操作方法
目录 目录....................................................... II 前 言....................................................... 1 第1章、 数控电火花线切割加工的基本介绍..................... 2 1.1 数控电火花线切割加工................................. 2 1.1.1 电火花线切割起源............................... 2 1.1.2 数控电火花线切割加工原理....................... 2 1.1.3 数控电火花线切割正常加工必须具备的条件......... 3 1.1.4 数控电火花线切割加工的特点..................... 3 1.1.5 数控电火花线切割的应用范围..................... 4 1.2 数控电火花线切割加工机床的特点............................................... 4 1.2.1数控电火花线切割加工机床的分类..................................... 4 1.2.2 数控电火花线切割加工机床的基本组成.......................... 5 第2章、机床主要参数的确定.................................. 7 2.1 机床的主要技术参数.................................. 7 2.2 确定储丝筒基本尺寸.................................. 7 2.3 传动比的确定........................................ 8 2.4电动机的选择......................................... 8 2.5 传动装置的运动参数设计............................................................... 9 第3章、齿轮副的设计计算................................... 12 第4章、 轴的设计计算及校核................................ 16 4.1 第Ⅰ轴的设计及校核.................................. 16 4.2 第Ⅱ轴的设计及校核.................................. 21 4.3传动螺纹副的设计及校核.............................. 26 第5章、轴承寿命校核....................................... 36 5.1 第Ⅰ轴上轴承的校荷.................................. 36 5. 2 第Ⅲ轴轴上轴承的校荷............................... 37 第6章、 键的强度校核...................................... 39 6.1 联轴器处键的强度校荷................................ 39 6.2 储丝筒端盖与轴联接处键的校荷........................ 40 6.3 第Ⅰ轴与小齿轮联接处键的校核........................ 41 6.4 第Ⅲ根轴上键的校核.................................. 41 第7章、储丝筒的结构设计................................... 