聚晶金剛石的電火花加工放電特性研究

華蕊，陳錦源，葉樹林

(1.佛山科學技術學院，廣東佛山528000;2.佛山市順德區(qū)倫教街道，廣東佛山528308)

0 前言

聚晶金剛石 (Polycrystalline Diamond，簡稱PCD)是由特殊處理的單晶金剛石微粉與少量黏結劑在高溫 (1 400℃)、高壓 (6 000 MPa)下燒結而成的聚晶體，其硬度高達10 000 HV左右，是目前世界上人造物質中最硬的材料。由于其具有硬度高、耐磨損等優(yōu)異性能而被廣泛用作刀具材料加工各種難加工材料。然而，也是因為其硬度和強度很高，對它的成形加工非常困難，嚴重妨礙了它的推廣應用。電火花加工因為不受被加工材料的硬度和強度的影響，被認為是一種非常有效而經濟的PCD刀具成形加工的方法。由于PCD材料自身的一些特點，如電阻率較大，材料中含有大量非導電相等，使得PCD材料的電火花加工呈現出不同于普通電火花加工的放電特性，研究并正確理解這些特性，對掌握PCD電火花加工的內在規(guī)律，優(yōu)化工藝參數，提高加工性能具有很大的現實意義。

1 實驗

1.1實驗裝置

該實驗是在自制的單脈沖放電實驗裝置上進行的，實驗裝置的結構示意圖如圖1。

圖1 單脈沖放電實驗裝置結構示意圖

實驗中，試件用壓板固定在工作臺上，電極安裝在用螺旋測微儀改造而成的微進給機構上，轉動微調旋鈕可以精確地調整電極與試件之間的間隙大小。脈沖電源采用自行開發(fā)的等能量脈沖電源，它有單脈沖放電和連續(xù)工作2種模式，輸出電壓可通過自耦變壓器連續(xù)調整，而且可以對每一個脈沖的放電持續(xù)時間進行控制，能很好地滿足實驗要求。實驗采用泰克公司TDS 2024B型數字存儲示波器來觀察記錄加工中的電壓和電流波形，電流信號經取樣電阻測出后接入示波器。該示波器不僅可以記錄并存儲各通道信號的波形圖，而且還能以25 MHz的采樣頻率將各通道信號的幅值以EXCEL文件形式保存起來，因此對實驗結果不僅可以根據存儲的波形圖來進行定性分析，還可以通過對記錄文件中的數據進行定量分析。

1.2 實驗材料

實驗中的放電介質為煤油，電極材料為紫銅棒，試件材料為GE公司生產的聚晶金剛石復合片，試件1為Compax1500，試件2為Compax1300，其有關參數見表1。為了和普通的電火花加工比較，還用A45鋼進行了電火花加工實驗，試件3為A45鋼。

表1 PCD試件材料的部分物理參數

1.3 實驗過程

為了研究PCD的放電特性，選取Compax1500、Compax1300和A45鋼3種材料進行單脈沖放電實驗，實驗中選取峰值電流為2 A，放電持續(xù)時間為200 μs，放電間隙按照表2選取，實驗過程如下:

(1)把試件擦拭干凈放在實驗臺上，再用壓板壓緊，固定好位置后，慢慢注入煤油，直至煤油沒過試件10 mm以上。

(2)慢慢旋轉微進給機構的旋鈕，使電極慢慢向試件靠近，直到電極與試件表面接觸，聽到輕微的“咔咔”聲為止，記下此時螺旋測微儀的刻度;然后反方向慢慢旋轉微進給機構的旋鈕，使電極上升，此時螺旋測微儀的刻度與其之前記下的刻度之差即為電極與試件之間的放電間隙，根據表2調整好每次實驗所對應的放電間隙，然后鎖緊微進給機構。

表2 PCD放電特性實驗安排一覽表

(3)連接好實驗電路，然后通過調節(jié)自耦變壓器使脈沖電源的輸出電壓緩慢上升，直到發(fā)生電火花放電。數字存儲示波器設置成單次觸發(fā)模式，可以自動記錄每次火花放電的電流、電壓波形及數據，每次放電結束后，按下示波器面板上的save鍵，將記錄的放電波形和數據保存在U盤上，文件名如表2所示。

