CN103492111A - 放电加工机用电源装置及放电加工方法 - Google Patents

Abstract

具有：串联电路，其包含有直流电源（1）、开关元件（4a、4b）及二极管（7a），该串联电路用于向加工用电极（2）和被加工物（3）之间的加工间隙中供给直流或交流的电流脉冲；二极管（7b、7c），它们将电流的流动方向限制为一个方向；以及控制部（10），其控制开关元件（4a、4b），控制部（10）在利用存在于串联电路上的电感（6）生成呈三角波形状的电流脉冲时，对开关元件（4a、4b）进行控制，使得该电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比小于或等于1/5。

Description

放电加工机用电源装置及放电加工方法

技术领域

本发明涉及一种放电加工机用电源装置及放电加工方法。

背景技术

当前，作为与放电加工机用电源装置相关的现有技术文献，如下述专利文献1及2所示。

在专利文献1示出的放电加工机用电源装置中，公开有下述技术，即，通过驱动开关元件，将交流脉冲电流供给至加工用电极和被加工物的加工间隙，从而防止电容器的电荷完全地向该加工间隙中放电而持续流过电弧电流，使放电加工中的表面粗糙度良好，其中，该开关元件用于使具有规定的重复频率的脉冲列每隔规定时间进行通断，与加工间隙并联连接有电容器。

另外，在专利文献2示出的放电加工机用电源装置中公开有下述技术，即，一种具有下述部件的结构：直流电源，其用于向加工用电极和被加工物之间的加工间隙中供给直流脉冲电流；串联电路，该串联电路由开关元件和电阻器构成；电容器，其与加工用电极和被加工物并联连接；以及放电检测单元，其对加工间隙的放电的发生进行检测，在该结构中，直至电容器放电并由放电检测单元检测出该放电为止，针对开关元件反复进行以小于或等于电容器的放电电流的脉宽接通并以规定时间断开的接通/断开控制，在放电检测单元检测出放电后的规定的断开时间之后，再次反复进行接通/断开控制。根据该专利文献2的放电加工机用电源装置，在加工用电极和被加工物之间的间隙（下面，称为“加工间隙”）中不流过大于或等于电容器的放电脉宽的电流，与专利文献1相同地防止电弧电流的持续流过（参照图2及图1）。

专利文献1：日本特开平03－55117号公报

专利文献2：日本特许2914123号公报

发明内容

由于上述专利文献1、2的放电加工机用电源装置是电阻器必须设置在直流电源和加工用电极之间的结构，因此，在加工电流大的情况下，该电阻器的发热量变大，存在装置的发热量增大的问题。

另外，上述专利文献2的放电加工机用电源装置是通过将流过加工间隙的电流脉宽限制在极短时间内，从而防止电弧电流的持续流过的方法，因此，存在在加工间隙中不流过放电电流且大于或等于一定时间的无电流时间，存在几乎不能提高加工速度的课题。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种能够与现有装置相比提高加工速度，且抑制发热量的增大的放电加工机用电源装置及放电加工方法。

为了解决上述课题并实现目的，本发明所涉及的放电加工机用电源装置的特征在于，具有：串联电路，其包含有直流电源及开关元件，该串联电路用于向加工用电极和被加工物之间的加工间隙中供给直流或交流的电流脉冲；以及控制部，其控制所述开关元件，所述控制部在利用存在于所述串联电路上的电感成分生成呈三角波形状的电流脉冲时，对所述开关元件进行控制，使得该电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比成为小于或等于1/5。

发明的效果

根据本发明，具有与现有装置相比能够提高加工速度，且抑制发热量的增大的效果。

附图说明

图1是表示包含实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置的放电加工机的一个结构例的图。

图2是表示实施方式1的放电加工机中的极间断开时的极间电压及极间电流的图。

图3是表示实施方式1的放电加工机中的放电发生时的极间电压及极间电流的图。

图4是在图1的电路结构上示出流过放电加工机的电流的路径的图。

图5是表示示出电流脉冲的时间比和放电痕迹的大小之间关系的测定结果的一个例子的图。

图6是表示包含实施方式2所涉及的放电加工机用电源装置的放电加工机的一个结构例的图。

图7是表示实施方式2的放电加工机中的极间断开时的极间电压及极间电流的图。

图8是表示实施方式2的放电加工机中的放电发生时的极间电压及极间电流的图。

图9是在图6的电路结构上示出流过放电加工机的逆极性的电流路径的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的放电加工机用电源装置及放电加工方法进行说明。此外，本发明并不限定于下面所示的实施方式。

