電弧銑削技術現(xiàn)狀與展望

武鑫磊，劉永紅，紀仁杰

（ 中國石油大學（華東）機電工程學院，山東青島 266580 ）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各類難切削材料如鈦合金、高溫合金、超硬不銹鋼等在航空航天、軍事工業(yè)及高端裝備等領域應用越發(fā)廣泛。 但由于這些難切削材料具有獨特的物理化學和機械性能，采用傳統(tǒng)機械銑削對其進行加工，存在加工效率低、刀具損耗大和加工成本高等問題。 對此，國內(nèi)外學者開展了電弧銑削技術及其材料蝕除機理等的研究工作，一些研究成果得到工程實際應用，取得了較為顯著的經(jīng)濟和社會效益。 本文對高速電弧銑削工藝方法、加工工藝特性和材料去除機理等進行了綜述分析，并簡要闡述了其未來的發(fā)展趨勢。

1 電弧銑削技術早期探索

電弧銑削技術是一種利用工具電極與工件之間電弧放電產(chǎn)生的高溫對工件材料進行去除的新型加工方法。 與電火花放電等離子體相比，電弧放電等離子體具有更高的能量密度和電熱轉換效率。電弧銑削加工原理如圖1 所示，加工時將工具電極和工件分別與電源兩極相連，在兩極間產(chǎn)生電弧放電，進行材料蝕除，同時向加工間隙沖注工作液，以冷卻工具電極和工件、攜帶蝕除產(chǎn)物等。

圖1 電弧銑削加工原理圖

20 世紀50 年代， 國內(nèi)外的學者開始研究利用電弧熔化去除金屬材料的方法， 開發(fā)出電弧氣刨技術[1]，可適用于焊縫清根、切割、清除鑄件澆冒口等。20 世紀 80 年代，蘇聯(lián)學者 Meshcheriakov 等[2]提出了電弧立體加工技術（圖2），其原理是使用直流電弧焊接電源作為能量來源，將工具電極與工件加工區(qū)域全部封閉在密閉空腔中，利用工具電極與工件間的電弧放電作用進行加工，并將工作液由工具電極與工件的加工側面間隙注入，通過電極內(nèi)部流出并攜帶排出蝕除產(chǎn)物， 但該技術的加工裝置復雜，難以用于實際生產(chǎn)。

圖2 電弧立體加工技術[2]

我國學者自20 世紀80 年代末開始研究利用電弧加工難切削材料。 安徽工學院的張崇高等[3-4]提出了機械電脈沖放電加工聚晶金剛石方法，在加工時，將齒形金屬電極和聚晶金剛石分別與直流電源的正負極相連，由旋轉電極齒間隔性滑過聚晶金剛石加工表面時產(chǎn)生脈沖性電弧，進而放電蝕除工件材料，顯著提高了加工效率。 葉良才等[5-6]提出了電熔爆加工技術，在加工時將金屬工具電極和金屬工件分別與直流電源的正負極相連，工具電極旋轉通過金屬工件表面時產(chǎn)生電弧放電，由高能量電弧高效去除金屬材料。 周碧勝等[7-8]研發(fā)出了短電弧加工技術，其加工原理同電熔爆技術，不同之處在于利用電極的旋轉作用使電弧斷續(xù)關斷，該技術已用于水泥軋輥、泥漿泵葉、輪外圓、磨煤輥等大型回轉體零件的高效粗加工。

2 電弧銑削技術研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者對電弧銑削技術的加工工藝特性進行了研究， 主要研究了電弧放電加工工藝參數(shù)、工作液等對電弧銑削技術的材料去除效率、電極相對損耗率、工件加工后的尺寸精度和表面完整性等的影響規(guī)律關系。

2.1 工藝技術研究

2011 年，美國General Electric 公司提出了一種藍弧放電銑削方法[9-10]，使用特制的電解液作為工作液，利用工具電極與工件間放電產(chǎn)生的電弧進行加工，得出了電弧銑削加工高溫合金的加工效率相較于傳統(tǒng)機械銑削方法提高了3 倍、節(jié)省了70%刀具成本的結論。

