电火花加工组成部分及关键结构研究

黄河科技学院毕业设计论文

1.绪论： 1.1课题的背景及目的

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。

电火花加工的基本原理是基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀出多余的金属。电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉，形成放电凹坑。

通常，电火花加工时在液体介质中进行的，电极间介质的击穿是脉冲放电的开始阶段，两极间液体介质中含有各种杂质，当有电场作用时这些杂质被吸向电场强度最大区域，并沿电力线形成特殊的接触桥，缩短了实际的极间距离，降低了间隙击穿电压，即在相同的电压下大大提高了电场强度。在电场作用下，电子高速向阳极运动，并在运动中撞击介质中的中性分子和原子，产生碰撞电离，形成带负电的粒子（主要是电子）和带正电的粒子（正离子），导致带电粒子雪崩式增多。当电子到达阳极时，介质被击穿，产生火花放电，形成导电通道，随后电源中积累的能量沿放电通道注入到两极放电点及间隙中。利用两个电极之间产生火花放电时的点蚀效应来蚀除多于金属材料，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量等预定的加工要求。 1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，之后随着

1

黄河科技学院毕业设计论文

脉冲电源和控制系统的改进，而迅速发展起来。最初使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路

电火花加工技术作为特种加工领域的重要技术之一，最早应用于二战时期折断丝锥取出时的加工。随着人类进入信息化时代，电加工技术取得了突飞猛进的发展，可控性更高，数字化程度更好。

众所周知，模具也是一个国家发展的基础行业，许多批量生产的产品都离不开模具，而电火花加工是制造模具的最主要技术之一。电火花加工仿形逼真以柔克刚，只要是导电的材料均可加工，而不受硬度、脆性、粘性等材料特性的限制，这是其他加工方法无法比拟的。电火花加工的另一个特点是可进行精密微细加工，微小孔、异型腔等的微细加工是其他设备无法替代的。

从技术发展过程来看，电火花加工技术经历了手动电火花加工、液压伺服、直流电机、步进电机、交流伺服电机等一系列过程。控制系统也越来越复杂，从单轴数控到3轴数控、再到多轴联动。20世纪90年代初期，3轴电火花机在国内还是空白，主要是从日本和瑞士引进。

1.2电火花加工条件

（1）.工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离在该距离范围内，既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可以适应在火花通道熄灭后介质消电离以及排出蚀除产物的要求。若两电极距离过大，则脉冲电压不能击穿介质、不能产生火花放电，若两电极短路，则在两电极间没有脉冲能量消耗，也不可能实现电腐蚀加工。

（2）.两电极之间必须充入介质在进行材料电火花尺寸加工时，两极间为液体介质(专用工作液或工业煤油);在进行材料电火花表面强化时，两极间为气体介质。

2

黄河科技学院毕业设计论文

（3）.输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大在火花通道形成后，脉冲电压变化不大，因此，通道的电流密度可以表征通道的能量密度。能量密度足够大，才可以使被加工材料局部熔化或气化，从而在被加工材料表面形成一个腐蚀痕(凹坑)，实现电火花加工。因而，通道一般必须有105-106A1em}电流密度。放电通道必须具有足够大的峰值电流，通道才可以在脉冲期间得到维持。一般情况下，维持通道的峰值电流不小于2A。

（4）.放电必须是短时间的脉冲放电脉冲。由于放电时间短，使放电时产生的热能来不及在被加工材料内部扩散，从而把能量作用局限在很小范围内，保持火花放电的冷极特性。

（5）.脉冲放电需重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的这里包含两个方面的意义:其一时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道;其二，若在一定时间范围内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲放电应转移到另一区域。只有如此，才能避免积碳现象，进而避免发生电弧和局部烧伤。

（6）.脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行在电火花加工的生产实际中，上述过程通过两个途径完成。一方面，火花放电以及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性;蚀除物以外的其余放电产物〔如介质的气化物)亦可以促进上述过程;另一方面，还必须利用一些人为的辅助工艺措施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等等。

1.3工作原理：

进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定距离时，两电极

3

黄河科技学院毕业设计论文

上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。

紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。这样，虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的金属，具有一定的生产率。 在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型面。

工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料，如铜、石墨、铜钨合金和钼等。在加工过程中，工具电极也有损耗，但小于工件金属的蚀除量，甚至接近于无损耗。

工作液作为放电介质，在加工过程中还起着冷却、排屑等作用。常用的工作液是粘度较低、闪点较高、性能稳定的介质，如煤油、去离子水和乳化液等。

1.4电火花成型加工的特点：

4

黄河科技学院毕业设计论文

电火花成型加工不用机械能量，不靠切削力去除金属，而是直接利用电能和热能来去除金属。电火花加工具有以下特点：

（1）适用于传统机械加工难以加工的材料加工。材料的去除是靠放电热蚀作用实现的，工具材料不必比工件硬，电机制作相对比较容易。

（2）可加工特殊及复杂形状的零件。电极和工件之间没有相对切削运动，不存在机械加工时的切削力，适宜于低刚度工件和细微加工。脉冲放电时间短，材料加工表面受影响范围比较小，适宜于热敏性材料的加工。由于可以简单的将工具电极的形状复制到工件上，因此还特别用于薄壁、低刚性、弹性、细微及复杂形状表面的加工。 （3）加工过程中的电参数易于实现数字控制、自适应控制、智能化控制，能方便的运行粗、半精、精加工各工序，简化工艺过程。 （4）可改进结构设计，改善结构的工艺性，可将拼镶、焊接结构改为整体结构。