实施方式1

图1是表示包含实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置的放电加工机的一个结构例的图。实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置具有直流电源1、开关元件4a、4b、二极管7a至7c、电阻9、以及控制部10而构成。

在图1中，被加工物3和加工用电极2（在小孔放电加工机及形雕放电加工机的情况下为型电极，在线电极放电加工机的情况下为线电极）经由开关元件4a、4b（在此，例示出FET）、二极管7a及电感6与直流电源1连接。开关元件4a的源极端与直流电源1的负极连接，漏极端与二极管7a的负极端连接。开关元件4b的源极端与被加工物3连接，漏极端与直流电源1的正极连接。电感6是存在于电流路径上的寄生电感成分，在图1中，作为产生在二极管7a的正极端和加工用电极2之间的电感而用虚线表示。此外，二极管7a并非是必须的结构要素，也能够省略。

二极管7b、7c是与二极管7a一起将电流的流动方向限制为一个方向的元件。二极管7b的正极端与开关元件4a和二极管7a的连接端连接，负极端与直流电源1的正极连接。另外，二极管7c的负极端与开关元件4b和被加工物3的连接端连接，正极端与直流电源1的负极和开关元件4a的连接端连接。

在被加工物3和加工用电极2之间存在有杂散电容成分和配线的电容成分，它们由被加工物3及加工用电极2的形状和大小、或被加工物3和加工用电极2之间的距离（极间距离）等而确定。因此，如图1的虚线部所示，将该杂散成分作为连接在被加工物3及加工用电极2的两端间的杂散电容8而示出。

另一方面，控制部10是对开关元件4a、4b进行接通/断开控制的结构部，具有脉冲发生电路11及脉冲发生条件设定部12而构成。脉冲发生条件设定部12对从外部输入的加工条件、基于加工条件而设定的各种条件（例如加工时间、加工电流、接通开关元件4a、4b的定时、开关元件4a、4b的接通/断开时间比（断开时间相对于接通时间的比：断开时间/接通时间）等）进行设定。脉冲发生电路11基于来自脉冲发生条件设定部12的信号，生成用于使开关元件4a、4b接通/断开的控制信号而对开关元件4a、4b进行控制。

接下来，参照图1至图4的各图，对实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置的动作进行说明。图2是表示极间断开时即不流过极间电流时的极间电压及极间电流的图，图3是表示放电发生时即流过极间电流时的极间电压及极间电流的图，图4是在图1的电路结构上示出流过放电加工机的电流的路径的图。

在实施方式1的放电加工机用电源装置中，如图2的上段部所示，以规定时间T1接通并以规定时间T2断开的规定数量（在图2中例示出5个）的脉冲列从控制部10的脉冲发生电路11输出。开关元件4a、4b按照该脉冲列同时地进行接通/断开控制，将直流电源1的直流电压施加至被加工物3和加工用电极2之间的加工间隙中。

在此，在不流过极间电流的情况（即不发生放电的情况）下，来自直流电源1的直流电压通过脉冲列的导通而施加至杂散电容8，对杂散电容8进行充电。此时，如图2的中段部所示，在脉冲列导通期间，极间电压（充电电压）得到保持，在脉冲列停止期间，所存储的电荷的一部分按照大致由杂散电容8和电阻9确定的时间常数进行放电。通过间断地施加的脉冲列，反复进行上述充电及放电的动作。另外，在脉冲列施加之后，杂散电容8所存储的电荷进行放电，极间电压按照该时间常数而朝向零电平不断下降。

