（机械电子工程专业论文）高速钢刀具电解强化电源的研究.pdf

中文摘要 高速钢刀具在机械零件切削加工领域有着广泛的应用，采用电解强化的方式对 刀具进行电解强化将会提高刀具的性能和使用寿命。而电解强化最为关键的设备就 是提供电解动力的电源。 通过对刀具电解强化的原理和方法的研究，提出采用高频脉冲电信号的方式对 刀具进行强化加工，而这种方法最关键的就是需要能提供高频脉冲信号的电源来供 给能源。 本文的目的是研究设计一种结构简单，成本低的电路，适用于高速钢刀具电解 强化的高频脉冲电源，解决高速钢刀具电解强化的问题。 本文首先通过对高速钢刀具电解强化电源的功能和原理的分析，提出电源整体 设计方案，设计出电源电路图，并利用软件p r o t e l 和w o r k b e n c h 进行电路模拟仿真， 最后进行电路搭建和测试，以验证电源设计方案的可行性。 本文主要完成了以下工作： 1 高速钢刀具电解强化电源整体电路的设计、仿真，搭建了实际电路。 2 实现了电源电流的大范围可调，频率、占空比的单独可调，以适用不同高速 钢刀具型号的加工要求。且在输出电压不变和负载不变的情况下，实现用占 空比来调节输出平均电流的大小。 关键词：高速钢刀具；电解强化电源；高频脉冲 a b s t r a c t h i g h s p e e ds t e e lc u t t i n gt o o l sh a sb e e nw i d ea p p l i c a t e di nt h ef i e l do f m e c h a n i c a lp a r t sm a c h i n i n g ，u s i n ge l e c t r o l y s i st os t r e n g t h e nt h ew a yo f e l e c t r o l y s i s t o o lf o r s t r e n g t h e n i n g t h et o o l w i l l g r e a t l yi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c ea n dp r o l o n gs e r v i c el i f e e l e c t r o l y s i sa n ds t r e n g t h e nt h em o s t c r i t i c a le q u i p m e n ti sp r o v i d e db ye l e c t r o l y s i sp o w e rs u p p l y b ys t u d y i n gt h ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d s o fe l e c t r o l y s i st o o lt os t r e n g t h e n ， t h eu s eo fh i g h - f r e q u e n c yp u l s e so fe l e c t r i c a ls i g n a l so ni n t e n s i v ep r o c e s s i n g t o o l ，t h en e e dt ob ea b l et op r o v i d eh i g h f r e q u e n c yp u l s e so fe n e r g ys u p p l yt o p o w e r t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e s i g nas i m p l ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dl o w c o s t ，h i g h - s p e e ds t e e lc u t t i n gt o o l sa p p l i e dt os t r e n g t h e nt h ee l e c t r o l y s i so f h i g h f r e q u e n c yp u l s ep o w e r , t h e s o l u t i o n t ot h ec u r r e n tm a r k e t e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gt o o lc a nb eu s e dt op o w e rt h ee x i s t e n c eo fl a r g e ， b u l k ya n dc a na d j u s to u t p u tc u r r e n tc a n t o nd o e sn o ta n dc a nn o tm e e ta v a r i e t yo fm o d e l so fh i 曲- s p e e ds t e e lc u t t i n gt o o l st os t r e n g t h e ne l e c t r o l y s i s t h em a i nr e s e a r c hf i n d i n g sa sf o l l o w s ： 1 c o m p l e t e d ah