电火花镜面加工电源研究

" 精确稳定的放电电压
低压稳压电源系统采用全桥全控全闭环晶闸管 自动稳压系统， 是功率输出的主回路， 主要为放电间
［ ］ 6 隙提供加工能量 。为考虑不同材料的加工要求，
系统提供了多档电压选择， 工作电压从 7 58 到 ! # 5 共分为! 平均最大工作电流 9 8， 5档； 5:。主电源 采用全控全桥可控硅整流电路， 具有闭环自动稳压
《电加工与模具》 O " " P年第!期
工艺 ・ 装备
电火花镜面加工电源研究
杨大勇， 曹凤国， 刘 萍， 崔志成， 何花卉
（ 北京市电加工研究所，北京 ! " " " # $）
摘要：为了提高电火花加工的表面质量和加工精度， 研究了影响电火花镜面加工的各项电源 因素， 并研制了既能获得很好的镜面加工效果， 又能获得较高加工速度的微细放电镜面加工电源， 使 小面积的镜面表面粗糙度达到了 ! 为精密和微纳电火花加工提供了良好的技术基础。 " " % " &! ’， 关键词：电火花加工； 镜面加工； 脉冲电源； 精规准回路
镜面电火花加工技术的研究起步于 O " 世纪 # " 年代。所谓镜面电火花加工一般是指加工表面粗糙 度! 此时的加工表面具 "! " % O! ’ 的电火花加工， 有镜面反光效果。研究表明， 具有镜面加工效果的 电火花加工表面， 其表面变质层厚度均匀、 极少有显 微裂纹， 且有较高的耐磨性和耐蚀性， 无需抛光即可 用作零件的最终表面。 对于小面积的电火花加工， 加工表面粗糙度值 可通过减小放电脉冲能量的方法来降低， 即采用窄 脉宽和小电流。但对于大面积电火花加工， 由于随 着加工面积的增大， 工具电极和工件间的寄生电容 相应变大， 电容储能作用增强， 脉冲放电时， 如脉冲 能量较小， 则不能使放电间隙中形成足够的电场， 无 法发生击穿放电， 此时的放电脉冲只是对极间的寄 生电容充电， 只有当连续多个放电脉冲使寄生电容 储
［ ］ O 加工技术 （又称混粉工作液电火花加工技术） ， 该
技术是在常规电火花加工工作液中添加铝、 硅等导 电性粉末， 通过控制粉末浓度等加工条件， 使电火花 加工的表面粗糙度得到较大改善， 能产生类似 “镜
［ ］ $ 面” 的加工效果 （为此有资料 还将该技术称为镜
面电火花加工技术） ， 同时加工表面的显微硬度、 耐 磨、 耐蚀等性能都较普通电火花加工表面有所提高， 从根本上克服了电火花加工表面性能差等缺点， 从 而将电火花加工技术提高到一新的水平。 电火花加工的表面粗糙度取决于放电蚀坑的深 度及分布均匀程度， 只有在加工表面产生深度浅而 分布均匀的放电蚀坑， 才能保证加工表面有较小的 表面粗糙度值。即降低单个脉冲的放电能量， 使每
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《电加工与模具》 # 5 5 ;年第!期
倍， 以利排屑和消电离， 改善间隙状态， 提高加工稳 定性。 ! , " 切断控制 放电间隙发生拉弧或短路等异常现象后， 根据 检测环节获得的信号， 切断脉冲电源输向放电间隙 的部分或全部脉冲， 使放电间隙充分消电离， 然后恢 复稳定加工， 这也是预防间隙积碳、 拉弧的措施。当 击穿延时比设定短时， 间隙状况恶化， 极易产生短 路、 拉弧， 对工件造成烧伤。此时， 将振荡脉冲关断， 即切断功率管门控脉冲输出， 降低加工电流。切断 控制波形原理如图#所示。这种措施在石墨加工和 工作液处理困难时， 效果更加明显。
图. 微精加工脉冲电源示意图
）放电波形 （ 9
图+ 高压击穿低压放电加工的原理和放电波形
. 微细镜面加工回路
小面积镜面加工的关键在于精规准回路。精规 准回路提供足够小的电流和足够窄的脉宽， 使单个 脉冲的放电能量足够小， 从而在加工表面产生小的
［ ］ . 放电蚀坑， 得到表面粗糙度值小的加工表面 。
收稿日期： O " " P Q " ! Q " & 基金项目：北京市自然科学基金资助项目 （ ） $ " R ! " " ! 第一作者简介：杨大勇，男， ! S P O年生，副研究员。
存了足够的能量后， 才发生击穿放电， 而一旦发生放 电， 寄生电容中储存的所有电能将全部释放。因此 对大面积电火花加工来讲， 减小单个放电脉冲能量 无法得到低表面粗糙度值的加工表面。为解决这一 问题， 国内外许多学者对此进行了研究。 # " 年代中 期， 日本学者毛利尚武等人首次提出了混粉电火花
! 精确快速的放电状态检测与控制
对加工状态的实时监测有着极高的要求， 反馈 环节的精度和稳定性直接影响放电能量和加工效 果。利用高速采集手段快速检测到拉弧状态， 并迅
