数控线切割机运丝系统设计毕业设计.docx
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数控线切割机运丝系统设计毕业设计
摘要
本课题来源于上海通用控制自动化有限公司的实际课题。
针对机械行业的特殊要求,需要切割带锥度的零件及异型件。
为此,本课题开发一种新型数控电火花线切割机,采用四轴联动。
为了避免直接制造样机所带来的大量问题,缩短新产品的开发周期,减少开发费用,避免人力和物力的浪费。
本课题首先用计算机进行三维几何造型,然后用计算机进行装配过程仿真,看是否出现干涉、结构不合理等问题。
用COSMOS进行有限元分析看是否满足强度刚度条件。
最终得到一种新型、高效的数控电火花线切割机。
本课题用SolidWorks对电火花线切割机多个零件进行三维建模,并生成工程图,然后进行装配体设计及动画和渲染。
包含了机械制造工艺中的结构工艺性和装配工艺性,以及计算机辅助设计等内容,从而培养计算机辅助设计能力,创造性思维能力。
并在开发过程中,对机械制造工艺有更深刻的理解和掌握。
三维设计是进行产品创新的重要技能。
大学生在校期间掌握三维计算机辅助设计软件的使用,对提高教学质量、促进学生的创新思维、培养复合型人才以及对毕业后的就业都有很大的好处。
关键词:
电火花线切割机,计算机辅助,三维建模,有限元分析
ElectricalDischargeMachiningwiretransportsystemdesignandfiniteelementanalysis
ABSTRACT
ThistopicisfromtheactualsubjectofShanghaiGMAutomaticControl.Duetospecialrequirementsforthemachineryindustry,wehavetocutthetaperpartsandspecialparts.So,thistopicistodevelopanewtypeofCNCWEDM(fouraxis).Inordertoavoiddirectmanufacturingprototype,shortenthedevelopmentcycleofnewproducts,reducedevelopmentcosts,andavoidthewasteofhumanandmaterialresources.Thistopicfirstlyusecomputerthree-dimensionalgeometricmodeling,thenuseComputerassemblyprocesssimulation,toseewhetherthereareinterference,unreasonablestructureandotherissues.UsingCOSMOSfiniteelementanalysistoseeifitcanmeetthestrengthstiffnessconditions.Finallywegetanew,efficientCNCWEDM.
ThisprojectoftheWEDMpartsusingSolidWorks3Dmodeling,andgenerateengineeringdrawings,andassemblydesignandanimation,andrendering.Containsthestructureandtechnologyinthemechanicalmanufacturingprocessandassemblyprocess,aswellascomputer-aideddesign,inordertocultivatetheabilitytocomputer-aideddesign,creativethinkingability.Andinthedevelopmentprocess,adeeperunderstandingandmasteryofmechanicalmanufacturingprocesses.
Keywords:
ElectricalDischargeMachining,Computer-aided,3Dmodeling,finiteelementanalysis
数控线切割机运丝系统设计及有限元分析
宋萌011208208
0引言
电火花加工技术是历史最悠久的特种加工方法,在模具制造业、航空和航天、电子等众多领域得到了广泛的应用。
对于传统的切削加工难于胜任的超硬、耐高温合金等难加工材料以及深孔、窄缝等形状的加工,电火花加工技术显示出其独特的优势,成为加工这些材料不可缺少的加工方法。
随着科学技术的不断发展和实际生产需要,对机械制造提出了更高的要求:
产品向小批量、多品种的柔性制造方向发展,制造精度要求越来越高,制造周期要求越来越短。
由于能源和环境保护等问题,制造业还需要实现可持续发展。
