李政凱，白基成，凡銀生，李 強(qiáng)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

脈沖電源作為電火花線(xiàn)切割機(jī)床的核心，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)床的加工穩(wěn)定性和工件的加工質(zhì)量[1]。雖然傳統(tǒng)的有阻脈沖電源技術(shù)發(fā)展成熟，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)電火花線(xiàn)切割機(jī)床，但由于其工作時(shí)的能量利用率太低，造成了能源的浪費(fèi)，嚴(yán)重阻礙了電火花線(xiàn)切割技術(shù)的發(fā)展。因此，節(jié)能脈沖電源成為近幾年的研究熱點(diǎn)。節(jié)能脈沖電源工作時(shí)的放電間隙特性是電火花線(xiàn)切割加工放電狀態(tài)檢測(cè)、伺服系統(tǒng)進(jìn)給控制的基礎(chǔ)[2]。因此，進(jìn)行節(jié)能脈沖電源放電間隙特性研究，有利于合理地設(shè)計(jì)放電狀態(tài)檢測(cè)方法和確定伺服響應(yīng)策略。

在脈沖電源放電間隙特性方面，國(guó)外對(duì)此研究較少，國(guó)內(nèi)主要是針對(duì)有阻脈沖電源進(jìn)行了一些包括間隙電壓電流特性、工作液介質(zhì)特性等的相關(guān)研究[3]，對(duì)節(jié)能脈沖電源的研究較少。本文將以節(jié)能脈沖電源的放電間隙電壓、電流特性為切入點(diǎn)，研究節(jié)能脈沖電源工作時(shí)的間隙電壓、電流的變化規(guī)律，并結(jié)合理論基礎(chǔ)對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

1 節(jié)能脈沖電源工作原理

本文以自主研制的節(jié)能脈沖電源為研究對(duì)象，對(duì)其放電間隙特性進(jìn)行研究分析，電源的結(jié)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 節(jié)能脈沖電源結(jié)構(gòu)原理圖

電源主回路中，用儲(chǔ)能元件電感L 取代限流電阻R，加工前按既定的脈寬、脈間要求將脈沖波形固化在EEPROM 中，加工時(shí)通過(guò)12 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和撥碼開(kāi)關(guān)的共同作用將EEPROM 中的脈沖波形輸出。EEPROM 輸出的脈沖波形經(jīng)功率放大級(jí)放大后控制8 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管IGBT 的通斷及通斷時(shí)序，將直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓。

2 試驗(yàn)條件

為研究節(jié)能脈沖電源放電間隙特性，以節(jié)能脈沖電源作為電火花線(xiàn)切割機(jī)床的工作電源進(jìn)行了切割試驗(yàn)，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件

3 節(jié)能脈沖電源放電間隙特性

3.1 放電間隙伏安特性及漏電流現(xiàn)象

在表1 所示的加工條件下進(jìn)行切割試驗(yàn)，示波器采集到的火花放電狀態(tài)時(shí)的間隙電壓和電流波形見(jiàn)圖2。將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成EXCEL 表格數(shù)據(jù)格式，分析得到節(jié)能脈沖電源放電間隙伏安特性曲線(xiàn)（圖3）。由圖3 可知，放電間隙伏安特性曲線(xiàn)的各段表示了電火花線(xiàn)切割加工過(guò)程中材料蝕除經(jīng)歷的4個(gè)過(guò)程：①ab 段為擊穿延時(shí)過(guò)程；②bc 段為間隙工作液擊穿、放電通道形成過(guò)程；③cd 段為火花放電過(guò)程；④da 段為脈寬時(shí)間結(jié)束、極間介質(zhì)消電離過(guò)程。

圖2 火花狀態(tài)電壓、電流波形

圖3 節(jié)能脈沖電源放電間隙伏安特性

從ab 段可看出，在擊穿延時(shí)時(shí)間段，放電通道雖然尚未得到擊穿，極間仍有約1 A 左右的電流，這是因?yàn)楫?dāng)間隙兩端施加電壓時(shí)，一方面工作液中的某些帶電粒子向電極移動(dòng)；另一方面，工件表面會(huì)發(fā)生輕微電解反應(yīng)，產(chǎn)生帶正電的陽(yáng)離子和帶負(fù)電的自由電子，這也會(huì)導(dǎo)致間隙間產(chǎn)生較小的電流，即發(fā)生“漏電流”現(xiàn)象。在漏電流和電感線(xiàn)圈感抗的共同作用下，會(huì)使擊穿延時(shí)階段的間隙開(kāi)路電壓與電源輸出電壓有一定差值（圖4），而這一差值隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增大逐漸增大。

