CN101829822A - 一种通过与极间串联二极管以减小微细电火花加工工具电极损耗的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过与极间串联二极管以减小微细电火花加工工具电极损耗的方法，在距离工具电极或工件最近的地方接入高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管正向偏置，二极管、极间和脉冲电源三者形成一个串联回路。本发明用于微细电火花加工的放电回路，尤其是当放电回路中存在较大分布电感的情况，能显著减小微细电火花加工中工具电极的损耗。

Description

一种通过与极间串联二极管以减小微细电火花加工工具电极损耗的方法

技术领域

本发明用于微细电火花加工的放电回路，尤其是一种通过与极间串联二极管以减小微细电火花加工工具电极损耗的方法。

技术背景

电火花加工中常用的电源有RC驰张式脉冲电源和独立式晶体管脉冲电源。不论哪种电源，在进行微细电火花加工时，放电时都存在放电电流的振荡现象，如图1所示为使用RC电源进行微细电火花加工时的极间电压电流波形。理想的放电电流波形如图(a)所示，但是实际测量的放电电流波形如图(b)所示在一次放电过程中存在着振荡。

从图1(b)可以看出，极间被击穿后，极间电压下降，同时极间电流急剧上升，产生电火花放电，当第一次电流脉冲结束后，产生了方向相反的第二次电流脉冲，接着还有第三次、第四次电流脉冲……，即第一次电流脉冲结束后产生了电流振荡，关于该电流振荡现象可以有两种不同解释：一种解释认为第一次正向电流脉冲为放电电流，第二次电流脉冲为放电结束后绝缘介质绝缘恢复期间的电磁振荡；另外一种解释认为第一次正向电流脉冲为放电电流，第二次及之后的电流脉冲均为由于电路中分布电感引起的反向放电电流。

本专利发明人对上述现象进行了实验研究，研究结果证明了上述第二种解释是正确的，即极间被击穿瞬间发生放电电流振荡时存在着正反极性多次放电现象。电火花加工时，人们常常利用极性效应来减小电极损耗(精加工时工具电极接负极，粗加工时反之)，由于极间被击穿的瞬间存在着正反多次放电，这必然会削弱极性效应，从而会加剧电极损耗。为此，本专利提出在极间串联或并联高速开关二极管(或超快恢复二极管)方法分别用以减小电极损耗。为此本专利提出一种在极间串联高速开关二极管(或超快恢复二极管)的方法，使得被击穿瞬间多次放电中的正极性放电反转为负极性放电，则一次放电中的多次放电均负极性放电，从而达到减小工具电极损耗的目的。

发明内容

电火花加工的实质是，工具和电极之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来，即电能转化为热能蚀除金属。又由于电火花放电时存在极性效应：放电时，能量在正负极——即工件与电极之间的分配不一样，造成工件与电极受到不同程度的电蚀。已有研究对该现象的机理解释如下：粗加工时，脉冲电源脉宽较宽，放电时间较长，放电能量较大，此时电极接电源正极，工件接电源负极，极间被击穿瞬间产生大量的等离子体，带正电的正离子从电极向工件运动，带负电的电子从工件向电极运动，粒子轰击工件(或电极)表面产生大量的热蚀除金属，由于正离子的质量比电子大很多，故正离子轰击工件表面的能量比电子轰击电极表面的能量大很多，因此，工件被蚀除的速率比电极被蚀除的速率大的多，故电极损耗比小(电极损耗比为电极的损耗体积与工件被蚀除体积之比)；精加工时，脉冲电源脉宽极小，故极间被击穿后放电时间也极短，放电能量较小，电极与工件的接法正好与上述粗加工时相反，此时电极接电源负极工件接电源正极，极间被击穿瞬间产生大量的等离子体，带负电的电子从电极向工件运动，电子轰击工件表面产生大量的热，从而蚀除工件表面的金属，带正电的正离子由于其质量比电子大很多，惯量也大很多，由于放电时间极短，正离子刚开始从工件向电极运动，还来不及轰击电极表面，而电源脉宽已结束，放电过程随后被终止，故从工件向电极运动并轰击电极表面的正离子极少，故正离子轰击电极表面的能量比电子轰击工件表面的能量小很多，因此，工件的蚀除速率比电极的蚀除速率大得多，故电极损耗比小。电火花加工时，最理想的情况是只蚀除工件上的金属，不蚀除电极上的金属。从提高生产率和减小工具损耗的角度来看，极性效应越显著越好。因此，电火花加工一般采用单向脉冲电源，且精加工时工件接正极工具接负极(粗加工时反之)。微细电火花加工时一般工件接正极工具接负极就是考虑到要提高加工速度及减少电极损耗。

针对图1(b)所示的电流振荡现象，本专利提出了图2所示的通过在极间串联高速开关二极管来减小微细电火花加工工具电极损耗的方法，其中图2(a)针对RC脉冲电源，图2(b)针对独立式晶体管脉冲电源。极间串联高速开关二极管(或超快恢复二极管)后，由于滤除了反向放电电流，增强了极性效应，故能减小工具电极损耗。

