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公司简介

广州哲野超硬材料磨削技术有限公司(简称:哲野超硬材料)位于交通便利的珠三角中心城市,广东省广州市,公司至成立以来主要从事超硬材料、工具制品的研发、生产、销售和服务。公司通过了ISO9001-2008国际质量管理体系及ISO14001-2004国际环境管理体系等资质认证,公司严格按照相关管理体系规范运作,经过多年的发展与努力,成为广东省内较少的有专业金刚石/CBN超硬磨料工具制造企业之一,公司积极参与及推广行业交流活动,以过的产品质量、良好的产品性能、领先的技术优势和国内外许多的大型厂商建立 了长期良好的合作伙伴关系,产品远销欧美,亚洲等众多国家地区。

广州哲野超硬材料磨削技术有限公司从不足10人的手工作坊,到至今成为超硬工具行业较有规模的成员之一,从单一产品至涵盖电镀、青铜、树脂、陶瓷4个系列15个大类上千多种产品,持之以恒,目标始终如一,见证着锲而不舍的奋斗足迹。志存高远,问鼎超硬,印证差超越自我的开创精神。

放眼未来,公司将以科技研发为支撑,以产业链配套的产品和服务为模式,为客户提供更加完善的服务。山高人为峰,行业我引领。

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超硬刀具电火花刃磨技术的研究

超硬刀具主要指聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼刀具。这种刀具因具有硬度高、耐磨性好和加工质量理想等优点而被广泛地应用于金属切削、木材加工、采矿和石油勘探等领域。然而其加工成形较困难,其加工技术的开发仍是当今世界的一个研究课题。目前超硬刀具的加工方法主要有机械磨削、超声加工和电火花磨削等。机械磨削是最为常用的加工方法,但需要价格昂贵的金刚石砂轮和高刚度的磨床,加工效率低、砂轮损耗大;超声加工主要用于超硬刀具的抛光,其粗、中抛光效率低,金刚石研磨粉消耗量大;电火花磨削是行之有效的一种加工方法,其成本低、加工精度高。笔者多年来从事超硬材料电火花加工工艺的研究,针对以往脉冲电源存在生产率低和电能利用率低的缺点,并结合超硬刀具电火花刃磨的特点,开发研制了晶体管开关型高压PLC脉冲电源。并对其加工工艺进行了实验研究。

1 超硬刀具电火花刃磨的原理

超硬刀具电火花磨削也是一种电火花加工。与普通电火花加工类似,超硬刀具电火花磨削也是基于绝缘介质中工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属,以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的要求;与普通电火花加工不同,电火花磨削是以旋转的圆盘电极作工具,并且加工电流往往要小些;电火花磨削还与传统的金刚石砂轮磨削类似,由于电火花磨削采用石墨或紫铜电极代替相对昂贵的金刚石磨轮,其加工成本要低得多。超硬刀具电火花刃磨的原理如图1所示。

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1.直流电动机 2.脉冲电源 3.往复运动 4.伺服运动 5.伺服控制 6.工件 7.油槽 8.放电间隙检测 9.煤油 10.圆盘电极 

图1 超硬刀具电火花刃磨的原理图

图中工件和油槽置于一个数控工作台上。工具电极是一紫铜圆盘。加工时,直流电动机带动工具电极高速旋转。与此同时,工件一方面沿Y轴方向作伺服进给运动,另一方面沿X轴方向作往复运动。这样可以使圆盘电极损耗分布在尽可能大的表面上,从而可以长时间稳定地保持其几何形状精度。与普通电火花加工相比,由于电极的旋转和工作台的往复运动,超硬刀具电火花刃磨具有以下优点:

