摘要　聚晶金剛石具有優良的力、熱、化學、聲、電等性能，在現代工業、國防等領域中得到日益廣泛的應用。但是，聚晶金剛石硬度高，耐磨性好，其成型加工非常困難，超聲電火花機械復合加工技術是一種有效的加工方法。本研究在分析電火花超聲機械復合加工原理的基礎上，采用青銅結合劑金剛石砂輪實現了聚晶金剛石的超聲電火花機械復合加工。實驗分析了超聲電火花機械復合加工過程工藝參數與加工效果之間的關系，結果表明，脈寬、脈間、峰值電流、超聲振幅、開路電壓等參數對復合加工過程工藝結果的影響程度較明顯。

　　聚晶金剛石（Polycrystalline Diamond,PCD,）是由人造金剛石微晶體在1400℃、60Gpa下燒結而成的超硬復合材料。在燒結過程中，由于加入了黏結劑，金剛石晶粒間形成了以ＴiC、SiC、Fe、Co和Ni等為主要成分的結合橋。聚晶金剛石以其優良的力、熱、化學、聲、電等性能，在現代工業、國防等高新技術領域中得到日益廣泛的應用[1－3]。
　　目前使用的大多數PCD是金剛石與硬質合金基體燒結而成的復合體，金剛石表面鍍覆有一層高熔點金屬層。由于PCD結合橋具有導電性，使得PCD可以切割成形，制成各種刀具，且成本遠遠低于天然金剛石。它具有與天然金剛石相近的硬度和比天然金剛石還要好的耐磨性，被廣泛用于拉制各種金屬線材的拉絲模、石油地質鉆頭、砂輪修整筆等用途【4】。
　　聚晶金剛石雖然具有許多優良的性能，但由于其硬度很高，耐磨性好，其成形加工非常困難，嚴重防礙了它的推廣應用，因此，研究其加工方法特別重要。美國、英國、中國、日本、德國、南非、瑞士和法國等國家都在進行該領域的研究。其加工方法主要有金剛石砂輪磨削、研磨、電火花加工、激光加工、電化學加工和超聲加工以及復合加工技術[5－8]。其中復合加工技術具有精度高和加工效率高的特點，被廣泛應用于聚晶金剛石的精密加工。超聲電火花機械復合加工集電火花超精加工、超聲波加工和機械磨削加工之優點，以其獨特的加工方法可以對聚晶金剛石等超硬材料進行加工。

　　本研究采用青銅結合劑金剛石砂輪實現了聚晶金剛石的超聲電火花機械復合加工，并對不同工藝參數對聚晶金剛石材料去除率的影響規律進行了實驗研究。

　　1 電火花超聲機械復合加工原理
　　電火花超聲機械復合加工是采用金屬基金剛石砂輪作為工具電極，工件輔以超聲振動，通過選取合理的金屬結合劑種類，砂輪粒度與濃度，砂輪轉速，電加工主要參數如脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、超聲振動頻率、振幅等，實現對聚晶金剛石材料的高效精密加工。當砂輪中金屬結合劑與聚晶金剛石材料之間存在高壓時，即產生火花放電，在蝕除聚晶金剛石材料的同時，金剛石砂輪中的結合劑也會同樣被蝕除，因此，電火花放電對砂輪具有修整作用，砂輪中的金剛石磨粒始終會保持鋒利，并不斷地對聚晶金剛石材料產生研磨作用，通過工件的超聲振動，加快工件聚晶金剛石材料的去除。這樣，通過金屬結合劑與聚晶金剛石材料之間的火花放電、金剛石砂輪與聚晶金剛石材料之間的機械研磨和工件振動的三重作用，實現聚晶金剛石材料的高效精密加工。加工原理示意圖如圖1所示。

　　2.電火花超聲機械復合加工工藝的實現

　　2.1砂輪的選擇
　　電火花超聲機械復合加工使用的金剛石砂輪的磨料不導電，高溫下具有較高的穩定性，砂輪的結合劑和基體必須導電。
　　本研究選擇青銅結合劑金剛石砂輪，砂輪的基體選擇鋁合金，變幅桿與金剛石砂輪做成一體的機構。
　　本研究采用金剛石砂輪的結構如圖2所示。

