專利名稱：：一種通過與極間并聯(lián)二極管以提高微細(xì)電火花加工的加工速度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明用于微細(xì)電火花加工的放電回路，尤其是一種通過與極間并聯(lián)二極管以提高微細(xì)電火花加工的加工速度的方法。
背景技術(shù)：
：電火花加工中常用的電源有RC馳張式脈沖電源和獨(dú)立式晶體管脈沖電源。不論哪種電源，在進(jìn)行微細(xì)電火花加工時(shí)，放電時(shí)都存在放電電流的振蕩現(xiàn)象，如圖1所示為使用RC電源進(jìn)行微細(xì)電火花加工時(shí)的極間電壓電流波形。理想的放電電流波形如圖(a)所示，但是實(shí)際測量的放電電流波形如圖(b)所示在一次放電過程中存在著振蕩。從圖1(b)可以看出，極間被擊穿后，極間電壓下降，同時(shí)極間電流急劇上升，產(chǎn)生電火花放電，當(dāng)?shù)谝淮坞娏髅}沖結(jié)束后，產(chǎn)生了方向相反的第二次電流脈沖，接著還有第三次、第四次電流脈沖……，即第一次電流脈沖結(jié)束后產(chǎn)生了電流振蕩，關(guān)于該電流振蕩現(xiàn)象可以有兩種不同解釋一種解釋認(rèn)為第一次正向電流脈沖為放電電流，第二次電流脈沖為放電結(jié)束后絕緣介質(zhì)絕緣恢復(fù)期間的電磁振蕩；另外一種解釋認(rèn)為第一次正向電流脈沖為放電電流，第二次及之后的電流脈沖均為由于電路中分布電感引起的反向放電電流。本專利發(fā)明人對上述現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果證明了上述第二種解釋是正確的，即極間被擊穿瞬間發(fā)生放電電流振蕩時(shí)存在著正反極性多次放電現(xiàn)象。電火花加工時(shí)，分配到兩極上的放電能量是不同的，當(dāng)工件為正極即正極性放電時(shí)，分配到工件上的放電能量較大，多次放電現(xiàn)象的存在使得工件的極性在正極和負(fù)極之間更換，當(dāng)工件為負(fù)極，即負(fù)極性放電時(shí)，由于分配到工件上的放電能量少，因此工件材料的蝕除速度低，從提高加工速度的角度考慮，應(yīng)該使工件始終接正極。為此本專利提出一種在極間并聯(lián)高速開關(guān)二極管(或超快恢復(fù)二極管)的方法，使得一次放電中的負(fù)方向放電反轉(zhuǎn)為正極性放電，即使得一次放電中的多次放電均為正極性放電，從而達(dá)到提高加工速度的目的。
發(fā)明內(nèi)容電火花加工的實(shí)質(zhì)是，工具和電極之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時(shí)局部、瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫把金屬蝕除下來，即電能轉(zhuǎn)化為熱能蝕除金屬。又由于電火花放電時(shí)存在極性效應(yīng)放電時(shí)，能量在正負(fù)極——即工件與電極之間的分配不一樣，造成工件與電極受到不同程度的電蝕。已有研究對該現(xiàn)象的機(jī)理解釋如下粗加工時(shí)，脈沖電源脈寬較寬，放電時(shí)間較長，放電能量較大，此時(shí)電極接電源正極，工件接電源負(fù)極，極間被擊穿瞬間產(chǎn)生大量的等離子體，帶正電的正離子從電極向工件運(yùn)動(dòng)，帶負(fù)電的電子從工件向電極運(yùn)動(dòng)，粒子轟擊工件(或電極)表面產(chǎn)生大量的熱蝕除金屬，由于正離子的質(zhì)量比電子大很多，故正離子轟擊工件表面的能量比電子轟擊電極表面的能量大很多，因此，工件被蝕除的速率比電極被蝕除的速率大的多；精加工時(shí)，脈沖電源脈寬極小，故極間被擊穿后放電時(shí)間也極短，放電能量較小，電極與工件的接法正好與上述粗加工時(shí)相反，此時(shí)電極接電源負(fù)極工件接電源正極，極間被擊穿瞬間產(chǎn)生大量的等離子體，帶負(fù)電的電子從電極向工件運(yùn)動(dòng)，電子轟擊工件表面產(chǎn)生大量的熱，從而蝕除工件表面的金屬，帶正電的正離子由于其質(zhì)量比電子大很多，慣量也大很多，由于放電時(shí)間極短，正離子剛開始從工件向電極運(yùn)動(dòng)，還來不及轟擊電極表面，而電源脈寬已結(jié)束，放電過程隨后被終止，故從工件向電極運(yùn)動(dòng)并轟擊電極表面的正離子極少，故正離子轟擊電極表面的能量比電子轟擊工件表面的能量小很多，因此，工件被蝕除的速率比電極被蝕除的速率大的多。電火花加工時(shí)，最理想的情況是只蝕除工件上的金屬，不蝕除電極上的金屬。