（上海交通大學(xué)，上海 200240）

制造高性能、高可靠性的航空航天產(chǎn)品是制造業(yè)最核心競爭力，也是一個國家成為工業(yè)強(qiáng)國的重要標(biāo)志。為滿足航空航天產(chǎn)品越來越高的特殊性能要求，鈦合金、高強(qiáng)鋼、新型高溫合金、金屬基復(fù)合材料等諸多性能優(yōu)異，但成分和金屬組織特殊的先進(jìn)材料也得到越來越多應(yīng)用。與此同時，這些新材料也給加工帶來了極大挑戰(zhàn)。如鈦合金導(dǎo)熱性系數(shù)低，切削加工時容易導(dǎo)致刀具過熱且鈦元素極易與切削刀具中元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從而導(dǎo)致刀具壽命大幅縮短[1]；鎳基高溫合金熱韌性高、加工硬化嚴(yán)重，在切削加工中刀具磨損劇烈，加工效率也很低[2]。而為保證材料的高溫可靠性及內(nèi)部組織強(qiáng)度的一致性，發(fā)動機(jī)高溫部件等的毛坯目前大多為整體鍛件，它們從毛坯到成品的材料去除率高達(dá)80%以上，給加工帶來了部件制造周期長、成本居高不下等問題，已成為長期制約我國航空發(fā)動機(jī)研制與生產(chǎn)的重大瓶頸。

長期以來，國內(nèi)外的研究人員在難切削材料的高效加工方面開展了多元化的探索：一方面繼續(xù)通過改進(jìn)刀具材料及切削條件，深入研究切削機(jī)理和優(yōu)化工藝來改善切削加工效果；另一方面也在積極探索從原理上可以回避材料難切削性的特種加工方法。作為加工難切削材料的有效手段，特種加工也得到了國內(nèi)外航空航天企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)的較多關(guān)注。總的來說，電火花、電化學(xué)、超聲、激光、水射流、離子束和電子束等特種方法經(jīng)歷過數(shù)十年的發(fā)展，在工藝能力上各具特色，但也都有其局限性，在高效加工方面尚難取得令人滿意的效果。因此，有必要尋求新的加工方法以實(shí)現(xiàn)難切削材料的高效加工技術(shù)的突破，豐富航空航天難切削材料的加工工藝。

電弧放電加工（Electrical Arc Machining）是利用放電所產(chǎn)生的電弧來蝕除工件材料的加工方法的統(tǒng)稱。相對傳統(tǒng)電火花加工所利用的火花放電（Spark Discharge）這一瞬態(tài)放電過程而言，電弧放電（Electrical Arcing）通常是大電流、長脈沖條件下產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)的自持放電，其等離子體弧柱具有更高電離度、電子溫度和離子溫度，所產(chǎn)生的等離子體弧柱溫度可達(dá)104K以上[3]，能量密度接近部分激光光致等離子體，但電-熱能量轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于激光。在有效控制電弧的前提下，通過施加數(shù)百甚至上千安培的電流可以獲得遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)電火花加工的效率，這是一種很有潛力的難切削材料蝕除手段，為難切削材料的大余量高效加工難題的解決提供了新的解決思路。

本文將從電弧放電加工的斷弧機(jī)制、加工工藝能力、對工件表面質(zhì)量的影響以及可加工的特征類型等幾個方面對現(xiàn)有的電弧加工技術(shù)進(jìn)行介紹。

電弧放電加工中的斷弧機(jī)制

作為放電加工技術(shù)的一種，電弧加工也是利用放電等離子體的高溫來對工件材料進(jìn)行熱蝕除的，而高能量密度的放電弧柱是一把雙刃劍：在高效蝕除材料的同時，若不能快速移動至新位置就非常容易燒傷和損壞工件，從而導(dǎo)致加工失敗。因此，必須對電弧加熱的作用時間、位置和作用深度予以嚴(yán)格的控制。具體來說，就是需要采用可靠的移弧甚至斷弧手段（以下統(tǒng)稱斷?。┍苊庑纬煞€(wěn)態(tài)的駐留電弧，從而趨利避害。因此，有效的斷弧機(jī)制是電弧放電加工成功與否的核心。

