專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種通過(guò)與極間串聯(lián)二極管以減小微細(xì)電火花加工工具電極損耗的方法
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(guò)與極間串聯(lián)二極管以減小微細(xì)電火花加工工具電極損耗的方法。
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(cè)量的放電電流波形如圖(b)所示在一次放電過(guò)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(zhuān)利發(fā)明人對(duì)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)，人們常常利用極性效應(yīng)來(lái)減小電極損耗(精加工時(shí)工具電極接負(fù)極，粗加工時(shí)反之)，由于極間被擊穿的瞬間存在著正反多次放電，這必然會(huì)削弱極性效應(yīng)，從而會(huì)加劇電極損耗。為此，本專(zhuān)利提出在極間串聯(lián)或并聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管(或超快恢復(fù)二極管)方法分別用以減小電極損耗。為此本專(zhuān)利提出一種在極間串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管(或超快恢復(fù)二極管)的方法，使得被擊穿瞬間多次放電中的正極性放電反轉(zhuǎn)為負(fù)極性放電，則一次放電中的多次放電均負(fù)極性放電，從而達(dá)到減小工具電極損耗的目的。
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(lái)，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(duì)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(zhǎng)，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，故電極損耗比小(電極損耗比為電極的損耗體積與工件被蝕除體積之比)；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(kāi)始從工件向電極運(yùn)動(dòng)，還來(lái)不及轟擊電極表面，而電源脈寬已結(jié)束，放電過(guò)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，工件的蝕除速率比電極的蝕除速率大得多，故電極損耗比小。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(lái)看，極性效應(yīng)越顯著越好。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(duì)圖1(b)所示的電流振蕩現(xiàn)象，本專(zhuān)利提出了圖2所示的通過(guò)在極間串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管來(lái)減小微細(xì)電火花加工工具電極損耗的方法，其中圖2(a)針對(duì)RC脈沖電源，圖2(b)針對(duì)獨(dú)立式晶體管脈沖電源。極間串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管(或超快恢復(fù)二極管)后，由于濾除了反向放電電流，增強(qiáng)了極性效應(yīng)，故能減小工具電極損耗。本發(fā)明是一種用于微細(xì)電火花加工中減小工具電極損耗的方法，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)在離工具電極或工件最近的地方斷開(kāi)上述電源回路，并且在斷開(kāi)處接入高速開(kāi)關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個(gè)串聯(lián)回路；(c)電源上電進(jìn)行放電加工。所述高速開(kāi)關(guān)二極管反向恢復(fù)時(shí)間要在50ns以?xún)?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(kāi)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(cè)量的放電波形。圖2極間串聯(lián)二極管以減小電極損耗圖(a)針對(duì)RC脈沖電源，圖(b)針對(duì)獨(dú)立式晶體管脈沖電源。圖3極間串聯(lián)二極管對(duì)電極損耗比的影響圖中可以看出串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管后工具電極損耗比明顯減小。。圖4二極管對(duì)極間電壓電流波形的影響圖(a)為沒(méi)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4向放電電流被濾除。表1實(shí)驗(yàn)條件具體實(shí)施例本發(fā)明的通過(guò)與極間串聯(lián)二極管以減小微細(xì)電火花加工工具電極損耗的方法，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)在離工具電極或工件最近的地方斷開(kāi)上述電源回路，并且在斷開(kāi)處接入高速開(kāi)關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個(gè)串聯(lián)回路；(c)電源上電進(jìn)行放電加工。所述高速開(kāi)關(guān)二極管反向恢復(fù)時(shí)間要在50ns以?xún)?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所示的方法在極間串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管(或超快恢復(fù)二極管)可以有效地較小工具電極損耗。試驗(yàn)結(jié)果表明工具電極損耗至少可以減小10%以上。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(kāi)關(guān)二極管較小工具電極損耗的效果也更加顯著。然而對(duì)圖2(b)，即對(duì)獨(dú)立式晶體管電源而言，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，而電流的振蕩部分與之相比顯得微乎其微，故粗加工是效果不明顯。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，分別在串聯(lián)與不串聯(lián)二極管的情況下進(jìn)行放電加工，并測(cè)量工具電極損耗。實(shí)驗(yàn)中采用Φ80μm的碳鎢合金電極，由于電極直徑小，加工孔的深徑比又大，故電極損耗很明顯，對(duì)比實(shí)驗(yàn)的效果也顯著。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用極間狀態(tài)檢測(cè)與伺服。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(cè)得的極間放電電壓電流波形如圖3所示。圖中可看出，無(wú)二極管時(shí)除了有正向電流外還有反向電流存在，串聯(lián)二極管后則濾除了反向電流。圖4為極間串聯(lián)二極管對(duì)電極損耗比的影響，從中可以看出極間沒(méi)有串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管時(shí)電極損耗比為0.46(孔深為800μm,電極損耗為368μm)，極間串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管后電極損耗比為0.3875(孔深為800μm,電極損耗為310μm)，可見(jiàn)極間串聯(lián)高速開(kāi)關(guān)二極管后，電極損耗減小了16.3%。表1實(shí)驗(yàn)條件<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種通過(guò)與極間串聯(lián)二極管以減小微細(xì)電火花加工工具電極損耗的方法，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)在離工具電極或工件最近的地方斷開(kāi)上述電源回路，并且在斷開(kāi)處接入高速開(kāi)關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個(gè)串聯(lián)回路；(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(kāi)關(guān)二極管反向恢復(fù)時(shí)間要在50ns以?xún)?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(guò)與極間串聯(lián)二極管以減小微細(xì)電火花加工工具電極損耗的方法，在距離工具電極或工件最近的地方接入高速開(kāi)關(guān)二極管或超快恢復(fù)二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個(gè)串聯(lián)回路。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，能顯著減小微細(xì)電火花加工中工具電極的損耗。文檔編號(hào)B23H7/18GK101829822SQ20101010204公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)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(wàn)勇,楊曉冬,白基成,郭永豐申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)