基于空載率檢測(cè)的聚晶金剛石復(fù)合片電火花線切割加工研究

嚴(yán)東劍，劉志東，潘紅偉，潘 浩，張 明

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

聚晶金剛石復(fù)合片 （polycrystalline diamond composite，PDC）是由金剛石微粉與硬質(zhì)合金襯底在超高壓、超高溫條件下燒結(jié)而成[1]，具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、抗沖擊、可焊接等性能，已廣泛用于航空航天、電子加工、汽車、醫(yī)療及礦山機(jī)械等領(lǐng)域。

電火花線切割加工不受加工材料的硬度和強(qiáng)度的影響， 是一種有效而經(jīng)濟(jì)的PDC 刀具加工方法；然而由于PDC 中所含聚晶金剛石顆粒不導(dǎo)電，造成電火花線切割加工較難，且易彎絲斷絲。 張高峰等[2]通過開展PDC 的電火花線切割試驗(yàn)，得出聚晶金剛石層的去除機(jī)理包括金剛石石墨化熔化后拋出和爆炸沖擊去除兩種。 羅輝中等[3]、趙秀香等[4]分別采用加大高頻電壓、電流的方法來增大放電能量，使聚晶金剛石得以順利切割。 盧學(xué)軍等[5-6]通過聚晶金剛石的火花放電試驗(yàn)，證明線切割會(huì)產(chǎn)生由金剛石、金屬粘結(jié)劑、石墨組成的變質(zhì)層。 宋滿倉(cāng)等[7]通過切割聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼的復(fù)合片， 得出了電火花多次切割可以減小富鈷界面層產(chǎn)生的凹槽厚度的結(jié)論。 王勝[8]通過電火花線切割聚晶金剛石證明線切割脈沖寬度、峰值電流與切割速率呈正相關(guān)，而小脈沖能量可以獲得更淺的過蝕凹槽。Suzuki 等[9]在聚晶金剛石中加入硼元素以提高導(dǎo)電性， 改善了線切割加工工藝。Galindo 等[10]、Hsu 等[11]通過試驗(yàn)得出脈沖寬度和電極絲張力對(duì)聚晶金剛石線切割速度和表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

目前，對(duì)聚晶金剛石電火花線切割的研究主要還是停留在工藝參數(shù)的調(diào)整方面，一般情況下切割速度設(shè)置得很低。 為提高切割時(shí)的效率和穩(wěn)定性，可以采用高電壓、大電流加工，但也會(huì)因此造成斷絲，影響整體加工效率與經(jīng)濟(jì)效益。 本文針對(duì)PDC的特性進(jìn)行了分析， 設(shè)計(jì)了空載率檢測(cè)系統(tǒng)，使PDC 能夠穩(wěn)定切割，相應(yīng)的切割速度、加工質(zhì)量都得到了提升。

1 試驗(yàn)條件

為了研究PDC 的放電特性，采用往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行放電加工試驗(yàn)，分別使用導(dǎo)向器和重錘保障電極絲的平穩(wěn)與張力。試驗(yàn)所用PDC 復(fù)合片直徑為60 mm，總厚度為3.2 mm，基底為硬質(zhì)合金，金剛石層厚度為0.5 mm，金剛石顆粒大小為5 μm，試驗(yàn)條件見表1。

表1 加工參數(shù)

2 傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)

2.1 PDC 放電切割特性

PDC 是由金剛石層和硬質(zhì)合金基底構(gòu)成，由于金剛石顆粒本身不導(dǎo)電，其導(dǎo)電是靠填充在金剛石顆粒間隙的金屬黏結(jié)劑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來完成的。對(duì)于普通金屬線切割加工而言，金屬和電極絲接觸時(shí)， 電壓會(huì)直接降為0， 呈現(xiàn)明顯的短路狀態(tài)；但PDC 放電切割不同，如圖1 的PDC 正常加工時(shí)和與電極絲直接接觸時(shí)的放電加工波形所示，其波形正常，電壓并未降至0，而是依舊維持較高水平，這是由于電極只是與突出的金剛石顆粒接觸，并未與導(dǎo)電的金屬黏結(jié)劑接觸形成短路，此時(shí)仍然會(huì)呈現(xiàn)出火花放電狀態(tài)。

