快走丝线切割机床的总体设计

摘要
快走丝线切割机是我国独创的电加工设备，它结构简单，价格低廉，使用成本低，是我国产量最大、应用最广泛的机床种类之一。

这篇论文详细介绍了快走丝线切割机床的主要作用、结构特点及其组成。

对通用快走丝线切割机床的总体设计过程及计算方法作了具体的描述和分析。

通过对快走丝线切割机床的各部分设计和计算，利用SolidWorks完成对该机床的三维建模和工程图。

同时对快走丝线切割机床的机械部件的选择设计，功能部件的选用及校核、主要零部件的使用与维护进行了具体的分析。

完成设计任务。

【关键词】快走丝线切割机床机械设计三维建模工程图
Abstract
Due to its simple structure，less expensive, high-speed wired electro-discharge machine(WEDM) is widely produced and used in China. This thesis introduced in detail the high-speed wired electro-discharge machine, including the main function, structure and composition.The general design process and calculation method for the high-speed wired electro-discharge machine were specifically descripted and analyzed.The 3D modeling and engineering drawings of the high-speed wire electro-discharge machine, including every parts, and assembly based on Solidworks are finished.The selection and design of functional components, calculation of this machineand as well as checking mechanical components of high-speed wire electro-discharge machine are completed. The usage and maintenance about main component were concretely analyzed.The design task is completed.
【KEYWORDS】High-speed wire electro-discharge machine，Machine design，Three-dimensional Modeling，Engineering drawing
目录
前言 (4)
1 本设计的目的及任务要求 (6)
1.1 本设计的目的及意义 (6)
1.2 本设计的任务及内容 (7)
1.3 本设计的目标及要求 (7)
2 快走丝线切割机床概述 (8)
2.1 快走丝线切割机床技术现状 (8)
2.2 快走丝线切割机床加工技术的发展趋势 (9)
2.3快走丝线切割机床的特点 (13)
2.3.1快走丝线切割电火花加工的优点： (13)
2.3.2快走丝线切割电火花加工的局限性： (14)
2.4 快走丝线切割机床的工作原理 (14)
3 快走丝线切割机床结构总体设计 (15)
3.1机械结构设计概述 (15)
3.2快走丝线切割机床结构组成 (15)
3.3快走丝线切割机床设计步骤 (16)
3.3.1设计步骤框图 (16)
3.3.2总体方案设计 (17)
3.4快走丝线切割机床结构总体设计 (17)
3.3.1 总体设计指导思想 (17)
3.3.2总体布局方案设计 (18)
3.3.4 数控机床总布局的其他趋向 (19)
4 快走丝线切割机床的机械部分设计 (20)
4.1 床身的设计 (21)
4.2 工作台设计 (21)
4.3 线架轨道设计 (21)
4.4 运丝机构的设计 (22)
4.5 各部分连接设计 (23)
5 快走丝线切割机床功能部件的选用及校核计算 (23)
5.1 齿轮的选择计算 (23)
5.2 滚珠丝杆副的选择计算 (25)
5.2.1 丝杆螺母类型的选择 (25)
5.2.2丝杆螺母传动形式选择 (25)
5.2.3 丝杆螺母预紧方式选择 (26)
5.2.4 滚动轴承的选择 (27)
5.2.5 滚珠丝杠副支承方式的选择 (27)
5.2.5 制动装置的选择 (29)
5.2.6 滚珠丝杠副的防护 (29)
5.3电机的选择 (30)
5.3.1快走丝线切割机床对电机的要求 (30)
5.3.2各类型电机的比较及选型 (30)
5.3.2 关于电机选择的计算 (32)
6 三维图纸设计制作及工程图设计 (33)
6.1 丝杆螺母的三维建模 (33)
6.2 凸缘联轴器的三维建模 (34)
6.3 X.Y方向拖板的装配体三维建模 (34)
6.4 Z方向线架的装配体三维建模 (35)
6.5 总装配 (36)
6.6 工程图的设计制作 (38)
总结与体会 (40)
致谢 (41)
参考文献 (42)
前言
随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品的更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。

激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。

传统的加工设备
和制造方法已经难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。

因此近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术。

目前，数控技术正在发生根本性变革，它集成了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。

汽车、拖拉机与家用电器等行业的产品零件，为了解决高产优质的问题，多采用专用的工艺装备、专用自动化机床或专用的自动生产线和自动化车间进行生产。

但是应用这些专用生产设备，生产准备周期长，产品改型不易，因而使新产品的开发周期延长。

在机械产品中，单件和小批量产品占到70%—80%，这类产品一般都采用通用机床加工，当产品改变时，机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。

