结构设计摘要本次设计是对高速电火花打小孔机床的设计。在这里主要包括: Z轴传动系统的设计、机架工作台系统的设计、液态介质循环系统系统。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练,提高了分析和解决工程技术问题的能力,并为进行一般机械的设计创造了一定条件。整机结构主要由电动机产生动力通过联轴器将需要的动力传递到丝杆上,丝杆带动丝杆螺母,从而带动整机装置运动装置运动,提高劳动生产率和生产自动化水平。更显示其优越性,有着广阔的发展前途。本论文研究内容:(1) 高速电火花打小孔机床总体结构设计。(2) 高速电火花打小孔机床工作性能分析。(3)电动机的选择。(4) 高速电火花打小孔机床的传动系统、执行部件及机架设计。(5)对设计零件进行设计计算分析和校核。(6)运用计算机辅助设计,对设计的零件进行三维建模。(7)绘制整机装配图及重要部件装配图和设计零件的零件图。 关键词:高速电火花打小孔机床, 联轴器,滚珠丝杠 A small machine mechanical structure design of high-speed electric sparkAbstractThis design is the design of high-speed electric spark pinhole machine. Here mainly includes: Z axis transmission system design, the frame work system design, liquid medium circulation system. The graduation design on the design of the basic skills training, enhancing the analysis and to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.The structure is mainly produced by the motor power through the coupling will need to transfer the power to the screw rod, the screw rod drives the screw rod nut, which drives the motion machine device, improve labor productivity and automation level of production. But also show its superiority, there are broad prospects for the development.The research of this thesis:(1) a small overall structure design of high-speed electric spark machine tool.(2) analysis of small hole machine tool working performance of high speed electric spark hit.(3) the choice of motor.(4) transmission system, execution unit and a high speed EDM drilling holes on the machine.(5) the design of components for the design calculation and check.(6) the use of computer aided design, 3D modeling on Design of parts.(7) to draw the assembly drawing and parts assembly diagram and parts diagram design.Keywords: high speed EDM drilling holes on the machine, coupling, ball screwVII目 录目 录VI1概述81.1 电火花加工简述81.2 电火花加工工作原理81.3 电火花加工特性81.4 电火花加工主要特点92 高速电火花打小孔机床总体设计112.1总体概述112.2 技术参数113 高速电火花打小孔机床 Z轴机械结构设计123.1 确定脉冲当量123.