放電加工機床用電源系統的制作方法

專利名稱：放電加工機床用電源系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及放電加工機床(EDM)用的電源系統。更具體地說，本發明是涉及將移動的金屬絲作為工具電極使用，并在該金屬絲電極和工件之間的間隙產生放電，從而將該工作加工成所希望的外形用的金屬絲放電精加工機床用的電源系統。
放電加工機床備有向工具電極和導電性工件之間形成的加工間隙供給連續控制功率脈沖的電源系統。工件被裝在工件槽中，在其間隙中灌滿煤油或具有大電阻率的去離子水之類電感性液體。在將功率脈沖施加到該間隙之中時，當間隙兩側的電壓達到某一數值后，由于電感性液體出現離子化，產生放電現象。結果是通過間隙產生放電電流，工件材料有極小的一部分蒸發或熔融，然后隨著電感性液體的流動而從間隙中流走。于是在工件表面上形成弧坑狀的極小凹坑。停止施加功率脈沖后，間隙之間的絕緣恢復。放電加工是通過工具電極與工件之間的相對移動，在間隙中發生大量放電，對零件或模具進行精密制造加工用的工藝，適合于硬金屬加工。
功率脈沖由電源裝置產生，電源裝置與包括支持工件的構件或使工具電極與工件作相對移動的機械構件在內的機械部分必須要保持一定的物理距離。在電源裝置的機殼中裝有用來產生功率脈沖的電氣構件，同時還裝有控制該功率脈沖的功率大小、極性、該脈沖的接通時間及斷開時間、以及控制工具電極相對移動的控制裝置。該電源裝置通過適當的導體連接到機械部分上。
在金屬絲放電精加工機床中，通常使金屬絲在走向與工件垂直的一對導輥之間運行，并將金屬絲作為工具電極使用。加工時將功率脈沖施加在間隙之間，移動的金屬絲沿著與工件軸線垂直的方向移動。將工件加工成具有所希望的外形，金屬絲放電精加工機床的加工也許與使用鋼絲鋸進行加工的方式相似。
眾所周知在一對導輥之間承受給定張力的狀態下，當金屬絲以給定的速度移動時，會使其上方和下方的金屬絲導輥產生微小的振動。由于這種不希望有的金屬絲的振動，使得工件上與金屬絲相對的部分的兩個表面之間的中央部分比其上側表面及下側表面遭受到不應有的磨蝕，結果對制品的形狀精度產生不良影響。通過提高金屬絲的移動速度，可以提高金屬絲的直度。另外，通過加大供給間隙的單位時間能量，由于對放電的金屬絲產生壓力，也能減小金屬絲振動的振幅。可是，當需要每次以小能量的功率脈沖供給間隙時，金屬絲的振幅就得不到充分減小。例如，使金屬絲沿規定的軌跡移動，對工件上的外形進行粗加工之后，為了改善加工后的工件表面光潔度，還要使金屬絲沿偏離該規定的軌跡的軌跡移動加工，進行所謂的“二次精銑”，自然就會要求每一次功率脈沖的能量要小。放電結束后，由于要在間隙中恢復充分絕緣，不可能過分縮短功率脈沖之間的斷路時間，因此功率脈沖的循環頻率的增加受到限制。
本發明的目的是提供這樣一種金屬絲切割放電加工機用的電源系統，它能夠以高重復頻率向間隙持續供給功率脈沖，增大向間隙提供的單位時間能量，結果能夠減小金屬絲的振幅。
本發明的另一個目的是提供一種通過以高重復頻率向間隙持續提供功率脈沖，改善加工效率的放電加工機用的電源系統。
另外，本發明的目的是提供一種能根據不同的目的、供給振幅或重復頻率不同的功率脈沖的放電加工機用的電源系統。
本發明的其它目的，將在后面的說明中部分地加以闡述，如果是本專業工作者，則通過實踐本發明的過程中也會逐步理解。
