主動匹配式micro?EDM脈沖電源設計與實驗

孫術發，劉美爽，狄士春，沈微，安立華，葛安華

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

主動匹配式micro?EDM脈沖電源設計與實驗

孫術發1，劉美爽1，狄士春2，沈微1，安立華1，葛安華1

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

為了提高微細電火花加工（micro?EDM）效率，設計了一種脈沖參數主動匹配式micro?EDM脈沖電源。采用主動匹配式脈沖發生電路實現脈沖參數根據極間電容充放電情況自動匹配，通過實驗，對電源的加工效率、加工質量和低電壓加工情況進行了分析。結果表明：采用該電源可以實現在單個脈沖周期內，極間電容單次充電、單次放電；與常規晶體管脈沖電源比較，該電源可以提高加工效率，加工表面變質層無裂紋、凹坑均勻、加工質量較高；可以實現24 V低電壓加工，加工后的微孔圓度和精度較高。該電源具有提高微細電火花加工效率，保證較高加工質量的作用。

主動匹配；微細電火花加工；脈沖電源；加工效率；加工質量

微細電火花加工（micro electrical discharge ma?chining，micro?EDM）屬于微細電加工的一種，加工時在工具電極和工件之間施加脈沖電壓，當極間間隙達到一定距離時，極間介質被擊穿，產生火花放電，火花放電產生的高溫和爆炸力將工件表面材料熔化并被拋出［1］。相比于其他微細加工方法，mi?cro?EDM具有多種優點，首先它可加工任何導電材料、復雜表面和零件，也可加工非導電材料，如絕緣陶瓷等［2?4］；其次，micro?EDM為非接觸式加工，工具電極和工件的宏觀作用力小，工具電極不受硬度限制，普通的純銅、黃銅和石墨都可以作為電極［5?6］；而且，微細電火花機床成本不高，耗能低，有利于該技術的普及。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［7］。micro?EDM脈沖電源由于其加工時所需的能量更低，所以對脈沖電源的研制提出了更高的要求。目前，所采用的主要是不同形式的RC脈沖電源和晶體管脈沖電源，也出現了一些自適應式的智能電源，如日本沙迪克公司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］；日本三菱電機公司的廣井與中野采用超聲波對電火花加工放電狀態進行檢測，由于常用的平均電壓檢測方法無法對間隙大小和間隙污染情況進行有效檢測，這就使得超聲波檢測方法具有了獨特的優勢，對放電狀態的檢測更具體［9］；周明等提出了新形式的脈沖電源，其檢測電路采用自適應控制策略，根據放電狀態實時控制放電時間，并優化出最佳的放電時間，加工實驗表明，加工效率較沒有應用自適應控制策略的電火花加工提高了一倍，短路和電弧放電現象得到了有效控制，加工穩定性更好［10?12］。雖然自適應式電源取得了進步，但仍有較大的提升空間。本文設計的脈沖電源是一種脈沖參數隨著極間電容的充放電情況自動匹配的主動匹配式脈沖電源，是一種精微、自適應式的微細電火花脈沖電源。

1 脈沖電源總體設計

本文設計的微細電火花脈沖電源以提高加工效率和保證加工質量為目標。通過自動匹配脈寬和脈間參數實現提高加工效率，控制放電能量，保證加工質量的目的。

根據對微細電火花加工寄生電容［13］、加工質量與加工效率的研究［14］，提出了主動匹配式脈沖電源的總體設計方案，圖1為該脈沖電源設計原理圖。

該電源由參數輸入模塊、顯示模塊、功率放大模塊、脈沖參數匹配模塊、單片機和CPLD組成，其中脈沖參數匹配模塊是核心結構部分。

該電源與傳統的微細電火花脈沖電源相比主要有2方面優點：1）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匹配，具有自動化程度高，參數匹配精度高的特點。2）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時避免寄生參數的發生等方法，將寄生參數控制到最?。?5］。

