孫術(shù)發(fā)，劉美爽，狄士春，沈微，安立華，葛安華

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

主動(dòng)匹配式micro?EDM脈沖電源設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

孫術(shù)發(fā)1，劉美爽1，狄士春2，沈微1，安立華1，葛安華1

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

為了提高微細(xì)電火花加工（micro?EDM）效率，設(shè)計(jì)了一種脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式micro?EDM脈沖電源。采用主動(dòng)匹配式脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)脈沖參數(shù)根據(jù)極間電容充放電情況自動(dòng)匹配，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)電源的加工效率、加工質(zhì)量和低電壓加工情況進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：采用該電源可以實(shí)現(xiàn)在單個(gè)脈沖周期內(nèi)，極間電容單次充電、單次放電；與常規(guī)晶體管脈沖電源比較，該電源可以提高加工效率，加工表面變質(zhì)層無(wú)裂紋、凹坑均勻、加工質(zhì)量較高；可以實(shí)現(xiàn)24 V低電壓加工，加工后的微孔圓度和精度較高。該電源具有提高微細(xì)電火花加工效率，保證較高加工質(zhì)量的作用。

主動(dòng)匹配；微細(xì)電火花加工；脈沖電源；加工效率；加工質(zhì)量

微細(xì)電火花加工（micro electrical discharge ma?chining，micro?EDM）屬于微細(xì)電加工的一種，加工時(shí)在工具電極和工件之間施加脈沖電壓，當(dāng)極間間隙達(dá)到一定距離時(shí)，極間介質(zhì)被擊穿，產(chǎn)生火花放電，火花放電產(chǎn)生的高溫和爆炸力將工件表面材料熔化并被拋出［1］。相比于其他微細(xì)加工方法，mi?cro?EDM具有多種優(yōu)點(diǎn)，首先它可加工任何導(dǎo)電材料、復(fù)雜表面和零件，也可加工非導(dǎo)電材料，如絕緣陶瓷等［2?4］；其次，micro?EDM為非接觸式加工，工具電極和工件的宏觀作用力小，工具電極不受硬度限制，普通的純銅、黃銅和石墨都可以作為電極［5?6］；而且，微細(xì)電火花機(jī)床成本不高，耗能低，有利于該技術(shù)的普及。micro?EDM脈沖電源是將工頻交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流，以供給極間蝕除材料所需的能量［7］。micro?EDM脈沖電源由于其加工時(shí)所需的能量更低，所以對(duì)脈沖電源的研制提出了更高的要求。目前，所采用的主要是不同形式的RC脈沖電源和晶體管脈沖電源，也出現(xiàn)了一些自適應(yīng)式的智能電源，如日本沙迪克公司采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的脈沖電源具有無(wú)需人工設(shè)定，可自動(dòng)優(yōu)化出最佳加工條件的功能，并可通過(guò)模糊控制實(shí)現(xiàn)最佳控制［8］；日本三菱電機(jī)公司的廣井與中野采用超聲波對(duì)電火花加工放電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，由于常用的平均電壓檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)間隙大小和間隙污染情況進(jìn)行有效檢測(cè)，這就使得超聲波檢測(cè)方法具有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)放電狀態(tài)的檢測(cè)更具體［9］；周明等提出了新形式的脈沖電源，其檢測(cè)電路采用自適應(yīng)控制策略，根據(jù)放電狀態(tài)實(shí)時(shí)控制放電時(shí)間，并優(yōu)化出最佳的放電時(shí)間，加工實(shí)驗(yàn)表明，加工效率較沒(méi)有應(yīng)用自適應(yīng)控制策略的電火花加工提高了一倍，短路和電弧放電現(xiàn)象得到了有效控制，加工穩(wěn)定性更好［10?12］。雖然自適應(yīng)式電源取得了進(jìn)步，但仍有較大的提升空間。本文設(shè)計(jì)的脈沖電源是一種脈沖參數(shù)隨著極間電容的充放電情況自動(dòng)匹配的主動(dòng)匹配式脈沖電源，是一種精微、自適應(yīng)式的微細(xì)電火花脈沖電源。