在这样的背景下,根据电火花加工本身具有的特点,认为电火花加工技术将在加工的精密性、微细化、高速化和高效率、绿色加工以及复合加工方面发展,并需要不断开发新的电火花加工方法,拓宽电火花加工的范围。
本课题首先用计算机进行零件的三维几何造型,然后用Solidworks软件进行装配并仿真,检查看是否出现干涉、结构不合理等问题。
用COSMOS对主要零件进行有限元分析检查是否满足强度刚度条件。
最终得到一种新型、高效的数控电火花线切割机。
1总论
1.1数控电火花线切割机加工原理
电火花线切割加工是比较常用的特种加工方法之一,电火花加工又称放电加工(ElectricalDischargeMachining,简称EDM),它是在加工过程中,利用工具电极和工件之间脉冲放电时的腐蚀现象使金属熔化或气化,从而实现对各种形状金属零件的加工。
因在放电过程中可见到火花,故称之为电火花加工。
在线切割加工时是用一根连续移动的电极丝作为工具电极来代替电火花加工中的成形电极,电极丝接脉冲电源的负极,工件接脉冲电源的正极,脉冲电源发出一连串的脉冲电压,加到工件和工具电极上。
电极丝与工件之间施加足够的具有一定绝缘性能的工作液,当电极丝与工件的距离小到一定程度时,大约是0.01mm左右,在脉冲电压的作用下,工作液被击穿,在电极丝与工件之间形成瞬间放电通道,产生瞬时高温,其温度可高达10000℃左右,高温使工件局部熔化甚至气化而被蚀除下来。
工件安装于工作台上,由微型计算机控制,工作台带动工件不断进给,便能将一定形状的工件切割加工出来。
1.2数控电火花线切割机的主要功能
它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件,例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等,成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极,各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等,具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点,已在生产中获得广泛的应用,目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60%以上。
1.3线切割加工质量的工艺指标
1)线切割加工的主要工艺指标:
a.切割速度b.切割精度c.表面粗糙度
2)影响工艺指标的主要因素及其选择:
a.加工参数对工艺指标的影响和选择:
(1)峰值电流is
(2)脉冲宽度Ton
(3)脉冲间隔Toff
(4)走丝速度
(5)进给速度
b.线电极丝对线切割工艺性能的影响及其选择:
(1)电极丝直径的影响
(2)上丝、紧丝对工艺指标的影响
(3)电极丝垂直度对工艺指标的影响
c.工件厚度及材料的影响:
(1)工件材料对工艺指标的影响
(2)材料的厚度对工艺指标的影响
d.工作液对工艺指标的影响及选择:
(1)高速走丝选用专用乳化液,低速走丝选用去离子水;
(2)切割速度、厚度、流量、流向、加工精度、表面粗糙度、对工作液浓度的影响。
1.4数控电火花线切割加工机床分类
1.4.1按电极丝的运行速度
根据电极丝的运行速度不同,电火花线切割机床通常分为两类:
(1)高速走丝电火花线切割机床(WEDM-HS):
其电极丝作高速往复运动,一般走丝速度为8m/s~10m/s,电极丝可重复使用,但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿,使加工质量下降,是我国生产和使用的主要机种,也是我国独创的电火花线切割加工模式。
(2)低速走丝电火花线切割机床(WEDMLS):
其电极丝作低速单向运动,一般走丝速度低于0.2m/s,电极丝放电后不再使用,工作平稳、均匀、抖动小、加工质量较好,是国外生产和使用的主要机种。
1.4.2按控制方式
按控制方式可分为靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制及微机控制等。
1.4.3按电源形式
按电源形式可分为RC电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源等。
1.4.4按加工特点
按加工特点可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型等。
1.5国内外数控线切割机的发展
1.5.1国内外电火花线切割机概况比较
电火花线切割加工又称线切割。
其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝(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。