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型123.2.1 精度的选择123.2.2丝杠导程的确定123.2.3 最大工作载荷的计算123.2.4 最大动载荷的计算133.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型133.2.6 滚珠丝杠副的支承方式143.2.7 传动效率的计算143.2.8 刚度的验算143.2.9 稳定性校核153.2.10 临界转速的验证153.3 步进电动机的选择163.4 丝杠轴的校核173.5 键的校核183.6 轴承的校核193.7 直线滚动导轨副的计算、选择193.8 立柱的强度与刚度的计算224 高速电火花打小孔机床液态介质循环系统的设计254.1 工件电极的设计254.2 电极材料254.3电极的结构形式264.4电极尺寸的确定275 高速电火花打小孔机床的三维虚拟展示30结 论35参考文献36致 谢37东北林业大学本科设计1概述1.1 电火花加工简述电火花加工是浸在液体中的另外的导电材料的特殊加工方法电腐蚀的电极之间的脉冲放电,也被称为放电加工或电蚀,英文简称EDM。1943,苏联学者蒂夫妇发明了电火花加工,用脉冲电源和控制系统的改进,并迅速发展。脉冲电源的最初使用的是一个简单的电阻-电容电路。电阻电感电容回路50时间的改善。同时,还采用了脉冲发生器,一个长脉冲电源,提高去除效率,相对的工具电极损耗。其次是大功率电子管,闸流管,高频脉冲电源,使在提高生产率相同的粗糙度条件。60在一个晶体管和可控硅脉冲电源,提高能源效率和减少工具电极损耗,并扩大了粗、精加工的可调范围。70出现在低压和高压脉冲,多回路脉冲,脉冲可调的脉冲电源,表面粗糙度,加工精度和降低工具电极损耗和取得新进展。在控制系统方面,从最初简单的维持放电间隙,控制工具电极,微型计算机的发展,对电参数和非电参数的实时控制。1.2 电火花加工工作原理电火花加工时,工具电极和工件分别与脉冲电源的两极,并浸在液体中,或在放电间隙的液体灌装。通过间隙自动控制系统控制工具电极对工件的间隙,当两个电极之间有一定的距离,两个电极施加的脉冲电压将工作液体击穿,产生火花放电。在微通道放电瞬间集中了大量的热量,温度可高达摄氏一万度,压力也很大,这使这一点工作表面局部微量金属材料立刻熔化,气化,并爆炸溅到工作流体,快速冷凝,形成金属的固体颗粒,是工作流体。然后对工件表面会留下一个小坑,放电痕迹,暂停,恢复绝缘状态的两个电极之间的工作流体。然后,在两个电极的另一点故障下的脉冲电压比较接近,火花放电,重复上面的过程。因此,虽然每个脉冲金属体积放电消融以每秒数千次的几十个,但由于脉冲放电的影响,可以去除更多的金属,具有一定的生产率。在工具电极与工件之间的侵蚀条件下的恒流放电间隙,当工件金属,当工具电极与工件,最后处理相应的工具电极的形状。因此,只要对电极和工件和工具电极的形状类型之间的相对运动的变化,可以生产各种形状的。工具电极用导电性好,熔点高,易加工的耐电蚀材料,如铜,石墨,铜钨和钼。在这个过程中,工具电极是有损的,但小于金属侵蚀量,甚至接近没有损失。工作液作为放电介质,但也发挥了作用,在冷却过程中,芯片。的工作流体是低粘度,闪点高,性能稳定的媒体,如煤油,去离子水和乳液。1.3 电火花加工特性1:电火花加工速度和表面质量模具电火花通常用于粗,精加工,文件的处理方法。粗加工的方式来实现高功率,低损耗,并且,在精加工电极相对损耗,但总的来说,精加工余量少,因此电极的磨损也很小,可以通过加工尺寸控制进行补偿,或被忽略而不影响精度的要求。2:火花碳渣和渣电火花加工顺利在残炭和消除碳渣平衡条件。在实践中往往以消除在处理速度为代价的残碳,如高电压,使用结束时,静息脉等。排除碳渣的影响已加工表面形状的另一个原因是复杂的,使排屑路径不畅。只有积极创造良好的条件,采取一些方法来对症积极治疗。3:工件和电极损耗之间的火花电火花放电脉冲时间长,有利于降低电极损耗。电火花加工的粗加工一般采用长脉冲大电流放电加工速度快,电极损耗。在结束的时候,小电流放电必须降低放电脉冲时间,不仅增加了电极损耗,也降低了处理速度大大。电火花加工是一种新的技术,从加工完全不同。随着工业的发展和科学技术的进步,高熔点,高硬度,高强度,高脆性,高粘度和高纯度的性能的新材料的出现。具有工作越来越要求的各种复杂的结构和特殊的技术,使传统的机械加工方法无法处理或难加工。因此,除了进一步发展和完善的加工方法的人,也能寻求新的加工方法。电火花加工方法能适应生产发展的需要,并表现出了许多优异的性能,故应用,得到了迅速的发展和广泛的应用。