电火花加工用脉冲电源 电火花加工及其脉冲功率电源的研究
电火花加工又称放 电加工（electrical discharge machining, 简称 EDM,由于其能进 行难切削材料和复杂形状零件的加工，而得到广 泛的应用。其中最主要的部分是脉冲电源，脉冲 电源的技术性能好坏直接影响电火花成形加工 的各项工艺指标，如加工质量精度、加工速度、 电极损耗等。本文将对电火花加工的原理及其脉 冲电源进行简要介绍和研究。 一、电火花加工的工作原理 进行电火花加工时，工具电极和工件分别接 脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液 充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具 电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距 离时，两 电极上施加的脉冲电压将工作液击穿， 产生火花放电。在放电的微细通道中瞬时集中大 量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也 有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的 金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工 作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工 作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的 凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复 绝缘状态。 紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接 近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过 程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少， 但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除 较多的金属，具有一定的生产率。在保持工具电 极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除 工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给， 最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。 因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工 件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的 型面。 工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加 工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。 在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件 金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。 工作液作为放电介质，在加工过程中还起着 冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、 闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水 和乳化液等。 图1电火花加工基本原理 1-工件；2-脉冲电源；3-自动进给调节装置；4- 工具；5-工作液；6-过滤器；7-工作液泵
图2数控电火花成型 加工机床基本组成 二、电火花加工的特点和应用 ⑴电火花加工的优点 ① 适合于难切削材料的加工。电火花加工是 靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主 要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、 沸点、比热容、热导率、电阻率等，而几乎与其 力学性能（硬度、强度等）无关，因此电火花加 工突破了传统切削工具的限制，实现了用软的工 具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶金刚 石，立方氮化硼一类的超硬材料。 ② 可以加工特殊及复杂形状的零件。电火花 加工中工具电极和工件不直接接触， 没有机械加 工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及细微加 工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工 件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加 工，如复杂型腔模具加工等。 ③ 易于实现加工过程自动化。电火花加工直 接利用电能加工，而电能、电参数易于数字控制， 因此电火花加工适应智能化控制和无人化操作 等。 ④ 可以改进加工零件的结构设计，改善其结 构的工艺性。例如采用电火花加工可以将拼镶结 构的硬质合金冲模改为整体式结构，从而减少了 模具加工工时和装配工时，延长了模具的使用寿 ⑵电火花加工的局限性 ① 只能用于加工金属等导电材料，不能用来 加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料，在一定条 件下可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超 硬材料。 ② 加工速度一般较慢。因此通常安排工艺时 多采用切削来去除大部分余量，然后再进行电火 花加工，以提高生产率，如果采用特殊水基不燃 性工作液进行电火花加工，其粗加工生产率可以 高于切削加工。 ③ 存在电极损耗。因此电火花加工靠电、热 来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗 多集中在尖角或底面，影响成形精度。现在，粗 加工时电极相对损耗比可以将至 0.1%以下，在 中、精加工时能将损耗比将至1%甚至更小。 ④ 最小角部半径有限制。一般电火花加工能 得到的最小角部半径等于工作间隙（通常为 0.02〜
