慢走丝线切割机走丝机构设计开题报告

华东交通大学毕业设计开题报告姓名学号毕业届别专业机械设计制造及其自动化毕业设计（论文）题目慢走丝线切割机走丝机构设计指导教师学历博士职称副教授一．课题研究的背景和意义1．1电火花加工的背景及其加工分类1.1.1电蚀现象的最早报道始于十七世纪六十年代。1943年，前苏联拉扎连柯夫妇和古雪夫几乎同时发明了电蚀加工(electro--erosionmachining)和阳极机械加工(anodemachining)后，相继出现一些非金属(金刚石)电火花加工方法(1947年美国人帕斯特提出)，电接触加工(1948年前苏联)，电脉冲加工等(1951至1955年)，1955年，前苏联提出了电火花线切割加工(WireCutEDM，简称WEDM)方案并于次年生产出第一台电火花线切割机床；我国于1958年开始着手设计制造简易的电火花线切割机床，并于1960年首次展出电火花线切割样品。总体来说，电火花线切割初始于二十世纪六十年代，发展于七十年代，普及于八十年代，现今已进入向高精度、高自动化发展的阶段。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。机械加工是用比工件材料硬的刀具去切除工件上多余部分，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、高黏性、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，仍然采用单独机械加工方法，有时是难以加工或无法加工的。电火花加工方法能够适应生产发展的需要，并在应用中显出很多优异的性能，因此得到了迅速发展和日益广泛的应用。1．1．2电火花线切割加工的物理模型电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属导线作电极，对工件进行脉冲火花放电、切割成形。图1．1为低速走丝电火花线切割工艺及装置的示意图。工件固定在工作台上，工作台通过轨迹控制系统实现x与Y方向的运动。电极丝沿导轮运动。电极丝和工件之间保持适当间隙。脉冲电源通过电极丝和工件之间产生火花放电向间隙输送能量。在电火花腐蚀作用下，工件上出现切缝，切缝的几何形状是工作台拖板运动组合而成的。图1.1电火花线切割原理图1－1电火花线切割加工原理图工件接高频脉冲电源的正极，电极丝接负极，即采用正极性加工，电极丝缠绕在贮丝筒上，电机带动贮丝筒运动，致使电极丝不断地进入和离开放电区域，电极丝与工件之间浇注工作液介质，当高频脉冲电源通电后，随着工作液的电离、击穿，形成放电通道，电子高速奔向正极，正离子奔向负极，于是电能转变为动能，粒子间的相互碰撞以及粒子与电极材料的碰撞，又将动能转变为热能，在放电通道内，正极和负极表面分别成为瞬时热源，达到很高的温度，使工作液介质汽化，热裂分解、金属材料熔化、沸腾、汽化，在热膨胀、局部微爆炸，电动力、流体动力等综合作用下，蚀除下来的金属微粒随着电极丝的移动和工作液的冲洗而被抛出放电区，于是在金属表面形成凹坑。在脉冲间隔时间内工作液介质消电离，放电通道中的带电粒子复合为中性粒子，恢复了工作液的绝缘性。1．2．3电火花线切割加工的分类电火花线切割加工设备主要由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统和机床附件等几部分组成。种类很多，通常分类如下：(1)按切割轨迹的控制方式：可分为靠模仿形控制、光电跟踪控制以及现在广泛应用的计算机数字控制等电火花线切割加工设备；(2)按加工范围：可分为微型、小型、中型和大型电火花线切割加工设备：(3)按走丝速度：可分为高速走丝(12．5m／s)、低速走丝(2．5m／s)等电火花线切割加工设备。1．2课题研究的意义低速走丝电火花线切割机(wEDM—LS)近年来获得高速发展，而且会超越高速走丝线切割机(wEDM—HS)，其原因如下：1．优异的加工性能具有不可替代性。