CN101658964A

CN101658964A - 电火花加工电源的放电回路

Info

Publication number: CN101658964A
Application number: CN200910093214A
Authority: CN
Inventors: 罗培刚
Original assignee: Beijing Diamond & Spark Science & Technology Share Co Ltd
Current assignee: Beijing Diamond & Spark Science & Technology Share Co Ltd
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2010-03-03
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: CN101658964B

Abstract

本发明涉及一种电火花加工电源的放电回路，包括工作电源、充电电源以及由电极和工件连接端子组成的放电支路，还包括分别与所述放电支路并联的消电离支路、负波吸收支路和增爆电容支路，所述放电支路的电极端连接所述工作电源的正输出端，工件连接端子端连接所述工作电源的负输出端，所述增爆电容支路由相互串联的容性单元和电容放电开关组成。所述电容放电开关和所述电容充电开关均为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，所述电子开关为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。该放电回路可极大地缩短电场建立时间，提高加工效率，同时改善加工表面质量，并且，还可提高消电离能力。

Description

电火花加工电源的放电回路

技术领域

本发明涉及一种可以提高电火花加工(EDM)速度和性能的电源，尤其涉及一种可提高精加工速度和性能的电火花加工电源的放电回路。

背景技术

目前，通用的电火花加工机床上普遍配备的加工电源的放电回路电路结构如图1所示，包括工作电源(E)1以及由电极5和工件6的连接端子组成的放电支路，还包括分别与所述放电支路并联的消电离支路2、负波吸收支路3和增爆电容支路4，工件连接端子用于安装所述工件并与所述工件电连接。所述放电支路的电极端连接所述工作电源的正输出端，工件连接端子端连接所述工作电源的负输出端。工件安装于其连接端子后，相当于所述工作电源向电极5和工件6施加脉冲波形电压，所述电极与工件间的间隙7与所述工作电源形成一条主回路，所述工作电源接通一定时间后，在电极和工件间建立一个电场，当电场强度足够高时，电极和工件则产生放电。

为了积蓄足够的放电能量用于增爆，设置所述增爆电容支路，其上设置有可供存储和释放电能的电容及与所述电容串联的选择开关。同一台电加工装置中，其所采用的电容和选择开关可以只有一组，即C1和K1，也可以为相互并联的多组，如图1所示的与第一组并联的另外一组，即C2和K2。所述增爆电容支路产生RC振荡波形还可以用于精密加工。以电容器和选择开关只有一组的情况为例，当K1闭合，工作电源1向电容器C1充电，当K1断开，C1向所述电极和工件放电。多组并联时，多个选择开关的不同开关组合将可以改变接入电容值的大小，以适应不同的加工工艺。

放电持续一段时间后，工作电源1关断电压，所述脉冲消失，为了消除所述电极与工件间介质的电离，所述消电离支路上可以设有消电离电阻R1，与所述间隙形成消电离回路，利用R1的分压作用，降低所述间隙两端的电压，从而实现消电离。

在工作电源1关断瞬间，由于回路中的电感元件或走线产生的杂散电感，在电极和工件之间会产生负电压，可能烧坏功率型电子器件，为了消除这种影响采用负压吸收支路，所述负波吸收支路上相互串联有二极管D1和电阻R2，并与所述间隙7形成负波吸收回路用以吸收上述负电压，所述二极管的阳极与所述工作电源的负极端连接。

工作电源E关断足够长时间后，重行开始下一个工作脉冲，又重复上述过程。工作电源E加载在所述电极和工件之间的工作脉冲从工作波形上按时间分为极间加载电压建立电场、加工过程脉宽(ON)和极间消电离脉停(OFF)三个部分。在其他条件允许的情况下，脉冲周期越短，相应的电加工速度越快，而上述三个部分中极间加载电压建立电场部分和极间消电离脉停(OFF)部分都不是有效的电加工部分，这两部分耗时长则降低电加工效率。

图1所示的现有的电火花加工电源的放电回路具有如下不足：

1、增爆电容支路中选择开关的闭合与断开与充、放电状态的切换和电容值的选择都有关联，不利于独立地实现充、放电时间的程序化控制；

2、当依据加工条件需选择电容值时，由于接入回路的电容需要一定的充电时间，特别当加工硬质合金或钛合金材料工件时，影响加工效率；

3、对于大面积的精密加工，由于工件电极面积的加大导致极间电容加大，放电提供的单个微小脉冲不能提供足够的能量，导致需要几个脉冲能量的累加才能完成一次放电，加工效率低；

