放电加工方法及其机理的数值模拟研究综述∗

周建平，陈小康，李雪芝，周宗杰，董行，汪兵兵，赵一楠

(新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830017)

0 引言

作为一种非接触式加工方法，放电加工具有忽略材料硬度、强度、韧性等限制的特点，被广泛应用于航空、航天、汽车、模具等重要领域关键零部件制造[1]．因放电具有一定的随机性和复杂性，且这一过程是在极其狭窄的空间和极短的时间内完成，导致许多重要现象难以被发现，加工机理研究较为困难，难以被完全揭示[2-3]．目前常用的加工机理研究方法可分为通过高速摄像仪拍摄的直观实验研究法和通过数值模拟的有限元仿真法．

对于放电加工而言，其加工过程大致可以分为击穿介质形成等离子体放电通道、材料熔化和汽化、材料抛出和介质消电离四个阶段[1]．相关机理研究也是基于这四个阶段开展，主要包括放电通道、两极能量分配比例、放电凹坑形貌和材料去除过程四部分．又因为传统放电加工-电火花加工受限于加工效率低的问题，研究人员又提出了多种不同的新型电弧加工方法．基于此，本文从数值模拟角度出发，依次分析了放电加工方法、电火花加工和电弧加工机理的数值模拟研究进展，并展望了未来放电加工机理的数值模拟研究趋势．

1 放电加工方法研究现状

放电加工发明于20 世纪40 年代[4]，电火花加工和电弧加工均隶属于放电加工，其区别主要在于放电状态及其控制方法的差异，进而导致加工机理及工艺特性也有所不同．

1.1 不同电火花加工方法

电火花加工主要采用绝缘介质作为放电环境，脉冲电源两极分别接电极和工件两端．随着电极的逐渐进给，极间场强不断变大，当达到介质击穿最大场强时，放电会发生在两极之间距离最小处，即会形成放电通道．放电通道内部是由中性粒子和数量相等的正负离子组成，电场作用下粒子之间的互相撞击会产生大量热量，进而将材料快速熔化和汽化，从而形成凹坑，凹坑表面沿材料内部方向会存在重铸层和热影响区等缺陷[1]．随着制造业的不断发展，为了提升放电加工的应用领域，也诞生了多种不同的电火花加工方法，例如：电火花成型加工、电火花线切割加工、干式电火花加工、混粉电火花加工、微细电火花加工等．

1.1.1 电火花成型加工

在电火花成型加工中，零件加工形状的镜像即为电极形状，电极材料通常为成型石墨或紫铜，故在复杂形状零件加工中该方法具有一定优势[5]．该方法加工过程一般浸没在介质内完成，通过脉冲电源产生的脉冲信号可以实现放电和消电离作用，即脉宽阶段进行材料放电蚀除，脉间阶段进行消电离，利用放电产生的脉冲作用和电极移动带动的介质扰动可以实现蚀除碎屑的排出，保证加工过程稳定可控[6]．

1.1.2 电火花线切割加工

电火花线切割加工通常采用细且长的电极丝作为工具，简称线电极，线电极接负极并以预设的固定速度沿轴向移动，工件接正极并朝X、Y 方向移动，线电极与工件之间的间隙会有工作介质沿轴向冲刷，加之两极之间脉冲火花放电产生的高温作用，使得工件材料加工成期望的形状及效果，图1 为该方法加工原理图[7-8]．根据运丝方式的不同，电火花线切割加工分为高速走丝线切割加工、中速走丝线切割加工和慢速走丝线切割加工，加工精度和质量依次逐渐提升．

图1 电火花线切割加工原理图[8]

1.1.3 干式电火花加工

20 世纪90 年代国枝正典教授实现了气中电火花加工，开辟了电火花加工新方向[9]．以气体作为介质进行脉冲火花放电加工材料的方法称为干式电火花加工，具有放电能量分散、安全环保、电极损耗率低、残余应力小等特点，是一种极具发展前景的绿色加工方法[4]．干式电火花加工以旋转管状电极作为工具，高压气体介质由管电极中心孔射流，具有排屑和提升加工稳定性等功能．