當(dāng)前的斷弧機(jī)制根據(jù)其實(shí)現(xiàn)主要方法不同可以分為“機(jī)械運(yùn)動斷弧”和“流體動力斷弧”兩種[4]。機(jī)械運(yùn)動斷弧采用了電極和工件之間進(jìn)行高速相對運(yùn)動的方式，通過極間電弧沿切向移動、拉長甚至拉斷（本文中把此過程統(tǒng)稱為“斷弧”），達(dá)到避免燒傷工件的目的。而上海交通大學(xué)趙萬生等提出了“流體動力斷弧”機(jī)制[4]并提出了基于流體動力斷弧的高速電弧放電加工技術(shù)（Blasting Erosion Arc Machining，BEAM）。他們在研究電火花放電加工時發(fā)現(xiàn)當(dāng)加工間隙中存在較高速流場（可達(dá)數(shù)十米/秒）時，等離子體會沿流場方向發(fā)生偏移，極間阻抗也隨著放電等離子體弧柱長度的增加而增大；當(dāng)阻抗增大到無法維持正常放電時，等離子體弧柱就會中斷。從機(jī)理上講，電極或工件的相對運(yùn)動引發(fā)的斷弧是電弧弧根的快速移動和電弧周邊介質(zhì)的阻力造成的；而流體動力斷弧的機(jī)理則是流體直接作用于弧柱的結(jié)果，兩者是不同的斷弧機(jī)制，如圖1（a）～（c）所示為機(jī)械運(yùn)動斷弧的原理，而圖1（d）～（f）為流體動力斷弧的原理。

為驗(yàn)證流體動力在電弧放電加工中的作用，張發(fā)旺等[5]搭建了專用觀測試驗(yàn)臺并用高速攝像機(jī)拍攝了單次放電電弧在強(qiáng)流場作用下的形態(tài)變化，記錄了電弧偏轉(zhuǎn)、熄弧然后再擊穿的過程，如圖2所示。此外，他們還發(fā)現(xiàn)了高速沖液產(chǎn)生的負(fù)壓能有效促進(jìn)熔融材料的排出[6]，該現(xiàn)象在一定程度上解釋了高速流場作用下電弧放電加工效率高及重鑄層厚度有限的原因。

圖1 兩種不同的斷弧機(jī)制Fig.1 Two different kinds of arc breaking mechanisms

圖2 流體動力斷弧及再擊穿過程Fig.2 Hydrodynamic arc breaking and re-igniting process

典型的電弧放電加工工藝

20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)的Nosulenko等提出電弧立體加工方法（Arc Dimensional Machining，ADM），開啟了電弧成形加工的序幕[7]。該方法將工件和電極安裝在一個密閉的真空腔內(nèi)，工作液經(jīng)由電極中心孔抽吸式循環(huán)，如圖3所示。加工時采用最大電流1000A直流電源，加工模具鋼的效率最高可達(dá)16000mm3/min。由于存在裝置復(fù)雜、間隙流場不均勻且流速受約束等問題，因此AGIE公司在購得專利后一直未能將其成功商業(yè)化。

圖3 電弧立體加工方法原理Fig.3 Principle of ADM

國內(nèi)葉良才[8]發(fā)明的電熔爆加工和周碧勝[9]發(fā)明的短電弧加工也是典型的電弧放電加工方法。該類方法最初采用類似車削的方式進(jìn)行電弧放電加工，已成功用于軋輥、碾壓輥等旋轉(zhuǎn)體類工件外輪廓加工和切斷加工及蜂窩密封環(huán)等加工，見圖4。采用的加工電流可達(dá)數(shù)千安培，加工鋼材料時的材料去除率為1500g/min，工具電極損耗不超過5%。

