用於高頻放電加工的設備和方法

2023-11-09 19:42:07 1

專利名稱：用於高頻放電加工的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於通ii故電來加工工件的方法和裝置，具體涉及使用高頻電壓4^##加工的表面。在金屬線電加工領域中公知的是，粗糙度低於0.1微米(Ra)的精加 工的表面可以通過在電極與工件之間產生持續時間短並且強度受限的高 頻放電而獲得。0.5MHz到2MHz範圍內的高頻電壓通常用在線電加工中 用於執行半鏡面精加工操作。隨著近來在工藝控制方面的進步，現在可以實現關於工件的高形狀正 確度。在利用線電極的最後切割期間，我們可以認為形狀公差、拐角誤差 和垂直面在l微米的範圍內。/i^p的是，最主要的力，即靜電力和電磁吸引力、等離子體壓斥力和 機械回復力，共同配合將線電極設置到中性靜止位置。視偏移方向的情況， 有時吸引，有時排斥，合成力將電極回復到其中性靜止位置，達到固有的 平衡。在到目前為止的大多數應用中，這種提供穩定平衡的最新的自動調 節作用，使得能夠以開環系統設計最筒單的路徑饋i!Ul率控制。對精加工表面進行加工的一些關鍵問題是(i)軸線控制，以便實現 恆定的加工條件；(ii)對偏離這些加工條件的適當測量；(iii)測量放電 能量的減少，以便保持理想的表面光潔度。(i)由於直接切割和最初精加工模式得到很好的控制，所以趨勢是朝向 更加精細的(半鏡面)表面粗糙度，稱為絲加工模式，其中，電 極橫向加工重疊的材料以侵蝕掉數微米。由於放電的能量極其微弱，形狀的正確性不必再校正。這需要改進的軸線伺服控制，以允 許僅僅在必要時才去除材料，並且獲得相當大的行iiiUL，而不管 減小的每次放電去除速率。除了線電極橫向加工的超精加工模式以外，另一個主要的趨勢是 使用小的金屬線來加工亞毫米工件，該線的直徑小於50微米，並 且小至15微米。類似地，由於這種線的脆性，需要具有減小的放 電能量的高頻加工電壓。在這些最新的應用中，線電極實現直接
切割並且必須控制正面間隙(frontal gap )。在這兩個情形中，上述穩定模式僅僅存在於很窄範圍的間隙寬度 內。以恆定的速度移動線變得不起作用，使得必須開jgX應性非 常好的伺服控制。遺憾的是，如下所述，必要的輸入信號目前不 可用或者至少對其測量仍然棘手。缺少實際間隙的真實圖像，於 A^饋控制不能實現。(ii) 當在加工間隙的邊界處施加恆定電壓時，點火延遲TD無異議地被 認為是與真實的間隙寬度相關的最可靠的信號。我們根據實驗得 知，點火延遲TD的測量受任何系統的缺陷或公差的影響較少，並 且時間比電壓更易於精確測量。在標準的工業製造的範圍內，點火 延遲允許從一個i殳備到下一個i殳備的更好的可重複性。在高頻放電中測量點火延遲需要昂貴的電子設備，這構成是相關 主題中最為麻煩的複雜性。價廉的電子處理意味著相當長的點火 周期，通常大於l微秒。而且，在這種操作條件中，測量點火延遲會產生危險的結果，因 為高頻放電內的點火關鍵歸因於電壓斜率dV/dt，並且點火延遲與 實際的間隙寬度之間的相互關係知道極少。如上所述，引入較長的點火延遲周期給間隙傳感器帶來一些可靠 性，導致加工速率減慢並且使線平衡失衡，即使忽略時間上的浪 費，也具有在工件表面上產生斑紋、劃痕或印記的風險。假設點火延遲不可用，剩下的選擇就是使用平均加工電壓作為到 il^f司服控制的輸入信號。但是遺憾的是，必定得出類似的結論 伴隨高頻放電的噪聲電平是如此之高，以致變得更加難於準確區 分以下情況"空閒加工"、"正在加工"和"短路"。在考慮到工 業製造時，來自各個機器的平均加工電壓之間的^ffc使得在其最 後生產階段期間調節各個機器變得更不經濟。(iii) 最後，侵蝕發生器每放電釋放太高的能量，以致與所要求的精加工 表面相4t度不相容，而且，位於加工間隙的邊界處的寄生電容增加 了使放電能量最小化的難度。
背景技術：
US 4,447,696涉及通過施加間歇性高頻電壓和間歇性DC電壓、使得 其中一個在另一個的靜止時間期間施加而對工件進行放電整形的過程。大 約20伏的間歇性DC電壓與高頻脈衝的結合可期望顯著地降低吸收 (sinking)電極的消耗率。自動電極饋送系統被描述來通過依賴操作i^H 前移電極來維持恆定的加工間隙。高頻信號被濾波到其平均值並且與基準 值比較以獲得用於間隙調節的輸入。原則上必須假設跨加工間隙施加並且 在電容器上積累的電壓的峰值與加工間隙的寬度成比例。但是該方法的缺 點是由於濾波引起信息浪費，因而減慢環反應；在被應用於線電極時， 在短路與空閒狀態之間進行區分時出現困難；缺少準確度，在再現性和機 器標識中帶來困難。US 4,798,929教導如何測量電阻，以通過附加的AC電流源來檢測火 花間隙的電隔離程度或介電強度。在存在泥(sludge)和離子的情況下， 因為離子的移動性對高頻不敏感，所以，因泥引起的絕#度僅可以被獨 立檢測。因此，間隙狀況通it^加工而不是通過測量精確的間隙寬度來確 定。在加工的完成階段，防止由泥的集中引起的線破損不被關注。從其得 出的設備不適於通過高頻AC電壓進行高效加工，^aii合朝他地實現在其 之外的測量。