鄧杰軍 ，侯 磊 ，張寶華

（1.北京諾偉軟件科技有限公司，北京 101300；2.北京安德建奇數(shù)字設(shè)備股份有限公司，北京101300）

聚晶金剛石（polycrystalline diamond，PCD）是指將金剛石微粉（粒度為微米級）與少量的金屬粉末（如Co）混合并在高溫（1400℃）、高壓下燒結(jié)而成的聚晶體，具有硬度高（硬度可達8000HV，為硬質(zhì)合金的80～120倍）、抗壓強度高、導熱性好（導熱系數(shù)700 W/mk，為硬質(zhì)合金的1.5～9倍）、耐磨性好等特性[1-2]。通常可將厚度為0.4～0.6 mm的聚晶金剛石層在高溫、高壓下牢固地和硬質(zhì)合金襯底結(jié)合成一種超硬復合材料，如PCD復合片，該材料既具備了PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬質(zhì)合金的良好強度和韌性。PCD復合片具備了應(yīng)用在切削刀具上的可能性，而使用最廣泛的PCD復合片刀具是金剛石刀具，后者可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率，被大量應(yīng)用于汽車、航空航天、木工等行業(yè)領(lǐng)域。

木地板中的強化復合木地板，學名為浸漬紙層壓木地板（laminate wood flooring），有四層結(jié)構(gòu)，其中耐磨層的材料主要為三氧化二鋁（Al2O3）和三聚氰胺，而Al2O3的硬度（莫氏硬度9）僅次于立方氮化硼（CBN）和金剛石（PCD），目前只能用金剛石刀具來加工。在強化復合木地板生產(chǎn)流程中，有兩道工序需進行金剛石刀具（盤式刀具）切削加工：一是大板分片，二是企口（有平口和鎖扣兩種廓形），都需用PCD金剛石刀具進行預切、倒角、精修、鎖扣、成形等加工。

用PCD金剛石刀具進行加工和修磨主要采用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪和電火花放電（成形、線切割）進行磨削的工藝方法。由于金剛石砂輪磨料與PCD之間的磨削是兩種硬度相近的材料間的相互作用[3]，金剛石砂輪消耗較大、加工成本高，而電火花放電磨削技術(shù)幾乎不受工件硬度的影響，故采用電火花放電磨削PCD刀具優(yōu)勢較大[3]，尤其是復雜形狀PCD刀具（如木工刀具）的磨削對此類磨削工藝需求巨大。然而，針對復雜形狀PCD刀具（如木工PCD成形刀具），無論是金剛石砂輪或電火花放電（成形）磨削都存在金剛石砂輪和電極輪制作難的問題，其復雜的磨削運動軌跡會對刀具刃口的形狀精度控制造成影響；若金剛石砂輪或電火花放電電極輪的直徑過大，會干涉PCD盤狀刀具的刀齒且加工效率不高；若用直徑0.07～0.3 mm的電極絲對復雜形狀PCD刀具進行放電切割磨削，則可獲得較高形狀精度的刀具刃口，且不受加工余量影響，加工效率高、成本低。但目前用于PCD刀具加工的放電線切割磨削設(shè)備主要來自德國Vollmer，設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、價格高、耗材成本高，國內(nèi)大部分木地板行業(yè)的PCD刀具加工企業(yè)和修磨點沒有足夠?qū)嵙徺I和使用其設(shè)備。

本文結(jié)合往復走絲電火花線切割機床[4]的加工機理、主要結(jié)構(gòu)及低成本特點，研究了一種能加工木地板行業(yè)PCD金剛石刀具的具有多次切割功能的往復走絲電火花線切割機床，滿足了刀具刃口圓周跳動小于0.02 mm、形狀誤差小于0.015 mm的精度要求，以及加工直徑在250 mm范圍內(nèi)且不大于24齒的盤式刀具加工，并對機床結(jié)構(gòu)、脈沖電源、控制系統(tǒng)、編程方式等方面進行了系統(tǒng)的介紹。

