凹模电火花线切割加工工艺设计学位论文.docx
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凹模电火花线切割加工工艺设计学位论文
华东交通大学机电工程学院
课程设计说明书
课设名称：
模具制造工艺学
设计题目：
凹模电火花线切割加工工艺
姓名：
陈维琪
学号：
20100310040228
班级：
10模具
（2）班
指导老师：
黎秋萍
华东交通大学机电学院
《模具制造工艺学》课程设计任务书
院系机电工程学院专业模具设计班级2班
一、课程设计任务（论文）题目：
凹模电火花线切割加工工艺
二、课程设计（论文）工作
自2013年6月17日起至2013年7月5日止。
三、课程设计（论文）的内容要求：
零件技术要求及结构分析，毛坯类型选择及毛坯制造工艺设计；零件机械加工工艺（选择合理的加工方法拟定工艺路线，基准的选择，工序，工步的确定，及加工顺序的安排，加工余量及工序尺寸的计算，设备及工装的选择等）设计；热处理工艺设计及编制数控加工程序。
设计必须按照课程设计的具体要求进行；要求设计思路清晰，数据来源可靠，计算步骤清楚且结果正确,图面清晰规范，说明书有条理清楚。
学生签名：
陈维琪2013年6月20日
课程设计（论文）
评阅人职称
年月日
目录
第一章引言………………………………………………………………4
第二章零件的技术要求及分析…………………………………………5
2.1结构分析：
…………………………………………………………5
2.2图纸技术要求分析…………………………………………………6
第三章毛坯的选择与设计………………………………………………8
3.1毛胚类型的确定……………………………………………………8
3.2毛胚结构尺寸及公差的确定………………………………………8
3.3定位基准的选择……………………………………………………9
3.4工艺方案的确定……………………………………………………9
第4章加工余量及工序尺寸的确定……………………………………10
第5章线切割工艺参数的选择…………………………………………12
5.1线切割机器的选择…………………………………………………12
5.2切割速度的确定……………………………………………………12
5.3电极丝材料及直径的选择…………………………………………12
5.4工作液的选配及使用………………………………………………13
5.5穿丝孔加工…………………………………………………………13
5.6工件的装夹…………………………………………………………13
5.7工件位置的找正……………………………………………………14
5.8电极丝的穿丝及找正………………………………………………14
5.9电极丝的位置找正…………………………………………………15
5.10电规准的选择………………………………………………………15
第六章线切割加工程序编制……………………………………………16
第七章各工序切削用量的选择与计算…………………………………17
第八章机械加工工艺过程卡……………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………21
第1章、引言
本课程设计是在完成《模具制造工艺学》学习的基础上，为了达到理论和实践结合的目的而进行的，突出了模具设计基础的应用，以提供更准确，实用，方便的计算方法，正确掌握并运用冲压工艺参数和模具工作部分的几何形状和尺寸的综合应用提高自我的模具设计和制造能力的综合应用。
对本人而言，我相信通过本次课程设计对自己未来从事的工作有一定的作用，从中锻炼自己分析问题、发现问题、解决问题的能力，为今后很快的适应工作打下基础。
