1微型电动机转子冲孔落料模的加工.docx
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1微型电动机转子冲孔落料模的加工
第1章绪 论
电火花加工又称为放电加工(ElectricalDischargeMachining简称EDM),在20世纪50年代开始研究并逐步应用于生产。
电火花加工是一种电、热能加工方法。
利用工具和工件两极间脉冲放电时局部瞬时产生的高温把金属腐蚀去除来对工件进行加工的一种方法。
当用脉冲电流作用在工件表面上时,工件表面上导电部位即立即熔化,若脉冲能量足够大时,金属将直接气化,熔化的金属强烈飞溅而抛离电极表面,使材料表面形成电腐蚀的坑穴。
在这一加工过程中我们可看到放电过程中伴有火花,因此将这一加工方法称为电火花加工。
电火花加工工艺方法按工具电极和工件相对运动的方式和加工用途不同,大致可分为电火花穿孔成型加工、电火花线切割、电火花磨削和镗磨、电火花同步共轭回转加工、电火花高速小孔加工、电火花表面强化与刻字六大类。
前五类属于电火花成型和尺寸加工,是用以改变零件形状或尺寸的加工方法。
后者则属于表面加工方法,用于改善或改变工件表面性质。
其中电火花线切割加工是以移动着的细金属丝做电极,在电极与工件之间产生火花放电,并同时按要求的形状驱动工件进行加工。
由于线切割机床的加工速度和精度的迅速提高,目前已达可与坐标磨床相竞争的程度,主要用于如模具等高硬度难加工材料、机械零部件的加工,而且加工应用范围越发广泛。
[1] 模具是大批生产同形产品的工具是工业生产的主要工艺装备。
模具工业是国民经济的基础工业。
在模具型面加工中,电火花加工机床以其独特性能和技术的不断进步,电火花加工机床今后仍将在模具工业中发挥其独特的作用,并获得进一步的发展。
50年代后期,电加工工艺开始在模具制造中应用。
从60年代初开始,电火花成形机床和电火花线切割机床在模具制造中的应用不断发展,促进了模具制造技术的提高和模具工业的发展。
随着电加工技术的不断发展,电加工在模具加工中所占比例逐步提高,电火花加工机床在模具工业的应用也越来越多,但直到目前,电加工在模具制造仍旧起着极其重要的作用。
本次设计主要通过对微型电动机转子冲孔落料模的电火花加工过程:
在线切割加工工艺分析的基础上,应用CAXA线切割V2版软件,从待加工零件图形的作图与编辑、加工轨迹的生成与仿真、加工代码的生成与传输,直到实际加工操作。
加深同学们对《特种加工》课程的理解,掌握线切割加工中最实用的技术,具备线切割机床的编程、操作能力,适应机械制造行业对数控线切割加工人才的需要。
第2章 电火花线切割及电火花成型加工的基本原理
2.1电火花线切割加工概述
2.1.1电火花线切割加工的原理
线切割加工(WEDM)是电火花线切割加工的简称,它是用线状电极(钼丝或铜丝)靠火花放电对工件进行切割。
线切割机床通常分为两类:
快走丝与慢走丝。
前者是电极丝作高速往复运动,走丝速度为8m/s~10m/s,国产的线切割机床多是此类机床。
慢走丝机床的电极作低速单向运动,一般走丝速度低于0.2m/s。
快走丝的加工精度可达±0.01mm,表面粗糙度Ra为1μm~2.5μm.,慢走丝的加工精度可达±0.001mm,表面粗糙度Ra可达0.3μm。
线切割机床的控制方式有靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制等方式,但目前国内外95%以上的线切割机床都已数控化,采用不同水平的数控系统:
单片机、单板机、微机。
微机数控是当今的趋势。
线切割加工由于采用细金属丝作工具电极,无需制作成型工具电极,大大降低了成型工具电极的设计、制造费用,缩短了生产准备时间,而且细的电极丝可以加工微细的异型孔、窄缝和复杂的工件。
由于采用移动的长电极丝进行加工,单位长度电极丝的损耗较小,从而对加工精度的影响较少。
