劉廣民，張勇斌，王 鋒，李 建，荊 奇

（ 中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900 ）

微細(xì)電火花加工技術(shù)裝置簡(jiǎn)單、 適用性好、可控性強(qiáng)、無(wú)宏觀力，優(yōu)勢(shì)較明顯，是很有發(fā)展前景和應(yīng)用潛力的微細(xì)加工技術(shù)之一。 近階段，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者致力于如何提高微細(xì)電火花加工效率和極限加工能力的研究[1]。 單個(gè)脈沖的放電能量直接影響單次放電蝕除凹坑直徑，進(jìn)而影響加工表面質(zhì)量與幾何尺寸精度。 因此，單脈沖放電能量是決定微細(xì)電火花加工極限能力的主要因素之一[2]，是加工進(jìn)一步小型化的關(guān)鍵手段之一[3]。 單脈沖放電能量取決于脈沖電源，故脈沖電源是微細(xì)電火花加工研究的重點(diǎn)[4-5]。

學(xué)者們一直在追求更精細(xì)的電火花極限加工效果，其途徑主要是通過(guò)壓縮脈寬、降低電流、降低電壓等方法[6]。 但壓縮脈寬的方法已接近現(xiàn)有典型器件的極限，難有大的突破；而放電電流值取決于電路的限流電阻和放電通道的電阻值，在電阻值確定的情況下， 降低放電電流會(huì)導(dǎo)致放電電壓較小，而降低電壓幅值會(huì)導(dǎo)致放電間隙過(guò)小、 排屑不暢、放電加工難以持續(xù)進(jìn)行以及效率低下等問(wèn)題[7]。 因此，研究新型微能脈沖電源，不減小放電間隙又極大降低單脈沖能量，從而實(shí)現(xiàn)納米級(jí)放電蝕除是非常有意義和必要的。

放電頻率提高， 使單位時(shí)間內(nèi)的放電次數(shù)增加，則加工效率提升；同時(shí)會(huì)進(jìn)一步壓縮脈寬，從而降低單脈沖能量。 提高開(kāi)路電壓可增大放電間隙，有利于排屑和提高加工的連續(xù)性。 目前用于微細(xì)電火花加工的放電頻率最高只有10 MHz[8]，而在微細(xì)電解加工領(lǐng)域有脈沖頻率超過(guò)30 MHz 的甚高頻脈沖加工的應(yīng)用，但電壓幅值較低，如低于20 V，對(duì)于微細(xì)電火花來(lái)說(shuō)放電間隙較小， 加工難以持續(xù)進(jìn)行。 因此問(wèn)題的核心在于：如何將脈寬大幅壓縮的同時(shí)，仍能保持較高的電壓幅值，以期實(shí)現(xiàn)持續(xù)可控的納米放電蝕除。 本文提出一種用于微細(xì)電火花加工的甚高頻微能脈沖電源， 能產(chǎn)生脈寬極窄、頻率極高的脈沖波形，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其良好的放電蝕除特性，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的納米級(jí)微細(xì)電火花加工奠定了基礎(chǔ)。

1 甚高頻微能脈沖電源實(shí)現(xiàn)原理

不同于依賴(lài)開(kāi)關(guān)性能的傳統(tǒng)脈沖電源實(shí)現(xiàn)原理，本文提出了與傳統(tǒng)電火花脈沖電源壓縮脈寬不同的研究思路：使用振蕩電路來(lái)獲得甚高頻（頻率30～300 MHz）的放電脈沖，既有利于大幅壓縮脈寬，也有利于維持較高的開(kāi)路電壓。 這包括兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)：甚高頻激勵(lì)脈沖產(chǎn)生及其幅值放大。 甚高頻激勵(lì)脈沖通過(guò)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生，有高精度的參考信號(hào)作為參考頻率，保證了極高的頻率穩(wěn)定性和精確度； 頻率合成技術(shù)產(chǎn)生甚高頻脈沖激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q通斷，整個(gè)電路采用直流電源E供電，高頻扼流圈L1用于消除交流信號(hào)與直流電源及地之間的耦合，經(jīng)耦合電容C1過(guò)濾直流信號(hào)， 共振電感L2與共振電容C2形成共振模塊放大信號(hào)，經(jīng)過(guò)限流電阻R到達(dá)工具電極和工件進(jìn)行放電加工。 圖1 是甚高頻共振式脈沖電源電路原理，對(duì)于給定的L2和C2，共振發(fā)生在一個(gè)特定的頻率稱(chēng)為共振頻率fr， 阻抗在該情況下達(dá)到最小[9]。 因此，電路中的共振頻率fr可表示為：

甚高頻放電過(guò)程等價(jià)電路與示意波形見(jiàn)圖2，可將電路狀態(tài)簡(jiǎn)化為開(kāi)路和放電兩種狀態(tài)。其中，R為限流電阻，C3為開(kāi)路情況下工件形成的等效電容，Rg為放電通道電阻，Lg為放電通道的等效電感，Cg為放電過(guò)程中的等效電容。 由于甚高頻放電頻率下，等效電容通交流隔直流，因此開(kāi)路下仍有電流存在，且放電時(shí)放電通道電阻進(jìn)入電路，導(dǎo)致電流降低，電壓由于放電通道電阻分壓也會(huì)有所降低。

