王 鋒 張勇斌 劉廣民 王 卿 袁偉然 胡 波

中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng)，621900

0 引言

近年來(lái)，微細(xì)電火花加工成為微細(xì)加工的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，但是目前的微細(xì)電火花加工還難以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的高效特征蝕除。減小放電能量是加工進(jìn)一步小型化的關(guān)鍵方法之一[1]。為微細(xì)電火花加工提供放電能量的脈沖電源的性能直接影響微細(xì)電火花加工的精度、速度、穩(wěn)定性、表面質(zhì)量[2-3]。設(shè)計(jì)性能良好的微能脈沖電源是提升微細(xì)電火花的納米級(jí)高效蝕除能力的一個(gè)有效途徑。目前普遍用于微細(xì)電火花加工的脈沖電源主要有：RC式 (resistance-capacitance type) 、獨(dú)立式、靜電感應(yīng)式。

RC式脈沖電源通過(guò)降低電源電壓來(lái)減小能量。FAN等[4]從原理上證明了RC式脈沖電源不存在維持電壓，電源電壓降至0.1 V仍可進(jìn)行放電加工[5]，但降低電源電壓會(huì)導(dǎo)致放電間隙減小，易出現(xiàn)電弧和短路，難以進(jìn)行連續(xù)的加工。獨(dú)立式脈沖電源可通過(guò)壓縮脈寬來(lái)減小單個(gè)脈沖的放電能量，由于電路延時(shí)、傳統(tǒng)晶體管的開(kāi)關(guān)時(shí)間較大和晶體管本身的延時(shí)，很難將脈寬壓縮到很小[6]，單個(gè)脈沖的放電能量難以進(jìn)一步減小。KUNIEDA等[7]設(shè)計(jì)的靜電感應(yīng)式電源在原理上有效地避免了分布電容的不利影響，放電能量?jī)H由給電電極和工具電極之間、工具電極和工件之間形成的靜電容量來(lái)決定[8]。靜電感應(yīng)式電源的放電頻率取決于電源的頻率，可達(dá)10 MHz[9]。

提高放電頻率有利于提高加工效率，提高開(kāi)路電壓可以增大放電間隙，利于排屑進(jìn)行連續(xù)加工。本文設(shè)計(jì)了一種基于電路共振原理的甚高頻共振式放電脈沖源，在實(shí)驗(yàn)室的機(jī)床上對(duì)脈沖源的加工性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 甚高頻共振式脈沖源的設(shè)計(jì)

1.1 放電脈寬對(duì)微細(xì)電火花加工的影響

從已有研究成果[10-12]可以發(fā)現(xiàn)：微能脈沖放電蝕除過(guò)程中，脈寬越窄，單脈沖能量越小，放電形成的凹坑直徑越小，熱影響區(qū)越小，加工的表面質(zhì)量越好，這種趨勢(shì)可用圖 1 表示。

圖1 不同脈寬下蝕除凹坑示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge crater under different pulse widths

IKAI等[13]提出的放電通道半徑計(jì)算公式為

r=2.04I0.43t0.44

(1)

式中，r為等離子體放電通道半徑，μm；I為放電電流，A；t為放電脈寬，μs。

IZQUIERDO等[14]通過(guò)理論計(jì)算，建立了等離子體放電通道擴(kuò)張時(shí)的高斯熱流密度模型，認(rèn)為放電能量相同的情況下，等離子體放電通道變窄時(shí)的熱流密度急劇增大。

飛秒激光加工的瞬時(shí)熱流密度非常高，在極短的時(shí)間內(nèi)，材料從固態(tài)變?yōu)榈入x子態(tài)，并迅速脫離母體，周圍的材料來(lái)不及熱傳導(dǎo)，所以基本沒(méi)有熱影響區(qū)[15]，因此在保證放電能量較小的情況下，提高微細(xì)電火花加工的瞬時(shí)熱流密度有非常重要的意義。

圖2所示為根據(jù)式 (1) 所做的等離子體放電通道半徑，隨著放電電流和放電脈寬的減小，等離子體半徑減小，峰值熱流密度增大。放電電流取決于電路的限流電阻和放電通道的電阻，在電阻確定的情況下，放電電流過(guò)小會(huì)導(dǎo)致放電電壓較小，易發(fā)生短路，難以進(jìn)行連續(xù)的加工。因此，進(jìn)一步減小放電脈寬是提高峰值熱流密度的較好途徑。

