小孔加工电火花脉冲电源实验研究

张海峰　王立峰　刘建勇

1.北方工业大学，北京，1001442.北京市电加工研究所，北京，100191



小孔加工电火花脉冲电源实验研究

张海峰1王立峰1刘建勇2

1.北方工业大学，北京，1001442.北京市电加工研究所，北京，100191

摘要：针对传统脉冲电源普遍存在的电能利用率低、电阻发热严重、散热设备庞大等问题，提出了一种取消限流电阻的电火花脉冲电源结构。电源由PWM控制器、DC/DC变换器、加工脉冲时序发生器等组成。电源本身具有自动调节输出电压的功能，可实现空载击穿电压、脉冲宽度、脉冲间隔独立可调，取消了体积庞大的工频变压器。通过多次小孔加工实验获得了脉冲电源加工过程中电极损耗率、小孔椭圆度以及单边放电间隙等和电源稳定性相关参数的数据曲线，所得数据表明电源具有较好的加工稳定性和可靠性。

关键词：电火花加工；脉冲电源；小孔加工；实验研究

0引言

随着制造技术的不断发展尤其是排放控制技术的进步，柴油发动机在车载动力领域占有着非常重要的地位。喷油嘴是柴油发动机的关键部件，而喷油孔又是喷油嘴上的主要结构，因此加工高质量的喷油孔是柴油发动机提高排放标准的必然趋势。电火花加工时，加工电极与工件采用非接触式加工，没有机械加工的切削力，因此非常适合小孔加工[1]。小孔加工机床所用脉冲电源为关键性部件，其性能的优劣，直接影响小孔加工的精度、速度和稳定性[2]。文献[3]叙述了四种脉冲电源控制方式，提出了一种可控RC脉冲电源的设计方案。文献[4-5]在电火花脉冲电源前级引入了串并联谐振技术，减小了功率器件的开关损耗，但后级并未引入限制拖尾电流的装置。文献[6]针对线切割电源采用CPLD作为控制器分配加工脉冲取得了较好的加工效果。文献[7]引入水基工作液分析小孔加工过程中电压电流的变化以及对小孔加工的影响因素。总之，根据电火花加工小孔的要求，对特定小孔加工脉冲电源展开研究，无论是在理论方面还是在实际应用方面都有一定的价值。

本文从脉冲电源方面入手，对脉冲电源PWM控制器原理和DC/DC变换器性能行了分析，并对加工脉冲时序控制器结构进行了设计，然后利用小孔加工实验对电源的稳定性和可靠性进行了验证。

1小孔加工脉冲电源拓扑结构及原理

1.1小孔加工脉冲电源主拓扑

图1为小孔加工脉冲电源主拓扑结构图，电源主回路分为整流滤波器、全桥DC/DC变换器以及加工脉冲变换器三部分。整流滤波单元选用三相380 V交流电输入，通过三相不控整流模块D1滤波后得到530 V左右直流电压；四个IGBT主功率管Q1～Q4组成了H桥DC/DC变换器，由PWM控制器调节四个功率管的占空比实现能量的传输和电压的变换。图1中，T1为高频脉冲变压器，实现能量的初级侧和次级侧的交换和隔离，开关管频率控制在10～20 kHz之间，T1次级侧快速恢复二极管D2、D3构成全波整流，D4完成续流，L1、C2构成输出滤波器；后级部分设置加工脉冲变换器，主要为脉宽、脉间变换器以及电压采集电路等，加工时根据放电电压的大小(开路电压和加工电压)调节前级DC/DC变换器的直流电压幅值，进而提供击穿延时阶段所需的击穿电压(100 V左右)和放电阶段所需的放电加工电压(25 V)，通过对加工回路电流的检测，消除加工过程中的有害脉冲，避免短路的发生，能够实现小孔电火花加工过程的循环往复。

图1　电火花加工脉冲电源原理图

1.2基于PWM控制器的DC/DC变换原理

电路中PWM控制芯片选用UC3875移相全桥控制器，在DC/DC控制电路中引入闭环电压负反馈，利用采集信号与参考信号的差值调整主回路中功率器件驱动脉冲宽度，从而实现DC/DC变换器输出电压的调整。图2给出了PWM控制器的基本工作原理。

图2　PWM控制器控制原理图

图2所示输出电压经R1、R2两电阻分压后获得电压采样信号uf，电压采样信号再与参考信号ur进行比较放大后送入PWM控制器，其输出作为功率开关器件的驱动信号调节占空比，从而调节输出电压，不同输出电压对应不同参考电压ur(调节R3、R4)或通过调节采样信号uf(调节R1、R2)来实现。可以看出，实现稳压的关键在于PWM控制器对占空比的调节。

