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公司簡介

台湾哲野超硬材料磨削技術有限公司(簡稱:哲野超硬材料)位於交通便利的珠三角中心城市,台湾省台湾市,公司至成立以來主要從事超硬材料、工具製品的研發、生產、銷售和服務。公司通過了ISO9001-2008國際質量管理體系及ISO14001-2004國際環境管理體系等資質認證,公司嚴格按照相關管理體系規範運作,經過多年的發展與努力,成為台湾省內較少的有專業金剛石/CBN超硬磨料工具製造企業之一,公司積极參与及推廣行業交流活動,以過的產品質量、良好的產品性能、領先的技術優勢和國內外許多的大型廠商建立 了長期良好的合作夥伴關係,產品遠銷歐美,亞洲等眾多國家地區。

台湾哲野超硬材料磨削技術有限公司從不足10人的手工作坊,到至今成為超硬工具行業較有規模的成員之一,從單一產品至涵蓋電鍍、青銅、樹脂、陶瓷4個系列15個大類上千多種產品,持之以恆,目標始終如一,見證著鍥而不捨的奮鬥足跡。志存高遠,問鼎超硬,印證差超越自我的開創精神。

放眼未來,公司將以科技研發為支撐,以產業鏈配套的產品和服務為模式,為客戶提供更加完善的服務。山高人為峰,行業我引領。

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超硬刀具電火花刃磨技術的研究

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、耐磨性好和加工質量理想等優點而被廣泛地應用於金屬切削、木材加工、採礦和石油勘探等領域。然而其加工成形較困難,其加工技術的開發仍是當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。機械磨削是最為常用的加工方法,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;超聲加工主要用於超硬刀具的拋光,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。筆者多年來從事超硬材料電火花加工工藝的研究,針對以往脈衝電源存在生產率低和電能利用率低的缺點,並結合超硬刀具電火花刃磨的特點,開發研製了晶體管開關型高壓PLC脈衝電源。並對其加工工藝進行了實驗研究。

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於絕緣介質中工具和工件之間脈衝性火花放電時的電腐蝕現象來蝕除多餘的金屬,以達到對零件的尺寸、形狀及表面質量預定的要求;與普通電火花加工不同,電火花磨削是以旋轉的圓盤電極作工具,並且加工電流往往要小些;電火花磨削還與傳統的金剛石砂輪磨削類似,由於電火花磨削採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。超硬刀具電火花刃磨的原理如圖1所示。

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1.直流電動機 2.脈衝電源 3.往複運動 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 

圖1 超硬刀具電火花刃磨的原理圖

圖中工件和油槽置於一個數控工作台上。工具電極是一紫銅圓盤。加工時,直流電動機帶動工具電極高速旋轉。與此同時,工件一方面沿Y軸方向作伺服進給運動,另一方面沿X軸方向作往複運動。這樣可以使圓盤電極損耗分佈在儘可能大的表面上,從而可以長時間穩定地保持其幾何形狀精度。與普通電火花加工相比,由於電極的旋轉和工作台的往複運動,超硬刀具電火花刃磨具有以下優點:

1) 電極的旋轉和工作台的往複運動有利於電蝕產物的排出和放電點的分散轉移,不易產生結碳拉弧現象。因而改善了加工過程的穩定性。

2) 電極的旋轉有利於脈衝放電結束時放電通道的迅速消電離,提高了脈衝利用率,從而提高磨削加工的生產率。

2 晶體管開關型高壓PLC脈衝電源的原理及組成

眾所周知,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:採用通常的脈衝電源對超硬材料進行電火花磨削不易得到滿意的效果,其理想的脈衝電源應具有高度集中的脈衝放電能量、強大的放電爆炸力和高的峰值電壓(一般大於 200V)。大家知道,通常加工金屬的RC脈衝電源可在短時間內得到峰值很高的尖峰脈衝電流,因此其瞬時放電爆炸力大;此外,RC脈衝電源特別適合精加工,這樣如給通常的RC脈衝電源施以高電壓,即做成高壓RC脈衝電源,可能會達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脈衝電源加上高壓的方法又不可避免地存在RC脈衝電源生產率低和電能利用率低的缺點。筆者在上述分析的基礎上結合超硬刀具電火花刃磨的特點,設計了晶體管開關型高壓RC 脈衝電源,此電源可提高超硬刀具電火花刃磨的生產率和電能利用率,並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現,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,設計成如圖2所示的晶體管開關型高壓PLC脈衝電源。其工作原理如下:直流電源E接通后,晶體管T導通,電源通過限流電阻R、電感L和晶體管T向電容器C充電,當電容器兩端電壓上升到極間間隙擊穿電壓時,極間介質被擊穿形成放電通道,放電電流使高速開關二極體兩端瞬時形成一脈衝電壓,這一脈衝電壓使超高速光耦採樣電路中的光耦迅速導通,並輸出一觸發脈衝,觸發555延時電路,使555的輸出信號翻轉,經過整形電路整形后迅速關閉晶體管T,經一段時間的延時晶體管T又重新導通。直流電源又經R、L、T向電容器C充電。如此周而復始地形成一系列加工脈衝。其中延時電路的延時長短可以根據間隙放電狀況調節。這樣可使得間隙一旦產生火花放電就關閉晶體管T,使直流電源E與放電迴路完全分開,直流電源對間隙放電狀況不產生影響。 

