CN101016625B - 气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源 - Google Patents

Abstract

气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源，它涉及一种脉冲电源，它为了克服材料不能够充分熔融而造成加工不稳定的问题。它的第一直流电源的正极连接第一开关电路和第二开关电路的输入端，第二直流电源的正极连接第三开关电路的输入端，第三开关电路、第一开关电路和第二开关电路的输出端连接电火花加工平台的工具电极的输入端和控制电路的一个输入端，第一直流电源的负极和第二直流电源的负极连接电火花加工平台的工作台和控制电路的另一个输入端，控制电路的输出端分别连接第一开关电路的控制端、第二开关电路的控制端和第三开关电路的控制端。它降低沉积表面的裂纹、孔洞等缺陷，提高材料的表面质量，获得均匀致密的沉积结构，提高沉积加工的效率。

Description

气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源 

技术领域

本发明涉及一种脉冲电源，主要涉及一种微细电火花沉积加工的脉冲电源。 

背景技术

气体介质中微细电火花沉积加工是近几年兴起的一门技术，采用铜、钢、钨等金属材料作为工具电极，使用普通电火花加工机床，在气体介质中通过放电将工具电极材料沉积到工件上，配合相应的控制策略，从而实现微细结构的制作，这是对传统电火花加工方法的一大突破。 

不过由于传统的电火花加工机床多采用晶体管脉冲电源，电火花加工的时候脉冲宽度和脉冲间隔阶段依次循环，放电过程具有一定的骤冷骤热，另外由于气体介质中微细电火花沉积加工的特点决定了工具电极在加工的时候损耗量比较大，这样一次脉冲放电时脱落的工具电极材料经常来不及充分熔融下一次脉冲放电就又开始，周而复始就会在工件表面堆积大量的来不及熔融的工具电极材料，造成放电加工不稳定，经常出现短路、拉弧的现象，降低了沉积加工效率。而且由于沉积到工件表面的工具电极材料不能够充分进行熔融，无法形成致密的沉积物，易产生孔洞、缝隙，在工件沉积层表面易存在残余应力、裂纹渗入等缺陷。 

发明内容

为了克服现有的普通电火花加工机床电源使沉积到工件表面的工具电极材料不能够充分进行熔融而造成放电加工不稳定，出现短路、拉弧的现象，降低了沉积加工效率的问题，以及无法形成致密的沉积物，易产生孔洞、缝隙，在工件沉积层表面易存在残余应力、裂纹渗入等缺陷，而提出一种气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源。 

本发明包括控制电路1、电火花加工平台2、第一直流电源3、第二直流电源4、第一开关电路5-1、第二开关电路5-2和第三开关电路5-3；第一直流电源3的正极连接第一开关电路5-1的输入端和第二开关电路5-2的输入端，第二直流电源4的正极连接第三开关电路5-3的输入端，第三开关电路5-3的 输出端、第一开关电路5-1的输出端和第二开关电路5-2的输出端连接电火花加工平台2的工具电极2-1的输入端和控制电路1的一个输入端M，第一直流电源3的负极和第二直流电源4的负极连接电火花加工平台2的工作台2-2和控制电路1的另一个输入端M2，控制电路1的输出端分别连接第一开关电路5-1的六个控制端、第二开关电路5-2的一个控制端和第三开关电路5-3的一个控制端。 

本发明的有益效果是，可以在利用该电源完成微细电火花沉积加工的同时，显著降低沉积表面的显微裂纹、孔洞等缺陷，提高沉积材料的表面质量，获得均匀致密的沉积结构，另外提高沉积加工的效率。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图；图2是控制电路1的结构示意图；图3是本发明电路的结构示意图；图4是本发明电源电流波形与传统电加工电源电流波形比较示意图；图5是本发明的控制电路1信号时序图。 

