ANCA新型EDG使PCD刀具生產效率成倍提升
2021-2-26 來源：-- 作者：-
2011年，當ANCA與Precorp公司（現隸屬于山特維克集團）合作創建ANCA EDG（電火花磨削）磨床時，目標非常明確。兩家公司都希望創建一個高性能的旋轉電火花加工（EDM）平臺，該平臺不僅能生產出一流的幾何形狀的刀具，其循環時間也應當處于市場領先的水平。
這一創新出自ANCA創始人兼董事總經理Pat Boland先生，他敏銳地意識到，要想超越現有的競爭對手，需要的是大腦而不是蠻力。“融蝕過程既簡單，又復雜。該工藝的基礎是使用正負電極和電解液，與材料一起產生電火花。ANCA在制造世界一流的硬質合金和高速鋼刀具方面已有45年的經驗，我們希望在PCD刀具領域中也能發揮我們的技術。”Boland先生表示。
研發ANCA EDG磨床的主要動力在于，它需要足夠簡單，以便能夠輕松創建所有類型的釬焊剪切槽類刀具，但它也要足夠復雜，以便創建無限多種螺旋類型的整體頂尖，脈紋和雪佛龍PCD刀具。Boland先生補充道：“我們很早就意識到，我們希望讓客戶能夠創建復雜的刀具幾何結構，那么在保持精確的融蝕間隙距離的同時，進行5軸插補將是一項挑戰。”
彼時，Pat Boland先生，來自墨爾本大學的電氣工程碩士，拜訪了皇家墨爾本理工大學，并與當年電氣工程博士學位的候選人，如今的Dr. Kotler Tee相遇。Dr. Tee提出了值得推敲的的設想，并很快被ANCA聘請，來領導EDG融蝕工藝的創建和部署。Pat Boland和Dr. Tee并肩工作，提出構想，共同創建了當今市場上技術領先的融蝕工藝。
步驟1：使用智能自適應控制（IAC）維持最佳的火花融蝕間隙
他們需要解決的首要任務是，無論是在簡單的二維還是復雜的三維路徑下，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。對于旋轉二維路徑計算來說，保持最佳間隙非常簡單。但是，當三維路徑計算涉及4個或5個軸同時移動時，表面積、體積和路徑的變化都將成為挑戰，”Dr. Tee說。“從測試中，我們發現，標準做法是簡單地將磨床進給速度設置為允許的最低值，以保持可用的火花間隙距離。然而，這會導致大量的‘空運行時間’，并大幅降低進給速度。”為了保持較高的進給速度并保持最佳火花融蝕間隙，智能自適應控制的概念應運而生。
智能自適應控制（IAC）是實時的、伺服控制的功能，可在線自動監測并主動控制融蝕間隙距離。IAC利用ANCA Motion AMD5x控制系統的EtherCAT功能，使磨床運行與發電機性能同步。IAC調整并保持最佳的火花間隙距離，這對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5軸的同步運動，IAC自動調整間隙距離和磨床進給速度，以優化融蝕速度和表面光潔度，這也就是指，當融蝕沿著線性路徑時進給速度加快，當路徑發生變化時進給速度減慢。
“融蝕路徑的變化可能導致電極輪太靠近刀具，或從刀具上脫落。這會導致軌道上既可能產生優質的火花，也可能產生不良的火花，甚至遺漏火花。”Dr. Tee補充說。IAC能自動考慮這一點，并在任意可變路徑的長度上保持盡可能快的進給速度。自然地，這能提高進給速度，避免熱損傷，提高表面光潔度，增加材料去除率（MRR）并縮短循環時間。
IAC的另一個好處是可以輕松制造PCD和硬質合金的微型刀具。當IAC保持最佳距離時，砂輪碰撞的機會很小，因此刀具損壞的幾率很低。這一點在融蝕加工直徑小于0.5毫米的刀具時至關重要。
步驟2：使用自適應電火花控制（ASC）優化融蝕過程
