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悬臂式四轴数控磨料水射流切割机设计

作　者: 唐春艳
导　师: 陈光明
学　校: 南京农业大学
专　业: 机械工程
关键词: 悬臂式磨料水射流超高压系统四轴切割头锥度切割
分类号: TG48
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水射流技术是一项新型实用技术在众多领域有着广泛的应用。作为其主要应用之一的水射流切割技术,因其具有许多传统切割手段无法比拟的优点逐渐被人们所重视,丰富、完善水切割技术研究及应用已成为水射流界的焦点与热点。传统的水射流切割机只能进行简单的平面切割,由于水射流能量梯度的存在这势必会引起切割断面的锥度问题而降低切割质量,其应用范围具有一定的局限。目前市场上已有的五轴或六轴水射流切割机虽能解决上述问题,但其结构较复杂,成本较高,对于某些只需要小锥度切割的行业来说不够经济,因此研制具有垂直切割及小锥度切割功能的高性价比水射流切割机显得非常必要。本课题研制的悬臂式四轴数控磨料水射流切割机,其床身与切割平台采用分离式结构,同时新增了旋转轴和手动偏摆轴可实现任意图形的垂直切割及±10°范围内的锥度切割,具有结构简单、上下料方便、轻巧灵活、价格低廉等特点,解决了传统机床的切割弊端,扩大了其原本使用范围。本课题主要进行了以下几个方面的研究：(1)对现有增压方式进行比较,确定了超高压系统的总体设计方案。完成了超高压系统各主要部件的设计及选择,建立了该系统的三维模型及数学模型,利用SIMULINK软件验证其动态特性,结果表明其动态性能较好,满足设计要求。(2)对比目前水射流切割机床的布局形式,结合实际情况确定了悬臂式四轴数控磨料水射流切割机床的总体设计方案。完成了二维数控平台、水槽、磨料供给装置、四轴切割头等主要组成部分的结构设计以及进给系统的设计计算,并利用Pro/E建立其三维模型。(3)结合有限元分析软件ANSYS Workbench对悬臂梁进行了动、静态特性分析,根据分析结果对悬臂梁结构进行了优化,使其刚度得到了提高。(4)在样机制造调试完成后,对悬臂式四轴数控磨料水射流切割机进行了切割实验,实验结果表明该切割机能够实现任意图形的垂直切割及小锥度切割,基本满足设计要求。

全文目录

目录  4-6
摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
第一章绪论  9-17
  1.1 高压水射流技术概述  9
  1.2 水射流切割技术的发展概况  9-10
    1.2.1 国外水射流切割技术的发展概况  9-10
    1.2.2 国内水射流切割技术的发展概况  10
  1.3 水射流的结构  10-11
  1.4 磨料水射流的切割机理  11-13
    1.4.1 磨料水射流对脆性材料的切割机理  11-12
    1.4.2 磨料水射流对塑性材料的切割机理  12-13
  1.5 磨料水射流切割技术的特点及应用  13-14
  1.6 课题研究意义及主要内容  14-16
    1.6.1 课题的研究意义  14-15
    1.6.2 课题研究的主要内容  15-16
  1.7 本章小结  16-17
第二章超高压系统设计  17-33
  2.1 超高压系统的总体方案  17-18
  2.2 超高压系统主要部件设计及选择  18-26
    2.2.1 增压恒压系统  18-22
    2.2.2 低压油系统及低压水系统  22-25
    2.2.3 安全系统  25-26
  2.3 超高压系统总体结构  26
  2.4 超高压系统动态特性分析  26-32
    2.4.1 液压系统动态特性的研究方法  26-27
    2.4.2 超高压系统数学模型的建立  27-30
    2.4.3 基于SIMULINK的超高压系统动态特性仿真  30-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章悬臂式四轴数控磨料水射流切割机机床设计  33-61
  3.1 水射流切割机床总体方案设计  33-35
  3.2 水射流切割机床主要部件设计  35-48
    3.2.1 二维数控平台  35-36
    3.2.2 水槽  36-37
    3.2.3 四轴切割头  37-47
      3.2.3.1 四轴切割头总体方案设计  37-39
      3.2.3.2 四轴切割头主要部件设计  39-47
    3.2.4 磨料供给装置  47-48
  3.3 机床进给伺服系统的设计计算  48-60
    3.3.1 滚珠丝杠副选型  48-53
    3.3.2 同步带传动设计  53-56
    3.3.3 交流伺服电机选型  56-58
    3.3.4 直线导轨选型  58-60
  3.4 悬臂式四轴数控磨料水射流切割机床总体结构  60
  3.5 本章小结  60-61
第四章悬臂梁的有限元分析  61-73
  4.1 结构分析有限元方法  61-64
    4.1.1 静力分析有限元法  61-62
    4.1.2 模态分析有限元法  62-64
  4.2 ANSYS分析软件简介  64
  4.3 基于Workbench的悬臂梁有限元分析  64-71
    4.3.1 悬臂梁受力分析  64-66
    4.3.2 悬臂梁的静力分析  66-68
    4.3.3 悬臂梁的模态分析  68-69
    4.3.4 悬臂梁的结构优化  69-71
  4.4 本章小结  71-73
第五章悬臂式四轴数控磨料水射流切割机实验研究  73-81
  5.1 实验目的  73
  5.2 实验方案设计  73-74
    5.2.1 实验设备  73
    5.2.2 实验方案  73-74
  5.3 塑性材料垂直切割实验  74-78
    5.3.1 加工程序的生成  74-76
    5.3.2 切割操作步骤  76
    5.3.3 实验结果分析  76-78
  5.4 脆性材料锥度切割实验  78-80
  5.5 本章小结  80-81
第六章总结与展望  81-83
  6.1 总结  81-82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-87
致谢  87

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