鄧福銘, 王 涵，劉嘉霖，張子俊，楊雪峰，閆 曉， 盧學(xué)軍，2

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)超硬刀具材料研究所, 北京 100083) (2. 北京迪蒙精銳科技有限公司, 北京 100191)

聚晶金剛石(PCD)木工刀具包括PCD木工圓鋸片、木工銑刀、木工刨刀、木工鉆頭等，以其較好的切削性能和較高的使用壽命，成為木材加工中的重要工具[1-3]，在歐美發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用十分普及。

近年來，隨著國內(nèi)木工數(shù)控加工機(jī)床特別是家具自動(dòng)生產(chǎn)線的引進(jìn)，越來越多的廠家也開始使用PCD木工刀具，以解決硬質(zhì)合金刀具消耗快、使用壽命短，生產(chǎn)過程中需頻繁調(diào)整和更換刀具，從而造成生產(chǎn)效率低下的問題[4-6]。由于聚晶金剛石刀具刃磨十分困難，如采用金剛石砂輪磨削聚晶金剛石木工圓鋸片，每個(gè)刀齒不僅要刃磨主后刀面,還要刃磨2個(gè)側(cè)后刀面，在鋸片直徑大(≥300 mm)、齒數(shù)多的情況下,要保證鋸片的刃磨質(zhì)量極為困難，且生產(chǎn)效率極其低下，無法進(jìn)行大批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。而采用專用的雙電機(jī)電火花成型機(jī)床EDM加工，可提高聚晶金剛石木工圓鋸片的生產(chǎn)效率，但難以保證電火花加工質(zhì)量[7-10]。特別是PDC的電火花加工過程存在復(fù)雜性和瞬變性，其加工效率、加工表面質(zhì)量不僅取決于加工磨床的性能，還受到磨床脈沖幅度、峰值電流、脈沖波形等放電參數(shù)的影響，同時(shí)還受伺服電壓、伺服速度、電極轉(zhuǎn)速等控制參數(shù)的影響。因此，通過試驗(yàn)總結(jié)分析不同放電參數(shù)的組合對(duì)其加工效率及表面粗糙度的影響十分必要。

在自行研制的BDM-03型電火花超硬刀具自動(dòng)刃磨機(jī)床上，以聚晶金剛石木工刀具的電加工表面質(zhì)量和加工效率為優(yōu)化目標(biāo)，通過正交試驗(yàn)、分割試驗(yàn)、單因素試驗(yàn)等方法來優(yōu)化機(jī)床電火花加工參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效率、高精度制造PCD木工刀具的目的。

1 試驗(yàn)設(shè)備及其電脈沖控制參數(shù)

試驗(yàn)在圖1所示的北京迪蒙精銳科技有限公司生產(chǎn)的BDM-903精密數(shù)控電火花超硬刀具磨床上進(jìn)行，該磨床主要由主機(jī)、數(shù)控、脈沖電源和儲(chǔ)油泵4部分組成，可實(shí)現(xiàn)X、Y、U三軸聯(lián)動(dòng)，數(shù)控軸定位精度小于0.015 mm，重復(fù)定位精度小于0.003 mm，最大加工電流20 A，還具備在線自動(dòng)修正電極、輔助電源回路、PIKADEN脈沖控制、伺服速度控制、專家數(shù)據(jù)庫等功能。圖2為其放電脈沖參數(shù)示意圖。BDM-903精密數(shù)控電火花超硬刀具磨床與放電脈沖控制有關(guān)的參數(shù)為：

脈寬tON：設(shè)定1個(gè)脈沖的放電時(shí)間，單位s,設(shè)定范圍0～63 s和100～107 s。

峰值電流IIP：設(shè)定1個(gè)脈沖的放電電流的峰值，單位A。

脈沖間隙tOFF：設(shè)定1個(gè)脈沖放電后的休止時(shí)間,單位s，設(shè)定范圍0～63 s。

脈沖間隙調(diào)整MA：設(shè)定1次脈沖間歇tOFF的倍率。實(shí)際的放電脈沖休止時(shí)間T=tOFF×MA。

圖1 BDM-903精密數(shù)控電火花機(jī)床

HP：高壓輔助電源回路控制。其功能有：(1)NOW回路(降低電極消耗回路)的ON/OFF；(2)電壓控制回路的轉(zhuǎn)換(低壓、中壓的控制回路)；(3)電流控制回路的轉(zhuǎn)換(高壓輔助回路的ON/OFF和電流值的追加)。圖3給出了HP追加的電壓示意圖。

