脈沖參數主動匹配式micro-EDM脈沖電源

孫術發，劉美爽，狄士春

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

微細電火花加工(micro electro discharge machining，簡稱Micro-EDM)屬于微細電加工的一種［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］，機床成本不高，耗能低.Micro-EDM脈沖電源是將工頻交流電流轉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.傳統的脈沖電源采用預制式脈沖參數設置方法，自動化程度不高.目前，國內外開始研制自適應和智能脈沖電源，日本沙迪克公司率先將智能技術應用在微細電火花加工中，采用人工神經網絡技術設計的脈沖電源具有無需人工設定，可自動優化出最佳加工條件的功能，并可通過模糊控制實現最佳控制［8］;英國 kao等［9］運用 BP 神經網絡在線監測Micro-EDM脈沖電源放電狀態［9］;大連理工大學周明等［10］提出了采用模糊邏輯的簡單判別原則和VLQ神經網絡相結合的智能化脈沖電源，該電源占用計算機資源少，實時性強，經實驗驗證具有很好的預測效果，誤差率在10%以內.在微小尺寸加工方面，Micro-EDM也取得了長足的進展，韓國理工大學 Lee 等［11］加工出了直徑 7.3 μm，長 452 μm的微細電極，用時僅為884 s;東京大學Yu［12］成功加工出長、寬、高分別為500、300、200 μm 的微汽車模型;哈爾濱工業大學在硅材料上加工出了微型燃氣輪機的渦輪盤、球冠及微傳感結構［13］.

雖然Micro-EDM相比于其他微細加工方法具有很多優點，而且在技術上也取得了長足的進步，但是仍然有一些制約其發展的因素沒有得到解決［14-15］.例如，微細電火花加工一直存在能量控制困難，加工效率低的問題，這也影響了Micro-EDM的加工精度和加工質量［16-17］.

本文設計了一種脈沖參數主動匹配式脈沖電源，該電源可根據加工精度要求確定極間電壓和極間電流，控制放電能量，脈沖參數根據設定的極間電壓和極間電容情況主動調節.該電源可以明顯提高微細電火花加工的加工效率，并保證較高的加工質量.

1 脈沖參數匹配對加工效率的影響

微細電火花加工效率受工作液、工件材料、進給速度、電參數等多方面因素影響.在除電參數以外的影響因素一定的情況下，單個脈沖能量取決于極間放電電壓、放電電流和放電持續時間，單個脈沖的放電能量WM為［18］

材料的蝕除率RMRR可表示為

式中:α為材料蝕除相對常數，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．本文實驗研究了脈沖參數匹配對加工效率的影響，圖1為脈沖電源充放電波形圖．可見在未發生放電之前，充電波形為階梯式，即ton時間在充電，toff時間為等待時間，所以在達到擊穿電壓之前，toff既不對電容充電也不放電加工，toff時間為無效時間，其影響充電效率，進而影響加工效率．

為了驗證脈沖參數匹配對微細點火加工效率的影響，本文利用晶體管脈沖電源進行加工效率試驗，采用手動匹配脈沖參數，測定不同參數匹配的加工效率值.電極直徑選擇0.5 mm鎢電極，加工孔深度為0.5 mm，記錄加工時間.具體實驗參數見表1.

圖1 脈沖電源加工波形

表1 實驗參數

設計4組脈寬和脈間匹配參數，分別記錄加工時間.繪制加工時間曲線圖見圖2.

圖2 不同脈沖參數加工時間曲線

由圖2可知，脈寬對加工效率影響較大，選取合適的脈寬可以顯著提高加工效率;脈間對加工效率影響沒有脈寬顯著，但在選擇合適的脈寬后，應選擇合適的脈間，否則也會影響加工效率.

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

圖3 加工波形

通過實驗分析發現，在等能量加工的情況下，選定合適的脈寬和脈間參數，使極間電容單次充電和單次放電，微細電火花加工效率最高.基于這一發現，本文提出一種脈沖參數主動匹配式脈沖電源，該脈沖電源脈沖參數根據極間電容的大小自動匹配，可有效提高微細電火花加工效率.

2 脈沖參數主動匹配式脈沖電源設計方案

根據脈沖參數匹配原理，本文設計的脈沖參數主動匹配式脈沖電源的總體設計方案如圖4所示.

