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      摘　要：石墨作為電火花加工電極材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床在模具行業(yè)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。脈沖電源是電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)，研究石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床的脈沖電源具有較高的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)從加工效率和加工質(zhì)量方面入手，設(shè)計(jì)了適合石墨工具電極的電火花加工的復(fù)合脈沖波形，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的脈沖電源。

        
     ０　引言

     石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床是專用石墨工具電極進(jìn)行數(shù)控電火花加工的機(jī)床。石墨工具電極，就是利用石墨制作成形的應(yīng)用于電火花加工（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ?。模椋螅悖瑁幔颍纾濉。停幔悖瑁椋睿椋睿?，簡(jiǎn)稱ＥＤＭ）的電極，區(qū)別于電鍍電極。石墨作為電火花加工電極材料，不僅具有易加工、重量輕、放電效率高、熱學(xué)性能好、變形小、不易
拉弧等優(yōu)點(diǎn)，而且石墨電極在長(zhǎng)脈沖粗加工時(shí)能吸附游離碳來(lái)補(bǔ)償電極的損耗，相對(duì)損耗率低，代替銅電極已成為必然［１］。石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床在模具行業(yè)已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

      脈沖電源是電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)［２］，脈沖電源對(duì)電火花加工的生產(chǎn)率、表面質(zhì)量、加工速度、加工過(guò)程的穩(wěn)定性和工具電極損耗等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有很大的影響［３］。

     １　、適合石墨工具電極的電火花加工脈沖

     １．１　影響石墨電極電火花加工的重要因素

      影響石墨電極電火花加工性能的因素有很多，如脈沖波形、工作液、加工面積和加工極性選擇等，其中脈沖波形對(duì)電火花加工特性有重要的影響。

      電火花加工也具有局限性，最突出的是加工速度較慢和存在電極損耗［３］，這既影響加工效率，又影響模具加工質(zhì)量。加工速度與電極損耗都與脈沖能量有關(guān)，能量在兩極上的分配對(duì)兩個(gè)電極電蝕量的影響是一個(gè)極為重要的因素［４］。

      電火花加工脈沖電源的可控參數(shù)有：脈寬、脈間、峰值電流、開(kāi)路電壓、脈沖的前沿上升率和后沿下降率。脈沖前后沿變化率相對(duì)于脈沖寬度較小時(shí)，影響蝕除量的單個(gè)脈沖能量即為單脈沖放電能量。

      由電火花加工時(shí)的各種放電狀態(tài)［４］可知，電火花放電間隙的電阻呈非線性特性，擊穿后間隙上的火花維持電壓是一個(gè)與電極對(duì)材料及工作液種類有關(guān)的數(shù)，與脈沖電壓幅值、極間距離以及放電電流大小等的關(guān)系不大，所以計(jì)算脈沖能量并不能用峰值電壓，在煤油中用石墨加工鋼時(shí)，約為２５～３０Ｖ［５］。故當(dāng)石墨加工鋼時(shí)的脈沖能量為：

     ＷＭ＝（２５～３０）＾ｉｅｔｅ （１）式中，ＷＭ為單個(gè)脈沖放電能量（Ｊ）；＾ｉｅ為脈沖電流幅值（Ａ）；ｔｅ為電流脈沖寬度（μｓ）。

      由式（１）可知，正負(fù)極的電蝕量正比于平均放電電流的大小和電流脈沖寬度，對(duì)于矩形波脈沖電流，實(shí)際上正比于放電電流的幅值。在通常的晶體管脈沖電源中，脈沖電流近似地為一矩形波。提高電火花加工速度的途徑在于：提高脈沖頻率ｆ，增加單個(gè)脈沖放電能量ＷＭ，設(shè)法提高工藝系數(shù)Ｋ［４］。

  
      在相同工藝條件下，對(duì)大型電極而言，提高加工速度的最有效途徑為增加單個(gè)脈沖能量ＷＭ。這主要依靠加大脈沖電流和增加脈沖寬度，即增加單個(gè)脈沖實(shí)際放電時(shí)間，采用低頻長(zhǎng)脈沖。這正是石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床進(jìn)行高速度粗加工所需的脈沖波形。