1 脈沖電源總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微細(xì)電火花脈沖電源以提高加工效率和保證加工質(zhì)量為目標(biāo)。通過(guò)自動(dòng)匹配脈寬和脈間參數(shù)實(shí)現(xiàn)提高加工效率，控制放電能量，保證加工質(zhì)量的目的。

根據(jù)對(duì)微細(xì)電火花加工寄生電容［13］、加工質(zhì)量與加工效率的研究［14］，提出了主動(dòng)匹配式脈沖電源的總體設(shè)計(jì)方案，圖1為該脈沖電源設(shè)計(jì)原理圖。

該電源由參數(shù)輸入模塊、顯示模塊、功率放大模塊、脈沖參數(shù)匹配模塊、單片機(jī)和CPLD組成，其中脈沖參數(shù)匹配模塊是核心結(jié)構(gòu)部分。

該電源與傳統(tǒng)的微細(xì)電火花脈沖電源相比主要有2方面優(yōu)點(diǎn)：1）該電源增加了脈沖參數(shù)匹配模塊，可實(shí)現(xiàn)脈寬和脈間的在線動(dòng)態(tài)匹配，具有自動(dòng)化程度高，參數(shù)匹配精度高的特點(diǎn)。2）該電源在設(shè)計(jì)方面強(qiáng)調(diào)對(duì)寄生參數(shù)的控制，通過(guò)增加吸收電路，選擇寄生參數(shù)小的元器件，設(shè)計(jì)PCB時(shí)避免寄生參數(shù)的發(fā)生等方法，將寄生參數(shù)控制到最小［15］。

圖1 脈沖電源設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Principle diagram of pulse power supply

2 脈沖電源關(guān)鍵技術(shù)

2.1 主動(dòng)匹配式脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)

主動(dòng)匹配式脈沖發(fā)生電路設(shè)計(jì)目的是為了根據(jù)極間電容充放電情況匹配脈沖參數(shù)。根據(jù)脈沖參數(shù)匹配對(duì)加工效率的影響研究可知，在單個(gè)脈寬時(shí)間內(nèi)，將極間電容兩端電壓恰好充電到參考電壓值，并設(shè)定恰當(dāng)?shù)拿}間值，可以在不改變脈沖放電能量的前提下使加工效率達(dá)到最高［15］。基于上述研究結(jié)論，本文設(shè)計(jì)的脈沖電源，可根據(jù)極間電容的充放電時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行脈寬和脈間的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)提高加工效率的目標(biāo)。

主動(dòng)匹配式脈沖發(fā)生電路由單片機(jī)、CPLD、分壓電路、濾波電路、放大電路、參考電壓設(shè)置電路、比較電路和限幅電路組成。分壓電路負(fù)責(zé)將極間電壓進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)濾波和放大處理后送入比較器，比較器對(duì)比此電壓和單片機(jī)設(shè)置的參考電壓，使極間電壓在小于參考電壓時(shí)比較器輸出高電平，達(dá)到參考電壓時(shí)輸出低電平。將高電平送到CPLD時(shí)，CPLD給驅(qū)動(dòng)電路高電平，MOSFET開(kāi)通，脈沖處于脈寬時(shí)間；當(dāng)?shù)碗娖剿偷紺PLD時(shí)，CPLD給驅(qū)動(dòng)電路低電平，MOSFET關(guān)斷，脈沖處于脈間時(shí)間。圖2為脈沖發(fā)生電路圖。