另一方面，在流过极间电流的情况（即发生放电的情况）下，杂散电容8所存储的电荷（充电能量）被供给至加工间隙。在此，极间电流的路径（电流路径）如图4所示。更详细地说，电流在脉冲列导通的定时（timing）上升，极间电流在直流电源1的正极→开关元件4b→被加工物3→加工用电极2→电感6→二极管7a→开关元件4a→直流电源1的负极这样的由实线所示的电流路径上流动。另一方面，电流在脉冲列停止的定时下降，利用存储在电感6中的能量，极间电流在电感6→二极管7a→二极管7b→直流电源1的正极→直流电源1的负极→二极管7c→被加工物3→加工用电极2→电感6这样的由单点划线所示的电流路径上流动。

如上所述，流过如图3的下段部所示的极间电流。此外，杂散电容8中存储的电荷在放电时供给至加工间隙，如图3的中段部所示，极间电压的变化小。

下面，参照图3及图4等，对实施方式1所涉及的放电加工机用电源装置的要部动作进行说明。

例如，图3的下段部所示的波形是将开关元件4a、4b的接通时间设为2.5μsec、将断开时间设为1.5μsec，即接通/断开时间比设定为1.5/2.5=0.6时的极间电流（放电电流）波形。极间电流波形的正侧的倾斜部L1是按照由电感6的电感成分、开关元件4a、4b接通时的电流路径上存在的电阻成分（加工间隙的电阻和包含加工液的放电加工机中的电阻、配线电阻、开关元件4a、4b及二极管7a的导通电阻成分等）确定的时间常数而非稳态地上升的电流成分，如图所示大致直线地上升。另外，极间电流波形的负侧的倾斜部L2是按照由电感6的电感成分、和在开关元件4a、4b断开时的电流路径上存在的电阻成分（加工间隙的电阻和包含加工液的放电加工机中的电阻、配线电阻、二极管7a至7c的导通电阻成分、直流电源1的内部电阻等）确定的时间常数而下降的电流成分，如图所示大致直线地下降。

通过上述内容可知，如果在电路结构已确定的状况下能够对元件进行选择，则能够确定在开关元件4a、4b从断开切换至接通时的极间电流波形中的正侧的倾斜部L1的倾斜度，也能够确定在开关元件4a、4b从接通切换至断开时的极间电流波形中的负侧的倾斜部L2的倾斜度。

在图3的例子中可知，通过将开关元件4a、4b的接通时间设定为2.5μsec，将断开时间设定为1.5μsec，从而不流过极间电流的时间（无电流时间）变为0.3μsec，持续流过极间电流的时间（电流脉宽或电流持续时间）变为3.7μsec，无电流时间和电流脉宽（或电流持续时间）的比设定为

图5是表示测定结果的一个例子的图，其中，该测定结果示出将开关元件4a、4b的接通/断开时间比变更后进行加工时的放电痕迹大小。在图5中，横轴是无电流时间和电流脉宽的比（下面，称为“电流脉冲时间比”），纵轴表示通过加工而产生的放电痕迹的大小。关于该放电痕迹的大小，是例如在小孔放电加工装置中，将在一定条件下使电流脉冲时间比为1而进行加工时的孔径归一化为1，将电流脉冲时间比以百分比表示。

从图5中至少能够得出下面4项结论。

（1）如果减小电流脉冲时间比，则放电痕迹变大。

（2）直至电流脉冲时间比=0.2为止是平缓的特性，如果电流脉冲时间比小于或等于0.2，则放电痕迹变大。

（3）电流脉冲时间比=0.1时的放电痕迹的大小是电流脉冲时间比=1.0时的放电痕迹的大小的大致2倍的大小。

（4）虽然没有电流脉冲时间比小于0.1时的测定数据，但能够预测到在电流脉冲时间比为0.1附近时，放电痕迹的大小达到顶点的趋势。

电流脉冲时间比小意味着电流能量的密集度高。因此，与以电流脉冲时间比大的电流脉冲进行加工的情况相比，以电流脉冲时间比小的电流脉冲进行加工的加工速度更快。因此，可以认为电流脉冲时间比=0.2（=1/5）或其附近值，是能够维持加工精度并提高加工速度的优选的设定值。

