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(xiàng)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(duì)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(shí)，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(dòng)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(shí)，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(shí)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(diǎn)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(shí)在工件表面上便留下一個(gè)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(gè)脈沖電壓又在兩電極相對(duì)接近的另一點(diǎn)處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復(fù)上述過程。這樣，雖然每個(gè)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(jī)床基本組成 二、電火花加工的特點(diǎn)和應(yīng)用 ⑴電火花加工的優(yōu)點(diǎn) ①適合于難切削材料的加工。電火花加工是靠放電時(shí)的電熱作用實(shí)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(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熱導(dǎo)率、電阻率等，而幾乎與其力學(xué)性能（硬度、強(qiáng)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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)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(jì)，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(shí)和裝配工時(shí)，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(shí)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(huì)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。現(xiàn)在，粗加工時(shí)電極相對(duì)損耗比可以將至0.1%以下，在中、精加工時(shí)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(dòng)頭加工，則角部半徑還要增大?，F(xiàn)在，多軸數(shù)控電火花加工機(jī)床采用X、Y、Z軸數(shù)控?fù)u動(dòng)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(qiáng)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(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，電火花加工技術(shù)已廣泛用于機(jī)械（特別是模具制造）、航天、航空、電子、原子能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器儀表、電機(jī)電器、精密機(jī)械、汽車拖拉機(jī)、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(jì)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(yàn)設(shè)計(jì)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(jī)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(dú)立式脈沖電源和獨(dú)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(jī)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(jī)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(duì)脈沖參數(shù)的影響 非獨(dú)立式、獨(dú)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(chǔ)電能，而后瞬時(shí)放電，成為脈沖電流，達(dá)到蝕除金屬的目的。因?yàn)殡娙萜鲿r(shí)而放電，時(shí)而充電，一張一弛，故稱為弛張式電源。因?yàn)檫@種線路的脈沖參數(shù)（放電波形、脈沖延時(shí)、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(dú)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?yàn)殡娙輧啥穗妷壕褪枪ぞ唠姌O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(shí)，間隙就被擊穿，電容器上存儲(chǔ)的能量瞬時(shí)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(shí)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低；在小功率時(shí)可以獲得很窄的脈寬（小于0.1μs）和很小的單個(gè)脈沖能量，可用做光整結(jié)構(gòu)和精微加工；電容器瞬時(shí)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(qiáng)，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(diǎn)： I、脈沖參數(shù)不穩(wěn)定，其放電熄滅電壓、單個(gè)脈沖能量及電容器輸出功率都是隨機(jī)變化的，與單個(gè)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(duì)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(diǎn)，在其充電回路中加入了一個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)： 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(duì)放電間隙的消電離較為有利。因此，它比RC型脈沖電源的實(shí)用頻率可提高一倍以上，在加工精度相同時(shí)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(shí)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(dú)立式的，即脈沖頻率、單個(gè)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(huì)對(duì)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(huì)在電容器兩端出現(xiàn)過電壓，因此須對(duì)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(gè)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(shí)間。雖然電感L2會(huì)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(bǔ)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(diǎn)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(bǔ)弛張式脈沖電源充電時(shí)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(gè)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(dú)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(diǎn)。 閘流管獨(dú)立式脈沖電源的工作原理如圖7。 圖7 閘流管獨(dú)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(shí)，引燃電路的脈沖信號(hào)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(gè)脈沖能量下，提高脈沖頻率的障礙是放電間隙絕緣強(qiáng)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(shí)間很短，當(dāng)頻率升高到一定程度時(shí)，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(dú)立式脈沖電源的停歇時(shí)間可以較長，這就有利于電極間絕緣強(qiáng)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(dú)立式脈沖電源的工作原理 它與單閘流管獨(dú)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(shí)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(hào)對(duì)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(jí)繞組對(duì)電容器C1充電時(shí)，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(shí)為止。