劉雨蘭

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214153)

0 引言

目前,電火花數(shù)控線切割機(jī)床普遍使用的高頻電源是有阻脈沖電源[1]。該電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,但由于采用電阻作為限流元件,在電極絲間歇放電的過(guò)程中,約75%的能量都被電阻消耗[2-5],電源損耗嚴(yán)重,利用率非常低。為了降低能耗,提高放電能量利用率,世界很多國(guó)家競(jìng)相深入研究無(wú)阻脈沖電源,其中日本與瑞士?jī)蓢?guó)研究成果較好,其效率大于70%[6-8]。我國(guó)也早已研究開(kāi)發(fā)該脈沖電源,市場(chǎng)多家開(kāi)發(fā)的該電源已上市,但穩(wěn)定性較差,故障率偏高,實(shí)際生產(chǎn)水平仍然參差不齊。至此,本文利用高低壓回路技術(shù),取長(zhǎng)補(bǔ)短,高壓有阻回路擊穿性能強(qiáng)、引弧好,低壓無(wú)阻回路引弧能力差,實(shí)現(xiàn)一種無(wú)阻高頻脈沖電源的設(shè)計(jì),解決了高精度與高速度加工的矛盾,同時(shí)能顯著提高原有機(jī)床的電能利用率。

1 電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高電壓介質(zhì)擊穿能力強(qiáng),低電壓擊穿能力相應(yīng)要低一些,因此,引入了與加工電脈沖頻率相等的高壓脈沖,其雙電源無(wú)阻高頻脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,低壓回路30V～50V,高壓回路120V～180V,兩個(gè)電路并聯(lián),給電極絲(負(fù)極)與工件(正極)進(jìn)行供電,使用二極管把高壓回路與低壓回路隔斷。

工作時(shí),高、低壓回路由PWM進(jìn)行控制,單片機(jī)發(fā)出的PWM脈沖信號(hào)分兩路,一路直接控制低壓回路前置驅(qū)動(dòng)電路,另一路經(jīng)波形調(diào)制器后控制高壓回路前置驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)在每個(gè)加工電脈沖(30V～50V)波形上附加一個(gè)小能量的高壓脈沖(120V～180V,20W),高壓回路使間隙先引燃擊穿,低壓回路放電蝕除材料,從而提高脈沖擊穿的可靠性和穩(wěn)定性,可使電源利用率達(dá)70%以上。

2 電路的設(shè)計(jì)

該無(wú)阻脈沖電源電路包括波形調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)電路、雙脈沖功放電路。波形調(diào)制器由積分電路與NE555雙穩(wěn)整形電路構(gòu)成,P WM 波經(jīng)積分電路、N E5 55 雙穩(wěn)整形電路輸出,通過(guò)雙穩(wěn)電路的微調(diào),可使高壓脈沖初始角作前后時(shí)間的微移,以實(shí)現(xiàn)不同材料和不同厚度加工,獲得更優(yōu)良的加工效果。

驅(qū)動(dòng)電路采用芯片TLP250,電路簡(jiǎn)單,用來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率MOSFET柵極[9-10],其最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5A。并且驅(qū)動(dòng)帶光電隔離,保證了PWM電路與雙脈沖功放電路的可靠隔離。

圖1 無(wú)阻脈沖電源電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

雙脈沖功放電路見(jiàn)圖2,由高壓回路的功放電路與低壓回路的功放電路組成,主要器件大功率場(chǎng)效應(yīng)管選用IRF250,高壓回路采用2路并聯(lián),驅(qū)動(dòng)信號(hào)IN1同時(shí)控制通斷,以提供足夠的功率。低壓回路圖中有2路并聯(lián),實(shí)際使用時(shí)為6路并聯(lián),其驅(qū)動(dòng)信號(hào)IN2、IN3、IN4、IN5、IN6、IN7工作時(shí)可根據(jù)實(shí)際加工零件確定其通斷,從而實(shí)現(xiàn)不同的加工電流。電路中用2個(gè)電源給高壓有阻回路與低壓無(wú)阻回路分別供電,120V～150V高壓經(jīng)限流電阻R201,與30V～50V電壓經(jīng)二極管D201電路直接并聯(lián)去工件正+,所有回路的MOS管輸出端直接并聯(lián)去鉬絲負(fù)-,實(shí)現(xiàn)真正的雙脈沖高低壓波形切割。

3 加工測(cè)試

該無(wú)阻脈沖電源在實(shí)際的數(shù)控線切割機(jī)床上加工,得到了如下測(cè)試結(jié)果。如圖3所示,高、低壓脈沖電源頻率為1KHz,在高、低壓脈沖電源頻率不變的狀態(tài)下,低壓脈沖通過(guò)小占空比可實(shí)現(xiàn)小電流低功耗的精度切割加工。

如圖4所示,高、低壓脈沖電源頻率為1KHz,在高、低壓脈沖電源頻率不變的狀態(tài)下,通過(guò)低壓脈沖電源占空比的擴(kuò)展,可現(xiàn)實(shí)大功率高速度加工要求。

如圖5所示,當(dāng)脈沖電源頻率超過(guò)4K時(shí),隨著頻率的上升,其切割效率下降,絲損率上升。當(dāng)頻率大于15K～20K時(shí),放電狀態(tài)異常并出現(xiàn)拉弧甚至出現(xiàn)燒絲問(wèn)題,同時(shí)加工性能很弱。試驗(yàn)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖電源頻率設(shè)置在該頻率區(qū)間內(nèi)進(jìn)行二次加工切割時(shí),具有較高的表面光澤度和成形精度。

圖2 雙脈沖功放電路

圖3 高、低壓電源波形圖(1KHz,占空比10%)

圖4 高、低壓電源波形圖(1KHz,占空比40%)

由此可見(jiàn),該無(wú)阻脈沖電源在多刀切割加工工藝中,第一刀脈沖電源頻率為0.5K～1.1K較好,第二刀脈沖電源頻率設(shè)置可大于15K～20K切割加工較好,需要表面光潔度要求高的,其脈沖電源頻率可以相應(yīng)提高,但不宜超過(guò)20K,以免造成燒絲和斷絲問(wèn)題。

圖5 高、低壓電源波形圖(20KHz,占空比10%)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的無(wú)阻脈沖電源實(shí)現(xiàn)了雙脈沖波形切割加工,其加工效率和電源利用率是有阻脈沖電源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,這將會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和市場(chǎng)效益,有著很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景,為電火花線切割加工的進(jìn)一步發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新的局面。