電火花小孔加工脈沖電源的微觀控制方法研究

顧洪良，吳 強(qiáng)，季希寧

（蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

近年來(lái)，隨著新材料、新工藝的發(fā)展，電火花小孔加工技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。尤其對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的氣膜孔而言，因其材料特殊、工藝要求高，電火花加工已成為其主流的加工方法。由于放電蝕除是一個(gè)物質(zhì)熔化、拋出、冷卻的熱加工機(jī)理過(guò)程，在加工鈦合金、高溫合金等材料的零件時(shí)，其加工表面無(wú)法避免會(huì)產(chǎn)生重熔層，此外在某些不利情況下還會(huì)出現(xiàn)微裂紋，這些問(wèn)題都會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命帶來(lái)致命影響[1]。

針對(duì)上述問(wèn)題，許多專(zhuān)家和學(xué)者開(kāi)展了多方面的研究，試圖找到解決方法。徐正揚(yáng)等[2]研究了基于電火花-電解復(fù)合加工的方法，實(shí)現(xiàn)了電解加工去除電火花加工產(chǎn)生的重熔層，并通過(guò)了葉片氣膜孔加工驗(yàn)證，但此種方法的過(guò)程繁瑣、裝備復(fù)雜，在目前并非主流的加工方法。李朝將等[3]兼顧葉片氣膜孔加工效率和重熔層厚度，研制了加工參數(shù)在線可調(diào)的窄脈寬高峰值電流脈沖電源系統(tǒng)，進(jìn)行了氣膜孔電火花加工參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，尋找了重熔層厚度和加工效率的顯著影響因素，其研究結(jié)論表明：影響加工效率和重熔層厚度的最重要因素是脈沖寬度、峰值電流和脈沖間隔，但可能受限于當(dāng)時(shí)的脈沖電源性能，該研究并未給出更小脈寬和脈間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。葉樹(shù)林等[4]通過(guò)研究認(rèn)為：在高速電火花小孔加工中，當(dāng)脈沖間隔大于8μs時(shí)就可進(jìn)行穩(wěn)定加工，并通過(guò)加工試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在高速電火花小孔加工中，當(dāng)脈沖寬度小于1μs、脈沖間隔小于8μs甚至1μs時(shí)，也能實(shí)現(xiàn)高效率加工，但前提是脈沖電源必須配置強(qiáng)化消電離的電路。

基于上述問(wèn)題的研究和試驗(yàn)結(jié)果，本文研制了一種新型的納秒級(jí)脈沖電源，試圖采用微觀控制方法優(yōu)化脈沖電源能量輸出，從而減小重熔層的厚度，避免微裂紋的產(chǎn)生，并提高加工效率和孔徑的一致性。

1 新型脈沖電源結(jié)構(gòu)組成

基于電火花小孔加工的工藝要求及前期試驗(yàn)結(jié)果，新研制的脈沖電源具有以下技術(shù)特征：

（1）脈沖電流能輸出納秒級(jí)的脈沖寬度和脈沖間隔、峰值達(dá)50 A以上。

（2）脈沖電源的主電路配置間隙清理回路，加強(qiáng)放電停歇期間的消電離效果。

（3）每個(gè)放電脈沖等能量輸出。

（4）有效地消除短路和拉弧等有害脈沖發(fā)生。

為此，本文將脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4個(gè)模塊，即MCU控制模塊、CPLD控制模塊、間隙檢測(cè)模塊和功率輸出模塊。脈沖電源系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)字化納秒級(jí)電火花脈沖電源結(jié)構(gòu)圖

MCU控制模塊由檢測(cè)控制單元、脈沖參數(shù)設(shè)置單元和串口通訊單元組成。檢測(cè)控制單元的功能是采集放電間隙的電壓和電流數(shù)據(jù)，設(shè)置并輸出檢測(cè)模塊的相關(guān)閾值數(shù)據(jù)。串口通訊單元負(fù)責(zé)控制RS485串口總線，通過(guò)ModBus RTU協(xié)議進(jìn)行脈沖電源系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)之間的交互通信，實(shí)現(xiàn)脈沖電源參數(shù)的設(shè)置和放電狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集。

