小孔加工電火花脈沖電源實(shí)驗(yàn)研究

張海峰　王立峰　劉建勇

1.北方工業(yè)大學(xué)，北京，1001442.北京市電加工研究所，北京，100191

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小孔加工電火花脈沖電源實(shí)驗(yàn)研究

張海峰1王立峰1劉建勇2

1.北方工業(yè)大學(xué)，北京，1001442.北京市電加工研究所，北京，100191

摘要：針對傳統(tǒng)脈沖電源普遍存在的電能利用率低、電阻發(fā)熱嚴(yán)重、散熱設(shè)備龐大等問題，提出了一種取消限流電阻的電火花脈沖電源結(jié)構(gòu)。電源由PWM控制器、DC/DC變換器、加工脈沖時(shí)序發(fā)生器等組成。電源本身具有自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓的功能，可實(shí)現(xiàn)空載擊穿電壓、脈沖寬度、脈沖間隔獨(dú)立可調(diào)，取消了體積龐大的工頻變壓器。通過多次小孔加工實(shí)驗(yàn)獲得了脈沖電源加工過程中電極損耗率、小孔橢圓度以及單邊放電間隙等和電源穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)曲線，所得數(shù)據(jù)表明電源具有較好的加工穩(wěn)定性和可靠性。

關(guān)鍵詞：電火花加工；脈沖電源；小孔加工；實(shí)驗(yàn)研究

0引言

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是排放控制技術(shù)的進(jìn)步，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在車載動(dòng)力領(lǐng)域占有著非常重要的地位。噴油嘴是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，而噴油孔又是噴油嘴上的主要結(jié)構(gòu)，因此加工高質(zhì)量的噴油孔是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提高排放標(biāo)準(zhǔn)的必然趨勢。電火花加工時(shí)，加工電極與工件采用非接觸式加工，沒有機(jī)械加工的切削力，因此非常適合小孔加工[1]。小孔加工機(jī)床所用脈沖電源為關(guān)鍵性部件，其性能的優(yōu)劣，直接影響小孔加工的精度、速度和穩(wěn)定性[2]。文獻(xiàn)[3]敘述了四種脈沖電源控制方式，提出了一種可控RC脈沖電源的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[4-5]在電火花脈沖電源前級引入了串并聯(lián)諧振技術(shù)，減小了功率器件的開關(guān)損耗，但后級并未引入限制拖尾電流的裝置。文獻(xiàn)[6]針對線切割電源采用CPLD作為控制器分配加工脈沖取得了較好的加工效果。文獻(xiàn)[7]引入水基工作液分析小孔加工過程中電壓電流的變化以及對小孔加工的影響因素?？傊?，根據(jù)電火花加工小孔的要求，對特定小孔加工脈沖電源展開研究，無論是在理論方面還是在實(shí)際應(yīng)用方面都有一定的價(jià)值。

本文從脈沖電源方面入手，對脈沖電源PWM控制器原理和DC/DC變換器性能行了分析，并對加工脈沖時(shí)序控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后利用小孔加工實(shí)驗(yàn)對電源的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1小孔加工脈沖電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

1.1小孔加工脈沖電源主拓?fù)?/p>

圖1為小孔加工脈沖電源主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，電源主回路分為整流濾波器、全橋DC/DC變換器以及加工脈沖變換器三部分。整流濾波單元選用三相380 V交流電輸入，通過三相不控整流模塊D1濾波后得到530 V左右直流電壓；四個(gè)IGBT主功率管Q1～Q4組成了H橋DC/DC變換器，由PWM控制器調(diào)節(jié)四個(gè)功率管的占空比實(shí)現(xiàn)能量的傳輸和電壓的變換。圖1中，T1為高頻脈沖變壓器，實(shí)現(xiàn)能量的初級側(cè)和次級側(cè)的交換和隔離，開關(guān)管頻率控制在10～20 kHz之間，T1次級側(cè)快速恢復(fù)二極管D2、D3構(gòu)成全波整流，D4完成續(xù)流，L1、C2構(gòu)成輸出濾波器；后級部分設(shè)置加工脈沖變換器，主要為脈寬、脈間變換器以及電壓采集電路等，加工時(shí)根據(jù)放電電壓的大小(開路電壓和加工電壓)調(diào)節(jié)前級DC/DC變換器的直流電壓幅值，進(jìn)而提供擊穿延時(shí)階段所需的擊穿電壓(100 V左右)和放電階段所需的放電加工電壓(25 V)，通過對加工回路電流的檢測，消除加工過程中的有害脈沖，避免短路的發(fā)生，能夠?qū)崿F(xiàn)小孔電火花加工過程的循環(huán)往復(fù)。