i 曲- s p e e ds t e e l c u t t i n g t o o l s e l e c t r o l y s i s t o s t r e n g t h e n t h eo v e r a l l p o w e rc i r c u i td e s i g n ，s i m u l a t i o na n d a c t u a lc i r c u i ts t r u c t u r e s r e a l i z e dt h ep o w e ro ft h ec u r r e n tl a r g e - s c a l ea n da d j u s t a b l e ，a n d t h er e a l i z a t i o no ff r e q u e n c y , d u t yc y c l eo fas e p a r a t ea d j u s t a b l e ， s oa st o a p p l y t od i f f e r e n tt y p e so fh i 曲一s p e e dt o o ls t e e l p r o c e s s i n gr e q m r e a n dn oc h a n g et h eo u t p u tv o l t a g ea n dl o a d ， a d j u s tt h eo u t p u td u t yc y c l et or e g u l a t et h ea v e r a g es i z eo ft h e c i r c u i t k e yw o r d s ：h i g h s p e e ds t e e lc u t t i n gt o o l s ；e l e c t r o l y s i se n h a n c e dp o w e r ； i i i 高速钢月具电解强化电源的研究 h i 曲- f i e q u e n c yp u l s e i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：鱼塾垫 日期：! 隆兰旦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：魍绕拖 日期：錾孽! 盈 导师签名：鼬耍 日期：垒丛 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景与研究意义 随着科学技术的发展，刀具在切削加工领域获得了广泛的应用并取得了显著的 效益。高速钢由于具有较高的硬度、热稳定性和热硬性，己大量应用于制造各种切 削加工工具。由于高速工具钢在切削过程中，刀刃不仅要承受弯曲、扭转、剪切应 力和冲击、振动负荷，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用，导致刀具在使用 过程中经常出现磨损、卷刃、崩刃等现象，缩短了刀具的使用寿命，降低了生产效 率，同时增加了生产成本。因此，如何提高高速钢刀具的切削性能是关键问题1 1 。 提高高速钢刀具性能方法有多种，可采用涂层技术、激光强化、热处理、刃口 强化等方法来提高高速钢刀具的强度、韧性和抗磨性。 把刀具比较锋利、有锯齿状、不够整齐、不够光滑的刃口加工成特定的形状，这 个加工过程一般称之为“刃口强化”，有称“刃口钝化”、“刃口珩磨 、“刃口准备 等。 刀具经磨削加工后自然形成的刃口，在高倍显微镜下观察，并非一条简单直线， 大多呈微小锯齿状，或者虽然光滑平直，但一个微小的接触力就会使刃口变成锯齿 形，如用刷子清洗、砂纸擦拭等都易造成微小崩刃，形成锯齿状刀刃。在切削过程 中刀具刃口微观锯齿形极易扩展，加快刀具磨损和损坏。 刃口强化就是对磨削后的微小锯齿状刀刃进行再加工，以保证刃口的直线性和 微观完整性，是对刀具的微观加工，是刀具制造工艺的深化和进步。通过刃口强化 可增强刀具刃口的强度，改善表面应力状态，降低表面粗糙度，避免刀具在切削初 期因锋刃缺陷( 如微裂纹，微崩刃等) 导致的不稳定快速磨损，从而使刀具的耐用度 提高1 - 4 倍。 刃口强化是涂层刀具必须的准备工序之一。磨削后的锋利刃口，使涂膜附着力 下降，由此引发涂膜剥落；同时，磨削痕迹也不利于涂膜附着；未经刃口强化的涂 层刀片将在切削初期急剧损伤，用涂层提高刀具耐用度的方法则失去了意义。 刃口强化的工艺方法多种多样，普通机械加工类型有：喷丸或喷砂加工、振动磨 块研磨、流体磨料研磨、振动磨料研磨、滚动磨料研磨、软性轮抛光、弹性轮挤压 抛光和磨料刷子抛光等。，采用特种工艺有电化学研磨或抛光、磁性磨料研磨、超声 研磨及多种特种工艺共同作用下的混合研磨等。 目前，在刀具制造过程中，刃口强化工艺已落后于其他工艺。原因是人们没有足 高速铡刀具电解强化电源的研究 够的认识到它的重要性。但是，随着现代高速切削加工和自动化机床对刀具精度和 稳定性要求的更高，它的重要性更加突出。近几年人们对强化工艺进行了许多研究 开发工作，取得了一些成绩，但是要改变这种相对落后的状态，还有许多工作要做。 电解抛光是电化学加工方法之一，主要应用于光洁金属表面。将电解抛光方法 用来处理刀具，不仅可以降低刀具表面的粗糙度，使刀具表面光整平滑，而且可去 除由刀具刃磨时在刀刃处产生的磨削毛刺等缺陷，形成圆弧型刃口，从而起到了强 化刃口的作用，我们把这种方法称之为刃口的电解强化。