1.1.4 混粉电火花加工

混粉电火花加工是在传统液中电火花加工的介质内添加碳化硅、石墨等粉末，如图2 所示．粉末颗粒能够起到“串联放电”的作用，使得放电能量较低时也可以稳定加工，即可以通过降低放电通道内能量，达到改善工件表面粗糙度的目的[11]．混粉电火花加工的突出特点是能够实现镜面加工，拓展了零件的精加工方法．

图2 混粉电火花加工原理图[10]

1.1.5 微细电火花加工

与传统电火花加工原理类似，微细电火花加工也是通过两极之间放电产生的热作用去除材料．微细电火花加工的对象均为尺寸微小的零件，具有放电间隙窄、放电面积小、能量低等特点，通常电极直径为微米级[4,12]．由于其在硬质材料上完成复杂三维形状的非接触高精度加工优势，使其成为微细制造领域中一项极其重要的工艺，具有广泛应用前景．

1.2 不同电弧加工方法

受限于电火花加工效率低的问题，严重阻碍了放电加工技术的发展，因此国内外科研人员试图利用电弧放电替代传统火花放电，并对电弧进行有效控制，防止其恶化加工过程及加工效果，进而提出了多种不同的电弧加工方法，如：电弧尺寸加工、电熔爆加工、直流运动电弧铣削加工、高速电弧加工、电火花电弧复合加工、高压激励电弧铣削加工和振动辅助电弧铣削加工以及短电弧加工等．

1.2.1 电弧尺寸加工

电弧尺寸加工是电弧首次在放电加工中的应用，由Meshcheriakov 等提出，具有高效率和低能耗的特点，主要应用于尺寸较小零件的成型加工[13]．该方法利用直流电源提供能量，将电极和工件封闭于一个密封腔内，通过介质流道向密封腔内通入高压介质，进而可以实现电弧的有效断裂和碎屑的快速排出，达到类似于脉冲放电的效果，加工原理如图3 所示．研究表明当电流为1 000 A、电极面积为500 mm2时，该方法最高加工效率可达16 000 mm3/min．

图3 电弧尺寸加工原理图[13]

1.2.2 电熔爆加工

电熔爆加工是最早进行工程应用的电弧加工技术，由高级工程师叶良才发明．该方法采用大脉宽脉冲电源提供能量，以带有添加剂的自来水作为介质，利用工件与电极的相对旋转运动和脉冲间隔实现电弧的有效断裂．目前该方法主要用于车削领域，加工过程具有蚀除金属剧烈的爆裂声，声压级可达110 dB，电流高达3 000 A，加工效率远高于电火花加工，可达125 000 mm3/min[14-17]．

1.2.3 直流运动电弧铣削加工

直流运动电弧铣削加工是由清华大学韩福柱教授提出，原理在于利用电极高速旋转与静止工件之间产生的相对运动，达到拉长电弧进而约束电弧的目的，即通过机械相对运动实现电弧的断裂[18]．该方法通过直流电源供电以替代脉冲电源，消除脉冲间隔不放电时间并提升放电率，进而提升加工效率，研究表明当加工面积100 mm2、电流6 A、电压100 V、电极转速400 r/min 时，该方法效率约为电火花加工效率的四倍[19]．图4 为运动电弧和静止电弧的对比．

图4 运动电弧与静止电弧对比[19]

1.2.4 高速电弧加工

高速电弧加工是由上海交通大学赵万生教授所发明的一种利用流体动力断弧的放电加工方法[20]．该方法加工原理在于将连续问题离散化处理和高压流体有机结合，即利用多孔集束电极替代传统实体电极，通过向集束电极孔内通入高压流体，使得电弧发生偏移，直至断裂．流体的介入在实现对电弧有效控制的同时，还促进了排屑，增强了加工过程的稳定性，图5 为流体动力断弧的原理图．研究表明该方法加工高温合金的效率可达14 000 mm3/min，电极损耗率低于1%[21]．