1.4 电火花加工主要特点1对普通切削方法加工难加工材料和复杂形状工件;2没有切削力的加工;3无毛刺和条纹缺陷;4工具电极材料不需比工件材料硬;5功率处理直接使用,容易实现自动化;6处理后的表面改性层,必须进一步去除中的一些应用;7在烟雾污染治理工作液的净化处理。电火花加工的主要目的是:模具和复杂形状的工件的孔和型腔加工;各种难加工硬脆材料,如硬质合金、淬火钢;深孔加工孔,异形孔,深槽,窄、切割片;各种异型工具处理,模型和螺纹环规工具和量规。电火花加工主要用于孔,模具型腔加工,已成为模具制造行业的领先的加工方法,提高模具行业的技术进步。电火花在3000以下零件号,模具冲压件更为经济合理。根据与所使用的工具和工件的相对运动特性的电火花加工工艺的不同,可分为:电火花加工,电火花线切割,电火花铣削加工和电火花加工,电火花加工非金属表面强化处理,等。这种方法是通过工具电极进给运动相对于工件,对工件的工件电极形状和大小的复制,因此加工所需要的零部件。它包括放电腔的加工和机械加工两个。放电腔的加工主要用于各种热锻模具型腔加工,压铸,挤压模具,塑料模具和塑料薄膜。电火花加工主要用于孔(孔,方孔,孔,多边形孔),曲线控(弯孔,螺丝孔,孔和微孔)处理。近年来,为了解决电极孔的横截面小,加工容易变形,孔深径比大,在电火花加工屑困难的问题,在高速加工的发展,取得了良好的经济效益和社会效益。电火花打孔机能够处理任何高强度,高硬度,高韧性,高脆性和高纯度的导电材料,也可以加工方形孔内,微孔和深孔高长径比。在这个过程中,电火花加工的原理是通过电流击穿介质产生的热量,气化和熔化的材料,不产生切削力,所以不会产生毛刺和条纹缺陷。由于电火花是缓慢的,高频脉冲电源的使用,可以提高工作效率,以实现高速电火花加工钻孔机床的设计目的。342 高速电火花打小孔机床总体设计2.1总体概述电火花小孔加工机床能加工不锈钢,淬火钢,硬质合金,铜,铝等多种导电材料 ,能加工孔径0.3-3mm,最大深径比能达300:1以上,加工速度每分钟可达40-60mm ,能直接从斜面,曲面穿入 ,工作台X,Y,Z轴配有光栅数显,Z轴具有定深功能 。2.2 技术参数工作台面尺寸 (mm) Worktable dimensions(mm)438318438318工作台行程 (mm) Worktable stroket(mm)350250350250Z轴行程 (mm) Servo travel (mm)300+300300+300加工深度 (mm) Maching thickness(mm)03000300最大加工速度 (mm/min) Max.machining removalrate (mm/min)6565最大加工电流 (A) Max.machining current (A)3030加工孔径范围 (mm) Max.wire (mm)0.330.33工作台承受重量 (kg) Max.weight of Worktable (kg)200200工作液 Work fluid水/皂化液 water/saponification水/皂化液 water/saponification工作液桶容量 (L) Work fluid bucket capacity (L)3030机床供电电源 Total power380V/50Hz380V/50Hz最大消耗功率 (KVA) Max.rate of electrode wear (KVA)3.5 KVA3.5 KVA机床外形尺寸 (mm) Overall dimensions(mm)1100750170011007501700机床重量 (kg) Weight(kg)600600控制方式 control mannerZ轴自动 travel autoZ轴自动 travel auto数显 Digital display三轴数显 3二轴数显 2Z轴定深功能 travel auto control thickness有 YES无 NO3 高速电火花打小孔机床 Z轴机械结构设计3.1 确定脉冲当量一个进给脉冲,使高速电火花打小孔机床运动部件产生位移量,也称为高速电火花打小孔机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控高速电火花打小孔机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控机床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲。根据高速电火花打小孔机床精度要求确定脉冲当量0.01mm/脉冲。3.2滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动,其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠,使螺纹间产生滚动摩擦。