CN1123531A - 放电加工机床用电源系统 - Google Patents

Abstract

有直流电源和开关元件的电源装置离开在工具电极和工件之间形成的间隙设置，将从电源装置通过同轴电缆输送的高频直流脉冲变换成高频交流脉冲的变换器与该间隙连接。该变换器包括环形铁心，接在同轴电缆上的一次线圈及接在间隙上的二次线圈。这些线圈最好有最少的匝数。还设有使来自直流电源的直流脉冲和在变压器中感应的交流脉冲有选择地通过间隙的旁路装置。最好将旁路装置和变压器装设在加工间隙附近的一个外壳中。

Description

放电加工机床用电源系统

本发明涉及放电加工机床(EDM)用的电源系统。更具体地说，本发明是涉及将移动的金属丝作为工具电极使用，并在该金属丝电极和工件之间的间隙产生放电，从而将该工作加工成所希望的外形用的金属丝放电精加工机床用的电源系统。

放电加工机床备有向工具电极和导电性工件之间形成的加工间隙供给连续控制功率脉冲的电源系统。工件被装在工件槽中，在其间隙中灌满煤油或具有大电阻率的去离子水之类电感性液体。在将功率脉冲施加到该间隙之中时，当间隙两侧的电压达到某一数值后，由于电感性液体出现离子化，产生放电现象。结果是通过间隙产生放电电流，工件材料有极小的一部分蒸发或熔融，然后随着电感性液体的流动而从间隙中流走。于是在工件表面上形成弧坑状的极小凹坑。停止施加功率脉冲后，间隙之间的绝缘恢复。放电加工是通过工具电极与工件之间的相对移动，在间隙中发生大量放电，对零件或模具进行精密制造加工用的工艺，适合于硬金属加工。

功率脉冲由电源装置产生，电源装置与包括支持工件的构件或使工具电极与工件作相对移动的机械构件在内的机械部分必须要保持一定的物理距离。在电源装置的机壳中装有用来产生功率脉冲的电气构件，同时还装有控制该功率脉冲的功率大小、极性、该脉冲的接通时间及断开时间、以及控制工具电极相对移动的控制装置。该电源装置通过适当的导体连接到机械部分上。

在金属丝放电精加工机床中，通常使金属丝在走向与工件垂直的一对导辊之间运行，并将金属丝作为工具电极使用。加工时将功率脉冲施加在间隙之间，移动的金属丝沿着与工件轴线垂直的方向移动。将工件加工成具有所希望的外形，金属丝放电精加工机床的加工也许与使用钢丝锯进行加工的方式相似。

众所周知在一对导辊之间承受给定张力的状态下，当金属丝以给定的速度移动时，会使其上方和下方的金属丝导辊产生微小的振动。由于这种不希望有的金属丝的振动，使得工件上与金属丝相对的部分的两个表面之间的中央部分比其上侧表面及下侧表面遭受到不应有的磨蚀，结果对制品的形状精度产生不良影响。通过提高金属丝的移动速度，可以提高金属丝的直度。另外，通过加大供给间隙的单位时间能量，由于对放电的金属丝产生压力，也能减小金属丝振动的振幅。可是，当需要每次以小能量的功率脉冲供给间隙时，金属丝的振幅就得不到充分减小。例如，使金属丝沿规定的轨迹移动，对工件上的外形进行粗加工之后，为了改善加工后的工件表面光洁度，还要使金属丝沿偏离该规定的轨迹的轨迹移动加工，进行所谓的“二次精铣”，自然就会要求每一次功率脉冲的能量要小。放电结束后，由于要在间隙中恢复充分绝缘，不可能过分缩短功率脉冲之间的断路时间，因此功率脉冲的循环频率的增加受到限制。

