JIC35導(dǎo)讀：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)的開發(fā)仍是當(dāng)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zui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。從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(chǎn)率低和電能利用率低的缺點，并結(jié)合超硬刀具電火花刃磨的特點，開發(fā)研制了晶體管開關(guān)型高壓PLC脈沖電源。并對其加工工藝進(jìn)行了實驗研究。
　　
　　1.直流電動機2.脈沖電源3.往復(fù)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
　　
　　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的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到對零件的尺寸、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昂貴的金剛石磨輪，其加工成本要低得多。
　　
　　工件和油槽置于一個數(shù)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*速旋轉(zhuǎn)。與此同時，工件一方面沿Y軸方向作伺服進(jìn)給運動，另一方面沿X軸方向作往復(fù)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(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)和工作臺的往復(fù)運動，超硬刀具電火花刃磨具有以下優(yōu)點：電極的旋轉(zhuǎn)和工作臺的往復(fù)運動有利于電蝕產(chǎn)物的排出和放電點的分散轉(zhuǎn)移，不易產(chǎn)生結(jié)碳拉弧現(xiàn)象。因而改善了加工過程的穩(wěn)定性。電極的旋轉(zhuǎn)有利于脈沖放電結(jié)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(chǎn)率。
　　
　　2晶體管開關(guān)型高壓PLC脈沖電源的原理及組成
　　
　　*，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(dǎo)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(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(nèi)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(dá)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(chǎn)率低和電能利用率低的缺點。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，設(shè)計了晶體管開關(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)計的晶體管開關(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，極間介質(zhì)被擊穿形成放電通道，放電電流使高速開關(guān)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(dǎo)通，并輸出一觸發(fā)脈沖，觸發(fā)555延時電路，使555的輸出信號翻轉(zhuǎn)，經(jīng)過整形電路整形后迅速關(guān)閉晶體管T，經(jīng)一段時間的延時晶體管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。其中延時電路的延時長短可以根據(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*分開，直流電源對間隙放電狀況不產(chǎn)生影響。
　　
　　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)晶體管瞬時關(guān)閉時會在其集電產(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關(guān)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(yīng)速度，否則難以跟蹤間隙放電狀況。
　　
　　在本電源的設(shè)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(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。因為工廠實際操作中高壓交流電非常危險。zui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(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實驗結(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、精磨時的電源參數(shù)。以下就電參數(shù)對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。
　　
　　電阻對加工生產(chǎn)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(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，電容的充電時間延長，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關(guān)元件，限流電阻可以取得很小。
　　
　　MRR=KaWMf?（1）
　　
　　式中：MRR——加工生產(chǎn)率
　　
　　Ka——常數(shù)
　　
　　WM——單個脈沖放電能量
　　
　　f——脈沖頻率
　　
　　?——有效脈沖利用率電源電壓對加工性能的影響
　　
　　實驗條件：電容為1μF，電感為0.025H，電阻為24W。生產(chǎn)率隨著電源電壓的升高而提高。這是因為當(dāng)電源電壓升高時，為了使加工過程趨于穩(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。而擊穿電壓與單個脈沖能量存在以下關(guān)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(chǎn)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(chǎn)率將提高。
　　
　　電源電壓與表面粗糙度的關(guān)系曲線。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(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。電容對加工性能的影響
　　
　　實驗條件：電阻為24W，電感為0.025H，電壓為260V。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。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(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。
　　
　　4結(jié)論
　　
　　由于采用大功率晶體管作開關(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。因而可實現(xiàn)、低能耗和低電極損耗的超硬刀具電火花磨削。電火花精磨超硬刀具時，由于電容量取得較小，容易產(chǎn)生電弧放電。用晶體管作開關(guān)元件可通過調(diào)節(jié)延時長短來調(diào)節(jié)脈沖停歇時間，使放電通道*消電離。從而獲得小的表面粗糙度值。通過實驗可知，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。