圖1　電火花加工脈沖電源原理圖

1.2基于PWM控制器的DC/DC變換原理

電路中PWM控制芯片選用UC3875移相全橋控制器，在DC/DC控制電路中引入閉環(huán)電壓負(fù)反饋，利用采集信號與參考信號的差值調(diào)整主回路中功率器件驅(qū)動(dòng)脈沖寬度，從而實(shí)現(xiàn)DC/DC變換器輸出電壓的調(diào)整。圖2給出了PWM控制器的基本工作原理。

圖2　PWM控制器控制原理圖

圖2所示輸出電壓經(jīng)R1、R2兩電阻分壓后獲得電壓采樣信號uf，電壓采樣信號再與參考信號ur進(jìn)行比較放大后送入PWM控制器，其輸出作為功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號調(diào)節(jié)占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓，不同輸出電壓對應(yīng)不同參考電壓ur(調(diào)節(jié)R3、R4)或通過調(diào)節(jié)采樣信號uf(調(diào)節(jié)R1、R2)來實(shí)現(xiàn)?？梢钥闯?，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的關(guān)鍵在于PWM控制器對占空比的調(diào)節(jié)。

圖3所示為調(diào)節(jié)占空比過程中各部分電壓波形變化情況，調(diào)節(jié)過程如下：

圖3　全橋DC/DC變換器工作波形

(1)t0～t1階段，擊穿電壓延時(shí)過程。從t0時(shí)刻開始，在擊穿電壓ud作用下，介質(zhì)間隙開始擊穿延時(shí)過程， t1時(shí)刻間隙擊穿開始放電加工。

(2)t1時(shí)刻，DC/DC變換器電壓下降進(jìn)入調(diào)節(jié)過程。采樣電路檢測到工作電壓的變化，將采樣信號反饋回控制器，PWM控制器以較窄驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，調(diào)節(jié)輸出電壓下降，電壓UOUT即下降到uf與相對應(yīng)的維持電壓ue，DC/DC調(diào)壓過程結(jié)束。

(3)t1～t2階段，加工脈沖放電加工過程。t1時(shí)刻在采樣電路作用下，系統(tǒng)進(jìn)入PWM低壓穩(wěn)定調(diào)節(jié)過程，使輸出電壓值穩(wěn)定在給定值附近，使加工間隙穩(wěn)定在放電狀態(tài)，直至t2時(shí)刻放電結(jié)束。

(4)t2時(shí)刻，DC/DC升壓過程。放電終止加工過程結(jié)束，間隙兩端電壓得以恢復(fù)，PWM控制器輸出較大脈沖寬度，輸出電壓上升，DC/DC升壓過程結(jié)束。

(5)t2～t3階段，消電離脈間和PWM穩(wěn)壓調(diào)節(jié)過程。t2時(shí)刻，脈沖放電結(jié)束進(jìn)入消電離間隔階段，電路進(jìn)入PWM升壓調(diào)節(jié)過程，并迫使輸出電壓維持在給定值附近，加工進(jìn)入消電離階段，直至t3時(shí)刻消電離間隔時(shí)期結(jié)束。

(a)放電加工電壓波形圖

(b)擊穿電壓波形圖圖4　PWM控制器輸出波形

圖4所示為PWM控制器輸出電壓波形，其中圖4a為放電加工時(shí)，間隙電壓為25 V左右對應(yīng)的控制器輸出脈沖寬度；圖4b為間隙擊穿時(shí)，間隙電壓110 V左右控制器輸出的脈沖寬度。

總結(jié)上述過程，脈沖電源完成了從延時(shí)擊穿到放電加工到最后消電離的往復(fù)循環(huán)電加工過程，整個(gè)控制過程中，控制信號在PWM控制器和加工脈沖時(shí)序發(fā)生器之間轉(zhuǎn)換，由加工脈沖時(shí)序發(fā)生器控制脈寬和脈間的時(shí)間定時(shí)，PWM控制器控制DC/DC變換器輸出電壓的數(shù)值。

1.3脈沖電源主回路動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

脈沖電源進(jìn)行放電加工時(shí)，需要電源對放電間隙實(shí)時(shí)檢測，同時(shí)進(jìn)行放電加工維持電壓和擊穿延時(shí)電壓之間快速的轉(zhuǎn)換，因此建立電火花加工動(dòng)態(tài)電路模型，能更好地研究電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，優(yōu)化電源的控制策略[8-9]。

