新型超硬刀具材料线切割分割技术的开发与研究

第32卷第5期机电#$%&'()Vol.32,No.5 2019年9月Development&Innovation of M achinery&E lectrical P roducts Sep.,2019

文章编号：1002-6673(2019)05-081-03

新型超硬刀具材料线切割分割技术的开发与研究

申晓龙，张来希，龙华

(湖南工业职业技术学院，湖南长沙410208)

摘要：超硬刀具材料在机械装备制造业有着广泛的应用领域，超硬材料刀具的切割是超硬刀具制造过程中的一个难题，用电火花线切割方法分割各种不同形状的复合片材料是符合我国制造业现状的可选之法。本文从超硬刀具的主要品种及特点，超硬刀具材料的线切割加工主要方法，通过分析各种加工参数与工艺指标的相互关系，探讨了线切割机的超硬材料回转表面加工装置，对超硬刀具材料的WEDM线切割加工研究提出了独到的见解。

关键词：超硬刀具材料；线切割；工艺指标；回转表面加工；应用

中图分类号：TH69文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2019.05.028

Development and Research of Rew Rype of Rire Rutting Technology for Superhard Cutting Tools

SHEN Xiao-Long,ZHANG Lai-Xi,LONG Hua

"Hunan Industry Polytechnic,Changsha Hunan410208,China)

Abstract:Superhard tool materials in machinery and equipment manufacturing industry has a wide range of applications,the manufacturing process of cutting superhard tool is a difficult problem,wire cutting method using a variety of different shapes of composite partitioning sheet material is in line with the status quo of China's manufacturing industry of the law optional.In this paper,the main varieties of super-hard cutting tools and characteristics of superhard cutting tool materials line the main methods,by analyzing the various process parameters and process indicators of the relationship between the wire cutting of hard materials of the rotary surface processing device,there are unique insights for superhard cutting tool materials WEDM wire cutting study.

Key words:superhard tool materials%wire cutting%process Indicators%rotary surface finishing%apply

0引言

超硬刀具材料是指天然金刚石及硬度、性能与之相近的人造金刚石和CBN(立方氮化硼)。由于天然金刚石价格比较昂贵，所以生产上大多采用人造聚晶金刚石(PCD)、聚晶立方氮化硼(PCBN)以及它们的复合材料*随着现代制造业(尤其汽车制造业)的快速发展，超硬刀具的生产及应用也逐年快速增，超硬刀具大部分用于汽车零部件的切削加工*其中,PCD刀具的60%用于汽车制造业%PCBN刀具的1/2用于汽车制造业，约20%用于重型设备(如轧辐等)的加工*近年来，随着CNC加工技术的发展以及的用,现

效率、高稳定性、长寿命加工的超硬刀具的应用也日渐普及，同多的切削加工，速切削、修稿日期：2019-08-12

项目来源：湖南省教育厅科学研究项目(14C0366)；湖南省教育科学规划课题(XJK013BZY014)

作者简介：申晓龙(1964-),男，湖南隆回人，工学硕士，教授%研究方？：机械工程、数控技术、高职教育；张来希(1968-)，女，湖南湘潭人，工学硕士，副教授％硬态加工、高稳定性加工、以车代磨、干式切削等*超硬刀具已成为现代切削加工中不可缺少的重要手段*

1WEDM线切割加工原理

电火花线切割加工(Wire cut Electrical Discharge Ma­chining，简称WEDM),其基本工作原理是利用£移动的细金()作电极，对工件进行脉冲火花产生工件材料部化汽化金、切型*它是、加工的加工方，切加工它用于加工复和：的工件*切的大是加工的金

材料性，上材料加工，超硬刀具材料、硬合金、材料％的性材料%的性材料%的零件*

的速度同，切

常分为两类：

一类是低速走丝电火花线切割机床(LS-WEDM),其电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s,极丝做低速单向运动，后不再使用,工作平稳、均匀、抖动小，加工表面质量可达Ra0.2!m,加工精度很