它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件,例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等,成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极,各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等,具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点,已在生产中获得广泛的应用,目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60%以上。
根据电极丝的运行速度不同,电火花线切割机床通常分为两类:
(1)高速走丝电火花线切割机床(WEDM-HS):
其电极丝作高速往复运动,一般走丝速度为8m/s~10m/s,电极丝可重复使用,但快速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿,使加工质量下降,是我国生产和使用的主要机种,也是我国独创的电火花线切割加工模式。
(2)低速走丝电火花线切割机床(WEDMLS):
其电极丝作低速单向运动,一般走丝速度低于0.2m/s,电极丝放电后不再使用,工作平稳、均匀、抖动小、加工质量较好,是国外生产和使用的主要机种。
中国特有的高速走丝电火花线切割机,由于结构简单、造价低、工艺效果好,加上使用过程消耗少,自上世纪60年代末被研制成功之后就得到飞速发展,现已成为制造业中一种必不可少工艺装备。
目前我国年产量已超过3万台,约占世界电火花线切割机总产量的70%。
但由于其加工质量问题未得到有效解决,而随着国外生产的低速走丝电火花线切割机(WEDMLS)技术水平的不断提高,曾令中国人感到自豪的中国特有的WEDM-HS,如今却陷入难于发展的困境。
电火花线切割加工是基于电极丝与工件之间脉冲放电时的电腐蚀现象,即每次脉冲时都会产生大量的热量使放电点附近的局部金属瞬时融化和气化,并把熔融和气化金属去除,从而在工件表面形成一个小凹坑。
如果所用的脉冲放电能量大,加工速度就快;但放电凹坑也大,加工表面粗糙度差。
电火花线切割加工技术自上世纪50年代末研制成功之后,有相当长的一段时间都是采用精规准参数进行一次切割成型,其切割速度与加工表面质量之间存在着一定的矛盾,即在一次切割过程中,既要获得很高的切割速度,又要获得很好加工表面质量是十分困难的。
随着模具工业的发展,广大用户都纷纷提出,电火花线切割加工不仅要切割速度快,而且要求加工质量好,否则难于满足模具发展需要。
为了满足用户需要,国外低速走丝电火花线切割机都开发应用了多次切割技术,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。
低速走丝电火花线切割加工采用多次切割技术的应用结果表明,多次切割是解决切割速度与加工表面质量矛盾,提高线切割综合工艺效果的有效办法。
在国外低速走丝电火花线切割机上开发应用多次切割技术的同时,国内也在WEDM-HS上进行了大量的多次切割试验,但始终没有在生产实践中得到应用,其主要原因是:
在电极丝高速移动的情况下,运丝系统工作不稳定,电极丝的空间形位变化异常,使先后二次切割的空间位置难于保证一致,加上高速走丝线切割的往返切割条纹明显,要在WEDM-HS上实现多次切割比较困难。
大量试验研究结果表明,中国特有的高速走丝电火花线切割机采用多次切割工艺,不仅是必要的,而且是有可能的,但必须创造如下条件:
(1)按国家有关技术标准,严格控制高速走丝电火花线切割机的制造精度和运丝系统的稳定性。
(2)深入研究电极丝在加工过程中的空间形位变化,并提出稳定电级丝空间形位的有效措施。
(3)采取有效措施,抑制往返切割条纹的产生。
(4)开发一种能满足多次切割需要的高频脉冲电源及其跟踪控制系统。
(5)深入研究WEDM-HS的多次切割工艺,合理设定粗切割、精修及精微修光的脉冲参数、加工轨迹补偿量、电极丝移动方式及其速度等,并开发相应的多次切割软件。
(6)在机床和控制上要提高其稳定性,开发了高度集成的控制系统。
我国部分数控机床公司在高速走丝电火花线切割机基础上,利用国际上精密模具加工设备的先进理念及慢走丝技术的应用,开发了一种能实现多次切割的智能化系列中速走丝电火花线切割机。
智能化系列高速走丝机之所以能像低速走丝机那样进行多次切割,是因为对原有的高速走丝机进行了下述富有成效的改革:
(1)采用高耐磨性导向装置。
(2)使用特殊开发的驱动控制电源和高灵敏的自动控制脉冲电源。
(3)采用新型芯片、混合集成电路并进行了表面安装处理。
(4)采用智能化系统切割技术,可以自动化调节电参数以实现无条纹切割。