US 6,320,151目的是在利用線電極和高頻電壓加工時獲得工件的高 形狀正確度。工件的不準確性在精加工切割期間祐」校正，即在先切割留下 的彎曲或中空的形狀被去除，如果進行多次精加工切割，則這樣的不準確 性往往被加強。所述校正通過循環跟隨加工周期的測量周期而被執行，使 得線從在先加工周期的對抗力中釋放，並且如果它是彎曲的，則在一些振 蕩之後將回到直線的形式。對線的前移的控制基於兩個工藝值平均點火延遲、或平均加工電壓， 以及與前述值比較的誤差。如果線彎曲部的測針(arrow)比間隙小，則 點火延遲的測量允許十分同步地知il^目應地與兩個在先工藝值相關的測 針和間隙。在測量周期中，需要一系列侵蝕脈衝以便能夠與每個脈衝的相應的點 火延遲比較。如果沒有從在先加工周期延遲太多，則第一個侵蝕脈衝可以 表示間隙的特徵。通過將其與IC^侵蝕脈衝的比較，可以通過一方面測量 加工間隙寬度而另一方面測量線彎曲部的測針，推出線是否是彎曲的以及 沿哪個方向。需JH^持線是直線的，否則，將在工件上出現劃痕，因為線將在每個
測量周期回到其靜止位置。這是該方法的缺點，因為它不允許利用彎曲的 線來精細精加工工件而不形成劃痕。於是，如果最初沒有做好，就不可以精加工隨意凸起或下凹的工件的表面Wi變。也不可以控制利用全高頻加 工的直接切割，因為其中線彎曲部的測針明顯比間隙高。因為加工不是永久不變的，所以不能防止在加工期間線的平g打破，導致表面上的劃痕。在測量周期中，若干DC衝擊以低頻跟隨，使加工過程完全停止，並且持續太長時間，以至於通過^^t加工模式也不能實 現精細的速度控制。US 6，930，273證實了在以高頻電壓利用線電極加工時，難於控制表面 一致性。如果線不受約束地進行不規則振動，則在工件上出現劃痕。線電 極的最輕微的振動也影響被加工表面的質量。如果不對基於放電的反作用 力以及線與工件之間的吸引力進行控制，則斑紋可變得通過目皿察容易 看見。所述斑紋特徵在於在與線平行的方向上的表面粗糙度與在其垂直方 向上的表面WI度之間的差別很大。記得在粗加工中，當對過程控制不好 時，希望在相同的位置相繼出現放電；建i義校正動作，因為AC高頻電壓 可在脈衝之間被間歇性地施加並且其持續時間可被限制在比1微秒短的 周期或者限制預定數目的交變。發明內容鑑於已知現有技術的上述困難，本發明的一個目的是改進工件的精確 放電加工。本發明分別利用獨立權利要求1和22所述的主題來實現該目的。優 選實施例在從屬權利要求中公開。


圖1是示出了預負荷力的對數與四個線電W^由四個平行四邊形描 繪的其通常使用的域內的4^i頻率之間的關係的圖。圖2a-c和圖3a-c是示出了因虛線表示的電壓激勵信號引起的以實 線表示的線電極的橫向位移的時間圖。圖4 - 6是示出了加工間隙的邊界處以及穿過加工間隙的電壓和電流 放電之間的同步的時間圖，目的是說明執行本發明的三個可替選的模式。 圖7是示出了根據本發明的系統的主要部件之間的電的和邏輯的相 互連接的模塊圖。圖8示出了圖7的高頻控制器的更多細節。圖9示出了圖7和圖8的快速點火檢測器的更多細節。圖10示出了加工間隙與圖7的點火延逸險測器之間的連接的更多細節。
具體實施方式
參考圖7,根據本發明優選實施例的系統被描述用於通itit電加工工 件。在描述該系統部件的更多細節之前，基於本發明的總的功能，闡述本 發明的原理。兩個類型的加工脈衝被循環施加到電極與被加工工件之間的加工間隙。第一類型是優選為處於恆定電壓的具有較長隨機點火延遲時間的特 定侵蝕脈衝形式的測量脈衝，其後緊跟著由極短的加工時間和小電流產生 的低能量放電。為了生成預定值的平均電壓，第一類型的脈衝可以是兩種 極性，即正或負，該預定值優選為零值，以便防止電解。第二類型是由高頻電壓信號的疊加而形成的侵蝕脈衝，該高頻電壓信 號^L控制以開始點火，但是在預定時間長度期間盲目地工作，並且可能與 任何恆定電壓分量同步；該同步是為了防止電解或者為了產生光亮的表面 光潔度。上述兩個類型的加工脈衝中的每一類型之後可以跟著暫停，測量脈 衝、侵蝕脈衝和暫停的序列形成一個完整的加工循環。優選地，在侵蝕脈 衝之後，出現至少一個單停頓。為了更精細地加工表面^l度，在測量脈 衝之後可以引入其它暫停，以防止在高頻侵蝕脈衝期間電離的管路引起限 制的重複性點火。在暫停期間，通過短路，零電壓被施加在加工間隙的邊 界處，使得在加工流內不出現任何電離的通路。測量每個測量脈衝的隨機點火延遲時間並且調節間隙寬度,使得較長 點火延遲時間的持續時間仍然保持足夠小，以使線電極由於其慣性而偏離 其穩態平衡不多於若干分之一微米，而不管暫時過大的靜電吸引力如何。 線電極尋求穩態位置並且保持非常接近平衡，這是由於電吸引力、機械回 復力和等離子體壓斥力之間的相互作用的原因。因此，將電極很可能在加 工間隙中振蕩考慮在內，其中，該振蕩過程主要特徵在於其M的第一本徵周期T0。這意味著對應的限制首先在測量脈衝的持續時間上，其次在 暫停的持續時間上。在加工循環中，通it^延遲時間超過特定閾值時中斷恆定點火電壓， 控制測量脈衝的點火延遲的持續時間，從而解決第一P艮制。