圖4 擊穿延時(shí)階段壓降示意圖

圖5 是電源實(shí)際輸出60 V 時(shí)，不同線(xiàn)圈匝數(shù)情況下，擊穿延時(shí)階段的間隙開(kāi)路電壓變化趨勢(shì)圖。從圖5 可看出，擊穿延時(shí)階段的間隙開(kāi)路電壓受線(xiàn)圈匝數(shù)影響較大，當(dāng)線(xiàn)圈匝數(shù)為20 匝時(shí)，間隙開(kāi)路電壓僅有42 V 左右，很大一部分電壓損失在電感線(xiàn)圈兩端，而這主要是因?yàn)椤奥╇娏鳌币鸬摹?/p>

圖5 不同線(xiàn)圈匝數(shù)下間隙開(kāi)路電壓變化趨勢(shì)

3.2 火花放電自持條件

電火花線(xiàn)切割加工過(guò)程中，火花放電是一種自我維持現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象是不穩(wěn)定的，需要一定的條件才能使其得以產(chǎn)生和維持。一般情況下，經(jīng)歷一段擊穿延時(shí)時(shí)間，間隙工作液介質(zhì)被擊穿、放電通道形成后，間隙工作液介質(zhì)會(huì)因電流突升所引起的瞬時(shí)高溫而氣化，這時(shí)，工作液中的一些碳?xì)浠衔飼?huì)被分解為H2和C 顆粒，也就是說(shuō)，此后的放電是在氣體環(huán)境中進(jìn)行的?；鸹ǚ烹姷淖晕揖S持條件可表示為：

式中：λ 為正離子與陰極結(jié)合時(shí)，再次產(chǎn)生電子的概率，它和放電通道兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比；α 為電子碰撞電離系數(shù)，它和放電通道兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比；d 為放電極間距離，它與放電通道兩端的場(chǎng)強(qiáng)負(fù)相關(guān)。

通過(guò)分析可得出，火花放電的產(chǎn)生及能否得以維持取決于間隙兩端電壓的大小，這是因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間很短的火花放電過(guò)程中，極間距離d 可看作是不變的，而式（1）中的參數(shù)λ和α 均與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，而這一電場(chǎng)強(qiáng)度與間隙兩端的電壓成正比。由于電火花線(xiàn)切割加工過(guò)程中放電所需的能量是由直流穩(wěn)壓電源輸出的電壓提供，因此，間隙被擊穿、放電通道形成后的瞬間，間隙電壓的降低導(dǎo)致了維持火花放電條件的破壞，這時(shí)，火花會(huì)變得很小，甚至有熄滅的趨勢(shì)，可將火花熄滅的臨界電壓稱(chēng)為門(mén)檻電壓Vm。換言之，一旦間隙兩端的電壓降到門(mén)檻電壓Vm以下，火花放電便無(wú)法持續(xù)進(jìn)行。

3.3 火花狀態(tài)階梯電壓現(xiàn)象

實(shí)際加工過(guò)程中，火花放電狀態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩種電壓波形。圖6a 是在開(kāi)路電壓50 V、脈寬40 μs、占空比1：4 時(shí)出現(xiàn)“階梯”電壓現(xiàn)象的電壓、電流波形；圖6b 是未出現(xiàn)“階梯”電壓現(xiàn)象的波形。

圖6 火花放電時(shí)兩種極間電壓波形

對(duì)比兩圖可明顯地看出，圖6a 所示a 點(diǎn)電壓值很低，接近0 V；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)電壓值上升到b 點(diǎn)時(shí)，瞬間跳變到c 點(diǎn)，此后電壓緩慢平穩(wěn)上升。而圖6b 所示波形沒(méi)有出現(xiàn)圖6a 所示的a、b 兩個(gè)過(guò)渡狀態(tài)，電壓值從開(kāi)路電壓直接降到e 點(diǎn)后，緩慢平穩(wěn)上升。

為研究這兩種波形出現(xiàn)的原因，對(duì)如圖7 所示的放電回路等效電路圖進(jìn)行分析。

圖7 放電回路等效電路圖

根據(jù)基爾霍夫電壓定律有：

式中：U 為脈沖電源輸出電壓，V；L 為電感系數(shù)，H；I為回路中的電流，A；Uab為間隙電壓，V。可看出，間隙兩端的電壓Uab與電感線(xiàn)圈兩端的電壓L·（dI/dt）成線(xiàn)性負(fù)相關(guān)，即回路中電流的變化率越大，電感線(xiàn)圈兩端的電壓越大，間隙兩端的電壓越小。