1) 电极的旋转和工作台的往复运动有利于电蚀产物的排出和放电点的分散转移,不易产生结碳拉弧现象。因而改善了加工过程的稳定性。

2) 电极的旋转有利于脉冲放电结束时放电通道的迅速消电离,提高了脉冲利用率,从而提高磨削加工的生产率。

2 晶体管开关型高压PLC脉冲电源的原理及组成

众所周知,超硬材料除超硬耐磨外,还具有高的熔点、高的电阻率和良好的导热性,这类材料不仅机械加工困难,而且电加工也困难。大量的实验表明:采用通常的脉冲电源对超硬材料进行电火花磨削不易得到满意的效果,其理想的脉冲电源应具有高度集中的脉冲放电能量、强大的放电爆炸力和高的峰值电压(一般大于 200V)。大家知道,通常加工金属的RC脉冲电源可在短时间内得到峰值很高的尖峰脉冲电流,因此其瞬时放电爆炸力大;此外,RC脉冲电源特别适合精加工,这样如给通常的RC脉冲电源施以高电压,即做成高压RC脉冲电源,可能会达到有效地电火花磨削超硬材料的目的。然而如仅用简单地给RC脉冲电源加上高压的方法又不可避免地存在RC脉冲电源生产率低和电能利用率低的缺点。笔者在上述分析的基础上结合超硬刀具电火花刃磨的特点,设计了晶体管开关型高压RC 脉冲电源,此电源可提高超硬刀具电火花刃磨的生产率和电能利用率,并且可获得小的表面粗糙度值和锐利的棱边。然而在实际加工中发现,随着限流电阻的减小,晶体管易被击穿。为此在限流电阻R后串接一电感,设计成如图2所示的晶体管开关型高压PLC脉冲电源。其工作原理如下:直流电源E接通后,晶体管T导通,电源通过限流电阻R、电感L和晶体管T向电容器C充电,当电容器两端电压上升到极间间隙击穿电压时,极间介质被击穿形成放电通道,放电电流使高速开关二极管两端瞬时形成一脉冲电压,这一脉冲电压使超高速光耦采样电路中的光耦迅速导通,并输出一触发脉冲,触发555延时电路,使555的输出信号翻转,经过整形电路整形后迅速关闭晶体管T,经一段时间的延时晶体管T又重新导通。直流电源又经R、L、T向电容器C充电。如此周而复始地形成一系列加工脉冲。其中延时电路的延时长短可以根据间隙放电状况调节。这样可使得间隙一旦产生火花放电就关闭晶体管T,使直流电源E与放电回路完全分开,直流电源对间隙放电状况不产生影响。 

   

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图2 晶体管开关型高压PLC脉冲电源原理图

本电源中限流电阻R是大功率线绕电阻,它与电感L串接在一起,当晶体管瞬时关闭时会在其集电极端产生一高的尖峰电压,容易击穿晶体管。为此接入续流二极管D1,与R、L组成一泄放回路。由于加工聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼要求电源电压高达几百伏。所以晶体管T必须选用耐压值很高的大功率晶体管。D2 是大功率阻尼二极管,用于阻尼掉负半波,降低电极损耗。采样二极管选用快速开关二极管,光耦采用超高速光耦6N137,并且延时电路和整形电路中的元件都要求具有很高的响应速度,否则难以跟踪间隙放电状况。

在本电源的设计中还有一个必须引起注意的问题,即高压电源的获得。因为加工聚晶金刚石和聚晶立方氮化硼所需电源电压高达几百伏甚至上千伏。这么高的电压直接由变压器得到是非常不理想的。因为工厂实际操作中高压交流电非常危险。最简单的解决措施是采用倍压整流电路。但这种电路存在一个缺陷就是输出电流小,并且随着倍压整流电路倍数的增加输出电流愈小。值得庆幸的是超硬刀具电火花刃磨加工面积不大,所需平均加工电流不是很大。因此采用二倍压整流电路还是可取的。

3 实验结果与分析

生产率和表面粗糙度是超硬刀具电火花刃磨的两项主要技术指标。为了获得良好的表面粗糙度,必须选择好粗、中、精磨时的电源参数。以下就电参数对超硬刀具电火花刃磨效率和表面粗糙度的影响进行了实验研究。实验中,电极材料为紫铜,工件材料聚晶金刚石,工作液为煤油,采用正极性加工。

1) 电阻对加工生产率的影响

图3为电阻对加工生产率的影响曲线。实验条件:电容为1μF,电感为0.025H,电压为260V。从图中可以看出,加工生产率随着电阻值的增加而降低。其原因是:随着电阻值的增加,电容的充电时间延长,因而导致了脉冲频率的减小。从式(1)可以看出,加工生产率随着脉冲频率的减小而降低。所以生产率随电阻值的增加而降低。从图中还可以看出,由于采用大功率晶体管作开关元件,限流电阻可以取得很小。

