2.3电火花成型加工用的脉冲电源

2.3　电火花成型加工用的脉冲电源

电火花成型加工的脉冲电源的作用是把220 V或380 V的50 Hz的工频正弦交流电转换成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。同时提供可供选择的放电参数:电流(平均或峰值)、电压(平均或峰值，不同的波形)、脉宽、脉间，因为选择不同的参数直接影响电火花的加工速度、表面粗糙度、电极损耗、加工精度等各项工艺指标。

2.3.1　对脉冲电源的要求

为了满足电火花成型加工的需要，对脉冲电源要求如下:

①要有较高的加工速度，故要求有一定的单个脉冲放电能量(脉宽×峰值电流)，保证能对工件材料进行放电蚀除。

②工具电极损耗低，故要求所产生的脉冲应该是单向的，没有负半波或负半波很小，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。

③加工过程稳定性好，故要求脉冲电压波形的前后沿应该较陡，这样才能减少电极间隙的变化及油污程度等对脉冲电宽度和能量等参数的影响，抗干扰能力强、不易产生电弧放电，使工艺过程较稳定，因此一般采用矩形波脉冲电源。

④工艺范围广，故要求脉冲的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求，同时要适应不同工件材料的加工，以及采用不同工具电极材料进行加工。近年来，出现了可调节各种脉冲波形的电源以适应不同加工工件材料和不同工具电极材料。

⑤工作性能稳定可靠、成本低、长寿命、低能耗，操作、检测和维修方便。

2.3.2　脉冲电源的类型

(1)脉冲电源总的分类

电火花成型加工用的脉冲电源按其作用原理和有用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型(见表2.1)，根据生产需要来选用。

表2.1　电火花成型加工用脉冲电源的分类

(2)脉冲电源的发展概况

①普及型(经济型)的电火花加工机床一般都采用高低压复合的晶体管脉冲电源。

②中、高档电火花加工机床都采用计算机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准参数。

③电火花加工机床的发展方向微细化、高精度化、高效率化。随着电力电子技术、计算机控制技术的成熟以及现代控制理论的不断丰富，传统的电火花加工脉冲电源已经无法满足要求，由此出现了节能型脉冲电源、无电解脉冲电源、微能脉冲电源、智能化脉冲电源、纳秒级大峰值电流脉冲电源以及各种专用辅助脉冲电源等。

在国外，瑞士阿奇公司开发的HSS型脉冲电源，日本沙迪克公司开发的无电阻节能型数控脉冲电源，都是高效低损耗节能电源。在我国，台湾科研人员于2000年申请了慢走丝线切割节能电源专利，它可将存储在电感中的电能释放到引燃回路和加工回路中，可显著地节约电能。

(3)RC线路脉冲电源(弛张式)

RC线路脉冲电源是最早使用的电源，也是一种最简单、最基本的一种电路。它是利用电容器充电储存电能，而后瞬时释放，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而放电，时而充电，一张一弛，故又称为“弛张式”脉冲电源。

RC脉冲电源工作原理图如图2.7所示，它由两个回路组成:一个是充电回路，由直流电源E、充电电阻R(可调节充电速度，同时限流以防电流过大及转变为电弧放电，故又称为限流电阻)和电容器C(储能元件)所组成；另一个是放电回路，由电容器C、工具电极和工件及其间的放电间隙所组成。

图2.7　RC线路脉冲电源

图2.8　RC线路脉冲电源电压、电流波形图

当直流电源接通后，电源经电阻R向电容C充电，电容C两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容C两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙的击穿电压u_d，如图2.8所示，间隙就被击穿，电阻变得很小，电容器上存储的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流i_e。电容上的能量释放后，电压瞬时下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又重复前述过程。如果间隙过大，则电容器的电压u_c按指数曲线上升到直流电源电压E。电阻R的作用是调节充电速度和限流防电弧。

RC线路脉冲电源的特点:电源结构简单，工作可靠，成本低，可获得很小的脉冲能量，可用作光整加工和精微加工；但电能利用率低，最大不超过36%，生产效率低(充／放电比超50)，脉冲间隔系数大，工艺参数不稳定。

为了改进传统的RC线路脉冲电源的电能利用率低、脉冲间隔系数大等缺点，研制出了RCL线路脉冲电源和可控RC微能脉冲电源。

RCL线路脉冲电源的特点是将RC的充电电阻一分为二，其中一部分电阻用来限制短路电流，另一部分电阻用电感L代替，如图2.9所示。由于电感对交流或脉冲电流具有感抗阻力，可限流且不会引起发热而消耗电能，故RLC线路脉冲电源的电能利用效率比RC线路高，可达60%～80%。同时，大大地缩短了电容C的充电时间，提高了脉冲频率；电容器C上的电压可充至高于直流电源的电压，提高了单个脉冲能量。

