電火花加工用脈沖電源

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BatchDoc Word文檔批量處理工具 電火花加工及其脈沖功率電源的研究 電火花加工又稱放電加工（electrical discharge machining,簡稱EDM），由于其能進(jìn)行難切削材料和復(fù)雜形狀零件的加工，而得到廣泛的應(yīng)用。其中最主要的部分是脈沖電源，脈沖電源的技術(shù)性能好壞直接影響電火花成形加工的各項工藝指標(biāo)，如加工質(zhì)量精度、加工速度、電極損耗等。本文將對電火花加工的原理及其脈沖電源進(jìn)行簡要介紹和研究。 一、電火花加工的工作原理 進(jìn)行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或?qū)⒐ぷ饕撼淙敕烹婇g隙。通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極向工件進(jìn)給，當(dāng)兩電極間的間隙達(dá)到一定距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。在放電的微細(xì)通道中瞬時集中大量的熱能，溫度可高達(dá)一萬攝氏度以上，壓力也有急劇變化，從而使這一點工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復(fù)絕緣狀態(tài)。 緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復(fù)上述過程。這樣，雖然每個脈沖放電蝕除的金屬量極少，但因每秒有成千上萬次脈沖放電作用，就能蝕除較多的金屬，具有一定的生產(chǎn)率。在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進(jìn)給，最后便加工出與工具電極形狀相對應(yīng)的形狀來。因此，只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對運動方式，就能加工出各種復(fù)雜的型面。 工具電極常用導(dǎo)電性良好、熔點較高、易加工的耐電蝕材料，如銅、石墨、銅鎢合金和鉬等。在加工過程中，工具電極也有損耗，但小于工件金屬的蝕除量，甚至接近于無損耗。 工作液作為放電介質(zhì)，在加工過程中還起著冷卻、排屑等作用。常用的工作液是粘度較低、閃點較高、性能穩(wěn)定的介質(zhì)，如煤油、去離子水和乳化液等。 圖1電火花加工基本原理 1- 工件；2-脈沖電源；3-自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置；4-工具；5-工作液；6-過濾器；7-工作液泵 圖2數(shù)控電火花成型加工機床基本組成 二、電火花加工的特點和應(yīng)用 ⑴電火花加工的優(yōu)點 ①適合于難切削材料的加工。電火花加工是靠放電時的電熱作用實現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及其熱學(xué)特性，如熔點、沸點、比熱容、熱導(dǎo)率、電阻率等，而幾乎與其力學(xué)性能（硬度、強度等）無關(guān)，因此電火花加工突破了傳統(tǒng)切削工具的限制，實現(xiàn)了用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可以加工像聚晶金剛石，立方氮化硼一類的超硬材料。 ②可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件。電火花加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及細(xì)微加工。