電火花線切割節(jié)能脈沖電源放電間隙特性研究

李政凱，白基成，凡銀生，李 強

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

脈沖電源作為電火花線切割機床的核心，其性能的優(yōu)劣直接關系到機床的加工穩(wěn)定性和工件的加工質量[1]。雖然傳統(tǒng)的有阻脈沖電源技術發(fā)展成熟，已廣泛應用于國內電火花線切割機床，但由于其工作時的能量利用率太低，造成了能源的浪費，嚴重阻礙了電火花線切割技術的發(fā)展。因此，節(jié)能脈沖電源成為近幾年的研究熱點。節(jié)能脈沖電源工作時的放電間隙特性是電火花線切割加工放電狀態(tài)檢測、伺服系統(tǒng)進給控制的基礎[2]。因此，進行節(jié)能脈沖電源放電間隙特性研究，有利于合理地設計放電狀態(tài)檢測方法和確定伺服響應策略。

在脈沖電源放電間隙特性方面，國外對此研究較少，國內主要是針對有阻脈沖電源進行了一些包括間隙電壓電流特性、工作液介質特性等的相關研究[3]，對節(jié)能脈沖電源的研究較少。本文將以節(jié)能脈沖電源的放電間隙電壓、電流特性為切入點，研究節(jié)能脈沖電源工作時的間隙電壓、電流的變化規(guī)律，并結合理論基礎對其產生的原因進行分析。

1 節(jié)能脈沖電源工作原理

本文以自主研制的節(jié)能脈沖電源為研究對象，對其放電間隙特性進行研究分析，電源的結構原理圖見圖1。

圖1 節(jié)能脈沖電源結構原理圖

電源主回路中，用儲能元件電感L 取代限流電阻R，加工前按既定的脈寬、脈間要求將脈沖波形固化在EEPROM 中，加工時通過12 位二進制計數(shù)器和撥碼開關的共同作用將EEPROM 中的脈沖波形輸出。EEPROM 輸出的脈沖波形經(jīng)功率放大級放大后控制8 個功率開關管IGBT 的通斷及通斷時序，將直流電壓轉換成脈沖電壓。

2 試驗條件

為研究節(jié)能脈沖電源放電間隙特性，以節(jié)能脈沖電源作為電火花線切割機床的工作電源進行了切割試驗，試驗條件見表1。

表1 試驗條件

3 節(jié)能脈沖電源放電間隙特性

3.1 放電間隙伏安特性及漏電流現(xiàn)象

在表1 所示的加工條件下進行切割試驗，示波器采集到的火花放電狀態(tài)時的間隙電壓和電流波形見圖2。將波形數(shù)據(jù)轉換成EXCEL 表格數(shù)據(jù)格式，分析得到節(jié)能脈沖電源放電間隙伏安特性曲線（圖3）。由圖3 可知，放電間隙伏安特性曲線的各段表示了電火花線切割加工過程中材料蝕除經(jīng)歷的4個過程：①ab 段為擊穿延時過程；②bc 段為間隙工作液擊穿、放電通道形成過程；③cd 段為火花放電過程；④da 段為脈寬時間結束、極間介質消電離過程。

圖2 火花狀態(tài)電壓、電流波形

圖3 節(jié)能脈沖電源放電間隙伏安特性

從ab 段可看出，在擊穿延時時間段，放電通道雖然尚未得到擊穿，極間仍有約1 A 左右的電流，這是因為當間隙兩端施加電壓時，一方面工作液中的某些帶電粒子向電極移動；另一方面，工件表面會發(fā)生輕微電解反應，產生帶正電的陽離子和帶負電的自由電子，這也會導致間隙間產生較小的電流，即發(fā)生“漏電流”現(xiàn)象。在漏電流和電感線圈感抗的共同作用下，會使擊穿延時階段的間隙開路電壓與電源輸出電壓有一定差值（圖4），而這一差值隨著線圈匝數(shù)的增大逐漸增大。

圖4 擊穿延時階段壓降示意圖

圖5 是電源實際輸出60 V 時，不同線圈匝數(shù)情況下，擊穿延時階段的間隙開路電壓變化趨勢圖。從圖5 可看出，擊穿延時階段的間隙開路電壓受線圈匝數(shù)影響較大，當線圈匝數(shù)為20 匝時，間隙開路電壓僅有42 V 左右，很大一部分電壓損失在電感線圈兩端，而這主要是因為“漏電流”引起的。

圖5 不同線圈匝數(shù)下間隙開路電壓變化趨勢

3.2 火花放電自持條件

電火花線切割加工過程中，火花放電是一種自我維持現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象是不穩(wěn)定的，需要一定的條件才能使其得以產生和維持。一般情況下，經(jīng)歷一段擊穿延時時間，間隙工作液介質被擊穿、放電通道形成后，間隙工作液介質會因電流突升所引起的瞬時高溫而氣化，這時，工作液中的一些碳氫化合物會被分解為H2和C 顆粒，也就是說，此后的放電是在氣體環(huán)境中進行的。火花放電的自我維持條件可表示為：