CPLD控制模塊由高速采樣單元、同步式多回路脈沖控制單元和主振脈沖發(fā)生單元組成。高速采樣單元負(fù)責(zé)采樣放電間隙檢測(cè)模塊的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)，如短路信號(hào)、擊穿信號(hào)等。同步式多回路脈沖控制單元是整個(gè)脈沖電源的控制核心，通過(guò)控制主振脈沖發(fā)生單元，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、控制脈沖電源的運(yùn)行。

功率脈沖輸出模塊負(fù)責(zé)多回路脈沖的功率放大輸出及傳輸回路，主要由VMOS管組成的放電輸出電路、高速VMOS驅(qū)動(dòng)電路和脈沖功率電源傳輸回路組成。

2 微觀控制方法的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)型脈沖電源，其控制方法一般是開(kāi)環(huán)和單向控制，脈沖電源只按照預(yù)先設(shè)置的電參數(shù)輸出放電脈沖，即使有短路保護(hù)等反饋控制功能，其檢測(cè)和控制方法也是宏觀且事后發(fā)生的。而本文研制的新型脈沖電源相比于傳統(tǒng)脈沖電源，其電路結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求更高。若要使新型脈沖電源具有良好的性能要求，并保證電路各部分正常有序工作，僅靠傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制方式是難以實(shí)現(xiàn)的。本文采取了基于單個(gè)脈沖的微觀閉環(huán)控制方法，其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）通過(guò)快速檢測(cè)放電前的間隙狀態(tài)和放電過(guò)程中單個(gè)脈沖的放電狀態(tài)，有序控制放電過(guò)程中每個(gè)脈沖的工作進(jìn)程。

（2）控制方法全部由同步時(shí)序控制的高速數(shù)字硬件電路實(shí)現(xiàn)，確保實(shí)時(shí)性。

（3）預(yù)設(shè)的循環(huán)系統(tǒng)與外部的檢測(cè)信號(hào)建立一套安全的隨機(jī)觸發(fā)機(jī)制，保證系統(tǒng)根據(jù)外部信號(hào)自動(dòng)執(zhí)行不同的循環(huán)。

2.1 放電間隙狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)

放電間隙狀態(tài)直接反映脈沖電源的工作狀態(tài)。檢測(cè)電路采集放電間隙狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)處理后反饋給控制系統(tǒng)，成為脈沖電源閉環(huán)控制的重要依據(jù)。

放電間隙狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)的電氣原理見(jiàn)圖2。間隙檢測(cè)模塊采集得到4個(gè)狀態(tài)信號(hào)，分別是：放電電壓Vg、加工電流Vi、放電擊穿信號(hào)Sc、路信號(hào)Sd。其中，Vg和Vi為數(shù)值信號(hào)、Sc和Sd為電平信號(hào)。對(duì)于微觀控制方法而言，發(fā)揮重要作用的是Sc和Sd，而Vg和Vi只起到輔助作用。

圖2 放電間隙狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)原理圖

2.2 微觀控制原理

微觀控制方法在于一種由統(tǒng)一時(shí)鐘同步控制的閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)未發(fā)生外部事件觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)按預(yù)設(shè)的時(shí)序循環(huán)執(zhí)行；當(dāng)發(fā)生外部觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行信號(hào)對(duì)應(yīng)選擇的時(shí)序循環(huán)執(zhí)行。

如圖3所示，在正常放電時(shí)，主振脈沖微觀控制過(guò)程分為6個(gè)步驟，循環(huán)執(zhí)行。發(fā)生異常事件觸發(fā)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按圖4所示流程執(zhí)行，其控制過(guò)程如下：

