一种用于对金属‑陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源及加工方法

摘要

一种用于对金属‑陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源及加工方法；属于电火花加工技术领域。解决了现有电火花加工装置加工效率低，且只能以单一脉冲形式进行加工的问题。本发明通过加工主回路和控制回路的设计实现了对金属‑陶瓷功能梯度材料的高效加工；主回路包括高低电压选择电路和电容选择电路，为本发明加工装置的不同放电策略的制定提供较大的选择空间；采用CPLD脉冲控制模块作为加工装置脉冲的控制器，成本低、控制程序程序易于编写和维护，检测系统的柔性较大。本发明主要用于对多层的材料进行电火花加工。

说明书

技术领域

本发明属于电火花加工技术领域。

背景技术

近年来，金属-陶瓷功能梯度材料由于其独特的结构和性能优势，在航天、核能、生物等领域得到广泛应用。然而，金属-陶瓷功能梯度材料的加工一直是制造领域的一大难点。主要原因：金属陶瓷功能梯度材料成分复杂，主要包括金属成分、金属基复合材料成分和陶瓷成分，同时，该材料从金属成分到陶瓷成分硬度逐步增大。因此，磨削、车削等传统机械加工方法难以实现金属-陶瓷功能梯度材料的高效加工。

针对金属基复合材料和陶瓷材料加工硬度大的问题，国内外学者提出了很多解决方法，其中电火花加工为较常用的一种解决方案。电火花加工方法为特种加工方法的一种，相比传统机械加工方法，其最大的优势在于非接触加工。电火花加工材料是通过在工件和工具之间的连续火花放电达到蚀除材料的目的。电极和工具并未发生直接接触，因此，电火花加工不受材料的硬度的限制，非常适合金属基复合材料和陶瓷材料的加工。国内对上述材料的电火花加工做了很多研究，主要包括：哈尔滨工业大学在《Procedia CIRP》上的《Surface Properties of SiCp/Al Composite by Powder-Mixed EDM》；中国石油大学在《机械工程学报》上的《绝缘及弱导电工程陶瓷电火花铣磨复合加工技术及机理研究》。此外，公开号为CN102642057A的专利公开了一种PCD/CBN/硬质合金/刀具专用微型放电加工电源，解决现有电源体积庞大、耗电量大的问题。这些研究主要集中金属基复合材料或陶瓷材料的加工工艺、加工原理及电源体积等方面，在一定程度上从不同角度解决上述材料加工问题。

相比国内研究，国外主要从电极材料、不同比例的金属基复合材料和加工电源脉冲形状三个方面展开，主要包括：日本东京大学在《Journal of Materials Processing Technology》上的《Effect of electrode material on electrical discharge machining of alumina》；韩国仁济大学在《Materials and Manufacturing Processes》上的《Electrical discharge machining of functionally graded 15–35vol％SiCp/Al composites》；比利时鲁汶大学在《CIRP Annals》上的《Influence of the pulse shape on the EDM performance of Si3N4-TiN ceramic composite》。通过电极材料、不同比例材料加工特性的研究和脉冲形状对陶瓷加工的影响的系统研究，的确提高了材料的加工效率，但是研究仍只局限在金属基复合材料或陶瓷材料，控制方法仍是非常简单的离线式。

以上的共性还在于：研究内容只局限在金属基复合材料或陶瓷材料，没有将两者结合起来考虑。由于金属基复合材料和陶瓷材料结构的不同，必然导致加工性能的不同，单纯研究其中之一必然无法满足金属-陶瓷功能梯度材料的加工要求。电源的研究只局限在离线参数设定，并没有实现实时状态检测和控制，对于单一材料尚可接受，但是对于金属-陶瓷功能梯度材料采用单一离线加工参数，无法满足金属-陶瓷功能材料高效加工的要求。

鉴于此，有针对性地开展了金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工高效电源装置与方法的研究，不但可以提高金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工的效率，而且对提升我国金属-陶瓷功能梯度材料的加工和应用水平意义重大。

发明内容

本发明是为了解决现有电火花加工装置加工效率低，且只能以单一脉冲形式进行加工的问题，无法满足对金属-陶瓷功能梯度材料的加工，本发明提供了一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源及加工方法。

一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源，它包括放电检测模块、CPLD脉冲控制模块、驱动模块、高低电压选择电路和电容选择电路；