式中：λ 為正離子與陰極結合時，再次產生電子的概率，它和放電通道兩端的電場強度成正比；α 為電子碰撞電離系數(shù)，它和放電通道兩端的電場強度成正比；d 為放電極間距離，它與放電通道兩端的場強負相關。

通過分析可得出，火花放電的產生及能否得以維持取決于間隙兩端電壓的大小，這是因為持續(xù)時間很短的火花放電過程中，極間距離d 可看作是不變的，而式（1）中的參數(shù)λ和α 均與電場強度成正比關系，而這一電場強度與間隙兩端的電壓成正比。由于電火花線切割加工過程中放電所需的能量是由直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓提供，因此，間隙被擊穿、放電通道形成后的瞬間，間隙電壓的降低導致了維持火花放電條件的破壞，這時，火花會變得很小，甚至有熄滅的趨勢，可將火花熄滅的臨界電壓稱為門檻電壓Vm。換言之，一旦間隙兩端的電壓降到門檻電壓Vm以下，火花放電便無法持續(xù)進行。

3.3 火花狀態(tài)階梯電壓現(xiàn)象

實際加工過程中，火花放電狀態(tài)時會出現(xiàn)兩種電壓波形。圖6a 是在開路電壓50 V、脈寬40 μs、占空比1：4 時出現(xiàn)“階梯”電壓現(xiàn)象的電壓、電流波形；圖6b 是未出現(xiàn)“階梯”電壓現(xiàn)象的波形。

圖6 火花放電時兩種極間電壓波形

對比兩圖可明顯地看出，圖6a 所示a 點電壓值很低，接近0 V；經(jīng)過一段時間后，當電壓值上升到b 點時，瞬間跳變到c 點，此后電壓緩慢平穩(wěn)上升。而圖6b 所示波形沒有出現(xiàn)圖6a 所示的a、b 兩個過渡狀態(tài)，電壓值從開路電壓直接降到e 點后，緩慢平穩(wěn)上升。

為研究這兩種波形出現(xiàn)的原因，對如圖7 所示的放電回路等效電路圖進行分析。

圖7 放電回路等效電路圖

根據(jù)基爾霍夫電壓定律有：

式中：U 為脈沖電源輸出電壓，V；L 為電感系數(shù)，H；I為回路中的電流，A；Uab為間隙電壓，V。可看出，間隙兩端的電壓Uab與電感線圈兩端的電壓L·（dI/dt）成線性負相關，即回路中電流的變化率越大，電感線圈兩端的電壓越大，間隙兩端的電壓越小。

如圖6a 所示，a 點為極間介質擊穿、放電通道形成的瞬時狀態(tài)，此時介質中的帶電粒子雪崩式增多，回路中電流瞬間上升，從而使電感線圈兩端產生很高的壓降，極間電壓迅速下降。此時，放電通道雖然已形成，但根據(jù)式（1）可知，這時不會產生火花放電。極間電壓的降低導致極間場強的降低，間隙電流上升斜率會隨之減小，導致電感線圈兩端電壓下降，極間電壓會相應地升高，如圖6a 所示的ab段；在b 點，電流的上升斜率發(fā)生較大變化，極間電壓瞬間上升到c 點，c 點的電壓值能滿足火花放電自持條件后產生穩(wěn)定的火花放電。

圖6b 所示的過程與圖6a 有所不同。擊穿時，電流上升斜率較小，電感兩端產生的壓降不大，間隙兩端的電壓尚能滿足火花放電自持條件，因此從電壓下降點開始火花放電。另外，由于回路中電流的上升斜率不斷減小，火花放電過程中，極間電壓處于上升趨勢。

為驗證以上兩種情況出現(xiàn)的原因，分別采集出現(xiàn)“階梯”現(xiàn)象和無“階梯”現(xiàn)象兩種情況下電感兩端的電壓波形（圖8）。可看出，兩種情況下電感線圈兩端電壓的變化趨勢跟上述描述相符，從而證明間隙兩端電壓出現(xiàn)兩種不同現(xiàn)象確由電感線圈引起。

圖8 電感兩端電壓波形圖

從圖6 可看出，無論電壓是從a 點最終上升到b 點，還是直接由開路電壓降到e 點，b、e 兩點的值幾乎相同，均為16 V 左右，這即是前文所描述的門檻電壓Vm，若極間電壓小于該值，將無法進行火花放電。試驗證明，b、e 的值與脈寬、開路電壓等無關，與極間工作液的性質有關；另外，b、e 值的高低還取決于放電通道溫度的高低、壓力大小等，溫度高、壓力大時，會使Vm降低；溫度低、壓力小時，會使Vm升高。本文獲得的Vm大多介于14～18 V 之間。

