1.1引言
隨著科學技術的進步以及木材加工業的迅速發展，用於加工高硬度木質人造複合材料的金剛石木工刀具應運而生。由於金剛石木工刀具硬度大，刃口形狀複雜，用一般磨床很難加工，因此，主要依靠電火花成形技術。目前，國內還沒有專用於刃磨金剛石木工刀具的機床。國內市場上可以用於刃磨金剛石木工刀具的電火花磨削機床大多是從國外進口，這些機床的性能較好，但是價格比較昂貴，一般都在幾百萬元人民幣以上，不適合國內中小型企業。因此，研究開發出一種適合於金剛石成型銑刀刃磨的電火花磨削機床，具有良好的國內市場前景。本文的主要研究內容為金剛石木工刀具電火花磨削工藝參數的研究。
1.2金剛石刀具在木材加工業中的應用
天然金剛石刀具有硬度高、耐磨性好、強度高、導熱性好、與有色金屬摩擦係數低、抗黏結性好，以及優良的抗腐蝕性和化學穩定性，可以刃磨出極其鋒利的刀刃，被認為是最理想的超精密切削用刀具材料[1,2]，在機械加工領域、石油地質鑽探、寶石加工等方麵得到廣泛的應用，發揮獨特而重要的作用[3]。在計算機科學、激光技術、超精密計量儀器等領域中，一些精度和表麵粗糙度要求極高的零件，均采用金剛石刀具進行精加工。例如，光學用的反射鏡、軸對稱雙曲麵鏡、大功率激光器反射鏡、慣性導航儀中靜電陀螺球、電子計算機中磁盤基片的加工等。隨著製造業的快速發展，金剛石刀具的生產和應用逐年增加，金剛石也成為當今世界無法替代的優質刀具材料。金剛石刀具的問世在各個領域引起了革命性的工藝改革，為世界工業的迅猛發展開拓了廣闊的前景。隨著理論研究的日益深入及其應用技術的進一步推廣，金剛石刀具在現代工業中的地位將日益重要，其應用範圍也將進一步拓展。
自人造聚晶金剛石出現後，改變了金剛石刀具僅在硬、脆難加工材料領域中應用的傳統觀念，開始大量用於普通非鐵金屬和非金屬加工領域，近20年在木材加工領域應用越來越廣泛。
金剛石木工刀具在我國木材加工中的廣泛應用起始於強化複合地板的生產需求[4]。強化複合地板自90年代引入中國以來，以其耐磨特性、防水防潮性、抗腐蝕性、安裝方便等優點，受到用戶的歡迎。但其結構的特殊性決定了加工過程對刀具特殊性的要求。其最外層Al2O3對硬質合金刀具的磨損影響很大，利用金剛石木工刀具能夠有效地解決這個問題。可以看出目前在中國，金剛石木工刀具在木材加工業的主要市場是在強化複合地板的加工和高硬度纖維板的加工上。目前，國內有強化複合地板生產廠300多家，據估計，每年金剛石木工刀具的銷售量大約在人民幣1億元以上，而這個市場主要被國外一些大的刀具公司所占有，如德國的Leitz，HOMAG，LEUCO等公司。此外，國外在金剛石圓鋸片、鏤銑刀、鑽頭等刀具的生產方麵也不斷擴大。預測金剛石鏤銑刀在十年內的產值將居於其他金剛石木工刀具產值之首，主要是滿足木工數控鏤銑機發展的需求。
金剛石木工刀具的最大優點是硬度及耐磨性高，因此刀具非常耐用，可以連續數日不用停機維修，減少了調刀換刀時間，降低了生產成本。刀具使用壽命長，經濟價值高，一個金剛石木工刀具可刃磨8次，在前兩次刃磨時間內，即可收回成本，從第三次刃磨開始，就進入了利潤期。金剛石木工刀具的價格是硬質合金刀具的40倍，而其使用壽命卻是硬質合金刀具的150多倍，一個金剛石木工刀具相當於1600個硬金屬刀具。用金剛石木工刀具加工的工件表麵質量好，加工精度高。金剛石木工刀具的性價比在所有刀具中是最高的。
金剛石木工刀具的使用，是木工刀具技術的一次重大革命。回顧刀具材料的發展曆史，20世紀初期是工具鋼占主導地位，20世紀後50年是高速鋼、硬質合金大發展的時期，尤其是硬質合金刀具，性能不斷改善，新品種不斷湧現，擠占了不少高速鋼市場，有利地促進了當時剛興起的三板工業的發展。近年來，人造板材的飛速發展是金剛石木工刀具得到進一步應用的主要原因。特別是中密度纖維板、膠合板、刨花板及複合地板等人造板材的發展，更加速了其對超硬刀具的需求，從而使金剛石木工刀具逐步替代了傳統木工刀具在市場中的地位[5]。金剛石木工刀具的使用是當代木工刀具超硬材料發展的標誌，它將促進超硬人造板材料的發展，促進計算機技術、數控技術，刀具技術的發展，其用前景十分廣闊。
1.3金剛石刀具刃磨技術的發展現狀
金剛石刀具的高硬度、高耐磨性使其刃磨相當困難，其刃磨工藝性問題已成為其推廣應用的瓶頸，因此，如何解決金剛石刀具的刃磨問題是製造、使用金剛石刀具的關鍵，其磨削技術越來越受到重視。目前，國內外應用的磨削工藝方法有機械刃磨、電火花刃磨、複合刃磨和電解修磨。
1.3.1金剛石砂輪機械刃磨
