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    脈沖參數主動匹配式micro-EDM脈沖電源

    2014-09-21 01:38:24孫術發(fā)劉美爽狄士春
    哈爾濱工業(yè)大學學報 2014年7期
    關鍵詞:極間電火花脈沖

    孫術發(fā),劉美爽,狄士春

    (1.東北林業(yè)大學工程技術學院,150040哈爾濱;2.哈爾濱工業(yè)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(tǒng)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(yōu)化出最佳加工條件的功能,并可通過模糊控制實現(xiàn)最佳控制[8];英國 kao等[9]運用 BP 神經網絡在線監(jiān)測Micro-EDM脈沖電源放電狀態(tài)[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(yè)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(yōu)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(fā)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(jié).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(xù)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(fā)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(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,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(xù)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(xiàn)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(xiàn)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(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,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(fā)現(xiàn),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(xiàn)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(tài)調整的脈寬和脈間.

    該電源與現(xiàn)有的微細電火花脈沖電源相比主要有兩方面優(yōu)點:一是該電源增加了脈沖參數匹配模塊,可實現(xiàn)脈寬和脈間的在線動態(tài)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(fā)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(fā)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(fā)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(huán).

    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(xù)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(wěn)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(jié)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(fā)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(xù)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(guī)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(guī)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(tǒng)的脈沖參數預置模式,變?yōu)槊}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(xù)性較好,加工效率較傳統(tǒng)電源有顯著的提升,加工質量較好.

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