CN104588799A - 具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，包括：第一放大器、第二放大器、第一二极管D₁、第二二极管D₂、工具电极以及辅助电极。本发明提供的具有辅助电极脉间输出的电解加工电源，可以有效抑制工具电极的损耗，利用辅助电极导入电解池的完全去极化电流，完全快速泄放加工工件与电解液界面处双电层电容上的电荷，快速消除加工工件与溶液间的原电池效应，使极间维持电压降低为零，适当大小的完全去极化电流，还可以快速去除加工工件与电解液交界面上的表面钝化膜，进一步提高加工效率和表面质量。

Description

具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源及其加工方法

技术领域

本发明属于电解加工技术领域，具体涉及一种高频脉冲微细电解加工电源以及利用该电源进行电解加工的方法。

背景技术

电解加工(Electrochemical Machining，ECM)是利用电流流过加工间隙使阳极金属在电解液中以离子形式溶解，从而将阳极金属工件加工成型的一种加工方法。它具有以下优点：凡是导电材料均可加工，且不受材料强度、硬度和韧性等影响；工件材料以离子形式被去除，理论加工精度高，可达微米甚至纳米尺度；加工后工件表面质量好、无热影响层，无残余应力及毛刺等。宏观尺度的电解加工在制造领域中已成为一种不可或缺的加工手段。自上世纪90年代以来，随着性能优异的金属合金材料的不断涌现和对高精度、高表面质量微三维结构金属零件需求的日益增长，促使微细电解加工(Micro-ECM或μECM)有了迅速发展。

在微细电解加工中，为提高加工定域性，减少杂散腐蚀和降低工件表面粗糙度，通常采用的工艺方法是：利用侧壁绝缘电极，在低浓度水基钝性电解液中，通过控制高频/超短脉冲电源的幅值、频率、电极进给速度和加工间隙等工艺参数，来提高加工精度和表面质量。其中，高频/超短脉冲电源(脉宽为数百μs至数十ns)是微细电解加工领域中的关键装备之一。

目前国内外先后出现了多种用于微细电解加工的高频脉冲电源，与主回路采用逆变式高频脉冲电源相比，斩波式脉冲电源具有电路结构简单，脉冲调节方便等优势，得到广泛应用，迄今电解加工脉冲电源几乎全部采用斩波式。按斩波放大器件的不同，高频脉冲电解加工电源可分类为：IGBT(绝缘栅双极晶体管)式、单路MOSFET(绝缘栅场效应晶体管)式和双路MOSFET管式等几类。按微细电解加工中所采用电极数目的不同，可分为：两电极高频脉冲电源、三电极高频超短电源和四电极超短脉冲电源三大类。

单路MOSFET管斩波式高频脉冲电源的特点是：频率高(数十Hz至数MHz)、电源结构较简单，成本较低。小功率此类高频脉冲电源可适用于微细电解加工，但随着脉冲频率的提高，脉冲间隙期间不足以界面双电层电容完全放电，致使极间存在一个较大的维持电压，使得微细电解加工的杂散腐蚀增加，且易造成波形下降沿失真。

双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源采用互斥导通的控制方法，快速消除维持电压和电离状态，使加工表面形貌有较大改善，一定程度提高了加工精度和表面质量。双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源，其脉冲频率最高可达数MHz，可适用于微细电解加工中。目前通过工程设计，已能解决双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源中对输入信号的同步性、边沿陡峭程度及MOSFET管对称性等的高要求，故此类高频脉冲电源在微细电解加工中得到广泛应用，但在保证小加工定域性的前提下，其加工效率和表面质量有待进一步提高。

迄今，国内外在微细电极加工中，大部分采用工具作为阴极、工件作为阳极(阳极工件端输入高频正脉冲电流信号)的两电极高频脉冲电源，脉冲电源仍旧沿用传统电解加工模式。在保证小加工定域性的前提下，为了进一步提高微细电解加工精度、加工效率和工件表面质量，国内外学者在脉冲电源电极结构上提出了几种创新的解决方法。