圖4 電熔爆加工Fig.4 Electro-melting-explosion machining

在航空航天零部件中，大量的加工特征為型腔或者是由曲面構(gòu)成的半封閉空間，僅具有輪廓及切斷加工能力的電弧加工裝備是無法有效加工的。采用棒狀電極利用電弧進(jìn)行高效的放電銑加工是面向航空航天的電弧加工技術(shù)必須具備的能力。美國GE公司研發(fā)的基于電弧放電加工的“Blue-Arc”技術(shù)就是利用管狀電極以類似銑削的方式實(shí)現(xiàn)三維加工的電化學(xué)電弧復(fù)合加工方法[10]。在加工過程中，工具電極高速旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動斷弧，同時將電解液采用內(nèi)沖液方式流入放電間隙以排出加工屑及熱量。GE公司成功將其用于燃?xì)廨啓C(jī)葉盤等航空零部件加工，見圖5，加工鎳基高溫合金時的材料去除率達(dá)到銑削加工的4～5倍。目前該技術(shù)已經(jīng)在GE公司航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的加工中得到了應(yīng)用。

在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國石油大學(xué)、上海交通大學(xué)等均開展了電弧放電銑削加工的研究。公開的資料顯示，目前電弧放電加工的最佳電極材料為石墨，工作液以水基為主，另有少量添加劑。蘇州電加工機(jī)床研究所在“十一五”期間獲得了863 重點(diǎn)項(xiàng)目支持，成功研制了用于發(fā)動機(jī)高溫合金渦輪葉盤加工的高效放電銑削加工機(jī)床[11]，所加工的機(jī)匣見圖6所示。根據(jù)公開文獻(xiàn)，幾種典型航空航天難切削材料電弧放電加工的參數(shù)及性能見表1。需要特別指出的是，與傳統(tǒng)的電火花加工通常電極正極性時的效率更高相反，電弧放電加工時采用電極負(fù)極性可以獲得更高的加工效率，但獲得的表面質(zhì)量低于電極正極性加工時。

表1 幾種典型航空航天難切削材料電弧放電加工的參數(shù)及性能

工件表面質(zhì)量

圖5 “Blue-Arc”的加工機(jī)理及加工的葉盤零件Fig.5 Machining mechanism of “Blue-Arc” and machined blisk

圖6 高效放電銑機(jī)床加工的機(jī)匣Fig.6 Engine case machined by high efficient electromachining machine tool

對航空航天部門而言，在選擇加工方法時除了需要考慮加工效率、成本、精度等問題，加工工藝對材料的表面質(zhì)量、基體組織甚至后續(xù)加工工藝的影響也是不可忽視的重要因素。由于目前電弧加工通常用于大余量的粗加工，對表面粗糙度的要求并不高，12.5μm左右的粗糙度即可滿足后續(xù)精工藝的要求。但電弧加工本質(zhì)上屬于用熱蝕除過程，加工過程對工件材料的組織性能影響尤其值得關(guān)注。放電加工對工件組織的影響主要體現(xiàn)在重鑄層和熱影響層上。此外，材料的受熱-冷卻過程也會影響材料內(nèi)部的應(yīng)力分布。如果加工后的表面熱影響層過厚、對材料內(nèi)應(yīng)力的影響過深，就會對零部件的工作質(zhì)量和壽命產(chǎn)生潛在的不良影響，而如果加工厚度表面硬度顯著提高，會增加后續(xù)精加工的難度。因此，需要通過對加工后工件表面重鑄層及熱影響層開展分析并對表面硬度和殘余硬度進(jìn)行測量對比，從而評估電弧加工對工件性能的影響，以利于生產(chǎn)部門做出合理的決策。

