ANCA新型EDG使PCD刀具生產(chǎn)效率成倍提升
2021-2-26 來源：-- 作者：-
2011年，當(dāng)ANCA與Precorp公司（現(xiàn)隸屬于山特維克集團(tuán)）合作創(chuàng)建ANCA EDG（電火花磨削）磨床時(shí)，目標(biāo)非常明確。兩家公司都希望創(chuàng)建一個(gè)高性能的旋轉(zhuǎn)電火花加工（EDM）平臺(tái)，該平臺(tái)不僅能生產(chǎn)出一流的幾何形狀的刀具，其循環(huán)時(shí)間也應(yīng)當(dāng)處于市場(chǎng)領(lǐng)先的水平。
這一創(chuàng)新出自ANCA創(chuàng)始人兼董事總經(jīng)理Pat Boland先生，他敏銳地意識(shí)到，要想超越現(xiàn)有的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，需要的是大腦而不是蠻力。“融蝕過程既簡(jiǎn)單，又復(fù)雜。該工藝的基礎(chǔ)是使用正負(fù)電極和電解液，與材料一起產(chǎn)生電火花。ANCA在制造世界一流的硬質(zhì)合金和高速鋼刀具方面已有45年的經(jīng)驗(yàn)，我們希望在PCD刀具領(lǐng)域中也能發(fā)揮我們的技術(shù)。”Boland先生表示。
研發(fā)ANCA EDG磨床的主要?jiǎng)恿υ谟冢枰銐蚝?jiǎn)單，以便能夠輕松創(chuàng)建所有類型的釬焊剪切槽類刀具，但它也要足夠復(fù)雜，以便創(chuàng)建無限多種螺旋類型的整體頂尖，脈紋和雪佛龍PCD刀具。Boland先生補(bǔ)充道：“我們很早就意識(shí)到，我們希望讓客戶能夠創(chuàng)建復(fù)雜的刀具幾何結(jié)構(gòu)，那么在保持精確的融蝕間隙距離的同時(shí)，進(jìn)行5軸插補(bǔ)將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。”
彼時(shí)，Pat Boland先生，來自墨爾本大學(xué)的電氣工程碩士，拜訪了皇家墨爾本理工大學(xué)，并與當(dāng)年電氣工程博士學(xué)位的候選人，如今的Dr. Kotler Tee相遇。Dr. Tee提出了值得推敲的的設(shè)想，并很快被ANCA聘請(qǐng)，來領(lǐng)導(dǎo)EDG融蝕工藝的創(chuàng)建和部署。Pat Boland和Dr. Tee并肩工作，提出構(gòu)想，共同創(chuàng)建了當(dāng)今市場(chǎng)上技術(shù)領(lǐng)先的融蝕工藝。
步驟1：使用智能自適應(yīng)控制（IAC）維持最佳的火花融蝕間隙
他們需要解決的首要任務(wù)是，無論是在簡(jiǎn)單的二維還是復(fù)雜的三維路徑下，都要保持最佳火花融蝕間隙。“在融蝕過程中，保持最佳的火花融蝕間隙是高效的基礎(chǔ)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)二維路徑計(jì)算來說，保持最佳間隙非常簡(jiǎn)單。但是，當(dāng)三維路徑計(jì)算涉及4個(gè)或5個(gè)軸同時(shí)移動(dòng)時(shí)，表面積、體積和路徑的變化都將成為挑戰(zhàn)，”Dr. Tee說。“從測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)做法是簡(jiǎn)單地將磨床進(jìn)給速度設(shè)置為允許的最低值，以保持可用的火花間隙距離。然而，這會(huì)導(dǎo)致大量的‘空運(yùn)行時(shí)間’，并大幅降低進(jìn)給速度。”為了保持較高的進(jìn)給速度并保持最佳火花融蝕間隙，智能自適應(yīng)控制的概念應(yīng)運(yùn)而生。
