基于空載率檢測的聚晶金剛石復合片電火花線切割加工研究

嚴東劍，劉志東，潘紅偉，潘 浩，張 明

（ 南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016 ）

聚晶金剛石復合片 （polycrystalline diamond composite，PDC）是由金剛石微粉與硬質合金襯底在超高壓、超高溫條件下燒結而成[1]，具有高強度、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、醫療及礦山機械等領域。

電火花線切割加工不受加工材料的硬度和強度的影響， 是一種有效而經濟的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，得出聚晶金剛石層的去除機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。 盧學軍等[5-6]通過聚晶金剛石的火花放電試驗，證明線切割會產生由金剛石、金屬粘結劑、石墨組成的變質層。 宋滿倉等[7]通過切割聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼的復合片， 得出了電火花多次切割可以減小富鈷界面層產生的凹槽厚度的結論。 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，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電性， 改善了線切割加工工藝。Galindo 等[10]、Hsu 等[11]通過試驗得出脈沖寬度和電極絲張力對聚晶金剛石線切割速度和表面質量的影響規律。

目前，對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的調整方面，一般情況下切割速度設置得很低。 為提高切割時的效率和穩定性，可以采用高電壓、大電流加工，但也會因此造成斷絲，影響整體加工效率與經濟效益。 本文針對PDC的特性進行了分析， 設計了空載率檢測系統，使PDC 能夠穩定切割，相應的切割速度、加工質量都得到了提升。

1 試驗條件

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

表1 加工參數

2 傳統峰值電壓檢測

2.1 PDC 放電切割特性

PDC 是由金剛石層和硬質合金基底構成，由于金剛石顆粒本身不導電，其導電是靠填充在金剛石顆粒間隙的金屬黏結劑形成的導電網絡來完成的。對于普通金屬線切割加工而言，金屬和電極絲接觸時， 電壓會直接降為0， 呈現明顯的短路狀態；但PDC 放電切割不同，如圖1 的PDC 正常加工時和與電極絲直接接觸時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，并未與導電的金屬黏結劑接觸形成短路，此時仍然會呈現出火花放電狀態。

圖1 PDC 加工時的放電電壓及電流波形

往復走絲電火花線切割機床常用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測法，只有高于穩壓管電壓的極間放電電壓部分才能進入隨后的取樣電路，而取樣電路以獲取一段時間的極間電壓信號作為伺服驅動的依據。

2.2 常用伺服取樣的失效

2.2.1 低速進給

如圖2 所示，當進給速度為20 μm/s 時，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，處于欠跟蹤狀態。 從圖3 的波形可看出，此時空載狀態出現的概率很大，約為50%。

圖2 進給速度20 μm/s 時加工示意

圖3 進給速度20 μm/s 時的電壓電流波形

2.2.2 中速進給

如圖4 所示，當進給速度為40 μm/s 時，脈沖放電隨進給速度的提升不斷增加， 由于聚晶金剛石復合片中金剛石顆粒在加工過程中裸露在外， 電極絲會與金剛石顆粒相接觸。金剛石本身并不會導電，所以加工并不會出現短路，仍能夠正常進行切割。

圖4 進給速度40 μm/s 時加工示意

從圖5 所示波形可看出， 此時空載出現概率較小，為10%左右，脈沖放電波形有一定比例的擊穿延時，可以判定此時極間狀態相對較好。 另一方面，從放電波形中可以觀察到兩種不同的波形， 當放電維持電壓為20 V 時對應的放電峰值電流為20 A，當放電維持電壓為30 V 時對應的放電峰值電流為18 A，這正是聚晶金剛石復合片的多層結構導致的。較于硬質合金層，金剛石層導電性差，所需的擊穿電壓也更大，所以出現了電壓相對較高而電流相對低的現象。

圖5 進給速度40 μm/s 時的電壓電流波形

2.2.3 高速進給

如圖6 所示，當進給速度進一步增至60 μm/s，金剛石顆粒仍會與電極絲接觸，但由于進給速度過快，導致電極絲與聚晶金剛石復合片下面的硬質合金相接觸，從而出現局部短路現象，極間狀態急劇惡化，若進一步加工則會彎絲，加工難以持續。

圖6 進給速度60 μm/s 時加工示意

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

圖7 進給速度60 μm/s 時的電壓電流波形

采用傳統峰值電壓檢測伺服跟蹤方法時，加工一段時間后經常會出現彎絲現象，加工難以穩定進行，這是由于系統會將加工狀態都當作正?；蚩蛰d狀態處理， 此時機床會一直以當前設定的最高速度進給，直至頂彎鉬絲或產生斷絲，加工穩定性很差。目前，在PDC 材料的電火花加工中，只能根據技術人員的經驗進行低速進給，不僅切割速度低，加工精度也難以保證。

假設每個放電脈沖蝕除的工件材料量相同，在不發生短路的理想條件下，當機床進給速度較慢時，只需少量脈沖進行放電， 就能達到與進給速度相匹配的材料蝕除要求，此時空載率較高。當進給速度增大，單位時間內所需蝕除的工件材料量就會加大，需要更多的脈沖進行放電才能達到所需的材料去除率， 故進給速度與空載率之間存在一定的關系。 因此，以空載率為伺服控制依據，可形成一種全新的伺服控制方法。

