线切割机床的设计说明书 - 图文

班级：070212 学号：070210102

姓名：党方超

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《机电一体化系统设计》

目录

简介??????????????????????????3 线切割机床的加工原理???????????????????4 系统传动过程???????????????????????5 原始数据?????????????????????????6 设计过程分析与计算????????????????????6 最大动载荷????????????????????????????6 丝杠的选择???????????????????????????7 导轨的选择????????????????????????????9 用SimulationXpress对线切割中的线架进行应力分析?????12 数控系统的选择?????????????????????13 主要外购件???????????????????????14 参考文献????????????????????????15 致谢??????????????????????????16

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一、简介

数控电火花线切割机床，简称线切割机床，是以运动的金属丝为工具电极，在控制系统的控制下，按预先设定的轨迹对工件进行加工。线切割机床适合加工各种模具，切割微细精

密及形状复杂的零件、样板，切割钨片、硅片等。

为什么叫中走丝？背景简介：

所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝线切割机床，即走丝原理是在粗加工时采用高速（8-12m/s）走丝，精加工时采用低速（1-3m/s）走丝 。以表中最大切割速度 ，以轨迹为圆计算则满足中走丝要求。

中走丝也是电火花线切割机床的一种，工作原理是利用连续移动的钼丝（称为电极丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。其走丝速度及工件质量介于快走丝和慢走丝之间所以叫做中走丝，准确的说：中走丝是快走丝的升级产品，所以也可以叫：能多次切割的快走丝，所以它的加工速度接近于快走丝，而加工的质量也趋于慢走丝。走丝速度在1～12m/s之间，可以根据需要进行调节。

中走丝在保留快速走丝线切割机床结构简单、造价低、工艺效果好、使用过程消耗少等特点的基础上,引用国际上精密模具加工设备的先进理念及慢走丝多次切割技术(即第一次切割用较大的电规准进行高速粗切割,然后用精规准和精微规准进行第二次、第三次甚至第四、五次切割，将加工表面逐级修光,以获得较理想的加工表面质量和加工精度),该机比快走丝更人性化,便捷化,适用范围更广，不仅电极丝移动速度介于“高速”与“低速”之间，而且加工质量高于\高速走丝机\并逼近低速走丝机。所以中走丝给模具行业带了了一个革命，大大改善了原来快走丝加工质量差的弱点，同时很大程度上降低了模具制造的成本！中走丝--快走丝的价格，慢走丝的品质！

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二、线切割机床的加工原理

(1)线切割——数控电火花线切割加工的简称。

(2)工作原理：利用移动的金属丝作工具电极，并在金属丝和工件间通以脉冲电流，利用脉冲放电的腐蚀作用对工件进行切割加工的。

(3)由于它利用的是丝电极，因此，只能作轮廓切割加工。 (4)工作原理如图所示。

图2 线切割机床的加工原理

1--数控装置 2--储丝简 3--导轮 4--电极丝 5--工件 6--喷嘴 7--绝缘板 8--脉冲发生器 9--液压泵 10--水箱 11--控制步进电动机

(5)当工件与线电极间的间隙足以被脉冲电压击穿时，两者之间即产生火花放电而切割工件。

(6)通过数控装置l发出的指令，控制步进电动机11，驱动X、Y两托板移动，可加工出任意曲线轮廓的工件。

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三、系统传动过程

1、 工作台的传动过程： X方向：控制系统送出进给脉冲→→X轴步进电机MX→→齿轮6/齿轮5→→丝杆CX→→螺母LX→→下拖板；

Y方向：控制系统送出进给脉冲→→Y轴步进电机MY→→齿轮7/齿轮8→→丝杆CY→→螺母LY→→上拖板；

控制系统每送出一个脉冲，工作台拖板移动0.001mm。另外用X、Y方向两个手摇手柄也可以使工作台实现X、Y方向移动。 2、 运丝装置的传动过程：

运丝电机M→→联轴器→→贮丝筒高速旋转→→齿轮4/齿轮3→→齿轮2/齿轮1→→丝杆C→→螺母L→→行程开关；

运丝装置带动电极丝按一定线速度运动，通过线架上的排丝轮、导轮将电极丝整齐地排绕在贮丝筒上，行程限位开关控制贮丝筒的正反转。

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四、原始数据

本线切割机床设计为数控普通中走丝线切割（参数如下）：

线切割机床机械部分技术参数表

类型 数控普通中走丝线切割

工作台尺寸(mm) 880mm*540mm 工作台行程mm(XY) 420mm*320mm

最大线架高度mm(可

调) 400 最大加工锥度 /80mm

6度 最大切割速度 >120mm2/min 最佳加工面粗糙度 R≤2.5um 电极丝直径 ?0.10-0.19mm 保护功能 断线自动关掉走丝电机 加工精度 按GB7926-87标准

