周建平，陳小康，李雪芝，周宗杰，董行，汪兵兵，趙一楠

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

作為一種非接觸式加工方法，放電加工具有忽略材料硬度、強(qiáng)度、韌性等限制的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、模具等重要領(lǐng)域關(guān)鍵零部件制造[1]．因放電具有一定的隨機(jī)性和復(fù)雜性，且這一過程是在極其狹窄的空間和極短的時(shí)間內(nèi)完成，導(dǎo)致許多重要現(xiàn)象難以被發(fā)現(xiàn)，加工機(jī)理研究較為困難，難以被完全揭示[2-3]．目前常用的加工機(jī)理研究方法可分為通過高速攝像儀拍攝的直觀實(shí)驗(yàn)研究法和通過數(shù)值模擬的有限元仿真法．

對(duì)于放電加工而言，其加工過程大致可以分為擊穿介質(zhì)形成等離子體放電通道、材料熔化和汽化、材料拋出和介質(zhì)消電離四個(gè)階段[1]．相關(guān)機(jī)理研究也是基于這四個(gè)階段開展，主要包括放電通道、兩極能量分配比例、放電凹坑形貌和材料去除過程四部分．又因?yàn)閭鹘y(tǒng)放電加工-電火花加工受限于加工效率低的問題，研究人員又提出了多種不同的新型電弧加工方法．基于此，本文從數(shù)值模擬角度出發(fā)，依次分析了放電加工方法、電火花加工和電弧加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究進(jìn)展，并展望了未來放電加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究趨勢(shì)．

1 放電加工方法研究現(xiàn)狀

放電加工發(fā)明于20 世紀(jì)40 年代[4]，電火花加工和電弧加工均隸屬于放電加工，其區(qū)別主要在于放電狀態(tài)及其控制方法的差異，進(jìn)而導(dǎo)致加工機(jī)理及工藝特性也有所不同．

1.1 不同電火花加工方法

電火花加工主要采用絕緣介質(zhì)作為放電環(huán)境，脈沖電源兩極分別接電極和工件兩端．隨著電極的逐漸進(jìn)給，極間場(chǎng)強(qiáng)不斷變大，當(dāng)達(dá)到介質(zhì)擊穿最大場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，放電會(huì)發(fā)生在兩極之間距離最小處，即會(huì)形成放電通道．放電通道內(nèi)部是由中性粒子和數(shù)量相等的正負(fù)離子組成，電場(chǎng)作用下粒子之間的互相撞擊會(huì)產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)而將材料快速熔化和汽化，從而形成凹坑，凹坑表面沿材料內(nèi)部方向會(huì)存在重鑄層和熱影響區(qū)等缺陷[1]．隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，為了提升放電加工的應(yīng)用領(lǐng)域，也誕生了多種不同的電火花加工方法，例如：電火花成型加工、電火花線切割加工、干式電火花加工、混粉電火花加工、微細(xì)電火花加工等．

1.1.1 電火花成型加工

在電火花成型加工中，零件加工形狀的鏡像即為電極形狀，電極材料通常為成型石墨或紫銅，故在復(fù)雜形狀零件加工中該方法具有一定優(yōu)勢(shì)[5]．該方法加工過程一般浸沒在介質(zhì)內(nèi)完成，通過脈沖電源產(chǎn)生的脈沖信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)放電和消電離作用，即脈寬階段進(jìn)行材料放電蝕除，脈間階段進(jìn)行消電離，利用放電產(chǎn)生的脈沖作用和電極移動(dòng)帶動(dòng)的介質(zhì)擾動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)蝕除碎屑的排出，保證加工過程穩(wěn)定可控[6]．

1.1.2 電火花線切割加工

電火花線切割加工通常采用細(xì)且長(zhǎng)的電極絲作為工具，簡(jiǎn)稱線電極，線電極接負(fù)極并以預(yù)設(shè)的固定速度沿軸向移動(dòng)，工件接正極并朝X、Y 方向移動(dòng)，線電極與工件之間的間隙會(huì)有工作介質(zhì)沿軸向沖刷，加之兩極之間脈沖火花放電產(chǎn)生的高溫作用，使得工件材料加工成期望的形狀及效果，圖1 為該方法加工原理圖[7-8]．根據(jù)運(yùn)絲方式的不同，電火花線切割加工分為高速走絲線切割加工、中速走絲線切割加工和慢速走絲線切割加工，加工精度和質(zhì)量依次逐漸提升．

圖1 電火花線切割加工原理圖[8]