图2.9　RCL线路脉冲电源

图2.10　可控RC微能脉冲电源

可控RC微能脉冲电源由限流电阻、开关晶体管及并联在可控晶体管Q与放电间隙之间的充电电容组成，如图2.10所示。其工作原理为直流源接通，在晶体管Q关断时，直流源E向电容器C充电，当电容器两端的电压超过间隙的击穿电压之后，晶体管Q开通，脉冲电源进入脉宽阶段，此时电容C向间隙放电，当晶体管Q重新关断时，脉宽结束，脉冲电源重新进入脉间阶段。在脉宽阶段，脉宽时间的长短是由晶体管Q的开通时间决定的，由此，可改进传统RC电源的缺点。

上述的各类弛张式脉冲电源本身并不是“独立”形成和发生脉冲的，它是靠电极间隙中工作介质的击穿和消电离使脉冲电流导通和切断，故间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度等情况都会影响脉冲参数，故加工稳定性很差。而且，放电间隙经过限流电阻始终和直流电源直接相通，随时有放电的可能，易转为电弧放电。针对这些缺点，人们在实践中研制出了放电间隙和直流电源各自独立、互相隔绝、能独立形成和发生脉冲的电源，大大减少了由于电极间隙物理状态参数变化的影响。为区别弛张式脉冲电源，将其称为独立式脉冲电源，最常见的有晶体管式脉冲电源。

(4)晶体管式脉冲电源

晶体管脉冲电源是近年来发展起来的以晶体元件作为开关元件的用途广泛的电火花脉冲电源，它是利用大功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。由于输出功率大，脉冲频率高，脉冲参数调节方便，脉冲波形较好，易于实现多回路控制和自适应控制等特点，故适用于型孔、型腔、磨削等各种不同用途的加工，广泛地应用在电火花加工机床上。晶体管脉冲电源由于电参数与加工间隙无关属于独立式电源。

晶体管脉冲电源一般都是由主振级、前置放大级、功率放大级及直流等部分组成，其最基本的原理方框图如图2.11所示。

图2.11　晶体管脉冲电源原理方框图

由于以前晶体管的功率较小，每管导通电流约5 A，为了提高功率晶体管脉冲电源的输出功率和抗开关冲击性能，可调节粗、中、精加工规准，因此采用多管分组并联输出的方法，整个功率级由几十只大功率高频晶体管分为若干路并联，精加工只用其中一路或二路。

如图2.12所示为自振式晶体管脉冲电源原理图(只画出一路功率级)，主振级Z发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号，经放大级F放大，最后推动末级功率晶体管导通与截止。末级晶体管起着“开”“关”的作用:当晶体管导通时，直流电源电压U加在加工间隙上，击穿工作液进行火化放电；当晶体管截止时，脉冲即行结束，工作液恢复绝缘，准备下一个脉冲到来。每支晶体管均串联有限流电阻R，防止在放电间隙短路时不致损坏晶体管，并可以在各管之间起均流作用。

图2.12　自振式晶体管脉冲电源原理图

2.3.3　脉冲电源的扩展

近年来，随着电火花加工技术的发展，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸管或晶体管式脉冲电源的基础上，派生出不少新型电源和线路，如晶体管式-高低压复合脉冲电源、晶体管式-多回路脉冲电源、晶体管式-等脉冲电源、晶体管式-高频分组和梳形波脉冲电源、晶体管式-自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源等。

(1)高低压复合脉冲电源

高低压复合脉冲电源是指在放电间隙并联两个供电回路，如图2.13所示，一个为高压脉冲回路，高压(300 V)脉冲回路电压较高，但电流较小，起击穿间隙的作用，也就是控制低压脉冲的放电击穿点，保证前沿击穿，因而也称为高压引燃回路；另一个为低压(60～80 V)脉冲回路，电压较低，但电流较大，起蚀除金属的作用，所以称之为加工回路。所谓高低压复合脉冲，如图2.14(a)所示，在每个工作脉冲电压(60～80 V)波形上叠加一个小能量的高压脉冲(300 V左右)，电极间隙先击穿引燃而后再放电加工，大大提高了脉冲的击穿率和利用率，并使放电间隙变大，排屑良好，加工稳定，在“钢打钢”时显出很大的优越性。

图2.13　复合回路及高低压复合脉冲

近年来在生产实践中，除了高压脉冲和低压脉冲同时触发加到放电间隙之外，还出现了两种高压脉冲比低压脉冲提前一短时间Δ t，效果较好，如图2.14(b)、图2.14(c)所示，因为高压方波加到电极间隙上去之后，往往需要有一段延时才能击穿，在高压击穿之前低压不起作用，而在精加工窄脉冲时，高压不提前，低压脉冲往往来不及作用而成为空载脉冲，为此，应使高压脉冲提前触发与低压同时结束。

