超硬刀具电火花刃磨技术的研究(上)

魔神

    

　　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.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

　　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。

　　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：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。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。

　　图2晶体管开关型高压PLC脉冲电源原理图

　　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。