韩国国立汉城大学Se Hyun Ahn等学者于2004年左右，在工具阴极和工件阳极旁边用铂片作为平衡电极，构成三电极高频脉冲电源。设置平衡铂电极，抑制在不锈钢加工表面钝化层的生成，一定程度的提高了加工效率，但平衡铂电极的放置位置距离工具电极较远，且其与工具电极直接相连，导致平衡电极所对应工件表面处的杂散腐蚀变大，工件表面质量降低。

清华大学李勇等学者于2013年，提出一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其电解加工方法(公开号：CN103302368A)，此高频超短脉冲电源在两路非平衡供电模式下，由高速电流型宽带运算放大器和电阻组成的电压负反馈型高速放大器，构成三电极电解池体系；在辅助电极、工具电极与工件电极三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压，实现被加工金属工件的抑气促溶。此电源输出最小脉宽约为十ns左右，实现亚微米级精度的加工，但其加工效率较低。

四电极超短脉冲电源是在工具阴极和工件阳极两电极的基础上，加入三电极电势控制仪，构成具有参考电极、对电极、工作件电极和工具电极的四电极超短脉冲电源。德国Rolf Schuster等学者于2000年左右，通过参考电极、对电极，来给工件电极施加偏置电压，同时在工件与工具电极间，施加高频超短脉冲，实现了亚微米级精度的加工。但它需要严格控制偏置电位，结构也较复杂；采用此类电源，虽然加工精度可达亚微米，但其加工效率仍较低。

综上所述，IGBT管斩波式高频脉冲电源，适用于大中型金属工件的电解加工中；单、双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源，适用于中小型工件和微细电解加工中。此类高频脉冲电源有较好的加工定域性，一定程度提高了加工精度和表面质量，目前在微细电解加工中得到广泛应用，但其加工效率和加工后工件表面质量有待进一步提高。

目前，在微细电解加工中，不管采用的是几电极形式的高频脉冲电源，加工时脉冲电流的下降边沿，有瞬态换向电流流过工具电极(与正常加工时的电流相反)，造成工具电极被加工，即工具电极的损耗。

还有，在高频脉冲微细电解加工中，随着脉冲频率的提高，使钝化层进一步变厚，从而降低工件被加工效率；同时，合金材料中表面金属元素氧化活性的不同，形成钝化层的膜厚及其性能各有差异，使加工电流密度的降低程度不一，促使被加工工件表面的斑点腐蚀和晶界腐蚀变大，进而影响加工表面质量。

因此，如何在进一步实现高精度加工的同时，有效抑制工具电极损耗，减薄钝化层厚度，促进被加工金属材料高速溶解，提高微细电解加工效率和表面质量，是高频脉冲微细电解加工电源设计中，仍需亟待解决的一个关键技术问题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种能够提高加工效率和加工后工件表面质量、有效抑制工具电极损耗且输出电流更大的电解加工电源。

一种具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，包括：

第一放大器，该第一放大器具有一个第一输出端及一个第一负端，该第一输出端与加工工件电连接；第二放大器，该第二放大器具有一个第二输出端及一个第二负端，该第二负端与加工工件电连接，所述第二负端与所述第一负端不共地；第一二极管，该第一二极管的负端与所述第一负端电连接；第二二极管，该第二二极管的正端与所述第二输出端电连接；工具电极以及辅助电极，所述工具电极为金属柱状结构，所述辅助电极为金属环状结构,与所述工具电极同轴，所述工具电极与所述辅助电极之间设置有绝缘层，所述工具电极与所述第一二极管的正端电连接，所述辅助电极与所述第二二极管的负端电连接，所述加工工件与所述工具电极之间的电压为第一电压，所述辅助电极与所述加工工件之间的电压为第二电压；所述第一放大器与第二放大器分别用于调节所述第一电压与第二电压的脉冲幅值和脉冲频率，所述第一电压与所述第二电压为等周期、不等幅值、正脉冲信号，满足0V<U_AE-WE<U_WE-TE<36V，其中U_WE-TE为所述第一电压，U_AE-WE为所述第二电压，且所述第二电压的脉宽期间出现在所述第一电压的脉冲间隙期间。