由于电解抛光对被加工工 件只进行表面剥离及光洁，并无形状要求，因此电解抛光的阴极部分相对简单，也 无须进给运动，无须复杂的加工机床及电解液循环设备，特别适用于多刃刀具的刃 口强化“1 。 1 2 刃口电解强化的基本思想 去除刃口毛刺等缺陷，形成圆弧型刃口是刃口电解强化的的主要目的，它是通 过电解抛光来实现的，目前关于电解抛光作用现象和机理有两种解释，即尖端效应 和成相膜效应p 驯。实际上，这两种效应作用是同时存在于电解抛光过程中的。尖端 效应是指在电解抛光过程中，电流的溶解作用总是集中于距阴极距离最短和带尖角 的阳极部位，使该部位迅速溶解的现象。如图1 1 所示，为阴阳极间电解抛光过程 微观表面溶解示意图弘1 ，在阴阳两极间充当导电介质的是电解液和阳极膜，显然，图 中a 、b 、c 、d 这几处与阴极间的极间电阻较小，所承受的电力线密度最大，极间 电流主要用于溶解该处的阳极金属，这种现象就叫做尖端效应。 图1 1 尖端效应及成相膜效应 f i g u r e1 1c u t t i n g - e d g ee f f e c t sa n dm e m b r a n ee f f e c t s 随着加工的进行，微观表面不平度逐渐降低，加工表面微观不平的坡峰和坡谷 的高度差已不十分明显，尖端整平效应减弱。但是，此时在阳极表面生成一层超饱 和析出的金属盐膜，称之为阳极膜，这层阳极膜具有比电解液大得多的电阻率，减 2 第一审绪论 弱和阻挡了阳极金属的进一步溶解，这样，被加工表面微观不平的波谷堆积一层较 厚的阳极膜，阻挡阳极金属的进一步溶解，而波峰处阳极膜较薄，被电化学作用进 一步溶解，这种现象称为成相膜效应。实际上，这两种作用在加工过程中都或多或 少，或强或弱存在，在没有形成阳极膜层时，阳极金属的尖端溶解效应显著，电解 强化主要是利用了这一点。在电解强化时，刀具作为阳极，刀具的刀刃部分较其它 部分突出，电力线密度大，金属去除较多，其它部分金属去除量很少，从而可以实 现刀刃的修整，不影响刀具的形状，这便是电解强化的基本思想。 1 3 刃口电解强化的基本要求 在电解强化时，刀具作为阳极，配置相应的阴极，置于电解液中，外接电源， 即可进行加工。图1 2 为电解强化加工的基本模型口1 。假设加工间隙两端的加工电 压为e ，加工电流为i ，工件金属的原子量为m ，溶解时以力价离子溶入电解液，则 这种金属的一克当量为m n 克，按法拉第电解定律可知，溶解m n 克金属所需电量 为f = 9 6 5 0 0 库仑。显然，1 库仑电量所溶解的金属重量为蜘j f 克，当加工时的电量 为i xt 库仑时，将溶下g = 工t 肌f 克金属。考虑到极化或阳极金属本身的化学性质 不均等问题，用于溶解金属的电量只是总电量的一部分，即存在着电流效率目的问 题，所以实际溶解的金属质量为g = j 7 m i t n f 克，则单位时间内溶解的金属质量： 旦：r l m i ( g s ) ( 1 1 ) fn f 单位时间内溶解的金属体积： 一g ：r l m i ( e r a 3 s ) ( 卜2 ) t pn f p 图1 2 电解强化加工的基本模型 f i g u r e1 2t h eb a s i cm o d e lo nt h ee n h a n c e de l e c t r o l y t i cm a c h i n i n g 单位时间内进给方向上的溶解速度： v ：兰：婴：删( e r a s ) ( 1 - 3 ) t o sn o s 高速钢刀具电解强化电源的研究 式中：p 一金属密度( g c m 3 ) s 一加工面积( c m 3 ) i 一电流密度( a c m 3 ) ：娶一电解常数( c m 3 a s ) n l - , ) ， 上式中电流密度与加工电压和加工间隙有关。由于极化在实际电化学加工过程 中将组成一种称为分解电压所的反电势，产生力n - r _ 电流的电压不是e ，而是间隙电压 昂= 如易即是电流通过加工间隙时，由电解液电阻： r ：一1 垒 ( 卜4 ) k 。j 形成的欧姆电压降，是电解液的原始电导率，按欧姆定律有： f _ 三：丛j ，：咝：丝( 1 5 ) sa 加工时，刀刃的某个区域内金属的去除速度取决于电流效率日、电解常数、 电解液的原始导电率以及间隙电压昂等因素。上述因素中，电解常数6 9 与刀具本 身的材料直接相关，对于特定的加工，电解常数是确定的。间隙电压晶、电流效 率j 7 与电解液的原始导电率也是随着加工方案的确定而确定的。因此，要控制加 工去除量，就要着眼于电流密度i 及加工时间亡等力n - r - 参数，从直观上去理解，电 流密度即为单位面积内电力线的密集程度，电力线是表征电场强度及方向的假想物 理量，它具有如下特点： ( 1 ) 电力线从正极出发而终于负极。 ( 2 ) 电力线与等位面正交。 ( 3 ) 任意两条电力线不相交。 ( 4 ) 电力线不形成闭合线。 ( 5 ) 电力线的方向指向电位降落的方向。 基于这些特点，不难得出如下结论： 在电解强化加工时，阴极和阳极的加工表面可看作等位面。由于从阴极出发到 达阳极相应位置的电力线所历经的路径通常不同。考察每条电力线上的电流 i o = e r ，式中e 为间隙电压，r 为电力线历经路径上的电阻值。在两个等电位面间， 电力线越长，局值越大，这样就会导致阳极表面各点处的电流密度的差异p 1 。 