2013 年，中國石油大學（華東）的劉永紅等[11]提出了高能量密度的高速電火花銑削加工技術，在加工電流為920 A 時，加工鎳基高溫合金得到的材料去除效率達15 062 mm3/min， 在此基礎上又提出了高速電火花電弧復合銑削加工技術[12-13]，將脈沖電火花電源和直流電弧電源并聯(lián)形成復合加工電源，利用高壓低能脈沖擊穿加工間隙、低壓高能直流電源提供放電能量，加工鈦合金得到的材料去除效率達21 494 mm3/min、 電極相對損耗率僅為1.7%，加工出的鎳基高溫合金樣件見圖3。 2020 年，劉永紅等[14]還針對該技術開展了工作介質(zhì)和新型電源的研究工作，以提升綠色制造的水平。

圖3 電火花電弧復合銑削加工鎳基高溫合金樣件[15]

2012 年，上海交通大學的趙萬生、顧琳等[16-17]提出了一種基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工方法，并在研究初期使用特殊集束成形電極，進行了鎳基高溫合金電弧成形加工，所得材料去除效率達到11 300 mm3/min、電極相對損耗率低于3%；隨后將該方法用于高速電弧銑削加工，針對需要進行大量去除材料的中空式結構零部件，先用電弧銑削方法進行粗加工，再用機械銑削精加工，發(fā)現(xiàn)以該方法銑削加工質(zhì)量分數(shù)20%的SiC/Al 時，材料去除效率可達10 200 mm3/min[18]，加工后得到的結構件和樣件分別見圖4 和圖5； 采用該方法進行鈦合金銑削加工實驗，得到的渦輪盤樣件見圖6。

圖4 加工的SiC/Al 結構件[18]

圖5 加工的SiC/Al 樣件[19]

圖6 加工的鈦合金渦輪盤樣件[20]

2019 年，山東大學的張勤河等[21]提出了振動輔助電弧加工技術， 使用直流電弧電源提供能量，將振動加載至工件上， 在加工W9Mo3Cr4V 高速鋼時的材料去除效率可達8595 mm3/min，并且通過疊加振動，可增大放電間隙、抑制短路現(xiàn)象和提高電弧銑削的穩(wěn)定性和加工精度（圖7）。

圖7 通過振動增大放電間隙示意圖[21]

2021 年，清華大學的韓福柱等[22]提出了一種基于復合能量場的旋轉短弧銑削加工方法 （圖8），在工具電極周圍施加了一個圓周橫向磁場，利用洛倫茲力、 電場力和工具電極的高速旋轉驅(qū)動電弧運動，增加了電弧等離子體的能量密度，并且有一些碎屑在加工過程中被磁場吸附在電極端面，可降低電極相對損耗率。

圖8 基于復合能量場的旋轉短弧銑削加工[22]

2021 年，新疆大學的周建平等[23]使用短電弧加工技術對鈦合金進行了銑削實驗，采用石墨作為電極加工鈦合金的材料去除效率達17 268 mm3/min、電極相對損耗率為1.27%， 該技術所用機床及其加工過程見圖9。

圖9 短電弧加工機床及加工過程[23]

此外，周碧勝等[24]通過高速攝像機拍攝了短電弧放電過程，結果發(fā)現(xiàn)放電通道是多點放電。

2.2 加工質(zhì)量研究

與傳統(tǒng)機械銑削和電火花銑削相比，電弧銑削具有材料去除率高、 電極相對損耗率小等優(yōu)點，但加工后的工件表面質(zhì)量較差且存在微裂紋、 氣孔、小顆粒等，還有一定厚度的熱影響區(qū)和重鑄層。 因此，電弧銑削技術主要用于工件的粗加工。

電弧銑削一般采用工件接電源正極、工具電極接負極，可得到較高的材料去除效率。趙萬生等[25]研究了高速電弧加工工具電極極性對加工工件表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)工具電極接正極可改善表面加工質(zhì)量，獲得較少的微裂紋和更薄的熱影響層，并且表面粗糙度Ra 從工具電極負極性時的274 μm 降至正極性時的31 μm。趙萬生等[26]還通過研究指出，工具電極接正極時的材料去除效率較低、電極相對損耗率較高，在工作介質(zhì)的快速沖刷下可使得放電坑變淺，進一步提升工件表面質(zhì)量。

顧琳等[18]發(fā)現(xiàn)高速電弧加工質(zhì)量分數(shù)20%的SiC/Al 時， 工具電極負極性條件下的重鑄層比正極性時的厚，且電流越大，重鑄層越厚。 圖10 是工具電極極性和電流對加工質(zhì)量的影響。

圖10 工具電極極性和電流對加工質(zhì)量的影響[18]

