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ANCA新型EDG使PCD刀具生产效率成倍提升

日期: 2021-02-26    来源:刀具商务网

  2011年,当ANCA与Precorp公司(现隶属于山特维克集团)合作创建ANCA EDG(电火花磨削)磨床时,目标非常明确。两家公司都希望创建一个高性能的旋转电火花加工(EDM)平台,该平台不仅能生产出一流的几何形状的刀具,其循环时间也应当处于市场领先的水平。

  这一创新出自ANCA创始人兼董事总经理Pat Boland先生,他敏锐地意识到,要想超越现有的竞争对手,需要的是大脑而不是蛮力。“融蚀过程既简单,又复杂。该工艺的基础是使用正负电极和电解液,与材料一起产生电火花。ANCA在制造世界一流的硬质合金和高速钢刀具方面已有45年的经验,我们希望在PCD刀具领域中也能发挥我们的技术。”Boland先生表示。

  研发ANCA EDG磨床的主要动力在于,它需要足够简单,以便能够轻松创建所有类型的钎焊剪切槽类刀具,但它也要足够复杂,以便创建无限多种螺旋类型的整体顶尖,脉纹和雪佛龙PCD刀具。Boland先生补充道:“我们很早就意识到,我们希望让客户能够创建复杂的刀具几何结构,那么在保持精确的融蚀间隙距离的同时,进行5轴插补将是一项挑战。”

  彼时,Pat Boland先生,来自墨尔本大学的电气工程硕士,拜访了皇家墨尔本理工大学,并与当年电气工程博士学位的候选人,如今的Dr. Kotler Tee相遇。Dr. Tee提出了值得推敲的的设想,并很快被ANCA聘请,来领导EDG融蚀工艺的创建和部署。Pat Boland和Dr. Tee并肩工作,提出构想,共同创建了当今市场上技术领先的融蚀工艺。

  步骤1:使用智能自适应控制(IAC)维持最佳的火花融蚀间隙

  他们需要解决的首要任务是,无论是在简单的二维还是复杂的三维路径下,都要保持最佳火花融蚀间隙。“在融蚀过程中,保持最佳的火花融蚀间隙是高效的基础。对于旋转二维路径计算来说,保持最佳间隙非常简单。但是,当三维路径计算涉及4个或5个轴同时移动时,表面积、体积和路径的变化都将成为挑战,”Dr. Tee说。“从测试中,我们发现,标准做法是简单地将磨床进给速度设置为允许的最低值,以保持可用的火花间隙距离。然而,这会导致大量的‘空运行时间’,并大幅降低进给速度。”为了保持较高的进给速度并保持最佳火花融蚀间隙,智能自适应控制的概念应运而生。

  智能自适应控制(IAC)是实时的、伺服控制的功能,可在线自动监测并主动控制融蚀间隙距离。IAC利用ANCA Motion AMD5x控制系统的EtherCAT功能,使磨床运行与发电机性能同步。IAC调整并保持最佳的火花间隙距离,这对于在钻头和立铣刀上融蚀三维几何形状(如PCD凹槽和切口)非常重要。几何形状决定了多达5轴的同步运动,IAC自动调整间隙距离和磨床进给速度,以优化融蚀速度和表面光洁度,这也就是指,当融蚀沿着线性路径时进给速度加快,当路径发生变化时进给速度减慢。

  “融蚀路径的变化可能导致电极轮太靠近刀具,或从刀具上脱落。这会导致轨道上既可能产生优质的火花,也可能产生不良的火花,甚至遗漏火花。”Dr. Tee补充说。IAC能自动考虑这一点,并在任意可变路径的长度上保持尽可能快的进给速度。自然地,这能提高进给速度,避免热损伤,提高表面光洁度,增加材料去除率(MRR)并缩短循环时间。

  IAC的另一个好处是可以轻松制造PCD和硬质合金的微型刀具。当IAC保持最佳距离时,砂轮碰撞的机会很小,因此刀具损坏的几率很低。这一点在融蚀加工直径小于0.5毫米的刀具时至关重要。