圖2 脈沖發(fā)生電路圖Fig.2 Diagram of pulse generating circuit

由圖2可知，通過(guò)電阻R1和R2將極間電壓進(jìn)行分壓，采集到的電壓經(jīng)過(guò)二極管D2和D3組成的限幅電路，將極間電壓信號(hào)送到比較器U1和U2中，經(jīng)光耦隔離放大后送到CPLD，經(jīng)過(guò)CPLD的邏輯運(yùn)算形成驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。圖3為驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生波形圖。圖3中VHref和VLref為設(shè)定的比較器參考電壓，該值為預(yù)置電壓值，分別為極間電壓的上限參考值和下限參考值。VI為極間采集的比例電壓值，VH和VL為比較器輸出的波形，VG為驅(qū)動(dòng)脈沖波形。當(dāng)VI值超過(guò)VHref時(shí)，VH輸出低電平，當(dāng)?shù)陀赩Href時(shí)VH輸出高電平；當(dāng)VI值超過(guò)VLref時(shí)，VL輸出低電平，當(dāng)?shù)陀赩Href時(shí)VL輸出高電平。經(jīng)CPLD邏輯運(yùn)算后，VG在VI低于VHref時(shí)輸出高電平，高于VHref時(shí)輸出低電平，在低于VLref時(shí)輸出高電平。

圖3 脈沖驅(qū)動(dòng)波形圖Fig.3 Pulse driving waveform

2.2 放電能量檢測(cè)電路

為了實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花微能放電加工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)降低單個(gè)脈沖放電能量進(jìn)行了大量研究。一般認(rèn)為單個(gè)脈沖能量小于35×10-6J的即為微細(xì)加工［1］，當(dāng)前文獻(xiàn)可查的最小脈沖能量為2.5×10-12J，已達(dá)到皮焦級(jí)［16］。放電能量的大小直接關(guān)系加工精度和加工質(zhì)量，如果在加工過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)顯示并監(jiān)控放電能量，這對(duì)控制微細(xì)電火花加工精度和加工質(zhì)量都具有重要意義。

2.2.1 檢測(cè)原理

式（1）為極間電容的充電公式［17］，其中，參考電壓VHref和開(kāi)路電壓Uoc為已知條件，極間電容為未知條件。極間電容包括標(biāo)稱電容與寄生電容。

推導(dǎo)出極間電容為

式中：C為極間電容，VHref為上限參考電壓，Uoc為開(kāi)路電壓，t為電容充電時(shí)間，Rn為限流電阻。

由主動(dòng)匹配式脈沖發(fā)生電路原理可知，t即為脈寬ton，可以實(shí)時(shí)測(cè)量，Rn、VHref和Uoc為已知的電源預(yù)置參數(shù)，所以極間電容C可求。

2.2.2 檢測(cè)電路

圖4為放電能量檢測(cè)電路原理圖，其結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)、CPLD、VHref輸入電路、電流選擇電路、脈沖發(fā)生電路和液晶顯示電路組成，其核心元件是單片機(jī)。電流選擇電路將限流電阻的值Rn送給單片機(jī)，VHref輸入電路將參考電壓VHref送給單片機(jī)，脈寬ton由CPLD根據(jù)主動(dòng)匹配式電路產(chǎn)生，并反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)式（2）和式（3）計(jì)算脈沖能量大小，并顯示在液晶顯示屏上。圖5為設(shè)計(jì)完成的脈沖電源。

圖4 放電能量檢測(cè)電路的原理圖Fig.4 Principle diagram of discharge energy detection circuit

圖5 脈沖電源Fig.5 Pulse power supply

3 主動(dòng)匹配式脈沖電源實(shí)驗(yàn)研究

3.1 加工波形

圖6為本實(shí)驗(yàn)選用的微細(xì)電火花加工機(jī)床，本實(shí)驗(yàn)加工主回路選用Uoc為100 V開(kāi)路電壓，設(shè)定參考電壓VHref為60 V，通過(guò)示波器采集加工波形，如圖7所示。