如圖6a 所示，a 點(diǎn)為極間介質(zhì)擊穿、放電通道形成的瞬時(shí)狀態(tài)，此時(shí)介質(zhì)中的帶電粒子雪崩式增多，回路中電流瞬間上升，從而使電感線(xiàn)圈兩端產(chǎn)生很高的壓降，極間電壓迅速下降。此時(shí)，放電通道雖然已形成，但根據(jù)式（1）可知，這時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花放電。極間電壓的降低導(dǎo)致極間場(chǎng)強(qiáng)的降低，間隙電流上升斜率會(huì)隨之減小，導(dǎo)致電感線(xiàn)圈兩端電壓下降，極間電壓會(huì)相應(yīng)地升高，如圖6a 所示的ab段；在b 點(diǎn)，電流的上升斜率發(fā)生較大變化，極間電壓瞬間上升到c 點(diǎn)，c 點(diǎn)的電壓值能滿(mǎn)足火花放電自持條件后產(chǎn)生穩(wěn)定的火花放電。

圖6b 所示的過(guò)程與圖6a 有所不同。擊穿時(shí)，電流上升斜率較小，電感兩端產(chǎn)生的壓降不大，間隙兩端的電壓尚能滿(mǎn)足火花放電自持條件，因此從電壓下降點(diǎn)開(kāi)始火花放電。另外，由于回路中電流的上升斜率不斷減小，火花放電過(guò)程中，極間電壓處于上升趨勢(shì)。

為驗(yàn)證以上兩種情況出現(xiàn)的原因，分別采集出現(xiàn)“階梯”現(xiàn)象和無(wú)“階梯”現(xiàn)象兩種情況下電感兩端的電壓波形（圖8）。可看出，兩種情況下電感線(xiàn)圈兩端電壓的變化趨勢(shì)跟上述描述相符，從而證明間隙兩端電壓出現(xiàn)兩種不同現(xiàn)象確由電感線(xiàn)圈引起。

圖8 電感兩端電壓波形圖

從圖6 可看出，無(wú)論電壓是從a 點(diǎn)最終上升到b 點(diǎn)，還是直接由開(kāi)路電壓降到e 點(diǎn)，b、e 兩點(diǎn)的值幾乎相同，均為16 V 左右，這即是前文所描述的門(mén)檻電壓Vm，若極間電壓小于該值，將無(wú)法進(jìn)行火花放電。試驗(yàn)證明，b、e 的值與脈寬、開(kāi)路電壓等無(wú)關(guān)，與極間工作液的性質(zhì)有關(guān)；另外，b、e 值的高低還取決于放電通道溫度的高低、壓力大小等，溫度高、壓力大時(shí)，會(huì)使Vm降低；溫度低、壓力小時(shí)，會(huì)使Vm升高。本文獲得的Vm大多介于14～18 V 之間。

此外，圖6a 所示的現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是間隙電壓對(duì)回路中電流變化率太敏感；該現(xiàn)象對(duì)間隙放電狀態(tài)的檢測(cè)存在著一定的干擾作用。由于該段時(shí)間內(nèi)電壓很低，該段電壓與短路電壓重疊甚至低于短路電壓，會(huì)讓狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)誤認(rèn)為是短路狀態(tài)，但實(shí)際上是處于火花放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致短路率比實(shí)際加工中要大。為降低這一現(xiàn)象出現(xiàn)的幾率，在粗加工時(shí)可適當(dāng)提高開(kāi)路電壓或換用較小的磁環(huán)。

3.4 放電間隙峰值電流特性分析

峰值電流是電火花加工中一個(gè)重要的電參數(shù)，其對(duì)加工表面形成的凹坑大小起著決定性作用。傳統(tǒng)限流電阻式脈沖電源是通過(guò)回路中限流電阻的分壓作用實(shí)現(xiàn)電流的穩(wěn)定，而節(jié)能脈沖電源回路中去掉了限流電阻，電感的作用只是延遲電流的上升。本文在工作液條件、電感線(xiàn)圈不變的情況下，對(duì)脈寬、開(kāi)路電壓、工件厚度三者與峰值電流之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