1 重鑄層及熱影響層厚度

針對鎳基高溫合金的電弧放電加工研究結(jié)果表明，盡管電弧加工的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的電火花放電加工，但加工后形成的表面重鑄層和熱影響層的厚度與電火花加工的表面相比沒有顯著的增加。分析結(jié)果表明：電弧放電加工的表面重鑄層厚度受放電能量的影響不大，基本小于50μm（如圖7所示），更重要的是，幾乎看不到熱影響層[13-17]。經(jīng)分析認(rèn)為，電弧加工時的高速內(nèi)沖液能夠高效地把熔池中的金屬材料迅速排出，并且水基工作液可以及時冷卻工件表面，避免了電弧的熱量深入傳導(dǎo)到工件內(nèi)部并使其組織發(fā)生改變。

對鈦合金的電弧放電加工試驗(yàn)后的表面分析表明：當(dāng)采用最大為700A的電流且電極為負(fù)極時，得到工件表面熱影響層的厚度不超過100μ m[13]；當(dāng)峰值電流為500A時，無論電極極性為正或負(fù)，得到工件表面的熱影響層厚度也不超過100μm，且電極正極性加工得到的表面質(zhì)量優(yōu)于負(fù)極性[15]，如圖8所示（Ip為脈沖電源峰值電流，I為直流電源電流）。而在加工50%體積組分鋁基碳化硅復(fù)合材料時，在500A峰值電流的條件下，電極正極性時的熱影響層厚度也不超過80μ m，如圖9所示，但電極負(fù)極性時的熱影響層厚度有著較大的增加，達(dá)到近300μ m[17]。

圖7 不同加工電流下電弧加工鎳基高溫合金的熱影響區(qū)厚度Fig.7 Thick of HAZ of nickel-based superalloy machined by electro arcing under different currents

圖8 不同電流下鈦合金表面金相照片F(xiàn)ig.8 Metallographical photos of titanium alloy under different currents

圖9 BEAM加工金屬基復(fù)合材料金相照片F(xiàn)ig.9 Metallographical photos of metal matrix composites machined by BEAM

2 殘余應(yīng)力及表面硬度

航空航天難切削零部件的工作環(huán)境較惡劣，通常需要在交變應(yīng)力的作用下長期工作，因此工件內(nèi)部的拉應(yīng)力會對使用壽命帶來不良影響。而工件材料在電弧放電加工過程的受熱及冷卻過程會帶來殘余拉應(yīng)力，因此，必須分析電弧放電加工后材料表面及內(nèi)部殘余應(yīng)力，并保障在后續(xù)工序中去除該部分余量。如果殘余應(yīng)力層厚度過大，必將增加后續(xù)的精加工成本。通過100A、200A和300A電流條件下加工后的GH4169工件表面殘余應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)殘余拉應(yīng)力存在的厚度不超過200μm，如表2所示[3]。而對500A和正、負(fù)極性條件下鈦合金加工后的工件表面殘余應(yīng)力分析結(jié)果也表明，加工后的工件內(nèi)部殘余應(yīng)力在深度大于200μm后與基體的殘余應(yīng)力一致，如圖10所示[15]。

表2 GH4169工件表面殘余應(yīng)力分析

圖10 加工鈦合金表面殘余應(yīng)力Fig.10 Residual stress of machined titanium surface

通常電火花加工后的工件材料表面硬度會高于基體材料，而電弧加工是以大余量去除為目標(biāo)，如果加工后的表面硬度過高，會增加后續(xù)的精加工工藝難度。對電弧加工后的鎳基高溫合金[14]及鈦合金[15]表面硬度分析結(jié)果均表明：加工后工件表面的材料硬度略低于基體，有利于后續(xù)的精加工，見表3。

結(jié)合前述研究結(jié)果，可看出電弧放電加工不僅具有效率高的優(yōu)勢，而且其加工后的表面熱影響層及對材料的應(yīng)力影響層厚度通常小于0.3mm，意味著后續(xù)的精加工不需要為此留出特別的余量，加上表面硬度有所降低，更加有利于后續(xù)精加工。