1.1.3 干式電火花加工

20 世紀(jì)90 年代國(guó)枝正典教授實(shí)現(xiàn)了氣中電火花加工，開辟了電火花加工新方向[9]．以氣體作為介質(zhì)進(jìn)行脈沖火花放電加工材料的方法稱為干式電火花加工，具有放電能量分散、安全環(huán)保、電極損耗率低、殘余應(yīng)力小等特點(diǎn)，是一種極具發(fā)展前景的綠色加工方法[4]．干式電火花加工以旋轉(zhuǎn)管狀電極作為工具，高壓氣體介質(zhì)由管電極中心孔射流，具有排屑和提升加工穩(wěn)定性等功能．

1.1.4 混粉電火花加工

混粉電火花加工是在傳統(tǒng)液中電火花加工的介質(zhì)內(nèi)添加碳化硅、石墨等粉末，如圖2 所示．粉末顆粒能夠起到“串聯(lián)放電”的作用，使得放電能量較低時(shí)也可以穩(wěn)定加工，即可以通過降低放電通道內(nèi)能量，達(dá)到改善工件表面粗糙度的目的[11]．混粉電火花加工的突出特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)鏡面加工，拓展了零件的精加工方法．

圖2 混粉電火花加工原理圖[10]

1.1.5 微細(xì)電火花加工

與傳統(tǒng)電火花加工原理類似，微細(xì)電火花加工也是通過兩極之間放電產(chǎn)生的熱作用去除材料．微細(xì)電火花加工的對(duì)象均為尺寸微小的零件，具有放電間隙窄、放電面積小、能量低等特點(diǎn)，通常電極直徑為微米級(jí)[4,12]．由于其在硬質(zhì)材料上完成復(fù)雜三維形狀的非接觸高精度加工優(yōu)勢(shì)，使其成為微細(xì)制造領(lǐng)域中一項(xiàng)極其重要的工藝，具有廣泛應(yīng)用前景．

1.2 不同電弧加工方法

受限于電火花加工效率低的問題，嚴(yán)重阻礙了放電加工技術(shù)的發(fā)展，因此國(guó)內(nèi)外科研人員試圖利用電弧放電替代傳統(tǒng)火花放電，并對(duì)電弧進(jìn)行有效控制，防止其惡化加工過程及加工效果，進(jìn)而提出了多種不同的電弧加工方法，如：電弧尺寸加工、電熔爆加工、直流運(yùn)動(dòng)電弧銑削加工、高速電弧加工、電火花電弧復(fù)合加工、高壓激勵(lì)電弧銑削加工和振動(dòng)輔助電弧銑削加工以及短電弧加工等．

1.2.1 電弧尺寸加工

電弧尺寸加工是電弧首次在放電加工中的應(yīng)用，由Meshcheriakov 等提出，具有高效率和低能耗的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于尺寸較小零件的成型加工[13]．該方法利用直流電源提供能量，將電極和工件封閉于一個(gè)密封腔內(nèi)，通過介質(zhì)流道向密封腔內(nèi)通入高壓介質(zhì)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)電弧的有效斷裂和碎屑的快速排出，達(dá)到類似于脈沖放電的效果，加工原理如圖3 所示．研究表明當(dāng)電流為1 000 A、電極面積為500 mm2時(shí)，該方法最高加工效率可達(dá)16 000 mm3/min．

圖3 電弧尺寸加工原理圖[13]

1.2.2 電熔爆加工

電熔爆加工是最早進(jìn)行工程應(yīng)用的電弧加工技術(shù)，由高級(jí)工程師葉良才發(fā)明．該方法采用大脈寬脈沖電源提供能量，以帶有添加劑的自來水作為介質(zhì)，利用工件與電極的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和脈沖間隔實(shí)現(xiàn)電弧的有效斷裂．目前該方法主要用于車削領(lǐng)域，加工過程具有蝕除金屬劇烈的爆裂聲，聲壓級(jí)可達(dá)110 dB，電流高達(dá)3 000 A，加工效率遠(yuǎn)高于電火花加工，可達(dá)125 000 mm3/min[14-17]．

1.2.3 直流運(yùn)動(dòng)電弧銑削加工

直流運(yùn)動(dòng)電弧銑削加工是由清華大學(xué)韓福柱教授提出，原理在于利用電極高速旋轉(zhuǎn)與靜止工件之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到拉長(zhǎng)電弧進(jìn)而約束電弧的目的，即通過機(jī)械相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電弧的斷裂[18]．該方法通過直流電源供電以替代脈沖電源，消除脈沖間隔不放電時(shí)間并提升放電率，進(jìn)而提升加工效率，研究表明當(dāng)加工面積100 mm2、電流6 A、電壓100 V、電極轉(zhuǎn)速400 r/min 時(shí)，該方法效率約為電火花加工效率的四倍[19]．圖4 為運(yùn)動(dòng)電弧和靜止電弧的對(duì)比．

圖4 運(yùn)動(dòng)電弧與靜止電弧對(duì)比[19]