丝杠转动时,带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器,与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合,可设置预紧装置。为延长工作寿命,可设置润滑件和密封件。3.2.1 精度的选择滚珠丝杠副的精度直接影响数控高速电火花打小孔机床的定位精度,在滚珠丝杠精度参数中,其导程误差对高速电火花打小孔机床定位精度最明显。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床,选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级(1级精度最高),Z轴为25级,考虑到本设计的定位精度要求和改造的经济性,选择X轴精度等级为3级,Z轴为4级。3.2.2丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关,通常在:4、5、6、8、10、12、20中选择,规格较大,导程一般也可选择较大(主要考虑承载牙厚)。在速度满足的情况下,一般选择较小导程(利于提高控制精度),本设计中初选向丝杠导程为8。3.2.3 最大工作载荷的计算最大工作载荷是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力,也叫进给牵引力,其实验计算公式如表3-1所示。表3-1 实验计算公式及参考系数导轨类型实验公式矩形导轨1.10.15燕尾导轨1.40.2综合或三角导轨1.150.15-0.18表中为考虑颠覆力矩影响时的实验系数;为滑动导轨摩擦系数;为移动部件总重量。G=1000 N查表3-1选择综合导轨,取1.15,取0.18,为1000;算得=1.151197+0.18(3420+1000) =2171.553.2.4 最大动载荷的计算载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化(系统产生惯性力),此类载荷为动载荷。比如起重机以等速度吊起重物,重物对吊索的作用为静载,起重机以加速度吊起重物,重物对吊索的作用为动载。对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷计算公式如下: 式中:滚珠丝杠副的寿命系数,单位为r,(T为使用寿命,普通高速电火花打小孔机床T取5000-10000h,数控高速电火花打小孔机床T取15000h;n为丝杠每分钟转速); 载荷系数,一般取1.21.5,本设计取1.2; 硬度系数(HRC58时取1.0;等于55时取1.11;等于52.5时取1.35;等于50时取1.56;等于45时取2.40); 滚珠丝杠副的最大工作载荷,单位为N。本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度,初选丝杠基本导程,则丝杠转速。取滚珠丝杠使用寿命,带入得=90;取,代入,求得 :=17390N。3.2.5 滚珠丝杠螺母副的选型初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷, 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时,还应使额定静载荷。根据计算出的最大动载荷,选择江苏启东润泽高速电火花打小孔机床附件有限公司生产的FL4008-3型内循环式滚珠丝杠副,采用双螺母螺纹式预紧,精度等级为4级,其参数如表3-2所示。表3-2 FL4008-3型滚珠丝杠相关参数公称直径/导程/钢球直径/丝杠外径/丝杠底径/额定载荷/接触刚度/ 18974084.76338.635.2466313.2.6 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动,为了提高轴向刚度,丝杠支承常用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大,本设计丝杠采用双推简支支承方式,该方式临界转速、压杆稳定性高,有热膨胀的余地。3.2.7 传动效率的计算滚珠丝杠的传动效率一般在0.80.9之间,其计算公式如下: =式中:螺距升角,根据,可得=291; 摩擦角,一般取=10。