基于非共振固有振蕩的微細電火花加工脈沖電源的研究

孫術發,狄士春,韋東波,呂鵬祥,李兆龍

(1.哈爾濱工業大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.東北林業大學,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 微能脈沖電源研究現狀及其存在的問題

在微細電火花加工過程中,脈沖電源的放電能量越低,加工蝕除量越小,所以要實現微小加工,就要求制作的微能脈沖電源的單個脈沖放電能量盡可能的低。根據能量與電壓、電流的關系,單個脈沖放電能量Wp可表示為[1]:式中:T為脈沖周期;u(t)為單個脈沖放電電壓;i(t)為單個脈沖放電電流。

從式(1)可看出,要減少單個脈沖放電的能量有3種途徑:降低放電電壓、降低放電電流及提高脈沖電源頻率。電火花放電為等離子體放電,放電時的電壓和電流較恒定,電壓維持在25 V左右,電流為較恒定的峰值,故通過減小放電電壓和放電電流的方法來降低放電能量不可行,所以提高脈沖電源的頻率是唯一可行的方法。

當前使用的微細電火花加工脈沖電源主要有兩種:一種是獨立式晶體管脈沖電源,它具有脈沖頻率高、脈沖參數易調節、脈沖波形較好、易實現多回路加工和自適應控制等自動化要求的優點;另一種是RC脈沖電源,傳統的RC脈沖電源生產效率低,電容的充電時間較長,放電頻率與電能利用率都較低,大部分電能經電阻轉化為熱能。雖然晶體管脈沖電源的脈沖頻率較高,但要想將脈寬降到20 ns以下仍很困難[2-3],這主要是受開關元器件自身屬性的限制,所以想實現20 ns以下的放電脈寬就要摒棄開關元器件,本文提出了利用導線自身的非共振固有振蕩來制作電火花脈沖電源的思想。

2 非共振固有振蕩制作微細電火花脈沖電源的原理

2.1 非共振固有振蕩

在RLC串聯電路中,當激勵源頻率與LC串聯電路固有頻率相等時,電路發生共振。共振時電路狀態特征為:總阻抗達到最小、電壓電流同相位。實驗證明:當正弦激勵源的頻率 fs等于LC串聯電路固有頻率 f0的整數分之一時,即:

RLC串聯回路中也會產生固有振蕩現象。由于這時激勵頻率與電路固有頻率不相等,故稱為非共振固有振蕩。這種非共振固有振蕩與通常人們熟知的諧波共振是完全不同的兩種振動現象。

通過調節信號發生器使 fs=f0/2,f0/3,f0/4,f0/5,使用示波器兩個通道觀察激勵源和非共振固有震蕩的波形圖(圖1)[4-5]。

由圖(1)可見,通過調節信號發生器的頻率使固有頻率 f0為信號發生器頻率 fs的整數倍,那么非共振固有振蕩就可持續進行。只是振蕩波的幅度并不相同,這是由于振蕩過程中發生衰減造成的。

2.2 微細電火花放電電路等效圖

由于線路和機床電極、工件固有電感和電容的存在,整個電火花放電電路可等效為LC振蕩電路,具有固有振蕩頻率。所以,只要給定一個脈沖激勵,頻率為放電電路固有振蕩頻率的整數分之一,放電電路就會發生非共振固有震蕩,產生高頻脈沖,脈沖頻率可達1 GHz,放電脈寬可達ps級,振蕩波形和放電波形可通過示波器觀察。

圖2是微細電火花放電加工原理圖,可抽象為圖3所示的等效電路模型。電極直徑很小,電阻R1較大,金屬工件的電阻率很低,體電阻的影響可忽略。間隙介質擊穿后產生放電,形成放電通道,極間電阻明顯下降。電火花極間放電為等離子體放電,極間可等效為電容器,用 C表示[6]。放電端電極與金屬工件間隙之間的工作液具有一定的導電性能,能發化學反生微弱的電應,其間隙電阻用R2表示。

圖3 微細電火花放電等效電路圖

電火花加工機床的電極與工件需由導線聯接,導線可等效為電阻和電感,長為 l、直徑為φ的導線模型圖見圖4,圖5是該導線的等效電路圖。

導線內電感為 L1,導線與導線之間、與大地之間還存在外電感,只要保證導線之間的距離足夠遠,那么,外電感就可忽略不計。由導線和微細電火花機床組成的等效電路圖見圖6。結合非共振固有振蕩原理可知,只要給一個頻率為放電電路固有振蕩頻率整數倍分之一的脈沖激勵,放電電路就會形成非共振固有振蕩,振蕩頻率為:

圖6 微細電火花放電電路等效圖

2.3 脈沖激勵發生器的制備

脈沖激勵發生器是產生脈沖激勵的裝置,用來產生頻率為放電電路固有振蕩頻率整數倍分之一的脈沖。由于放電電路的固有振蕩頻率很高,可達幾百兆,脈沖激勵頻率也要達到幾百兆,這就要求脈沖發生器能產生快速可調的脈沖信號。本文設計的脈沖激勵發生器是利用高速功率管Mosfet作為開關,從而產生高頻窄脈寬,Mosfet管具有開通與關斷時間為幾個ns的功能,能滿足產生脈沖電源所要求的脈沖激勵發生器的功能。脈沖激勵發生器的原理圖見圖7。

3 仿真分析

利用電路仿真軟件Multisim10.0對電火花放電電路進行了仿真,仿真電路圖見圖8。Mosfet驅動信號的脈寬為20 ns,周期為25 ns,電壓 U0為50 V,電感 L2為5 nH,電容 C2為 5 pF。通過示波器測定放電電路波形圖(圖9)。

圖9 仿真波形圖

通過計算可知電路的震蕩周期為1.176 ns,如使放電電路在正半周放電、負半周不放電,那么放電脈寬為650 ps或更低,這樣就可實現ps級電火花放電,使放電能量更低,為實現納米級電火花放電提供理論支持。

4 結論

傳統的微細電火花脈沖電源由于受到開關元器件自身屬性的限制,其脈沖寬度難以進一步降低。本文提出利用機床和導線所產生的電感和電容制作脈沖電源的想法,整個電路結構簡單,減少了眾多元器件間的干擾。運用非共振固有振蕩的原理使機床電容與傳輸線電感發生振蕩,經仿真觀察發現振蕩頻率高達1 GHz左右,放電脈寬可達650 ps,可實現ps級放電,為進一步進行納米級電火花加工提供了理論支持。

[1] 劉晉春,白基成,郭永豐.特種加工[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2] 李文卓.微細電火花加工系統及其相關技術的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2002.

[3] 劉明宇.微細電火花加工超短脈寬脈沖電源的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2007.

[4] 方天申.物體的非共振固有振動與諧波共振的區別實驗研究[J].信陽師范學院學報(自然科學版),2001,14(4):398-400.

[5] 方天申.LC串聯電路非共振固有振蕩與數學描述[J].安徽大學學報(自然科學版),2006,30(1):45-48.

[6] Parfenov E V,Yerokhin A L,Matthews A.Frequency response studies for the plasma electroly tic oxidation process[J].Surface&Coatings Technology,2007,201:8661-8670.