专利名称：Pzt同步激励压缩放电通道的微细电火花加工设备及其加工方法
技术领域：
本发明涉及一种采用PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置，属于微细电火花加工技术领域。
背景技术：
产品的微型化是现代生产所追求的目标之一。而微细加工是实现产品零部件微型化的最基本技术，它已成为涉及机械、电子、化学、材料等多种学科的现代高技术。实现精密、微细加工的一个重要条件是加工单位尽可能小。而在电火花加工过程中，其加工单位(即每次放电的蚀除量)只取决于单个放电脉冲的能量。随着现代电力电子技术的发展，电火花加工的加工精度与表面质量得到了极大的提高，加工单位也日趋变小。 电火花加工已成为零件精微加工的有效手段之一。微细电火花加工技术的发展体现在加工装置的微小型化上。脉冲电源作为电火花加工机床的主要组成部分，性能的优劣直接影响放电加工的速度、精度、稳定性、工件表面粗糙度以及电极耐加工性，同时也是产品升级换代的标志。目前国内外大多数微细电火花加工脉冲电源是RC电路脉冲电源，由于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。另外，加工过程中的排屑问题是微细加工技术的一个难点。由于加工尺度较小，工具电极细微，放电脉冲能量和放电间隙小，传统电火花加工中的冲液排屑方式已不适于微细电火花加工，致使电蚀产物不易从加工区排出，尤其是高深径比的微细孔或异型孔排屑更困难。排不出去的碎屑不仅会占据一部分空间而使极间实际距离减小，而且还会引起极间电场的畸变，发生短路和拉弧，难以保证加工过程的稳定性和加工工件精度。
发明内容
本发明针对现有微细电火花加工技术存在的不足，提供一种加工过程稳定、能够保证工件加工精度的PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置，该装置将PZT (压电陶瓷，具有正压电效应和负压电效应)晶体致动器与晶体管式脉冲电源集合在一起， 晶体管式脉冲电源利用PWM通过发脉冲控制主回路的电流通断，PZT晶体致动电源使致动器产生高频率振动，通过控制器调节两电源脉冲相位来实现同步加工。本发明的PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置采用下述技术方案 该PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置，包括PZT晶体致动器、电极、PZT
晶体致动器驱动电源、控制器和晶体管式脉冲电源，电极安装在PZT晶体致动器上，晶体管式脉冲电源、电极和工件串联构成主回路，PZT晶体致动器与PZT晶体致动器驱动电源连接，PZT晶体致动器驱动电源用于给PZT晶体致动器中的PZT晶体提供电能而使之伸缩，控制器为一个可编程控制的脉冲信号延迟装置，通过对输入脉冲信号的延迟调节控制PZT晶体致动器驱动电源与晶体管式脉冲电源信号的相位差，实现电火花同步加工。晶体管式脉冲电源为现有技术，该电源通过PWM产生脉冲信号控制场效应管 MOSFET开断。而MOSFET与其他开关器件相比较，具有开关速度快、热稳定好及噪声低等特点，而且随着半导体工业的发展，高频功率器件MOSFET已经得到了广泛的应用。因此在该脉冲电源中选用了各项指标均能满足加工要求的新型高频快速MOSFET作为开关器件。PZT晶体致动器为现有技术，主要由PZT晶体构成，在电压作用下，利用PZT晶体的逆压电效应，使致动器伸长，而且其伸长的距离与电压近似成正比。PZT晶体致动器驱动电源为致动器提供高频电压。上述PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置进行电火花加工的方法， 包括以下步骤
(1)将工件固定在电火花加工机床的工作台上，注入工作液，使工件浸在工作液中，将 PZT晶体致动器安装在电火花加工机床的直线运动轴上，直线运动轴带动PZT晶体致动器及其上的电极进给，使电极与工件之间具有合适的放电间隙；