放电检测模块用于检测电极与待加工部件间的放电状态信号，还用于对待加工部件的各层进行识别；待加工部件为金属-陶瓷功能梯度材料，且从上至下依次为金属层、梯度层和陶瓷层；

放电检测模块的控制信号输出端与CPLD脉冲控制模块的控制信号输入端连接，CPLD脉冲控制模块的脉冲控制信号输出端与驱动模块的脉冲控制信号输入端连接；

驱动模块用于对接收的控制信号进行隔离及功率放大，驱动模块的高压选通信号输出端与高低电压选择电路的高压选通信号输入端连，驱动模块的低压选通信号输出端与高低电压选择电路的低压选通信号输入端连，驱动模块的高压驱动信号输出端与电容选择电路的高压驱动信号输入端连接，驱动模块的低压驱动信号输出端与电容选择电路的低压驱动信号输入端连接；

高低电压选择电路，用于给电容选择电路提供电源；

电容选择电路的正向电源输出端与电极连接；

电容选择电路的正负向电源输出端与待加工部件连接；且电极与待加工部件相对设置。

优选的是，所述的高低电压选择电路包括高压电源E1、低压电源E2、电阻R1、电阻R2、二极管D1、二极管D2、NPN型MOS管M_g和NPN型MOS管M_d；

高压电源E1的正极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与NPN型MOS管M_g的漏极连接，NPN型MOS管M_g的源极与NPN型MOS管M_d的源极连接，NPN型MOS管M_g的栅极与驱动模块的高压选通信号输出端连接；

低压电源E2的正极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与NPN型MOS管M_d的漏极连接，NPN型MOS管M_d的栅极与驱动模块的低压选通信号输出端连接；

NPN型MOS管M_g的源极作为高低电压选择电路的正向电压输出端；

高压电源E1的负极和低压电源E2的负极同时连接，并作为高低电压选择电路的负向电压输出端。

优选的是，所述电容选择电路包括加工电容C1、高能电容C2、NPN型MOS管M_c1和NPN型MOS管M_c2；

加工电容C1的一端与NPN型MOS管M_g的源极、高能电容C2的一端和电极的一端同时连接；

加工电容C1的另一端与NPN型MOS管M_c1的漏极连接，NPN型MOS管M_c1的源极与NPN型MOS管M_c2的源极和待加工部件同时连接，NPN型MOS管M_c1的栅极与驱动模块的低压驱动信号输出端连接；

高能电容C2的另一端与NPN型MOS管M_c2的漏极连接，NPN型MOS管M_c2的栅极与驱动模块的高压驱动信号输出端连接。

所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源，还包括状态显示模块；

状态显示模块用于显示驱动模块的工作状态。

优选的是，所述的NPN型MOS管M_g和NPN型MOS管M_c2采用IRFP460型号Mosfet实现。

优选的是，所述NPN型MOS管M_d和NPN型MOS管M_c1采用IRF840型号的Msofet实现。

优选的是，所述CPLD脉冲控制模块采用EPM240型可编程逻辑控制器实现。

采用所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源实现的加工方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：电极根据预设的放电状态对待加工部件的各层进行加工，且CPLD脉冲控制模块实时的根据放电检测模块检测到的电极与待加工部件间的放电状态信号及对待加工部件的各层进行识别，产生相应的控制信号，当放电检测模块检测到待加工部件梯度层中的不完全放电信号时，CPLD脉冲控制模块输出高能脉冲控制信号至驱动模块，从而使电极与待加工部件间进行高电压放电；当放电检测模块检测到待加工部件陶瓷层中的长脉冲放电信号时，CPLD脉冲控制模块输出脉间扩展脉冲控制信号，使电极与待加工部件间进行脉间扩展放电；

步骤二：驱动模块对CPLD脉冲控制模块输出的脉冲控制信号进行隔离及功率放大，且隔离及功率放大后的脉冲控制信号对高低电压选择电路和电容选择电路进行选通控制，从而改变电极与待加工部件间的放电状态，最终完成对对待加工部件各层的加工。

本发明是针对金属-陶瓷功能梯度材料成分梯度变化，传统电火花电源加工无法实现根据不同成分的加工状态改变加工策略，以及存在加工效率低的问题，本发明以高效加工金属-陶瓷功能梯度为目标，根据金属-陶瓷功能梯度材料不同梯度成分放电状态的不同，利用CPLD脉冲控制模块制定不同的脉冲控制策略，实现金属-陶瓷电火花高效加工。