劉永紅等[11]對電火花電弧復合銑削技術加工鎳基高溫合金的工件加工表面進行了研究，觀察到一些微裂紋滲入基材并沿著晶界擴展（圖11）。該研究指出，鎳基高溫合金的導熱性較差，電弧放電產(chǎn)生的瞬時熱量無法及時排出，加工表面又同時受到工作介質(zhì)的冷卻作用，當工件表面的應力超過其強度極限時就會產(chǎn)生微裂紋。

圖11 電火花電弧復合銑削[11]

劉永紅等[27]還采用電火花電弧復合銑削技術對鈦合金進行了加工，得到工件加工表面的微觀結構特性和顯微硬度（圖12），在工件加工表面觀察到氣孔、微裂紋、小顆粒等，通過對工件表面元素變化分析后表明，在加工過程中存在著元素遷移現(xiàn)象。

圖12 準干式電火花電弧復合銑削加工鈦合金[18]

韓福柱等[28]采用基于移動電弧的高速電火花銑削加工技術加工鈦合金時，也在工件表面觀察到微裂紋（圖 13）。

圖13 基于移動電弧的高速電火花銑削加工技術加工鈦合金的工件表面[28]

2.3 加工機理研究

新加坡國立大學的Afzaal Ahmed 等[29]針對電火花加工和電火花電弧復合加工分別建立了熱分析的數(shù)值模型，其理論與實驗結果表明：電火花電弧復合加工等離子通道的直徑較大，因此具有較高的加工效率。

劉永紅等[12]對提出的高速電火花電弧復合銑削加工技術的加工機理進行了研究， 經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在工具電極高速旋轉和加工間隙高速沖液的同時作用下，既可快速釋放加工過程中產(chǎn)生的大量的熱量、避免燒傷工件，又可迅速將蝕除產(chǎn)物排出加工間隙。

趙萬生、顧琳等[17,26]對所提的基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工技術的加工機理進行了研究，如圖14 所示，在高速流體形成的流場作用下，放電弧柱發(fā)生偏移直至被切斷，引發(fā)等離子體爆炸沖擊波，而高速流體一方面避免了持續(xù)穩(wěn)定的電弧對工件的持續(xù)燒傷，另一方面可將產(chǎn)生的大量熱量和蝕除產(chǎn)物迅速沖走，保證了加工的持續(xù)穩(wěn)定進行。

圖14 流體動力斷弧機制示意圖[30]

顧琳等[31]還使用COMSOL 軟件研究了基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工在端銑模式下的流場特性和碎屑排出機制，使用集束電極進行電弧銑削，仿真結果見圖15。研究表明：介電流體的峰值流速出現(xiàn)在沖液孔附近，中間沖液孔附近的流速低于外部沖液孔。 徑向進給的碎屑排出速度較軸向進給快。

圖15 高速電弧放電流場特性（圖a~圖c 為軸向進給；圖d~圖e 為徑向進給）[31]

韓福柱等[32]對基于流體-機械動力耦合斷弧的高速電弧銑削機理進行了研究，建立了不同斷弧方法的材料去除機理模型，證明了機械斷弧和流體斷弧耦合方法的有效性，研究表明：斷弧會產(chǎn)生強大的爆破力，是高速電弧銑削的關鍵因素。

韓福柱等[33]還對鈦合金進行了銑削加工實驗，研究了移動電弧的加工特性，并根據(jù)高速攝像機拍攝的圖像分析了移動電弧的材料蝕除機理 （圖16和圖17），研究表明：工具電極的旋轉速度遠快于移動電弧，電弧在高速移動過程中會持續(xù)燃燒而不會熄滅，從而連續(xù)蝕除工件材料。

圖16 移動電弧的高速攝像照片[33]

圖17 移動電弧的材料蝕除機理[33]

張勤河、張敏等[34]對振動輔助電弧銑削加工中振動的作用進行了理論分析，指出振動具有增大平均電極間隙、增大沖液流量、減少橋接、增大電弧等離子體功率、增強極性效應以及促進弧根在電極表面運動等作用，可提高電弧銑削的穩(wěn)定性。

東北林業(yè)大學的郭成波等[35]使用COMSOL 軟件研究了高速電火花銑削加工過程中的流場特性（圖18），研究表明：對于管狀工具電極，在沿著徑向方向進給時，46%的工作介質(zhì)由進給方向的后方出口（出口3）流向已加工表面；54%的工作介質(zhì)由工具電極切線方向（出口 2）和軸線方向（出口1）流出，這部分工作介質(zhì)有助于材料蝕除。