一种利用上述具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源进行电解加工的方法，具体包括以下步骤：

S1，将所述微细电解加工电源的第一输出端与第二负端分别与所述加工工件电连接；

S2，所述工具电极接触对刀后移动至所述加工工件上方，电解液以恒定速度侧流冲入电解池；

S3，在所述加工工件与所述工具电极之间施加第一电压以及在所述辅助电极与所述加工工件之间施加第二电压；

S4，所述工具电极和辅助电极在辅助设备的带动下按照既定的路径运动，对所述加工工件进行电解加工。

附图说明

图1为具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源的结构示意图。

图2为具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源的输出波形图。

图3为本发明实施例提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源中的第一放大器的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源中的第二放大器的结构示意图。

图5为本发明提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源中工具电极与辅助电极结构示意图。

图6为图5所示的工具电极与辅助电极沿VI-VI方向的剖视图。

图7为本发明实施例提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源的控制及输出波形图。

主要元件符号说明

电解加工电源        100

第一放大器          10

第一可调直流电源    11

第二放大器          20

第二可调直流电源    21

工具电极            30

工具电极侧壁        31

工具电极第一端面    33

工具电极第二端面    35

绝缘层              37

辅助电极            40

辅助电极内壁        41

辅助电极外壁        43

辅助电极第一端面    45

辅助电极第二端面    47

加工工件            50

电解液              60

电解池              70

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源作进一步的详细说明。

请参见图1，本发明提供一种具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源100，包括：

第一放大器10，该第一放大器10具有一个第一输出端Out₁及一个第一负端Gnd₁，该第一输出端Out₁与加工工件50电连接；第二放大器20，该第二放大器20具有一个第二输出端Out₂及一个第二负端Gnd₂，该第二负端Gnd₂与加工工件50电连接，所述第二负端与所述第一负端不共地；第一二极管D₁，该第一二极管D₁的负端与所述第一负端Gnd₁电连接；第二二极管D₂，该第二二极管D₂的正端与所述第二输出端Out₂电连接；工具电极30以及辅助电极40，所述工具电极30为金属柱状结构，所述辅助电极40为金属环状结构，与所述工具电极30同轴，所述工具电极30与所述辅助电极40之间设置有绝缘层37，所述工具电极30与所述第一二极管D₁的正端电连接，所述辅助电极40与所述第二二极管D₂的负端电连接，所述加工工件50与所述工具电极30之间的电压为第一电压U_WE-TE，所述辅助电极40与所述加工工件50之间的电压为第二电压U_AE-WE。

请参见图2，所述第一电压U_WE-TE与第二电压U_AE-WE为等周期、不等幅值、正脉冲信号，满足0V<U_AE-WE<U_WE-TE<36V，且所述第二电压U_AE-WE的脉宽期间出现在所述第一电压U_WE-TE的脉冲间隙期间。

所述第一放大器10具有一个第一输出端Out₁及一个第一负端Gnd₁，该第一输出端Out₁与加工工件50电连接，该第一负端Gnd₁与所述第一二极管D₁的负端电连接。所述第一放大器10用于调节第一电压U_WE-TE的脉冲幅值和脉冲频率。所述第一电压U_WE-TE是指输出到加工工件50与工具电极30之间的电压。

请参见图3，本实施例中所述第一放大器10为双路MOSFET管斩波式高频脉冲放大器，包括：第一MOSFET管Q₁、第二MOSFET管Q₂以及第一可调直流电源11。所述第一MOSFET管Q₁的栅极接入第一控制信号G₁，漏极与所述第一可调直流电源11的正极电连接，源极作为所述第一输出端Out₁；所述第二MOSFET管Q₂的栅极接入第二控制信号G₂，源极与所述第一可调直流电源11的负极电连接，漏极与所述第一MOSFET管Q₁的源极电连接；所述第一可调直流电源11的负极作为所述第一负端Gnd₁。