通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些由曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率收到很大的限制。

数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。

数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。

同时，数控技术的利用关系到国家的战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

快走丝线切割机床是电火花线切割机床的一种，也叫高速走丝电火花线切割机床（WEDM-HS），其电极丝（一般采用钼丝）作高速往复运动，走丝速度为8～10m/s，电极丝可重复使用，加工速度较高，走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿，使加工质量下降，是我国生产和使用的主要机种，是我国独创的电火花线切割加工模式。

本设计以DK7725型快走丝线切割机床为模板，通过自选机械部分，使用SolidWorks对其进行了3D建模以及工程图制作。

1本设计的目的及任务要求
1.1本设计的目的及意义
高等院校的毕业设计教学过程是实现本科培养目标要求的重要培养阶段，毕业设计是大学期间，学生毕业前的最后学习阶段，是学习深化与升华的重要过程，是学生学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验，是学生毕业及学位资格认证的重要依据，是衡量高等学校教育质量和办学效益的重要评价内容。

本设计对通用快走丝线切割机床的总体设计过程及计算方法作了具体的描述和分析。

通过对快走丝线切割机床的各部分设计和计算，利用SolidWorks完
成对该机床的三维建模和工程图。

同时对快走丝线切割机床的机械部件的选择设计，功能部件的选用及校核、主要零部件的使用与维护进行了具体的分析。

完成设计任务。

1.2本设计的任务及内容
电火花线切割加工工艺是机械制造、模具制造、零件加工不可或缺的加工手段，在汽车、摩托车、航空、航天、船舶、军工等行业广泛应用，机床数量需求庞大。

模具制造是目前电火花线切割机床的主要作用，据统计，我国至少有80%的电火花线切割机床用于冲压模加工。

本题目设计一种快走丝线切割机床，以满足应用要求。

基本参数如下：
①.四轴数控系统。

工作台X、Y轴全闭环控制；丝轴（垂直方向）U、V。

②.步进或伺服驱动。

③.工作台最大工作行程(X、Y): 500×300mm。

④.丝轴（垂直方向）最大行程250mm。

⑤.驱动速度：0～3m／min。

⑥.位置控制精度：±0.01mm。

⑦.重复精度：±0.1mm。

1.3 本设计的目标及要求
本设计任务结合科研课题，主要培养学生进行调查研究，收集、分析和加工整理文献资料，正确使用设计资料进行机床产品设计计算、应用CAD软件进行计算机辅助三维设计、工程制图、技术文件编写的能力。

要求学生综合运用所学知识，独立分析和解决问题，完成设计任务。

毕业设计应完成以下工作量：
1.毕业实习，撰写毕业实习报告。

2.文献检索，查阅和收集资料文献检索，收集、查阅文献资料10篇以上，记
录、分析整理资料。

3.掌握快走丝线切割机床的工作原理、使用条件、存在的问题，设计方法及步
骤。

4.线切割机床的设计计算。

5.应用SOLIDWORKS进行线切割机床零部件和装配三维设计。

6.线切割机床主要零部件和装配体工程图（全部图纸折合为零号图纸不少于
3张）
7.毕业设计说明书一份（2万字左右，有英文题目和摘要）。

8.整理归档毕业设计日志。

9.翻译与课题有关的外文资料，译文不少于3000字。

10.制作5-10分钟内的毕业答辩多媒体课件。

2快走丝线切割机床概述
2.1 快走丝线切割机床技术现状
具有我国特色的数控高速走丝电火花线切割加工技术自60年代末研制成功以来，经过30年的不断完善和发展，现已成为制造业中不可缺少的加工手段。

目前，高速走丝线切割机的切割速度已由过去的20～40mm2/min普遍提高到100mm2/min以上，有的可达到260mm2/min，机床的加工精度为±0.01mm，工件
1.25～
2.5μm,因而可满足一般模具加工和其他复杂零件制
的表面粗糙度为R
a
造的要求。

随着科学技术的发展，对各类产品的制造要求越来越高，对线切割加工技术也提出了更高的要求。

国外(欧美、日本等)研究发展的数控低速走丝电火花线切割机为适应对制造加工技术的要求，采用闭环数字交(直)流伺服控制系统，确保优良的动态性能和高定位精度，加工精度可控制在若干微米以内。