目前低速走丝多次切割后的精度可达2--3¨n，最大的切割速度可达300-400mm2／min，这种加工效率是无可取代的。2．WEDM—LS的主要应用领域是模具和航空航天制造业，需求量很大。3．wEDM—HS不能满足日益增长的模具精度和表面质量要求，WEDM--LS加工性能优于WEDM--HS，比WEDM--HS更容易满足不同用户的需求。目前在我国，高档WEDM--LS主要是从国外进口，价格昂贵；中档部分是国内的合资企业与台湾厂商生产的；低档部分是国内机床最新推出的，技术很不成熟。虽然我国在引进、消化吸收的基础上开发并生产WEDM—LS，仍不能满足国：内市场的需要，问题主要体现在以下两方面：1．创新能力不足，缺少面向市场并与实践相结合的创新设计方法流程；2．关键技术的研究还不能实现突破。如开发高效稳定的脉冲电源和实现张力的恒定控制等。因此要提高我国低速走丝电火花线切割机的技术水平，需要研究面向新产品开发的、与实践相结合的产品创新设计的理论和方法，构建适合企业技术人员易于掌握和使用的产品创新设计方法流程。本文正是以低速走丝电火花线切割机为研究对象，从市场需求出发采用创新设计方法科学合理的确定新产品的设计方案，并对影响低速走丝电火花线切割机加工精度的走丝驱动部件进行动力学仿真与优化，从一个全新角度提出如何从结构上进行张力的恒定控制。二．当前国内外低速走丝电火花线切割机研究概况2.1国外研究概况国外的线切割机始于六十年代末期，首先在日本，瑞士产业化，商品化，欧洲和北美销售的四种销量最大的高端精密线切割机床为：Agie，Charmilles，Mitsubishiz和Makino。研究成果十分丰富：1．目前尖端的WEDM--LS加工精度在±0．002mm以内，表面粗糙度RaO．2胁，一般都能使用aO．03mm的电极丝进行微精加工。目前WEDM--LS的最小驱动单位达到0．1帅，加工精度接近或达到精密磨削的精度。2．Charmilles公司开发的Robofil240CC和440CC电火花线切割机床，具有在一般加工条件下每小时切割42平方英寸工具钢的加工能力。3．1995年开始，以国枝正典为代表的东京农工大学国枝研究室开展了气中电火花加工研究，采用管状旋转薄壁电极以高速气体流为介质，进行电火花线切割。气体电火花线切割加工与液体电火花线切割加工不同的是用气体作加工介质，在放电时不会在极间产生高压气泡，加工作用力非常小，加工精度很高。，4．瑞士夏米尔公司推出配备双丝系统的浸液式Robifil2030SI-TW电火花切割机，双丝WEDM-LS的开发解决了粗精加工中粗细电极丝转换问题，可以在同一台机床上自动交换两种材质、直径都不同的电极丝，自动穿丝，自动交换，解决高精度与高速度加工之间的矛盾。总体来说国外的自动化程度和工艺稳定性相当高，有三大发展趋势：高速化，高精度化与高自动化，并已向无人化及绿色化加工发展。2.2国内研究概况国内的线切割行业正逐渐向低速走丝高端加工技术靠拢，并注意把握全球最先进的技术发展动向。1．中国台湾的庆鸿、徕通等厂家在中国台湾工业技术研究院的统一组织下，经过近十年的攻关，终于在控制系统及加工电源等关键技术上取得了突破，具有锥度切割，浸入式加工等功能，并掌握自动穿丝技术。2．苏州三光科技有限公司研发成功的新型控制系统在加工电源和控制功能上取得突破。从粗加工到精加工都实现无电解加工，将表面粗糙度提高到RaO．3511m。最高加工效率达250mm2／min以上，实现放电回路能量的再生利用。3．苏州电加工研究所、苏州中特机电科技有限公司在科技部专项基金的支持下，也已完成了新一代WEDM--LS的研制，机床配备高效无电阻、防电解脉冲电源，最高加工效率200mm2／min，切割表面粗糙度为RaO．81．tm，切割精度为±0．005mm。4．自旋式电火花切割机和走丝速度可调的电火花切割机等目前虽然处在完善阶段，开发思想是借鉴高速走丝和低速走丝二者的优点来创造一种新型的电火花加工方法。三．走丝机构在慢走丝线切割机床中的作用及其基本构成3.1走丝机构在慢走丝线切割机床中的作用走丝机构是慢走丝系统中非常重要的一个机械装置，它的作用是用来带动电极丝按照一定线速度移动，并将电极丝整齐地排列在线盘上。