双线电极电火花磨削聚晶金刚石超薄切割片实验研究

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聚晶金刚石(Polycrystalline Diamond,PCD)超薄切割片广泛应用于贵重半导体材料、磁性材料、超导材料以及硬脆材料的精密微细切割与开槽。但国内对PCD超薄切割片加工的研究起步较晚,研究较少,只能生产部分品种,在中、低精度领域可以代替进口产品,在高精度领域仍依靠进口。PCD超薄切割片难加工部分为PCD层,电火花加工被认为是加工PCD的合适方法,但目前电火花加工PCD超薄切割片都为单线加工(单侧加工),加工效率较低,为此提出了双线电极电火花加工PCD超薄切割片,可同时加工PCD层两侧,以提高加工效率。首先对双线电极电火花磨削PCD超薄切割片的加工方法进行介绍,并对PCD切削刃的成型过程进行了简析。其次使用仿真软件COMSOL对单线电极和双线电极加工过程进行了热结构耦合仿真。仿真研究表明双面加热不会使PCD超薄片边缘发生明显翘曲。基于超薄片加工需求分析,搭建了可实现双线电极电火花磨削超薄切削刃的卧式加工装置。并使用钨钢超薄片进行了可行性加工实验,实验结果表明双线电极电火花磨削加工方案可以实现超薄片切削刃的加工。在双线电极电火花磨削超薄片切削刃可行性验证实验的基础上,进行了PCD超薄切割片加工工艺规划。将电火花加工PCD超薄切割片工艺划分为粗加工和精加工:粗加工采用大放电能量慢走丝机床蚀除PCD超薄切割片金属基体,以缩短加工时间。精加工采用双线电极磨削PCD切削刃。在PCD超薄切割片粗加工实验中发现使用黄铜电极丝对PCD材料的加工效率低。为提高PCD材料的加工效率,使用含有与碳具有高反应活性的过渡金属作为工具电极;为了避免电火花加工PCD石墨化使用气中电火花加工方法;综合以上两点,提出了PCD的干式接触式放电加工(Dry Contact Electrical Discharge Maching,DC-EDM)方法。通过实验研究得出结论:1)低放电能量下,在气体介质中电火花线电极可持续稳定的加工PCD(金刚石平均粒径5μm)。2)在一定条件下接触式放电加工PCD的加工效率比非接触式放电加工的加工效率要高。对提高PCD加工效率机理进行了分析。最后使用含有过渡金属的白铜电极丝在空气介质中采用接触式加工方法加工PCD超薄切割片,加工出边缘厚小于50μm的PCD切削刃。表明提出的双线电极电火花磨削加工可实现PCD超薄片切削刃的加工。为进一步提高电火花加工PCD材料的加工效率,提出了使用高低压复合脉冲电源加工PCD。使用DSP(Digital Signal Processing)+FPGA(Field Programmable Gate Arrary)对加工过程中极间信号转换并控制高低压复合脉冲电源。绘制了电源功放板原理图并制作了PCB板。最后通过实验验证了高低压脉冲电源可提高电火花加工PCD效率。本文为提高PCD超薄切割片的加工效率,提出了双线电极电火花磨削PCD超薄切割片的加工方案,并进行了初步研究。为实现PCD超薄切割刀片的高效、高精和高质加工奠定了基础,对掌握高性能PCD超薄切割片制造技术具有重大意义。
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