微細電解加工超窄脈沖電源的研發(fā)①

李小海， 劉武奇， 孫趙寧， 王德成， 王曉霞

(佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

電解加工是金屬微細加工的一個有效方法[1～3]．在超窄脈沖電流微細電解加工中，超窄脈沖微能電源是最重要的核心技術(shù)之一[4]．根據(jù)超窄脈沖電解加工的特點，設(shè)計其電源時，對頻率、脈寬和加工電壓等輸出特性要滿足超窄脈沖電解加工的特殊要求，例如，脈沖寬度一般都在10ns～100?s，電源脈沖頻率高達幾十 MHz，甚至上百MHz．由于超窄脈沖電流微細電解的加工間隙非常小(0．1～5μm)，所以對電源輸出要求相當精確，在加工過程中微小的電源輸出變化將對電解加工精度穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響．一方面，由于加工工件尺寸微小化，金屬蝕除量微小，所需參與電解電量微少，因此在電源功率方面超窄脈沖電流微細電解加工電源比常規(guī)電解加工電源小很多，屬微能電源，這有利于超窄脈沖微細電解加工電源小型化;另一方面，和常規(guī)電解相比，超窄脈沖微細電解加工要求加工精度和加工表面質(zhì)量更高，所以要求微細電解加工電源頻率調(diào)節(jié)范圍更大、脈沖寬度更窄、加工電壓輸出更精確可調(diào)，且易于產(chǎn)生不同脈寬和占空比的超窄脈沖波形．

1 超窄脈沖微細電解加工電源結(jié)構(gòu)

微細電解加工脈沖電源結(jié)構(gòu)如圖1所示．該微能脈沖電源包括以下幾個主要部分:整流濾波電路、脈沖電源主電路、電源短路保護電路、泄放電路、脈沖產(chǎn)生邏輯電路、加工狀態(tài)實時檢測電路、A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、微處理器主控電路、晶體管通斷控制電路、驅(qū)動及雙路放大電路、電氣隔離電路等，驅(qū)動電路要與信號源電氣采用光耦隔離．從功能上可以分為三個模塊:脈沖產(chǎn)生邏輯與功放、加工電壓調(diào)節(jié)模塊、加工狀態(tài)檢測與接口電路．

圖1 超窄脈沖微細電解加工電源結(jié)構(gòu)組成

1．1 產(chǎn)生超窄脈沖邏輯與功放單元

根據(jù)超窄脈沖微細電解加工的特點，本文設(shè)計一套新型微細電解加工脈沖電源．該脈沖電源將超窄脈沖信號產(chǎn)生單元、功率放大單元與電解加工狀態(tài)(加工電流和加工電壓)的檢測單元集成于一體，實現(xiàn)加工過程的自動化控制．

該脈沖產(chǎn)生邏輯與功放模塊包括以下幾部分:主振級、驅(qū)動級、功放級．在本超窄脈沖電源系統(tǒng)中，微處理器PIC單片機作為下位機，完成一個多任務(wù)的分時處理系統(tǒng)，它兼有與上位機進行數(shù)據(jù)和指令通訊、加工間隙狀態(tài)的實時檢測與識別、主振級脈沖時序邏輯控制等任務(wù)，主要用于實現(xiàn)上述各功能模塊的協(xié)調(diào)工作與控制．這些任務(wù)的實現(xiàn)占用了微處理器PIC大量的系統(tǒng)資源和運算時間，因此不宜再增添新的任務(wù)來實現(xiàn)脈寬與脈間的時序邏輯控制．主振級由可編程邏輯芯片CPLD作脈沖發(fā)生器，CPLD芯片內(nèi)部集成了時序邏輯電路和譯碼邏輯電路兩個部分．時序邏輯電路部分控制鎖存器、邏輯開關(guān)和計數(shù)器等幾個部分來設(shè)置與生成脈寬和脈間參數(shù)，譯碼邏輯用來實現(xiàn)開關(guān)管數(shù)量的選擇．然后組合脈沖信號與譯碼邏輯信號控制極間的脈寬、脈間等參數(shù)的控制．實踐證明，使用CPLD芯片既簡化了電路結(jié)構(gòu)，又使電路更加穩(wěn)定可靠．CPLD芯片速度特別快，根據(jù)加工情況脈寬和脈間大小可通過上位機數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置可調(diào)．CPLD芯片實現(xiàn)的脈寬與脈間的時序邏輯控制脈沖信號通過74F07芯片送到驅(qū)動級．

在微細加工脈沖電源中，為了獲得超窄脈寬波形，還要求柵極驅(qū)動電路具有足夠的驅(qū)動速度和驅(qū)動能力，驅(qū)動電路應(yīng)具有較高的工作頻率，驅(qū)動電路的最高工作頻率能達到幾十MHz以上，而且輸出脈沖的前沿和后沿要陡．驅(qū)動級應(yīng)能提供較大的瞬時驅(qū)動電流，以便有效減少開通時間，關(guān)斷期間需要縮短關(guān)斷時間，驅(qū)動級應(yīng)具有足夠的泄流能力．另外驅(qū)動級還應(yīng)有合適的柵源驅(qū)動電壓，一般工作在高頻狀態(tài)下，驅(qū)動電壓為12V比較合適．