（5）可以改变零件的工艺路线。电火花加工不受材料硬度的影响，可以在淬火后进行加工，可以避免淬火过程中产生的热处理变形。 电火花加工的主要用途

1．制造冲模、塑料模、锻模和压铸模。

2.加工小孔、畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹螺孔。 3.在金属板材上切割出零件。 4.加工窄缝。 5.磨削平面和圆面。

6.其它（如强化金属表面，取出折断的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面复杂的零件等）。 1.5影响电火花加工精度的主要因素

5

黄河科技学院毕业设计论文

与传统的机械加工一样，机床本身的各种误差，工件和工具电极的定位、安装误差都会影响到电火花加工的精度。另外，与电火花加工工艺有关的主要因素是放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定等。电火花加工时工具电极与工件之间放电间隙大小实际上是变化的，电参数对放电间隙的影响非常显着，精加工放电间隙一般只有0.01mm（单面），而粗加工时则可达0.5mm以上。目前，电火花加工的精度为0.01~0.05mm。

电火花加工时，可以通过修正电极的尺寸对放电间隙进行补偿，以获得较高的加工精度。然而，放电间隙的大小实际上是变化的，影响着加工精度。 1.5.1表面粗糙度

电火花加工表面的粗糙度取决于放电蚀坑的深度及其分布的均匀程度，只有在加工表面产生浅而分布均匀的放电蚀坑，才能保证加工表面有较小的粗糙度值。为了控制放电凹坑的均匀性，需要采用等能量放电脉冲控制技术，即检测间隙电压击穿下降沿，控制放电脉冲电流宽度相等，用相同的脉冲能量进行加工，从而使加工表面粗糙度微观上均匀一致。

1.5.2加工间隙(侧面间隙)的影响

加工间隙的大小及其一致性直接影响电火花成形加工的加工精度。只有掌握每个规准的加工间隙和表面粗糙度的数值，才能正确设计电极的尺寸，决定收缩量，确定加工过程中的规准转换。 1.5.3加工斜度的影响

在加工中，不论型孔还是型腔，侧壁都有斜度，形成斜度的原因，除电极侧壁本身在技术要求或制造中原有的斜度外，一般都是由电极的损耗不均匀，以及“二次放电”等因素造成的。

（1）电极损耗的影响。电极由于损耗而形成锥度，这种锥度反映到工件上，就形成了加工斜度。

（2）工作液脏污程度的影响。工作液越脏，“二次放电”的机会就越多，同时由于间隙状态恶劣，电极回升的次数必然增多。这两种情况都将使加工斜度增大。

6

黄河科技学院毕业设计论文

（3）冲油或抽油的影响。采用冲油或抽油对加工斜度的影响是不同的。用冲油加工时，电蚀产物由已加工面流出，增加了“二次放电”的机会，使加工斜度增大。而用抽油加工时，电蚀产物是由抽吸管排出去，干净的工作液从电极周边进入，所以在已加工面出现“二次放电”的机会较少，加工斜度也就小。

（4）加工深度的影响。随着加工深度的增加，加工斜度也随着增加，但不是成比例关系。当加工深度超过一定数值后，被加工件的上口尺寸就不再扩大了，即加工斜度不再增加。不同的加工对象对加工斜度的要求也不同。在型腔加工中，由于本身要求有一定的拔模斜度，则对加工斜度的要求并不严格。对于直壁冲模，则要求加工斜度比较严格。只要掌握影响加工斜度的规律，即可达到预定的要求。

电极尖角和楞边的损耗，比端面和侧面的损耗严重，所以随着电极楞角的损耗导致楞角倒圆，加工出的工件不可能得到清楞。而且，随着加工深度的增加，电极楞角倒圆的半径增大。但超过一定加工深度，其增大的趋势逐渐缓慢，最后停留在某一最大值上。楞角倒圆的原因除电极的损耗外，还有放电间隙的等距离性。凸尖楞电极由于尖角放电的等距离性，必然使工件产生圆角；凹尖楞电极的尖点根本不起放电作用，但由于积屑也会使工件凸楞倒圆。因此，既使电极完全没有损耗，由于间隙放电的等距离性仍然不可能得到完全的清楞。如果要求倒圆半径很小，必须要缩小放电间隙 1.6电火花成型加工的应用范围

由于电火花成型加工有其优独特的优势，其应用领域日益扩大，已经广泛的应用到机械、宇航、电子、核能、仪器、轻工等部门，成为常规切削、磨削加工的重要补充和发展。

电火花加工是利用两极见脉冲放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法。

早在十九世纪，人们就发现了电器开光的触点开闭时，以为放电，使接触部位烧蚀，造成接触面的损坏。这种放电引起的电极烧蚀现象叫做电腐蚀。起初，电腐蚀被认为是有害的，为减少和避免这种有害的电腐蚀，人们一直在研究电副食产生的原因和防止的办法。当人们