圖18 高速電火花銑削加工中的流場特性[35]

2.4 工具電極研究

在高速電弧銑削加工中，工具電極的材料和結構對加工工藝效果影響較大。劉永紅等[15]研究了鎢、鈰鎢、銅、鎢銅合金和石墨等分別作為工具電極材料對干式電火花電弧復合銑削加工的影響，結果表明：管狀石墨電極是最佳選擇。

郭成波等[35]設計了含有多孔結構的石墨工具電極， 如圖19a 所示，1# 電極為常見的管狀電極，2#電極在1# 的端面內(nèi)孔周圍加了一圈小沖液孔，3#電極在2# 的基礎上去掉了原有的內(nèi)沖液孔，4# 電極在1# 電極的外側加了一圈小沖液孔； 分析了不同石墨電極下的流場特性，如圖19b 所示，用四種石墨工具電極進行了加工實驗；在電流400 A、脈寬2000 μs、脈間 100 μs 條件下加工鈦合金工件，得到的材料去除效率如圖19c 所示，相比于1# 電極，使用4#電極時可將材料去除效率提高33%。

圖19 四種石墨工具電極及其特性與對比[35]

此外，周建平等[36]研究了鎢銅工具電極對短電弧銑削加工的影響。 趙萬生等[26]研究了工具電極極性對電弧加工AISI D2 工具鋼的影響。 趙萬生等[37]還提出采用成形電極進行電弧掃銑的方法（圖20），研究了不同工具電極路徑對加工凹槽的影響，提高了開式整體葉盤中開式流道的加工效率。

圖20 整體帶冠渦輪盤高速電火花銑削加工專用電極[37]

哈爾濱工業(yè)大學的王振龍等[38]針對整體帶冠渦輪盤進行了高速電火花電弧復合銑削加工，通過提取渦輪盤的橫截面和中心線等幾何參數(shù)，設計了如圖21 所示的專用電極， 使加工用時縮短至傳統(tǒng)電極的一半。

圖21 電弧掃描銑削原理圖[38]

澳大利亞皇家墨爾本理工大學的Songlin Ding等[39]采用移動電弧加工方法及旋轉圓盤電極進行了聚晶金剛石加工實驗（圖22），提高了材料去除效率和表面加工質(zhì)量，增強了加工過程的穩(wěn)定性。

圖22 移動電弧加工金剛石實驗裝置[39]

2.5 脈沖電源研究

高速電弧銑削電源作為電弧銑削加工的技術核心，為電弧銑削加工提供能量。

劉永紅等[40]研制了一種具有高效、節(jié)能的特點的電火花電弧復合銑削脈沖電源，該電源的波形見圖23；還提出了一種新型的脈沖電源高低壓復合控制策略，提高了電源的電能利用率[41]。 劉永紅等[13]也對可持續(xù)綠色高效電火花銑削的脈沖電源進行了研究，其組成原理、控制策略和實際的加工波形見圖24。 劉永紅等[14]還對電火花輔助電弧高效銑削的脈沖電源進行了研究，其典型電源波形見圖25。

圖23 電火花電弧復合高速銑削的脈沖電源電流和間隙電壓波形[40]

圖24 可持續(xù)綠色高效電火花銑削[13]

圖25 電火花輔助電弧銑削典型電源波形圖[14]

周建平等[42]對短電弧加工所用的脈沖電源的控制策略進行了研究，提出了基于DE-RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡的短電弧脈沖電源恒壓控制方法，研制出了高效節(jié)能短電弧銑削加工脈沖電源，其波形見圖26。

圖26 超聲振動輔助電弧加工復合電源[42]

山東大學的張勤河等將短電弧電源和脈沖、直流電源組成了混合電源系統(tǒng)，研究了不同參數(shù)對高頻高壓脈沖短電弧銑削材料去除效率等的影響[43]，還針對電弧銑削加工提出了一種獨立的放電狀態(tài)檢測方法[44]（圖27），將放電電路隔離開，采用另一個獨立的電路監(jiān)視放電狀態(tài)，一定程度上實現(xiàn)了檢測放電狀態(tài)的獨立性。

圖27 電弧銑削放電狀態(tài)檢測原理[44]

北方工業(yè)大學的劉瑛等[45]研究了超聲振動輔助電弧加工復合電源。 上海交通大學的徐輝等[46]也研究了基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工的放電波形特征，并以此對伺服控制進行了優(yōu)化。