1.2.4 高速電弧加工

高速電弧加工是由上海交通大學(xué)趙萬生教授所發(fā)明的一種利用流體動(dòng)力斷弧的放電加工方法[20]．該方法加工原理在于將連續(xù)問題離散化處理和高壓流體有機(jī)結(jié)合，即利用多孔集束電極替代傳統(tǒng)實(shí)體電極，通過向集束電極孔內(nèi)通入高壓流體，使得電弧發(fā)生偏移，直至斷裂．流體的介入在實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧有效控制的同時(shí)，還促進(jìn)了排屑，增強(qiáng)了加工過程的穩(wěn)定性，圖5 為流體動(dòng)力斷弧的原理圖．研究表明該方法加工高溫合金的效率可達(dá)14 000 mm3/min，電極損耗率低于1%[21]．

圖5 流體動(dòng)力斷弧原理圖[20]

1.2.5 電火花電弧復(fù)合加工

中國(guó)石油大學(xué)劉永紅教授團(tuán)隊(duì)利用復(fù)合電源提供能量，即帶有脈沖和直流模塊的電源，脈沖模塊主要作用為高壓引弧，之后通過低壓直流模塊進(jìn)行工件的大電流高效去除，最終提出電火花電弧復(fù)合加工新方法[22]．該方法有機(jī)結(jié)合了高壓脈沖利于引弧和低壓直流加工效率高的優(yōu)點(diǎn)，采用蒸餾水和乳化油以一定比例混合作為介質(zhì)，管狀電極作為工具．研究表明該方法加工Ti-6Al-4V 的效率可達(dá)21 494 mm3/min，加工模具鋼的效率可達(dá)12 688 mm3/min[22-23]．

1.2.6 高壓激勵(lì)電弧銑削加工和振動(dòng)輔助電弧銑削加工

為了解決電弧加工排屑難而導(dǎo)致的短路頻發(fā)問題，山東大學(xué)張勤河教授團(tuán)隊(duì)分別引入高電壓和振動(dòng)來輔助電弧銑削加工，旨在增大間隙加工距離，進(jìn)而提升加工過程穩(wěn)定性[24-25]．研究表明在一定加工條件下，引入高電壓和振動(dòng)后，加工效率分別提升了16.25% 和33%．

1.2.7 短電弧加工

短電弧加工是一種低壓大電流放電加工方法，由新疆大學(xué)特聘教授周碧勝所提出[26]．該方法主要依靠電極和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧的有效控制，并利用高壓氣液混合介質(zhì)對(duì)間隙進(jìn)行有效沖刷，利于排屑的同時(shí)也有助于斷弧[27]．早期主要用于水泥磨輥、軋輥等零件的車削加工領(lǐng)域，后經(jīng)新疆大學(xué)周建平教授團(tuán)隊(duì)改良，成功將該技術(shù)拓展至銑削加工領(lǐng)域，隨后開展了電極材料、電極損耗補(bǔ)償?shù)确矫娴难芯抗ぷ?，并取得了一系列研究成果[28-34]．圖6 為短電弧車削加工和銑削加工的原理圖．

圖6 短電弧加工原理圖[27,34]

1.3 電火花加工與電弧加工的區(qū)別

電火花加工和電弧加工是根據(jù)放電狀態(tài)的差異而進(jìn)行區(qū)分的，這導(dǎo)致兩種加工方法在等離子體控制手段、伏安特性等方面均有所不同，通過查閱文獻(xiàn)，歸納了兩者之間的主要區(qū)別，如表1 所示．

表1 電火花加工與電弧加工的區(qū)別

2 電火花加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

早期受實(shí)驗(yàn)條件和科技水平等限制，對(duì)于電火花加工機(jī)理的研究主要通過理論推導(dǎo)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬的不斷發(fā)展為電火花加工機(jī)理的研究提供了便利．目前常用的有電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、多物理場(chǎng)耦合、分子動(dòng)力學(xué)等．

2.1 電磁場(chǎng)