43 典型零件加工……………………………………………………………… 45 结论....................................................... 46 致 谢..................................................... 47 参考文献................................................... 48 前 言 毕业设计是学生学完大学教学计划所规定的全部基础课和专业课后，综合运用所学的知识，与实践相结合的重要实践性教学环节。它是四年大学学习的一个总结，是我们结束学生时代，踏入社会，走上工作岗位的必由之路，是对我们工作能力的一次 综合性检验。 1.毕业设计的目的 （1）巩固、扩大、深化我们以前所学的基础和专业知识； （2）培养我们综合分析、理论联系实际的能力； (3) 培养我们调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工具书的能力； (4) 锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工作能力。 总之，通过毕业设计让我们建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使我们受到一次工程师的基本训练。 2、毕业设计的主要内容和要求 （1）调查使用部门对机床的具体要求，现在使用的加工方法；收集并分析国内外同类型机床的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向；调查制造厂的设备、生产能力和技术经验等。 （2）数控电火花线切割机床运丝装置的设计主要是设计储丝筒、传动轴、支撑板、传动齿轮及传动螺纹螺母副，确定各部分的相互关系；拟订总体设计方案，根据总体设计方案，选择通用部件，并绘制装配图和各零件的零件图； （3）进行运动计算和动力计算； （4）其他零部件的设计和选择； （5）编制设计技术说明书一份。 第1章 数控电火花线切割加工的基本介绍 1.1 数控电火花线切割加工 1.1.1 电火花线切割起源 电火花线切割加工WCEDM(Wire Cut EDM)是在上世纪50年代末期由前苏联发展起来的一种特种加工技术，它用直径在0.08～0.3mm的钼丝、钨丝或铜丝做电极，靠脉冲性火花放电蚀除金属，使材料切割成型，故称为电火花线切割。电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法。由于在线切割加工过程中，工件和电极丝的相对运动是由数字信号控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。电火花线切割主要用来加工形状复杂的模具、细小精密零件和能够导电的一些高硬度材料。电火花线切割加工具有加工精度高、加工余量小、生产周期短、制造成本低等优点，已在生产中获得广泛的应用。目前线切割机床已占电加工机床的60%以上。 1.1.2 数控电火花线切割加工原理 电火花线切割加工原理如图1－1所示，工具电极（钼丝或铜丝）接直流脉冲电源的负极，工件接直流脉冲电源的正极，当工具电极和工件的距离在一定范围内时，产生脉冲性火花放电，对工件进行切割。火花放电能够切割工件的主要原因是：正负电极在绝缘工作液中靠近时，由于正负电极的微观表面是凹凸不平的，电极间的电场分布并不均匀，离得最近的凸点处的电场强度最高，两极间介质先被击穿，形成放电通道，同时电流迅速上升。在强大的电场力作用下，通道内的负电子以很高的速度奔向阳极（正极），正离子也以高速奔向阴极（负极）。负电子和正离子在高速运动时互相碰撞，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的强烈轰击，使两电极间隙内的微小通道中瞬时产生高温，通道中心温度达到5000－10000度，瞬时产生的高温由于来不及扩散，使局部金属材料熔化甚至少量金属气化，同时在工件和电极之间的部分绝缘工作液也产生气化，气化后的金属蒸汽和工作液迅速膨胀并产生爆炸，使得熔化和气化后的金属材料从金属表面抛离出来而达到切割的目的。 图1－1 电火花线切割加工原理图 1.1.3 数控电火花线切割正常加工必须具备的条件 （1）工具电极与工件的被加工表面之间必须保持一定量的间隙，间隙的大小由加工电压 、脉冲电流大小，脉冲间隙等电规准来决定，间隙大小一般在几十微米之间。