《电加工与模具》２０１２年第３期 设计・研究 基于非共振固有振荡的微细电火花加工 脉冲电源的研究 孙术发 ，狄士春 ，韦东波 ，吕鹏祥 ，李兆龙 （１．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１； ２．东北林业大学，黑龙江哈尔滨１５００４０） 摘要：实现微细电火花电源微能放电并提高脉冲电源的频率一直是理想之选，但由于受到电源 电阻、电容、电感自带杂散电容和杂散电感的影响，使提高脉冲电源频率遇到了瓶颈。通过对电火 花放电电路和联接线路的分析，提出了依靠电火花机床和连接线路的固有振荡制作微细电火花脉 冲电源。通过理论计算和电路仿真，放电电路的振荡周期可控制在１．１７６ ｎｓ，脉宽低于６５０ ｐｓ，这 为皮秒级电火花脉冲电源的制作和微细电火花纳米级加工提供了理论支持。 关键词：非共振固有振荡；微细电火花加工；脉冲电源；皮秒级 中图分类号：ＴＧ６６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２７９Ｘ（２０１２）ｏ３—００１４—０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＭＥＤＭ Ｐｕｌｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｎｏｎ—ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｎａｔｕｒａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ｓｕｎ Ｓｈｕｆａ 一，Ｄｉ Ｓｈｉｃｈｕｎ ，Ｗｅｉ Ｄｏｎｇｂｏ ，ｌｎ Ｐｅｎｇｘｉａｎｇ ，Ｌｉ Ｚｈａｏｌｏｎｇ （１．Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １ ５０００ １，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １ ５００４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｆｅｅｂｌｙ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ＭＥＤＭ ｐｏｗｅｒ ｐｕｌｓｅ ｉｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｃｈｏｉｃｅ．Ｂｕｔ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｒｅｓｉｓｔｏｒ，ｃａｐａｃｉｔｏｒ，ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｙ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｎｄ ｓｔｒａｙ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＭＥＤＭ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｒｏｕｔｅｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｎｏｔ ｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ， ｂｕｔ ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＥＤＭ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｓ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｔｏ ｍａｋｅ ＭＥＤＭ ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｃｉｒ— ｃｕｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎ １．１７６ ｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｃａｎ ｂｅ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ６５０ ｐｓ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ ｍａｋｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ＭＥＤＭ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ—ｒｅｓｏｎａｎｔ ｎａｔｕｒａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ；ＭＥＤＭ；ｐｕｌｓｅ ｐｏｗｅｒ；ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ １ 微能脉冲电源研究现状及其存在的问题 在微细电火花加工过程中，脉冲电源的放电能 量越低，加工蚀除量越小，所以要实现微小加工，就 要求制作的微能脉冲电源的单个脉冲放电能量尽可 能的低。根据能量与电压、电流的关系，单个脉冲放 电能量ｗ 可表示为…： 丁 式中：Ｔ为脉冲周期；Ｕ（ｔ）为单个脉冲放电电压；ｉ （ｔ）为单个脉冲放电电流。 从式（１）可看出，要减少单个脉冲放电的能量有 ３种途径：降低放电电压、降低放电电流及提高脉冲 电源频率。