电火花加工用脉冲电源

电火花加工及其脉冲功率电源的研究电火花加工又称放电加工( electrical discharge machining, 简称ED)由于其能进行难切削材料和复杂形状零件的加工，而得到广泛的应用。

其中最主要的部分是脉冲电源，脉冲电源的技术性能好坏直接影响电火花成形加工的各项工艺指标，如加工质量精度、加工速度、电极损耗等。

本文将对电火花加工的原理及其脉冲电源进行简要介绍和研究。

一、电火花加工的工作原理进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。

通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。

在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。

这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。

紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。

这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。

在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。

因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。

在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。

常用的工作液是粘度较1-工件；2-脉冲电源；3-自动进给调节装置；4-工具；5-工作液；6-过滤器；7-工作液泵低、哥、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

图1电火花加工基本原理图2数控电火花成型加工机床基本组成、电火花加工的特点和应用 ⑴电火花加工的优点① 适合于难切削材料的加工。

电火花加工是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其力学性能（硬度、强度等）无关，因此电火花加工突破了传统切削工具的限制，实 现了用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶金刚石，立方氮化硼一类的超硬材料。

② 可以加工特殊及复杂形状的零件。

电火花加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及细微加工。

由于可以简单地将工具电极的形状 复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。

③ 易于实现加工过程自动化。

电火花加工直接利用电能加工，而电能、电参数易于数字控制，因此电火花加工适应智能化控制和无人化操作等。

改善其结构的工艺性。

例如采用电火花加工可以将拼 从而减少了模具加工工时和装配工时， 延长了模具不能用来加工塑料、 陶瓷等绝缘的非导电材料， 在一 定条件下可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。

② 加工速度一般较慢。

因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量， 然后再进行 电火花加工，以提高生产率，如果采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工， 其粗加工生产率可以高于切削加工。

③ 存在电极损耗。

因此电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。

现在，粗加工时电极相对损耗比可以将至 0.1%以下，在中、精加工时能将损耗比将至1%甚至更小。

④ 最小角部半径有限制。

一般电火花加工能得到的最小角部半径等于工作间隙（通常为0.02~0.03mm ），若电极有损耗或采用平动头加工，则角部半径还要增大。

现在，多轴数控电 火花加工④可以改进加工零件的结构设计， 镶结构的硬质合金冲模改为整体式结构, 的使用寿命。

⑵电火花加工的局限性①只能用于加工金属等导电材料，主铀头手动童脈冲电原工作液操作面板「工作台渥工作浚箱机床采用X Y、Z轴数控摇动加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底面。

⑶电火花加工的主要应用①加工各种金属及其合金材料，导电超硬材料（如聚晶金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷等），特殊的热敏材料，半导体和非导体材料。

②加工各种复杂形状难加工的型孔和型腔工件，包括加工圆孔、方孔、异形孔、微孔、深孔等型孔工件，特别适宜于加工弱刚度、薄壁工件的复杂外形，及各种型面的型腔工件，弯曲孔等。

③各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构零件的切断、切割微细窄缝及细微窄缝组成的零件（如金属栅网、慢波结构、异形孔喷丝板、激光器件等）。

④结构各种成形刀、样板、工具、量具、螺纹等成形器件。

⑤工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、外圆平面等磨削和成形磨削。

⑥刻写、打印名牌和标记。

⑦表面强化和改性，如金属表面高速淬火、渗氮、渗碳、涂敷特殊材料及合金化等。

⑧辅助用途，如去除折断在零件中的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。

由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，电火花加工技术已广泛用于机械（特别是模具制造）、航天、航空、电子、原子能、计算机技术、仪器仪表、电机电器、精密机械、汽车拖拉机、轻工等行业、以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题，加工范围从微小的轴、孔、缝、到超大型模具和零件。

为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的设计改进与制造提供了新的加工技术，为现代科学技术的发展和试验设计水平的提高提供了有效的手段。

三、电火花加工脉冲功率电源电火花成形加工机床的脉冲电源的作用是把普通220V或380V、50Hz交流电转换成在一定频率范围，具有一定输出功率的单向脉冲电，提供电火花成形加工所需要的放电能量来蚀除金属，满足工件加工要求的设备装置。

⑴电火花加工脉冲电源的分类电火花加工脉冲电源按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，按脉冲产生形式分为两大类，即非独立式脉冲电源和独立式脉冲电源；按功能可分为等电压脉宽（等频率）、等电流脉宽脉冲电源；模拟量、数字量、微机控制、智能化等脉冲电源。