所述第一MOSFET管Q₁与第二MOSFET管Q₂均为高速N型MOSFET管，其速度通常大于1MHz。所述第一MOSFET管Q₁、第二MOSFET管Q₂分别在第一控制信号G₁、第二控制信号G₂的控制下对所述第一可调直流电源11产生的直流电压进行斩波，产生微细电解加工所需的第一电压U_WE-TE。所述第一可调直流电源11的输出电压可通过外部输入模拟电压实时、在线地控制与调节。

所述第二放大器20具有一个第二输出端Out₂及一个第二负端Gnd₂，该第二输出端Out₂与加工工件50电连接，该第二负端Gnd₂与所述第一二极管D₁的负端电连接。所述第二放大器20用于调节所述第二电压U_AE-WE的脉冲幅值和脉冲频率。所述第二电压U_AE-WE是指输出到辅助电极40与加工工件50之间的电压。

请参见图4，本实施例中所述第二放大器20为单路MOSFET管斩波式高频脉冲放大器，包括：第三MOSFET管Q₃以及第二可调直流电源21。所述第三MOSFET管Q₃的栅极接入第三控制信号G₃，漏极与所述第二可调直流电源21的正极电连接，源极作为所述第二输出端Out₂；所述第二可调直流电源21的负极作为所述第二负端Gnd₂。所述第二可调直流电源21的负极与所述第一可调直流电源11的负极不共地。

所述第三MOSFET管Q₃为高速N型MOSFET管，其速度通常大于1MHz。所述第三MOSFET管Q₃在第三控制信号G₃的控制下对所述对所述第二可调直流电源21产生的直流电压进行斩波，产生微细电解加工所需的第二电压U_AE-WE。所述第二可调直流电源21的输出电压可通过外部输入模拟电压实时、在线地控制与调节。

所述第一二极管D₁用于控制电流的流向。该第一二极管D₁的正端与所述工具电极第一端面33电连接，负端与所述第一负端Gnd₁电连接。本实施例中所述第一二极管D₁选用的为超快速二极管，其速度通常大于5MHz。

所述第二二极管D₂用于控制电流的流向。该第二二极管D₂的正端与所述第二输出端Out₂电连接，负端与所述辅助电极40电连接。本实施例中所述第二二极管D₂选用的为超快速二极管，其速度通常大于5MHz。需要指出的是，所述第二二极管D₂在本发明中可以起到保护所述第二放大器20的作用，如果省略所述第二二极管D₂并不影响本装置的正常运行。

请一并参阅图5与图6，图5为本发明工具电极30与辅助电极40结构的示意图，图6为图5沿VI-VI方向的剖视图。

所述工具电极30为金属柱状结构，优选地，所述工具电极30为金属圆柱体，其直径与长度因加工工件50的不同而有所差异，通常情况其直径可为数十至数百微米，长度不限，若加工方式为穿孔，其长度要大于所述加工工件穿孔部位的厚度。所述工具电极30包括工具电极侧壁31、工具电极第一端面33以及与该工具电极第一端面33相对的工具电极第二端面35。所述工具电极第一端面33与所述第一二极管D₁的正端电连接；所述工具电极第二端面35的表面平整且保持裸露，靠近待加工工件50设置，工作时所述工具电极第二端面35浸没于电解液60中。

所述辅助电极40为金属环状结构，与所述工具电极30同轴，所述辅助电极40包括辅助电极内壁41、辅助电极外壁43、辅助电极第一端面45以及与该辅助电极第一端面45相对的辅助电极第二端面47。所述辅助电极第一端面45与所述工具电极第一端面33方向一致，并且与所述第二二极管D₂的负端电连接；所述辅助电极第二端面47与所述工具电极第二端面35方向一致，工作时所述辅助电极第二端面47浸没于电解液60中。所述辅助电极40位于在所述工具电极30的中间部位，距离所述工具电极第二端面35可为数毫米。所述辅助电极40与所述工具电极30之间设置有绝缘层37，所述绝缘层37为环状结构，设置于所述工具电极侧壁31与所述辅助电极内壁41之间，并与上述两者紧密贴合。所述绝缘层37的厚度可为20μm～200μm，长度大于所述辅助电极内壁41的长度，可以小于所述工具电极侧壁31的长度。现有技术中由于加工效率低，所述工具电极侧壁31通常是全部被绝缘层37覆盖，尤其是靠近所述工具电极第二端面35的部位须覆盖有绝缘层37，以保证加工精度。本发明提高了加工的效率，所述工具电极侧壁31可以仅部分覆盖有绝缘层37。

