CN104640660B - 导线放电加工用电源装置 - Google Patents

Abstract

为了在精加工前的步骤中，不牺牲加工速度地提升表面粗糙度，本发明构成为，使导线放电加工用电源装置包括：第一直流电源(11)；第一开关元件(12)、(18)，设置在第一直流电源与加工间隙(7)之间；第二直流电源(21)；第二开关元件(22)，设置在第二直流电源与加工间隙之间；以及脉冲产生装置(40)，控制第一开关元件及第二开关元件；且，为了在加工间隙产生放电，脉冲产生装置接通第二开关元件，对加工间隙施加第二直流电源的电压，响应放电产生检测信号(St)，以规定频率间歇性地接通第一开关元件，而向加工间隙供给连续的电流脉冲，当电流脉冲未达到基准电流(Ir)时，停止供给连续的电流脉冲。

Description

导线放电加工用电源装置

技术领域

本发明涉及一种导线放电加工装置，在形成于导线电极与工件(work)之间的加工间隙间歇性地产生放电，而对工件进行加工。本发明尤其涉及一种通过控制开关元件而向加工间隙反复供给电流脉冲的电源装置。

背景技术

已知有一种电容器式电源装置，通过电容器(capacitor)的放电而在加工间隙产生放电。电容器并联连接于加工间隙。电容器式电源装置能供给上升相对较急遽的电流脉冲。然而，电流脉冲的供给取决于电容器的充放电。因此，电流脉冲的波形不齐整，表面粗糙度变得不均匀。而且，在电容器式电源装置中，需要相对长的断开(off)时间来恢复加工间隙的绝缘。而且，由于电流脉冲的上升时间的缩短有极限，因此难以提高加工速度。

另一方面，非电容器式电源装置不包含电容器，而是通过控制串联连接于加工间隙的开关元件，向加工间隙供给电流脉冲。电流脉冲的脉宽与电流峰值(peak)可以容易地控制，因此由电流脉冲形成的凹坑(crater)状的孔的尺寸变得均匀。结果，表面粗糙度更小，较为优选。

在一般的导线放电加工中，要制作一个产品，会执行加工条件不同的多个步骤。首先，在工件上大概形成所期望的轮廓。接着，高精度地从切割面除去多余材料，以便使轮廓的尺寸满足要求值。最后，进行精加工，以提升切割面的粗糙度。步骤越临近精加工，电流脉冲使用的能量越小。在精加工前的步骤中，大多数非电容器式电源装置向加工间隙供给具有固定长脉宽的梯形形状的电流脉冲。这种电流脉冲会提高加工速度。但是，该电流脉冲无法提升表面粗糙度，因此精加工所需的时间会变长。

已知如果电流脉冲以1MHz以上的高频向加工间隙供给，表面粗糙度便会提升。专利文献1公开了通过施加交流电压而以高频向加工间隙供给电流脉冲。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开2002-58874号

发明内容

发明要解决的课题

然而，这种电流脉冲在切割面上形成的孔虽然微细，但不均匀，并不优选。本发明的目的在于：在精加工前的步骤中，不牺牲加工速度地提升表面粗糙度。其他目的及本发明的优点将在接下来的说明中叙述。

解决课题的手段

本发明涉及一种导线放电加工用电源装置，包括：第一直流电源11；

第一开关元件12、18，设置在第一直流电源与加工间隙7之间；

第二直流电源21；

第二开关元件22，设置在第二直流电源与加工间隙之间；

放电产生检测器42，产生检测信号St，该检测信号St表示已在加工间隙产生放电；以及

脉冲产生装置40，控制第一开关元件及第二开关元件。

为了在加工间隙产生放电，脉冲产生装置接通第二开关元件，对加工间隙施加第二直流电源的电压，响应放电产生检测器的检测信号，以规定频率间歇性地接通第一开关元件，而向加工间隙供给连续的电流脉冲，当电流脉冲未达到基准电流Ir时，停止供给连续的电流脉冲。

