一種用于微細電火花加工的甚高頻微能脈沖電源

劉廣民，張勇斌，王 鋒，李 建，荊 奇

（ 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽621900 ）

微細電火花加工技術(shù)裝置簡單、 適用性好、可控性強、無宏觀力，優(yōu)勢較明顯，是很有發(fā)展前景和應(yīng)用潛力的微細加工技術(shù)之一。 近階段，國內(nèi)外專家學者致力于如何提高微細電火花加工效率和極限加工能力的研究[1]。 單個脈沖的放電能量直接影響單次放電蝕除凹坑直徑，進而影響加工表面質(zhì)量與幾何尺寸精度。 因此，單脈沖放電能量是決定微細電火花加工極限能力的主要因素之一[2]，是加工進一步小型化的關(guān)鍵手段之一[3]。 單脈沖放電能量取決于脈沖電源，故脈沖電源是微細電火花加工研究的重點[4-5]。

學者們一直在追求更精細的電火花極限加工效果，其途徑主要是通過壓縮脈寬、降低電流、降低電壓等方法[6]。 但壓縮脈寬的方法已接近現(xiàn)有典型器件的極限，難有大的突破；而放電電流值取決于電路的限流電阻和放電通道的電阻值，在電阻值確定的情況下， 降低放電電流會導致放電電壓較小，而降低電壓幅值會導致放電間隙過小、 排屑不暢、放電加工難以持續(xù)進行以及效率低下等問題[7]。 因此，研究新型微能脈沖電源，不減小放電間隙又極大降低單脈沖能量，從而實現(xiàn)納米級放電蝕除是非常有意義和必要的。

放電頻率提高， 使單位時間內(nèi)的放電次數(shù)增加，則加工效率提升；同時會進一步壓縮脈寬，從而降低單脈沖能量。 提高開路電壓可增大放電間隙，有利于排屑和提高加工的連續(xù)性。 目前用于微細電火花加工的放電頻率最高只有10 MHz[8]，而在微細電解加工領(lǐng)域有脈沖頻率超過30 MHz 的甚高頻脈沖加工的應(yīng)用，但電壓幅值較低，如低于20 V，對于微細電火花來說放電間隙較小， 加工難以持續(xù)進行。 因此問題的核心在于：如何將脈寬大幅壓縮的同時，仍能保持較高的電壓幅值，以期實現(xiàn)持續(xù)可控的納米放電蝕除。 本文提出一種用于微細電火花加工的甚高頻微能脈沖電源， 能產(chǎn)生脈寬極窄、頻率極高的脈沖波形，并通過實驗證實了其良好的放電蝕除特性，為實現(xiàn)可持續(xù)的納米級微細電火花加工奠定了基礎(chǔ)。

1 甚高頻微能脈沖電源實現(xiàn)原理

不同于依賴開關(guān)性能的傳統(tǒng)脈沖電源實現(xiàn)原理，本文提出了與傳統(tǒng)電火花脈沖電源壓縮脈寬不同的研究思路：使用振蕩電路來獲得甚高頻（頻率30～300 MHz）的放電脈沖，既有利于大幅壓縮脈寬，也有利于維持較高的開路電壓。 這包括兩個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：甚高頻激勵脈沖產(chǎn)生及其幅值放大。 甚高頻激勵脈沖通過頻率合成技術(shù)產(chǎn)生，有高精度的參考信號作為參考頻率，保證了極高的頻率穩(wěn)定性和精確度； 頻率合成技術(shù)產(chǎn)生甚高頻脈沖激勵信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大，驅(qū)動場效應(yīng)管Q通斷，整個電路采用直流電源E供電，高頻扼流圈L1用于消除交流信號與直流電源及地之間的耦合，經(jīng)耦合電容C1過濾直流信號， 共振電感L2與共振電容C2形成共振模塊放大信號，經(jīng)過限流電阻R到達工具電極和工件進行放電加工。 圖1 是甚高頻共振式脈沖電源電路原理，對于給定的L2和C2，共振發(fā)生在一個特定的頻率稱為共振頻率fr， 阻抗在該情況下達到最小[9]。 因此，電路中的共振頻率fr可表示為：

甚高頻放電過程等價電路與示意波形見圖2，可將電路狀態(tài)簡化為開路和放電兩種狀態(tài)。其中，R為限流電阻，C3為開路情況下工件形成的等效電容，Rg為放電通道電阻，Lg為放電通道的等效電感，Cg為放電過程中的等效電容。 由于甚高頻放電頻率下，等效電容通交流隔直流，因此開路下仍有電流存在，且放電時放電通道電阻進入電路，導致電流降低，電壓由于放電通道電阻分壓也會有所降低。