作為粒子運(yùn)動(dòng)的初始動(dòng)力，電磁場(chǎng)在電火花加工中扮演著重要角色[40]．許佩霞[41]建立了電火花加工間隙電場(chǎng)模型，分析了不同極性、電極形狀對(duì)間隙電場(chǎng)分布的影響，得到了提高介質(zhì)擊穿率的方法．劉宇[42]、王元?jiǎng)俒43]、雍耀維[44]等分析了電磁場(chǎng)對(duì)放電通道中粒子運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，揭示了高頻脈沖作用下電極邊角損耗的原因．Pei 等[45]利用電磁學(xué)理論，建立了電火花加工介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)模型，如圖7 所示．實(shí)現(xiàn)了電極損耗的預(yù)測(cè)，并基于實(shí)驗(yàn)對(duì)電極輪廓進(jìn)行分析，明確了電場(chǎng)模型與幾何模型在機(jī)理上的差異．彭子龍等[46]從靜磁場(chǎng)微分方程出發(fā)，求解了電火花加工中放電通道自身磁場(chǎng)，得到了不同條件下放電通道自身磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律．尹青峰等[47]通過求解拉普拉斯方程得到了間隙電場(chǎng)分布及顆粒對(duì)間隙電場(chǎng)的影響規(guī)律，研究表明當(dāng)圓柱電極直徑為1 mm 時(shí)，尖角的場(chǎng)強(qiáng)約為均勻場(chǎng)強(qiáng)的1.3 倍；顆粒的存在會(huì)誘發(fā)電場(chǎng)畸變，最大場(chǎng)強(qiáng)約為均勻場(chǎng)強(qiáng)的3 倍．

圖7 介質(zhì)內(nèi)部電勢(shì)分布輪廓[45]

郭建梅等[48]利用時(shí)域有限差分法，對(duì)放電通道建立過程的連續(xù)時(shí)間和空間進(jìn)行離散化處理，通過求解麥克斯韋方程組得到了電磁場(chǎng)分布規(guī)律，研究表明放電通道是在極短的時(shí)間內(nèi)形成并迅速膨脹；隨電壓的增大，通道內(nèi)電子和離子數(shù)量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)歷時(shí)更短．于麗麗等[49]基于電磁場(chǎng)理論，通過蒙特卡羅法描述粒子碰撞、粒子模擬法描述粒子運(yùn)動(dòng)，研究了非導(dǎo)電工程陶瓷材料加工中放電通道內(nèi)粒子的微觀演化規(guī)律，結(jié)果表明放電通道的形成過程主要依靠電子的高速運(yùn)動(dòng)，而離子的運(yùn)動(dòng)貢獻(xiàn)不明顯，如圖8 所示．對(duì)于電磁場(chǎng)仿真而言，目前主要用于研究放電通道以及電極損耗，但不能揭示通道與材料之間的相互作用，且仿真所采用的均為簡(jiǎn)化模型，與實(shí)際可能具有一定偏差．

圖8 不同時(shí)刻下的電子和離子相圖[49]

2.2 溫度場(chǎng)

在電火花放電過程中，粒子的運(yùn)動(dòng)碰撞會(huì)產(chǎn)生高溫，當(dāng)超過材料熔點(diǎn)后，材料會(huì)被熔化甚至汽化，故國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電火花加工溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量研究．Lasagni 等[50]采用點(diǎn)熱源模型仿真了等離子體放電過程，并分別計(jì)算了材料以熔化和汽化方式的去除比例．Marafona 和Chousal[51]利用焦耳熱研究了電火花放電過程溫度場(chǎng)分布．上述模型由于忽略了材料熔化和蒸發(fā)過程的潛熱及熱輸入并非恒定不變等問題，導(dǎo)致與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差相對(duì)較大．Assarzadeh 和Ghoreishi[52]針對(duì)前期研究電火花單脈沖放電模型時(shí)假設(shè)熱源呈現(xiàn)點(diǎn)狀或均勻、等離子體半徑恒定、放電過程材料性能不變等恒定條件與實(shí)際相差甚遠(yuǎn)這一問題，提出了熱流密度呈現(xiàn)高斯分布、材料與溫度的相關(guān)性特性、熔化潛熱和放電通道隨時(shí)間和電流變化的新假設(shè)，建立了考慮因素更加全面的電火花單脈沖放電模型，通過實(shí)驗(yàn)與仿真進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明所建模型預(yù)測(cè)凹坑半徑和深度的最大誤差分別為18.1%和14.1%，預(yù)測(cè)精度高于前期所建模型，由此說明目前高斯熱源與實(shí)際放電效果更為接近．

為了揭示微細(xì)電火花加工能量分配比例和放電通道半徑變化規(guī)律，Wang 等[53]建立了電熱模型，并提出仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法求解能量分配比例和放電通道半徑，研究表明能量分配比例和放電通道半徑并非定值，會(huì)隨著電參數(shù)改變而不斷變化；與陰極相比，陽極放電通道半徑和能量分配比例更高，這也解釋了工件正極性加工效率高的原因．

針對(duì)電火花加工建模方法主要針對(duì)單次脈沖放電的問題，忽略了放電的累積效應(yīng)進(jìn)而影響實(shí)際工藝指標(biāo)這一問題，Liu 和Guo[54]引入了隨機(jī)放電以模擬等離子體放電隨機(jī)性，并基于溫度場(chǎng)分布預(yù)測(cè)了加工后工件表面的殘余應(yīng)力，研究表明表面殘余應(yīng)力小的主要原因是粗糙度高，較低的放電能量是實(shí)現(xiàn)低拉伸殘余應(yīng)力的首選方法．圖9 為電火花加工殘余應(yīng)力建模方法．就目前而言，對(duì)于溫度場(chǎng)的仿真主要用于研究熱源分布、求解放電通道半徑和能量分配比例、材料去除、殘余應(yīng)力等方面，但受限于影響因素多的問題，有待于進(jìn)一步完善．

