（机械制造及其自动化专业论文）电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究.pdf

i n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nr e s i s t l e s sp u l s eg e n e r a t o r f o rw e d mp o w e r a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g h a nc h a o a d v i s e db y g a o c h a n g s h u i s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 一 j i 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 皋超 日期：f ! ! i ：! k l 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 电火花线切割利用高频脉冲所产生的热量来蚀除金属，所施加的单个脉冲的性能是影响加 工质量的关键因素之一。因此脉冲电源是影响电火花线切割加工工艺指标的主要因素之一，作 为电火花线切割加工机床的重要组成部分，工艺试验对改善其性能具有重要意义 因此，本论文着重介绍了线切割无阻脉冲电源的特性和工作原理，并搭建电源系统，利用 现有的线切割机床进行工艺实验，对试验参数进行分析，优化电源性能。 分析了国内外线切割技术及脉冲电源的发展现状，简单介绍了各类传统和新型电源的工作 原理及其优缺点，说明发展无阻脉冲电源的重要性。研究脉冲电源的恒流源d c d c 变换系统， 对现有各类d c d c 变换器进行性能比较，优缺点进行分析。对选用的双管正激交错并联d c d c 变换器进行模态分析，详细分析其工作原理。研究脉冲电源的控制系统，重点介绍恒流源控制 电路，定时控制电路和过电压保护控制电路工作原理对脉冲电源的输出进行检测，分析各个 输出端的输出波形，并对波形的产生原因进行解释工艺试验针对不同脉宽，脉间和加工电流 对各类加工参数的影响进行分析、比对，找到反映电源加工的工艺规律。 关键词：无阻脉冲电源恒流源双管正激交错并联工艺试验 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 a b s t r a c t w e d m ( w i r ec u te l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) u s e sh e a tg e n e r a t e db yh i g h f r e q u e n c yp u l s e s t oe r o d em e t a l ，a n dt h es i n g l ep u l s ei so n eo ft h ek e y - f a c t o r st oa f f e c tt h ep r o c e s s i n gq u a l i t y t h ep u l s e g e n e r a t o ri sa ni m p o r t a n tp a r to fw e d m m c h i n ea n di ti so n eo ft h em a i nf a c t o r st oa f f e c tw e d m p r o c e s s t h et e s to ft h et e c h n i q u eh a ss i g n i f i c a n c et oi m p r o v ep e r f o r m a n c e o ft h ep u l s eg e n e r a t o r t h i sp a p e rf o c u s e so nc h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e so f r e s i s t l e s sp u l s eg e n e r a t o rf o rw i r e c u te l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gp o w e r t h ep o w e rs u p p l ys y s t e mi sb u i l t , a n dt h ep r o c e s s e x p e r i m e n ti sr e a l i z e d0 1 1a ne x i s t i n gw e d m m a c h i n e t h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa 他a n a l y z e dt o o p t i m i z et h ep o w e r sp e r f o r m a n c e t h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l t e c h n o l o g yf o rw e d ma n dp u l s eg e n e r a t o ri s i n t r o d u c e d rg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ev a r i o u st y p e so ft r a d i t i o n a la n dn e wp o w e r sp r i n c i p l e a n dt h e i ra d v a n t a g e so rd i s a d v a n t a g e s i ti si m p o r t a n tt od e v e l o pr e s i s t l e s sp u l s eg e n e r a t o r t h ed c d ct r a n s f o r m a t i o ns y s t e mo fc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ef o rp u l s eg e n e r a t o ri sr e s e a r c h e d , a n dt h ep e r f o r m a n c e so fe x i s t i n gt y p e so fd c d cc o n v e n e r sa n da n a l y s e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e sa r ec o m p e d t h e n ，i ta n a l y s e se v e r ym o d ea n dt h ep r i n c i p l eo f t h ed o u b l e - t r a n s i s t o r f o r w a r dw i mi n t e r l e a v i n ga n dt r a n s f o r m e rp a r a l l e l i n gd e d ec o n v e r t e rw h i c hw ec h o o s e t h ec o n t r o ls y s t e m so fp u l s eg e n e r a t o ra 豫r e s e a r c h e d t h ep r i n c i p l e so fc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e c o n t r o lc i r c u i t ，t i m i n gc o n t r o lc i r c u i ta n do v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc o n t r o lc i r c u i ta 聆p a r t i c u l a r l y i n t r o d u c e d t h eo u t p u to fp u l s eg e n e r a t o ri sd e t e c t e d , t h ew a v e f o r mo fe v e r yt e r m i n a li sa n a l y z e da n dt h e r e a s o n o fw a v e f o r mi se x p l a i n e d t h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t i ta n a l y s e st h ed i f f e r e n tr e f l e c t i o no fd i f f e r e n tp u l s ew i d t h , p u l s e a n dp e a l 【c u r r e n t so l it h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r si no r d e rt 0f i n do u tt h el a wo ft e c h n i q u e k e y w o r d s ：r e s i s t l e s s ，p u l s eg e n e r a t o r , c o n s t a n tc u r r e n t $ o u g c e ，t h ed o u b l e - t r a n s i s t o rf o r w a r dw i t h i n t e r l e a v i n ga n dt r a n s f o r m e rp a r a l l e l i n g ，t e c h n i q u et e s t 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l l 一国内外电火花线切割技术的应用现状与发展1 1 2 国内外电火花加工脉冲电源研究。