本发明的目的是提供这样一种金属丝切割放电加工机用的电源系统，它能够以高重复频率向间隙持续供给功率脉冲，增大向间隙提供的单位时间能量，结果能够减小金属丝的振幅。

本发明的另一个目的是提供一种通过以高重复频率向间隙持续提供功率脉冲，改善加工效率的放电加工机用的电源系统。

另外，本发明的目的是提供一种能根据不同的目的、供给振幅或重复频率不同的功率脉冲的放电加工机用的电源系统。

本发明的其它目的，将在后面的说明中部分地加以阐述，如果是本专业工作者，则通过实践本发明的过程中也会逐步理解。

为了达到上述目的，按照本发明，将功率脉冲供给在工具电极和工件之间形成的加工间隙，并通过放电对工件进行加工的放电加工机用的电源系统由以下部分构成：直流电源；发生有受控接通时间和受控断开时间的连续脉冲信号的脉冲发生器；与直流电源串联、响应受控脉冲信号，使从直流电源输出的直流电流脉冲化的开关；还有一端与直流电源的一端连接的第1导体，以及一端与直流电源的另一端连接的第2导体、将通过开关流过的直流脉冲送到加工间隙附近、且有小线路电感的同轴电缆或绞线类电缆；以及其输入端与第1导体的另一端及第2导体的另一端连接、其输出端连接至加工间隙，并将其配置在加工间隙附近、将从直流电源通过开关流过的直流脉冲变换成交流脉冲、从而使交流脉冲流过加工间隙的变换装置。

变压器最好有环形铁心、绕在该环形铁心上且与电缆的一端连接的一次线圈、以及绕在该环形铁心上且连接到加工间隙的二次线圈，从而使直流电源输送给一次线圈的能量，通过电磁感应送给二次线圈。

另外，最好尽可能减少变压器线圈的匝数。

另外，电源系统最好含有使变换装置电性旁路的装置，以便有选择地使来自直流电源的直流脉冲通过加工间隙流过。该旁路装置和变换装置可集中在一起装在设在加工间隙附近的一个壳体中。

图1是说明本发明的一个实施例中的电源系统的简略框图。

图2A、2B、2C、2D、2E、2F及2G是说明与电源系统相关的电压及电流波形的时间图。

图3是说明将直流变换成交流的变压器和该变压器旁路用的开关集中装在一起的箱体配置情况示意图。

图4是说明图3所示壳体中的电路示意框图。

图5是说明图4中的一个开关的详细断面图。

图6是说明本发明的另一个实施例中的电源系统的简略框图。

以下参照附图说明本发明。图1表示本发明的一个实施例中的电源系统，其中包括主机部、以及与该主机部相距一定物理距离配置的电源装置5的金属丝切割放电加工机用的电源系统。

该主机部包括在金属丝的一对导辊2A及2B之间移动的金属丝1，该金属丝1在规定的张力下、与工件架4上承载的工件3保持一定的间隔。该工件架4载于可在垂直于金属丝1的平面内移动的XY纵横移动工作台(图中未示出)上。主机部还包括图中未示出的(例如)使金属丝1从绕线架向间隙移动用的机械构件，以及将电感性液体导入间隙的构件。

电源装置5包括电路6，该电路6包括直流电源6A、串联到该直流电源6A上的开关元件6B及限流电阻6C。为了简单明了地说明实施例，在图示的实施例中仅示出由开关元件6B及限流电阻6C构成的一个直流组件。为了能任意选择流过电路6的电流值，还可以另外设置与该直流组件并联、且与直流电源6串联的的直流组件。电路6还有防返流用的二极管6D、以及用于保护开关元件6B，使其不受浪涌电流损害的开关6E及二极管6F。

电源5还包括与电路6并联的电路8，该电路8有可变直流电源8A、连接到该电源8A上的开关元件8B、防返流用二极管8C、以及保护开关元件8B的二极管8D。开关元件6B及8B由(例如)MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)之类的电子开关构成。电路8不含实质性的电阻，因此从直流电源8A输出后通过开关元件8B的直流脉冲的前沿及后沿陡峻，适合于向机械部提供高频直流脉冲。开关元件8B在非饱和区动作，通过控制开关元件8B的闭合时间，可使放大的电流脉冲的峰值维持定值。