本实施例中所述工具电极30采用的是圆柱状钨丝，直径为100μm。所述绝缘层37采用的是聚酰亚胺，长度为1mm。所述辅助电极40为一微小金属薄圆环，其外直径为150μm，距离所述工具电极第二端面35约为3mm。

请一并参见图7与图8，图7为本发明实施例提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源的结构示意图，图8为本发明实施例提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源的控制及输出波形图。图8中第一电压U_WE-TE为所述加工工件50与工具电极30之间的电压，第二电压U_AE-WE为所述辅助电极40与加工工件50之间的电压。所述第一电压U_WE-TE与第二电压U_AE-WE的脉冲幅值与脉冲频率分别由所述第一放大器10与第二放大器20的输出电压调节。所述第一电压U_WE-TE与第二电压U_AE-WE为等周期、不等幅值、正脉冲信号，满足0V<U_AE-WE<U_WE-TE<36V，且所述第二电压U_AE-WE的脉宽T_{on_O2}期间出现在所述第一电压U_WE-TE的脉冲间隙T_{off_O1}期间。

在所述第一电压U_WE-TE脉宽T_{on_O1}期间，所述第一二极管D₁正向导通，加工脉冲电流I₁从所述加工工件50流过加工间隙、工具电极30、第一二极管D₁至第一负端Gnd₁，所述加工工件50被加工蚀除。

在所述第一电压U_WE-TE脉间T_{off_O1}期间，所述加工工件50与所述工具电极30交界面处双电层电容、线路寄生电容及电感进行放电，形成极间部分去极化反向电流I₂。此时所述部分去极化反向电流I₂由所述加工工件50流出，流入第一输出端Out₁，在本实施例中，流入第一输出端Out₁的电流I₂经第一MOSFET管Q₃流入第一可调直流电源11的负极。所述部分去极化反向电流I₂使输出脉冲的上升沿和下降沿变陡峭，降低了MOSFET管的功耗；且所述第一二极管D₁反向截止，防止了所述部分去极化反向电流I₂灌入工具电极30，使工具电极30中无反向电流流过，完全抑制了工具电极30的损耗。

在第二电压U_AE-WE的脉宽T_{on_O2}期间，完全去极化电流I₃从第二输出端Out₂流出，经所述第二二极管D₂(正向导通)、辅助电极40、加工间隙、加工工件50后，至第二负端Gnd₂。所述完全去极化电流I₃快速泄放了加工工件50与电解液60交界面处双电层电容上的电荷以及工具电极30与电解液60交界面处双电层电容上的电荷，快速消除了加工工件50与电解液60交界面处的原电池效应，降低所述微细电解加工电源100的平均电压，快速消除极间维持电压，进而提高加工的尺寸精度和表面质量。所述辅助电极40被加工蚀除，通过牺牲辅助电极40来保护工具电极30。通过调整所述完全去极化电流I₃的大小，使极间维持电压降低为零，可缩短脉冲间隔时间，增大脉冲占空比，在保证高加工定域性的前提下，进一步提高加工精度和加工效率。适量大小的完全去极化电流I₃使加工工件50与电解液60交界面处H⁺离子浓度增大，进一步提高加工效率、形状精度和表面质量。

本实施例中，所述第一电压U_WE-TE脉冲幅值为8V，第二电压U_AE-WE脉冲幅值为3V，脉冲频率均为100kHz。所述第一电压U_WE-TE的脉冲幅值由所述第一可调直流电源11的电压调节，所述第一电压U_WE-TE的脉冲频率由所述第一控制信号G₁、第二控制信号G₂调节；所述第二电压U_AE-WE的脉冲幅值由所述第二可调直流电源21的电压调节，所述第二电压U_AE-WE的脉冲频率由所述第三控制信号G₃调节。

