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    超硬刀具电火花刃磨技术的研究
    文:不详 来源:中华模具网 时间:2008-11-25 点击:5910
    超硬刀具主要指聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼刀具优德体育w88。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优德体育w88优德体育w88、木材加工、采矿和石油勘探等领域优德体育w88优德体育w88优德体育w88。然而其加工成形较困难优德体育w88优德体育w88,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优德体育w88、超声加工和电火花磨削等优德体育w88∮诺绿逵齱88优德体育w88优德体育w88优德体育w88;的ハ魇亲钗S玫募庸し椒?优德体育w88优德体育w88,但需要价格昂贵的金刚石砂轮和高刚度的磨床优德体育w88,加工效率低优德体育w88、砂轮损耗大优德体育w88优德体育w88;超声加工主要用于超硬刀具的抛光优德体育w88,其粗、中抛光效率低优德体育w88,金刚石研磨粉消耗量大优德体育w88;电火花磨削是行之有效的一种加工方法优德体育w88,其成本低优德体育w88、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优德体育w88,针对以往脉冲电源存在生产率低和电能利用率低的缺点优德体育w88,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脉冲电源优德体育w88优德体育w88。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优德体育w88优德体育w88。与普通电火花加工类似优德体育w88优德体育w88优德体育w88,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优德体育w88,以达到对零件的尺寸优德体育w88优德体育w88、形状及表面质量预定的要求优德体育w88优德体育w88优德体育w88;与普通电火花加工不同优德体育w88,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优德体育w88;电火花磨削还与传统的金刚石砂轮磨削类似优德体育w88优德体育w88,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优德体育w88。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

    图中工件和油槽置于一个数控工作台上优德体育w88优德体育w88。工具电极是一紫铜圆盘优德体育w88。加工时,直流电动机带动工具电极高速旋转优德体育w88优德体育w88。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轴方向作往复运动优德体育w88。这样可以使圆盘电极损耗分布在尽可能大的表面上优德体育w88,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优德体育w88,由于电极的旋转和工作台的往复运动优德体育w88优德体育w88优德体育w88,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优德体育w88。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,提高了脉冲利用率优德体育w88,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

    众所周知优德体育w88,超硬材料除超硬耐磨外优德体育w88优德体育w88,还具有高的熔点优德体育w88、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优德体育w88优德体育w88,其理想的脉冲电源应具有高度集中的脉冲放电能量优德体育w88、强大的放电爆炸力和高的峰值电压(一般大于 200V)优德体育w88。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优德体育w88,因此其瞬时放电爆炸力大优德体育w88;此外优德体育w88,RC脉冲电源特别适合精加工优德体育w88,这样如给通常的RC脉冲电源施以高电压优德体育w88优德体育w88优德体育w88,即做成高压RC脉冲电源优德体育w88,可能会达到有效地电火花磨削超硬材料的目的优德体育w88。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优德体育w88,设计了晶体管开关型高压RC 脉冲电源优德体育w88,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优德体育w88优德体育w88优德体育w88,并且可获得小的表面粗糙度值和锐利的棱边优德体育w88优德体育w88。然而在实际加工中发现,随着限流电阻的减小优德体育w88优德体育w88,晶体管易被击穿优德体育w88。为此在限流电阻R后串接一电感优德体育w88,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导通优德体育w88优德体育w88,电源通过限流电阻R、电感L和晶体管T向电容器C充电优德体育w88,当电容器两端电压上升到极间间隙击穿电压时优德体育w88,极间介质被击穿形成放电通道优德体育w88,放电电流使高速开关二极管两端瞬时形成一脉冲电压优德体育w88优德体育w88,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延时电路优德体育w88优德体育w88,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优德体育w88,经一段时间的延时晶体管T又重新导通。直流电源又经R优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88、L优德体育w88、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优德体育w88优德体育w88优德体育w88,使直流电源E与放电回路完全分开优德体育w88,直流电源对间隙放电状况不产生影响优德体育w88。

       

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    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是大功率线绕电阻优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88,它与电感L串接在一起优德体育w88优德体育w88,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优德体育w88,容易击穿晶体管优德体育w88优德体育w88优德体育w88。为此接入续流二极管D1优德体育w88优德体育w88,与R优德体育w88、L组成一泄放回路优德体育w88优德体育w88。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优德体育w88。所以晶体管T必须选用耐压值很高的大功率晶体管优德体育w88。D2 是大功率阻尼二极管,用于阻尼掉负半波优德体育w88,降低电极损耗。采样二极管选用快速开关二极管优德体育w88,光耦采用超高速光耦6N137优德体育w88,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优德体育w88优德体育w88。