1 機床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，在往復走絲電火花線切割機床主機上增加三種關(guān)鍵部件：刀具裝卡機構(gòu)、角度測量機構(gòu)及適應(yīng)于PCD刀具切割的U軸切割絲架機構(gòu)。其中，刀具裝卡及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)用于固定需要加工的盤狀刀具；角度測量機構(gòu)用于測量每個需要加工的刀齒角度并提高機床自動化加工能力；U軸切割絲架機構(gòu)配合X、Y軸用于加工盤狀刀具的側(cè)后角。主機床身采用T形結(jié)構(gòu)，工作臺無懸浮，有利于承重且加工穩(wěn)定性好；X、Y軸采用精密直線滾動導軌和精密滾珠絲杠副，保證了機床的運動精度和靈敏度；設(shè)計的電極絲恒張力控制系統(tǒng)，可使PCD刀具加工精度和刃口粗糙度得到保證。

1.1 刀具裝卡機構(gòu)

如圖2所示，刀具裝卡機構(gòu)用于裝卡PCD刀具，通過A軸旋轉(zhuǎn)滿足刀具的刀齒后角加工及多齒自動加工。對加工側(cè)后角度大的盤狀刀具或特殊刀具，可通過手動控制角度偏擺機構(gòu)使盤狀刀具左右偏擺，進一步完善線切割機床加工刀具側(cè)后角的功能。芯軸的軸徑有多種，可適配不同孔徑的被加工刀具，使線切割機床能加工多種類型的刀具，應(yīng)用更加廣泛。

圖1 機床整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 刀具裝卡機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

由于盤狀刀具的齒數(shù)都是多齒（最少2齒），同時其形狀誤差要求控制在0.02 mm以內(nèi)，為達到高精度和全自動化，需配置高精度A軸。首先，A軸采用配有減速比100∶1的諧波減速機構(gòu)的交流伺服電機驅(qū)動，分辨率為0.001°，整個系統(tǒng)具有較高的定位精度和重復定位精度，保證了刀具加工精度；其次，A軸工作臺采用快速換卡頭結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)快速裝卡和精確定位；第三，A軸整體采用密封設(shè)計，可實現(xiàn)浸泡加工，符合IP68防護等級；最后，采用A軸旋轉(zhuǎn)軸和殼體絕緣設(shè)計，以適應(yīng)放電加工機床，可承受的最大加工電流為64 A。

1.2 角度測量機構(gòu)

PCD盤狀刀具由多個刀齒組成，由于PCD片焊接在每個刀齒上，會造成刀齒之間的等分度數(shù)不盡相同，需在線檢測同時自動記錄每個刀齒之間的分度度數(shù)，加之有些形狀的刀具需通過多點檢測自動計算刀具形狀，因而一套高精度刀具自動測量系統(tǒng)就能很好地解決上述問題，從而提高機床的效率和自動化水平。自動測量系統(tǒng)通過數(shù)字控制（NC）程序控制高精度測頭進行測量并記錄數(shù)據(jù)到控制系統(tǒng)寄存器中，NC程序通過調(diào)用寄存器中的檢測數(shù)據(jù)自動加工PCD盤狀刀具的每個刀齒。

如圖3所示，角度測量機構(gòu)包括固定座、殼體、偏擺桿和測針，其中偏擺桿處于殼體內(nèi)部，可旋轉(zhuǎn)一定的角度。殼體內(nèi)部安裝有電路模塊，可通過識別偏擺桿的旋轉(zhuǎn)角度來檢測測針的輕微移動，并進行記錄，最終得出兩個相鄰刀齒與刀具圓心連線的夾角數(shù)值。通過A軸旋轉(zhuǎn)和X、Y軸聯(lián)動，角度測量機構(gòu)可實現(xiàn)對每個刀齒的定位、記錄和角度自動測量，PCD盤狀刀具的每個齒刀就可實現(xiàn)自動加工。

圖3 角度測量機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 U軸切割絲架機構(gòu)

PCD刀具線切割機床的電極絲運絲機構(gòu)和傳統(tǒng)線切割機床的運絲機構(gòu)有很大不同。傳統(tǒng)運絲機構(gòu)的兩個主導輪之間距離過大，導致切割PCD盤狀刀具密齒時發(fā)生干涉。直徑為250～300 mm的盤狀刀通常有24齒，每二齒之間的距離為30～40 mm，加上后角一般要求兩個主導輪之間的距離不大于65 mm，因此為了滿足密齒刀具加工，本文設(shè)計了獨特的U軸切割絲架機構(gòu)，見圖4。