3 1 2 1 传统的电火花加工脉冲电源。3 1 2 2 新型脉冲电源4 1 2 2 1 节能式脉冲电源5 1 2 2 2 精微加工脉冲电源5 1 2 2 3 无电解脉冲电源6 1 2 2 4 其他新型电源7 1 3 论文研究的主要内容7 第二章d c d c 变换器8 2 1 脉冲电源系统结构简介8 2 2 非隔离式d c d c 变换器9 2 2 1 升压型d c c i c 变换器9 2 2 2 降压型d c d c 变换器1 0 2 3 隔离式d c d c 变换器l l 2 3 1 单端反激d c d c 变换器。l l 2 3 2 单端正激d c 】d c 变换器1 2 2 3 3 推挽型d c 托 c 变换器。l3 2 3 4 半桥型d c e i c 变换器1 4 2 3 5 全桥型d c d c 变换器1 6 2 4 双管正激交错并联d c 仍c 变换器1 7 2 4 1 双管正激式变换器。1 7 2 4 2 双管正激交错并联d c d c 变换器特性l8 2 4 3 双管正激交错并联d c d c 变换器电路的工作模态及波形1 9 2 4 4 恒流源工作原理2 3 2 5 本章小结2 3 第三章无阻脉冲电源的控制系统。2 4 3 1d c d c 变换器控制电路2 4 i 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 3 1 1t l 4 9 4 原理框图及引脚2 4 3 1 2t l 4 9 4 的工作原理2 5 3 2 定时电路2 7 3 2 1m c l 4 5 3 6 功能简介2 7 3 2 2m c l 4 5 3 8 功能简介。2 9 3 2 3 定时电路的工作原理3 0 3 3 过电压保护电路3 2 3 3 1 加减运算放大电路3 2 3 3 2 光电耦合器n j 2 5 0 。3 3 3 3 3 过电压保护电路工作原理3 4 3 4 本章小结3 4 第四章无阻脉冲电源的输出及性能测试3 5 4 1d c d c 变换器输出波形3 5 4 1 1p w m 控制芯片的输出信号j 3 5 4 1 2 恒流源输出波形3 6 4 2 定时电路的输出波形3 6 4 2 18 档脉宽调节波形图。3 7 4 2 28 档脉间调节波形图3 8 4 3 放电输出波形3 9 4 4 过电压保护电路工作波形4 0 4 5 本章小结4 1 第五章工艺试验及数据处理4 2 5 1 峰值电流对工艺指标的影响规律4 2 5 2 脉冲宽度对工艺指标的影响规律4 3 5 3 脉冲间隙对工艺指标的影响规律4 5 5 4 脉冲周期对工艺指标的影响规律4 6 5 5 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 本文的主要工作4 9 6 2 本课题的进一步工作展望。_ k 4 9 参考文献5 l ! l 变谢5 4 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 在学期间的研究成果及发表的学术论文。5 5 附j 素5 6 v 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 图表清单 图1 1r c 脉冲电源3 图1 2 晶体管脉冲电源。4 图1 3p w m 控制节能式电火花加工脉冲电源原理图5 图1 4 新型晶体管可控r c 微能脉冲电源原理图6 图1 5 无电解脉冲电源原理图6 图2 1 电火花线切割无阻脉冲电源的组成框图8 图2 2 升压型d c d c 变换器主电路和有关波形图9 图2 3 降压型d c d c 变换器主电路和有关波形图1 0 图2 4 单端反激d c d c 变换器主电路1 l 图2 5 单端正激d c d c 变换器主电路1 2 图2 6 推挽式d c d c 变换器主电路1 4 图2 7 半桥型d c d c 变换器主电路1 5 图2 8 全桥型d c d c 变换器主电路1 6 图2 9 双管正激变换器主电路1 7 图2 1 0 双管正激变换器交错并联电路拓扑图1 8 图2 1 l 恒流输出双管正激交错并联d c d c 变换电路。1 8 图2 1 2 双管正激交错并联d c d c 交换器工作模态图。