電源類型對短電弧-電化學復合加工放電凹坑影響研究＊

胡國玉 王家豪 周建平 張晟晟 付 斐

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830017）

放電加工主要通過介質擊穿產生火花或電弧，通過瞬時高溫蝕除材料形成凹坑，大量的單個放電凹坑疊加形成加工表面，放電凹坑大小影響著加工表面形貌的一致性，放電凹坑的凸起高度及凹坑表面的重鑄層對加工表面質量有重要影響[1]。短電弧加工作為放電加工的一種，不僅在宏觀加工中無切削力，而且加工效率高，常采用脈沖電源與直流電源進行加工，根據電源類型的不同，所獲得的加工效果也不相同。當使用脈沖電源作為加工電源時，能獲得較高的加工尺寸精度與表面質量，而使用直流電源進行加工時，加工效率得到顯著提升，其Ti6Al4V 合金的材料去除率可達15 100 mm3/min[2-3]。同時，不同電源類型也會對放電凹坑這一放電加工基本單元產生影響。Bernd M[4]對不同電壓與脈寬下的放電凹坑形貌進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)在高電壓、短脈寬的放電條件下?lián)舸┊a生的放電凹坑的表面相較于低電壓、長脈寬的放電條件下的電凹坑表面更光整。Chen X K 等[5]通過短電弧單脈沖放電的單因素實驗，發(fā)現(xiàn)隨著電壓和脈沖持續(xù)時間的增加，放電通道擴展，放電通道的能量密度增加，凹坑直徑、深度、凸起高度以及重鑄層厚度都增加。針對放電-電化學復合加工的放電凹坑研究，尹青峰等[6]發(fā)現(xiàn)弱電解質溶液中的電火花/電化學復合加工的放電凹坑，其材料的去除由電火花放電蝕除和電化學溶解共同完成，電化學溶解可以在電火花放電后對凹坑進行光整。Zhang S S 等[7]通過對短電弧-電化學復合加工進行脈沖電源和恒壓直流電源的單次放電實驗，首次揭示了兩種電源類型下的斷弧機制。

與電火花加工工藝相比，短電弧加工工藝具有更高的加工能量，但加工后材料的表面變化更明顯，表面質量有待提高。短電弧-電化學復合加工使用具有擊穿特性和弱導電性的雙特性工作介質，滿足短電弧加工與電化學加工兩種電加工形式，不僅獲得了短電弧放電的高效材料去除能力，而且利用極間的電化學溶解作用有效去除電弧加工表面的重鑄層、熱影響層等缺陷，實現(xiàn)大余量地去除難切削金屬材料同時，還能提升加工表面質量[8-9]。所沿用的直流與脈沖電源同樣會對短電弧-電化學復合加工放電過程產生影響，放電凹坑也會相應發(fā)生改變。

本文采用短電弧-電化學復合加工方法，通過實驗探究不同電源類型下放電參數(shù)及NaCl 溶液濃度對短電弧-電化學復合加工放電凹坑尺寸的影響，再利用COMSOL Multiphysics 針對不同電源類型下短電弧-電化學復合加工的電弧放電過程進行仿真模擬與分析。

1 實驗

1.1 加工設備與原理

短電弧-電化學復合加工實驗平臺如圖1 所示，主要包含機床本體、控制柜及加工專用電源，該電源有穩(wěn)壓及穩(wěn)流兩種伺服形式，本研究使用穩(wěn)壓形式。該電源輸入為三相交流電，通過整流濾波、全橋逆變、高頻降壓、整流濾波和后級斬波后，可以輸出脈沖波形，其中可調輸出電壓為0～35 V，實際輸出電壓約為5～33 V，可承載電流約為0～4 000 A 左右，占空比和頻率可調。電源控制方式有上位機和觸摸屏兩種，具有出現(xiàn)欠壓、過壓、缺相、超溫和短路等故障時對電源進行保護的功能。短電弧-電化學復合加工使用具有擊穿特性和弱導電性的雙特性工作介質，可以同時滿足短電弧和電化學兩種電加工形式。

