電火花毛化加工的電流和間隙控制系統(tǒng)

1、電火花毛化加工的電流和間隙控制系統(tǒng)關鍵詞：電火花毛化，放電間隙，伺服控制1  引言電火花毛化加工是使冷軋用軋輥表面形成一均勻、無方向性的具有一定粗糙度的表面。在冷軋過程中,把毛化軋輥的表面形貌復制到冷軋鋼板表面上。具有毛化表面的鋼板能顯著提高鋼板的深沖性和涂裝性,因此目前汽車和家電工業(yè)等使用的高檔板材幾乎都是毛化鋼板。目前國內冷軋廠基本都使用國外進口的電火花毛化設備,盡快探索研究實用有效的軋輥表面毛化技術已成為目前我國高品質冷軋設備自主生產的必然。本文通過分析電火花毛化過程中的物理化學過程闡述了電火花毛化加工中的電流和間隙控制系統(tǒng)。2  電火花毛化技術原理軋輥由磨床進行探傷

2、及磨削之后,電火花毛化加工過程中只對軋輥表面進行加工處理,不允許改變軋輥的原有直徑和輥形。毛化時,放電電極和軋輥當前被毛化的部分浸泡在電介質液中,并且要使他們之間的距離足夠小。以軋輥的電勢為參考零點,根據(jù)對軋輥表面形貌的要求,電極上可以接正極性直流脈沖電壓也可以接負極性直流脈沖電壓。電介質液在一定的電壓和極間間隙下呈現(xiàn)電絕緣性能,當兩極電壓超過一定值后,電介質液被擊穿電離,呈電導性,一般稱這個電壓為點火電壓。于是在電極與軋輥之間施加一個脈沖電勢差,電介質液瞬時導電,電極與軋輥之間產生一個電火花,每個電火花在軋輥表面形成一個凹坑。脈沖電流連續(xù)通斷,電極相對軋輥表面位置連續(xù)移動,最終軋輥表面逐漸被

3、毛化。電火花產生在一個非常短的周期內,該周期由通電時間和斷電時間兩部分組成,一般情況下通電和斷電時間可在5uS到1mS內設定,圖1為毛化過程中電極與軋輥之間電壓和電流的時序圖,圖中td為臨界電壓通電延時時間,此時間段內電介質液被逐漸電離,下面詳細論述電火花的產生過程。在電極上施加點火電壓,電極與軋輥之間的電壓上升,電極和軋輥之間部分的電介質液逐漸電離,在電極與軋輥之間逐漸形成導電橋,此時電介質液呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。(2)經過一段延時時間(td)后電介質液完全電離,電介質液絕緣被破壞而呈現(xiàn)電導性,電極與軋輥之間的導電橋形成,電極與軋輥之間的電壓下降,電介質液中導電離子體開始運動,電極電源有電流流出,電

4、火花產生。(3)電火花逐漸變大,軋輥以及電極表面的金屬隨之熔化蒸發(fā),形成一個高溫高壓的蒸汽氣泡后迅速破裂,軋輥表面開始產生凹坑。(4)在通電時間末端,電火花放出的熱量最大,通電時間結束后毛化電源關斷后,電壓和電流迅速下降,電介質液電離狀態(tài)被破壞,不再有熱量產生,蒸發(fā)的軋輥以及電極表面的金屬隨著氣泡排出,同時熔化的金屬在凹坑附近重新凝固。(5)在斷電時間內電壓保持為零,蒸汽氣泡破裂,熔化后殘留的金屬小顆粒等雜物被不斷循環(huán)流動的電介質沖走并過濾。電介質液絕緣狀態(tài)穩(wěn)定后,繼續(xù)開始下一個電火花周期。如果在電介質還未完全恢復絕緣狀態(tài)時就開啟下一個打毛脈沖電壓,將在電極的同一地點出現(xiàn)一個不理想的連續(xù)放電。