由圖可見(jiàn)，極間電容電壓達(dá)到60 V時(shí)，充電截止，驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)入脈間時(shí)間，在此期間某一時(shí)刻，極間電容放電加工，電壓迅速下降，當(dāng)電壓下降到低于下限參考電壓VLref時(shí)，極間電容開(kāi)始充電，驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)入脈寬時(shí)間?？梢?jiàn)，該脈沖電源的脈寬和脈間時(shí)間不固定，根據(jù)極間電容的充放電情況進(jìn)行自動(dòng)匹配，在加工過(guò)程中，保證極間電容單次充電和單次放電，加工連續(xù)性較好。

圖6 加工機(jī)床Fig.6 Machine tool

圖7 加工波形圖Fig.7 Processing waveform

3.2 加工效率實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證電源的加工效率，本文進(jìn)行微小孔加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析晶體管脈沖電源與本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)匹配式脈沖電源的加工效率。電極為直徑50 μm鎢電極，工件電極選用45號(hào)鋼，孔深徑比4：1。脈沖電源的加工參數(shù)如表1所示，圖8為3組參數(shù)加工后的微小孔SEM圖。

表1 脈沖電源的加工參數(shù)Table 1 Working parameter of pules power supply

圖8 微小孔SEM圖Fig.8 SEM figure of processing micro hole

由表1可知，在3組參數(shù)中，采用主動(dòng)匹配式脈沖電源加工時(shí)間最短，加工效率是第1組的2.31倍，是第2組的2.67倍。由此可見(jiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的脈沖電源，可明顯提高微細(xì)電火花加工效率。

3.3 加工表面變質(zhì)層形貌和表面粗糙度實(shí)驗(yàn)分析

利用本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)匹配式脈沖電源進(jìn)行銑削加工，通過(guò)與晶體管脈沖電源加工后變質(zhì)層表面形貌和粗糙度進(jìn)行對(duì)比，分析該電源的加工質(zhì)量。加工材料選用難加工材料TC4鈦合金［18］，加工參數(shù)仍選用表1中參數(shù)。

圖9為加工后TC4表面變質(zhì)層形貌，圖9（a）為第1組參數(shù)加工后表面形貌，圖9（b）為圖9（a）的局部放大圖。由圖可知，第1組參數(shù)加工后表面為凹坑型形貌，凹坑分布稀疏。這是由于第1組參數(shù)脈寬小，放電頻率較低，放電次數(shù)少，所以放電凹坑稀疏。加工表面有微裂紋產(chǎn)生，這是因?yàn)槊}間時(shí)間較短，殘余應(yīng)力沒(méi)有及時(shí)釋放，所以在表面形成拉應(yīng)力，產(chǎn)生微裂紋［19?20］。

圖9（c）為第2組參數(shù)加工后表面形貌，圖9（d）為圖9（c）的局部放大圖。由圖可知，第2組參數(shù)加工后表面不是典型的電火花加工凹坑形貌，而是呈片狀，加工表面質(zhì)量較差。分析原因認(rèn)為，由于脈沖電源的脈寬較大，在單個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)存在多次放電現(xiàn)象，而且每次放電的能量都不同，所以表面難以形成形狀大小相近的放電凹坑，而是呈現(xiàn)片狀形貌［21］。

圖9（e）為采用本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)匹配式脈沖電源加工后表面形貌，圖9（f）為圖9（e）的局部放大圖。由圖可知，采用主動(dòng)匹配式脈沖電源加工后的表面形貌介于第1組和第2組參數(shù)之間，屬于凹坑形貌與片狀形貌并存，分布均勻，沒(méi)有微裂紋產(chǎn)生。分析原因認(rèn)為，采用主動(dòng)匹配式脈沖電源加工，單個(gè)脈沖放電能量較大，單個(gè)凹坑的蝕除深度較深，但由于TC4合金加工時(shí)粘度較大［16］，蝕除產(chǎn)生的重熔層堆積在凹坑周圍，所以形成如圖所示的形貌。主動(dòng)匹配式脈沖電源的脈間調(diào)節(jié)功能保證了殘余應(yīng)力的及時(shí)釋放，所以表面沒(méi)有微裂紋產(chǎn)生?？梢?jiàn)，本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)匹配式脈沖電源加工表面形貌較好，優(yōu)于晶體管脈沖電源。