7

黄河科技学院毕业设计论文

掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电腐蚀用于生产中。研究结果表明，当两极产生放电的过程中，放电通道瞬时产生大量的热，足以使电极材料表面局部熔化或汽化，并在一定条件下，熔化或汽化的部分能抛离电极表面，形成放电腐蚀的坑穴。

二十世纪四十年代初，人们进一步认识到，在液体介质中进行重复性脉冲放电时，能够对导电材料进行尺寸加工，因此，创立了“电火花加工法”。

电火花加工技术作为特种加工领域的重要技术之一，最早应用于二战时期折断丝锥取出时的加工。随着人类进入信息化时代，电加工技术取得了突飞猛进的发展，可控性更高，数字化程度更好。

2.电火花加工的组成部分

近年来电火花技术发展很快，种类很多，不同企业生产的电火花机床也有所差异。典型的电火花加工机床主要由主机（包括自动调节系统的执行机构）、脉冲电源、自动进给调节系统、工作液进化及循环系统几部分组成。 2.1机床总体部分

主机主要包括：1床身、2立柱、3主轴头、4工作台及工作液槽几部分。床身和立柱是机床的主要结构件，要有足够的刚度。床身工作台面与立柱导轨面间应有一定的垂直度要求，还应保持高的精度，这就要求导轨具有良好的耐磨性和充分消除材料内应力等。纵向、横向移动的工作台一般是靠刻度手轮来调整位置。高精度机床常采用光学坐标读书处装置或磁尺数显等装置。 2.1.1主轴头

8

黄河科技学院毕业设计论文

主轴头是电火花成型机床中最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构。它的结构是由伺服进给机构、导向和防扭机构、辅助机构三部分组成。由它控制工件与工具电极间的放电间隙，对加工工艺指标的影响极大。对主轴头的要求是：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、具有足够的精度和刚度，以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度好、能承受一定负载的要求。经济型电火花成型机床主轴头位置移动常用大量程百分表显示。 2.1.2工具电极夹具及平动头

（1）可调节工具电极角度的夹头：工具电极的装夹及调节装置的形势很多，其作用是调节工具电极和工作台的垂直度以及调节工具电极在水平面内微量的扭转角。常用的有十字铰链式和球面铰链式。 （2）平动头：电火花加工也和切削加工一样按先粗后细的原则，粗加工的火花间隙比精加工的要大，而半精加工的火花间隙比精加工的又要大一些。当用一个电极进行粗加工后，其底和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得改变规准逐挡进行修整。由于后档规准的放电间隙比前档小，对工件底面可通过主轴进给进行修光，而四周侧壁就无法修光。平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。

平行头的动作原理是：利用偏心机构将伺服电机的旋转远动，通过平动头的旋转运动，通过平动头运动轨迹保持机构，转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内做平面小圆周运动，许多小圆的外包络线就形成加工表面，可由零逐步扩大，以补偿粗、中、

9

黄河科技学院毕业设计论文

精加工的火花放电间隙之差，从而达到修光型腔的目的。其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量。 2.1.3工作液循环、过滤系统

工作液循环过滤系统包括工作液（煤油）箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、管道、阀门以及测量仪表等。放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散、定期抬刀以及使工具电极附加振动等排除外，常采用强迫工作液循环的办法加以排除，以免间隙中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度，此外也可起到冷却作用。工作液强迫循环的方式有两种。一、冲油式，交易实现，排屑冲刷能力强，一般常采用，但电蚀产物仍通过已加工区，稍微影响加工精度；二、抽油式，在加工过程中，分解出来的气体（H2、C2H2等）易积聚在抽油回路的死角处，遇电火花引燃会爆炸“放炮”，因此一般用的较少，但在要求小间隙、精加工时也有使用的。为了不使工作液越用越脏，影响加工性能，必须加以净化、过滤。其具体方法有：

（1） 自然沉淀法 这种方法速度太慢，周期太长，只用于单件小用量

或精微加工。

（2） 介质过滤法 此法常用黄沙、木屑、棉纱头、过滤纸、硅藻土、

活性炭等为过滤介质。这些介质各有优缺点，但对中小型工件、加工用量不大时，一般都能满足过滤要求，可就地取材，因地制宜。其中以过滤纸效率较高，性能较好，已有专用纸过滤装置生产供应。

10

黄河科技学院毕业设计论文

目前生产上应用的循环系统形式很多，常用的工作液循环过滤系统应可以冲油，也可以抽油，目前国内已有多家专业工厂生产工作液过滤循环装置。

2.1.4电火花加工用的脉冲电源

在电火花加工过程中，脉冲电源的作用是把工频正弦交流电流转变成频率较高的单向脉冲电流，向工件和工具电极间的加工间隙提供所需要的放电能量以蚀除金属。脉冲电源的性能直接关系到电火花加工的加工速度、表面质量、加工精度、工具电极损耗等工艺指标。 脉冲电源输入为380 V、50 Hz的交流电，其输出应满足如下要求：