4 第一币绪论 根据以上原理，只要合理地设计好阴极的形状、尺寸，选择合适的阴极材料、 电解液和加工参数，通过控制加工时间等方法，便可以对不同的刀具刃口进行金属 去除。 1 4 刃口电解强化实验系统 图1 3 所示的刃口电解强化实验系统响1 ，该系统由电源、刀具安装设备、电化学 反应槽、可调阴极和电解液等几部分组成。 构 图1 3 刀口电解强化实验系统示意图 f i g u r e1 3e d g ee l e c t r o l y s i ss y s t e mt os t r e n g t h e nt h ee x p e r i m e n t a ld i a g r a m 电解强化电源是电解强化工艺的主要设备，对刀具电解强化的生产率、表面质 量、强化精度、强化过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大影响。因 此研制高效的电解强化电源是提高刀具电解强化效果的一个关键技术。目前国内外 没有专门用于刀具电解强化的专用电源，本文基于电化学加工的基本理论，设计电 解强化电源，以满足高速钢刀具电解强化工艺的要求。 1 5 电化学加工电源国内外研究现状 电化学加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理实现金属零件的成形加 工，电化学加工原理最早应用在金属抛光，也称为电抛光p 1 。早期国内外电化学加工 中大部分采用一般直流电源，采用脉冲电源取代直流电源而出现的脉冲电化学加工， 极大地改善了极间间隙流场特性，且更易实现精确控制，从而使电化学加工向精密 高速钢刀具电解强化电源的研究 加工领域迈进。各国研究人员都在开展相关研究，以期进一步提高电化学加工质 量、电化学加工精度和生产率。在相关领域，美国、日本、欧洲的学者都发表了大量 的研究文章，国内的大连理工大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学等学院也 开展了大量的研究工作。 获得脉冲电流的方法很多，但是由于早期开关器件受技术性能及制造水平的制 约，使得大功率脉冲电源的研制存在一定的难度t i l l 。五十年代末六十年代初硅整流 器出现，电解领域用电由工频( 5 0 h z ) 交流发电机提供，但是大约2 0 的电能是以直流 形式消费的，大功率硅整流器能够有效地把工频交流电变为直流电，因此在六十年 代和七十年代功率硅整流器和晶闸管的开发与应用得以迅速发展。七十年代出现了 世界范围的能源危机，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的 关键技术是将直流电逆变为0 1 0 0 h z 的交流电。 在七十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨 型功率晶体管( g t r ) 和门极可关断晶闸管( g t 0 ) 成为当时电源器件的主角。类似的应 用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这时的电源技术已经能够实 现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。 进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电源技术 的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细j j - r 技术和高压大电流技术有机结合， 出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率m o s f e t 的问世，导致了中小功率电 源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管( i g b t ) 的出现，又为大中型功率电源向高 频发展带来机遇。m o s f e t 和i g b t 的相继问世，是传统的电源向现代电源转化的标志。 用i g b t 代替g t r 在电源技术领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调 速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电源技术不断向高频化 发展，为用电设备的高效节材节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了 重要的技术基础。 随着技术发展，传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代，高频开关电源 通过m o s f e t 或i g b t 的高频工作，开关频率一般控制在5 0 1 0 0 k h z 范围内，实现高效率和 小型化。