电火花加工用脉冲电源

电火花加工及其脉冲功率电源的研究
电火花加工又称放电加工（electrical discharge machining,简称EDM），由于其能进行难切削材料和复杂形状零件的加工，而得到广泛的应用。

其中最主要的部分是脉冲电源，脉冲电源的技术性能好坏直接影响电火花成形加工的各项工艺指标，如加工质量精度、加工速度、电极损耗等。

本文将对电火花加工的原理及其脉冲电源进行简要介绍和研究。

一、电火花加工的工作原理
进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。

通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。

在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。

这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。

紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。

这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。

在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。

因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。

在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。

常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

图1电火花加工基本原理
1-工件；2-脉冲电源；3-自动进给调节装置；4-工具；5-工作液；6-过滤器；7-工作液泵
图2数控电火花成型加工机床基本组成
二、电火花加工的特点和应用
⑴电火花加工的优点
①适合于难切削材料的加工。

电火花加工是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能（硬度、强度等）无关，因此电火花加工突破了传统切削工具的限制，实现了用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶金刚石，立方氮化硼一类的超硬材料。

②可以加工特殊及复杂形状的零件。

电火花加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及细微加工。

由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。

③易于实现加工过程自动化。

电火花加工直接利用电能加工，而电能、电参数易于数字控制，因此电火花加工适应智能化控制和无人化操作等。

④可以改进加工零件的结构设计，改善其结构的工艺性。

例如采用电火花加工可以将拼镶结构的硬质合金冲模改为整体式结构，从而减少了模具加工工时和装配工时，延长了模具的使用寿命。

⑵电火花加工的局限性
①只能用于加工金属等导电材料，不能用来加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料，在一定条件下可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。

②加工速度一般较慢。

因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量，然后再进行电火花加工，以提高生产率，如果采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工，其粗加工生产率可以高于切削加工。

③存在电极损耗。

因此电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。

现在，粗加工时电极相对损耗比可以将至0.1%以下，在中、精加工时能将损耗比将至1%甚至更小。

④最小角部半径有限制。

一般电火花加工能得到的最小角部半径等于工作间隙（通常为
0.02~0.03mm），若电极有损耗或采用平动头加工，则角部半径还要增大。

现在，多轴数控电火花加工机床采用X、Y、Z轴数控摇动加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底
面。

⑶电火花加工的主要应用
①加工各种金属及其合金材料，导电超硬材料（如聚晶金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷等），特殊的热敏材料，半导体和非导体材料。

②加工各种复杂形状难加工的型孔和型腔工件，包括加工圆孔、方孔、异形孔、微孔、深孔等型孔工件，特别适宜于加工弱刚度、薄壁工件的复杂外形，及各种型面的型腔工件，弯曲孔等。

③各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构零件的切断、切割微细窄缝及细微窄缝组成的零件（如金属栅网、慢波结构、异形孔喷丝板、激光器件等）。

④结构各种成形刀、样板、工具、量具、螺纹等成形器件。

⑤工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、外圆平面等磨削和成形磨削。

⑥刻写、打印名牌和标记。

⑦表面强化和改性，如金属表面高速淬火、渗氮、渗碳、涂敷特殊材料及合金化等。

⑧辅助用途，如去除折断在零件中的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。

由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，电火花加工技术已广泛用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、电子、原子能、计算机技术、仪器仪表、电机电器、精密机械、汽车拖拉机、轻工等行业、以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题，加工范围从微小的轴、孔、缝、到超大型模具和零件。

为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的设计改进与制造提供了新的加工技术，为现代科学技术的发展和试验设计水平的提高提供了有效的手段。

三、电火花加工脉冲功率电源
电火花成形加工机床的脉冲电源的作用是把普通220V或380V、50Hz交流电转换成在一定频率范围，具有一定输出功率的单向脉冲电，提供电火花成形加工所需要的放电能量来蚀除金属，满足工件加工要求的设备装置。

⑴电火花加工脉冲电源的分类
电火花加工脉冲电源按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，按脉冲产生形式分为两大类，即非独立式脉冲电源和独立式脉冲电源；按功能可分为等电压脉宽（等频率）、等电流脉宽脉冲电源；模拟量、数字量、微机控制、智能化等脉冲电源。

