一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路及加工方法
【专利摘要】一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路及加工方法，属于电火花加工领域。解决了传统单电极电火花加工回路及方法对工件加工效率低，加工速度慢的问题。它包括N个电极、脉冲电源、N个隔离电容C1、补偿电容C0、给电电容C，N个电极一端分别与N个隔离电容C1一端连接，N个隔离电容C1另一端同时与给电电容C一端连接，给电电容C另一端同时与补偿电容C0一端和脉冲电源的正极连接，脉冲电源负极与补偿电容C0另一端同时连接后，作为待加工工件电信号输入端，N个电极间相互绝缘，N个电极与待加工工件相对放置，且电极与待加工工件之间的垂直距离为d。用于电火花加工领域。
【专利说明】—种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路
及加工方法【技术领域】
[0001]本发明属于电火花加工领域。
【背景技术】 [0002]电火花加工是利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电产生的瞬间高温使工件材料局部熔化和汽化，从而达到蚀除工件材料的目的。电火花加工属于非接触加工，加工过程中不存在显著的机械切削力，能够加工传统加工方法难以加工的硬质材料和复杂形状的材料，并且控制简单，加工精度高。电火花加工的这些特点使其在模具制造和微细加工等方面有着非常广泛的应用。
[0003]然而，电火花加工方法存在加工效率低，加工速度慢的缺点。其主要原因是因为电火花加工过程在微观上具有时间和空间上的不连续性。作为一种利用放电所产生的热效应而进行加工的方法，电火花加工是利用工件和工具电极之间脉冲性火花放电产生的热能，使工件和工具材料因熔融和气化被蚀除，并在各自表面形成放电凹坑，通过放电凹坑的不断叠加形成对工件材料的逐层蚀除。通常情况下，每次放电只发生在一点，无论放电加工面积多大，每次放电只产生一个放电凹坑，单次放电凹坑与整个加工表面相比极其小。并且，在电火花加工中为了保证极间介质放电击穿之后形成的等离子体放电柱能够消电离以恢复绝缘，从而保证放电点的分散和放电状态的稳定，在电火花加工中必须使用脉冲电源，每个脉冲周期内只发生一次放电。这说明从微观上看电火花加工是间断的，而非连续的。通过增加单个脉冲的放电能量可提高加工速度，但是这又导致放电凹坑增大，表面粗糙度变差。因此，依靠增加放电能量来提高加工速度的方法只适用于粗加工。通过缩短放电脉冲停歇时间来提高脉冲电源频率，从而提高单位时间内放电次数也可以改善电火花加工速度，但是若放电脉冲停歇时间过短，将导致放电柱不能完全消电离，从而发生放电集中，因此提高脉冲电源频率的办法也存在局限。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决传统单电极电火花加工回路及方法对工件加工效率低，加工速度慢的问题，本发明提供了一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路及加工方法。
[0005]一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，它包括N个电极、脉冲电源、N个隔离电容C1、补偿电容Ctl、给电电容C，所述的N个电极的一端分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个隔离电容C1的另一端同时与给电电容C的一端连接，给电电容C的另一端同时与补偿电容Ctl的一端和脉冲电源的正极连接，脉冲电源的负极与补偿电容Ctl的另一端同时连接后，作为待加工工件的电信号输入端，
[0006]N个电极间相互绝缘，N为正整数，N个电极与待加工工件相对放置，且电极与待加工工件之间的垂直距离为d，d的取值范围为大于10微米且小于100微米。[0007]一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，它还包括N个二极管，所述的N个二极管的阴极分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个二极管的阳极同时与补偿电容Ctl的另一端和脉冲电源的负极连接，从而实现负极性加工。
[0008]一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，它还包括N个二极管，所述的N个二极管的阳极分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个二极管的阴极同时与补偿电容Ctl的另一端和脉冲电源的负极连接，从而实现正极性加工。
[0009]给电电容C同时对多个放电间隙进行充电，能够实现各放电间隙在一个脉冲周期内发生正极性放电与负极性放电各一次，进而实现单个脉冲周期内的多点放电，显著提高加工效率。
[0010]补偿电容Ctl的作用在于提高单个脉冲的放电能量，并对因放电而造成的间隙电压波动现象起到有效的抑制作用，从而使得加工速率得到进一步的提高。
[0011]通过采用相互绝缘的多个电极，并在待加工工件与给电电容C之间串联隔离电容C1，能够有效的切断各电极之间的电联系，从而可以使各电极的放电过程相对独立，通过多层电容耦合为极间充电，从而形成多个并行的电容耦合放电回路。通过在各放电间隙两端并联二极管的方法，能够将双极性放电转变为单极性放电，并且，通过调整二极管的方向能够分别实现正极性多点放电加工与负极性多点放电加工。
[0012]采用一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路实现的加工方法，该方法的具体过程为，
