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电流型电火花加工脉冲电源的研究

发布日期:2017-07-26 来源: 本网 查看次数: 77 作者:admin

核心提示:  电流型电火花加工脉冲电源的研究宋博岩赵万生邵革良电源的不足,论述了电流型电火花加工脉冲电源的工作原理大量的样机和独立式脉冲电源的对比工艺试验表明,电流型脉冲电源不仅满足了电火花加工多项性能指标的要

  电流型电火花加工脉冲电源的研究宋博岩赵万生邵革良电源的不足,论述了电流型电火花加工脉冲电源的工作原理大量的样机和独立式脉冲电源的对比工艺试验表明,电流型脉冲电源不仅满足了电火花加工多项性能指标的要求,而且达到了高效节能的效果近年来,电火花加工技术获得了长足的进步,应用领域不断扩大电火花加工脉冲电源的性能和电压电流输出特性对电火花加工的生产率表面质量加工精度加工稳定性工具电极损耗等技术经济指标具有决定性的作甩1独立式和逆变式电火花加工脉冲电源存在的问题1独立式电火花加工脉冲电源目前国内外大多数电火花加工脉冲电源是一种独立式脉冲电源,一般又称为电阻限流式它由直流电压源限流电阻功率开关管串联而成,脉冲电源输出两极连接到工具电极和工件电极上控制功率开关管的通断,实现电火花加工击穿延时、放电加工、消电离脉间3个状态的循环往复,完成电能的转化,达到加工的目的。虽然这种独立式脉冲电源及其多种形式的派生电路已经广泛应用于电火花加工中,但是它存在着2个方面显著不足:一是电能利用率低,低于30%,体积庞大,重量惊人正常放电时,脉冲电源输出电压80V与间隙电压25V之差近为55V全部消耗在限流电阻上,由此脉冲电源输出功率的大部分都消耗在限流电阻上这样,不仅造成了电能的极大浪费,限流电阻由于散热需要而体积庞大材料昂贵,而且脉冲电源内部的散热问题一直是电源电柜结构设计的关键,在脉冲电源内部必须附设冷却风扇和排风通道,这又进一步导致电能消耗和电柜体积加大;二是加工峰值电流的调整响应速度低,而且,加工电流值不稳定,随着加工状态变化而变化例如,工具和电极短路时,间隙电压为零,此时加工电流增大,进一步恶化了加工状态,容易引起拉弧,甚至烧伤加工工件表面1 2逆变式电火花加工脉冲电源20世纪70年代中期以来,现代电力电子技术引起了传统电源设备的一场更新换代的技术革命从节能角度出发,设计了逆变式电火花力口工脉冲电源逆变式脉冲电源采用半桥逆变主回路结构,整流输出后经滤波电感接到加工间隙上整个电路构成了加工电流闭环控制回路加工电流值是根据加工规准以脉冲形式给定的,以此实现了电火花加工击穿延时、放电加工、消电离脉间3个状态的循环往复,完成加工任务逆变式脉冲电源最明显最显著的优点就是它的电能利用率,远远高于独立式脉冲电源,可以70%左右这是因为在电路和加工间隙之间串联的电感不仅起到限流的作用,而且在电流下降阶段将其内储存的能量也释放到加工间隙中。逆变式脉冲电源的重量和体积以及造价也显著减少,这是由于它去掉了体积庞大、重量惊人、效率低下的工频变压器以及数量庞大的限流电阻和功率开关管的缘故,而且不需要附加散热设备和空间其次,逆变式脉冲电源输出电流是通过闭环回路实现准确快速控制的,它不随加工状态的变化而变化,这样利于维持加工状态的稳定另外,由于逆变式脉冲电源输出的加工电流具有斜坡上升特性,可以做到工具电极低损耗甚至无损耗加工但是,逆变式脉冲电源也存在问题放电电流波形中存在上升和下降阶段,而且上升时间和下降时间又与加工电流设定值以及滤波电感值有关,随着电流设定值和滤波电感值的增大而增大放电脉宽和消电离脉间必须足够长,以保证放电电流上升到设定值和下降到零这样降低了加工效率,逆变式脉冲电源只能满足粗中加工规准的要求,很难推广到精加工范围更为突出的是,使用逆变式脉冲电源加工时,经常出现拉弧现象,而且拉弧不容易时间f/s▲时间f消除,造成加工工件表面烧伤。