本電源采用的驅(qū)動級選用MOSFET的專用驅(qū)動模塊TPS2812驅(qū)動MOSFET場效應(yīng)管，TPS2812能提供較大的瞬間電流，輸入波形能被很好地改善，因此用TPS2812來驅(qū)動MOSFET場效應(yīng)管;功放級采用雙路功放，在脈間期間利用具有一定大小的負脈沖電壓消除極間極化．開關(guān)管選擇了輸入、輸出電容較小的IRF730 MOSFET場效應(yīng)管進行電流放大．由于MOSFET管的輸入、輸出電容值使得其開通、關(guān)斷期間電容充放電時間長短不同，從而直接影響電源的超窄脈寬波形，因此應(yīng)該選擇輸入、輸出電容小的MOSFET管作功率放大高頻開關(guān)，這樣可以產(chǎn)生超窄脈沖電解加工電流．IRF730 MOSFET場效應(yīng)管的上升tr和下降時間tf分別為15ns和14ns，可以快速開啟關(guān)斷，為微細電解加工提供超窄脈寬加工電流．由220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波，再經(jīng)三端穩(wěn)壓塊，得到直流電壓得到+12V直流電壓和+5V分別為TPS2812和74F07芯片供電．

隔離電路是為了防止數(shù)字電路與模擬電路之間相互干擾，避免數(shù)字電路被模擬電路的大電流燒毀，采用光耦隔離使整個電路的性能更加穩(wěn)定可靠．本文研制的超窄脈沖微能電源能夠靈活地通過工控機來調(diào)節(jié)電參數(shù)對微細電解加工過程進行控制，能根據(jù)加工的狀態(tài)和加工是否完成能靈活地啟停電源，用控制“微電量”來控制材料去除量，實現(xiàn)定量加工．

1．2 加工電壓調(diào)節(jié)模塊

在超窄脈沖微細電解加工時，由于加工尺寸都是微米級的，加工精度甚至可以達到亞微米級，而且不同的被加工材料在電解加工時所需的加工電壓也會不相同，這就要求超窄脈沖電源輸出電壓能通過工作電壓調(diào)節(jié)模塊可以連續(xù)調(diào)壓，可精確輸出所需的加工電壓．本電源采用自耦變壓器，連續(xù)細分可調(diào)，接220V單相交流電，經(jīng)精確調(diào)壓變低壓交流電壓，再經(jīng)過全橋整流和濾波電路，可獲得所需直流工作電壓大?。}沖微細電解加工電源的工作電壓范圍是0～10V，經(jīng)加工電壓調(diào)節(jié)模塊連續(xù)可調(diào)得到任意大小電壓，輸出的直流加工電壓分別直接加在雙路功放MOSFET IRF730管上，經(jīng)自耦變壓器的調(diào)整精確控制加工電壓．高精度數(shù)字示波器實時在線觀察電解加工過程中的間隙加工電壓波形，脈沖電壓幅值，脈沖頻率、脈寬和脈間．所設(shè)計的脈沖電源能穩(wěn)定輸出最小脈寬為50ns，電壓和電流輸出范圍分別為0～10V和0～1A，經(jīng)試驗證明該電源能很好地滿足微細電解加工的需要．

1．3 加工狀態(tài)檢測電路

在超窄脈沖微細電解加工中，由于加工間隙過于微小，致使加工產(chǎn)物不易于排出，電解液更新困難，微間隙內(nèi)電場流場不均勻，極易發(fā)生短路現(xiàn)象，所以要求脈沖電源能夠比較靈敏地識別加工間隙平均電流的變化(具體的靈敏度要求與伺服系統(tǒng)的靈敏度有關(guān))，當加工間隙中發(fā)生不正常微火花放電或者出現(xiàn)短路時，間隙檢測的平均電壓出現(xiàn)異常，檢測電路要及時識別．本文設(shè)計的加工狀態(tài)檢測電路是由高速精密霍爾電流傳感器、隔離電路、采樣保持電路和A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換等幾部分組成．其具體構(gòu)成如圖2所示．

圖2 加工狀態(tài)檢測電路構(gòu)成

將脈沖信號發(fā)生單元、功率放大單元與加工狀態(tài)檢測單元(檢測加工電流和加工電壓)集成于一體，實現(xiàn)在加工過程中在線檢測和自動化控制．在微細電解加工過程中，通過短路檢測模塊對加工間隙的加工電流和加工電壓進行實時檢測．短路檢測電路對電解加工時的電流進行實時檢測，將采集到的取樣電壓和電流經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后送入上位機．在短路檢測模塊中，有一個高精度霍爾電流傳感器．電流傳感器的作用是將電解加工中的電流按照一定的比例轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏?，尤其短路時，電流較大，傳感器內(nèi)部的隔離設(shè)計將輸出小電流信號和加工回路的大電流信號完全電氣隔離，避免加工回路的大電流信號對A/D轉(zhuǎn)換和工控機工作產(chǎn)生干擾．