电火花放电为等离子体放电，放电时的 电压和电流较恒定，电压维持在２５ Ｖ左右，电流为 较恒定的峰值，故通过减小放电电压和放电电流的 方法来降低放电能量不可行，所以提高脉冲电源的 频率是唯一可行的方法。 当前使用的微细电火花加工脉冲电源主要有两 Ｗ ＝Ｉ Ｕ（ｔ）ｉ（ｔ）ｄｔ 收稿日期：２０１２—０２—２７ （１） 第一作者简介：孙术发，男，１９８０年生，博士研究生。 一１４一 《电加工与模具》２０１２年第３期 电火花加工机床的电极与工件需由导线联接， 设计・研究 导线可等效为电阻和电感，长为ｚ、直径为≯的导线 模型图见图４，图５是该导线的等效电路图。 图４导线模型图 Ｌ Ｒ３ ／－ｘｃ－ｘ￣ 图５导线等效电路图 导线内电感为Ｌ ，导线与导线之间、与大地之 间还存在外电感，只要保证导线之间的距离足够远， 那么，外电感就可忽略不计。由导线和微细电火花 机床组成的等效电路图见图６。结合非共振固有振 荡原理可知，只要给一个频率为放电电路固有振荡 频率整数倍分之一的脉冲激励，放电电路就会形成 非共振固有振荡，振荡频率为： 。 ：—— ：一 （３）‘３ Ｒ ３ ｎ ＋——＿［二二］— Ｌ］ ｒ＿］厂１一广＿Ｊ— ｎ Ｌ ＬＪ Ｉ 图６微细电火花放电电路等效图 ２．３脉冲激励发生器的制备 脉冲激励发生器是产生脉冲激励的装置，用来 产生频率为放电电路固有振荡频率整数倍分之一的 脉冲。由于放电电路的固有振荡频率很高，可达几 百兆，脉冲激励频率也要达到几百兆，这就要求脉冲 发生器能产生快速可调的脉冲信号。本文设计的脉 冲激励发生器是利用高速功率管Ｍｏｓｆｅｔ作为开关， 从而产生高频窄脉宽，Ｍｏｓｆｅｔ管具有开通与关断时 间为几个ｎｓ的功能，能满足产生脉冲电源所要求的 脉冲激励发生器的功能。脉冲激励发生器的原理图 见图７。 ３ 仿真分析 利用电路仿真软件ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ．０对电火花放 电电路进行了仿真，仿真电路图见图８。Ｍｏｓｆｅｔ驱动 一１ ６一 Ｕ０ Ｒ５ 图７脉冲激励发生器原理图 Ｌ 图８仿真电路图 信号的脉宽为２０ ｎｓ，周期为２５ ｎｓ，电压己，。为５０ Ｖ，电感Ｌ：为５ ｎＨ，电容Ｃ 为５ ｐＦ。通过示波器 测定放电电路波形图（图９）。 图９仿真波形图 通过计算可知电路的震荡周期为１．１７６ ｎｓ，如 使放电电路在正半周放电、负半周不放电，那么放电 脉宽为６５０ ｐｓ或更低，这样就可实现ｐｓ级电火花放 电，使放电能量更低，为实现纳米级电火花放电提供 理论支持。 ４ 结论 传统的微细电火花脉冲电源由于受到开关元器 件自身属性的，其脉冲宽度难以进一步降低。 本文提出利用机床和导线所产生的电感和电容制作 脉冲电源的想法，整个电路结构简单，减少了众多元 器件间的干扰。运用非共振固有振荡的原理使机床 电容与传输线电感发生振荡，经仿真观察发现振荡 频率高达１ ＧＨｚ左右，放电脉宽可达６５０ ｐｓ，可实现 ｐｓ级放电，为进一步进行纳米级电火花加工提供了 理论支持。 （下转第２６页） 《电加工与模具》２０１２年第３期 图７。 表１ 纳米放电通道气压－击穿时间模拟值 。ｌ 一 × 垦 蓉 酞 相 气压／ａｔｍ 图７纳米放电通道击穿时间随气压变化图 由图７可见，通道气压在一定范围内（初步认为 是５ ７６０～２０ ７６０ Ｔｏｒｒ／７．６～２７．３ ａｔｍ）的气体电离 效果较好，击穿时间约为７．５×１０ １２ Ｓ。在此范围 外，增加或减小气压都会降低电离效果，使击穿时间 延长，验证了气体电离最佳击穿气压的存在性。 ３ 结论 （１）运用粒子模拟方法，结合蒙特卡罗碰撞模 型和二次电子发射模型，对微纳米级氩气电离等离 子体放电通道的形成过程进行模拟仿真。通过模拟 对比发现，等离子体中带电粒子在微米尺度呈现出 波动性，在纳米尺度则更多地呈现出粒子特性。 （２）模拟验证了纳米尺度氩气放电最佳击穿气 压的存在性。数据处理结果显示，气压在一定范围 内气体电离效果较好，在此范围之外气压偏大或偏 小都会降低电离效果，击穿时间会延长。 参考文献： ［１］ Ｋｕｎｉｅｄａ Ｍ，Ｈａｙａｓａｋａ Ａ，Ｙａｎｇ Ｘｉａｏｄｏｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｎａｎｏ ＥＤＭ ｕｓｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ， ２００７，５６：２１３—２１６． ［２］Ａｌｋｈａｌｅｅｌ Ａ Ｈ，Ｙｕ Ｚｕｙｕａｎ，Ｓｕｎｄａｒａｍ Ｍ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｆｅａ－ ｔｕｒｅｓ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＮＡＭＲＩ／ＳＭＥ，２００６，３４：４３７—４４４． ［３］Ｖｉｒｗａｎｉ Ｋ Ｒ，Ｍａｌｓｈｅ Ａ Ｐ，Ｒａｊｕｒｋａｒ Ｋ Ｐ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｄｉｅｌｅｃ一 一２６一 设计・研究 ｔｒｉｃ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｗｅａｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒ—ｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ａｎｎａｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＩＲＰ，２００７，５６：２１７ ２２０． ［４］Ｖｉｒｗａｎｉ Ｋ Ｒ，Ｍａｌｓｈｅ Ａ Ｐ。