脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式micro-EDM脈沖電源

孫術(shù)發(fā)，劉美爽，狄士春

(1.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，150040哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱)

微細(xì)電火花加工(micro electro discharge machining，簡(jiǎn)稱(chēng)Micro-EDM)屬于微細(xì)電加工的一種［1-2］，Micro-EDM 可加工難加工材料［3-5］，所需電極材料要求不高［6-7］，機(jī)床成本不高，耗能低.Micro-EDM脈沖電源是將工頻交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流，以供給極間蝕除材料所需的能量.傳統(tǒng)的脈沖電源采用預(yù)制式脈沖參數(shù)設(shè)置方法，自動(dòng)化程度不高.目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始研制自適應(yīng)和智能脈沖電源，日本沙迪克公司率先將智能技術(shù)應(yīng)用在微細(xì)電火花加工中，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的脈沖電源具有無(wú)需人工設(shè)定，可自動(dòng)優(yōu)化出最佳加工條件的功能，并可通過(guò)模糊控制實(shí)現(xiàn)最佳控制［8］;英國(guó) kao等［9］運(yùn)用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)Micro-EDM脈沖電源放電狀態(tài)［9］;大連理工大學(xué)周明等［10］提出了采用模糊邏輯的簡(jiǎn)單判別原則和VLQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的智能化脈沖電源，該電源占用計(jì)算機(jī)資源少，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有很好的預(yù)測(cè)效果，誤差率在10%以內(nèi).在微小尺寸加工方面，Micro-EDM也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，韓國(guó)理工大學(xué) Lee 等［11］加工出了直徑 7.3 μm，長(zhǎng) 452 μm的微細(xì)電極，用時(shí)僅為884 s;東京大學(xué)Yu［12］成功加工出長(zhǎng)、寬、高分別為500、300、200 μm 的微汽車(chē)模型;哈爾濱工業(yè)大學(xué)在硅材料上加工出了微型燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪盤(pán)、球冠及微傳感結(jié)構(gòu)［13］.

雖然Micro-EDM相比于其他微細(xì)加工方法具有很多優(yōu)點(diǎn)，而且在技術(shù)上也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是仍然有一些制約其發(fā)展的因素沒(méi)有得到解決［14-15］.例如，微細(xì)電火花加工一直存在能量控制困難，加工效率低的問(wèn)題，這也影響了Micro-EDM的加工精度和加工質(zhì)量［16-17］.

本文設(shè)計(jì)了一種脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源，該電源可根據(jù)加工精度要求確定極間電壓和極間電流，控制放電能量，脈沖參數(shù)根據(jù)設(shè)定的極間電壓和極間電容情況主動(dòng)調(diào)節(jié).該電源可以明顯提高微細(xì)電火花加工的加工效率，并保證較高的加工質(zhì)量.

1 脈沖參數(shù)匹配對(duì)加工效率的影響

微細(xì)電火花加工效率受工作液、工件材料、進(jìn)給速度、電參數(shù)等多方面因素影響.在除電參數(shù)以外的影響因素一定的情況下，單個(gè)脈沖能量取決于極間放電電壓、放電電流和放電持續(xù)時(shí)間，單個(gè)脈沖的放電能量WM為［18］

材料的蝕除率RMRR可表示為

式中:α為材料蝕除相對(duì)常數(shù)，指每單位電能的材料蝕除體積;Vp為極間電壓;Ⅰp為電流;ton為脈寬;toff為脈間;f為脈沖頻率．

由式(1)可知，在Vp和Ⅰp等加工條件一定的情況下，RMRR與脈寬和脈間的匹配有關(guān)．本文實(shí)驗(yàn)研究了脈沖參數(shù)匹配對(duì)加工效率的影響，圖1為脈沖電源充放電波形圖．可見(jiàn)在未發(fā)生放電之前，充電波形為階梯式，即ton時(shí)間在充電，toff時(shí)間為等待時(shí)間，所以在達(dá)到擊穿電壓之前，toff既不對(duì)電容充電也不放電加工，toff時(shí)間為無(wú)效時(shí)間，其影響充電效率，進(jìn)而影響加工效率．

為了驗(yàn)證脈沖參數(shù)匹配對(duì)微細(xì)點(diǎn)火加工效率的影響，本文利用晶體管脈沖電源進(jìn)行加工效率試驗(yàn)，采用手動(dòng)匹配脈沖參數(shù)，測(cè)定不同參數(shù)匹配的加工效率值.電極直徑選擇0.5 mm鎢電極，加工孔深度為0.5 mm，記錄加工時(shí)間.具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 脈沖電源加工波形

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)計(jì)4組脈寬和脈間匹配參數(shù)，分別記錄加工時(shí)間.繪制加工時(shí)間曲線圖見(jiàn)圖2.