本发明是一种用于微细电火花加工中减小工具电极损耗的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)首先在工具电极与工件之间施加脉冲电源电压；

(b)在离工具电极或工件最近的地方断开上述电源回路，并且在断开处接入高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管正向偏置，二极管、极间和脉冲电源三者形成一个串联回路；

(c)电源上电进行放电加工。

所述高速开关二极管反向恢复时间要在50ns以内，二极管能够在高频条件下正常工作；二极管的反向击穿电压要比电火花加工时的工作电压高；二极管的峰值电流要比电火花放电时的峰值电流大；正向导通时电阻要小。

二极管型号选择时首先考虑其工作电压必须大于电火花加工时最大电压，二极管的峰值电流必须大于电火花放电时最大电流，最后至关重要的一点就是二极管的反向恢复时间必须极短，一般可选择如下型号：1N6621、1N5806、UF4004，极微细情况下(40V以下200mA电流的放电加工)可选择1N4148等小信号高速开关二极管。

附图说明

●图1现有技术RC电源进行电火花加工时的极间电压电流波形：图(a)为理想的放电波形，图(b)为实际测量的放电波形。

●图2极间串联二极管以减小电极损耗：图(a)针对RC脉冲电源，图(b)针对独立式晶体管脉冲电源。

●图3极间串联二极管对电极损耗比的影响：图中可以看出串联高速开关二极管后工具电极损耗比明显减小。。

●图4二极管对极间电压电流波形的影响：图(a)为没并联二极管时的放电波形，可以看出放电电流存在振荡，电流方向正负交替，图(b)为并联二极管时的放电波形，负方向放电电流被滤除。

●表1实验条件

具体实施例

本发明的通过与极间串联二极管以减小微细电火花加工工具电极损耗的方法，包括以下步骤：

(a)首先在工具电极与工件之间施加脉冲电源电压；

(b)在离工具电极或工件最近的地方断开上述电源回路，并且在断开处接入高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管正向偏置，二极管、极间和脉冲电源三者形成一个串联回路；

(c)电源上电进行放电加工。

所述高速开关二极管反向恢复时间要在50ns以内，二极管能够在高频条件下正常工作；二极管的反向击穿电压要比电火花加工时的工作电压高；二极管的峰值电流要比电火花放电时的峰值电流大；正向导通时比电火花放电时的电阻要小。

当放电回路中分布电感较大时一次放电中的电流振荡现象明显，在该情况下采用图2所示的方法在极间串联高速开关二极管(或超快恢复二极管)可以有效地较小工具电极损耗。试验结果表明工具电极损耗至少可以减小10％以上。尤其是精加工时分布电感的影响更加明显，放电电流的振荡更加剧烈，故采用高速开关二极管较小工具电极损耗的效果也更加显著。然而对图2(b)，即对独立式晶体管电源而言，该方法仅适用于精加工，因为精加工时(尤其是当晶体管脉冲电源进行超短脉宽加工条件下的微细电火花加工时)电流振荡明显，而粗加工时电流脉宽很宽，而电流的振荡部分与之相比显得微乎其微，故粗加工是效果不明显。

采用图2(a)所示的方法，在表1所示的实验条件下进行盲孔加工实验，孔深为800μm，分别在串联与不串联二极管的情况下进行放电加工，并测量工具电极损耗。实验中采用Φ80μm的碳钨合金电极，由于电极直径小，加工孔的深径比又大，故电极损耗很明显，对比实验的效果也显著。实验时使用极间状态检测与伺服。实验所用装置为电火花加工三轴数控实验平台，最小运动位移量为0.078μm。

测得的极间放电电压电流波形如图3所示。图中可看出，无二极管时除了有正向电流外还有反向电流存在，串联二极管后则滤除了反向电流。图4为极间串联二极管对电极损耗比的影响，从中可以看出极间没有串联高速开关二极管时电极损耗比为0.46(孔深为800μm，电极损耗为368μm)，极间串联高速开关二极管后电极损耗比为0.3875(孔深为800μm，电极损耗为310μm)，可见极间串联高速开关二极管后，电极损耗减小了16.3％。

表1实验条件

 

 

Claims (2)

1.一种通过与极间串联二极管以减小微细电火花加工工具电极损耗的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(a)首先在工具电极与工件之间施加脉冲电源电压；

(b)在离工具电极或工件最近的地方断开上述电源回路，并且在断开处接入高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管正向偏置，二极管、极间和脉冲电源三者形成一个串联回路；

(c)电源上电进行放电加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速开关二极管反向恢复时间要在50ns以内，二极管能够在高频条件下正常工作；二极管的反向击穿电压要比电火花加工时的工作电压高；二极管的峰值电流要比电火花放电时的峰值电流大；正向导通时比电火花放电时的电阻要小。

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