圖9 電火花加工殘余應(yīng)力建模方法[54]

2.3 流場(chǎng)

在連續(xù)放電加工過程中，放電間隙內(nèi)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、碎屑濃度、氣泡體積分?jǐn)?shù)對(duì)加工性能具有顯著影響，因此揭示間隙流場(chǎng)分布規(guī)律是非常必要的．Koenig 等[55]建立了沖液過程底部間隙流場(chǎng)模型，計(jì)算了間隙內(nèi)部速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)．Haruka 和Kunieda[56]模擬了間隙流場(chǎng)中存在氣泡和工作液時(shí)對(duì)碎屑運(yùn)動(dòng)的影響．Takeuchi等[57]模擬了放電過程中間隙氣泡體積分?jǐn)?shù)，忽略了碎屑對(duì)放電過程的影響．Pontelandolfo 等[58]通過CFD 的方法分析了電極形狀、尺寸和運(yùn)動(dòng)特性對(duì)碎屑和氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，但是該模型氣泡添加方式與實(shí)際加工有所不同，影響了模型精度．針對(duì)前期模型大多僅考慮單一場(chǎng)或固液耦合的問題，忽略了實(shí)際間隙是氣泡、碎屑和沖液多相耦合，國(guó)內(nèi)外學(xué)者又開展了多相耦合流場(chǎng)仿真研究．Wang 和Han[59]利用VOF 建立了電火花加工氣、液、固三相流場(chǎng)模型，如圖10 所示．研究了加工過程中間隙碎屑和氣泡運(yùn)動(dòng)機(jī)理，研究表明氣泡膨脹是其排出間隙的主要途徑，而碎屑則是沿著排出氣泡向間隙外逐漸移動(dòng)排出；增大電流和脈寬可以增強(qiáng)氣泡的膨脹．在此基礎(chǔ)上，劉宇等[60]運(yùn)用FLUENT 中的VOF、DPM 和二次開發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)了間隙中氣泡和碎屑的隨機(jī)產(chǎn)生，建立了三相耦合模型，研究了沖液速度和加工深度對(duì)碎屑和氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響．

圖10 氣泡擴(kuò)展到側(cè)面間隙之前氣泡和碎屑分布[59]

2.4 多物理場(chǎng)耦合

對(duì)于電火花加工而言，其加工過程涉及多個(gè)物理場(chǎng)綜合作用，包括溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、流場(chǎng)等，故通過單一物理場(chǎng)仿真無法準(zhǔn)確揭示加工機(jī)理，因此研究人員又通過多物理場(chǎng)耦合仿真對(duì)加工機(jī)理進(jìn)行了研究．谷萌等[61]將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合，研究了電火花加工高溫合金時(shí)，溫度和熱應(yīng)力在工件不同位置的分布，對(duì)加工效率和殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)具有一定參考價(jià)值，研究表明放電過程中溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布梯度較大，最大值位于中心區(qū)域；理論上熔化區(qū)域拋出形成凹坑是基于力的作用，但同時(shí)工件表面也會(huì)形成殘余應(yīng)力，影響材料服役性能．

為了揭示放電與材料去除過程，Tao 等[62]采用熱流耦合的方法，研究了不同介質(zhì)中放電的氣泡壓縮、坍塌和熔融材料飛濺、再凝固過程的多相相互作用機(jī)理，得到了凹坑和碎屑的幾何形貌圖，研究表明所建模型可以較為真實(shí)反映出凹坑的幾何形貌，即具有邊緣凸起的凹坑；與濕式電火花放電相比，近干式電火花放電凹坑大而淺．Tang 等[63-64]在前人基礎(chǔ)上引入了水平集和混合邊界法建立了新型熱流耦合模型，進(jìn)一步揭示了凹坑的形成過程和材料去除過程，如圖11 所示．研究表明剛放電不久，凹坑就會(huì)出現(xiàn)，材料在放電初期主要通過汽化去除，而后主要以熔融飛濺去除；熔融飛濺階段材料去除動(dòng)力主要來源于熔池表面極大的壓力差．

圖11 放電凹坑形成過程和材料去除過程[64]