      提高電火花加工速度的另一個(gè)途徑就是提高脈沖頻率ｆ。提高脈沖頻率主要受消電離時(shí)間的制約，脈沖間隙時(shí)間過(guò)短，放電間隙來(lái)不及消電離和恢復(fù)絕緣，容易產(chǎn)生電弧放電，燒傷工件和電極［４］。但如果在脈沖放電結(jié)束后立即反向瞬間放電，有利于縮短消電離時(shí)間。

      文獻(xiàn)［４］對(duì)電極表面溫度場(chǎng)分布的研究表明，電極表面放電點(diǎn)瞬時(shí)溫度與瞬時(shí)放電總熱量（與放電能量成正比）有關(guān)。如果采用高頻，減少工具電極的熱量，電極表面溫度仍相對(duì)較低，依然損耗較少，而工件表面溫度仍較高而遭到高效蝕除，即進(jìn)一步降低損耗比。這正是石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床進(jìn)行精加工所需要的脈沖波形。

      １．２　適合石墨工具電極的電火花加工脈沖適合石墨工具電極的波形有如下幾種［６］：

      （１）矩形波。作用與特點(diǎn)：低頻脈沖能量大，脈沖加工速度高；高頻短脈沖光潔度好。

      （２）梳形脈沖波形。作用與特點(diǎn)：具有高頻短脈沖光潔度好和低頻長(zhǎng)脈沖加工速度高、電極損耗低的特點(diǎn)。

      （３）負(fù)尖峰脈沖。作用與特點(diǎn)：在矩形波脈沖后的負(fù)尖峰脈沖有助于間隙的消電離，但將使電極損耗增大，用于較寬脈沖時(shí)，能減輕對(duì)電極的覆蓋現(xiàn)象。

      結(jié)合以上分析，為適合石墨工具電極的電火花加工，進(jìn)一步提高有效脈沖利用率，達(dá)到高速、低耗、穩(wěn)定加工的要求，應(yīng)利用低壓低頻矩形長(zhǎng)波脈沖、高壓高頻矩形短波脈沖與負(fù)尖峰脈沖組合成為復(fù)合脈沖波形，如圖１所示。
   

                          圖１　復(fù)合脈沖波形

      ２、　適合石墨工具電極的電火花加工脈沖電源的設(shè)計(jì)

      ２．１　復(fù)合脈沖電源

  
      晶體管式脈沖電源不但脈沖頻率高、脈沖參數(shù)容易調(diào)節(jié)、脈沖波形較好，而且是利用大功率晶體管作為開(kāi)關(guān)元件而獲得單向脈沖的，易于實(shí)現(xiàn)多回路加工和自適應(yīng)控制［４］，所以高頻部分采用晶體管式脈沖電源。

      晶閘管式脈沖電源的輸出功率及最高生產(chǎn)率比晶體管式脈沖電源的大很多，因此起粗加工作用的低頻部分采用晶閘管式脈沖電源來(lái)提高輸出功率。

      為了實(shí)現(xiàn)低壓低頻矩形波脈沖、高壓高頻矩形波脈沖與負(fù)尖峰脈沖組合的復(fù)合波形，在晶體管式脈沖電源和晶閘管式脈沖電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了復(fù)合脈沖電源，其原理如圖２所示。

       
  
                                  圖２　復(fù)合脈沖電源的原理圖

      當(dāng)Ｋ１開(kāi)關(guān)按下時(shí)，晶閘管式脈沖電源工作。當(dāng)主功率管ＳＣＲ１和可控硅ＳＣＲ３被觸發(fā)后，電流由電源Ｅ通過(guò)限流電阻Ｒ１、主功率管ＳＣＲ１、檢測(cè)電阻Ｒ３、放電間隙電阻Ｒ２與放電間隙構(gòu)成回路，將電壓加在電極與工件兩極間，檢測(cè)電阻Ｒ３產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)；當(dāng)充電回路轉(zhuǎn)入負(fù)半周時(shí)，ＳＣＲ３自行關(guān)斷；當(dāng)可控硅ＳＣＲ２被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，主功率管ＳＣＲ１被迅速關(guān)斷，電極與工件兩極間沒(méi)有電壓，檢測(cè)電阻Ｒ３也沒(méi)有產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

