木工聚晶金刚石刀具高效加工设备及工艺

邓杰军 ，侯 磊 ，张宝华

（1.北京诺伟软件科技有限公司，北京 101300；2.北京安德建奇数字设备股份有限公司，北京101300）

聚晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）是指将金刚石微粉（粒度为微米级）与少量的金属粉末（如Co）混合并在高温（1400℃）、高压下烧结而成的聚晶体，具有硬度高（硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍）、抗压强度高、导热性好（导热系数700 W/mk，为硬质合金的1.5～9倍）、耐磨性好等特性[1-2]。通常可将厚度为0.4～0.6 mm的聚晶金刚石层在高温、高压下牢固地和硬质合金衬底结合成一种超硬复合材料，如PCD复合片，该材料既具备了PCD的高硬度、高耐磨性，又兼有硬质合金的良好强度和韧性。PCD复合片具备了应用在切削刀具上的可能性，而使用最广泛的PCD复合片刀具是金刚石刀具，后者可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率，被大量应用于汽车、航空航天、木工等行业领域。

木地板中的强化复合木地板，学名为浸渍纸层压木地板（laminate wood flooring），有四层结构，其中耐磨层的材料主要为三氧化二铝（Al2O3）和三聚氰胺，而Al2O3的硬度（莫氏硬度9）仅次于立方氮化硼（CBN）和金刚石（PCD），目前只能用金刚石刀具来加工。在强化复合木地板生产流程中，有两道工序需进行金刚石刀具（盘式刀具）切削加工：一是大板分片，二是企口（有平口和锁扣两种廓形），都需用PCD金刚石刀具进行预切、倒角、精修、锁扣、成形等加工。

用PCD金刚石刀具进行加工和修磨主要采用树脂结合剂金刚石砂轮和电火花放电（成形、线切割）进行磨削的工艺方法。由于金刚石砂轮磨料与PCD之间的磨削是两种硬度相近的材料间的相互作用[3]，金刚石砂轮消耗较大、加工成本高，而电火花放电磨削技术几乎不受工件硬度的影响，故采用电火花放电磨削PCD刀具优势较大[3]，尤其是复杂形状PCD刀具（如木工刀具）的磨削对此类磨削工艺需求巨大。然而，针对复杂形状PCD刀具（如木工PCD成形刀具），无论是金刚石砂轮或电火花放电（成形）磨削都存在金刚石砂轮和电极轮制作难的问题，其复杂的磨削运动轨迹会对刀具刃口的形状精度控制造成影响；若金刚石砂轮或电火花放电电极轮的直径过大，会干涉PCD盘状刀具的刀齿且加工效率不高；若用直径0.07～0.3 mm的电极丝对复杂形状PCD刀具进行放电切割磨削，则可获得较高形状精度的刀具刃口，且不受加工余量影响，加工效率高、成本低。但目前用于PCD刀具加工的放电线切割磨削设备主要来自德国Vollmer，设备结构复杂、价格高、耗材成本高，国内大部分木地板行业的PCD刀具加工企业和修磨点没有足够实力购买和使用其设备。

本文结合往复走丝电火花线切割机床[4]的加工机理、主要结构及低成本特点，研究了一种能加工木地板行业PCD金刚石刀具的具有多次切割功能的往复走丝电火花线切割机床，满足了刀具刃口圆周跳动小于0.02 mm、形状误差小于0.015 mm的精度要求，以及加工直径在250 mm范围内且不大于24齿的盘式刀具加工，并对机床结构、脉冲电源、控制系统、编程方式等方面进行了系统的介绍。

1 机床整体结构设计

如图1所示，在往复走丝电火花线切割机床主机上增加三种关键部件：刀具装卡机构、角度测量机构及适应于PCD刀具切割的U轴切割丝架机构。其中，刀具装卡及旋转机构用于固定需要加工的盘状刀具；角度测量机构用于测量每个需要加工的刀齿角度并提高机床自动化加工能力；U轴切割丝架机构配合X、Y轴用于加工盘状刀具的侧后角。主机床身采用T形结构，工作台无悬浮，有利于承重且加工稳定性好；X、Y轴采用精密直线滚动导轨和精密滚珠丝杠副，保证了机床的运动精度和灵敏度；设计的电极丝恒张力控制系统，可使PCD刀具加工精度和刃口粗糙度得到保证。

