摘要　聚晶金剛石具有優(yōu)良的力、熱、化學(xué)、聲、電等性能，在現(xiàn)代工業(yè)、國防等領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用。但是，聚晶金剛石硬度高，耐磨性好，其成型加工非常困難，超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)是一種有效的加工方法。本研究在分析電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工原理的基礎(chǔ)上，采用青銅結(jié)合劑金剛石砂輪實(shí)現(xiàn)了聚晶金剛石的超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工。實(shí)驗(yàn)分析了超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工過程工藝參數(shù)與加工效果之間的關(guān)系，結(jié)果表明，脈寬、脈間、峰值電流、超聲振幅、開路電壓等參數(shù)對復(fù)合加工過程工藝結(jié)果的影響程度較明顯。

　　聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond,PCD,）是由人造金剛石微晶體在1400℃、60Gpa下燒結(jié)而成的超硬復(fù)合材料。在燒結(jié)過程中，由于加入了黏結(jié)劑，金剛石晶粒間形成了以ＴiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分的結(jié)合橋。聚晶金剛石以其優(yōu)良的力、熱、化學(xué)、聲、電等性能，在現(xiàn)代工業(yè)、國防等高新技術(shù)領(lǐng)域中得到日益廣泛的應(yīng)用[1－3]。
　　目前使用的大多數(shù)PCD是金剛石與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的復(fù)合體，金剛石表面鍍覆有一層高熔點(diǎn)金屬層。由于PCD結(jié)合橋具有導(dǎo)電性，使得PCD可以切割成形，制成各種刀具，且成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然金剛石。它具有與天然金剛石相近的硬度和比天然金剛石還要好的耐磨性，被廣泛用于拉制各種金屬線材的拉絲模、石油地質(zhì)鉆頭、砂輪修整筆等用途【4】。
　　聚晶金剛石雖然具有許多優(yōu)良的性能，但由于其硬度很高，耐磨性好，其成形加工非常困難，嚴(yán)重防礙了它的推廣應(yīng)用，因此，研究其加工方法特別重要。美國、英國、中國、日本、德國、南非、瑞士和法國等國家都在進(jìn)行該領(lǐng)域的研究。其加工方法主要有金剛石砂輪磨削、研磨、電火花加工、激光加工、電化學(xué)加工和超聲加工以及復(fù)合加工技術(shù)[5－8]。其中復(fù)合加工技術(shù)具有精度高和加工效率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于聚晶金剛石的精密加工。超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工集電火花超精加工、超聲波加工和機(jī)械磨削加工之優(yōu)點(diǎn)，以其獨(dú)特的加工方法可以對聚晶金剛石等超硬材料進(jìn)行加工。

　　本研究采用青銅結(jié)合劑金剛石砂輪實(shí)現(xiàn)了聚晶金剛石的超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工，并對不同工藝參數(shù)對聚晶金剛石材料去除率的影響規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

　　1 電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工原理
　　電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工是采用金屬基金剛石砂輪作為工具電極，工件輔以超聲振動，通過選取合理的金屬結(jié)合劑種類，砂輪粒度與濃度，砂輪轉(zhuǎn)速，電加工主要參數(shù)如脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、超聲振動頻率、振幅等，實(shí)現(xiàn)對聚晶金剛石材料的高效精密加工。當(dāng)砂輪中金屬結(jié)合劑與聚晶金剛石材料之間存在高壓時(shí)，即產(chǎn)生火花放電，在蝕除聚晶金剛石材料的同時(shí)，金剛石砂輪中的結(jié)合劑也會同樣被蝕除，因此，電火花放電對砂輪具有修整作用，砂輪中的金剛石磨粒始終會保持鋒利，并不斷地對聚晶金剛石材料產(chǎn)生研磨作用，通過工件的超聲振動，加快工件聚晶金剛石材料的去除。這樣，通過金屬結(jié)合劑與聚晶金剛石材料之間的火花放電、金剛石砂輪與聚晶金剛石材料之間的機(jī)械研磨和工件振動的三重作用，實(shí)現(xiàn)聚晶金剛石材料的高效精密加工。加工原理示意圖如圖1所示。

　　2.電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工工藝的實(shí)現(xiàn)

　　2.1砂輪的選擇
　　電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工使用的金剛石砂輪的磨料不導(dǎo)電，高溫下具有較高的穩(wěn)定性，砂輪的結(jié)合劑和基體必須導(dǎo)電。
　　本研究選擇青銅結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪的基體選擇鋁合金，變幅桿與金剛石砂輪做成一體的機(jī)構(gòu)。
　　本研究采用金剛石砂輪的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2磨削液的選用
　　磨削液具有冷卻和潤滑作用，還具有介電液的絕緣作用，因此選用DX-1型乳化液作為磨削液。該乳化液多用于電火花線切割加工，具有較好的冷卻、潤滑和清潔性能。

　　2.3試驗(yàn)條件
　　開路電壓選擇80Ｖ，120Ｖ，160Ｖ和200Ｖ；峰值電流選擇1~8Ａ；脈沖寬度為5~60μS；超聲頻率選擇19~26KHz；超聲振幅為8~18μm。