在第一电压U_WE-TE的脉宽T_{on_O1}期间，所述第一MOSFET管Q₁栅极输入的第一控制信号G₁为高电平，使得该第一MOSFET管Q₁导通，导通时间为T_on1；所述第二MOSFET管Q₂栅极输入的第二控制信号G₂为低电平，使该第二MOSFET管Q₂关断，关断时间为T_off2；所述第三MOSFET管Q₃栅极输入的第三控制信号G₃为低电平，使该第三MOSFET管Q₃关断，关断时间为T_off3。所述第一MOSFET管Q₁导通时间T_on1、第二MOSFET管Q₂关断时间为T_off2、第三MOSFET管Q₃关断时间T_off3满足以下关系：T_on1<T_off2<T_off3。具体地，所述第二MOSFET管Q₂的关断比所述第一MOSFET管Q₁的导通超前t₁时间，两路开关控制信号G₁与G2的相位差小于180°，有效的避免了所述MOSFET管的短路损坏；所述第三MOSFET管Q₃的关断比所述第一MOSFET管Q₁的导通超前t₂时间。

在第一电压U_WE-TE的脉间T_{off_O1}期间，所述第一MOSFET管Q₁栅极输入的第一控制信号G₁为低电平，使得该第一MOSFET管Q₁关断，关断时间为T_off1；所述第二MOSFET管Q₂栅极输入的第二控制信号G₂为高电平，使该第二MOSFET管Q₂导通，导通时间为T_on2；所述第三MOSFET管Q₃栅极输入的第三控制信号G₃为高电平，使该第三MOSFET管Q₃导通，导通时间为T_on3。所述第一MOSFET管Q₁关断时间T_off1、第二MOSFET管Q₂导通时间为T_on2、第三MOSFET管Q₃导通时间T_on3满足以下关系：T_off1>T_on2>T_on3。具体地，所述第一MOSFET管Q₁的关断比所述第二MOSFET管Q₂的导通超前t₁时间，两路开关控制信号G₁与G2的相位差小于180°；所述第一MOSFET管Q₁的关断比所述第三MOSFET管Q₃导通超前t₂时间。

本发明还提供一种利用上述具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源进行电解加工的方法，具体包括以下步骤：

S1，将所述微细电解加工电源100的第一输出端Out₁与第二负端Gnd₂分别与所述加工工件50电连接；

S2，所述工具电极30接触对刀后移动至所述加工工件50上方，电解液60以恒定速度侧流冲入电解池70；

S3，在所述加工工件50与所述工具电极30之间施加第一电压U_WE-TE以及在所述辅助电极40与所述加工工件50之间施加第二电压U_AE-WE；

S4，所述工具电极30和辅助电极40在辅助设备的带动下按照既定的路径运动，对所述加工工件50进行电解加工。

步骤S1中，所述加工工件50固定或者装夹在电解池70中。所述加工工件50可以为各种金属材料，本实施例中采用的是304不锈钢。

步骤S2中，所述接触对刀是指将所述工具电极30逐渐向所述加工工件50移动，当所述工具电极30与加工工件50刚刚接触时，认为它们之间的加工间隙为0。

所述电解液60为水基钝性电解液，本实施例中所选用的电解液60为NaNO₃水溶液，浓度为0.5mol/L，电解液给进速度为0.1m/s-5m/s。所述工具电极30、辅助电极40以及加工工件50的待加工部分浸没于电解液60中。所述电解液60与工具电极30、辅助电极40以及加工工件50构成三电极电解池体系。

步骤S3中，在开启所述电解加工电源100之前需要调节所述第一放大器10、第二放大器20的输出电压，使所述加工工件50与工具电极30之间的第一电压U_WE-TE、所述辅助电极40与加工工件50之间的第二电压U_AE-WE的脉冲幅值满足以下约束条件：

0V<U_AE-WE<U_WE-TE<36V

脉冲频率满足以下约束条件：

T＝T_on1+T_off1            (1)