[0013]步骤一,将N个电极夹固后与机床主轴固定连接，使N个电极的放电端面与工作液槽内的待加工工件相对放置，并保证N个电极的放电端面与待加工工件的距离为d，d的取值范围为大于10微米且小于100微米，
[0014]步骤二，通过脉冲电源施加预设频率的脉冲电压，使得各电容之间通过多层电容耦合为极间充电，从而形成多个并行的电容耦合放电回路，保证在一个脉冲周期内，在每个电极与待加工工件间发生多次放电，进而完成对待加工工件的加工。
[0015]传统RC式脉冲电源结构简单，但由于没有消电离环节，易发生拉弧现象，使得工件表面烧伤，进而导致加工效率下降，加工质量一致性差。为了解决该问题，在传统RC式脉冲电源中加入晶体管，用晶体管来对放电过程进行人为控制，进而有效减少拉弧现象的产生。而本发明方法所采用的基于电容耦合原理给电的新型电火花加工方法，主要具有以下的技术优势:
[0016]1、放电能量调节简单，多点放电能量均一，
[0017]该方法特征在于利用电容耦合原理，通过调节给电电容C，就可以实现各并行放电支路的放电能量。
[0018]2、确保极间介质恢复绝缘，有利于多点放电稳定性
[0019]通过调整回路参数，能够有效的保证一个脉冲周期内仅发生一次正极性放电与一次负极性放电，充分保证极间绝缘介质恢复时间，避免拉弧现象的产生。
[0020]利用仅具有单个主轴伺服进给与回退功能的机床，通过主轴进给来维持工具电极与待加工工件之间合适的放电间隙。工具电极采用Φ 2mm的铜电极，待加工工件采用厚度为0.5mm的塞尺，脉冲电源电压Etl = 100V,频率f = IKHz,占空比为60 %，给电电容C =10 μ F,补偿电容Ctl = I μ F,分割电容C1 = I μ F,在这些加工条件下,通过简单的主轴下沉式加工单孔的加工速率为0.16mm3/min，加工双孔的加工速率为0.28mm3/min，加工三孔的加工速率为0.38mm3/min ;加工四孔的加工速率为0.44mm3/min ;即伴随着回路数目的增多，加工速度不断地提高，二电极加工时的加工速度是单电极加工的1.75倍，三电极加工时的加工速度是单电极加工的2.38倍，四电极加工时的加工速度是单电极的2.75倍。而在相同伺服系统与伺服参考参考电压下采用传统RC型加工回路进行单孔加工时的材料去除速率仅为 0.21mm3/min。
[0021]本发明带来的有益效果是，通过实验发现:通过在一个脉冲周期内实现多个电极与待加工工件之间的多点放电，能够在多电极加工过程中获得明显高于传统单电极电火花加工回路及方法的加工效率；并且，在伺服控制系统优化后，加工速率将会伴随着分割电极数的增加而进一步的提高。
[0022]本发明在阵列群孔加工、大表面成型加工方面具有巨大优势，还可以通过采用相互绝缘的群管状电极进行内冲液，内充液就是指在以空心铜管作为电极的情况下，通过对空心铜管通入一定压力的工作液，让工作液及时带走间隙放电产生的放电碎屑，促进排屑，使加工状态良好，从而提高加工速度，可以进一步改善极间放电状态，提高放电加工效率；通过改变相互绝缘的群电极的长度，使得放电加工端部构成一定形状，则可以实现具有复杂表面形状的高速加工；此外，该方法还可以结合摇动和平动加工等方法进一步提高加工质量微细铣削的粗加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路的原理不意图；其中附图标记3表待加工器件；
[0024]图2为图1的等效电路图；
[0025]图3为【具体实施方式】二所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路的原理不意图；
[0026]图4为【具体实施方式】三所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路的原理不意图；
[0027]图5为【具体实施方式】一中，当N的取值为2时，电极的放电波形示意图，该波形图上，竖直方向每一格刻度代表50V,水平方向每一格刻度代表500 μ s ；
[0028]图6为【具体实施方式】二中，当N的取值为2时，电极的放电波形示意图，该波形图上，竖直方向每一格刻度代表50V,水平方向每一格刻度代表500 μ s ；
[0029]图7为【具体实施方式】三中，当N的取值为2时，电极的放电波形示意图，该波形图上，竖直方向每一格刻度代表50V,水平方向每一格刻度代表500 μ s。
【具体实施方式】
[0030]【具体实施方式】一:参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，它包括N个电极1、脉冲电源2、Ν个隔离电容C1、补偿电容Ctl、给电电容C，所述的N个电极I的一端分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个隔离电容C1的另一端同时与给电电容C的一端连接，给电电容C的另一端同时与补偿电容Ctl的一端和脉冲电源2的正极连接，脉冲电源2的负极与补偿电容Ctl的另一端同时连接后，作为待加工工件的电信号输入端，
[0031]N个电极I间相互绝缘，N为正整数，N个电极I与待加工工件相对放置，且电极I与待加工工件之间的垂直距离为d，d的取值范围为大于10微米且小于100微米。
[0032]本实施方式中，各个电极I与各个隔离电容C1为串联关系，各电极I通过隔离电容C1与给电电容C 一端连接，给电电容C的另一端与脉冲电源2正极相连；补偿电容Ctl连接于脉冲电源2的正极与负极之间，同各放电间隙为并联关系；