(5)所开发的高频脉冲电源能满足多次切割需要:
大幅度提高了脉冲电流幅值;最大限度缩短了脉冲放电的最小持续时间(最小脉宽小于1μs)。
(6)改革了跟踪控制方法:
①第一次大电流快速切割时采用过跟踪控制,以避免断丝现象的发生;②第二次、第三次修光切割时采用限速进给的控制方式,以提高切割表面质量。
(7)在工艺试验的基础上,开发了多次切割软件。
目前,模具工业的迅速发展,推动了模具制造技术的进步。
电火花加工作为模具制造技术的一个重要分支,被赋予越来越高的加工要求。
同时在数控加工技术发展新形势的影响下,促使电火花加工技术朝着更深层次、更高水平的数控化方向快速发展。
虽然模具高速加工技术的迅猛发展使电加工面临着严峻的挑战,目前放电加工技术部分工序已被高速加工中心代替,但电火花加工仍旧有广阔的前景。
如在模具的复杂、精密小型腔、窄缝、沟槽、拐角、冒孔、深度切削等加工领域仍被广泛应用。
同时这项技术一直被改进和提升,使放电加工技术在模具工业中经久不衰。
先进制造先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对数控电火花加工技术提出了更高要求,同时也为其提供了新的发展动力。
数控电火花加工技术正不断向精密化、自动化、智能化、高效化等方向发展。
如今新型数控电火花机床层出不穷,如瑞士阿奇、瑞士夏米尔、日本沙迪克、日本牧野、日本三菱等机床在这方面技术都有了全面的提高。
总之,中国特有的高速走丝电火花线切割机长期存在的加工质量问题,可以采用多次切割工艺来解决。
凡能实现多次切割的高速走丝电火花线切割机,在保留其结构简单、造价低、工艺效果好以及使用消耗少等特点基础上,都能大幅度提高线切割加工质量。
但是,不是所有的高速走丝线切割机都能进行多次切割,而应该像智能系列线切割机那样进行必要的改革,创造多次切割所需的必备条件。
就像上面提到的一样,中速走丝电火花线切割机是一种价格较低,加工精度、粗糙度、加工效率介于高速走丝与慢走丝的一种机床,特别适合我们发展中国家的中等要求的模具加工,我想,不久的将来中速走丝电火花线切割机必将代替高速走丝电火花线切割机而成为市场的宠儿。
1.5.2电火花加工技术研究的发展趋势预测
电火花加工精密化,电火花加工的精密化可以理解为两方面的内容:
一是加工尺寸上的精密性,二是加工表面质量的精密性。
在电火花加工过程中,与尺寸精度有直接关系的因素是放电间隙和电极损耗。
加工间隙的一致性、稳定性以及电极损耗的大小直接影响电火花加工的精度。
精密的电火花加工,加工过程中应保持较小的放电间隙,并使放电间隙稳定在一个较小范围内。
而放电间隙的调整与极间状态密切相关,实时、准确地检测出两极间的放电状态,则为调整两极间合适的放电间隙提供了必要的条件,加工间隙的准确调整还有赖于合理的伺服控制策略等。
由于电火花加工状态复杂多变,为加工状态的检测和放电间隙的控制增加了难度。
因此,需加强电火花加工状态的检测、加工间隙的控制以及加工电源的稳定性等方面的研究。
实现电火花精密加工时,要采用精加工规准来完成工件的尺寸精度和表面精度。
然而,电火花加工过程中,均不同程度存在工具电极损耗。
虽然人们从工作液的种类、电源、控制、工作介质、电极材料等多方面对电极损耗进行了广泛的研究,在减少电极损耗方面取得了一定的研究效果。
但是到目前为止,在精加工和微细加工中,电极损耗现象还是比较严重。
电极损耗的存在必然对电火花加工的尺寸精度产生影响,需要对工件进行多次加工以补偿由于电极损耗而造成的尺寸偏差,这样增加了加工时间和加工成本。
因此,如何降低工具电极的损耗,从而实现高速、低损耗的精密加工是电火花加工不断追求的目标。
电火花加工表面质量的精密化是加工精密化的另一方面的内容。
电火花加工表面是一系列的微小放电凹坑重叠组成的,一般的加工条件下表面有微裂纹,为达到较好的加工表面,需要在电火花之后增加手动抛光工序,这增加了工人的劳动强度和加工成本,制约电火花加工速度的提高,不利于自动化加工实现。
因此,实现电火花加工表面质量的精密化仍是今后的研究发展方向。
较小面积的电火花加工可以通过精微加工电源实现,微能电源对电火花加工表面质量的改善很有效果,能够达到较好的表面质量。
例如已研制的一种低速走丝电火花线切割加工机床可直接进行精密模具或零件的加工。
这种机床的先进之处是防电解电源的开发。
AE电源能防止工作液中氢氧根负离子在工件上的沉积,形成所谓的“变质层”,并能防止硬质合金工件中钴结合离子溶解于水中,形成所谓的软化层,可以加工出更好的工件的表面质量。
目前,这种精微、微能脉冲电源的研制是国内外研究的热点,各厂家及研究机构对此关键技术是保密的,因此我国对这方面的技术还需要更深入的研究。
大面积的电火花成型加工表面的精密化,目前普遍使用的加工方法是混粉电火花加工技术,可以实现加工表面的镜面加工效果,加工出的工件表面微裂纹少,工件的表面性能得到提高。