5、這個狀況被稱作電弧放電。斷電時間一定要足夠長以避免這個現(xiàn)象。3  電火花毛化加工的電流控制系統(tǒng)原理從上面介紹的電火花毛化的物理化學過程可知,要連續(xù)穩(wěn)定的毛化軋輥必須對毛化電流,以及電極與軋輥之間的間隙進行精確控制, 從而避免電弧放電和短路等危險狀態(tài)。電流越大、電流脈沖通電時間越長,電火花產生的熱量越大,軋輥表面金屬熔化蒸發(fā)的速度也就越快,產生的凹坑也越深、越大,軋輥的粗糙度也就越大。因此為了毛化多種粗糙度規(guī)格的軋輥,毛化電流大小,電流脈沖時間必須可調。圖2中200V電源作為電極與軋輥之間的電介質液的擊穿的點火電壓,迅速擊穿電介質液,當電介質液擊穿后斷開200V電源,而使用80V毛化電

6、源,由電火花的毛化物理化學過程可知,這樣設計既能減少電介質液擊穿時間,提高脈沖電流工作效率,又可以保證電火花工作狀態(tài)穩(wěn)定。通過電流選擇信號控制繼電器的開關狀態(tài),選擇不同的電阻并聯(lián)回路組合,這樣就可以根據(jù)需要選擇毛化電流的大小。通過脈沖電壓信號控制功率場效應管的開關狀態(tài),這樣就可以通過改變脈沖電壓信號的周期和占空比來調整脈沖電流的通斷時間。在電火花毛化床實際設計制造過程中,可以把該系統(tǒng)集成在一個電流選擇模塊中,脈沖電壓信號由單獨的矩形波信號發(fā)生器發(fā)出。毛化電流大小、脈沖信號周期和占空比等參數(shù)在計算機操作臺上進行設定,用通信的方式傳遞給電流選擇模塊和脈沖信號模塊。通過模塊上的微控制器控制不同的毛化

7、電流及脈沖電壓信號。各種電流選擇和脈沖信號參數(shù)的組合均可以存儲在計算機內以實現(xiàn)毛化程序的操作簡便性和可重復性。4  電火花毛化加工的間隙控制系統(tǒng)原理電火花毛化加工過程是一個嚴格的加工間隙維持過程。間隙越大,電介質液越不容易被擊穿,電源空載率越高,電源效率越低,軋輥粗糙度值越小;加工間隙過小時,冷卻液不易進入,排屑條件差,易發(fā)生短路和電弧放電,不能正常毛化軋輥。因此為了得到穩(wěn)定的軋輥表面粗糙度,在電火花毛化過程中必須嚴格控制電極與軋輥之間的間隙大小,使其穩(wěn)定在設定值,保證毛化精度。由于直接測量電極與軋輥的間隙非常困難,必須尋求可以方便測量的電信號來表示間隙距離。一般將電火花放電狀態(tài)分成

8、五種1, 即: 開路、正?；鸹ǚ烹姟⑦^渡電弧放電、穩(wěn)定電弧放電和短路,下面分析對應這五種狀態(tài)下的特征:(a) 開路:間隙過大時,脈沖電源電壓不能擊穿間隙形成放電脈沖,間隙電壓值為脈沖電源電壓值,間隙中沒有放電電流,波形中沒有高頻分量;對軋輥不造成影響,屬于無效放電脈沖。(b) 正常火花放電:間隙值合適時,脈沖電源電壓擊穿間隙形成正?；鸹ǚ烹娒}沖,間隙放電維持電壓主要由毛化電極、軋輥材料及工作液介質介電特性決定,放電擊穿過程具有明顯的延遲特性,波形存在振蕩高頻分量; 電火花放電加工主要依靠它完成,屬于有效放電脈沖。(c) 過渡電弧放電:間隙值偏小或蝕除產物過分集中時,形成過渡電弧放電脈沖,間隙放