图2.14　高低压复合脉冲的形式

(2)多回路脉冲电源

多回路脉冲电源如图2.15所示，在加工电源的功率级并联分割出相互隔离绝缘的多个输出端，可以同时供给多个回路的放电加工。不依靠增大单个脉冲的放电能量，既可在不使得表面粗糙度值变大，又可提高生产率。这对大面积、多工具、多孔加工时很有必要，但回路需要选取得当，一般2～4个。

图2.15　多回路脉冲电源

(3)等脉冲电源

等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。对于矩形波脉冲电流来说，其控制放电脉冲电流的波形为等宽，即电流脉冲的t_e值均相等。等能量脉冲电源的组成结构框图如图2.16所示。

研究表明，在电火花加工过程中，单个放电脉冲能量的一致性越好，则可达到工艺指标也越高，在电压幅值不变的情况下，以使每个单个脉冲的放电能量相等，达到使加工表面放电凹坑一致、均匀的效果。特别是对于使用线电极的电火花加工，其加工效率等指标的提高越明显，则可提高加工速度和效率。

为获得等脉冲输出，通常是利用放电击穿检测电路检测到的火花击穿信号来控制放电持续时间及脉冲间隔控制电路，当间隙击穿后电压突然降低时作为脉冲电流的起始时间，经电路延时t_e之后，立即发出信号关断导通着的功放管，中断脉冲输出，切断火花通道，从而完成一个脉冲的输出。经过一定的脉冲间隔t₀，又发出下一个脉冲电压，使功放管导通，开始第二个脉冲输出过程。这样获得的极间放电电压和电流波形如图2.17所示，每次的脉冲电流宽度t_e相等，而电压脉宽t_i不一定相等。

图2.16　等能量脉冲电源的组成结构框图

图2.17　等脉冲电源的电压和电流波形

(4)高频分组和梳形波脉冲电源

如图2.18所示为高频分组脉冲电源波形，如图2.19所示为梳形波脉冲电源波形，这两种脉冲电源在一定程度上具有高频脉冲加工表面粗糙度值小和低频脉冲加工速度高、电极损耗低的双重优点，而且梳形分组波在大脉宽期间电源不过零，始终加有一较低的正电压，其作用为当负极性精加工时，使正极工具能吸附炭膜，获得较低的电极损耗。

图2.18　高频分组脉冲电源波形

1—高频脉冲；2—分组间隔

图2.19　梳形波脉冲电源波形

1—高频高压脉冲；2—低频低压脉冲

(5)自选加工规准电源和智能化、自适应控制电源

如图2.20所示为智能脉冲电源总体结构示意图。根据某一给定的目标(如保证一定表面粗糙度下提高生产率)连续不断地检测放电加工状态，当加工条件改变时，自适应控制系统都能自动地、连续不断地调节有关脉冲参数，防止电弧放电，以达到最佳稳定的放电状态。

图2.20　智能脉冲电源总体结构示意图

由于计算机、集成电路技术、数控技术的发展，脉冲电源正在不同程度地逐渐向数控化发展，数控化使得智能化脉冲电源有了很大的发展。智能化电源比起传统的脉冲电源有两大方面的突破:一是选取加工参数的智能优化；二是加工过程中的智能化控制。

1)选取加工参数的智能优化

选取加工参数的智能优化是建立在丰富、正确的加工工艺数据库基础上的。设计者将不同材料、不同加工面积等各种加工条件下，粗、中、精不同的加工工艺参数做成曲线表格，作为专家的数据库，写入计算机的只读存储芯片中，作为脉冲电源的一个组成部分。使用者只需将加工对象的材料、加工面积、加工深度、加工目标值等要求条件输入系统，机床脉冲电源就可自动选好与之相对应的加工参数，并在加工中自动转换，直至加工完成。

2)加工过程中的智能化控制

加工过程中的智能化控制能不同程度地代替人工监控功能，实现自适应控制功能。它能根据某一给定目标(保证一定表面粗糙度下提高生产率)连续不断地检测放电加工状态，并与最佳模型(数学模型或经验模型)进行比较运算，然后按其计算结果控制有关参数，以获得最佳加工效果。当工件和工具材料，粗、中、精不同的加工规准，工作液的污染程度与排屑条件，加工深度及加工面积等条件变化时，自适应控制系统都能自动地、连续不断地调节有关加工参数，如脉冲间隔、进给量、抬刀参数等，以防止电弧放电，并达到生产率最高的最佳稳定放电的状态。

要实现脉冲电源的自适应控制，首先问题是电极间放电状态的识别与检测；其次是建立电火花加工工程的预报模型，找出被控量与控制信号之间的关系，即建立所谓的“评价函数”；然后根据系统的评价函数设计出控制环节。由此可知，智能化脉冲电源已超出了一般脉冲电源的功能范围，实际上它已属于自动控制系统的范畴。

近年来还出现了模糊控制、人工神经元网络模糊控制等智能化控制脉冲电源和控制系统，模仿熟练工人和专家的思维和操作过程对电火花加工中的脉冲电源和伺服进给等多种参数进行智能化的自动控制。