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由控制电路1、电火花加工平台2、第一直流电源3、第二直流电源4、第一开关电路5-1、第二开关电路5-2和第三开关电路5-3组成；第一直流电源3的正极连接第一开关电路5-1的输入端和第二开关电路5-2的输入端，第二直流电源4的正极连接第三开关电路5-3的输入端，第三开关电路5-3的输出端、第一开关电路5-1的输出端和第二开关电路5-2的输出端连接电火花加工平台2的工具电极2-1的输入端和控制电路1的一个输入端M，第一直流电源3的负极和第二直流电源4的负极连接电火花加工平台2的工作台2-2和控制电路1的另一个输入端M2，控制电路1的输出端分别连接第一开关电路5-1的六个控制端、第二开关电路5-2的一个控制端和第三开关电路5-3的一个控制端。 

本发明主要分为三个回路部分：第二直流电源4、第三开关电路5-3和电火花加工平台2组成的高压脉冲回路，其脉冲电压较高(160V或250V)，平均电流较小，主要起击穿间隙的作用；第一直流电源3、第一开关电路5-1和电火花加工平台2组成的低压脉冲回路，其脉冲电压较低(90V左右)，可输出电流较大，主要起到溅射工具电极材料的作用；第一直流电源3、第二开关电路5-2和电火花加工平台2组成的附加脉冲回路(90V左右)，可输出电流较小，主要起到对脱落的工具电极材料进行熔融的作用。 

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于控制电路1由放电电压检测电路1-1、第一光耦隔离电路1-2、串行通信电路1-3、单片机系统1-4和第二光耦隔离电路1-5组成；放电电压检测电路1-1的两个输入端分别是控制电路1的一个输入端M和另一个输入端M2，放电电压检测电路1-1的输出端连接第一光耦隔离电路1-2的输入端，第一光耦隔离电路1-2的输出端连接单片机系统1-4的INT输入端，串行通信电路1-3的输入端和输出端分别连接单片机系统1-4的脚TXD和脚RXD，单片机系统1-4的八个信号输出端分别连接第二光耦隔离电路1-5的八个输入端，第二光耦隔离电路1-5的八个输出端输出八路控制信号分别是高压脉冲控制信号，附加脉冲控制信号和六路低压脉冲控制信号；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

单片机系统1-4采用美国Microchip公司的PIC16F877单片机系统，PIC16F877单片机系统具有较高的频率、外接电路简洁，采用精简指令技术的指令系统，易于编程等特点，以该系列单片机系统为核心的主振具有较强的通用性。PIC16F877单片机系统是整个电源系统的核心，用来协调控制高压脉冲回路、附加脉冲回路和低压脉冲回路中开关电路的开关，以产生放电沉积所需要的波形。PIC16F877单片机的PORTD口中的RD0至RD5六位引脚分别作为低压脉冲回路中支路的多个开关电路的控制信号，根据放电峰值电流的大小确定各个支路开关电路的开关组合。PIC16F877单片机的PORTB口的RB5、RB4引脚分别作为高压脉冲回路和附加脉冲回路的控制信号。放电电压检测电路1-1检测加工间隙击穿的作用，以加工间隙击穿信号作为中断INT的触发信号。本发明通过串行通信方式与上位PC机进行通信，通过PC机向下传递各种加工参数。为了防止外部电压影响单片机系统正常工作，将其与放电电压检测电路1-1、各支路脉冲开关电路进行了光耦隔离。 

本发明的软件体系结构指的是单片机系统软件规划，系统软件为模块化结构，其中包括状态初始化、串行通信、外部中断INT服务程序等几个部分。程序采用的是软件延时，用以实现等电流脉宽控制方式。 

