脉冲参数主动匹配式micro-EDM脉冲电源

孙术发，刘美爽，狄士春

(1.东北林业大学工程技术学院，150040哈尔滨;2.哈尔滨工业大学机电工程学院，150001哈尔滨)

微细电火花加工(micro electro discharge machining，简称Micro-EDM)属于微细电加工的一种［1-2］，Micro-EDM 可加工难加工材料［3-5］，所需电极材料要求不高［6-7］，机床成本不高，耗能低.Micro-EDM脉冲电源是将工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给极间蚀除材料所需的能量.传统的脉冲电源采用预制式脉冲参数设置方法，自动化程度不高.目前，国内外开始研制自适应和智能脉冲电源，日本沙迪克公司率先将智能技术应用在微细电火花加工中，采用人工神经网络技术设计的脉冲电源具有无需人工设定，可自动优化出最佳加工条件的功能，并可通过模糊控制实现最佳控制［8］;英国 kao等［9］运用 BP 神经网络在线监测Micro-EDM脉冲电源放电状态［9］;大连理工大学周明等［10］提出了采用模糊逻辑的简单判别原则和VLQ神经网络相结合的智能化脉冲电源，该电源占用计算机资源少，实时性强，经实验验证具有很好的预测效果，误差率在10%以内.在微小尺寸加工方面，Micro-EDM也取得了长足的进展，韩国理工大学 Lee 等［11］加工出了直径 7.3 μm，长 452 μm的微细电极，用时仅为884 s;东京大学Yu［12］成功加工出长、宽、高分别为500、300、200 μm 的微汽车模型;哈尔滨工业大学在硅材料上加工出了微型燃气轮机的涡轮盘、球冠及微传感结构［13］.

虽然Micro-EDM相比于其他微细加工方法具有很多优点，而且在技术上也取得了长足的进步，但是仍然有一些制约其发展的因素没有得到解决［14-15］.例如，微细电火花加工一直存在能量控制困难，加工效率低的问题，这也影响了Micro-EDM的加工精度和加工质量［16-17］.

本文设计了一种脉冲参数主动匹配式脉冲电源，该电源可根据加工精度要求确定极间电压和极间电流，控制放电能量，脉冲参数根据设定的极间电压和极间电容情况主动调节.该电源可以明显提高微细电火花加工的加工效率，并保证较高的加工质量.

1 脉冲参数匹配对加工效率的影响

微细电火花加工效率受工作液、工件材料、进给速度、电参数等多方面因素影响.在除电参数以外的影响因素一定的情况下，单个脉冲能量取决于极间放电电压、放电电流和放电持续时间，单个脉冲的放电能量WM为［18］

材料的蚀除率RMRR可表示为

式中:α为材料蚀除相对常数，指每单位电能的材料蚀除体积;Vp为极间电压;Ⅰp为电流;ton为脉宽;toff为脉间;f为脉冲频率．

由式(1)可知，在Vp和Ⅰp等加工条件一定的情况下，RMRR与脉宽和脉间的匹配有关．本文实验研究了脉冲参数匹配对加工效率的影响，图1为脉冲电源充放电波形图．可见在未发生放电之前，充电波形为阶梯式，即ton时间在充电，toff时间为等待时间，所以在达到击穿电压之前，toff既不对电容充电也不放电加工，toff时间为无效时间，其影响充电效率，进而影响加工效率．

为了验证脉冲参数匹配对微细点火加工效率的影响，本文利用晶体管脉冲电源进行加工效率试验，采用手动匹配脉冲参数，测定不同参数匹配的加工效率值.电极直径选择0.5 mm钨电极，加工孔深度为0.5 mm，记录加工时间.具体实验参数见表1.

图1 脉冲电源加工波形

表1 实验参数

设计4组脉宽和脉间匹配参数，分别记录加工时间.绘制加工时间曲线图见图2.

图2 不同脉冲参数加工时间曲线

由图2可知，脉宽对加工效率影响较大，选取合适的脉宽可以显著提高加工效率;脉间对加工效率影响没有脉宽显著，但在选择合适的脉宽后，应选择合适的脉间，否则也会影响加工效率.

图3 为脉宽在1、3、10 和 20 μs，脉间为 5 μs时采集的加工波形图.脉宽为1 μs时，在单个脉宽时间内，极间电容存在多脉冲连续充电的情况，放电连续性不好，这是影响其加工效率的主要原因;脉宽为3 μs时，在单个脉宽时间内，极间电容单次充电并单次放电，放电击穿电压都在最大开路电压值附近，放电的连续性好，放电均匀，所以加工效率最高;脉宽为10 μs时，在单个脉宽时间内，极间电容存在单脉冲多次放电的现象，而且放电时的击穿电压大小不等，这使得蚀除能量不均匀，而且极间没有充分的电离，导致短路的情况增多，这些都影响微细电火花的加工效率;脉宽为20 μs时的情况与脉宽10 μs时情况相似，而且同一个脉宽内存在更多的多次放电现象，低电压放电的情况和短路情况也更多，这是导致其加工效率在4组参数中最低的主要原因.

图3 加工波形

通过实验分析发现，在等能量加工的情况下，选定合适的脉宽和脉间参数，使极间电容单次充电和单次放电，微细电火花加工效率最高.基于这一发现，本文提出一种脉冲参数主动匹配式脉冲电源，该脉冲电源脉冲参数根据极间电容的大小自动匹配，可有效提高微细电火花加工效率.