圖1 短電弧-電化學復合加工實驗平臺

1.2 實驗條件

實驗采用正極性加工，即工件材料連接正極，刀具電極連接負極。為了滿足電解加工條件，使用的工作介質為中性NaCl 溶液，該介質污染小，對人體無害且易調配。單次放電實驗要求在一次脈沖電壓輸入或直流電壓輸入情況下只發(fā)生一次放電擊穿，需要保證電極擁有良好的導電性能與低的相對損耗率，所以使用紫銅尖電極（錐度8:25 mm）來實現(xiàn)尖端電弧放電，避免產生多處凹坑。工件材料則選用短電弧-電化學復合加工常針對的鈦類金屬TC4（30 mm×30 mm×10 mm），TC4 比強度大、韌性好、耐腐蝕性能優(yōu)良，是較為典型的難切削金屬材料。紫銅尖電極與TC4 工件如圖2 所示。

圖2 紫銅尖電極與TC4 工件

開始實驗時，將尖電極與工件材料安裝在機床上。根據實驗要求配置相應濃度NaCl 溶液，連接沖液循環(huán)系統(tǒng)。利用霍卡MDSK-50G 光電Z軸對刀儀，將電極與工件表面保持50 mm 的間距。啟動電源，開啟側沖液，以0.2 mm/s 的速度沿Z軸向下進給，使用DEWESoft 多通道采集儀來監(jiān)測兩極間的放電狀態(tài)，通過連接PC 端軟件分析實時電壓電流波形以準確捕捉單次放電的發(fā)生。沿Z軸勻速進給可排除進給速度對放電凹坑實驗的影響，在單次放電結束1 s 后切斷電源并抬刀，以排除電化學腐蝕時間對放電凹坑實驗的影響。實驗后的工件去除異常放電所得凹坑，其余使用超景深顯微鏡（基恩士VHX-6000）對凹坑尺寸進行檢測，檢測項目如圖3 所示，包含凹坑直徑D、深度H、凸起高度T，測算后取平均值。

圖3 凹坑尺寸檢測項目

為保證實驗數(shù)據的準確性，每組實驗進行5 次，實驗結束將試件超聲波清洗后使用超景深顯微鏡進行凹坑大小、凹坑形貌的拍攝。實驗條件與尺寸檢測結果見表1。

表1 凹坑實驗條件與尺寸檢測結果

2 實驗結果分析

2.1 不同電源類型下的凹坑尺寸形貌

兩種電源類型的放電凹坑影響規(guī)律具有相似性，但兩種凹坑的總體形貌存在較明顯的差異。這種差異主要由電弧放電機理不同所決定，體現(xiàn)在凹坑的深徑比變化，脈沖電源下的凹坑深徑比都在0.08 左右，高放電能量下最高可達0.16。而直流電源放電凹坑深徑比在高放電能量下反而小于0.08，只有在25 V 電壓-5% 濃度NaCl 溶液下大于0.1。圖4 為15%濃度NaCl 溶液下電壓30 V-脈寬1 ms 的脈沖放電凹坑和30 V 的直流放電凹坑的三維形貌，可以直觀地發(fā)現(xiàn)這種深徑比差異，即脈沖放電往往能獲得更深更狹小的凹坑；而直流放電凹坑的直徑更大，深度更淺。

圖4 短電弧-電化學復合加工實驗平臺

不僅存在凹坑形狀的差異，如圖4a 所示，脈沖放電凹坑的電化學腐蝕主要集中在凹坑和凹坑附近，腐蝕多為點狀腐蝕。而直流放電凹坑的電化學腐蝕覆蓋范圍大，腐蝕多為面腐蝕，如圖4b 所示。這說明電源類型不僅會影響電弧放電的凹坑形狀，同時也會影響電化學腐蝕的效果。當采用直流恒壓電源進行電化學極化時，在反應初期，陽極表面的電流密度處于暫態(tài)階段，但隨著電流密度的增大，開始發(fā)生溶解后，陽極表面的離子濃度會下降，直到極間流入的沖液在電流作用下電離補充了新的離子反應才進一步加快，這種溶解的速度變化受濃差極化控制[10]。而脈沖電源進行電化學極化時，每當電化學反應進入濃差極化時便會受脈沖間隔影響而恢復至極化準備狀態(tài)，整個反應受電化學極化控制。在這種差異的作用下，直流電源的凹坑及凹坑附近表面腐蝕點能充分增長成面，而脈沖電源發(fā)生的電化學腐蝕受脈沖間隔影響，腐蝕點經歷形核后未能完全增長。因此直流電源下的電化學腐蝕范圍更大，腐蝕更充分；而脈沖電源下的電化學腐蝕面積小但更均勻，點蝕較多。