圖1 PDC 加工時(shí)的放電電壓及電流波形

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床常用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測(cè)法，只有高于穩(wěn)壓管電壓的極間放電電壓部分才能進(jìn)入隨后的取樣電路，而取樣電路以獲取一段時(shí)間的極間電壓信號(hào)作為伺服驅(qū)動(dòng)的依據(jù)。

2.2 常用伺服取樣的失效

2.2.1 低速進(jìn)給

如圖2 所示，當(dāng)進(jìn)給速度為20 μm/s 時(shí)，由于速度較慢只有少量的脈沖放電， 電極絲與工件距離較遠(yuǎn)，處于欠跟蹤狀態(tài)。 從圖3 的波形可看出，此時(shí)空載狀態(tài)出現(xiàn)的概率很大，約為50%。

圖2 進(jìn)給速度20 μm/s 時(shí)加工示意

圖3 進(jìn)給速度20 μm/s 時(shí)的電壓電流波形

2.2.2 中速進(jìn)給

如圖4 所示，當(dāng)進(jìn)給速度為40 μm/s 時(shí)，脈沖放電隨進(jìn)給速度的提升不斷增加， 由于聚晶金剛石復(fù)合片中金剛石顆粒在加工過程中裸露在外， 電極絲會(huì)與金剛石顆粒相接觸。金剛石本身并不會(huì)導(dǎo)電，所以加工并不會(huì)出現(xiàn)短路，仍能夠正常進(jìn)行切割。

圖4 進(jìn)給速度40 μm/s 時(shí)加工示意

從圖5 所示波形可看出， 此時(shí)空載出現(xiàn)概率較小，為10%左右，脈沖放電波形有一定比例的擊穿延時(shí)，可以判定此時(shí)極間狀態(tài)相對(duì)較好。 另一方面，從放電波形中可以觀察到兩種不同的波形， 當(dāng)放電維持電壓為20 V 時(shí)對(duì)應(yīng)的放電峰值電流為20 A，當(dāng)放電維持電壓為30 V 時(shí)對(duì)應(yīng)的放電峰值電流為18 A，這正是聚晶金剛石復(fù)合片的多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。較于硬質(zhì)合金層，金剛石層導(dǎo)電性差，所需的擊穿電壓也更大，所以出現(xiàn)了電壓相對(duì)較高而電流相對(duì)低的現(xiàn)象。

圖5 進(jìn)給速度40 μm/s 時(shí)的電壓電流波形

2.2.3 高速進(jìn)給

如圖6 所示，當(dāng)進(jìn)給速度進(jìn)一步增至60 μm/s，金剛石顆粒仍會(huì)與電極絲接觸，但由于進(jìn)給速度過快，導(dǎo)致電極絲與聚晶金剛石復(fù)合片下面的硬質(zhì)合金相接觸，從而出現(xiàn)局部短路現(xiàn)象，極間狀態(tài)急劇惡化，若進(jìn)一步加工則會(huì)彎絲，加工難以持續(xù)。

圖6 進(jìn)給速度60 μm/s 時(shí)加工示意

從圖7 所示波形可看出，此時(shí)已經(jīng)沒有空載波形，且脈沖放電也幾乎沒有擊穿延時(shí)，受到聚晶金剛石層的阻擋，極間工作介質(zhì)進(jìn)入很少，排屑狀態(tài)很差，局部溫度很高，放電蝕除顆粒形成堆積。