由于可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工，如復(fù)雜型腔模具加工等。 ③易于實現(xiàn)加工過程自動化。電火花加工直接利用電能加工，而電能、電參數(shù)易于數(shù)字控制，因此電火花加工適應(yīng)智能化控制和無人化操作等。 ④可以改進(jìn)加工零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善其結(jié)構(gòu)的工藝性。例如采用電火花加工可以將拼鑲結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金沖模改為整體式結(jié)構(gòu)，從而減少了模具加工工時和裝配工時，延長了模具的使用壽命。 ⑵電火花加工的局限性 ①只能用于加工金屬等導(dǎo)電材料，不能用來加工塑料、陶瓷等絕緣的非導(dǎo)電材料，在一定條件下可以加工半導(dǎo)體和聚晶金剛石等非導(dǎo)體超硬材料。 ②加工速度一般較慢。因此通常安排工藝時多采用切削來去除大部分余量，然后再進(jìn)行電火花加工，以提高生產(chǎn)率，如果采用特殊水基不燃性工作液進(jìn)行電火花加工，其粗加工生產(chǎn)率可以高于切削加工。 ③存在電極損耗。因此電火花加工靠電、熱來蝕除金屬，電極也會遭受損耗，而且電極損耗多集中在尖角或底面，影響成形精度?，F(xiàn)在，粗加工時電極相對損耗比可以將至0.1%以下，在中、精加工時能將損耗比將至1%甚至更小。 ④最小角部半徑有限制。一般電火花加工能得到的最小角部半徑等于工作間隙（通常為0.02~0.03mm），若電極有損耗或采用平動頭加工，則角部半徑還要增大。現(xiàn)在，多軸數(shù)控電火花加工機床采用X、Y、Z軸數(shù)控?fù)u動加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的側(cè)壁和底面。 ⑶電火花加工的主要應(yīng)用 ①加工各種金屬及其合金材料，導(dǎo)電超硬材料（如聚晶金剛石、立方氮化硼、金屬陶瓷等），特殊的熱敏材料，半導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料。 ②加工各種復(fù)雜形狀難加工的型孔和型腔工件，包括加工圓孔、方孔、異形孔、微孔、深孔等型孔工件，特別適宜于加工弱剛度、薄壁工件的復(fù)雜外形，及各種型面的型腔工件，彎曲孔等。 ③各種工件與材料的切割，包括材料的切斷、特殊結(jié)構(gòu)零件的切斷、切割微細(xì)窄縫及細(xì)微窄縫組成的零件（如金屬柵網(wǎng)、慢波結(jié)構(gòu)、異形孔噴絲板、激光器件等）。 ④結(jié)構(gòu)各種成形刀、樣板、工具、量具、螺紋等成形器件。 ⑤工件的磨削，包括小孔、深孔、內(nèi)圓、外圓平面等磨削和成形磨削。 ⑥刻寫、打印名牌和標(biāo)記。 ⑦表面強化和改性，如金屬表面高速淬火、滲氮、滲碳、涂敷特殊材料及合金化等。 ⑧輔助用途，如去除折斷在零件中的絲錐、鉆頭，修復(fù)磨損件，跑合齒輪嚙合件等。 由于電火花加工具有許多傳統(tǒng)切削加工所無法比擬的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，電火花加工技術(shù)已廣泛用于機械（特別是模具制造）、航天、航空、電子、原子能、計算機技術(shù)、儀器儀表、電機電器、精密機械、汽車拖拉機、輕工等行業(yè)、以解決難加工材料及復(fù)雜形狀零件的加工問題，加工范圍從微小的軸、孔、縫、到超大型模具和零件。