圖4 U軸切割絲架機構(gòu)示意圖

U軸切割絲架機構(gòu)主要為了滿足PCD盤狀刀具后角、側(cè)后角的加工要求。盤狀刀具的后角定位是依靠刀具裝卡機構(gòu)中的A軸旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)：根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，加工程序令A軸自動旋轉(zhuǎn)，并帶動盤狀刀具旋轉(zhuǎn)，將每個刀齒的后角依次旋轉(zhuǎn)到需要加工的位置。刀具的側(cè)后角定位是依靠U軸切割絲架機構(gòu)中的U軸移動來實現(xiàn)：根據(jù)設(shè)定的參數(shù)，加工程序令U軸自動移動使電極絲傾斜，從而對刀齒的側(cè)后角進行加工。

U軸切割絲架機構(gòu)整體隨著Z軸上下移動，可滿足不同直徑的刀具高度要求。U軸切割絲架機構(gòu)中的上、下主導輪可通過U軸移動組件使二者之間的電極絲左右移動，從而滿足刀具側(cè)后角左、右方向的加工要求。下主導輪有多種配置，當被加工刀具為多齒刀具時，下主導輪的直徑較小，可深入到刀齒之間加工，操作方便且加工更精密；當被加工刀具為少齒刀具時可更換為大直徑導輪，在保證加工質(zhì)量的同時有利于提高其使用壽命。

為了保證加工過程穩(wěn)定進行，U軸切割絲架機構(gòu)設(shè)計了獨特的穩(wěn)絲機構(gòu)和噴淋機構(gòu)。穩(wěn)絲機構(gòu)可使電極絲在加工過程中運行平穩(wěn)，減少絲的抖動，提高切割表面質(zhì)量；噴淋機構(gòu)對電極絲進行噴淋冷卻，防止加工過程中局部溫度過高而引起斷絲。此外，U軸切割絲架機構(gòu)還設(shè)計了擋水板，防止噴淋裝置在噴淋冷卻過程中，其中的冷卻液噴濺到工作臺其他部位。

2 脈沖電源改進

PCD材料電火花放電切割速率與放電參數(shù)的關(guān)系見圖5～圖8，可知，對于開路電壓和峰值電流而言，其參數(shù)大小與切割速度成正向關(guān)系；對于脈沖寬度與脈沖間歇而言，其起初參數(shù)的增加能提高切割速度，而后期參數(shù)的增加則會降低切割速度[5]。因此，本文將切割PCD金剛石刀具時的電火花線切割機床脈沖電源參數(shù)設(shè)定為：開路電壓為70、120、250 V三檔可調(diào)；峰值電流在0.5～64 A范圍內(nèi)按照1248 編碼方式調(diào)節(jié)；脈沖寬度為 0.5～250 μs；脈沖間歇在 2～1000 μs范圍內(nèi)可按照最小0.5 μs的單位任意調(diào)節(jié)。上述參數(shù)下的脈沖電源可產(chǎn)生不同的脈沖波形（矩形波、分組脈沖等），滿足PCD金剛石刀具放電切割及多次切割的需要，從而實現(xiàn)較高的表面質(zhì)量及切割精度[6]。

圖5 開路電壓與加工速度的關(guān)系

圖6 峰值電流與加工速度的關(guān)系

圖7 脈沖寬度與加工速度的關(guān)系

圖8 脈沖間歇與加工速度的關(guān)系

3 數(shù)控系統(tǒng)及自動編程系統(tǒng)

