基于浮动阈值的纳秒级节能电火花线切割脉冲电源技术研究

电火花线切割是精密加工的重要技术手段之一，广泛应用于航空航天、电子、军工等领域。脉冲电源作为线切割机床的心脏，一直是国内外专家研究的热点。随着国际能源的紧张，绿色节能成为制造业必然发展趋势，而传统限流电阻脉冲电源一直存在能量利用率低的弊端。纳秒级火花放电作用时间极短，不仅能减小内应力，提高加工效率，而且能改善表面质量，因此研究纳秒级节能脉冲电源对提高我国线切割加工水平具有重要意义。项目首先设计了节能脉冲电源的总体结构，保证脉冲电源的参数在较大范围内可调，满足粗、中、精加工以及不同材料加工的要求。针对线切割加工需要设计了脉冲电源主振系统，可以生成矩形波、三角波、梯形波、前阶梯波、后阶梯波、上凸形等加工电流波形。根据加工需要通过驱动电路和功放电路可选择不同模式，实现粗、中、精加工，等能量、等周期加工，高中复合、中低复合加工等功能。项目对节能脉冲电源放电间隙特性进行了研究，根据间隙伏安特性对脉冲电源进行了放电能量优化控制技术研究，对电解现象进行长空载调制，减小电解电流；对短路进行长短路调制，降低短路造成的断丝几率，减少短路和空载时的能量损耗，提高加工表面质量。. 线切割加工过程中，传统电源主要采用固定电压阈值来区分空载、火花和短路加工状态，而节能电源间隙中的电压波形与传统电源矩形波有很大不同，固定阈值很难准确区分，影响加工的稳定性和加工速度。因此，研究一种针对非矩形电压波形的放电状态检测技术对改善放电状态和提高加工效率具有重要意义。项目提出一种电流跟随式浮动阈值放电状态检测技术，该技术利用间隙电流生成电压的浮动阈值进行放电状态辨别，同时提出高频小脉冲调制脉冲统计方法，提高其抗干扰能力。利用研制的脉冲电源及放电状态检测技术搭建了线切割系统试验平台，研究了线切割走丝机构、电极丝恒张力控制系统、工件厚度在线识别、加工拐角控制策略等加工关键技术。利用该试验平台进行了浮动阈值放电状态检测试验，实验证明该检测系统具有自调整功能，能够稳定检测极间放电状态，具有较高的检测精度和较大的检测范围。进行了等能量与等周期脉冲试验、能耗对比试验、不同电流波形加工对比试验、不同加工模式对比试验、多次切割试验等试验，通过试验证明了节能电源相比传统电源能量利用率提高了67.6%。节能脉冲电源最大切割速度210mm2/min，一次切割表面粗糙度Ra1.03μm，五次切割表面粗糙度Ra0.62μm。