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1、 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除文中己 经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体， 均己 在文中以明确方式标 明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学 位 论 文 作 者 签 名 :Y 卜日 期 ， 叮年m; 。 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定，即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅.本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数
2、据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密 口 ， 在 _年解密 后适用 本授权 书.本 论 文 属 于不 保 密 贰( 请在以上方框内打 “J，)学 位 论 文 作 者 签 “ : 争 军日 期 :0 S 年 芦 月 乡 “ 日常华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 绪论研究背景超硬刀具材料是指比陶瓷更硬的刀具材料。 切削加工中常用的超硬刀具材料包括天然金刚石 ( N D )及其硬度性能与之相接近的 聚晶人造金刚石 ( P C D ) 、气相沉积金刚石厚膜 ( C V D ) 和聚晶立方氮化硼 ( P C B N ) 等。天然金刚石 ( N D
3、)用于制作切削刀具己有很长的历史，在某些特殊超精加工领域内，具有不可替代的地位，N D刀具超精车削有色金属时，表面粗糙度等级可达R a O . 0 4 u m以上。但因其价格 昂贵，推广应用受到限制。聚晶人造金刚石 ( P C D ) 是将人造金刚石微粉 ( 颗粒尺寸为 1 -1 0 0 u m ) 在高温 ( 约2 0 0 0 0C ) 和高压 ( 5 0 0 0 - 9 0 0 0 M P a ) 下聚合成尺寸在 6 - 8 m m的人造金刚石一聚晶人造金刚石。 P C D 是随机取向的金刚石颗粒的聚合， 在许多情况下表现出各向同性， 所以 用它作为刀具材料时， 可以任意取向 刃磨， 而不
4、必像N D 那样，必须选择最佳的解理面作为前刀面。当 然它也不可能像N D 那样具有 超级的刃口 完整性。 P C D 刀具在切削过程中，刀刃对意外的损坏不很敏感，抗磨能力也很好，可以 长期保持刃口的 精度。因而使它在某些领域得到广泛的应用， 例如有色金属和高耐磨非金属材料的 加工。目前生产应用的 P C D 刀片都是在硬质合金基体上烧结或压制一层 0 . 5 - 1 m m厚的P C D 而成。气相沉积金刚石厚膜 ( C V D )一般来说 是一种多晶材料， 按照其制备的技术不同，C V D 有灯丝热解 C V D ( H F C V D) 、电子增强 C V D ( E A C V D)
5、、微波等离子体C V D( M V P C V D ) 、 直流等离子C V D ( D C - P C V D ) 、 直流电弧等离子体射流( D C - J E T )以 及磁微波等离子体 C V D ( E C R C V D ) 等，可得到厚度在 0 . 5 -1 0 0 0 u m 、直径达3 0 0 m m、 沉积速度为 1 -9 8 0 u m / h 的大面积金刚 石膜。 气相沉积金刚石厚膜近视于 单晶金刚石组织，同时不含任何粘接剂， 其硬度与天然金刚石的平均值相似，因此金刚石厚膜刀具更适于作超精加工，可部分代替昂贵的天然金刚石刀具。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论