      當(dāng)Ｋ２開(kāi)關(guān)按下時(shí)，高頻電源工作。檢測(cè)電阻Ｒ３發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)觸發(fā)主振級(jí)自激振蕩產(chǎn)生高頻脈沖，經(jīng)放大后觸發(fā)晶體管功放級(jí)，產(chǎn)生適合精加工的高壓高頻脈沖。
 

      當(dāng)Ｋ３開(kāi)關(guān)按下時(shí)，負(fù)向尖波電源工作。檢測(cè)電阻Ｒ３發(fā)來(lái)的脈沖信號(hào)經(jīng)下沿觸發(fā)器、尖峰信號(hào)發(fā)生器、脈沖轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生負(fù)向尖波脈沖，再經(jīng)放大后觸發(fā)晶體管功放級(jí)，在低壓低頻脈沖間隙產(chǎn)生負(fù)向尖波脈沖，加速消電離，縮短脈沖間隙。該電路中的整流二極管Ｄ能有效隔離高壓脈沖倒向低壓電路。

      該復(fù)合脈沖電源以低壓低頻長(zhǎng)脈沖為基礎(chǔ)，可根據(jù)工況需要與高壓高頻短脈沖和負(fù)向尖波脈沖進(jìn)行自由組合，具有較高的靈活性。

      ２．２　多回路脈沖電源

      石墨電極重量輕，比重為１．７～１．９，約為銅的１／５，對(duì)于大型電極可以減少工件重量，降低機(jī)床負(fù)荷和人工調(diào)裝難度，因此大型組合電極尤其適宜使用石墨材料。
 
 
      制作組合電極，這在大面積、多工具、多孔加工時(shí)很有必要，如大型腔模加工以及電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子沖模、篩網(wǎng)孔等多孔穿孔加工中經(jīng)常采用該組合結(jié)構(gòu)［４］。如果使用與之相配合的多回路電源，可在保證一定粗糙度和精度下，比單個(gè)回路提高近幾倍的生產(chǎn)率。

      多回路脈沖電源，即在加工電源的功率并聯(lián)分割出相互隔離絕緣的多個(gè)輸出端，可以同時(shí)供給多個(gè)回路的放電加工。這樣不依靠增大單個(gè)脈沖放電能量，即不使表面粗糙度變大而可以提高生產(chǎn)率［４］。多回路電源的控制部分，任意一個(gè)回路的短路信號(hào)都能通過(guò)過(guò)程檢測(cè)、伺服控制來(lái)控制主抽頭回升，以保護(hù)電極不被燒傷。當(dāng)某一回路放電間隙短路時(shí)，電極回升，全部回路都得停止工作。多回路脈沖電源一般采用２～４個(gè)回路，如電極間牽制干擾少，工況穩(wěn)定，回路數(shù)可適當(dāng)增多。多回路脈沖電源中，同樣還可采用高低壓復(fù)合脈沖回路［４］，如圖３所示。
   

                               圖３　多回路脈沖電源

       ３　、結(jié)語(yǔ)

      石墨電火花加工數(shù)控機(jī)床應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電火花加工數(shù)控機(jī)床的電源已發(fā)展到自選加工規(guī)準(zhǔn)電源和智能化、自適應(yīng)控制電源，但根據(jù)電極材料設(shè)計(jì)適用的基本波形及復(fù)合波形依然是關(guān)鍵技術(shù)。依據(jù)石墨工具電極的加工特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了適合石墨工具電極的電火花加工復(fù)合脈沖波形，并設(shè)計(jì)了復(fù)合脈沖電源和多回路脈沖電源，能有效提高電火花加工效率和加工質(zhì)量，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。