算得: =96.67%3.2.8 刚度的验算滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用,引起导程的变化,从而影响定位精度和运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母间滚道的接触变形、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形。因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小,所以、可以忽略不计,所以丝杠的拉伸或压缩变形量为:=(“+”号代表拉伸,“-”代表压缩)式中:丝杠的最大工作载荷,单位为; 丝杠纵向最大有效行程,单位为; 丝杠材料的弹性模量,钢; 丝杠的横截面面积,单位按丝杠螺纹的底径确定。根据前面的设计,为3234.36,取1665,为45.24,算得: =0.01597=15.97查表3-3可知,,所以刚度足够。表3-3 有效行程内的目标行程公差和行程变动量有效行程精度等级12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513.2.9 稳定性校核由于滚珠丝杠本身比较细长又受轴向力的作用,若轴向负载过大,则会产生失稳现象,不失稳时的临界载荷Fk应该满足: =式中:丝杠支承系数,双推-简支方式时,取2,其他方式如表3-4所示; 滚珠丝杠稳定安全系数,一般取2.54,垂直安装时取最小值,本设计取4; 滚珠丝杠两端支承间的距离,单位为,本设计中该值为2000;(其中工件加工长度为1400,取2000,留600的两端余量) 按丝杠底径确定的截面惯性矩(,单位为),本设中将代入算出=205513.36。 由以上数据可以算出:= 临界载荷远大于工作载荷(3234.36N),故丝杠不会失稳。表3-4 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值40 临界转速的验证滚珠丝杠副高速运转时,需验算其是否会发生共振的最高转速,要求丝杠的最高转速: 式中:丝杠支承系数,双推-简支方式时,取值如表3-5所示;临界转速计算长度,单位为,本设计中该值为2300;丝杠内径,单位;安全系数,可取=0.8表3-5 丝杠支承系数支承方式双推-双推双推-简支单推-单推双推-自由取值27.418.912.14.3 经过计算,得出=1293,由已知,可以算出,该值小于丝杠临界转速,所以满足要求。3.3 步进电动机的选择(1)工作台质量折算到电机轴上的转动惯量丝杠的转动惯量 式中 滚珠丝杠的公称直径; 丝杠长度。则齿轮的转动惯量 电机的转动惯量很小可忽略。因此,总转动惯量 (2)所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩最大切削负载时所需力矩快速进给时所需力矩式中 空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩;折算到电机轴上的摩擦力矩;由于丝杠预紧所引起,折算到电机轴上的附加摩擦力矩;切削时折算到电机轴上的加速度力矩;折算到电机轴上的切削负载力矩。 当时 当时 当时, 时 当时预加载荷,则 所以,快速空载启动所需力矩 切削时所需力矩 快速进给时所需力矩由上分析计算可知,所需最大力矩发生在快速启动时:(3)纵向进给系统步进电机的确定为了满足最小步距要求,电动机选用三相六拍工作方式,查表知所以,步进电机最大静转距为步进电机最高工作频率综合考虑,查表选用110BF003型直流步进电动机,能满足要求7-12。3.4 丝杠轴的校核需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时,若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角;当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时,则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时,要求验算受力最大的齿轮处,但通常可验算传动轴中点处挠度(误差%3).当轴的各段直径相差不大,计算精度要求不高时,可看做等直径,采用平均直径进行计算,弯曲刚度验算;的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁,其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角,然后叠加,注意方向符号,在同一平面上进行代数叠加,不在同一平面上进行向量叠加。:通过受力分析,最大挠度:查【1】表3-12许用挠度; 。