圖3 主振脈沖微觀控制的放電周期時(shí)序圖

圖4 微觀控制流程圖

（1）放電截止

此階段為整個(gè)控制周期的起始，也是上次脈沖放電周期的結(jié)束，放電間隙處于放電結(jié)束后消電離過(guò)程。此時(shí)，脈沖停歇時(shí)間計(jì)數(shù)器不斷作計(jì)數(shù)操作。

（2）短路探測(cè)

在放電脈沖停歇時(shí)間即將結(jié)束前，系統(tǒng)給放電間隙發(fā)出一個(gè)短路探測(cè)脈沖。脈寬可通過(guò)外部設(shè)置，脈沖不晚于主脈沖停歇結(jié)束時(shí)撤銷(xiāo)。系統(tǒng)通過(guò)判斷收到短路信號(hào)Sd，決定下一步走向。如無(wú)短路發(fā)生，則按時(shí)開(kāi)啟主脈沖，否則，重新進(jìn)入放電截止階段，主脈沖也不會(huì)開(kāi)啟。如一直探測(cè)間隙至出現(xiàn)短路，系統(tǒng)則會(huì)在放電截止和短路探測(cè)兩個(gè)階段不斷循環(huán)，直至檢測(cè)到無(wú)短路發(fā)生。

（3）脈沖開(kāi)始

在檢測(cè)到間隙無(wú)短路之后，系統(tǒng)立即開(kāi)啟主脈沖，間隙之間即刻施加放電電壓，等待放電擊穿。此時(shí)，脈寬時(shí)間計(jì)數(shù)器被賦初值。

（4）擊穿探測(cè)

在開(kāi)啟主脈沖的同時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控?fù)舸┬盘?hào)Sc。如間隙無(wú)發(fā)生擊穿，則繼續(xù)等待，脈寬時(shí)間計(jì)數(shù)器繼續(xù)賦初值，直到發(fā)生擊穿，進(jìn)入下一階段。

（5）放電加工

間隙之間持續(xù)放電，脈沖寬度時(shí)間計(jì)數(shù)器不斷作計(jì)數(shù)操作，直至計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完成，系統(tǒng)關(guān)閉主脈沖，放電終止。

（6）間隙清理

放電主脈沖關(guān)閉后，由于放電回路的寄生電感、電容的作用，間隙之間會(huì)發(fā)生脈沖無(wú)法立即關(guān)閉的情況，嚴(yán)重影響間隙消電離效果，從而妨礙下一周期的放電過(guò)程。因此，脈沖電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的間隙清理回路，在關(guān)閉主脈沖后，即刻發(fā)出間隙清理脈沖，其脈沖時(shí)間預(yù)先設(shè)置，可以有效增強(qiáng)消電離效果。

2.3 微觀控制方法的CPLD實(shí)現(xiàn)

按照上述控制原理，利用CPLD靈活、快速可編程特性，將MCU模塊配置的脈沖電源參數(shù)和檢測(cè)模塊反饋信號(hào)作為輸入，可以設(shè)計(jì)符合實(shí)時(shí)要求的系統(tǒng)主控單元，用以驅(qū)動(dòng)脈沖電源主回路和相關(guān)輔助回路。

控制單元所有控制對(duì)象采用單一時(shí)鐘的同步方式設(shè)計(jì)，時(shí)鐘頻率高達(dá)64 MHz，滿(mǎn)足納秒級(jí)的脈沖輸出及控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求；外部觸發(fā)信號(hào)及內(nèi)部隱含觸發(fā)信號(hào)均采取由時(shí)鐘鎖定的方式，確保高速運(yùn)行下循環(huán)觸發(fā)跳變的可靠性。

圖5是實(shí)例化的脈沖電源主控單元的邏輯仿真波形圖。其中，輸入信號(hào)包括脈寬時(shí)間TON、脈沖間TOFF、短路探測(cè)脈沖時(shí)間TD、間隙清理時(shí)間TC、短路信號(hào)SD、擊穿信號(hào)SC；輸出信號(hào)包括主脈沖MPO、短路探測(cè)脈沖DPO、間隙清理脈沖CPO；同步時(shí)鐘CLK。

