摘 要：石墨作為電火花加工電極材料具有很多優點，石墨電火花加工數控機床在模具行業已得到越來越廣泛的應用。脈沖電源是電火花加工的關鍵技術，研究石墨電火花加工數控機床的脈沖電源具有較高的應用價值。現從加工效率和加工質量方面入手，設計了適合石墨工具電極的電火花加工的復合脈沖波形，并設計了相應的脈沖電源。
０ 引言
石墨電火花加工數控機床是專用石墨工具電極進行數控電火花加工的機床。石墨工具電極，就是利用石墨制作成形的應用于電火花加工（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，簡稱ＥＤＭ）的電極，區別于電鍍電極。石墨作為電火花加工電極材料，不僅具有易加工、重量輕、放電效率高、熱學性能好、變形小、不易
拉弧等優點，而且石墨電極在長脈沖粗加工時能吸附游離碳來補償電極的損耗，相對損耗率低，代替銅電極已成為必然［１］。石墨電火花加工數控機床在模具行業已得到越來越廣泛的應用。
脈沖電源是電火花加工的關鍵技術［２］，脈沖電源對電火花加工的生產率、表面質量、加工速度、加工過程的穩定性和工具電極損耗等技術經濟指標有很大的影響［３］。
１ 、適合石墨工具電極的電火花加工脈沖
１．１ 影響石墨電極電火花加工的重要因素
影響石墨電極電火花加工性能的因素有很多，如脈沖波形、工作液、加工面積和加工極性選擇等，其中脈沖波形對電火花加工特性有重要的影響。
電火花加工也具有局限性，最突出的是加工速度較慢和存在電極損耗［３］，這既影響加工效率，又影響模具加工質量。加工速度與電極損耗都與脈沖能量有關，能量在兩極上的分配對兩個電極電蝕量的影響是一個極為重要的因素［４］。
電火花加工脈沖電源的可控參數有：脈寬、脈間、峰值電流、開路電壓、脈沖的前沿上升率和后沿下降率。脈沖前后沿變化率相對于脈沖寬度較小時，影響蝕除量的單個脈沖能量即為單脈沖放電能量。
由電火花加工時的各種放電狀態［４］可知，電火花放電間隙的電阻呈非線性特性，擊穿后間隙上的火花維持電壓是一個與電極對材料及工作液種類有關的數，與脈沖電壓幅值、極間距離以及放電電流大小等的關系不大，所以計算脈沖能量并不能用峰值電壓，在煤油中用石墨加工鋼時，約為２５～３０Ｖ［５］。故當石墨加工鋼時的脈沖能量為：
ＷＭ＝（２５～３０）＾ｉｅｔｅ （１）式中，ＷＭ為單個脈沖放電能量（Ｊ）；＾ｉｅ為脈沖電流幅值（Ａ）；ｔｅ為電流脈沖寬度（μｓ）。
由式（１）可知，正負極的電蝕量正比于平均放電電流的大小和電流脈沖寬度，對于矩形波脈沖電流，實際上正比于放電電流的幅值。在通常的晶體管脈沖電源中，脈沖電流近似地為一矩形波。提高電火花加工速度的途徑在于：提高脈沖頻率ｆ，增加單個脈沖放電能量ＷＭ，設法提高工藝系數Ｋ［４］。
在相同工藝條件下，對大型電極而言，提高加工速度的最有效途徑為增加單個脈沖能量ＷＭ。這主要依靠加大脈沖電流和增加脈沖寬度，即增加單個脈沖實際放電時間，采用低頻長脈沖。這正是石墨電火花加工數控機床進行高速度粗加工所需的脈沖波形。
提高電火花加工速度的另一個途徑就是提高脈沖頻率ｆ。提高脈沖頻率主要受消電離時間的制約，脈沖間隙時間過短，放電間隙來不及消電離和恢復絕緣，容易產生電弧放電，燒傷工件和電極［４］。但如果在脈沖放電結束后立即反向瞬間放電，有利于縮短消電離時間。
文獻［４］對電極表面溫度場分布的研究表明，電極表面放電點瞬時溫度與瞬時放電總熱量（與放電能量成正比）有關。如果采用高頻，減少工具電極的熱量，電極表面溫度仍相對較低，依然損耗較少，而工件表面溫度仍較高而遭到高效蝕除，即進一步降低損耗比。這正是石墨電火花加工數控機床進行精加工所需要的脈沖波形。
１．２ 適合石墨工具電極的電火花加工脈沖適合石墨工具電極的波形有如下幾種［６］：
（１）矩形波。作用與特點：低頻脈沖能量大，脈沖加工速度高；高頻短脈沖光潔度好。
（２）梳形脈沖波形。作用與特點：具有高頻短脈沖光潔度好和低頻長脈沖加工速度高、電極損耗低的特點。