另外，电流脉冲时间比=0.1（=1/10），是以与加工精度相比更重视加工速度的方式进行加工的情况下的设定值。在该设定值的情况下，如上所述，放电痕迹的大小大约为电流脉冲时间比=1.0时的2倍，但在小孔放电加工装置的情况下，通过减小加工用电极2的直径，从而能够弥补加工精度的下降。因此，如果将电流脉冲时间比设定为小于或等于0.1（=1/10），则能够取得维持大于或等于一定程度的加工精度并提高加工速度的效果。

另外，作为上述2种情况的对比，如果将电流脉冲时间比设为大于或等于0.1（=1/10）且小于或等于0.2（=1/5），则能够得到兼顾加工速度和加工精度的效果。

另外，通过将电流脉冲时间比优选地设定为小于或等于1/5，更优选设定为小于或等于1/10，从而能够进行减小无电流时间后的加工。因此，如果从脉冲列整体来看，相当于施加如图3中单点划线所示的将脉冲列整体作为1个脉冲的模拟矩形脉冲（在图3的例子中，为20μsec的矩形脉冲）进行加工的情况。因此，也能够得到可增大1次放电加工中的能量密度的效果。

另外，在本实施方式的放电加工机用电源装置的情况下，由于形成为在直流电源1和加工用电极2之间没有电阻，利用存在于包含有直流电源1及开关元件4a、4b在内的串联电路上的电感6限制流过加工间隙的极间电流的结构，因此，与流过相同峰值的矩形波电流的情况相比，能够得到可减少发热量的效果。

此外，在图3中，例示出了将峰值电流的大小设为100A的情况，但并不限定于此，例如能够在15至150A的范围内进行设定。如果增大峰值电流，则能够对超硬合金等难切削材料进行加工，如果减小峰值电流，则能够提高加工精度。

另外，在图3中例示出了将电流脉宽设为3.7μsec的情况，但并不限定于此，例如能够在0.3至10.0μsec的范围内进行设定。如果增大电流脉宽，则能够增大峰值电流，因此能够对超硬合金等难切削材料进行加工。另外，如果减小电流脉宽，则能够减小峰值电流，因此，能够改善加工精度和表面粗糙度。

另外，上述电流脉宽及峰值电流的大小能够分别单独地设定。例如，在峰值电流为15A时可以将电流脉宽设定为0.3μsec，也可以设定为10.0μsec。另外，例如在峰值电流为150A时可以将电流脉宽设定为0.3μsec，也可以设定为10.0μsec。此外，即便电感是固定的，也能够分别单独地变更电流脉宽及峰值电流的大小的原因在于，如图1所示将直流电源1构成为电压可变电源。即，通过变更直流电源1的电压，能够分别单独地变更上述电流脉宽及峰值电流，以成为与加工速度或加工精度相对应的优选的电流脉宽及峰值电流的大小。

如以上说明所述，根据实施方式1的放电加工机用电源装置及放电加工方法，利用存在于包含直流电源及开关元件在内的串联电路上的电感成分，生成呈三角波形状的电流脉冲，并且，对开关元件进行控制，使得该电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比小于或等于1/5且大于或等于1/10，因此，能够抑制发热量的增大并兼顾加工速度和加工精度。

此外，可以将上述电流脉冲时间比设定为1/5或其附近值，能够维持加工精度并提高加工速度。

另外，也可以将上述电流脉冲时间比设定为小于或等于1/10，能够维持大于或等于一定程度的加工精度并进一步提高加工速度。

实施方式2

图6是表示包含实施方式2所涉及的放电加工机用电源装置的放电加工机的一个结构例的图。图1所示的实施方式1的放电加工机用电源装置为仅能够产生正极性的电流脉冲的放电加工机用电源装置，与此相对，图6所示的放电加工机用电源装置为能够产生双极性（正极性及逆极性）的电流脉冲的放电加工机用电源装置，新设有直流电源1b、开关元件4c、二极管7d及电阻5。