圖7 進(jìn)給速度60 μm/s 時(shí)的電壓電流波形

采用傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)伺服跟蹤方法時(shí)，加工一段時(shí)間后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)彎絲現(xiàn)象，加工難以穩(wěn)定進(jìn)行，這是由于系統(tǒng)會(huì)將加工狀態(tài)都當(dāng)作正?；蚩蛰d狀態(tài)處理， 此時(shí)機(jī)床會(huì)一直以當(dāng)前設(shè)定的最高速度進(jìn)給，直至頂彎鉬絲或產(chǎn)生斷絲，加工穩(wěn)定性很差。目前，在PDC 材料的電火花加工中，只能根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行低速進(jìn)給，不僅切割速度低，加工精度也難以保證。

假設(shè)每個(gè)放電脈沖蝕除的工件材料量相同，在不發(fā)生短路的理想條件下，當(dāng)機(jī)床進(jìn)給速度較慢時(shí)，只需少量脈沖進(jìn)行放電， 就能達(dá)到與進(jìn)給速度相匹配的材料蝕除要求，此時(shí)空載率較高。當(dāng)進(jìn)給速度增大，單位時(shí)間內(nèi)所需蝕除的工件材料量就會(huì)加大，需要更多的脈沖進(jìn)行放電才能達(dá)到所需的材料去除率， 故進(jìn)給速度與空載率之間存在一定的關(guān)系。 因此，以空載率為伺服控制依據(jù)，可形成一種全新的伺服控制方法。

3 空載率檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖8 是基于空載率檢測(cè)的伺服控制流程， 先設(shè)定系統(tǒng)初始工藝參數(shù)， 再按設(shè)定準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)并加工。 加工時(shí)，機(jī)床對(duì)放電脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，計(jì)算當(dāng)前的空載率，并將實(shí)際空載率與預(yù)設(shè)空載率作對(duì)比。當(dāng)空載率大于設(shè)定值時(shí)， 將當(dāng)前的進(jìn)給速度經(jīng)由PID 控制算法，降低當(dāng)前的進(jìn)給速度；反之，提高當(dāng)前的進(jìn)給速度。 進(jìn)給速度需實(shí)時(shí)調(diào)整，有利于PDC的穩(wěn)定切割。

圖8 伺服控制流程

圖9 是本研究設(shè)計(jì)的空載率檢測(cè)系統(tǒng)，伺服進(jìn)給主要由絲杠、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制卡組成，脈沖電源模塊主要由功放板、FPGA 控制器組成。 上位機(jī)由LABVIEW 程序開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)設(shè)定、根據(jù)空載率通過PID 實(shí)時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)功能。 系統(tǒng)原理如下： ①電源正負(fù)極分別接工件和電極絲，工作臺(tái)載著工件按設(shè)定軌跡在絲杠帶動(dòng)下進(jìn)給；②波形鑒別電路將采集的電壓信號(hào)經(jīng)分壓濾波處理之后，與參考電壓作對(duì)比；③FPGA 的空載率檢測(cè)模塊在脈沖寬度中間的1 μs 時(shí)間內(nèi)檢測(cè)從電路板接受的脈沖信號(hào)是否為高電平，判斷是否為空載并計(jì)數(shù)，根據(jù)產(chǎn)生空載的個(gè)數(shù)占采樣周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分比計(jì)算出采樣空載率；④FPGA 根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的放電參數(shù)調(diào)整PWM 波的脈沖寬度和脈沖間隔，發(fā)送脈沖信號(hào)；⑤功放板將電壓較低的脈沖信號(hào)放大輸送到電極絲和工件之間；⑥將實(shí)際采樣空載率與上位機(jī)預(yù)設(shè)的空載率進(jìn)行比較，當(dāng)空載率高于預(yù)設(shè)值時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)工件進(jìn)給，當(dāng)空載率低于預(yù)設(shè)值時(shí)降低電機(jī)速度直至停止運(yùn)動(dòng)。

圖9 空載率檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 空載率的選擇

在進(jìn)行PDC 電火花線切割加工時(shí)，所設(shè)定的空載率越低，伺服進(jìn)給就越快，切割速度越高，在表1所示參數(shù)條件下，采用空載率分別為5%、10%、15%進(jìn)行切割試驗(yàn)，相應(yīng)的切割狀態(tài)及所得結(jié)果見圖10和圖11。