此外，圖6a 所示的現(xiàn)象產生的主要原因是間隙電壓對回路中電流變化率太敏感；該現(xiàn)象對間隙放電狀態(tài)的檢測存在著一定的干擾作用。由于該段時間內電壓很低，該段電壓與短路電壓重疊甚至低于短路電壓，會讓狀態(tài)檢測系統(tǒng)誤認為是短路狀態(tài)，但實際上是處于火花放電狀態(tài)，從而導致短路率比實際加工中要大。為降低這一現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率，在粗加工時可適當提高開路電壓或換用較小的磁環(huán)。

3.4 放電間隙峰值電流特性分析

峰值電流是電火花加工中一個重要的電參數(shù)，其對加工表面形成的凹坑大小起著決定性作用。傳統(tǒng)限流電阻式脈沖電源是通過回路中限流電阻的分壓作用實現(xiàn)電流的穩(wěn)定，而節(jié)能脈沖電源回路中去掉了限流電阻，電感的作用只是延遲電流的上升。本文在工作液條件、電感線圈不變的情況下，對脈寬、開路電壓、工件厚度三者與峰值電流之間的關系進行了實驗研究。

3.4.1 脈寬對間隙峰值電流的影響

脈寬試驗工作條件為：開路電壓40 V，占空比1：4，切割厚度15 mm，工件材料為Cr12 模具鋼，脈寬分別為10、20、30、40、50 μs。試驗結果見圖9。可看出，脈寬在30 μs 前對峰值電流影響較明顯，脈寬10 μs 時的峰值電流僅有5.5 A，脈寬30 μs 時的峰值電流達到24.6 A。這主要是因為回路中電感線圈只是起到延緩電流上升的作用，在其他條件不變的情況下，脈寬的大小決定了電流上升時間的長短，脈寬大，電流上升時間長，峰值電流大；反之，峰值電流小。

圖9 脈寬對峰值電流影響曲線圖

圖10 是不同脈寬條件下加工樣件的表面SEM形貌圖，可看出峰值電流對加工表面形貌影響較大。大峰值電流導致蝕除凹坑較大，從而使表面質量較差。因此，對于節(jié)能脈沖電源在考慮表面質量，尤其是進行多次切割時，應嚴格選擇脈寬值。

圖10 不同脈寬條件下工件表面形貌圖

3.4.2 開路電壓對間隙峰值電流的影響

試驗選取脈寬為20 μs，占空比為1：4，切割工件厚度為15 mm，工件材料為Cr12 模具鋼，開路電壓分別為30、40、50、60、70 V。開路電壓對峰值電流的影響曲線見圖11。

間隙電流的產生歸結于間隙間帶電粒子的定向移動，而極間電場強度對帶電粒子定向移動的速度有很大的影響。開路電壓越大，極間電場強度越大，間隙帶電粒子移動速度越快。根據(jù)電流的定義為單位時間內經(jīng)過的電荷的數(shù)量，因此從圖11 可看出，隨著開路電壓的增大，峰值電流上升趨勢較明顯。

圖11 開路電壓對峰值電流影響曲線圖

3.4.3 切割工件厚度對間隙峰值電流的影響

切割厚度試驗條件為：脈寬30 μs，占空比1：4，開路電壓40 V，工件厚度分別為2、5、10、20、40 mm。圖12 是切割不同厚度的工件時，間隙峰值電流的變化曲線?？煽闯?，在其他條件相同的情況下，隨著切割厚度的增大，間隙峰值電流略有上升，這可以從兩方面加以解釋：①從帶電粒子方面考慮，工件厚度越大，參與形成放電通道的間隙工作液越多，擊穿后帶電粒子相對要多；②從間隙阻抗方面考慮，如果將單位厚度工作液介質產生的阻抗計為R，切割厚度大時可將間隙阻抗視為多個阻值為R的阻抗的并聯(lián)，即間隙橫截面越大，間隙阻抗越小。

圖12 切割不同厚度間隙峰值電流曲線圖

4 結論

本文以節(jié)能脈沖電源為研究對象，對其放電間隙特性進行了研究。通過分析處理電壓、電流波形數(shù)據(jù)，得到了節(jié)能脈沖電源的放電伏安特性曲線，分析了擊穿延時階段“漏電流”出現(xiàn)的原因及其對間隙開路電壓造成的影響；通過分析火花放電自持條件，解釋了火花狀態(tài)存在的“階梯”電壓現(xiàn)象及其對放電狀態(tài)檢測帶來的干擾，在粗加工時，可適當提高開路電壓或使用較小的磁環(huán)，以減少火花狀態(tài)“階梯”電壓出現(xiàn)的幾率。最后，實驗分析研究了脈寬、開路電壓及切割厚度對間隙峰值電流的影響規(guī)律，結果證明，脈寬和開路電壓對間隙峰值電流影響較大，切割厚度的增加會使間隙峰值電流略有上升，但不明顯。通過上述對節(jié)能脈沖電源放電間隙特性的研究，在一定程度上對提高該電源的加工性能具有理論和實際意義。

[1]Li Chaojiang，Bai Jicheng，Ding Jianjun.Monitoring technology of gap discharge status based on floating threshod WEDM[C]//ISEM ⅩⅥ.Shanghai，2010：271-275.

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