T＝T_on2+T_off2            (2)

T＝T_on3+T_off3            (3)

T＝T_{on_O1}+T_{off_O1}        (4)

T＝T_{on_O2}+T_{off_O2}        (5)

T_on1＝T_{on_O1}            (6)

T_off1＝T_{off_O1}          (7)

T_on3＝T_{on_O2}            (8)

T_off3＝T_{off_O2}          (9)

其中，T为总周期，T_on1与T_off1分别为所述第一MOSFET管Q₁的导通时间与关断时间，T_on2与T_off2分别为所述第二MOSFET管Q₂的导通时间与关断时间，T_on3与T_off3分别为所述第三MOSFET管Q₃的导通时间与关断时间，T_{on_O1}与T_{off_O1}分别为所述第一电压U_WE-TE的脉冲宽度与脉间宽度，T_{on_O2}与T_{off_O2}分别为所述第二电压U_AE-WE的脉冲宽度与脉间宽度。

在一个总周期T内，所述第一控制信号G₁下降沿到所述第三控制信号G₃上升沿的时间、所述第三控制信号G₃下降沿到所述第一控制信号G₁上升沿的时间以及所述第一电压U_WE-TE下降沿到所述第二电压U_AE-WE上升沿之间的时间均为t₂，t₂满足公式(10)所约束的条件：

$t_2=\frac{1}{2}(T_{\mathrm{off}1}-T_{\mathrm{on}3})---\left(10\right)$

将从t＝0时刻起到所述第一控制信号G₁第一个上升沿的时间记做T_{_pre}，T_{_pre}也为从t＝0时刻起到第一电压U_WE-TE第一个上升沿的时间，T_{_pre}满足公式(11)所约束的条件：

T_{_pre}＝T_{on_O2}+t₂(11)

将公式(8)和(10)代入公式(11)，得

$T_{\_\mathrm{pre}}=\frac{1}{2}(T_{\mathrm{on}\_O2}+T_{\mathrm{off}1})---\left(12\right)$

本实施例利用所述电解加工电源100对304不锈钢进行电解加工，所述第一电压U_WE-TE脉冲幅值为8V，第二电压U_AE-WE脉冲幅值为3V，脉冲周期T＝10μs，T_{on_O1}＝T_on1＝5μs，T_{off_O1}＝T_off1＝5μs，T_{on_O2}＝T_on3＝2μs，T_{off_O2}＝T_off3＝8μs,T_on2＝4.98μs，T_off2＝5.02μs，t₁＝10ns，t₂＝1.5μs，T_{_pre}＝3.5μs。

步骤S4中，所述工具电极30和辅助电极40在辅助设备的带动下按照既定的路径运动，对所述加工工件50进行电解加工。所述辅助设备可以是各种能够精确的在三维或二维空间进行定位、移动的设备，其速度可以为数十微米每秒。本实施例中所述工具电极30和辅助电极40以15μm/s的速度匀速向加工工件50运动，约经30s后，厚约500μm的加工工件50被洞穿。

加工结束后关闭所述电解加工电源100，停止电解液60的冲入，并复位工具电极30和辅助电极40的位置，取出加工好的加工工件50，并将其冲洗烘干。

本发明提供的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源100可以有效抑制工具电极30的损耗，利用辅助电极40导入电解池70的完全去极化电流，可以完全快速泄放加工工件50与电解液60界面处双电层电容上的电荷，快速消除加工工件50与电解液60间的原电池效应，使极间维持电压降低为零，适当大小的完全去极化电流，还可以快速去除加工工件50与电解液60交界面上的表面钝化膜，进一步提高加工效率和表面质量。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，包括：