表3 電弧加工GH4169表面硬度分析

可加工的形狀特征

就航空航天難切削零件的加工而言，一種有潛力的新工藝不僅要具備高效、低成本的優(yōu)勢，還要能夠滿足與后續(xù)精加工工藝對接的需求，而且要具備加工多種形狀特征的能力。現(xiàn)有的電弧加工方法中，具備三維加工能力的主要分為兩種：電弧銑加工（Electrical Arc Milling，EAM）和電弧成形（Electrical Arc Sinking，EAS）加工。前者采用具有單孔或多孔的指狀旋轉(zhuǎn)電極放電以實(shí)施類似銑削的加工，綜合了機(jī)械運(yùn)動和流體動力斷弧的優(yōu)勢，配合以多軸機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)與數(shù)控銑削加工類似的多軸聯(lián)動加工。諸如開敞式葉盤、框架結(jié)構(gòu)、離心葉輪、機(jī)匣等零部件均可采用電弧銑削的方法進(jìn)行粗加工，如圖11所示[12-15]。而近年來隨著帶冠渦輪盤在航空航天產(chǎn)品上的應(yīng)用越來越多，大柵距渦輪盤的加工已成為下一代航空航天發(fā)動機(jī)加工面臨的新挑戰(zhàn)。

圖11 電弧放電加工的不同特征樣件Fig.11 Samples with different characteristics machined by electro arcing processes

圖12 疊片電極及BEAM加工的彎曲內(nèi)流道Fig.12 Laminated electrode and bending runner machined by EBAM

這種渦輪盤通常具有復(fù)雜的流道，采用銑削的方法很難加工，即便采用電弧銑削也難以解決電極與工件曲面的干涉問題。這就要求采用成形電極以多軸聯(lián)動的方式進(jìn)行“沉入式（Sinking）”的加工，通過復(fù)雜的電極型面與掃掠軌跡的耦合來獲取復(fù)雜的內(nèi)流道型面。當(dāng)加工柵距較大時，多軸聯(lián)動的電弧成形加工就具有獨(dú)特的優(yōu)勢。圖12為流體動力斷弧設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了疊片成形電極，并用其加工出了彎曲的內(nèi)流道，初步檢驗(yàn)了該工藝在復(fù)雜流道加工方面的能力[18]。

結(jié)論

電弧放電加工能力不受材料硬度、強(qiáng)度限制，其極高的能量密度使其能夠獲得非常高的加工效率。所采用的水基工作液及加工中的高速沖液能夠高效冷卻加工區(qū)域并帶走熔融材料，從而獲得工件表面重鑄層和熱影響層厚度與傳統(tǒng)電火花加工相似，并且表面材料硬度低于基體材料。這些獨(dú)特的加工特性使其具備高效加工難切削材料的能力，并為解決航空航天難加工零部件的高效加工難題提供了新思路。未來在加工機(jī)理、裝備制造、新型電源及控制系統(tǒng)、高效精密組合加工等方面通過更深入的“產(chǎn)、學(xué)、研”合作，有望推出具有我國完全自主知識產(chǎn)權(quán)的多軸聯(lián)動高速電弧放電加工裝備，早日實(shí)現(xiàn)航空航天難切削零部件的穩(wěn)定、高效、低成本加工。

[1]ARUNIL S，MUKUND D S，RAKESH S.Experimental study of machining characteristics of titanium alloy (Ti-6Al-4V)[J].Arab J Sci Eng，2013，38:3201-3209.

[2]ARUNACHALAM R，MANNAN M A.Machinability of nickel-based high temperature alloys[J].Machining Science and Technology，2007，4(1):127-168.

[3]徐輝.高速電弧放電加工的工藝特性研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

XU Hui.Research on machining characteristics of blasting erosion arc machining[D].Shanghai:Shanghai Jiao Tong University，2014.