為了達到上述目的，按照本發明，將功率脈沖供給在工具電極和工件之間形成的加工間隙，并通過放電對工件進行加工的放電加工機用的電源系統由以下部分構成直流電源；發生有受控接通時間和受控斷開時間的連續脈沖信號的脈沖發生器；與直流電源串聯、響應受控脈沖信號，使從直流電源輸出的直流電流脈沖化的開關；還有一端與直流電源的一端連接的第1導體，以及一端與直流電源的另一端連接的第2導體、將通過開關流過的直流脈沖送到加工間隙附近、且有小線路電感的同軸電纜或絞線類電纜；以及其輸入端與第1導體的另一端及第2導體的另一端連接、其輸出端連接至加工間隙，并將其配置在加工間隙附近、將從直流電源通過開關流過的直流脈沖變換成交流脈沖、從而使交流脈沖流過加工間隙的變換裝置。
變壓器最好有環形鐵心、繞在該環形鐵心上且與電纜的一端連接的一次線圈、以及繞在該環形鐵心上且連接到加工間隙的二次線圈，從而使直流電源輸送給一次線圈的能量，通過電磁感應送給二次線圈。
另外，最好盡可能減少變壓器線圈的匝數。
另外，電源系統最好含有使變換裝置電性旁路的裝置，以便有選擇地使來自直流電源的直流脈沖通過加工間隙流過。該旁路裝置和變換裝置可集中在一起裝在設在加工間隙附近的一個殼體中。
圖1是說明本發明的一個實施例中的電源系統的簡略框圖。
圖2A、2B、2C、2D、2E、2F及2G是說明與電源系統相關的電壓及電流波形的時間圖。
圖3是說明將直流變換成交流的變壓器和該變壓器旁路用的開關集中裝在一起的箱體配置情況示意圖。
圖4是說明圖3所示殼體中的電路示意框圖。
圖5是說明圖4中的一個開關的詳細斷面圖。
圖6是說明本發明的另一個實施例中的電源系統的簡略框圖。
以下參照


本發明。圖1表示本發明的一個實施例中的電源系統，其中包括主機部、以及與該主機部相距一定物理距離配置的電源裝置5的金屬絲切割放電加工機用的電源系統。
該主機部包括在金屬絲的一對導輥2A及2B之間移動的金屬絲1，該金屬絲1在規定的張力下、與工件架4上承載的工件3保持一定的間隔。該工件架4載于可在垂直于金屬絲1的平面內移動的XY縱橫移動工作臺(圖中未示出)上。主機部還包括圖中未示出的(例如)使金屬絲1從繞線架向間隙移動用的機械構件，以及將電感性液體導入間隙的構件。
電源裝置5包括電路6，該電路6包括直流電源6A、串聯到該直流電源6A上的開關元件6B及限流電阻6C。為了簡單明了地說明實施例，在圖示的實施例中僅示出由開關元件6B及限流電阻6C構成的一個直流組件。為了能任意選擇流過電路6的電流值，還可以另外設置與該直流組件并聯、且與直流電源6串聯的的直流組件。電路6還有防返流用的二極管6D、以及用于保護開關元件6B，使其不受浪涌電流損害的開關6E及二極管6F。
電源5還包括與電路6并聯的電路8，該電路8有可變直流電源8A、連接到該電源8A上的開關元件8B、防返流用二極管8C、以及保護開關元件8B的二極管8D。開關元件6B及8B由(例如)MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)之類的電子開關構成。電路8不含實質性的電阻，因此從直流電源8A輸出后通過開關元件8B的直流脈沖的前沿及后沿陡峻，適合于向機械部提供高頻直流脈沖。開關元件8B在非飽和區動作，通過控制開關元件8B的閉合時間，可使放大的電流脈沖的峰值維持定值。
還沒有脈沖信號發生裝置7，它分別向開關元件6B及開關元件8B提供有接通時間和斷開時間的脈沖信號，開關元件6B及8B分別響應該脈沖信號，在脈沖信號的接通時間內進行斷路動作。脈沖信號發生裝置7含有控制脈沖信號的接通時間和斷開時間的控制器。一般說來，在金屬絲切割放電加工機中，最好供給導通時間較短的功率脈沖。雖然工件3上待加工部分所希望的表面光潔度與工件3的材料有關，但使用的功率脈沖的導通時間一般都在數μS以下、最大在數10μS以下。