图5 流体动力断弧原理图[20]

1.2.5 电火花电弧复合加工

中国石油大学刘永红教授团队利用复合电源提供能量，即带有脉冲和直流模块的电源，脉冲模块主要作用为高压引弧，之后通过低压直流模块进行工件的大电流高效去除，最终提出电火花电弧复合加工新方法[22]．该方法有机结合了高压脉冲利于引弧和低压直流加工效率高的优点，采用蒸馏水和乳化油以一定比例混合作为介质，管状电极作为工具．研究表明该方法加工Ti-6Al-4V 的效率可达21 494 mm3/min，加工模具钢的效率可达12 688 mm3/min[22-23]．

1.2.6 高压激励电弧铣削加工和振动辅助电弧铣削加工

为了解决电弧加工排屑难而导致的短路频发问题，山东大学张勤河教授团队分别引入高电压和振动来辅助电弧铣削加工，旨在增大间隙加工距离，进而提升加工过程稳定性[24-25]．研究表明在一定加工条件下，引入高电压和振动后，加工效率分别提升了16.25% 和33%．

1.2.7 短电弧加工

短电弧加工是一种低压大电流放电加工方法，由新疆大学特聘教授周碧胜所提出[26]．该方法主要依靠电极和工件之间的相对运动实现对电弧的有效控制，并利用高压气液混合介质对间隙进行有效冲刷，利于排屑的同时也有助于断弧[27]．早期主要用于水泥磨辊、轧辊等零件的车削加工领域，后经新疆大学周建平教授团队改良，成功将该技术拓展至铣削加工领域，随后开展了电极材料、电极损耗补偿等方面的研究工作，并取得了一系列研究成果[28-34]．图6 为短电弧车削加工和铣削加工的原理图．

图6 短电弧加工原理图[27,34]

1.3 电火花加工与电弧加工的区别

电火花加工和电弧加工是根据放电状态的差异而进行区分的，这导致两种加工方法在等离子体控制手段、伏安特性等方面均有所不同，通过查阅文献，归纳了两者之间的主要区别，如表1 所示．

表1 电火花加工与电弧加工的区别

2 电火花加工机理的数值模拟研究现状

早期受实验条件和科技水平等限制，对于电火花加工机理的研究主要通过理论推导，但随着科学技术的不断发展，数值模拟的不断发展为电火花加工机理的研究提供了便利．目前常用的有电磁场、温度场、流场、多物理场耦合、分子动力学等．

2.1 电磁场

作为粒子运动的初始动力，电磁场在电火花加工中扮演着重要角色[40]．许佩霞[41]建立了电火花加工间隙电场模型，分析了不同极性、电极形状对间隙电场分布的影响，得到了提高介质击穿率的方法．刘宇[42]、王元刚[43]、雍耀维[44]等分析了电磁场对放电通道中粒子运动的影响规律，揭示了高频脉冲作用下电极边角损耗的原因．Pei 等[45]利用电磁学理论，建立了电火花加工介质内部电场模型，如图7 所示．实现了电极损耗的预测，并基于实验对电极轮廓进行分析，明确了电场模型与几何模型在机理上的差异．彭子龙等[46]从静磁场微分方程出发，求解了电火花加工中放电通道自身磁场，得到了不同条件下放电通道自身磁场强度分布规律．尹青峰等[47]通过求解拉普拉斯方程得到了间隙电场分布及颗粒对间隙电场的影响规律，研究表明当圆柱电极直径为1 mm 时，尖角的场强约为均匀场强的1.3 倍；颗粒的存在会诱发电场畸变，最大场强约为均匀场强的3 倍．

