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(zhì)量理想等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于金屬切削、木材加工、采礦和石油勘探等領(lǐng)域。然而其加工成形較困難，其加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)仍是當(dāng)今世界的一個(gè)研究課題。目前超硬刀具的加工方法主要有機(jī)械磨削、超聲加工和電火花磨削等。機(jī)械磨削是最為常用的加工方法，但需要價(jià)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(lái)從事超硬材料電火花加工工藝的研究，針對(duì)以往脈沖電源存在生產(chǎn)率低和電能利用率低的缺點(diǎn)，并結(jié)合超硬刀具電火花刃磨的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)研制了晶體管開(kāi)關(guān)型高壓PLC脈沖電源。并對(duì)其加工工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(zhì)中工具和工件之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的要求；與普通電火花加工不同，電火花磨削是以旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)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(tǒng)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(duì)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。

1.直流電動(dòng)機(jī) 2.脈沖電源 3.往復(fù)運(yùn)動(dòng) 4.伺服運(yùn)動(dòng) 5.伺服控制 6.工件 7.油槽 8.放電間隙檢測(cè) 9.煤油 10.圓盤(pán)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(gè)數(shù)控工作臺(tái)上。工具電極是一紫銅圓盤(pán)。加工時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工具電極高速旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，工件一方面沿Y軸方向作伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，另一方面沿X軸方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這樣可以使圓盤(pán)電極損耗分布在盡可能大的表面上，從而可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)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(zhuǎn)和工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，超硬刀具電火花刃磨具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 電極的旋轉(zhuǎn)和工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)有利于電蝕產(chǎn)物的排出和放電點(diǎn)的分散轉(zhuǎn)移，不易產(chǎn)生結(jié)碳拉弧現(xiàn)象。因而改善了加工過(guò)程的穩(wěn)定性。

2) 電極的旋轉(zhuǎn)有利于脈沖放電結(jié)束時(shí)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(chǎn)率。

2 晶體管開(kāi)關(guān)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(diǎn)、高的電阻率和良好的導(dǎo)熱性，這類材料不僅機(jī)械加工困難，而且電加工也困難。大量的實(shí)驗(yàn)表明：采用通常的脈沖電源對(duì)超硬材料進(jìn)行電火花磨削不易得到滿意的效果，其理想的脈沖電源應(yīng)具有高度集中的脈沖放電能量、強(qiáng)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(shí)間內(nèi)得到峰值很高的尖峰脈沖電流，因此其瞬時(shí)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(huì)達(dá)到有效地電火花磨削超硬材料的目的。然而如僅用簡(jiǎn)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(chǎn)率低和電能利用率低的缺點(diǎn)。筆者在上述分析的基礎(chǔ)上結(jié)合超硬刀具電火花刃磨的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了晶體管開(kāi)關(guān)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(chǎn)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(shí)際加工中發(fā)現(xiàn)，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(shè)計(jì)成如圖2所示的晶體管開(kāi)關(guān)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(dǎo)通，電源通過(guò)限流電阻R、電感L和晶體管T向電容器C充電，當(dāng)電容器兩端電壓上升到極間間隙擊穿電壓時(shí)，極間介質(zhì)被擊穿形成放電通道，放電電流使高速開(kāi)關(guān)二極管兩端瞬時(shí)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(dǎo)通，并輸出一觸發(fā)脈沖，觸發(fā)555延時(shí)電路，使555的輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)整形電路整形后迅速關(guān)閉晶體管T，經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)晶體管T又重新導(dǎo)通。直流電源又經(jīng)R、L、T向電容器C充電。如此周而復(fù)始地形成一系列加工脈沖。其中延時(shí)電路的延時(shí)長(zhǎng)短可以根據(jù)間隙放電狀況調(diào)節(jié)。這樣可使得間隙一旦產(chǎn)生火花放電就關(guān)閉晶體管T，使直流電源E與放電回路完全分開(kāi)，直流電源對(duì)間隙放電狀況不產(chǎn)生影響。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