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于放电电压检测电路1-1由第二十五电阻R25、第九电容C9、第二十六电阻R26、第二十七电阻R27、第二十五二极管D25、第二十八可调电阻R28、第二十九电阻R29、第三十电阻R30和电压比较器组成；第二十五电阻R25的一端为控制电路1的一个输入端M，第二十五电阻R25的另一端连接第九电容C9的一端和第二十六电阻R26的一端，第九电容C9的另一端连接第二十七电阻R27的一端和控制电路1的另一个输入端M2，第二十六电阻R26的另一端和第二十七电阻R27的另一端连接第二十五二极管D25的阳极和第三十电阻R30的一端，第二十五二极管D25的阴极连接第一模拟电源+15V_M2和第二十八可调电阻R28的一个固定端，第二十八可调电阻R28的另一个固定端连接控制电路1的另一个输入端M2，第二十八可调电阻R28的可调端连接第二十九电阻R29的一端，第二十九电阻R29的另一端连接电压比较器的同相输入端，电压比较器的反相输入端连接第三十电阻R30的另一端，电压比较器的管脚6连接第二模拟电源-15V_M2，电压比较器的管脚11连接第一模拟电源+15V_M2，电压比较器的管脚3连接控制电路1的另一个输入端M2，电压比较器的输出端为放电电压检测电路1-1的输出端；其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。 

电压比较器采用LM319芯片；放电电压检测电路1-1利用电压比较器完成加工间隙击穿检测，以加工间隙击穿信号作为中断INT的触发信号。为了适应击穿延时的无规律性，保证从击穿延时阶段迅速转入放电加工阶段，将加工间隙击穿的判别信号直接接在单片机系统1-4的外部中断口INT输入端。当极间电压经过分压之后与电压比较器的同相输入端4设定的门槛电压进行比较，如果低于门槛电压，则电压比较器的输出端为高电平，认定加工间隙已被击穿，放电电流已经产生。电压比较器的输出的高电平信号经过第一光耦隔离电路1-2后直接触发单片机系统1-4的外部中断口INT输入端，使其立即产生中断，启动单片机系统的中断服务程序。 

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于第三开关电路5-3由驱动芯片U4、发光二极管、第八电阻R8、第八电容C8、第二十四电阻R24、第十六电阻R16、第一MOSFE管D_HP1、第一电阻R1、第八二极管D8、第十六二极管D16和第二十四二极管D24组成；第三开关电路5-3的控制信号输入端连接控制电路1的高压脉冲控制信号输出端，驱动芯片U4的输入端为第三开关电路5-3的控制信号输入端，驱动 芯片U4的输出端连接发光二极管的阳极、第八电阻R8一端和第八电容C8一端，第八电阻R8另一端和第八电容C8另一端连接第二十四电阻R24的一端和第一MOSFE管D_HP1的栅极，第一MOSFE管D_HP1的源极连接第二十四二极管D24的阳极、第二十四电阻R24的另一端、第十六电阻R16的一端和第三开关电路5-3的输出端，第十六电阻R16的另一端连接发光二极管的阴极，第二十四二极管D24的阴极连接第一MOSFE管D_HP1的漏极、第一电阻R1的一端和第十六二极管D16阳极，第一电阻R1的另一端和第十六二极管D16阴极连接第八二极管D8的阴极，第八二极管D8的阳极为第三开关电路5-3的输入端，第三开关电路5-3的输出端连接电火花加工平台2的工具电极2-1的输入端A，第三开关电路5-3的输入端连接第二直流电源4的正极B；第二开关电路5-2的控制信号输入端连接控制电路1的附加脉冲控制信号输出端，第二开关电路5-2的输入端连接第一直流电源3的正极C，其它的组成和连接方式与第三开关电路5-3相同；第一开关电路5-1由六个支路开关电路组成，六个支路开关电路的控制信号输入端分别连接控制电路1的低压脉冲控制信号的六个输出端，六个支路开关电路的输入端分别连接第一直流电源3的正极C，其他组成和连接方式与第三开关电路5-3相同；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。 