當工具電極與被加工工件短路或出現(xiàn)微火花時，加工電流驟升，因此通過電流傳感器的感應(yīng)電流也驟升，感應(yīng)電流通過采樣電阻，再取樣電壓，采樣電阻的電壓就驟升，在加工狀態(tài)檢測電路中，感應(yīng)電流通過一個采樣電阻，通過測量取樣電阻兩側(cè)的電壓采樣回路加工電流的大小，然后取樣電壓通過A/D轉(zhuǎn)換之后輸入工控機進行處理．高速A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換時間為9μs，實時性強，對微細電化學(xué)加工中的電流和電壓信號檢測的實時性要求很好地滿足，保證加工過程的可靠控制．短路時，經(jīng)PIC單片機與控制計算機通訊，控制計算機就能夠識別短路發(fā)生．控制計算機根據(jù)采樣電阻的電壓值來判斷是否發(fā)生短路控制電極是否快速回退和正常進給．

1．4 微能高頻窄脈沖電護電源保路

在超窄脈沖電流微細電解工程中，由于加工間隙狹窄，間隙流場復(fù)雜，容易發(fā)生短路，所以需要對脈沖電源的保護，它一般包括短路信息檢測識別和快速切斷兩個部分．超窄脈沖電源的保護電路如圖3所示．

圖3 脈沖電源保護電路

本電源保護電路采用電壓識別方式，當短路時，從保護電路的采樣電阻取得的電壓低于預(yù)先設(shè)置的參考電壓，使電位比較器的輸出端口由高電平變低電平，PIC單片機I/O口控制CPLD，使其停止發(fā)脈沖信號，起到保護電源作用．由于保護電路不用通過上位機來判斷短路是否發(fā)生就可以迅速關(guān)斷電源，保護響應(yīng)速度快．也就是當采樣電壓VSamp與參考電壓Vref作比較，若VSamp＜Vref，比較器輸出電平反轉(zhuǎn)，當PIC單片機檢測到比較器的反轉(zhuǎn)信號后，立即發(fā)出指令來切斷脈沖電源，保護電路的電子元器件免受損傷，同時保護微細工具電極不被破壞．

2 超窄脈沖電源在微細電解銑削加工中可行性試驗

微細電解銑削加工微三角型孔和微小溝槽的試驗，驗證超窄脈沖電源在微細電解銑削加工中可行性．

微三角型孔試驗參數(shù)如下:工件:300μm厚的304不銹鋼;工具:?25μm的鎢電極;電極的旋轉(zhuǎn)速度:6000r/min;進給速度:90μm/min;加工電參數(shù):電壓5．5V，脈沖寬度5μs，脈沖頻率100kHz;電解液:濃度為30g/L的NaClO3溶液．如圖4左圖所示，所加工的樣件邊長約為400μm，圓角半徑40μm，三角孔形狀規(guī)則，尺寸一致性好．

圖4 微細電解銑削加工的微三角型孔和微溝槽

微溝槽試驗參數(shù)如下:工件:拋光后的200μm厚的304不銹鋼;工具:?30μm的鎢電極;電極的旋轉(zhuǎn)速度:8000r/min;進給速度:100μm/min;加工電參數(shù):電壓5V，脈沖寬度 3μs，脈沖頻率100kHz;電解液:濃度為30g/L的NaClO3溶液．如圖4右圖所示，所加工的樣件窄梁高度為80μm，寬度為約50μm，梁的寬度一致性好，非加工表面沒有雜散腐蝕，驗證了超窄脈沖電流微細電解銑削加工的可行性．

3 結(jié)論

本文設(shè)計了超窄脈沖微能電源，實現(xiàn)了高頻率、窄脈沖、微電能、自保護．通過試驗，該電源能夠滿足超窄脈沖微細電解加工的需要．

[1] B．Bhattacharyya and J．Munda．Experimental Investigation on the Influence of Electrochemical Machining Parameters on Machining Rate and Accuracy in Micromachining Domain[J]．MACHINE TOOLS ＆ MANUFACTURE，2003，(43)．

[2] M．Kock，V．Kircher，R．Schuster．Electrochemical Micromachining with Ultrashort Voltage Pulses:a Versatile Method with Lithographical Precision[J]．ELECTROCHIMICA Acta ，2003(48)．

[3] Kunio Chikamori．Possibilities of Electrochemical Micromachining[J]．Int．J．Japan Soc．Pre．Eng，1998，(1)．

[4] Schuster R，Kirchiner V，Allongue P and Ertl G．Electrochemical Micromachining[J]．Science，2000，(289)．