基于靜電感應給電的大面積電火花成形加工充電特性研究

王澤亮，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

基于靜電感應給電的大面積電火花成形加工充電特性研究

王澤亮，楊曉冬

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

將靜電感應給電方法應用于大面積電火花成形加工，并對極間充電特性進行了仿真及實驗研究。結果表明：在極間加工面積較大的情況下，當極間距離小于某一數(shù)值后，極間開路電壓隨著極間距離的減小而降低；給電電容越小，極間開路電壓隨極間距離的變化越明顯；當極間距離一定時，極間開路電壓隨著給電電容的增大而升高。

電火花成形加工；靜電感應；大面積；充電；極間距離

在電火花成形加工中，當加工面積較大時，即使以很小的放電能量也難以得到理想的表面粗糙度。這是由于隨著工具電極與工件之間相對面積的增加，所形成的極間靜電容量增大，放電時該極間靜電容量作為分布電容會將其存儲的電荷一同釋放到極間，從而導致放電能量增大[1]?；旆垭娀鸹庸し╗1]和分割電極法[2]可解決上述問題，但混粉電火花加工法存在機床結構和工藝復雜、環(huán)境易污染等局限，而分割電極法存在電極結構復雜且裝夾困難等不足。

同時，電火花加工技術通常采用的是RC張弛式脈沖電源、獨立式晶體管脈沖電源或其組合，為突破微細電火花加工的微細化極限而提出的靜電感應給電方法，其特點是能避免分布電容的不利影響[3-4]。此外，由于其在放電能量均一性、放電點分散和單脈沖放電能量決定機制等方面具有獨特的放電加工特性，使其不僅適用于微細加工，還可應用于普通電火花加工[5]。

本文將靜電感應給電方法應用于大面積電火花成形加工，并對其充電特性進行了理論分析和實驗研究。

1 靜電感應給電的電火花加工原理

如圖1所示，與傳統(tǒng)的RC張馳式脈沖電源不同，靜電感應給電方法基于電容耦合原理，它采用以一定周期變化的交流電源作為輸入電源，并在輸入電源和工具電極之間串聯(lián)一個給電電容C1，從而可利用靜電感應以電容耦合的方式為加工極間供電。其中，給電電容C1和工具電極之間只有變位電流通過，沒有傳導電流通過，因此能避免回路中分布電容的不利影響，獲得更精細的電火花加工表面質(zhì)量，其等效回路見圖2。

圖1 靜電感應給電與RC脈沖電源的對比

圖2 靜電感應給電的等效回路

圖3是以方波脈沖電源為例說明其原理。在大面積電火花成形加工中，假設C1與C2之比為1∶1，在給電電容與工件二端施加一定占空比的脈沖電壓U。當脈沖電源輸出為U時，根據(jù)電容耦合原理，C2被充電，工具電極內(nèi)產(chǎn)生電荷的偏置，極間被充電（圖3a）。充電完成后，極間處的工具電極表面帶正電，工件表面帶負電，極間產(chǎn)生電位差；當間隙達到極間擊穿條件時，則會發(fā)生放電，電子通過放電間隙轉(zhuǎn)移至工具電極，進而產(chǎn)生一個從工具電極流向工件的放電電流（圖3b）。當電源輸出變?yōu)?時，C1和C2的電壓達到平衡，將發(fā)生電荷的重新分布，且工具電極由于上一步的放電從工件接受電子而帶負電，工件則帶正電，所以極間再次被充電（圖3c）。與圖3b所示的放電過程類似，當滿足極間擊穿條件時，極間按照與之前相反的極性再次發(fā)生放電（圖3d）。上述過程周而復始便形成了連續(xù)放電加工，且為二極性放電交替進行。

2 靜電感應給電的大面積電火花加工充電特性的仿真研究

2.1 仿真模型

圖3 靜電感應給電電火花加工原理

利用場效應管的開關作用能從直流電源輸出具有一定占空比的方波脈沖 （圖4a所示虛線部分）；通過在極間并聯(lián)整流二極管可實現(xiàn)單極性加工，圖4b所示二極管的連接方向為正極性放電回路（工件為正，電極為負）。圖4中，U為直流電源電壓；R為限流電阻；C1為給電電容；C2為極間等效電容；D1為整流二極管。

圖4 靜電感應給電回路

充電完成后，極間電壓U2和給電電容兩端電壓U1的關系為分壓關系（圖5），可表示為：

C2可根據(jù)平板電容計算公式近似得到：

式中：εr為相對介電常數(shù)，εr空氣=1.00058，εr煤油=1.8；ε0為真空介電常數(shù)，8.8542×10-12F/m；S為電極與工件相對面積，m2；d為極間距離，m。

圖5 電容分壓示意圖

仿真中，假設工具電極面積為2800 mm2（與直徑60 mm的圓形電極面積相當），工作介質(zhì)分別為空氣和煤油，則不同極間距離條件下的極間等效電容C2的計算結果見表1。