图7 介质内部电势分布轮廓[45]

郭建梅等[48]利用时域有限差分法，对放电通道建立过程的连续时间和空间进行离散化处理，通过求解麦克斯韦方程组得到了电磁场分布规律，研究表明放电通道是在极短的时间内形成并迅速膨胀；随电压的增大，通道内电子和离子数量达到稳定时历时更短．于丽丽等[49]基于电磁场理论，通过蒙特卡罗法描述粒子碰撞、粒子模拟法描述粒子运动，研究了非导电工程陶瓷材料加工中放电通道内粒子的微观演化规律，结果表明放电通道的形成过程主要依靠电子的高速运动，而离子的运动贡献不明显，如图8 所示．对于电磁场仿真而言，目前主要用于研究放电通道以及电极损耗，但不能揭示通道与材料之间的相互作用，且仿真所采用的均为简化模型，与实际可能具有一定偏差．

图8 不同时刻下的电子和离子相图[49]

2.2 温度场

在电火花放电过程中，粒子的运动碰撞会产生高温，当超过材料熔点后，材料会被熔化甚至汽化，故国内外学者对电火花加工温度场进行了大量研究．Lasagni 等[50]采用点热源模型仿真了等离子体放电过程，并分别计算了材料以熔化和汽化方式的去除比例．Marafona 和Chousal[51]利用焦耳热研究了电火花放电过程温度场分布．上述模型由于忽略了材料熔化和蒸发过程的潜热及热输入并非恒定不变等问题，导致与实验结果误差相对较大．Assarzadeh 和Ghoreishi[52]针对前期研究电火花单脉冲放电模型时假设热源呈现点状或均匀、等离子体半径恒定、放电过程材料性能不变等恒定条件与实际相差甚远这一问题，提出了热流密度呈现高斯分布、材料与温度的相关性特性、熔化潜热和放电通道随时间和电流变化的新假设，建立了考虑因素更加全面的电火花单脉冲放电模型，通过实验与仿真进行对比，结果表明所建模型预测凹坑半径和深度的最大误差分别为18.1%和14.1%，预测精度高于前期所建模型，由此说明目前高斯热源与实际放电效果更为接近．

为了揭示微细电火花加工能量分配比例和放电通道半径变化规律，Wang 等[53]建立了电热模型，并提出仿真与实验相结合的方法求解能量分配比例和放电通道半径，研究表明能量分配比例和放电通道半径并非定值，会随着电参数改变而不断变化；与阴极相比，阳极放电通道半径和能量分配比例更高，这也解释了工件正极性加工效率高的原因．

针对电火花加工建模方法主要针对单次脉冲放电的问题，忽略了放电的累积效应进而影响实际工艺指标这一问题，Liu 和Guo[54]引入了随机放电以模拟等离子体放电随机性，并基于温度场分布预测了加工后工件表面的残余应力，研究表明表面残余应力小的主要原因是粗糙度高，较低的放电能量是实现低拉伸残余应力的首选方法．图9 为电火花加工残余应力建模方法．就目前而言，对于温度场的仿真主要用于研究热源分布、求解放电通道半径和能量分配比例、材料去除、残余应力等方面，但受限于影响因素多的问题，有待于进一步完善．

图9 电火花加工残余应力建模方法[54]