电火花加工脉冲电源类型
⑵弛张式脉冲电源
国外在40-50年代、我国在50-60年代初，都曾在电火花加工中广泛地使用弛张式脉冲电源。

这种电源的基本电路是RC型和RLC型等电路。

工作原理是利用电容器存储电能，而后瞬时放电，成为脉冲电流，达到蚀除金属的目的。

因为电容器时而放电，时而充电，一张一弛，故称为弛张式电源。

因为这种线路的脉冲参数（放电波形、脉冲延时、放电频率及放电能量等）直接受加工过程中的电极间隙物理状态的影响（加工间隙的大小及介质的污染程度等），所以称为非独立式脉冲电源。

①RC型脉冲电源
RC线路是弛张式脉冲电源中最简单、最基本的一种，原理电路如图3。

图3 RC型弛张式脉冲电源电路
1-工具电极 2-工件
当直流电源接通后，电流经限流电阻R向电容C充电，电容C两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端电压就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容C两端电压上升到工具电极和工件间隙的击穿电压u d时，间隙就被击穿，电容器上存储的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流i e。

电容上的能量释放后，电压瞬时下降到接近于零，间隙中的工作液偶遇迅速恢复绝缘状态。

此后电容器再次充电，又恢复前述过程。

如果间隙过大，则电容器上的电压u c按指数上升到直流电源电压E。

RC线路脉冲电源的最大优点是结构简单，工作可靠，成本低；在小功率时可以获得很窄的脉宽（小于0.1μs）和很小的单个脉冲能量，可用做光整结构和精微加工；电容器瞬时放电可达很大的峰值电流，能量密度很高，放电爆炸、抛出能力强，金属在汽化状态下被蚀除的百分比大，不易产生表面裂纹，加工稳定。

但这种脉冲电源存在着以下缺点：
I、脉冲参数不稳定，其放电熄灭电压、单个脉冲能量及电容器输出功率都是随机变化的，与单个脉冲能量稳定的脉冲电源相比，在相同的加工粗糙度下，其加工速度则较低。

II、波形不好，影响加工速度。

RC型电路的充电电压波形以指数曲线上升，对放电间隙的消电离过程不利，迫使加工用的脉冲频率降低。

通常是借增大限流电阻R值来降低加工频率的。

但随着电阻的增大，输出功率便减小，因此RC型弛张式脉冲电源不适用于大功率的电火花加工。

III、电能利用率较低。

这种脉冲电源的电能利用率一般为25~35%。

它不仅多消耗了电能，而且增大了电源箱的发热量。

IV、工具电极的损耗大。

电容器直接向间隙快速放电，而电流幅值又较大，因此增大了工具电极的损耗。

此外，电容器在放电回路的分布电感影响下常形成振荡式的放电过程，出现负波放电，进一步增大了工具电极的损耗。

②RLC型脉冲电源
基于RC型脉冲电源的上述缺点，在其充电回路中加入了一个电感L，组成工作性能较好的RLC型弛张式脉冲电源，其原理电路如图4。

图4 RLC型弛张式脉冲电源的电路
RLC型脉冲电源与RC型相比具有以下两个优点：
I、充电电压的波形较好
RLC型弛张式脉冲电源的充电电压不是按指数曲线上升，而是接近正弦曲线上升，这种曲线对放电间隙的消电离较为有利。

因此，它比RC型脉冲电源的实用频率可提高一倍以上，在加工精度相同时其加工速度亦可提高一倍以上。

II、电能利用率较高
在此电源电路中，由于电容器的充电电压可以超过直流电源电压，所以放电效率大为提高，实用中的充电效率可达60%以上。

但是，RLC型弛张式脉冲电源也是非独立式的，即脉冲频率、单个脉冲能量和输出功率等电参数仍取决于放电间隙的物理状态，因此，它与RC型脉冲电源类似，也会对加工的工艺指标产生不利的影响；又因放电回路与RC型脉冲电源相似，工具电极的损耗也较大。

此外，由于充电回路中电感L的作用，在电火花加工过程中经常会在电容器两端出现过电压，因此须对贮能电容器提出耐压较高的要求，通常应为直流电源电压值的4—5倍。

③ RLCL及RCR型脉冲电源
为了进一步改善弛张式脉冲电源的某些性能，可在放电回路中附加一个电感L2或电阻R2，如图5。

图5 RLCL及RCR型弛张式脉冲电源的电路
a)RLCL型 b）RCR型
RLCL型脉冲电源在放电回路中空芯电感L2的作用是延长脉冲放电的时间。

虽然电感L2会使放电的电流幅值有所降低，但由于放电脉冲宽度加大，引起电感L1中的磁场能量的加大而得到了一定的补偿，结果脉冲电流的幅值可保持大致相同，而脉冲宽度却加大了。