9、電維持電壓與穩(wěn)定電弧放電脈沖的值差不多,放電擊穿延遲時有時無,脈沖波形存在較弱的振蕩高頻分量,為火花放電脈沖與穩(wěn)定電弧脈沖的過渡狀態(tài)。當間隙改善時能自行恢復為火花放電脈沖,而當間隙惡化時就轉化為穩(wěn)定電弧放電脈沖。過渡電弧放電脈沖對工件具有較弱的去除能力,不產生燒傷性損害,既可歸屬為有效放電脈沖,也可歸為無效放電脈沖。(d) 穩(wěn)定電弧放電:間隙值過小時,產生穩(wěn)定電弧放電脈沖,間隙放電維持電壓比正?；鸹}沖放電時的值稍低,無放電擊穿延遲時,脈沖波形基本不存在振蕩高頻分量;它會造成燒傷性損害,屬于有害放電脈沖。(e) 短路:電極與軋輥短路時,間隙維持電壓為零,電流最大;短路脈沖沒有材料去除能力,屬于

10、無效放電脈沖。通過分析上述五種放電狀態(tài)的電參數(shù)特征, 包括間隙電壓高低、間隙電流大小, 是否有延遲擊穿現(xiàn)象、是否有高頻分量、間隙電導大小以及檢測放電時的聲頻信號等, 可以區(qū)分這五種放電狀態(tài), 由此發(fā)展了許多檢測、判斷放電狀態(tài)的方法。其中通過間隙電壓檢測電火花放電狀態(tài)是在實際中應用最廣泛和最成熟的一種方法。傳統(tǒng)的間隙電壓檢測方法2是對整個脈沖電壓周期或者是脈沖電壓周期的整個通電時間內測量電壓的平均值,這種情況下電火花各放電狀態(tài)的平均電壓差別不是很大,容易造成誤判斷;并且在電火花正常放電狀態(tài)下最大和最小平均值差也較小,伺服進給的分辨率也較低。采用間隙電壓檢測方法結合門檻電壓檢測,只檢測最直接反映放

11、電間隙部分的平均電壓,即td時間段內的平均電壓,這樣能顯著區(qū)分出各種電火花放電狀態(tài)并大大提高伺服系統(tǒng)的分辨率。如圖4所示,由于打火階段(td)電流近似為0,電火花放電階段電流會產生突變,所以從施加脈沖電源時刻到電流突變時刻的時間段即為td。可以通過檢測電流大小并利用脈沖電源同步共同確定采樣開關的打開和關閉,只對td期間進行積分。當電壓小于V1時,必然為(d)穩(wěn)定電弧放電或(e)短路狀態(tài),這時應驅動伺服電機使電極遠離軋輥;當電壓大于V1時,可以通過u2確定電火花的放電狀態(tài)。由圖3可知,(a)、(b)、(c)三種情況下,在td時間段內的電壓平均值相差很大,可以預先確定出最大平均電壓(對應開路狀態(tài))

12、和最小平均電壓(對應過渡電弧放電狀態(tài))。通過由圖4中的積分電路計算出u2=,便可確定當前電火花的放電狀態(tài)。若當前處于開路狀態(tài)則驅動伺服電機,使電極貼近軋輥;若當前處于過渡電弧放電狀態(tài),則驅動伺服電機使電極遠離軋輥;若u2處于最大和最小平均電壓之間,則為電火花正常放電狀態(tài)。在實際應用過程中,為了提高打毛效率,一般采用多根電極同時打毛。由于電極數(shù)量非常多(例如可配置36根或72根電極),通常情況下并不是一個伺服電機控制一根電極,而是一個伺服電機控制一組電極。如圖5所示,以18根一組的電極為例。首先由間隙檢測單元檢測電極與軋輥之間的間隙大小,伺服電機根據(jù)全部電火花放電間隙的平均值大小調節(jié)電機的進給和速度,使電極準確迅速達到指定位置,保證電極與軋輥的間隙大小穩(wěn)定。若一組電極中有一個電極處于短路或電弧放電狀態(tài),則整組電極全部后退,避免灼傷軋輥。5  結束語本文根據(jù)電火花放電的特性,介紹了電火花毛化加工中的電流控制和間隙控制方案,尤其是間隙控制方案較目前普遍應用的控制方案能較大提高伺服系統(tǒng)的響應速度和控制穩(wěn)定性,對電