(1) 要有一定的脉冲放电能量，否则不能使工件金属气化。 (2) 火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金属，提高成型性和加工精度。

(3) 脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高加工速度和降低工具电极损耗。

(4) 脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。

11

黄河科技学院毕业设计论文

(5) 有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。

电源的好坏直接关系到电火花加工机床的性能，所以电源往往是电火花机床制造厂商的核心机密之一。

常用的脉冲电源有张弛式、电子管式、晶体管和晶闸管式；而高档的电火花机床则配置了微机数字化控制的脉冲电源。

目前普及型(经济型)的电火花加工机床都采用高低压复合的晶体管脉冲电源，中、高档电火花加工机床都采用微机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各挡粗、中、精加工规准参数。例如汉川机床厂、日本沙迪克公司的电火花加工机床，这些加工规准用C代码(例如C320)表示和调用，三菱公司则用 E代码表示。 2.1.5电火花加工机床的伺服进给系统

在电火花加工过程中，电极和工件之间必须保持一定的间隙，由于火花放电间隙很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等有关，因此很难靠人工进给，也不能像机床那样采用“自动”等速进给，而必须采用寺附近给系统也称之为自动进给系统。

电火花加工机床的伺服进给系统的功能就是在加工过程中始终保持合适的电火花放电间隙。自动进给调节系统的任务在于通过改

12

黄河科技学院毕业设计论文

变、调节进给速度接近并等于蚀除速度，以维持一定的“平均”放电间隙，保证电火花加工正常而稳定地运行，获得较好的加工效果。

富有经验的电火花操作人员都有以下体会：在又粗加工到半精加工再到精加工改变了加工规准之后，必须重新调节进给旋钮，才能达到稳定进给的加工状态。即使在同一规准下，当加工面积或加工深度有较大的变化时，也必须重新调节进给旋钮，以保证稳定加工。

3.电火花关键部件：

数控电火花机床的脉冲电源通常又称高频电源，其作用是把普通的交流电转换成高频率的单向脉冲电源。脉冲电源是数控机床的重要组成部分，是影响加工工艺指标的关键因素之一，可以说在一定条件下，一台机床加工的质量和加工速度，主要取决于脉冲电源的性能。

3.1认识脉冲电源

脉冲电源，又称高频电源，其作用是把普通220 V或380 V、50 Hz交流电转换为具有一定输出功率的高频单向脉冲电，提供电火花加工所需要的放电能量来蚀除金属。 3.2电火花加工对脉冲电源的要求

①在脉冲放电点必须有足够大的能量密度，能使金属局部熔化气化，并在放电爆炸力的作用下，把熔化的金属抛出来。

13

黄河科技学院毕业设计论文

②工具电极和工件被加工表面之间要保持一定的放电间隙。 ③放电形式应该是脉冲的，放电时间要很短，一般为10-7～10-3 s。

④必须把加工过程中所产生的电蚀产物和余热及时地从加工间隙中排除出去，保证加工能正常地持续进行。

⑤在相邻两次脉冲放电的间隔时间内，电极间的介质必须能及时消除电离，避免在同一点上持续放电而形成集中的稳定电弧。

⑥电火花放电加工必须在具有一定绝缘性能的液体介质(工作液)中进行。

3.3电火花加工脉冲电源的分类

电火花加工脉冲电源按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，按脉冲产生形式分为两大类，即非独立式脉冲电源和独立式脉冲电源；按功能可分为等电压脉宽（等频率）、等电流脉宽脉冲电源；模拟量、数字量、微机控制、智能化等脉冲电源。

电火花加工脉冲电源类型

按主回路中主要元件种弛张式、电子管式、闸流式、脉冲发电机式、类 按输出脉冲波形 晶闸管式、晶体管式、大功率集成器件 矩形波、梳状波分组脉冲、三角形波、阶梯波、正弦波、高低压复合脉冲 按间隙状态对脉冲参数非独立式、独立式 的影响 按工作回路数目

单回路、多回路 14

黄河科技学院毕业设计论文

（1）弛张式脉冲电源

国外在40-50年代、我国在50-60年代初，都曾在电火花加工中广泛地使用弛张式脉冲电源。这种电源的基本电路是RC型和RLC型等电路。工作原理是利用电容器存储电能，而后瞬时放电，成为脉冲电流，达到蚀除金属的目的。因为电容器时而放电，时而充电，一张一弛，故称为弛张式电源。因为这种线路的脉冲参数（放电波形、脉冲延时、放电频率及放电能量等）直接受加工过程中的电极间隙物理状态的影响（加工间隙的大小及介质的污染程度等），所以称为非独立式脉冲电源。 ①RC型脉冲电源

RC线路是弛张式脉冲电源中最简单、最基本的一种。

当直流电源接通后，电流经限流电阻R向电容C充电，电容C两端的电压按指数曲线逐步上升，因为电容两端电压就是工具电极和工件间隙两端的电压，因此当电容C两端电压上升到工具电极和工件间隙的击穿电压ud时，间隙就被击穿，电容器上存储的能量瞬时放出，形成较大的脉冲电流ie。电容上的能量释放后，电压瞬时下降到接近于零，间隙中的工作液偶遇迅速恢复绝缘状态。此后电容器再次充电，又恢复前述过程。如果间隙过大，则电容器上的电压uc按指数上升到直流电源电压E。