3.5 键的校核键和轴的材料都是钢,由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值,。键的工作长度,键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式(6-1)可得可见连接的挤压强度足够了,键的标记为:3.6 轴承的校核、轴轴承的校核轴选用的是深沟球轴承6206,其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值,所以齿轮越小越靠近轴承,对轴承的要求越高。根据设计要求,应该对轴未端的滚子轴承进行校核。轴传递的转矩 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为:在水平面:在水平面: 因轴承在运转中有中等冲击载荷,又由于不受轴向力,【4】表13-6查得载荷系数,取,则有: 轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。、其他轴的轴承校核同上,均符合要求。3.7 直线滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:C0为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0(一般运行状况),3.05.0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:(1)选BR直线滚动导轨导轨,E级精度.查得,fh=1,ft=1,fc=0.81,f=1,fw=1.(2)工作寿命每天8小时,连续工作5年,250/年,额定寿命为:Lh=52508=10000 h,每分钟往复次数nz=8L=(2lsnz60Lh)/(103)=(20.3186038400)/ (103)=11428Km计算四滑块的载荷,工作台及其物重约为4000N计算需要的动载荷CP=110/4=27.5N C=( fwP)(fh ft fc f)(L/50)1/3=208N由机械电子工程专业课程设计指导书表3-20中选用LY15AL直线滚动导轨副,其C=606N, C0=745N.基本参数如下:导轨的额定动载荷N依据使用速度v(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨的工作寿命Ln:额定行程长度寿命: 导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够.(3)滚动导轨间隙调整预紧可以明显提高滚动导轨的刚度,预紧采用过盈配合,装配时,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量。(4)润滑与防护润滑:采用脂润滑,使用方便,但应注意防尘。防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨,以提高导轨寿命。防护方式用盖板式。3.8 立柱的强度与刚度的计算由于横梁是三个方向上尺寸相差不太多的箱体零件,用材料力学的强度分析方法不能全面地反应它的应力状况。目前,在进行初步设计计算时,还只能将横梁简化为简支梁进行粗略核算,而将许用应力取得很低。按简支梁计算出的横梁中间截面的应力值和该处实测应力值还比较接近,因此作为粗略核算,这种方法还是可行的。但无法精确计算应力集中区的应力,那里的最大应力要大很多。横梁的强度及刚度计算:(1)集中载荷 如对锻造液压机砧座的窄边,可看作集中载荷,受力简图如下:图中简支梁的跨度为立柱窄边或宽边中心距由砧座的放置位置而定。最大弯矩:Mmax = PL /4最大挠度:max = PL/48EJKPL/4GF各符号代表意义同前。 (2)均布载荷 一般是对砧座宽边或模锻,镦粗等情况,受力简图如下:最大弯矩为:Mmax =PL/4qL1/8式中: q 均布力,q =P/L1(N/cm); L1 均布力分布宽度(cm)。若设L1 =2/3L,则最大挠度为:max =11/648PL/EJ +KPL/6GF最大弯矩为:Mmax =P/2最大剪力为: Qmax =P/21受力分析 横梁I-I截面受力图及剪力弯矩图。 均布载荷 图3-3 横梁受力图 在I-I截面上弯矩为: (3-13) 截面(-)剪力: (3-17) 2截面-强度计算 截面宽度 截面高度 截面积 (3-18) 面积重心至x轴距离 截面对x轴的静面矩 (3-19) 静面矩S与面积重心至x轴距离乘积 (3-20) 各截面积的惯性矩 (3-21) 重心至x轴的惯性矩 截面对x轴的惯性矩 (3-22) 截面对x轴的惯性矩 (3-23) 受压截面和受拉截面弯曲应力相等为 (3-24) 由此可得,在截面-上弯曲应力小于许用应力,安全。