圖2 晶體管開(kāi)關(guān)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(dāng)晶體管瞬時(shí)關(guān)閉時(shí)會(huì)在其集電極端產(chǎn)生一高的尖峰電壓，容易擊穿晶體管。為此接入續(xù)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(dá)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(fù)半波，降低電極損耗。采樣二極管選用快速開(kāi)關(guān)二極管，光耦采用超高速光耦6N137，并且延時(shí)電路和整形電路中的元件都要求具有很高的響應(yīng)速度，否則難以跟蹤間隙放電狀況。

在本電源的設(shè)計(jì)中還有一個(gè)必須引起注意的問(wèn)題，即高壓電源的獲得。因?yàn)榧庸ぞ劬Ы饎偸途劬Я⒎降鹚桦娫措妷焊哌_(dá)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?yàn)楣S實(shí)際操作中高壓交流電非常危險(xiǎn)。最簡(jiǎn)單的解決措施是采用倍壓整流電路。但這種電路存在一個(gè)缺陷就是輸出電流小，并且隨著倍壓整流電路倍數(shù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

生產(chǎn)率和表面粗糙度是超硬刀具電火花刃磨的兩項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。為了獲得良好的表面粗糙度，必須選擇好粗、中、精磨時(shí)的電源參數(shù)。以下就電參數(shù)對(duì)超硬刀具電火花刃磨效率和表面粗糙度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)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(duì)加工生產(chǎn)率的影響

圖3為電阻對(duì)加工生產(chǎn)率的影響曲線。實(shí)驗(yàn)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(chǎn)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(shí)間延長(zhǎng)，因而導(dǎo)致了脈沖頻率的減小。從式(1)可以看出，加工生產(chǎn)率隨著脈沖頻率的減小而降低。所以生產(chǎn)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(kāi)關(guān)元件，限流電阻可以取得很小。

圖3 電阻與生產(chǎn)率的關(guān)系

MRR=K_aW_MfØ (1)

式中：MRR——加工生產(chǎn)率
Ka——常數(shù)
WM——單個(gè)脈沖放電能量
f——脈沖頻率
Ø——有效脈沖利用率

2) 電源電壓對(duì)加工性能的影響

電源電壓對(duì)加工性能的影響曲線如圖4、5所示。實(shí)驗(yàn)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(chǎn)率隨著電源電壓的升高而提高。這是因?yàn)楫?dāng)電源電壓升高時(shí)，為了使加工過(guò)程趨于穩(wěn)定，必須相應(yīng)增大極間放電間隙。這樣也即相應(yīng)地提高了極間的擊穿電壓值。而擊穿電壓與單個(gè)脈沖能量存在以下關(guān)系

W_m=0.5CU_j² (2)

式中：WM——單個(gè)脈沖放電能量
C——電容量
Uj——擊穿電壓

由式(2)可以看出，單個(gè)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(chǎn)率隨著單個(gè)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(chǎn)率將提高。

圖4 電源電壓與生產(chǎn)率的關(guān)系 圖5 電源電壓表面粗糙度的關(guān)系

圖5為電源電壓與表面粗糙度的關(guān)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(gè)脈沖放電能量增大，而單個(gè)脈沖放電能量的增大將導(dǎo)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。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3) 電容對(duì)加工性能的影響

圖6、7為電容對(duì)加工性能的影響曲線。實(shí)驗(yàn)條件：電阻為24W，電感為0.025H，電壓為260V。從圖6可以看出，生產(chǎn)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(gè)脈沖能量隨電容量的增加而增大，而單個(gè)脈沖能量的增大將導(dǎo)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。

圖6 電容與生產(chǎn)率的關(guān)系 圖7 電容與表面粗糙度的關(guān)系

4 結(jié)論

1) 由于采用大功率晶體管作開(kāi)關(guān)元件，一旦產(chǎn)生擊穿放電就迅速關(guān)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(guò)程穩(wěn)定；并且限流電阻可以取得很小，提高了脈沖頻率。因而可實(shí)現(xiàn)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(shí)，由于電容量取得較小，容易產(chǎn)生電弧放電。用晶體管作開(kāi)關(guān)元件可通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)長(zhǎng)短來(lái)調(diào)節(jié)脈沖停歇時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)可知，超硬刀具電火花刃磨生產(chǎn)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。