考慮到放電通道可以視為磁流體，為了揭示火花放電通道的基本特性，李曉惠等[65]將溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行耦合來描述放電通道，得到了穩(wěn)態(tài)時(shí)放電通道的熱場(chǎng)、壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律，研究表明放電通道溫度、壓力自中心軸向周圍不斷減小；放電間隙兩極表面附近會(huì)形成對(duì)稱的漩渦；隨著電流的增大，溫度、壓力、最大速度均不斷增加，隨著間隙距離的增大，溫度、最大速度不斷增大，但壓力有所減?。?/p>

2.5 分子動(dòng)力學(xué)

與上述物理場(chǎng)仿真從宏觀角度出發(fā)不同，分子動(dòng)力學(xué)仿真是從原子和分子角度對(duì)材料進(jìn)行描述，因此有利于從材料本質(zhì)上揭示電火花加工材料去除機(jī)理．Shimada 等[66]通過分子動(dòng)力學(xué)模擬了單次放電鎢電極的自銳現(xiàn)象．Wang 等[67]仿真了針尖電極放電和氣中放電沉積過程．馮慧慧等[68]通過改進(jìn)能量輸入方式和熱源模型，研究了放電凹坑形成過程及表面變質(zhì)層特性，研究表明放電開始時(shí)刻材料即會(huì)被去除，且材料去除過程大多處于放電期間，這與Dijck 等[69-71]提出的過熱理論有所不同．過熱理論認(rèn)為放電過程中極間高壓氣泡作用于熔池表面，導(dǎo)致材料溫度高于沸點(diǎn)，但未處于沸騰狀態(tài)，即為過熱狀態(tài)，當(dāng)放電結(jié)束后，氣泡內(nèi)部壓力急劇減小，處于過熱狀態(tài)的熔融態(tài)金屬材料會(huì)發(fā)生爆沸，材料被迅速去除，因此該理論認(rèn)為放電中材料去除主要位于放電結(jié)束這一時(shí)刻．

為了進(jìn)一步明確材料去除機(jī)理，Yang 等[72]對(duì)電火花加工材料去除過程進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究表明材料去除可以從蒸發(fā)和過熱金屬的氣泡爆炸兩方面解釋．岳曉明[73]也對(duì)材料去除過程進(jìn)行了研究，他認(rèn)為熔融金屬材料去除主要由極間金屬噴流產(chǎn)生的徑向剪切力和熔池內(nèi)部壓力共同作用去除；凹坑周圍環(huán)狀凸起是熔池內(nèi)外壓力差、金屬蒸汽噴射在熔池表面產(chǎn)生的徑向剪切力及去除材料因重力作用回落三個(gè)原因共同作用導(dǎo)致的結(jié)果．圖12 為基于分子動(dòng)力學(xué)的單脈沖放電材料去除過程．綜上所述，關(guān)于電火花加工材料去除機(jī)理的研究目前尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，有待于進(jìn)一步研究．

圖12 單脈沖放電材料去除過程[73]

3 電弧加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

3.1 放電通道

在放電過程中，放電通道作為熱源直接影響材料去除．米樂[74]利用能量、動(dòng)量、質(zhì)量守恒方程和磁流體動(dòng)力學(xué)方程，建立了電熔爆加工的放電通道二維穩(wěn)態(tài)模型，得到了放電通道的電磁場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等物理場(chǎng)分布規(guī)律，并進(jìn)一步分析了進(jìn)氣速度、電流強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)物理場(chǎng)分布的影響．為了實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體放電通道的有效斷弧，Xu 等[75]進(jìn)行了多孔電極的流場(chǎng)仿真研究，并基于流場(chǎng)分布優(yōu)化了多孔電極的孔分布．Zhang 等[76]通過理論分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，研究了高速電弧加工中介質(zhì)擊穿后放電通道擴(kuò)張規(guī)律，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步推導(dǎo)了放電過程中時(shí)間累積效應(yīng)的表達(dá)式，建立了考慮擴(kuò)張均勻熱源時(shí)間累積效應(yīng)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型，揭示了大脈寬下電弧放電的材料去除過程．

為了能夠準(zhǔn)確描述短電弧放電通道，并明確放電通道與兩極材料的作用機(jī)制，陳小康[34]基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論描述電弧等離子體，并考慮了等離子體與兩極之間的傳熱效應(yīng)，建立了短電弧加工的電極-等離子體-工件瞬態(tài)耦合模型，研究表明電弧呈現(xiàn)有缺口的圓柱狀，放電通道隨放電時(shí)間的持續(xù)而不斷擴(kuò)張，但擴(kuò)張速率不斷降低；隨著到通道中心距離的增加，溫度和壓力呈現(xiàn)先減小后基本不變的趨勢(shì)，速度和磁場(chǎng)先增大后減小，場(chǎng)強(qiáng)逐漸減??；電極損耗和凹坑直徑隨放電時(shí)間的持續(xù)而不斷增大．圖13 為不同時(shí)刻下間隙物理場(chǎng)分布及兩極材料形貌．