2.3 流场

在连续放电加工过程中，放电间隙内速度场、压力场、碎屑浓度、气泡体积分数对加工性能具有显著影响，因此揭示间隙流场分布规律是非常必要的．Koenig 等[55]建立了冲液过程底部间隙流场模型，计算了间隙内部速度场和压力场．Haruka 和Kunieda[56]模拟了间隙流场中存在气泡和工作液时对碎屑运动的影响．Takeuchi等[57]模拟了放电过程中间隙气泡体积分数，忽略了碎屑对放电过程的影响．Pontelandolfo 等[58]通过CFD 的方法分析了电极形状、尺寸和运动特性对碎屑和气泡运动规律的影响，但是该模型气泡添加方式与实际加工有所不同，影响了模型精度．针对前期模型大多仅考虑单一场或固液耦合的问题，忽略了实际间隙是气泡、碎屑和冲液多相耦合，国内外学者又开展了多相耦合流场仿真研究．Wang 和Han[59]利用VOF 建立了电火花加工气、液、固三相流场模型，如图10 所示．研究了加工过程中间隙碎屑和气泡运动机理，研究表明气泡膨胀是其排出间隙的主要途径，而碎屑则是沿着排出气泡向间隙外逐渐移动排出；增大电流和脉宽可以增强气泡的膨胀．在此基础上，刘宇等[60]运用FLUENT 中的VOF、DPM 和二次开发功能，实现了间隙中气泡和碎屑的随机产生，建立了三相耦合模型，研究了冲液速度和加工深度对碎屑和气泡运动规律的影响．

图10 气泡扩展到侧面间隙之前气泡和碎屑分布[59]

2.4 多物理场耦合

对于电火花加工而言，其加工过程涉及多个物理场综合作用，包括温度场、电磁场、流场等，故通过单一物理场仿真无法准确揭示加工机理，因此研究人员又通过多物理场耦合仿真对加工机理进行了研究．谷萌等[61]将温度场与应力场耦合，研究了电火花加工高温合金时，温度和热应力在工件不同位置的分布，对加工效率和残余应力的预测具有一定参考价值，研究表明放电过程中温度场和热应力场分布梯度较大，最大值位于中心区域；理论上熔化区域抛出形成凹坑是基于力的作用，但同时工件表面也会形成残余应力，影响材料服役性能．

为了揭示放电与材料去除过程，Tao 等[62]采用热流耦合的方法，研究了不同介质中放电的气泡压缩、坍塌和熔融材料飞溅、再凝固过程的多相相互作用机理，得到了凹坑和碎屑的几何形貌图，研究表明所建模型可以较为真实反映出凹坑的几何形貌，即具有边缘凸起的凹坑；与湿式电火花放电相比，近干式电火花放电凹坑大而浅．Tang 等[63-64]在前人基础上引入了水平集和混合边界法建立了新型热流耦合模型，进一步揭示了凹坑的形成过程和材料去除过程，如图11 所示．研究表明刚放电不久，凹坑就会出现，材料在放电初期主要通过汽化去除，而后主要以熔融飞溅去除；熔融飞溅阶段材料去除动力主要来源于熔池表面极大的压力差．

图11 放电凹坑形成过程和材料去除过程[64]

考虑到放电通道可以视为磁流体，为了揭示火花放电通道的基本特性，李晓惠等[65]将温度场、流场、电场和磁场进行耦合来描述放电通道，得到了稳态时放电通道的热场、压力场、速度场、电场强度和磁场强度分布规律，研究表明放电通道温度、压力自中心轴向周围不断减小；放电间隙两极表面附近会形成对称的漩涡；随着电流的增大，温度、压力、最大速度均不断增加，随着间隙距离的增大，温度、最大速度不断增大，但压力有所减小．

2.5 分子动力学

与上述物理场仿真从宏观角度出发不同，分子动力学仿真是从原子和分子角度对材料进行描述，因此有利于从材料本质上揭示电火花加工材料去除机理．Shimada 等[66]通过分子动力学模拟了单次放电钨电极的自锐现象．Wang 等[67]仿真了针尖电极放电和气中放电沉积过程．冯慧慧等[68]通过改进能量输入方式和热源模型，研究了放电凹坑形成过程及表面变质层特性，研究表明放电开始时刻材料即会被去除，且材料去除过程大多处于放电期间，这与Dijck 等[69-71]提出的过热理论有所不同．过热理论认为放电过程中极间高压气泡作用于熔池表面，导致材料温度高于沸点，但未处于沸腾状态，即为过热状态，当放电结束后，气泡内部压力急剧减小，处于过热状态的熔融态金属材料会发生爆沸，材料被迅速去除，因此该理论认为放电中材料去除主要位于放电结束这一时刻．