在這種情況下， 恆定電壓脈衝之後既不跟著點火也不跟著加工放電。所述系統確定足夠數目的相繼測量脈衝的點火延遲時間的適當的平 均值，並且將其用作軸線伺服控制器的輸入信號，軸線伺服控制器在其行 M徑上控制電fet度和/或電極位置。軸線伺服控制器通it^路徑方向 上、在橫向、或者在兩者的結合上給出定期更新電極引導it^的裝置，從 而適用於高頻加工。更新優選是每亳秒進行，優選^1對應於更新軸線伺服 控制的命^令，因而將限制標準帶給加工循環的總持續時間。所述系統具有如下基本功能其保證測量脈衝的強度產生低於或等於 由於侵蝕脈衝的高頻交變而可能開始的任何放電的侵蝕性能量，其在時間 上限制測量脈衝的持續時間，其按照點火延遲時間的最近的取樣來修改脈 衝的持續時間以及高頻侵蝕脈衝的持續時間，並且其分析可在測量脈衝的 末端開始的電流放電的電壓分布並且從中推斷出與填充加工間隙的介電 流體的狀態相關的信息。圖4中表示的序列示出了使得可以將上述功能付諸實施的信號的時 序安排圖UUS示出了在加工間隙的邊界看到的電壓；圖IUS示出了通 過間隙的電流。所述序列以在間隙的邊界處施加正極性或負極性的連續點火電壓 Uign開始。根據旨在通過調整間隙的邊界處的平均電壓來對抗電解的公 知原理，Uign的極性是逐個序列地給定的。EP1097 773涉及該現象，其 公開內^it過引用結合於此。等價的間隙電容將在時間TC期間^a載， 在時間TC的末端，所述點火電壓Uign出現在間隙的邊界處。要注意的 是，如圖4所示，加載間隙電容所需的時間TC自動過比例以加強可由過 大的間隙寄生電容引起的測量誤差。當不可忽略時，時間TC應該從點火 延遲時間TD中減去，以保證正確的間隙估計。在時間TD期間施加的連續電壓Uign旨在於最大時間TDmax之前 開始點火。讓我們回憶一下，具有隨機特性的點火延遲時間TD在適當的
平均值計算之後，允許實時估計間隙的寬度。根據該原理，器件測量每個點火延遲時間TD以計算其適當的平均值；後者用作在線電極的軌跡上對 線電極行進的控制的入口值。在點火延遲時間TD的末端，加工時間TW開始，其中可能由Uign 電壓引起點火，Uign電壓打開到加工電流Iign的通路。EDM放電開始的 特徵在於間隙電壓的突然下跌，其易於檢測並且通常表現的就像是點火延 遲時間TD的末端。存在兩個主要的方法來在點火之後施加加工電流。第 一個次優選的方 法^使用兩個功率源第一點火源和第二加工源。在大多數時間，點火源用 於啟動4曼蝕放電。一#測到點火，加工源於是儘可能快地連接到間隙上。 必須避免太大的延遲，因為點火花很可能熄滅，並且具有在恢復了高阻抗 的間隙的邊界處施加過大電壓的風險；其將會不可避免地將線偏向工件， 引起短路和加工中斷。這是為什麼雖然加工源已經連接到間隙上而點火源 也JH^持連接到間隙上的原因。於是，這兩個源可以兩者都輸出電流，直 到它們被同時中斷。第二較優選的方法不使用點火源來中斷間隙阻抗以連接加工源。但 是，點火源主要用來執行點火延遲的測量。這利用必須被最小化的不良副 作用來實現即跟隨的侵蝕放電Iign必須減小到最小值以便保護精加工 的表面Wi復。具體而言，將有利地使用傳統的點火檢測器，其置於慢檢 測通路的頭部，如同將在下面更具體說明的那樣，其安排加工源到間隙上 的連接。相同的通路也將被照常加以利用來計算平均點火延遲，即，產生 軸線伺月良控制器需要的輸入信號。另一方面，如同將在下面更具體描述的 那樣，提供了快速檢測通路，其僅有的功能是快速停止跟在測量脈衝之後 的侵蝕放電Iign;即，斷開點火源。這最後一個可以在例如小於100ns內 作出反應，如同下面將說明的那樣，然而，傳統的檢測通路通常在大約 500ns內作出反應。因此，在測量電流脈衝Iign的末端與高頻加工脈衝的 開始之間，由於快速檢測通路與慢檢測通漆之間的轉移時間的差，出現大 約400ns或更小的短轉移暫停Tign一t。 Tign一t的時間間隔可能不足以在間 隙的邊界處形成零電壓。在所述短轉移暫停Tign_t之後，隨著在間隙的邊界處電壓信號疊加 的施加，加工時間TW fe^長，該電壓信號例如可能是連續電壓的分量 和基頻優選為高於500kHz的高頻電壓信號。技術人員知道，僅僅在間隙 可能被侵蝕放電跨過的周期之外或者在經歷內部短路或被人工短路的周 期之外，在間隙上所施加的電壓信號才是可測量的。高頻電壓可以引起若 幹正極性或負極性點火，原因是間隙中電場的極快速的變化。上述點火打開通路，將幅度為Ihf的電短路。在加工時間TW期間施加的可能的連續電壓分量通常旨在更加精細 地調節間隙的邊界處的平均電壓。在這些情況下，傳遞所述連續電壓分量 的源將不傳遞任何相當大的電流。但是在其它情況下，如為了生成光亮的 表面光潔度，所述連續電壓源可調整為在電場的快速變化已經^等離子 體通i2Ml後並且直到該通路可能自發地或人工地消失的期間，釋放小的加 工電流連續流過間隙。在加工時間TW的末端並且直到連續點火電壓Uign的再度施加和下 一個點火延遲TD的開始，實施暫停時間TS，在其期間，零電壓被施加 在間隙的邊界。暫停時間TS的末端也是下一個加工序列的開始。