RC线路脉冲电源的最大优点是结构简单，工作可靠，成本低；在小功率时可以获得很窄的脉宽（小于0.1μs）和很小的单个脉冲能量，可用做光整结构和精微加工；电容器瞬时放电可达很大的峰值电

15

黄河科技学院毕业设计论文

流，能量密度很高，放电爆炸、抛出能力强，金属在汽化状态下被蚀除的百分比大，不易产生表面裂纹，加工稳定。 但这种脉冲电源存在着以下缺点：

I、脉冲参数不稳定，其放电熄灭电压、单个脉冲能量及电容器输出功率都是随机变化的，与单个脉冲能量稳定的脉冲电源相比，在相同的加工粗糙度下，其加工速度则较低。

II、波形不好，影响加工速度。RC型电路的充电电压波形以指数曲线上升，对放电间隙的消电离过程不利，迫使加工用的脉冲频率降低。通常是借增大限流电阻R值来降低加工频率的。但随着电阻的增大，输出功率便减小，因此RC型弛张式脉冲电源不适用于大功率的电火花加工。

III、电能利用率较低。这种脉冲电源的电能利用率一般为25~35%。它不仅多消耗了电能，而且增大了电源箱的发热量。

IV、工具电极的损耗大。电容器直接向间隙快速放电，而电流幅值又较大，因此增大了工具电极的损耗。此外，电容器在放电回路的分布电感影响下常形成振荡式的放电过程，出现负波放电，进一步增大了工具电极的损耗。 ②RLC型脉冲电源

基于RC型脉冲电源的上述缺点，在其充电回路中加入了一个电感L，组成工作性能较好的RLC型弛张式脉冲电源。

RLC型脉冲电源与RC型相比具有以下两个优点： I、充电电压的波形较好

16

黄河科技学院毕业设计论文

RLC型弛张式脉冲电源的充电电压不是按指数曲线上升，而是接近正弦曲线上升，这种曲线对放电间隙的消电离较为有利。因此，它比RC型脉冲电源的实用频率可提高一倍以上，在加工精度相同时其加工速度亦可提高一倍以上。

II、电能利用率较高

在此电源电路中，由于电容器的充电电压可以超过直流电源电压，所以放电效率大为提高，实用中的充电效率可达60%以上。

但是，RLC型弛张式脉冲电源也是非独立式的，即脉冲频率、单个脉冲能量和输出功率等电参数仍取决于放电间隙的物理状态，因此，它与RC型脉冲电源类似，也会对加工的工艺指标产生不利的影响；又因放电回路与RC型脉冲电源相似，工具电极的损耗也较大。

此外，由于充电回路中电感L的作用，在电火花加工过程中经常会在电容器两端出现过电压，因此须对贮能电容器提出耐压较高的要求，通常应为直流电源电压值的4—5倍。

③ RLCL及RCR型脉冲电源

为了进一步改善弛张式脉冲电源的某些性能，可在放电回路中附加一个电感L2或电阻R2，如图5。

RLCL型脉冲电源在放电回路中空芯电感L2的作用是延长脉冲放电的时间。虽然电感L2会使放电的电流幅值有所降低，但由于放电脉冲宽度加大，引起电感L1中的磁场能量的加大而得到了一定的补偿，结果脉冲电流的幅值可保持大致相同，而脉冲宽度却加大了。所以，RLCL型脉冲电源的加工速度比RLC型脉冲电源提高10~15%，而工具电极

17

黄河科技学院毕业设计论文

的损耗则可减少10~15%。

RCR型脉冲电源中电阻的作用是使贮能电容器C产生非周期性的单向放电，从而降低了放电的电流幅值，又加大放电脉冲的宽度。这种脉冲电源的特点是能显著降低工具电极的损耗，但使输出功率受到很大限制，降低了加工速度。主要用于对加工速度要求低、而希望工具电极损耗较小的小型轮廓加工。 ④Tr-RC型脉冲电源

Tr-RC型脉冲电源电路，其中Tr是晶体管，R是限流电阻，C是贮能电容器，PG是控制用的脉冲电路。

工作时，脉冲控制电路PG输出一系列的控制脉冲。当它使晶体管Tr导通时，情况就如RC弛张式脉冲电源一样，小容量电容器C（数十至数千pF）可输出一群很窄的脉冲进行电火花加工。当脉冲处于停歇期使晶体管Tr截止时，电容器C停止充放电过程，让放电间隙进行消电离，这样就可弥补弛张式脉冲电源充电时间必须较长的缺陷，使加工的效率显著提高。 ⑶闸流管脉冲电源

闸流管脉冲电源采用闸流管作为控制脉冲电路充放电过程的开关元件。它的主要电参数，如脉冲频率、单个脉冲能量和脉冲宽度等，基本上不受放电间隙物理状态的影响，属于独立式的脉冲电源。它与弛张式脉冲电源相比，具有工艺指标稳定、加工速度快和加工精度高等优点。