在国外，1 9 5 5 年美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器 直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1 9 5 7 年美国查赛( j e ns e n ) 发明了 自激式推挽双变压器，1 9 6 4 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的 设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1 9 6 9 年由于大功 率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了2 5 6 第章绪论 千赫的开关电源。美国v i c o r 公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率、磁元件 体积和封装技术的限制，密度始终未能超过每立方英寸8 0 w 。近年来，推出的第二代 电源模块，内部结构也改为模块式，达到高度集成化和全面电脑化。功率密度已经 达到了每立方英寸1 2 0 w 。自从7 0 年代开始，日本的一些公司开始采用逆变技术，将市 电整流后逆变为3 k h z 左右的中频，然后升压。进入8 0 年代，高频开关电源技术迅速 发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关组件，将电源的开关频率提高到 2 0 k h z 以上。近年，德国f r i z h a b e r 研究所对电解加工精度和脉冲宽度的关系做了实 验研究，得出加工精度随脉冲宽度减小而提高的结论，使得电解加工电源向更高频 率方向发展“。 在国内，9 0 年代，由华南理工大学和英国爱丁堡大学合作研制了m o s f e t 电源， 用于电解抛光、电铸等加工，但功率器件过压击穿、过流过热等现象明显。抗干扰 能力不强t t z l 。2 0 0 2 年大连理工大学发表的博士论文提出高频脉冲电源采用p w m 控制 电路和脉冲变压器隔离驱动i g b t 电路，这种驱动电路由于是电磁隔离不需要专门的 直流电源，简化了电源结构，但是由于漏感和集肤效应的存在，使绕组绕制工艺复 杂，容易出现震荡u 1 。2 0 0 3 年华南理工大学雅达电源实验室对电源开关器件i g b t 的栅极驱动特性、栅极串联电阻及其驱动电路进行了探讨，提出了慢降栅压过流保 护和过电压吸收的有效方法。2 0 0 4 年哈尔滨工业大学发表的电化学加工脉冲电源 的研制与实验研究中用功率开关管m o s f e t 做开关器件，采用专用m o s f e t 驱动模 块t p s 2 8 1 2 ，它能提供2a 瞬问电流，其上升和下降时间均为2 0 n s ，可满足高频电 源的设计要求，但是m o s f e t 这类器件始终停留在小功率范围内，难以进行大功率使 用钉。同年，哈尔滨工业大学又提出了微细电解加工高频、窄脉冲电源的设计，加 工电源将进一步小型化；另一方面由于微细电解加工在加工精度和加工表面质量方 面较普通电解加工有更高的要求，电源应有更宽的频率调节范围、更精确的可调电 压以及方便的产生不同脉宽和占空比的脉冲波形1 1 5 1 。2 0 0 7 年北京交通大学电气工程 学院发表的 i g b t 驱动电路中分析了i g b t 驱动条件的基础上，设计了一种基于光 耦h c p l - 3 1 6 j 的i g b t 驱动电路，实验证明该电路具有良好的驱动及保护能力，可大 大提高高频脉冲电源的稳定性和可靠性。 目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的l o o k h z 、用m o s f e t 制成 的5 0 0 k h z 电源，虽己实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减 少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件，而i g b t 的出现使开关 频率的提高成为可能。目前已有公司采用i g b t 带o 成高频电源并投入使用。 7 商速钢刀具电解强化电源的研究 从以上分析可以看出，采用脉冲电源进行电化学加工的效果好于一般直流电源， 其原因是脉冲电流是随着时间作周期性脉动变化单方向流动的电流，脉冲电流电化 学加工是利用有规律的间歇供电，可对工件进行间歇电解强化加工7 1 。在脉冲间歇 时间内，间歇通道中的电解产物、析热、析气得以充分排出，电解液得以更新。在 脉冲的谷值时间中，加工间隙产生间歇式喘息，并由工作液将电极间的电解产物带 走，然后加工间歇回复到初始状态。这种电极间间歇式的喘息，增强了电解液对极 间隙的冲刷效果，并且可以采用更小的间隙进行加工，是提高加工精度和表面质量 的主要因素。在较高脉冲频率下，阳极溶解特性和流场特性发生改变，流场更加均 匀稳定，表面质量得以提高。阳极溶解效率的提高，导致去除量提高，加工效率得 到提高。且随着脉冲间隔的增大，电解液有充足的更新时间，流场状况得以很大程 度上的改善，因此脉冲电流电解加工相对直流电解加工，其加工后的表面粗糙度值 有大幅度的下降阴，且较宽的脉冲间隔和较窄的脉冲宽度有利于降低加工表面粗糙 度。一般情况下，频率越高，脉宽越窄，占空比越小，脉冲效应就越强。另外，脉 冲加工提供了更多的可调参数，为过程控制提供了便利。 高速钢刀具电解强化的特点是加工余量小，只是对刀刃的钝化，无形状要求， 因此高速钢刀具电解抛光的电源采用脉冲电源是一个很好的选择。 1 6 课题研究的内容 论文主要研究内容是研制开发用于高速钢刀具电解强化工艺的高频、恒压恒流、 调整范围宽的大功率脉冲电源。 