［ ］ " 速做出反应是保证高精度镜面加工的必要手段 。
图# 切断控制波形图
因此， 本文采用 ! #$ % &的高速数字模拟信号转换器 件来监测异常放电状态， 极短的转换时间和高精度 的采样结果能够更加快速地反映放电加工间隙的状 态。一方面在放电控制上通过改变脉宽 ’ 脉间 (、 、 峰值电流* 消除拉 ’ ) ) + 等参数来控制加工过程， 弧状态； 另一方面能快速地控制高精度高响应电机 驱动系统， 精确控制放电间隙， 更好地控制放电能 量， 从而加工出高质量的镜面。 ! , ! 电流波形上升沿检测 拉弧的检 图! 所示是防止在间隙中产生积碳、 测回路。通过检测电路送出时间间隔固定的两组探 测脉冲— — — ， 共同对间隙 . / 0 2 3 4 / ! 和. / 0 2 3 4 / # 1 1 电流波形上升沿检查、 判断； 如探测到电流脉冲过大 或 过小 （即发现有害脉冲） ， 则将脉冲间隔拉大! 5
+ 高低压复合放电波形
高压脉冲回路的脉冲电压较高 （ ， % & ’( 左右） 平均电流较小， 主要起击穿间隙的作用， 也就是控制 低压脉冲的放电击穿点， 因而也称之为高压引燃回 路， 高压只起击穿作用， 击穿过后， 脉冲结束， 不参与 放电。低压主回路的脉冲电压较低 （ ， 可 , ’!’(） 输出的电流较大， 起蚀除工件的作用， 为加工回路。 所谓高低压复合脉冲， 是在每个工作脉冲电压 （ , ’ ! 波形上再叠加一个小能量的高压脉冲 （% ’(） & ’ ( 左右） ， 使放电间隙先被击穿引燃而后再放电加工， 这样大大提高了脉冲的击穿率和利用率， 可增大击 穿能量、 减少击穿延时， 增加放电间隙， 有利于排屑 和加工稳定， 提高加工速度。其波形如图+所示。
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工艺 ・ 装备
次火花放电产生小的放电蚀坑， 从而生成表面粗糙 度值低的加工表面。同时为了控制放电凹坑的均匀 性， 需要采用等能量放电脉冲控制技术， 即检测间隙 电压击穿下降沿， 控制放电脉冲电流宽度相等， 用相 同的脉冲能量进行加工， 从而使加工表面粗糙度在 微观上均匀一致。针对控制放电能量的微细和均 匀， 本文研制了高精度镜面加工回路， 实现了小面积 的镜面加工。同时借鉴上述混粉加工液镜面加工的 机理， 在普通加工液中加大放电间隙来加粗放电通 道， 加大放电间隙是通过高低压复合波形实现， 即用 高压击穿、 低压放电的加工方式实现了加大放电间 隙的目的。同时为了获得均匀的放电蚀坑， 研制了 高、 低压的稳压系统， 提供了精确稳定的放电电压。 为防止拉弧等不良放电状态的出现， 研制了高速度 的放电状态检测与控制系统。
# 尽量减小电极损耗
电火花加工时， 两极接脉冲电压极性不同， 所造 成的蚀除量也会有所不同， 在脉冲放电的前一阶段， 呈负极性的电子因其质量小， 容易获得动能， 电子不 断轰击着阳极， 而与电子呈相反极性的正离子因其 质量大， 获得动能的时间较长， 此时， 电子传递给阳 极的能量高于正离子传递给阴极的能量。而随着放 电时间的增加， 正离子逐渐获得较高的运动速度， 它 的质量大， 轰击阴极时的动能较大， 因传递给阴极的 能量显著增加， 此时， 阴极的蚀除量大于阳极。因此 合理利用放电加工的极性效应， 能最大限度地增加 电加工的效率， 减小电极损耗。此外， 合理控制电流 上升沿与减少负波也是减小电极损耗的必要手段。
图! 电流波形上升沿检测原理
功能， 同时设计了短路、 过流、 过压、 缺相等多项保护 — 9 ; —
《电加工与模具》 % ’ ’ 7年第)期
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功能。低压主电源原理如图!所示。
图! 低压主电源原理图
（ ）加工原理 8
高压稳压电源系统采用高速 " #$ 调制原理， 实现高压 （ 大功率， 并使其波纹系数 !) % & ’(） *， 稳压精度达到) *。高压辅助放电能起到拉大放电 间隙、 稳定放电过程的作用， 因此其电源的精确稳定 就非常重要。
图, 微精加工回路的放电电压波形
微精加工回路原理如图 . 所示， 此为 / 1 0 2 3型 脉冲电源电路， 其中 / 是功率管 （本研究采用的是 0 ， !) 是限流电阻， !% 是微精加工电阻， "是 4 5 6 /） 贮能电容器， 图,是输出电压波形， 图7是微精加工 回路的实测放电电压波形。这种电路综合了弛张式 脉冲电源和晶体管脉冲电源的优点， 适用于电火花 加工中的微精加工。