圖2 放電脈沖參數(shù)示意圖

圖3 HP追加的電壓

PP：PIKADEN脈沖電流波形控制。PP有00、01、10、11共4個(gè)設(shè)定值，其中第1位數(shù)字的0和1代表HP電壓控制回路的關(guān)與開，第2位數(shù)字的0和1代表PIKADEN脈沖控制的關(guān)與開。

PL：選擇工具、工件的放電極性,以主軸一側(cè)(通常為電極)為基準(zhǔn)輸入+或-。

SV:設(shè)定伺服基準(zhǔn)電壓。以放電極間拉開的距離為伺服基準(zhǔn),可調(diào)整平均加工電壓。

C:設(shè)定極間電容器的容量，設(shè)定范圍0～9。

S:設(shè)定伺服速度，設(shè)定范圍0～9。

2 電火花加工條件及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 工件和電極材料及加工條件

工件材料選用自主研發(fā)的粒度25 μm、直徑48 mm、厚度3.2 mm的聚晶金剛石復(fù)合片(PDC)，如圖4所示。試驗(yàn)前將其切割成不同長度、寬4.60 mm、厚3.20 mm的PDC條塊，并磨平端面。圓鋸片基體選用直徑300 mm、厚2.5 mm的65Mn鋼，制作齒寬4 mm、齒厚2 mm、齒高4 mm、齒數(shù)96的圓鋸片。試驗(yàn)采用負(fù)極性加工，即工件接負(fù)極、電極接正極，分別在機(jī)油工作液中進(jìn)行電火花加工。電火花試驗(yàn)加工條件見表1。

圖4 自主研發(fā)的φ48 mm聚晶金剛石復(fù)合片

試驗(yàn)條件參數(shù)或取值 電極材料紫銅,?200 mm×20 mmPDC工件材料 粒度25 μm,尺寸4.60 mm×3.20 mm工作液機(jī)油電極轉(zhuǎn)速n/(r/min)700加工深度ap/mm0.2

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在BDM-903磨床所帶專家數(shù)據(jù)庫推薦的精加工條件基礎(chǔ)上，綜合考慮加工效率和表面粗糙度2個(gè)指標(biāo)，設(shè)計(jì)4因素3水平正交試驗(yàn)L9(34)。4因素分別為4個(gè)主要電加工參數(shù)：脈寬(tON)、脈沖間隙(tOFF)、峰值電流(IIP)和脈沖間隙寬度(放電休止)的調(diào)整(MA)，試驗(yàn)中不考慮上述4因素交互作用的影響。正交試驗(yàn)中各因素及水平值如表2所示，其中各因素水平值是設(shè)備控制系統(tǒng)的輸入代碼，括號(hào)中數(shù)字為相應(yīng)水平的實(shí)際值。

表2 電火花正交試驗(yàn)中的各因素及水平值 Tab. 2 Factors and levels of EDM orthogonal tests

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 正交試驗(yàn)

根據(jù)表1的試驗(yàn)條件和表2確定的因素及水平，開展PCD硬質(zhì)合金層和PCD層電火花正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表中t表示PCD加工時(shí)間，Ra1代表硬質(zhì)合金基底加工后的表面粗糙度，Ra2代表PCD層加工后的表面粗糙度。

對(duì)表3中的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，各加工參數(shù)對(duì)硬質(zhì)合金層表面粗糙度Ra1以及PCD層表面粗糙度Ra2的影響程度分別如表4和表5所示。表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示3水平值的平均值，極差是平均值中最大值與最小值之差。