以后，便開始電容器C1對(duì)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(shí)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(huì)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，電流就反向，從而使VS3自行關(guān)斷，此時(shí)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(shí)，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(shí)電容C儲(chǔ)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(shí)在放電間隙上就出現(xiàn)了一個(gè)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(shí)電源+E通過R1→L1→VS2→C→R2→-E對(duì)電容C反向充電，直至充滿，這時(shí)極性下正上負(fù)，使VS3帶上正電壓；同時(shí)通過VS2的電流小于維持電流，VS2自動(dòng)關(guān)斷，而完成一個(gè)脈沖放電全過程。使用時(shí)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(gè)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(shí)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(duì)電容器C充電，在初始時(shí)，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(shí)充到電流小于晶閘管的維持電流），完成一個(gè)脈沖的輸出，此時(shí)電容C的極性上正下負(fù)。 經(jīng)過一定停歇時(shí)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(duì)電容器反向充電。在初始時(shí)，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(duì)該回路反向充電，使Uc=0。然后繼續(xù)充電，直至Uc=E時(shí)，極性為下正上負(fù)，此時(shí)VS4、VS2自行關(guān)斷（此時(shí)充電電流小于該晶閘管的維持電流），又輸出一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)多回路加工和自適應(yīng)控制等自動(dòng)化要求的優(yōu)點(diǎn)，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?。ㄅc晶閘管相比）每管導(dǎo)通時(shí)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(jí)Z為一不對(duì)稱多諧振蕩器，它發(fā)出一定脈沖寬度和停歇時(shí)間的矩形脈沖信號(hào)，以后經(jīng)功率放大級(jí)F放大，最后推動(dòng)末級(jí)功率晶體管導(dǎo)通或截止。末級(jí)晶體管起著開關(guān)的作用。它導(dǎo)通時(shí)，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(shí)，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(gè)功率級(jí)由幾十只大功率高頻晶體管分為若干路并聯(lián)，精加工時(shí)只用其中一或二路。為了在放電間隙短路時(shí)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(jí)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(jí)線路，它實(shí)際上是一個(gè)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(shí)，強(qiáng)迫VT3、VT2截止。反之，VT3、VT2導(dǎo)通時(shí)，強(qiáng)迫VT1、VT4截止.決定導(dǎo)通或截止的時(shí)間是由規(guī)準(zhǔn)電容器Ca、Cb分別放電或充電的時(shí)間決定的，此時(shí)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(shí)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(jí)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(jí)，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(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，采用CTC（計(jì)時(shí)）和晶振元件組成數(shù)字化的主振級(jí)，脈寬和脈間的大小可以精確到1μs，甚至0.1μs，而且可以微機(jī)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(dòng)化邁進(jìn)一步。 放大級(jí)的作用是將主振級(jí)輸出的脈沖信號(hào)放大到足夠強(qiáng)度來激勵(lì)推動(dòng)輸出級(jí)。因信號(hào)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(shí)還將其發(fā)射級(jí)接地，即采取脈沖反相放大電路，還可以采用互補(bǔ)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(jí)，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(jí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是：只需電壓和毫安級(jí)的電流驅(qū)動(dòng)，可以省去前置放大級(jí)，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(gè)供電回路：一個(gè)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(diǎn)，因而也稱為高壓引燃回路；另一個(gè)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(gè)工作脈沖電壓（60~80V）波形上再疊加一個(gè)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(shí)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(gè)輸出端，可以同時(shí)供給多個(gè)回路的放電加工。這樣不依靠增大單個(gè)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(shí)很有必要，如電機(jī)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?yàn)槎嗷芈冯娫醇庸r(shí)，電極進(jìn)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作狀態(tài)會(huì)變壞。例如當(dāng)某一回路放電間隙短路時(shí)，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(gè)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(gè)脈沖在介質(zhì)擊穿后所釋放的單個(gè)脈沖能量相等，對(duì)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(gè)脈沖放電電流持續(xù)時(shí)間te相等。 獨(dú)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?yàn)榉烹婇g隙的物理狀態(tài)總是不斷變化的，每個(gè)脈沖的擊穿延時(shí)有長有短，隨機(jī)性很大，各不相同，結(jié)果使實(shí)際放電的脈沖電流寬度發(fā)生變化，影響單個(gè)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(dòng)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(gè)單穩(wěn)態(tài)延時(shí)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(hào)（擊穿后電壓突然降低）來控制脈沖電源的第一個(gè)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(shí)間，經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路延時(shí)te之后，發(fā)出信號(hào)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(hào)同時(shí)觸發(fā)第二個(gè)單穩(wěn)電路，使其經(jīng)過一定的延時(shí)（脈沖間隔t0），發(fā)出下一個(gè)信號(hào)，使功放管再導(dǎo)通，開始第二個(gè)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(jī)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(fèi)，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(dòng)力。贈(zèng)語； 1、如果我們做與不做都會(huì)有人笑，如果做不好與做得好還會(huì)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(huì)做“金錢、權(quán)利”的主人。5、什么時(shí)候離光明最近？那就是你覺得黑暗太黑的時(shí)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 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