甚高頻微細電火花加工的影響因素有很多，其加工過程復(fù)雜。 影響其放電加工性能的因素主要包括：高頻扼流圈L1感值、耦合電容C1容量、共振電感L2和共振電容C2、傳輸導線的特性、雜散電容、工作介質(zhì)及回路中其他參數(shù)。 根據(jù)甚高頻共振式微細電火花加工原理可知：隨著電路中放電頻率的提升和極間開路電壓的減小，放電能量減小。 由于電路輸出的是正弦波，與目前其他種類的脈沖電源原理存在不同，放電脈寬和脈間由脈沖的放電頻率來決定，放電頻率對單脈沖的放電能量和加工速度起著決定性的作用。

2 甚高頻微能脈沖電源實驗方案設(shè)計

甚高頻脈沖電源實驗在自主研發(fā)的μEDM-50微細電火花精密加工樣機上開展。 機床的最小進給速度為1 μm/s、定位精度為（±1） μm、直線軸位移分辨率達0.1 μm， 能滿足微細電火花加工的精度需求。實驗平臺系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。實驗采取工作臺步進方式進行，同時用示波器和電流傳感器對工具電極和工件兩端的電壓與極間電流進行監(jiān)控，以觀察極間放電狀態(tài)。 實驗分別利用傳統(tǒng)晶體管開關(guān)式電源和甚高頻脈沖源進行微表面及微孔的加工，并對比兩者的加工效果。 實驗時，兩種電源參數(shù)見表1。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 與傳統(tǒng)晶體管電源脈沖波形對比

兩種條件下，放電加工的開路電壓波形見圖4。其中，圖4a 是頻率0.8 MHz、電阻50 Ω、電壓峰值70 V 時的開路電壓波形； 圖4b 是頻率65 MHz、電阻50 Ω、電壓峰值70 V 時的開路電壓波形。 可見，新型甚高頻脈沖源的開路電壓波形近似標準的正弦波，基本上沒有變形，放電頻率為65 MHz 時的脈沖周期為15.4 ns。 同時，機床現(xiàn)有的晶體管獨立式脈沖電源終端波形邊沿出現(xiàn)振蕩，甚高頻波形更加純凈，其脈寬更窄，優(yōu)勢較明顯（圖5）。

表1 實驗條件

3.2 平面加工實驗

實驗采用尖端直徑為120 μm 的圓錐形硬質(zhì)合金電極，工件為厚度10 μm 的黃銅片，電介質(zhì)為電火花油。 從圖6 可看出，新型脈沖電源的加工表面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電源的加工表面，由于電極未加旋轉(zhuǎn)和振動且底面未修整，加工表面會有些不平整。 在同等加工條件下，新型脈沖電源加工銅片表面的放電凹坑平均直徑明顯比傳統(tǒng)電源的小，單脈沖平均放電能量大幅縮減，而表面質(zhì)量得到極大的提升。

3.3 微孔加工實驗

圖7 和圖8 分別是在厚度10 μm 的黃銅片上加工的孔的入口和出口。 由于電極沒有旋轉(zhuǎn)且未修整過，加工出的孔不圓，但可看出新型脈沖電源（頻率65 MHz）入口處邊緣的放電加工區(qū)域明顯比傳統(tǒng)脈沖電源（頻率0.8 MHz） 的平均放電凹坑直徑更小、表面質(zhì)量更好。 傳統(tǒng)脈沖電源加工孔的出口處重鑄層較嚴重， 而新型脈沖電源幾乎沒有重鑄層。其原因主要是傳統(tǒng)脈沖電源單次放電時脈寬較寬、放電能量較大，邊緣熔化冷凝導致重鑄層較大。 放電凹坑的大小取決于單個脈沖放電能量的大小，影響著微細電火花加工精度和加工尺寸極限。 因此，甚高頻脈沖電源有利于減少加工過程中的熱損傷、改善工件的加工表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文提出一種新型的基于電路共振原理的甚高頻微能脈沖電源，通過實驗證實了其良好的放電蝕除特性，為實現(xiàn)可持續(xù)的納米級微細電火花加工奠定了基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)的微細電火花脈沖電源相比，甚高頻電源的放電頻率可大幅提升至65 MHz，放電電壓脈寬可壓縮至7.7 ns。 通過與傳統(tǒng)晶體管式脈沖電源的對比實驗研究發(fā)現(xiàn)，新型甚高頻電源的放電加工表面質(zhì)量更好， 孔加工過程中的熱損傷、重鑄層和熱影響區(qū)等常規(guī)缺陷得到了極大減少。