工作台移动脉冲当量

0.001mm 供电电源 50Hz，220V 机床消耗功率 <1KVA 最大工作重量 700Kg 主机重量

1800Kg

五、设计过程分析与计算：

(1)最大动载荷：

已知机床最大切割速度为>120mm2/min，最大加速度为

amax?1.3m/s2,导程 PVmaxh?hsp

i?nmax=5mm.

工作行程

sw?0.42m.摩擦阻力

Fe?3N.ta?0.12s。 tw?3.9s。

最大工作重量m?700kg。则，工作台施加在丝杠上的轴向力为

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Fa?m?amax?700kg?1.3m/s2?910N

取丝杠滚珠寿命为20000h.则工作动载荷为：

1?63??fwFm?(60nmLh?10)?13313.3NCa

（2）丝杠的选择：

滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线

运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性： 传动效率高、 定位精度高、 传动可逆性、 使用寿命长、 同步性能好. 滚珠丝杠副是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

滚珠丝杠副的特点： 1、动力更省

驱动力矩仅为滑动丝杠副的1/3，具有较高的运动效率，可以更加省电。 2、高精度的保证

滚珠丝杠副都是由高水平的机械设备连贯生产出来的，制作精度更高。 3、微进给可能

滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。 4、无侧隙、刚性高

滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性。 5、高速进给

滚珠丝杠副由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给(运动)。 a、滚珠丝杠副的载荷计算

(1) 工作载荷F

工作载荷F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向作用力，其数值可用下列进给作用力的实验公式计算 (2) 对于滚动导轨机床

F=Fx+f'(Fz+W)+Fr

式(1)～(5)中：Fx、Fy、Fz—x、y、z方向上的切削分力；Fr—密封阻力； W—移动部件的重量；M—主轴上的扭矩，N·m； dz—主轴直径，mm； (3) 平均工作载荷Fm与平均转速nm

当机床工作载荷随时间变化且此间转速不同时，

式中：t1,t2,…，tn分别为滚珠丝杠在转速n1,n2,…，nn下，所受轴向载荷分别是F1,F2,…，

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Fn时的工作时间(min)

当工作载荷与转速接近正比变化且各种转速使用机会均等时，可用下式求得Fm和nm。

Fm=(2Fmax+Fmin)／3 nm=(nmax+nmin)／2

b、滚珠丝杠副主要技术参数的确定

(1) 导程Ph

根据机床传动要求，负载大小和传动效率等因素综合考虑确定。一般选择时，先按机床传动要求确定，其公式为：

Ph≥vmax/nmax

式中：vmax—机床工作台最快进给速度，mm/min； nmax—驱动电机最高转速，r/min。

在满足控制系统分辨率要求的前提下，Ph应取较大的数值。

(2) 螺母选择

由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高要求，故选择螺母时要注重其刚度的保证。推荐按高刚度要求选择预载的螺母型式。其中插管式外循环的端法兰双螺母应用最为广泛。它适用重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。并在大导程、小导程和多头螺纹中具有独特优点，且较为经济。

① 滚珠的工作圈数i和列数j。根据所要求性能、工作寿命，推荐按下表选取。

要求特性 插管式(i×j) 滚珠循环流畅

1.5×2 1.5×3 2.5×1 刚性

2.5×2 2.5×3

② 法兰形状。按安装空间由标准形状选择，亦可根据需要制成特殊法兰形状。

(3) 丝杠螺纹长度l

按下式计算：l＝lu＋l1＋2le(13)

