《金刚石线切割机的传动方案设计》9700字（论文）

金刚石线切割机的传动方案设计摘要现代社会人类已经和机器共存，机器能够使人们的工作达到省时，省力的基本目的，甚至完全可以取代人们部分繁重的工作。采用机器进行辅助或者替代人们进行工作会让工作的效率极大的提升，并且随着市场经济的发展采用机器进行制作的产品的品质也会更加有保证。线切割加工对于导电性差的材料进行切割时机床效果不明显，为能够更好凸显其加工优势，机床对材料的属性要求不高，只要硬度小于砂线硬度都能进行加工。石墨材料密度较大切割难度较高，相比较采用其他切割技术金刚石线切割切面完整、精度高、效率高、清洁度良好，金刚石线切割机在精密零件切割上应用广泛。目前多用来加工各种不同硬度的晶体，例如：合金材料、非金属材料、稀有晶体、贵重材料。金刚石线切割机是加工精密度零件的重要仪器和专用设备，其自动化程度高，人员技能要求低，作业效率远远高于传统电火花线切割方式，所以被广泛的使用。随着市场上对线切割产品的需求量和对线切割产品的性能要求越来越高，设计和开发一款更加稳定，效率更加高，方案更加合理的金刚石线切割机是我们不断发展超越的目标。关键词：金刚石；线切割产品；效率；结构。目录21931绪论 1280491.1概述 1205071.2国内外研究现状及发展趋势 1245261.3金刚石线切割机的简介 417782金刚石线切割机的设计方案 5231062.1有关首选参数 5255502.2切割机特点 6255072.3金刚石线切割机设计方案 6230152.3.1原理分析和总体结构设计 7297562.3.2传动系统和工作台的设计 7211292.3.3张力调整装置设计 84323金刚石线切割机传动设计 10246453.1滚珠丝杆的选择与计算 10250493.1.1滚珠丝杆的定义 1084033.1.2滚珠丝杆副间隙调整法 1114583.1.3滚珠丝杆的循环方式 13273613.1.4滚珠丝杆的计算 14216043.1.5滚珠丝杆安装方式 1739283.2步进电动机的选择 18286593.3张紧轮设计 21291623.4绕线轮的设计 25143683.5二维夹具的设计 276879结论 2817777参考文献 291绪论在材料的选择方面一般脆性材料的抗疲劳强度高、性能优越，导电能力较弱、是目前电子等领域广泛使用的对象。目前多应用于精度高的脆性材料领域范围。随着科技的不断发展，市场对于光伏材料的需求不断增多。根据硬脆材料本身的特性耐磨性强、抗疲劳强度高，所以加工手段复杂，首要工序是对材料的锯切，工序的加工费用较高，所以，要对切割领域进行更深一步的技术研发，达到节约切割成本的目的。目前企业在切割硬脆性材料使用的也是金刚石线切割机设备。切割线是使用金刚石作为原料，经过研磨加工形成，切割过程方式分为两种。来回往返式与单项运动式。由于切割线本身切割性能强，对于截面的切割损伤小，不易变形、切片薄厚均匀，随着科技的进一步发展，金刚石线切割技术成为了市场首选的切割手段，切割质量高、截面创伤小、切割费用低是其他切割机所不能同时兼具的优势。研究目的和意义1.目的本课题研究目的是对金刚石切割机主传动系统的优化与改进，随着科技的发展，目前市场的切割技术满足不了企业的需求，老式切割机噪音大，切割效率低，切片凹凸不平、耗能高、污染大。为相应国家节能环保的要求，对切割机进行了优化与改进，对传动系统进行合理设计，分析切割机结构框架的强度。对其关键零部件进行改进与校核并进行受力分析。减小生产成本，分析切割机整体结构性能以及动态参数，所以，完善和改进金刚石线切割机设备的结构和工艺已经成为市场行业发展的重要任务。2.意义目前我国金刚石线切割技术已基本成型，在时代浪潮的推动下，工业的生产过程也将迈向科技化，这是一个任何人也无法阻止的事实。