Ｒａｊｕｒｋａｒ Ｋ Ｐ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｇｎ ｓｕｂ一２０ ｎｍ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｈ） ｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００７，９９：０１７６０１—１—０１７６０１—４． ［５］ Ｋａｌｙａｎａｓｕｎｄａｒａｍ Ｖ，Ｖｉｒｗａｎｉ Ｋ Ｒ，Ｓｐｅａｒｏｔ Ｄ Ｅ，ｅｔ ａ１．Ｕｎｄｅｒ－ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｇｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｍａｃｈｉｎｉｎｇ［Ｊ］．ＣＩＲＰ Ａｎｎａｌｓ． Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，５７（１）：１９９—２０２． ［６］崔景芝．微细电火花加工的基本规律及其仿真研究［Ｄ］．哈尔 滨：哈尔滨工业大学，２００８． ［７］ Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎｌｏｎｇ，Ｐｅｎｇ Ｚｉｌｏｎｇ，Ｊｉｎ Ｂａｉｄｏｎｇ．Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ＥＤＭ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ａｉｒ ｆｏｒ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｓｐｉｒａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ８ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｆｒｏｎ． ｔｉｅｒｓ ｏｆＤｅｓｉｇｎ ａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｔｉａｎｊｉｎ，２００８：８０７—８１０． ［８］ Ｚｈａｏ Ｗａｎｓｈｅｎｇ，Ｃａｏ Ｇｕｏｈｕｉ，Ｗａｎｇ Ｚｈｅｎｌｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｉｍａｒｙ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｍｉｃｒｏ— ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｋｅｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００４，２５９—２６０：４９６—５０１． ［９］江剑平，翁甲辉．阴极电子学与气体放电原理［Ｍ］．北京：国防 工业出版社。１９８０． ［１０］Ｒａｄｍｉｌｏｖｉｃ．Ｒａｄｊｅｎｏｖｉｃ Ｍ，Ｐｅｔｒｏｖｉｃ Ｚ Ｌｊ，Ｒａｄｊｅｎｏｖｉｃ Ｂ．Ｍｏｄｅ１． １ｉｎｇ ｏｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｂｙ ＰＩｃ／ＭＣＣ ｃｏｄｅ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ：Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ，２００７，７１（１）：１—１９． ［１１］Ｂｉｒｄｓａｌｌ Ｃ Ｋ，Ｌａｎｇｄｏｎ Ａ Ｂ．Ｐｌａｓｍａ ｐｈｙｓｉｃｓ ｖｉａ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ａｄａｍ Ｈｉｌｇｅｒ，１９９１． ［１２］ Ｖａｈｅｄｉ Ｖ，Ｓｕｒｅｎｄｒａ Ｍ Ａ．Ｍｏｎｔｅ ｃａｒｌｏ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｎ ｃｅｌｌ ｍｅｔｈｏｄ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｔｏ ａｒｇｏｎ ａｎｄ ｏｘｙｇｅｎ ｄｉｓ－ ｃｈａｒｇｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９５，８７（１— ２）：１７９—１９８． （上接第１６页） 参考文献： ［１］刘晋春，白基成，郭永丰．特种加工［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２０１０． ［２］李文卓．微细电火花加工系统及其相关技术的研究［Ｄ］．哈尔 滨：哈尔滨工业大学，２００２． ［３］刘明宇．微细电火花加工超短脉宽脉冲电源的研制［Ｄ］．哈尔 滨：哈尔滨工业大学，２００７． ［４］方天申．物体的非共振固有振动与谐波共振的区别实验研究 ［Ｊ］．信阳师范学院学报（自然科学版），２００１，１４（４）：３９８— ４００． ［５］ 方天申．ＬＣ串联电路非共振固有振荡与数学描述［Ｊ］．安徽大 学学报（自然科学版），２００６，３０（１）：４５—４８． ［６］Ｐａｒｆｅｎｏｖ Ｅ Ｖ，Ｙｅｍｋｈｉｎ Ａ Ｌ，Ｍａｔｔｈｅｗｓ Ａ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｔｕｄｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｌａｓｍａ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ ＆Ｃｏａｔｉｎｇｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。２００７，２０１：８６６１—８６７０．