1 9 图2 1 3d l 加c 变换器主要原理波形图2 2 图3 1t l 4 9 4 型控制器内部电路图2 4 图3 2t l 4 9 4 引脚排列2 5 图3 3t l 4 9 4 外围电路结构2 6 图3 4t l 4 9 4 时序图2 6 图3 5m c l 4 5 3 6 引脚图。2 7 图3 6m c1 4 5 3 8 引脚图2 9 图3 7m c l 4 5 3 6 外围电路3 1 图3 8m c l 4 5 3 8 外围电路3 l 图3 9 加工电路3 2 图3 1 0 单运放加减运算电路3 2 图3 11t l p 2 5 0 管脚接线图。 v l 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 1 2 过电压保护电路接线图3 4 图4 1p i n 9 输出波形3 5 图4 2p i n l o 输出波形3 5 图4 3 恒流源输出波形3 6 图4 4 脉宽2 雄波形图3 7 图4 5 脉宽3 坤波形图3 7 图4 6 脉宽5 声波形图。3 7 图4 7 脉宽1 5 艘波形图。3 7 图4 8 脉宽3 0 艘波形图3 7 图4 9 脉宽6 0 筇波形图3 7 图4 1 0 脉宽1 2 0 , u s 波形图3 7 图4 1 l 脉宽1 6 0 a s 波形图3 7 图4 1 2 脉间1 2 雄波形图。3 8 图4 1 3 脉间1 8 声波形图3 8 图4 1 4 脉间3 5 声波形图3 8 图4 1 5 脉间7 5 声波形图。3 8 图4 1 6 脉间1 2 0 a s 波形图3 8 图4 1 7 脉间2 4 0 a s 波形图3 8 图4 18 脉间4 8 0 m 波形图3 8 图4 1 9 脉间6 4 0 艘波形图3 8 图4 2 0 理想极间放电电压波形3 9 图4 2 1 实际极间放电电压波形3 9 图4 2 2 过电压保护电路工作波形4 0 图5 1 不同峰值电流下工件表面形貌图4 2 图5 2 峰值电流对工艺指标的影响规律4 3 图5 3 不同脉冲宽度下工件表面形貌图。4 4 图5 4 脉冲宽度对工艺指标的影响规律“ 图5 5 不同脉冲间隙下工件表面形貌图4 5 图5 6 脉冲间隙对工艺指标的影响规律4 6 图5 7 不同脉冲周期下工件表面形貌图：_ o ：k ：4 7 图5 8 脉冲周期对工艺指标的影响规律4 7 表3 1m c l 4 5 3 6 的功能表2 8 v i i 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 表3 2m c l 4 5 3 6 的真值表2 9 表3 3m c l 4 5 3 8 的功能表3 0 表5 1 不同峰值电流下的试验结果。4 3 表5 2 不同脉冲宽度下的试验结果4 4 表5 3 不同脉冲间隙下的试验结果。4 5 表5 4 不同脉冲周期下的试验结果4 7 v i h 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 简称e d m ) ，是一种直接利用电 能和热能进行加工的工艺方法，前苏联学者拉扎林科夫妇于1 9 4 3 年在研究开关触点遭受火花放 电腐蚀损坏现象和原因的过程中发明。它与传统的切削加工有明显的区别：首先，不是依靠机 械能进行加工，在加工过程中基本没有宏观作用力，能够加工窄槽、异形孔、微细孔及薄壁零 件。其次，工具硬度可以低于被加工材料的硬度，加工过程中工具与工件之间不存在显著的机 械切削力，能够实现对高硬度、高强度、高韧性和易脆等导电材料的加工。因此它解决了各种 难切削材料、特殊复杂表面、超精、光整或具有特殊要求的零件的加工问题。由于电火花加工 特有的工艺优势，弥补了机械加工的某些不足，成为了模具工业、国防工业和精微制造中的重 要手段【。 1 1 国内外电火花线切割技术的应用现状与发展 电火花线切割加工m ，i 他c u te d m ，w e d m ) 是在电火花加工基础上于上世纪5 0 年代末最早 在前苏联发展起来的一种新的加工工艺形式，是用线状电极( 铜丝或钼丝) 靠火花放电对工件进 行切割，故称为电火花线切割由于电火花线切割加工方法几乎可以加工任何硬度的导电金属 材料，且加工过程中不受宏观力的作用，能够保证较好的加工精度和表面质量。和电火花成形 加工相比，电火花线切割加工具有设备成本低、生产率高、工件材料的利用率高、预加工量少 以及不需要设计、制造加工用电极等优点 2 1 。因此，电火花线切割加工在模具加工、电火花成 形加工用电极和试制新产品零部件等众多工业加工生产领域获得广泛的应用，其加工工艺手段 在许多情况下是常规制造技术无法取代的。目前，国内外的电火花线切割加工机床约占电加工 机床的6 0 以上。 国外电火花线切割机床的发展，在原则上离不开三大趋势，即高速化、高精度( 包括表面质 量) 和高自动化，近年来经济型机床也是一样的发展趋势。国外高档电火花线切割机的加工精度 可达1 5 u n ，加工表面粗糙度达到r a 0 1 a n ，加工生产率达到3 5 0 m m 2 m i n 左右。