（３）負尖峰脈沖。作用與特點：在矩形波脈沖后的負尖峰脈沖有助于間隙的消電離，但將使電極損耗增大，用于較寬脈沖時，能減輕對電極的覆蓋現象。
結合以上分析，為適合石墨工具電極的電火花加工，進一步提高有效脈沖利用率，達到高速、低耗、穩定加工的要求，應利用低壓低頻矩形長波脈沖、高壓高頻矩形短波脈沖與負尖峰脈沖組合成為復合脈沖波形，如圖１所示。
圖１ 復合脈沖波形
２、 適合石墨工具電極的電火花加工脈沖電源的設計
２．１ 復合脈沖電源
晶體管式脈沖電源不但脈沖頻率高、脈沖參數容易調節、脈沖波形較好，而且是利用大功率晶體管作為開關元件而獲得單向脈沖的，易于實現多回路加工和自適應控制［４］，所以高頻部分采用晶體管式脈沖電源。
晶閘管式脈沖電源的輸出功率及最高生產率比晶體管式脈沖電源的大很多，因此起粗加工作用的低頻部分采用晶閘管式脈沖電源來提高輸出功率。
為了實現低壓低頻矩形波脈沖、高壓高頻矩形波脈沖與負尖峰脈沖組合的復合波形，在晶體管式脈沖電源和晶閘管式脈沖電源的基礎上，設計了復合脈沖電源，其原理如圖２所示。
圖２ 復合脈沖電源的原理圖
當Ｋ１開關按下時，晶閘管式脈沖電源工作。當主功率管ＳＣＲ１和可控硅ＳＣＲ３被觸發后，電流由電源Ｅ通過限流電阻Ｒ１、主功率管ＳＣＲ１、檢測電阻Ｒ３、放電間隙電阻Ｒ２與放電間隙構成回路，將電壓加在電極與工件兩極間，檢測電阻Ｒ３產生觸發信號；當充電回路轉入負半周時，ＳＣＲ３自行關斷；當可控硅ＳＣＲ２被觸發導通時，主功率管ＳＣＲ１被迅速關斷，電極與工件兩極間沒有電壓，檢測電阻Ｒ３也沒有產生觸發信號。
當Ｋ２開關按下時，高頻電源工作。檢測電阻Ｒ３發來的脈沖信號觸發主振級自激振蕩產生高頻脈沖，經放大后觸發晶體管功放級，產生適合精加工的高壓高頻脈沖。
當Ｋ３開關按下時，負向尖波電源工作。檢測電阻Ｒ３發來的脈沖信號經下沿觸發器、尖峰信號發生器、脈沖轉換器產生負向尖波脈沖，再經放大后觸發晶體管功放級，在低壓低頻脈沖間隙產生負向尖波脈沖，加速消電離，縮短脈沖間隙。該電路中的整流二極管Ｄ能有效隔離高壓脈沖倒向低壓電路。
該復合脈沖電源以低壓低頻長脈沖為基礎，可根據工況需要與高壓高頻短脈沖和負向尖波脈沖進行自由組合，具有較高的靈活性。
２．２ 多回路脈沖電源
石墨電極重量輕，比重為１．７～１．９，約為銅的１／５，對于大型電極可以減少工件重量，降低機床負荷和人工調裝難度，因此大型組合電極尤其適宜使用石墨材料。
制作組合電極，這在大面積、多工具、多孔加工時很有必要，如大型腔模加工以及電機定子、轉子沖模、篩網孔等多孔穿孔加工中經常采用該組合結構［４］。如果使用與之相配合的多回路電源，可在保證一定粗糙度和精度下，比單個回路提高近幾倍的生產率。
多回路脈沖電源，即在加工電源的功率并聯分割出相互隔離絕緣的多個輸出端，可以同時供給多個回路的放電加工。這樣不依靠增大單個脈沖放電能量，即不使表面粗糙度變大而可以提高生產率［４］。多回路電源的控制部分，任意一個回路的短路信號都能通過過程檢測、伺服控制來控制主抽頭回升，以保護電極不被燒傷。當某一回路放電間隙短路時，電極回升，全部回路都得停止工作。多回路脈沖電源一般采用２～４個回路，如電極間牽制干擾少，工況穩定，回路數可適當增多。多回路脈沖電源中，同樣還可采用高低壓復合脈沖回路［４］，如圖３所示。
圖３ 多回路脈沖電源
３ 、結語
石墨電火花加工數控機床應用越來越廣泛，電火花加工數控機床的電源已發展到自選加工規準電源和智能化、自適應控制電源，但根據電極材料設計適用的基本波形及復合波形依然是關鍵技術。依據石墨工具電極的加工特點，本文設計了適合石墨工具電極的電火花加工復合脈沖波形，并設計了復合脈沖電源和多回路脈沖電源，能有效提高電火花加工效率和加工質量，具有較高的應用價值。
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