圖5 微觀控制主控脈沖單元CPLD邏輯仿真波形

3 驗(yàn)證

3.1 功能驗(yàn)證

本文研究的新型脈沖電源在筆者單位生產(chǎn)的ZT007型多軸數(shù)控電火花小孔機(jī)床上得到了驗(yàn)證。在放電加工的狀態(tài)下通過(guò)示波器檢測(cè)相關(guān)電路的輸入、輸出電信號(hào)，證明了該電源的開(kāi)環(huán)及閉環(huán)控制等功能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6是加工時(shí)放電間隙的實(shí)際電壓波形。該波形體現(xiàn)了短路探測(cè)、短路保護(hù)切除主脈沖、間隙擊穿探測(cè)和等能量脈沖輸出等功能。圖6中設(shè)置的實(shí)際加工脈沖電源參數(shù)為：脈沖寬度為10μs、脈沖間隔為20μs、短路探測(cè)時(shí)間為4μs；間隙清理時(shí)間為8μs；短路保護(hù)和等能量功能開(kāi)啟。

圖6 電火花小孔加工放電間隙電壓波形圖

3.2 工藝驗(yàn)證

采用本新型脈沖電源進(jìn)行電火花小孔加工試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)，該脈沖電源在關(guān)鍵工藝指標(biāo)方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)脈沖電源，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）加工穩(wěn)定性和安全性提高，不會(huì)出現(xiàn)拉弧等不良放電現(xiàn)象，加工件表面微裂紋的發(fā)生幾率大幅度降低。

（2）可實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)脈沖寬度及脈沖間隔的放電加工，并提高了加工表面質(zhì)量，得到的最佳表面粗糙度為Ra≤1.2μm；在加工高溫合金時(shí)，重熔層厚度≤0.005 mm。

（3）放電間隙比傳統(tǒng)脈沖電源的小，且加工孔徑的一致性較好。

新型脈沖電源電火花小孔加工試驗(yàn)的檢測(cè)記錄分別見(jiàn)表1～表3?？讖揭恢滦约庸ぴ囼?yàn)得出的入口孔徑的一致性為0.028 mm、出口孔徑的一致性為0.032 mm；高溫合金加工試驗(yàn)得出的重熔層厚度≤0.0047 mm；新舊脈沖電源加工表面粗糙度對(duì)比試驗(yàn)得出，傳統(tǒng)電源的平均表面粗糙度為Ra1.16μm、平均加工時(shí)間為175 s，而新型電源的平均表面粗糙度為Ra2.78μm、平均加工時(shí)間為188 s

表1 孔徑一致性加工試驗(yàn)檢測(cè)記錄

表2 高溫合金加工試驗(yàn)重熔層檢測(cè)記錄

表3 脈沖電源加工對(duì)比試驗(yàn)表面粗糙度與時(shí)間檢測(cè)記錄

4 結(jié)論

（1）采用微觀控制方法研制的數(shù)字化納秒級(jí)脈沖電源，可有效地優(yōu)化脈沖電源的能量輸出，杜絕有害脈沖的發(fā)生，從而減小高溫合金材料小孔的重熔層厚度，避免微裂紋的產(chǎn)生。

（2）微觀控制方法可預(yù)先快速地檢測(cè)每一次放電前的間隙狀態(tài)，并能實(shí)時(shí)控制每一個(gè)放電脈沖電參數(shù)，保證了整個(gè)放電過(guò)程的高效和穩(wěn)定。

（3）新電源配置了間隙清理輔助電路，加強(qiáng)了放電截止后間隙消電離效果，使小于1μs的小脈寬、小脈間在其工藝應(yīng)用中得以實(shí)現(xiàn)，從而保證更精細(xì)、精密的小孔加工要求。

（4）微觀控制方法可作為一項(xiàng)研制其他類(lèi)型電加工數(shù)字化脈沖電源的主控單元設(shè)計(jì)的參考選擇。