表3 電火花加工正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果 Tab. 3 Orthogonal experiment and test results of EDM

表4 電火化加工硬質(zhì)合金層表面粗糙度分析 Tab. 4 Surface roughness of cemented carbide layer after EDM

表5 電火化加工PCD層表面粗糙度分析 Tab. 5 Surface roughness of PCD layer after EDM

從表4、表5中的極差分析結(jié)果可知：在PDC電火花加工中，上述4因素對(duì)硬質(zhì)合金層加工的表面粗糙度影響比對(duì)PCD層的大；且脈沖寬度、脈沖間隙調(diào)整和峰值電流對(duì)硬質(zhì)合金層加工后表面粗糙度的影響較大，而脈沖間隙的影響最小；對(duì)于PCD層，只有脈沖寬度對(duì)其加工的表面粗糙度影響較大，而脈沖峰值電流、脈沖間隙調(diào)整及脈充間隙對(duì)其表面粗糙度的影響都較小。

電火花放電加工的實(shí)質(zhì)是電源放電將工作液擊穿,當(dāng)工作液中微觀粒子獲得的能量大于其自身鍵能時(shí),工作液中的粒子被電離為等離子態(tài),然后利用此等離子體的高溫和爆轟力進(jìn)行加工,因而對(duì)電火花放電加工起直接作用的是單次放電的脈沖能量。單次放電能量E單是影響單次放電材料蝕除量的重要因素,有以下關(guān)系式:

E單=U·IIP·tON

(1)

式中:E單為單次放電脈沖能量，U為放電維持電壓，IIP為峰值電流，tON為脈沖寬度。

由公式(1)可知：峰值電流和脈沖寬度是直接影響單次脈沖能量E單大小的重要因素。單次脈沖能量增大，單次放電的蝕除量將增大，因而加工表面粗糙度也將增大。

放電脈沖間隙和放電脈沖間隙調(diào)整對(duì)加工穩(wěn)定性有較大影響。因?yàn)槿舴烹娒}沖休止時(shí)間間隔過小，放電間隙來不及完全消除電離，會(huì)引發(fā)放電位置的二次放電，從而使放電不穩(wěn)定，破壞已加工表面的完整性。因此，在保證加工穩(wěn)定性的前提下,二者對(duì)加工工件表面粗糙度的影響較小。

而從表3的正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出：PDC材料電火花加工的表面精度與加工效率是一對(duì)矛盾，即加工表面粗糙度低、加工精度高，但加工時(shí)間長、加工效率低。如第1組試驗(yàn)的加工表面粗糙度最低，但加工時(shí)間也最長；第2組和第3 組次之；第5組、第6組、第8組不僅加工時(shí)間長，而且加工后的表面粗糙度還高，從加工效率和加工精度的綜合角度考慮，其工藝組合不佳。

將表3中的EDM加工時(shí)間繪制成趨勢(shì)圖，如圖5所示。從圖5可以看出：第4組、第7組、第9組試驗(yàn)的加工效率高于其他組。結(jié)合表3結(jié)果，第4組、第9組不僅加工時(shí)間較短，且加工后PCD層的表面粗糙度也較低，是較好的電加工參數(shù)組合。綜合來看，試驗(yàn)確定的最佳加工工藝是第4組A2B1C2D3，其加工時(shí)間為458 s，加工后YG層Ra1為1.04 μm，PCD層Ra2為0.59 μm。

圖5 不同放電參數(shù)條件下的加工時(shí)間

3.2 分割試驗(yàn)