  步骤2:使用自适应电火花控制(ASC)优化融蚀过程

  下一个挑战是创造最佳火花以促进融蚀过程。电流、电压、持续时间、关闭时间以及因此而引起的火花强度会根据被融蚀的材料不同而变化。也就是说,与硬质合金(HM)和高速钢(HSS)相比,PCD将需要调整更多参数。难点在于,PCD晶片通常是0.6毫米的PCD,带有1毫米硬质合金背衬。就像山特维克“纹理”工艺一样,人字纹刀具和整体顶尖的刀具也烧结在硬质合金背衬上。当剧烈融蚀(例如粗加工)时,铜电极轮会沿PCD-硬质合金边界融蚀。针对PCD优化的融蚀参数可能会无意中融蚀硬质合金背衬。相反的情况下,又会导致PCD-硬质合金边界处的过度融蚀,这被称为“咬边”,即它选择性地融蚀了PCD层下的硬质合金。此外,它还可能导致“钴浸出”,即PCD粘合剂钴被优先融蚀掉,而留下裸露的PCD层。

  这类似于在铺好的道路地基下进行挖掘。如果你从路面下挖太多的材料,路面最终会塌陷。机械加工试验表明,粗加工过程中的咬边和渗钴会导致切削刃脆化和刀具过早磨损。为了避免这种情况发生并优化融蚀过程,自适应电火花控制(ASC)应运而生。


既简单又复杂的PCD刀具。整体顶尖PCD钻头质量出众

  ASC在发电机本身上使用超快速EtherCAT伺服系统以及DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)。 EDG融蚀发生器能够实时监控和处理每个火花。每个火花的波形被自动监视,并根据被融蚀的材料、融蚀间隙距离和其他最佳融蚀过程中的必要因素进行分类。发生器随后可以动态调整每个火花的能量水平(电流,电压,持续时间和关闭时间)以适应被融蚀的材料。

  ASC优化了融蚀过程,从而减少了钴的渗出并减少了PCD-硬质合金边界处的咬边,可以生产出更强的切削刃和更不易崩刃的成品刀具。这有助于延长刀具寿命,减少刀具磨损并降低刀具成本。测试表明,CFRP(碳纤维增强塑料)刀具寿命增加了60%。

  以上智能融蚀控制系统受到ANCA的专利保护。


0.4毫米整体顶尖PCD钻头

  第3步:使用ANCA Motion SparX融蚀发生器增大电力电子设备的功率

  难题的最后一步是优化电子器件,以期在实现更高表面光洁度的同时,实现更高、更强的融蚀。ANCA依靠其姊妹公司ANCA Motion的专业技术解决了这一难题。基于AMD5x伺服平台,高级电气工程师Richard Colin负责创建行业领先的融蚀发生器。Richard擅长高频、大功率电子设备,在ANCA Motion工作之前,他曾为航空业设计过地面动力装置(GPU)。“我抓住了这个机会。我一直期待研发最新的一流半导体电力电子产品,以实现宽带隙开关速度。”

  与等效元件相比,每脉冲兆安培技术使ANCA客户能够扩大其可达到和使用的功率范围。ANCA Motion SparX融蚀发生器在超重型粗加工到超精细精加工操作范围内表现出了卓越的性能,利用微脉冲技术进行高能量密度烧蚀,其带来的优秀可控性为客户提供优化的进给速度、优越的表面光洁度和大幅减少的循环时间。这种脉冲精度能满足用于特殊的超精细抛光超低能量脉冲,也能完成快速去除原材料的高能量脉冲。

  在PCD融蚀过程中,循环时间与材料去除率(MRR)息息相关。 ANCA Motion SparX融蚀发生器利用新的超粗加工,超精加工和超精细精加工操作,可提供无与伦比的MRR增长,循环时间减少了50%。此外,在所有功率模式下,融蚀表面质量都得到了改善。使用微脉冲技术的最新 “超精细抛光”工艺可以轻松实现Ra <0.1µm和Rz <0.5µm的表面光洁度。这些操作可以生产出苛刻的切削刀具所需的优质切削刃。

  这些提升不仅帮助ANCA客户在竞争中脱颖而出,而且使刀具制造的方法更加智能。“我们与竞争对手之间的差异在于,ANCA专注于客户融蚀的目的。他们明确地告诉我们,他们想要一种针对螺旋和圆柱PCD刀具的优化工艺。我们与ANCA Motion紧密合作,设计了融蚀发生器,不仅适用于剪切类刀具,还适用于无数的高度复杂的几何形状,而不是重复使用最初为电火花加工(Wire-EDM)创建的发生器技术。我们的解决方案在整个行业中独树一帜。我们让几何参数决定工艺,而不是由过程决定可用的几何参数。”

  Dr. Tee打趣道: “我们用智慧胜过蛮力,正所谓力挑一百, 智举千斤。”

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