圖2 等離子體放電通道半徑Fig.2 Plasma discharge channel radius

1.2 甚高頻共振式脈沖源的電路分析

圖3 甚高頻共振式脈沖源基本原理電路Fig.3 Schematic diagram of basic circuit of VHF resonant pulse generator

圖4 信號(hào)源、間隙電壓和間隙電流電路仿真波形圖Fig.4 Simulation waveforms of signal source,gap voltage and gap current circuit

圖5 甚高頻放電過(guò)程的等價(jià)電路Fig.5 Equivalent circuit in VHF pulse generator discharge process

圖6顯示的是甚高頻共振式脈沖源的原理。甚高頻電源產(chǎn)生的脈沖處于正向時(shí)，工具電極和工件之間的間隙電容開(kāi)始充電，如圖6a所示，形成一個(gè)高電場(chǎng)；極間持續(xù)充電到達(dá)擊穿電壓時(shí)，間隙擊穿產(chǎn)生放電，如圖 6b所示。放電脈寬非常短，只有幾納秒到十幾納秒(取決于甚高頻共振式脈沖源輸出的脈寬)。放電之后，間隙電壓會(huì)有所降低，間隙沒(méi)有完全消電離。之后，反向脈沖開(kāi)始充電，完全消電離，如圖6c所示。接著，工具電極反向充電，工件正向充電，如圖 6d所示。形成的高電場(chǎng)擊穿間隙、發(fā)生放電，如圖 6e所示。之后，正向脈沖開(kāi)始充電，完全消電離，如圖6f所示，然后重復(fù)之前的過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

微細(xì)電火花放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，示波器的電壓探頭用來(lái)測(cè)量工具電極與工件兩端的電壓，電流傳感器用來(lái)測(cè)量整個(gè)回路中的電流。

圖6 甚高頻共振式脈沖源的加工過(guò)程示意圖Fig.6 Schematic diagram of machining process for VHF resonant pulse source

圖7 放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of discharge experiment system

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用高性能示波器采集極間的電壓信號(hào)，觀測(cè)極間狀態(tài)；工作臺(tái)采用步進(jìn)方式來(lái)保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。100 ns脈寬已接近實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有傳統(tǒng)獨(dú)立式脈沖電源的極限。測(cè)試甚高頻脈沖源發(fā)現(xiàn)，放電頻率在55 MHz時(shí)能夠得到較為穩(wěn)定的輸出，因此設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。工具電極采用圓錐形的硬質(zhì)合金電極，尖端直徑120 μm，末端直徑600 μm；工件為10 μm厚黃銅片；電介質(zhì)為電火花油。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 甚高頻共振式和獨(dú)立式的放電波形

表1所示的6種實(shí)驗(yàn)條件下的開(kāi)路電壓波形如圖8所示，新型甚高頻脈沖源開(kāi)路電壓波形近似標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，基本上沒(méi)有變形，放電頻率55 MHz下的脈沖周期為18.2 ns。

各實(shí)驗(yàn)條件下的放電電壓和放電電流波形如圖9所示，由于電極底面微觀上的凹凸不平，以及放電時(shí)極間通道狀態(tài)發(fā)生變化，因此并不是每個(gè)脈沖都會(huì)發(fā)生放電。甚高頻共振式脈沖源的放電波形不同于傳統(tǒng)獨(dú)立式脈沖源，開(kāi)路時(shí)，等效電容高頻感應(yīng)產(chǎn)生電流；放電時(shí)，放電通道電阻會(huì)串聯(lián)進(jìn)電路，降流分壓，實(shí)際的放電波形與理論定性分析和電路仿真分析結(jié)論吻合。

圖9 不同的電參數(shù)條件下的放電波形圖Fig.9 Discharge waveforms under different electrical parameters

圖10 放電電流組成Fig.10 Schematic diagram of discharge current composition

電流I2+I′2可由電流探頭測(cè)出，該部分的放電能量為

(2)