本发明带来的有益效果是，本发明通过加工主回路和控制回路的设计实现了对金属-陶瓷功能梯度材料的高效加工；主回路包括高低电压选择电路和电容选择电路，为本发明加工装置的不同放电策略的制定提供较大的选择空间；采用CPLD脉冲控制模块作为加工装置脉冲的控制器，成本低、控制程序程序易于编写和维护，检测系统的柔性较大；针对金属-陶瓷功能梯度材料的不同层，实时改变脉冲控制方式，大大提高加工效率，且加工效率提高了30％以上。

附图说明

图1为金属-陶瓷功能梯度材料的组成结构图；

图2是金属-陶瓷功能梯度材料电火花加工时的放电波形图；

图3为本发明所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源；

图4为利用本发明所述一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源对加工状态进行控制的效果图；(a)为电极与待加工部件间高压放电状态下的电压波形图；(b)为电极与待加工部件间脉冲扩展放电状态下的电压波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源，它包括放电检测模块1、CPLD脉冲控制模块2、驱动模块3、高低电压选择电路5和电容选择电路6；

放电检测模块1用于检测电极7与待加工部件8间的放电状态信号，还用于对待加工部件8的各层进行识别；待加工部件8为金属-陶瓷功能梯度材料，且从上至下依次为金属层、梯度层和陶瓷层；

放电检测模块1的控制信号输出端与CPLD脉冲控制模块2的控制信号输入端连接，CPLD脉冲控制模块2的脉冲控制信号输出端与驱动模块3的脉冲控制信号输入端连接；

驱动模块3用于对接收的控制信号进行隔离功率放大，驱动模块3的高压选通信号输出端与高低电压选择电路5的高压选通信号输入端连，驱动模块3的低压选通信号输出端与高低电压选择电路5的低压选通信号输入端连，驱动模块3的高压驱动信号输出端与电容选择电路6的高压驱动信号输入端连接，驱动模块3的低压驱动信号输出端与电容选择电路6的低压驱动信号输入端连接；

高低电压选择电路5，用于给电容选择电路6提供电源；

电容选择电路6的正向电源输出端与电极7连接；

电容选择电路6的正负向电源输出端与待加工部件8连接；且电极7与待加工部件8相对设置。

本实施方式，通过放电检测模块1实时检测金属-陶瓷功能梯度材料不同放电状态和不同层的识别，然后根据各层加工状态实时调整脉冲参数，实现金属-陶瓷功能梯度材料不同层的高效加工，进而提高该材料整体的加工效率。

如图2所示，本实施例中梯度层和陶瓷层的放电状态主要分为三种状态：正常放电(a)，不完全放电(b)和长脉冲放电(d)。在上述三种放电状态中，正常放电(a)为加工中所需的放电状态，不完全放电(b)和长脉冲放电(d)为不正常放电，在加工过程中应尽量消除。针对不正常放电状态，本发明加工装置通过控制高电压放电时间(c)和脉间扩展时间(e)来尽量的分别消除上述不完全放电(b)和长脉冲放电(d)，改善加工条件，提高对金属-陶瓷功能梯度材料的加工效率。

具体实施方式二：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源区别在于，所述的高低电压选择电路5包括高压电源E1、低压电源E2、电阻R1、电阻R2、二极管D1、二极管D2、NPN型MOS管M_g和NPN型MOS管M_d；

高压电源E1的正极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极与NPN型MOS管M_g的漏极连接，NPN型MOS管M_g的源极与NPN型MOS管M_d的源极连接，NPN型MOS管M_g的栅极与驱动模块3的高压选通信号输出端连接；

低压电源E2的正极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与NPN型MOS管M_d的漏极连接，NPN型MOS管M_d的栅极与驱动模块3的低压选通信号输出端连接；

NPN型MOS管M_g的源极作为高低电压选择电路5的正向电压输出端；

高压电源E1的负极和低压电源E2的负极同时连接，并作为高低电压选择电路5的负向电压输出端。

具体实施方式三：参见图1和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源区别在于，所述电容选择电路6包括加工电容C1、高能电容C2、NPN型MOS管M_c1和NPN型MOS管M_c2；

