孫術(shù)發(fā),狄士春,韋東波,呂鵬祥,李兆龍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150040)

1 微能脈沖電源研究現(xiàn)狀及其存在的問題

在微細(xì)電火花加工過程中,脈沖電源的放電能量越低,加工蝕除量越小,所以要實(shí)現(xiàn)微小加工,就要求制作的微能脈沖電源的單個(gè)脈沖放電能量盡可能的低。根據(jù)能量與電壓、電流的關(guān)系,單個(gè)脈沖放電能量Wp可表示為[1]:式中:T為脈沖周期;u(t)為單個(gè)脈沖放電電壓;i(t)為單個(gè)脈沖放電電流。

從式(1)可看出,要減少單個(gè)脈沖放電的能量有3種途徑:降低放電電壓、降低放電電流及提高脈沖電源頻率。電火花放電為等離子體放電,放電時(shí)的電壓和電流較恒定,電壓維持在25 V左右,電流為較恒定的峰值,故通過減小放電電壓和放電電流的方法來降低放電能量不可行,所以提高脈沖電源的頻率是唯一可行的方法。

當(dāng)前使用的微細(xì)電火花加工脈沖電源主要有兩種:一種是獨(dú)立式晶體管脈沖電源,它具有脈沖頻率高、脈沖參數(shù)易調(diào)節(jié)、脈沖波形較好、易實(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);另一種是RC脈沖電源,傳統(tǒng)的RC脈沖電源生產(chǎn)效率低,電容的充電時(shí)間較長,放電頻率與電能利用率都較低,大部分電能經(jīng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能。雖然晶體管脈沖電源的脈沖頻率較高,但要想將脈寬降到20 ns以下仍很困難[2-3],這主要是受開關(guān)元器件自身屬性的限制,所以想實(shí)現(xiàn)20 ns以下的放電脈寬就要摒棄開關(guān)元器件,本文提出了利用導(dǎo)線自身的非共振固有振蕩來制作電火花脈沖電源的思想。

2 非共振固有振蕩制作微細(xì)電火花脈沖電源的原理

2.1 非共振固有振蕩

在RLC串聯(lián)電路中,當(dāng)激勵(lì)源頻率與LC串聯(lián)電路固有頻率相等時(shí),電路發(fā)生共振。共振時(shí)電路狀態(tài)特征為:總阻抗達(dá)到最小、電壓電流同相位。實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)正弦激勵(lì)源的頻率 fs等于LC串聯(lián)電路固有頻率 f0的整數(shù)分之一時(shí),即:

RLC串聯(lián)回路中也會(huì)產(chǎn)生固有振蕩現(xiàn)象。由于這時(shí)激勵(lì)頻率與電路固有頻率不相等,故稱為非共振固有振蕩。這種非共振固有振蕩與通常人們熟知的諧波共振是完全不同的兩種振動(dòng)現(xiàn)象。

通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器使 fs=f0/2,f0/3,f0/4,f0/5,使用示波器兩個(gè)通道觀察激勵(lì)源和非共振固有震蕩的波形圖(圖1)[4-5]。

由圖(1)可見,通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器的頻率使固有頻率 f0為信號(hào)發(fā)生器頻率 fs的整數(shù)倍,那么非共振固有振蕩就可持續(xù)進(jìn)行。只是振蕩波的幅度并不相同,這是由于振蕩過程中發(fā)生衰減造成的。

2.2 微細(xì)電火花放電電路等效圖

由于線路和機(jī)床電極、工件固有電感和電容的存在,整個(gè)電火花放電電路可等效為LC振蕩電路,具有固有振蕩頻率。所以,只要給定一個(gè)脈沖激勵(lì),頻率為放電電路固有振蕩頻率的整數(shù)分之一,放電電路就會(huì)發(fā)生非共振固有震蕩,產(chǎn)生高頻脈沖,脈沖頻率可達(dá)1 GHz,放電脈寬可達(dá)ps級(jí),振蕩波形和放電波形可通過示波器觀察。