為了正確理解本發明，可以將線想像成在一起作用的對抗力的作用下 很平衡。當線從這些力中的有些力中釋放時，線平衡偏移，這主要是在點 火延遲時間TD,並且在暫停時間TS期間被偏移到更少的程度。在暫停 時間TS期間，如果線是彎曲的，則僅僅受機械回復力。另一方面，如果 線是直線的，則該最後的回覆力為零，並且線在暫停時間期間不受力。因 此，在線保持直線的情況下，暫停的持續時間TS不表現為關於線平衡的 關鍵^lt;但是顯然在一定程度上，因為TS的未規定的長持續時間將很 可能危及控制環穩定性。通常，在控制環周期中，應該收集適量的10個 TD取樣以計算可靠的TDmoy平均值。在上述彎曲的線的情況下，在暫 停期間機械回復力起作用並且偏移線的平衡。在以下兩個情形中將出現困 難在利用極小的線實現直接切割時，以及受形狀不準確(凸起或下凹) 影響的工件必須被精加工其表面而不去除所述不準確時。在這兩種情況 下，優選的是充分限制暫停時間TS，以4更保持線曲率，並且與其平衡位 置相比，該線的偏移不大於特定>^差。在測量脈衝的點火延遲時間TD期間，被偏移出其平衡的線的移動與 可以瞬時對其起作用的兩個^有關點火延遲時間TD的持續時間，以 及所施加的點火電壓Uign的值。在點火延遲時間TD期間，放電引起的 等離子體壓斥力消失。於是，線受到靜電吸引力的作用，如果線是彎曲的， 還受到機械回復力的作用；後者被添加到前者上或者從前者抵消。在點火 延遲時間TD期間施加的點火電壓Vign的值不能被過大地減小，否則， 不能在預定時間TDmaxi內定期發起點火，因而不能可靠地計算適當的平
均值。因此，在直線或彎曲線這兩種情況下，都要對點火延遲時間TD的 持續時間加以限制。在所有可能的情況下，暫停時間TS和/或點火延遲時間TD固定為適 當的持續時間值，因為總體上，線平衡依賴於若干獨立的變量，如每單 位長度的線的質量、所施加的縱向力、在線的兩個線導向件之間的長度、 電吸引力、侵蝕放電引起的排斥力、電介質的粘性阻尼等。為了得到簡單 並且通用的準則，線振蕩的第一本徵周期被用作基準值； 一個可容易計算 的M，如圖l所示。四個平行四邊形形狀的區域表示四種不同金屬線類 型的常規使用領域。ST25和ST10是鍍鋅務ir的線，具有黃銅芯，直徑 分別為0.25mm和0.10mm; AT05和AT03是直徑為0.05mm和0.03mm 的鋼芯線。平行四邊形的左下點表示最低的縱向預負荷力和線導向件之間 的最大距離。右上點表示最高的預負荷和線導向件之間的最小距離。以下沒有給出描述電侵蝕加工期間線電極的平衡和動態的物理法則 或數學模型，但是指出在哪些限制的領域使用它們。為了找出振動索及其 本徵周期的理論，可簡單地參考例如初等物理學，或者更具體而言，參考 Hans Sagan的"Boundary and Eigenvalue Problems in Mathematical physics"。線電侵蝕的最新^IUit於技術人員是^^p的，並且具體在以下出版物 中描述-"Funkenerosive Mikrobearbdtung von Stahl und Hartmetall durch Schneiden mit dtinnen Dr3hten"， Tobias N6the, RWTH Aachen, Shaker Verlag， Band 5/2001。-"Funkenerosive Feinstschneiden Verfahrenseinfltisse auf die Oberflgchen- und Randzonenausbildung" ， Rolf Siegel, RWTH Aachen ， 1994 ， Fortschritt國Berichte VDI 。-"Relevant topics in wire electrical discharge machining control", Friedhelm Altpeter, Roberto Perez, Charmilles Technologies SA， Journal of Material Processing Technology 149 (2004) 147-151。基於已知的理論，可以計算在一個周期的持續時間T期間，在施加 到線的電力作用下線的位移。圖2a-c和圖3a-c以標準形式在橫軸和豎 軸上示出了變量。橫軸上是激勵信號的施加時間，該激勵信號即旨在將線 橫向偏移的電壓。該橫軸上的測量單位是與線的第一^周期T0相等的 時間。豎軸上是線的側位移或者兩個線導向件之間中途位置中的測針。該 豎軸的測量單位是與在永久施加的特定電壓的作用下在靜態中達到的最 大幅度相等的位移。圖2a-c表示浸沒在不是非常粘性的介質例如空氣中的線的偏移位 移。圖3a-c表示浸沒在水中的線的偏移位移。虛線表示激勵信號或輸入 的施加時間，示出了其三個值1) T>10xT0,參見圖2a和3a，這是上述US 6,320,151描述的範圍；2) T TO，參見圖2b和3b，表示與本發明相關的範圍的限制的特徵；3) T<T0/10，參見圖2c和3c,這是本發明的優選功能區域。