[2]
2.1.2线切割机床的基本结构
线切割机床由机床本体、脉冲电源、控制系统、工作液循环系统和机床附件几部分组成。
机床本体主要由床身、坐标工作台、卷丝机构、丝架等几个部分组成。
脉冲电源主要由脉冲信号发生器、推动放大器、功率放大器、直流供电电源组等部分组成。
数控系统的核心是固化在专用计算机里的系统软件,程序很复杂,控制的内容很多。
但从硬件上、从其接口电路和外部设备上看,主要有步进电机的控制电路、控制步进
图2-1加工工件与电极丝间配电布置的示意图
电机进给速度的变频取样电路和其他的一些辅助功能的接口电路等。
图2-1是加工工件与电极丝间配电布置的示意图。
[3]
2.2线切割加工的工艺参数及其影响因素
2.2.1线切割加工的工艺参数
线切割加工的工艺参数分为电参数和机械参数两类。
电参数是指脉冲宽度、脉冲间隙、脉冲频率、峰值电流、开路电压等。
机械参数则包括进给速度和走丝速度等。
脉冲宽度是指脉冲电流的持续时间。
在其他加工条件相同的情况下,切割速度随着脉冲;宽度的增加面增加,但电蚀物也随之增加。
当脉冲宽度增加到使电蚀物来不及及时排除,加工间隙的绝缘强度来不及恢复,破坏加工的稳定性,也会使切割速度下降。
峰值电流是指放电电流的最大值。
峰值电流对切割速度的影响也就是单个脉冲能量对加工速度的影响,它和脉冲宽度对切割速度和表面粗糙度的影响相似,但程度更大些。
因此,合理的增大脉冲电流的峰值,对提高切割速度是最为有效的。
但电极丝的损耗也随之增大。
容易造成断丝欲速而不达。
开路电压改变峰值电流和电加工间隙。
提高开路电压,加工间隙增大,排屑容易,提高了切割速度和加工稳定性,但是容易造成电极丝振动,加大电极丝的耗损。
在一定范围内,随走丝速度的提高,加工速度也提高。
提高走丝速度有利于电极丝将工作液带入较厚的工件放电间隙中,有利于电蚀的排除和放电加工的稳定。
但走丝速度过高,将加大机械振动、降低精度和切割速度,表面粗糙度恶化,并容易断丝。
快走丝线切割的走丝速度一般小于10m/s。
进给速度太快时,超过工件可能的蚀除速度,切割速度反而会降低,表面粗糙度也差,甚至引起断丝;反之,进给速度太低时,大大落后于工件的蚀除速度,也将影响到切割面的表面质量。
因此,要综合考虑各参数对加工的影响,合理地选择工艺参数,在保证工件加工精度的前提下,提高生产率、降低生产成本。
2.2.2 线切割加工的工艺指标
线切割加工的主要工艺指标有切割速度v、工件表面粗糙度Ra、电极丝损耗量及加工精度四个方面。
单位时间内所切割工件面积称为线切割的切割速度(mm²/min),也有用电极丝沿加工轨迹的进给速度作为线切割的切割速度。
它是一个生产指标,常用来估算工件的切割时间,以便安排生产计划及估算成本,因此,线切割加工工件的加工价格基本上按切割面积计算,综合考虑工件的质量要求。
通常快走丝线切割速度为40~80mm²/min,与加工电流大小有关。
切割速度与进给速度v、工件厚度vf、切割面积A、切割时间t、切割轨迹长度L之间的关系可用下式表示。
v=vfH=A/t=HL/t
选择切割速度时要综合考虑工件材料、脉冲电源参数、工作液的浓度及水质等因素。
快走丝线切割加工的表面粗糙度为Ra5~2.5μm,最佳可达Ra1μm左右,慢走丝线切割一般可达到Ra2.5μm,最佳可达到Ra0.2μm。
由于快走丝线切割的电极丝是循环使用的,为保证切割工件的质量必须规定电极丝的损耗量。
它是用切割1000m²面积后电极丝直径的减少量来表示。
一般要求每切割1000m²后电极丝直径的减少量不应大于0.01mm。
影响电极丝损耗量的因素主要是脉冲电源、电极丝直径、工件材质与厚度。
加工精度包括所加工工件的尺寸精形状精度(直线度、平面度、圆度等)和位置精度(平行度、垂直度、倾斜度等)。
快走丝线切割的加工精度在0.01~0.02mm左右,慢走丝线切割可达0.005~0.002μm左右。