在金屬絲放電精加工機的機械部和電源5之間連接的導體11A及11B盡可能使線路電感小，以便使流過間隙的電流脈沖的前沿及后沿陡峻。例如導體11A及11B采用配置成同軸的同軸電纜11。或者也可以用絞線連接機械部和電源裝置5。在圖示的實施例中，導體11A的一端連接直流電源6A及8A的陰極，其另一端連接金屬絲。導體11B的一端連接直流電源6A及8A的陽極，其另一端連接工件3。
變壓器13設置在間隙附近，它將從直流電源8A輸出的、通過開關元件8B及同軸電纜11輸送的直流脈沖變換成交流脈沖。該變壓器13包括高頻損失小的鐵氧體環形鐵心13A、繞在該環形鐵心13A上的一次線圈13B及二次線圈13C。例如可以采用將外徑為55mm、內徑為30mm的鐵氧體環形鐵心重疊成雙層構成的環形鐵心13A·線圈13B及13C可以是(例如)含有聚四氟乙烯系列樹脂被覆的導線。一次線圈13B與導體11A及11B連接，二次線圈13C與間隙連接。為了盡可能維持從直流電源8A輸出、通過開關元件8B輸送的直流高頻脈沖的波形，最好是盡可能減少一次線圈13B的匝數。同樣，為了盡可能維持在二次線圈13C中感應的交流高頻脈沖波形，最好也是盡可能減少二次線圈13C的匝數。在二次精銑中放電時，為了使每次向間隙供給能量較小、重復頻率較高的電流脈沖，在圖示的實施例中，一次及二次線圈13B及13C分別為1匝及2匝。因此，一次線圈13B和二次線圈的13C的匝數比為1∶2，線圈13C的電壓有效值變為前者的2倍，電流值變為前者的1/2。匝數和最好在1～4以內。
電路8因不含實質性的電阻，所以通過開關元件8B輸送的直流脈沖的峰值容易增加，因此，不變更該一次線圈及二次線圈的匝數比，也容易向間隙供給具有較高電流值的交流高頻脈沖。
在本實施例中，變壓器13裝在小型外殼12中。在該外殼12中還裝有開關14A、14B、14C及14D。設在導體11B和工件3之間的開關14A及設在導體11A和金屬絲1之間的開關14B同時動作。設在導體11B和一次線圈13B之間的開關14C、以及設在二次線圈13C和工件3之間的開關14D同時被控制，從而使開關14A及14B進行開閉及逆動作。當從電路6或從電路8或從電路6及8兩方面向間隙供給具有所希望的值的直流脈沖時，使開關14A及14B處于接通狀態，而使開關14C及14B處于斷開狀態。當從電路8向間隙供給高頻交流脈沖時，使開關6E和開關14A及14B處于斷開狀態，而使開關14C及14D處于接通狀態。
以下參照圖2A、2B、2C、2D及2E，說明圖1中的電源系統的工作原理。圖2A、2B、2C、2D及2E分別表示從脈沖信號發生電路7向開關元件8B給供的脈沖信號的電壓波形、從直流電源8A通過開關元件8B向一次線圈13B輸送的直流脈沖波形、在二次線圈13C上感應的電壓波形、加在間隙上的電壓波形、以及流過間隙的電流波形。
使開關6E和開關14A及14B處于斷開狀態、并使開關14C及14D處于接通狀態，此時如圖2A所示，脈沖信號發生電路7向開關元件8B供給脈沖持續時間(即接通時間)設定為Ton、脈沖的循環周期(即斷開時間)設定為Toff的脈沖信號。例如當要求將工件3加工成Rmax表面光潔度為較平滑的0.5至3.5μ時，設定Ton為50ns～500ns，將Toff設定為500ns～10μs即可。通過同軸電纜11向一次線圈13B供給的直流，如圖2B所示，開關元件8B導通后，電流迅速上升，而當接通時間Ton結束時，又快速下降。在一次線圈13B中發生直流脈沖時，在2次線圈13C中感應出交流，于是如圖2C所示的電壓被施加在間隙上。在間隙中，到達某一無負載時間后，發生放電，如圖2E所示，有交流脈沖流過間隙，工件3被加工。