[4]ZHAO W，GU L，XU H，et al.A novel high efficiency electrical erosion process—blasting erosion arc machining.Procedia CIRP，2013，6(5):622-626.

[5]張發(fā)旺，王春亮，顧琳，等.高速電弧放電加工放電過程研究[C]//中國機(jī)械工程學(xué)會.第16屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集.2015:433-438.

ZHANG Fawang，WANG Chunliang，GU Lin，et al.Research on electrical arcing process of blasting erosion arc machining[C]// Chinese Mechanical Engineering Society.Transactions of the 16th Nontraditional Machining Conference of China.2015:433-438.

[6]ZHANG F W，GU L，CHEN J P，et al.Observation and modelling research of highvelocity flushing effect on the performance of BEAM[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology，in press.

[7]MESHCHERIAKOV G，NOSULENKO V，MESHCHERIAKOV N，et al.Physical and technological control of arc dimensional machining[J].Annals of the CIRP，1988，37(1):209-212.

[8]葉良才.一種電加工設(shè)備:CN1061175A [P].1992-05-20.

YE Liangcai.A electrical erosion equipment:CN1061175A[P].1992-05-20.

[9]周碧勝，梁楚華，周建平，等.短電弧切削技術(shù)的機(jī)理研究[C]//中國綠色制造新年論壇.2009:81-86.

ZHOU Bisheng，LIANG Chuhua，ZHOU Jianping，et al.Mechanism of short electrical arcing[C]//Symposium of Green Manufacturing of China.2009:81-86.

[10]WEI B，TRIMMER A L，LUO Y，et al.Advancement in high speed electro-erosion processes for machining tough metals[C]//ISEM-16，Shanghai，2010:193-196.

[11]葉軍，吳國興，萬符榮，等.數(shù)控高效放電銑加工脈沖電源參數(shù)正交試驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2011(6):16-20.

YE Jun，WU Guoxing，WAN Furong，et al.The orthogonal test and research on the optimum parameters of the pulse power in NC high performance electrical-discharge milling[J].Electromachining and Mould，2011(6):16-20.

[12]郭成波.鈦合金電火花高效銑削電極運(yùn)動軌跡控制及工藝研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

GUO Chengbo.Research on electrode path control and process of EDM high efficiency milling for titanium alloy[D].Harbin:Harbin Institute of Technology，2011.

[13]WANG F，LIU Y，ZHANG Y，et al.Compound machining of titanium alloy by super high speed EDM milling and arc machining [J].Journal of Materials Processing Technology，2014，214:531-538.

[14]WANG F，LIU Y，SHEN Y，et al.Machining performance of Inconel 718 using high current density electrical discharge milling[J].Materials and Manufacturing Processes，2013，28:1147-1152.

[15]CHEN J P，GU L，XU H，et al.Study on blasting erosion arc machining of Ti-6Al-4V alloy[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology.in press.

[16]陳吉朋，顧琳，徐輝，等.SiCp/Al高速電弧電加工研究[J].電加工與模具，2015(2):17-20.

CHEN Jipeng，GU Lin，XU Hui，et al.BEAM machining of SiCp/Al[J].Electromachining and Mould，2015(2):17-20.

[17]陳吉朋，顧琳，劉曉，等.50 vol%SiC/Al高速電弧放電加工[C]//中國工程機(jī)械學(xué)會.第16屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集.2015:450-454.

CHEN Jipeng，GU Lin，LIU Xiao，et al.BEAM of 50% vol SiC/Al[C]//Chinese Mechanical Engineering Society.Transactions of the 16th Nontraditional Machining Conference of China，2015:450-454.

[18]WANG C L，CHEN J P，GU L，et al.Blasting erosion arc machining of turbine blisk flow channel with laminated electrode[C]//ISEM2016.in press.