闸流管独立式脉冲电源的工作原理E是高压直流电源，当贮能电

18

黄河科技学院毕业设计论文

容器C经限流阻抗Z由E充电到放电电压时，引燃电路的脉冲信号定期地加到脉冲闸流管G的控制栅极上使之引燃，于是电容器的能量通过脉冲变压器BM输向放电间隙g，利用脉冲放电的热电过程来蚀除金属，以达到加工目的。

在一定的单个脉冲能量下，提高脉冲频率的障碍是放电间隙绝缘强度的恢复过程。由于一般弛张式脉冲电源在放电结束后放电间隙仍直接处于电源的作用下，因此脉冲之间的停歇时间很短，当频率升高到一定程度时，放电将持续地进行，破坏了加工过程的稳定性，并损伤电极。独立式脉冲电源的停歇时间可以较长，这就有利于电极间绝缘强度的恢复，可以提高加工的脉冲频率。因此，在保证一定的表面粗糙度情况下能大幅度提高电火花加工速度。

为了进一步提高脉冲电源的脉冲频率和加大输出功率，以增进加工速度，乃研制了双闸流管脉冲电源。

它与单闸流管独立式脉冲电源的主要区别在于：为了避免双闸流管G1和G2工作时相互影响，采用扼流电感L与贮能电容器C的并联回路，并使引燃电路IG的脉冲信号对双闸流管轮流引燃。以闸流管G1的引燃过程为例说明如下。当高压直流电源E经过G1管和脉冲变压器BM的初级绕组对电容器C1充电时，电能即通过脉冲变压器输向放电间隙，完成一次脉冲放电。在这一过程中，电容器C1上的电压是按uab的方向增加的，直到脉冲闸流管G1熄灭的瞬时为止。以后，便开始电容器C1对扼流电感L1的放电过程，直到下一次重复充电开始的瞬时为止。

19

黄河科技学院毕业设计论文

（2）晶闸管式脉冲电源

晶闸管（又称可控硅）式脉冲电源是利用晶闸管作为开关元件而获得单向脉冲的。由于晶闸管的功率较大，脉冲电源所采用的功率管数目可大大减少，因此，100~200A以上的大功率粗加工脉冲电源一般采用晶闸管。

晶闸管的控制特性和闸流管相似，晶闸管一经触发导通，它也不会自行截止，要截止它，常需由外加电路使晶闸管的电压反向或使小于维持电流。其脉冲宽度和停歇时间的调整要受到外加电路的影响，故只能在频率较低的一定范围内进行调整。图9为电容关断式的线路图。通常作为低频粗加工电压。它包括直流电源E、限流电阻R1、晶闸管主功率管VS1、放电间隙电阻R2、放电间隙等组成的晶闸管主回路及由晶闸管VS2、VS3，电感器L1、L2，电容C组成的关断回路两部分。

当晶闸管主功率管VS1和晶闸管VS3被同时触发导通后，电流一方面由电源+E通过R1→VS1→R2→-E构成回路，将电压加在两极之间；另一方面由电源+E通过R1→VS1→C→VS3→L2→-E对电容C充电，构成LC振荡式充电回路。LC振荡式充电回路的充电电流是按正弦形式变化的，当充电电流从正半周转入负半周时，电流就反向，从而使VS3自行关断，此时电容C已被充满，极性为上正下负。

当晶闸管VS2被触发导通时，电容C向VS1放电，由于VS1受到反向电流，所以VS1被迅速关断，这时电容C储存的电荷只消耗了很小的一部分，仍然保持原来的极性。这时在放电间隙上就出现了一个幅

20

黄河科技学院毕业设计论文

值为Uc+E的后尖顶脉冲。然后电容C通过间隙电阻R2放电，同时电源+E通过R1→L1→VS2→C→R2→-E对电容C反向充电，直至充满，这时极性下正上负，使VS3带上正电压；同时通过VS2的电流小于维持电流，VS2自动关断，而完成一个脉冲放电全过程。使用时为了消除由于后尖顶脉冲所产生的不良影响，可通过在主功率晶闸管VS1上并联一个反接二极管，将带后尖顶波改为方波。

这种低频可控硅脉冲回路的脉冲频率一般为400~2000Hz，脉宽1500~300μs。

为了适应精加工的要求，晶闸管脉冲电源还必须具有精加工高频（10kHz以上）性能，一般晶闸管的频率特性满足不了这一要求，需采用高频晶闸管，并通过倍频的方法进一步提高脉冲频率。图10为精加工用的高频晶闸管脉冲电源回路原理。

高频晶闸管脉冲电源的四只晶闸管分为两路，其中VS1和VS3为一路，VS4和VS2为另一路工作时两路轮流触发导通，相位差为180°。假定VS1和VS3先触发导通，则直流电源+E就通过VS1→C→VS3→R2→-E对电容器C充电，在初始时，由于电容器C上电压不能突变，所以电压全部加在R2上（即放电间隙两端）。当C被充到满值，VS1、VS3自行关断（此时充到电流小于晶闸管的维持电流），完成一个脉冲的输出，此时电容C的极性上正下负。