0.03mm），若电极有损耗或采用平动头加 工，则角部半径还要增大。现在，多轴数控电火 花加工机床采用X、Y、Z轴数控摇动加工，可以 清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底面。 ⑶电火花加工的主要应用 ① 加工各种金属及其合金材料，导电超硬材 料（如聚晶金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷等）， 特殊的热敏材料，半导体和非导体材料。 ② 加工各种复杂形状难加工的型孔和型腔 工件，包括加工圆孔、方孔、异形孔、微孔、深 孔等型孔工件，特别适宜于加工弱刚度、薄壁工 件的复杂外形，及各种型面的型腔工件，弯曲孔 等。 ③ 各种工件与材料的切割，包括材料的切 断、特殊结构零件的切断、切割微细窄缝及细微 窄缝组成的零件（如金属栅网、慢波结构、异形 孔喷丝板、激光器件等）。 ④ 结构各种成形刀、样板、工具、量具、螺 纹等成形器件。 ⑤ 工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、夕卜 圆平面等磨削和成形磨削。 ⑥ 刻写、打印名牌和标记。 ⑦ 表面强化和改性，如金属表面高速淬火、 渗氮、渗碳、涂敷特殊材料及合金化等。 ⑧ 辅助用途，如去除折断在零件中的丝锥、 钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。 由于电火花加工具有许多传统切削加工所 无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，电 火花加工技术已广泛用于机械（特别是模具制 造）、航 天、航空、电子、原子能、计算机技术、 仪器仪表、电机电器、精密机械、汽车拖拉机、 轻工等行业、以解决难加工材料及复杂形状零件 的加工问题，加工范围从微小的轴、孔、缝、至y 超大型模具和零件。为各种新型材料的发展和应 用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的设计改 进与制造提供了新的加工技术，为现代科学技术 的发展和试验设计水平的提高提供了有效的手 段。 三、电火花加工脉冲功率电源 电火花成形加工机床的脉冲电源的作用是把 普通220V或380V、50Hz交流电转换成在一定频 率范围，具有一定输出功率的单向脉冲电， 提供 电火花成形加工所需要的放电能量来蚀除金属， 满足工件加工要求的设备装置。 ⑴电火花加工脉冲电源的分类 电火花加工脉冲电源按其作用原理和所用的 主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，按脉冲 产生形式分为两大类，即非独立式脉冲电源和独 立式脉冲电源；按功能可分为等电压脉宽（等频 率）、等电流脉宽脉冲电源；模拟量、数字量、 微机控制、智能化等脉冲电源。 电火花加工脉冲 电源类型 按主回路中主要 元件种类 弛张式、电子管式、闸流式、
脉冲发电机式、晶闸管式、晶 体管式、大功率集成器件 按输出脉冲波形 矩形波、梳状波分组脉冲、二
角形波、阶梯波、正弦波、高 低压复合脉冲 按间隙状态对脉 冲参数的影响 非独立式、独立式
按工作回路数目 单回路、多回路 ⑵弛张式脉冲电源
国外在40-50年代、我国在50-60年代初，都 曾在电火花加工中广泛地使用弛张式脉冲电源。 这种电源的基本电路是 RC型和RLC型等电路。 工作原理是利用电容器存储电能，而后瞬时放 电，成为脉冲电流，达到蚀除金属的目的。因为 电容器时而放电，时而充电，一张一弛，故称为 弛张式电源。因为这种线路的脉冲参数（放电波 形、脉冲延时、放电频率及放电能量等）直接受 加工过程中的电极间隙物理状态的影响 （加工间 隙的大小及介质的污染程度等），所以称为非独 立式脉冲电源。 ①RC型脉冲电源 RC线路是弛张式脉冲电源中最简单、最基本 的一种，原理电路如图3。
I — . 图3 RC型弛张式脉冲电源电路
1-工具电极2-工件 当直流电源接通后，电流经限流电阻R向电容 C充电，电容C两端的电压按指数曲线逐步上升， 因为电容两端电压就是工具电极和工件间隙两 端的电压，因此当电容C两端电压上升到工具电 极和工件间隙的击穿电压Ud时，间隙就被击穿， 电容器上存储的能量瞬时放出，形成较大的脉冲 电流i e。电容上的能量释放后，电压瞬时下降到 接近于零，间隙中的工作液偶遇迅速恢复绝缘状 态。此后电容器再次充电，又恢复前述过程。如 果间隙过大，则电容器上的电压Uc按指数上升到 直流电源电压E。 RC线路脉冲电源的最大优点是结构简单，工 作可靠，成本低；在小功率时可以获得很窄的脉 宽（小于0.1卩s）和很小的单个脉冲能量，可 用做光整结构和精微加工；电容器瞬时放电可达 很大的 峰值电流，能量密度很高，放电爆炸、抛 出能力强，金属在汽化状态下被蚀除的百分比 大，不易产生表面裂纹，加工稳定。 但这种脉冲电源存在着以下缺点： I、 脉冲参数不稳定，其放电熄灭电压、单个 脉冲能量及电容器输出功率都是随机变化的，与 单个脉冲能量稳定的脉冲电源相比， 在相同的加 工粗糙度下，其加工速度则较低。 II、 波形不好，影响加工速度。 RC型电路的 充电电压波形以指数曲线上升，对放电间隙的消 电离过程不利，迫使加工用的脉冲频率降低。 通 常是借增大限流电阻R值来降低加工频率的。但 随着电阻的增大，输出功率便减小，因此 RC型 弛张式脉冲电源不适用于大功率的电火花加工。 III、 电能利用率较低。这种脉冲电源的电能 利用率一般为25~35%它不仅多消耗了电能， 而且增大了电源箱的发热量。 IV、工具电极的损耗大。电容器直接向间隙快 速放电，而电流幅值又较大，因此增大了工具电 极的损耗。此外，电容器在放电回路的分布电感 影响下常形成振荡式的放电过程，出现负波放 电，进一步增大了工具电极的损耗。