下一個挑戰是創造最佳火花以促進融蝕過程。電流、電壓、持續時間、關閉時間以及因此而引起的火花強度會根據被融蝕的材料不同而變化。也就是說，與硬質合金（HM）和高速鋼（HSS）相比，PCD將需要調整更多參數。難點在于，PCD晶片通常是0.6毫米的PCD，帶有1毫米硬質合金背襯。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在硬質合金背襯上。當劇烈融蝕（例如粗加工）時，銅電極輪會沿PCD-硬質合金邊界融蝕。針對PCD優化的融蝕參數可能會無意中融蝕硬質合金背襯。相反的情況下，又會導致PCD-硬質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層下的硬質合金。此外，它還可能導致“鈷浸出”，即PCD粘合劑鈷被優先融蝕掉，而留下裸露的PCD層。
這類似于在鋪好的道路地基下進行挖掘。如果你從路面下挖太多的材料，路面最終會塌陷。機械加工試驗表明，粗加工過程中的咬邊和滲鈷會導致切削刃脆化和刀具過早磨損。為了避免這種情況發生并優化融蝕過程，自適應電火花控制（ASC）應運而生。
既簡單又復雜的PCD刀具。整體頂尖PCD鉆頭質量出眾
ASC在發電機本身上使用超快速EtherCAT伺服系統以及DSP（數字信號處理器）和FPGA（現場可編程門陣列）。 EDG融蝕發生器能夠實時監控和處理每個火花。每個火花的波形被自動監視，并根據被融蝕的材料、融蝕間隙距離和其他最佳融蝕過程中的必要因素進行分類。發生器隨后可以動態調整每個火花的能量水平（電流，電壓，持續時間和關閉時間）以適應被融蝕的材料。
ASC優化了融蝕過程，從而減少了鈷的滲出并減少了PCD-硬質合金邊界處的咬邊，可以生產出更強的切削刃和更不易崩刃的成品刀具。這有助于延長刀具壽命，減少刀具磨損并降低刀具成本。測試表明，CFRP（碳纖維增強塑料）刀具壽命增加了60％。
以上智能融蝕控制系統受到ANCA的專利保護。
0.4毫米整體頂尖PCD鉆頭
第3步：使用ANCA Motion SparX融蝕發生器增大電力電子設備的功率
難題的最后一步是優化電子器件，以期在實現更高表面光潔度的同時，實現更高、更強的融蝕。ANCA依靠其姊妹公司ANCA Motion的專業技術解決了這一難題。基于AMD5x伺服平臺，高級電氣工程師Richard Colin負責創建行業領先的融蝕發生器。Richard擅長高頻、大功率電子設備，在ANCA Motion工作之前，他曾為航空業設計過地面動力裝置（GPU）。“我抓住了這個機會。我一直期待研發最新的一流半導體電力電子產品，以實現寬帶隙開關速度。”
與等效元件相比，每脈沖兆安培技術使ANCA客戶能夠擴大其可達到和使用的功率范圍。ANCA Motion SparX融蝕發生器在超重型粗加工到超精細精加工操作范圍內表現出了卓越的性能，利用微脈沖技術進行高能量密度燒蝕，其帶來的優秀可控性為客戶提供優化的進給速度、優越的表面光潔度和大幅減少的循環時間。這種脈沖精度能滿足用于特殊的超精細拋光超低能量脈沖，也能完成快速去除原材料的高能量脈沖。
在PCD融蝕過程中，循環時間與材料去除率（MRR）息息相關。 ANCA Motion SparX融蝕發生器利用新的超粗加工，超精加工和超精細精加工操作，可提供無與倫比的MRR增長，循環時間減少了50％。此外，在所有功率模式下，融蝕表面質量都得到了改善。使用微脈沖技術的最新 “超精細拋光”工藝可以輕松實現Ra <0.1µm和Rz <0.5µm的表面光潔度。這些操作可以生產出苛刻的切削刀具所需的優質切削刃。
這些提升不僅幫助ANCA客戶在競爭中脫穎而出，而且使刀具制造的方法更加智能。“我們與競爭對手之間的差異在于，ANCA專注于客戶融蝕的目的。他們明確地告訴我們，他們想要一種針對螺旋和圓柱PCD刀具的優化工藝。我們與ANCA Motion緊密合作，設計了融蝕發生器，不僅適用于剪切類刀具，還適用于無數的高度復雜的幾何形狀，而不是重復使用最初為電火花加工（Wire-EDM）創建的發生器技術。我們的解決方案在整個行業中獨樹一幟。我們讓幾何參數決定工藝，而不是由過程決定可用的幾何參數。”
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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