4、对于大面积的精密加工，因一个工作脉冲周期内电源提供的能量有限，难于实现对每个加工点的能力都精确控制，表面质量差；

5、消电离回路能力差，如果所选择的消电离电阻太小，则电极和工件之间的压降太大，反之，如果电阻太大，消电离速度太慢，即极间消电离脉停部分耗时较长，影响加工效率；

6、电场建立过程耗时较长，放电波形中的电压波形和电流波形的上升沿都不能达到理想状态的足够陡峭，电火花加工的效率低。

发明内容

为了解决上述矛盾，本发明提供了一种电火花加工电源的放电回路，该放电回路可极大地缩短电场建立时间，提高加工效率；特别对于大面积加工面的精加工，可提高其表面质量，此外，还可提高消电离能力。

本发明所采用的技术方案是：

一种电火花加工电源的放电回路，包括工作电源、充电电源以及由电极和工件连接端子组成的放电支路，还包括分别与所述放电支路并联的消电离支路、负波吸收支路和增爆电容支路，所述放电支路的电极端连接所述工作电源的正输出端，工件连接端子端连接所述工作电源的负输出端，所述增爆电容支路由相互串联的容性单元和电容放电开关组成，所述电容放电开关的一端连接所述容性单元，另一端连接所述放电支路的电极端，所述容性单元设有电容，所述充电电源的正输出端连接所述容性单元与所述电容放电开关相连的一端，所述充电电源的负输出端连接所述容性单元与所述工作电源负输出端连接的一端。

所述充电电源的正输出端与所述容性单元的连接线路上可以设有电容充电开关，所述容性单元可以由一个或多个相互并联的电容支路组成，所述电容支路上可以设有一个或多个相互串联的电容，一条或多条所述电容支路上还可以设有选择开关。

所述电容放电开关和所述电容充电开关均可以为电子开关。

所述电子开关可以为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，用作所述电容放电开关的功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的源极连接所述工作电源的正输出端，漏极连接所述容性单元，用作所述电容充电开关的功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的漏极连接所述充电电源的正输出端，源极连接所述容性单元。

所述充电电源与所述工作电源可以为各自独立的或者共用同一个电源，所述工作电源可以为脉冲电源发生器或为与所述充电电源共用的同一个电源的脉冲输出电路。

所述消电离支路可以包括消电离电阻、切换开关和消电离开关，所述消电离电阻和切换开关相互串联后与所述消电离开关并联。

所述负波吸收支路上可以设有相互串联的二极管和吸收开关，所述二极管的阳极与所述工作电源的负极端连接。

所述二极管优选高速二极管。

所述消电离开关和所述吸收开关均可以为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。

所述工作电源、消电离支路、负波吸收支路、增爆电容支路和放电支路的相互并联方式优选依次并联，所述放电支路和所述增爆电容支路可以安装在机床上，其余支路安装在所述机床的配电柜中。

本发明所具有的有益效果是：

1、增爆电容支路的充、放电分别由各自对应的电子开关独立控制，易于实现充、放电时间的程序化控制；

2、通过控制增爆电容回路的电子开关实现脉停(OFF)过程中，电容器充电，脉宽(ON)过程中，电容器放电，节省了电容支路接入回路后额外的充电时间，提高了加工效率；

3、对于大面积的精密加工，可充分利用增爆电容的放电，为加工补充能量，提高脉冲峰值，从而提高加工效率；

4、同样对于大面积的精密加工，由于一个脉冲周期内所获得的总的能量充足，可实现对各个加工点的精确控制，从而提高工件的表面质量，如均一性得到改善；

5、可根据工艺条件变换消电离方式，提高消电离回路的能力，特别在精密加工条件下，可极大地缩短消电离时间，提高工作效率；

6、电容放电提供的放电能量与主回路提供的放电能量迭加，缩短了电场建立的时间，而且提供了更大的击穿瞬间电流，提高加工速度的同时也提高加工质量。

附图说明

图1为现有技术的电火花加工电源的放电回路结构原理示意图；

图2为本发明的电火花加工电源的放电回路结构原理示意图。

具体实施方式

图2所示为本发明的电火花加工电源的放电回路结构原理示意图，该放电回路包括由工作电源E1和充电电源E2组成的电源1，以及由电极5和工件6的连接端子组成的放电支路，还包括分别与所述放电支路并联的消电离支路20、负波吸收支路30和增爆电容支路40，所述放电支路的电极端连接所述工作电源E1的正输出端，工件连接端子端连接所述工作电源E1的负输出端。