所以，RLCL型脉冲电源的加工速度比RLC型脉冲电源提高10~15%，而工具电极的损耗则可减少10~15%。

RCR型脉冲电源中电阻R2的作用是使贮能电容器C产生非周期性的单向放电，从而降低了放电的电流幅值，又加大放电脉冲的宽度。

这种脉冲电源的特点是能显著降低工具电极的损耗，但使输出功率受到很大限制，降低了加工速度。

主要用于对加工速度要求低、而希望工具电极损耗较小的小型轮廓加工。

④T r-RC型脉冲电源
如图6所示的T r-RC型脉冲电源电路，其中T r是晶体管，R是限流电阻，C是贮能电容器，PG是控制用的脉冲电路。

图6 精微加工用T r-RC型脉冲电源示意图
工作时，脉冲控制电路PG输出一系列的控制脉冲。

当它使晶体管T r导通时，情况就如RC弛张式脉冲电源一样，小容量电容器C（数十至数千pF）可输出一群很窄的脉冲进行电火花加工。

当脉冲处于停歇期使晶体管T r截止时，电容器C停止充放电过程，让放电间隙进行消电离，这样就可弥补弛张式脉冲电源充电时间必须较长的缺陷，使加工的效率显著提高。

⑶闸流管脉冲电源
闸流管脉冲电源采用闸流管作为控制脉冲电路充放电过程的开关元件。

它的主要电参数，如脉冲频率、单个脉冲能量和脉冲宽度等，基本上不受放电间隙物理状态的影响，属于独立式的脉冲电源。

它与弛张式脉冲电源相比，具有工艺指标稳定、加工速度快和加工精度高等优点。

闸流管独立式脉冲电源的工作原理如图7。

图7 闸流管独立式脉冲电源的工作原理
E是高压直流电源，当贮能电容器C经限流阻抗Z由E充电到放电电压时，引燃电路的脉冲信号定期地加到脉冲闸流管G的控制栅极上使之引燃，于是电容器的能量通过脉冲变压器B M输向放电间隙g，利用脉冲放电的热电过程来蚀除金属，以达到加工目的。

在一定的单个脉冲能量下，提高脉冲频率的障碍是放电间隙绝缘强度的恢复过程。

由于一般弛张式脉冲电源在放电结束后放电间隙仍直接处于电源的作用下，因此脉冲之间的停歇时间很短，当频率升高到一定程度时，放电将持续地进行，破坏了加工过程的稳定性，并损伤电极。

独立式脉冲电源的停歇时间可以较长，这就有利于电极间绝缘强度的恢复，可以提高加工的脉冲频率。

因此，在保证一定的表面粗糙度情况下能大幅度提高电火花加工速度。

为了进一步提高脉冲电源的脉冲频率和加大输出功率，以增进加工速度，乃研制了双闸流管脉冲电源。

工作原理如图8。

图8双闸流管独立式脉冲电源的工作原理
它与单闸流管独立式脉冲电源的主要区别在于：为了避免双闸流管G1和G2工作时相互
影响，采用扼流电感L与贮能电容器C的并联回路，并使引燃电路IG的脉冲信号对双闸流管轮流引燃。

以闸流管G1的引燃过程为例说明如下。

当高压直流电源E经过G1管和脉冲变
压器B M的初级绕组对电容器C1充电时，电能即通过脉冲变压器输向放电间隙，完成一次脉冲放电。

在这一过程中，电容器C1上的电压是按u ab的方向增加的，直到脉冲闸流管G1熄灭的瞬时为止。

以后，便开始电容器C1对扼流电感L1的放电过程，直到下一次重复充电开始的瞬时为止。

⑷晶闸管式脉冲电源
晶闸管（又称可控硅）式脉冲电源是利用晶闸管作为开关元件而获得单向脉冲的。

由于晶闸管的功率较大，脉冲电源所采用的功率管数目可大大减少，因此，100~200A以上的大功率粗加工脉冲电源一般采用晶闸管。

晶闸管的控制特性和闸流管相似，晶闸管一经触发导通，它也不会自行截止，要截止它，常需由外加电路使晶闸管的电压反向或使小于维持电流。

其脉冲宽度和停歇时间的调整要受到外加电路的影响，故只能在频率较低的一定范围内进行调整。

图9为电容关断式的线路图。

通常作为低频粗加工电压。

它包括直流电源E、限流电阻R1、晶闸管主功率管VS1、放电间隙电阻R2、放电间隙等组成的晶闸管主回路及由晶闸管VS2、VS3，电感器L1、L2，电容C组成的关断回路两部分。