机床工作台及走丝系统的精度、工件材料的变形是影响线切割加工精度的主要因素。
2.2.3线切割加工工艺设计
线切割加工一般是作为工件加工中的最后的一道工序(最终热处理工序也安排在线切割之前)。
线切割加工要使工件达到图纸要求的尺寸、精度和粗糙度等各项工艺指标。
因此,必须做好加工前的准备,认真地对零件进行分析,合理地安排加工路线,选定加工参数。
图2-2是数控线切割加工工艺设计的主要步骤。
[4]
2.2.4沙迪克A500-E型慢走丝机床简介
本次毕业设计所用到的线切割机床是日本沙迪克(SODICK)公司生产的型号为A500-E型慢走丝机床,该机床有很高的定位精度及重复定位精度,可达0.005mm,表面粗糙度可达0.4μm,适用加工各种精密淬硬件,形状复杂零件及各种异形孔,冷冲模具等难加工零件并可加工上下异形工件。
工作台行程为X=500mmY=350mm。
有X、Y、U、V传动轴可实现四轴联动,该机床加工精度高,应用范围广,通常加工冷切削不易完成的零件,是模具制造中不可缺少的设备。
图2-2数控线切割加工工艺设计
2.3电火花成型加工概述
2.3.1电火花成型加工原理
精密数控电火花成型机是为了适应工业飞速发展,尤其是模具制造工业发展而设计的新型机床,有较高的加工工艺指标,应用广泛,用于电机、仪表、电器、汽车制造、宇航、家电、轻工、军工等多种行业中的模具制造加工可以加工各种中小型冲裁模(落料模、复合模和级进模),型腔模(精密压铸、压延、塑料、玻璃制品、粉末冶金和胶木等),各种超硬度材料,异型曲面零件,坐标也零件及成型零件。
机床可以加工Ф0.1mm以上的孔径和0.2mm以上的窄缝,切割各种硬质合金和取折断工具等,能对碳素钢、工具钢、淬火钢、硬质合金钢以及其他高硬度金属材料进行放电加工,是加工复杂模具和复杂零件的理想设备。
数控电火花成型机也是专门对导电材料进行标准化电火花加工而设计的。
它还可以实现无人操作自动加工,大同谋提高生产效率和经济效益。
电火花加工技术是一种在绝缘液体介质中,对金属导体材料进行连续的、周期性的电火花放电的电腐蚀加工, 还可以进行打孔、切割等加工。
其加工原理如下。
用石墨、钢、铜等导电材料做成工具电极常称电极,被加工的电场材料做成工作电极称工件。
电火花加工是在电极和工件之间通入绝缘液体介质,并在电极和工件上接入高频脉冲电源。
调节和移动电极与工件之间的距离。
在一定间隙范围内,在高频脉冲电源发出一系列的脉冲电压作用下,绝缘液体介质被击穿,产生两极放电。
能量放电较大,两极间隙在几十微米范围。
较小能量的细放电,两极间隙也需有2~5μm。
在放电的瞬间,两极间产生高温和高压放电柱,即是电击穿,在放电基部产生可达3000°C的高温,引起金属表面结构熔化或者电离,还可以使绝缘液体产生汽化等。
由于绝缘液体介质在油泵作用产生压力,具有冲洗作用,并能将击穿产生的熔化、汽化或电离的碳化物冲走,汽化的扩展也能使金属粒子被分散。
由于放电产生的金属离子、气体、焦油产物扩散后, 在工件和电极之间又形成绝缘介质,下一次放电又在两极间产生极间电压。
当放电加工一个接着一个产生后,在工件上产生粗糙的放电表面。
一次放电后,绝缘液体介质的恢复时间是放电加工时间的2倍。
对一个高电流脉冲,需要短的放电时间,一次放电时间大约需用几个微秒到几个毫秒,通常放电频率从几百赫兹到几千赫兹。
引起电击穿状态持续一个规定的时间周期就是放电脉冲宽度。
电火花成型机就是利用这一电腐蚀原理进行加工的。
它还可以先进行工具电极的成型加工,再利用工具电极对其他金属导电材料的工件进行电火花仿形加工,使得工件与工具电极成相似型或相同,从而完成对各种各样的复杂模具和复杂零件的仿形加工。
2.3.2电火花成型机床的基本结构
电火花成型加工机床结构有多种形式,根据不同的加工对象,通用机床的结构形式有如下几种:
龙门式、滑枕式、悬臂式、框形立柱式、台式、便携式。
图2-3为其中一种结构示意图。
电火花成型加工机床由床身、立柱、主轴头、工作台、工作液循环过滤器和附件等部分组成。
它主要用于支承、固定工件和电极,其传动机构可调整工件与电极 的相对位置,实现电极的进给运动。
为减少机床变形,保持必要的精度,机床各主要部分要有一定的刚度。
坐标工作台安装在床身上,主轴头安装在立柱上,其布局与立铣相似。
机身和立柱是机床的主要基础件,要求机床的工作面与立柱导轨面具有一定的垂直度,导轨应耐磨和充分消除内应力。
作纵、横向移动的工作台,一般是用刻度手轮来调节位置的丝杆、螺母装置。
精度要求高的机床,采用光学坐标读数装置、磁尺数显装置。
随着微机、数控技术的发展,已有三坐标伺服控制以及主轴和工作台回转运动并加三向伺服控制的五坐标数控机床,机床的坐标位移精度为1μm。
主轴头是电火花成型机床最关键的部件,是自动调节系统中执行机构。
要求主轴头结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小,具有足够的精度和刚度以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载的要求。
主轴头主要由进给系统、导向防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。
随着步进电机、力矩电机和数控直流交流伺服电机的出现和技术进步,电火花机床中已越来越多地采用电-机械式主轴头。
[5]
图2-3 电火花机床结构示意图
第3章 数控线切割CAD/CAM技术及CAXAV2软件简介
3.1CAD/CAM技术简介
CAD/CAM是指计算机辅助设计及辅助制造。
当前,随着科学技术的飞速发展,CAD/CAM在工业领域的应用越来越广泛,并将逐渐地成为机械制造业的主导力量。
CAD/CAM技术的研究、开发、推广及应用水平已是衡量一个国家科技现代化和工业现代化的重要标志之一。
对于过去没有应用CAD/CAM技术和DNC直接数控方式的电火花线切割加工,人们通常在工艺分析之后,手工编制加工程序,将图样上工件的形状和尺寸(欲切割的轮廓)转换成程序指令,采用键盘输入、制成穿孔纸带、磁带等方式传给控制计算机,很不方便且效率不高。
现在应用CAD/CAM技术和DNC直接数控方式后,可以利用计算机进行设计,以人机交互图形方式完成零件几何图形计算机化、轨迹生成与加工仿真到数控程序生成并输入机床执行加工全过程,操作过程形象生动,效率高、出错机率低,实现CAD/CAM集成一体化,实现无图纸设计制造。
图3-1是数控线切割CAD/CAM编程过程。
3.2CAXA线切割V2简介
线切割加工软件大体上分为三种类型,一是线切割机床厂开发的配套编程软件,地是一些在通用CAD绘图软件(如AutoCAD)平台上经过二次开以发的编程软件,三是软件开发商专为数控线切割加工开发的CAD/CAM集成软件。
第一种类型的软件针对性强,但在功能及操作方便性方面存在不足,因此,有些数控线切割机床生产厂扬长避短选用成熟的专业编程软件配套,自己只专心机床功能与性能的提高,效果较好。
第二类软件主要是一些研究单位与院校做的一些研究成果,真正商品化的软件产品并不多见。
第三种类型的软件即是所谓的商品化编程软件,其中比较有代表性的是AutoP、YH、CAXA线切割(CAXA-WEDM),前三种主要是3B、4B格式编程,CAXA-WEDM则可以编写3B、4B及ISO格式的线切割加工程序。
此处,国外一些通用的CAD/CAM软件中(如MasterCAM)也有线切割编程模块。
目前国内使用最广泛的是AutoP、CAXA-WEDM软件,由于某些原因, AutoP目前仍然停留在DOS平台,近几年几乎没有改进,显得落后。