3.4.1 脈寬對(duì)間隙峰值電流的影響

脈寬試驗(yàn)工作條件為：開(kāi)路電壓40 V，占空比1：4，切割厚度15 mm，工件材料為Cr12 模具鋼，脈寬分別為10、20、30、40、50 μs。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9?？煽闯?，脈寬在30 μs 前對(duì)峰值電流影響較明顯，脈寬10 μs 時(shí)的峰值電流僅有5.5 A，脈寬30 μs 時(shí)的峰值電流達(dá)到24.6 A。這主要是因?yàn)榛芈分须姼芯€(xiàn)圈只是起到延緩電流上升的作用，在其他條件不變的情況下，脈寬的大小決定了電流上升時(shí)間的長(zhǎng)短，脈寬大，電流上升時(shí)間長(zhǎng)，峰值電流大；反之，峰值電流小。

圖9 脈寬對(duì)峰值電流影響曲線(xiàn)圖

圖10 是不同脈寬條件下加工樣件的表面SEM形貌圖，可看出峰值電流對(duì)加工表面形貌影響較大。大峰值電流導(dǎo)致蝕除凹坑較大，從而使表面質(zhì)量較差。因此，對(duì)于節(jié)能脈沖電源在考慮表面質(zhì)量，尤其是進(jìn)行多次切割時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格選擇脈寬值。

圖10 不同脈寬條件下工件表面形貌圖

3.4.2 開(kāi)路電壓對(duì)間隙峰值電流的影響

試驗(yàn)選取脈寬為20 μs，占空比為1：4，切割工件厚度為15 mm，工件材料為Cr12 模具鋼，開(kāi)路電壓分別為30、40、50、60、70 V。開(kāi)路電壓對(duì)峰值電流的影響曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。

間隙電流的產(chǎn)生歸結(jié)于間隙間帶電粒子的定向移動(dòng)，而極間電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)帶電粒子定向移動(dòng)的速度有很大的影響。開(kāi)路電壓越大，極間電場(chǎng)強(qiáng)度越大，間隙帶電粒子移動(dòng)速度越快。根據(jù)電流的定義為單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)的電荷的數(shù)量，因此從圖11 可看出，隨著開(kāi)路電壓的增大，峰值電流上升趨勢(shì)較明顯。

圖11 開(kāi)路電壓對(duì)峰值電流影響曲線(xiàn)圖

3.4.3 切割工件厚度對(duì)間隙峰值電流的影響

切割厚度試驗(yàn)條件為：脈寬30 μs，占空比1：4，開(kāi)路電壓40 V，工件厚度分別為2、5、10、20、40 mm。圖12 是切割不同厚度的工件時(shí)，間隙峰值電流的變化曲線(xiàn)?？煽闯觯谄渌麠l件相同的情況下，隨著切割厚度的增大，間隙峰值電流略有上升，這可以從兩方面加以解釋?zhuān)孩購(gòu)膸щ娏Ｗ臃矫婵紤]，工件厚度越大，參與形成放電通道的間隙工作液越多，擊穿后帶電粒子相對(duì)要多；②從間隙阻抗方面考慮，如果將單位厚度工作液介質(zhì)產(chǎn)生的阻抗計(jì)為R，切割厚度大時(shí)可將間隙阻抗視為多個(gè)阻值為R的阻抗的并聯(lián)，即間隙橫截面越大，間隙阻抗越小。

圖12 切割不同厚度間隙峰值電流曲線(xiàn)圖

4 結(jié)論

本文以節(jié)能脈沖電源為研究對(duì)象，對(duì)其放電間隙特性進(jìn)行了研究。通過(guò)分析處理電壓、電流波形數(shù)據(jù)，得到了節(jié)能脈沖電源的放電伏安特性曲線(xiàn)，分析了擊穿延時(shí)階段“漏電流”出現(xiàn)的原因及其對(duì)間隙開(kāi)路電壓造成的影響；通過(guò)分析火花放電自持條件，解釋了火花狀態(tài)存在的“階梯”電壓現(xiàn)象及其對(duì)放電狀態(tài)檢測(cè)帶來(lái)的干擾，在粗加工時(shí)，可適當(dāng)提高開(kāi)路電壓或使用較小的磁環(huán)，以減少火花狀態(tài)“階梯”電壓出現(xiàn)的幾率。最后，實(shí)驗(yàn)分析研究了脈寬、開(kāi)路電壓及切割厚度對(duì)間隙峰值電流的影響規(guī)律，結(jié)果證明，脈寬和開(kāi)路電壓對(duì)間隙峰值電流影響較大，切割厚度的增加會(huì)使間隙峰值電流略有上升，但不明顯。通過(guò)上述對(duì)節(jié)能脈沖電源放電間隙特性的研究，在一定程度上對(duì)提高該電源的加工性能具有理論和實(shí)際意義。

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