这是由于逆变式脉冲电源输出部分一一高频变压器副边整流部分以及电感一一始终和加工间隙构成回路,通过加工间隙形成了滤波电感储能的泄放回路,这样一方面造成放电电流拖尾问题,影响加工效率,另外由于不能立即切断脉冲电源与加工间隙之间能量传递的联系,当加工间隙出现不正常趋势或恶劣状态时,只能将加工电流值设为零,必须等待输出回路中储存的能量释放到加工间隙而消耗完毕后,加工状态才能向消电离状态过渡,这样势必进一步恶化加工状态,不能达到良好的消电离目的,容易出现拉弧2电流型脉冲电源的原理及其特点电流型电火花加工脉冲电源原理示意图变整流输出回路中增加了2个功率开关管T1和T2,T1和逆变整流滤波电感以及加工间隙串联,构成加工放电回路,而T2并接在加工间隙和功率开关管T1部分的两端,构成旁流回路这2个功率开关管交替导通和关断,在任意时刻加工放电回路和旁流回路至少有一个导通,输出部分形成电流回路其次,改变了电流控制策略整个逆变电路构成电流闭环控制回路而且电流值不是脉冲形式,而是固定值一一这就是电流型脉冲电源名称的由来一一这样逆变整流输出部分和滤波电感中电流保持连续恒定,而放电回路和旁流回路交替投入,分时工作,通过两者的电流为脉冲形式配合高压回路,整个电流型脉冲电源的控制步骤如下:开关管T3导通,高压加到加工间隙上,这时加工间隙还未击穿,加工间隙电压为高压电压值,加工间隙电流为零这时,开关管T1关断T2导通,输出回路电流通过旁流回路形成闭环。这个阶段仍然称为击穿延时阶段;当检测到加工间隙电流,判断加时间//s时间(7s电流型脉冲电源控制及其输出电压电流波形示意图工间隙已被击穿,打开开关管T1关断T2,输出回路电流由旁流回路瞬时切换到加工放电回路形成闭环,加工间隙电流瞬时达到电流设定值,消除了电流爬坡现象当检测到加工间隙电流瞬间,关断高压回路开关管T3,高压回路中储能电容充电这个阶段加工间隙电压保持在加工间隙维持电压上这个阶段仍然称为放电加工阶段;加工间隙放电加工一段时间后,打开开关管T2关断T1,输出回路电流由加工放电回路瞬时切换到旁流回路形成闭环,加工间隙电流瞬时降为零,消除了加工间隙回路中电流拖尾现象,实现了电源与加工间隙的完全隔断,消电离效果良妊这时加工间隙电压也降为零这个阶段仍然称为消电离脉间电流型脉冲电源既保持了逆变式脉冲电源节能的优点,又具备了和独立式脉冲电源相近的加工性能电流型脉冲电源在击穿延时和消电离脉间2个阶段仍然在旁流回路中保持等值电流输出,通过开关管T1和T2导通和关断的配合,使加工电流在加工间隙回路和旁流回路之间进行切换,没有电流爬坡和拖尾现象,输出的电流波形和电压波形与表1采用电流型脉冲电源加工的测试数据脉宽(as)脉间(as)峰值电流々(A)加工时间/(min)工件去除量V损耗率(%)侧面间隙d(mm)粗糙度Ra(/义m)输入电能马表2相同条件下使用MDV110脉冲电源的加工数据紫铜,工件为合金钢量块,抬刀,冲池独立式脉冲电源的波形一致,一万面达到了加工性能的要求,另外可以缩短加工脉宽和脉间时间,使其适应精加工加工规准要求但同时电流型脉冲电源由于在击穿延时和消电离脉间2个阶段仍然在旁流回路中保持了等值电流的输出,也势必造成了一定功率的损失,它的节能效果虽然显著,但略低于逆变式脉冲电源。