电流从第一直流电源经由第一开关元件流向加工间隙的电路优选为不包含限流电阻。规定频率只要为1MHz以上即可。

附图说明

图1是表示本发明的电源装置的框图。

图2是表示图1的脉冲产生装置的动作的时序图。

图3是表示实际的间隙电压与间隙电流的图。

符号的说明

5：导线电极

6：工件

7：加工间隙

10：主电源电路

11：第一直流电源

12、18：第一开关元件

13：检测电阻

14：检测电阻

15：低电感线

16、24：防逆流二极管

20：辅助电源电路

21：第二直流电源

22：第二开关元件

23：限流电阻

25：极性切换电路

40：脉冲产生装置

42：数字比较器

46：差动放大器

47：峰值保持电路

48：数字比较器

100：控制装置

A、B：输入端子

Gate1：第一栅极信号

Gate2：第二栅极信号

Ip：设定值

Ir：第一基准电流

Is：间隙电流

Ma：脉宽

OFF：断开时间

Si：第二基准信号

Sr：第一基准信号

St：信号

T：规定期间

t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8：时刻

Tw：等待时间

Vd、Vr：基准电压

Vg：间隙电压

Vo：电压

τoff：暂停宽度

Wv：电流脉冲

具体实施方式

参照图1，对本发明的导线放电加工用电源装置的一实施例进行说明。图1中的电源装置适于精加工前的步骤。电源装置包含主电源电路10及辅助电源电路20。加工间隙7形成在导线电极5与工件6之间。主电源电路10在加工间隙7产生放电而在放电电流已经开始流通时，供给用于加工的主要放电电流。主电源电路10中的电阻与电感(inductance)被设定得尽量小。辅助电源电路20对加工间隙7施加用以感应放电的电压。在主电源电路10包含辅助电源电路20的功能的情况下，也可以省略辅助电源电路20。

主电源电路10包含第一直流电源11、第一开关元件12、第一开关元件18、检测电阻13、及检测电阻14。第一开关元件12、第一开关元件18是为了对在加工间隙7流通的电流进行控制而设置。第一直流电源11的输出电压可变。第一开关元件12设置在第一直流电源11的正极与加工间隙7之间，第一开关元件18设置在第一直流电源11的负极与加工间隙7之间。检测电阻13与加工间隙7并联连接于第一直流电源11。检测电阻14串联地设置在加工间隙7与第一开关元件12之间。主电源电路10不可避免地会物理地远离加工间隙7。低电感线15将主电源电路10与加工间隙7连接。主电源电路10还包含设置在检测电阻14与低电感线15之间的防逆流二极管(diode)16。

第一直流电源11产生15V～450V的直流电压。第一开关元件12是上 升性能与耐压性能优秀的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectTransistor，MOSFET)。低电感线15是同轴电缆(cable)。防逆流二极管16防止因在加工间隙7产生的逆电压所致的电流回流到第一直流电源11。主电源电路10除了包含加工间隙7中的电阻及电阻值小的检测电阻14以外，不包含限流电阻。因此，主电源电路10不包含实质性的电阻元件，电流的损耗得到降低。结果，主电源电路10能以高频提供峰值更高的电流脉冲。而且，主电源电路10不具有线圈(coil)或电感元件，而是经由低电感线15与加工间隙7连接。因此，在主电源电路10中，可以提供具有更急剧的上升缘的电流脉冲。结果，主电源电路10可以提供高频的电流脉冲。

辅助电源电路20包含第二直流电源21、第二开关元件22、限流电阻23、防逆流二极管24、及极性切换电路25。第二直流电源21并联连接于第一直流电源11。第二开关元件22为了对施加于加工间隙7的电压进行控制，而设置在第二直流电源21与加工间隙7之间。限流电阻23在加工间隙7与第二直流电源21之间，串联连接于第二开关元件22。防逆流二极管24串联连接于第二直流电源21。极性切换电路25设置在第二直流电源21与第二开关元件22之间，且包含开关元件的桥接电路。

第二直流电源21产生80V的直流电压。第二开关元件22是MOSFET。防逆流二极管24防止冲击电流向第二直流电源21回流。极性切换电路25使第二直流电源21的直流电压的极性在正极性与反极性之间切换。当为正极性时，导线电极成为负极，工件成为正极。当为反极性时，导线电极成为正极，工件成为负极。

检测电阻13侦测加工间隙7的电压(“间隙电压”)Vg。间隙电压Vg被供给至数字比较器(Digital Comparator)42的输入端子A。控制装置100向数字比较器42的输入端子B供给基准电压Vr。基准电压Vr被设定为略微低于第二直流电源21的输出电压的值。例如，当第二直流电源21的输出电压为90V时，基准电压为87V。控制装置100可以变更基准电压Vr。数字比较器42对比间隙电压Vg与基准电压Vr，而构成放电产生检测器。当间隙电压Vg变成基准电压Vr以下时，数字比较器42输出表示已在加工间隙7产生放电的脉冲(impulse)信号St，以下将St称为放电产生检测信号。

对检测电阻14的两端施加的检测电压表示在加工间隙7流通的电流(“间隙电流”)Is，并供给至差动放大器46的其中一个输入端子(-)。可变电阻与差动放大器46的另一个输入端子(+)连接，基准电压Vd被供给至差动放大器46的另一个输入端子。控制装置100可以通过切换信号来变更基准电压Vd。基准电压Vd表示电流峰值的设定值Ip。电流峰值是加工条件之一，表示电流脉冲的峰值。当间隙电流Is为电流峰值的设定值Ip以下时，差动放大器46向脉冲产生装置40供给第二基准信号Si。