图9 粗加工用晶闸管脉冲电源
当晶闸管主功率管VS1和晶闸管VS3被同时触发导通后，电流一方面由电源+E通过R1→VS1→R2→-E构成回路，将电压加在两极之间；另一方面由电源+E通过R1→VS1→C→VS3→L2→-E对电容C充电，构成LC振荡式充电回路。

LC振荡式充电回路的充电电流是按正弦形式变化的，当充电电流从正半周转入负半周时，电流就反向，从而使VS3自行关断，此时电容C已被充满，极性为上正下负。

当晶闸管VS2被触发导通时，电容C向VS1放电，由于VS1受到反向电流，所以VS1被迅速关断，这时电容C储存的电荷只消耗了很小的一部分，仍然保持原来的极性。

这时在放电间隙上就出现了一个幅值为U c+E的后尖顶脉冲。

然后电容C通过间隙电阻R2放电，同时电源+E通过R1→L1→VS2→C→R2→-E对电容C反向充电，直至充满，这时极性下正上负，使VS3带上正电压；同时通过VS2的电流小于维持电流，VS2自动关断，而完成一个脉冲放电全过程。

使用时为了消除由于后尖顶脉冲所产生的不良影响，可通过在主功率晶闸管VS1上并联一个反接二极管，将带后尖顶波改为方波。

这种低频可控硅脉冲回路的脉冲频率一般为400~2000Hz，脉宽1500~300μs。

为了适应精加工的要求，晶闸管脉冲电源还必须具有精加工高频（10kHz以上）性能，一般晶闸管的频率特性满足不了这一要求，需采用高频晶闸管，并通过倍频的方法进一步提高脉冲频率。

图10为精加工用的高频晶闸管脉冲电源回路原理。

图10 高频晶闸管脉冲电源
图中四只晶闸管分为两路，其中VS1和VS3为一路，VS4和VS2为另一路工作时两路轮流触发导通，相位差为180°。

假定VS1和VS3先触发导通，则直流电源+E就通过VS1→C→VS3→R2→-E对电容器C充电，在初始时，由于电容器C上电压不能突变，所以电压全部加在
R2上（即放电间隙两端）。

当C被充到满值，VS1、VS3自行关断（此时充到电流小于晶闸管的维持电流），完成一个脉冲的输出，此时电容C的极性上正下负。

经过一定停歇时间（180°）后，VS4、VS2被触发导通，则电流+E就通过VS4→C→VS2→R2→-E对电容器反向充电。

在初始时，电容器C上原充电电压极性和电流极性正好同向，所以在R2上得到一相叠加的电压（E+U c），然后对该回路反向充电，使U c=0。

然后继续充电，直至U c=E时，极性为下正上负，此时VS4、VS2自行关断（此时充电电流小于该晶闸管的维持电流），又输出一个脉冲。

再次给VS1和VS3触发导通，又重复上述过程。

根据上述工作原理可知，在电阻器R2上所得到的频率是每个晶闸管频率的2倍，故此电路为倍频倍压电路。

晶闸管脉冲电源高频脉冲回路的工作频率可达到60kHz，工具电极损耗比较小，能适应型腔模具的加工。

⑸晶体管式脉冲电源
晶体管式脉冲电源是利用大功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。

晶体管式脉冲电源的输出功率及最高生产率不易做到晶闸管式脉冲电源那样大，但它具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点，所以应用非常广泛，特别在100A以下的中、小型脉冲电源中，都采用晶体管式电源。

目前晶体管的功率还较小（与晶闸管相比）每管导通时的电流（峰值电流）常选在5A 左右，因此在晶体管脉冲电源中，都采用多管分组并联输出的方法来提高输出功率。

图11为自振式晶体管脉冲电源原理主振级Z为一不对称多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号，以后经功率放大级F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。