在图6中，直流电源1b、开关元件4c、二极管7d及电阻5串联连接，电阻5的一端与电感6和二极管7a的连接端连接，另一端与二极管7d的负极端连接。开关元件4c的源极端与二极管7d的正极端连接，漏极端与直流电源1b的正极连接。另外，直流电源1b的负极与开关元件4b和被加工物3的连接端连接。此外，其他结构是相同或等同的结构，除了将图1所示的直流电源1在图6中以直流电源1a示出之外，对共同的结构部标注相同的标号，并省略重复说明。

下面，参照图7至图9的各图，对实施方式2所涉及的放电加工机用电源装置的动作进行说明。图7是表示极间断开时即不流过极间电流时的极间电压及极间电流的图，图8是表示放电发生时即流过极间电流时的极间电压及极间电流的图，图9是在图6的电路结构上示出流过放电加工机的逆极性的电流路径的图。此外，由于流过正极性的脉冲电流时的动作与实施方式1相同或等同，因此，在此对流过正极性的脉冲电流时的动作进行说明。

在图7及图8中，脉冲发生电路输出18a为正极性的脉冲列（脉冲组），与其相对，脉冲发生电路输出18b为逆极性的脉冲列（脉冲组）。使用双极性的脉冲组的原因是为了防止电解腐蚀。在作为加工液而使用油类加工液的情况下，几乎不受电解作用的影响，但在作为加工液使用纯水的情况或在水类的加工液中混合有高分子化合物而使用的情况下，有时在加工材料侧发生电解腐蚀而对处理面造成破坏。如本实施方式所示，如果使用双极性（交流）的脉冲组进行加工，则能够防止上述电解腐蚀。

另外，逆极性时流动的电流路径如图9所示，极间电流在直流电源1b的正极→开关元件4c→二极管7d→电阻5→电感6→加工用电极2→被加工物3→直流电源1的负极这样的由实线所示的电流路径上流动。在此，在流过正极性电流的电流路径上不存在电阻，但在流过逆极性电流的电流路径上存在电阻5。该电阻5作为用于防止逆强制侧放电的电流限制电阻起作用，其中，逆强制侧放电会促进加工用电极的消耗。通过电阻5的作用，逆极性侧的电流如图8的下段部的波形所示，被抑制为比正极性侧的电流小。

实施方式3

在实施方式3中，对放电加工机用电源装置中具有的开关元件及二极管进行说明。作为用于放电加工机用电源装置的开关元件，通常为以硅（Si）为材料的半导体开关元件（MOSFET、IGBT等，下面简记为“Si－SW”），作为用于放电加工机用电源装置的二极管，通常为同样以硅为材料的半导体二极管（PN节型、肖特基势垒型等，下面简记为“Si－D”）。在上述实施方式1中所说明的技术能够使用该通常的Si－SW及Si－D。

另一方面，上述实施方式1、2的技术并不限定于使用上述的Si－SW及Si－D。当然能够取代该硅（Si）而将以近年来受到关注的碳化硅（SiC）为材料的半导体开关元件及以SiC为材料的半导体二极管用作上述的放电加工机用电源装置中的开关元件及二极管。

在此，由于SiC具有可在高温下使用的特点，因此，如果作为放电加工机用电源装置中具有的开关元件及二极管而使用以SiC为材料的元件，则能够提高开关元件及二极管的容许动作温度，并能够可靠地避免关于发热量的问题。因此，通过使用SiC元件，能够增大峰值电流的上限值，能够实现加工能力的增强。

另外，由于SiC具有可进行高速动作的特点，因此，如果作为放电加工机用电源装置中具有的开关元件及二极管而使用以SiC为材料的元件，则能够加快开关元件及二极管的动作速度。因此，通过使用SiC元件，能够进一步减小电流脉宽，能够实现加工精度和表面粗糙度的改善。

此外，SiC与Si相比具有宽带隙的特性，是被称为宽带隙半导体的半导体的一个例子（与其相对，Si被称为窄带隙半导体）。除了该SiC之外，使用例如氮化镓类材料或金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们具有很多与碳化硅相似的特性。因此，关于使用除了碳化硅之外的其他宽带隙半导体的结构，也能够实现本发明的主旨。