由于第4組參數(shù)組合是原設(shè)備數(shù)據(jù)庫已有的加工參數(shù)組合，其加工代碼為C710，命名為1#電加工參數(shù)組合；再將上述第7組和第9組的參數(shù)組合再做分割試驗(yàn)(分別為第10組和第11組試驗(yàn)),固定脈沖寬度tON和電流峰值IIP，考察脈沖間隙調(diào)整MA和脈沖間隙tOFF對(duì)EDM加工效率的影響。其試驗(yàn)方案及結(jié)果如表6所示。從表6的分割試驗(yàn)結(jié)果我們得出：當(dāng)脈沖寬度和電流峰值固定時(shí)，脈沖間隙調(diào)整對(duì)加工效率的影響大于脈沖間隙。從表6的加工時(shí)間變化趨勢(shì)可以看出：當(dāng)脈沖間隙調(diào)整MA取1，脈沖間隙tOFF取4 μm時(shí)，兩組加工時(shí)間最短的電加工參數(shù)組合為A3B1C2D3(命名為2#)和A3B3C2D3(命名為3#)，其加工代碼分別為C712和代碼C713?？紤]到表3中的第7組加工時(shí)間長、表面粗糙度不理想等原因，我們?cè)僭O(shè)定第9組參數(shù)組合A3B3C2D1(命名為4#)以備用，且其代碼為C711,如表7所示。

表6 分割試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Split-run Experiment design and test results

表7 單因素試驗(yàn)電加工工藝參數(shù)表 Tab. 7 Technological parameters of EDM

3.3 PIKADEN高壓脈沖控制的影響

對(duì)表7所得4組代碼為1#(C710)、2#(C712)、3#(C713)、4#(C711)的參數(shù)組合進(jìn)行PIKADEN脈沖控制單因素試驗(yàn)。其試驗(yàn)方案及結(jié)果如表8所示。從表8的單因素試驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)PIKADEN高壓脈沖控制的PP值設(shè)為00和01時(shí)，也即高壓控制關(guān)閉時(shí)，主軸不進(jìn)給；當(dāng)PP值分別設(shè)為10和11時(shí)，后者的加工效率要高于前者。故下面的第二組單因素試驗(yàn)我們將PP參數(shù)值設(shè)定為11，也即高壓控制和PIKADEN高壓脈沖控制同時(shí)處于開啟狀態(tài)。

表8 第一組單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果Tab. 8 Design scheme and results of the first group of single factor experiments

3.4 高壓輔助電源HP的影響

對(duì)表7的4組代碼為1#(C710)、2#(C712)、3#(C713)、4#(C711)的參數(shù)組合進(jìn)行HP參數(shù)單因素試驗(yàn)，HP設(shè)定的6個(gè)代碼分別為000、010、011、012、013和014，其中前2位的00、01分別代表降低電極消耗回路(即NOW回路)的開、關(guān)狀態(tài)，第3位代表高壓輔助回路追加的電流峰值，0、1、2、3和4分別代表追加的電流峰值為0.0、0.5、1.0、1.5和2.0 A。HP參數(shù)單因素試驗(yàn)方案及結(jié)果如表9所示。

將表9的試驗(yàn)結(jié)果繪制成圖，得到HP參數(shù)對(duì)PDC表面加工時(shí)間和表面粗糙度的影響圖6和圖7。由圖6可以看出：4條曲線均在HP設(shè)定為013時(shí)出現(xiàn)最小值，即當(dāng)NOW回路關(guān)閉，高壓輔助回路追加電流峰值為1.5 A時(shí)，4種工藝下的加工時(shí)間都最小，且2#(C712)和3#(C713)組合工藝所用的加工時(shí)間最短,均為130 s。

表9 第二組單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Tab. 9 Design scheme and results of the second group of single factor experiments

圖6 HP參數(shù)對(duì)EDM加工時(shí)間影響 Fig. 6 Influence of HP parameters on EDM process time

圖7 HP參數(shù)對(duì)EDM加工PDC表面粗糙度影響 Fig. 7 Influence of HP parameters on EDM surface roughness of PDC

圖7中的第1～4線分別對(duì)應(yīng)表9中不同HP下1#～4#組合的Ra1值變化曲線，第5～8線分別對(duì)應(yīng)表9中不同HP下1#～4#組合的Ra2值變化曲線。從圖7中可以看出：在不同HP參數(shù)下，平均來說Ra1值曲線的大小順序?yàn)?、2、4、1線，即第3線的Ra1值最大，第1線的Ra1值最?。幌鄬?duì)應(yīng)地，3#組合的Ra1值最大，1#組合的Ra1值最小。同樣，在不同HP參數(shù)下，平均來說Ra2值最大的是第7線，而第5、6、8線的Ra2值彼此差別不大，即3#組合的Ra2值最大，其他組合的Ra2值相當(dāng)。

