基于非共振固有振荡的微细电火花加工脉冲电源的研究

孙术发,狄士春,韦东波,吕鹏祥,李兆龙

(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001;2.东北林业大学,黑龙江 哈尔滨 150040)

1 微能脉冲电源研究现状及其存在的问题

在微细电火花加工过程中,脉冲电源的放电能量越低,加工蚀除量越小,所以要实现微小加工,就要求制作的微能脉冲电源的单个脉冲放电能量尽可能的低。根据能量与电压、电流的关系,单个脉冲放电能量Wp可表示为[1]:式中:T为脉冲周期;u(t)为单个脉冲放电电压;i(t)为单个脉冲放电电流。

从式(1)可看出,要减少单个脉冲放电的能量有3种途径:降低放电电压、降低放电电流及提高脉冲电源频率。电火花放电为等离子体放电,放电时的电压和电流较恒定,电压维持在25 V左右,电流为较恒定的峰值,故通过减小放电电压和放电电流的方法来降低放电能量不可行,所以提高脉冲电源的频率是唯一可行的方法。

当前使用的微细电火花加工脉冲电源主要有两种:一种是独立式晶体管脉冲电源,它具有脉冲频率高、脉冲参数易调节、脉冲波形较好、易实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点;另一种是RC脉冲电源,传统的RC脉冲电源生产效率低,电容的充电时间较长,放电频率与电能利用率都较低,大部分电能经电阻转化为热能。虽然晶体管脉冲电源的脉冲频率较高,但要想将脉宽降到20 ns以下仍很困难[2-3],这主要是受开关元器件自身属性的限制,所以想实现20 ns以下的放电脉宽就要摒弃开关元器件,本文提出了利用导线自身的非共振固有振荡来制作电火花脉冲电源的思想。

2 非共振固有振荡制作微细电火花脉冲电源的原理

2.1 非共振固有振荡

在RLC串联电路中,当激励源频率与LC串联电路固有频率相等时,电路发生共振。共振时电路状态特征为:总阻抗达到最小、电压电流同相位。实验证明:当正弦激励源的频率 fs等于LC串联电路固有频率 f0的整数分之一时,即:

RLC串联回路中也会产生固有振荡现象。由于这时激励频率与电路固有频率不相等,故称为非共振固有振荡。这种非共振固有振荡与通常人们熟知的谐波共振是完全不同的两种振动现象。

通过调节信号发生器使 fs=f0/2,f0/3,f0/4,f0/5,使用示波器两个通道观察激励源和非共振固有震荡的波形图(图1)[4-5]。

由图(1)可见,通过调节信号发生器的频率使固有频率 f0为信号发生器频率 fs的整数倍,那么非共振固有振荡就可持续进行。只是振荡波的幅度并不相同,这是由于振荡过程中发生衰减造成的。

2.2 微细电火花放电电路等效图

由于线路和机床电极、工件固有电感和电容的存在,整个电火花放电电路可等效为LC振荡电路,具有固有振荡频率。所以,只要给定一个脉冲激励,频率为放电电路固有振荡频率的整数分之一,放电电路就会发生非共振固有震荡,产生高频脉冲,脉冲频率可达1 GHz,放电脉宽可达ps级,振荡波形和放电波形可通过示波器观察。

图2是微细电火花放电加工原理图,可抽象为图3所示的等效电路模型。电极直径很小,电阻R1较大,金属工件的电阻率很低,体电阻的影响可忽略。间隙介质击穿后产生放电,形成放电通道,极间电阻明显下降。电火花极间放电为等离子体放电,极间可等效为电容器,用 C表示[6]。放电端电极与金属工件间隙之间的工作液具有一定的导电性能,能发化学反生微弱的电应,其间隙电阻用R2表示。

图3 微细电火花放电等效电路图

电火花加工机床的电极与工件需由导线联接,导线可等效为电阻和电感,长为 l、直径为φ的导线模型图见图4,图5是该导线的等效电路图。

导线内电感为 L1,导线与导线之间、与大地之间还存在外电感,只要保证导线之间的距离足够远,那么,外电感就可忽略不计。由导线和微细电火花机床组成的等效电路图见图6。结合非共振固有振荡原理可知,只要给一个频率为放电电路固有振荡频率整数倍分之一的脉冲激励,放电电路就会形成非共振固有振荡,振荡频率为:

图6 微细电火花放电电路等效图

2.3 脉冲激励发生器的制备

脉冲激励发生器是产生脉冲激励的装置,用来产生频率为放电电路固有振荡频率整数倍分之一的脉冲。由于放电电路的固有振荡频率很高,可达几百兆,脉冲激励频率也要达到几百兆,这就要求脉冲发生器能产生快速可调的脉冲信号。本文设计的脉冲激励发生器是利用高速功率管Mosfet作为开关,从而产生高频窄脉宽,Mosfet管具有开通与关断时间为几个ns的功能,能满足产生脉冲电源所要求的脉冲激励发生器的功能。脉冲激励发生器的原理图见图7。

3 仿真分析

利用电路仿真软件Multisim10.0对电火花放电电路进行了仿真,仿真电路图见图8。Mosfet驱动信号的脉宽为20 ns,周期为25 ns,电压 U0为50 V,电感 L2为5 nH,电容 C2为 5 pF。通过示波器测定放电电路波形图(图9)。

图9 仿真波形图

通过计算可知电路的震荡周期为1.176 ns,如使放电电路在正半周放电、负半周不放电,那么放电脉宽为650 ps或更低,这样就可实现ps级电火花放电,使放电能量更低,为实现纳米级电火花放电提供理论支持。

4 结论

传统的微细电火花脉冲电源由于受到开关元器件自身属性的限制,其脉冲宽度难以进一步降低。本文提出利用机床和导线所产生的电感和电容制作脉冲电源的想法,整个电路结构简单,减少了众多元器件间的干扰。运用非共振固有振荡的原理使机床电容与传输线电感发生振荡,经仿真观察发现振荡频率高达1 GHz左右,放电脉宽可达650 ps,可实现ps级放电,为进一步进行纳米级电火花加工提供了理论支持。

[1] 刘晋春,白基成,郭永丰.特种加工[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2] 李文卓.微细电火花加工系统及其相关技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002.

[3] 刘明宇.微细电火花加工超短脉宽脉冲电源的研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[4] 方天申.物体的非共振固有振动与谐波共振的区别实验研究[J].信阳师范学院学报(自然科学版),2001,14(4):398-400.

[5] 方天申.LC串联电路非共振固有振荡与数学描述[J].安徽大学学报(自然科学版),2006,30(1):45-48.

[6] Parfenov E V,Yerokhin A L,Matthews A.Frequency response studies for the plasma electroly tic oxidation process[J].Surface&Coatings Technology,2007,201:8661-8670.