除了对该技术的加工机理和工艺进行研究外,较大面积的混粉电火花加工专用脉冲电源是其关键技术。
目前,国外已经有专门的混粉电火花设备,如日本Sodick公司的PIKA系列电源等,而我国在国产的机床上没有配备实现混粉加工的专用电源和装备,因此对混粉电火花加工工艺及混粉专用设备的开发还有研究和提升的空间。
电火花加工微细化,生产实际的需要使得微机电系统的应用越来越广泛,微细化发展成为机械制造业的重要发展方向,其中微细电火花加工技术是实现微细加工的重要加工方法之一。
这是由电火花加工的特点所决定的,即工具与工件之间几乎没有宏观的作用力,且不受工件硬度的制约,有利于实现加工尺寸的微细化。
电火花线磨削技术WEDG(WireElectricDischargeGrinding)的出现,使微细电火花加工进入了实用化阶段,因此微细电火花加工技术是今后一个重要的发展方向。
微进给装置是实现微细电火花加工的前提和保证,因此微细进给装置和高精度的回转主轴的设计及控制是研究重点;同时,能够提供极间极少能量的微能量电源的研究也是今后发展的重点。
由于微细电火花加工对工件和电极等特殊要求,对加工过程的检测和控制以及电极损耗等问题的解决也是微细电火花加工的关键技术。
微细电火花加工所需能量微小,工具电极的尺度微小,加工速度较慢,因此需要不断完善能够实现较大加工速度的技术手段,例如微细多孔加工。
目前,微细多孔电火花加工技术有:
用微细阵列电极加工阵列孔,另一种是由增泽隆久等人提出的方法,即微细电火花加工该装置有两套线电极磨削系统(WEDGA和WEDGB),WEDGA对工具电极进行粗加工,WEDGB对工具电极进行精加工,合理地控制WEDA和WEDGB的相对位置就能得到不同尺寸的微细电极,用微细工具电极加工微细孔。
此外,利用工件的超声振动来提高微细电火花的加工速度取得了良好的结果。
电火花加工的高速高效化,同传统的切削加工相比,电火花加工速度和加工效率很低。
因此,高速高效化是电火花加工技术的发展方向。
根据现有对电火花加工机理的研究情况来分析,提高电火花加工速度和加工效率,可以从以下几方面来实现:
(1)研究新型的电火花节能电源。
此方法是从提高电火花电源的使用效率入手从而提高电火花加工效率。
这是因为传统的电火花加工电源的效率很低,电能的利用率不到30%,大部分的能量被限流电阻被消耗了。
因此开发新的节能电源,有效提高电火花加工电源的使用效率,减小电源的能量损耗是提高电火花的加工效率的一种有效方法。
(2)采用电火花铣削加工技术,即使用简单形状的电极进行类似于数控铣削加工的电火花铣削技术的也是提高的火花加工速度的一种方法,并可实现电火花加工的自动化。
尤其在加工形面复杂的工件时,电火花铣削加工更是具有独特的优点。
这是因为电火花铣削加工技术无需制作复杂的电极,省去了电极制作的大部分时间,因此可提高加工速度。
由于电火花加工过程中电极损耗的存在,电火花铣削加工技术必须考虑电极损耗补偿的问题,而电火花加工过程的复杂性和众多的影响因素,使得实现电极损耗的在线、实时补偿成为该技术的难点和重点,因此实现在线实时补偿是该技术的重要研究内容。
在此值得一提的是,气体介质中电火花加工由于电极损耗非常低,在气体介质中进行电火花铣削加工,则有利于实现或简化电极损耗补偿,实现加工过程的自动化,减小了加工辅助时间,是实现三维复杂形状高速加工的有利手段,因此应对气中电火花技术进行深入的研究。
(3)提高电火花加工机床伺服系统的响应是提高加工速度的另一种方法。
据估算,在电火花成型加工中,抬刀、跳跃和排屑的时间占到总加工时间的60%~80%,电火花有效加工时间较少,为此日本Sodick公司将直线电机应用于电火花加工机床的伺服系统,直线电机拥有高速度和高加速度,可使电火花的加工速度提高40%~60%。
同传统的电火花加工相比,直线电机加工速度和加工稳定性好,即使是在加工排屑不畅或者不加冲油的深小孔加工时,加工的稳定性也很好,因此是实现电火花高速加工的有力手段。
此外,具有快速响应装置如电磁式线性驱动装置、压电元件和磁致伸缩振子驱动装置等的应用有利于提高电火花加工速度。
(4)利用先进技术手段提高电火花加工速度。
计算机技术和智能技术等技术的发展,可促进电火花机关技术的发展,将这些先进技术应用到电火花加工中,可以提高电火花加工速度。
目前先进的电火花加工机床如瑞士阿奇(AGIE)公司生产的电火花加工机床以融入智能控制技术构成其特点。
融入智能技术的机床可以实现加工过程的模糊控制、自适应控制,能够根据放电加工的状态调节伺服系统,从而改善加工状态,提高加工效率。
此外,氧气介质中电火花加工也是提高电火花加工速度的方法之一,研究发现以氧气为介质的加工速度并不逊色于液中加工。
因此加强对氧气的气中放电加工研究,有望实
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