表示间隙电流Is的检测电压也被供给至峰值保持(hold)电路47。峰值保持电路47保持表示间隙电流Is的检测电压在规定周期内的最大值。峰值保持电路47每规定周期地将表示最大电压的矩形波连续地向数字比较器48的输入端子A供给。因此，峰值保持电路47发挥着将模拟(analog)信号转换成数字信号的模拟数字(Analog to Digital，AD)转换器的功能。控制装置100将表示第一基准电流Ir的电压向数字比较器48的输入端子B供给。第一基准电流Ir低于电流峰值的设定值Ip。不均匀的电流脉冲对于表面粗糙度来说并非优选，因此第一基准电流Ir优选为高于设定值Ip的1/2。数字比较器48每规定周期地对比间隙电流Is与第一基准电流Ir。当间隙电流Is低于第一基准电流Ir时，数字比较器48产生第一基准信号Sr。

控制装置100向脉冲产生装置40提供包括断开时间OFF在内的加工条件。脉冲产生装置40向第一开关元件12、第一开关元件18供给第一栅极(gate)信号Gate1，向第二开关元件22供给第二栅极信号Gate2。第一开关元件12、第一开关元件18只在正产生第一栅极信号Gate1的期间接通。第二开关元件22只在正产生第二栅极信号Gate2的期间接通。如果第一栅极信号Gate1断开，而第一开关元件12、第一开关元件18断开，那么主电源电路10实质上被从加工间隙7切断。结果，电流脉冲急剧地下降，因此优选。

脉冲产生装置40在接收到第二基准信号Si时，并不向开关元件12、开关元件18、开关元件22供给第一及第二栅极信号Gate1、Gate2。换句话说，如果间隙电流Is超过电流峰值的设定值Ip，那么脉冲产生装置40便会断开开关元件12、开关元件18、开关元件22，而将间隙电流Is限制在作为上限值的电流峰值Ip。

参照图2，对脉冲产生装置40的动作进行说明。图2表示第二栅极信号 Gate2、间隙电压Vg、放电产生检测信号St、第一栅极信号Gate1、及间隙电流Is。操作人员对控制装置100设定加工条件。将加工条件的设定值存储在控制装置100的存储装置中。加工条件例如为断开时间OFF、频率Mo、脉宽Ma、电压Vo、及电流峰值Ip。频率Mo为1MHz以上。

在加工之前，控制装置100将断开时间OFF、频率Mo、及脉宽Ma提供给脉冲产生装置40。控制装置100向第一直流电源11供给切换信号，并将第一直流电源11的输出电压设定为电压Vo。控制装置100向数字比较器42的输入端子B供给基准电压Vr。控制装置100将切换信号供给到可变电阻，并将表示电流峰值的设定值Ip的基准电压Vd供给至差动放大器46的另一个输入端子。而且，控制装置100将表示第一基准电流Ir的电压供给至数字比较器48的输入端子B。

脉冲产生装置40在经过断开时间OFF之后的时刻t1，产生第二栅极信号Gate2。结果，第二开关元件22接通，用以感应放电的直流电压从第二直流电源21被施加至加工间隙7。间隙电压Vg急剧地上升到空载电压Vo。空载电压Vo维持到在加工间隙7产生放电为止。如果在从时刻t1起经过等待时间Tw之后的时刻t2，在加工间隙7产生放电，那么间隙电流Is开始在加工间隙7流通，间隙电压Vg急剧地下降。间隙电流Is不流通的等待时间Tw是难以预见的时间。由于辅助电源电路20的限流电阻23非常地大，所以放电产生时的间隙电流Is逐渐增大。

如果间隙电压Vg变成基准电压Vr以下，数字比较器42便会将表示放电的产生的脉冲信号St供给至脉冲产生装置40。数字比较器42通过脉冲信号St而重置。脉冲产生装置40响应脉冲信号St，以规定的放电频率，间歇性地产生第一栅极信号Gate1，并将连续的电流脉冲供给至加工间隙7。在从时刻t2起经过少许延迟时间之后的时刻t3，脉冲产生装置40产生第一栅极信号Gate1。结果，第一开关元件12、第一开关元件18接通，而从第一直流电源11向加工间隙7供给大的电流。这时维持着第二栅极信号Gate2的接通状态，因此间隙电流Is急剧地上升到电流峰值Ip。

在从时刻t3起经过规定时间之后的时刻t4，脉冲产生装置40使第一栅极信号Gate1与第二栅极信号Gate2断开。规定时间基于脉宽Ma，例如为脉宽Ma的一半。间隙电压Vg急速地下降，在时刻t5变成零。间隙电流Is也 从电流峰值Ip急剧地下降，在时刻t5灭弧。