    在本电源的设计中还有一个必须引起注意的问题优德体育w88,即高压电源的获得优德体育w88优德体育w88。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优德体育w88。这么高的电压直接由变压器得到是非常不理想的优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88。因为工厂实际操作中高压交流电非常危险优德体育w88。最简单的解决措施是采用倍压整流电路优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88。但这种电路存在一个缺陷就是输出电流小优德体育w88优德体育w88优德体育w88,并且随着倍压整流电路倍数的增加输出电流愈小优德体育w88。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优德体育w88优德体育w88。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优德体育w88优德体育w88。为了获得良好的表面粗糙度优德体育w88优德体育w88,必须选择好粗优德体育w88、中、精磨时的电源参数优德体育w88优德体育w88优德体育w88。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优德体育w88。实验中优德体育w88优德体育w88,电极材料为紫铜优德体育w88,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优德体育w88。实验条件:电容为1μF优德体育w88优德体育w88,电感为0.025H,电压为260V优德体育w88。从图中可以看出优德体育w88,加工生产率随着电阻值的增加而降低优德体育w88。其原因是:随着电阻值的增加,电容的充电时间延长优德体育w88优德体育w88优德体育w88,因而导致了脉冲频率的减小优德体育w88优德体育w88。从式(1)可以看出优德体育w88,加工生产率随着脉冲频率的减小而降低优德体育w88。所以生产率随电阻值的增加而降低优德体育w88。从图中还可以看出优德体育w88,由于采用大功率晶体管作开关元件优德体育w88,限流电阻可以取得很小优德体育w88。

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    图3 电阻与生产率的关系

    MRR=KaWMf? (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
      ?——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优德体育w88、5所示优德体育w88优德体育w88。实验条件:电容为1μF优德体育w88,电感为0.025H优德体育w88,电阻为24W优德体育w88优德体育w88。从图4中可以看出,生产率随着电源电压的升高而提高优德体育w88。这是因为当电源电压升高时优德体育w88优德体育w88,为了使加工过程趋于稳定优德体育w88,必须相应增大极间放电间隙优德体育w88。这样也即相应地提高了极间的击穿电压值优德体育w88。而击穿电压与单个脉冲能量存在以下关系

    Wm=0.5CUj2 (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优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88。由式(1)可知优德体育w88,生产率随着单个脉冲放电能量的增加而提高优德体育w88优德体育w88优德体育w88。因此随着电源电压的升高优德体育w88优德体育w88优德体育w88优德体育w88,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。从图中可以看出优德体育w88,表面粗糙度值随电源电压的升高而增大。由前面的分析可知优德体育w88,随着电源电压的升高优德体育w88优德体育w88,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。所以优德体育w88,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优德体育w88优德体育w88。实验条件:电阻为24W优德体育w88优德体育w88,电感为0.025H,电压为260V优德体育w88。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脉冲电源类似优德体育w88。由图7可知表面粗糙度值随电容量的增加而增大优德体育w88优德体育w88优德体育w88。由式(2)可知优德体育w88,单个脉冲能量随电容量的增加而增大优德体育w88,而单个脉冲能量的增大将导致表面粗糙度值的增大优德体育w88。因此,表面粗糙度值随电容量的增加而增大优德体育w88。

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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优德体育w88,一旦产生击穿放电就迅速关闭晶体管优德体育w88,使直流电源与放电间隙隔离优德体育w88,其放电回路不受直流电源的影响优德体育w88优德体育w88,加工过程稳定;并且限流电阻可以取得很小优德体育w88优德体育w88,提高了脉冲频率优德体育w88优德体育w88优德体育w88。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优德体育w88。

    2) 电火花精磨超硬刀具时优德体育w88,由于电容量取得较小优德体育w88,容易产生电弧放电优德体育w88。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优德体育w88,使放电通道完全消电离优德体育w88。从而获得小的表面粗糙度值优德体育w88。

    3) 通过实验可知优德体育w88优德体育w88,超硬刀具电火花刃磨生产率随电阻值的增大而降低优德体育w88、随电源电压的升高而提高优德体育w88优德体育w88优德体育w88、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。


     
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