必須注意的是，對於接近或低於T0/10的施加時間T，線經歷可忽略 的偏移；水的粘性還減小該位移。因此，無論該現象中有關的許多變量的 具體值如何，將電點火電壓限制到線的第一;Mi周期的20 0/。都U夠的， 優選為限制到低於該^E周期的10%,使得線在點火延遲時間TD期間 經歷可忽略的位移。通過引申以及當然地，在如上所述的直接切割中或者希望利用彎曲的 線對其幾何形狀不理想的工件執行超精加工加工的應用中，應用於暫停時 間TS的相同的限制將產生類似的效果。下面，將具體描述一種用於減少第一測量脈衝的點火延遲時間TD並 且用於僅僅適度地影響線平衡以及因此僅僅適度地影響待測量時間的設 備。該設備的一個部分是符合已知的實踐規律的機器軸速度的控制環，用 於對線導向件在編程的軌跡的方向上和/或與其垂直的方向上的行進施以 影響，並且獲得點火延遲的適當的TDmoy平均值。這種設備的優點是保 持比控制環周期^m多的點火延遲時間TD。例如，實際上對於2ms典型 的控制環周期，可以創建能夠適合於待精加工表面的瑕瘋的嚴格的控制 環。在環周期期間，可以收集TD的若干取樣，例如多至10個，4吏得可 以確定TDmoy平均值，代表實際的間隙尺寸。另外，由於TDmoy優選 為比T0/10小或者相等，所以，環周期的給定值確定通常使用的線電極的工作範圍。圖l示出在我們的實例中，通過使用具有低於50KHz的;MiE 頻率的線，本發明可以應用於直接切割或者超精加工應用。為了克服點火延遲的隨機特性，換句話說，雖然可以保持TDmoy值， 但是必須避免TD的統計上過長的持續時間(儘管這種事件不頻繁)，在 精加工階段，線電極的非受控的偏移很可能在被加工表面上留下可見的印
記。因此，提供了一種設備，其在TD偶然延長超過已經從經驗上確定的 特定TDmaxi的情況下，能夠停止點火電壓Uign的施加。適當的控制環 的點火延遲的對數或的系統記錄顯示了看似高斯函數的分布，其平均值大 約是log ( TDmoy )。記錄大於10 x TDmoy的點火延遲TD的可能性被證 明小於0.1 % 。於是優選的是將TD限制到值TDmaxi = 10 x TDmoy而沒 有任何風險，其與小於線的^E周期TO的TDmaxi值相當，優選是小於 T0/2。在這種情況下，當TD將被相應地限制時，上述序列得以簡化，即， 缺少Iign電流脈衝並且加工的時間TW以交流高頻電壓的施加開始。經驗表明圖4所示的信號序列可以被進一步改進。在一個序列期間， 相繼的電it^L電很可能出現在,工表面上的相同地方，除非在加工時間 TW期間插入附加的暫停。這種稱為"定位(localization)"的現象引起 表面粗糙度的惡化。為了避免該現象並且使表面粗糙度精細，優選地在 TW期間引入附加的暫停，在該暫停期間，加工間隔被短路，如圖5所示。 暫停Tign_s可以緊接著Iign電流放電之後發生。Tign_s包括圖4的小的 轉移暫停Tign一t，使得減少暫停持續時間TS或者甚至一代替它，從而受到 相同的時間P艮;J。在高頻交變中，可以設置若干小的暫停Thf一s,直到TW 的末端。在圖5中，Thf一w示出為高頻交流電壓的全周期的^續時間。所 述小的附加暫停Thf一s比實際的暫停時間TS短，優選為比相當於2x Thf_w的時間短，如圖5所示。圖5所示的在先模式提供極其精細和準確的表面粗糙度,但是由於變 暗的不鮮明的外表而被眨低。為了改進所述外表，如圖6所示，通過調節 連續源來在加工時間期間輸出小的電流，允許獲得鮮明的外表(光亮的表 面光潔度)，但^1表面湘L^1度欠精細。如圖6所示，例如通過在高頻電壓 信號期間將圖7的輔助高阻抗電壓源1 (其在下面將作更具體的描述)串 聯連接到間隙並且通過包括延長的Thf一s暫停，可以獲得光亮的效果。高 頻電壓衝擊19^等離子體通路20，該等離子體通路20打開到圖7的 主要源2 (其在下面將作更具體的描述)釋放的強電流衝擊21的通道。 在Thf一w周期22的末端，等離子體通路並不消失，原因是圖7的輔助高 阻抗電壓源1以小電流23接替。在電壓交變25使得電流停止並且電壓恢 復到Uign值之前，在24，等離子體通路會過早地消失。侵蝕時間TW的持續時間是可編程的，例如，M到12ms;這是通 常的操作，在於使TW的持續時間依賴於測量的在前點火延遲時間TD的 持續時間。例如，短的TD之後可跟著短的TW，並且反之亦然。暫停時 間TS的持續時間通常也可以根據TD的實際值或者跟著的放電的特定特 徵或者非TD來編程。以下專利涉及這種問題，其公開內^it過引用結合 於此US 5,336,864， CH 644 290, CH 554 215。 Uign的施加期間的電壓 信號的輪廓是間隙內玷汙程度的指標，並且可以用於啟動一系列的較長的 暫停.舉例來說，電蝕刻坑的尺寸與放電期間傳遞的電荷(單位是庫侖)成 比例。上述電荷以以下三個高頻加工模式(除了光亮模式之外)來測量 初步精加工模式、精加工模式和超精加工模式。Q一TD是測量放電釋放的電荷，而Q一HF是高頻加工放電釋放的電 荷；在所有情況下都檢查Q一TD < Q—HF。對於具有最小加工電流的初步精加工模式Q—TD = 0.5[A] . 