经过一定停歇时间（180°）后，VS4、VS2被触发导通，则电流+E就通过VS4→C→VS2→R2→-E对电容器反向充电。在初始时，电容器C上原充电电压极性和电流极性正好同向，所以在R2上得到一相叠加的

21

黄河科技学院毕业设计论文

电压（E+Uc），然后对该回路反向充电，使Uc=0。然后继续充电，直至Uc=E时，极性为下正上负，此时VS4、VS2自行关断（此时充电电流小于该晶闸管的维持电流），又输出一个脉冲。

再次给VS1和VS3触发导通，又重复上述过程。根据上述工作原理可知，在电阻器R2上所得到的频率是每个晶闸管频率的2倍，故此电路为倍频倍压电路。晶闸管脉冲电源高频脉冲回路的工作频率可达到60kHz，工具电极损耗比较小，能适应型腔模具的加工。 （3）晶体管式脉冲电源

晶体管式脉冲电源是利用大功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。晶体管式脉冲电源的输出功率及最高生产率不易做到晶闸管式脉冲电源那样大，但它具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节、脉冲波形较好、易于实现多回路加工和自适应控制等自动化要求的优点，所以应用非常广泛，特别在100A以下的中、小型脉冲电源中，都采用晶体管式电源。

目前晶体管的功率还较小（与晶闸管相比）每管导通时的电流（峰值电流）常选在5A左右，因此在晶体管脉冲电源中，都采用多管分组并联输出的方法来提高输出功率。

自振式晶体管脉冲电源原理主振级Z为一不对称多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号，以后经功率放大级F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止。末级晶体管起着开关的作用。它导通时，100V左右的直流电源电压U加在加工间隙上，击穿工作液进行火花放电。当晶体管截止时，脉冲结束，工作液恢复绝

22

黄河科技学院毕业设计论文

缘，准备下一脉冲的到来，为了加大功率及调节粗、中、精加工规准，整个功率级由几十只大功率高频晶体管分为若干路并联，精加工时只用其中一或二路。为了在放电间隙短路时不致损坏晶体管，每只晶体管均串联有限流电阻器R，并可以在各管之间起均流作用。 20世纪70~80年代一般常用的晶体管脉冲电源的主振级线路，它实际上是一个多谐振荡器。

晶体管VT1、VT2为振荡管，VT3、VT4为射极输出管，当VT1、VT4

导通时，强迫VT3、VT2截止。反之，VT3、VT2导通时，强迫VT1、VT4截止.决定导通或截止的时间是由规准电容器Ca、Cb分别放电或充电的时间决定的，此时在振荡管的集电极上就有矩形波输出。由于Ca、Cb充电是通过射极输出管来完成的，这就使充电时间常数大大缩减，所以该线路基本上能满足较高频率加工的工艺要求。上述主振级都是由分立元件组成的。随着集成电路、集成芯片的发展，晶体管脉冲电源中大量采用集成电路芯片作主振级，例如555芯片。通过改变电容和电阻的组合，可以产生2~1000μs的脉宽或脉间，大大减少了电路中元器件的数量、体积，并提高了工作可靠性。以后又随着计算机技术的进步，采用CTC（计时）和晶振元件组成数字化的主振级，脉宽和脉间的大小可以精确到1μs，甚至0.1μs，而且可以微机来直接设置，改变脉宽、脉间的大小，不用人工操作旋钮、拨码开关，还可以和加工规准的数据库连接，向脉冲电源规准选择的自动化迈进一步。

23

黄河科技学院毕业设计论文

放大级的作用是将主振级输出的脉冲信号放大到足够强度来激励推动输出级。因信号是频率范围较宽的矩形波，所以极间耦合常采取电阻耦合。同时还将其发射级接地，即采取脉冲反相放大电路，还可以采用互补射极输出放大器线路，虽然复杂些，但可靠性高。 工作在开关状态的大功率晶体管亦即功率放大输出级，在脉冲电源中起着向放电间隙输送脉冲能量的功能，它是通过调节输出功率管的数量来改变输出电流的峰值。一般采用共发射耦合脉冲放大电路即反相放大电路，也可采用射极输出即共集电极电路。最早采用3DD15等大功率硅管作末级功放管，后来采用频率更高、性能更好的场效应管（V-MOS管、MOSFET）作功放管，它的另一个优点是：只需电压和毫安级的电流驱动，可以省去前置放大级，大大简化了电路，最近也有用IGBT大功率集成块作功放管的，这种大功率集成块每块可输出10~100A的电流。 （4）各种派生脉冲电源

近年来随着电火花加工技术的发展，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及一些特殊需要，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源的基础上，派生出不少新型电源和线路，如高低压复合脉冲电源、多回路脉冲电源以及多功能电源等。 ①高低压复合脉冲电源

复合回路脉冲电源与放电间隙供电回路：一个为高压脉冲回路，其脉冲电压较高（330V左右），平均电流较小，主要起击穿间隙的作用，也就是控制低压脉冲的放电击穿点，因而也称为高压引燃回路；