加工間隙是一個(gè)非電阻性負(fù)載，根據(jù)加工間隙在加工時(shí)近似保持電壓恒定的特性，擊穿后放電加工時(shí)的電壓可以等效為直流電源U2，電壓值維持在25V左右，加工過程中隨機(jī)因素作為電壓源U2的小信號擾動(dòng)進(jìn)行處理。系統(tǒng)分為前后兩級，分別由對應(yīng)的功率器件控制，一個(gè)加工周期內(nèi)包含導(dǎo)通和截止兩種工作模式，電火花脈沖電源在兩種模式下所得等效電路如圖5所示，從變換器在功率管導(dǎo)通和截止兩種不同狀態(tài)的不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的狀態(tài)空間方程出發(fā)，經(jīng)過平均-小信號擾動(dòng)-線性化處理，得到表征變換器的電路模型和數(shù)學(xué)模型[8]。

導(dǎo)通模式下的狀態(tài)方程為

(1)

(a)導(dǎo)通

(b)截止圖5　脈沖電源兩種模式下的等效電路

截止模式下的狀態(tài)方程為

(2)

根據(jù)狀態(tài)空間平均法的原則，脈沖電源的狀態(tài)方程為

(3)

式中，k為前級電路的占空比。

整理得如下狀態(tài)方程：

(4)

對式(4)在工作點(diǎn)附近取小信號擾動(dòng)為

(5)

對式(5)進(jìn)行拉氏變換，可得

(6)

由于電路輸出反饋量為電壓uc，消去式(6)中的電流量I(s)，因此電路具有兩個(gè)獨(dú)立的輸入變量U1(s)和K(s)，一個(gè)輸出變量Uc(s)，整理得

(7)

由式(7)得脈沖電源的傳遞函數(shù)框圖(圖6)。

圖6　電火花加工脈沖電源閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖

圖6中虛線部分第一項(xiàng)代表輸入電壓擾動(dòng)對輸出電壓影響的傳遞函數(shù)，第二項(xiàng)給出了占空比擾動(dòng)對輸出電壓的影響傳遞函數(shù)，Guc(s)=kuc為輸出電壓的反饋信號傳遞函數(shù)。

2小孔加工脈沖電源實(shí)驗(yàn)與分析

2.1小孔加工放電裝置原理

小孔加工機(jī)床原理如圖7所示，加工過程需要各軸配合移動(dòng)，系統(tǒng)主要包含2個(gè)旋轉(zhuǎn)加工軸(B軸、C軸)，4個(gè)直線進(jìn)給軸(X、Y、Z、W軸)，其中直線進(jìn)給軸X、Y、Z為傳統(tǒng)意義上的3軸系統(tǒng)，B軸負(fù)責(zé)W軸空間位置的旋轉(zhuǎn)，C軸完成噴油嘴和卡具的旋轉(zhuǎn)定位，W軸用來輸送電極絲進(jìn)給量。電氣部分包含了加工脈沖電源、檢測電路、光學(xué)顯微觀測系統(tǒng)、交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

(a)原理圖

(b)實(shí)物圖圖7　小孔電火花加工機(jī)床示意圖

2.2脈沖電源加工實(shí)驗(yàn)與分析

由于噴油嘴加工時(shí)測量孔型、錐度難度較大，故測試電源系統(tǒng)采用圓形平板不銹鋼工件，通過連續(xù)的加工實(shí)驗(yàn)，得到碳化鎢電極絲加工不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)時(shí)的電極損耗、加工時(shí)間、孔型、孔型錐度的數(shù)據(jù)。工件材料為1Cr18Ni9Ti，尺寸為22 mm×1 mm；電極材料為碳化鎢電絲，尺寸為φ0.29 mm×300 mm；設(shè)計(jì)加工孔徑為φ0.33 mm；工作液為去離子水，導(dǎo)電率為17.17 μS/cm；沖液方式采用流淌式?jīng)_液，沖液壓力(或流量)小于10 L/h。

表1給出了小孔加工過程放電參數(shù)與孔徑和電極損耗之間的數(shù)據(jù)關(guān)系。由表1可以看出，脈沖寬度和脈沖間隙對孔徑和電極損耗的影響較為復(fù)雜，通常情況下，占空比越大，小孔直徑越大電極損耗越多，但是占空比太大時(shí)往往引起小孔表面粗糙度惡化。因此放電加工時(shí)需要選擇合理的脈沖寬度和脈沖間隙來獲得較好的加工效果。加工過程中不僅占空比對電極損耗產(chǎn)生影響，加工電壓以及電流強(qiáng)度對電極損耗都有較大影響，峰值電壓提高以及電流強(qiáng)度加大都會造成電極絲的異常損耗。