在眾多的刃磨方法中最為成熟的是金剛石砂輪機械刃磨[6~9]，國外許多發達國家率先開展了這方麵的研究，主要集中在聚晶金剛石刀具刃磨工藝及刃磨機理的研究上[10~12]。在合理的刃磨工藝參數情況下，金剛石砂輪機械刃磨可獲得其他刃磨工藝方法難以達到的刀具刃口質量和光潔的前、後刀麵，但與其他刃磨工藝相比，存在磨削力高、刃磨效率低、砂輪損耗大、刃磨成本高等缺點。因此，國內外對金剛石刀具的金剛石砂輪刃磨工藝的研究多集中在對刃磨效率和砂輪的磨耗比研究工作上，而對如何進一步提高金剛石刀具的刃磨質量及不同結合劑金剛石砂輪刃磨工藝對刃磨質量的影響的研究較少，有待進一步深入研究。
1.3.2電火花刃磨
金剛石刀具的電火花刃磨(EDG)工藝也是一種較傳統的刃磨工藝方法[13~15]。這種方法是通過在電介質分離的圓盤電極與金剛石刀具材料電極間放電產生瞬時高溫，將刀具金剛石表麵炭化蝕除，是一種熱蝕過程。電火花磨削的加工效率比純機械磨削提高了幾十倍，磨削成本低，並且可以方便地刃磨形狀較為複雜的金剛石刀具。但由於電火花的刃磨過程中，電火花放電的溫度可高達8000~12000℃，容易引起金剛石材料的熱損傷和石墨化，所以其刃磨表麵質量較差，尤其在金剛石與硬質合金基底的結合界麵，由於兩種材料的熱膨脹係數不一樣，很容易在表麵形成深約0.05mm的微裂紋[16]。目前，電火花刃磨工藝主要應用於金剛石木工刀具的刃磨領域[17]。
1.3.3複合刃磨加工
目前，金剛石刀具複合刃磨加工主要有電火花機械複合刃磨、超聲振動放電複合刃磨和超聲振動機械複合刃磨法。利用複合加工法刃磨金剛石刀具，是當前金剛石刀具刃磨技術發展的一個主要趨勢。複合刃磨加工可以綜合各種刃磨加工方法的優點，取得令人滿意的加工效果。例如，單一的金剛石砂輪機械刃磨存在加工效率低，加工成本高問題，單一電火花刃磨存在工具電極磨損較快，加工質量不高等缺點，但如果采用電火花機械複合刃磨則既可以提高加工效率又可以保證加工質量。
1.3.4金屬結合劑超硬磨料砂輪在線電解修整刃磨
此項刃磨技術（ELID）的基本原理是利用金屬基砂輪基體導電和可電解的特性，用在線電解的方法對砂輪表麵的基體材料進行去除，而磨粒本身不會被電解破壞，從而實現對砂輪表麵的修整[18,19]。
1-1ELID磨削裝置原理
1.1所示，砂輪通過電刷接電源的正極，根據砂輪的形狀製造一個導電性能好的電極接電源的負極，電極與砂輪表麵之間有一定間隙，從噴嘴中噴出的具有電解作用的磨削液進入電極和砂輪表麵之間的間隙，在修整電源作用下，砂輪鑄鐵基體作為陽極被電解，使砂輪中的磨粒露出表麵，形成一定的出刃高度和容屑空間。隨著電解過程的進行，在砂輪表麵逐漸形成一層鈍化膜，抑製電解過程繼續進行，使砂輪損耗不致太快。當砂輪表麵的磨粒磨損後，鈍化膜被工件材料刮擦去除，電解過程繼續進行，對砂輪表麵重新進行修整，整個過程重複進行。上述過程是一個動態平衡的過程，既避免了砂輪過快消耗，又能自動保持砂輪表麵的磨削能力，通過調整電解參數（電壓和電流）和磨削參數，可以對電解修整進程進行在線調控，從而實現穩定的接近理想狀態的磨削過程。
1.4電火花加工在國內外研究現狀和發展趨勢
1.4.1電火花加工技術
1770年英國科學家普利斯首次發現並報道了電火花對金屬的腐蝕作用，同時對其本質進行了論述。1943年，蘇聯學者拉紮連科夫婦，首次把電火花腐蝕作用應用於金屬加工，稱為電火花加工，之後隨著脈衝電源和控製係統的改進，迅速發展起來。最初使用的脈衝電源是簡單的電阻-電容回路。50年代初，改進為電阻-電感-電容等回路。同時，還采用長脈衝電源，使蝕除效率提高，工具電極相對損耗降低。
隨後，又出現了大功率電子管、閘流管等高頻脈衝電源，使在同樣表麵粗糙度條件下的生產率得以提高。60年代中期，出現了晶體管和可控矽脈衝電源，提高了能源利用效率和降低了工具電極損耗，並擴大了粗精加工的可調範圍。
70年代，出現了高低壓複合脈衝、多回路脈衝、等幅脈衝和可調波形脈衝等電源，在加工表麵粗糙度、加工精度和降低工具電極損耗等方麵又有了新的進展。在控製係統方麵，從最初簡單地保持放電間隙，控製工具電極的進退，逐步發展到利用微型計算機，對電參數和非電參數等各種因素進行適時控製。
電火花加工按照工具電極的形式及其與工件之間相對運動的特征，可分為：利用軸向移動的金屬絲作工具電極，工件按所需形狀和尺寸作軌跡運動，以切割導電材料的電火花線切割加工；利用金屬絲或成形導電磨輪作工具電極，進行小孔磨削或成形磨削的電火花磨削；利用成型工具電極，相對工件作簡單進給運動的電火花成形加工；用於加工螺紋環規、螺紋塞規、齒輪等的電火花共軛回轉加工；小孔加工、刻印、表麵合金化、表麵強化等其他種類的加工。