而我们要做的就是跟上时代的脚步，大力发展科技兴国，对切割技术投入更多的资金与科研人员。但切割技术需要改进的地方还特别多，能够做得更好，向着低成本、高效率、结构简单操作方便的方向发展，这是一个机遇与挑战并存的时代，节能降耗是我们国家一直号召的口号，当下已经成为最主要的发展趋势，实现高效率、自动化同步控制、连续化生产、低成本切割将会是未来要实现的目标，从长远来看，金刚石线切割的应更加人性化，能够取得全方面切割信息，切割机未来的市场是无限潜力的，我国切割机技术的发展也正日新月异。1.2国内外研究现状及发展趋势金刚石线切割技术在国外的发展已经非常成熟，对于高度精密数控机床的发展，先进国家都高度重视，并优先投入大量资金与科研人员。目前，发展较为领先的国家是欧美地区，他们采用的是金刚石环形切割方式，这种切割方式与传统锯机相比有着卓越的优势：设备切割截面损伤小，设备操作简单易上手、同时也解放了劳动生产力、提高了产能的质量与速度。目前日本所采用的方式是让切割线向下作进给运动完成切割，他们的线切割设备优点在于使用性能较好、设备使用寿命较长，所以在市场上占有很大份额，尤其在中国市场占由更高的比例。2.国内研究现状我国切割技术起步较晚，国内较好的切割技术是半自动多线切割，最大的缺陷是存在线速较慢、切割截面不均匀、切割后的材料在使用过程中易变性、设备本身噪音较大，切割效率与精度较低等大量的问题。切割线当时采用的是砂浆和硅材料之间的研磨所完成的切割，手法粗糙，材料浪费严重，截面凹凸不平。同时切割过程中产生的废料很难清理，达不到节能减排的目的，这样严重阻碍了企业的飞速发展，也违背了我们倡导绿色环保的原则。随着科技飞速发展，我国也开始注重对精密加工设备的科研投入和资金投入经过多年研发，结合欧美国家先进的切割技术资料，逐步突破难关并熟练的掌握了精密切割设备。从而研发了高效率、高度精密的切割设备，解决了现有问题的困扰。因此金刚石线切割逐步取代老式的硅片切割设备，然而还是存在一定的问题，结构较为复杂，耗电量高，人工费用较大。用金刚石线代替老式的金属线不能完全发挥最大优势，近三年中国重大科技项目，多线切割机研制成功，打破了国内生产线效率低，劳动力投入过多，耗能大，污染严重的问题。企业的发展突飞猛进，为工业市场也注入了新的生机。目前国产切割机也开始面向全国，不论在质量、产品性能或性价比方面，与国外切割机相比较，差距明显缩小，市场占有比也进一步提高并接近国外现有水平。1.3本文研究的内容本文依据课题来源以及课题背景，通过查阅切割机现有的书籍与网络资料经过指导老师的指点，以此确定本文的论文结构框架。进而借鉴现有的研究成果，在此基础上，了解金刚石线切割机结构机理，最终确定自己的研究内容以及研究方法。对此，本文在明确研究目的的背景下，根据设计参数以及设计要求，进行初步的方案设计，并通过方案论证，确定最终合适的研究方案；之后，进行动力参数的计算以及标准件的选型和计算，本文通过数字样机进行方案建模，分析其方案的可行性以及是否会发生结构干涉，以及结构强度是否满足可靠性，是否会产生失效，最后，不断的对设计方案进行修改和论证，以其达到制造标准和使用标准，并保证设计的可靠性，在此基础上，以期解决金刚石线切割机在该领域遇到的局限性，并为此提出一种研究方法，为该课题的研究贡献自己的一份力量。本文的研究方法和难点主要在于方案的选型与论证。1、绪论部分：根据金刚石切割机的适用范围查阅相关书籍资料在现有的基础上进行改进，在此，明确研究的目的以及意义，并确定要解决的内容以及技术难点。同时，确定论文的研究方法以及论文的整体框架。2、设计方案部分：本章依据论文的研究背景以及存在的技术难点，提出设计目的以及设计要求，并根据设计要求以及设计数据，进行初步方案设计，通过对比论证后，确定最终方案，在此，明确方案的设计要点以及该方案的工作原理以及主要结构。