CN108672851B - 一种甚高频自振式微能电加工脉冲源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甚高频自振式微能电加工脉冲源，该电加工脉冲源的直流电源E接通的瞬间，电路中会产生一些微弱的电流突变以及噪声，这部分能量经过谐振单元放大，通过反馈单元将一定比例的能量输入到场效应管的栅极，维持持续的自激振荡，电压幅值和频率达到一定程度后趋于稳定，形成动态平衡。另一部分能量通过电容C4储存后经过限流电阻R3到达工具电极和工件，对工件进行加工。本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源适用于微细电加工，产生的电压脉宽可达5ns，放电频率可达100MHz，峰峰值间隙电压可达400V以上，能够提高工件表面加工质量，减轻工件在加工过程中发生的热损伤、重铸层和热影响区等常规缺陷，达到类似冷加工的效果。

Description

一种甚高频自振式微能电加工脉冲源

技术领域

本发明属于微细电加工技术领域，具体涉及一种甚高频自振式微能电加工脉冲源。

背景技术

微细电火花加工技术是一种典型的特种加工技术，其材料去除能量来源于高频、高热流密度的脉冲热源，利用脉冲放电产生的瞬时高温、高压来实现加工。由于微细电火花加工具有设备简单、可控性好、无切削力、适用性强等一系列优点，与传统机械加工相比具有明显优势，在微器件的加工中具有极大的应用潜力，被认为是最有发展前景的微细加工方法之一。微细电火花加工一般被认为是单脉冲放电能量在10^-6~10^-8J，脉宽在10μs以内，电极直径在500μm下的电火花加工。由于微细电火花加工特殊的非接触、电热加工机理，该技术适用于任何导电材料的加工而不受材料强度、硬度等力学性能的影响，所以特别适合于难加工材料、低刚度和薄壁工件、以及微轴、微孔、复杂微型三维结构的加工。

微细电火花加工的表面是由一系列的单脉冲放电凹坑构成的，单个脉冲能量的大小决定了单次放电蚀坑的大小，影响加工表面的粗糙度、微细工件和微细电极的几何尺寸精度，决定着微细电火花加工的极限能力。微能脉冲电源性能的优劣，直接影响微细电火花加工的精度、速度、稳定性、表面质量等。因此，为了提高微细电火花的加工效率和表面质量，设计性能良好的微能脉冲电源是非常有效的途径之一。

目前，普遍用于微细电火花的脉冲电源主要有以下3种：RC式、独立式、静电感应式。对于RC式脉冲电源，可通过降低电源电压或减小极间等效电容的方法来减小能量。不存在维持电压，电源电压在0.1V的低压下也可以进行放电加工，但降低电源电压会导致放电间隙减小，难以进行连续的加工；为减小放电能量，通常在电路中不连接电容器，只用分布电容来进行放电加工，但即使是采用了非金属床身和尽量短的屏蔽电缆也很难将分布电容减至100pF以下，可以认为分布电容决定了 RC 式脉冲电源最小放电能量的极限。对于独立式脉冲电源，加工过程中存在间隙维持电压，一般为20~30V，可通过压缩脉宽来减小单个脉冲的放电能量，由于传统开关元器件本身的限制，很难将脉宽压缩到很小，单个脉冲的放电能量难以进一步减小。对于静电感应式电源，原理上有效地避免了分布电容的不利影响，放电能量仅由给电电极和工具电极之间、及工具电极和工件之间形成的静电容量来决定，但其放电频率取决于电源的频率。

从国内外学者的研究成果可以发现：微能脉冲放电蚀除过程中，脉宽越窄，单脉冲能量越小，放电形成凹坑直径越小，热影响区越小，加工的表面质量越好。当精确控制电源脉冲的放电能量足够小时，就可以进行纳米级的电火花加工，在降低单脉冲能量的同时，还应兼顾提高加工效率、减小热影响层、利于排屑等因素，因此，需要提升脉冲频率和在维持一定电压幅值下压缩脉宽，即提高脉冲的峰值功率。

当前，亟需对微能脉冲电源进行新的分析和探索，以期实现高效的纳米级放电蚀除目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种甚高频自振式微能电加工脉冲源。

本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源，其特点是：所述的电加工脉冲源包括供电单元E、高频扼流圈L1、高频扼流圈L2、分压电阻R1、分压电阻R2、场效应管Q、谐振放大单元、反馈单元、电容C4和限流电阻R3；所述的谐振放大单元由电感L4与电容C3串联构成；所述的反馈单元由电容C1和电容C2串联后电感L3并联于电容C1和电容C2之间构成；所述的供电单元E与高频扼流圈L1串联，再与分压电阻R1、分压电阻R2串联，高频扼流圈L2的一端并联接于分压电阻R1和分压电阻R2之间，高频扼流圈L2的另一端串联接于场效应管Q的栅极，电感L4的一端与场效应管Q的漏极、分压电阻R2、高频扼流圈L1的一端并联，电感L4的另一端与电容C3串联，电容C3的另一端接与电容C2，电容C1和电容C2串联后与电容C4并联，电感L3的一端并联接于电容C1和电容C2之间，电感L3另一端并联接于高频扼流圈L2和场效应管Q的栅极之间，限流电阻R3的一端与电容C2、电容C3、电容C4并联，限流电阻R3的另一端接于工具电极，工件、电容C4、电容C1、场效应管Q的源极、分压电阻R1和供电单元E的另一端接地。