慢走丝机构主要包括供丝绕线轴、伺服电机恒张力控制装置、电极丝导向器和电极丝自动卷绕机构。电极丝材料一般采用成卷的黄铜丝，可达数千米长、数十公斤重，预装在供丝绕线轴上，为防止电极丝散乱，轴上装有力矩很小的预张力电机。切割时电极丝的走行路径为：整卷的电极丝由供丝绕线轴送出，经一系列轮组、恒张力控制装置、上部导向器引至工作台处，再经下部导向器和导轮走向自动卷绕机构，被拉丝卷筒和压紧卷筒夹住，靠拉丝卷筒的等速回转使电极丝缓慢移动。在运行过程中，电极丝由丝架支撑，通过电极丝自动卷绕机构中两个卷筒的夹送作用，确保电极丝以一定的速度运行；并依靠伺服电机恒张力控制装置，在一定范围内调整张力，使电极丝保持一定的直线度，稳定地运行。电极丝经放电后就成为废弃物，不再使用，被送到专门的收集器中或被再卷绕至收3.2走丝机构的基本组成走丝机构主要有以下几个部件组成1电极丝恒力张力机构2导丝器喷嘴3排丝机构4自动穿丝机构5双全丝自动切换走丝系统四，走丝机构的设计4.1走丝机构的方案设计WEDM—LS的走丝机构的方案设计关键在于控制系统的规划和设计，走丝控制系统主要分为两部分：一是对速度轮电机的恒速度控制。在走丝系统中，速度轮电机的速度决定了电极丝的运行速度，因此要对速度轮电机进行恒速控制；二是对电极丝的恒张力控制，在低速走丝电火花线切割加工过程中，由于电极丝受放电作用力、静电引力、电磁力以及走丝过程中摩擦力等的影响，其张力值是有波动的，导致加工精度受到影响，因此电极丝的张力要保持一定，即对电极丝进行恒张力控制。4．1．IWEDkI-LS张力装置的种类及构成低速走丝线切割加工中，走丝系统的控制方法可分为直接张力控制和间接张力控制，前者是用张力传感器等元件直接测出丝张力，并作为张力反馈元件，构成闭环控制，后者是用间接的方式测出丝张力，通过对张力模型进行静态和动态的分析，找出影响张力变化的因素，然后通过对这些因素进行控制，间接实现系统的恒张力控制。低速走丝线切割机床走丝系统张力装置大致分为以下三种：1．磁粉制动器加载式磁粉制动器是利用电磁效应下的磁粉来传递转矩的，激磁电流和传递转矩基本成线性关系，通过改变激磁电流的大小可以任意调节和控制转矩的大小。磁粉制动器具有响应速度快、结构简单、无冲击、无振动、无噪音、无污染、控制简单等优点，现有的大部分国产机床采用这种方式。磁粉制动器可看作带滞后的一阶惯性环节Glo)2高e‘s(4-1)式中：疋为磁粉制动器增益；乃为磁粉制动器电流时间常数；乃为磁粉制动器滞后时间常数。2．双机转速差加载式利用拉丝电机和放丝电机微小的速度差来形成张力，放丝电机稍慢，即每转少放出电极丝的长度等于该张力下相当于放丝轮周长的电极丝的伸长量。这个速度差和电极丝的直径、材质和要求的张力有关，因此在走丝过程中加上一个张力仪，用反馈的张力信号直接控制拉丝轮和放丝轮的速度差。3．伺服电机加载式当电极丝由硬特性的拖动系统实施匀速走丝时一个伺服电机在后面加载，电机采用力矩输出方式控制，将电极丝绷紧，达到要求的张力。走丝过程中加上一个张力检测仪，用反馈的张力信号控制伺服电机的输出转矩。伺服电机的输出转矩和电机的控制电流成线性关系，通过改变伺服电机控制电流的大小可以任意调节电极丝张力的大小。伺服电机加载式具有响应速度快、精度高、无振动、无污染等优点。由于低速走丝线切割电极丝时刻处于运动过程中，且对工件的形状精度和加工表面影响很大，所以低速走丝线切割走丝控制系统要求在运动过程中均能有效控制张力，始终保持张力恒定，张力控制选用双机转速差加载式。一般低速走丝线切割走丝系统包括丝轴部分、张力轮部分、导向部分、速度轮部分及其辅助装置。走丝系统的工作过程：电极丝从丝轴抽出，经过导向系统拉入张力轮机构，经张力传感器后进入导向器，在两个导向器之间的部分就是加工段电极丝，最后废丝从拉丝轮拉出到废丝处理装置。4．2走丝系统的方案建立走丝机构部分总体设计概况和思路：电动机联轴器贮丝筒三级减速器丝杆工作台参考文献1低速电火花线切割机走