通过不断地学习，加上此次的设计，是我认识到模具发展的广阔前景；由于模具技术的迅速发展，对社会的发展有了积极的意义，模具设计与制造这个行业也越来越引起人们的重视。
本课程设计包括以下几个方面的内容：
零件的技术要求分析及结构分析
主要包括功能结构、尺寸精度、表面粗糙度、形位公差、表面质量、硬度等机械性能要求、结构分析等。
工艺规程设计
毛坯的选择，根据零件的要求，进行毛坯尺寸和公差等零件锻件图的确定。
毛胚制造工艺设计。
电火花加工参数及规程制定
凹模电火花线切割加工工艺设计，零件的电火花加工工艺过程（工艺路线）包括机床的选择，运丝机构和电极丝的选择，工作液及循环系统的确定，工件装夹，电规准的选取，及对零件的表面和凹模孔工，工序内容的确定。
工序卡
填写工艺过程综合卡片，根据前述各项内容以及加工简图，一并填入机械加工工艺过程卡片中
第2章、零件的技术要求及分析
1.结构分析
该零件属于平板类，主要加工内容为平面及孔系和凹模。
平面的加工方法为刨、铣、磨，孔系和凹模用电火花加工。
2.图纸技术要求分析
（1）主要平面为上下平面Ra为0.8，侧平面Ra也为0.8：
孔系有
2-R5，Ra为0.8
4个螺纹孔4-M10
（2）材料的机械性能分析
CrWMn钢临界温度示见表1
其饱和磁感Bs为1.82~1.86T;电阻约为0.24×10-6Ω·m。
临界点
Acl
Acm
Arl
温度（近似值）/℃
750
940
710
表1
CrWMn钢的热加工工艺示于表2
项目
加热温度/℃
开始温度/℃
终止温度/℃
冷却
钢锭
钢坯
1150~1200
1100~1150
1100~1150
1050~1100
880~800
850~800
先空冷然后缓冷
先空冷然后缓冷
表2
为了降低或减轻炭化物网状的形成，锻轧后尽可能冷至650~700℃，然后缓冷（坑冷、砂冷或炉冷）。
CrWMn钢具有高淬透性。
由于钨形成碳化物，这种钢在淬火和低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性。
此外，钨还有助于保存细小晶粒，从而使钢获得较好的韧性。
A预先热处理
CrWMn钢的有关预先热处理曲线示于图1和图2，退火前后的相成分、硬度和显微组织示于表3和表4，需要说明的是：
（1）退火加热保温时间在全部炉料加热到退火温度后为1~2h，冷却；等温保温为3~4h；
（2）高温回火用于消除冷变形加工硬化（如称为再结晶退火）；消除热处理前的切削加工内应力。
对热处理后硬度过低的零件在二次淬火以前亦先进行高温回火保温时间在全部炉料加热到温后为2~3h；（3）正火用于细化过热钢的晶粒和消除炭化物网；（4）当钢的退火硬度HB低于183时，调质处理用于提高切削加工表面光洁度。
图1锻压后退火
图2锻压后等温退火
方案
淬火温度/℃
冷却介质
介质温度/℃
硬度（HRC）
延续
冷却到20℃
Ⅰ
820～840
油
20～40
63～65
至油温
空冷
Ⅱ
820～840
油
90～140
63～65
至150～200℃
空冷
Ⅲ
830～850
熔融硝盐或碱
150～160
62～64
3～5min
空冷
注：
冷处理应不迟于淬火后1h内进行。
第3章、毛坯的选择与设计
1.毛胚类型的确定
由于技术要求说明零件材料为CrWMn，查参考文献可知其热处理状态为840~860℃油冷或者160~200回火，其硬度为≥62，可用电火花线切割加工。
考虑到在工作过程中力学性能要求高，所以应选择锻件，已使零件金属纤维尽量不被破坏，保持零件工作可靠性。
由于该零件坯料只需单件小批量生产，且零件坯料结构简单，查文献可选自由锻
2.毛胚结构尺寸及公差的确定
（1）毛胚加工余量的确定