圖9 TC4微細(xì)電火花加工后表面形貌Fig.9 TC4 surface morphology after micro?EDM

采用共聚焦激光掃描顯微鏡對(duì)3組參數(shù)加工后的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，第1組參數(shù)加工后表面粗糙度Ra為0.138 μm，第2組參數(shù)加工后表面粗糙度Ra為0.205 μm，第3組采用主動(dòng)匹配式脈沖電源加工后表面粗糙度Ra為0.142 μm，可見(jiàn)，在3組加工參數(shù)中，采用主動(dòng)匹配式脈沖電源加工后的表面粗糙較好，能夠滿足精微加工的要求。

3.4 低電壓加工實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)匹配式脈沖電源極間電壓可調(diào)，可以在低電壓下進(jìn)行加工。本文對(duì)該電源在低電壓情況下的加工狀態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。選擇參考電壓24 V，電流0.11 A。圖10為放電加工波形。

由圖10可知，放電波形放電較穩(wěn)定，連續(xù)性較好，但短路的情況較多。圖11為加工的30 μm微孔，由圖可見(jiàn)，由于放電能量較低，爆炸力不夠，微孔周圍的重熔層聚集較多，但加工圓度、精度較高。

圖10 24 V放電波形圖Fig.10 Discharge waveform of 24 V

圖11 30 μm微孔SEM圖Fig.11 SEM figure of 30 μm

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種的脈沖參數(shù)主動(dòng)匹配式微細(xì)電火花加工脈沖電源，通過(guò)設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生電路使脈沖參數(shù)根據(jù)極間電容的充放電情況自動(dòng)匹配，實(shí)現(xiàn)電源在單個(gè)脈沖周期內(nèi)，極間電容單次充電，單次放電，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)放電能量的監(jiān)測(cè)。

2）對(duì)脈沖電源的加工效率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，與晶體管脈沖電源相比，該電源加工效率提高2倍以上。

3）對(duì)脈沖電源的加工質(zhì)量進(jìn)行了分析，與常規(guī)脈沖電源加工質(zhì)量相比，該電源加工后的變質(zhì)層無(wú)裂紋，凹坑分布均勻，表面粗糙度較好。

4）對(duì)脈沖電源在低電壓下加工進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在24 V電壓下，成功加工出直徑30 μm微孔，微孔的圓度較好，精度較高。

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Design and experiment of active matching micro?EDM pulse power supply

SUN Shufa1，LIU Meishuang1，DI Shichun2，SHEN Wei1，AN Lihua1，GE Anhua1

（1.School of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China；2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

For the purpose of increasing the efficiency of micro electron discharge machining（micro?EDM），an ac?tive matching micro?EDM pulse power supply is designed.Using the active matching pulse generation circuit，the pulse parameters can be matched automatically depending on the charge and discharge of the polar capacitor.The machining efficiency，quality and low voltage machining property were analyzed through experiments.The result shows that the pulse supply can accomplish a single charge and discharge in one pulse cycle.Compared with regular transistor pulse generator，this power supply can improve material remove rate and machining quality，the sizes of pits are almost the same，with no metasomatile deposit.The pulse supply can work in 24V low voltage charge，with high roundness and precision of the machined micro?hole.This power supply can enhance the efficiency of micro?EDM machining and guarantee a high machining quality.

activematching；micro?EDM；pulse power supply；machining efficiency；machining quality

10.3969／j.issn.1006?7043.201410059

V261.6

：A

：1006?7043（2015）08?1080?06

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.U.20150707.1507.009.html

2014?10?24.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015?07?07.

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（DL13BB08）；國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009AA044205）.

孫術(shù)發(fā)（1980?），男，副教授，博士.

孫術(shù)發(fā)，E?mail：ssfangel＠163.com.