如果间隙小于或大于这个距离，都不能进行火花放电。间隙过小，正负极容易短路，不能产生火花放电；间隙过大，极间电压不易击穿介质，也不能产生火花放电。 （2）在切割工件时，必须在绝缘工作液中进行。常用的绝缘工作液有煤油、皂化液、去离子水等，用的工作液不一样，在相同的电规准下，加工的速度和表面精度也不尽相同。用绝缘性工作液主要有以下几个作用：利于产生脉冲性的火花放电；排除间隙内电蚀产物；起冷却电极的作用。 （3）采用脉冲电源，火花放电必须是脉冲性、间歇性的。 （4）被加工材料必须导电。只有导电材料才能产生火花放电，导电材料一般为金属材料和半导体非金属材料等。 1.1.4 数控电火花线切割加工的特点 ⑴ 接利用线状的电极丝作为电极，不需要像电火花成型加工的成型工具电极，可节约电极设计和制造费用，缩短了生产准备时间。 ⑵ 可以加工用传统切削加工方法难以加工的微细异形孔、窄缝和形状复杂的零件。 ⑶ 利用电蚀原理加工，电极丝与工件不直接接触，两者之间的作用力很小，因而工件的变形很小，电极丝、夹具不需要太高的强度。 ⑷ 传统的车、铣、钻加工中，刀具硬度必须比工件硬度大，而数控电火花线切割机床的电极丝材料不必比工件材料硬，所以可以加工硬度很高或很脆，用一般切削加工方法难以加工或无法加工的材料。在加工中作为刀具的电极丝无须刃磨，可以节省辅助时间和刀具费用。 ⑸ 直接利用电、热能进行加工，可以方便地对影响加工精度的加工参数进行调整，有利于加工精度的提高，便于实现加工过程的自动化控制。 ⑹ 电极丝是不断移动的，单位长度损耗少，特别是慢走丝线切割加工时，电极丝一次性使用，故加工精度高（可达±2.5μm） ⑺ 采用线切割加工冲模时，可实现凸、凹模一次加工成形。 1.1.5 数控电火花线切割的应用范围 电火花线切割加工由于具有诸多优势，主要应用在以下几个方面： （1）广泛应用于冲压模具的加工。 （2）加工微细异形孔、任意曲线窄缝和复杂形状的工件。 （3）加工镶拼型腔模、拉丝模、粉末冶金模、波纹板成型模。 （4）加工样板尺和成型刀具。 （5）加工硬质合金和切割薄片材料。 （6）加工凸轮和特殊齿轮。 （7）加工半导体材料以及稀有、贵重金属材料的割断。 （8）适合于小批量、多品种零件的加工，减少模具制作费用，缩短生产周期。 1.2 数控电火花线切割加工机床的特点 1.2.1数控电火花线切割加工机床的分类 1）．数控电火花线切割加工简述 电火花线切割加工是电火花加工的一个分支，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法，它用一根移动着的导线（电极丝）作为工具电极对工件进行切割，故称线切割加工。线切割加工中，工件和电极丝的相对运动是由数字控制实现的，故又称为数控电火花线切割加工，简称线切割加工。 2）．数控电火花线切割加工机床的分类 （1）按走丝速度分：可分为慢速走丝方式和高速走丝方式线切割机床。 （2）按加工特点分：可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型线切割机床。 （3）按脉冲电源形式分：可分为ＲＣ电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源线切割机床。 1.2.2 数控电火花线切割加工机床的基本组成 数控电火花线切割加工机床可分为机床主机和控制台两大部分。 图1－3 快走丝线切割机床主机 1)．控制台 控制台中装有控制系统和自动编程系统，能在控制台中进行自动编程和对机床坐标工作台的运动进行数字控制。 2)．机床主机 机床主机主要包括坐标工作台、运丝机构、丝架、冷却系统和床身五个部分。图6-1为快走丝线切割机床主机示意图。 （1）坐标工作台 它用来装夹被加工的工件，其运动分别由两个步进电机控制。 （2）运丝机构 它用来控制电极丝与工件之间产生相对运动。 （3）丝架 它与运丝机构一起构成电极丝的运动系统。