"CAXA线切割V2"(CAXA-WEDM)是由北京北航海尔软件有限公司开发的线切割自动编程系统,是面向线切割加工行业的CAD/CAM集成软件,它可以为各种高低速走丝线切割机床提供数控编程代码,可输出3B、4B及ISO格式的线切割加工程序,它基于目前国内的二维绘图软件CAXA电子图板平台,因此操作方便性较好,而且价格便宜,国内一些著名线切割机床生产厂已经选作配套软件,最新版本的操作系统平台是Windows,是当前国内最好的线切割CAD/CAM软件之一。
[6]
图3-1数控线切割CAD/CAM编程过程。
第4章 微型电动机转子冲孔落料模的设计
模具按用途可分为冷冲压模具、塑料模具等。
冷冲压模具主要用于金属及非金属板料的压力加工,其加工方式可分为分离和成形模具两大类。
分离模具指按一定轮廓线将工件与板料分开。
它包括切断模、冲裁模、切边模。
其中,冲裁模又包括落料模和冲孔模。
成形模具指在不破坏板料的条件下,通过塑性变形获得所要求的形状和尺寸精度。
它包括弯曲模、拉深模、翻边模、整形模。
按结构可分为简单模、复合模和级进模。
本次毕业设计的微型电机转子模具是采用电火花成型及电火花线切割加工的属于同时具有冲裁和落料功能的复合模。
4.1微型电动机转子的设计
基于工作量的限制及降低成本的考虑,转子采取简化设计,材料为45号钢,厚度0.5mm,尺寸公差按IT14计算。
图4-1为转子的尺寸示意图。
转子尺寸公差按IT14计算,而本模具公差等级要求比它高3级,为IT11,符合复合模的冲压精度。
模具材料选择适用形状复杂,耐磨、耐冲击具有良好韧性和淬透性的淬火Cr12MoV。
图4-1转子尺寸
4.2微型电动机转子冲孔落料模工作单元设计
本次毕业设计只要求设计校核模具的工作单元,包括凸模、凹模及凸凹模,不要求设计完整的模具体。
4.2.1初拟凸模、凹模及凸凹模尺寸
(1)合理间隙的选择。
设材料厚度为0.5mm,45号钢,根据《板料冲压模具设计》[7] 表1-2得双面最小合理间隙为2Cmin0.03mm,增大间隙的极限偏差2ΔC+0.01mm。
(2)凸、凹模分开加工时尺寸与公差的计算
凸模和凹模分别按各自的图纸加工到最终尺寸的加工方法称之为凸、凹模分开加工法。
要求在凸模、凹模图纸上分别标注刃口尺寸及其制造公差。
加工时,由于二者没有依赖关系,故没有先后顺序要求。
落料时,设料件尺寸为D
,根据上述原则,先确定凹模尺寸,再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙。
其凸、凹模工作部分尺寸的计算公式如下:
Dd=(D-x·Δ)+δd0
Dp=(Dd-2Cmin)0–δp=(D-x·Δ-2Cmin)0–δp
式中Dd、Dp分别为落料凸、凹模基本尺寸,mm;D为落料件基本尺寸,mm;Δ为落料件公差,mm;Cmin为凸、凹模的最小单面间隙,mm;δp、δd分别为凸、凹制造公差,mm;按δd=Δ/4,δp=(1/4~1/5)Δ;x是因数,x=0.5~1,它与工件公差等级有关:
当工件公差等级为IT10级以上时,取x=1;当工件公差等级为IT11~IT13级时,取x=0.75;当工件公差等级为IT14级以下时,取x=0.5。
冲孔时,设冲孔尺寸为d+Δ0,根据上述原则,先确定凸模尺寸,再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙。
其凸、凹模工作部分尺寸的计算公式如下:
dp=(d+x·Δ)0–δp
dd=(dp+2Cmin)+δd0=(d+x·Δ+2Cmin)+δd0
式中dp、dd分别为冲孔凸、凹模基本尺寸,mm;d为冲孔件基本尺寸,mm;其他符号的意义与上面的公式相同。
根据《板料冲压模具设计》[8] ,冲孔时先确定凸模工作部分尺寸,其大小取接近或等于孔的最大极限尺寸,以保证凸模磨损到一定尺寸范围内,仍能冲出合格的冲孔件。