6、文聚晶 立方氮化硼 ( P C B N )是1 9 5 7 年由 美国的G . E 公司成功合成的， 其是自 然界尚 未发现的第二种人工合成材料。 C B N 具有仅次于天然金刚石的高硬度， 优于天然金刚石的 热稳定性和化学惰性以 及和铁族元素在高温下不发生亲和作用等特性，引 起了 极大的 关注。用作切削刀具时 是将 C B N微粉在高 温高压下再次聚晶而成聚晶立方氮化硼， 然后在硬质合金基体上烧结或压制一层0 . 5-lam厚的P C B N 作为刀片。P C D , C V D , P C B N三种超硬刀具材料的可加工范围覆盖了 绝大部分高硬度材料的切削加工领域。P C D 刀具可使加工
7、表面的粗糙度达到R a l . 6 -0 . 1 6 u m , C V D 刀具可使加工表面的粗糙度达到 R a O . 0 4 u m以上， 可与天然金刚石相媲美， P C B N刀具可使加工表面的粗糙度达到R a l . 6 - 0 . 3 u m ， 并 有相当 高的刀具耐用度( 大约为硬质合金的4 0 -6 0 0 0倍)和加工生产率 ( 约为硬质合金的 2 - 1 0 倍) ，切削加工的综合效果优异。被国外誉为 “ 2 1 世纪刀具”的 P C D , P C B N , C V D刀具，已在工业化国家得到广泛的应用，目前日本等发达的工业化国家已有 8 0 % 的汽车工业和 4 0
8、 % 的机械加工工业应用超硬材料刀具，我国上海地区的许多企业也己从使用超硬材料刀具中尝到了 甜头 1 1 1 1 U .a 7 - e 1 e a u超硬刀具材料 电火花线切割加工工艺参数的试验研 究正是在这样的背景下提出，其目 的是为了 解决此类材料刀具制 造过程中刀片的分割问题，该项目 获得湖北省教 育厅 2 0 0 3 年度自 然科学类重点项目 经费资助， 项目 编号2 0 0 3 A O O I 。 本文所做的工作均是以该项 目为背景完成的.2 研究的目的和意义随着切削加工技术和设备的不断发展，数控机床、加工中心在生产中 得到fl 益广泛的 应用， 改善刀具的切削效能，扩大刀具切削的
9、材料范围 ( 难切削 材料、 特殊材料) ， 提高刀具的耐用度以充分使用好数控机床具有实际意义。近年来，各种新型刀具材料不断涌现， 超硬刀具材料 ( P C D , P C B N , C V D等)以 其优异的切削性能得到业界的广泛接受，成为 “ 千式切削” 、 “ 绿色制造” 、 “ 高速加工” 等加工新技术的基本技术支撑之一， 是现代制造技术应用最基本的 物质前提，华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文此类材料刀具在生产中的应用比例甚至被权威机构用作衡量一个国家制造技术先进程 度 的 指 标 2 4 1但此类刀具材料由于质脆、 导电率 低、 导热性能好， 具有很高的硬度和耐磨性，
10、其刀具 制造过程与传统的刀具、包括硬质合金刀具相比有很大的区别，对传统的刀具制造工艺 和技术提出了严峻的挑战。 大多数情况下， P C D , P C B N与C V D都烧结或气相沉积在硬质合金基体上，统称为复合片，目前商业销售的复合片直径可达中l 0 0 m m以上( I I I 。其刀具的制造过程基本为:复合片 分割一抛光一焊接刃磨一检验等工序，本研究关注的是复合片的分割过程。复合片的分割， 目 前一 般采用电 火花 切割或激光切割的 方法。 由 于复 合片较厚，激光切割时需作双面切割， 这种激光定制切割实际上不能为用户提供完全分离的刀片， 以便在刀具生产中可以使用标准研磨技术作进一步
11、加工， 激光切割设备费用高，非专业的刀具厂家很难采用，目 前一般由刀具材料供应商提供切割服务，应用的灵活性小。 而电火花线切割加工机床在我国有相当高的普及率，特别是我国所特有的决走丝线切 割机床，用线切割加工的方法来分割复合片应该说是非常适合我国国 情的， 但山于超硬刀具材料特殊的组织结构和物理性能， 使其切割加工生产率极其低下 ( 低 于4 m m /m in ， 将 基 体材 料的 厚 度计 算 在内 ， 下同) 4 57探求用电火花线切割的方法来高效实现对此类刀具材料的切割加工，对我国刀具制 造业适应现代制造技术发展的需要， 提高先进材料刀具制造的技术水平具有重 要的现实意义。武汉职业技