国外在40-50年代、我国在50-60年代初，都曾在电火花加工中广泛地使用弛张式脉冲电源。

这种电源的基本电路是RC型和RLC型等电路。

工作原理是利用电容器存储电能，而后瞬时放电，成为脉冲电流，达到蚀除金属的目的。

因为电容器时而放电，时而充电，一张一弛，故称为弛张式电源。

因为这种线路的脉冲参数（放电波形、脉冲延时、放电频率及放电能量等）直接受加工过程中的电极间隙物理状态的影响（加工间隙的大小及介质的污染程度等），所以称为非独立式脉冲电源。

①RC型脉冲电源RC线路是弛张式脉冲电源中最简单、最基本的一种，原理电路如图3。

图3 RC型弛张式脉冲电源电路1-工具电极2-工件当直流电源接通后，电流经限流电阻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两端电压上升到工具电极和工件间隙的击穿电压U d时，间隙就被击穿，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，间隙中的工作液偶遇迅速恢复绝缘状态。

此后电容器再次充电，又恢复前述过程。

如果间隙过大，则电容器上的电压u c按指数上升到直流电源电压E。

RC线路脉冲电源的最大优点是结构简单，工作可靠，成本低；在小功率时可以获得很窄的脉宽（小于0.1卩s）和很小的单个脉冲能量，可用做光整结构和精微加工；电容器瞬时放电可达很大的峰值电流，能量密度很高，放电爆炸、抛出能力强，金属在汽化状态下被蚀除的百分比大，不易产生表面裂纹，加工稳定。

但这种脉冲电源存在着以下缺点：I、脉冲参数不稳定，其放电熄灭电压、单个脉冲能量及电容器输出功率都是随机变化的，与单个脉冲能量稳定的脉冲电源相比，在相同的加工粗糙度下，其加工速度则较低。

II、波形不好，影响加工速度。

RC型电路的充电电压波形以指数曲线上升，对放电间隙的消电离过程不利，迫使加工用的脉冲频率降低。

通常是借增大限流电阻R值来降低加工频率的。

但随着电阻的增大，输出功率便减小，因此RC型弛张式脉冲电源不适用于大功率的电火花加工。

III、电能利用率较低。

这种脉冲电源的电能利用率一般为25~35%它不仅多消耗了电能，而且增大了电源箱的发热量。

IV、工具电极的损耗大。

电容器直接向间隙快速放电，而电流幅值又较大，因此增大了工具电极的损耗。

此外，电容器在放电回路的分布电感影响下常形成振荡式的放电过程，出现负波放电，进一步增大了工具电极的损耗。

②RLC型脉冲电源基于RC型脉冲电源的上述缺点，在其充电回路中加入了一个电感L,组成工作性能较好的RLC型弛张式脉冲电源，其原理电路如图4。

图4 RLC型弛张式脉冲电源的电路RLC型脉冲电源与RC型相比具有以下两个优点:I、充电电压的波形较好RLC型弛张式脉冲电源的充电电压不是按指数曲线上升，而是接近正弦曲线上升，这种曲线对放电间隙的消电离较为有利。

因此，它比RC型脉冲电源的实用频率可提高一倍以上，在加工精度相同时其加工速度亦可提高一倍以上。

II、电能利用率较高在此电源电路中，由于电容器的充电电压可以超过直流电源电压，所以放电效率大为提高，实用中的充电效率可达60鳩上。

但是，RLC型弛张式脉冲电源也是非独立式的，即脉冲频率、单个脉冲能量和输出功率等电参数仍取决于放电间隙的物理状态，因此，它与RC型脉冲电源类似，也会对加工的工艺指标产生不利的影响；又因放电回路与RC型脉冲电源相似，工具电极的损耗也较大。

此外，由于充电回路中电感L的作用，在电火花加工过程中经常会在电容器两端出现过电压，因此须对贮能电容器提出耐压较高的要求，通常应为直流电源电压值的4—5倍。

③RLCL及RCF型脉冲电源为了进一步改善弛张式脉冲电源的某些性能，可在放电回路中附加一个电感L2或电阻F2,如图5。

图5 RLCL及RCR型弛张式脉冲电源的电路a)RLCL型b)RCF型RLCL型脉冲电源在放电回路中空芯电感L2的作用是延长脉冲放电的时间。

虽然电感L2会使放电的电流幅值有所降低，但由于放电脉冲宽度加大，弓I起电感L i中的磁场能量的加大而得到了一定的补偿，结果脉冲电流的幅值可保持大致相同，而脉冲宽度却加大了。

所以，RLCL型脉冲电源的加工速度比RLC型脉冲电源提高10~15%,而工具电极的损耗则可减少10~15%RCR型脉冲电源中电阻R a的作用是使贮能电容器C产生非周期性的单向放电，从而降低了放电的电流幅值，又加大放电脉冲的宽度。