[0033]当N的取值为2时，本实施方式中，电极I的放电波形，该波形占空比为60%，具体参见图5，从图5中可看出，电极I即可实现正极性放电，又可实现负极性放电，因此，本实施方式所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路可以对待加工工件进行双极性放电加工。
[0034]【具体实施方式】二:参见图2说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路的区别在于，它还包括N个二极管D1，所述的N个二极管D1的阴极分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个二极管D1的阳极同时与补偿电容Ctl的另一端和脉冲电源2的负极连接。
[0035]本实施方式中，通过并联二极管的方式实现正极性加工；
[0036]当N的取值为2时，本实施方式中，电极I的放电波形，该波形占空比为80%，具体参见图6，从图6中可看出，电极I可实现负极性放电，因此，本实施方式所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路可以待加工工件进行负极性放电加工。
[0037]【具体实施方式】三:参见图3说明本实施方式，本实施方式与【具体实施方式】一所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路的区别在于，它还包括N个二极管D1，所述的N个二极管D1的阳极分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个二极管D1的阴极同时与补偿电容Ctl的另一端和脉冲电源2的负极连接。
[0038]本实施方式中，通过并联二极管的方式实现正极性加工；
[0039]当N的取值为2时，本实施方式中，电极I的放电波形，该波形占空比为50%，具体参见图7，从图7中可看出，电极I可实现正极性放电，因此，本实施方式所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路可以待加工工件进行正极极性放电加工。
[0040]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路的区别在于，所述的N为大于3且小于10的整数。
[0041]【具体实施方式】五:米用【具体实施方式】一、二或三所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路实现加工方法，该方法的具体过程为，
[0042]步骤一，将N个电极I夹固后与机床主轴固定连接，使N个电极I的放电端面与工作液槽内的待加工工件相对放置，并保证N个电极I的放电端面与待加工工件的距离为d，d的取值范围为大于10微米且小于100微米，
[0043]步骤二，通过脉冲电源2施加预设频率的脉冲电压，使得各电容之间通过多层电容耦合为极间充电，从而形成多个并行的电容耦合放电回路，保证在一个脉冲周期内，在每个电极I与待加工工件间发生多次放电，进而完成对待加工工件的加工。
【权利要求】
1.一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，其特征在于，它包括N个电极(I)、脉冲电源(2)、N个隔离电容C1、补偿电容Ctl、给电电容C，所述的N个电极(I)的一端分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个隔离电容C1的另一端同时与给电电容C的一端连接，给电电容C的另一端同时与补偿电容Ctl的一端和脉冲电源(2)的正极连接，脉冲电源(2)的负极与补偿电容Ctl的另一端同时连接后，作为待加工工件的电信号输入端， N个电极(I)间相互绝缘，N为正整数，N个电极(I)与待加工工件相对放置，且电极(I)与待加工工件之间的垂直距离为d，d的取值范围为大于10微米且小于100微米。
2.根据权利要求1所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，其特征在于，它还包括N个二极管(D1),所述的N个二极管(D1)的阴极分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个二极管(D1)的阳极同时与补偿电容Ctl的另一端和脉冲电源(2)的负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，其特征在于，它 还包括N个二极管(D1),所述的N个二极管(D1)的阳极分别与N个隔离电容C1的一端连接，N个二极管(D1)的阴极同时与补偿电容Ctl的另一端和脉冲电源(2)的负极连接。
4.根据权利要求1所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路，其特征在于，所述的N为大于3且小于10的整数。
5.采用权利要求1、2或3所述的一种可实现多点放电高速电火花加工的新型放电加工回路实现的加工方法，其特征在于，该方法的具体过程为， 步骤一，将N个电极(I)夹固后与机床主轴固定连接，使N个电极(I)的放电端面与工作液槽内的待加工工件相对放置，并保证N个电极(I)的放电端面与待加工工件的距离为d，d的取值范围为大于10微米且小于100微米， 步骤二，通过脉冲电源⑵施加预设频率的脉冲电压，使得各电容之间通过多层电容耦合为极间充电，从而形成多个并行的电容耦合放电回路，保证在一个脉冲周期内，在每个电极(I)与待加工工件间发生多次放电，进而完成对待加工工件的加工。
【文档编号】B23H1/00GK104014878SQ201410276283
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】杨晓冬, 杨凯 申请人:哈尔滨工业大学