(2)打开晶体管式脉冲电源，电火花加工机床上的脉冲信号发生及放大装置上电后发出矩形波脉冲，一路脉冲信号经过隔离、放大后通过晶体管式脉冲电源中的场效应管 MOSFET来控制放电回路的导通与关断；另一路脉冲信号经过控制器的相位调节后到达PZT 晶体致动器驱动电源并使之上电，PZT晶体驱动电源把高频率的脉冲电压输出给PZT晶体， PZT晶体材料迅速伸长，同时晶体管式脉冲电源中的MOSFET导通，电极和工件构成闭合回路，电极间开始瞬时放电，放电通道形成，MOSFET关断，脉冲结束，PZT晶体致动器中的PZT 晶体缩回初始位置，完成一次脉冲放电；整个过程中通过控制器的脉冲信号相位调节作用达到脉冲放电和高频振动的同步，然后晶体管式脉冲电源再次发出脉冲信号，PZT晶体驱动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；
(3)当电极与工件的间隙大于放电间隙时，即无火花放电现象，将直线运动轴向下进给 1 μ m，如此往复，直到电极穿透工件为止。PZT晶体激励工具电极同步高频振动可有效提高微细电火花加工放电通道内的压力。当PZT材料加上高频的脉冲电压后便带动工具电极做纵向同频率振动。当工具电极向下运动时放电同时进行，此时电极向下的运动辅助压缩放电通道，使放电通道内的压力成倍增高，使通道高速向外扩张，并形成强烈的冲击波向外传播。另一方面，由于放电电流所产生的电磁约束力作用，通道的扩展受到很大限制，通道截面直径很小，电流密度甚高。 受正负带电粒子流轰击的阴极和阳极表面承受着很高的冲击压力，使放电点附近的局部金属加热成过热金属(即超过正常压力下沸点的液态金属)。由于放电通道内部压力很高，而放电电流所产生的电磁约束力还不足以与其平衡，因而它将向外扩展，通道直径随之扩大。 随着通道的扩展，内部带电粒子的密度降低，带电粒子高速运动的阻力将随之减小，电流上升，极间电压相应下降。与此同时，电极表面所承受的压力也会随放电通道扩展而降低，致使高压下的过热金属在失压情况下发生爆炸性沸腾，将大量金属抛离电极表面。同时压电陶瓷伸长过程中形成对放电间隙的扰动，有助于避免电蚀产物的沉积，使其分散并从加工放电间隙中排出。本发明应用晶体管式脉冲电源使整个装置的体积大大减小，另外还应用了 PZT同步激励振动来辅助压缩放电通道使电蚀产物更易排除，提高加工的稳定性，改善了加工的效率和质量。控制器通过调节控制晶体管式脉冲电源和PZT晶体致动器驱动电源脉冲信号的相位差来实现同步复合加工。
图1是本发明的结构原理图。
图中1、PZT晶体致动器，2、电极，3、电火花加工机床，4、PZT晶体致动器驱动电源，5、控制器，6、晶体管式脉冲电源，7、脉冲信号发生及放大装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明的PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置包括PZT 晶体致动器1、电极2、PZT晶体致动器驱动电源4、控制器5和晶体管式脉冲电源6。电极2 安装在PZT晶体致动器1上，PZT晶体致动器1安装在电火花加工机床3的直线运动轴上。 晶体管式脉冲电源6、电极2和工件串联构成主回路。PZT晶体致动器1与PZT晶体致动器驱动电源4连接，PZT晶体致动器驱动电源4用于给PZT晶体致动器中的PZT晶体提供电能而使之伸缩。控制器5为一个可编程控制的脉冲信号延迟装置，通过对输入脉冲信号的延迟调节控制PZT晶体致动器驱动电源4与晶体管式脉冲电源6的信号的相位差。电火花加工机床3上的脉冲信号发生及放大装置7发出的脉冲信号分成两路，一路信号通过直接控制主电路中晶体管式脉冲电源6上的MOSFET管来控制主电路电源的通断，另一路信号通过控制器5延迟脉冲信号从而与第一路信号形成相位差，此路信号通过控制PZT晶体致动器驱动电源4给PZT晶体致动器1中的PZT晶体提供电能而使之伸缩，从而达到控制工具电极的目的。通过调节控制器5实现电火花同步加工。