如本專業工作者所知，在設定斷開時間Toff時，要使其不會使圖2C所示的電壓脈沖的循環周期(即AToff)過短。由于是交流脈沖流過間隙，所以(例如)即使AToff短，間隙中的絕緣也會立刻恢復，因此可將斷開時間Toff設定成較小的值。此外，與流過間隙的直流相比較，能防止影響工件表面的電解作用。
其次，參照圖3、4及5，說明集中裝在一個外殼12中的變壓器13、開關14A、14B、14C及14D的布置情況。
由圖3明顯可見，外殼12是長方形的小箱，設置在靠近工作架4的位置處，而后者支裝在工件槽或工件盤(圖中未示出)上。工件3安裝在該工件架4上，與以規定的張力架設在一對金屬線導向輥2A及2B之間的金屬絲電極1相對。金屬絲導向輥2A及2B以垂直于工件3的方式彼此相對，且分別被裝在備有向間隙噴出電感性液體的噴嘴的導向裝置18A及18B中。
箱12上設有端子15A、15B、15C、15D及15E。該端子15A及15B采用(例如)絞線以最短的距離連接到同軸電纜11的端部。同樣，端子15C用絞線16A以最短的距離連接到兩個導向輥18A及18B中的一個上，(例如)連接到下方的導向輥18B上，而且端子15D及15E用絞線16B以最短距離連接到工件架4上。代替使用絞線16B的方法是用適當的螺釘、或者利用焊接方法，將包括端子15D及15E的金屬板安裝在工件架4的邊緣上即可。這樣，在變壓器13中生成的高頻交流就能以最短的距離供給在工件3和線1之間形成的間隙，因此高頻電流可以流過間隙。
由圖4明顯可見，外殼12被劃分成室12A、12B及12C。室12B最接近端子15A、15B及15C，其中裝有開關14A及14B。室12A與12B相鄰，其中裝有變壓器13。室12C與室12A相鄰，最靠近端子15D及15E，其中裝有開關14C及14D。
參照圖5，以開關14D為例，詳細說明裝在外殼12中的多個開關的結構。
眾所周知，對接接觸式的開關14D包括有接觸面21的靜觸頭14DS、以及有接觸面21、且能沿著與該接觸面21垂直方向移動的觸頭14DM。觸頭14DS及14DM各自的接觸面21能很好地導通高頻功率脈沖。利用動觸頭14DM與靜觸頭14DS之間的接觸面相對移動，通過控制，向室12C中有選擇地供給流體，該流體是從設置在室12C的外部的流體源(圖中未示出)，通過孔20A及20B中的任意一個供給的。為了防止液體漏泄，采用O形環密封圈19A、19B及19C，將其設置在開關14D的適當的部位。
圖6表示本發明的另一實施例中的電源系統。與圖1所示的相同的部件標以相同的標號，其說明從略。
在圖示的實施例中，增設了電路9，用來生成直流脈沖，該電路9有可變直流電源9A、開關元件9B、防反流用二極管9C、以及保護開關元件9B的二極管9D。在電路9中，除了開關元件9B的動作時間不同外，其結構與電路8相同，因此對其主要部件的說明從略。通過同軸電纜17連接到電路9上、且繞在鐵心3A上的線圈13D設置在箱12中。開關14E配置在該線圈13D和同軸電纜17之間。
參照圖2A、2F及2G，說明電源系統的工作原理。圖2F及2G分別表示從脈沖信號發生電路7向開關元件9B供給的脈沖信號的電壓波形及在二次線圈13C中感應的電壓波形。
當斷開開關6E、14A及14B、并接通開關14C、14D及14E的狀態下，如圖2F所示，在圖2A所示的脈沖信號接通時間內，脈沖信號發生電路7將脈沖信號供給開關元件9B。其結果如圖2G所示，在二次線圈13C中產生循環頻率比圖2C所示的電壓更高的電壓脈沖，于是頻率極高的交流脈沖通過間隙，對工件3進行加工。