圖2 不同脈沖參數(shù)加工時(shí)間曲線

由圖2可知，脈寬對(duì)加工效率影響較大，選取合適的脈寬可以顯著提高加工效率;脈間對(duì)加工效率影響沒(méi)有脈寬顯著，但在選擇合適的脈寬后，應(yīng)選擇合適的脈間，否則也會(huì)影響加工效率.

圖3 為脈寬在1、3、10 和 20 μs，脈間為 5 μs時(shí)采集的加工波形圖.脈寬為1 μs時(shí)，在單個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)，極間電容存在多脈沖連續(xù)充電的情況，放電連續(xù)性不好，這是影響其加工效率的主要原因;脈寬為3 μs時(shí)，在單個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)，極間電容單次充電并單次放電，放電擊穿電壓都在最大開(kāi)路電壓值附近，放電的連續(xù)性好，放電均勻，所以加工效率最高;脈寬為10 μs時(shí)，在單個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)，極間電容存在單脈沖多次放電的現(xiàn)象，而且放電時(shí)的擊穿電壓大小不等，這使得蝕除能量不均勻，而且極間沒(méi)有充分的電離，導(dǎo)致短路的情況增多，這些都影響微細(xì)電火花的加工效率;脈寬為20 μs時(shí)的情況與脈寬10 μs時(shí)情況相似，而且同一個(gè)脈寬內(nèi)存在更多的多次放電現(xiàn)象，低電壓放電的情況和短路情況也更多，這是導(dǎo)致其加工效率在4組參數(shù)中最低的主要原因.

圖3 加工波形

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在等能量加工的情況下，選定合適的脈寬和脈間參數(shù)，使極間電容單次充電和單次放電，微細(xì)電火花加工效率最高.基于這一發(fā)現(xiàn)，本文提出一種脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源，該脈沖電源脈沖參數(shù)根據(jù)極間電容的大小自動(dòng)匹配，可有效提高微細(xì)電火花加工效率.

2 脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源設(shè)計(jì)方案

根據(jù)脈沖參數(shù)匹配原理，本文設(shè)計(jì)的脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源的總體設(shè)計(jì)方案如圖4所示.

圖4 脈沖電源設(shè)計(jì)方案

脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源主要包括:單片機(jī)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、參數(shù)輸入模塊、功率放大模塊和脈沖參數(shù)匹配模塊.單片機(jī)與CPLD是整個(gè)電源的核心部分，控制參數(shù)設(shè)定和脈沖信號(hào)的輸出;參數(shù)輸入模塊實(shí)現(xiàn)加工前的參數(shù)預(yù)置，包括開(kāi)路電壓、電流和極間標(biāo)稱(chēng)電容等參數(shù)的預(yù)錄入，還包括脈沖電源功能模式的選擇和故障診斷;功率放大模塊主要完成放電電流的選擇、寄生參數(shù)的吸收、極間標(biāo)稱(chēng)電容的選擇和為電極與工件提供放電通道;脈沖參數(shù)匹配模塊主要包括分壓電路、濾波器、放大器、比較電路和限幅電路，用來(lái)采集極間電容兩端的電壓信息并傳給CPLD，從而輸出動(dòng)態(tài)調(diào)整的脈寬和脈間.

該電源與現(xiàn)有的微細(xì)電火花脈沖電源相比主要有兩方面優(yōu)點(diǎn):一是該電源增加了脈沖參數(shù)匹配模塊，可實(shí)現(xiàn)脈寬和脈間的在線動(dòng)態(tài)設(shè)定，具有自動(dòng)化程度高，參數(shù)匹配精度高的特點(diǎn);二是該電源在設(shè)計(jì)方面強(qiáng)調(diào)對(duì)寄生參數(shù)的控制，通過(guò)增加吸收電路，選擇寄生參數(shù)小的元器件，設(shè)計(jì)PCB時(shí)避免寄生參數(shù)發(fā)生等方法，將寄生參數(shù)控制到最小.

