CC BY
365
ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА, УПРОЧНЕНИЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ШШ^БРАБОШ
УДК 621.9.048.4
Источник технологического тока для электроэрозионной обработки
С. А. Недиогло, П. Я. Косенко, С. А. Деревянченко
Ключевые слова: генератор импульсов, межэлектродный промежуток, рабочие импульсы, силовой блок питания, электроэрозионная обработка.
Изготовление и совершенствование промышленных источников питания является задачей, актуальной для всех предприятий — производителей электроэрозионных станков [1]. Известно, что при осуществлении электроэрозионной обработки некоторых видов целесообразно задавать форму импульсов [2]. Поэтому в настоящей работе решается задача разработки широкодиапазонного источника технологического тока с возможностью программирования формы импульса тока. Кроме того, рассматривается задача увеличения КПД генератора импульсов без снижения технологических возможностей станка.
В классической схеме генераторов импульсов (ГИ) для электроэрозионной обработки (генераторы типа ШГИ) напряжение холостого хода составляет 70...90 В. На межэлектродном зазоре напряжение падает до 20.25 В, на балластных резисторах — до 55.60 В, а КПД ГИ без учета источника питания составляет 25.30 %. Выбранное напряжение холостого хода обусловлено необходимостью получения достаточно крутых фронтов импульсов тока (длительность фронта — 300.1000 нс) при заданной индуктивности токоподводов. Установлено, что пологий передний фронт приводит к снижению износа электрода, а крутой задний фронт — к увеличению производительности [3].
На заводе «Топаз» разработан и изготовлен генератор импульсов ГИ-М. КПД его генератора удалось повысить до 70 % за счет снижения напряжения холостого хода до 35 В. В целях уменьшения заднего фронта импульса была применена специальная схема рекуперации энергии, накопившейся в индуктивности токоподводов.
Для получения импульсов тока заданной формы использована схема токового цифроана-логового преобразователя с R-2R-4R-8R...-ре-зисторной матрицей, управляемая программируемой логической матрицей ^РОА). Кроме того, в состав генератора входит цифровой
сигнальный процессор TMS320F2810 (Texas Instruments) для управления сервоприводом оси Z и поддержания оптимального межэлектродного зазора. Генератор импульсов состоит из трех основных блоков: питания, токовых ключей и управления.
Задача блока питания заключается в том, чтобы получать из входной трехфазной сети стабилизированное и регулируемое в пределах 30.40 В напряжение и напряжение 300 В для питания поджигающих ключей. Блок питания выполнен по классической мостовой схеме квазирезонансного инвертора с коммутацией при нуле тока с регулированием частотно-импульсной модуляции с максимальной частотой 100 кГц. Ключевые элементы инвертора выполнены на основе транзисторов IGBT (International Rectifier), силовой трансформатор изготовлен на основе сердечников UU (Epcos). Данная конструкция позволяет получить КПД блока питания около 85 % [3, 4].
Блок токовых ключей состоит из семи каналов силовых ключей (1, 2, 4, 8, 16, 16+16 А) и канала 64 А, это позволяет устанавливать амплитуду тока до 127 А с дискретностью 1 А. В него входят также поджигающие ключи с напряжением холостого хода 300 В и токами 2, 4 и 8 А соответственно. В состав блока введен специальный модуль обработки титановых сплавов, который позволяет получить в межэлектродном промежутке импульс тока амплитудой 400 А и длительностью 20 мкс для пробоя оксидной пленки при обработке титана.
Блок управления формирует импульсы тока, управляет величиной межэлектродного зазора и отслеживает такие внештатные ситуации, как короткое замыкание, дугообразова-ние и шлакование в межэлектродном промежутке (МЭП). Время реакции на внештатные ситуации составляет порядка 100 нс благодаря применению FPGA последнего поколения (Altera).
ИАбра^ТКА
электроэрозионная обработка, упрочнение и комбинированные процессы
I, А А
Tek Стоп
t, мкс
Рис. 1. Рабочие и защитные импульсы:
д — длительность импульса токовой добавки; tф — длительность фронта импульса; tп — длительность
полки; tп
— длительность паузы
Формируемый импульс состоит из переднего фронта, полки и заднего фронта. Передний фронт может иметь три базовые формы: линейно нарастающую, экспоненциальную и синусоидальную. Длительность переднего фронта задается в пределах 0...500 мкс, так же как и длительность полки. Длительность заднего фронта составляет 300.500 нс [5].