本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源工作过程如下：

直流电源E接通的瞬间，电路中会产生一些微弱的电流突变以及噪声，这部分能量通过电感L4和电容C3串联构成的谐振单元放大，通过由电容C1和电容C2串联后电感L3并联于两电容之间构成的反馈单元将一定比例的能量输入到场效应管的栅极，维持持续的自激振荡，电压幅值和频率达到一定程度后趋于稳定，形成动态平衡。另一部分能量通过电容C4储存后经过限流电阻R3到达工具电极和工件，对工件进行加工，整个电路根据实际需要采用20V~300V直流电源供电，L1和L2为高频扼流圈，消除交流信号与直流电源及地之间的耦合。对于给定的电感L4和电容C3，谐振发生在一个特定的频率称为共振频率fr，阻抗在这个情况下达到最小。

本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源是为了解决微细电脉冲电源电压脉宽较大，在脉宽较窄时电压幅值较低导致放电间隙小，无法连续加工，放电频率低加工效率低等问题而提出的。本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源提高了微细电加工的放电频率，脉宽窄时的间隙电压，实现了间隙较大时的高效纳米级加工。

本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源适用于微细电加工，产生的电压脉宽可达5ns，放电频率可达100MHz，峰峰值间隙电压可达400V以上。通过更改电路的硬件参数，即可调节电路的振荡频率；通过提升直流电源的电压，即可使峰峰值间隙电压增大。本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源能够提高工件表面加工质量，减轻工件在加工过程中发生的热损伤、重铸层和热影响区等常规缺陷，达到类似冷加工的效果。

附图说明

图1为本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

如图1所示，本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源包括供电单元E、高频扼流圈L1、高频扼流圈L2、分压电阻R1、分压电阻R2、场效应管Q、谐振放大单元、反馈单元、电容C4和限流电阻R3；所述的谐振放大单元由电感L4与电容C3串联构成；所述的反馈单元由电容C1和电容C2串联后电感L3并联于电容C1和电容C2之间构成；所述的供电单元E与高频扼流圈L1串联，再与分压电阻R1、分压电阻R2串联，高频扼流圈L2的一端并联接于分压电阻R1和分压电阻R2之间，高频扼流圈L2的另一端串联接于场效应管Q的栅极，电感L4的一端与场效应管Q的漏极、分压电阻R2、高频扼流圈L1的一端并联，电感L4的另一端与电容C3串联，电容C3的另一端接与电容C2，电容C1和电容C2串联后与电容C4并联，电感L3的一端并联接于电容C1和电容C2之间，电感L3另一端并联接于高频扼流圈L2和场效应管Q的栅极之间，限流电阻R3的一端与电容C2、电容C3、电容C4并联，限流电阻R3的另一端接于工具电极，工件、电容C4、电容C1、场效应管Q的源极、分压电阻R1和供电单元E的另一端接地。

实施例1

本实施例的工作过程如下：

1.直流电源E接通的瞬间，电路中会产生一些微弱的电流突变以及噪声，这部分能量通过电感L4和电容C3串联构成的谐振单元放大。

2.通过由电容C1和电容C2串联后电感L3并联与两电容之间构成的反馈单元将一定比例的能量输入到场效应管的栅极，驱动场效应管Q通断，维持持续的自激振荡，电压幅值和频率达到一定程度后趋于稳定，形成动态平衡。

3.整个电路根据实际需要采用20V~300V直流电源供电，L1和L2为高频扼流圈，消除交流信号与直流电源及地之间的耦合。

4.另一部分能量通过电容C4储存后经过限流电阻R3到达工具电极和工件，对工件进行加工。

将本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源作用于自研的微细电加工机床放电状态检测装置，最后的实现效果如下：产生的电压脉宽可达5ns，频率可达100MHz，峰峰值间隙电压可达400V以上，能够提高表面加工质量，减轻在加工过程中的热损伤、重铸层和热影响区等常规缺陷，达到类似冷加工的效果。

除非另有明确的规定和限定，本发明的甚高频自振式微能电加工脉冲源中的术语“接”指的是电连接。

Claims (1)

1.一种甚高频自振式微能电加工脉冲源，其特征在于：所述的电加工脉冲源包括供电单元E、高频扼流圈L1、高频扼流圈L2、分压电阻R1、分压电阻R2、场效应管Q、谐振放大单元、反馈单元、电容C4和限流电阻R3；所述的谐振放大单元由电感L4与电容C3串联构成；所述的反馈单元由电容C1和电容C2串联后电感L3并联于电容C1和电容C2之间构成；所述的供电单元E与高频扼流圈L1串联，再与分压电阻R1、分压电阻R2串联，高频扼流圈L2的一端并联接于分压电阻R1和分压电阻R2之间，高频扼流圈L2的另一端串联接于场效应管Q的栅极，电感L4的一端与场效应管Q的漏极、分压电阻R2、高频扼流圈L1的一端并联，电感L4的另一端与电容C3串联，电容C3的另一端接与电容C2，电容C1和电容C2串联后与电容C4并联，电感L3的一端并联接于电容C1和电容C2之间，电感L3另一端并联接于高频扼流圈L2和场效应管Q的栅极之间，限流电阻R3的一端与电容C2、电容C3、电容C4并联，限流电阻R3的另一端接于工具电极，工件、电容C4、电容C1、场效应管Q的源极、分压电阻R1和供电单元E的另一端接地。