從提高生產(chǎn)率和減小工具損耗的角度來看，極性效應(yīng)越顯著越好[1]。因此，電火花加工一般采用單向脈沖電源，且精加工時(shí)工件接正極工具接負(fù)極(粗加工時(shí)反之)。微細(xì)電火花加工時(shí)一般工件接正極工具接負(fù)極就是考慮到要提高加工速度及減少電極損耗。針對圖1(b)所示的電流振蕩現(xiàn)象，本專利提出了圖2所示的通過在極間并聯(lián)高速開關(guān)二極管提高微細(xì)電火花加工速度的方法，其中圖2(a)針對RC脈沖電源，圖2(b)針對獨(dú)立式晶體管脈沖電源。極間并聯(lián)二極管后，正向電流從極間通過，而反向電流則從二極管通過，從而達(dá)到濾除反向電流的目的，同時(shí)經(jīng)過二極管反向流過的電流會(huì)立即對脈沖電源回路中的電容以及電路中的分布電容進(jìn)行充電，而該電容被充電的電荷又會(huì)瞬間“返還”給極間，并且此時(shí)“返還”的電流是正向電流——有益電流，故極間并聯(lián)二極管后能夠起到濾除反向電流并且將反向電流轉(zhuǎn)變?yōu)檎螂娏鞯淖饔?，故能提高電火花加工速度。本發(fā)明是一種用于微細(xì)電火花加工中提高電火花加工速度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)首先在工具電極與工件之間施加脈沖電源電壓；(b)在極間并聯(lián)高速開關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管反向偏置，二極管的兩接線端盡可能分別靠近電極和工件；(c)電源上電進(jìn)行放電加工。所述高速開關(guān)二極管反向恢復(fù)時(shí)間要在50ns以內(nèi)，二極管能夠在高頻條件下正常工作；二極管的反向擊穿電壓要比電火花加工時(shí)的工作電壓高；二極管的峰值電流要比電火花放電時(shí)的峰值電流大；正向?qū)〞r(shí)電阻要小。二極管型號(hào)選擇時(shí)首先考慮其工作電壓必須大于電火花加工時(shí)最大電壓，二極管的峰值電流必須大于電火花放電時(shí)最大電流，最后至關(guān)重要的一點(diǎn)就是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間必須極短，一般可選擇如下型號(hào)1N6621、1N5806、UF4004，極微細(xì)情況下(40V以下200mA電流的放電加工)可選擇1N4148等小信號(hào)高速開關(guān)二極管。圖1現(xiàn)有技術(shù)RC電源進(jìn)行電火花加工時(shí)的極間電壓電流波形圖(a)為理想的放電波形，圖(b)為實(shí)際測量的放電波形。圖2極間并聯(lián)二極管以提高加工速度圖(a)針對RC脈沖電源，圖(b)針對獨(dú)立式晶體管脈沖電源。圖3較大能量下恒速進(jìn)給時(shí)并聯(lián)二極管對提高加工速度的效果圖中可以看出并聯(lián)高速開關(guān)二極管后加工速度有明顯提高。圖4二極管對極間電壓電流波形的影響圖(a)為沒并聯(lián)二極管時(shí)的放電波形，可以看出放電電流存在振蕩，電流方向正負(fù)交替，圖(b)為并聯(lián)二極管時(shí)的放電波形，負(fù)方向放電電流被轉(zhuǎn)換為正方向放電電流。圖5較小能量下伺服進(jìn)給時(shí)并聯(lián)二極管對提高加工速度的效果圖中可以看出并聯(lián)高速開關(guān)二極管后加工速度有明顯提高。表1實(shí)驗(yàn)條件。具體實(shí)施例本發(fā)明的通過與極間并聯(lián)二極管以提高微細(xì)電火花加工的加工速度的方法，包括以下步驟(a)首先在工具電極與工件之間施加脈沖電源電壓；(b)在極間并聯(lián)高速開關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管反向偏置，二極管的兩接線端盡可能分別靠近電極和工件；(c)電源上電進(jìn)行放電加工。其中所述高速開關(guān)二極管反向恢復(fù)時(shí)間要在50ns以內(nèi)，二極管能夠在高頻條件下正常工作；二極管的反向擊穿電壓要比電火花加工時(shí)的工作電壓高；二極管的峰值電流要比電火花放電時(shí)的峰值電流大；正向?qū)〞r(shí)比電火花放電時(shí)的電阻要小。當(dāng)放電回路中分布電感較大時(shí)一次放電中的電流振蕩現(xiàn)象明顯，在該情況下采用圖2所示的方法在極間并聯(lián)高速開關(guān)二極管(或超快恢復(fù)二極管)可以有效地提高加工速度。試驗(yàn)結(jié)果表明加工速度可以提高15%-60%。