图3所示为调节占空比过程中各部分电压波形变化情况，调节过程如下：

图3　全桥DC/DC变换器工作波形

(1)t0～t1阶段，击穿电压延时过程。从t0时刻开始，在击穿电压ud作用下，介质间隙开始击穿延时过程， t1时刻间隙击穿开始放电加工。

(2)t1时刻，DC/DC变换器电压下降进入调节过程。采样电路检测到工作电压的变化，将采样信号反馈回控制器，PWM控制器以较窄驱动脉冲输出，调节输出电压下降，电压UOUT即下降到uf与相对应的维持电压ue，DC/DC调压过程结束。

(3)t1～t2阶段，加工脉冲放电加工过程。t1时刻在采样电路作用下，系统进入PWM低压稳定调节过程，使输出电压值稳定在给定值附近，使加工间隙稳定在放电状态，直至t2时刻放电结束。

(4)t2时刻，DC/DC升压过程。放电终止加工过程结束，间隙两端电压得以恢复，PWM控制器输出较大脉冲宽度，输出电压上升，DC/DC升压过程结束。

(5)t2～t3阶段，消电离脉间和PWM稳压调节过程。t2时刻，脉冲放电结束进入消电离间隔阶段，电路进入PWM升压调节过程，并迫使输出电压维持在给定值附近，加工进入消电离阶段，直至t3时刻消电离间隔时期结束。

(a)放电加工电压波形图

(b)击穿电压波形图图4　PWM控制器输出波形

图4所示为PWM控制器输出电压波形，其中图4a为放电加工时，间隙电压为25 V左右对应的控制器输出脉冲宽度；图4b为间隙击穿时，间隙电压110 V左右控制器输出的脉冲宽度。

总结上述过程，脉冲电源完成了从延时击穿到放电加工到最后消电离的往复循环电加工过程，整个控制过程中，控制信号在PWM控制器和加工脉冲时序发生器之间转换，由加工脉冲时序发生器控制脉宽和脉间的时间定时，PWM控制器控制DC/DC变换器输出电压的数值。

1.3脉冲电源主回路动态数学模型

脉冲电源进行放电加工时，需要电源对放电间隙实时检测，同时进行放电加工维持电压和击穿延时电压之间快速的转换，因此建立电火花加工动态电路模型，能更好地研究电源的动态响应速度，优化电源的控制策略[8-9]。

加工间隙是一个非电阻性负载，根据加工间隙在加工时近似保持电压恒定的特性，击穿后放电加工时的电压可以等效为直流电源U2，电压值维持在25V左右，加工过程中随机因素作为电压源U2的小信号扰动进行处理。系统分为前后两级，分别由对应的功率器件控制，一个加工周期内包含导通和截止两种工作模式，电火花脉冲电源在两种模式下所得等效电路如图5所示，从变换器在功率管导通和截止两种不同状态的不同拓扑结构下的状态空间方程出发，经过平均-小信号扰动-线性化处理，得到表征变换器的电路模型和数学模型[8]。

导通模式下的状态方程为

(1)

(a)导通

(b)截止图5　脉冲电源两种模式下的等效电路

截止模式下的状态方程为

(2)

根据状态空间平均法的原则，脉冲电源的状态方程为

(3)

式中，k为前级电路的占空比。

整理得如下状态方程：

(4)

对式(4)在工作点附近取小信号扰动为

(5)

对式(5)进行拉氏变换，可得

(6)

由于电路输出反馈量为电压uc，消去式(6)中的电流量I(s)，因此电路具有两个独立的输入变量U1(s)和K(s)，一个输出变量Uc(s)，整理得

(7)

由式(7)得脉冲电源的传递函数框图(图6)。

图6　电火花加工脉冲电源闭环传递函数框图

图6中虚线部分第一项代表输入电压扰动对输出电压影响的传递函数，第二项给出了占空比扰动对输出电压的影响传递函数，Guc(s)=kuc为输出电压的反馈信号传递函数。

2小孔加工脉冲电源实验与分析

2.1小孔加工放电装置原理

小孔加工机床原理如图7所示，加工过程需要各轴配合移动，系统主要包含2个旋转加工轴(B轴、C轴)，4个直线进给轴(X、Y、Z、W轴)，其中直线进给轴X、Y、Z为传统意义上的3轴系统，B轴负责W轴空间位置的旋转，C轴完成喷油嘴和卡具的旋转定位，W轴用来输送电极丝进给量。电气部分包含了加工脉冲电源、检测电路、光学显微观测系统、交流伺服运动控制系统以及计算机数控系统。

(a)原理图

(b)实物图图7　小孔电火花加工机床示意图

2.2脉冲电源加工实验与分析

由于喷油嘴加工时测量孔型、锥度难度较大，故测试电源系统采用圆形平板不锈钢工件，通过连续的加工实验，得到碳化钨电极丝加工不锈钢(1Cr18Ni9Ti)时的电极损耗、加工时间、孔型、孔型锥度的数据。工件材料为1Cr18Ni9Ti，尺寸为22 mm×1 mm；电极材料为碳化钨电丝，尺寸为φ0.29 mm×300 mm；设计加工孔径为φ0.33 mm；工作液为去离子水，导电率为17.17 μS/cm；冲液方式采用流淌式冲液，冲液压力(或流量)小于10 L/h。