   

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圖2 晶體管開關型高壓PLC脈衝電源原理圖

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,當晶體管瞬時關閉時會在其集電極端產生一高的尖峰電壓,容易擊穿晶體管。為此接入續流二極體D1,與R、L組成一泄放迴路。由於加工聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼要求電源電壓高達幾百伏。所以晶體管T必須選用耐壓值很高的大功率晶體管。D2 是大功率阻尼二極體,用於阻尼掉負半波,降低電極損耗。採樣二極體選用快速開關二極體,光耦採用超高速光耦6N137,並且延時電路和整形電路中的元件都要求具有很高的響應速度,否則難以跟蹤間隙放電狀況。

在本電源的設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幾百伏甚至上千伏。這麼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。最簡單的解決措施是採用倍壓整流電路。但這種電路存在一個缺陷就是輸出電流小,並且隨著倍壓整流電路倍數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。因此採用二倍壓整流電路還是可取的。

3 實驗結果與分析

生產率和表面粗糙度是超硬刀具電火花刃磨的兩項主要技術指標。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。以下就電參數對超硬刀具電火花刃磨效率和表面粗糙度的影響進行了實驗研究。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,採用正極性加工。

1) 電阻對加工生產率的影響

圖3為電阻對加工生產率的影響曲線。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,因而導致了脈衝頻率的減小。從式(1)可以看出,加工生產率隨著脈衝頻率的減小而降低。所以生產率隨電阻值的增加而降低。從圖中還可以看出,由於採用大功率晶體管作開關元件,限流電阻可以取得很小。

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圖3 電阻與生產率的關係

MRR=KaWMf? (1) 

式中:MRR——加工生產率 

  Ka——常數 

  WM——單個脈衝放電能量 

  f——脈衝頻率 

  ?——有效脈衝利用率

2) 電源電壓對加工性能的影響

電源電壓對加工性能的影響曲線如圖4、5所示。實驗條件:電容為1μF,電感為0.025H,電阻為24W。從圖4中可以看出,生產率隨著電源電壓的升高而提高。這是因為當電源電壓升高時,為了使加工過程趨於穩定,必須相應增大極間放電間隙。這樣也即相應地提高了極間的擊穿電壓值。而擊穿電壓與單個脈衝能量存在以下關係

Wm=0.5CUj2 (2)

式中:WM——單個脈衝放電能量 

  C——電容量 

  Uj——擊穿電壓

由式(2)可以看出,單個脈衝放電能量與擊穿電壓的平方成正比增加。由式(1)可知,生產率隨著單個脈衝放電能量的增加而提高。因此隨著電源電壓的升高,生產率將提高。

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圖4 電源電壓與生產率的關係 圖5 電源電壓表面粗糙度的關係

圖5為電源電壓與表面粗糙度的關係曲線。從圖中可以看出,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,單個脈衝放電能量增大,而單個脈衝放電能量的增大將導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。

3) 電容對加工性能的影響

圖6、7為電容對加工性能的影響曲線。實驗條件:電阻為24W,電感為0.025H,電壓為260V。從圖6可以看出,生產率隨著電容量的增加而提高,並且趨於飽和。這與普通RC脈衝電源類似。由圖7可知表面粗糙度值隨電容量的增加而增大。由式(2)可知,單個脈衝能量隨電容量的增加而增大,而單個脈衝能量的增大將導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。

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圖6 電容與生產率的關係 圖7 電容與表面粗糙度的關係

4 結論

1) 由於採用大功率晶體管作開關元件,一旦產生擊穿放電就迅速關閉晶體管,使直流電源與放電間隙隔離,其放電迴路不受直流電源的影響,加工過程穩定;並且限流電阻可以取得很小,提高了脈衝頻率。因而可實現高效、低能耗和低電極損耗的超硬刀具電火花磨削。 

2) 電火花精磨超硬刀具時,由於電容量取得較小,容易產生電弧放電。用晶體管作開關元件可通過調節延時長短來調節脈衝停歇時間,使放電通道完全消電離。從而獲得小的表面粗糙度值。

3) 通過實驗可知,超硬刀具電火花刃磨生產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並趨於飽和;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。

【詳情】
淺析刀具對提高機械製造效率的促進作用

進入新世紀以來,我國的製造工業獲得持續高速的發展,目前總量僅次於美國和日本,居世界第三,已成為名副其實的世界製造大國,並在發展中逐步加快了與國際接軌的步伐,使用了大量數控高效機床和先進刀具,明顯提高了生產加工技術和生產效率。一些先進位造行業,如汽車工業大量引進了現代先進生產技術,電站設備製造、航空航天器製造、大型和高精度模具製造等通過引進技術和自主開發,採用先進切削技術和高效刀具,有效提高了加工技術和勞動生產率,提高了企業的競爭力。