　　3電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工的工藝規(guī)律

　　3.1脈沖寬度的影響
　　電火花加工單個(gè)脈沖能量是放電電壓、放電電流和脈沖寬度的函數(shù)，即：
　?。譵＝ 　　?。?）
　　式中： 、 為放電間隙中隨時(shí)間而變化的電壓和電流：
　　為單個(gè)脈沖實(shí)際放電時(shí)間，即脈寬。
　　因此脈寬的大小與單個(gè)脈沖能量密切相關(guān)，而單個(gè)脈沖能量與材料去除率具有直接的關(guān)系。
　　圖3是當(dāng)峰值電流一定時(shí)脈沖寬度對材料去除率的影響規(guī)律，可以看出，脈沖寬度對加工效率影響較為明顯。對于矩形波脈沖電火花電源，當(dāng)峰值電流為定值時(shí)，脈沖能量的大小與脈沖寬度成正比關(guān)系。當(dāng)脈沖寬度增加時(shí)，加工速度達(dá)到最高；如果脈沖寬度繼續(xù)增加，加工速度卻有下降趨勢。因?yàn)殡S著脈寬的增加，單個(gè)脈沖能量逐漸增大，加工速度也逐漸增高。當(dāng)脈沖寬度增大到一定數(shù)值時(shí)，雖然單個(gè)脈沖的能量是增大的，但轉(zhuǎn)換的熱能大部分分散在電極、工件之間，對蝕除作用的貢獻(xiàn)不大。當(dāng)其它加工條件不變時(shí)，隨著單個(gè)脈沖能量的增大，蝕除產(chǎn)特也隨之增多，使得排氣和排屑條件惡劣，間隙的消電離時(shí)間不足，加工穩(wěn)定性也相應(yīng)惡化，脈沖能量不能充分被利用，因而加工速度有降低的趨勢[9]。

　　3.2脈沖間隔的影響
　　圖4是脈沖間隔對聚晶金剛石材料去除率的影響規(guī)律?？梢钥闯?，在一定范圍內(nèi)，即當(dāng)脈沖間隔大于20μs時(shí)，隨著脈沖間隔的減小加工速度逐漸升高；當(dāng)脈沖間隔小到一定程度，即當(dāng)脈沖間隔小于20μs時(shí)，加工速度隨著脈沖間隔的減小反而降低。這是因?yàn)楫?dāng)脈沖間隔減小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)有效工作脈沖數(shù)多，加工電流隨之增大，加工速度相應(yīng)提高。但脈沖間隔小到一定數(shù)值時(shí)，如果繼續(xù)減小，加工區(qū)的工作液來不及消電離和排除電蝕產(chǎn)物，將導(dǎo)致穩(wěn)定電弧放電，正常的電火花加工過程將繼續(xù)進(jìn)行，致使加工速度有所降低。

　　3.3　峰值電流的影響
　圖5是在三種不同脈寬條件下，峰值電流對材料去除率的影響規(guī)律?？梢姰?dāng)脈寬和脈間為定值時(shí)，加工速度隨著峰值的增加而增加。這是因?yàn)樵龃蠓逯惦娏鞯扔趩蝹€(gè)脈沖能量增加，因此加工速度也隨之提高。必須指出，圖5是在一定條件下的試驗(yàn)曲線，當(dāng)峰值電流很大（即單個(gè)脈沖放電能量很大）時(shí)，將和脈沖寬度再增大一樣，加工速度反而下降。
此外，當(dāng)峰值電流增大到某一臨界數(shù)值時(shí)，工件表面有可能出現(xiàn)微裂紋[10]，加工表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此應(yīng)該控制放電能量，尤其是控制峰值電流或脈沖寬度的數(shù)值[11，12]。

　　3.4超聲振幅對加工效果的影響
　　在電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工過程中，超聲振動參數(shù)主要包括超聲振動的振幅和振動頻率。試驗(yàn)表明，工具振動頻率對加工速度的影響很小，工具振幅的大小對材料去除率影響較大，超聲振幅對加工效率的影響曲線如圖6所示。可以看出隨著超聲振幅的增大，蝕除速度隨之提高。

　　3.5開路電壓與加工效率之間的關(guān)系
　　圖7是開路電壓對復(fù)合加工過程加工速度的影響規(guī)律?？梢钥闯觯S著開路電壓的增大，加工速度也提高，當(dāng)開路電壓達(dá)到160Ｖ時(shí)，加工速度達(dá)到最大值。
　　當(dāng)開路電壓大于160Ｖ時(shí)，加工速度隨著開路電壓的增大有所下降。當(dāng)開路電壓提高時(shí)，工具和工件兩極間場強(qiáng)增大，在放電通道內(nèi)部電流密度也隨著增大，單脈沖能量也增大，因此加工速度隨著提高。如果開路電壓繼續(xù)增大，放電通道繼續(xù)膨脹，電流密度也隨著增大，兩極間容易形成拉弧現(xiàn)象，因此會致使加工速度下降。

　　4結(jié)論
　　（1） 聚晶金剛石硬度高，耐磨性良好，成型加工非常困難，超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)是一種有效的加工方法。
　　（2） 超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)的加工原理與電火花加工和磨削加工的物理過程非常相似，都是通過電火花放電加熱工件，將聚晶金剛石材料熔化或氣化，達(dá)到蝕除工件材料的目的，加工后形成的放電熱影響層隨著被砂輪的磨削和超聲波的復(fù)合作用而被去除。
　?。?） 在分析電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工原理的基礎(chǔ)上，采用青銅結(jié)合劑金剛石砂輪實(shí)現(xiàn)了聚晶金剛石的超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工。
　　（4） 通過實(shí)驗(yàn)分析了超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工過程加工參數(shù)與加工工藝效果之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈寬、脈間、峰值電流、超聲振幅、開路電壓等對復(fù)合加工過程工藝結(jié)果的影響程度較明顯。


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　　作者簡介

　　張勤儉，男，1972年生，博士，教授。主要研究方向?yàn)槲⒓{特種加工技術(shù)、精密拉絲模具制造技術(shù)、微孔精密加工技術(shù)、表面工程技術(shù)。