專利名稱：：一種通過與極間串聯二極管以減小微細電火花加工工具電極損耗的方法
技術領域：
：本發明用于微細電火花加工的放電回路，尤其是一種通過與極間串聯二極管以減小微細電火花加工工具電極損耗的方法。
背景技術：
：電火花加工中常用的電源有RC馳張式脈沖電源和獨立式晶體管脈沖電源。不論哪種電源，在進行微細電火花加工時，放電時都存在放電電流的振蕩現象，如圖1所示為使用RC電源進行微細電火花加工時的極間電壓電流波形。理想的放電電流波形如圖(a)所示，但是實際測量的放電電流波形如圖(b)所示在一次放電過程中存在著振蕩。從圖1(b)可以看出，極間被擊穿后，極間電壓下降，同時極間電流急劇上升，產生電火花放電，當第一次電流脈沖結束后，產生了方向相反的第二次電流脈沖，接著還有第三次、第四次電流脈沖……，即第一次電流脈沖結束后產生了電流振蕩，關于該電流振蕩現象可以有兩種不同解釋一種解釋認為第一次正向電流脈沖為放電電流，第二次電流脈沖為放電結束后絕緣介質絕緣恢復期間的電磁振蕩；另外一種解釋認為第一次正向電流脈沖為放電電流，第二次及之后的電流脈沖均為由于電路中分布電感引起的反向放電電流。本專利發明人對上述現象進行了實驗研究，研究結果證明了上述第二種解釋是正確的，即極間被擊穿瞬間發生放電電流振蕩時存在著正反極性多次放電現象。電火花加工時，人們常常利用極性效應來減小電極損耗(精加工時工具電極接負極，粗加工時反之)，由于極間被擊穿的瞬間存在著正反多次放電，這必然會削弱極性效應，從而會加劇電極損耗。為此，本專利提出在極間串聯或并聯高速開關二極管(或超快恢復二極管)方法分別用以減小電極損耗。為此本專利提出一種在極間串聯高速開關二極管(或超快恢復二極管)的方法，使得被擊穿瞬間多次放電中的正極性放電反轉為負極性放電，則一次放電中的多次放電均負極性放電，從而達到減小工具電極損耗的目的。
發明內容電火花加工的實質是，工具和電極之間不斷產生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬時產生的高溫把金屬蝕除下來，即電能轉化為熱能蝕除金屬。又由于電火花放電時存在極性效應放電時，能量在正負極——即工件與電極之間的分配不一樣，造成工件與電極受到不同程度的電蝕。已有研究對該現象的機理解釋如下粗加工時，脈沖電源脈寬較寬，放電時間較長，放電能量較大，此時電極接電源正極，工件接電源負極，極間被擊穿瞬間產生大量的等離子體，帶正電的正離子從電極向工件運動，帶負電的電子從工件向電極運動，粒子轟擊工件(或電極)表面產生大量的熱蝕除金屬，由于正離子的質量比電子大很多，故正離子轟擊工件表面的能量比電子轟擊電極表面的能量大很多，因此，工件被蝕除的速率比電極被蝕除的速率大的多，故電極損耗比小(電極損耗比為電極的損耗體積與工件被蝕除體積之比)；精加工時，脈沖電源脈寬極小，故極間被擊穿后放電時間也極短，放電能量較小，電極與工件的接法正好與上述粗加工時相反，此時電極接電源負極工件接電源正極，極間被擊穿瞬間產生大量的等離子體，帶負電的電子從電極向工件運動，電子轟擊工件表面產生大量的熱，從而蝕除工件表面的金屬，帶正電的正離子由于其質量比電子大很多，慣量也大很多，由于放電時間極短，正離子剛開始從工件向電極運動，還來不及轟擊電極表面，而電源脈寬已結束，放電過程隨后被終止，故從工件向電極運動并轟擊電極表面的正離子極少，故正離子轟擊電極表面的能量比電子轟擊工件表面的能量小很多，因此，工件的蝕除速率比電極的蝕除速率大得多，故電極損耗比小。電火花加工時，最理想的情況是只蝕除工件上的金屬，不蝕除電極上的金屬。從提高生產率和減小工具損耗的角度來看，極性效應越顯著越好。因此，電火花加工一般采用單向脈沖電源，且精加工時工件接正極工具接負極(粗加工時反之)。微細電火花加工時一般工件接正極工具接負極就是考慮到要提高加工速度及減少電極損耗。針對圖1(b)所示的電流振蕩現象，本專利提出了圖2所示的通過在極間串聯高速開關二極管來減小微細電火花加工工具電極損耗的方法，其中圖2(a)針對RC脈沖電源，圖2(b)針對獨立式晶體管脈沖電源。極間串聯高速開關二極管(或超快恢復二極管)后，由于濾除了反向放電電流，增強了極性效應，故能減小工具電極損耗。本發明是一種用于微細電火花加工中減小工具電極損耗的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)首先在工具電極與工件之間施加脈沖電源電壓；(b)在離工具電極或工件最近的地方斷開上述電源回路，并且在斷開處接入高速開關二極管或超快恢復二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個串聯回路；(c)電源上電進行放電加工。所述高速開關二極管反向恢復時間要在50ns以內，二極管能夠在高頻條件下正常工作；二極管的反向擊穿電壓要比電火花加工時的工作電壓高；二極管的峰值電流要比電火花放電時的峰值電流大；正向導通時電阻要小。