CN101829817A - 一种通过与极间并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过与极间并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法，与极间并联接入高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管反向偏置，二极管的两接线端尽可能分别靠近电极和工件。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，能显著提高微细电火花加工的加工速度。
Description
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并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法。
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，分配到两极上的放电能量是不同的，当工件为正极即正极性放电时，分配到工件上的放电能量较大，多次放电现象的存在使得工件的极性在正极和负极之间更换，当工件为负极，即负极性放电时，由于分配到工件上的放电能量少，因此工件材料的蚀除速度低，从提高加工速度的角度考虑，应该使工件始终接正极。为此本专利提出一种在极间并联高速开关二极管(或超快恢复二极管)的方法，使得一次放电中的负方向放电反转为正极性放电，即使得一次放电中的多次放电均为正极性放电，从而达到提高加工速度的目的。
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；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，工件被蚀除的速率比电极被蚀除的速率大的多。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[1]。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所示的通过在极间并联高速开关二极管提高微细电火花加工速度的方法，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。极间并联二极管后，正向电流从极间通过，而反向电流则从二极管通过，从而达到滤除反向电流的目的，同时经过二极管反向流过的电流会立即对脉冲电源回路中的电容以及电路中的分布电容进行充电，而该电容被充电的电荷又会瞬间“返还”给极间，并且此时“返还”的电流是正向电流——有益电流，故极间并联二极管后能够起到滤除反向电流并且将反向电流转变为正向电流的作用，故能提高电火花加工速度。
本发明是一种用于微细电火花加工中提高电火花加工速度的方法，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)在极间并联高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管反向偏置，二极管的两接线端尽可能分别靠近电极和工件；
(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极间并联二极管以提高加工速度：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较大能量下恒速进给时并联二极管对提高加工速度的效果：图中可以看出并联高速开关二极管后加工速度有明显提高。
●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，负方向放电电流被转换为正方向放电电流。
●图5较小能量下伺服进给时并联二极管对提高加工速度的效果：图中可以看出并联高速开关二极管后加工速度有明显提高。
●表1实验条件。
具体实施例
本发明的通过与极间并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法，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)在极间并联高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管反向偏置，二极管的两接线端尽可能分别靠近电极和工件；
(c)电源上电进行放电加工。
其中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所示的方法在极间并联高速开关二极管(或超快恢复二极管)可以有效地提高加工速度。试验结果表明加工速度可以提高15％-60％。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提高加工速度的效果也更加显著。然而对于图2(b)所示的独立式晶体管电源，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，电流的振荡部分与之相比显得微乎其微，故粗加工时效果不明显。
现以图2(a)为例说明具体实施方法。为了证明该方法的广泛适用性，分别采用大能量下恒速进给(不用伺服反馈)和小能量下伺服进给(采用伺服反馈)的方式进行了实验。
(1)大能量下恒速进给放电加工
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，使二极管的两个接线端尽量靠近工件和电极。分别在并联与不并联二极管的情况下进行放电加工，并测量其加工速度。实验时不使用极间状态检测与伺服，只用恒速进给加工(没有回退)，逐渐加快进给速度，直至出现短路无法进行电火花加工，则该速度可以认为是该条件下可能达到的最快加工速度。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，无二极管时有反向电流存在，并联二极管后则没有反向电流，且反向电流“翻”为正向电流。图4为大能量下采用恒速进给的加工速度对比，从中可以看出极间并联二极管后，加工速度提高了60％以上，加工速度明显加快。
(2)小能量下伺服进给放电加工
采用小能量下伺服控制进行微细电火花加工，此时电容C取4400pF，其他条件同表1，加工深为800μm的盲孔，使二极管的两个接线端尽量靠近工件和电极。分别在并联与不并联二极管的情况下进行放电加工，并测量其加工速度，采用加工时间衡量加工速度。图5为较小能量下采用伺服进给的加工速度对比，从中可以看出极间并联二极管后，加工速度也提高了15％以上。
表1：实验条件
Claims (2)
1.一种通过与极间并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法，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)在极间并联高速开关二极管或超快恢复二极管，二极管反向偏置，二极管的两接线端尽可能分别靠近电极和工件；
(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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| CN201010102066A CN101829817A (zh) | 2010-01-28 | 2010-01-28 | 一种通过与极间并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法 |
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| CN201010102066A CN101829817A (zh) | 2010-01-28 | 2010-01-28 | 一种通过与极间并联二极管以提高微细电火花加工的加工速度的方法 |
Publications (1)
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| CN (1) | CN101829817A (zh) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN104014878A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-09-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路及加工方法 |
| CN115488457A (zh) * | 2022-10-09 | 2022-12-20 | 浙江艾格森智能制造有限公司 | 一种高光洁度放电方法及其装置 |
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- 2010-01-28 CN CN201010102066A patent/CN101829817A/zh active Pending
Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN104014878A (zh) * | 2014-06-19 | 2014-09-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路及加工方法 |
| CN104014878B (zh) * | 2014-06-19 | 2016-04-13 | 哈尔滨工业大学 | 一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路及加工方法 |
| CN115488457A (zh) * | 2022-10-09 | 2022-12-20 | 浙江艾格森智能制造有限公司 | 一种高光洁度放电方法及其装置 |
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