鄧福銘, 王 涵，劉嘉霖，張子俊，楊雪峰，閆 曉， 盧學軍，2

(1. 中國礦業(yè)大學(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)達地區(qū)應用十分普及。

近年來，隨著國內木工數控加工機床特別是家具自動生產線的引進，越來越多的廠家也開始使用PCD木工刀具，以解決硬質合金刀具消耗快、使用壽命短，生產過程中需頻繁調整和更換刀具，從而造成生產效率低下的問題[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，每個刀齒不僅要刃磨主后刀面,還要刃磨2個側后刀面，在鋸片直徑大(≥300 mm)、齒數多的情況下,要保證鋸片的刃磨質量極為困難，且生產效率極其低下，無法進行大批量產業(yè)化生產。而采用專用的雙電機電火花成型機床EDM加工，可提高聚晶金剛石木工圓鋸片的生產效率，但難以保證電火花加工質量[7-10]。特別是PDC的電火花加工過程存在復雜性和瞬變性，其加工效率、加工表面質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的影響，同時還受伺服電壓、伺服速度、電極轉速等控制參數的影響。因此，通過試驗總結分析不同放電參數的組合對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刃磨機床上，以聚晶金剛石木工刀具的電加工表面質量和加工效率為優(yōu)化目標，通過正交試驗、分割試驗、單因素試驗等方法來優(yōu)化機床電火花加工參數，以實現高效率、高精度制造PCD木工刀具的目的。

1 試驗設備及其電脈沖控制參數

試驗在圖1所示的北京迪蒙精銳科技有限公司生產的BDM-903精密數控電火花超硬刀具磨床上進行，該磨床主要由主機、數控、脈沖電源和儲油泵4部分組成，可實現X、Y、U三軸聯(lián)動，數控軸定位精度小于0.015 mm，重復定位精度小于0.003 mm，最大加工電流20 A，還具備在線自動修正電極、輔助電源回路、PIKADEN脈沖控制、伺服速度控制、專家數據庫等功能。圖2為其放電脈沖參數示意圖。BDM-903精密數控電火花超硬刀具磨床與放電脈沖控制有關的參數為：

脈寬tON：設定1個脈沖的放電時間，單位s,設定范圍0～63 s和100～107 s。

峰值電流IIP：設定1個脈沖的放電電流的峰值，單位A。

脈沖間隙tOFF：設定1個脈沖放電后的休止時間,單位s，設定范圍0～63 s。

脈沖間隙調整MA：設定1次脈沖間歇tOFF的倍率。實際的放電脈沖休止時間T=tOFF×MA。

圖1 BDM-903精密數控電火花機床

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)電壓控制回路的轉換(低壓、中壓的控制回路)；(3)電流控制回路的轉換(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個設定值，其中第1位數字的0和1代表HP電壓控制回路的關與開，第2位數字的0和1代表PIKADEN脈沖控制的關與開。

PL：選擇工具、工件的放電極性,以主軸一側(通常為電極)為基準輸入+或-。

SV:設定伺服基準電壓。以放電極間拉開的距離為伺服基準,可調整平均加工電壓。

C:設定極間電容器的容量，設定范圍0～9。

S:設定伺服速度，設定范圍0～9。

2 電火花加工條件及試驗設計

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的聚晶金剛石復合片(PDC)，如圖4所示。試驗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96的圓鋸片。試驗采用負極性加工，即工件接負極、電極接正極，分別在機油工作液中進行電火花加工。電火花試驗加工條件見表1。

圖4 自主研發(fā)的φ48 mm聚晶金剛石復合片

試驗條件參數或取值 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工作液機油電極轉速n/(r/min)700加工深度ap/mm0.2

2.2 試驗方案設計

在BDM-903磨床所帶專家數據庫推薦的精加工條件基礎上，綜合考慮加工效率和表面粗糙度2個指標，設計4因素3水平正交試驗L9(34)。4因素分別為4個主要電加工參數：脈寬(tON)、脈沖間隙(tOFF)、峰值電流(IIP)和脈沖間隙寬度(放電休止)的調整(MA)，試驗中不考慮上述4因素交互作用的影響。正交試驗中各因素及水平值如表2所示，其中各因素水平值是設備控制系統(tǒng)的輸入代碼，括號中數字為相應水平的實際值。

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

3 試驗結果與討論

3.1 正交試驗

根據表1的試驗條件和表2確定的因素及水平，開展PCD硬質合金層和PCD層電火花正交試驗，試驗結果如表3所示。表中t表示PCD加工時間，Ra1代表硬質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。

對表3中的正交試驗結果進行極差分析，各加工參數對硬質合金層表面粗糙度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設計方案及結果 Tab. 3 Orthogonal experiment and test results of EDM

表4 電火化加工硬質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中的極差分析結果可知：在PDC電火花加工中，上述4因素對硬質合金層加工的表面粗糙度影響比對PCD層的大；且脈沖寬度、脈沖間隙調整和峰值電流對硬質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??；對于PCD層，只有脈沖寬度對其加工的表面粗糙度影響較大，而脈沖峰值電流、脈沖間隙調整及脈充間隙對其表面粗糙度的影響都較小。

電火花放電加工的實質是電源放電將工作液擊穿,當工作液中微觀粒子獲得的能量大于其自身鍵能時,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行加工,因而對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整對加工穩(wěn)定性有較大影響。因為若放電脈沖休止時間間隔過小，放電間隙來不及完全消除電離，會引發(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,二者對加工工件表面粗糙度的影響較小。