还没有脉冲信号发生装置7，它分别向开关元件6B及开关元件8B提供有接通时间和断开时间的脉冲信号，开关元件6B及8B分别响应该脉冲信号，在脉冲信号的接通时间内进行断路动作。脉冲信号发生装置7含有控制脉冲信号的接通时间和断开时间的控制器。一般说来，在金属丝切割放电加工机中，最好供给导通时间较短的功率脉冲。虽然工件3上待加工部分所希望的表面光洁度与工件3的材料有关，但使用的功率脉冲的导通时间一般都在数μS以下、最大在数10μS以下。

在金属丝放电精加工机的机械部和电源5之间连接的导体11A及11B尽可能使线路电感小，以便使流过间隙的电流脉冲的前沿及后沿陡峻。例如导体11A及11B采用配置成同轴的同轴电缆11。或者也可以用绞线连接机械部和电源装置5。在图示的实施例中，导体11A的一端连接直流电源6A及8A的阴极，其另一端连接金属丝。导体11B的一端连接直流电源6A及8A的阳极，其另一端连接工件3。

变压器13设置在间隙附近，它将从直流电源8A输出的、通过开关元件8B及同轴电缆11输送的直流脉冲变换成交流脉冲。该变压器13包括高频损失小的铁氧体环形铁心13A、绕在该环形铁心13A上的一次线圈13B及二次线圈13C。例如可以采用将外径为55mm、内径为30mm的铁氧体环形铁心重叠成双层构成的环形铁心13A·线圈13B及13C可以是(例如)含有聚四氟乙烯系列树脂被覆的导线。一次线圈13B与导体11A及11B连接，二次线圈13C与间隙连接。为了尽可能维持从直流电源8A输出、通过开关元件8B输送的直流高频脉冲的波形，最好是尽可能减少一次线圈13B的匝数。同样，为了尽可能维持在二次线圈13C中感应的交流高频脉冲波形，最好也是尽可能减少二次线圈13C的匝数。在二次精铣中放电时，为了使每次向间隙供给能量较小、重复频率较高的电流脉冲，在图示的实施例中，一次及二次线圈13B及13C分别为1匝及2匝。因此，一次线圈13B和二次线圈的13C的匝数比为1∶2，线圈13C的电压有效值变为前者的2倍，电流值变为前者的1/2。匝数和最好在1～4以内。

电路8因不含实质性的电阻，所以通过开关元件8B输送的直流脉冲的峰值容易增加，因此，不变更该一次线圈及二次线圈的匝数比，也容易向间隙供给具有较高电流值的交流高频脉冲。

在本实施例中，变压器13装在小型外壳12中。在该外壳12中还装有开关14A、14B、14C及14D。设在导体11B和工件3之间的开关14A及设在导体11A和金属丝1之间的开关14B同时动作。设在导体11B和一次线圈13B之间的开关14C、以及设在二次线圈13C和工件3之间的开关14D同时被控制，从而使开关14A及14B进行开闭及逆动作。当从电路6或从电路8或从电路6及8两方面向间隙供给具有所希望的值的直流脉冲时，使开关14A及14B处于接通状态，而使开关14C及14B处于断开状态。当从电路8向间隙供给高频交流脉冲时，使开关6E和开关14A及14B处于断开状态，而使开关14C及14D处于接通状态。

以下参照图2A、2B、2C、2D及2E，说明图1中的电源系统的工作原理。图2A、2B、2C、2D及2E分别表示从脉冲信号发生电路7向开关元件8B给供的脉冲信号的电压波形、从直流电源8A通过开关元件8B向一次线圈13B输送的直流脉冲波形、在二次线圈13C上感应的电压波形、加在间隙上的电压波形、以及流过间隙的电流波形。