上述PZT同步激励压缩放电通道微细电火花加工装置对工件进行电火花加工的过程包括以下步骤Α.首先将工件固定在电火花加工机床3的工作台上，滴上工作液，调整电火花加工机床3的直线运动轴，直线运动轴带动PZT晶体致动器1和电极2进给，直到电极2与工件的间距为2 3 μ m ；B.然后打开晶体管式脉冲电源6，脉冲信号发生及放大装置7上电后发出矩形波脉冲， 一路脉冲信号经过隔离、放大后通过晶体管式脉冲电源6中的场效应管MOSFET来控制放电回路的导通与关断；另一路脉冲信号经过控制器5的相位调节后到达PZT晶体致动器驱动电源4并使之上电，PZT晶体致动器驱动电源4把高频率的脉冲电压输出给PZT晶体，PZT 晶体材料迅速伸长，同时晶体管式脉冲电源6中的MOSFET导通，电极2和工件构成闭合回路，电极2和工件间开始瞬时放电，放电通道形成，MOSFET关断，脉冲结束，PZT晶体致动器 1中的PZT晶体缩回初始位置，完成一次脉冲放电；整个过程中通过控制器5的脉冲信号相位调节作用达到脉冲和高频振动的同步，然后晶体管式脉冲电源再次发出脉冲信号，PZT晶体驱动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；C.最后，当电极2与工件的间隙大于放电间隙时，即无火花放电现象，将直线运动轴向下进给1 μ m，如此往复，直到工具电极穿透工件为止。
权利要求
1.一种PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置，包括PZT晶体致动器、电极、PZT晶体致动器驱动电源、控制器和晶体管式脉冲电源，其特征是电极安装在PZT晶体致动器上，晶体管式脉冲电源、电极和工件串联构成主回路，PZT晶体致动器与PZT晶体致动器驱动电源连接，PZT晶体致动器驱动电源用于给PZT晶体致动器中的PZT晶体提供电能而使之伸缩，控制器为一个可编程控制的脉冲信号延迟装置，通过对输入脉冲信号的延迟调节控制PZT晶体致动器驱动电源与晶体管式脉冲电源信号的相位差，实现电火花同步加工。
2.—种权利要求1所述PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置进行电火花加工的方法，其特征在于包括以下步骤(1)将工件固定在电火花加工机床的工作台上，注入工作液，使工件浸在工作液中，将 PZT晶体致动器安装在电火花加工机床的直线运动轴上，直线运动轴带动PZT晶体致动器及其上的电极进给，使电极与工件之间具有合适的放电间隙；(2)打开晶体管式脉冲电源，电火花加工机床上的脉冲信号发生及放大装置上电后发出矩形波脉冲，一路脉冲信号经过隔离、放大后通过晶体管式脉冲电源中的场效应管 MOSFET来控制放电回路的导通与关断；另一路脉冲信号经过控制器的相位调节后到达PZT 晶体致动器驱动电源并使之上电，PZT晶体驱动电源把高频率的脉冲电压输出给PZT晶体， PZT晶体材料迅速伸长，同时晶体管式脉冲电源中的MOSFET导通，电极和工件构成闭合回路，电极间开始瞬时放电，放电通道形成，MOSFET关断，脉冲结束，PZT晶体致动器中的PZT 晶体缩回初始位置，完成一次脉冲放电；整个过程中通过控制器的脉冲信号相位调节作用达到脉冲和高频振动的同步，然后晶体管式脉冲电源再次发出脉冲信号，PZT晶体驱动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；(3)当电极与工件的间隙大于放电间隙时，即无火花放电现象，将直线运动轴向下进给 1 μ m，如此往复，直到电极穿透工件为止。
全文摘要
本发明提供一种PZT同步激励压缩放电通道的微细电火花加工装置及其加工方法，该装置包括PZT晶体致动器、电极、PZT晶体致动器驱动电源、控制器和晶体管式脉冲电源，电极安装在PZT晶体致动器上，晶体管式脉冲电源、电极和工件串联构成主回路，PZT晶体致动器与PZT晶体致动器驱动电源连接，PZT晶体致动器驱动电源用于给PZT晶体致动器中的PZT晶体提供电能而使之伸缩，控制器为一个可编程控制的脉冲信号延迟装置，通过对输入脉冲信号的延迟调节控制PZT晶体致动器驱动电源与晶体管式脉冲电源信号的相位差，实现电火花同步加工。本发明提高了加工的稳定性，改善了加工的效率和质量。
文档编号B23H11/00GK102500848SQ201110376119
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者张勤河 申请人:山东大学