     但是我國製造業「大而不強」,很多企業製造技術不高,嚴重製約了我國製造業的進一步發展。到目前為止,對機械行業中使用現代切削技術和高效先進刀具提高生產效率降低成本的認識還很不足,因此在我國,現代切削技術和高效先進刀具的應用發展還很不平衡,很多企業仍然只注意依靠廉價勞動力降低成本,而不重視通過提高加工技術來提高生產效率。近年來我國的機床生產發展迅速,製造業的機床擁有量在世界遙遙領先,穩居第一,但刀具工業卻遠遠落後。先進的高效機床配不到高效先進刀具,仍使用傳統的標準刀具,切削技術落後,使高效機床的加工效率得不到發揮,嚴重影響生產效率的提高,制約了製造業的現代化。

    我國切削技術和刀具工業的發展受到制約,很大原因是企業對刀具的使用停留在落後的傳統觀念上,即採用廉價刀具來控制成本,而不是用高效刀具提高加工效率來降低成本。很多企業花了大價錢買數控高效機床,卻捨不得花不多的錢購買先進高效刀具,致使切削技術落後,機床加工效率甚低,實際上是省了小錢,卻浪費了昂貴的機床工時,得不償失。

     現代切削技術和高效先進刀具是製造業提高生產效率的最重要、最活躍的因素之一。在發達國家,大量使用高效先進刀具,平均刀具費用約佔製造成本的4%,而我國製造業因使用價廉的傳統刀具,平均刀具費用不到製造成本的3%,致使我國機械工業的生產效率遠遠低於國外。據統計,採用高效先進刀具,刀具費用可能要提高50%或更多,將使零件成本提高約1%,但高效先進刀具可明顯提高切削加工效率,有可能使零件生產成本下降10%~15%,因此使用高效先進的刀具經濟效益是極為顯著的。

    使用現代切削技術對提高加工效率效果是極為明顯的。如目前的航空工業中使用新型的鋁合金整體薄壁構件來代替原來的焊接、鉚接的組裝構件,加工這些鋁合金整體薄壁構件需要銑去大量的金屬,採用高速切削新工藝使加工效率提高多倍。哈爾濱汽輪機廠生產國內首台60萬千瓦超臨界汽輪機組時,在高合金鋼上加工大直徑深孔,採用肯納金屬公司的一種新型鑽頭,使加工一個孔的工時從6.7小時縮短到0.5小時,解決了生產關鍵問題。在加工高強度石油管螺紋時,原用三齒梳刀車削,後來開發了新的3個三齒梳刀的套齒工藝,提高加工效率多倍。

     再如在高速加工中心上,採用新的「圓周螺旋銑削」,實現傳統複合刀具難以完成的一次鑽銑螺孔、倒角和切槽,擴大了複合刀具的使用範圍,大大提高了加工效率。這種螺孔鑽銑新工藝已應用於汽車發動機缸蓋和變速箱體上的螺孔加工,在加工發動機缸蓋上深度為14.1mm的M6螺孔時,採用主軸轉速 20000r/min,進給量700mm/min,加工一個螺孔僅需1.2秒。在加工鋁合金變速箱體上的帶凸台和上下倒角的M24×1.5螺孔時,原來要用7把傳統刀具,7道加工工序來完成,德國Jel精密刀具公司推薦使用一把釺焊聚晶金剛石刀片的螺孔鑽銑複合刀具,在主軸轉速20000r/min時,自動依次完成加工,整個加工時間僅用4秒。

     新材料刀具的使用使切削效率大大提高,高鈷高釩高性能高速鋼刀具的耐用度可比普通高速鋼提高1.5~3倍。粉末冶金高速鋼的強度可提高20%~30%,韌性提高1.5~2倍,並且可靠性比普通高速鋼明顯提高,國外在加工中心上已普遍使用這種粉末冶金高速鋼製造的小鑽頭、絲錐和銑刀等,而我國還甚少使用。國外近年來發展了多種新成份、新牌號的硬質合金,發展了高強度高韌性的0.5~1μm超細顆粒的硬質合金,開發了多種新塗層硬質合金,使硬質合金的切削性能顯著提高,代替了部分過去只能用高速鋼製造的較複雜的刀具。陶瓷、立方氮化硼和聚晶金剛石等超硬材料刀具,國外應用日廣,切削速度可比硬質合金提高數倍,大大提高加工效率,在德國,已有約70%的鑄件用陶瓷刀具加工,日本陶瓷刀具的年消耗量已佔刀具總量的8%~10%,而我國超硬材料刀具用得還很少。

     2005年,美國消費機床58.2億美元,消費刀具30億美元;同一年我國消費機床107.8億美元,而消費刀具僅17億美元。這反差明顯說明我國的機械製造業,對先進切削技術和高效刀具對提高生產效率的作用,不夠重視,並大大地低估了。充分認識並努力推廣應用先進切削技術和高效刀具,提高加工生產效率,降低成本,加強企業的競爭力,已是我國機械製造業發展所面臨的需要儘快解決的重大問題。

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