0.6[us〗=0.3[Cb〗 Q—HF = 2.0[A] . 0.4[us〗=0.8[Cb]對—於精加工模式QJTD = 0.5[A] . O.l[us] = 0.05[Cb〗 Q—HF = 1.5[A] - 0.18[us〗=0.27[Cb]對於超精加工模式Q—TD = 0.5[A] . O.l[us]= 0.05[Cb] Q_HF = l.O[A] . 0.05[us] = 0.050[Cb]#^考圖7，系統的主要部件是用作加工源的主要電壓源2、通過產生 點火電壓Uign和點火電流Iign而用作點火源的輔助高阻抗電壓源1、高 頻控制器3和專用於粗加工的功率發生器7 (下面將不對其作更具體的描 述，因為其設計和功能對技術人員是公知的)。主要電壓源2和輔助高阻 抗電壓源1並聯連接到高頻控制器3的入口 。加工區4通過雙軸HF M 蔽線纜5連接到高頻控制器3的出口。將功率發生器7連接到加工區4 的功率線纜6可使用繼電器8斷開。結果，它們不將其電容加到加工區4 的寄生電容上。所述系統可以被設計來使用高於500KHz的高頻電壓來對精加工表 面進行加工，以便產生低於0.1微米(Ra)的表面WIJL或光亮的表面光 潔度。對於精加工，雙軸HF雙屏蔽線纜5可具有 高頻控制器3對圖4、 5或6所示的加工序列ii行控制，即，使主要 源2和輔助源1到加工區4的連接同步，這將在下面描述。高頻控制器3 由來自主序列控制器12的兩個邏輯信號來驅動，主序列控制器12用於控 制加工循環即TD、 TW和TS的基本時間長度。高頻控制器3包括以技 術人員/^p的橋結構組裝的快速電晶體組，其在附圖中未示出。主序列控制器12通過兩個邏輯信號控制高頻控制器3來將點火電壓 Uign連接到加工間隙4上並且開始侵蝕脈沖TW的施加；這些一起建立 了較慢的檢測通路，其在下面將作更具體的描述。主序列控制器12不停 止放電電流Iign;相反，圖9中更具體地描述的快速點火檢測器9將接替 以停止Iign。快速點火檢測器9直接設置於高頻控制器3中，與其電晶體 17 (參見下面)直接相鄰，電晶體17切換點火電流Iign並且連接到其出 口。因此，控制信號的傳輸時間變得儘可能短，以便一旦險測到點火就快 速停止侵蝕放電電流Kgn。快速點火檢測器9使得測量所需的放電Iign 的能量能夠不高於任何高頻電流放電Ihf的能量。圖8中示出了高頻控制器3的優選實施例，及其到主序列控制器12 和加工區4的連接。當發生點火時，快速點火檢測器9需要例如大約50ns 來對來自加工區4的信號UUS作出反應並且將命令發送給橋控制邏輯15。 在例如大約30ns之後，橋控制邏輯15向緊密結合到4個高速MOSFET 驅動器16的4個高速光耦合器供給能量，高速MOSFET驅動器16作用 到以全橋結構耦合的4個Coolmos電晶體。點火信息在小於例如100ns 內M^工間隙4傳輸通過如圖8所示的包括串聯部件9、 15、 16、 17的完 整通路，從而很快停止點火電流Iign。該配置闡述了快速檢測通路，如上 所述，通過使用更快的部件，允許甚至比50ns更短的反應時間。圖7和圖8的快速點火檢測器9在圖9中更具體地示出為包括快速光 耦合器18，例如製造商Agilent的HCPL0631。在光耦合器18的上遊， 輸入信號UUS的兩極利用電源電壓VDC向用作比較器的可調電阻分壓 器Rl、 R2、 R3供給能量。光耦合器18以其輸出連接到橋控制邏輯15 的輸入，從而實現其電流隔離。置於高頻控制器3中與其電晶體17直接相鄰的快速檢測器9並不是 專門用於形成軸控制環的輸入信號。為此，特殊的差動探測器10連接到 電子器件12。差動探測器10將加工區4連接到電子器件12，該電子器件 12以通用方法計算iUL軸控制單元14必需的時間平均值TDmoy。通過 部件10、 11和12的這個連接允許以短於例如400ns的延l逸回信號。軸
線伺服控制器14與剩餘處理之間的連接未在圖7中示出，因為i^寸技術 人員是>^^的。這裡的難點在於，具有例如4m長普通線纜11的探針10將對必需的 表面^L^度不利的附加寄生電容引A^t電電路。為了克服該難點，根據圖 10,使用了常規示波器探針的原理.在線纜11的每端的上遊和下遊，引 入由並聯的電阻和電容形成的RC分配器。於是，在加工間隙4，總的寄 生電容僅僅依賴於下遊RC電容，並且變得與線纜電容無關，而不管其長 度如何。圖9 ^Sl僅示出了一個分支，但是，實際上需要2個同樣的探針 10，正的和負的。上述硬體架構僅僅是一個實例。為了獲得需要的加工信號，也可能結 合DC源使用並聯或串聯連接到加工間隙4的離散的高頻源。總而言之，點火延遲TD的測量器件限制測量的能量，使得點火延遲 時間TD之後跟著的測量放電必需的能量不會高於由於高頻交流電的施 加引起的任何放電的能量。為此，所述測量器件包括圖7所示的以下器件-單獨的輔助高阻抗並且可調電壓源1，產生點火電壓Uign和Iign電流。-距電晶體17^艮近的快速點火檢測器9，其切斷點火電壓Uign以停止電 流Iign。-高阻抗傳感器IO,測量點火延遲，同時減少放電電路的寄生電容。-繼電器組8，將線纜v^4a加工發生器7斷開，以^更消除放電電路上存在的寄生電容的主要部分6。當然，本發明並不限於以上優選實施例。可以使用任何其它類型的電 極，如棒電極等，而不使用線電極。類似地，也可以施加低頻交變的侵蝕 脈衝，而不是利用高頻脈衝來加工。本發明不僅適用於加工的精加工階段， 還適用於較早的階段，如粗加工等。
