微細(xì)電火花加工用脈沖電源發(fā)展現(xiàn)狀的分析

張 言* ，唐 婷，范 鈞

(成都工業(yè)學(xué)院 a.電加工實(shí)驗(yàn)室;b.電氣與電子工程系，成都 611730)

微細(xì)電火花加工用脈沖電源發(fā)展現(xiàn)狀的分析

張 言a* ，唐 婷b，范 鈞b

(成都工業(yè)學(xué)院 a.電加工實(shí)驗(yàn)室;b.電氣與電子工程系，成都 611730)

微細(xì)電火花加工技術(shù)是微細(xì)加工領(lǐng)域最重要的加工技術(shù)之一。脈沖電源技術(shù)是影響電火花加工工藝指標(biāo)的重要因素。為研究微細(xì)電火花加工用脈沖電源的主要研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，以RC式脈沖電源和獨(dú)立式脈沖電源為重點(diǎn)，對(duì)其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)、工程實(shí)現(xiàn)的難易度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn):RC式脈沖電源在能量控制方面仍有改進(jìn)空間，可以從降低放電電容和放電電壓2方面來進(jìn)行研究;獨(dú)立式脈沖電源應(yīng)著眼于利用高速開關(guān)管從而減小脈寬，以降低單次脈沖能量。

微制造技術(shù);電火花加工;脈沖電源;發(fā)展方向

近年來，在微電子產(chǎn)品、微型機(jī)械、醫(yī)療器械、航空、通信等領(lǐng)域，微細(xì)產(chǎn)品的需求正在日益擴(kuò)大。電火花加工技術(shù)由于具有非接觸式、無宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)，已成為實(shí)現(xiàn)精微加工的有效途徑之一，并受到廣泛關(guān)注。脈沖電源作為電火花加工機(jī)床的重要組成部分，是影響電火花加工工藝的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是微細(xì)電火花加工體系中的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已作了大量研究，且有不少研究成果已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。日本三菱電機(jī)公司研制的超微細(xì)精加工電源(Digital-FS)可實(shí)現(xiàn)Ra0.03 μm的鏡面加工，以及直徑0.05 mm 的細(xì)絲加工［1］。張敏［2］通過交變脈沖的方式，設(shè)計(jì)了具有防電解和消電離功能的智能微細(xì)電火花脈沖電源，提高了加工精度。趙萬生［3］設(shè)計(jì)的微能RC脈沖電源，成功加工出了直徑僅為

4.5 μm的微細(xì)軸和直徑 8 μm的微小孔，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

微細(xì)電火花加工與的物理過程與常規(guī)電火花加工相同，但由于工件尺寸的微細(xì)化使得其加工方法與工藝規(guī)律有所區(qū)別。微細(xì)電火花加工用脈沖電源需要滿足以下要求:1)微能加工特性。在電火花加工過程中，脈沖電源的放電能量越低，加工蝕除量越小，則表面質(zhì)量越好。所以要實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工，就要求加工所用的脈沖電源單個(gè)脈沖能量盡可能低，一般應(yīng)在10-7～10-6J，即微能脈沖電源。2)加工能量精確可控，并保持穩(wěn)定。在微細(xì)加工過程中，放電能量的不均勻性會(huì)引起電蝕產(chǎn)物體積的變化，并直接影響零件的表面質(zhì)量及精度。3)能量的多級(jí)變化。為滿足不同尺寸零件的要求，需要脈沖電源在較大的范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。4)兼顧加工質(zhì)量與加工速度。

人們通常根據(jù)間隙狀態(tài)對(duì)脈沖參數(shù)的影響，將脈沖電源分為非獨(dú)立式與獨(dú)立式2類進(jìn)行分析，非獨(dú)立式多采用RC脈沖電源;獨(dú)立式主要采用功率開關(guān)管作為主回路的開關(guān)控制元件。

1 RC脈沖電源

RC脈沖電源屬于傳統(tǒng)的脈沖電源，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度高、成本低。目前大多數(shù)微細(xì)脈沖電源都采用RC脈沖電源結(jié)構(gòu)。其放電能量可由電容儲(chǔ)能量來表示:

其中:WP為單次放電的脈沖能量;C為電容值;U為脈沖電源的工作電壓。從式(1)可知，在RC脈沖電源中，僅通過調(diào)整C或U，就可實(shí)現(xiàn)脈沖放電能量的控制。但在此類結(jié)構(gòu)的脈沖電源中，除了單純的標(biāo)稱電容之外，還存在著許多寄生在工具與工件、工作臺(tái)及電路板之間的雜散電容，它們會(huì)使得放電能量波動(dòng)，造成加工質(zhì)量的不穩(wěn)定。為盡量減小雜散電容，人們通常采用花崗巖或陶瓷材料制作機(jī)床的工作臺(tái)和基座［4］。于中福［5］認(rèn)為:降低雜散電容兩端的最高充電電壓能有效降低雜散電容所能積蓄的能量，從而達(dá)到控制脈沖能量的目的。相對(duì)于降低電容來說，通過降低工作電壓來控制脈沖放電能量較容易。李文卓［6］通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了RC電源不存在電火花維持電壓，在開路電壓0.1 V時(shí)也能進(jìn)行電火花加工。低電壓放電的研究為今后的納米電火花加工奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

但RC脈沖電源的缺點(diǎn)也較明顯，如脈沖參數(shù)不穩(wěn)定，電能利用率低，工具電極損耗大等，特別在精細(xì)加工過程中，由于脈沖能量不可控，使得放電坑大小不一，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量，故有必要對(duì)RC脈沖電源采取相應(yīng)措施，以適應(yīng)精細(xì)加工的要求。早在20世紀(jì)90年代，霍孟友等［7］就已設(shè)計(jì)出由開關(guān)管控制的RC脈沖電源，通過控制電容的充放電達(dá)到控制脈沖能量的目的;蔣毅［8］在傳統(tǒng)RC脈沖電源的基礎(chǔ)上，添加了極間關(guān)斷場(chǎng)效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)脈沖電源能量可控，并特意加入了清掃脈沖回路，有利于加工的穩(wěn)定進(jìn)行(見圖1)。黃海清［9］通過研究單個(gè)脈沖能量對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，分析晶體管開通特性，利用小電阻限流，得到最小脈寬45 ns的脈沖電壓波形，實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工。

圖1 改進(jìn)式RC脈沖電源(含清掃脈沖回路)

2 獨(dú)立式脈沖電源

獨(dú)立式脈沖電源是通過開通和關(guān)閉開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)脈沖放電，其發(fā)生與間隙狀態(tài)無關(guān)，可以大大降低加工時(shí)極間脈沖物理狀態(tài)參數(shù)變化的影響，具有脈沖頻率高、脈沖參數(shù)易調(diào)節(jié)、脈沖波形好和自適應(yīng)控制等優(yōu)點(diǎn)。其單個(gè)脈沖放電能量可表示為:

其中:T為脈沖周期;u(t)為單次脈沖放電電壓;i(t)為單次脈沖放電電流。從式(2)可知，要降低放電能量，只能從減少放電時(shí)間、降低放電電壓及減小放電電流3方面入手。由于獨(dú)立式脈沖電源在進(jìn)行電火花加工時(shí)需要有一定的維持電壓，比較理想的方法是減少放電時(shí)間(即提高脈沖頻率)。

傳統(tǒng)的獨(dú)立式晶體管脈沖電源受設(shè)計(jì)原理的限制，其開關(guān)速度有一定延時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工所需的高頻窄脈沖。國(guó)內(nèi)外在微細(xì)電加工領(lǐng)域?qū)Κ?dú)立式脈沖電源進(jìn)行了大量研究。Masuzawa等［10］將晶體管應(yīng)用于微細(xì)脈沖電源研究，使脈寬達(dá)到200 ns。韓福柱等［11］設(shè)計(jì)的等脈寬晶體管脈沖電源，利用響應(yīng)特性極好的電流傳感器進(jìn)行放電檢測(cè)，簡(jiǎn)化了電路，縮短了信號(hào)延時(shí)，獲得脈寬80 ns的窄電流脈沖。張勇等［12］對(duì)基于MOSFET功率開關(guān)管的脈沖電源進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了最小脈寬＜100 ns(見圖2)。崔晶等［13］提出了雙開關(guān)式的獨(dú)立脈沖電源，不但提高了關(guān)斷速度，還改善了消電離，取得較好成效。