3、理论参数计算部分：本章根据设计方案进行标准件的分析和计算，并确定整机的使用寿命和可靠性，初步进行动力源的选型和计算，传动系统的理论计算和分析，并确定最终的选型，同时对该方案进行理论计算分析，保证其可靠性。结论2金刚石线切割机的设计方案随着我国制造业快速发展发展，对产品的加工要求也是越来越高，除产品的传统机械加工工艺外，其次，还经常涉及产品的切割技术，其主要包括完成产品的角度切割，并保证切割形状和精度，但是，常用机械切割机只能完成正常角度的切割，而对于复杂角度的切割，主要依靠水刀或者线切割加工，其次，涉及到金属3D打印，但往往加工成本加工，为解决上述工业产品加工难度问题，本文拟设计一种自动化金刚石线切割机，并对其机床结构、工作原理、传动系统、工作台进行分析设计。成品如图1所示：图1：金刚石线切割机成品产品图2.1有关首选参数金刚石线切割机装置；初步参数的选取：直径最大切割范围：切割微线长度范围：切割速度范围：工作台横向移动距离：工作台纵向移动距离：气动张力调整：2.2切割机的特点金刚石线切割机是针对于硬脆性材料，或贵重晶体的一种超精密切割技术。能够完成复杂零件的加工的金刚石线切割机，还能实现任意角度切割，提高加工效率，制造成本低。金刚石线切割机还能够实现X,Y,Z三轴移动切割，并能够轻松切割加工件，运动无卡顿，结构紧凑。其中可大体概括为以下几点：1.机型设备较小，操作简单方便。能够完成150毫米的晶体切割；2.切割数据精准，动力系统运转稳定，可进行无极速调控；3.特定的编程系统，节省了人力成本费用，对材料的切割更加精密准确；4.采用先进的双回路可调控气压；5.设备机架采用一体式框架焊接而成，内部传动机构稳定；6.防止污染，在内部装有自动冷却液输送系统；7.金刚石切割机可分为多段同时切割；2.3金刚石线切割机设计方案金刚石线切割机要完成X、Y、Z三轴移动，因此，主要完成工作面的X,Y向移动以及Z轴金刚石线的上下往返运动，完成了对工件的切割加工。对此，金刚石线切割主要机构应包括：加工件工作平面（X,Y轴移动），Z轴线切割进给机构，以及绕线机构。金刚石线切割机的结构方案设计工作原理是，将待加工件放在工作台上，根据PLC编程实现工作平面的X,Y轴移动，绕线机构的线经过Z轴，当Z轴向下运动时，可以实现待加工金属的切割运动，从而，完成金属切割。其中要对切割机的总体结构进行选材，技算疲劳强度、分析工作原理、确定传动路线，以及工作台是否合理，最终完成对金刚石线切割机的总体设计。保证金刚石线与加工件高精度接触进行精确切割，同时要满足高精度、高质量、高效率等工作要求。2.3.1原理分析和总体结构设计金刚石线切割机Z轴传动设计主要实现绕线机构的Z向移动，其具体的结构设计如图2金刚石线切割机Z轴及绕线机构设计，其Z向移动和X轴原理类似，但在Z向移动上自带刹车装置，以防因断电，绕线机构因重力作用，发生撞击事故，Z轴机构结构件主要采用铸铁材料制成，绕线机构可以在切割工作力的作用下实现旋转往复运动，再有自动泠却液的喷洒，进而完成切割运动，达到切割零件的目的。1—床身；2—X,Y工作台；3—导向轮；4—金刚石切割微线；5—绕线轮；6—张紧轮；7—滚筒；8—切削液图2-1总体结构示意图2.3.2传动系统和工作台的设计选取步进电机带动主传动结构的运转，它具有可调控性强、输出扭矩大，稳定性好，结构简单等优点。工作原理是由电机带动金刚石切割线沿双曲回路导轨做往返运动，完成一次切割。工作台面主要采用工型梁加工面，降低整机重量，其次，利用待加工件安装和加工。机床的传动系统：首先工件固定在工作台上，工作台沿X，Y两个坐标轴方向运动，Y轴移动机构和X轴移动机构类似，其安装主要将Y轴移动机构安装在X轴工作台上，然后，通过PLC调节实现代加工件X，Y轴移动。