為各種新型材料的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的途徑，為各種工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計改進(jìn)與制造提供了新的加工技術(shù)，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和試驗設(shè)計水平的提高提供了有效的手段。 三、電火花加工脈沖功率電源 電火花成形加工機床的脈沖電源的作用是把普通220V或380V、50Hz交流電轉(zhuǎn)換成在一定頻率范圍，具有一定輸出功率的單向脈沖電，提供電火花成形加工所需要的放電能量來蝕除金屬，滿足工件加工要求的設(shè)備裝置。 ⑴電火花加工脈沖電源的分類 電火花加工脈沖電源按其作用原理和所用的主要元件、脈沖波形等可分為多種類型，按脈沖產(chǎn)生形式分為兩大類，即非獨立式脈沖電源和獨立式脈沖電源；按功能可分為等電壓脈寬（等頻率）、等電流脈寬脈沖電源；模擬量、數(shù)字量、微機控制、智能化等脈沖電源。 電火花加工脈沖電源類型 按主回路中主要元件種類 弛張式、電子管式、閘流式、脈沖發(fā)電機式、晶閘管式、晶體管式、大功率集成器件 按輸出脈沖波形 矩形波、梳狀波分組脈沖、三角形波、階梯波、正弦波、高低壓復(fù)合脈沖 按間隙狀態(tài)對脈沖參數(shù)的影響 非獨立式、獨立式 按工作回路數(shù)目 單回路、多回路 ⑵弛張式脈沖電源 國外在40-50年代、我國在50-60年代初，都曾在電火花加工中廣泛地使用弛張式脈沖電源。這種電源的基本電路是RC型和RLC型等電路。工作原理是利用電容器存儲電能，而后瞬時放電，成為脈沖電流，達(dá)到蝕除金屬的目的。因為電容器時而放電，時而充電，一張一弛，故稱為弛張式電源。因為這種線路的脈沖參數(shù)（放電波形、脈沖延時、放電頻率及放電能量等）直接受加工過程中的電極間隙物理狀態(tài)的影響（加工間隙的大小及介質(zhì)的污染程度等），所以稱為非獨立式脈沖電源。 ①RC型脈沖電源 RC線路是弛張式脈沖電源中最簡單、最基本的一種，原理電路如圖3。 圖3 RC型弛張式脈沖電源電路 1-工具電極 2-工件 當(dāng)直流電源接通后，電流經(jīng)限流電阻R向電容C充電，電容C兩端的電壓按指數(shù)曲線逐步上升，因為電容兩端電壓就是工具電極和工件間隙兩端的電壓，因此當(dāng)電容C兩端電壓上升到工具電極和工件間隙的擊穿電壓ud時，間隙就被擊穿，電容器上存儲的能量瞬時放出，形成較大的脈沖電流ie。電容上的能量釋放后，電壓瞬時下降到接近于零，間隙中的工作液偶遇迅速恢復(fù)絕緣狀態(tài)。此后電容器再次充電，又恢復(fù)前述過程。如果間隙過大，則電容器上的電壓uc按指數(shù)上升到直流電源電壓E。 RC線路脈沖電源的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低；在小功率時可以獲得很窄的脈寬（小于0.1μs）和很小的單個脈沖能量，可用做光整結(jié)構(gòu)和精微加工；電容器瞬時放電可達(dá)很大的峰值電流，能量密度很高，放電爆炸、拋出能力強，金屬在汽化狀態(tài)下被蝕除的百分比大，不易產(chǎn)生表面裂紋，加工穩(wěn)定。 但這種脈沖電源存在著以下缺點： I、脈沖參數(shù)不穩(wěn)定，其放電熄滅電壓、單個脈沖能量及電容器輸出功率都是隨機變化的，與單個脈沖能量穩(wěn)定的脈沖電源相比，在相同的加工粗糙度下，其加工速度則較低。 II、波形不好，影響加工速度。RC型電路的充電電壓波形以指數(shù)曲線上升，對放電間隙的消電離過程不利，迫使加工用的脈沖頻率降低。通常是借增大限流電阻R值來降低加工頻率的。但隨著電阻的增大，輸出功率便減小，因此RC型弛張式脈沖電源不適用于大功率的電火花加工。 III、電能利用率較低。這種脈沖電源的電能利用率一般為25~35%。