电源类型对短电弧-电化学复合加工放电凹坑影响研究＊

胡国玉 王家豪 周建平 张晟晟 付 斐

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017）

放电加工主要通过介质击穿产生火花或电弧，通过瞬时高温蚀除材料形成凹坑，大量的单个放电凹坑叠加形成加工表面，放电凹坑大小影响着加工表面形貌的一致性，放电凹坑的凸起高度及凹坑表面的重铸层对加工表面质量有重要影响[1]。短电弧加工作为放电加工的一种，不仅在宏观加工中无切削力，而且加工效率高，常采用脉冲电源与直流电源进行加工，根据电源类型的不同，所获得的加工效果也不相同。当使用脉冲电源作为加工电源时，能获得较高的加工尺寸精度与表面质量，而使用直流电源进行加工时，加工效率得到显著提升，其Ti6Al4V 合金的材料去除率可达15 100 mm3/min[2-3]。同时，不同电源类型也会对放电凹坑这一放电加工基本单元产生影响。Bernd M[4]对不同电压与脉宽下的放电凹坑形貌进行了对比分析，发现在高电压、短脉宽的放电条件下击穿产生的放电凹坑的表面相较于低电压、长脉宽的放电条件下的电凹坑表面更光整。Chen X K 等[5]通过短电弧单脉冲放电的单因素实验，发现随着电压和脉冲持续时间的增加，放电通道扩展，放电通道的能量密度增加，凹坑直径、深度、凸起高度以及重铸层厚度都增加。针对放电-电化学复合加工的放电凹坑研究，尹青峰等[6]发现弱电解质溶液中的电火花/电化学复合加工的放电凹坑，其材料的去除由电火花放电蚀除和电化学溶解共同完成，电化学溶解可以在电火花放电后对凹坑进行光整。Zhang S S 等[7]通过对短电弧-电化学复合加工进行脉冲电源和恒压直流电源的单次放电实验，首次揭示了两种电源类型下的断弧机制。

与电火花加工工艺相比，短电弧加工工艺具有更高的加工能量，但加工后材料的表面变化更明显，表面质量有待提高。短电弧-电化学复合加工使用具有击穿特性和弱导电性的双特性工作介质，满足短电弧加工与电化学加工两种电加工形式，不仅获得了短电弧放电的高效材料去除能力，而且利用极间的电化学溶解作用有效去除电弧加工表面的重铸层、热影响层等缺陷，实现大余量地去除难切削金属材料同时，还能提升加工表面质量[8-9]。所沿用的直流与脉冲电源同样会对短电弧-电化学复合加工放电过程产生影响，放电凹坑也会相应发生改变。

本文采用短电弧-电化学复合加工方法，通过实验探究不同电源类型下放电参数及NaCl 溶液浓度对短电弧-电化学复合加工放电凹坑尺寸的影响，再利用COMSOL Multiphysics 针对不同电源类型下短电弧-电化学复合加工的电弧放电过程进行仿真模拟与分析。

1 实验

1.1 加工设备与原理

短电弧-电化学复合加工实验平台如图1 所示，主要包含机床本体、控制柜及加工专用电源，该电源有稳压及稳流两种伺服形式，本研究使用稳压形式。该电源输入为三相交流电，通过整流滤波、全桥逆变、高频降压、整流滤波和后级斩波后，可以输出脉冲波形，其中可调输出电压为0～35 V，实际输出电压约为5～33 V，可承载电流约为0～4 000 A 左右，占空比和频率可调。电源控制方式有上位机和触摸屏两种，具有出现欠压、过压、缺相、超温和短路等故障时对电源进行保护的功能。短电弧-电化学复合加工使用具有击穿特性和弱导电性的双特性工作介质，可以同时满足短电弧和电化学两种电加工形式。