1.1 刀具装卡机构

如图2所示，刀具装卡机构用于装卡PCD刀具，通过A轴旋转满足刀具的刀齿后角加工及多齿自动加工。对加工侧后角度大的盘状刀具或特殊刀具，可通过手动控制角度偏摆机构使盘状刀具左右偏摆，进一步完善线切割机床加工刀具侧后角的功能。芯轴的轴径有多种，可适配不同孔径的被加工刀具，使线切割机床能加工多种类型的刀具，应用更加广泛。

图1 机床整体结构示意图

图2 刀具装卡机构结构示意图

由于盘状刀具的齿数都是多齿（最少2齿），同时其形状误差要求控制在0.02 mm以内，为达到高精度和全自动化，需配置高精度A轴。首先，A轴采用配有减速比100∶1的谐波减速机构的交流伺服电机驱动，分辨率为0.001°，整个系统具有较高的定位精度和重复定位精度，保证了刀具加工精度；其次，A轴工作台采用快速换卡头结构，可实现快速装卡和精确定位；第三，A轴整体采用密封设计，可实现浸泡加工，符合IP68防护等级；最后，采用A轴旋转轴和壳体绝缘设计，以适应放电加工机床，可承受的最大加工电流为64 A。

1.2 角度测量机构

PCD盘状刀具由多个刀齿组成，由于PCD片焊接在每个刀齿上，会造成刀齿之间的等分度数不尽相同，需在线检测同时自动记录每个刀齿之间的分度度数，加之有些形状的刀具需通过多点检测自动计算刀具形状，因而一套高精度刀具自动测量系统就能很好地解决上述问题，从而提高机床的效率和自动化水平。自动测量系统通过数字控制（NC）程序控制高精度测头进行测量并记录数据到控制系统寄存器中，NC程序通过调用寄存器中的检测数据自动加工PCD盘状刀具的每个刀齿。

如图3所示，角度测量机构包括固定座、壳体、偏摆杆和测针，其中偏摆杆处于壳体内部，可旋转一定的角度。壳体内部安装有电路模块，可通过识别偏摆杆的旋转角度来检测测针的轻微移动，并进行记录，最终得出两个相邻刀齿与刀具圆心连线的夹角数值。通过A轴旋转和X、Y轴联动，角度测量机构可实现对每个刀齿的定位、记录和角度自动测量，PCD盘状刀具的每个齿刀就可实现自动加工。

图3 角度测量机构结构示意图

1.3 U轴切割丝架机构

PCD刀具线切割机床的电极丝运丝机构和传统线切割机床的运丝机构有很大不同。传统运丝机构的两个主导轮之间距离过大，导致切割PCD盘状刀具密齿时发生干涉。直径为250～300 mm的盘状刀通常有24齿，每二齿之间的距离为30～40 mm，加上后角一般要求两个主导轮之间的距离不大于65 mm，因此为了满足密齿刀具加工，本文设计了独特的U轴切割丝架机构，见图4。

图4 U轴切割丝架机构示意图

U轴切割丝架机构主要为了满足PCD盘状刀具后角、侧后角的加工要求。盘状刀具的后角定位是依靠刀具装卡机构中的A轴旋转来实现：根据设定的参数，加工程序令A轴自动旋转，并带动盘状刀具旋转，将每个刀齿的后角依次旋转到需要加工的位置。刀具的侧后角定位是依靠U轴切割丝架机构中的U轴移动来实现：根据设定的参数，加工程序令U轴自动移动使电极丝倾斜，从而对刀齿的侧后角进行加工。

U轴切割丝架机构整体随着Z轴上下移动，可满足不同直径的刀具高度要求。U轴切割丝架机构中的上、下主导轮可通过U轴移动组件使二者之间的电极丝左右移动，从而满足刀具侧后角左、右方向的加工要求。下主导轮有多种配置，当被加工刀具为多齿刀具时，下主导轮的直径较小，可深入到刀齿之间加工，操作方便且加工更精密；当被加工刀具为少齿刀具时可更换为大直径导轮，在保证加工质量的同时有利于提高其使用寿命。

为了保证加工过程稳定进行，U轴切割丝架机构设计了独特的稳丝机构和喷淋机构。稳丝机构可使电极丝在加工过程中运行平稳，减少丝的抖动，提高切割表面质量；喷淋机构对电极丝进行喷淋冷却，防止加工过程中局部温度过高而引起断丝。此外，U轴切割丝架机构还设计了挡水板，防止喷淋装置在喷淋冷却过程中，其中的冷却液喷溅到工作台其他部位。