经过查表（《模具机械加工工艺》-吴泊良，）可知，初步选取毛胚余量为高5mm（双边余量），亦即长宽都加上15mm。
（2）毛胚结构尺寸公差的确定经过查询《机械加工工艺手册》电子版，可知毛胚各尺寸公差如下
长：
+1，-1
宽：
+1，-1
高：
+1，-1（mm）
（3）确定毛坯零件图如下
（4）毛坯制造工艺设计
锻件毛坯由于经锻造后可得到连续和均匀的金属纤维组织。
因此锻件的力学性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。
其中自由锻件的精度和生产率较低，主要用于小批生产和大型锻件的制造。
模型锻造件的尺寸精度和生产率较高，主要用于产量较大的中小型锻件。
板类毛坯是用板材冲裁出来的可以是圆形，也可以是八边形。
在用于锻造前的一些准备工序一般有：
板材→冲压→退火→润滑处理→锻造。
3.定位基准的选择
基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一。
基面选择的正确与合理可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。
否则，加工工艺过程中会出现问题，更为严重的还会造成零件大批量的报废，使生产无法正常进行。
对于垫板作如下基准选择：
选择上下平面，相邻互相垂直的两侧面为定位基准面，即三基面体系定位，符合基准统一原则。
加工凹模时以加工好的孔的圆心为基准来定位，符合基准重合原则。
4.工艺方案的确定根据垫板零件图上各加工表面的尺寸精度和表面粗糙度，确定个表面和孔系的加工方案如下：
（参数的选择源自于参考资料《机械制造课程设计指导书》，表1-8和1-7等）
加工内容尺寸精度表面粗糙度加工方案
上下表面IT70.8粗铣-精铣-磨削
相邻侧面IT70.8电火花线切割
Φ10IT70.8钻-粗铰-精铰
4-M10螺孔IT12--钻
攻丝---1.6丝锥攻内纹
火花线切割外轮廓
检验------表面清理、油封
第4章、加工余量及工序尺寸的确定
1.上下大平面：
（1）加工余量的确定（查《机械设计课程设计指导书》表2-36）
磨削余量：
z=0.3mm
精铣余量：
z=1mm
粗铣余量：
z=3.0-1-0.3=1.7mm
（2）工序基本尺寸及偏差的确定（查询课设指导表1-8）
磨削14mm,精铣14.4mm,粗铣16.4+1*2=18.4mm
磨削：
公差等级为IT7，公差值为0.035mm;（查标准公差表）
精铣：
公差等级为IT8，公差值为0.054mm;
粗铣：
公差等级为IT12，公差值为0.35mm；
工序尺寸按偏差“入体”原则标注如下
磨削：
14mm0,-0.035
精铣：
14.4mm0,-0.054
粗铣：
18.4mm0，-0.35
毛胚：
20mm1,-1
2.相邻侧面：
侧面
（1）加工余量的确定
粗铣余量：
7.5mm
（2）工序基本尺寸及偏差的确定
基本尺寸125；
公差值0.04mm
按“入体”原则标注：
粗铣125mm0，-0.03
3.Φ10孔
（1）加工余量的确定
钻：
z=9.0mm（查表2-28）
粗铰：
z=0.95mm
精铰：
z=0.05mm
（2）工序基本尺寸及偏差的确定
钻9，粗铰9.95，精铰10
钻：
公差等级IT12，公差值0.18mm
粗铰：
公差等级IT9，公差值0.043mm
精铰：
公差等级IT7，公差值0.018mm
按“入体”原则标注工序尺寸如下
钻9mm0,0.18粗铰9.95mm0,0.043精铰10mm0,0.018
4.4-M10螺纹孔
（1）加工余量的确定
攻螺纹前查麻花钻直径（查表可知）
Z钻=9.5mm,再攻丝
（2）工序基本尺寸及偏差的确定
公差等级IT12，公差值：
0.15mm
工序尺寸为钻9.5mm0,0.15
