超硬刀具电火花刃磨技术的研究

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超硬刀具主要指聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼刀具。这种刀具因具有硬度高、耐磨性好和加工质量理想等优点而被广泛地应用于金属切削、木材加工、采矿和石油勘探等领域。然而其加工成形较困难，其加工技术的开发仍是当今世界的一个研究课题。目前超硬刀具的加工方法主要有机械磨削、超声加工和电火花磨削等。机械磨削是最为常用的加工方法，但需要价格昂贵的金刚石砂轮和高刚度的磨床，加工效率低、砂轮损耗大；超声加工主要用于超硬刀具的抛光，其粗、中抛光效率低，金刚石研磨粉消耗量大；电火花磨削是行之有效的一种加工方法，其成本低、加工精度高。笔者多年来从事超硬材料电火花加工工艺的研究，针对以往脉冲电源存在生产率低和电能利用率低的缺点，并结合超硬刀具电火花刃磨的特点，开发研制了晶体管开关型高压PLC脉冲电源。并对其加工工艺进行了实验研究。

1 超硬刀具电火花刃磨的原理

超硬刀具电火花磨削也是一种电火花加工。与普通电火花加工类似，超硬刀具电火花磨削也是基于绝缘介质中工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的要求；与普通电火花加工不同，电火花磨削是以旋转的圆盘电极作工具，并且加工电流往往要小些；电火花磨削还与传统的金刚石砂轮磨削类似，由于电火花磨削采用石墨或紫铜电极代替相对昂贵的金刚石磨轮，其加工成本要低得多。超硬刀具电火花刃磨的原理如图1所示。

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1.直流电动机 2.脉冲电源 3.往复运动 4.伺服运动 5.伺服控制 6.工件 7.油槽 8.放电间隙检测 9.煤油 10.圆盘电极
图1 超硬刀具电火花刃磨的原理图

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图中工件和油槽置于一个数控工作台上。工具电极是一紫铜圆盘。加工时，直流电动机带动工具电极高速旋转。与此同时，工件一方面沿Y轴方向作伺服进给运动，另一方面沿X轴方向作往复运动。这样可以使圆盘电极损耗分布在尽可能大的表面上，从而可以长时间稳定地保持其几何形状精度。与普通电火花加工相比，由于电极的旋转和工作台的往复运动，超硬刀具电火花刃磨具有以下优点：

1) 电极的旋转和工作台的往复运动有利于电蚀产物的排出和放电点的分散转移，不易产生结碳拉弧现象。因而改善了加工过程的稳定性。

2) 电极的旋转有利于脉冲放电结束时放电通道的迅速消电离，提高了脉冲利用率，从而提高磨削加工的生产率。

2 晶体管开关型高压PLC脉冲电源的原理及组成

众所周知，超硬材料除超硬耐磨外，还具有高的熔点、高的电阻率和良好的导热性，这类材料不仅机械加工困难，而且电加工也困难。大量的实验表明：采用通常的脉冲电源对超硬材料进行电火花磨削不易得到满意的效果，其理想的脉冲电源应具有高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力和高的峰值电压(一般大于200V)。大家知道，通常加工金属的RC脉冲电源可在短时间内得到峰值很高的尖峰脉冲电流，因此其瞬时放电爆炸力大；此外，RC脉冲电源特别适合精加工，这样如给通常的RC脉冲电源施以高电压，即做成高压RC脉冲电源，可能会达到有效地电火花磨削超硬材料的目的。然而如仅用简单地给RC脉冲电源加上高压的方法又不可避免地存在RC脉冲电源生产率低和电能利用率低的缺点。笔者在上述分析的基础上结合超硬刀具电火花刃磨的特点，设计了晶体管开关型高压RC脉冲电源，此电源可提高超硬刀具电火花刃磨的生产率和电能利用率，并且可获得小的表面粗糙度值和锐利的棱边。然而在实际加工中发现，随着限流电阻的减小，晶体管易被击穿。为此在限流电阻R后串接一电感，设计成如图2所示的晶体管开关型高压PLC脉冲电源。其工作原理如下：直流电源E接通后，晶体管T导通，电源通过限流电阻R、电感L和晶体管T向电容器C充电，当电容器两端电压上升到极间间隙击穿电压时，极间介质被击穿形成放电通道，放电电流使高速开关二极管两端瞬时形成一脉冲电压，这一脉冲电压使超高速光耦采样电路中的光耦迅速导通，并输出一触发脉冲，触发555延时电路，使555的输出信号翻转，经过整形电路整形后迅速关闭晶体管T，经一段时间的延时晶体管T又重新导通。直流电源又经R、L、T向电容器C充电。如此周而复始地形成一系列加工脉冲。其中延时电路的延时长短可以根据间隙放电状况调节。这样可使得间隙一旦产生火花放电就关闭晶体管T，使直流电源E与放电回路完全分开，直流电源对间隙放电状况不产生影响。

