【摘 要】
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与低速走丝电火花线切割机床相比,我国自主研发的往复走丝电火花线切割机床具有结构简单、操作方便等优点,并且在模具加工、航空航天等领域有着较为广泛的应用。近年来,由于低走丝机床具有运动平稳、动态性能优良等特点,使其逐渐占领国内市场,然而由于高速高精度的加工需求,对机床的整体性能提出了更高的要求。因此,本文以优化电极丝的振动特性为研究出发点,对DK7740型线切割机床上电极丝的关联装置（即丝架）以及电极
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与低速走丝电火花线切割机床相比,我国自主研发的往复走丝电火花线切割机床具有结构简单、操作方便等优点,并且在模具加工、航空航天等领域有着较为广泛的应用。近年来,由于低走丝机床具有运动平稳、动态性能优良等特点,使其逐渐占领国内市场,然而由于高速高精度的加工需求,对机床的整体性能提出了更高的要求。因此,本文以优化电极丝的振动特性为研究出发点,对DK7740型线切割机床上电极丝的关联装置（即丝架）以及电极丝本身进行研究,主要研究内容及成果如下:（1）深入分析了引发机床电极丝振动的主要影响因素,并且对电极丝的振动特性进行研究,建立了电极丝振动的相关方程,随后对不同的振动控制方法进行了比较,最后介绍了有限单元分析法、机械结构优化设计的理论方法以及随机振动理论。以此为优化电极丝的振动特性奠定理论基础;（2）在Creo 6.0中建立了安装电极丝的三维丝架模型后,对模型及各零部件进行ANSYS仿真,同时在试验机上对其进行模态试验,通过将跨距值分别设置为200mm、280mm和300mm,得出与之对应的FRF曲线图和模态参数,随后将试验数据与仿真结果进行对比,证明了三维丝架模型的正确性。接着从形状优化和结构优化两方面对丝架模型进行了优化:在对丝架整体及各部件静力学分析的基础上,对模型进行拓扑优化,优化后的丝架模型质量为76.3kg,与原质量83.475kg相比,优化了9%。再对拓扑优化后的上臂进行多目标优化,丝架原本的质量为83.475kg,优化后丝架的质量为76.3kg,较之前优化了11.79%;丝架优化前的最大应力为2.082Mpa,优化后的最大应力为0.8639Mpa,较之前减少了1.41倍;优化前丝架的最大位移为0.169mm,优化后的最大位移为0.02mm,减少了7.45倍。最后对优化前后的两组模型做了模态分析和谐响应分析:通过模态分析,得出优化后丝架的固有频率数值整体升高,模态振型相比优化前趋于平缓;通过谐响应分析,主振型峰值由10.6672mm降为了6.8616mm。并且设计了振动测试试验,试验表明:优化后丝架振动的加速度峰值均稳定在10mm/s~2以下,振动幅度明显减缓。（3）针对传统双级联动装置由于采用两级传动而带来的效率低下、精度损失等问题,通过对比四种电极丝在不同温度下的形变状态,选用钼丝作为本课题使用的电极丝,并对电极丝和工件进行温度场仿真分析,随后采用铝盐体系技术对电极丝进行预处理,进而得出优化齿轮减速器中双级联动装置振动特性的有效措施。基于此,设计了一种新的三级传动装置,即在原来的二级齿轮的基础上增加两个限幅器作为第三级,通过与电极丝之间相对运动产生的摩擦来消耗电极丝振动的能量,以此来降低电极丝的振动和噪声,进而达到提高加工效率、改善产品精度等目的。另外,建立了使用新型三级联动装置前后的电极丝模型,并对两种环境下的电极丝模型进行有限元仿真分析,结果表明:采用新型三级联动装置后的固有频率整体偏高,模态振型整体趋于平缓;也对两种环境下的电极丝模型做了随机振动分析,结果表明:采用新型装置的电极丝模型在X方向最大的振动响应变形由0.0036mm减少到了7.86×10-5mm,在Y方向上的最大响应变形由0.0254mm减少到了5.12×10-5mm;最后设计了两部分实验:第一部分实验在未加装三级联动装置的机床上进行,第二部分在加装三级联动装置后的机床上进行。对8组工件加工完成后,分别测量它们的表面粗糙度和直角度,并用实验组和对照组作为统计。结果表明:加装三级联动装置之后工件的表面粗糙度平均降低了12.83%,直角度误差平均降低了9.21%。
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