圖2 改進(jìn)的獨(dú)立式脈沖電源

3 其他脈沖電源

除上述2種結(jié)構(gòu)的微細(xì)脈沖電源以外，近幾年還發(fā)展了新型微細(xì)脈沖電源技術(shù)。孫術(shù)發(fā)等［14］提出了利用導(dǎo)線自身的非固有振蕩來制作電火花脈沖電源的思想，他將整個(gè)電火花放電電路等效為L(zhǎng)C振蕩電路，運(yùn)用非共振固有振蕩的原理使機(jī)床電容與傳輸線電感發(fā)生振蕩，仿真結(jié)果顯示振蕩頻率高達(dá)1 GHz，放電脈寬達(dá)650 ps，為納米級(jí)電火花加工提供了理論基礎(chǔ)。劉廣民等［15］設(shè)計(jì)開發(fā)了以ARM控制器結(jié)合Linux操作系統(tǒng)為控制核心的嵌入式微能脈沖電源，可適用于不同的電火花加工設(shè)備。梁勁斐等［16］利用FPGA內(nèi)部的高頻時(shí)鐘產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，經(jīng)斬波后獲得納秒級(jí)脈沖。FPGA和嵌入式技術(shù)的應(yīng)用為微細(xì)脈沖電源設(shè)計(jì)帶來新的可能。

4 結(jié)語

微細(xì)電火花加工用脈沖電源具有極為廣闊的發(fā)展前景，通過對(duì)現(xiàn)有的微細(xì)脈沖電源進(jìn)行分析，可以得知:對(duì)于RC式脈沖電源，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單易行，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的微細(xì)脈沖電源也均取得明顯成效，但雜散電容和電弧放電等問題仍然制約其在微細(xì)加工領(lǐng)域的發(fā)展，且其在能量控制方面仍有改進(jìn)空間，可以從降低放電電容和放電電壓2方面來進(jìn)行研究;對(duì)于獨(dú)立式脈沖電源，應(yīng)著眼于利用高速開關(guān)管減小脈寬，最終實(shí)現(xiàn)降低單次脈沖能量的目的;其他新型脈沖電源的研究使得微細(xì)脈沖電源的發(fā)展更加多元化。此外，使脈沖電源在加工過程中保持穩(wěn)定放電也是研制過程中需要重點(diǎn)注意的問題。

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Analysis of Research on Pulse Generator for Micro Electro Discharge Machining

ZHANG Yana* ，TANG Tingb，F(xiàn)AN Junb

(a.Electro Machining Laboratory;b.Electrical and Electronic Engineering Department，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China)

Micro EDM technology is one of the most important processing technologies for micromachining.Pulsed power technology is an important factor influencing electrical discharge machining process.In order to study the present situation and development of the main research direction of micro electric spark machining pulse power supply，the RC type pulse power and independent pulse power supply for the key，its working principle，advantages and disadvantages，engineering implementation complexity are analyzed in detail.Finally，the paper pointed out that RC pulsed power still had room for improvement in the energy control，could be studied from a lower discharge capacity and the discharge voltage;independent pulse power supply should focus on high speed switch so as to reduce the width，in order to reduce single pulse energy.

micro manufacturing technology;EDM;pulse generator;development trend

TG661

A

2095-5383(2014)02-0049-02

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.016

2013-12-24

張言(1986-)，女(漢族)，四川宜賓人，助教，碩士，研究方向:機(jī)電一體化，通信作者郵箱:panda4039635@qq.com。

唐婷(1979-)，女(漢族)，四川成都人，副教授，碩士，研究方向:自動(dòng)化技術(shù)。