圖4 脈沖電源設計方案

脈沖參數主動匹配式脈沖電源主要包括:單片機、復雜可編程邏輯器件(CPLD)、參數輸入模塊、功率放大模塊和脈沖參數匹配模塊.單片機與CPLD是整個電源的核心部分，控制參數設定和脈沖信號的輸出;參數輸入模塊實現加工前的參數預置，包括開路電壓、電流和極間標稱電容等參數的預錄入，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、寄生參數的吸收、極間標稱電容的選擇和為電極與工件提供放電通道;脈沖參數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，用來采集極間電容兩端的電壓信息并傳給CPLD，從而輸出動態調整的脈寬和脈間.

該電源與現有的微細電火花脈沖電源相比主要有兩方面優點:一是該電源增加了脈沖參數匹配模塊，可實現脈寬和脈間的在線動態設定，具有自動化程度高，參數匹配精度高的特點;二是該電源在設計方面強調對寄生參數的控制，通過增加吸收電路，選擇寄生參數小的元器件，設計PCB時避免寄生參數發生等方法，將寄生參數控制到最小.

3 脈沖參數主動匹配式脈沖電源控制策略

圖5為脈沖參數主動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為開路電壓，VHref為上限參考電壓，Ud為驅動脈沖電壓，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時間，在此期間的某一刻極間電容擊穿間隙介質放電．當電壓降為VLref時，脈沖延遲td時間，以充分消電離，防止短路情況發生．

t2～t3階段:t2時刻，脈沖再次進入ton時間，但在開路電壓并未達到VHref時，即在t3時刻由于極間的復雜情況使脈沖發生了放電，在t4時刻放電終止，此時極間電壓并未下降到VLref，所以在t4時刻極間電容又開始充電，如此反復，在t7時刻，脈寬達到設定的最大值ton(max)，此時功率管強制截止，脈沖進入toff階段，這樣可以避免脈沖始終處于脈寬時間的死循環．

t8～t9時間內，脈沖進入ton階段，之前極間電容中存在一定數量的電荷，所以電容在此基礎上繼續充電．在t9時刻達到VHref，脈沖即進入toff時間，并在此期間的某一刻放電．在此充放電周期內，由于受到之前脈沖的影響，ton時間較短．

t10～t12時間內，脈沖又一次經歷ton充電與toff時間內放電過程，但由于受到極間介質中雜質和極間間隙大小不穩定的影響，脈寬與脈間與之前的脈沖并不完全相同．

4 實驗

4.1 驅動脈沖與放電波形

對脈沖參數主動匹配式脈沖電源進行驅動脈沖和放電波形驗證實驗．調節參考電壓值Uref控制開路電壓分別為80、60、50 V，通過示波器采集驅動波形和放電波形如圖6所示.

圖6 驅動波形與放電波形

由圖6可知，脈沖驅動波形的脈寬與脈間根據開路電壓的大小調整，脈寬和脈間不固定.放電波形顯示，放電擊穿絕大多數發生在設定的參考電壓值附近，極間電容在單個脈沖時間內只充電一次、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，放電連續較好.

4.2 加工結果分析

為了檢驗該電源的加工效率，本文進行微小孔加工實驗，對比分析了普通晶體管脈沖電源與本文設計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號鋼，孔深徑比4∶1.采用3組加工參數，加工后孔SEM圖如圖7所示，脈沖電源的加工參數如表2所示.

由表2可知，在3組參數中，采用本文設計的主動匹配式脈沖電源加工時間最短，效率最高，相比于第1組參數，效率提高了1.31倍，相比于第2組參數，加工效率提高了1.67倍.

表2 脈沖電源的加工參數

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加工后的表面進行粗糙度測量，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，采用新型脈沖電源加工可得到較好表面質量.

5 結論

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

2)根據微細電火花加工效率規律，設計了一種脈沖參數主動匹配式Micro-EDM脈沖電源，該電源改變了傳統的脈沖參數預置模式，變為脈沖參數主動匹配模式.

3)制定了脈沖參數主動匹配式脈沖電源脈沖控制策略，并進行了微小孔加工效率對比實驗，結果表明，該電源加工連續性較好，加工效率較傳統電源有顯著的提升，加工質量較好.

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