智能自適應(yīng)控制（IAC）是實(shí)時(shí)的、伺服控制的功能，可在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)并主動(dòng)控制融蝕間隙距離。IAC利用ANCA Motion AMD5x控制系統(tǒng)的EtherCAT功能，使磨床運(yùn)行與發(fā)電機(jī)性能同步。IAC調(diào)整并保持最佳的火花間隙距離，這對(duì)于在鉆頭和立銑刀上融蝕三維幾何形狀（如PCD凹槽和切口)非常重要。幾何形狀決定了多達(dá)5軸的同步運(yùn)動(dòng)，IAC自動(dòng)調(diào)整間隙距離和磨床進(jìn)給速度，以優(yōu)化融蝕速度和表面光潔度，這也就是指，當(dāng)融蝕沿著線性路徑時(shí)進(jìn)給速度加快，當(dāng)路徑發(fā)生變化時(shí)進(jìn)給速度減慢。
“融蝕路徑的變化可能導(dǎo)致電極輪太靠近刀具，或從刀具上脫落。這會(huì)導(dǎo)致軌道上既可能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的火花，也可能產(chǎn)生不良的火花，甚至遺漏火花。”Dr. Tee補(bǔ)充說。IAC能自動(dòng)考慮這一點(diǎn)，并在任意可變路徑的長(zhǎng)度上保持盡可能快的進(jìn)給速度。自然地，這能提高進(jìn)給速度，避免熱損傷，提高表面光潔度，增加材料去除率（MRR）并縮短循環(huán)時(shí)間。
IAC的另一個(gè)好處是可以輕松制造PCD和硬質(zhì)合金的微型刀具。當(dāng)IAC保持最佳距離時(shí)，砂輪碰撞的機(jī)會(huì)很小，因此刀具損壞的幾率很低。這一點(diǎn)在融蝕加工直徑小于0.5毫米的刀具時(shí)至關(guān)重要。
步驟2：使用自適應(yīng)電火花控制（ASC）優(yōu)化融蝕過程
下一個(gè)挑戰(zhàn)是創(chuàng)造最佳火花以促進(jìn)融蝕過程。電流、電壓、持續(xù)時(shí)間、關(guān)閉時(shí)間以及因此而引起的火花強(qiáng)度會(huì)根據(jù)被融蝕的材料不同而變化。也就是說，與硬質(zhì)合金（HM）和高速鋼（HSS）相比，PCD將需要調(diào)整更多參數(shù)。難點(diǎn)在于，PCD晶片通常是0.6毫米的PCD，帶有1毫米硬質(zhì)合金背襯。就像山特維克“紋理”工藝一樣，人字紋刀具和整體頂尖的刀具也燒結(jié)在硬質(zhì)合金背襯上。當(dāng)劇烈融蝕（例如粗加工）時(shí)，銅電極輪會(huì)沿PCD-硬質(zhì)合金邊界融蝕。針對(duì)PCD優(yōu)化的融蝕參數(shù)可能會(huì)無意中融蝕硬質(zhì)合金背襯。相反的情況下，又會(huì)導(dǎo)致PCD-硬質(zhì)合金邊界處的過度融蝕，這被稱為“咬邊”，即它選擇性地融蝕了PCD層下的硬質(zhì)合金。此外，它還可能導(dǎo)致“鈷浸出”，即PCD粘合劑鈷被優(yōu)先融蝕掉，而留下裸露的PCD層。
這類似于在鋪好的道路地基下進(jìn)行挖掘。如果你從路面下挖太多的材料，路面最終會(huì)塌陷。機(jī)械加工試驗(yàn)表明，粗加工過程中的咬邊和滲鈷會(huì)導(dǎo)致切削刃脆化和刀具過早磨損。為了避免這種情況發(fā)生并優(yōu)化融蝕過程，自適應(yīng)電火花控制（ASC）應(yīng)運(yùn)而生。
既簡(jiǎn)單又復(fù)雜的PCD刀具。整體頂尖PCD鉆頭質(zhì)量出眾
ASC在發(fā)電機(jī)本身上使用超快速EtherCAT伺服系統(tǒng)以及DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）和FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）。 EDG融蝕發(fā)生器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和處理每個(gè)火花。每個(gè)火花的波形被自動(dòng)監(jiān)視，并根據(jù)被融蝕的材料、融蝕間隙距離和其他最佳融蝕過程中的必要因素進(jìn)行分類。發(fā)生器隨后可以動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)火花的能量水平（電流，電壓，持續(xù)時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間）以適應(yīng)被融蝕的材料。