在通过数据库的记载，实现零件切割运动轨迹的控制。组成部分由滑块、导轨、丝杠运动副、齿轮传动机构组成，如图3所示：图3：机床传动图2.3.3张力调整装置设计线切割机在长时间的工作环境下，由于热传导效应线锯温度急剧升高，内部结构发生变化，线锯张紧力下降。造成轴定位不准确，理想切割尺寸与实际尺寸出现偏差。使工件尺寸出现误差，切割面凹凸不平。给企业带来生产影响，造成不必要的损失，为避免这种情况的发生，优化设计了恒张力辅助机，使高强度工作的切割机对零件切割精密度有了更进一步的发展。安装自动调控装置实现对切割线的张力调节，目前它的工作原理，一种是根据弹簧自身的弹力，更变切割线的张紧力，该装置组成包含一个核心弹簧拉紧装置和一组传导轮；另一种是根据重力原理，保持切割线的张紧力恒定不变。该装置包括一组压轮和一个维持恒定的重力块。本次设计张力调节装置体积轻巧，内部结构简单，实用可控性强，如图4所示。图4：自动张力装置的结构图3金刚石线切割机传动设计金刚石线切割机床的整机结构设计，主要包括Z轴移动装置及绕线机构，其主要完成金刚石线刀具的进给，其X轴移动装置和Y轴移动装置主要实现待加工件的X轴移动和Y向移动，进行往返运动完成刀具进行进给深度后，待加工件实现X轴移动和Y轴移动，从而完成待加工件的切割，金刚石与工件实现点接触切割。该装置整机采用PLC控制，自动化效率高，加工精度高，整机结构紧凑，制造成本低。3.1滚珠丝杆的选择与计算螺杆、滚珠和螺母共同作用形成滚珠丝杠。其功能原理和丝杆蜗杆相同，将圆周运动的切运动在平行轴上做倾角，这样就会产生轴向倾角得分运动将旋转运动转化成直线运动。一般的丝杆采取滑动，摩擦系数较高，而滚动丝杆的螺母和丝杆螺纹采取滚珠嵌套配合，这样极大的减小了摩擦力与传动阻力。同时滚珠丝杠应用范围广阔，多用于精密仪器的使用。3.1.1滚珠丝杆的定义滚珠丝杆是将回转运动与直线运动两者的相互转化达到理想目的的一个产品。滚同时他也是精密机械，和工具机械上最为常见的一个部件，其主要性能是将旋转运动与直线运动相互转化的过程，也可以是扭转力和轴向作用力之间的互相变换，具有的精密性强、可以来回变换以及效率相对不低的主要能力。3.1.2间隙调整法关于滚珠丝杆副由于机械设备长时间的工作运转使轴的间距变大，造成滚珠与滑道产生形变而出现的螺母错位。影响了传动系统的精度不能稳定运转。出现上述情况可以适当调节预紧力的大小。常用的方法有适当调节螺母垫片厚度，使其产生轴向位移，从而消除间隙。但存在一定缺陷，调整会有一定误差，精度不够。第二种双螺母齿差式调隙，结构复杂多变，但其调节精度高、误差小。3.1.4滚珠丝杆的计算1计算额定动载荷（3-1）表3-1寿命的选择主机类型Th（h）一般机床、组合机床10000数控机床、精密机床15000工程机床5000——10000自动控制系统15000测量系统15000航空机械1000——2000表3-2滚珠丝杠副载荷、硬度和精度系数表载荷系数硬度系数精度系数载荷性质滚道实际硬度HRC精度等级≥581.0C、D1.0冲击小、平稳运转1.0-1.2551.11E、F1.1一般冲击1.2-1.5501.56G1.25较大冲击、振动1.5-2.5452.4H1.43由表3-1可知由表3-2分析得（分别为数控机床等级的C、D两个等级）将其带入可得（3-2）滚珠丝杠的具体参数可以由额定动载荷数值作为参考。由于有，所以可以由此推理出型号为，同时滚珠丝杠副可以决定用这一型号。所以也可以得出如下参数作为参考：表3-3滚珠丝杠参数名称动载荷公称直径导程滚珠直径螺旋角数值假设原螺纹升角的补偿值，选取在调整螺母预紧后P1=8′40〞可以推导得出螺纹滚道半径、偏心距以及丝杠内径公式以及数值分别为如下所示：推理可得以下数据丝杆、进行验算推理其稳固性能以及最大承受载荷表3-4滚珠丝杠参数名称丝杠材料弹性模量丝杠危险截面的轴惯性矩长度系数丝杠工作长度数值已知（钢作为丝杠材料）将已知数据分别带入临界载荷的计算公式中，可以推导出如下数据：接下来可以得出安全系数的数值因得数为，可知，得出丝杠的安全程度合格。