使开关6E和开关14A及14B处于断开状态、并使开关14C及14D处于接通状态，此时如图2A所示，脉冲信号发生电路7向开关元件8B供给脉冲持续时间(即接通时间)设定为Ton、脉冲的循环周期(即断开时间)设定为Toff的脉冲信号。例如当要求将工件3加工成Rmax表面光洁度为较平滑的0.5至3.5μ时，设定Ton为50ns～500ns，将Toff设定为500ns～10μs即可。通过同轴电缆11向一次线圈13B供给的直流，如图2B所示，开关元件8B导通后，电流迅速上升，而当接通时间Ton结束时，又快速下降。在一次线圈13B中发生直流脉冲时，在2次线圈13C中感应出交流，于是如图2C所示的电压被施加在间隙上。在间隙中，到达某一无负载时间后，发生放电，如图2E所示，有交流脉冲流过间隙，工件3被加工。

如本专业工作者所知，在设定断开时间Toff时，要使其不会使图2C所示的电压脉冲的循环周期(即AToff)过短。由于是交流脉冲流过间隙，所以(例如)即使AToff短，间隙中的绝缘也会立刻恢复，因此可将断开时间Toff设定成较小的值。此外，与流过间隙的直流相比较，能防止影响工件表面的电解作用。

其次，参照图3、4及5，说明集中装在一个外壳12中的变压器13、开关14A、14B、14C及14D的布置情况。

由图3明显可见，外壳12是长方形的小箱，设置在靠近工作架4的位置处，而后者支装在工件槽或工件盘(图中未示出)上。工件3安装在该工件架4上，与以规定的张力架设在一对金属线导向辊2A及2B之间的金属丝电极1相对。金属丝导向辊2A及2B以垂直于工件3的方式彼此相对，且分别被装在备有向间隙喷出电感性液体的喷嘴的导向装置18A及18B中。

箱12上设有端子15A、15B、15C、15D及15E。该端子15A及15B采用(例如)绞线以最短的距离连接到同轴电缆11的端部。同样，端子15C用绞线16A以最短的距离连接到两个导向辊18A及18B中的一个上，(例如)连接到下方的导向辊18B上，而且端子15D及15E用绞线16B以最短距离连接到工件架4上。代替使用绞线16B的方法是用适当的螺钉、或者利用焊接方法，将包括端子15D及15E的金属板安装在工件架4的边缘上即可。这样，在变压器13中生成的高频交流就能以最短的距离供给在工件3和线1之间形成的间隙，因此高频电流可以流过间隙。

由图4明显可见，外壳12被划分成室12A、12B及12C。室12B最接近端子15A、15B及15C，其中装有开关14A及14B。室12A与12B相邻，其中装有变压器13。室12C与室12A相邻，最靠近端子15D及15E，其中装有开关14C及14D。

参照图5，以开关14D为例，详细说明装在外壳12中的多个开关的结构。

众所周知，对接接触式的开关14D包括有接触面21的静触头14DS、以及有接触面21、且能沿着与该接触面21垂直方向移动的触头14DM。触头14DS及14DM各自的接触面21能很好地导通高频功率脉冲。利用动触头14DM与静触头14DS之间的接触面相对移动，通过控制，向室12C中有选择地供给流体，该流体是从设置在室12C的外部的流体源(图中未示出)，通过孔20A及20B中的任意一个供给的。为了防止液体漏泄，采用O形环密封圈19A、19B及19C，将其设置在开关14D的适当的部位。

图6表示本发明的另一实施例中的电源系统。与图1所示的相同的部件标以相同的标号，其说明从略。

在图示的实施例中，增设了电路9，用来生成直流脉冲，该电路9有可变直流电源9A、开关元件9B、防反流用二极管9C、以及保护开关元件9B的二极管9D。在电路9中，除了开关元件9B的动作时间不同外，其结构与电路8相同，因此对其主要部件的说明从略。通过同轴电缆17连接到电路9上、且绕在铁心3A上的线圈13D设置在箱12中。开关14E配置在该线圈13D和同轴电缆17之间。