图1 短电弧-电化学复合加工实验平台

1.2 实验条件

实验采用正极性加工，即工件材料连接正极，刀具电极连接负极。为了满足电解加工条件，使用的工作介质为中性NaCl 溶液，该介质污染小，对人体无害且易调配。单次放电实验要求在一次脉冲电压输入或直流电压输入情况下只发生一次放电击穿，需要保证电极拥有良好的导电性能与低的相对损耗率，所以使用紫铜尖电极（锥度8:25 mm）来实现尖端电弧放电，避免产生多处凹坑。工件材料则选用短电弧-电化学复合加工常针对的钛类金属TC4（30 mm×30 mm×10 mm），TC4 比强度大、韧性好、耐腐蚀性能优良，是较为典型的难切削金属材料。紫铜尖电极与TC4 工件如图2 所示。

图2 紫铜尖电极与TC4 工件

开始实验时，将尖电极与工件材料安装在机床上。根据实验要求配置相应浓度NaCl 溶液，连接冲液循环系统。利用霍卡MDSK-50G 光电Z轴对刀仪，将电极与工件表面保持50 mm 的间距。启动电源，开启侧冲液，以0.2 mm/s 的速度沿Z轴向下进给，使用DEWESoft 多通道采集仪来监测两极间的放电状态，通过连接PC 端软件分析实时电压电流波形以准确捕捉单次放电的发生。沿Z轴匀速进给可排除进给速度对放电凹坑实验的影响，在单次放电结束1 s 后切断电源并抬刀，以排除电化学腐蚀时间对放电凹坑实验的影响。实验后的工件去除异常放电所得凹坑，其余使用超景深显微镜（基恩士VHX-6000）对凹坑尺寸进行检测，检测项目如图3 所示，包含凹坑直径D、深度H、凸起高度T，测算后取平均值。

图3 凹坑尺寸检测项目

为保证实验数据的准确性，每组实验进行5 次，实验结束将试件超声波清洗后使用超景深显微镜进行凹坑大小、凹坑形貌的拍摄。实验条件与尺寸检测结果见表1。

表1 凹坑实验条件与尺寸检测结果

2 实验结果分析

2.1 不同电源类型下的凹坑尺寸形貌

两种电源类型的放电凹坑影响规律具有相似性，但两种凹坑的总体形貌存在较明显的差异。这种差异主要由电弧放电机理不同所决定，体现在凹坑的深径比变化，脉冲电源下的凹坑深径比都在0.08 左右，高放电能量下最高可达0.16。而直流电源放电凹坑深径比在高放电能量下反而小于0.08，只有在25 V 电压-5% 浓度NaCl 溶液下大于0.1。图4 为15%浓度NaCl 溶液下电压30 V-脉宽1 ms 的脉冲放电凹坑和30 V 的直流放电凹坑的三维形貌，可以直观地发现这种深径比差异，即脉冲放电往往能获得更深更狭小的凹坑；而直流放电凹坑的直径更大，深度更浅。

图4 短电弧-电化学复合加工实验平台

不仅存在凹坑形状的差异，如图4a 所示，脉冲放电凹坑的电化学腐蚀主要集中在凹坑和凹坑附近，腐蚀多为点状腐蚀。而直流放电凹坑的电化学腐蚀覆盖范围大，腐蚀多为面腐蚀，如图4b 所示。这说明电源类型不仅会影响电弧放电的凹坑形状，同时也会影响电化学腐蚀的效果。当采用直流恒压电源进行电化学极化时，在反应初期，阳极表面的电流密度处于暂态阶段，但随着电流密度的增大，开始发生溶解后，阳极表面的离子浓度会下降，直到极间流入的冲液在电流作用下电离补充了新的离子反应才进一步加快，这种溶解的速度变化受浓差极化控制[10]。而脉冲电源进行电化学极化时，每当电化学反应进入浓差极化时便会受脉冲间隔影响而恢复至极化准备状态，整个反应受电化学极化控制。在这种差异的作用下，直流电源的凹坑及凹坑附近表面腐蚀点能充分增长成面，而脉冲电源发生的电化学腐蚀受脉冲间隔影响，腐蚀点经历形核后未能完全增长。因此直流电源下的电化学腐蚀范围更大，腐蚀更充分；而脉冲电源下的电化学腐蚀面积小但更均匀，点蚀较多。