3截面-剪切强度计算 由分析得,最大应力在中心横断面及截面-上。 (3-25) 式中: Q截面-剪切力 B简化截面宽度 H简化截面高度 代入得: (3-26) 由此可得,在截面-上剪切强度小于许用剪切强度,安全。 4 高速电火花打小孔机床液态介质循环系统的设计电火花高速小孔机属于电火花加工又称放电加工机床的一种。快速的线,线,线切割,电火花加工和电火花加工孔,外圆磨床等机床相同。别名:小孔机,冲床,冲床。工作原理:用细电极丝连续运动,除了金属腐蚀脉冲火花放电,工件的切割和成型。和电火花线切割机,成型机不同的是,它的电脉冲空心铜电极棒。介质从铜孔通过放电和工件,该金属的目的穿孔腐蚀,孔加工超硬的钢,硬质合金,铜,铝和任何导电材料。图5.1 液态介质循环系统图4.1 工件电极的设计电火花加工的特点,模具,工具电极的形状准确地再现工件(模具)。因此,该电极是一个不可或缺的工具,在电火花加工。合理的设计和制造的电极,与加工精密模具孔或腔的密切关系。为了保证加工精度的模具,在电极的设计,必须选择合适的电极材料,电极结构是合理和正确的几何尺寸,还应考虑电极过程。4.2 电极材料目前,常用的电极材料有:铸铁、钢、纯铜、黄铜、铜钨合金、银钨合金、石墨等。这些材料的性能见表5.2.2所示。表5.2.2 电火花成形加工常用电极及其性能4.3电极的结构形式电极的结构形式应根据模具型孔或型腔的尺寸大小,复杂程度及电极的加工工艺性等来确定,常用的电极结构有下列几种形式:(1)整体电极 整体电极就是用一整块电极材料加工出的完整电极,这是型孔或型腔加工中最常用的电极结构形式,图4.2.4所示即为型腔加工用整体电极的结构形式。当电极面积较大时,可在电极上开一些孔,或者挖空以减轻重量。(2)对于穿孔加工,有时为了提高生产率和加工精度,降低表面粗糙度,可以采用阶梯式整体电极。所谓阶梯式整体电极就是在原有的电极上适当增长,而增长部分的截面尺寸适当均匀减小(f=0.10.3mm),呈阶梯形。如图4.2.5所示,l1为原有电极的长度,l2为增长部分的长度(为型孔深度的1.22.4倍)。加工时利用电极增长部分来粗加工,蚀除掉大部分金属,只留下很少余量,让原有的电极进行精加工。阶梯电极有许多优点:能充分发挥粗加工的作用,大幅度提高生产效率,使精加工的加工余量降低到最小,特别适宜小斜度型孔的加工,易保证模具的加工质量,并且可减少电规准的转换次数。根据上述电极设计,选择黄铜电极。4.4电极尺寸的确定(1)电极横截面尺寸的确定电极横截面尺寸是根据凹模(或凸模)的尺寸及公差,凸模、凹模配合间隙和放电间隙的大小确定的。电火花放电间隙的大小与电极材料、模具材料、电规准的选择、设备的精度及工作液等有关。为了保证模具加工后的表面粗糙度,最后必须用精规准修出,因此在确定电极尺寸时,应先按相应的条件得到放电间隙值。在凸模、凹模零件图上标注的公差时,根据模具的设计基准不同,有不同的标注方法。因此,电极截面尺寸的确定也要按以凹模设计为基准,还是凸模设计为基准两种情况来讨论。1)按凹模尺寸和公差确定电极横截面尺寸 如图5.2.9所示凹模型孔不同部位的尺寸公差标注。其相应部位电极横截面尺寸的计算公式如下: 式中s单面放电间隙;电极制造公差,通常取模具公差的1/22/3,并按“入体原则”标注。 2)按凸模尺寸和公差确定电极横截面尺寸 图4.2.10所示为凸模尺寸及公差标注,由于凹模、凸模配合间隙的不同又存在三种情况:凸模、凹模单边配合间隙等于放电间隙(z/2s):电极横截面尺寸和凸模截面尺寸完全相同,电极公差取凸模公差1/23/2。凸模、凹模单边配合间隙小于放电间隙(z/2s):电极应按凸模四周每边均匀缩小一个值(sz/2),电极横截面尺寸计算公式如下: 凸模、凹模配合间隙大于放电间隙(z/2s),电极应按凸模四周每边均匀放大一个值(z/2s),电极横截面尺寸计算公式如下: 式中s单面放电间隙;z/2凸模、凹模单边间隙;电极制造公差,取模具公差的1/22/3。由以上相应公式设计计算出的电极横截面尺寸适合一般型孔的电火花加工,对加工型腔的电极还应考虑精加工及抛光加工余量。图5.2.11 穿孔加工用电极长度1-电极;2-凹模(2)电极长度的确定在电极长度确定方面,穿孔加工与型腔加工是不同的,穿孔加工只计算电极长度,而型腔加工还须考虑各纵截面的形状和尺寸。穿孔加工电极长度的确定 图5.2.11所示为穿孔加工用电极长度。电极长度按下式计算: 式中 l电极总长度;l1精加工用的电极长度;l2粗中加工用的电极长度;t电极长度损耗(用铸铁电极,当加工钢模具时, t =0.9t1;当加工硬质合金模具时, t =1.7t1。