　　2.2磨削液的選用
　　磨削液具有冷卻和潤滑作用，還具有介電液的絕緣作用，因此選用DX-1型乳化液作為磨削液。該乳化液多用于電火花線切割加工，具有較好的冷卻、潤滑和清潔性能。

　　2.3試驗條件
　　開路電壓選擇80Ｖ，120Ｖ，160Ｖ和200Ｖ；峰值電流選擇1~8Ａ；脈沖寬度為5~60μS；超聲頻率選擇19~26KHz；超聲振幅為8~18μm。

　　3電火花超聲機械復合加工的工藝規律

　　3.1脈沖寬度的影響
　　電火花加工單個脈沖能量是放電電壓、放電電流和脈沖寬度的函數，即：
　　Ｗm＝ 　　　（1）
　　式中： 、 為放電間隙中隨時間而變化的電壓和電流：
　　為單個脈沖實際放電時間，即脈寬。
　　因此脈寬的大小與單個脈沖能量密切相關，而單個脈沖能量與材料去除率具有直接的關系。
　　圖3是當峰值電流一定時脈沖寬度對材料去除率的影響規律，可以看出，脈沖寬度對加工效率影響較為明顯。對于矩形波脈沖電火花電源，當峰值電流為定值時，脈沖能量的大小與脈沖寬度成正比關系。當脈沖寬度增加時，加工速度達到最高；如果脈沖寬度繼續增加，加工速度卻有下降趨勢。因為隨著脈寬的增加，單個脈沖能量逐漸增大，加工速度也逐漸增高。當脈沖寬度增大到一定數值時，雖然單個脈沖的能量是增大的，但轉換的熱能大部分分散在電極、工件之間，對蝕除作用的貢獻不大。當其它加工條件不變時，隨著單個脈沖能量的增大，蝕除產特也隨之增多，使得排氣和排屑條件惡劣，間隙的消電離時間不足，加工穩定性也相應惡化，脈沖能量不能充分被利用，因而加工速度有降低的趨勢[9]。

　　3.2脈沖間隔的影響
　　圖4是脈沖間隔對聚晶金剛石材料去除率的影響規律。可以看出，在一定范圍內，即當脈沖間隔大于20μs時，隨著脈沖間隔的減小加工速度逐漸升高；當脈沖間隔小到一定程度，即當脈沖間隔小于20μs時，加工速度隨著脈沖間隔的減小反而降低。這是因為當脈沖間隔減小時，單位時間內有效工作脈沖數多，加工電流隨之增大，加工速度相應提高。但脈沖間隔小到一定數值時，如果繼續減小，加工區的工作液來不及消電離和排除電蝕產物，將導致穩定電弧放電，正常的電火花加工過程將繼續進行，致使加工速度有所降低。

　　3.3　峰值電流的影響
　圖5是在三種不同脈寬條件下，峰值電流對材料去除率的影響規律。可見當脈寬和脈間為定值時，加工速度隨著峰值的增加而增加。這是因為增大峰值電流等于單個脈沖能量增加，因此加工速度也隨之提高。必須指出，圖5是在一定條件下的試驗曲線，當峰值電流很大（即單個脈沖放電能量很大）時，將和脈沖寬度再增大一樣，加工速度反而下降。
此外，當峰值電流增大到某一臨界數值時，工件表面有可能出現微裂紋[10]，加工表面產生拉應力。因此應該控制放電能量，尤其是控制峰值電流或脈沖寬度的數值[11，12]。

　　3.4超聲振幅對加工效果的影響
　　在電火花超聲機械復合加工過程中，超聲振動參數主要包括超聲振動的振幅和振動頻率。試驗表明，工具振動頻率對加工速度的影響很小，工具振幅的大小對材料去除率影響較大，超聲振幅對加工效率的影響曲線如圖6所示。可以看出隨著超聲振幅的增大，蝕除速度隨之提高。