ГИ-М позволяет формировать четыре вида импульсов (рис. 1): поджигающие, рабочие с амплитудой 1р, рабочие защитные с амплитудой 1з и импульсы токовой добавки рабочие с амплитудой 1тд. Задание параметров и режимов работы ГИ-М производится с помощью либо ЧПУ на базе промышленной рабочей станции, либо персонального компьютера, подключенного к ГИ-М посредством интерфейса RS-422.
По сравнению с существующими аналогами зарубежного и отечественного производства ГИ-М предоставляет следующие возможности:
• оперативное задание различных длительностей фронтов нарастания и спада рабочих импульсов, которое обеспечивает оптимизацию таких технологических параметров, как производительность и износ электрода-инструмента (ЭИ);
• оперативное задание рабочих импульсов четырех форм: прямоугольной, трапецеидальной, экспоненциальной и с синусообразным нарастающим фронтом. Предусмотрена возможность включения дополнительного импульса токовой добавки требуемой амплитуды и длительности, синхронизированного с фронтом спада рабочего импульса;
• плавное изменение и большой диапазон вариации величины МЭП, скорости реакции системы на состояние МЭП в процессе работы;
• защита от дугообразования и короткого замыкания в МЭП (с возможностью изменения порогового уровня), позволяющая предотвращать возникновение указанных нежелательных эффектов.
К1 200 тВ
Г 10,0 цс А К1 / 2,86 В
Рис. 2. Экспоненциально нарастающий импульс тока
Tek Стоп
К1 500 тВ Г 40,0 цс А К1 / 3,99 В
Рис. 3. Оптимальная форма импульса тока
На рис. 2 показана осциллограмма экспоненциально нарастающего импульса тока, который применяют для обеспечения минимального износа электрода-инструмента. Осциллограмма на рис. 3 (экспонента с полкой) соответствует оптимальной форме импульса с точки зрения износа электрода и производительности. Основные характеристики генератора показаны в таблице.
Результаты испытаний генераторов ГИ-М в работе позволяют говорить о возможности использования данной разработки в качестве базовой для создания ряда генераторов технологического тока, имеющих разную мощность, форму и амплитуду импульсов технологического тока. Массогабаритные характеристики ГИ-М на порядок меньше, чем у существующих
ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА, УПРОЧНЕНИЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССЫ
ШШБМЛ
Основные характеристики ГИ-М
Параметр Значение
Амплитуда напряжения холостого хода, В:
рабочих импульсов 35
поджигающих импульсов 300
Амплитуда тока импульсов, А:
рабочих 1.60*
защитных 0.18*
поджигающих 0.14**
токовой добавки 0.128*
Длительность, мкс:
импульса тока рабочих импульсов, в т. ч.:
фронта tф 1.500*
«полки» tп 1.500*
токовой добавки ^д 0.30*
паузы между рабочими импульсами з 1.500*
пачки рабочих импульсов 100.10 000***
паузы между пачками рабочих импульсов 100.10 000***
Режим работы Длительный
Охлаждение Воздушное, при-
нудительное
Напряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, В 380 ± 10
Частота питающей сети, Гц 50 ± 1
Максимальная потребляемая мощность, кВт Не более 6
Габаритные размеры, мм:
ширина 615
длина 319
высота 575
Масса, кг Не более 70
Дискретность установки:
* — 1 мкс;
** — 2 мкс;
*** — 100 мкс.
отечественных генераторов. Большее количество функций и увеличенный в два раза КПД позволяют использовать ГИ-М как для установки на новые станки, так и для модернизации старых.
Литература
1. Физико-химические методы обработки в производстве газотурбинных двигателей / Под ред. проф. Б. П. Саушкина. М.: Дрофа, 2002. 656 с.
2. Рыбалко А. В., Хамурарь В. И., Гринчук Д. М. Перспективы повышения производительности электроискрового легирования // Электронная обработка материалов. 1999. № 1. С. 10—14.
3. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. Л.: Энерго-атомиздат, Ленингр. отд., 1991. 176 с.
4. Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов. 2-е изд., перераб. и доп. Энер-гоатомиздат. Ленингр. отд., 1991. 208 с.
5. Золотых Б. Н. Об открытии и развитии электроэрозионной обработки металлов // Электронная обработка материалов. 2003. № 3. С. 4—9.