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图3 电阻与生产率的关系

MRR=KaWMf? (1) 

式中:MRR——加工生产率 

  Ka——常数 

  WM——单个脉冲放电能量 

  f——脉冲频率 

  ?——有效脉冲利用率

2) 电源电压对加工性能的影响

电源电压对加工性能的影响曲线如图4、5所示。实验条件:电容为1μF,电感为0.025H,电阻为24W。从图4中可以看出,生产率随着电源电压的升高而提高。这是因为当电源电压升高时,为了使加工过程趋于稳定,必须相应增大极间放电间隙。这样也即相应地提高了极间的击穿电压值。而击穿电压与单个脉冲能量存在以下关系

Wm=0.5CUj2 (2)

式中:WM——单个脉冲放电能量 

  C——电容量 

  Uj——击穿电压

由式(2)可以看出,单个脉冲放电能量与击穿电压的平方成正比增加。由式(1)可知,生产率随着单个脉冲放电能量的增加而提高。因此随着电源电压的升高,生产率将提高。

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图4 电源电压与生产率的关系 图5 电源电压表面粗糙度的关系

图5为电源电压与表面粗糙度的关系曲线。从图中可以看出,表面粗糙度值随电源电压的升高而增大。由前面的分析可知,随着电源电压的升高,单个脉冲放电能量增大,而单个脉冲放电能量的增大将导致表面粗糙度值的增大。所以,随着电源电压的升高表面粗糙度值增大。

3) 电容对加工性能的影响

图6、7为电容对加工性能的影响曲线。实验条件:电阻为24W,电感为0.025H,电压为260V。从图6可以看出,生产率随着电容量的增加而提高,并且趋于饱和。这与普通RC脉冲电源类似。由图7可知表面粗糙度值随电容量的增加而增大。由式(2)可知,单个脉冲能量随电容量的增加而增大,而单个脉冲能量的增大将导致表面粗糙度值的增大。因此,表面粗糙度值随电容量的增加而增大。

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图6 电容与生产率的关系 图7 电容与表面粗糙度的关系

4 结论

1) 由于采用大功率晶体管作开关元件,一旦产生击穿放电就迅速关闭晶体管,使直流电源与放电间隙隔离,其放电回路不受直流电源的影响,加工过程稳定;并且限流电阻可以取得很小,提高了脉冲频率。因而可实现高效、低能耗和低电极损耗的超硬刀具电火花磨削。 

2) 电火花精磨超硬刀具时,由于电容量取得较小,容易产生电弧放电。用晶体管作开关元件可通过调节延时长短来调节脉冲停歇时间,使放电通道完全消电离。从而获得小的表面粗糙度值。

3) 通过实验可知,超硬刀具电火花刃磨生产率随电阻值的增大而降低、随电源电压的升高而提高、随电容量的增大而提高并趋于饱和;表面粗糙度值电源电压的升高而增大、随电容量的增大而增大。

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浅析刀具对提高机械制造效率的促进作用

进入新世纪以来,我国的制造工业获得持续高速的发展,目前总量仅次于美国和日本,居世界第三,已成为名副其实的世界制造大国,并在发展中逐步加快了与国际接轨的步伐,使用了大量数控高效机床和先进刀具,明显提高了生产加工技术和生产效率。一些先进制造行业,如汽车工业大量引进了现代先进生产技术,电站设备制造、航空航天器制造、大型和高精度模具制造等通过引进技术和自主开发,采用先进切削技术和高效刀具,有效提高了加工技术和劳动生产率,提高了企业的竞争力。

     但是我国制造业“大而不强”,很多企业制造技术不高,严重制约了我国制造业的进一步发展。到目前为止,对机械行业中使用现代切削技术和高效先进刀具提高生产效率降低成本的认识还很不足,因此在我国,现代切削技术和高效先进刀具的应用发展还很不平衡,很多企业仍然只注意依靠廉价劳动力降低成本,而不重视通过提高加工技术来提高生产效率。近年来我国的机床生产发展迅速,制造业的机床拥有量在世界遥遥领先,稳居第一,但刀具工业却远远落后。先进的高效机床配不到高效先进刀具,仍使用传统的标准刀具,切削技术落后,使高效机床的加工效率得不到发挥,严重影响生产效率的提高,制约了制造业的现代化。