末级晶体管起着开关的作用。

它导通时，100V左右的直流电源电压U加在加工间隙上，击穿工作液进行火花放电。

当晶体管截止时，脉冲结束，工作液恢复绝缘，准备下一脉冲的到来，为了加大功率及调节粗、中、精加工规准，整个功率级由几十只大功率高频晶体管分为若干路并联，精加工时只用其中一或二路。

为了在放电间隙短路时不致损坏晶体管，每只晶体管均串联有限流电阻器R，并可以在各管之间起均流作用。

图11 自振式晶体管脉冲电源原理图12 晶体管脉冲电源主振级线路
图12为20世纪70~80年代一般常用的晶体管脉冲电源的主振级线路，它实际上是一个多谐振荡器。

晶体管VT1、VT2为振荡管，VT3、VT4为射极输出管，当VT1、VT4导通时，强迫VT3、VT2截止。

反之，VT3、VT2导通时，强迫VT1、VT4截止.决定导通或截止的时间是由规准电容器C a、C b分别放电或充电的时间决定的，此时在振荡管的集电极上就有矩形波输出。

由于C a、C b充电是通过射极输出管来完成的，这就使充电时间常数大大缩减，所以该线路基本上能满足较高频率加工的工艺要求。

上述主振级都是由分立元件组成的。

随着集成电路、集成芯片的发展，晶体管脉冲电源中大量采用集成电路芯片作主振级，例如555芯片。

通过改变电容和电阻的组合，可以产生2~1000μs的脉宽或脉间，大大减少了电路中元器件的数量、体积，
并提高了工作可靠性。

以后又随着计算机技术的进步，采用CTC（计时）和晶振元件组成数字化的主振级，脉宽和脉间的大小可以精确到1μs，甚至0.1μs，而且可以微机来直接设置，改变脉宽、脉间的大小，不用人工操作旋钮、拨码开关，还可以和加工规准的数据库连接，向脉冲电源规准选择的自动化迈进一步。

放大级的作用是将主振级输出的脉冲信号放大到足够强度来激励推动输出级。

因信号是频率范围较宽的矩形波，所以极间耦合常采取电阻耦合。

同时还将其发射级接地，即采取脉冲反相放大电路，还可以采用互补射极输出放大器线路，虽然复杂些，但可靠性高。

工作在开关状态的大功率晶体管亦即功率放大输出级，在脉冲电源中起着向放电间隙输送脉冲能量的功能，它是通过调节输出功率管的数量来改变输出电流的峰值。

一般采用共发射耦合脉冲放大电路即反相放大电路，也可采用射极输出即共集电极电路。

最早采用3DD15等大功率硅管作末级功放管，后来采用频率更高、性能更好的场效应管（V-MOS管、MOSFET）作功放管，它的另一个优点是：只需电压和毫安级的电流驱动，可以省去前置放大级，大大简化了电路，最近也有用IGBT大功率集成块作功放管的，这种大功率集成块每块可输出
10~100A的电流。

⑹各种派生脉冲电源
近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源的基础上，派生出不少新型电源和线路，如高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源以及多功能电源等。

①高低压复合脉冲电源
图13是复合回路脉冲电源的主回路示意图。

与放电间隙并联两个供电回路：一个为高压脉冲回路，其脉冲电压较高（330V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，因而也称为高压引燃回路；另一个为低压脉冲回路，其脉冲电压较低（60~80V），可输出的电流比较大，起着蚀除金属的作用，所以称为加工回路，二极管VD用以阻止高压脉冲进入低压回路。

所谓高低压复合脉冲，就是在每个工作脉冲电压（60~80V）波形上再叠加一个小能量高压脉冲（300V左右），使电极间隙先击穿引燃而后再放电加工，大大提高了脉冲的击穿率和利用率，并使放电间隙变大，排屑良好，加工稳定，在“钢打钢”时显出很大的优越性。

图13 复合回路及高低压复合脉冲
②多回路脉冲电源
多回路脉冲电源，即在加工电源的功率并联分割出相互隔离绝缘的多个输出端，可以同时供给多个回路的放电加工。

这样不依靠增大单个脉冲放电能量，即不使表面粗糙度变大而可以提高生产率，这在大面积、多工具、多孔加工时很有必要，如电机定子、转子冲模、筛网孔等多孔穿孔加工以及大型腔模加工中经常采用该电源如图14。

图14 多回路脉冲电源和分割电极。