同
时机床具有数字自适应控制电源、自动穿丝、自动卸除废料、短路自动回退等自动化技术，此外对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。

由于使用了新技术并注重计算机软件技术的更新和发展，低速走丝线切割机的工艺指标已达到了相当高的水平。

即使对形状复杂零件的加工，最高切割速度也可超过300mm2/min；尺寸精度可达到±2～5μm；表面粗糙度可达到R
0.1～0.2μm(多
a
次切割)。

机床的自动化程度高，加工稳定性好，已向无人化加工发展。

由于高、低速走丝线切割加工采用不同的技术方案，无论是机床的结构，还是运丝系统或是加工条件都有很大的差异。

简单地对比机床的加工性能未必十分恰当，但排除价格因素，与低速走丝线切割加工技术水平相比，高速走丝线切割加工的精度、功能、工艺指标、自动化程度等方面还有明显的差距。

随着科技的发展，对制造技术的要求越来越高，高速走丝线切割机面临相当严峻的形势，应加快发展机床新技术，运用新工艺，奋力赶上。

2.2 快走丝线切割机床加工技术的发展趋势
高速走丝线切割机由于受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的开环控制、加工中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、振源比较多、导轮磨损大)等因素影响，机床的加工精度有限。

以目前机床的现状，要在较短的时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争，困难是相当大的，而且研究开发的代价也会很高，机床的制造成本将大幅度提高，从现实和市场的角度来考虑都是不太适宜的。

因此，高速走丝线切割机的发展策略是扬长避短，以发展中低档机床为主，使机床向适当加工精度、良好的加工稳定性和容易操作的方向发展，来满足不断发展的生产需要。

目前市场上高速走丝线切割机最大的优势在于拥有良好的性能价格比，机床的进一步发展必须以此为基本出发点，不能过分强调机床加工精度，而忽视机床性能价格比的因素。

如违背这一原则，机床制造商和用户都难以接受。

为在较短的时间内，使高速走丝线切割机的加工性能有较大的提高，在今后的发展中应优先注意以下方面的研究。

2.2.1 基于PC的数控系统的开发
数控系统是数控机床的核心部分，其控制性能不仅直接影响机床加工的质量和稳定性，而且也是扩大机床加工范围、实现复杂加工的重要手段。

目前，
各国都非常重视数控技术的研究，将其作为实现制造技术突破性发展的一个重点。

数控系统技术当前发展的一个重要趋势是开放式数控系统。

其含义是：数控系统的开发者在一个统一的体系结构下开发自己的产品，该体系结构是一个广泛认可且透明的规范。

这种结构对电加工机床数控系统的重要性已非常明确了［1］。

高速走丝线切割机要进一步发展，必须摆脱单板机作为数控系统，采用新的数控系统。

根据目前国际上数控系统发展趋势及PC的发展情况，应开发和使用基于PC的数控系统。

众所周知，PC本身是插卡式结构，是标准的开放式体系结构的系统。

如高速走丝线切割机开发基于PC的数控系统，那将是国产高速走丝线切割机数控系统向开放式数控系统发展的一个有效方法。

当前，PC 的价格持续下降，而性能和稳定性不断增强，使用PC不仅为高速走丝线切割机数控系统提供了优越的硬件平台，而且能保持机床性能价格比的优势。

目前国内已有基于PC的高速走丝线切割机数控系统，但其主要功能是加工轨迹编程，机床加工控制功能还很不完善，没有充分利用PC的资源。

今后，可在以下几个方面开展工作：
(1)传统的伺服进给控制系统多采用分立元件组成逻辑电路，对放电状态的检测一般采用平均电压法，这种方法的缺点是对放电间隙状态的检测不够准确，对放电开路状态较敏感，而对正常放电和短路放电状态响应较慢，难以进行准确的进给跟踪，因此加工的稳定性差。

解决放电间隙的检测必须对放电状态进行分类统计，并建立控制模型，可采用单独的芯片实现对放电间隙的检测，控制模型以软件的形式存在于PC中，芯片与PC以RS 232接口或主板插卡的方式连接。

(2)传统的脉冲电源多为等频的矩形和分组脉冲信号，放电信号不随放电加工中的间隙状态而自适应变化，加工效果差，因此研制数字自适应脉冲电源的意义重大，该电源可直接与PC相连接，获得放电间隙状态的信息，并根据一定的算法进行自适应控制。