式中，U2(t)、I2(t)分別為放電時(shí)示波器記錄的電壓和電流；T為一個(gè)正弦波的脈沖周期。

電流I3無(wú)法測(cè)得，極間等效電容C3的放電能量可由電容放電能量公式估算：

(3)

C3=εS/d

(4)

式中，U0為放電瞬間極間被擊穿前的電壓；Ue為擊穿后的最低電壓；ε為極間介電常數(shù)；S為相對(duì)面積；d為極板間距。

因此單個(gè)脈沖的放電能量為

(5)

對(duì)放電波形使用積分近似求解，多次計(jì)算取平均值，可以得到不同實(shí)驗(yàn)條件下的單次脈沖的平均放電能量，如表 2 所示。

表2 不同的電參數(shù)條件下單次脈沖的平均放電能量

3.2 加工表面的對(duì)比

上述各實(shí)驗(yàn)的加工結(jié)果如圖 11 所示，使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對(duì)加工表面形貌特征進(jìn)行觀測(cè)，可以看出新型脈沖源的加工表面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電源的加工表面。表 3 所示為6種實(shí)驗(yàn)條件下加工的平均放電凹坑直徑和表面粗糙度。同等條件下，新型脈沖源加工銅片表面的放電凹坑平均直徑明顯比傳統(tǒng)電源的小，表面質(zhì)量也較好。放電頻率55 MHz下，隨著限流電阻的增大和開(kāi)路電壓的降低，平均放電凹坑直徑減小，表面粗糙度減小，其原因主要是脈寬變窄、放電電壓降低和限流電阻的增大均會(huì)促使單脈沖放電能量減小，導(dǎo)致蝕除坑直徑和表面粗糙度減小。

圖11 傳統(tǒng)電源與新型脈沖源的加工效果圖Fig.11 The processing effect diagram of traditional power supply and new pulse source

表3 不同加工條件下的放電凹坑直徑和表面粗粗糙度

3.3 加工孔的重鑄層的對(duì)比

圖12 孔入口處SEM圖Fig.12 SEM diagram at the entrance of hole

微小孔作為眾多微細(xì)結(jié)構(gòu)中重要結(jié)構(gòu)之一，應(yīng)用范圍廣，如汽車行業(yè)的柴油機(jī)引擎噴嘴、醫(yī)療行業(yè)的醫(yī)用水槍、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等[18]。圖12、圖13所示分別為在10 μm厚的黃銅片上加工孔的入口和出口，由于電極沒(méi)有旋轉(zhuǎn)和經(jīng)過(guò)修整，因此加工出的孔不圓，但可以看出，新型脈沖源加工入口邊緣的放電加工區(qū)域明顯比傳統(tǒng)脈沖源的放電凹坑小，表面質(zhì)量更好。傳統(tǒng)脈沖源加工的孔出口的重鑄層較明顯，而新型脈沖源幾乎沒(méi)有重鑄層，其原因是傳統(tǒng)脈沖源單次放電脈寬較大，放電能量較大，邊緣熔化冷凝，導(dǎo)致重鑄層較厚。

圖13 孔出口處SEM圖Fig.13 SEM diagram of the hole exit

4 結(jié)論

(1)本文針對(duì)微細(xì)電火花納米級(jí)高效蝕除的加工需求，設(shè)計(jì)出一種基于電路共振原理的甚高頻共振式微能脈沖源，在直流電源供電情況下，可輸出放電頻率55 MHz、峰峰值220 V的正弦波，相對(duì)于其他種類的微能脈沖源，該電源能在較窄的電壓脈寬下輸出較高的開(kāi)路電壓。

(2) 放電頻率55 MHz、開(kāi)路電壓峰峰值70 V、限流電阻50 Ω情況下，放電電壓脈寬最小可達(dá)9.1 ns，放電凹坑平均直徑可達(dá)0.54 μm，加工表面粗糙度Ra可達(dá)53 nm。

(3)放電頻率55 MHz下加工的孔相對(duì)于傳統(tǒng)的微能脈沖源，極大地減小了加工過(guò)程中的熱損傷、重鑄層和熱影響區(qū)等常規(guī)缺陷，加工的孔邊緣幾乎沒(méi)有重鑄層。