圖10 不同空載率下的切割狀態(tài)

圖11 不同空載率下的切割件

圖12 是不同預(yù)設(shè)空載率下進(jìn)行加工時(shí)的切割速度，可見空載率越高相應(yīng)的切割速度越低。為提高切割速度， 應(yīng)盡可能選擇較低的空載率作為控制依據(jù)；但當(dāng)空載率低于10%時(shí)，雖然切割速度有所提高，但此時(shí)進(jìn)給速度過大，容易出現(xiàn)過跟蹤的現(xiàn)象，導(dǎo)致切割變得不穩(wěn)定。綜合對(duì)比下，選擇切割的空載率為10%，此時(shí)加工效率較高，且金剛石層切割表面質(zhì)量最好。

圖12 不同空載率下的切割速度

4.2 檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比

圖13 分別展示了傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)伺服跟蹤系統(tǒng)和空載率檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行切割的表面質(zhì)量對(duì)比。當(dāng)采用傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)伺服跟蹤系統(tǒng)切割PDC時(shí)，極間狀態(tài)難以準(zhǔn)確判斷，伺服一直處于過跟蹤狀態(tài)，電極絲極易與工件接觸，極間排屑狀態(tài)較差，工件表面產(chǎn)生明顯的燒傷條紋，金剛石層邊緣也產(chǎn)生了大量的凸起；當(dāng)采用空載率為10%的空載率檢測(cè)系統(tǒng)切割PDC 時(shí)，工件表面平整，硬質(zhì)合金表面無燒傷，且金剛石層邊緣光滑平整。 由此可見，相較于傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)伺服跟蹤系統(tǒng)，空載率控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切割的同時(shí)，且可獲得較好的加工表面質(zhì)量。

圖13 兩種系統(tǒng)切割工件表面質(zhì)量對(duì)比

為保障普通伺服切割的平穩(wěn)性，只能采用限速切割的方法，通過降低進(jìn)給速度來維持加工穩(wěn)定，如此切割效率較低。 圖14 是兩種檢測(cè)系統(tǒng)在不同脈沖寬度時(shí)采集的切割速度對(duì)比，空載率檢測(cè)系統(tǒng)預(yù)設(shè)空載率為10%，傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)伺服跟蹤系統(tǒng)限速20 μm/s，可見兩種系統(tǒng)的進(jìn)給速度走勢(shì)相同，相同進(jìn)給速度下采用空載率檢測(cè)系統(tǒng)的切割速度比現(xiàn)有系統(tǒng)提升了約20%。

圖14 兩種檢測(cè)系統(tǒng)在不同脈沖寬度下的切割速度對(duì)比

5 結(jié)束語

針對(duì)采用傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)伺服跟蹤方法進(jìn)行線切割工作時(shí)出現(xiàn)的切割速度低、切割不穩(wěn)定、表面質(zhì)量差且易出現(xiàn)彎絲斷絲的問題， 提出一種基于放電空載比例檢測(cè)的伺服跟蹤調(diào)節(jié)控制方法。 在進(jìn)行PDC 電火花線切割時(shí)，傳統(tǒng)峰值電壓伺服取樣法會(huì)因金剛石顆粒的存在， 當(dāng)電極絲與工件接觸時(shí)會(huì)誤識(shí)為正?；蚩蛰d狀態(tài)， 將導(dǎo)致電極絲被工件頂彎甚至拉斷， 而空載率檢測(cè)控制系統(tǒng)在優(yōu)選適當(dāng)?shù)目蛰d率時(shí)可以避免這種現(xiàn)象， 是一種有效的伺服進(jìn)給控制方法。 通過試驗(yàn)得知，當(dāng)空載率設(shè)置為10%時(shí)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地切割加工PDC，同時(shí)獲得最高的切割速度， 這種方法與傳統(tǒng)峰值電壓檢測(cè)法相比切割PDC 速度提升了20%。