MOSFET管为IRFP840，它具有频率高，只需电压和毫安级的电流驱动等优点。 

本发明工作原理：根据图4进行说明，将工具电极材料的脱落和熔融在两个放电阶段来完成，即将传统电火花加工电源的放电脉宽分成两个阶段：主脉冲阶段(脉冲宽度为T_on1，峰值电流为I_P1)、附加脉冲阶段(脉冲宽度为T_on2，峰值电流为I_P2)。主脉冲阶段具有较高的脉冲放电能量，通过所设定的主脉冲宽度及其峰值电流，使得工具电极材料从工具电极上脱落，以供给沉积层的生成。附加脉冲阶段具有较低的脉冲放电能量，对应于附加脉冲宽度及其峰值电流，在抑制工具电极材料继续脱落的同时，对已经脱落在工件表面的工具电极材料进行充分的熔融。附加脉冲宽度的设定对应于预期的脱落的工具电极材料充分熔融的时间。一般情况下，附加脉冲宽度要长于主脉冲的宽度，附加脉冲阶段的峰值电流I_P2的值比主脉冲阶段的峰值电流I_P1的值低，具体的参数值要根据工具电极情况及实际的工艺要求进行设定。这两个阶段完成后进入脉冲间隔T_off阶段，等待下一次脉冲放电的到来。周而复始，完成微细电火花沉积生长加工。 

根据图4、图5进行说明，在实际的气体介质中微细电火花沉积加工时，击穿延时阶段、放电加工阶段、脉冲间隔阶段三个阶段循环往复，其中放电加工阶段又包括主脉冲宽度延时阶段、附加脉冲宽度延时阶段两个部分。从击穿延时阶段到放电加工阶段的转换是以加工间隙击穿为触发信号的。为了适应击穿延时阶段的无规律性，保证从击穿延时阶段迅速转入放电加工阶段，将加工间隙击穿的判别信号直接接在单片机系统1-4的外部中断口INT输入端上。当极间电压经过分压之后与电压比较器设定的门槛电压进行比较，如果低于门槛电压，则电压比较器输出端为高电平，认定加工间隙已被击穿，放电电流已经产生。电压比较器输出的高电平信号经过光耦隔离后直接触发单片机INT输入端，使其立即产生中断，启动单片机系统的中断服务程序。在外部INT的中断服务程序中，首先启动的是主电流脉宽T_on1的延时操作程序，并同时开通低压脉冲回路，完成对沉积专用工具电极材料释放的任务，同时，根据高低压复合加工工艺对高压是否撤除的要求来对高压脉冲回路中的第三开关电路5-3进行控制。当主电流脉冲宽度延时程序执行完毕，中断处理程序依次关断低压脉冲回路和高压脉冲回路、打开附加脉冲回路，进入附加脉冲脉宽T_on2的延时操作程序，由于附加脉冲对应的峰值电流较低，放电能量不足以对工具电极材料进行继续释放，但足可以在比较长的时间内对脱落在工件表面的工具电极材料进行充分的熔融。T_on2的延时操作执行完毕后，关断附加脉冲回路，开启脉冲间隔T_off的延时操作程序，放电过程由放电加工阶段转入脉冲间隔阶段，并等待下一次放电脉冲的到来。原来的沉积材料表面颗粒较大，有显微裂纹存在，使用本电源之后，颗粒细小，表面比较光滑，几乎见不到裂纹存在，表面粗糙度值降低到原来的二分之一左右，加工效率提高30％～50％。 

Claims (4)

1.气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源，其特征在于它由控制电路(1)、电火花加工平台(2)、第一直流电源(3)、第二直流电源(4)、第一开关电路(5-1)、第二开关电路(5-2)和第三开关电路(5-3)组成；第一直流电源(3)的正极连接第一开关电路(5-1)的输入端和第二开关电路(5-2)的输入端，第二直流电源(4)的正极连接第三开关电路(5-3)的输入端，第三开关电路(5-3)的输出端、第一开关电路(5-1)的输出端和第二开关电路(5-2)的输出端连接电火花加工平台(2)的工具电极(2-1)的输入端(A)和控制电路(1)的一个输入端(M)，第一直流电源(3)的负极和第二直流电源(4)的负极连接电火花加工平台(2)的工作台(2-2)和控制电路(1)的另一个输入端(M2)，控制电路(1)的输出端分别连接第一开关电路(5-1)的六个控制端、第二开关电路(5-2)的一个控制端和第三开关电路(5-3)的一个控制端。