24

黄河科技学院毕业设计论文

另一个为低压脉冲回路，其脉冲电压较低（60~80V），可输出的电流比较大，起着蚀除金属的作用，所以称为加工回路，二极管VD用以阻止高压脉冲进入低压回路。所谓高低压复合脉冲，就是在每个工作脉冲电压（60~80V）波形上再叠加一个小能量高压脉冲（300V左右），使电极间隙先击穿引燃而后再放电加工，大大提高了脉冲的击穿率和利用率，并使放电间隙变大，排屑良好，加工稳定，在“钢打钢”时显出很大的优越性。 ②多回路脉冲电源

多回路脉冲电源，即在加工电源的功率并联分割出相互隔离绝缘的多个输出端，可以同时供给多个回路的放电加工。这样不依靠增大单个脉冲放电能量，即不使表面粗糙度变大而可以提高生产率，这在大面积、多工具、多孔加工时很有必要，如电机定子、转子冲模、筛网孔等多孔穿孔加工以及大型腔模加工中经常采用该电源. 多回路电源总的生产率并不与回路数目完全成正比增加，因为多回路电源加工时，电极进给调节系统的工作状态会变坏。例如当某一回路放电间隙短路时，电极回升，全部回路都得停止工作。回路数愈多，这种相互牵制干扰损失愈大，因此回路数必须选取得当，一般常采用2~4个回路。加工愈稳定，回路数可取得愈多。多回路脉冲电源中，同样还可采用高低压复合脉冲回路。 ③等脉冲电源

等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等，对于矩形波脉冲电流来说，由于每次放电过程的电流幅值基本相

25

黄河科技学院毕业设计论文

同，因而所谓等脉冲电源也即意味着每个脉冲放电电流持续时间te相等。

独立式、等频率脉冲电源，虽然电压脉冲宽度ti和脉冲间隔t0在加工过程中保持不变，但每次脉冲放电所释放的能量往往不相等。因为放电间隙的物理状态总是不断变化的，每个脉冲的击穿延时有长有短，随机性很大，各不相同，结果使实际放电的脉冲电流宽度发生变化，影响单个脉冲能量的放电凹坑大小不等，因而也就影响加工表面粗糙度微观上不均匀。等脉冲电源能自动保持脉冲电流宽度相等，做到“弹无虚发”，用相同的脉冲能量进行加工，从而可以在保证一定表面粗糙度的情况下，进一步提高加工速度。

获得等脉冲电流宽度的方法，只要利用两个单稳态延时电路（芯片）。通常是在间隙加上直流电压后，利用火花击穿信号（击穿后电压突然降低）来控制脉冲电源的第一个单稳态电路，令它开始延迟（te），以此作为脉冲电流的起始时间，经单稳态电路延时te之后，发出信号关断导通着的功放管使它中断脉冲输出，切断火花通道，从而完成一次脉冲放电。此关断信号同时触发第二个单稳电路，使其经过一定的延时（脉冲间隔t0），发出下一个信号，使功放管再导通，开始第二个脉冲周期。这样获得的极间放电电压和电流波形如图15，每次的脉冲宽度te都相等，而电压脉宽ti不一定相等。中、高档电火花加工机床的脉冲电源都有此类等电流脉宽功能。

结论：

26

黄河科技学院毕业设计论文

新型的脉冲电源层出不穷，脉冲电源性能的提高和功能的拓展，不仅显著提高了电火花加工的多项性能指标，在某些应用上甚至改变了传统的加工工艺，而且一些新型材料的加工得到确立。脉冲电源是影响电火花加工的重要因素之一。我们必须吸收国外的成功经验，借用其它学科的成熟技术,根据电火花加工脉冲将电火花加电源的特殊要求,开发出适用的脉冲电源，工向更广阔的领域拓展。

参考文献

[1]赵万生，等.特种加工技术[M].北京:高等教育出版社,2001. [2]张辽远,等.现代加工技术[M].北京:机械工业出版社,2008.7 [3]张学仁,等,数控电火花线切割加工技术 [J]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2000.

[4] 金涤尘、宋放之，等.现代模具制造技术.机械工业出版社,2001.02

[5] 狄士春、王弢、赵万生、于滨，等航空精密制造技术 哈尔滨工业大学出版社,2002

[6]鄂大辛、成志芳，等特种加工基础实训教程 北京理工大学出版社，2011.8

27

黄河科技学院毕业设计论文

致谢 本论文是在李老师的精心指导下完成的。在大学的三年中，老师对我倾注了大量心血，他渊博的知识，孜孜不倦、严谨治学的态度，忘我工作的精神和平易近人的工作作风，使我受益匪浅。三年来我的成长与进步，浸透着老师的心血和汗水，在李老师的严格要求下，使我得以完成学业，在此，谨对老师表示我最衷心的感谢。在论文完成之际，谨向老师致以深深的敬意和衷心的感谢!

感谢我的亲人在我求学道路上对我的帮助，是他们给予我工作学习上的极大支持与理解，以及在生活上给予我的无微不至的关怀与支持。

经过三年的大学生活，使我身心得到了全面的成长，我衷心的感谢学校各级领导对我的培养和教育！感谢所有帮助过我的人。

最后，再次对我的老师表示我最衷心的感

28

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lcsr.html