它不僅多消耗了電能，而且增大了電源箱的發(fā)熱量。 IV、工具電極的損耗大。電容器直接向間隙快速放電，而電流幅值又較大，因此增大了工具電極的損耗。此外，電容器在放電回路的分布電感影響下常形成振蕩式的放電過程，出現(xiàn)負(fù)波放電，進(jìn)一步增大了工具電極的損耗。 ②RLC型脈沖電源 基于RC型脈沖電源的上述缺點，在其充電回路中加入了一個電感L，組成工作性能較好的RLC型弛張式脈沖電源，其原理電路如圖4。 圖4 RLC型弛張式脈沖電源的電路 RLC型脈沖電源與RC型相比具有以下兩個優(yōu)點： I、充電電壓的波形較好 RLC型弛張式脈沖電源的充電電壓不是按指數(shù)曲線上升，而是接近正弦曲線上升，這種曲線對放電間隙的消電離較為有利。因此，它比RC型脈沖電源的實用頻率可提高一倍以上，在加工精度相同時其加工速度亦可提高一倍以上。 II、電能利用率較高 在此電源電路中，由于電容器的充電電壓可以超過直流電源電壓，所以放電效率大為提高，實用中的充電效率可達(dá)60%以上。 但是，RLC型弛張式脈沖電源也是非獨立式的，即脈沖頻率、單個脈沖能量和輸出功率等電參數(shù)仍取決于放電間隙的物理狀態(tài)，因此，它與RC型脈沖電源類似，也會對加工的工藝指標(biāo)產(chǎn)生不利的影響；又因放電回路與RC型脈沖電源相似，工具電極的損耗也較大。 此外，由于充電回路中電感L的作用，在電火花加工過程中經(jīng)常會在電容器兩端出現(xiàn)過電壓，因此須對貯能電容器提出耐壓較高的要求，通常應(yīng)為直流電源電壓值的4—5倍。 ③ RLCL及RCR型脈沖電源 為了進(jìn)一步改善弛張式脈沖電源的某些性能，可在放電回路中附加一個電感L2或電阻R2，如圖5。 圖5 RLCL及RCR型弛張式脈沖電源的電路 a)RLCL型 b）RCR型 RLCL型脈沖電源在放電回路中空芯電感L2的作用是延長脈沖放電的時間。雖然電感L2會使放電的電流幅值有所降低，但由于放電脈沖寬度加大，引起電感L1中的磁場能量的加大而得到了一定的補償，結(jié)果脈沖電流的幅值可保持大致相同，而脈沖寬度卻加大了。所以，RLCL型脈沖電源的加工速度比RLC型脈沖電源提高10~15%，而工具電極的損耗則可減少10~15%。 RCR型脈沖電源中電阻R2的作用是使貯能電容器C產(chǎn)生非周期性的單向放電，從而降低了放電的電流幅值，又加大放電脈沖的寬度。這種脈沖電源的特點是能顯著降低工具電極的損耗，但使輸出功率受到很大限制，降低了加工速度。主要用于對加工速度要求低、而希望工具電極損耗較小的小型輪廓加工。 ④Tr-RC型脈沖電源 如圖6所示的Tr-RC型脈沖電源電路，其中Tr是晶體管，R是限流電阻，C是貯能電容器，PG是控制用的脈沖電路。 圖6 精微加工用Tr-RC型脈沖電源示意圖 工作時，脈沖控制電路PG輸出一系列的控制脈沖。當(dāng)它使晶體管Tr導(dǎo)通時，情況就如RC弛張式脈沖電源一樣，小容量電容器C（數(shù)十至數(shù)千pF）可輸出一群很窄的脈沖進(jìn)行電火花加工。當(dāng)脈沖處于停歇期使晶體管Tr截止時，電容器C停止充放電過程，讓放電間隙進(jìn)行消電離，這樣就可彌補弛張式脈沖電源充電時間必須較長的缺陷，使加工的效率顯著提高。 ⑶閘流管脈沖電源 閘流管脈沖電源采用閘流管作為控制脈沖電路充放電過程的開關(guān)元件。它的主要電參數(shù)，如脈沖頻率、單個脈沖能量和脈沖寬度等，基本上不受放電間隙物理狀態(tài)的影響，屬于獨立式的脈沖電源。它與弛張式脈沖電源相比，具有工藝指標(biāo)穩(wěn)定、加工速度快和加工精度高等優(yōu)點。 閘流管獨立式脈沖電源的工作原理如圖7。 