而從表3的正交試驗結果可以看出：PDC材料電火花加工的表面精度與加工效率是一對矛盾，即加工表面粗糙度低、加工精度高，但加工時間長、加工效率低。如第1組試驗的加工表面粗糙度最低，但加工時間也最長；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加工時間繪制成趨勢圖，如圖5所示。從圖5可以看出：第4組、第7組、第9組試驗的加工效率高于其他組。結合表3結果，第4組、第9組不僅加工時間較短，且加工后PCD層的表面粗糙度也較低，是較好的電加工參數組合。綜合來看，試驗確定的最佳加工工藝是第4組A2B1C2D3，其加工時間為458 s，加工后YG層Ra1為1.04 μm，PCD層Ra2為0.59 μm。

圖5 不同放電參數條件下的加工時間

3.2 分割試驗

由于第4組參數組合是原設備數據庫已有的加工參數組合，其加工代碼為C710，命名為1#電加工參數組合；再將上述第7組和第9組的參數組合再做分割試驗(分別為第10組和第11組試驗),固定脈沖寬度tON和電流峰值IIP，考察脈沖間隙調整MA和脈沖間隙tOFF對EDM加工效率的影響。其試驗方案及結果如表6所示。從表6的分割試驗結果我們得出：當脈沖寬度和電流峰值固定時，脈沖間隙調整對加工效率的影響大于脈沖間隙。從表6的加工時間變化趨勢可以看出：當脈沖間隙調整MA取1，脈沖間隙tOFF取4 μm時，兩組加工時間最短的電加工參數組合為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組加工時間長、表面粗糙度不理想等原因，我們再設定第9組參數組合A3B3C2D1(命名為4#)以備用，且其代碼為C711,如表7所示。

表6 分割試驗設計方案及試驗結果Tab. 6 Split-run Experiment design and test results

表7 單因素試驗電加工工藝參數表 Tab. 7 Technological parameters of EDM

3.3 PIKADEN高壓脈沖控制的影響

對表7所得4組代碼為1#(C710)、2#(C712)、3#(C713)、4#(C711)的參數組合進行PIKADEN脈沖控制單因素試驗。其試驗方案及結果如表8所示。從表8的單因素試驗結果可以看出：當PIKADEN高壓脈沖控制的PP值設為00和01時，也即高壓控制關閉時，主軸不進給；當PP值分別設為10和11時，后者的加工效率要高于前者。故下面的第二組單因素試驗我們將PP參數值設定為11，也即高壓控制和PIKADEN高壓脈沖控制同時處于開啟狀態(tài)。

表8 第一組單因素試驗設計方案及試驗結果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

對表7的4組代碼為1#(C710)、2#(C712)、3#(C713)、4#(C711)的參數組合進行HP參數單因素試驗，HP設定的6個代碼分別為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參數單因素試驗方案及結果如表9所示。

將表9的試驗結果繪制成圖，得到HP參數對PDC表面加工時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設定為013時出現最小值，即當NOW回路關閉，高壓輔助回路追加電流峰值為1.5 A時，4種工藝下的加工時間都最小，且2#(C712)和3#(C713)組合工藝所用的加工時間最短,均為130 s。

表9 第二組單因素試驗設計方案及結果Tab. 9 Design scheme and results of the second group of single factor experiments

圖6 HP參數對EDM加工時間影響 Fig. 6 Influence of HP parameters on EDM process time

圖7 HP參數對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線分別對應表9中不同HP下1#～4#組合的Ra1值變化曲線，第5～8線分別對應表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參數下，平均來說Ra1值曲線的大小順序為3、2、4、1線，即第3線的Ra1值最大，第1線的Ra1值最??；相對應地，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。

觀察圖7還發(fā)現：除個別HP點外，在其他HP點上的Ra1和Ra2值雖有差別，但并不是太大。因此，HP參數對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，但試驗采用的電極旋轉加工法極大地拉長了電極的有效加工面長度，且BDM-903磨床具備在線自動修整電極功能。因此，可忽略電極損耗對加工效率的影響，將NOW回路設定為關閉狀態(tài)，進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，但對于一定的加工面積，其電流對加工效率的影響有一個最佳值。低于該值，加工能量不充分、效率低；高于該值會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，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值設定為013，即追加電流峰值為1.5 A時最佳。

表9還表明：在正交試驗初步優(yōu)化的加工條件下，當PIKADEN高壓脈沖控制PP代碼設為11，高壓輔助電源HP代碼設定為013(即追加1.5 A高壓輔助電流)時，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。故本試驗條件下的最佳電火花加工工藝為2#(C712)組合，其加工時間最短為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具體如表10所示，與正交試驗確立的最佳工藝組合1#(C710)(正交試驗表3第4組)相比，二者加工精度相當，但前者加工時間縮短約3.5倍，也即電加工效率提高3.5倍。

4 結論

在自行研制的BDM-903精密數控電火花磨床上，考察了脈寬tON、峰值電流IIP、脈沖間隙調整MA、脈沖間隙tOFF對PDC加工精度和加工效率的影響，通過正交試驗確定的最佳電加工工藝為：tON2 μs、IIP10 A、MA1倍和tOFF4 μs。用此參數加工PDC的加工時間為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 Tab. 10 Optimum technological parameters of PDC EDM

在此基礎上，進一步通過分割試驗和單因素試驗考察了PIKADEN高壓脈沖控制PP和高壓輔助電源HP對電加工精度和效率的影響。當PP設定為11、HP設定為013，即追加1.5 A高壓輔助電流時，tON為4 μs、IIP為10 A、MA為1倍和tOFF為4 μs時的電加工組合參數最佳，其加工時間最短，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。與正交試驗確立的最佳工藝參數相比，其加工精度相當，但加工效率提高了3.5倍。