發(fā)布時間：2016-04-29 14:04

第 1 章  緒   論

本課題來源于哈爾濱工業(yè)大學與北京衛(wèi)星制造廠（529 廠）的合作項目。進入21 世紀以來，伴隨著科學技術(shù)的高速發(fā)展，，越來越多的新型復合材料得到了廣泛的應用，然而這些新型復合材料往往具有特殊的材料性能，不易用傳統(tǒng)的方法進行機加工或者用傳統(tǒng)方法加工的成本過高[1]，因此人們常常使用電火花加工的方法。電火花加工時沒有切削力，對電極材料的硬度也沒有過高要求，一般適合于熔沸點越低、導電性越好的金屬材料[2-5]。 盡管電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較大的電極損耗，因而實際應用范圍受到一定的限制。隨著放電加工技術(shù)的發(fā)展，電火花銑削加工（EDM milling）較為圓滿的解決了上述問題。電火花銑削加工是指在數(shù)控系統(tǒng)平臺上，在內(nèi)外高壓沖液作用下，利用銑削機床高速旋轉(zhuǎn)的主軸帶動棒狀或管狀電極轉(zhuǎn)動，利用大功率電火花銑削脈沖電源在電極和工件之間產(chǎn)生電弧電火花交互放電以蝕除工件材料，通過對放電狀態(tài)的檢測以及電極損耗在線補償策略對加工軌跡以及進給量進行實時控制的一種放電加工方式[6]。它一方面具備了銑削加工效率高、沖液情況良好、加工柔性高等特點，另一方面又兼?zhèn)淞穗娀鸹�加工可以加工高硬材料、加工過程無切削力等優(yōu)點。綜合來說，電火花銑削具有以下幾項優(yōu)勢[7-13].

.......

第 2 章   電火花銑削脈沖電源及理論基礎

2.1  電火花脈沖電源脈沖放電理論

由圖可知：首先功率開關(guān)管的通斷是由主振級發(fā)出的脈沖信號決定的，因此良好的脈沖信號是晶體管脈沖電源的基礎，如今一般用現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）或者復雜可編程邏輯器件（CPLD）來產(chǎn)生出頻率高、穩(wěn)定性好的脈沖信號；其次，由于該脈沖信號負載能力低，不能直接驅(qū)動開關(guān)管的通斷，因此需經(jīng)驅(qū)動放大來提高負載能力，然后才能驅(qū)動開關(guān)管的通斷；最后通過功率開關(guān)管的高頻通斷產(chǎn)生脈沖性電壓加載到電極和工件之間。因此，無論是工作頻率，還是脈沖電源的電壓、電流都要受到開關(guān)管的影響，從某種程度上說，晶體管脈沖電源的性能很大程度上取決于開關(guān)管的性能。于是深入了解開關(guān)管的結(jié)構(gòu)、工作原理以及各項參數(shù)范圍對于設計大功率的電火花銑削電源有著重要的意義。

2.2  傳統(tǒng)電火花脈沖電源能耗理論分析

由表 2-1 可知，隨著電流的增加，限流電阻上的功率損耗和間隙放電功率都相應增加，而間隙放電功率所占比重始終維持在 25%左右，算上工頻變壓器的損失、供水回路、繼電器、指示燈等消耗的電能，脈沖電源總的電能利用率小于 25%，造成了電能的極大浪費。根據(jù)上表的數(shù)據(jù)將限流電阻消耗的功率和直流電源輸入功率做一個對比，結(jié)果如圖 2-5 所示。

第  3  章  高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源硬件設計 .......... 20 

3.1 設計要求 ......... 20 
3.2 總體結(jié)構(gòu) .................... 20 
3.3  新型復合脈沖電源主回路拓撲結(jié)構(gòu) .............. 21 
3.4  高低壓復合策略 .................. 23 
3.5 硬件電路設計 .............. 23
第  4  章  高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源軟件設計 .......... 30 
4.1 ARM 軟件結(jié)構(gòu)設計 ......... 30
4.2 FPGA 軟件結(jié)構(gòu)設計 ............ 35
4.3  人機界面軟件程序 ........................ 38 
4.4  高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源的波形分析 ..... 38
第  5  章  高效電火花銑削工藝研究 .................. 43 
5.1  引言 .......... 43 
5.2  電火花銑削加工試驗方案設計............. 43
5.3  單因素試驗結(jié)果與分析 ............. 45
5.3  單因素試驗結(jié)果與分析 ................. 45
5.5  高效節(jié)能電火花銑削與傳統(tǒng)電火花加工的對比 ....... 53

第  5  章  高效電火花銑削工藝研究 

5.1  引言

電火花銑削作為一門新型加工技術(shù)，對其工藝進行研究有助于實現(xiàn)更好的加工效果和更低的加工成本。因此本章分別采用單因素法以及二階通用旋轉(zhuǎn)組合法對電火花銑削的加工工藝進行了深入研究，探索了各電參數(shù)對加工效率和電極損耗率的影響規(guī)律及交互作用，分析原因并進行驗證。 此外，為了對本文研制的高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源的可行性和各項性能指標進行進一步的驗證，本章設計了一系列實驗從加工效率、電極損耗率以及電能利用率三個方面與傳統(tǒng)電火花成形加工進行對比，再次驗證了該高效節(jié)能電火花銑削電源的可行性和各項性能指標。 

5.2  電火花銑削加工試驗方案設計 

高效電火花銑削的加工工藝研究主要是為了實現(xiàn)高的銑削效率 以及低的電極損耗率 ，這也是傳統(tǒng)電火花加工所以只一直追求的目標，然而影響二者的因素眾多，包括脈沖電源的功率及性能、工件和電極的材料、加工條件以及主軸的穩(wěn)定性等，其中加載在極間的脈沖電源對其影響較為顯著，此外也為了對本文中的高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源的性能進行驗證，本文重點研究脈寬、脈間和電流三個因素對加工效率和電極損耗率的影響，具體設計方案如下：其中 6 次零水平重復試驗，6 次星號試驗，8 次析因試驗（全實施），總試驗次數(shù)為 20 次。實驗結(jié)果如表 5-3 所示，其中1-8組為析因試驗，9-4組為星號試驗，15-20組為零水平重復試驗。
......

結(jié)   論

本文在分析電火花銑削加工技術(shù)以及傳統(tǒng)電火花脈沖電源的基礎上，針對高效、節(jié)能的設計要求，深入研究了電火花銑削脈沖電源及其理論基礎，研制了適合電火花銑削的大功率節(jié)能脈沖電源，并結(jié)合該脈沖電源進行了一系列工藝研究和實驗，驗證了該高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源的可行性以及各項性能指標。本文主要研究成果如下: （1）對脈沖電源的脈沖放電理論進行研究，明確了該高效節(jié)能電火花銑削脈沖電源脈沖放電方式，對傳統(tǒng)電火花脈沖電源的能耗進行理論分析，發(fā)現(xiàn)大部分電能都浪費在限流電阻上，因此采取了利用電感取代限流電阻、運用 PWM 對電流進行閉環(huán)控制的節(jié)能設計方案，并從理論上對其節(jié)能效果進行了分析和驗證。

............

參考文獻（略）

本文編號：36304