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图2 晶体管开关型高压PLC脉冲电源原理图

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本电源中限流电阻R是大功率线绕电阻，它与电感L串接在一起，当晶体管瞬时关闭时会在其集电极端产生一高的尖峰电压，容易击穿晶体管。为此接入续流二极管D1，与R、L组成一泄放回路。由于加工聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼要求电源电压高达几百伏。所以晶体管T必须选用耐压值很高的大功率晶体管。D2是大功率阻尼二极管，用于阻尼掉负半波，降低电极损耗。采样二极管选用快速开关二极管，光耦采用超高速光耦6N137，并且延时电路和整形电路中的元件都要求具有很高的响应速度，否则难以跟踪间隙放电状况。

在本电源的设计中还有一个必须引起注意的问题，即高压电源的获得。因为加工聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼所需电源电压高达几百伏甚至上千伏。这么高的电压直接由变压器得到是非常不理想的。因为工厂实际操作中高压交流电非常危险。最简单的解决措施是采用倍压整流电路。但这种电路存在一个缺陷就是输出电流小，并且随着倍压整流电路倍数的增加输出电流愈小。值得庆幸的是超硬刀具电火花刃磨加工面积不大，所需平均加工电流不是很大。因此采用二倍压整流电路还是可取的。

3 实验结果与分析

生产率和表面粗糙度是超硬刀具电火花刃磨的两项主要技术指标。为了获得良好的表面粗糙度，必须选择好粗、中、精磨时的电源参数。以下就电参数对超硬刀具电火花刃磨效率和表面粗糙度的影响进行了实验研究。实验中，电极材料为紫铜，工件材料聚晶金刚石，工作液为煤油，采用正极性加工。

1) 电阻对加工生产率的影响

图3为电阻对加工生产率的影响曲线。实验条件：电容为1µF，电感为0.025H，电压为260V。从图中可以看出，加工生产率随着电阻值的增加而降低。其原因是：随着电阻值的增加，电容的充电时间延长，因而导致了脉冲频率的减小。从式(1)可以看出，加工生产率随着脉冲频率的减小而降低。所以生产率随电阻值的增加而降低。从图中还可以看出，由于采用大功率晶体管作开关元件，限流电阻可以取得很小。

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图3 电阻与生产率的关系

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MRR=K_aW_MfØ (1)

式中：MRR——加工生产率
Ka——常数
WM——单个脉冲放电能量
f——脉冲频率
Ø——有效脉冲利用率

2) 电源电压对加工性能的影响

电源电压对加工性能的影响曲线如图4、5所示。实验条件：电容为1µF，电感为0.025H，电阻为24W。从图4中可以看出，生产率随着电源电压的升高而提高。这是因为当电源电压升高时，为了使加工过程趋于稳定，必须相应增大极间放电间隙。这样也即相应地提高了极间的击穿电压值。而击穿电压与单个脉冲能量存在以下关系

W_m=0.5CU_j² (2)

式中：WM——单个脉冲放电能量
C——电容量
Uj——击穿电压

由式(2)可以看出，单个脉冲放电能量与击穿电压的平方成正比增加。由式(1)可知，生产率随着单个脉冲放电能量的增加而提高。因此随着电源电压的升高，生产率将提高。

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图4 电源电压与生产率的关系 图5 电源电压表面粗糙度的关系

图5为电源电压与表面粗糙度的关系曲线。从图中可以看出，表面粗糙度值随电源电压的升高而增大。由前面的分析可知，随着电源电压的升高，单个脉冲放电能量增大，而单个脉冲放电能量的增大将导致表面粗糙度值的增大。所以，随着电源电压的升高表面粗糙度值增大。

3) 电容对加工性能的影响

图6、7为电容对加工性能的影响曲线。实验条件：电阻为24W，电感为0.025H，电压为260V。从图6可以看出，生产率随着电容量的增加而提高，并且趋于饱和。这与普通RC脉冲电源类似。由图7可知表面粗糙度值随电容量的增加而增大。由式(2)可知，单个脉冲能量随电容量的增加而增大，而单个脉冲能量的增大将导致表面粗糙度值的增大。因此，表面粗糙度值随电容量的增加而增大。

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图6 电容与生产率的关系 图7 电容与表面粗糙度的关系

4 结论

1) 由于采用大功率晶体管作开关元件，一旦产生击穿放电就迅速关闭晶体管，使直流电源与放电间隙隔离，其放电回路不受直流电源的影响，加工过程稳定；并且限流电阻可以取得很小，提高了脉冲频率。因而可实现高效、低能耗和低电极损耗的超硬刀具电火花磨削。

2) 电火花精磨超硬刀具时，由于电容量取得较小，容易产生电弧放电。用晶体管作开关元件可通过调节延时长短来调节脉冲停歇时间，使放电通道完全消电离。从而获得小的表面粗糙度值。

3) 通过实验可知，超硬刀具电火花刃磨生产率随电阻值的增大而降低、随电源电压的升高而提高、随电容量的增大而提高并趋于饱和；表面粗糙度值电源电压的升高而增大、随电容量的增大而增大。