5.工艺装备的选择（刀具、机床、夹具、量具）
由于是垫板加工，所以夹具都采用专用夹具，工艺装备选择如下：
工序号工序名称机床刀具量具
1.粗铣上下面立式铣床x5012面铣刀游标卡尺
2.精铣上下面立式铣床x5012面铣刀游标卡尺
3.淬火处理
4.磨削上下面平面磨床M7120A砂轮游标卡尺
5.电火花线切割侧面WEDM-HS钨钼丝游标卡尺
6.去毛刺钳工台平锉
7.钻、粗铰、精铰Φ10孔摇臂钻床z3025麻花钻、铰刀塞规
8.钻、粗铰、精铰螺钉孔摇臂钻床z3025麻花钻、铰刀
9.钻螺纹孔、攻丝钳工台麻花钻、丝锥塞规
（数据参考于《机械加工工艺手册》机床、刀具等的选用标准
6.机械加工后的热处理
在机械加工之后所要求的部分达到所需的精度以及粗糙度要求之后，把得到的零件还需进行热处理，以便线切割工序进行之前就能够保证工件的内应力不会影响线切割工序。
所以应该采用高温回火用于消除冷变形加工硬化（如称为再结晶退火）；消除热处理前的切削加工内应力。
对热处理后硬度过低的零件在二次淬火以前亦先进行高温回火保温时间在全部炉料加热到温后为2~3h。
第5章、线切割工艺参数的选择
1.线切割机器的选择
由于加工零件的表面粗糙度要达到0.4um，加工质量要求较高，所以采用低速走丝，其加工误差△＞±0.005mm。
2.切割速度的确定
低速走丝线切割机器的速度是由表面粗糙度来决定的，所以这里选择速度在30～40mm²∕min。
3.电极丝材料及直径的选择
电火花线切割加工使用的电极丝材料有钼丝、钨丝、黄铜丝。
钼丝韧性好，丝质不易变脆，不易断丝，成本比较高，所以一般高速走丝都采用钼丝。
而且对于一般工件可选用钼丝，对于厚度较大或加工时间较长的工件，可选用钨钼合金丝。
对于单向走丝的线切割机，目前均采用黄铜丝和符合镀锌丝。
黄铜丝加工的表面粗糙度和平直度比较好，蚀屑附着少。
所以这里我们选择黄铜丝。
电极丝直径选择d=0.15，单面放电间隙为0.01。
4.工作液的选配及使用
慢速走丝线切割加工，目前使用最普遍的是去离子水。
为了提高加工速度，在加工时，还加进增加工作液的电阻率的导电液。
对CrWMn使电阻率在2x10⒋。
对于加工表面粗糙度和精度要求比较高的工件，浓度比可适当大些，10%～20%，这可使表面洁白均匀。
加工后的料芯可轻松的从料块中取出。
5.穿丝孔加工
（1）穿丝孔加工的目的
在使用线切割加工凹形类封闭零件时，为了保证零件的完整性，在线切割加工前必须加工穿丝孔。
因为在线切割加工过程中毛坯材料的内应力会失去平衡而产生变形，影响加工精度，严重时切缝会夹住或拉断电极丝，是加工无法正常进行，从而造成工件报废。
（2）穿丝孔的大小和位置选择
穿丝孔作为工件加工的工艺孔，是电极丝相对于工件运动的起点，同时
也是程序执行的起始位置。
穿丝孔应选择在容易找正和便于编程计算的位置。
所以这里选择孔的中心为机加工穿孔的位置，凹模的穿丝孔选择在凹型的中点。
其优点是能较快、较准确的加工出穿丝孔同时还有利于控制坐标轨迹的计算。
穿丝孔的加工一般采用钻孔，有的也使用镗孔，采用钻孔和镗孔加工的穿丝孔直径一般为d3mm～d10mm。
进来较为广泛的使用电火花小孔机床加工穿丝孔，其直径能达到d0.3mm～d3mm，其加工速度可达到6mm∕min～60mm∕min。
所以这里选择直径为d=1mm的穿丝孔。
所以这里选择凹型的中心位置钻3mm的孔。
6.工件的装夹
（1）线切割加工工件的装夹特点
a.由于线切割加工作用力小，不像金属切割机床要承受很大的切削力，因而装夹时夹紧力不大，导磁材料加工还可以用磁性夹具夹紧。
b.线切割是一种贯通加工方法，因而工件装夹后被切割区域要悬空于工作台的有效切割区域，一般采用悬臂支撑或桥式支撑方式装夹。
