高效节能电火花铣削脉冲电源及工艺研究

发布时间：2016-04-29 14:04

第 1 章  绪   论

本课题来源于哈尔滨工业大学与北京卫星制造厂（529 厂）的合作项目。进入21 世纪以来，伴随着科学技术的高速发展，，越来越多的新型复合材料得到了广泛的应用，然而这些新型复合材料往往具有特殊的材料性能，不易用传统的方法进行机加工或者用传统方法加工的成本过高[1]，因此人们常常使用电火花加工的方法。电火花加工时没有切削力，对电极材料的硬度也没有过高要求，一般适合于熔沸点越低、导电性越好的金属材料[2-5]。 尽管电火花加工具有很多良好的加工性能，但是其加工效率低并且存在较大的电极损耗，因而实际应用范围受到一定的限制。随着放电加工技术的发展，电火花铣削加工（EDM milling）较为圆满的解决了上述问题。电火花铣削加工是指在数控系统平台上，在内外高压冲液作用下，利用铣削机床高速旋转的主轴带动棒状或管状电极转动，利用大功率电火花铣削脉冲电源在电极和工件之间产生电弧电火花交互放电以蚀除工件材料，通过对放电状态的检测以及电极损耗在线补偿策略对加工轨迹以及进给量进行实时控制的一种放电加工方式[6]。它一方面具备了铣削加工效率高、冲液情况良好、加工柔性高等特点，另一方面又兼备了电火花加工可以加工高硬材料、加工过程无切削力等优点。综合来说，电火花铣削具有以下几项优势[7-13].

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第 2 章   电火花铣削脉冲电源及理论基础

2.1  电火花脉冲电源脉冲放电理论

由图可知：首先功率开关管的通断是由主振级发出的脉冲信号决定的，因此良好的脉冲信号是晶体管脉冲电源的基础，如今一般用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或者复杂可编程逻辑器件（CPLD）来产生出频率高、稳定性好的脉冲信号；其次，由于该脉冲信号负载能力低，不能直接驱动开关管的通断，因此需经驱动放大来提高负载能力，然后才能驱动开关管的通断；最后通过功率开关管的高频通断产生脉冲性电压加载到电极和工件之间。因此，无论是工作频率，还是脉冲电源的电压、电流都要受到开关管的影响，从某种程度上说，晶体管脉冲电源的性能很大程度上取决于开关管的性能。于是深入了解开关管的结构、工作原理以及各项参数范围对于设计大功率的电火花铣削电源有着重要的意义。

2.2  传统电火花脉冲电源能耗理论分析

由表 2-1 可知，随着电流的增加，限流电阻上的功率损耗和间隙放电功率都相应增加，而间隙放电功率所占比重始终维持在 25%左右，算上工频变压器的损失、供水回路、继电器、指示灯等消耗的电能，脉冲电源总的电能利用率小于 25%，造成了电能的极大浪费。根据上表的数据将限流电阻消耗的功率和直流电源输入功率做一个对比，结果如图 2-5 所示。

第  3  章  高效节能电火花铣削脉冲电源硬件设计 .......... 20 

3.1 设计要求 ......... 20 
3.2 总体结构 .................... 20 
3.3  新型复合脉冲电源主回路拓扑结构 .............. 21 
3.4  高低压复合策略 .................. 23 
3.5 硬件电路设计 .............. 23
第  4  章  高效节能电火花铣削脉冲电源软件设计 .......... 30 
4.1 ARM 软件结构设计 ......... 30
4.2 FPGA 软件结构设计 ............ 35
4.3  人机界面软件程序 ........................ 38 
4.4  高效节能电火花铣削脉冲电源的波形分析 ..... 38
第  5  章  高效电火花铣削工艺研究 .................. 43 
5.1  引言 .......... 43 
5.2  电火花铣削加工试验方案设计............. 43
5.3  单因素试验结果与分析 ............. 45
5.3  单因素试验结果与分析 ................. 45
5.5  高效节能电火花铣削与传统电火花加工的对比 ....... 53

第  5  章  高效电火花铣削工艺研究 

5.1  引言

电火花铣削作为一门新型加工技术，对其工艺进行研究有助于实现更好的加工效果和更低的加工成本。因此本章分别采用单因素法以及二阶通用旋转组合法对电火花铣削的加工工艺进行了深入研究，探索了各电参数对加工效率和电极损耗率的影响规律及交互作用，分析原因并进行验证。 此外，为了对本文研制的高效节能电火花铣削脉冲电源的可行性和各项性能指标进行进一步的验证，本章设计了一系列实验从加工效率、电极损耗率以及电能利用率三个方面与传统电火花成形加工进行对比，再次验证了该高效节能电火花铣削电源的可行性和各项性能指标。 

5.2  电火花铣削加工试验方案设计 

高效电火花铣削的加工工艺研究主要是为了实现高的铣削效率 以及低的电极损耗率 ，这也是传统电火花加工所以只一直追求的目标，然而影响二者的因素众多，包括脉冲电源的功率及性能、工件和电极的材料、加工条件以及主轴的稳定性等，其中加载在极间的脉冲电源对其影响较为显著，此外也为了对本文中的高效节能电火花铣削脉冲电源的性能进行验证，本文重点研究脉宽、脉间和电流三个因素对加工效率和电极损耗率的影响，具体设计方案如下：其中 6 次零水平重复试验，6 次星号试验，8 次析因试验（全实施），总试验次数为 20 次。实验结果如表 5-3 所示，其中1-8组为析因试验，9-4组为星号试验，15-20组为零水平重复试验。
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结   论

本文在分析电火花铣削加工技术以及传统电火花脉冲电源的基础上，针对高效、节能的设计要求，深入研究了电火花铣削脉冲电源及其理论基础，研制了适合电火花铣削的大功率节能脉冲电源，并结合该脉冲电源进行了一系列工艺研究和实验，验证了该高效节能电火花铣削脉冲电源的可行性以及各项性能指标。本文主要研究成果如下: （1）对脉冲电源的脉冲放电理论进行研究，明确了该高效节能电火花铣削脉冲电源脉冲放电方式，对传统电火花脉冲电源的能耗进行理论分析，发现大部分电能都浪费在限流电阻上，因此采取了利用电感取代限流电阻、运用 PWM 对电流进行闭环控制的节能设计方案，并从理论上对其节能效果进行了分析和验证。

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参考文献（略）

本文编号：36304