刚度的适应程度计算可以求得在导程上面的每米变形量△L的求法为名称工作载荷丝杠材料弹性模板基本导程转矩丝杠切变模量丝杠的惯性矩丝杠截面积符号计算式中：代入数据后可得：将导程的每米变形量△L带入已知式子中可得以级精度作为参考数控机床的精度取值，以为参考值，将内导程公差控制在，可得出为每米内公差值，由此推理刚度证明达标。计算效率数值准确由以下公式推工作中在导滚珠丝杠副上存在的传动效率η的数值将数值带入：代入上式得由于普通滚珠丝杠副工作时的传动效率，所以通过得数求出其可以实施。3.1.5滚珠丝杆的循环方式内循环与外循环分别为滚珠丝杠的两种循环方式。其中内循环这种循环方式大多采用反向器，性能较好，轻巧、方便。外循环外阻力较大，精密度高，循环费用低。滚珠丝杆是目前日本最先进的机械设备国家，外加有效的管理体制保证了滚珠丝杆精密度高，能够实现精确的微进给，目前对于滚珠丝杠的选取增加了运动效率，在节能减排方面也做出了优异的贡献。金刚石切割机是一种超精密仪器设备，所以对于精度的要求比较高，两端面的固定对于丝杠是最合适的固定方法。在图3-5中可以清晰的看出其被固定牢固的办法。图3-5：滚珠丝杠的固定方式3.2对于步进电动机的选用在设计机器时，对于电机有很多种方案进行挑选，本次的设计优先进行考虑的电机型号为步进电机，因其成正比的两个数据分别为输入脉冲个数与角移动这两个参考数据，同时在工作的过程中，工作速度以及所需时间及其相似，近乎同时启动结束，所以只需把握好脉冲个数，和相对排序就能够很好的调控转向与转速。因步进电动机控制精度高，稳定性好，最先进行考虑的方面为此电机的实际应用能力以及对于工作时成品粗糙度的把握，因此此电机的工作时长与工作件数的比值可以根据PLC进行控制，在此，不需要设计减速器进行速度调速，本文主要通过工业电机软件进行选型设计，初选设计负载20KG，采用电机+丝杆进行传动，初始运行时间为0.5s，电机转速为45r/min。金刚石线切割机的结构设计电机规格参数以及结构设计扭矩力的计算。在工作生产中，人们对于切割机的首要要求为成品粗糙度小、还原度高，由此可以挑选取值为，相数，通电方式为相拍，通电顺序为。因步距角的求导可以通过下方式子带入如下数据，将代入得，正常可知此电动机的转角与脉冲个数的数值之间为正比关系因此步进电动机的转速nm可由下方式子推导出其结果；由以上所有数据分别整合对比，可以发现型号为BYH的此型号步进电动机为最适宜的电机选择结果。3.3张紧轮设计在传动过程中，一个结构极为重要，那就是张紧轮，因其是具有调节把控作用的机械零部件，所以，在机器工作过程中，传递环节有所失误，影响其正常工作，比如对于中心距这一部位的控制消失，张紧轮就会将线拉紧，起到对中心距的合理调控作用。张紧轮通常都安放在靠内侧部位并靠近大论安放，受单向弯曲应力，同时包角也会增大很少；如图3-6所示：图3-6：张紧轮图示以张紧形态为此次计算的假设前提，以表格中的数据为主要参数，可以求出弯曲应力的数值：于张紧轮中央，张紧轮直径，材料的许用切应力，许用挤压应力已知：可得已知可得由上式可知，对于挤压强度的标准来看，张紧轮非常符合标准。3.4绕线轮的设计有关于绕线轮其和鱼竿的绕线器有些类似，通过将钢丝绳一头缠绕在出线轮上金刚石线锯切割机把一根细长的钢丝绳缠绕在排线轮上，另一头放入进线轮，并有出进两机构一同收紧。为了更好地控制钢丝的张紧力，在两轮之间安装多个控制轮来达到目的。两轮同时有节奏的相互拉扯，切割机完成一次往返切割运动。为防止温度过高，对切割线与切割晶体造成损坏，设备装有自动润滑液喷洒装置，动力来源于泵体的压缩。