式中：lu—机床工作台有效行程，mm； le—余程(按表4选取)，mm； l1—螺母长度，mm。

(7) 校核计算 ① 稳定性验算

丝杠压曲时的临界载荷P按欧拉公式计算：

P=0.5×(bπ2EI)/(L2a)=a(d4r)/(L2a)×104

式中：E—弹性模量，E=2.1×105，N／mm2； I—丝杠断面最小惯性矩 I=πd4r/64,mm4; dr—丝杠谷径,mm;

La—螺母至固定端处最大距离(如下表中简图所示)，mm；

a、b—与丝杠安装方式相关的系数，其值按下表选取。并满足Fmax≤P。

安装方式

简 图

a b λ β

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固定—自

由 1.3 0.25

1.875 3.4

支承—支

承 5.1 1 3.142 9.7

固定—支

10.2 2 3.92承 7 15.1

固定—固

20.3 4 4.73定

0

21.9

根据丝杠受轴向压力选取丝杠直径，已知Fa?910N，支撑间距L?700mm，查表

得m?10.2，带入公式：

dsp?4F2aLm?104?4910N?70010.2?104?8.35mm

极限转速nc校核

为防止丝杠转速接近其固定振动频率时发生共振，需对丝杠极限转速nc和Dn值进行校核计算。

极限转速按下式计算

式中：E—弹性模量E=2.1×105， N／mm2； Lb—安装距离，mm；

β、λ—丝杠安装方法有关的系数，其值按表7选取； γ—比重，γ＝7.85×10-5 N／mm3； I—丝杠断面最小惯性矩I=πd4r/64，mm4； dr—丝杠谷径，mm；

A—丝杠断面积，A=πd2r/4，mm。 nc应满足： nmax＜nc。

Fmax≤P1

C、确定滚珠丝杠副型号与规格

综合上述所选主要技术参数，根据滚珠丝杠产品样本，即可确定所选滚珠丝杠副型号规格。因此丝杠选择CTB32O4-P3，满足要求。 （3）导轨的选择

导轨选择滚珠导轨，由于工作台行程为420mm?320mm。最大工作重量m?700kg，

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动导轨数p=4,则实际导轨受载荷:

F700kg?10m/s2P???1750N44

一年按300个工作日计算，寿命需在8年之上。

Th?300?20?8?160

平均移动速度v=5m/min.则行程寿命为：

Ts?Th?5?60/103?1400km

取

fc?0.81,fH?1,fT?1,fW?1.5,则导轨受静载荷：

F3TS1750?31400CKa?f?50?6560.5NT?fH?fc1?1?0.81

滚珠与导轨面是点接触，滚柱与导轨面是线接触，所以它的耐磨性和轴承能力都大大优

于滚珠式。而线性滑轨是一种滚动导引，它由钢珠在滑块与滑轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着滑轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1／50，使之能轻易地达到μm级的定位精度。滑块与滑轨间的末制单元设计，使得线形滑轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，线性滑轨有更平顺且低噪音的运动特性。使之精度保持和承载能力都大大优于滚珠和滚柱式。目前在日本沙迪克公司、日本三菱公司、瑞士夏米尔公司、瑞阿奇公司进口的机床中都是采用第三种结构，所以通过对比，用户在选型时应尽量考虑第三种结构。

补充知识：

<1>导轨主要性能指标

通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命选用。但由于直线

导轨的寿命分散性较大，为了便于选用直线导轨副，必须先清楚以下几个重要概念。 额定寿命：所谓额定寿命是指一批相同的产品，在相同的条件及额定负荷下，有90%未曾发生表面剥离现象而达到的运行距离。直线导轨副使用钢珠作为滚动体的额定寿命，在基本动额定负荷下为50km。

基本动额定负荷（C）: 所谓基本动额定负荷是指一批相同规格的直线导轨副，在负荷方向和大小均等的状态下，经过运行50km后，90%的直线导轨其滚道表面不产生疲劳损坏（剥离或点蚀）时的最高负荷。基本静额定负荷(Co): 所谓基本静额定负荷是指在负荷方向和大小均等的状态下，在受到最大应力的接触面处，钢珠与滚道表面的总永久变形量恰为钢珠直径万分之一时的静负荷。

由于在机械加工方面的精度要求愈来愈高，使得对加工机械上的重要零组件直线导轨的精度等级划分也越来越细。精度等级：一般直线导轨副的精度分为普通级、高级、精密级、超精密级和超高精密级五种。主要检测指标一般有三个，一是滑块C面对滑轨A面的平行度，二是滑块D面对滑轨B面的平行度（如图二所示），三是行走平行度，所谓行走平行度是指将直线导轨固定在基准座平面上，使滑块沿行程行走时，导轨与滑块基准面之间的平行