目前，在 高效加工技术方面，瑞士夏米尔( c h a r m i u e s ) 公司处于领先水平。它经过5 年的努力，打破了1 0 年前创下的3 0 0m m 2 m i n 最大切割速度纪录，使最大切割速度达到了 4 0 0 m m 2 m i n ( 3 7 i n 2 h ) 。夏米尔公司在r o b o f i 也4 0 c c 4 4 0 c c 成为高效加工机床的代表。 c c 电源具有以下特点： 一 。 ( 1 ) 数字化、高峰值电流、窄脉宽、无电解作用：c c 电源的最大峰值电流可达1 2 0 0 a ，加 工精度的单个放电脉冲能量控制技术。使得最大切割速度达到了4 0 0 m m 2 r a i n 。跃上了新的 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 台阶。与普通电源相比，在切割工件厚度约为1 5 0 r a m 时，其切割速度约增加l 倍左右； ( 2 ) 粗加工基本上为气相抛出：粗加工时采用窄脉宽，以实现粗加工基本上为气相抛出的 加工方式，使表面不产生微观裂纹( 特别是对于脆硬材料) ，而且变质层很薄，这样可减少多次 切割的次数，简化了工序，节省了时间，同样达到高效加工的目的。 此外，瑞士的a g i e 公司配备m m d ( 2 7 a ) 电源的a c l 0 0 、2 0 0 、3 0 0 系列的各型机床，其最 高生产率为1 8 5m 朋2 m i n ，配各m m e ( 3 3 a ) 电源的a c l 7 0 、2 7 0 、3 7 0 型机床、其最高生产率 为2 2 0 - 2 4 07 t i m 2 m i n ，而配备n m c ( 4 5 a ) 电源的a c s p r i n t 系列机床，最高生产率达 3 0 0 f n m 2 r a i n ( 采用0 3 3 r a m 的c s s 电极丝工件5 0 m m ) 厚钢件。三菱电机公司的标准型 d w c h 系列机床，采用g 2 5 电源，最高生产率达到2 5 0 m m 2 m i n ，其经济型d w c c 2 系列机 床也是2 5 0 m m 2 m i n ，而高速型d w c u 系列机床，采用w i i u 控制柜与g 2 5 电源，最高生产 率达3 0 0 m m 2 m i n 。 电火花线切割加工也是我国应用最为广泛的一种特种加工方法。目前我国生产和使用的绝 大多数为高速走丝的电火花线切割机，高速走丝线切割机是我国数控机床产量最大、应用最为 广泛的机床，在模具制造和零件加工中发挥着重要作用。其性能价格比，适合于目前国内的需 求，在中低档模具和零件加工中适用性好。目前它的切割速度有的已超过1 0 0 m m 2 r a i n ，加 工精度达到0 0 1 r a m ，工件表面粗糙度为r a l 2 5 a n 。但是技术发展较慢，在较低水平上重复 生产。我国高速走丝电火花线切割机整体水平仍属于低档产品，其加工精度低、精度保持性差、 自动化程度低，数控功能简单。 低速走丝电火花线切割机的研制和生产我国起步较晚，在八十年代才开始。目前在产品性 能、精度、稳定性、电源系统和数控系统等方面与国外产品还有很大差距，尤其在电源、数控 系统的开发应用上差距更大。国产低速走丝线切割机的最好技术指标大体是加工精度a n ， 加工表面粗糙度r a 0 5 a n ，加工生产率为1 7 0 - 1 8 0m m 2 m i n 。目前，国内能够生产低速走丝 线切割机的厂商主要有苏州电加工机床研究所、北京机床研究所、苏州三光科技有限公司、汉 川机床厂等。苏州电加工机床研究所的慢走丝机床是完全国产化机床，功能较全，性能价格比 较高北京机床研究所是引进日本j a p a x 公司的l s 3 5 0 x 慢走丝机床，苏州三光科技有限公司 是通过与大同机械合作，汉川机床厂的h c x 2 5 0 系统是引进日本s o d i c k 公司的l l 系统，机 床部分由该厂自己设计制造、系统功能较全。同国外低速走丝线切割机相比差距很明显的， 而且是多方面的。 从技术的角度来讲。影响我国电火花线切割机水平的因素有很多，在众多因素中，脉冲电 源是电火花线切割机的核心技术，直接制约着线切割加工的工艺技术水平电火花线切割加工 的加工精度、表面粗糙度、生产率与脉冲电源的单个脉冲放电能量、脉冲宽度、脉冲放电电流 有直接的关系要获得r a 0 4 a n 以下的表面粗糙度，脉冲宽度需要做到0 i 乒召的数量级。要取 2 南京航空航天大学硕士学位论文 得更好的表面粗糙度，脉冲宽度要达到纳秒级。对于保证生产率而言，电源需要提供上千安培 的峰值电流，高生产率的电源所提供的峰值电流已超过1 0 0 0 a 这样的电源，对于传统的r c 回路是做不到的。就目前的认识来看，必须是无电阻( 脉冲) 电源才能保证。 