(3)加工参数的优化选取对高速走丝线切割加工也非常重要。

长久以来，高速走丝线切割的工艺数据库和加工参数优选功能为国内机床制造商所忽略，高速走丝线切割的工艺参数优化及自动选取软件将是新一代高速走丝线切割
机必备的，同时基于PC的数控制系统可十分容易地将此软件模块进行集成。

(4)目前的高速走丝线切割机几乎没有教育培训功能，因此机床的操作培训难，机床的的使用性能依赖操作人员的水平，已是众所皆知的问题，而基于PC的数控系统将充分利用目前PC日益成熟的多媒体技术，将为这一功能的实现提供良好的软、硬件基础。

充分利用PC的资源来开发高性能的数控系统，将是高速走丝线切割机的一个重要发展方向。

2.2.2 人工智能(AI)技术的运用
智能化数控系统也是当前数控技术发展的另一个重要趋势。

由于在机床加工控制系统中使用了智能控制技术，机床自动如有经验的操作者一样使加工过程持续、稳定、优化地进行。

人工智能技术也成功地运用到加工参数的设定、加工程序的生成、工件位置的测定及加工结果的测量等整个机床操作过程，大大地提高了机床的加工性能和自动化程度，降低了对操作者的要求，使非熟练操作者也能取得熟练操作者的加工效果。

且人工智能技术多以计算机软件的形式存于主控系统，因此研究开发的成本低，而且功能易于扩展、使用灵活、更新的速度快，在当前提高数控机床的自动化、可操作性和增强机床的功能中所起的作用越来越大。

高速走丝线切割加工由于运丝速度快、开环控制等加工特点，故放电加工过程具有复杂的随机性，传统理论对其研究进展缓慢，加工机理至今还不十分明了。

人工智能技术的兴起，为高速走丝线切割加工技术的进一步发展提供了新的有效方法。

低速走丝线切割机中，机械部分已是相当稳定，现在主要是软件的功能不断更新、增强，并逐步发展到运用人工智能技术。

作为有中国特色的高速走丝线切割机，应抓住这次机会，充分重视人工智能技术的研究和运用。

人工智能技术运用到电火花线切割加工，在国际上也是一个新的领域，因此有一定的难度，在研究中要针对高速走丝线切割加工的关键性环节，同时注意借鉴国外发展的经验，使高速走丝电火花线切割机向智能化方向发展，以提高机床的整体加工性能。

目前国内已开始进行人工智能技术在电火花线切割加工中的研究，然而研究的深度和广度还很不够。

还有许多方面有待进一步研究：
(1)高速走丝线切割机的伺服进给变频调节一直依靠操作人员，因此操作
人员的工作强度大，机床性能的发挥受到限制。

模糊控制技术是人工智能技术中的一个重要方面，它能模仿熟练工人对机床进行控制，已在电火花成形机上成功地应用，在电火花线切割加工中具有良好的应用前景。

(2)总结多年来高速走丝线切割加工工艺研究成果，建立相应的知识库和专家系统，降低机床的操作难度是十分必要的。

瑞士阿奇公司的Agievision 专家系统，其智能化功能只需规定一些有关加工工件的性能和加工要求即可。

加工工序是自动生成，且自动连接各道工序，无须人工干预，大大降低了机床操作人员的工作强度。

(3)在加工参数自适应等方面能有所作为。

日本沙迪克公司推出了NF(神经模糊)数控电源，它不必输入复杂的NC代码能自动选择加工参数，并可根据加工状态自动进行调节，使电加工机床成为一般操作人员也能使用好的机床，解决了电火花加工过程中工艺参数设置长期以来取决于操作人员水平的问题。

将最新发展的人工智能技术引入到高速走丝线切割机中，研制高速走丝线切割机的智能化控制部件和执行机构，这与当前国家优先发展高技术产业是一致的，具有重要的实际意义。

2.2.3 机床设计的改善
为改善高速走丝线切割机的加工精度，必须进一步改进机床的结构，使其更为合理。

目前机床的整体结构多为音叉式，此种结构的刚度差，固有频率低，易发生振动，且放电加工将产生大量的热，使机床的本体发生较大的热变形，这都在一定程度上影响了高速走丝线切割机的加工精度。

因此，在设计机床整体结构时，必须充分利用先进的技术手段进行分析以提高机床结构的合理性。

这方面的研究将涉及到运用先进的计算机有限元模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。

同时，机床运动精度的改善对提高加工精度也是十分重要的，传统的方法是通过提高工作台传动链的零件精度与传动刚度来改善线切割机的运动精度，但这将使机床的成本大为增加。

而建立在基于PC数控系统的高速走丝线切割机，可方便地运用螺距误差与间隙补偿技术来提高机床的运动精度，这种方法可在进给系统开环控制状态下，较大幅度地提高机床的加工精度，且成本低，非常适合高速走丝线切割机。