这种凹坑形状和电化学效果的差异，在短电弧-电化学复合连续放电产生凹坑进行铣削加工时会进一步凸显。这也印证了为什么同加工参数条件下，脉冲电压放电加工表面尺寸精度优于直流电压放电加工表面，表面电化学效果却劣于直流电压放电加工表面。说明脉冲电源下的短电弧-电化学复合更适合放电能量小、表面重铸层薄、精度要求高的加工，而对于其电化学腐蚀效果的提升应该从腐蚀初期速率的提升和腐蚀时间切入。直流电源下的短电弧-电化学复合更适合大余量材料去除的加工，为了避免过腐蚀及尺寸精度差这类问题，可以从控制加工速度和放电能量大小入手。

2.2 不同电源类型下的凹坑影响规律

使用脉冲电源放电，同15%NaCl 溶液浓度下，随着加工电压的增大，凹坑深度和直径都呈现逐渐增大的趋势，但凸起高度却先增大后减小。对于凹坑深度与直径，更高的电压更有利于凹坑的形成，加工电压30 V 时凹坑深度达77.5 μm，凹坑直径达711 μm。对于凹坑凸起高度，加工电压25 V 时最大，为14.8 μm，加工电压20 V 时最小，仅为2 μm。加工电压对凹坑深度与直径的变化主要是因为电压增大使电弧击穿放电时能量更大，大的脉冲能量对形成大的凹坑起重要作用；对于凹坑的凸起高度变化，主要是由于当加工电压较小时，本身瞬时放电能量不大，所形成的凹坑较小，且在低的加工电压下极限放电间隙更小，凹坑形成后迅速进行电化学反应，对凹坑表面进行了腐蚀溶解。当电压增大至30 V 时，凹坑虽然有所增大，但更高的加工电压带来更高的电流密度，使得电化学反应更加活跃，对凹坑的溶解更充分。NaCl 溶液浓度由5% 提升至15%，使得溶液中可移动离子增多，更多的电能用于电化学作用，短电弧放电的能量减小使凹坑各参数变小。

直流与脉冲电源的放电凹坑变化规律不同主要体现在凹坑深度变化规律上。直流电压下，加工电压30 V 时凹坑深度为50.2 μm，与20 V 时的52.9 μm较为接近，但在25 V 时却达到83.12 μm。放电凹坑的深度随加工电压的增大呈现先增大后减小的趋势，该规律是不同于脉冲放电凹坑深度变化规律的。凹坑深度与放电能量是正相关的，能量越大电弧放电凹坑就越深，电化学溶解对于凹坑深度的影响就越大，脉冲电源实验所得到的凹坑都符合加工电压越大凹坑深度越深这一变化规律，但是直流电源实验得到的凹坑并不符合这一规律。需要结合单次放电实验凹坑的尺寸与形貌结果对直流与脉冲放电到断弧过程进行仿真分析。

3 放电过程仿真模拟

3.1 仿真模型

为了分析直流电源实验得到的凹坑深度变化及脉冲与直流断弧过程的差异，需要对等离子体放电通道在工作介质冲刷下的移动过程进行模拟。仿真使用有限元软件COMSOL Multiphysics 6.0，采用流体传热、层流、感应/直流耦合放电模块进行仿真。仿真模型如图5 所示，为了简化模型，对其作一些假设。

图5 等离子体放电通道仿真模型

（1）冲液流体的出入口设置在边缘，流动过程为层流。

（2）击穿过程中将等离子体放电通道视为通路，通过模拟放电边界的温度变化来等效等离子体放电通道的变化。

两极材料紫铜和钛合金TC4 与工作介质调用软件材料库，分别为UNS C11000 、Ti-6Al-4V [solid,polished]和H2O (water) [liquid]，其中工作介质通过设置介电常数和电导率来模拟NaCl 溶液，仿真参数见表2。