第一放大器，该第一放大器具有一个第一输出端及一个第一负端，该第一输出端与加工工件电连接；

第二放大器，该第二放大器具有一个第二输出端及一个第二负端，该第二负端与加工工件电连接，所述第二负端与所述第一负端不共地；

第一二极管，该第一二极管的负端与所述第一负端电连接；

第二二极管，该第二二极管的正端与所述第二输出端电连接；

工具电极以及辅助电极，所述工具电极为金属柱状结构，所述辅助电极为金属环状结构，与所述工具电极同轴，所述工具电极与所述辅助电极之间设置有绝缘层，所述工具电极与所述第一二极管的正端电连接，所述辅助电极与所述第二二极管的负端电连接，所述加工工件与所述工具电极之间的电压为第一电压，所述辅助电极与所述加工工件之间的电压为第二电压；

所述第一放大器与第二放大器分别用于调节所述第一电压与第二电压的脉冲幅值和脉冲频率，所述第一电压与所述第二电压为等周期、不等幅值、正脉冲信号，满足0V<U_AE-WE<U_WE-TE<36V，其中U_WE-TE为所述第一电压，U_AE-WE为所述第二电压，且所述第二电压的脉宽期间出现在所述第一电压的脉冲间隙期间。

2.如权利要求1所述的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，其特征在于，

所述第一放大器包括：

第一可调直流电源，该第一可调直流电源的负极作为所述第一负端；

第一MOSFET管，该第一MOSFET管的栅极接入第一控制信号，漏极与所述第一可调直流电源的正极电连接，源极作为所述第一输出端；

第二MOSFET管，该第二MOSFET管的栅极接入第二控制信号，源极与所述第一可调直流电源的负极电连接，漏极与所述第一MOSFET管的源极电连接；

所述第二放大器包括：

第二可调直流电源，该第二可调直流电源的负极作为所述第二负端；

第三MOSFET管，该第三MOSFET管的栅极接入第三控制信号，漏极与所述第二可调直流电源的正极电连接，源极作为所述第二输出端。

3.如权利要求2所述的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，其特征在于，

在第一电压的脉宽期间，所述第一MOSFET管导通，导通时间为T_on1，所述第二MOSFET管关断，关断时间为T_off2，所述第三MOSFET管关断，关断时间为T_off3，且有T_on1<T_off2<T_off3，所述第二MOSFET管的关断比所述第一MOSFET管的导通超前t₁时间，所述第三MOSFET管的关断比所述第一MOSFET管的导通超前t₂时间；

在第一电压的脉间期间，所述第一MOSFET管关断，关断时间为T_off1，所述第二MOSFET管导通，导通时间为T_on2，所述第三MOSFET管导通，导通时间为T_on3，且有T_off1>T_on2>T_on3，所述第一MOSFET管的关断比所述第二MOSFET管的导通超前t₁时间，所述第一MOSFET管的关断比所述第三MOSFET管导通超前t₂时间。

4.如权利要求2所述的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，其特征在于，所述第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号均为高频超短脉冲信号。

5.如权利要求2所述的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，其特征在于，所述第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管均为高速N型MOSFET管，其速度大于1MHz。

6.如权利要求1所述的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，其特征在于，所述第一二极管与所述第二二极管均为高速二极管，其速度大于5MHz。

7.如权利要求1所述的具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源，其特征在于，所述工具电极为的圆柱状钨丝，所述辅助电极为微小金属薄圆环，所述绝缘层为环状结构，设置于所述圆柱状钨丝侧壁与所述微小金属薄圆环内壁之间，并与上述两者紧密贴合。

8.一种利用权利要求1所述具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源进行电解加工的方法，具体包括以下步骤：

S1，将所述微细电解加工电源的第一输出端与第二负端分别与所述加工工件电连接；

S2，所述工具电极接触对刀后移动至所述加工工件上方，电解液以恒定速度侧流冲入电解池；

S3，在所述加工工件与所述工具电极之间施加第一电压以及在所述辅助电极与所述加工工件之间施加第二电压；

S4，所述工具电极和辅助电极在辅助设备的带动下按照既定的路径运动，对所述加工工件进行电解加工。

9.如权利要求8所述的电解加工的方法，其特征在于，所述电解液为水基钝性电解液。

10.如权利要求9所述的电解加工的方法，其特征在于，所述电解液为浓度为0.5mol/L的NaNO₃水溶液。