這種凹坑形狀和電化學效果的差異，在短電弧-電化學復合連續(xù)放電產生凹坑進行銑削加工時會進一步凸顯。這也印證了為什么同加工參數(shù)條件下，脈沖電壓放電加工表面尺寸精度優(yōu)于直流電壓放電加工表面，表面電化學效果卻劣于直流電壓放電加工表面。說明脈沖電源下的短電弧-電化學復合更適合放電能量小、表面重鑄層薄、精度要求高的加工，而對于其電化學腐蝕效果的提升應該從腐蝕初期速率的提升和腐蝕時間切入。直流電源下的短電弧-電化學復合更適合大余量材料去除的加工，為了避免過腐蝕及尺寸精度差這類問題，可以從控制加工速度和放電能量大小入手。

2.2 不同電源類型下的凹坑影響規(guī)律

使用脈沖電源放電，同15%NaCl 溶液濃度下，隨著加工電壓的增大，凹坑深度和直徑都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，但凸起高度卻先增大后減小。對于凹坑深度與直徑，更高的電壓更有利于凹坑的形成，加工電壓30 V 時凹坑深度達77.5 μm，凹坑直徑達711 μm。對于凹坑凸起高度，加工電壓25 V 時最大，為14.8 μm，加工電壓20 V 時最小，僅為2 μm。加工電壓對凹坑深度與直徑的變化主要是因為電壓增大使電弧擊穿放電時能量更大，大的脈沖能量對形成大的凹坑起重要作用；對于凹坑的凸起高度變化，主要是由于當加工電壓較小時，本身瞬時放電能量不大，所形成的凹坑較小，且在低的加工電壓下極限放電間隙更小，凹坑形成后迅速進行電化學反應，對凹坑表面進行了腐蝕溶解。當電壓增大至30 V 時，凹坑雖然有所增大，但更高的加工電壓帶來更高的電流密度，使得電化學反應更加活躍，對凹坑的溶解更充分。NaCl 溶液濃度由5% 提升至15%，使得溶液中可移動離子增多，更多的電能用于電化學作用，短電弧放電的能量減小使凹坑各參數(shù)變小。

直流與脈沖電源的放電凹坑變化規(guī)律不同主要體現(xiàn)在凹坑深度變化規(guī)律上。直流電壓下，加工電壓30 V 時凹坑深度為50.2 μm，與20 V 時的52.9 μm較為接近，但在25 V 時卻達到83.12 μm。放電凹坑的深度隨加工電壓的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，該規(guī)律是不同于脈沖放電凹坑深度變化規(guī)律的。凹坑深度與放電能量是正相關的，能量越大電弧放電凹坑就越深，電化學溶解對于凹坑深度的影響就越大，脈沖電源實驗所得到的凹坑都符合加工電壓越大凹坑深度越深這一變化規(guī)律，但是直流電源實驗得到的凹坑并不符合這一規(guī)律。需要結合單次放電實驗凹坑的尺寸與形貌結果對直流與脈沖放電到斷弧過程進行仿真分析。

3 放電過程仿真模擬

3.1 仿真模型

為了分析直流電源實驗得到的凹坑深度變化及脈沖與直流斷弧過程的差異，需要對等離子體放電通道在工作介質沖刷下的移動過程進行模擬。仿真使用有限元軟件COMSOL Multiphysics 6.0，采用流體傳熱、層流、感應/直流耦合放電模塊進行仿真。仿真模型如圖5 所示，為了簡化模型，對其作一些假設。

圖5 等離子體放電通道仿真模型

（1）沖液流體的出入口設置在邊緣，流動過程為層流。

（2）擊穿過程中將等離子體放電通道視為通路，通過模擬放電邊界的溫度變化來等效等離子體放電通道的變化。

兩極材料紫銅和鈦合金TC4 與工作介質調用軟件材料庫，分別為UNS C11000 、Ti-6Al-4V [solid,polished]和H2O (water) [liquid]，其中工作介質通過設置介電常數(shù)和電導率來模擬NaCl 溶液，仿真參數(shù)見表2。