2.6 工作介質(zhì)研究

為了改善傳統(tǒng)油基工作液帶來的環(huán)境問題，劉永紅等提出了干式復合電弧高速銑削加工[47-48]和準干式電火花高速銑削加工方法[27]，分別在空氣中和霧中進行電火花電弧復合銑削加工，取得了較高的加工效率，還對干式電火花電弧復合銑削加工鎳基合金的表面完整性進行了分析[49]。 準干式電火花高速銑削加工方法原理見圖28。

圖28 準干式電火花高速銑削加工方法[27]

劉永紅等[13]采用同時在加工間隙的內(nèi)外沖注環(huán)保工作介質(zhì)， 對高效放電銑削不銹鋼17-4PH 進行了實驗研究， 結果表明： 該工作液可滿足節(jié)能、高效、可持續(xù)生產(chǎn)的要求。

青島理工大學的王飛等[50]使用管狀石墨電極和水基工作液，在電弧銑削加工中實時改變工具電極周圍非均勻流場的分布，減少對重要加工面的反復蝕除， 有效地提高了電弧銑削加工的加工精度、改善了工作環(huán)境（圖29）。

圖29 電弧銑削電極非均勻流場控制[50]

韓福柱等[28]提出了一種可持續(xù)的基于移動電弧的高速銑削方法，使用去離子水作為電介質(zhì)，具有較高效率、低短路率和低工具電極損耗的優(yōu)點。

2.7 控制方法研究

趙萬生、劉宏達等[51]提出一種短線段跳躍運動的前瞻過渡運動規(guī)劃算法，使復雜曲線工件的運動速度分布更加平滑，有效地減少了加工時間。

劉永紅等對電火花電弧復合加工脈沖電源的電源控制策略進行了研究[41]，并提出了基于數(shù)據(jù)庫的電火花電弧復合加工在線補償方法[52]。

周建平等[53]提出了基于模糊PID 的短電弧銑削加工進給運動控制方法，建立了自適應模糊控制模型，提高了刀具壽命。

徐輝等[46]也使用了模糊控制方法對高速電弧放電加工的伺服速度進行了調(diào)整。

3 電弧銑削技術發(fā)展方向

3.1 提升電弧銑削加工質(zhì)量方法與工藝裝備研究

當前電弧銑削加工的加工效率已基本可滿足大余量去除材料的需求，但加工工件的加工精度和表面完整性仍較差。 研發(fā)新型電弧銑削工藝方法和工藝裝備，以提升電弧銑削的加工質(zhì)量，是未來的一個重要課題。

3.2 綠色高效電弧銑削工作液研究

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)需統(tǒng)籌加工效率、加工成本與環(huán)境友好之間的關系。 電弧銑削加工技術所用的工作介質(zhì)多為水基工作液，相比于油基工作液沒有火災風險，但仍可能造成銹蝕和一定的環(huán)境污染。 同時，工作介質(zhì)對電弧銑削的加工性能有著顯著的影響。研發(fā)新型綠色環(huán)保的高效電弧銑削工作液，將有助于提高電弧銑削加工技術的綠色環(huán)保性能、改善加工環(huán)境。

3.3 綠色高效電弧銑削智能電源研究

高速電弧銑削的技術核心在于專用加工電源?，F(xiàn)有的高速電弧銑削電源無法在線調(diào)控放電電弧，并且在加工中易于工件表面形成大而深的放電坑，稍有不慎就有可能導致工件報廢，這對操作者的經(jīng)驗和操作技能等有高的要求。 研發(fā)綠色高效電弧銑削智能電源，以提升電弧銑削加工質(zhì)量，也是一個重要的研究課題。

3.4 高速電弧銑削智能伺服控制技術研究

電弧銑削的能量較大， 若對伺服速度選擇不當，會導致加工效率降低、工具電極損耗增大，嚴重時會導致工件報廢。 研究高速電弧銑削的智能伺服控制技術，探尋如何對電弧銑削加工參數(shù)進行科學決策和對電弧銑削加工過程進行在線控制，有助于提升加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量。

4 結束語

本文通過對電弧銑削技術的起源、現(xiàn)狀和未來進行了梳理，著重對電弧銑削工藝方法、加工工藝特性、加工機理、工具電極、脈沖電源、工作介質(zhì)和控制方法等方面進行了綜述分析，提出了電弧銑削技術的發(fā)展方向，為相關的研究提供了參考。