甚高頻微細(xì)電火花加工的影響因素有很多，其加工過(guò)程復(fù)雜。 影響其放電加工性能的因素主要包括：高頻扼流圈L1感值、耦合電容C1容量、共振電感L2和共振電容C2、傳輸導(dǎo)線的特性、雜散電容、工作介質(zhì)及回路中其他參數(shù)。 根據(jù)甚高頻共振式微細(xì)電火花加工原理可知：隨著電路中放電頻率的提升和極間開(kāi)路電壓的減小，放電能量減小。 由于電路輸出的是正弦波，與目前其他種類(lèi)的脈沖電源原理存在不同，放電脈寬和脈間由脈沖的放電頻率來(lái)決定，放電頻率對(duì)單脈沖的放電能量和加工速度起著決定性的作用。

2 甚高頻微能脈沖電源實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

甚高頻脈沖電源實(shí)驗(yàn)在自主研發(fā)的μEDM-50微細(xì)電火花精密加工樣機(jī)上開(kāi)展。 機(jī)床的最小進(jìn)給速度為1 μm/s、定位精度為（±1） μm、直線軸位移分辨率達(dá)0.1 μm， 能滿(mǎn)足微細(xì)電火花加工的精度需求。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)采取工作臺(tái)步進(jìn)方式進(jìn)行，同時(shí)用示波器和電流傳感器對(duì)工具電極和工件兩端的電壓與極間電流進(jìn)行監(jiān)控，以觀察極間放電狀態(tài)。 實(shí)驗(yàn)分別利用傳統(tǒng)晶體管開(kāi)關(guān)式電源和甚高頻脈沖源進(jìn)行微表面及微孔的加工，并對(duì)比兩者的加工效果。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩種電源參數(shù)見(jiàn)表1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 與傳統(tǒng)晶體管電源脈沖波形對(duì)比

兩種條件下，放電加工的開(kāi)路電壓波形見(jiàn)圖4。其中，圖4a 是頻率0.8 MHz、電阻50 Ω、電壓峰值70 V 時(shí)的開(kāi)路電壓波形； 圖4b 是頻率65 MHz、電阻50 Ω、電壓峰值70 V 時(shí)的開(kāi)路電壓波形。 可見(jiàn)，新型甚高頻脈沖源的開(kāi)路電壓波形近似標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，基本上沒(méi)有變形，放電頻率為65 MHz 時(shí)的脈沖周期為15.4 ns。 同時(shí)，機(jī)床現(xiàn)有的晶體管獨(dú)立式脈沖電源終端波形邊沿出現(xiàn)振蕩，甚高頻波形更加純凈，其脈寬更窄，優(yōu)勢(shì)較明顯（圖5）。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

3.2 平面加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用尖端直徑為120 μm 的圓錐形硬質(zhì)合金電極，工件為厚度10 μm 的黃銅片，電介質(zhì)為電火花油。 從圖6 可看出，新型脈沖電源的加工表面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電源的加工表面，由于電極未加旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)且底面未修整，加工表面會(huì)有些不平整。 在同等加工條件下，新型脈沖電源加工銅片表面的放電凹坑平均直徑明顯比傳統(tǒng)電源的小，單脈沖平均放電能量大幅縮減，而表面質(zhì)量得到極大的提升。

3.3 微孔加工實(shí)驗(yàn)

圖7 和圖8 分別是在厚度10 μm 的黃銅片上加工的孔的入口和出口。 由于電極沒(méi)有旋轉(zhuǎn)且未修整過(guò)，加工出的孔不圓，但可看出新型脈沖電源（頻率65 MHz）入口處邊緣的放電加工區(qū)域明顯比傳統(tǒng)脈沖電源（頻率0.8 MHz） 的平均放電凹坑直徑更小、表面質(zhì)量更好。 傳統(tǒng)脈沖電源加工孔的出口處重鑄層較嚴(yán)重， 而新型脈沖電源幾乎沒(méi)有重鑄層。其原因主要是傳統(tǒng)脈沖電源單次放電時(shí)脈寬較寬、放電能量較大，邊緣熔化冷凝導(dǎo)致重鑄層較大。 放電凹坑的大小取決于單個(gè)脈沖放電能量的大小，影響著微細(xì)電火花加工精度和加工尺寸極限。 因此，甚高頻脈沖電源有利于減少加工過(guò)程中的熱損傷、改善工件的加工表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種新型的基于電路共振原理的甚高頻微能脈沖電源，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了其良好的放電蝕除特性，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的納米級(jí)微細(xì)電火花加工奠定了基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)的微細(xì)電火花脈沖電源相比，甚高頻電源的放電頻率可大幅提升至65 MHz，放電電壓脈寬可壓縮至7.7 ns。 通過(guò)與傳統(tǒng)晶體管式脈沖電源的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，新型甚高頻電源的放電加工表面質(zhì)量更好， 孔加工過(guò)程中的熱損傷、重鑄層和熱影響區(qū)等常規(guī)缺陷得到了極大減少。