為了實現(xiàn)PCD盤狀刀具的全自動加工，機床至少需要 X、Y、U、A、Z 五個數(shù)控軸。其中，X、Y 軸控制刀具切割位置和形狀；A軸實現(xiàn)刀齒定位和后角加工；U軸實現(xiàn)刀具的側(cè)后角加工；Z軸主要配合測量系統(tǒng)進行在線測量；X、Y、U、A四軸能實現(xiàn)聯(lián)動加工。同時，設(shè)計的機床數(shù)控系統(tǒng)采用ISO GM代碼編程控制，需支持加、減、乘、除、開方及三角函數(shù)的計算功能才能通過檢測數(shù)據(jù)自動計算刀具形狀，還需具有自動檢查功能，通過程序控制測頭來進行位置檢測并自動記錄檢測數(shù)據(jù)。由于刀具有前角、后角、側(cè)后角和面角等參數(shù)，自動編程系統(tǒng)需對刀具加工CAD圖形進行三維投影變換，并根據(jù)刀具參數(shù)自動計算出刀具的切割軌跡，再結(jié)合切刀工藝要求自動產(chǎn)生加工程序，才能加工出滿足精度要求的形狀。圖9是自行開發(fā)的刀具切割數(shù)控系統(tǒng)與CAM自動編程系統(tǒng)界面。

圖9 數(shù)控系統(tǒng)與自動編程系統(tǒng)界面

4 典型PCD盤狀刀具加工

利用前文所述設(shè)計對典型的24刀齒PCD盤狀刀具進行加工，如圖10所示：刀具直徑為250 mm，前角為 12°，后角為 15°，面角為 0°，側(cè)后角為 4°。

圖10 24刀齒PCD盤狀刀具

該PCD盤狀刀具利用往復走絲電火花線切割機床加工的主要操作步驟如下：

（1）清洗盤狀刀具，并將其安裝于機床A軸上，旋轉(zhuǎn)A軸將任意一個刀齒轉(zhuǎn)到A軸中心位置。

（2）測量盤狀刀具各刀齒的分度值，并自動記錄在控制系統(tǒng)寄存器中。

（3）在CAD軟件中調(diào)入盤狀刀具加工圖形，并進行切割路徑轉(zhuǎn)換，如圖11所示：通過指定穿絲點、切入點、切割方向等將圖形轉(zhuǎn)換成加工軌跡，再輸入路徑文件名并存儲。

圖11 刀齒切割路徑

（4）進入 CAM自動編程界面，勾選“加工刀齒”，先輸入刀具的各項參數(shù)（如后角、面角、前角、側(cè)后角、刀齒直徑等），再選定需要加工的刀具CAD圖形（DXF文件），然后輸入刀齒數(shù)、程序名，點擊“產(chǎn)生程序”即自動產(chǎn)生加工程序，最后在加工畫面執(zhí)行該程序即可實現(xiàn)整個刀齒的自動加工。

（5）用投影儀將圖像放大20倍并與加工圖紙進行比對，以檢測每個刀齒的形狀誤差。每個刀齒的切割長度為17 mm，需切割加工3次。刀齒右邊側(cè)后角和左邊側(cè)后角分別加工，先令U軸向負方向傾斜加工右邊側(cè)后角，每齒加工時間為6 min，24齒共需144 min；再令U軸向正方向傾斜加工左邊側(cè)后角，每齒加工時間為1.5 min，24齒共需36 min，整個刀的加工時間為180 min。而采用電火花磨削加工方法約需要5小時，與之相比本方法的加工效率約提高40%，且加工后整個PCD盤狀刀具24個刀齒的端面跳動誤差小于0.015 mm、徑向跳動誤差小于0.02 mm。

5 結(jié)束語

利用具有多次切割功能的電火花線切割加工技術(shù)特點及其使用成本優(yōu)勢，結(jié)合木地板行業(yè)聚晶金剛石刀具制作需求，本文研究開發(fā)了一種能滿足木地板行業(yè)聚晶金剛石刀具加工的往復走絲電火花線切割機床，并對該機床的主要機械結(jié)構(gòu)、脈沖電源參數(shù)、控制系統(tǒng)功能及加工工藝等進行了系統(tǒng)介紹，有助于改變現(xiàn)有木地板行業(yè)聚晶金剛石刀具加工工藝方法，從而提高生產(chǎn)效率、有效降低刀具加工制造成本，對木地板行業(yè)聚晶金剛石刀具制造產(chǎn)業(yè)調(diào)整升級起到幫助作用。