1 2 国内外电火花加工脉冲电源研究 脉冲电源是电火花加工机床中至关重要的组成部分，它的电压电流输出特性直接决定着电 火花加工的生产率、表面质量、材料去除率、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指 标，在电火花加工机床当中占据着极其重要的地位。国内外对电火花加工机床的脉冲电源进行 深入的研究，已经生产出各种电火花加工脉冲电源，应用于现代电加工领域，获得了极大的成 果【3 1 。 1 2 1 传统的电火花加工脉冲电源 r c 脉冲电源电路原理如图1 1 所示： r 。 c 二 一 一 _ - 一 r 图1 1r c 脉冲电源 r c 脉冲电源是最早使用的电火花脉冲电源，由图1 1 可得它由两个回路组成：一个是充电 回路，由直流电源e 、充电电阻r ( 可调节充电速度，同时限流以防电流过大及转变为电弧放电， 故又称为限流电阻) 和电容器c ( 储能元件) 所组成；另一个回路是放电回路，由电容器c 、工具 电极和工件及其间的放电间隙所组成。当直流电源接通后，电流经限流电阻r 向电容c 充电， 电容c 两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的 电压，因此当电容c 两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压u d 时，间隙就被 击穿，电阻变得很小，电容器上存储的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流。电容上的能量释 放后，电压下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又 重复前述过程【j r c 线路脉冲电源的优点为： ( 1 ) 结构简单，工作可靠，成本低； ( 2 ) 在小功率时可以获得很窄的脉宽( 小于0 1 ，8 ) 和很小的单个脉冲能量，可用作光整加工 3 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 和精微加工。 然而，r c 脉冲电源放电过程存在的主要缺点是脉冲能量不可控，影响了工件加工表面质 量，而这又是微细加工的大忌。 晶体管可控r c 脉冲电源电路结构如图1 2 所示： 图1 2 晶体管脉冲电源 从图1 2 可以看到，此电源的特点在于将充电电容器串联在可控晶体管q 与间隙之间，由于电 容器c 的电压波形在整个脉冲周期中是连续的，而且电容充放电的时间可以通过晶体管的开关 来控制，只要一个容值合适的电容器就可以实现不同的脉宽。由于可控晶体管可以实现对脉冲宽 度、脉冲间隔时间的精确控制，因此克服了传统r c 电源的缺点。此外，由于采用一个容值合适的 电容器就可以实现不同的脉宽、脉间组合，因此使得脉冲电源的体积可以得到大幅减小【5 】。 该结构的优点： ( 1 ) 对于单个容值的电容器，只要控制晶体管的开关时间，就可以得到理想的放电脉冲宽度， 从而大大减少了并联回路的数量，简化了电路结构，减少了系统干扰对加工效果的影响。 ( 2 ) e h 于电容器的电压在整个脉冲期间是连续的，因此在脉间期间缩短了电容器的充电时 间，从而大大提高了脉冲电源的生产率。 ( 3 ) 可以获得很窄的脉宽，可以精确控制脉宽、脉间的大小用单个容值的电容就可以调节 脉宽、脉间的大小，从而实现微小能量的精确控制。 但晶体管的开关速度较低，而且对温度较敏感需要较好的散热条件。 1 2 2 新型脉冲电源 随着电火花加工技术的日益完善和不断发展，电工电子技术、计算机控制技术的成熟以及 现代控制理论的不断丰富，电火花加工脉冲电源技术得到了飞速的发展，出现了很多新型的脉 冲电源和新的发展趋势。目前针对电火花加工脉冲电源主要有以下几个研究和发展方向：节能 式脉冲电源、精微加工脉冲电源、无电解脉冲电源、智能化脉冲电源、专用辅助脉冲电源等1 6 , 7 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 2 1 节能式脉冲电源 要实现节能，必须在保证满足加工要求的同时，尽可能以较少的电能蚀除更多的金属典型 电火花加工机床采用的晶体管式脉冲电源工艺水平已达到相当高度，但由于其主回路采用电阻 限流，所以有7 5 8 0 左右的主回路能量被变成焦耳热而白白浪费掉。因此，要实现节能型电 火花加工电源的要求，须采用基本无能耗的限流电阻，才能达到节能的目的。由于用无能耗电 感取代限流电阻，多以如何稳定脉冲电源的峰值电流，抑制电感在功率管关断期间产生的高压 反峰以及降低功率管在高频开关状态下的开关损耗的问题，作为节能式电火花脉冲电源的主要 研究内容，也是节能式脉冲电源的关键技术。 p w m 控制节能式电火花加工脉冲电源原理图如图1 3 所示： d 3 1 e 3 图1 3p w m 控制节能式电火花加工脉冲电源原理图 图1 3 是哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所在2 0 0 1 年研制的p w m 控制节能式电 火花加工脉冲电源。