表1 空氣、煤油介質(zhì)中的極間等效電容值

2.2 仿真結果

根據(jù)上述仿真模型，以空氣介質(zhì)為例，應用Multisim軟件對靜電感應給電大面積電火花加工的極間充電特性進行仿真研究，仿真條件見表2。分別在不同的給電電容和極間距離等條件下進行仿真，其中C2為表1所示空氣介質(zhì)中的極間等效電容，仿真結果見圖6。

表2 仿真條件

圖6 極間開路電壓與極間距離關系的仿真結果

以給電電容C1=1000 pF為例，在不同的極間距離條件下，極間充電波形的仿真結果見圖7。由上述仿真結果可看出，在給電電容一定時，當極間距離小于某一數(shù)值后，極間開路電壓隨著極間距離的減小而降低，且給電電容越小，極間開路電壓隨極間距離的變化越明顯；而在極間距離一定時，極間開路電壓隨著給電電容的增大而升高。

圖7 不同極間距離條件下的極間開路電壓仿真波形

3 靜電感應給電的大面積電火花加工充電特性的實驗研究

3.1 實驗方法及條件

利用精密電火花加工機床的接觸感知功能確定測量零點，依靠Z軸運動（進給精度1 μm）將工具電極提升到一定高度后下降，從1000 μm開始用示波器測量并記錄極間開路電壓，直到放電結束。實驗中，使用直徑60 mm、長度6 mm的圓形截面紫銅電極，工作介質(zhì)分別為空氣、煤油，其他條件見表3。

3.2 實驗結果

以空氣介質(zhì)、給電電容C1=1000 pF為例，測得的隨極間距離變化的極間開路電壓波形見圖8。

在空氣、煤油介質(zhì)中，不同給電電容條件下測得的極間開路電壓與極間距離的關系分別見圖9和圖10。該實驗結果與仿真結果完全一致。同時還發(fā)現(xiàn)，當極間距離約小于40 μm時開始發(fā)生放電。

表3 實驗條件

圖8 極間開路電壓波形測量結果

圖9 空氣介質(zhì)中極間開路電壓與極間距離的關系

在靜電感應給電大面積電火花加工中，利用極間開路電壓與極間距離的關系，可用來根據(jù)極間開路電壓估算極間距離，還可在伺服控制中將電火花加工的伺服參考電壓設置為多個閾值，從而使電火花加工的放電狀態(tài)區(qū)分更精確，有利于改善伺服控制效果，提高電火花加工的有效放電率。

圖10 煤油介質(zhì)中極間開路電壓與極間距離的關系

4 結論

在基于靜電感應給電的大面積電火花成形加工中，在給電電容一定時，當極間距離小于某一數(shù)值后，極間開路電壓隨著極間距離的減小而降低，且給電電容越小，極間開路電壓隨極間距離的變化越明顯；在極間距離一定時，極間開路電壓隨著給電電容的增大而升高。利用極間開路電壓與極間距離的關系，可用來進行極間距離的測量及實現(xiàn)伺服控制的精確化。

[1] 毛利尚武，齋藤長男，大竹廣定，等.大面積仕上放電加工の研究[J].精密工學會誌，1987，53（1）：124-130.

[2] 齋藤長男，毛利尚武.大面積放電加工における仕上面粗さの向上[J].精密工學會誌，1991，57（6）：954-958.

[3] KUNIEDA M，HAYASAKA A，YANG X D，et al.Study on nano EDM using capacity coupled pulse generator[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2007，56（1）：213-216.

[4] YANG Xiaodong，KIMORI M，KUNIEDA M.Machining properties of micro EDM using electrostaticinduction feeding [C]//Proceedings of the 15th International Symposium on Electromachining.Pittsburgh，USA，2007：231-234.

[5] YANG Xiaodong，YANG Kai，LIU Yutao，et al.Study on characteristic of multi-spark EDM method by using capacity coupling [C]//Proceedings of the 18th CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining. Tokyo，Japan，2016：40-45.

Study on Charging Characteristics of Large Area Sinking Electro-discharge Machining Using Electrostatic Induction Feeding

WANG Zeliang，YANG Xiaodong
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The electrostatic induction feeding method was applied to the large area sinking electrodischarge machining(SEDM)，and theoretical analysis and experimental investigation were conducted to clarify the charging characteristics of the working gap.The results showed that when the work surface area is larger，after the working gap distance falling to some value，the charged open voltage of working gap decreases with decreasing the gap distance.The smaller feeding capacitance is，the more obvious the charged open voltage of working gap varies with the gap distance.Besides，the gap open voltage increases with increasing feeding capacitance under a certain distance gap.

SEDM；electrostatic induction；large area；charging；gap distance

TG661

A

1009－279X（2017）03－0012-04

2017-04-21

國家自然科學基金資助項目（51575136）；黑龍江省自然科學基金重點項目（ZD2015009）

王澤亮，男，1991年生，碩士研究生。