（2）线切割加工中工件装夹的一般要求
a.工件的定位面要有良好的精度，一般以磨削加工面为好，定位面加工后应保持清洁无毛刺，通常要对棱边进行倒钝处理，孔口进行倒角处理。
b.切入点导电性要好，对于热处理后的工件切入出及扩孔的台阶处都要进行去氧化皮处理。
c.热处理工件一般要进行充分回火以便除去内应力，经平面磨削加工后的工件要进行充分退磁。
d.工件装夹的位置应有利于工件找正，并应与机床的行程相适应，压紧螺栓高度要合适，保证在加工的全程范围内工件、夹具不发生干涉。
e.对工件的夹紧力要均匀，不得使工件变形和翘起。
f.加工要求较高时，工件装夹后，还必须拉表找正。
（3）工件的装夹方法
装夹的方法有悬臂式支撑，两端式支撑，桥式支撑，板式支撑和复合式支撑。
由于板式支撑装夹方式是按工件的常规加工尺寸制造托板，在托板上加工出矩形或圆形孔，并可增加X和Y向定位基准。
其装夹精度易于保证，适合于常规生产和批量生产。
所以这里选择板式支撑。
7.工件位置的找正
通常电火花线切割机床工作台上装有两块基准板，以用于工件装夹定位，设备上配备的夹具的垂直基面通常都是校正好了的，该基面也可作为工件各道工序加工的共同基准，在装夹工件时，用精加工过的面靠紧夹具基面即可。
但加工中有时还需要靠工件上的某处作定位基准。
工件的找正有划线法，拉表法，固定基面靠定法，按基准孔或已成型孔找正和按外形找正。
这里采用固定基面靠定法。
它是利用通用或专用夹具纵横方向的基准面，经过一次校正后，保证基准面与相应坐标方向一致。
于是对具有相同加工基准面的工件可以直接靠定，就保证了工件的正确加工位置。
8.电极丝的穿丝及找正
（1）电极丝的拉伸与自动穿丝、剪丝
a.电极丝绕线管插入到绕线轴之后，按长导线轮，相应的V滑轮、毛毡等顺序绕过电极丝之后，插入压紧轮和张紧轮之间。
b.电极丝插入压紧轮和张紧轮之间后，穿过张力传感器滚轮。
c.用手拉出电极丝，大约1m，拉电极丝时注意避免电极丝碰剐硬器。
d.在电极丝平整的地方将其切断，注意切口不要弯曲，不要有毛刺。
e.电极丝从张力传感器滚轮穿到支撑滚轮部的导向部。
f.电极丝从管式AWT自动接线装置上部穿入管中。
向管中穿入约150mm时，接通操作面板上的AWTWATER键，则从管中喷出水流，管子内电极丝就可以轻松穿过。
g.用手拉管子下侧伸出来的电极丝，按操作面板部的AWTⅠ键，则在管子的下侧，电极丝被刀具切断。
h.除去切掉的电极丝，通过按AWTⅡ键，电极丝自动导入上部导丝器、加工区和下部导丝器，再经过排丝轮，使电极丝以恒定张力、恒定速度运行，最后送进废丝桶，完成整个走丝过程。
（2）电极丝的垂直找正
1.利用找正块进行火花法找正及注意要点
a.找正块使用一次后，其表面会留下细小的放电痕迹，下次找正时要更换位置，不可用有放电痕迹的位置碰火花校正电极丝的垂直度。
b.在精密零件加工前，分别校正U、V轴的垂直度后，需要在检验电极丝垂直度校正的效果。
c.对锥度切割加工之前，应考虑锥度切割系统的误差，再检测一次电极丝的垂直度，以免再次切割时产生积累误差。
d.在校正电极丝垂直度之前，电极丝应张紧，张力与加工中使用的张力相同。
校正时电极丝要运转，以免断丝。
2.用校直仪找正步骤
a.停止走丝不放电
b.张紧电极丝，擦拭干净电极丝、工件表面和校直仪底面。
c.将校直仪安放在台架表面上，并使测量头的a、b两测量面分别与X、Y坐标方向平行。
d.将鳄鱼夹夹在电极丝导电块上，插头插入校直仪上的插座内。
e.分别校正检测电极丝在X、Y轴坐标方向，相应测量面对工件安装平面的垂直度，调整U、V轴来校正垂直。
f.反复检测调整，直至上下指示灯同时闪烁为止。
9.电极丝的位置找正
（1）目测法
对加工要求较低的工件，在确定电极丝与工件基准线或基准面相互位置时，可直接利用目测或借助于2倍～8倍的放大器来进行观察。
