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探究多孔同步加工设计下电火花同步加工电源的影响

2020-03-16 644 上传者：管理员

摘要：通过研究得知，微细放电存在加工效率低的明显缺点，但是通过改进加工方法、创新加工工艺、提高微细放电加工的效率可以充分发挥微细电火花在航天等领域的微细加工优势。本文在简要介绍了多孔同步加工装置后，又重点介绍了实现3路电极同步加工3个细孔的脉冲电源，工作原理是利用单片机的一路PWM输出信号控制３路充放电电路的电容充电时刻和放电时刻，另一路PWM输出信号设置电容器的充电电压。最终通过加工试验数据表明，该电源能够高效稳定地实现3个细孔的同步充放电加工，这为多孔工件的多孔同步加工提供了多路放电微能量脉冲控制的新思路。

关键词：
单片机
同步加工
场效应管
多孔
电火花加工
脉冲电源
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随着现代工业的快速发展，微细孔广泛地应用在各领域的设备零部件中，如:纺织印染喷孔板需要128~256个直径小、一致性好的微细孔^[1]。机械钻孔技术是加工一般孔或小孔的常用方法，但是加工微细孔特别困难^[2]，激光加工技术可以加工多种材料的孔，但是加工表面粗糙度较差，成形孔尺寸精度不理想，易形成喇叭口^[3]。离子束和电子束可以高效率、高精度地实现微米级微细孔的加工，但是必须在真空环境中进行加工，设备昂贵^[4]。

微细电火花加工的工具电极不接触工件，利用微细工具和工件之间微小的脉冲放电能量蚀除导电工件的多余材料，以达到需要的零件尺寸、形状及表面质量^[5]，在加工高硬度、高脆性等难加工导电性材料方面具有独特优势^[6]，已经在微机电系统、航空航天和医疗器械等众多领域得到了广泛应用^[7]。然而，加工效率低也是微细电火花加工的明显缺点^[8]，要完成多孔工件的加工任务，则需耗费较多时间。如利用单电极的逐孔加工法加工某型号航空发动机的加力燃烧室，用的燃油喷射多孔雾化板需要连续加工72h，加工过程较为漫长^[9]。

在多电极同步振动、独立旋转、独立同步放电的微细加工装置中，利用多个电极同步加工多孔工件的多个加工孔，代替传统单电极逐个孔加工法，加工效率是单孔加工法的数倍。多细孔同步电火花加工电源是多微孔同步加工装置的主要功能部件^[10]。本文基于阻容充放电技术，利用单片机设计了一种三电极同步放电加工3个细孔的微能量脉冲电源，介绍了三电极独立放电的控制原理，并进行了试验加工测试。

1、多微细孔同步放电加工装置

多微细孔同步放电加工装置结构示意图如图1所示，包括电极夹具盘、电极同步旋转驱动电动机、电刷装夹盘、电极盘振动电动机、电极进给驱动机构以及脉冲电源等。

图1 多微细孔同步放电加工装置结构示意图

电极夹具盘对多个电极进行绝缘旋转装夹，在旋转电动机的驱动下实现可调转速的同步旋转。电刷盘上为每个电极安装供电电刷，输入电极放电所需的脉冲。振动电动机通过连杆带动夹具盘上的电极实现可调振幅、频率的同步振动。电极进给机构使夹具盘、振动机构等实现加工进给，调节放电间隙。脉冲电源为每个加工电极提供独立的放电脉冲，实现多电极同步放电加工。

2、电源结构

多孔同步加工电源的结构主要分为单片机模块、充放电脉冲控制模块和开关电源供电模块三部分(见图2)。

图2 电源整体结构图

1) 开关电源供电模块

根据加工开路电压要求，开关电源供电模块利用对高频变压器的控制，提供3路满足电压要求且互相独立的直流供电输出，为三路电极的放电脉冲电路提供能量。

2) 单片机模块

单片机模块采用STM32F103RCT6处理器实现对放电脉冲的间隔和电压的控制。STM32F103RCT6处理器输出2路PWM信号，其中一路信号控制放电脉冲信号的间隔，另一路信号控制放电脉冲信号的电压。