權利要求
1. 一種用於通過加工電極對工件進行放電加工的方法，其中-將加工脈衝序列施加到所述加工電極與所述工件之間的加工間隙 上，其中，所述加工脈衝包括-侵蝕脈衝，用於將材料從所述工件侵蝕下來，以及-測量脈衝，在該測量脈衝期間，將點火電壓(Uign)施加到所i^ 工間隙上，以便在所述加工間隙內il^故電，並且測量對應的點火延遲時 間(TD)，並且-調節所述點火電壓(Uign)和/或所述間隙寬度，使得所述點火延 遲時間(TD)小於由於靜電吸引力和機械回復力而在所#工間隙內振 蕩的所#工電極的振蕩時間。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中，基於在所述測量脈衝期間測 量的所述點火延遲時間(TD)，在所述侵蝕脈衝期間調整所述間隙寬度。
3. 根據權利要求1或2所述的方法，其中，在所述測量脈衝期間， 預定極性的連續點火電壓(Uign)被施加到所述加工間隙，其中，為每個 測量脈衝選擇極性，使得所述加工間隙上的平均電壓趨向於優選為零伏的 預定恆定電壓。
4. 根據任一前述權利要求所述的方法，其中，對所述測量脈衝期間 的所述間隙寬度和/或所述點火電壓(Uign)進行調節，4吏得大多數所述 點火延遲時間(TD)小於第一預定最大時間值(TDmaxi)。
5. 根據權利要求4所述的方法，其中，所述第一預定最大時間值 (TDmaxi)比所述加工電極的第一;Mi周期(T0)短，優選為比該4^it周期的一半短。
6. 根據權利要求4或5所述的方法，其中，基於多個測量脈衝期間 測量的多個點火延遲時間(TD)，確定所述點火延遲時間(TD)的平均 值，並且對所述測量脈衝期間的所述間隙寬度和/或所述點火電壓(Uign) 進行控制，4吏得所述平均點火延遲時間(TDmoy)比第二預定最大時間 值小，其中，所述第二預定最大時間值比所述第一預定最大時間值(TDmaxi)小。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中，所述第二預定最大時間值是 所述線電極的所述第一;Mt周期(T0)五分之一短，優選是十分之一短。
8. 根據權利要求4至7中的任何一項所述的方法，其中，在所述測 量脈衝期間，如果所測量的點火延遲時間(TD)超過所述第一預定最大 時間值(TDmaxi )，則中斷所述點火電壓(Uign)的施加。
9. 根據任一前述權利要求所述的方法，其中，所述侵蝕脈衝之後跟 著暫停時間(TS)，在該暫停時間(TS)期間，零侵蝕電壓被施加到所述 加工間隙上。
10. 根據任一前i^K利要求所述的方法，其中，所述侵蝕脈衝包括頻 率高於500KHz的多個高頻脈衝。
11. 根據任一前述權利要求所述的方法，其中，加工脈衝序列由周期 性時間序列構成，該周期性時間序列包括接連的測量脈衝(TD)、侵蝕脈 衝(TW)和第一暫停時間(TS)。
12. 根據權利要求10或11所述的方法，其中，在由所述測量脈衝啟 動的所述點火之後流過的點火電流(Iign)限制在比所述高頻脈衝內流過 的所l故電電流(Ihf)小的值。
13. 根據權利要求10至12中的任何一項所述的方法，其中，在由所 述測量脈衝啟動的所述點火之後流過的點火電流(Iign)限制在比100ns 短的時段內。
14. 根據任一前述權利要求所述的方法，其中，在所述點火電流(Iign) 之後添加第二暫停時間(Tign_s )，所述點火電流(Iign)在所述測量脈衝(TD)啟動的所述點火已經^^停止之後流過。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中，所述第一暫停時間(TS) 和/或所述第二暫停時間(Tign_s)被限制在所述線電極的第一本徵周期(TO)五分之一短的持續時間，優選是十分之一短。
16. 根據權利要求10至15中的任何一項所述的方法，其中，在每個 高頻脈衝或侵蝕脈衝內的每個高頻交變之後添加第三暫停時間(Thf_s )。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述第三暫停時間(Thf—s) 被限制在比所述第一暫停時間(TS)短的持續時間，優選是比所述高頻 脈衝的基本周期(2 x Thfs_w)短。
18. 根據權利要求9至17中的任何一項所述的方法，其中，在所述 第一、第二和第三暫停時間(TS; Tign_s; Thf_s)中的至少一個期間將 所述加工間隙短路。
19. 根據權利要求16至18中的任何一項所述的方法，其中，在所述 第三暫停時間(Thf一s)期間，連續電壓被疊加到所述多個高頻脈衝，所 述連續電壓來自適合於傳遞比所述高頻電壓^的放電電流(Ihf)小的 電流(Iign)的電壓源。