与放电间隙并联两个供电回路：一个为传统式脉冲电源电路形式的高压脉 冲回路，另一个为串联型开关稳流电路形式的低压脉冲回路，电感l l 的电感电流是电流闭环 控制系统的被控量，由电流闭环p w m 控制机制实现峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔可调的脉 冲电流输出，用来蚀除金属。在进入脉间阶段时，关断功率管q 2 ，使节能式脉冲电源具备独立 式电气特性，消除拖尾电流。 1 2 2 2 精微加工脉冲电源 精微加工技术是目前现代制造业的一个重要的发展方向而提高精密电火花线切割加工脉 冲电源的性能，是实现精微加工的有效途径之一田内外在此方面特别是脉冲电源做了大量的 研究，并且有不少研究成果已经应用于实际的生产当中。 新型晶体管可控r c 微能脉冲电源原理图如图1 4 所示： 5 电火花线切割无阻脉冲电源的性能研究 r q 图1 4 新型晶体管可控r c 微能脉冲电源原理图 由图1 4 可以看出，可控r c 微能脉冲电源，由限流电阻、开关晶体管及并联在可控晶体 管q 与放电间隙之间的充电电容组成。其工作原理为直流源接通，在晶体管q 关断时，直流源 e 向电容器c 充电，当电容器两端的电压超过间隙的击穿电压之后，晶体管q 开通，脉冲电源进 入脉宽阶段，此时电容c 向间隙放电；当晶体管q 重新关断时，脉宽结束，脉冲电源重新进入 脉间阶段。在脉宽阶段，脉宽时间的长短是由晶体管q 的开通时间决定的，图4 所示为新型结构 的r c 脉冲电源电容器波形。该脉冲电源的特点在于：电容器c 的电压波形在整个脉冲周期中 是连续的，电容充放电的时间可以通过晶体管的开关来控制，只要一个容值合适的电容器就可 以实现不同的脉宽。由于可控晶体管可以实现对脉冲宽度、脉冲间隔时间的精确控制，因此克 服了传统r c 电路晶体管脉冲电源不能精确控制脉宽、脉间大小的缺点。 1 2 2 3 无电解脉冲电源 无电解脉冲电源是通过采用交变脉冲来防止工件材料电解氧化的。这对于改善模具的表面 质量、降低微观裂纹和锈蚀、提高模具的使用寿命，具有极好效果。图1 5 为日本沙迪克公司 研制的m a r k 2 5 型无电解脉冲电源电路。它能在从粗加工到精加工的整个过程防止电解现象产 生，可防止加工钛合金时产生的变色和阳极氧化、铝合金的孔蚀以及加工屑的附着、聚晶金刚 石结合材料的溶解和硬度的降低及孔蚀。 r 2 6 v 2 图1 5 无电解脉冲电源原理图 南京航空航天大学硕士学位论文 此外，三菱电机公司开发的a e 3 h s 型双极性高速无电解脉冲电源从粗加工到精加工都能 达到高精度。该电源能消除加工表面的硬度降低、微观裂纹和锈蚀，可大大提高模具或零件的 使用寿命。由于加工硬质合金及其它烧结材料时没有粘接剂析出，所以加工后材料强度不受影 响。a e 脉冲电源是交变脉冲使平均电压为零的脉冲电源，加工时输出极好的等能量脉冲，可 防止工件表面的锈蚀氧化，保证加工表面均匀。同时，电源的峰值达到1 0 0 0 a ，脉宽为微秒级。 放电时，蚀除材料呈气相抛出，工件表面温度低，开裂现象大为减少，几乎没有微观裂纹，加 工表面粗糙度可达到尺。1 n n 。 1 2 2 4 其他新型电源 除了以上介绍的几种新型脉冲电源新型研究方向以外，新型脉冲电源的研究还集中在以下 方面：毫微秒级高峰值电流电源，新型等能量脉冲电源，专用辅助电源等。其中针对不同用途 开发不同的专用脉冲电源是脉冲电源发展的一个特点，如短路搭桥粉碎电源，硬质合金加工电 源，专用无光泽表面加工电源等。 总的来说，国外各种高效率、高精度线切割加工脉冲电源层出不穷，国内也开发了中档的 线切割脉冲电源，但与国外的先进水平还有很大差距。未来线切割加工脉冲电源主要向高加工 效率、高精度、自动化、智能化发展。 1 3 论文研究的主要内容 本论文综合国内外电火花线切割加工脉冲电源技术的研究现状，以节能型脉冲电源为模板， 针对传统电火花线切割机床脉冲电源能耗大，响应速度低，加工电流不稳定等问题，研制出了 窄脉宽、大电流的无阻脉冲电源。主要由三部分组成：即输入回路、恒流源、加工回路。输入 回路由线路滤波器、浪涌电流抑制回路、整流回路构成，提供d c d c 变换器高效直流输入电 压恒流源部分主要由d c ，d c 变换器、输出整流、输出滤波、控制电路组成。加工回路由脉 冲形成电路和高压引弧电路构成 本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 系统硬件调试，包括系统电路结构，线路滤波器、浪涌电流抑制回路、整流回路，d c d c 变换器，输出整流、输出滤波、控制电路的调试。 ( 2 ) 应用所研制的无阻脉冲电源在电火花线切割机床上进行加工工艺实验，对无阻脉冲电源 性能进行研究为进一步将该电源应用于实际加工奠定基础。 7 电火花线切割无阻脉冲电源