刀具电解强化的脉冲电源，主要作用是把2 2 0 v 或3 8 0 v ，5 0 h z 的交流电转变为 频率、脉宽、占空比均可调的单向脉冲电流，对脉冲电源的要求主要有以下几项： 1 ) 脉冲波形的前后沿应该很陡，理想状态最好是陡度为9 0 0 的矩形波。 2 ) 所产生的脉冲应该是单向的，即无负半波或负半波很小，这样能最大限度地 利用极间效应，减少电极消耗。 3 ) 脉冲参数如电流幅值，脉冲宽度，占空比，频率应在较宽范围内可调。 4 ) 脉冲电源电路应具有工作可靠、成本低、寿命长、操作简单、体积小、重量 轻等优点。 5 ) 脉冲电化学光整加工电流密度较大，因此需要高的输出电流。 目前高频脉冲电源存在以下几点问题： ( 1 ) 在现实电解加强领域，当前采用的脉冲电源的频率一般为i o o h z 2 0 k h z ，与高 第一审绪论 频的要求相差甚远。 ( 2 ) 电流可调范围不广。电解电源要求具有稳定的电流电压，电解生产需要消耗 巨大的直流电能，需要电源输出低压大电流6 1 。 ( 3 ) 目前的高频脉冲电源体积一般都比较大，携带不便。为方便运输和携带，应 尽可能的将电源体积缩小。 论文针对以上问题，在保证电源功能的前提下提出电源设计方案。由于阳极与 阴极的间隙很小，所以采用的电解加工电源必须是低电压的直流电，电源输出电压 为o 2 0 v 可调，电流o - - 2 0 0 a 可调，电源输出脉冲在l o o h z 4 0 k l - i z 可调，占空比 在3 2 1 2 0 2 1 可调。 1 7 论文结构 第一章：绪论。简要介绍了课题提出背景与研究意义，高频脉冲电源国内外发展 现状，并给出主要研究内容。 第二章：高速钢刀具电解强化电源的研究和设计。本章对高速钢刀具电解强化电 源的基本原理进行了叙述，分析了电源的电路模块组成、功能以及设计原理，分别得 出各部分模块电路图，最后得出电源的整体电路图。 第三章：参数计算和仿真。本章对电源的各部分模块电路分别进行了参数计算， 并利用软件p r o t e l 和w o r k b e n c h 进行电路模拟仿真，验证参数的正确性。 第四章：高速钢刀具电解强化电源的实验电路与问题解决。本章对前几章得出的 结果进行实物电路连接，在实验室条件下，调试电路，在输出电压0 i o v ，电流o 5 a 范围内进行验证，对出现的问题进行分析解决。 第五章：结论与展望。总结论文所进行的工作，并指出需要进一步完善的内容。 9 第二章高速钢7 j 具电解强化电源的研彳：和设计 第二章高速钢刀具电解强化电源的研究和设计 2 1 高速钢电解强化电源的设计 2 1 1 高速钢电解强化电源的基本原理 本课题研究的用于高速钢钢刀具电解强化的电源实质上是一个高频脉冲电源， 是在直流电源的基础上加上一个开关器件组成，直流电经开关器件的斩波，形成输出 单向高频脉冲直流电，在进行高速钢刀具电解强化时，阳极接刀具，阴极接工具， 正负极同时插入电解液中，使两极间形成导电通路，电源产生脉冲电信号。 对高频脉冲直流电的形成和波形变化过程如图2 1 和图2 2 所示。 j 1 电源变 c u 2 ： 整流 ，滤波 ： 开关 压器。 电路。 u 3 。 、电路。 u 4。器件 u 图2 1 高频脉冲直流电的形成框图 f i g u r e2 1t h ef o r m a t i o no fh i g h - f r e q u e n c yp u l s e dd c 图2 2 高频脉冲直流电形成波形变化过程 f i g u r e2 2c h a n g e si nt h ep r o c e s so fh i g h - f r e q u e n c yp u l s e dd c w a v eg e n e r a t e d 该电源主要由主电路、开关管驱动电路、控制电路、稳压电源组成。 由于高速钢刀具电解强化时，阴极是固定的，极间距离一般在1 。5 毫米到2 0 0 毫米之间，去除的金属量不大，由于电流密度过小时，金属表面会产生腐蚀现象， 产生效率低，而电流密度过大时，会发生氢氧根离子或含氧的阴离子放电现象，且 有气态氧析出，降低电流的效率，故电源应当能在电解强化时根据刀具的大小来调 节输出电流的大小。本电源采用的开关管i g b t 是全控组件，利用正脉冲持续时间与 脉冲总周期的比值即占空比，去控制的半导体器件，通过调节占空比来调节输出电 流的平均值大小。 高速钢刀具电解强化电源的研究 2 1 2 高速钢电解强化电源各组成部分功能 1 )主电路 主电路是该电源电路提供输出功率的部分。 主电路包括交流电网输入，脉冲直流输出全过程，包括： ( 1 ) 交流电变压：其作用是将电网输入的交流电压进行调节，使其输出符合要求 的电压值。 ( 2 ) 整流与滤波：将变压后的交流电直接整流为较平滑的直流电，将电网存在的 杂波过滤，以供下一级变换。 ( 3 ) 开关器件：利用开关管对整流滤波后的直流电进行斩波，输出高频脉冲电信 号，这是该电源的核心部分。由于绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 是强电流、高电压 功率电力器件，它的适用范围一般都在耐压6 0 0 v 以上，电流1 0 a 以上，频率为1 k h z 以上的区域| 1 7 1 被广泛应用于大容量脉冲电源中。