　　3.5開路電壓與加工效率之間的關系
　　圖7是開路電壓對復合加工過程加工速度的影響規律。可以看出，隨著開路電壓的增大，加工速度也提高，當開路電壓達到160Ｖ時，加工速度達到最大值。
　　當開路電壓大于160Ｖ時，加工速度隨著開路電壓的增大有所下降。當開路電壓提高時，工具和工件兩極間場強增大，在放電通道內部電流密度也隨著增大，單脈沖能量也增大，因此加工速度隨著提高。如果開路電壓繼續增大，放電通道繼續膨脹，電流密度也隨著增大，兩極間容易形成拉弧現象，因此會致使加工速度下降。

　　4結論
　　（1） 聚晶金剛石硬度高，耐磨性良好，成型加工非常困難，超聲電火花機械復合加工技術是一種有效的加工方法。
　　（2） 超聲電火花機械復合加工技術的加工原理與電火花加工和磨削加工的物理過程非常相似，都是通過電火花放電加熱工件，將聚晶金剛石材料熔化或氣化，達到蝕除工件材料的目的，加工后形成的放電熱影響層隨著被砂輪的磨削和超聲波的復合作用而被去除。
　　（3） 在分析電火花超聲機械復合加工原理的基礎上，采用青銅結合劑金剛石砂輪實現了聚晶金剛石的超聲電火花機械復合加工。
　　（4） 通過實驗分析了超聲電火花機械復合加工過程加工參數與加工工藝效果之間的關系，實驗結果表明，脈寬、脈間、峰值電流、超聲振幅、開路電壓等對復合加工過程工藝結果的影響程度較明顯。


　　參考文獻：
　　[1]　張勤儉，曹鳳國，王先逵。聚晶金剛石的應用現狀和發展趨勢[Ｊ]。金剛石與磨料磨具工程，2006９1０：71－74.
　[2]　PETER J H..Developments in application of PCD tooling[J].Journal of Materuaks Processing Tehnology,2001,116:31-38.
　　[3]　丁濤.聚晶金剛石加工技術[Ｊ].機械設計與制造工程，2000，29９1０：3－4.
　　[4]　CAO F G.A new technology of high-speed machining polycrystalline diamond with increased electric discharge breakdown explosion fowce[J].International Symposium for Electro-Machining(ISEM-9),Japan,1989.
　　[5]TSO P L，LIU Y G.Study on PCD machjining[J].International Journal of Machine tools Manufactuer,2002,42:331-334.
　　[6] THOE T B,ASPINWALL D K,WISE M H H,et al.Polycrystalline diamond edge quality and surface integrity following electrica discharge grinding[J].Journal of Materials Processing Technology,1996,56:773-785.
　　[7]　SUZUKI K,UEMATSU T,NAKAGAWA T.On-machine truing/dressing of metal bond diamond grinding wheels by electro-discharge machining[J].Annals of CIRP,1987,36(1):115-118.
　　[8] KOSHY P,JAIN V K,LAL G K.Mechanism of material removal in electrical discharge diamond grinding[J].Int.J.Mach.Tools Manu-fact,1996,36(10):1173-1185.
　　[9] 曹鳳國，電火花加工技術[Ｍ]。北京：化學工業出版社，2005.
　　[10]　張云，周繼烈，王家平，硬質合金電火花加工高效低損耗新技術的研究[Ｊ].機電工程，1995（4）：47－48.
　　[11]　周繼烈，凌湛，徐建中.硬質合金電火花加工裂紋特性分析[Ｊ].電加工與模具，2003（6）：19－23.
　　[12]劉毅克，鄒靜.硬質合金模具放電加工工藝參數探討[Ｊ].輕金屬，2000９7０：51－53.


　　作者簡介

　　張勤儉，男，1972年生，博士，教授。主要研究方向為微納特種加工技術、精密拉絲模具制造技術、微孔精密加工技術、表面工程技術。