2 實驗結果分析

2.1 放電波形分析

圖2是2種PCD材料的電火花放電的波形圖，從圖中可以看出電火花加工PCD的放電波形與普通電火花加工的放電波形非常類似，當間隙擊穿后，間隙兩端的電壓迅速下降，電流迅速上升，經過一段時間后，間隙電壓與電流達到一相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一次放電結束后，間隙兩端的電壓和電流迅速降為0。

圖2 PCD的電火花放電波形圖

2.2 放電間隙對擊穿電壓的影響分析

圖3 是實驗得到的放電間隙與擊穿電壓的關系曲線。由圖3可知，無論是A45鋼，還是PCD，隨著放電間隙的增大，所需的擊穿電壓也相應增大，符合電火花加工的一般規(guī)律。但在相同間隙的情況下，PCD所需的擊穿電壓要高于A45鋼，而且，Compax1500的擊穿電壓又要高于Compax1300。通過分析，認為這個在A45鋼等金屬材料的電火花加工中，放電間隙等于工件電極與工具電極之間的間隙。但由于PCD是由金剛石顆粒和金屬黏結劑構成的，其結構如圖4所示。對于PCD的電火花加工來說，由于PCD中金剛石顆粒本身并不導電，其導電是靠充滿金剛石顆粒間隙的金屬黏結劑形成的導電網絡來完成的，PCD復合片的結構從圖中可以看出，PCD的實際放電間隙應該是兩電極之間的距離再加上金剛石顆粒突出于金屬黏結劑部分的尺寸，金剛石顆粒的直徑越大，實際放電間隙增加得也越多。因此，實驗中雖然同一組的電極間距相同，但PCD的實際放電間隙要大于A45鋼，Compax1500的實際放電間隙又要大于Compax1300，造成了PCD的擊穿電壓高于A45鋼，Compax1500的擊穿電壓又要高于Compax1300。

圖3 放電間隙與擊穿電壓關系

圖4 PCD的結構示意圖

為了進一步驗證上述分析，還進行了電極與PCD工件接觸情況下的放電實驗，其放電波形圖如圖5所示。從圖中可以看出，雖然此時的放電間隙為0，但放電波形并未呈現短路狀態(tài)，還是呈現出典型的火花放電狀態(tài)。這是因為電極只是與突出的金剛石顆粒接觸，并未與導電的金屬黏結劑接觸而形成短路，這與前面的分析是一致的。

圖5 放電間隙為0時的PCD放電波形

2.3 放電間隙對火花維持電壓的影響

火花維持電壓是指在電火花加工中，當極間介質被擊穿時工件與工具之間的電壓，一般認為它的大小與電極對材料及工作液種類有關。圖6是實驗得到的放電間隙與火花維持電壓的關系曲線。由圖6可知，在A45鋼、Compax1300、Compax1500 3種材料的電火花加工中，放電間隙的變化對火花維持電壓的影響都不是很明顯，但不同材料的火花維持電壓差異卻較大，對比A45鋼、Compax1300、Compax1500的火花維持電壓值，它們的平均值分別為15.8、29.2、31.8 V，可見聚晶金剛石材料的火花維持電壓要顯著高于A45鋼。另外，實驗數據還顯示，同為聚晶金剛石的Compax1500的火花維持電壓又要高于Compax1300，經分析認為，這可能與不同聚晶金剛石材料的電阻率有關，因為Compax1500的電阻率要大于Compax1300，放電電流在Compax1500試件電阻上形成的電壓降也要大于Compax1300，而這個電壓降會疊加到火花維持電壓上。因此，電阻率越高的聚晶金剛石材料的火花維持電壓也越高。

圖6 放電間隙與維持電壓關系

3 結論

(1)PCD電火花加工的放電波形與普通電火花加工的放電波形非常類似，符合電火花加工的一般規(guī)律。

(2)PCD的電火花加工需要更高的擊穿電壓，而且，PCD的金剛石顆粒直徑越大，需要的擊穿電壓也越高。

(3)在PCD的電火花加工中，可能不存在短路的狀態(tài)。

(4)PCD電火花加工中的火花維持電壓要高于普通的電火花加工，而且隨著PCD的電阻率和放電電流的增大而升高。

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