表2 等離子體放電通道模型仿真參數(shù)

3.2 控制方程

兩極施加電壓時，電極和工件之間將形成電場，當電弧擊穿產生等離子體放電通道時，電流流過通路形成磁場。用于描述電磁場和導電流體之間的相互作用的麥克斯韋方程[11]：

式中： ?為離散度；M為磁場強度（A/m）；j為電流密度（A/m2）；D為電位差（V）；ρ是電荷密度（C/m3）；E為電場（N/C）；B為磁場（T）。

廣義歐姆定律用于聯(lián)系等離子體中電流密度、電場強度、磁感應強度和其他量之間的關系，方程為

式中：qe為電子電荷（C）；me為電子質量（kg）；u為矢量速度（m/s）；ne為單位帶電粒子數(shù)量；η是張量。

3.3 邊界條件與網格劃分

模型所需要設置的接口主要有電流、磁場、流體傳熱、層流和變形幾何。

在電流接口中，初始值為所有域，且都遵守電流守恒定律。如圖6 所示，邊界GAB和CDE為電絕緣，邊界GH、HI、IE設置相應電勢，邊界BC輸入法相電流密度I/（π×3×3）A/m2（I為多通道數(shù)據采集得到的電流平均值）。在磁場接口中，所有域遵守安培定律，邊界ADIH為磁絕緣。

圖6 等離子體放電通道仿真模型網格劃分

流體傳熱接口中，BCF和GEIH為固體，其余為流體，全域初始溫度為293.15 K，邊界GH、HI、IE選擇對流熱通，邊界BF、FC、GE選為熱源邊界。在層流接口對流體部分進行設置，邊界CDE為流體入口，法相流入速度1 m/s，邊界GAB為出口，邊界BF、FC、GE為壁。變形幾何接口中，GEIH設置為自由變形，網格變形速度為向內熱通與金屬密度和潛熱的比值，電化學溶解相關網格速度為電導率與溶解率系數(shù)的乘積。

網格劃分如圖6 所示，整體網格使用細化自由三角形，流體域定制為較細化流體動力學，邊界BF、FC、GE定制為較細化普通物理學。研究配置全域的瞬態(tài)計算，將所涉及的物理量全耦合。

4 放電過程仿真結果分析

4.1 直流電弧的放電過程分析

直流電壓25 V 下的電弧間隙電壓、電流波形和仿真云圖如圖7 所示，在t=0.243 745 s 時開始起弧并發(fā)生擊穿，t=0.243 752 s 間隙電壓與間隙電流迅速上升，電弧迅速產生并穩(wěn)定，此時間隙等效電容和電感不斷充電。階段①仿真溫度云圖顯示等離子體放電通道已經完全形成，工件材料開始蝕除。之后受放電間隙和沖液的影響，電壓電流持續(xù)波動，電弧放電進入不穩(wěn)定階段。階段②間隙電壓波動，此時間隙等效電容充放電，受等效電感影響間隙電流持續(xù)下降，放電有斷弧傾向，仿真顯示的等離子體放電通道受沖液影響已發(fā)生略微偏移。但由于電能的持續(xù)輸入，以及兩極間隙依舊小于臨界放電距離，電弧再一次趨于穩(wěn)定。t=0.244 939 s 開始，間隙電流迅速下降，等效電容不斷充電，電弧難以繼續(xù)維持并發(fā)生斷裂。該階段③的仿真云圖顯示等離子體放電通道受沖液影響發(fā)生完全偏移，電弧也是在該階段發(fā)生斷裂的，直至t=0.244 666 s 時完全熄弧。