其中，所述增爆电容支路由相互串联的容性单元8和电容放电开关Q2组成，所述电容放电开关的一端连接所述容性单元，另一端连接所述放电支路的电极端。所述容性单元8设有电容，所述充电电源E2的正输出端连接所述容性单元8与所述电容放电开关Q2相连的一端，所述充电电源E2的负输出端连接所述容性单元8与所述工作电源E1负输出端连接的一端。

所述充电电源E2的正输出端与所述容性单元8的连接线路上可以设有电容充电开关Q1。所述容性单元8可由一个或多个相互并联的电容支路组成，所述电容支路上可以设有一个或多个相互串联的电容，一条或多条所述电容支路上还可以设有选择开关。如本例中的容性单元8由n条(含第1、2、......、n条)支路并联而成，其中每条支路中的电容(如C1、C2......Cn)串联一各自独立的选择开关(如K1、K2......Kn)。为了适应不同的加工条件，需根据工艺要求通过设定选择开关K1、K2......Kn的不同开关组合来改变接入的电容值，以此改变增爆效果。

所述容性单元8、所述电容放电开关Q2及所述间隙7形成电容放电回路，所述容性单元8、所述电容充电开关Q1及所述充电电源E2形成电容充电回路。所述电容放电开关和所述电容充电开关均为电子开关。

增爆电容支路中采用充、放电分别由电容充电开关和电容放电开关各自控制的电子开关控制的方式，更易于实现充、放电时间的程序化控制。如：在脉停OFF阶段，充电电源E2可以通过Q1给容性单元充电，在ON的开始阶段，充满电荷的容性单元又可以通过Q2给电极、工件对放电，使工作电源E1及容性单元8施加给电极、工件对的脉冲能量迭加，提高了击穿瞬间电流，缩短了脉冲上升沿的过渡时间，因此提高了加工效率。特别对于大面积的精密加工，可充分利用增爆电容的放电，为加工补充能量，提高脉冲峰值，从而提高加工效率。这一点尤其对加工硬质合金和钛合金工件有重大作用。

又如：同样对于大面积的精密加工，由于一个脉冲周期内所获得的总的能量充足，可实现对各个加工点的精确控制，从而提高工件的表面质量，如均一性得到改善。所述增爆电容支路可用于存储增爆能量以及向所述间隙放电。

电子开关的采用，使得增爆电容支路的充、放电易于实现程序化控制，充分扩展了电火花加工电源的性能。如利用容性单元8中电容的储能作用，控制需要的时候容性单元8向间隙7瞬时放电，使间隙获得足够的放电能量，可实现精确控制每个加工点的能量来提高加工表面的均一性，特别在大面积的精密加工中尤为突出，甚至极端条件下，可以只通过电容向工作间隙提供供电能量。

在数控电火花成型机上，可以通过用户设定的面积查询试验数据库来适当选择电容器的容量(即各个接入电路的电容分支的总电容值)和Q2的开关时间，进而实现加工表面质量和速度的优化。

所述电子开关可以为功率场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其中一种或多种复合而成的复合管。用作所述电容放电开关的功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的源极连接所述工作电源的正输出端，漏极连接所述容性单元，用作所述电容充电开关的功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的漏极连接所述充电电源的正输出端，源极连接所述容性单元。

所述充电电源E2与所述工作电源E1各自独立或者共用同一个电源，所述工作电源E1可以为脉冲电源发生器或为与所述充电电源共用的同一个电源的脉冲输出电路。

所述消电离支路20可以包括消电离电阻R1、切换开关K和消电离开关Q4，所述消电离电阻R1和切换开关K相互串联后与所述消电离开关Q4并联。

在粗加工条件下，切换开关K闭合且电子开关Q4关断，此时将常规的大阻值消电离电阻R1投入工作，由于其电阻值较大，可以保证电极和工件间的压降不至于过大；而在精加工条件下，由于电火花加工放电能力较小，消电离能力所体现的重点不在于分压大，而是使消电离所消耗的时间尽可能地短，此时可使电子开关Q4接通，使电极和工件之间短路而达到迅速消电离的目的。通过这种方式可以缩短消电离时间，提高工作脉冲频率，进而提高加工效率。