表2 等离子体放电通道模型仿真参数

3.2 控制方程

两极施加电压时，电极和工件之间将形成电场，当电弧击穿产生等离子体放电通道时，电流流过通路形成磁场。用于描述电磁场和导电流体之间的相互作用的麦克斯韦方程[11]：

式中： ∇为离散度；M为磁场强度（A/m）；j为电流密度（A/m2）；D为电位差（V）；ρ是电荷密度（C/m3）；E为电场（N/C）；B为磁场（T）。

广义欧姆定律用于联系等离子体中电流密度、电场强度、磁感应强度和其他量之间的关系，方程为

式中：qe为电子电荷（C）；me为电子质量（kg）；u为矢量速度（m/s）；ne为单位带电粒子数量；η是张量。

3.3 边界条件与网格划分

模型所需要设置的接口主要有电流、磁场、流体传热、层流和变形几何。

在电流接口中，初始值为所有域，且都遵守电流守恒定律。如图6 所示，边界GAB和CDE为电绝缘，边界GH、HI、IE设置相应电势，边界BC输入法相电流密度I/（π×3×3）A/m2（I为多通道数据采集得到的电流平均值）。在磁场接口中，所有域遵守安培定律，边界ADIH为磁绝缘。

图6 等离子体放电通道仿真模型网格划分

流体传热接口中，BCF和GEIH为固体，其余为流体，全域初始温度为293.15 K，边界GH、HI、IE选择对流热通，边界BF、FC、GE选为热源边界。在层流接口对流体部分进行设置，边界CDE为流体入口，法相流入速度1 m/s，边界GAB为出口，边界BF、FC、GE为壁。变形几何接口中，GEIH设置为自由变形，网格变形速度为向内热通与金属密度和潜热的比值，电化学溶解相关网格速度为电导率与溶解率系数的乘积。

网格划分如图6 所示，整体网格使用细化自由三角形，流体域定制为较细化流体动力学，边界BF、FC、GE定制为较细化普通物理学。研究配置全域的瞬态计算，将所涉及的物理量全耦合。

4 放电过程仿真结果分析

4.1 直流电弧的放电过程分析

直流电压25 V 下的电弧间隙电压、电流波形和仿真云图如图7 所示，在t=0.243 745 s 时开始起弧并发生击穿，t=0.243 752 s 间隙电压与间隙电流迅速上升，电弧迅速产生并稳定，此时间隙等效电容和电感不断充电。阶段①仿真温度云图显示等离子体放电通道已经完全形成，工件材料开始蚀除。之后受放电间隙和冲液的影响，电压电流持续波动，电弧放电进入不稳定阶段。阶段②间隙电压波动，此时间隙等效电容充放电，受等效电感影响间隙电流持续下降，放电有断弧倾向，仿真显示的等离子体放电通道受冲液影响已发生略微偏移。但由于电能的持续输入，以及两极间隙依旧小于临界放电距离，电弧再一次趋于稳定。t=0.244 939 s 开始，间隙电流迅速下降，等效电容不断充电，电弧难以继续维持并发生断裂。该阶段③的仿真云图显示等离子体放电通道受冲液影响发生完全偏移，电弧也是在该阶段发生断裂的，直至t=0.244 666 s 时完全熄弧。

