1前言MEMS技术的快速发展与应用促进了产品微小型化的进程。正是产品的微小型化又进一步促 进了微机械制造技术的发展。随着微小机械技术的发展,微小轴类零件的加工技术日益受到重视。 传统的机械加工方法,由于切削力的存在,对于直径在数十至数百微米之间的细小轴,特别是微小 细长轴的加工十分困难。电火花加工,由于宏观上没有力的作用,因此非常适合于微小轴类零件的 加工。正是基于上述原因,微细电火花加工技术已经成为当代国内外微细加工领域科技人员研究的 热点之一,由于微细电火花加工的工件尺寸微小,要实现微细电火花加工,就需要解决一系列的关 键技术问题。其中,微能脉冲电源的设计与研制就是实现微细电火花加工的关键技术之一。这是因 为电火花加工是靠工件和电极之间的脉冲放电所产生的高温、高压融化和汽化金属,工件每次放电 的去除量与单个脉冲放电的能量有关。微细电火花加工由于其加工电极和工件微小,这就要求加工 时的单个脉冲放电的能量小,要获得小的单次放电能量,微能脉冲电源的设计是关键。本文在分析 微能脉冲电源实现途径的基础上,设计出了一套微能脉冲电源,经实验验证,该电源可以满足微细 电火花加工的需要。2微能脉冲电源实现途径分析根据能量与电压、电流的关系,单个脉冲放电的 能量Wp可以由下式表示:Wp=T∫0u(t)i(t)dt其中,T为脉冲周期,u(t), i(t)为单个脉冲放电电压和放电电流。从上式可以看出,要减少单个脉冲放电的能量有3种途 径,降低放电电压、减少放电电流以及提高脉冲电源的频率。一般认为,独立式晶体管脉冲电源因具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和自适应控制等图1微能脉冲电源原理框图图2U=10V、100V时加工的微细轴自动化要求的优点而得到广泛应用。但是在应用独立式晶体管 脉冲电源进行电火花加工时需要有一定的维持电压。因此,放电电压不能过低,比较理想的办法就 是提高脉冲电源的频率。但是,由于这种脉冲电源要受到开关元件速度及其相应电路的响应时间的 影响,在提高脉冲频率时就会受到一定的限制。因此,应用这种脉冲电源在进行超低能量的微细电 火花加工时就会受到限制。3微能脉冲电源的设计实现本文研究的微能量脉冲电源采用RC电源,因为:3·1RC电源可获得很高的充放电频率,利于提高加工效率若取R=1KΩ,C=50pF,则理论充放 电频率可达4MHz。通过减小充电电容,可以获得高达20MHz-50MHz的充放电频率, 这是目前大功率开关器件很难实现的。3·2单脉冲放电能量稳定,有利于提高加工质量对于开关 式放电电源,在高频率窄脉宽条件下,由于开关器件的前、后沿延时,以及放电延迟等因素,难以 控制放电电流持续时间,这就造成开关式放电电源单脉冲放电能量的不稳定。而RC电源的放电能量主要取决于充电电容和击穿电压,所以单脉冲放电能量较稳定。3·3RC电源放电电流峰值低,利于降低工件表面粗糙度RC电源脉冲放电能量E可以表示为:E=12 (C-C′)U2式中C—充放电回路中充电电容C′———工具电极与工作台上各部分间分布电 容U———击穿电压若要求放电加工的单脉冲放电蚀除量小于0.1μm,则要求E的值在10- 6-10-7J。为了获得稳定的放电加工,击穿电压U一般取50V-130V之间,所以要减 小E,分布电容C′起到至关重要的作用。所以应尽量减少分布电容,工作台、导向器等零件使用 绝缘材料。电源是机床的主要组成部分,是影响放电加工工艺指标最关键的因素之一,因此,要想 获得较好的表面粗糙度,机床的脉冲宽度、峰值电流及电压必须进行适当调整。综合上述三点本文 设计的微能脉冲电源的电路原理框图如图1所示。整个电路以一个89C51单片机为核心,主要 包括工作电压调节单元、晶体管脉冲产生逻辑及功放、放电状态检测电路及其与上位机的接口电路 等几个部分组成。4加工实验检验一个设计是否成功的最好方法就是将设计好的电源用于加工实验 ,本文将设计的微能脉冲电源用于自主开发的微细电火花加工机床上进行了连续不间断的加工实验 ,分别使用了10V和100V的电压进行了直径小于20μm的微细轴加工,进一步证明了在低 压下电火花加工的可能性及该电源的广泛适用性。两种电压下加工出的微细轴如图2所示:5结论 微能脉冲电源的设计是实现微细电火花加工的关键技术之一。本文通过对微能脉冲电源实现途径进 行分析,设计出了满足不同场合进行微细电火花加工用的微能脉冲电源。尽管RC脉冲电源在常规 电火花加工中,因不具有独立脉冲特性和众多其他的缺陷而很少使用,但在微细电火花加工中却具 有无可比拟的优点。该电源应用范围广,并能实现超低能量下的微细电火花加工,这为进一步追求 微细电火花加工的极限能力(如纳米级电火花加工)提供了可能的技术保证。微细电火花加工用脉冲电源的研究@张立新$吉林工程技术师范学院信息工程学院!吉林长春130052
@王庆艳$吉林石油集团有限责任公司供电公司!吉林松原138000微能脉冲电源是微细电火花 加工的一项关键技术。本文采用实用的RC脉冲电源方案,对RC脉冲电源的放电过程进行了系统 的研究,分析了微能脉冲电源的实现途径,探讨了微细电火花加工微小轴的工艺方法,设计开发出 了满足微细电火花加工用的微能脉冲电源,该电源能实现超低能量下的微细电火花加工。实验加工 出的微小轴最小直径小于20μm。
微细电火花加工;;
微能脉冲电源;;微小轴<1>刘晋春,赵家齐.特种加工
.北京:机械工业出版社,1997.
<2>李文卓.微细电火花加工系统及其相关技术的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002.
<3>冯焕勤.线切割机床的线电极放电磨削加工.长春:吉林大学,2003.细电火花加 工用的微能脉冲电源,该电源能实现超低能量下的微细电火花加工。实验加工出的微小轴最小直径 小于20μm。微细电火花加工;;微能脉冲电源;;微小轴<1>刘晋春,赵家齐.特种加工.北京:机械工业出版社,1997.
<2>李文卓.微细电火花加工系统及其相关技术的研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002.
<3>冯焕勤.线切割机床的线电极放电磨削加工.长春:吉林大学,2003.
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