数控电火花线切割机床设计(有全套图纸)

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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
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结论.....................................................................30 致谢.....................................................................31 参考文献................... ..............................................32
坐标工作台的的传动精度对工艺指标的影响...........................11
3 结构设计..............................................................12 3.1 工作台外形尺寸及重量计算..........................................12 3.2 滚珠丝杠副的设计计算..............................................13 3.3 导轨的确定........................................................15 3.4 步进电机的选用....................................................17 3.5 轴承的设计计算....................................................18 3.6 X 向齿轮副的选用..................................................19 3.7 Y 向齿轮副的选用..................................................25
2.3 主要参数...........................................................9 2.4 方案确定...........................................................9 2.4.1 2.4.2 2.5 床身结构....................................................9 X-Y 工作台..................................................9
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目
录
1 绪论...................................................................1 1.1 电火花加工的产生和加工原理......................................... 1 1.1.1 电火花加工的来源...............................................1 1.1.2 电火花加工的物理本质和工作原理................................ 1 1.2 电火花加工的现状及发展..............................................4 1.2.1 电火花线切割加工的现状.........................................4 1.2.2 电火花线切割机的发展策略.......................................5 1.2.3 设计过程......................................................6
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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）
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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
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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
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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，
2 工作台设计方案及其分析.................................................7 2.1 数控电火花线切割机床的机构组成及其作用.............................7 2.2 坐标工作台的组成...................................................8