20. 根據權利要求19所述的方法，其中，基於所iMt前點火延遲時 間(TD)的測得持續時間，對所述侵蝕脈沖、所述第一和所述第二時間(TW; Tign—s; Thf_s;)的時段中的至少一個時段進行調節。
21. 根據任一前述權利要求所述的方法，其中，在所述點火延遲時間 (TD )的末端發生的所t改電的侵蝕功率比所述侵蝕脈衝期間發生的任何放電低或者相等。
22. —種用於通過加工電極對工件進行放電加工的設備，其包括-軸線伺服控制器(14 )，其被設計來對所述加工電極與所述工件之 間的所述加工間隙(4)的寬度進行控制；-脈衝發生器(1、 2 )，其被設計來生成將被施加到所述加工間隙(4) 上的侵蝕脈衝，用於將材料從所述工件侵蝕下來，並且生成具有點火電壓 (Uign)的測量脈衝，其將祐ife加到所述加工間隙(4)上，用於在所述 加工間隙(4)內發放電；-控制器(3、 12)，其被設計來在測量脈衝內檢測所述點火延遲時間 (TD)，控制所述脈衝發生器(1、 2)使得包括測量脈衝(TD)和侵蝕 脈衝(TW)的加工脈衝序列被施加到所述加工間隙(4)上，並且通過 控制所述間隙寬度來與所述軸線伺服控制器(14)協作以t或者通過控 制所述點火電壓(Uign)使得所述點火延遲時間(TD)保持比所述加工 電極因所述靜電吸引力和所述機械回復力而在所述加工間隙(4)內振蕩 的振蕩時間小而與所述脈衝發生器(1、 2)協作。
23. 根據權利要求22所述的設備，其中，所述控制器(3、 12)被設 計來在所述脈衝發生器(1、 2)施加到所述加工間隙(4)的測量脈衝的 點火延遲時間(TD)比第一預定時間值(TDmaxi)長的情況下將所述脈 衝發生器(1、 2)從所述加工間隙(4)斷開。
24. 根據權利要求22或23所述的設備，進一步包括-包括控制器(3、 12)的第一測量鏈(10、 11、 12)，其被設計來確 定平均點火延遲時間(TDmoy)並且協調所述脈衝發生器(1、 2)，以及-包括快速點火檢測器(9)的第二測量鏈，其被設計來檢測由測量 脈衝啟動的點火，並且在比所述第一測量鏈(10、 11、 12)在所述測量脈 衝之後將侵蝕脈衝施加到所述加工間隙(4)上的延遲短的時間延遲內停 止所述脈衝發生器(1、 2)施加的所逸故電電流(Iign)。
25. 根據權利要求22至24中的任何一項所述的設備，其中，所述控 制器(3、 12)進一步被設計來取樣發生在連續的測量脈衝中的多個點火 延遲時間值(TD)並且計算所述多個點火延遲時間值(TD)的平均值(TDmoy)作為所述軸線伺服控制器(14)的輸入，以^更通過調節所述 間隙寬度保持所述點火延遲時間(TD)的預定標稱平均值。
26. 根據權利要求22至25中的任何一項所述的設備，其中，所述脈 衝發生器(1、 2)被設計來產生頻率為500KHz以上的高頻侵蝕脈衝。
27. 根據權利要求22至26中的任何一項所述的設備，其中，所述控 制器(3、 12)包括以橋結構組裝的快速電晶體組(17)來將所述脈衝發 生器(1、 2)連接到所述加工間隙(4)以及將所述脈沖發生器(1、 2) 從所i^&a工間隙(4)斷開。
28. 根據權利要求27所述的設備，其中，所述快速點火檢測器(9) 與所述控制器(3、 12)的所述電晶體組(17)直接相鄰設置，並且被設 計來一M測到點火，就在少於100ns內將所述脈衝發生器(1、 2)從所 #工間隙(4)斷開。
29. 根據權利要求22至28中的任何一項所述的設備，其中，所述快 速點火檢測器(9)包括光耦合器(18)，所述光耦合器(18)以其輸入連 接到所述加工間隙(4)並且以其輸出連接到可調電阻分壓器(Rl、 R2、 R3)，用作與基準電壓(VDC)的比較器。
30. 根據權利要求22至29中的任何一項所述的設備，其中，所述控 制器(3、 12)通過差動探測器(10)和示波器探針(11)連接到所述加 工間隙(4)。
31. 根據權利要求22至30中的任何一項所述的設備，其中，所M 衝發生器(1、 2)的所述點火電壓(Uign)可以在20伏到IOO伏的範圍 內調節，以保證大多數點火將發生在第一預定時間延遲(TDmaxi)內並 且其電流(Iign)低於0.5A。
全文摘要
本發明涉及一種通過加工電極對工件進行放電加工的設備和方法。加工脈衝序列被施加到所述加工電極與所述工件之間的加工間隙(4)上。所述加工脈衝包括侵蝕脈衝，用於將材料從所述工件上侵蝕下來，以及測量脈衝，在所述測量脈衝期間，點火電壓(Uign)被施加到所述加工間隙(4)上，以便在所述加工間隙內發起放電並且測量對應的點火延遲時間(TD)。對所述點火電壓(Uign)和/或所述間隙寬度進行調節使得所述點火延遲時間(TD)比所述加工電極的振蕩時間小，其中，所述加工電極因靜電吸引力和機械回復力而在所述加工間隙(4)內振蕩。
文檔編號B23H7/04GK101121211SQ20071012848
公開日2008年2月13日 申請日期2007年7月26日 優先權日2006年8月11日
發明者尼古拉·詹多梅尼科, 弗蘭克·貝松, 弗裡德黑爾姆·阿爾特佩特, 法布裡斯·雅克斯, 蒂埃裡·龐塞特 申請人:夏米爾技術股份公司