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度误差。

不同的精度等级对应滑轨的行走平行度误差如下面所示：

预压力：所谓预压力是预先给予钢珠负荷力，利用钢珠与珠道之间负向间隙给予预压，这样能够提高直线导轨的刚性和消除间隙。按照预压力的大小可以分为不同的预压等级。如台湾上银公司（HIWIN）提供六种标准预压，预压力从有间隙到0.13C不等。C值为动额定

负荷。详细的预压力数值和应用范围如表一所示。

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<2>、 直线导轨的选择

通常，直线导轨的选择必须根据使用条件、负载能力、和预期寿命选用。所谓使用条件主要是指应用何种设备、精度要求、刚性要求、负荷方式、行程、运行速度、使用频率、使用环境等因素。根据条件选择对应的合适产品系列。各个直线导轨的生产厂家都对其产品进行了合适的系列划分。台湾HIWIN公司的直线导轨主要分为HG系列、LG系列、AG系列、MG系列等。具体的选用过程可以参考下面的顺序.

在选用的过程中可以根据计算结果随时返回到前面的步骤进行重新选择和设定。计算滑块最大负荷时要确认选用的直线导轨静安全系数应该超过推荐表中所列值（见表）。如果所选用的直线导轨副刚性不足，可以提高预压力，加大选用尺寸或增加滑块数来提高刚性。

静安全系数定义为静额定负荷与工作负荷的比值。

六、用SimulationXpress对线切割中的线架进行应力分析：

名称

类型

最小 位置 最大 位置

(-81.8675 1.84112mm, (328.836 mm, 图解1 VON:von Mises 应力

e-011 -72.1744 40782.7 psi

48.7493 mm, psi

mm, 64.7652 mm)

20 mm)

上弓-SimulationXpressStudy-应力-图解1JPEG

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线架（作为悬臂梁看待）的应力分析

属性名称 数值

单位 弹性模量 3.0463e+007 psi 泊松比 0.28 NA 质量密度 0.27818 lb/in^3 屈服强度

90000

psi

注意:

SolidWorks SimulationXpress 设计分析结果基于线性静态分析，且材料设想为同象性。 线性静态分析设想: 1) 材料行为为线性，与 Hooke 定律相符。 2) 诱导位移很小以致由于载荷可忽略刚性变化。3) 载荷缓慢应用以便忽略动态效果。

七、数控系统的选择

精密型数控系统包括半闭环数控系统和全闭环数控系统。

半闭环数控系统一般指机床的伺服电机的位置信号（光电编码器）反馈到数控系统，系统能自动进行位置检测和误差比较，可对部分误差进行补偿控制，因此其控制精度比开环数控系统要高，但比全闭环的数控系统要低。

全闭环数控系统除包括机床的伺服电机的位置反馈外，还有机床工作台的位置检测装置（通常用光栅尺）的位置信号反馈到系统，从而形成全部位置随动控制，系统在加工过程中自动检测并补偿所有的位置误差。

全闭环数控系统的加工精度是最高的，但这种系统的调试、维修极其困难，而且系统的价格很高，只适用于中、高档的数控机床上。

因为开环控制系统的价格比闭环控制系统要低得多，因此在选择数控系统时，要考虑数控系统占整台数控机床的价格成本比例，然后根据机床的配置情况及机床本身的要求，中、

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低档机床采用开环控制系统，中、高档机床采用闭环控制系统。

八、主要外购件

1、 机械类

2、电器类

3、易损件

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九、参考文献

张君安 机电一体化系统设计 西安工业大学 周燕 数控机床滚珠丝杠副的选择与计算

孟翠 滕向阳 贾志新 新型电火花线切割机床的设计与可行性研究 北京科技大学

十、致谢

先感谢国家！

这次论文式的作业能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！

感谢我的指导老师——王洪喜老师，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。感谢机电学院的所有老师的亲切关怀，尤其是辅导员对我们的无微不至的照顾和指导。 感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们四年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时

代，将会是我一生最珍贵的回忆。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ip98.html