用钢电极,当加工钢模具时, t =1.1t1;当加工硬质合金模具时, t =2.1t1);t1凹模有效刃口厚度;t2凹模中有较大斜度的漏料部分厚度;t粗中加工的电极端面损耗比。当凹模的刃口为全刃口,没有斜度较大的漏料部分时,电极长度仅计算l1部分,即l=l1,但此时凹模有效刃口厚度t1应为t。以上计算所得的电极长度是电火花穿孔加工时的工作部分长度,需要夹持时,还要加上夹持部分长度。若采用同一只电极加工几副模具时,其电极的长度应加长,每多加工一副模具应比原来的长度约增加0.40.8倍。但电极总长度一般不应超过110120mm,否则将会给加工带来困难。5 高速电火花打小孔机床的三维虚拟展示 1.机架机架如图5.1图6.1 机架2.操作面板图6.2 操作面板3.立柱组件图6.3 立柱组件4.电机图6.4 电机5.丝杆图6.5 丝杆6.联轴器图6.6 联轴器7.导轨滑块机构图6.7 导轨滑块机构8.电机座图6.8 电机座9.整机装配图6.9 整机装配结 论本课题结合目前国高速电火花打小孔机床的研究现状和发展方向,具体阐述了一种高速电火花打小孔机床开发过程。本文主要完成的工作如下:1、高速电火花打小孔机床结构方案的确定。分析了高速电火花打小孔机床的特点,确定了高速电火花打小孔机床基本结构,并确定其基本尺寸。2、确定了高速电火花打小孔机床技术指标及参数。对该高速电火花打小孔机床进行了计算。3、零件的刚度和寿命计算与校核。对各个已设计零件进行刚度和寿命计算,确保满足使用要求,使该高速电火花打小孔机床有足够的可靠性。通过本次毕业设计,不仅把大学所学到的理论知识很好的运用到毕业设计中,而且培养了自己认真思考的能力,在处理问题时有了新的认识和方法,并加强了和同学之间进行探讨和解决问题的能力。通过对专业知识的接触和深入学习,以及对相关信息的获取,我深切地认识到,就目前的发展而言,我国的工业还比较落后,与发达国家相比还存在很大的差距。尽管我们不断地在努力,但想在很短的时间内改变这种现状是很难的,尤其是对于我们这样一个国情的大国。所以,我们应该拥有的是一种民族意识,不断的追求创新。 本次毕业设计中,我做的是整体设计部分,通过本次毕业设计,不仅锻炼了自己查阅资料的能力,而且能够熟练运用国家标准、机械类手册和图册等工具进行设计计算分析。这次毕业设计还让我体会到团体的力量,提高自己的团队意识,遇到问题时和小组成员进行讨论和分析或是请教老师,直到得到满意的结果。展望:希望能将这套设计应用到具体实践当中,通过实践来验证理论的正确性。通过理论知识与具体实践结合起来,才能真正把一门知识应用起来。参考文献1 张建民.机电一体化系统设计M.高等教育出版社,2001(2):4549.2 冯开平,左宗义.画法几何与机械制图M.华南理工大学出版社,2005(3):5160.3 顾崇衔.机械制造工艺学M.陕西科学技术出版社,1999(6):11.4 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学M.高等教育出版社,2002(4):7983.5 李佳.高速电火花打小孔机床数控化改造机应用M.北京:清华大学出版社,2001:70-88.6 张立勋.机电一体化系统设计M.高等教育出版社,2007:40-51.7 濮良贵.机械设计(第七版)M.北京:高等教育出版社,2004:34-46.8 徐灏主.新编机械设计师手册M.北京:机械工业出版社,1995:99-140.9 张立勋,董玉红.机电系统仿真与设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006:53-78.10 吴宗泽.机械结构设计M.北京:机械工业出版社,1987:97-112.11 白文庆.数控改造化车床的数控设计J.机械产品与科技,2005,3(2):92-102.12 张丽芳.数控改造化车床的数控设计设计J.船电技术,2008,11:56-65.13 张建明.机电一体化系统设计M.北京:高等教育出版社,2001:77-94.14 张树森.机械制造工程学M.沈阳:东北大学出版社,2005:167-180.15 顾维邦.金属切削高速电火花打小孔机床概论M.北京:机械工业出版社,2005:6-30.16 周开勤,康蓉城.机械设计师实用手册M.天津:天津科学技术出版社,1992:435-474.17 唐仲文.实用高速电火花打小孔机床数控化改造技术手册M.北京:北京出版社,1993:203-255.18 牛大年.机械原理M.北京:高
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