2 脉冲参数主动匹配式脉冲电源设计方案

根据脉冲参数匹配原理，本文设计的脉冲参数主动匹配式脉冲电源的总体设计方案如图4所示.

图4 脉冲电源设计方案

脉冲参数主动匹配式脉冲电源主要包括:单片机、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、参数输入模块、功率放大模块和脉冲参数匹配模块.单片机与CPLD是整个电源的核心部分，控制参数设定和脉冲信号的输出;参数输入模块实现加工前的参数预置，包括开路电压、电流和极间标称电容等参数的预录入，还包括脉冲电源功能模式的选择和故障诊断;功率放大模块主要完成放电电流的选择、寄生参数的吸收、极间标称电容的选择和为电极与工件提供放电通道;脉冲参数匹配模块主要包括分压电路、滤波器、放大器、比较电路和限幅电路，用来采集极间电容两端的电压信息并传给CPLD，从而输出动态调整的脉宽和脉间.

该电源与现有的微细电火花脉冲电源相比主要有两方面优点:一是该电源增加了脉冲参数匹配模块，可实现脉宽和脉间的在线动态设定，具有自动化程度高，参数匹配精度高的特点;二是该电源在设计方面强调对寄生参数的控制，通过增加吸收电路，选择寄生参数小的元器件，设计PCB时避免寄生参数发生等方法，将寄生参数控制到最小.

3 脉冲参数主动匹配式脉冲电源控制策略

图5为脉冲参数主动匹配式脉冲电源脉冲控制策略图，图中U0为直流电源电压，Uoc为开路电压，VHref为上限参考电压，Ud为驱动脉冲电压，VLref为下限参考电压，Ⅰpk为峰值电流．

图5 脉冲控制策略

t1～t2阶段:此阶段为脉间toff时间，在此期间的某一刻极间电容击穿间隙介质放电．当电压降为VLref时，脉冲延迟td时间，以充分消电离，防止短路情况发生．

t2～t3阶段:t2时刻，脉冲再次进入ton时间，但在开路电压并未达到VHref时，即在t3时刻由于极间的复杂情况使脉冲发生了放电，在t4时刻放电终止，此时极间电压并未下降到VLref，所以在t4时刻极间电容又开始充电，如此反复，在t7时刻，脉宽达到设定的最大值ton(max)，此时功率管强制截止，脉冲进入toff阶段，这样可以避免脉冲始终处于脉宽时间的死循环．

t8～t9时间内，脉冲进入ton阶段，之前极间电容中存在一定数量的电荷，所以电容在此基础上继续充电．在t9时刻达到VHref，脉冲即进入toff时间，并在此期间的某一刻放电．在此充放电周期内，由于受到之前脉冲的影响，ton时间较短．

t10～t12时间内，脉冲又一次经历ton充电与toff时间内放电过程，但由于受到极间介质中杂质和极间间隙大小不稳定的影响，脉宽与脉间与之前的脉冲并不完全相同．

4 实验

4.1 驱动脉冲与放电波形

对脉冲参数主动匹配式脉冲电源进行驱动脉冲和放电波形验证实验．调节参考电压值Uref控制开路电压分别为80、60、50 V，通过示波器采集驱动波形和放电波形如图6所示.

图6 驱动波形与放电波形

由图6可知，脉冲驱动波形的脉宽与脉间根据开路电压的大小调整，脉宽和脉间不固定.放电波形显示，放电击穿绝大多数发生在设定的参考电压值附近，极间电容在单个脉冲时间内只充电一次、放电一次，这样保证了每次放电能量的一致性，从放电波形看，放电连续较好.

4.2 加工结果分析

为了检验该电源的加工效率，本文进行微小孔加工实验，对比分析了普通晶体管脉冲电源与本文设计的脉冲电源的加工效率.电极选择直径为50 μm钨电极，工件电极选用45号钢，孔深径比4∶1.采用3组加工参数，加工后孔SEM图如图7所示，脉冲电源的加工参数如表2所示.

由表2可知，在3组参数中，采用本文设计的主动匹配式脉冲电源加工时间最短，效率最高，相比于第1组参数，效率提高了1.31倍，相比于第2组参数，加工效率提高了1.67倍.

表2 脉冲电源的加工参数

图7 加工孔SEM图

由图7可知，采用新型脉冲电源加工后的微孔(第3组)圆度较好.利用共聚焦激光扫描显微镜对加工后的表面进行粗糙度测量，第1组中表面粗糙度为0.115 μm，第2组中表面粗糙度为0.195 μm，第 3 组中表面粗糙度为 0.134 μm，可见，采用新型脉冲电源加工可得到较好表面质量.

5 结论

1)研究了等能量加工条件下，微细电火花加工效率规律，即通过选定合适的脉宽和脉间参数，使极间电容单次充电和单次放电，加工效率最高.

2)根据微细电火花加工效率规律，设计了一种脉冲参数主动匹配式Micro-EDM脉冲电源，该电源改变了传统的脉冲参数预置模式，变为脉冲参数主动匹配模式.

3)制定了脉冲参数主动匹配式脉冲电源脉冲控制策略，并进行了微小孔加工效率对比实验，结果表明，该电源加工连续性较好，加工效率较传统电源有显著的提升，加工质量较好.

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