二極管型號選擇時首先考慮其工作電壓必須大于電火花加工時最大電壓，二極管的峰值電流必須大于電火花放電時最大電流，最后至關重要的一點就是二極管的反向恢復時間必須極短，一般可選擇如下型號1N6621、1N5806、UF4004，極微細情況下(40V以下200mA電流的放電加工)可選擇1N4148等小信號高速開關二極管。圖1現有技術RC電源進行電火花加工時的極間電壓電流波形圖(a)為理想的放電波形，圖(b)為實際測量的放電波形。圖2極間串聯二極管以減小電極損耗圖(a)針對RC脈沖電源，圖(b)針對獨立式晶體管脈沖電源。圖3極間串聯二極管對電極損耗比的影響圖中可以看出串聯高速開關二極管后工具電極損耗比明顯減小。。圖4二極管對極間電壓電流波形的影響圖(a)為沒并聯二極管時的放電波形，可以看出放電電流存在振蕩，電流方向正負交替，圖(b)為并聯二極管時的放電波形，負方4向放電電流被濾除。表1實驗條件具體實施例本發明的通過與極間串聯二極管以減小微細電火花加工工具電極損耗的方法，包括以下步驟(a)首先在工具電極與工件之間施加脈沖電源電壓；(b)在離工具電極或工件最近的地方斷開上述電源回路，并且在斷開處接入高速開關二極管或超快恢復二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個串聯回路；(c)電源上電進行放電加工。所述高速開關二極管反向恢復時間要在50ns以內，二極管能夠在高頻條件下正常工作；二極管的反向擊穿電壓要比電火花加工時的工作電壓高；二極管的峰值電流要比電火花放電時的峰值電流大；正向導通時比電火花放電時的電阻要小。當放電回路中分布電感較大時一次放電中的電流振蕩現象明顯，在該情況下采用圖2所示的方法在極間串聯高速開關二極管(或超快恢復二極管)可以有效地較小工具電極損耗。試驗結果表明工具電極損耗至少可以減小10%以上。尤其是精加工時分布電感的影響更加明顯，放電電流的振蕩更加劇烈，故采用高速開關二極管較小工具電極損耗的效果也更加顯著。然而對圖2(b)，即對獨立式晶體管電源而言，該方法僅適用于精加工，因為精加工時(尤其是當晶體管脈沖電源進行超短脈寬加工條件下的微細電火花加工時)電流振蕩明顯，而粗加工時電流脈寬很寬，而電流的振蕩部分與之相比顯得微乎其微，故粗加工是效果不明顯。采用圖2(a)所示的方法，在表1所示的實驗條件下進行盲孔加工實驗，孔深為800μm，分別在串聯與不串聯二極管的情況下進行放電加工，并測量工具電極損耗。實驗中采用Φ80μm的碳鎢合金電極，由于電極直徑小，加工孔的深徑比又大，故電極損耗很明顯，對比實驗的效果也顯著。實驗時使用極間狀態檢測與伺服。實驗所用裝置為電火花加工三軸數控實驗平臺，最小運動位移量為0.078μm。測得的極間放電電壓電流波形如圖3所示。圖中可看出，無二極管時除了有正向電流外還有反向電流存在，串聯二極管后則濾除了反向電流。圖4為極間串聯二極管對電極損耗比的影響，從中可以看出極間沒有串聯高速開關二極管時電極損耗比為0.46(孔深為800μm,電極損耗為368μm)，極間串聯高速開關二極管后電極損耗比為0.3875(孔深為800μm,電極損耗為310μm)，可見極間串聯高速開關二極管后，電極損耗減小了16.3%。表1實驗條件<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權利要求一種通過與極間串聯二極管以減小微細電火花加工工具電極損耗的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(a)首先在工具電極與工件之間施加脈沖電源電壓；(b)在離工具電極或工件最近的地方斷開上述電源回路，并且在斷開處接入高速開關二極管或超快恢復二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個串聯回路；(c)電源上電進行放電加工。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述高速開關二極管反向恢復時間要在50ns以內，二極管能夠在高頻條件下正常工作；二極管的反向擊穿電壓要比電火花加工時的工作電壓高；二極管的峰值電流要比電火花放電時的峰值電流大；正向導通時比電火花放電時的電阻要小。全文摘要一種通過與極間串聯二極管以減小微細電火花加工工具電極損耗的方法，在距離工具電極或工件最近的地方接入高速開關二極管或超快恢復二極管，二極管正向偏置，二極管、極間和脈沖電源三者形成一個串聯回路。本發明用于微細電火花加工的放電回路，尤其是當放電回路中存在較大分布電感的情況，能顯著減小微細電火花加工中工具電極的損耗。文檔編號B23H7/18GK101829822SQ20101010204公開日2010年9月15日申請日期2010年1月28日優先權日2010年1月28日發明者萬勇,楊曉冬,白基成,郭永豐申請人:哈爾濱工業大學