2 脉冲电源改进

PCD材料电火花放电切割速率与放电参数的关系见图5～图8，可知，对于开路电压和峰值电流而言，其参数大小与切割速度成正向关系；对于脉冲宽度与脉冲间歇而言，其起初参数的增加能提高切割速度，而后期参数的增加则会降低切割速度[5]。因此，本文将切割PCD金刚石刀具时的电火花线切割机床脉冲电源参数设定为：开路电压为70、120、250 V三档可调；峰值电流在0.5～64 A范围内按照1248 编码方式调节；脉冲宽度为 0.5～250 μs；脉冲间歇在 2～1000 μs范围内可按照最小0.5 μs的单位任意调节。上述参数下的脉冲电源可产生不同的脉冲波形（矩形波、分组脉冲等），满足PCD金刚石刀具放电切割及多次切割的需要，从而实现较高的表面质量及切割精度[6]。

图5 开路电压与加工速度的关系

图6 峰值电流与加工速度的关系

图7 脉冲宽度与加工速度的关系

图8 脉冲间歇与加工速度的关系

3 数控系统及自动编程系统

为了实现PCD盘状刀具的全自动加工，机床至少需要 X、Y、U、A、Z 五个数控轴。其中，X、Y 轴控制刀具切割位置和形状；A轴实现刀齿定位和后角加工；U轴实现刀具的侧后角加工；Z轴主要配合测量系统进行在线测量；X、Y、U、A四轴能实现联动加工。同时，设计的机床数控系统采用ISO GM代码编程控制，需支持加、减、乘、除、开方及三角函数的计算功能才能通过检测数据自动计算刀具形状，还需具有自动检查功能，通过程序控制测头来进行位置检测并自动记录检测数据。由于刀具有前角、后角、侧后角和面角等参数，自动编程系统需对刀具加工CAD图形进行三维投影变换，并根据刀具参数自动计算出刀具的切割轨迹，再结合切刀工艺要求自动产生加工程序，才能加工出满足精度要求的形状。图9是自行开发的刀具切割数控系统与CAM自动编程系统界面。

图9 数控系统与自动编程系统界面

4 典型PCD盘状刀具加工

利用前文所述设计对典型的24刀齿PCD盘状刀具进行加工，如图10所示：刀具直径为250 mm，前角为 12°，后角为 15°，面角为 0°，侧后角为 4°。

图10 24刀齿PCD盘状刀具

该PCD盘状刀具利用往复走丝电火花线切割机床加工的主要操作步骤如下：

（1）清洗盘状刀具，并将其安装于机床A轴上，旋转A轴将任意一个刀齿转到A轴中心位置。

（2）测量盘状刀具各刀齿的分度值，并自动记录在控制系统寄存器中。

（3）在CAD软件中调入盘状刀具加工图形，并进行切割路径转换，如图11所示：通过指定穿丝点、切入点、切割方向等将图形转换成加工轨迹，再输入路径文件名并存储。

图11 刀齿切割路径

（4）进入 CAM自动编程界面，勾选“加工刀齿”，先输入刀具的各项参数（如后角、面角、前角、侧后角、刀齿直径等），再选定需要加工的刀具CAD图形（DXF文件），然后输入刀齿数、程序名，点击“产生程序”即自动产生加工程序，最后在加工画面执行该程序即可实现整个刀齿的自动加工。

（5）用投影仪将图像放大20倍并与加工图纸进行比对，以检测每个刀齿的形状误差。每个刀齿的切割长度为17 mm，需切割加工3次。刀齿右边侧后角和左边侧后角分别加工，先令U轴向负方向倾斜加工右边侧后角，每齿加工时间为6 min，24齿共需144 min；再令U轴向正方向倾斜加工左边侧后角，每齿加工时间为1.5 min，24齿共需36 min，整个刀的加工时间为180 min。而采用电火花磨削加工方法约需要5小时，与之相比本方法的加工效率约提高40%，且加工后整个PCD盘状刀具24个刀齿的端面跳动误差小于0.015 mm、径向跳动误差小于0.02 mm。

5 结束语

利用具有多次切割功能的电火花线切割加工技术特点及其使用成本优势，结合木地板行业聚晶金刚石刀具制作需求，本文研究开发了一种能满足木地板行业聚晶金刚石刀具加工的往复走丝电火花线切割机床，并对该机床的主要机械结构、脉冲电源参数、控制系统功能及加工工艺等进行了系统介绍，有助于改变现有木地板行业聚晶金刚石刀具加工工艺方法，从而提高生产效率、有效降低刀具加工制造成本，对木地板行业聚晶金刚石刀具制造产业调整升级起到帮助作用。