    我国切削技术和刀具工业的发展受到制约,很大原因是企业对刀具的使用停留在落后的传统观念上,即采用廉价刀具来控制成本,而不是用高效刀具提高加工效率来降低成本。很多企业花了大价钱买数控高效机床,却舍不得花不多的钱购买先进高效刀具,致使切削技术落后,机床加工效率甚低,实际上是省了小钱,却浪费了昂贵的机床工时,得不偿失。

     现代切削技术和高效先进刀具是制造业提高生产效率的最重要、最活跃的因素之一。在发达国家,大量使用高效先进刀具,平均刀具费用约占制造成本的4%,而我国制造业因使用价廉的传统刀具,平均刀具费用不到制造成本的3%,致使我国机械工业的生产效率远远低于国外。据统计,采用高效先进刀具,刀具费用可能要提高50%或更多,将使零件成本提高约1%,但高效先进刀具可明显提高切削加工效率,有可能使零件生产成本下降10%~15%,因此使用高效先进的刀具经济效益是极为显著的。

    使用现代切削技术对提高加工效率效果是极为明显的。如目前的航空工业中使用新型的铝合金整体薄壁构件来代替原来的焊接、铆接的组装构件,加工这些铝合金整体薄壁构件需要铣去大量的金属,采用高速切削新工艺使加工效率提高多倍。哈尔滨汽轮机厂生产国内首台60万千瓦超临界汽轮机组时,在高合金钢上加工大直径深孔,采用肯纳金属公司的一种新型钻头,使加工一个孔的工时从6.7小时缩短到0.5小时,解决了生产关键问题。在加工高强度石油管螺纹时,原用三齿梳刀车削,后来开发了新的3个三齿梳刀的套齿工艺,提高加工效率多倍。

     再如在高速加工中心上,采用新的“圆周螺旋铣削”,实现传统复合刀具难以完成的一次钻铣螺孔、倒角和切槽,扩大了复合刀具的使用范围,大大提高了加工效率。这种螺孔钻铣新工艺已应用于汽车发动机缸盖和变速箱体上的螺孔加工,在加工发动机缸盖上深度为14.1mm的M6螺孔时,采用主轴转速 20000r/min,进给量700mm/min,加工一个螺孔仅需1.2秒。在加工铝合金变速箱体上的带凸台和上下倒角的M24×1.5螺孔时,原来要用7把传统刀具,7道加工工序来完成,德国Jel精密刀具公司推荐使用一把钎焊聚晶金刚石刀片的螺孔钻铣复合刀具,在主轴转速20000r/min时,自动依次完成加工,整个加工时间仅用4秒。

     新材料刀具的使用使切削效率大大提高,高钴高钒高性能高速钢刀具的耐用度可比普通高速钢提高1.5~3倍。粉末冶金高速钢的强度可提高20%~30%,韧性提高1.5~2倍,并且可靠性比普通高速钢明显提高,国外在加工中心上已普遍使用这种粉末冶金高速钢制造的小钻头、丝锥和铣刀等,而我国还甚少使用。国外近年来发展了多种新成份、新牌号的硬质合金,发展了高强度高韧性的0.5~1μm超细颗粒的硬质合金,开发了多种新涂层硬质合金,使硬质合金的切削性能显著提高,代替了部分过去只能用高速钢制造的较复杂的刀具。陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石等超硬材料刀具,国外应用日广,切削速度可比硬质合金提高数倍,大大提高加工效率,在德国,已有约70%的铸件用陶瓷刀具加工,日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%~10%,而我国超硬材料刀具用得还很少。

     2005年,美国消费机床58.2亿美元,消费刀具30亿美元;同一年我国消费机床107.8亿美元,而消费刀具仅17亿美元。这反差明显说明我国的机械制造业,对先进切削技术和高效刀具对提高生产效率的作用,不够重视,并大大地低估了。充分认识并努力推广应用先进切削技术和高效刀具,提高加工生产效率,降低成本,加强企业的竞争力,已是我国机械制造业发展所面临的需要尽快解决的重大问题。

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