圖1 脈沖電源設計原理圖Fig.1 Principle diagram of pulse power supply

2 脈沖電源關鍵技術

2.1 主動匹配式脈沖發生電路設計

主動匹配式脈沖發生電路設計目的是為了根據極間電容充放電情況匹配脈沖參數。根據脈沖參數匹配對加工效率的影響研究可知，在單個脈寬時間內，將極間電容兩端電壓恰好充電到參考電壓值，并設定恰當的脈間值，可以在不改變脈沖放電能量的前提下使加工效率達到最高［15］?；谏鲜鲅芯拷Y論，本文設計的脈沖電源，可根據極間電容的充放電時間自動進行脈寬和脈間的設置，實現提高加工效率的目標。

主動匹配式脈沖發生電路由單片機、CPLD、分壓電路、濾波電路、放大電路、參考電壓設置電路、比較電路和限幅電路組成。分壓電路負責將極間電壓進行采集，經過濾波和放大處理后送入比較器，比較器對比此電壓和單片機設置的參考電壓，使極間電壓在小于參考電壓時比較器輸出高電平，達到參考電壓時輸出低電平。將高電平送到CPLD時，CPLD給驅動電路高電平，MOSFET開通，脈沖處于脈寬時間；當低電平送到CPLD時，CPLD給驅動電路低電平，MOSFET關斷，脈沖處于脈間時間。圖2為脈沖發生電路圖。

圖2 脈沖發生電路圖Fig.2 Diagram of pulse generating circuit

由圖2可知，通過電阻R1和R2將極間電壓進行分壓，采集到的電壓經過二極管D2和D3組成的限幅電路，將極間電壓信號送到比較器U1和U2中，經光耦隔離放大后送到CPLD，經過CPLD的邏輯運算形成驅動脈沖信號。圖3為驅動脈沖發生波形圖。圖3中VHref和VLref為設定的比較器參考電壓，該值為預置電壓值，分別為極間電壓的上限參考值和下限參考值。VI為極間采集的比例電壓值，VH和VL為比較器輸出的波形，VG為驅動脈沖波形。當VI值超過VHref時，VH輸出低電平，當低于VHref時VH輸出高電平；當VI值超過VLref時，VL輸出低電平，當低于VHref時VL輸出高電平。經CPLD邏輯運算后，VG在VI低于VHref時輸出高電平，高于VHref時輸出低電平，在低于VLref時輸出高電平。

圖3 脈沖驅動波形圖Fig.3 Pulse driving waveform

2.2 放電能量檢測電路

為了實現微細電火花微能放電加工，國內外學者對降低單個脈沖放電能量進行了大量研究。一般認為單個脈沖能量小于35×10-6J的即為微細加工［1］，當前文獻可查的最小脈沖能量為2.5×10-12J，已達到皮焦級［16］。放電能量的大小直接關系加工精度和加工質量，如果在加工過程中能夠實時顯示并監控放電能量，這對控制微細電火花加工精度和加工質量都具有重要意義。

2.2.1 檢測原理

式（1）為極間電容的充電公式［17］，其中，參考電壓VHref和開路電壓Uoc為已知條件，極間電容為未知條件。極間電容包括標稱電容與寄生電容。

推導出極間電容為

式中：C為極間電容，VHref為上限參考電壓，Uoc為開路電壓，t為電容充電時間，Rn為限流電阻。

由主動匹配式脈沖發生電路原理可知，t即為脈寬ton，可以實時測量，Rn、VHref和Uoc為已知的電源預置參數，所以極間電容C可求。

2.2.2 檢測電路

圖4為放電能量檢測電路原理圖，其結構主要由單片機、CPLD、VHref輸入電路、電流選擇電路、脈沖發生電路和液晶顯示電路組成，其核心元件是單片機。電流選擇電路將限流電阻的值Rn送給單片機，VHref輸入電路將參考電壓VHref送給單片機，脈寬ton由CPLD根據主動匹配式電路產生，并反饋給單片機，單片機根據式（2）和式（3）計算脈沖能量大小，并顯示在液晶顯示屏上。圖5為設計完成的脈沖電源。