3) 充放电脉冲控制模块

充放电脉冲控制模块包含3路结构、功能相同的放电脉冲形成电路，利用单片机的PWM控制信号对电容器的充电和放电控制，把开关电源供电电路的能量转化为3路相互独立的电火花加工脉冲。

3、充放电脉冲电路原理

三路电极的充放电控制模块原理相同，以其中电极1的充放电脉冲控制模块电路介绍工作原理，原理图如图3所示。

图3 电极1充放电控制模块电路图

单片机的一路PWM波形信号经由高速光耦U1(TLP2405)进行信号隔离，被分成2路信号，分别控制电容的充电和放电的时刻。其中一路信号传递至电压比较器U3B(LM319)，与电路中所设定的正相电压值相比较。当输入信号为高电平时，比较器正相端输入低于负相端输入，U3B输出低电平;反之，输入信号为低电平时，U3B输出翻转为高电平，产生一个上升沿波形信号作用于D触发器U5A(4013)的CLK引脚端使得Q引脚输出高电平，该高电平信号经单通道MOSFET栅极驱动器集成电路U7(IR2117)后控制场效应管Q1(IRF830)导通，电源输入经限流电阻R12给电容C6充电。经由高速光耦U1(TLP2405)分出的另一路信号传递至另一单通道MOSFET栅极驱动器集成电路U6(IR2117)，控制场效应管Q2(IRF830)的开通或关断，该路输入为低电平时Q2关断，而为高电平时Q2导通，充电的电容C6击穿间隙放电。因此，该路PWM输出变为低电平时，电容充电，而变为高电平时电容放电，从而实现对电容的充、放电控制。

单片机的另一路PWM输出经由普通光耦U2(TLP521)用于控制电容C6的充电电压。不同占空比的PWM信号经比较器U4D(LM319)滤波处理后变为不同幅值的直流电压，作为比较器U3A(LM319)的比较参考输入，即负相电压阈值，当电容C6充电时充电电压的分压值超过负相设定电压，比较器U3A(LM319)输出高电平，作为D触发器的直接复位R引脚输入，使D触发器直接复位为低电平，控制场效应管Q1截止，电容充电结束。

整个充放电脉冲控制模块的具体工作流程如下:当处理器输出的充放电控制PWM信号由高电平翻转为低电平时，为D触发器的CLK端提供一个上升沿触发信号使其输出高电平信号，由充电电路驱动器U7(IR2117)放大后，驱动场效应管Q1(IRF830)导通，电容C6开始充电。当电容C6充电电压高于设定的阈值电压时，比较器U3A输出高电平信号，直接复位D触发器使其输出低电平信号以关闭驱动场效应管Q1(IRF830)，电容C6充电结束。但PWM信号由低电平变为高电平时，打开放电电路中场效应管Q2(IRF830)，电容C6开始放电，放电结束后重复充电过程，循环往复。整个电容充放电过程的电路波形如图4所示。

图4 充放电控制模块电路波形图

4、加工试验

加工试验条件:加工电压为可调电源电压0~100V，电容2.2μF，限流电阻1kΩ;工具电极材质为0.1mm钨钢，工件材质为3mm不锈钢。工件实现贯穿加工时不同工作电压所需要的加工时间见表1。控制电容充放电时间的PWM信号不同占空比时进行工件贯穿加工所需要的时间见表2。

表1 开路电压对加工时间的影响

表2 PWM占空比对加工时间的影响

5、总结

本文基于阻、容充放电技术设计的三电极同步电火花加工微能量脉冲电源，3路电极进行独立放电控制，利用2路PWM信号同时控制3路电容的充电和放电时刻及电容的充电电压，实现放电间隔和放电能量的控制;利用设计的电源进行了试验加工，试验数据表明，该电源可用于同步加工3个细孔，与逐孔加工法相比，提升了加工效率。

参考文献：

[1]李含林.微喷阵列孔电火花加工多模式脉冲电源系统的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[2]房长兴.倒置式微细电火花超声复合加工装置研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[3]董德生.阵列轴孔的微细超声电火花复合加工技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[4]王维.群小孔电解加工的关键技术研究[D].南京:南京航空航天大学,2010.