另外，利用上述宽带隙半导体形成的开关元件和二极管的耐电压性高，容许电流密度也高，因此，能够实现开关元件和二极管的小型化，通过使用上述小型化的开关元件和二极管，能够实现组合有上述元件的半导体模块的小型化。

另外，利用宽带隙半导体形成的开关元件也具有高耐热性，因此，在必须使用散热器等冷却机构的开关元件的情况下，能够使冷却机构小型化，能够实现开关元件模块的进一步小型化。

此外，以上实施方式1至3所示的结构是本发明的结构的一个例子，也能够与其他的公知技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然能够以省略一部分等方式进行变更而构成。

工业实用性

如上所述，本发明适于用作与现有装置相比能够提高加工速度并抑制发热量增大的放电加工机用电源装置。

标号的说明

1、1a、1b  直流电源

2  加工用电极

3  被加工物

4a、4b、4c  开关元件

5、9  电阻

6  电感

7a、7b、7c、7d  二极管

8  杂散电容

10  控制部

11  脉冲发生电路

12  脉冲发生条件设定部

18a  脉冲发生电路输出

18b  脉冲发生电路输出

Claims (9)

1.一种放电加工机用电源装置，其特征在于，具有：

串联电路，其包含有直流电源及开关元件，该串联电路用于向加工用电极和被加工物之间的加工间隙中供给直流或交流的电流脉冲；以及

控制部，其控制所述开关元件，

所述控制部在利用存在于所述串联电路上的电感成分生成呈三角波形状的电流脉冲时，对所述开关元件进行控制，使得该电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比成为小于或等于1/5。

2.根据权利要求1所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述控制部对所述开关元件进行控制，使得所述电流脉冲时间比成为小于或等于1/10。

3.根据权利要求1或2所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述控制部对所述开关元件进行控制，以将所述电流脉冲的脉宽设定在0.3至10.0μsec的范围内。

4.根据权利要求1或2所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述控制部对所述开关元件进行控制，以将所述电流脉冲的峰值设定在15至150A的范围内。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述串联电路中具有的开关元件是由宽带隙半导体形成的开关元件。

6.根据权利要求5所述的放电加工机用电源装置，其特征在于，

所述宽带隙半导体是使用碳化硅、氮化镓类材料或金刚石的半导体。

7.一种放电加工方法，其具有串联电路，该串联电路中包含有直流电源及开关元件，该串联电路用于向加工用电极和被加工物之间的加工间隙中供给直流或交流的电流脉冲，在该放电加工方法中，通过将利用存在于所述串联电路上的电感成分而形成为三角波形状的电流脉冲间断地供给至所述加工间隙中，由此对所述被加工物进行加工，

该放电加工方法的特征在于，

对所述开关元件进行控制，使得所述电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比成为小于或等于1/5且大于或等于1/10。

8.一种放电加工方法，其具有串联电路，该串联电路中包含有直流电源及开关元件，该串联电路用于向加工用电极和被加工物之间的加工间隙中供给直流或交流的电流脉冲，在该放电加工方法中，通过将利用存在于所述串联电路上的电感成分而形成为三角波形状的电流脉冲间断地供给至所述加工间隙中，由此对所述被加工物进行加工，

该放电加工方法的特征在于，

对所述开关元件进行控制，使得所述电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比成为小于或等于1/10。

9.一种放电加工方法，其具有串联电路，该串联电路中包含有直流电源及开关元件，该串联电路用于向加工用电极和被加工物之间的加工间隙中供给直流或交流的电流脉冲，在该放电加工方法中，通过将利用存在于所述串联电路上的电感成分而形成为三角波形状的电流脉冲间断地供给至所述加工间隙中，由此对所述被加工物进行加工，

该放电加工方法的特征在于，

对所述开关元件进行控制，使得所述电流脉冲中的无电流时间和电流持续时间的比即电流脉冲时间比成为1/5或其附近值。

Images