圖7 直流25 V 電弧放電波形和仿真云圖

4.2 脈沖電弧的放電過程分析

脈沖電壓25 V 下的電弧間隙電壓、電流波形和仿真云圖如圖8 所示，時間t從0.72 7 179 s 開始為脈沖電壓的上升沿階段，在t=0.727 188 s 時回路形成，介質被擊穿開始出現(xiàn)間隙電流。階段①間隙電壓電流持續(xù)增大，放電電弧逐漸增強，仿真云圖顯示等離子體放電通道已經出現(xiàn)，工件材料開始出現(xiàn)相變。階段②間隙電流持續(xù)增大，間隙電壓出現(xiàn)一段的波動，此時等效電容不斷充放電。在接近t=0.728 297 s 時，電弧放電逐漸穩(wěn)定，間隙電壓與間隙電流到達峰值，仿真云圖顯示等離子體放電通道受沖液影響較小，未發(fā)生偏移。0.728 297 s 以后，脈沖電壓進入續(xù)流階段，此時電源電壓開始減小，因此等效電容開始放電維持電弧，使間隙電壓與間隙電流開始減小。t=0.728 479 s 時間隙電流回歸最小值，此時間隙電壓受等效電容迅速放電的影響迅速驟降，該階段的電能可能用于電化學溶解。階段③結束，電弧完全熄斷弧，等離子體放電通道直接消失。

圖8 脈沖25 V 電弧放電波形和仿真云圖

4.3 直流與脈沖放電過程差異分析

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，短電弧-電化學復合加工下的直流電壓電弧與脈沖電壓電弧發(fā)生到熄斷過程是不一樣的。從電弧放電時間來看，脈沖電壓電弧放電由脈沖時間決定且更穩(wěn)定，起弧后逐漸放電增強，穩(wěn)定后再熄弧。而直流電弧由于沒有放電周期，因此主要依靠外界因素斷弧，放電時間不可控，放電過程中電弧受回路和沖液的影響反復削弱與增強。同為25 V 電壓，直流電弧持續(xù)時間反而小于1 ms，電弧在放電后半程發(fā)生流體沖斷；脈沖電弧由于脈沖間隔的緣故，在電弧受沖液影響開始偏移時便熄弧了。這兩種差異使得單次放電對金屬的熱相變與電化學作用也不相同。從仿真云圖來看，直流放電的熱傳導更深，對于材料的蝕除也更強。

根據圖9 所示的直流與脈沖電弧放電工件表面電流密度分布可以發(fā)現(xiàn)，由于電弧熄斷弧的方式不同，斷弧后的電流密度分布也不同，在電極與工件中心處脈沖25 V 的電流密度大于直流25 V，而直流25 V 在距工件1 mm 附近電流密度顯著大于脈沖25 V。這種變化使得脈沖電壓下的電化學作用區(qū)域與高溫相變區(qū)域高度貼合，造成的直接結果就是電弧放電結束后的電化學溶解效果更集中在凹坑中心，同時腐蝕溶解也更均勻，這也解釋了為什么脈沖電源形式下的短電弧-電化學復合加工能在獲得電化學腐蝕表面重鑄層與缺陷的同時保證一定的表面精度。雖然直流25 V 下的短電弧-電化學復合加工其電化學作用效果更集中于凹坑的外沿，但電化學腐蝕的范圍與體積都大于脈沖25 V，這種電化學腐蝕特點對大范圍的粗糙表面重鑄層及缺陷溶解是有利的。

圖9 直流與脈沖電弧斷弧后的工件表面電流密度值

圖10 為短電弧-電化學復合加工不同加工電壓下的直流與脈沖放電凹坑三維形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)直流放電凹坑表面確實存在明顯的斷弧位置。同加工電壓下直流放電凹坑的電化學腐蝕相較于脈沖放電凹坑，腐蝕范圍更大。這種形貌特點與電弧斷弧過程的仿真分析結果一致。

圖10 不同加工電壓下直流與脈沖電弧放電凹坑表面三維形貌

5 結語

（1）脈沖放電往往能獲得更深更狹小的凹坑；而直流放電凹坑的直徑更大，深度更小。脈沖放電凹坑的電化學腐蝕主要集中在凹坑和凹坑附近，腐蝕多為點狀腐蝕；而直流放電凹坑的電化學腐蝕覆蓋范圍大，腐蝕多為面腐蝕。

（2） 直流與脈沖短電弧-電化學復合加工的放電凹坑其深度變化規(guī)律存在差異。脈沖電源下，凹坑深度隨著加工電壓的增大而增大，但直流電源下加工電壓增大，凹坑深度先增大后減小。

（3）直流電弧傾向于通過流體介質運動和極間距離改變進行斷弧；而脈沖電弧通過脈沖后沿電壓變化和極間距離改變進行熄弧。