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超硬刀具電火花刃磨技術的研究
文:不詳 來源:中華模具網 時間:2008-11-25 點擊:5984
超硬刀具主要指聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼刀具。這種刀具因具有硬度高、耐磨性好和加工質量理想等優點而被廣泛地應用于金屬切削、木材加工、采礦和石油勘探等領域。然而其加工成形較困難,其加工技術的開發仍是當今世界的一個研究課題。目前超硬刀具的加工方法主要有機械磨削、超聲加工和電火花磨削等。機械磨削是最為常用的加工方法,但需要價格昂貴的金剛石砂輪和高剛度的磨床,加工效率低、砂輪損耗大;超聲加工主要用于超硬刀具的拋光,其粗、中拋光效率低,金剛石研磨粉消耗量大;電火花磨削是行之有效的一種加工方法,其成本低、加工精度高。筆者多年來從事超硬材料電火花加工工藝的研究,針對以往脈沖電源存在生產率低和電能利用率低的缺點,并結合超硬刀具電火花刃磨的特點,開發研制了晶體管開關型高壓PLC脈沖電源。并對其加工工藝進行了實驗研究。

1 超硬刀具電火花刃磨的原理

超硬刀具電火花磨削也是一種電火花加工。與普通電火花加工類似,超硬刀具電火花磨削也是基于絕緣介質中工具和工件之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現象來蝕除多余的金屬,以達到對零件的尺寸、形狀及表面質量預定的要求;與普通電火花加工不同,電火花磨削是以旋轉的圓盤電極作工具,并且加工電流往往要小些;電火花磨削還與傳統的金剛石砂輪磨削類似,由于電火花磨削采用石墨或紫銅電極代替相對昂貴的金剛石磨輪,其加工成本要低得多。超硬刀具電火花刃磨的原理如圖1所示。

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1.直流電動機 2.脈沖電源 3.往復運動 4.伺服運動 5.伺服控制 6.工件 7.油槽 8.放電間隙檢測 9.煤油 10.圓盤電極
圖1 超硬刀具電火花刃磨的原理圖

圖中工件和油槽置于一個數控工作臺上。工具電極是一紫銅圓盤。加工時,直流電動機帶動工具電極高速旋轉。與此同時,工件一方面沿Y軸方向作伺服進給運動,另一方面沿X軸方向作往復運動。這樣可以使圓盤電極損耗分布在盡可能大的表面上,從而可以長時間穩定地保持其幾何形狀精度。與普通電火花加工相比,由于電極的旋轉和工作臺的往復運動,超硬刀具電火花刃磨具有以下優點:

1) 電極的旋轉和工作臺的往復運動有利于電蝕產物的排出和放電點的分散轉移,不易產生結碳拉弧現象。因而改善了加工過程的穩定性。

2) 電極的旋轉有利于脈沖放電結束時放電通道的迅速消電離,提高了脈沖利用率,從而提高磨削加工的生產率。

2 晶體管開關型高壓PLC脈沖電源的原理及組成

眾所周知,超硬材料除超硬耐磨外,還具有高的熔點、高的電阻率和良好的導熱性,這類材料不僅機械加工困難,而且電加工也困難。大量的實驗表明:采用通常的脈沖電源對超硬材料進行電火花磨削不易得到滿意的效果,其理想的脈沖電源應具有高度集中的脈沖放電能量、強大的放電爆炸力和高的峰值電壓(一般大于 200V)。大家知道,通常加工金屬的RC脈沖電源可在短時間內得到峰值很高的尖峰脈沖電流,因此其瞬時放電爆炸力大;此外,RC脈沖電源特別適合精加工,這樣如給通常的RC脈沖電源施以高電壓,即做成高壓RC脈沖電源,可能會達到有效地電火花磨削超硬材料的目的。然而如僅用簡單地給RC脈沖電源加上高壓的方法又不可避免地存在RC脈沖電源生產率低和電能利用率低的缺點。筆者在上述分析的基礎上結合超硬刀具電火花刃磨的特點,設計了晶體管開關型高壓RC 脈沖電源,此電源可提高超硬刀具電火花刃磨的生產率和電能利用率,并且可獲得小的表面粗糙度值和銳利的棱邊。然而在實際加工中發現,隨著限流電阻的減小,晶體管易被擊穿。為此在限流電阻R后串接一電感,設計成如圖2所示的晶體管開關型高壓PLC脈沖電源。其工作原理如下:直流電源E接通后,晶體管T導通,電源通過限流電阻R、電感L和晶體管T向電容器C充電,當電容器兩端電壓上升到極間間隙擊穿電壓時,極間介質被擊穿形成放電通道,放電電流使高速開關二極管兩端瞬時形成一脈沖電壓,這一脈沖電壓使超高速光耦采樣電路中的光耦迅速導通,并輸出一觸發脈沖,觸發555延時電路,使555的輸出信號翻轉,經過整形電路整形后迅速關閉晶體管T,經一段時間的延時晶體管T又重新導通。直流電源又經R、L、T向電容器C充電。如此周而復始地形成一系列加工脈沖。其中延時電路的延時長短可以根據間隙放電狀況調節。這樣可使得間隙一旦產生火花放電就關閉晶體管T,使直流電源E與放電回路完全分開,直流電源對間隙放電狀況不產生影響。

   

