PCD 成型刀具单向走丝线切割加工工艺

　　摘要: 从 PCD 刀具材料、主要放电参数选择、切割工艺及放电铜丝等方面研究影响单向走丝线切割 PCD 刀具 的相关因素，从而选择合适的刀具刃口光洁度、轮廓精度、加工效率和圆跳动量。

　　关键词: PCD 成型刀具; 单向走线工艺; 放电参数

　　1 引言

　　PCD 成型刀具广泛应用于有色金属及非金属 材料的加工，选择合适的刀具设计参数和较高的刃 口光洁度可以发挥良好的加工效果，获得较高的表 面光洁度和生产加工效率。单向走线加工工艺是目 前 PCD 刀具成型加工的主要手段之一，对其加工工 艺的研究尤为重要。

　　单向走线是利用连续移动的细金属丝脉冲火花 放电产生高温，蚀除金属、切割工件的数控机床。其 原理是利用电极线与工件的小间隙，不断地放电蚀 除金属离子。单向走线线切割机采取电极线连续供 丝模式，电极线在运动过程中即可完成切割。本文 主要从影响 PCD 刀具单向走线工艺的主要因素( 刀具材料、主要放电参数、切割工艺和放电铜丝四个方 面) 来进行探讨。

　　2 PCD 成型刀具单向走线工艺因素

　　2. 1 PCD 刀具材料放电

　　在 PCD 电火花放电过程中，金刚 石颗粒本身不导电，而是通过其粘接剂 Co 放电来 实现腐蚀去除。放电机理包括两方面: 脉冲能量弱 时，局部的金刚石颗粒被碳化、熔化; 脉冲能量强时， 主要以局部高温使带电黏结剂熔化、粘接剂因汽化 而去除，金刚石颗粒脱落。 在单向走线加工过程中，不同牌号的材料放电 效果不同。根据现有条件，在发那科 A400 单向走 线机床进行试验，采用相同的经验放电参数。

　　制作 4 种不同材料牌号的刀具进行相同切割试验，并采 取切 1 修 3 的方式进行加工，从而研究切割光洁度和放电效率等。BT005，BT010，BT025，BT030 分别 指 BT 公司不同颗粒度的 PCD 复合片，粒度逐渐增 大。随着 PCD 粒度的增大，切割效率 降低，刃口光洁度越来越差。进一步证明随着 PCD 粒度的增大，粘接剂的致密性越来越差，使导电性逐 步降低，放电效率更慢; 随着 PCD 粒度的增大，金刚 石颗粒在放电过程中脱落的缺口也逐渐增大，导致 刃口光洁度降低。

　　2. 2 主要放电参数选择

　　在单向走线放电加工中，影响放电的主要参数 包括控制电流、加工电压、放电脉宽时间、放电脉间 时间和伺服电压等。放电脉宽时间、控制电流和加 工电压主要影响放电能量的强弱。放电能量增强， PCD 材料的去除率升高，但会使刀具刃口质量降 低，工件表面加工质量下降。放电脉宽时间和伺服 电压增大可以提高加工刀具的精度，但会降低加工 效率。

　　为获得良好的切割效果，采用发那科 A400 设 备进行多次切割试验，分别得出不同 PCD 型号的电 加工参数。针对导电性能较好的 005， 010 PCD 材料，采用切 1 修 2 的方式进行切割; 针对导电性能较差的 025，030 刀片采用切 1 修 3 的方 案。根据该设备内部参数，当 PM 不同时，各加工参 数值代表的含义不同。

　　2. 3 确定切割工艺

　　( 1) 多次切割技术

　　多次切割技术是提高慢速走丝线切割精度和加 工质量的主要工艺。一般通过一次放电成形，二次 放电提高精度，三次以上放电提高表面粗糙度。制作 4 把 BT030 型号的 PCD 刀具，该材料导电 性较差，采取 4 次切割成型工艺，进行 4 次加工试 验。每把刀具加工选取相同的经验放电参数与相同 的切割总量，但每把刀具的加工量不同，每次加工量 分别用 A1，A2，A3，A4 表示。由于刀具有焊接误差 的影响，因此在保证 4 把刀具尺寸相同的情况下，其 总加工余量可能有细微差别。

　　同时，由于机床可以 设置第 2、3、4 次的加工量，第 1 次加工量不精确。 经过 4 次试验，观察不同加工量对切割的影响。通过分析以上数据可以发现，在相同加工参数 和刀片材料的情况下，不同的加工余量对切削速度 的影响不大; 随着切割余量的不断增大，切割粗糙度 不断增大。对于此牌号的 PCD 刀具，达到的最佳切 割粗糙度仅为 Ra0. 4μm。

　　( 2) 刀具刃口成型

　　刀具刃口成型是 PCD 成型刀具最重要的工序，能实现带 A 轴单向走线机床的多轴联动 加工。在发那科 A400 电加工机床进行试验，通过 测量刃口不同点的分度，使刀具加工时刃口各点更 接近实际分度点，从而保证刀具刃口轮廓精度和圆 跳动。通过形状导入、输入刀具角度参数、程序编程和分度测量可以生成加工程序。通过 在 线 监 测，刀具外圆刃口的全跳动在 0. 008mm 以内。在 ZOLLER 仪器上监测刀具状态， 刀具的轮廓精度达到 0. 015mm，满足设计要求。

　　2. 4 电极丝的选择

　　电极丝的热物理性能是影响加工效率的主要因 素之一。在切割工件放电时会产生大量的热量，如 果热量损耗在电极丝上，电极丝会因高温而断裂。 同时，电极丝应具有低熔点和高气化压力的特点，由 于低熔点的锌对改善电极丝放电性作用明显，所以 在黄铜丝外再加一层锌，就产生了镀锌电极丝。为 比较普通黄铜丝与镀锌铜丝在切割 PCD 刀具时的 影响，选取 BT010 材料型号的 PCD 刀具在相同放电 条件及工艺下进行切割试验。可以看出，镀锌铜丝切割 PCD 刀具速度较高， 加工工件表面质量较好，加工精度较高。但镀锌铜 丝价格相对普通铜丝更贵，需结合实际生产加工效 率，考虑是否采用镀锌铜丝。

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　　3 结语

　　( 1) PCD 刀具材料的粒度越小，放电效率越高， 单向走线切割的光洁度越好。 ( 2) 不同粒度的 PCD 刀片宜采取不同的加工参 数，达到切割效率和光洁度的要求。 ( 3) PCD 刀具宜采取多次切割的工艺，在相同 加工参数的情况下，随着切割余量的减小，不断优化 切割光洁度。 ( 4) 带 A 轴的 5 轴联动单向走线机床可以保证 该类成型 PCD 刀具的刃口成型、圆跳动量及刃口质 量。 ( 5) 在切割 PCD 刀具时，镀锌铜丝比普通黄铜 具丝有更高的切割效率、更优的切割质量及精度，但 成本更高。

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　　作者：杨辉全，刘华，刘松，蒲明，唐正文