而且，在加工开始建立电场时，电子开关Q4接通可使电极5和工件6之间的电压等于电源电压，即不存在损耗，提高了电能的利用率。

所述负波吸收支路30上可以设有相互串联的二极管D1和吸收开关Q3，并与所述间隙7形成负波吸收回路，所述二极管的阳极与所述工作电源的负极端连接。其中所述二极管可以是高速二极管。由于高速二极管的反向恢复速度快，使得这种负波吸收回路可以更快地消除负电压，改善吸收效果。

所述消电离开关Q4和所述吸收开关Q3也可以采用功率场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其中一种或多种复合而成的复合管。前述各开关采用功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，是利用了这种类型的晶体管的栅极端直流阻抗很高，所需驱动功率很小的特点，不仅能提高开关速度，还可极大地节省驱动电能，提高电能的利用率。

现有技术下，电火花加工电源的放电回路，特别是所述增爆电容回路的位置一般设置在电火花加工机床的配电柜中。生产实践中申请人掌握到由于组成电火花加工电源的放电回路的上述各支路10、20、30、40与电极及工件之间的连线较长，引起杂散电容和杂散电感较大，极大地延长了电场的建立过程，对电加工效率影响较大。因此申请人采用所述工作电源、消电离支路、负波吸收支路、增爆电容支路和放电支路依次并联的方式连接，并将电火花加工电源的放电回路甚或是增爆电容支路40安装在机床上，即更靠近所述放电支路(工件和电极)的位置上，如床身上，其余支路，安装在所述机床的配电柜中。上述安装方式和并联的走线方式实际生产中获得了较好的效果。

电火花加工电源还设有驱动电路，用于将控制用脉冲信号经由反向、延时等处理后转换成可独立控制各个电子开关的脉冲控制信号，实现预定的时序控制。如使Q3截止后，Q4才可以导通，而Q3导通前，Q4已经可靠截止。再如，电容放电开关Q2处于导通状态时，所述电容充电开关Q1则处于截止状态，而所述电容充电开关Q1处于导通状态时，所述电容放电开关Q2则处于截止状态，即需要保证容性单元处于充、放电状态时其两极极性关系不变。

Claims

1、一种电火花加工电源的放电回路，包括工作电源、充电电源以及由电极和工件连接端子组成的放电支路，还包括分别与所述放电支路并联的消电离支路、负波吸收支路和增爆电容支路，所述放电支路的电极端连接所述工作电源的正输出端，工件连接端子端连接所述工作电源的负输出端，其特征在于所述增爆电容支路由相互串联的容性单元和电容放电开关组成，所述电容放电开关的一端连接所述容性单元，另一端连接所述放电支路的电极端，所述容性单元设有电容，所述充电电源的正输出端连接所述容性单元与所述电容放电开关相连的一端，所述充电电源的负输出端连接所述容性单元与所述工作电源负输出端连接的一端。

2、根据权利要求1所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述充电电源的正输出端与所述容性单元的连接线路上设有电容充电开关，所述容性单元由一个或多个相互并联的电容支路组成，所述电容支路上设有一个或多个相互串联的电容，一条或多条所述电容支路上还设有选择开关。

3、根据权利要求2所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述电容放电开关和所述电容充电开关均为电子开关。

4、根据权利要求3所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述电子开关为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，用作所述电容放电开关的功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的源极连接所述工作电源的正输出端，漏极连接所述容性单元，用作所述电容充电开关的功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的漏极连接所述充电电源的正输出端，源极连接所述容性单元。

5、根据权利要求1、2、3或4所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述充电电源与所述工作电源各自独立或者共用同一个电源，所述工作电源为脉冲电源发生器或为与所述充电电源共用的同一个电源的脉冲输出电路。

6、根据权利要求5所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述消电离支路包括消电离电阻、切换开关和消电离开关，所述消电离电阻和切换开关相互串联后与所述消电离开关并联。

7、根据权利要求6所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述负波吸收支路上设有相互串联的二极管和吸收开关，所述二极管的阳极与所述工作电源的负极端连接。

8、根据权利要求7所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述二极管为高速二极管。

9、根据权利要求8所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述消电离开关和所述吸收开关均为功率场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管。

10、据权利要求9所述的电火花加工电源的放电回路，其特征在于所述工作电源、消电离支路、负波吸收支路、增爆电容支路和放电支路的相互并联方式为依次并联，所述放电支路和所述增爆电容支路安装在机床上，其余支路安装在所述机床的配电柜中。