它的功能主要是对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度，以满足各种工件（如带锥工件）加工的需要。 （4）冷却系统 它用来提供有一定绝缘性能的工作介质——工作液，同时可对工件和电极丝进行冷却。 第2章 机床主要参数的确定 本机床利用电极丝作为工具，在控制机控制下，按规定轨迹对工件进行切割加工。适合加工高精度，高硬度，高韧性的金属模具，样板及形状复杂的零件。广泛用于电子仪器，精密机械，轻工，军工等部门。 2.1 机床的主要技术参数 工作台横向行程 250mm 工作台纵向行程 320mm 加工最大厚度 300mm 加工最大锥度 6/100mm 工作台最大承载重量 120kg 加工最大宽度 320mm 加工最大长度 500mm 加工表面粗糙度 Ra 最高材料去处率 100 电极丝直径范围 0.15~0.25mm 工作液 乳化液 供电电源 380V,三相，50Hz 功耗 1.5KW 机床外形尺寸 （长×宽×高） 1500×1050×1450mm 机床重量 1200Kg 2.2 确定储丝筒基本尺寸 确定走储丝筒直径: 走丝速度一般在 7－12m/s。 确定储丝筒直径，选择电动机转速n=1400r/min. 由可知 当时得： 当时得： 所以选择储丝筒直径应在95.5~163.8之间 为了满足加工要求，设计时储丝筒的直径假设D=130mm,则走丝速度为V=9.52m/s。 2.3 传动比的确定 令储丝筒每转一转时其轴向移动距离s=0.25mm. 丝杠的导程取p=3mm。从储丝筒到丝杠经过两级直齿圆柱齿轮变速，由于机构传动载荷较小，故为了设计简单，加工方便，两级齿轮的传动比取值相等，记为，则，由于，即 可得i=0.29。线切割机床所用的钼丝的直径应小于s，否则，走丝时会产生叠丝现象而导致断丝。 2.4电动机的选择 确定运丝机构所需的功率 ，运丝机构的工作原理是电动机通过弹性连轴器带动长轴转动，长轴中间装有储丝筒另一端是齿轮传动，通过齿轮副传递到第二根轴，第二根轴同样通过齿轮副将运动传递到丝杠，将螺母固定到工作台上面，丝杠与螺母配合，从而驱动整个运丝机构在导轨上运动。驱动运丝机构对于丝杠需要的驱动力记为F，则电动机所需要的功率为 其中——总效率， ——电动机的效率, ＝0.70; ——滚动轴承的效率, =0.99; ——滑动轴承的效率, =0.97; ——齿轮传动的效率, =0.99; ——连轴器的效率，＝0.99； 则， 丝杠的线速度， 力， 则电动机的功率为 转速为， 型号为 YS7124 三相交流异步电动机 电动机的基本参数为 功率：370W 电压： 频率：50Hz 电流： 效率：0.70 转速： 功率因数：0.72 重量：6.8Kg 工作制：S1 绝缘等级：B级 防护等级：IP55 冷却方式：IC411 环境温度： 2.5 传动装置的运动参数设计 从与电动机相连接的高速轴到低速轴算起，各轴依次命名为Ⅰ轴，Ⅱ轴，Ⅲ轴。 1．各轴转速计算 第Ⅰ轴转速 第Ⅱ轴转速 第Ⅲ轴转速 式中 n——电动机转速 ——第Ⅰ轴到第Ⅱ轴传动比 ——第Ⅱ轴第Ⅲ轴传动比 2．各轴功率计算 第Ⅰ轴功率 第Ⅱ轴功率 第Ⅲ轴功率 式中 ——电动机的效率, ＝0.70; ——滚动轴承的效率, =0.99; ——滑动轴承的效率, =0.97; ——齿轮传动的效率, =0.99; ——连轴器的效率，＝0.99； 3．各轴扭矩计算 第Ⅰ轴扭矩 第Ⅱ轴扭矩 第Ⅲ轴扭矩 将以上计算数据列表 轴 号 转 速 n 输出功率 P（W） 输出扭矩 T 传动比 效率 Ⅰ轴 246．4 1680 1 0．66 Ⅱ轴 230 5396 3．44 0．93 Ⅲ轴 222．5 17961.7 3．44 0．93 第3章 齿轮副的设计计算 基于刘易斯公式的疲劳强度设计 刘易斯公式的基本思路是假设一个齿尖承受所有法向负荷这样一种严重的情况，并据此来考虑齿根处所产生的最大弯曲应力。但齿形系数一般使用节点附近的值。 虽说刘易斯公式是在假定所有的负荷都施加在一个齿尖上来计算齿根强度的，但实际上啮合的轮齿不止一个，压力角为20度的标准齿正齿轮的啮合率在1和2之间。如齿数为20和30的齿轮啮合率约为1.6。