凸凹模冲孔工作部分基本尺寸应比凸模基本尺寸大一个最小合理间隙值(工件等级按IT14处理)。
因此可得:
冲孔凸模基本尺寸
dp=(d+x·Δ)0-δp=(6+0.5×0.3)0 -0.075=6.150 -0.075查表得Δ=0.3mm
凸凹模冲孔工作部分基本尺寸
dd=(dp+2Cmin)+δd0=(6+0.5×0.3+0.03)+0.0750=6.18+0.0750
同理,根据《板料冲压模具设计》,落料时先确定凹模工作部分尺寸,其大小取接近或等于工作的最小极限尺寸,以保证凸凹模磨损到一定尺寸范围内,仍能冲出合格的转子工件。
凸凹模落料工作部分基本尺寸应比凹模基本尺寸小一个最小合理间隙值(工件等级按IT14处理)。
因此可得:
(单位:
mm)
凹模落料工作部分Ф20外圆
Dd1=(D-x·Δ)+δd0=(20-0.5×0.52)+0.130=19.84+0.130查表得Δ=0.52mm
凸凹模落料工作部分Ф20外圆
Dp1=(Dd-2Cmin)0–δp=(19.84-0.03)0–0.13=19.810–0.13
凹模落料工作部分Ф12外圆
Dd2=(D-x·Δ)+δd0=(12-0.5×0.43)+0.1080=11.785+0.1080
凸凹模落料工作部分Ф12外圆
Dp2=(Dd-2Cmin)0–δp=(11.785-0.035)+0.1080=11.7550-0.108
4.2.2凸模、凸凹模的强度及长度的校核计算[9]
(1)冲裁力的计算
落料时:
P冲=Ltσb=(4×6×2+10×3.14+6×3.14)×300=29.472KN
冲孔时:
P冲=Ltσb=(6×3.14×0.5×600)=5.652KN
其中,L为冲裁线长度,mm。
t为板料厚度,mm。
σb为板料的抗拉强度,MPa。
(2)凸模强度校核
为了计算方便,假设凸模工作端面受着均布的压应力σ,则抗压强度条件是:
σ<[σ理]
不难得出,凸模工作端面的压应力为σ=P/F
其中σ为凸模工作端面的压应力,[σ理]为凸模材料的许用压应力,P为凸模工作端面承受的压力,F为凸模工作端面面积。
经查表得Cr12MoV的许用压应力σ理=1839MPa
落料时:
σ=P/F=29.472/(54×3.14)=173.81MPa<1839MPa所以安全
冲孔时:
σ=P/F=5.652/(9×3.14)=63.69MPa<1839MPa 所以安全
(3)凸模长度校核
当凸模最小断面小而又较长时,为了防止压弯失稳,必须对纵向弯曲应力进行验算-长度校核。
验算纵向弯曲应力,根据压杆失稳的欧拉公式进行。
压杆失稳临界力
Pcr=π
EJ/nμ
l
为使凸模在冲裁力P作用下稳定平衡(不失稳),必须满足
P≤Pcr即P≤π
EJ/nμ
l
从中解出 l≤(π
EJ/nμ
P)1/2
其中,l为凸模自由段长度,mm;n为安全系数,一般取n=2~3;μ为长度系数,不同约束条件取值不同;E为凸模材料的弹性模量,模具钢为2.2×10
MPa;J为凸模危险断面的轴惯性矩,mm
;P为冲裁力,N。
有导向的凸模,其力学模型为一端固定另一端铰支的情况,长度系数μ=(1/2)
,取n=3,则有
l≤1200(J/P)
所以,只有当凸模的自由段长度不超过其最大值时,才可保证凸模不发生纵向弯曲失稳。
故,冲孔时的凸模长度为
l≤1200(J/P)
=1200×[π×36×36/(64×5652)]
=127.304mm。
取凸模长度为24mm。
落料时凸凹模长度为
l≤1200(J/P)
=1200×[J/29472]
=359.447mm
其中J=π(20
-6
)/64-π(20
-12
)/64×2=7786.415-3416.32=4370.09mm
取其长度为34mm。
4.2.3 凹模设计,确定凹模尺寸。
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