3 空載率檢測控制系統設計

圖8 是基于空載率檢測的伺服控制流程， 先設定系統初始工藝參數， 再按設定準則自動調節并加工。 加工時，機床對放電脈沖進行實時采樣，計算當前的空載率，并將實際空載率與預設空載率作對比。當空載率大于設定值時， 將當前的進給速度經由PID 控制算法，降低當前的進給速度；反之，提高當前的進給速度。 進給速度需實時調整，有利于PDC的穩定切割。

圖8 伺服控制流程

圖9 是本研究設計的空載率檢測系統，伺服進給主要由絲杠、電機、驅動器和控制卡組成，脈沖電源模塊主要由功放板、FPGA 控制器組成。 上位機由LABVIEW 程序開發，主要實現加工參數設定、根據空載率通過PID 實時控制步進電機兩個功能。 系統原理如下： ①電源正負極分別接工件和電極絲，工作臺載著工件按設定軌跡在絲杠帶動下進給；②波形鑒別電路將采集的電壓信號經分壓濾波處理之后，與參考電壓作對比；③FPGA 的空載率檢測模塊在脈沖寬度中間的1 μs 時間內檢測從電路板接受的脈沖信號是否為高電平，判斷是否為空載并計數，根據產生空載的個數占采樣周期總脈沖個數的百分比計算出采樣空載率；④FPGA 根據上位機發送的放電參數調整PWM 波的脈沖寬度和脈沖間隔，發送脈沖信號；⑤功放板將電壓較低的脈沖信號放大輸送到電極絲和工件之間；⑥將實際采樣空載率與上位機預設的空載率進行比較，當空載率高于預設值時電機驅動工件進給，當空載率低于預設值時降低電機速度直至停止運動。

圖9 空載率檢測系統結構圖

4 試驗結果與分析

4.1 空載率的選擇

在進行PDC 電火花線切割加工時，所設定的空載率越低，伺服進給就越快，切割速度越高，在表1所示參數條件下，采用空載率分別為5%、10%、15%進行切割試驗，相應的切割狀態及所得結果見圖10和圖11。

圖10 不同空載率下的切割狀態

圖11 不同空載率下的切割件

圖12 是不同預設空載率下進行加工時的切割速度，可見空載率越高相應的切割速度越低。為提高切割速度， 應盡可能選擇較低的空載率作為控制依據；但當空載率低于10%時，雖然切割速度有所提高，但此時進給速度過大，容易出現過跟蹤的現象，導致切割變得不穩定。綜合對比下，選擇切割的空載率為10%，此時加工效率較高，且金剛石層切割表面質量最好。

圖12 不同空載率下的切割速度

4.2 檢測系統的對比

圖13 分別展示了傳統峰值電壓檢測伺服跟蹤系統和空載率檢測系統進行切割的表面質量對比。當采用傳統峰值電壓檢測伺服跟蹤系統切割PDC時，極間狀態難以準確判斷，伺服一直處于過跟蹤狀態，電極絲極易與工件接觸，極間排屑狀態較差，工件表面產生明顯的燒傷條紋，金剛石層邊緣也產生了大量的凸起；當采用空載率為10%的空載率檢測系統切割PDC 時，工件表面平整，硬質合金表面無燒傷，且金剛石層邊緣光滑平整。 由此可見，相較于傳統峰值電壓檢測伺服跟蹤系統，空載率控制系統在實現平穩切割的同時，且可獲得較好的加工表面質量。

圖13 兩種系統切割工件表面質量對比

為保障普通伺服切割的平穩性，只能采用限速切割的方法，通過降低進給速度來維持加工穩定，如此切割效率較低。 圖14 是兩種檢測系統在不同脈沖寬度時采集的切割速度對比，空載率檢測系統預設空載率為10%，傳統峰值電壓檢測伺服跟蹤系統限速20 μm/s，可見兩種系統的進給速度走勢相同，相同進給速度下采用空載率檢測系統的切割速度比現有系統提升了約20%。

圖14 兩種檢測系統在不同脈沖寬度下的切割速度對比

5 結束語

針對采用傳統峰值電壓檢測伺服跟蹤方法進行線切割工作時出現的切割速度低、切割不穩定、表面質量差且易出現彎絲斷絲的問題， 提出一種基于放電空載比例檢測的伺服跟蹤調節控制方法。 在進行PDC 電火花線切割時，傳統峰值電壓伺服取樣法會因金剛石顆粒的存在， 當電極絲與工件接觸時會誤識為正?；蚩蛰d狀態， 將導致電極絲被工件頂彎甚至拉斷， 而空載率檢測控制系統在優選適當的空載率時可以避免這種現象， 是一種有效的伺服進給控制方法。 通過試驗得知，當空載率設置為10%時，系統能夠穩定地切割加工PDC，同時獲得最高的切割速度， 這種方法與傳統峰值電壓檢測法相比切割PDC 速度提升了20%。