圖4 放電能量檢測電路的原理圖Fig.4 Principle diagram of discharge energy detection circuit

圖5 脈沖電源Fig.5 Pulse power supply

3 主動匹配式脈沖電源實驗研究

3.1 加工波形

圖6為本實驗選用的微細電火花加工機床，本實驗加工主回路選用Uoc為100 V開路電壓，設定參考電壓VHref為60 V，通過示波器采集加工波形，如圖7所示。

由圖可見，極間電容電壓達到60 V時，充電截止，驅動脈沖進入脈間時間，在此期間某一時刻，極間電容放電加工，電壓迅速下降，當電壓下降到低于下限參考電壓VLref時，極間電容開始充電，驅動脈沖進入脈寬時間?？梢?，該脈沖電源的脈寬和脈間時間不固定，根據極間電容的充放電情況進行自動匹配，在加工過程中，保證極間電容單次充電和單次放電，加工連續性較好。

圖6 加工機床Fig.6 Machine tool

圖7 加工波形圖Fig.7 Processing waveform

3.2 加工效率實驗

為了驗證電源的加工效率，本文進行微小孔加工實驗，對比分析晶體管脈沖電源與本文設計的主動匹配式脈沖電源的加工效率。電極為直徑50 μm鎢電極，工件電極選用45號鋼，孔深徑比4：1。脈沖電源的加工參數如表1所示，圖8為3組參數加工后的微小孔SEM圖。

表1 脈沖電源的加工參數Table 1 Working parameter of pules power supply

圖8 微小孔SEM圖Fig.8 SEM figure of processing micro hole

由表1可知，在3組參數中，采用主動匹配式脈沖電源加工時間最短，加工效率是第1組的2.31倍，是第2組的2.67倍。由此可見，采用本文設計的脈沖電源，可明顯提高微細電火花加工效率。

3.3 加工表面變質層形貌和表面粗糙度實驗分析

利用本文設計的主動匹配式脈沖電源進行銑削加工，通過與晶體管脈沖電源加工后變質層表面形貌和粗糙度進行對比，分析該電源的加工質量。加工材料選用難加工材料TC4鈦合金［18］，加工參數仍選用表1中參數。

圖9為加工后TC4表面變質層形貌，圖9（a）為第1組參數加工后表面形貌，圖9（b）為圖9（a）的局部放大圖。由圖可知，第1組參數加工后表面為凹坑型形貌，凹坑分布稀疏。這是由于第1組參數脈寬小，放電頻率較低，放電次數少，所以放電凹坑稀疏。加工表面有微裂紋產生，這是因為脈間時間較短，殘余應力沒有及時釋放，所以在表面形成拉應力，產生微裂紋［19?20］。

圖9（c）為第2組參數加工后表面形貌，圖9（d）為圖9（c）的局部放大圖。由圖可知，第2組參數加工后表面不是典型的電火花加工凹坑形貌，而是呈片狀，加工表面質量較差。分析原因認為，由于脈沖電源的脈寬較大，在單個脈沖時間內存在多次放電現象，而且每次放電的能量都不同，所以表面難以形成形狀大小相近的放電凹坑，而是呈現片狀形貌［21］。

圖9（e）為采用本文設計的主動匹配式脈沖電源加工后表面形貌，圖9（f）為圖9（e）的局部放大圖。由圖可知，采用主動匹配式脈沖電源加工后的表面形貌介于第1組和第2組參數之間，屬于凹坑形貌與片狀形貌并存，分布均勻，沒有微裂紋產生。分析原因認為，采用主動匹配式脈沖電源加工，單個脈沖放電能量較大，單個凹坑的蝕除深度較深，但由于TC4合金加工時粘度較大［16］，蝕除產生的重熔層堆積在凹坑周圍，所以形成如圖所示的形貌。主動匹配式脈沖電源的脈間調節功能保證了殘余應力的及時釋放，所以表面沒有微裂紋產生?？梢?，本文設計的主動匹配式脈沖電源加工表面形貌較好，優于晶體管脈沖電源。