12、术学院机电工程学院现代制造技术中心是湖北省教育厅和教育部重点资助的 全国职业教育紧缺人才培养基地， 现代制造技术中心现有加工中心、数控车床、数控铣床、数控线切割机床、数控电火花成型机床、三坐标测量机等先进制造、 检测设备6 0 余台套， 对湖北周边地区教学单 位、加工制造企业具有广泛的 辐射作用。武汉职院现代制造技术中心 在教学生产过程中注重先进刀具及先 进材料刀具的华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文使用和推广， 也曾经为木地板生产企业制造过 P C D木地板开槽刀具， 但 P C D刀片的 线切割分割相当困难，本研究正是以次为契机， 在查阅大量国内外相关资料的基础上提出来的，本研
13、究的结论将有助于本中心将来更好地服务于社会、超硬材料刀具在我中 心的制造和使用实践，必 将更好地发挥我中心的示范和辐射作用。3 国内外研究概况由 于 W E D M 机床系统一般设计为在工模具制造行业切割加工淬火钢的模具零件，而我国的超硬材料刀具的应用还不是很普遍，刀具的供应一般 由英国、美国、日 本等国在中国的合资企业采用引进设备生 产提供 ( 刀片的分割基本上采用激光切割的方法) ，所以国内外相关的报道还不是很多，用电火花加工方法加工超硬刀具材料的零星报道大致有如下一些:1 ) ( R C 线路脉冲 电源在聚晶金刚石( P C D ) 等高阻抗材料的电火花加工中的应用 ，指出加工放电电压可
14、高达 4 0 0 V ,2 ) 金刚石与磨料磨具工程2 0 0 4 年第2 期刊登了曹凤国、桂小波的 大面 积P C D 复合片电 火花加工高效节能脉冲电 源的 研究 一文， 文章通过对大面积P C D 复合片材料物理特性的分析及电火花放电加工 P C D表面放电机理的研究，分析了电火花加工大面积 P C D复合片时影响加工速度及表面质量的重要因素，提出了一种高效、节能、环保型电火花专用脉冲电源，关键之处在于脉冲电源的能量。3 ) 一种新型的电火花加工电 源 ，电加工与模具杂志 2 0 0 2 年 3期介绍了一种高 低压复合的电加工高频脉冲电 源，高 压达到4 0 0 V ，低压保持在 6 0
15、 V 左右， 用于 放电成形加工效果稳定。4 ) 一种单片机控制的高频脉冲电 源， 武汉职业技术学院校内 科研项目， 有产品样机，由本人主要完成，但加工的对象仍为常见材料。5 ) 电加工与模具2 0 0 3 年第 2 期介绍了大连理工大学机械工程学院李洪友等人的 绝缘栅双极晶体管脉冲斩波器的设计与 应用文章，讨论了绝缘栅双极晶体管在大电流脉冲斩波器中的应用，电力电子器件的应用值得借鉴。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文6 ) 金刚石与磨料磨具工程1 9 9 8 年第4 期介绍了赵秀香、冯克明等人的 电火花线切割在 P C D 加工方面的 研究文章，介绍了使用电火花线切割加工 P C
16、 D 材料时机床的改 进、切割的生产率、 加工质量 等几个方面的 试验情况。以上研究的结论对本文的借鉴之处有:1 ) 解决超硬刀具材料W E D M 的 关键是 脉冲的能量问 题 0 3 12 )电 力电子器件的发展应用为本文提供了良 好的 物质基础 1 7 3 13 ) 单片机脉冲波形发生器可为本文的 研究带来便利和准确性4 本文所做的工作作者在 “ 超硬刀具材料电火花线切割加工 ( W E D M ) 加工参数的试验研究”中将主要完成以下工作:1 )试验方案设计针对超硬刀具材料的特性和电 火花线切割加工生产率的影响因素，结合正交试验的理论，对 电火花线切割加工的主要工艺参数:放电电压、放 电电流、脉冲宽度、脉冲间隔进行合理组合，设计出正交试验的方案，制定正交试验表格。2 ) 放电加工工艺系统的改造生产现场实际使用的电火花线切割机床是为切割钢件设计和制造的， 其加工参数的调整范围远远不能满足试验研究的需要， 需对其高频脉冲电 源进行较大的改 造，以 得到大范围的试验条件。相应地， 还须