（2）火花法
火花发是利用电极丝与工件在一定间隙时发生火花放电来确定电极丝的坐标位置。
具有自动找端面功能的线切割机床，自动找端面是靠检测电极丝与工件之间的短路信号来进行的。
（3）找中心法
找中心法是为了让电极丝在工件上某一圆形或矩形孔的中心定位。
所以这里我们采用找中心法。
10.电规准的选择
由于线切割加工一般选用晶体管高频脉冲电源，用单个脉冲能量小，脉冲宽度窄，频率高的电参数进行正极性加工。
脉冲宽度增加，脉冲间隔减小，脉冲峰值电流增加，加工电流增大，都会使切割速度提高，但加工的精度和表面粗糙度下降，并使电极丝损耗加大。
走丝速度快会使电极丝振动加大，加工精度降低，表面粗糙度变差，且易断丝。
加工中为保证高精度、低粗糙度要求可以采取以下措施：
穿丝孔使用细铜丝作电极在电火花成型机床上加工的，穿丝孔的位置一般选在窄缝交会处，这样便于校正和加工。
第6章、线切割加工程序编制
1.编程前的准备
（1）确定电极丝的偏移量f
电极丝具有一定的直径d，加工时又有一定的放电间隙S，使电极丝中心的运动轨迹与加工面相差了距离f，即f=d/2+S。
因此，加工零件时，电极丝中心相对于加工轮廓应偏置偏移量f=0.15/2+0.01=0.085
（2）安装用的夹具对编程的影响
采用适当的夹具，可使编程简化，或可用一般编程方法使加工范围扩大。
这里可以选用固定分度夹具。
（3）工件在工作台上的装夹位置对编程的影响
a.适当的定位可以简化编程工作
b.合理的定位可充分发挥机床的效能
c.合理定位可以提高加工稳定性
2.编写加工程序
（1）加工凹模铜丝中心运动轨迹如下
（2）程序的走向及起点的选择
为了避免材料内部组织及应力对加工精度的影响，除了考虑工件在坯料中的取出位置之外，还必须合理选择程序的走向和起点.
走向为O→A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→A
利用ISO编制上图所示的凹模线切割加工程序如下
凹模刃口轮廓交点及圆心坐标
交点及圆心
X
Y
A
14.8870
17.9245
B
14.8870
30.4180
C
12.9730
32.3320
D
-12.9730
32.3320
E
-14.8870
30.4180
F
-14.8870
-30.4180
G
-12.9730
-32.3320
H
12.9730
-32.3320
I
14.8870
-30.4180
J
14.8870
-17.9245
O
0
0
O1
12.9730
30.4180
O2
-12.9730
30.4180
O3
-12.9730
-30.4180
O4
12.9730
-30.4180
O5
-12.9730
0
穿丝孔选在O点，切割顺序为O→A→B→C→D→E→F→G→H→I→J→A
切割程序如下：
AM1
G92X0Y0
G41D85
G01X14887Y179245
G01X14887Y30418
G03X12973Y32332I12973J30418
G01X-12973Y32332
G03X-14887Y30418I-12973J30418
G01X-14887Y-30418
G03X-12973Y-32332I-12973J30418
G01X12973Y-32332
G03X14887Y-30418I12973J-30418
G01X14887Y-179245
G03X14887Y179245I-12937J0
程序中I、J为圆心坐标，是圆心相对圆弧起点的增值量，I为X方向坐标值，J为Y方向坐标值。
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