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•数控机床世&•

高，可达0.002mm。

另一类是高速走丝电火花线切割机床（HS-WEDM）,

其电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8~12m/s，电

极丝作高速往返运动，切割精度较差％电极丝可重复使用，加工速度较高，但快速走丝容易造成电极丝抖动和换

向时产生条纹，使加工质量下降，是我国生产和使用的主

要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式。

电极丝运动轨迹的控制由数字程序控制，采用先进

的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件

几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工，前电火花线切割机床采用数控化。一机床

平的高低，主要看它的重复定位精度，一台机床的重复定

位精度如果能达到0.005mm（ISO标准、统计法）或以下，

就是一台高精度机床。

2超硬刀具的主要品种及特点

2.1PCD金属切削刀具

PCD金属切削刀具可利用PCD材料的高硬度、高耐

磨性、高导热性及低摩擦系数实现有色金属及耐磨非金

属材料的高精度、高效率、高稳定性和高表面光洁度加工。此类刀具从结构上主要可分为焊接式PCD刀具和可

转位式PCD刀片。

近年来焊接式PCD刀具中发展较快的品种是带标

准刀柄的PCD刀具,如带柄PCD铳刀、PCD镇刀、PCD较

刀等，刀柄型式主要为圆柱柄、锥柄和HSK柄。种刀具（尤其是多齿刀具）的特点是切削刃对刀柄的跳动才、（如

刃长为30mm的HSK柄PCD铳刀的切削刃跳动仅为0.002mm），其种件的成形、孔、阶梯孔等进行大批量高速加工。例如，采用铝基体刀

盘的PCD高速铳刀（六刃，直径100mm）,最高转速可达20，000r/min以上，切削速度可达7，000m/min，适合于汽

车零部件的成形面加工。

可转位式PCD是在硬质合金可转召

装一块PCD刀坯再经刃磨而成，可装夹在各种数控机床

的刀杆、刀夹或刀盘上，用于高可靠性的大批量加工。随

着数控机床、加工中心及自动生产线的日益普及，可转位

式PCD的使用越来越多，其刀具耐用度较质::刀具可提高几十倍。

2.2PCBN金属切削刀具

PCBN金属切削刀具也可分为焊接式PCBN刀具和

可转位式PCBN刀片两类。焊接式PCBN刀具是将PCBN

刀坯焊接在钢基体上经刃磨而成，主要有车刀、锤刀、钱

刀等。PCBN刀具大多用于耐磨黑色金属的加工，因此其

刀尖角不能太小，刀具前角一般为-5。~5。，后角一般为3" -10°，断续切削时一般采用负倒棱。

的PCBN

（主要为和）

一般是可质

刀片的一个角上镶焊一块

PCB N刀坯，经刃磨而成。考

虑到刀坯较贵及重磨等原

因，一般只做成一个刀尖。图1pcbn复合片金属切削刀具随着焊接工艺质量的提咼，Fig.l PCBN composite sheet 其剪切强度可达0.78kg/m2。metal cutting tools

随着PCBN刀坯尺寸越做越/J、，不重磨PCBN刀片的价格也随之降低。

3超硬刀具材料的WEDM线切割加工

3.1用于超硬刀具材料的线切割加工主要有以下三种方法

（1）国外数控电火花PCB刀具成形机床。数控电火花PCB成形机床此类设备以德国Vollmer公司的QWD 系列机床为代表。该机床采用电火花线切割加工PCD、PCBN刀具，由于采用了先进的数控系统，加工出的多刃刀具的跳动可控制在0.001mm,粗糙度可达Ra0.4!m。该机床有六个数控轴、两个手动轴，特别适合带钻、、锯的加工，一次输入程序即可切割出阶梯刀具、曲线刀具的刃、背、内折线等几何形状，自动化程度及加工精度均很高。不足之处是切割表面粗糙度稍逊于磨削表面，此

外机床价格较为昂贵。

（2）超的新型

线切割加工工艺。目前在快走

丝机床基础上，采用多次切割

技术和配合变频器在相应电加

工参数时改变走丝速度，彳

提高高速走丝电火花线切割机

床的加工质量和加工精度

成为一种新型的中走丝机床。

走丝线切割是快走丝线切

图2德国Vollmer公司

数控电火花PCB刀具成

形机床

Fig.2Germany

Vollmer's EDM PCB

forming machine tools 割的基础上实现变频多次切割功能，是近几年发展的新工艺。其加工精度可达0.006mm，质量可Ra1.0!m。

（3）国内NHT系列超加工专用数控线切割机床。NHT系列超硬材料加工专用线切割机床根据超硬材料特性，优化脉冲电源和伺服控制系统设计，并整合控制器、脉冲电源、机床电器的一化结构设计而成的新一代超硬材料加工机床。经过大量加工对比试验及反馈，其，超加工，高,损耗小，加工。另外它的自适应电源系统和一化电气设计，使其作简单，使用更方便。

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