圖7 閘流管獨立式脈沖電源的工作原理 E是高壓直流電源，當(dāng)貯能電容器C經(jīng)限流阻抗Z由E充電到放電電壓時，引燃電路的脈沖信號定期地加到脈沖閘流管G的控制柵極上使之引燃，于是電容器的能量通過脈沖變壓器BM輸向放電間隙g，利用脈沖放電的熱電過程來蝕除金屬，以達(dá)到加工目的。 在一定的單個脈沖能量下，提高脈沖頻率的障礙是放電間隙絕緣強度的恢復(fù)過程。由于一般弛張式脈沖電源在放電結(jié)束后放電間隙仍直接處于電源的作用下，因此脈沖之間的停歇時間很短，當(dāng)頻率升高到一定程度時，放電將持續(xù)地進(jìn)行，破壞了加工過程的穩(wěn)定性，并損傷電極。獨立式脈沖電源的停歇時間可以較長，這就有利于電極間絕緣強度的恢復(fù)，可以提高加工的脈沖頻率。因此，在保證一定的表面粗糙度情況下能大幅度提高電火花加工速度。 為了進(jìn)一步提高脈沖電源的脈沖頻率和加大輸出功率，以增進(jìn)加工速度，乃研制了雙閘流管脈沖電源。工作原理如圖8。 圖8雙閘流管獨立式脈沖電源的工作原理 它與單閘流管獨立式脈沖電源的主要區(qū)別在于：為了避免雙閘流管G1和G2工作時相互影響，采用扼流電感L與貯能電容器C的并聯(lián)回路，并使引燃電路IG的脈沖信號對雙閘流管輪流引燃。以閘流管G1的引燃過程為例說明如下。當(dāng)高壓直流電源E經(jīng)過G1管和脈沖變壓器BM的初級繞組對電容器C1充電時，電能即通過脈沖變壓器輸向放電間隙，完成一次脈沖放電。在這一過程中，電容器C1上的電壓是按uab的方向增加的，直到脈沖閘流管G1熄滅的瞬時為止。以后，便開始電容器C1對扼流電感L1的放電過程，直到下一次重復(fù)充電開始的瞬時為止。 ⑷晶閘管式脈沖電源 晶閘管（又稱可控硅）式脈沖電源是利用晶閘管作為開關(guān)元件而獲得單向脈沖的。由于晶閘管的功率較大，脈沖電源所采用的功率管數(shù)目可大大減少，因此，100~200A以上的大功率粗加工脈沖電源一般采用晶閘管。 晶閘管的控制特性和閘流管相似，晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通，它也不會自行截止，要截止它，常需由外加電路使晶閘管的電壓反向或使小于維持電流。其脈沖寬度和停歇時間的調(diào)整要受到外加電路的影響，故只能在頻率較低的一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。圖9為電容關(guān)斷式的線路圖。通常作為低頻粗加工電壓。它包括直流電源E、限流電阻R1、晶閘管主功率管VS1、放電間隙電阻R2、放電間隙等組成的晶閘管主回路及由晶閘管VS2、VS3，電感器L1、L2，電容C組成的關(guān)斷回路兩部分。 圖9 粗加工用晶閘管脈沖電源 當(dāng)晶閘管主功率管VS1和晶閘管VS3被同時觸發(fā)導(dǎo)通后，電流一方面由電源+E通過R1→VS1→R2→-E構(gòu)成回路，將電壓加在兩極之間；另一方面由電源+E通過R1→VS1→C→VS3→L2→-E對電容C充電，構(gòu)成LC振蕩式充電回路。LC振蕩式充電回路的充電電流是按正弦形式變化的，當(dāng)充電電流從正半周轉(zhuǎn)入負(fù)半周時，電流就反向，從而使VS3自行關(guān)斷，此時電容C已被充滿，極性為上正下負(fù)。 當(dāng)晶閘管VS2被觸發(fā)導(dǎo)通時，電容C向VS1放電，由于VS1受到反向電流，所以VS1被迅速關(guān)斷，這時電容C儲存的電荷只消耗了很小的一部分，仍然保持原來的極性。這時在放電間隙上就出現(xiàn)了一個幅值為Uc+E的后尖頂脈沖。然后電容C通過間隙電阻R2放電，同時電源+E通過R1→L1→VS2→C→R2→-E對電容C反向充電，直至充滿，這時極性下正上負(fù)，使VS3帶上正電壓；同時通過VS2的電流小于維持電流，VS2自動關(guān)斷，而完成一個脈沖放電全過程。