高速走丝线切割机的一个重要特征是电极丝高速往复循环使用，这使机床
运丝系统的稳定性较差。

当丝高速运行时，引起的振动较大，且导轮磨损大，此外电极丝的恒张力控制及张力分档调节较难，运丝系统的这些特点在一定程度上影响了加工精度。

因此，必须加强对走丝系统结构的深入研究并进行改进，保证放电加工时电极丝运动的稳定性。

对于电极丝的往返循环使用使电极丝产生放电损耗是不能忽视的，它会对加工精度产生影响。

此外在重视商品包装的今天，机床的外观设计和包装也十分重要，注意运用人机工程学和美学对高速走丝线切割机进行设计是很重要的，这对富有中国特色的高速走丝线切割机走向世界具有重要意义。

总之，改善机床设计的研究涉及面较广，在考虑保持机床性能价格比优势的前提下，研究开发的难度是很大的，然而，一旦有所突破，将对高速走丝线切割加工技术产生重大的影响。

2.2.4 多次切割工艺的应用
多次切割加工是高速走丝线切割加工技术的一个重要发展方向。

目前无论是金属切削机床还是低速走丝线切割机，一次加工都无法得到良好的加工效果，欲达到较高的加工精度，都必须在粗加工后再作精加工才能获得。

低速走丝线切割机能达到很高的加工精度，也因采用了多次切割工艺。

为改善高速走丝线切割机的加工品质，必须进行多次切割加工的研究。

以往的高速走丝线切割机由于功能和结构所限，不具备进行多次切割的基础。

近年来，高速走丝线切割机的脉冲电源、进给策略和电极丝的张力控制等方面有了较大的提高，为多次切割工艺的应用提供了可能性。

目前有的高速走丝线切割机已能实施多次切割加工，并能一定程度地提高加工精度。

然而，研究应用的深度还不够。

为更好地实现多次切割加工，机床的功能和结构有待于进一步改进和提高；为保证多次切割加工的效率，仍须大幅度提高一次加工的速度，第一次切割加工的速度应保持在100mm2/min以上［4］。

国内的研究机构在进行多次切割研究的同时，要注意尽快地把研究成果转化到机床的加工技术中，以实现加工精度的提高。

2.3快走丝线切割机床的特点
2.3.1快走丝线切割电火花加工的优点：
（1）可以加工难以用金属切削方法加工的零件,不受材料硬度影响。

（2）由于工具电极与工件电极不直接接触,没有机械切削力。

所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性,工具电极可以做的十分微细,能进行微细加工和复杂型面加工。

（3）电火花加工是通过脉冲放电来蚀除金属材料的,而脉冲电源的参数随时可调,因此在同一情况下,只需调整电参数即可切换粗、半精、精、超精加工。

2.3.2快走丝线切割电火花加工的局限性：
(1)电火花加工生产效率低。

(2)被加工的工件只能是导体.
(3)存在电极损耗,这就影响了成型精度。

(4)加工表面有变质层。

(5)加工过程必须在工作液中进行。

电火花加工时放电部位必须在工作
液中,否则将引起异常放电。

(6)线切割加工有厚度极限。

2.4 快走丝线切割机床的工作原理
电火花线切割加工是通过电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极，高频脉冲电源通电后，当工件与电极丝之间的距离小于放电距离时，脉冲电能使介质（工作液）电离击穿，形成放电通道，在电场力的作用下，大量的带负电荷的电子高速奔向正极，带正电荷的离子奔向负极，由于电离而产生的高温使工件表面熔化，甚至汽化，使金属随着电极丝的移动及工作液的冲击而被抛出，从而在工件表面形成凹坑。

在高温区中由于极性效应，电极丝与工件分配的能量不一样，因而电极丝与工件的表面温度也不一样，并且由于电极丝的熔化温度要大大高于工件材料的熔化温度，同时电极丝又在高速离开高温区，因而在高温区中电极的蚀除量要大大小于工件的蚀除量，这就时代工件表面形成较大的凹坑，而在电极丝的表面形成很小的凹坑，由于加工过程是连续的，步进电机受到控制不断进给，以保持电极丝与工件之间维持放电所必须的间隙，因而工件就逐步被切出一条缝隙。