圖2是微細(xì)電火花放電加工原理圖,可抽象為圖3所示的等效電路模型。電極直徑很小,電阻R1較大,金屬工件的電阻率很低,體電阻的影響可忽略。間隙介質(zhì)擊穿后產(chǎn)生放電,形成放電通道,極間電阻明顯下降。電火花極間放電為等離子體放電,極間可等效為電容器,用 C表示[6]。放電端電極與金屬工件間隙之間的工作液具有一定的導(dǎo)電性能,能發(fā)化學(xué)反生微弱的電應(yīng),其間隙電阻用R2表示。

圖3 微細(xì)電火花放電等效電路圖

電火花加工機(jī)床的電極與工件需由導(dǎo)線聯(lián)接,導(dǎo)線可等效為電阻和電感,長為 l、直徑為φ的導(dǎo)線模型圖見圖4,圖5是該導(dǎo)線的等效電路圖。

導(dǎo)線內(nèi)電感為 L1,導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、與大地之間還存在外電感,只要保證導(dǎo)線之間的距離足夠遠(yuǎn),那么,外電感就可忽略不計(jì)。由導(dǎo)線和微細(xì)電火花機(jī)床組成的等效電路圖見圖6。結(jié)合非共振固有振蕩原理可知,只要給一個(gè)頻率為放電電路固有振蕩頻率整數(shù)倍分之一的脈沖激勵(lì),放電電路就會(huì)形成非共振固有振蕩,振蕩頻率為:

圖6 微細(xì)電火花放電電路等效圖

2.3 脈沖激勵(lì)發(fā)生器的制備

脈沖激勵(lì)發(fā)生器是產(chǎn)生脈沖激勵(lì)的裝置,用來產(chǎn)生頻率為放電電路固有振蕩頻率整數(shù)倍分之一的脈沖。由于放電電路的固有振蕩頻率很高,可達(dá)幾百兆,脈沖激勵(lì)頻率也要達(dá)到幾百兆,這就要求脈沖發(fā)生器能產(chǎn)生快速可調(diào)的脈沖信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的脈沖激勵(lì)發(fā)生器是利用高速功率管Mosfet作為開關(guān),從而產(chǎn)生高頻窄脈寬,Mosfet管具有開通與關(guān)斷時(shí)間為幾個(gè)ns的功能,能滿足產(chǎn)生脈沖電源所要求的脈沖激勵(lì)發(fā)生器的功能。脈沖激勵(lì)發(fā)生器的原理圖見圖7。

3 仿真分析

利用電路仿真軟件Multisim10.0對(duì)電火花放電電路進(jìn)行了仿真,仿真電路圖見圖8。Mosfet驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬為20 ns,周期為25 ns,電壓 U0為50 V,電感 L2為5 nH,電容 C2為 5 pF。通過示波器測定放電電路波形圖(圖9)。

圖9 仿真波形圖

通過計(jì)算可知電路的震蕩周期為1.176 ns,如使放電電路在正半周放電、負(fù)半周不放電,那么放電脈寬為650 ps或更低,這樣就可實(shí)現(xiàn)ps級(jí)電火花放電,使放電能量更低,為實(shí)現(xiàn)納米級(jí)電火花放電提供理論支持。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的微細(xì)電火花脈沖電源由于受到開關(guān)元器件自身屬性的限制,其脈沖寬度難以進(jìn)一步降低。本文提出利用機(jī)床和導(dǎo)線所產(chǎn)生的電感和電容制作脈沖電源的想法,整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡單,減少了眾多元器件間的干擾。運(yùn)用非共振固有振蕩的原理使機(jī)床電容與傳輸線電感發(fā)生振蕩,經(jīng)仿真觀察發(fā)現(xiàn)振蕩頻率高達(dá)1 GHz左右,放電脈寬可達(dá)650 ps,可實(shí)現(xiàn)ps級(jí)放電,為進(jìn)一步進(jìn)行納米級(jí)電火花加工提供了理論支持。

[1] 劉晉春,白基成,郭永豐.特種加工[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 李文卓.微細(xì)電火花加工系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

[3] 劉明宇.微細(xì)電火花加工超短脈寬脈沖電源的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[4] 方天申.物體的非共振固有振動(dòng)與諧波共振的區(qū)別實(shí)驗(yàn)研究[J].信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,14(4):398-400.

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[6] Parfenov E V,Yerokhin A L,Matthews A.Frequency response studies for the plasma electroly tic oxidation process[J].Surface&Coatings Technology,2007,201:8661-8670.