使用時為了消除由于后尖頂脈沖所產(chǎn)生的不良影響，可通過在主功率晶閘管VS1上并聯(lián)一個反接二極管，將帶后尖頂波改為方波。 這種低頻可控硅脈沖回路的脈沖頻率一般為400~2000Hz，脈寬1500~300μs。 為了適應(yīng)精加工的要求，晶閘管脈沖電源還必須具有精加工高頻（10kHz以上）性能，一般晶閘管的頻率特性滿足不了這一要求，需采用高頻晶閘管，并通過倍頻的方法進(jìn)一步提高脈沖頻率。圖10為精加工用的高頻晶閘管脈沖電源回路原理。 圖10 高頻晶閘管脈沖電源 圖中四只晶閘管分為兩路，其中VS1和VS3為一路，VS4和VS2為另一路工作時兩路輪流觸發(fā)導(dǎo)通，相位差為180。假定VS1和VS3先觸發(fā)導(dǎo)通，則直流電源+E就通過VS1→C→VS3→R2→-E對電容器C充電，在初始時，由于電容器C上電壓不能突變，所以電壓全部加在R2上（即放電間隙兩端）。當(dāng)C被充到滿值，VS1、VS3自行關(guān)斷（此時充到電流小于晶閘管的維持電流），完成一個脈沖的輸出，此時電容C的極性上正下負(fù)。 經(jīng)過一定停歇時間（180）后，VS4、VS2被觸發(fā)導(dǎo)通，則電流+E就通過VS4→C→VS2→R2→-E對電容器反向充電。在初始時，電容器C上原充電電壓極性和電流極性正好同向，所以在R2上得到一相疊加的電壓（E+Uc），然后對該回路反向充電，使Uc=0。然后繼續(xù)充電，直至Uc=E時，極性為下正上負(fù)，此時VS4、VS2自行關(guān)斷（此時充電電流小于該晶閘管的維持電流），又輸出一個脈沖。 再次給VS1和VS3觸發(fā)導(dǎo)通，又重復(fù)上述過程。根據(jù)上述工作原理可知，在電阻器R2上所得到的頻率是每個晶閘管頻率的2倍，故此電路為倍頻倍壓電路。晶閘管脈沖電源高頻脈沖回路的工作頻率可達(dá)到60kHz，工具電極損耗比較小，能適應(yīng)型腔模具的加工。 ⑸晶體管式脈沖電源 晶體管式脈沖電源是利用大功率晶體管作為開關(guān)元件而獲得單向脈沖的。晶體管式脈沖電源的輸出功率及最高生產(chǎn)率不易做到晶閘管式脈沖電源那樣大，但它具有脈沖頻率高、脈沖參數(shù)容易調(diào)節(jié)、脈沖波形較好、易于實現(xiàn)多回路加工和自適應(yīng)控制等自動化要求的優(yōu)點，所以應(yīng)用非常廣泛，特別在100A以下的中、小型脈沖電源中，都采用晶體管式電源。 目前晶體管的功率還較小（與晶閘管相比）每管導(dǎo)通時的電流（峰值電流）常選在5A左右，因此在晶體管脈沖電源中，都采用多管分組并聯(lián)輸出的方法來提高輸出功率。 圖11為自振式晶體管脈沖電源原理主振級Z為一不對稱多諧振蕩器，它發(fā)出一定脈沖寬度和停歇時間的矩形脈沖信號，以后經(jīng)功率放大級F放大，最后推動末級功率晶體管導(dǎo)通或截止。末級晶體管起著開關(guān)的作用。它導(dǎo)通時，100V左右的直流電源電壓U加在加工間隙上，擊穿工作液進(jìn)行火花放電。當(dāng)晶體管截止時，脈沖結(jié)束，工作液恢復(fù)絕緣，準(zhǔn)備下一脈沖的到來，為了加大功率及調(diào)節(jié)粗、中、精加工規(guī)準(zhǔn)，整個功率級由幾十只大功率高頻晶體管分為若干路并聯(lián)，精加工時只用其中一或二路。為了在放電間隙短路時不致?lián)p壞晶體管，每只晶體管均串聯(lián)有限流電阻器R，并可以在各管之間起均流作用。 圖11 自振式晶體管脈沖電源原理 圖12 晶體管脈沖電源主振級線路 圖12為20世紀(jì)70~80年代一般常用的晶體管脈沖電源的主振級線路，它實際上是一個多諧振蕩器。 晶體管VT1、VT2為振蕩管，VT3、VT4為射極輸出管，當(dāng)VT1、VT4導(dǎo)通時，強迫VT3、VT2截止。反之，VT3、VT2導(dǎo)通時，強迫VT1、VT4截止.