2.根据权利要求1所述的气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源，其特征在于控制电路(1)由放电电压检测电路(1-1)、第一光耦隔离电路(1-2)、串行通信电路(1-3)、单片机系统(1-4)和第二光耦隔离电路(1-5)组成；放电电压检测电路(1-1)的两个输入端分别是控制电路(1)的一个输入端(M)和另一个输入端(M2)，放电电压检测电路(1-1)的输出端连接第一光耦隔离电路(1-2)的输入端，第一光耦隔离电路(1-2)的输出端连接单片机系统(1-4)的INT输入端，串行通信电路(1-3)的输入端和输出端分别连接单片机系统(1-4)的脚TXD和脚RXD，单片机系统(1-4)的八个信号输出端分别连接第二光耦隔离电路(1-5)的八个输入端，第二光耦隔离电路(1-5)的八个输出端输出八路控制信号，分别是高压脉冲控制信号 

附加脉冲控制信号和六路低压脉冲控制信号。

3.根据权利要求2所述的气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源，其特征在于放电电压检测电路(1-1)由第二十五电阻(R25)、第九电容(C9)、第二十六电阻(R26)、第二十七电阻(R27)、第二十五二极管(D25)、第二十八可调电阻(R28)、第二十九电阻(R29)、第三十电阻(R30)和电压比较器组成；第二十五电阻(R25)的一端为控制电路(1)的一个输入端(M)，第二十五电阻(R25)的另一端连接第九电容(C9)的一端和第二十六电阻(R26)的一端，第九电容(C9)的另一端连接第二十七电阻(R27)的一端和控制电路(1)的另一个输入端(M2)，第二十六电阻(R26)的另一端和第二十七电阻(R27)的另一端连接第二十五二极管 (D25)的阳极和第三十电阻(R30)的一端，第二十五二极管(D25)的阴极连接第一模拟电源(+15V_M2)和第二十八可调电阻(R28)的一个固定端，第二十八可调电阻(R28)的另一个固定端连接控制电路(1)的另一个输入端(M2)，第二十八可调电阻(R28)的可调端连接第二十九电阻(R29)的一端，第二十九电阻(R29)的另一端连接电压比较器的同相输入端，电压比较器的反相输入端连接第三十电阻(R30)的另一端，电压比较器的管脚6连接第二模拟电源(-15V_M2)，电压比较器的管脚11连接第一模拟电源(+15V_M2)，电压比较器的管脚3连接控制电路(1)的另一个输入端(M2)，电压比较器的输出端为放电电压检测电路(1-1)的输出端。

4.根据权利要求1所述的气体介质中的微细电火花沉积加工脉冲电源，其特征在于第三开关电路(5-3)由驱动芯片(U4)、发光二极管、第八电阻(R8)、第八电容(C8)、第二十四电阻(R24)、第十六电阻(R16)、第一MOSFE管(D_HP1)、第一电阻(R1)、第八二极管(D8)、第十六二极管(D16)和第二十四二极管(D24)组成；第三开关电路(5-3)的控制信号输入端连接控制电路(1)的高压脉冲控制信号输出端，驱动芯片(U4)的输入端为第三开关电路(5-3)的控制信号输入端，驱动芯片(U4)的输出端连接发光二极管的阳极、第八电阻(R8)一端和第八电容(C8)一端，第八电阻(R8)另一端和第八电容(C8)另一端连接第二十四电阻(R24)的一端和第一MOSFE管(D_HP1)的栅极，第一MOSFE管(D_HP1)的源极连接第二十四二极管(D24)的阳极、第二十四电阻(R24)的另一端、第十六电阻(R16)的一端和第三开关电路(5-3)的输出端，第十六电阻(R16)的另一端连接发光二极管的阴极，第二十四二极管(D24)的阴极连接第一MOSFE管(D_HP1)的漏极、第一电阻(R1)的一端和第十六二极管(D16)阳极，第一电阻(R1)的另一端和第十六二极管(D16)阴极连接第八二极管(D8)的阴极，第八二极管(D8)的阳极为第三开关电路(5-3)的输入端，第三开关电路(5-3)的输出端连接电火花加工平台(2)的工具电极(2-1)的输入端(A)，第三开关电路(5-3)的输入端连接第二直流电源(4)的正极(B)。 

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