换言之，在一对齿开始啮合的瞬间，另一对齿已在前一个法向节距处啮合，因此在随后的0.6个法向节距内有两对齿啮合，而在此后的0.4个法向节距内只有一对齿啮合。因此，考虑到把在齿尖承受所有法向负荷时所得出的值y用作齿形系数会大大超过安全侧，于是设计时采用节距附近承受负载是的值y＇啮合率越大则越有利于轮齿强度，因此对于传动齿轮来说，应重点考虑增加其啮合率。 此外，如果压力角变小，则啮合率增大， 齿轮承受的切向负荷、传递扭矩 根据刘易斯公式，正齿轮的轮齿上所承受的切向负荷P和传递扭矩T分别用（1）（2）来表示 …………（1） …………（2） 其中 P：轮齿上的切向负荷（N） T：扭矩（N*mm） ：弯曲应力（Mpa） b: 齿宽（mm） m： 模数 （mm） d： 节圆直径（mm） y＇： 节点附近的齿形系数“模数m基准” Z： 齿数 齿形系数y′“模数m基准”（节点附近加载时的值） （2）最大容许弯曲应力 齿轮的容许弯曲应力会因各种运行条件以及轮齿的大小（模数）而变化，从标准条件下的试验中得出，与各种模数相对应的最大容许弯曲应力，如果运行条件与之不同，则可根据（3）式来修正 其中 ：给定运转条件下的最大容许弯曲应力(Mpa) : 求出的标准条件下的 M90最大容许弯曲应力（Mpa） :使用状况系数（表1-2） ：速度修正系数 ：温度修正系数。 工作温度高时必须修正温度。由于轮齿的弯曲强度与静态弯曲强度间存在良好的相关性，因此可用弯曲强度-温度的关系来修正。例如，当温度为80℃时，可得出 ： 润滑系数 无润滑时=0.8 ： 对象材质系数 对金属时=1 对时 =0.8 ： 材料强度修正系数(表1-3) 也就是要对用（3）式求出的容许弯曲应力和用（1）或（2）式求出的发生应力比较：>则不可 <则可以 因齿轮中经常使用的模数范围0.8-2.即使模数低于0.8，使用模数为0.8的齿轮会更加安全，因此不会出现问题。此外，考虑到偏差因素。 按照图中所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。 选小齿轮齿数Z1=36,大齿轮齿数 Z2=uZ1=3.44×36=123.84，取Z2=124。 齿轮几何参数 计算公式 齿顶高 齿根高 齿顶圆直径 齿根圆直径 齿距p p=лm 分度圆直径d d=mz 塑料齿轮模数的选择可采用下面的公式: m 模数 mm a 设计中心距 mm 两啮合齿轮的齿数 a取96mm 则根据公式 压力角选择α=20° （2） 计算小齿轮传递的扭矩 （3）选取齿宽系数。 2） 计算 （1） 试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 （2） 计算圆周速度v 。 图3-4 小齿轮零件图 图3-5 大齿轮零件图 第4章 轴的设计计算及校核 4.1 第Ⅰ轴的设计及校核 1 轴上的各参数 功率 转速 转矩 2 求作用在齿轮上的力 由齿轮设计部分知小齿轮的分度圆直径为 ， 可以求得 ， 。 3 初步确定轴的最小直径 先按式（15－2）初步估算轴的最小直径。 根据表15－3取A=112,于是得 由于轴较长，并且轴上装有储丝筒直径较大，最小直径处需要与 连轴器相配合，另外轴上开有键槽，查表选取键的类型及其尺寸 为普通平建5×5×20mm 选取连轴器为弹性柱销连轴器，与轴配合的尺寸 取，长度为。 图4—1 第一根轴的装配方案 4．轴的结构设计 1） 定轴上零件的装配方案 如图所示 2) 确定轴的各段直径和长度 (1) 为了满足半联轴器的轴向定位要求，Ⅰ-Ⅱ段右端需要制 出一轴肩，故取段的直径，段的长 度首先要考虑到在不需要拆卸联轴器的情况下能够将轴承盖取下查看轴承。因此取。 （2）初步选择滚动轴承。因为轴承仅承受径向力的作用，但是 由于轴较长，并且轴的直径较小，储丝筒在高速运转下要求平稳，无不正常震动。储丝筒外圆振摆应小于0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应彻底消失。故在，段 各安装一对调心球轴承，型号为D36204 GB276，基本尺寸为 d×D×T＝17×40×12mm，故， 而。 （3）轴承采用轴肩定位，轴，段的直径除了轴向 定位轴承外还要装配储丝筒，因此， ，，段需要安装储丝筒端盖，周向采用普通平键定位，键的基本尺寸为： 。 （4）储丝筒的轴肩定位，段对储丝筒器轴肩定位的作用， 因此其直径取。长度根据储丝筒的长度确定 。 （5）轴段安放齿轮，同时在齿轮与轴承之间采用套筒进 行轴向定位，由于齿轮与箱体壁最小间距为6mm，齿轮采用普 通平键进行径向定位，键的尺寸为：， 轴上各尺寸为，。 （6）齿轮右端采用螺母进行轴向定位， ，螺纹的螺矩为1mm。 （7）段为方形，其边长为10mm，轴向长度为13mm， 主要是为了装钼丝时用手轮搅动方便而设计。 3）确定轴上圆角和倒角尺寸 轴端及各轴肩倒角均取1×。圆角半径见零件图示。 4）求轴上的载荷 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图， 图4—2 第一根轴的受力分析 由图分析各支点处的受力状况： 由前已知： 转矩 在垂直面内对B点取矩可得： 式中，， ，。 将这些数值代入上式课求得 。 又由 ，可得。 则在垂直面内B，C，D点处的弯矩分别为 ； 。 计算水平面内各量 对B点取矩 可得 由可得 ， ，表示其方向与图示假设方向相反。 则在水平面内B，C，D点处的弯矩 。 如图所示 轴上A－E点各处的扭矩均相等， 。 可知D点处弯矩最大，其值为 。 从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面D是轴的危险截面。 现将计算出的截面D处的，及列于下表 载荷 水平面H 垂直面V 支反力F 弯矩M 总弯矩 扭矩T 5）按弯扭合成应力校荷轴的强度 进行校荷时，通常只校荷轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即 危险截面C）的强度。根据式15－5及表中的数据，并取 ，轴的计算应力 前已选定轴的材料为45钢，调质处理由表15－1查得 。因此，故安全。 4.2 第Ⅱ轴的设计及校核 1．轴上的各参数，以下各量均为第二根轴的输出参数： 功率 转速 转矩 2．求作用在齿轮上的力 由齿轮设计部分知大齿轮的分度圆直径为 可以求得大齿轮上的受力状况： 同样右端销齿轮上受力状况为： 3．初步确定轴的最小直径 先按式（15－2）初步估算轴的最小直径。 根据表15－3取A=112,于是得 ， 轴上最小直径处是螺纹连接，其作用是对齿轮起到轴向定位的 作用则，长度用两个螺母紧固。 4．轴的结构设计 1） 拟定轴上零件的装配方案 如图所示 图4—3 第二根轴的零件图 2) 确定轴的各段直径和长度 (1) 对于轴Ⅱ由以下几种装配方案： 其一，传统的传动方案，由于轴的长度较小，可以将轴的 左端利用滑动轴承紧固在箱体上，为了增加轴的传动平稳性， 可以增加轴承的数量，在轴段安放两个调心球轴承，同时 在箱体壁上开处直径的孔，为了轴承的拆卸方便，轴 承外圈与箱体壁的配合采用过盈配合。 轴上齿轮采用普通平键联接固定在轴上，右端同样采用螺母轴向定位，由于第二级齿轮传动的齿轮同时对轴由着支撑的作用这种方案的缺点是轴的平稳性能不够好，成本较高。 其二，将轴固定在箱体壁上，同时在箱体壁上开出直径为 的孔，一边轴的拆卸方便，轴上需要安放齿轮，同时 齿轮要作高速旋转，同样又有两种方案： a. 轴与齿轮间采用滚动轴承联接，但是由于齿轮的轮毂长 度较大，对于每个轮毂上需要安放两个滚动轴承，其缺点是成本较大安放与拆卸麻烦。 b. 轴与齿轮间采用滑动轴承配合，即能满足传动的要求， 又节约成本，轴瓦的材料可以选用铸造青铜，因为铸造青铜主 要用于高速，重载的轴承，同时可以承受较大的冲击，其成分为。 对比以上装配方案，在同样能够满足使用要求，同时又经济， 装配与拆卸方便的原则，可知第二种装配方案种的滑动轴承联 接更好。 以下就采用此方案进行计算确定轴的各参数。 （2）轴与段需要安放滑动轴承，滑动轴承的轴瓦与齿轮装配，根据齿轮的轮毂直径及其轮毂长度同时要考虑到轴向定位的稳定性，确定与段的尺寸，， ，，，这两个轴段 需要装滑动轴承，加工精度要求较高，表面粗糙度要达到1.6。 （3） 大齿轮左端采用轴肩定位，轴肩高度要求，取