應當理解本發明的目的不是限定于與在本專利申請中公布的形式完全相同的結構，按照上述的說明，可以進行多處改進和改變。例如，在實施例中，雖然外殼12是設在靠近工件架4的位置上，但也可以固定在工件槽的側壁上，或者分別固定在支持導向輥18A及18B的橫壁上。上述實施例是以說明本發明的本質及其實際應用為目的而選用的。本發明的范圍由另附的權利要求書定義。
權利要求
1.一種電源系統，它是通過向在工具電極和工件之間形成的加工間隙供給功率脈沖，利用放電加工工件的放電加工機床用的電源系統，該電源系統的特征為備有直流電源；發生有受控接通時間及受控斷開時間的連續脈沖信號的脈沖發生裝置；與上述直流電源串聯，響應上述脈沖信號、使來自上述直流電源的直流電流脈沖化的開關；備有一端與上述直流電源的一端連接的第1導體、及一端與上述直流電源的另一端連接的第2導體、構成能使上述第1及第2導體中的電感減小，并將通過上述開關的直流脈沖輸送到加工間隙附近的電纜；以及其輸入端與上述第1導體的另一端及第2導體的另一端連接、其輸出端與上述加工間隙連接、配置在該加工間隙附近、將從上述直流電源輸出流過上述開關的直流脈沖變換成交流脈沖、從而使該交流脈沖流過上述加工間隙的變換裝置。
2.權利要求1所述的電源系統，其特征為上述電纜包括同軸電纜。
3.權利要求1所述的電源系統，其特征為上述變換裝置包括變壓器，它有與上述電纜的一端連接的一次線圈及與上述加工間隙連接的二次線圈，它將從上述直流電源輸送給上述一次線圈的能量，通過電磁感應送給上述二次線圈。
4.權利要求3所述的電源系統，其特征為上述變壓器含有通過感應電流的環形鐵心。
5.權利要求1所述的電源系統，其特征為上述直流電源包括可變直流電源。
6.權利要求3所述的電源系統，其特征為上述一次線圈有最少匝數。
7.權利要求6所述的電源系統，其特征為上述一次線圈匝數為1。
8.權利要求7所述的電源系統，其特征為上述一次線圈和上述二次線圈的匝數之和在4以內。
9.權利要求1所述的電源系統，其特征為還含有使上述變換裝置電性旁路的裝置。
10.權利要求9所述的電源系統，其特征為上述旁路裝置含有其一端與上述第1導體的上述另一端連接、其另一端與上述工具電極和上述工件兩者中的一方連接的第3導體；其一端與上述第2導體的上述另一端連接，其另一端與上述工具電極和上述工件兩者中的另一方連接的第4導體；以及控制流過上述第3及第4導體的電流的開關裝置。
11.權利要求10所述的電源系統，其特征為上述變換裝置和上述開關裝置集中裝在配置在加工間隙附近的一個外殼中。
12.權利要求1所述的電源系統，其特征為還含有第2直流電源、以及與第2直流電源串聯的第2開關及限流電阻，這些直流組件與同上述第1直流電源和上述開關串聯的組件并聯。
全文摘要
有直流電源和開關元件的電源裝置離開在工具電極和工件之間形成的間隙設置，將從電源裝置通過同軸電纜輸送的高頻直流脈沖變換成高頻交流脈沖的變換器與該間隙連接。該變換器包括環形鐵心，接在同軸電纜上的一次線圈及接在間隙上的二次線圈。這些線圈最好有最少的匝數。還設有使來自直流電源的直流脈沖和在變壓器中感應的交流脈沖有選擇地通過間隙的旁路裝置。最好將旁路裝置和變壓器裝設在加工間隙附近的一個外殼中。
文檔編號B23H1/02GK1123531SQ9519009
公開日1996年5月29日 申請日期1995年2月17日 優先權日1994年2月18日
發明者金子雄二, 上田忠夫, 渡部善博, 豐永龜生 申請人:沙迪克株式會社