加工电容C1的一端与NPN型MOS管M_g的源极、高能电容C2的一端和电极7的一端同时连接；

加工电容C1的另一端与NPN型MOS管M_c1的漏极连接，NPN型MOS管M_c1的源极与NPN型MOS管M_c2的源极和待加工部件8同时连接，NPN型MOS管M_c1的栅极与驱动模块3的低压驱动信号输出端连接；

高能电容C2的另一端与NPN型MOS管M_c2的漏极连接，NPN型MOS管M_c2的栅极与驱动模块3的高压驱动信号输出端连接。

本实施方式中，

1)CPLD脉冲控制模块2根据放电检测模块1发出信号，判断下一步需要发出的脉冲状态；

当加工状态处于正常放电状态(a)时，CPLD脉冲控制模块2向高低电压选择电路5发出低压选通，高压关闭信号，同时向电容选择电路6发出选通加工电容C1，关闭高能电容C2信号；

当加工状态为不完全放电时(b)时，CPLD脉冲控制模块2向高低电压选择电路5发出低压关闭、高压打开信号，同时向电容选择电路6发出关闭加工电容C1，打开高能电容C2信号；

当加工状态为长脉冲放电时(d)，CPLD脉冲控制模块2向电容选择电路6发出脉冲打开低压回路，关闭高压回路信号。

2)驱动模块3对CPLD脉冲控制模块2发出的信号进行光电隔离并功率放大，然后将放大后的信号传送到各NPN型MOS管的驱动端，根据控制信号驱动不同的NPN型MOS管通断。

当加工状态处于正常放电状态(a)时，驱动模块3会根据CPLD脉冲控制模块2发出的控制信号，打开低压NPN型MOS管M_d，关闭高压NPN型MOS管M_g，打开加工电容M_C1，关闭高能电容M_C2；

当加工处于梯度层产生不完全放电(b)时，驱动模块3会根据CPLD脉冲控制模块2发出的控制信号会关闭低压NPN型MOS管M_d，打开高压NPN型MOS管M_g，关闭加工电容M_C1，打开高能电容M_C2，产生高电压放电波形(c)；

当加工处于陶瓷层产生长脉冲放电(d)时，驱动模块3会以脉冲方式打开低压NPN型MOS管M_d，关闭高压NPN型MOS管M_g，打开加工电容M_C1，关闭高能电容M_C2，产生脉间扩展波形(e)。

如图4所示，本实施例所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源，在不同放电状态下，实时控制放电状态的结果图，可以看到，当目前为不完全放电时，本发明加工装置可以通过控制高压回路的通断实现高电压放电，如图(a)所示，同时通过(b)图可以看出本发明加工装置可以实现实时的脉间扩展。

具体实施方式四：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源区别在于，还包括状态显示模块4；

状态显示模块4用于显示驱动模块3的工作状态。

具体实施方式五：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源的区别在于，所述的NPN型MOS管M_g和NPN型MOS管M_c2采用IRFP460型号Mosfet实现。

具体实施方式六：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源的区别在于，所述NPN型MOS管M_d和NPN型MOS管M_c1采用IRF840型号的Msofet实现。

具体实施方式七：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源的区别在于，所述CPLD脉冲控制模块2采用EPM240型可编程逻辑控制器实现。

具体实施方式八：参见图3说明本实施方式，采用具体实施方式一所述一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源实现的加工方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：电极7根据预设的放电状态对待加工部件8的各层进行加工，且CPLD脉冲控制模块2实时的根据放电检测模块1检测到的电极7与待加工部件8间的放电状态信号及对待加工部件8的各层进行识别，产生相应的控制信号，当放电检测模块1检测到待加工部件8梯度层中的不完全放电信号时，CPLD脉冲控制模块2输出高能脉冲控制信号至驱动模块3，从而使电极7与待加工部件8间进行高电压放电；当放电检测模块1检测到待加工部件8陶瓷层中的长脉冲放电信号时，CPLD脉冲控制模块2输出脉间扩展脉冲控制信号，使电极7与待加工部件8间进行脉间扩展放电；

步骤二：驱动模块3对CPLD脉冲控制模块2输出的脉冲控制信号进行隔离及功率放大，且隔离及功率放大后的脉冲控制信号对高低电压选择电路5和电容选择电路6进行选通控制，从而改变电极7与待加工部件8间的放电状态，最终完成对对待加工部件8各层的加工。

本发明所述一种用于对金属-陶瓷功能梯度材料进行电火花加工的加工电源的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。