表1　小孔加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

電源加工過程采用相同電參數(shù)連續(xù)加工20個(gè)孔得到小孔數(shù)據(jù)。通過已測數(shù)據(jù)分別得出電極損耗率、小孔橢圓度以及小孔加工單邊放電間隙的變化曲線如圖8～圖10所示。

圖8　小孔加工電極損耗率曲線

從圖8中可以看出，加工小孔過程中，電極損耗變化平穩(wěn)，雖有個(gè)別試樣損耗偏高，但對于整體來講影響不大，可以通過數(shù)據(jù)修正加以剔除。同時(shí)以上曲線也說明電源加工的穩(wěn)定性較好，保證了小孔加工的一致性。圖9所示為小孔加工過程中電極絲單邊放電間隙的變化曲線。從圖9中可以看出，入口和出口的單邊放電間隙變化都較小。這一方面說明了機(jī)床的機(jī)械精度和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，另一方面說明脈沖電源在加工過程中放電穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)劇烈的變化。

圖9　小孔加工單邊放電間隙曲線

圖10所示為20個(gè)小孔加工的橢圓度曲線變化情況，可以看出，20個(gè)孔入口的橢圓度整體變化要比出口的橢圓度變化平緩一些，主要原因是電極在初始加工時(shí)要經(jīng)過修整，修整后的電極形狀規(guī)范，電加工時(shí)能更好地保證小孔的圓度，一旦加工到底部穿透時(shí)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的邊緣放電效應(yīng)，使得出口橢圓度產(chǎn)生更大的不確定性，因此才會出現(xiàn)圖10所示的曲線變化規(guī)律。

圖10　小孔入口、出口橢圓度曲線

圖11所示為小孔加工脈沖電源放電波形，1為電流波形，2為電壓波形，在發(fā)生延時(shí)擊穿時(shí)刻電流迅速增加，電壓下降為20 V左右，維持火花放電。圖12、圖13為小孔加工后入口和出口的兩張顯微圖片，通過圖片可以看出入口處邊緣有電火花加工的變質(zhì)區(qū)域，出口直徑大于入口直徑，圖片的放電效果很好地驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖11　小孔加工放電波形

圖12　小孔入口顯微圖片

圖13　小孔出口顯微圖片

3結(jié)論

(1)本文在分析小孔加工電火花脈沖電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，提出通過調(diào)節(jié)PWM控制器輸出脈沖寬度的方式來分別調(diào)節(jié)加工脈沖電壓和擊穿電壓的幅值。

(2)通過建立脈沖電源主回路動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步分析了脈沖電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，優(yōu)化了電源的控制策略，同時(shí)分析了小信號擾動(dòng)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

(3)通過小孔加工實(shí)驗(yàn)分析了電源參數(shù)對小孔孔徑、小孔橢圓度以及電極損耗的影響，給出了以上參數(shù)和電源特性的變化曲線，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電源的穩(wěn)定性。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2015-09-07

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金委員會-北京市科學(xué)技術(shù)研究院聯(lián)合資助項(xiàng)目(L150006)

中圖分類號：TG661

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.007

作者簡介：張海峰，男，1975年生。北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)殡娀鸹}沖電源以及電機(jī)設(shè)計(jì)。發(fā)表論文10余篇。王立峰，男，1989年生。北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院碩士研究生。劉建勇，男，1983年生。北京市電加工研究所高級工程師。

Experimental Study of EDM Pulse Generator for Small Hole Machining

Zhang Haifeng1Wang Lifeng1Liu Jianyong2

1.North China University of Technology, Beijing, 100144 2.Beijing Institute of Electro-Machining, Beijing, 100191

Abstract:For the problems of the low energy utilization of conventional pulse generator, the resistors overheating and huge cooling equipments, a kind of EDM pulse generator was presented herein,which cancelled the current limiting resistors. The pulse generator was made up of a PWM controller, a DC/DC converter, a machining pulse sequence generator and so on. It could automatically adjusting the output voltages, and the no load voltages, pulse width and pulse interval were adjustable in a wide range. The bulky frequency transformer was cancelled in the pulse generator. The experimental curves of the electrode wear rate, small holes’ ovality and one-side discharge gaps were obtained by the multiple small hole machining experiments. The experimental curves were closely related to the stability of the pulse generator. These data show that the pulse generator has good stability and reliability.

Key words:electrical discharge machining(EDM); pulse generator; small hole machining; experimental study