觀察圖7還發(fā)現(xiàn)：除個(gè)別HP點(diǎn)外，在其他HP點(diǎn)上的Ra1和Ra2值雖有差別，但并不是太大。因此，HP參數(shù)對(duì)Ra1和Ra2值的影響不太顯著。

高壓輔助電源回路控制(HP)中的NOW回路是用來降低加工過程中的電極損耗的，但試驗(yàn)采用的電極旋轉(zhuǎn)加工法極大地拉長了電極的有效加工面長度，且BDM-903磨床具備在線自動(dòng)修整電極功能。因此，可忽略電極損耗對(duì)加工效率的影響，將NOW回路設(shè)定為關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而有利于提高加工效率。另外，增大高壓輔助回路追加電流可提高脈沖能量，但對(duì)于一定的加工面積，其電流對(duì)加工效率的影響有一個(gè)最佳值。低于該值，加工能量不充分、效率低；高于該值會(huì)使部分能量無法有效施加到加工部位，引起電流與電壓波動(dòng)，使加工不穩(wěn)定，同樣降低加工效率。因此，高壓輔助電源回路的HP值設(shè)定為013，即追加電流峰值為1.5 A時(shí)最佳。

表9還表明：在正交試驗(yàn)初步優(yōu)化的加工條件下，當(dāng)PIKADEN高壓脈沖控制PP代碼設(shè)為11，高壓輔助電源HP代碼設(shè)定為013(即追加1.5 A高壓輔助電流)時(shí)，2#(C712)和3#(C713)組合工藝均可使加工效率大幅提高；且2#和3#組合工藝加工硬質(zhì)合金層的Ra1值差不多，分別為1.30和1.29 μm，但2#組合工藝加工PCD層的Ra2值為0.56 μm，小于3#組合工藝的0.65 μm。故本試驗(yàn)條件下的最佳電火花加工工藝為2#(C712)組合，其加工時(shí)間最短為130 s，加工精度較高，加工后YG層的Ra1為1.30 μm、PCD層的Ra2為0.56 μm。

2#工藝組合的加工參數(shù)具體如表10所示，與正交試驗(yàn)確立的最佳工藝組合1#(C710)(正交試驗(yàn)表3第4組)相比，二者加工精度相當(dāng)，但前者加工時(shí)間縮短約3.5倍，也即電加工效率提高3.5倍。

4 結(jié)論

在自行研制的BDM-903精密數(shù)控電火花磨床上，考察了脈寬tON、峰值電流IIP、脈沖間隙調(diào)整MA、脈沖間隙tOFF對(duì)PDC加工精度和加工效率的影響，通過正交試驗(yàn)確定的最佳電加工工藝為：tON2 μs、IIP10 A、MA1倍和tOFF4 μs。用此參數(shù)加工PDC的加工時(shí)間為458 s，加工后YG層的表面粗糙度Ra1為1.04 μm，PCD層的表面粗糙度Ra2為0.59 μm。

表10 PDC電火加工最佳工藝參數(shù) Tab. 10 Optimum technological parameters of PDC EDM

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過分割試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)考察了PIKADEN高壓脈沖控制PP和高壓輔助電源HP對(duì)電加工精度和效率的影響。當(dāng)PP設(shè)定為11、HP設(shè)定為013，即追加1.5 A高壓輔助電流時(shí)，tON為4 μs、IIP為10 A、MA為1倍和tOFF為4 μs時(shí)的電加工組合參數(shù)最佳，其加工時(shí)間最短，為130 s；加工精度較高，加工后YG層的Ra1為1.30 μm、PCD層的Ra2為0.56 μm。與正交試驗(yàn)確立的最佳工藝參數(shù)相比，其加工精度相當(dāng)，但加工效率提高了3.5倍。