ASC優(yōu)化了融蝕過程，從而減少了鈷的滲出并減少了PCD-硬質(zhì)合金邊界處的咬邊，可以生產(chǎn)出更強(qiáng)的切削刃和更不易崩刃的成品刀具。這有助于延長(zhǎng)刀具壽命，減少刀具磨損并降低刀具成本。測(cè)試表明，CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）刀具壽命增加了60％。
以上智能融蝕控制系統(tǒng)受到ANCA的專利保護(hù)。
0.4毫米整體頂尖PCD鉆頭
第3步：使用ANCA Motion SparX融蝕發(fā)生器增大電力電子設(shè)備的功率
難題的最后一步是優(yōu)化電子器件，以期在實(shí)現(xiàn)更高表面光潔度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更高、更強(qiáng)的融蝕。ANCA依靠其姊妹公司ANCA Motion的專業(yè)技術(shù)解決了這一難題。基于AMD5x伺服平臺(tái)，高級(jí)電氣工程師Richard Colin負(fù)責(zé)創(chuàng)建行業(yè)領(lǐng)先的融蝕發(fā)生器。Richard擅長(zhǎng)高頻、大功率電子設(shè)備，在ANCA Motion工作之前，他曾為航空業(yè)設(shè)計(jì)過地面動(dòng)力裝置（GPU）。“我抓住了這個(gè)機(jī)會(huì)。我一直期待研發(fā)最新的一流半導(dǎo)體電力電子產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)寬帶隙開關(guān)速度。”
與等效元件相比，每脈沖兆安培技術(shù)使ANCA客戶能夠擴(kuò)大其可達(dá)到和使用的功率范圍。ANCA Motion SparX融蝕發(fā)生器在超重型粗加工到超精細(xì)精加工操作范圍內(nèi)表現(xiàn)出了卓越的性能，利用微脈沖技術(shù)進(jìn)行高能量密度燒蝕，其帶來的優(yōu)秀可控性為客戶提供優(yōu)化的進(jìn)給速度、優(yōu)越的表面光潔度和大幅減少的循環(huán)時(shí)間。這種脈沖精度能滿足用于特殊的超精細(xì)拋光超低能量脈沖，也能完成快速去除原材料的高能量脈沖。
在PCD融蝕過程中，循環(huán)時(shí)間與材料去除率（MRR）息息相關(guān)。 ANCA Motion SparX融蝕發(fā)生器利用新的超粗加工，超精加工和超精細(xì)精加工操作，可提供無與倫比的MRR增長(zhǎng)，循環(huán)時(shí)間減少了50％。此外，在所有功率模式下，融蝕表面質(zhì)量都得到了改善。使用微脈沖技術(shù)的最新 “超精細(xì)拋光”工藝可以輕松實(shí)現(xiàn)Ra <0.1µm和Rz <0.5µm的表面光潔度。這些操作可以生產(chǎn)出苛刻的切削刀具所需的優(yōu)質(zhì)切削刃。
這些提升不僅幫助ANCA客戶在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，而且使刀具制造的方法更加智能。“我們與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間的差異在于，ANCA專注于客戶融蝕的目的。他們明確地告訴我們，他們想要一種針對(duì)螺旋和圓柱PCD刀具的優(yōu)化工藝。我們與ANCA Motion緊密合作，設(shè)計(jì)了融蝕發(fā)生器，不僅適用于剪切類刀具，還適用于無數(shù)的高度復(fù)雜的幾何形狀，而不是重復(fù)使用最初為電火花加工（Wire-EDM）創(chuàng)建的發(fā)生器技術(shù)。我們的解決方案在整個(gè)行業(yè)中獨(dú)樹一幟。我們讓幾何參數(shù)決定工藝，而不是由過程決定可用的幾何參數(shù)。”
Dr. Tee打趣道： “我們用智慧勝過蠻力，正所謂力挑一百， 智舉千斤。”
（來源：ANCA）
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