本电源最大输出电流达2 0 0 a 以 上，我们采用三菱公司的c m 4 0 0 h a 一1 2 h ，它的耐压值可达6 0 0 v ，最大输出电流 可达4 0 0 a ，其内部接有超快速二级管，可防止由于i g b t 的脆弱性，感性负载条件 下，在导通转为关断的瞬间，负载产生的浪涌电压极易导致其击穿损坏，并吸收由 于连续高速导通与关断，增加会延迟关断时间的有害残余电荷，加速其关断，提高 i g b t 关断的可靠性1 1 8 1 0 2 )开关器件驱动电路 开关器件i g b t 是压控器件，开关管驱动电路的作用是提供适当的驱动电压，使 开关管能可靠的开通和关断，并对开关管提供保护功能。i g b t 的触发和关断要求给 其栅极和基极间加上正向电压和负向电压，栅极电压由驱动电路产生，所以驱动电 路的好坏，直接影响开关器件i g b t 运行的可靠性。 3 )控制电路 控制电路即脉冲发生电路，是该电源中不可缺少的重要部分。开关管的开断由 此部分电路来控制，由它产生的脉冲频率决定开关管的工作频率，从而控制输出脉 冲电流的频率。因此，输出电流的频率、占空比都由此部分电路来控制。i g b t 和驱 动电路应能满足通过控制电路产生的最大最小频率的工作条件。 4 ) 稳压电源电路 稳压电源电路提供所有单一电路不同要求的直流电压，使电路正常工作。本电 源需要输出为2 0 v 、1 5 v 和1 0 v 的三个稳压电源电路，分别用于为驱动集成芯片、 脉冲发生电路以及过流时信号锁定电路的与f - j4 0 8 1 提供稳定的工作电压。本文设计 1 2 第二章，岛速钠川具i 也倒强化i u 源的研彳和设计 了2 0 v 和1 5 v 稳压电源电路，而1 0 v 电源由1 5 v 稳压电源电路分压得到，以简化 整体电路。 2 1 3 高速钢电解强化电源的原理框图 本课题设计的高速钢刀具电解强化电源基本工作原理框图如图2 3 所示。 该电路由两部分组成，部分市电经变压器变压、二极管整流桥整流、电容滤 波，再经开关器件i g b t 变频后输出高频脉冲电信号，在电解液中对刀具进行电解强 化；另一部分由稳压电源电路提供脉冲控制电路和驱动电路的工作电压，产生所需 的控制脉冲电压信号，对开关管进行开断控制。从原理框图可看出，本电路结构简 单，所需模块和元件少。 tdc i g b t 图2 3 电解强化电源基本工作原理图 f i g u r e2 3t h eb a s i cw o r kp r i n c i p l eo fe l e c t r o l y s i se n h a n c e dp o w e r 图中t 是变压器，d 是整流桥，c 是电容滤波器。 高速钢刀具屯解强化电源的研究 2 2 主电路设计原理 2 2 1 主电路直流电源原理 主电路直流电源采用传统的直流电源组成原理，先将市电变压，后经整流滤波 得到所需的直流电。图2 4 是主电路直流电源部分电路图。由于该电源的输出功率 最大只有4 k w ，我们采用单相交流电输入。2 2 0 v 市电经保险丝接入可调变压器，经 变压器变压得到整流滤波所需的交流电压值，然后利用二极管的单相导电性对该交 流电进行单相桥式整流，将正弦交流电变为单向直流电，再用电容对整流出来的脉 动直流电压进行交流成分的滤除，从而得到较平稳的直流电。 可i 同瘦压 l o t t t 刭v3 i v 2 c = 1 + u l c 2 l 图2 4 主电路直流电源鄙分电路图 f i g u r e2 4m a i nc i r c u i td cp o w e rs u p p l yp a r to ft h ec i r c u i t 1 )变压器 目前市场上的高频开关电源多是采用先变频后变压，但是由于本课题研究设计 的电源的频率范围为l o o h z 到4 0 k h z ，其频率最低只有l o o h z ，主电路直流电源不宜 采用高频变压器，因为在低频时效率会很低，变压器就要求体积很大，从而使整个 电源体积庞大，成本增加，所以宜采用先降压后变频的方式，将变压器放在整个电 源电路的最前面。为实现电压的连续可调，可采用调压器与变压器的初级线圈并联， 只要旋转调压器的手柄，即可改变变压器初级电压，从而实现输出电压的连续可调。 图2 5 是常用铁芯变压器实物模型和电气图形符号。1 和2 分别是变压器初级 和次级的线圈匝数。 1 4 第二章岛逋钢7 j 具电解强化f 也源的研究和设计 饺否交匿羹 图2 5 变压器实物模型和电气符号 f i g u r e2 5p h y s i c a lm o d e lo f t h et r a n s f o r m e ra n de l e c t r i c a ls y m b o l s 假设变压器的输入电压和输出电压分别为u 和u ，输入电流和输出电流分别为 、j r 2 ，输入端接入电阻和输出端接入负载阻值分别为墨、r ：，则变压器应遵循以 下公式： u ! - - - 瓮、厶2 瓮、蜀2c 瓮jr q 1 ， 在选取变压器时应让它的额定功率大于实际使用时的最大功率，以防止变压器 的损坏。 2 )整流电路 整流是利用二极管的单向导电性，将交流电转变为脉动的直流电的过程| 1 9 | 0 单 相桥式整流电路是以全波整流方式工作的，工作时两组二极管交替导通和截止。虽 然交流电压在一个周期内有正、负半周变化，但由于整流电路二极管v 1 、v 3 和v 2 、 v 4 轮流导通和截至，整流后的电压是方向不变的脉动直流 2 0 10 其波形变化如图2 2 中u l 、u 2 、u 3 波形图所示。