3 脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源控制策略

圖5為脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源脈沖控制策略圖，圖中U0為直流電源電壓，Uoc為開(kāi)路電壓，VHref為上限參考電壓，Ud為驅(qū)動(dòng)脈沖電壓，VLref為下限參考電壓，Ⅰpk為峰值電流．

圖5 脈沖控制策略

t1～t2階段:此階段為脈間toff時(shí)間，在此期間的某一刻極間電容擊穿間隙介質(zhì)放電．當(dāng)電壓降為VLref時(shí)，脈沖延遲td時(shí)間，以充分消電離，防止短路情況發(fā)生．

t2～t3階段:t2時(shí)刻，脈沖再次進(jìn)入ton時(shí)間，但在開(kāi)路電壓并未達(dá)到VHref時(shí)，即在t3時(shí)刻由于極間的復(fù)雜情況使脈沖發(fā)生了放電，在t4時(shí)刻放電終止，此時(shí)極間電壓并未下降到VLref，所以在t4時(shí)刻極間電容又開(kāi)始充電，如此反復(fù)，在t7時(shí)刻，脈寬達(dá)到設(shè)定的最大值ton(max)，此時(shí)功率管強(qiáng)制截止，脈沖進(jìn)入toff階段，這樣可以避免脈沖始終處于脈寬時(shí)間的死循環(huán)．

t8～t9時(shí)間內(nèi)，脈沖進(jìn)入ton階段，之前極間電容中存在一定數(shù)量的電荷，所以電容在此基礎(chǔ)上繼續(xù)充電．在t9時(shí)刻達(dá)到VHref，脈沖即進(jìn)入toff時(shí)間，并在此期間的某一刻放電．在此充放電周期內(nèi)，由于受到之前脈沖的影響，ton時(shí)間較短．

t10～t12時(shí)間內(nèi)，脈沖又一次經(jīng)歷ton充電與toff時(shí)間內(nèi)放電過(guò)程，但由于受到極間介質(zhì)中雜質(zhì)和極間間隙大小不穩(wěn)定的影響，脈寬與脈間與之前的脈沖并不完全相同．

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 驅(qū)動(dòng)脈沖與放電波形

對(duì)脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)脈沖和放電波形驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)．調(diào)節(jié)參考電壓值Uref控制開(kāi)路電壓分別為80、60、50 V，通過(guò)示波器采集驅(qū)動(dòng)波形和放電波形如圖6所示.

圖6 驅(qū)動(dòng)波形與放電波形

由圖6可知，脈沖驅(qū)動(dòng)波形的脈寬與脈間根據(jù)開(kāi)路電壓的大小調(diào)整，脈寬和脈間不固定.放電波形顯示，放電擊穿絕大多數(shù)發(fā)生在設(shè)定的參考電壓值附近，極間電容在單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)只充電一次、放電一次，這樣保證了每次放電能量的一致性，從放電波形看，放電連續(xù)較好.

4.2 加工結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)該電源的加工效率，本文進(jìn)行微小孔加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了普通晶體管脈沖電源與本文設(shè)計(jì)的脈沖電源的加工效率.電極選擇直徑為50 μm鎢電極，工件電極選用45號(hào)鋼，孔深徑比4∶1.采用3組加工參數(shù)，加工后孔SEM圖如圖7所示，脈沖電源的加工參數(shù)如表2所示.

由表2可知，在3組參數(shù)中，采用本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)匹配式脈沖電源加工時(shí)間最短，效率最高，相比于第1組參數(shù)，效率提高了1.31倍，相比于第2組參數(shù)，加工效率提高了1.67倍.

表2 脈沖電源的加工參數(shù)

圖7 加工孔SEM圖

由圖7可知，采用新型脈沖電源加工后的微孔(第3組)圓度較好.利用共聚焦激光掃描顯微鏡對(duì)加工后的表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，第1組中表面粗糙度為0.115 μm，第2組中表面粗糙度為0.195 μm，第 3 組中表面粗糙度為 0.134 μm，可見(jiàn)，采用新型脈沖電源加工可得到較好表面質(zhì)量.

5 結(jié)論

1)研究了等能量加工條件下，微細(xì)電火花加工效率規(guī)律，即通過(guò)選定合適的脈寬和脈間參數(shù)，使極間電容單次充電和單次放電，加工效率最高.

2)根據(jù)微細(xì)電火花加工效率規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式Micro-EDM脈沖電源，該電源改變了傳統(tǒng)的脈沖參數(shù)預(yù)置模式，變?yōu)槊}沖參數(shù)主動(dòng)匹配模式.

3)制定了脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式脈沖電源脈沖控制策略，并進(jìn)行了微小孔加工效率對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該電源加工連續(xù)性較好，加工效率較傳統(tǒng)電源有顯著的提升，加工質(zhì)量較好.

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