圖13 不同時(shí)刻下間隙物理場(chǎng)分布及兩極材料形貌[34]

3.2 能量分配比例

由于極性效應(yīng)的存在導(dǎo)致放電過程中兩極能量分配比例也有所不同，進(jìn)而影響材料去除過程、加工效率、表面質(zhì)量等指標(biāo)．與傳統(tǒng)采用直接測(cè)量所形成的凹坑直徑和深度，結(jié)合溫度場(chǎng)分布來計(jì)算能量分配比例的方法有所不同，Zhang 等[77-78]考慮了熱作用于工件表面形成的重鑄層所消耗的能量，提出了一種通過對(duì)比金相法得到的凹坑邊界與溫度場(chǎng)仿真得到的凹坑邊界來計(jì)算能量分配比例和放電通道直徑的新方法，研究表明與傳統(tǒng)電火花加工相比，電弧加工材料去除效率和能量分配比例較高，這也是電弧加工效率高的有力證明，但是所建模型僅考慮了放電時(shí)間的影響，可能具有一定的局限性．

根據(jù)放電能量公式可知，放電能量是由電壓、電流和放電時(shí)間共同決定．基于此，陳小康[34]在上述研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單脈沖放電實(shí)驗(yàn)，基于高斯熱源，建立了短電弧單脈沖溫度場(chǎng)模型，通過對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)所得凹坑實(shí)際半徑和深度，提出了求解放電通道半徑和能量分配比例的方法，具體如圖14 所示，并建立了對(duì)應(yīng)的回歸模型，該模型與電火花加工能量分配比例模型有所不同，不僅考慮了電流和放電時(shí)間，還額外考慮了電壓的影響，拓展了高能量電弧加工的基礎(chǔ)理論模型．研究表明增大脈寬和電壓、減小電流有利于提升能量分配比例；放電通道半徑隨電壓、電流和脈寬的增大而不斷增大．

圖14 短電弧放電能量分配比例和放電通道半徑求解流程[34]

3.3 放電凹坑形貌和材料去除過程

在電火花加工中，一次零件的成型加工是無數(shù)凹坑疊加的結(jié)果，通過研究凹坑形貌和材料去除過程可以直接反應(yīng)表面粗糙度、加工效率等指標(biāo)，更好揭示加工機(jī)理，因此這也得到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注．Li 等[79]基于高斯面熱源、體熱源，構(gòu)建了短電弧放電溫度場(chǎng)模型，得到了GH4169 材料的汽化區(qū)、重鑄層區(qū)和熱影響區(qū)分布規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，證實(shí)了所建模型的準(zhǔn)確性．仇未星等[80]對(duì)比研究了高斯熱源和均勻熱源下短電弧加工Ti-6Al-4V 的放電凹坑形成過程，發(fā)現(xiàn)高斯熱源的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差更?。槍?duì)前期C/SiC 仿真采用高斯熱源忽略間隙弧柱熱效應(yīng)這一問題，季玉等[81]以橢球體熱源等效電弧弧柱、高斯面熱源等效工件表面熱效應(yīng)，建立了適用于C/SiC 加工的短電弧放電新型等效熱源，對(duì)比研究了傳統(tǒng)高斯熱源和等效熱源下C/SiC 復(fù)合材料凹坑形貌差異，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明C/SiC 復(fù)合材料中運(yùn)用新型等效熱源模擬凹坑形貌相比于高斯熱源預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度可提高20%．如圖15 所示為短電弧加工中等效熱源作用下的溫度場(chǎng)分布及凹坑形貌．

圖15 等效熱源加工方向不同時(shí)的溫度場(chǎng)分布及凹坑形貌[81]

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)短電弧加工表面粗糙度的預(yù)測(cè)，王翔[82]在單脈沖放電基礎(chǔ)之上引入隨機(jī)函數(shù)以模擬放電隨機(jī)性，仿真了不同條件下連續(xù)脈沖放電過程及最終零件表面成型效果，研究表明由于放電的隨機(jī)性導(dǎo)致同一位置附近會(huì)受到電弧的多次侵蝕，凹坑邊緣被破壞，最終隨著放電次數(shù)的不斷增加，整個(gè)加工表面被逐漸蝕除；通過圖像識(shí)別提取工件表面仿真輪廓計(jì)算粗糙度，發(fā)現(xiàn)粗糙度與頻率呈負(fù)相關(guān)，與占空比和電壓呈正相關(guān)；仿真與實(shí)驗(yàn)所得粗糙度誤差低于3%．圖16 為引入隨機(jī)放電后的工件表面仿真與實(shí)際加工對(duì)比圖．