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圖2 晶體管開關型高壓PLC脈沖電源原理圖

本電源中限流電阻R是大功率線繞電阻,它與電感L串接在一起,當晶體管瞬時關閉時會在其集電極端產生一高的尖峰電壓,容易擊穿晶體管。為此接入續流二極管D1,與R、L組成一泄放回路。由于加工聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼要求電源電壓高達幾百伏。所以晶體管T必須選用耐壓值很高的大功率晶體管。D2 是大功率阻尼二極管,用于阻尼掉負半波,降低電極損耗。采樣二極管選用快速開關二極管,光耦采用超高速光耦6N137,并且延時電路和整形電路中的元件都要求具有很高的響應速度,否則難以跟蹤間隙放電狀況。

在本電源的設計中還有一個必須引起注意的問題,即高壓電源的獲得。因為加工聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼所需電源電壓高達幾百伏甚至上千伏。這么高的電壓直接由變壓器得到是非常不理想的。因為工廠實際操作中高壓交流電非常危險。最簡單的解決措施是采用倍壓整流電路。但這種電路存在一個缺陷就是輸出電流小,并且隨著倍壓整流電路倍數的增加輸出電流愈小。值得慶幸的是超硬刀具電火花刃磨加工面積不大,所需平均加工電流不是很大。因此采用二倍壓整流電路還是可取的。

3 實驗結果與分析

生產率和表面粗糙度是超硬刀具電火花刃磨的兩項主要技術指標。為了獲得良好的表面粗糙度,必須選擇好粗、中、精磨時的電源參數。以下就電參數對超硬刀具電火花刃磨效率和表面粗糙度的影響進行了實驗研究。實驗中,電極材料為紫銅,工件材料聚晶金剛石,工作液為煤油,采用正極性加工。

1) 電阻對加工生產率的影響

圖3為電阻對加工生產率的影響曲線。實驗條件:電容為1μF,電感為0.025H,電壓為260V。從圖中可以看出,加工生產率隨著電阻值的增加而降低。其原因是:隨著電阻值的增加,電容的充電時間延長,因而導致了脈沖頻率的減小。從式(1)可以看出,加工生產率隨著脈沖頻率的減小而降低。所以生產率隨電阻值的增加而降低。從圖中還可以看出,由于采用大功率晶體管作開關元件,限流電阻可以取得很小。

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圖3 電阻與生產率的關系

MRR=KaWMf? (1)

式中:MRR——加工生產率
  Ka——常數
  WM——單個脈沖放電能量
  f——脈沖頻率
  ?——有效脈沖利用率

2) 電源電壓對加工性能的影響

電源電壓對加工性能的影響曲線如圖4、5所示。實驗條件:電容為1μF,電感為0.025H,電阻為24W。從圖4中可以看出,生產率隨著電源電壓的升高而提高。這是因為當電源電壓升高時,為了使加工過程趨于穩定,必須相應增大極間放電間隙。這樣也即相應地提高了極間的擊穿電壓值。而擊穿電壓與單個脈沖能量存在以下關系

Wm=0.5CUj2 (2)

式中:WM——單個脈沖放電能量
  C——電容量
  Uj——擊穿電壓

由式(2)可以看出,單個脈沖放電能量與擊穿電壓的平方成正比增加。由式(1)可知,生產率隨著單個脈沖放電能量的增加而提高。因此隨著電源電壓的升高,生產率將提高。

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圖4 電源電壓與生產率的關系 圖5 電源電壓表面粗糙度的關系

圖5為電源電壓與表面粗糙度的關系曲線。從圖中可以看出,表面粗糙度值隨電源電壓的升高而增大。由前面的分析可知,隨著電源電壓的升高,單個脈沖放電能量增大,而單個脈沖放電能量的增大將導致表面粗糙度值的增大。所以,隨著電源電壓的升高表面粗糙度值增大。

3) 電容對加工性能的影響

圖6、7為電容對加工性能的影響曲線。實驗條件:電阻為24W,電感為0.025H,電壓為260V。從圖6可以看出,生產率隨著電容量的增加而提高,并且趨于飽和。這與普通RC脈沖電源類似。由圖7可知表面粗糙度值隨電容量的增加而增大。由式(2)可知,單個脈沖能量隨電容量的增加而增大,而單個脈沖能量的增大將導致表面粗糙度值的增大。因此,表面粗糙度值隨電容量的增加而增大。

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圖6 電容與生產率的關系 圖7 電容與表面粗糙度的關系

4 結論

1) 由于采用大功率晶體管作開關元件,一旦產生擊穿放電就迅速關閉晶體管,使直流電源與放電間隙隔離,其放電回路不受直流電源的影響,加工過程穩定;并且限流電阻可以取得很小,提高了脈沖頻率。因而可實現高效、低能耗和低電極損耗的超硬刀具電火花磨削。

2) 電火花精磨超硬刀具時,由于電容量取得較小,容易產生電弧放電。用晶體管作開關元件可通過調節延時長短來調節脈沖停歇時間,使放電通道完全消電離。從而獲得小的表面粗糙度值。

3) 通過實驗可知,超硬刀具電火花刃磨生產率隨電阻值的增大而降低、隨電源電壓的升高而提高、隨電容量的增大而提高并趨于飽和;表面粗糙度值電源電壓的升高而增大、隨電容量的增大而增大。


 
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