在间隙电流Is超过电流峰值的设定值Ip而上升的情况下，差动放大器46停止供给第二基准信号Si。结果，脉冲产生装置40使开关元件12、开关元件18、开关元件22全部断开，限制间隙电流Is。在这种情况下，电流脉冲的波形并非三角形，而是形成为梯形。然而，意欲以1MHz以上的高频供给高电流峰值的电流脉冲，并设定了为实现该目的的加工条件。实际上，间隙电流Is很少在脉宽Ma的期间达到电流峰值Ip。本发明的电源装置连续地供给如图3所示的锐角三角波的电流脉冲。

在从时刻t4起经过暂停宽度τoff之后的时刻t6，脉冲产生装置40再次产生第一栅极信号Gate1。在时刻t6，间隙电压Vg急剧地上升，并且间隙电流Is无等待时间地上升。暂停宽度τoff是根据频率Mo与脉宽Ma而决定的时间。暂停宽度τoff比用以恢复加工间隙7的绝缘的断开时间OFF短得多。脉冲产生装置40按照频率Mo与脉宽Ma，以1MHz以上的高频反复产生第一栅极信号Gate1。

电流脉冲随着时间的流逝而不断衰减。在电流脉冲于脉宽Ma的期间未达到第一基准电流Ir的情况下，脉冲产生装置40停止供给连续的电流脉冲，并开始计测断开时间OFF。图2中，在时刻t7，脉冲产生装置40使第一栅极信号Gate1断开。在从时刻t7起经过断开时间OFF之后的时刻t8，脉冲产生装置40再次产生第二栅极信号Gate2。

一方面，本发明的电源装置向加工间隙7供给脉宽小的电流脉冲，因此一次电流脉冲在工件表面形成的凹坑状的孔变小，表面粗糙度不会变大。结果，精加工所需的时间得以缩短。另一方面，本发明的电源装置能以1MHz以上的高频产生高电流峰值的电流脉冲，因此不会牺牲加工效率。

也可以追加设定规定期间T。例如，图2中影线所示的电流脉冲Wv在正产生第一栅极信号Gate1的期间，未达到第一基准电流Ir。然而，在紧跟电流脉冲Wv之后，有可能产生达到第一基准电流Ir的电流脉冲。因此，判断是否产生在规定期间T之间达到第一基准电流Ir的电流脉冲。结果，断开时间OFF得以缩短，加工速度的下降得到抑制。

本发明的电源装置可以在精加工前的步骤中，不牺牲加工速度地缩小表面粗糙度。在以往的精加工前的步骤中，是以3.5mm/min的加工速度，使表 面粗糙度减少到18μmRz。设定了与以往的加工相同的电流峰值的本发明的电源装置以4.5mm/min的加工速度，使表面粗糙度减少到8μmRz。

本发明的电源装置并非意欲限定于所公开的形式。可参照所述记述，进行很多改良及变形。例如，也可以只设置第一开关元件12、第一开关元件18中的任一个。

Claims (4)

1.一种导线放电加工用电源装置，包括：

第一直流电源；

第一开关元件，设置在所述第一直流电源与加工间隙之间；

第二直流电源，用以在所述加工间隙引起放电；

第二开关元件，设置在所述第二直流电源与所述加工间隙之间；

放电产生检测器，产生检测信号，所述检测信号表示已在所述加工间隙产生放电；

峰值保持电路，保持被供给至所述加工间隙的电流脉冲的峰值；

数字比较器，连接于所述峰值保持电路，对比所述电流脉冲的峰值与基准电流，且当所述电流脉冲未达到所述基准电流时产生基准信号；以及

控制装置，设定频率、用以恢复所述加工间隙的绝缘的断开时间、及所述第一开关元件的脉宽；

脉冲产生装置，与所述放电产生检测器以及所述数字比较器连接到所述控制装置，且控制所述第一开关元件及所述第二开关元件；

且所述导线放电加工用电源装置为了在所述加工间隙产生放电，所述脉冲产生装置在使所述第一开关元件断开的状态接通所述第二开关元件，对所述加工间隙施加所述第二直流电源的电压，响应所述检测信号，以所述频率间歇性地接通所述第一开关元件，而在比所述断开时间短的暂停宽度向所述加工间隙供给分别具有所述脉宽的连续的电流脉冲，响应所述基准信号，停止供给所述连续的电流脉冲，并开始使所述第一开关元件、及所述第二开关元件全部维持断开的所述断开时间。

2.根据权利要求1所述的导线放电加工用电源装置，电流从所述第一直流电源经由所述第一开关元件流向所述加工间隙的电路不包含限流电阻。

3.根据权利要求1所述的导线放电加工用电源装置，所述频率为1MHz以上。

4.根据权利要求1所述的导线放电加工用电源装置，所述第二直流电源并联连接于所述第一直流电源。