为了进一步明确材料去除机理，Yang 等[72]对电火花加工材料去除过程进行了分子动力学模拟，研究表明材料去除可以从蒸发和过热金属的气泡爆炸两方面解释．岳晓明[73]也对材料去除过程进行了研究，他认为熔融金属材料去除主要由极间金属喷流产生的径向剪切力和熔池内部压力共同作用去除；凹坑周围环状凸起是熔池内外压力差、金属蒸汽喷射在熔池表面产生的径向剪切力及去除材料因重力作用回落三个原因共同作用导致的结果．图12 为基于分子动力学的单脉冲放电材料去除过程．综上所述，关于电火花加工材料去除机理的研究目前尚未形成统一的认识，有待于进一步研究．

图12 单脉冲放电材料去除过程[73]

3 电弧加工机理的数值模拟研究现状

3.1 放电通道

在放电过程中，放电通道作为热源直接影响材料去除．米乐[74]利用能量、动量、质量守恒方程和磁流体动力学方程，建立了电熔爆加工的放电通道二维稳态模型，得到了放电通道的电磁场、速度场、温度场等物理场分布规律，并进一步分析了进气速度、电流强度等参数对物理场分布的影响．为了实现对等离子体放电通道的有效断弧，Xu 等[75]进行了多孔电极的流场仿真研究，并基于流场分布优化了多孔电极的孔分布．Zhang 等[76]通过理论分析和数学推导，研究了高速电弧加工中介质击穿后放电通道扩张规律，在此基础上又进一步推导了放电过程中时间累积效应的表达式，建立了考虑扩张均匀热源时间累积效应的瞬态温度场模型，揭示了大脉宽下电弧放电的材料去除过程．

为了能够准确描述短电弧放电通道，并明确放电通道与两极材料的作用机制，陈小康[34]基于磁流体动力学理论描述电弧等离子体，并考虑了等离子体与两极之间的传热效应，建立了短电弧加工的电极-等离子体-工件瞬态耦合模型，研究表明电弧呈现有缺口的圆柱状，放电通道随放电时间的持续而不断扩张，但扩张速率不断降低；随着到通道中心距离的增加，温度和压力呈现先减小后基本不变的趋势，速度和磁场先增大后减小，场强逐渐减小；电极损耗和凹坑直径随放电时间的持续而不断增大．图13 为不同时刻下间隙物理场分布及两极材料形貌．

图13 不同时刻下间隙物理场分布及两极材料形貌[34]

3.2 能量分配比例

由于极性效应的存在导致放电过程中两极能量分配比例也有所不同，进而影响材料去除过程、加工效率、表面质量等指标．与传统采用直接测量所形成的凹坑直径和深度，结合温度场分布来计算能量分配比例的方法有所不同，Zhang 等[77-78]考虑了热作用于工件表面形成的重铸层所消耗的能量，提出了一种通过对比金相法得到的凹坑边界与温度场仿真得到的凹坑边界来计算能量分配比例和放电通道直径的新方法，研究表明与传统电火花加工相比，电弧加工材料去除效率和能量分配比例较高，这也是电弧加工效率高的有力证明，但是所建模型仅考虑了放电时间的影响，可能具有一定的局限性．

根据放电能量公式可知，放电能量是由电压、电流和放电时间共同决定．基于此，陈小康[34]在上述研究基础上，设计了单脉冲放电实验，基于高斯热源，建立了短电弧单脉冲温度场模型，通过对比仿真与实验所得凹坑实际半径和深度，提出了求解放电通道半径和能量分配比例的方法，具体如图14 所示，并建立了对应的回归模型，该模型与电火花加工能量分配比例模型有所不同，不仅考虑了电流和放电时间，还额外考虑了电压的影响，拓展了高能量电弧加工的基础理论模型．研究表明增大脉宽和电压、减小电流有利于提升能量分配比例；放电通道半径随电压、电流和脉宽的增大而不断增大．