圖9 TC4微細電火花加工后表面形貌Fig.9 TC4 surface morphology after micro?EDM

采用共聚焦激光掃描顯微鏡對3組參數加工后的表面粗糙度進行測量，第1組參數加工后表面粗糙度Ra為0.138 μm，第2組參數加工后表面粗糙度Ra為0.205 μm，第3組采用主動匹配式脈沖電源加工后表面粗糙度Ra為0.142 μm，可見，在3組加工參數中，采用主動匹配式脈沖電源加工后的表面粗糙較好，能夠滿足精微加工的要求。

3.4 低電壓加工實驗

本文設計的主動匹配式脈沖電源極間電壓可調，可以在低電壓下進行加工。本文對該電源在低電壓情況下的加工狀態進行了試驗研究。選擇參考電壓24 V，電流0.11 A。圖10為放電加工波形。

由圖10可知，放電波形放電較穩定，連續性較好，但短路的情況較多。圖11為加工的30 μm微孔，由圖可見，由于放電能量較低，爆炸力不夠，微孔周圍的重熔層聚集較多，但加工圓度、精度較高。

圖10 24 V放電波形圖Fig.10 Discharge waveform of 24 V

圖11 30 μm微孔SEM圖Fig.11 SEM figure of 30 μm

4 結論

1）設計了一種的脈沖參數主動匹配式微細電火花加工脈沖電源，通過設計脈沖發生電路使脈沖參數根據極間電容的充放電情況自動匹配，實現電源在單個脈沖周期內，極間電容單次充電，單次放電，并可實現對放電能量的監測。

2）對脈沖電源的加工效率進行實驗分析，與晶體管脈沖電源相比，該電源加工效率提高2倍以上。

3）對脈沖電源的加工質量進行了分析，與常規脈沖電源加工質量相比，該電源加工后的變質層無裂紋，凹坑分布均勻，表面粗糙度較好。

4）對脈沖電源在低電壓下加工進行了實驗研究，在24 V電壓下，成功加工出直徑30 μm微孔，微孔的圓度較好，精度較高。

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Design and experiment of active matching micro?EDM pulse power supply

SUN Shufa1，LIU Meishuang1，DI Shichun2，SHEN Wei1，AN Lihua1，GE Anhua1

（1.School of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China；2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

For the purpose of increasing the efficiency of micro electron discharge machining（micro?EDM），an ac?tive matching micro?EDM pulse power supply is designed.Using the active matching pulse generation circuit，the pulse parameters can be matched automatically depending on the charge and discharge of the polar capacitor.The machining efficiency，quality and low voltage machining property were analyzed through experiments.The result shows that the pulse supply can accomplish a single charge and discharge in one pulse cycle.Compared with regular transistor pulse generator，this power supply can improve material remove rate and machining quality，the sizes of pits are almost the same，with no metasomatile deposit.The pulse supply can work in 24V low voltage charge，with high roundness and precision of the machined micro?hole.This power supply can enhance the efficiency of micro?EDM machining and guarantee a high machining quality.

activematching；micro?EDM；pulse power supply；machining efficiency；machining quality

10.3969／j.issn.1006?7043.201410059

V261.6

：A

：1006?7043（2015）08?1080?06

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150707.1507.009.html

2014?10?24.網絡出版日期：2015?07?07.

中央高?；究蒲袠I務費資助項目（DL13BB08）；國家863計劃資助項目（2009AA044205）.

孫術發（1980?），男，副教授，博士.

孫術發，E?mail：ssfangel＠163.com.