尤其是精加工時(shí)分布電感的影響更加明顯，放電電流的振蕩更加劇烈，故采用高速開關(guān)二極管提高加工速度的效果也更加顯著。然而對于圖2(b)所示的獨(dú)立式晶體管電源，該方法僅適用于精加工，因?yàn)榫庸r(shí)(尤其是當(dāng)晶體管脈沖電源進(jìn)行超短脈寬加工條件下的微細(xì)電火花加工時(shí))電流振蕩明顯，而粗加工時(shí)電流脈寬很寬，電流的振蕩部分與之相比顯得微乎其微，故粗加工時(shí)效果不明顯。現(xiàn)以圖2(a)為例說明具體實(shí)施方法。為了證明該方法的廣泛適用性，分別采用大能量下恒速進(jìn)給(不用伺服反饋)和小能量下伺服進(jìn)給(采用伺服反饋)的方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。(1)大能量下恒速進(jìn)給放電加工采用圖2(a)所示的方法，在表1所示的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行盲孔加工實(shí)驗(yàn)，孔深為800μm，使二極管的兩個(gè)接線端盡量靠近工件和電極。分別在并聯(lián)與不并聯(lián)二極管的情況下進(jìn)行放電加工，并測量其加工速度。實(shí)驗(yàn)時(shí)不使用極間狀態(tài)檢測與伺服，只用恒速進(jìn)給加工(沒有回退)，逐漸加快進(jìn)給速度，直至出現(xiàn)短路無法進(jìn)行電火花加工，則該速度可以認(rèn)為是該條件下可能達(dá)到的最快加工速度。實(shí)驗(yàn)所用裝置為電火花加工三軸數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最小運(yùn)動(dòng)位移量為0.078μm。測得的極間放電電壓電流波形如圖3所示。圖中可看出，無二極管時(shí)有反向電流存在，并聯(lián)二極管后則沒有反向電流，且反向電流“翻”為正向電流。圖4為大能量下采用恒速進(jìn)給的加工速度對比，從中可以看出極間并聯(lián)二極管后，加工速度提高了60%以上，力口工速度明顯加快。(2)小能量下伺服進(jìn)給放電加工采用小能量下伺服控制進(jìn)行微細(xì)電火花加工，此時(shí)電容C取4400pF，其他條件同表1，加工深為800μm的盲孔，使二極管的兩個(gè)接線端盡量靠近工件和電極。分別在并聯(lián)與不并聯(lián)二極管的情況下進(jìn)行放電加工，并測量其加工速度，采用加工時(shí)間衡量加工速度。圖5為較小能量下采用伺服進(jìn)給的加工速度對比，從中可以看出極間并聯(lián)二極管后，加工速度也提高了15%以上。表1:實(shí)驗(yàn)條件<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種通過與極間并聯(lián)二極管以提高微細(xì)電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驟(a)首先在工具電極與工件之間施加脈沖電源電壓；(b)在極間并聯(lián)高速開關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管反向偏置，二極管的兩接線端盡可能分別靠近電極和工件；(c)電源上電進(jìn)行放電加工。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速開關(guān)二極管反向恢復(fù)時(shí)間要在50ns以內(nèi)，二極管能夠在高頻條件下正常工作；二極管的反向擊穿電壓要比電火花加工時(shí)的工作電壓高；二極管的峰值電流要比電火花放電時(shí)的峰值電流大；正向?qū)〞r(shí)比電火花放電時(shí)的電阻要小。全文摘要一種通過與極間并聯(lián)二極管以提高微細(xì)電火花加工的加工速度的方法，與極間并聯(lián)接入高速開關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管反向偏置，二極管的兩接線端盡可能分別靠近電極和工件。本發(fā)明用于微細(xì)電火花加工的放電回路，尤其是當(dāng)放電回路中存在較大分布電感的情況，能顯著提高微細(xì)電火花加工的加工速度。文檔編號(hào)B23H1/00GK101829817SQ20101010206公開日2010年9月15日申請日期2010年1月28日優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日發(fā)明者萬勇,楊曉冬,白基成,郭永豐申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)