決定導(dǎo)通或截止的時間是由規(guī)準(zhǔn)電容器Ca、Cb分別放電或充電的時間決定的，此時在振蕩管的集電極上就有矩形波輸出。由于Ca、Cb充電是通過射極輸出管來完成的，這就使充電時間常數(shù)大大縮減，所以該線路基本上能滿足較高頻率加工的工藝要求。上述主振級都是由分立元件組成的。隨著集成電路、集成芯片的發(fā)展，晶體管脈沖電源中大量采用集成電路芯片作主振級，例如555芯片。通過改變電容和電阻的組合，可以產(chǎn)生2~1000μs的脈寬或脈間，大大減少了電路中元器件的數(shù)量、體積，并提高了工作可靠性。以后又隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，采用CTC（計時）和晶振元件組成數(shù)字化的主振級，脈寬和脈間的大小可以精確到1μs，甚至0.1μs，而且可以微機來直接設(shè)置，改變脈寬、脈間的大小，不用人工操作旋鈕、撥碼開關(guān)，還可以和加工規(guī)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫連接，向脈沖電源規(guī)準(zhǔn)選擇的自動化邁進(jìn)一步。 放大級的作用是將主振級輸出的脈沖信號放大到足夠強度來激勵推動輸出級。因信號是頻率范圍較寬的矩形波，所以極間耦合常采取電阻耦合。同時還將其發(fā)射級接地，即采取脈沖反相放大電路，還可以采用互補射極輸出放大器線路，雖然復(fù)雜些，但可靠性高。 工作在開關(guān)狀態(tài)的大功率晶體管亦即功率放大輸出級，在脈沖電源中起著向放電間隙輸送脈沖能量的功能，它是通過調(diào)節(jié)輸出功率管的數(shù)量來改變輸出電流的峰值。一般采用共發(fā)射耦合脈沖放大電路即反相放大電路，也可采用射極輸出即共集電極電路。最早采用3DD15等大功率硅管作末級功放管，后來采用頻率更高、性能更好的場效應(yīng)管（V-MOS管、MOSFET）作功放管，它的另一個優(yōu)點是：只需電壓和毫安級的電流驅(qū)動，可以省去前置放大級，大大簡化了電路，最近也有用IGBT大功率集成塊作功放管的，這種大功率集成塊每塊可輸出10~100A的電流。 ⑹各種派生脈沖電源 近年來隨著電火花加工技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步提高有效脈沖利用率，達(dá)到高速、低耗、穩(wěn)定加工以及一些特殊需要，在晶閘管式或晶體管式脈沖電源的基礎(chǔ)上，派生出不少新型電源和線路，如高低壓復(fù)合脈沖電源、多回路脈沖電源以及多功能電源等。 ①高低壓復(fù)合脈沖電源 圖13是復(fù)合回路脈沖電源的主回路示意圖。與放電間隙并聯(lián)兩個供電回路：一個為高壓脈沖回路，其脈沖電壓較高（330V左右），平均電流較小，主要起擊穿間隙的作用，也就是控制低壓脈沖的放電擊穿點，因而也稱為高壓引燃回路；另一個為低壓脈沖回路，其脈沖電壓較低（60~80V），可輸出的電流比較大，起著蝕除金屬的作用，所以稱為加工回路，二極管VD用以阻止高壓脈沖進(jìn)入低壓回路。所謂高低壓復(fù)合脈沖，就是在每個工作脈沖電壓（60~80V）波形上再疊加一個小能量高壓脈沖（300V左右），使電極間隙先擊穿引燃而后再放電加工，大大提高了脈沖的擊穿率和利用率，并使放電間隙變大，排屑良好，加工穩(wěn)定，在“鋼打鋼”時顯出很大的優(yōu)越性。 圖13 復(fù)合回路及高低壓復(fù)合脈沖 ②多回路脈沖電源 多回路脈沖電源，即在加工電源的功率并聯(lián)分割出相互隔離絕緣的多個輸出端，可以同時供給多個回路的放電加工。這樣不依靠增大單個脈沖放電能量，即不使表面粗糙度變大而可以提高生產(chǎn)率，這在大面積、多工具、多孔加工時很有必要，如電機定子、轉(zhuǎn)子沖模、篩網(wǎng)孔等多孔穿孔加工以及大型腔模加工中經(jīng)常采用該電源如圖14。 