图7 直流25 V 电弧放电波形和仿真云图

4.2 脉冲电弧的放电过程分析

脉冲电压25 V 下的电弧间隙电压、电流波形和仿真云图如图8 所示，时间t从0.72 7 179 s 开始为脉冲电压的上升沿阶段，在t=0.727 188 s 时回路形成，介质被击穿开始出现间隙电流。阶段①间隙电压电流持续增大，放电电弧逐渐增强，仿真云图显示等离子体放电通道已经出现，工件材料开始出现相变。阶段②间隙电流持续增大，间隙电压出现一段的波动，此时等效电容不断充放电。在接近t=0.728 297 s 时，电弧放电逐渐稳定，间隙电压与间隙电流到达峰值，仿真云图显示等离子体放电通道受冲液影响较小，未发生偏移。0.728 297 s 以后，脉冲电压进入续流阶段，此时电源电压开始减小，因此等效电容开始放电维持电弧，使间隙电压与间隙电流开始减小。t=0.728 479 s 时间隙电流回归最小值，此时间隙电压受等效电容迅速放电的影响迅速骤降，该阶段的电能可能用于电化学溶解。阶段③结束，电弧完全熄断弧，等离子体放电通道直接消失。

图8 脉冲25 V 电弧放电波形和仿真云图

4.3 直流与脉冲放电过程差异分析

通过上述分析发现，短电弧-电化学复合加工下的直流电压电弧与脉冲电压电弧发生到熄断过程是不一样的。从电弧放电时间来看，脉冲电压电弧放电由脉冲时间决定且更稳定，起弧后逐渐放电增强，稳定后再熄弧。而直流电弧由于没有放电周期，因此主要依靠外界因素断弧，放电时间不可控，放电过程中电弧受回路和冲液的影响反复削弱与增强。同为25 V 电压，直流电弧持续时间反而小于1 ms，电弧在放电后半程发生流体冲断；脉冲电弧由于脉冲间隔的缘故，在电弧受冲液影响开始偏移时便熄弧了。这两种差异使得单次放电对金属的热相变与电化学作用也不相同。从仿真云图来看，直流放电的热传导更深，对于材料的蚀除也更强。

根据图9 所示的直流与脉冲电弧放电工件表面电流密度分布可以发现，由于电弧熄断弧的方式不同，断弧后的电流密度分布也不同，在电极与工件中心处脉冲25 V 的电流密度大于直流25 V，而直流25 V 在距工件1 mm 附近电流密度显著大于脉冲25 V。这种变化使得脉冲电压下的电化学作用区域与高温相变区域高度贴合，造成的直接结果就是电弧放电结束后的电化学溶解效果更集中在凹坑中心，同时腐蚀溶解也更均匀，这也解释了为什么脉冲电源形式下的短电弧-电化学复合加工能在获得电化学腐蚀表面重铸层与缺陷的同时保证一定的表面精度。虽然直流25 V 下的短电弧-电化学复合加工其电化学作用效果更集中于凹坑的外沿，但电化学腐蚀的范围与体积都大于脉冲25 V，这种电化学腐蚀特点对大范围的粗糙表面重铸层及缺陷溶解是有利的。

图9 直流与脉冲电弧断弧后的工件表面电流密度值

图10 为短电弧-电化学复合加工不同加工电压下的直流与脉冲放电凹坑三维形貌图，可以发现直流放电凹坑表面确实存在明显的断弧位置。同加工电压下直流放电凹坑的电化学腐蚀相较于脉冲放电凹坑，腐蚀范围更大。这种形貌特点与电弧断弧过程的仿真分析结果一致。

图10 不同加工电压下直流与脉冲电弧放电凹坑表面三维形貌

5 结语

（1）脉冲放电往往能获得更深更狭小的凹坑；而直流放电凹坑的直径更大，深度更小。脉冲放电凹坑的电化学腐蚀主要集中在凹坑和凹坑附近，腐蚀多为点状腐蚀；而直流放电凹坑的电化学腐蚀覆盖范围大，腐蚀多为面腐蚀。

（2） 直流与脉冲短电弧-电化学复合加工的放电凹坑其深度变化规律存在差异。脉冲电源下，凹坑深度随着加工电压的增大而增大，但直流电源下加工电压增大，凹坑深度先增大后减小。

（3）直流电弧倾向于通过流体介质运动和极间距离改变进行断弧；而脉冲电弧通过脉冲后沿电压变化和极间距离改变进行熄弧。