单相桥式整流直流电与交流电的关系，如下公式： 直流电压 = 2 x 0 4 5 u2 = 0 9 u 2 ( 2 2 ) 二极管承受的最大反峰电压 跗= 2 4 2 v 2 ( 2 3 ) 每个二极管通过的电流 i f = 0 5 i d( i d 为负载流过的电流平均值) ( 2 4 ) 在选用整流二极管时，应使其能通过的电流大于每个二极管流过的最大平均电 流，d ( 还应为冲击电流留有裕度) ；二极管的最大反向工作电压应大于每个管子所承 受的反向峰值电压。 应用整流技术可以将交流电转变为直流电，但经整流出来的电压还不是纯粹的 1 5 高速铡刀具i 乜解强化电源的研究 直流电，而是一个脉动的直流电压。它除了有直流成分外，还包含着不同频率和振 幅的交流成分，会使后面电路的开关管拒动，误动，若交流成分大还可能烧坏开关 管。对整流直流电源质量的评定，可用纹波系数7 来表示。纹波系数7 表示负载上直 流电的平滑程度与脉动大小，即充电装置输出的直流电压中，脉动量峰值与谷值之 差的一半，与直流输出电压平均值之比。按以下公式计算： 7 = 【一j 2 u px 1 0 0 ( 2 5 ) 式中7 纹波系数； u ，直流电压中的脉动峰值； u 。直流电压中的脉动谷值； u 。直流电压平均值。 7 值小说明负载上的直流电压或电流脉动小，因此) ，值是表示整流直流电源质量 的参数。对于整流直流电源而言，y 值是越小越好，一般要求电力系统中的整流装置 的纹波系数不大于5 2 0 1 。 3 )滤波电路 整流后的输出电压含有交流成分，脉动较大，整流后通常需要滤波。利用滤波 电路可将整流输出电压中的交流成分滤除，而保留其直流成分 1 9 1 。 对整流直流电进行滤波可采用电容滤波、电感滤波、r c 滤波、r c - 7 r 滤波、l c 滤波等几种，考虑到电感的体积和重量一般都较大，也不经济，我们常采用一只容 量比较大的电解质电容器来进行滤波，电解电容正极接电路的高电位端，负极接低 电位端，若极性接反，过高的反向电压可能击穿电容器 2 2 1 0 本文设计的主电路直流 电源就是采用电解电容进行滤波。将电容与负载并联，就组成了电容滤波电路。 电容滤波后的波形变化如图2 2 中u 4 所示，电容滤波的特点是： ( 1 ) 由于电容器放电，对负载补充能量，负载上的直流电压为锯齿波电压平均值， 比变压器二次电压有效值高，所以提高了输出电压。c 越大，输出电压越高，其最大 值为2 ，因此在选择滤波电容时，所用电解电容的耐压吒 2 。 ( 2 ) 电容器c 越大，充放电过程进行得越缓慢，锯齿波纹波越浅，脉动越小，滤 波效果越好t 2 0 。 ( 3 ) 电路输入为全波整流或桥式整流的输出，为得到较平滑的输出电压，滤波电 容的容量一般取r c2f 3 5 ) t 2 ，t 为电源电压周期，且r c 越大，负载电压中的纹 波越小，平均电压越高。 电容滤波电路的技术参数如下： 1 6 第二章 j 速铡刀具电解强化 u 源的硼l 究和设计 ( 1 ) 输出直流电压u 删川r 1 a ：空载( 尺_ o 。) 时，桥式整流电路的输出经电容滤波 后，其输出直流电压为： v o 。，( p 1 = 4 2 u 2 ( 2 - 6 ) 在空载时电容滤波效果很好，不仅输出电压无脉动，而且输出电压平均值也由 原来的0 4 5 以上升到1 4 u 。但此时二极管承受的反向峰值电压变成了2 2 ，比 原来高了一倍，将有很大的瞬时冲击电流流过二极管，因此要选择大容量整流管 3 3 1 。 b ：接负载r 时，一般为： v o 州胴= ( 1 1 1 2 ) ( 2 7 ) 在接负载时，电容做周期性的充放电过程。 ( 2 ) 输出直流电流( 接负载r 时) 为： ， l 州矿) = ( 1 1 1 2 ) 詈 ( 2 8 ) ( 3 ) 变压器二次绕组电流有效值为： 1 2 = ( 1 5 2 ) l 删矿， ( 2 9 ) 2 2 2 开关器件f g b l 变频电路原理 整流滤波后的直流信号通过可控的开关器件进行斩波后，输出大小可调的由控 制信号控制频率及占空比的脉冲电流，这是该电源的核心部分。斩波是电子技中的 变流技术，就是通过d c d c 变换器开与关的工作改变电压幅值的大小，实现直流对 直流的变换线路极为简单，只要一个合适的可控的半导体功率器件就可完成。绝缘 栅双极晶体管( i g b t ) 是从绝缘栅场效应管发展起来的新型全控功率器件，通过控 制极实现开通和关断控制。 1 )i g b t 工作原理 i g b t 作为一种复合性的功率半导体器件，由于其低功耗，高开关频率和较大的 电流容量，特别是在大功率变换器中正在得到越来越广泛的应用3 6 1 ，具有驱动简单， 成本低等优点，很适合在脉冲电化学加工中应用。i g b t 是w i o s f e t 结构双极器件，属 于具有功率m o s f e t 的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件口7 1 ，具有输入阻抗高， 工作速度快，通态电压低，阻断电压高，承载电流大等优点，是8 0 年代出现的新型 复合器件，发展快，应用广泛。n 沟道i g b t 简化等效电路及电路符号如图2 6 所示1 ”， 等效电路图表明，i g b t 是g t r 与m o s f e t 组成的达林顿