圖14 多回路脈沖電源和分割電極 多回路電源總的生產(chǎn)率并不與回路數(shù)目完全成正比增加，因為多回路電源加工時，電極進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)會變壞。例如當(dāng)某一回路放電間隙短路時，電極回升，全部回路都得停止工作?；芈窋?shù)愈多，這種相互牽制干擾損失愈大，因此回路數(shù)必須選取得當(dāng)，一般常采用2~4個回路。加工愈穩(wěn)定，回路數(shù)可取得愈多。多回路脈沖電源中，同樣還可采用高低壓復(fù)合脈沖回路。 ③等脈沖電源 等脈沖電源是指每個脈沖在介質(zhì)擊穿后所釋放的單個脈沖能量相等，對于矩形波脈沖電流來說，由于每次放電過程的電流幅值基本相同，因而所謂等脈沖電源也即意味著每個脈沖放電電流持續(xù)時間te相等。 獨立式、等頻率脈沖電源，雖然電壓脈沖寬度ti和脈沖間隔t0在加工過程中保持不變，但每次脈沖放電所釋放的能量往往不相等。因為放電間隙的物理狀態(tài)總是不斷變化的，每個脈沖的擊穿延時有長有短，隨機性很大，各不相同，結(jié)果使實際放電的脈沖電流寬度發(fā)生變化，影響單個脈沖能量的放電凹坑大小不等，因而也就影響加工表面粗糙度微觀上不均勻。等脈沖電源能自動保持脈沖電流寬度相等，做到“彈無虛發(fā)”，用相同的脈沖能量進(jìn)行加工，從而可以在保證一定表面粗糙度的情況下，進(jìn)一步提高加工速度。 獲得等脈沖電流寬度的方法，只要利用兩個單穩(wěn)態(tài)延時電路（芯片）。通常是在間隙加上直流電壓后，利用火花擊穿信號（擊穿后電壓突然降低）來控制脈沖電源的第一個單穩(wěn)態(tài)電路，令它開始延遲（te），以此作為脈沖電流的起始時間，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路延時te之后，發(fā)出信號關(guān)斷導(dǎo)通著的功放管使它中斷脈沖輸出，切斷火花通道，從而完成一次脈沖放電。此關(guān)斷信號同時觸發(fā)第二個單穩(wěn)電路，使其經(jīng)過一定的延時（脈沖間隔t0），發(fā)出下一個信號，使功放管再導(dǎo)通，開始第二個脈沖周期。這樣獲得的極間放電電壓和電流波形如圖15，每次的脈沖寬度te都相等，而電壓脈寬ti不一定相等。中、高檔電火花加工機床的脈沖電源都有此類等電流脈寬功能。 圖15 等脈沖電源的電壓和電流波形 ④節(jié)能式脈沖電源 由于目前的大多數(shù)電火花加工脈沖電源的電能利用率較低，存在很大的能源浪費，所以研制節(jié)能型脈沖電源成為非常主流的研究方向?，F(xiàn)在已經(jīng)誕生出很多研究成果，如圖16所示，就為一節(jié)能式脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 圖16 節(jié)能式電火花加工脈沖電源的電路原理圖 歡迎您的光臨，Word文檔下載后可修改編輯.雙擊可刪除頁眉頁腳.謝謝！希望您提出您寶貴的意見，你的意見是我進(jìn)步的動力。贈語； 1、如果我們做與不做都會有人笑，如果做不好與做得好還會有人笑，那么我們索性就做得更好，來給人笑吧！ 2、現(xiàn)在你不玩命的學(xué)，以后命玩你。3、我不知道年少輕狂，我只知道勝者為王。4、不要做金錢、權(quán)利的奴隸；應(yīng)學(xué)會做“金錢、權(quán)利”的主人。5、什么時候離光明最近？那就是你覺得黑暗太黑的時候。6、最值得欣賞的風(fēng)景，是自己奮斗的足跡。7、壓力不是有人比你努力，而是那些比你牛幾倍的人依然比你努力。 BatchDoc Word文檔批量處理工具