切割液由冷却剂、硅粒磨料和润滑油配制而成。切割时，能够使材料切割相对均匀，切割面整体，细腻。如图3-7所示：图3-7：绕线轮图示（1）如图3-8所示分别可以求得支承反力，受力的数值：{机械原理}图3-8绕线轮受力图（2）可以求得弯矩的数值为（3）可以求得转矩的数值为（4）验证数值许用应力许用应力值推导同时可知本次设计的直径数值；（5）疲劳强度验证计算通过对、两个截面的力进行分析，可以得出两个截面具有较大的应力和应力集中，对截面的安全系数进行计算、校核、分析。选用材料进行分析可知45钢调质最佳已知：得：可知等效系数：已知截面上的应力弯矩推导可得弯曲应力幅得出弯曲平均应力为可知扭转切应力最终得到扭转应力幅和平均切应力只在一个截面上出现很多应力的情况发生时，则要计算出所有与之对应的所有应力的集中系数，最终数值为应力最大的应力集中系数。3.5二维夹具的设计夹具是机械设计过程中用来对某零件进行定位锁紧的作用，使其在固定位置不发生改变，方便后续工作的高效运转。夹具又称卡具。准确的来说就是将零件正确的安装在机床的准确位置上，也就是限制其自由度。极大的减少辅助工时，提高劳动生产力、产品质量稳定、降低了废品的出现率。用夹具装夹工件方便，快速，极大减轻了生产劳动力。例如在机床加工工件，为了满足生产要求，达到标准尺寸，与合理形状以及表面精度等相关技术要求，必须用夹具将加工零件定位夹紧，确保工件在正确加工位置，不会出现偏差，所以夹具能够有效的扩大机床的使用范围，实现一机多用。图8展示了本次设计的二维夹具体：图3-8：二维夹具体夹紧力按下式计算：QUOTE查手册，取QUOTEºQUOTEQUOTE可得切割机的夹紧力为。切割机进行切割时的切削力为：QUOTE安全系数是在计算切削力时不能忘记的因素。计算公式（安全系数）根据《机械加工工艺手册》查得：式中：QUOTE—基本安全系数；取1.2—加工性质系数；取1.1—刀具钝化系数；取1.1—切削特点（连续切削）；取1.0—夹紧力稳定性；取1.1QUOTE—手动夹紧手柄位置；取1.0QUOTE—仅有力矩使工件与支承面接触情况；取1.0则因为切割削力QUOTE小于夹紧力QUOTE，所以该夹紧装置安全可靠。结论设计的主要方案是对切割机的改进与优化。通过对现有资料的查取和借鉴以及指导老师宝贵意见下，完成了对切割机的基本结构了解与利弊分析，最终整理资料明确对切割机各部件的改进与优化方案。在指导老师的帮助下，改进并确立设计方案，以节能减排，高效生产、精密加工为目标。首先，通过论文的目的与意义进行探究，确定课题研究的可行性以及研究方案，由于对切割机设备的优化无法进行具体实验，目前的切割机自身太重运转不稳定、耗能较大满足不了当前节能减排的节能理念，所以我们只能依靠理论完成进一步的设计优化。本章主要根据研究背景和研究内容，进行目标设计，明确目标设计参数和设计要求，根据设计要求完善传动零部件的合理选材与运转，对于切割线的合理选用，与保护措施。优化传动装置，安装自动化喷洒润滑液装置，确保切割的超精度。主要是针对金刚石线切割机目前的结构框架与传动部件的型号选取与强度校核，明确金刚石切割机目前所存在的问题，针对问题做出合理的改进和优化，最终通过计算校核完成对于切割机的改进和升级。对金刚石线切割机床的设计方案进行改良，完成金刚石线切割机X，Y轴移动装置的设计，以及Z轴和绕线机构设计，整机结构设计紧凑，不存在干涉的风险，制造成本较低。通过本次对金刚石线切割机的设计，我也对设计这方面有了更深的了解积累了一些设计经验，目前切割机市场潜力较大，这是一个机遇与困难并存的时代。我相信我国在金刚石线切割机这一方面一定会披荆斩棘，创新出一片属于我们的切割领域。参考文献孙建章，吕玉山，刘兴文．往复自旋式电镀金刚石丝锯数控切割机的设计研究[J]．