圖16 連續(xù)脈沖隨機(jī)放電仿真后工件表面與實(shí)際加工表面[82]

綜上所述，目前放電加工主要分為電火花加工和電弧加工，研究這兩種加工方法機(jī)理所采用的數(shù)值模擬手段近乎相同，大多聚焦于溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、多物理場(chǎng)耦合仿真等方法，但忽略了放電過程的復(fù)雜性，例如：放電環(huán)境（電參數(shù)、介質(zhì)、加工方式等）、斷弧方式（脈間強(qiáng)制斷弧、電極旋轉(zhuǎn)斷弧、高壓沖液斷弧以及三種方式的復(fù)合斷?。┑龋纱藢?dǎo)致所建模型可能與實(shí)際具有一定偏差，且現(xiàn)有方法無法準(zhǔn)確全面揭示放電通道、能量分配比例、放電凹坑和材料去除過程的背后機(jī)理．另外，電火花和電弧加工均隸屬于放電加工，本質(zhì)上具有一定相似之處，因此在加工機(jī)理上也有一定相似之處，但由于電參數(shù)類型及取值區(qū)間、電弧控制手段的不同，導(dǎo)致與電火花加工模型相比，電弧加工在因素與水平、放電通道偏移規(guī)律、凹坑形貌等方面也存在一些不同之處，例如：短電弧加工多采用大功率恒壓源，而電火花加工多采用小功率恒流源，因此在能量分配比例和放電通道模型上前者多利用高能量尺度的電壓和脈寬作為因素，后者則多利用低能量尺度的電流和脈寬作為因素；與電火花成型加工放電通道和凹坑相比，高速電弧加工由于利用流體動(dòng)力斷弧的原理，導(dǎo)致放電過程中放電通道會(huì)發(fā)生偏移，凹坑表面會(huì)出現(xiàn)“拖尾”現(xiàn)象．因此，可知對(duì)于放電加工中不同方法的加工機(jī)理具有一定差異，且仍需進(jìn)一步研究，未來利用宏觀和微觀相結(jié)合的方式，綜合考慮放電加工中的復(fù)雜因素，更加準(zhǔn)確地模擬出放電加工過程是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，也是研究難點(diǎn)．

4 未來放電加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究趨勢(shì)

4.1 放電加工等效熱源研究

當(dāng)前對(duì)于放電加工的數(shù)值模擬研究大多基于高斯熱源開展，而放電過程受放電狀態(tài)（電弧和火花）、工作介質(zhì)等多因素影響，這可能導(dǎo)致單一的高斯熱源并不完全適應(yīng)于任意加工方法，因此開展放電加工等效熱源研究可能是未來研究的重點(diǎn)之一．

4.2 放電加工多物理場(chǎng)和分子動(dòng)力學(xué)復(fù)合模擬研究

由前人研究可知，放電加工過程是一個(gè)涉及多個(gè)物理場(chǎng)耦合作用的過程，對(duì)于材料去除動(dòng)力、拋出過程等機(jī)理的研究尚未被完全揭示，仍需進(jìn)一步研究．就目前而言，現(xiàn)有的多物理場(chǎng)耦合仿真方法無法從微觀角度揭示放電過程和材料去除過程，現(xiàn)有分子動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果雖可以從微觀角度揭示，但實(shí)際仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差相對(duì)較大，主要以定性分析為主，因此綜合兩種方法的優(yōu)勢(shì)，開展多物理場(chǎng)和分子動(dòng)力學(xué)復(fù)合模擬研究可能是未來揭示加工機(jī)理的關(guān)鍵手段．

4.3 電弧加工機(jī)理研究

盡管國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)電火花加工機(jī)理的研究已作出了重要貢獻(xiàn)，但這些機(jī)理是否完全適用于電弧加工仍需進(jìn)一步探究．對(duì)于電弧加工和電火花加工而言，能量尺度和加工方式的差異造成了兩者可能在加工機(jī)理方面存在一定差異．可能受限于電弧發(fā)展時(shí)間等因素的影響，目前關(guān)于電弧加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究無法完全揭示電弧等離子體與材料的相互作用過程，這導(dǎo)致迄今為止電弧加工表面質(zhì)量差的問題仍無法得到有效解決，因此關(guān)于電弧加工機(jī)理的深入研究可能是未來放電加工領(lǐng)域的重要方向．

5 結(jié)論

本文首先對(duì)放電加工方法進(jìn)行了歸納，然后圍繞放電通道、能量分配比例、放電凹坑和材料去除過程等方面，從不同角度的數(shù)值模擬，依次梳理了電火花加工和電弧加工的機(jī)理研究現(xiàn)狀，最后展望了放電加工機(jī)理的數(shù)值模擬研究趨勢(shì)，為后續(xù)相關(guān)研究提供了參考．