  3电流型电火花加工脉冲电源电路系统的设计在多种形式的功率转换电路中,半桥逆变式电路因其具有很强的抗不平衡能力,高压开关管数量少,所需驱动功率小,高压开关管上承受的最高电压不超过电源电压等优点而被采用。

  率开关器件。IGBT是80年代出现的新型复合器件,将MOSFET和GTR的优点集于一体,具有输入阻抗高电流控制能力强等优点这些优点使得IGBT比MOSFET和GTR更适合高频大功率逆变器应用了有源功率因数修正PFC电路,新型脉冲电源功率因数大于0.99,符合IEC555规定的电磁兼容标准,无电网污染,利于环保采用高速PWM控制器UC3825A,UC3825A响应速度快(开关频率可达1MHz,5(ns的输出延时)启动电流低(100 A)、保护功能可靠(逐个脉冲范围内过流检测保护)驱动能力强(两路大电流图腾柱形式输出,峰值电流可达2A)利用UC3825A的误差放大器设计了幅值裕度和相位裕度大的控制器,稳定性好。

  4电流型脉冲电源在电火花加工中的应用及其试验结果为了进行新型电流型脉冲电源与电火花加工机床联机调试和加工试验,把新型脉冲电源“嫁接”

  到普通型电火花加工机床HCD400上,利用该机床的本体伺服系统工作液循环系统而撤掉原配脉冲电源MDV110分别使用新型脉冲电源和独立式脉冲电源,2种电源都工作在高低压复合加工模式下,都采取了抬刀、冲油等措施,而且抬刀周期和高度都相同,进行了多种规准的对比加工试验,并且对电源的节能效果、电极损耗加工生产率、力口工表面粗糙度以及侧面间隙等工艺指标进行了测试和比较工规准下使用电流型脉冲电源和独立式脉冲电源对工件进行相同去除量加工后所测得的数据从数据对比看出,2种脉冲电源加工性能和加工效率的指标,包括加工时间、电极损耗率侧面间隙和表面粗糙度,都基本相同,而两者的输入电能具有显著差别(见),在每一加工规准下,电流型脉冲电源比独立式脉冲电源节能超过2/3 5结论电流型脉冲电源输出电压电流特性与独立式脉冲电源一致,消除了电流爬坡和拖尾现象,从而满足了多种加工性能的要求电流型脉冲电源的电能利用率约为7(%,功率因数为0.99,没有电网谐波污染,符合环保要多模型技术及其在发动机缸盖开发过程中的应用徐向阳高国安技术的层次结构和模型定义方法、基于多模型技术的缸盖产品模型定义将多模型技术应用到缸盖开发中,使产品开发周期缩短50%以上,表明多模型技术是-种实用的产品模型定义技术建立统一的产品定义模型,实现产品数据共享,是CIMS技术和CAD/CAE/CAM―体化的迫切要求并行工程是缩短产品开发周期提高产品质量降低生产成本的一种有效手段。近年来,基于特征造型的参数化CAD/CAE/CAM商用软件和基于客户服务器的网络技术的发展为建立统一的产品定义模型和实现产品开发过程的并行创造了条伟但是,商用化CAD/CAE/CAM软件和网络技术只是一种平台和工具,如何利用这些工具,研究和开发面向并行工程和CIMS的实用化技术,是企业所面临的主要挑战。多模型技术是基于法国DassaultSystemes公司商用CAD/CAE/CAM软件CATIA而开发的一种新的面向并行工程和CIMS的产品模型定义技末1多模型技术多模型技术是将面向对象技术和特征技术相结合而开发的一种新的产品模型定义技术根据面向对象的设计思想,产品由不同的对象层次化构成,每个具体的对象都在它所属的对象层次结构中有一定的位置,对象之间有邻接关系、从属关系、引用关系和继承关系。特征技术认为,特征是产品设计和制造过程中包含完整工程信息的结构单元,是与产品描述相关的信息集合特征作为统一的信息实体,特征本身的内容及特征之间的各种关系都是用户操作的对象,即特征依附于对象,并为对象服务。将描述产品信息的特征赋予相应的定义产品的层次化结构的对象,就形成了产品的层次化功能模型,即产品可由包含完整特征信息的多个功能模型层次化来描述根据这一思想,多模型技术是一种面向功能和过程的层次化产品模型定义技术,每一个模型就是一个包括产品信息的操作对象,在产品开发过程中,操作对象可以被不同的用户(CADCAMCAE等根据自己的需要进行操作,不同的用户都是基于统一的模型进行工作,从而实现了整个产品开发过程中产品定义模型的统一和产品数据的共享。收穑日期:1999-研究生导师。邵革良,男,1967年生哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所博士研究生u求。

  电流型脉冲电源体积小,重量轻,成本低,约相当于独立式脉冲电源的1/5 50A,脉宽和脉间范围为50~2000,us而且这些参数可以实现在线快速调整,这样为进一步根据加工状态实现在线加工参数优化奠定了硬件基础。

  电流型脉冲电源附有电压击穿回路,电压数值可以依据加工工艺要求而调整

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