表1给出了小孔加工过程放电参数与孔径和电极损耗之间的数据关系。由表1可以看出，脉冲宽度和脉冲间隙对孔径和电极损耗的影响较为复杂，通常情况下，占空比越大，小孔直径越大电极损耗越多，但是占空比太大时往往引起小孔表面粗糙度恶化。因此放电加工时需要选择合理的脉冲宽度和脉冲间隙来获得较好的加工效果。加工过程中不仅占空比对电极损耗产生影响，加工电压以及电流强度对电极损耗都有较大影响，峰值电压提高以及电流强度加大都会造成电极丝的异常损耗。

表1　小孔加工实验数据分析

电源加工过程采用相同电参数连续加工20个孔得到小孔数据。通过已测数据分别得出电极损耗率、小孔椭圆度以及小孔加工单边放电间隙的变化曲线如图8～图10所示。

图8　小孔加工电极损耗率曲线

从图8中可以看出，加工小孔过程中，电极损耗变化平稳，虽有个别试样损耗偏高，但对于整体来讲影响不大，可以通过数据修正加以剔除。同时以上曲线也说明电源加工的稳定性较好，保证了小孔加工的一致性。图9所示为小孔加工过程中电极丝单边放电间隙的变化曲线。从图9中可以看出，入口和出口的单边放电间隙变化都较小。这一方面说明了机床的机械精度和控制系统的稳定性较高，另一方面说明脉冲电源在加工过程中放电稳定，没有出现剧烈的变化。

图9　小孔加工单边放电间隙曲线

图10所示为20个小孔加工的椭圆度曲线变化情况，可以看出，20个孔入口的椭圆度整体变化要比出口的椭圆度变化平缓一些，主要原因是电极在初始加工时要经过修整，修整后的电极形状规范，电加工时能更好地保证小孔的圆度，一旦加工到底部穿透时，会产生强烈的边缘放电效应，使得出口椭圆度产生更大的不确定性，因此才会出现图10所示的曲线变化规律。

图10　小孔入口、出口椭圆度曲线

图11所示为小孔加工脉冲电源放电波形，1为电流波形，2为电压波形，在发生延时击穿时刻电流迅速增加，电压下降为20 V左右，维持火花放电。图12、图13为小孔加工后入口和出口的两张显微图片，通过图片可以看出入口处边缘有电火花加工的变质区域，出口直径大于入口直径，图片的放电效果很好地验证了实验数据结果。

图11　小孔加工放电波形

图12　小孔入口显微图片

图13　小孔出口显微图片

3结论

(1)本文在分析小孔加工电火花脉冲电源拓扑结构和工作原理的基础上，提出通过调节PWM控制器输出脉冲宽度的方式来分别调节加工脉冲电压和击穿电压的幅值。

(2)通过建立脉冲电源主回路动态数学模型，进一步分析了脉冲电源的动态响应速度，优化了电源的控制策略，同时分析了小信号扰动对系统稳定性的影响。

(3)通过小孔加工实验分析了电源参数对小孔孔径、小孔椭圆度以及电极损耗的影响，给出了以上参数和电源特性的变化曲线，实验验证了电源的稳定性。

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(编辑王旻玥)

收稿日期：2015-09-07

基金项目：北京市自然科学基金委员会-北京市科学技术研究院联合资助项目(L150006)

中图分类号：TG661

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.007

作者简介：张海峰，男，1975年生。北方工业大学电气与控制工程学院讲师。主要研究方向为电火花脉冲电源以及电机设计。发表论文10余篇。王立峰，男，1989年生。北方工业大学电气与控制工程学院硕士研究生。刘建勇，男，1983年生。北京市电加工研究所高级工程师。

Experimental Study of EDM Pulse Generator for Small Hole Machining

Zhang Haifeng1Wang Lifeng1Liu Jianyong2

1.North China University of Technology, Beijing, 100144 2.Beijing Institute of Electro-Machining, Beijing, 100191

Abstract:For the problems of the low energy utilization of conventional pulse generator, the resistors overheating and huge cooling equipments, a kind of EDM pulse generator was presented herein,which cancelled the current limiting resistors. The pulse generator was made up of a PWM controller, a DC/DC converter, a machining pulse sequence generator and so on. It could automatically adjusting the output voltages, and the no load voltages, pulse width and pulse interval were adjustable in a wide range. The bulky frequency transformer was cancelled in the pulse generator. The experimental curves of the electrode wear rate, small holes’ ovality and one-side discharge gaps were obtained by the multiple small hole machining experiments. The experimental curves were closely related to the stability of the pulse generator. These data show that the pulse generator has good stability and reliability.

Key words:electrical discharge machining(EDM); pulse generator; small hole machining; experimental study