参照图2A、2F及2G，说明电源系统的工作原理。图2F及2G分别表示从脉冲信号发生电路7向开关元件9B供给的脉冲信号的电压波形及在二次线圈13C中感应的电压波形。

当断开开关6E、14A及14B、并接通开关14C、14D及14E的状态下，如图2F所示，在图2A所示的脉冲信号接通时间内，脉冲信号发生电路7将脉冲信号供给开关元件9B。其结果如图2G所示，在二次线圈13C中产生循环频率比图2C所示的电压更高的电压脉冲，于是频率极高的交流脉冲通过间隙，对工件3进行加工。

应当理解：本发明的目的不是限定于与在本专利申请中公布的形式完全相同的结构，按照上述的说明，可以进行多处改进和改变。例如，在实施例中，虽然外壳12是设在靠近工件架4的位置上，但也可以固定在工件槽的侧壁上，或者分别固定在支持导向辊18A及18B的横壁上。上述实施例是以说明本发明的本质及其实际应用为目的而选用的。本发明的范围由另附的权利要求书定义。

Claims (12)

1.一种电源系统，它是通过向在工具电极和工件之间形成的加工间隙供给功率脉冲，利用放电加工工件的放电加工机床用的电源系统，该电源系统的特征为备有：

直流电源；

发生有受控接通时间及受控断开时间的连续脉冲信号的脉冲发生装置；

与上述直流电源串联，响应上述脉冲信号、使来自上述直流电源的直流电流脉冲化的开关；

备有一端与上述直流电源的一端连接的第1导体、及一端与上述直流电源的另一端连接的第2导体、构成能使上述第1及第2导体中的电感减小，并将通过上述开关的直流脉冲输送到加工间隙附近的电缆；以及

其输入端与上述第1导体的另一端及第2导体的另一端连接、其输出端与上述加工间隙连接、配置在该加工间隙附近、将从上述直流电源输出流过上述开关的直流脉冲变换成交流脉冲、从而使该交流脉冲流过上述加工间隙的变换装置。

2.权利要求1所述的电源系统，其特征为：上述电缆包括同轴电缆。

3.权利要求1所述的电源系统，其特征为：上述变换装置包括变压器，它有与上述电缆的一端连接的一次线圈及与上述加工间隙连接的二次线圈，它将从上述直流电源输送给上述一次线圈的能量，通过电磁感应送给上述二次线圈。

4.权利要求3所述的电源系统，其特征为：上述变压器含有通过感应电流的环形铁心。

5.权利要求1所述的电源系统，其特征为：上述直流电源包括可变直流电源。

6.权利要求3所述的电源系统，其特征为：上述一次线圈有最少匝数。

7.权利要求6所述的电源系统，其特征为：上述一次线圈匝数为1。

8.权利要求7所述的电源系统，其特征为：上述一次线圈和上述二次线圈的匝数之和在4以内。

9.权利要求1所述的电源系统，其特征为：还含有使上述变换装置电性旁路的装置。

10.权利要求9所述的电源系统，其特征为：上述旁路装置含有其一端与上述第1导体的上述另一端连接、其另一端与上述工具电极和上述工件两者中的一方连接的第3导体；其一端与上述第2导体的上述另一端连接，其另一端与上述工具电极和上述工件两者中的另一方连接的第4导体；以及控制流过上述第3及第4导体的电流的开关装置。

11.权利要求10所述的电源系统，其特征为：上述变换装置和上述开关装置集中装在配置在加工间隙附近的一个外壳中。

12.权利要求1所述的电源系统，其特征为：还含有第2直流电源、以及与第2直流电源串联的第2开关及限流电阻，这些直流组件与同上述第1直流电源和上述开关串联的组件并联。

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