图14 短电弧放电能量分配比例和放电通道半径求解流程[34]

3.3 放电凹坑形貌和材料去除过程

在电火花加工中，一次零件的成型加工是无数凹坑叠加的结果，通过研究凹坑形貌和材料去除过程可以直接反应表面粗糙度、加工效率等指标，更好揭示加工机理，因此这也得到了国内外研究人员的广泛关注．Li 等[79]基于高斯面热源、体热源，构建了短电弧放电温度场模型，得到了GH4169 材料的汽化区、重铸层区和热影响区分布规律，并通过实验加以验证，证实了所建模型的准确性．仇未星等[80]对比研究了高斯热源和均匀热源下短电弧加工Ti-6Al-4V 的放电凹坑形成过程，发现高斯热源的仿真结果与实验结果误差更小．针对前期C/SiC 仿真采用高斯热源忽略间隙弧柱热效应这一问题，季玉等[81]以椭球体热源等效电弧弧柱、高斯面热源等效工件表面热效应，建立了适用于C/SiC 加工的短电弧放电新型等效热源，对比研究了传统高斯热源和等效热源下C/SiC 复合材料凹坑形貌差异，并进行了实验验证，结果表明C/SiC 复合材料中运用新型等效热源模拟凹坑形貌相比于高斯热源预测准确度可提高20%．如图15 所示为短电弧加工中等效热源作用下的温度场分布及凹坑形貌．

图15 等效热源加工方向不同时的温度场分布及凹坑形貌[81]

为了实现对短电弧加工表面粗糙度的预测，王翔[82]在单脉冲放电基础之上引入随机函数以模拟放电随机性，仿真了不同条件下连续脉冲放电过程及最终零件表面成型效果，研究表明由于放电的随机性导致同一位置附近会受到电弧的多次侵蚀，凹坑边缘被破坏，最终随着放电次数的不断增加，整个加工表面被逐渐蚀除；通过图像识别提取工件表面仿真轮廓计算粗糙度，发现粗糙度与频率呈负相关，与占空比和电压呈正相关；仿真与实验所得粗糙度误差低于3%．图16 为引入随机放电后的工件表面仿真与实际加工对比图．

图16 连续脉冲随机放电仿真后工件表面与实际加工表面[82]

综上所述，目前放电加工主要分为电火花加工和电弧加工，研究这两种加工方法机理所采用的数值模拟手段近乎相同，大多聚焦于温度场、流场、多物理场耦合仿真等方法，但忽略了放电过程的复杂性，例如：放电环境（电参数、介质、加工方式等）、断弧方式（脉间强制断弧、电极旋转断弧、高压冲液断弧以及三种方式的复合断弧）等，由此导致所建模型可能与实际具有一定偏差，且现有方法无法准确全面揭示放电通道、能量分配比例、放电凹坑和材料去除过程的背后机理．另外，电火花和电弧加工均隶属于放电加工，本质上具有一定相似之处，因此在加工机理上也有一定相似之处，但由于电参数类型及取值区间、电弧控制手段的不同，导致与电火花加工模型相比，电弧加工在因素与水平、放电通道偏移规律、凹坑形貌等方面也存在一些不同之处，例如：短电弧加工多采用大功率恒压源，而电火花加工多采用小功率恒流源，因此在能量分配比例和放电通道模型上前者多利用高能量尺度的电压和脉宽作为因素，后者则多利用低能量尺度的电流和脉宽作为因素；与电火花成型加工放电通道和凹坑相比，高速电弧加工由于利用流体动力断弧的原理，导致放电过程中放电通道会发生偏移，凹坑表面会出现“拖尾”现象．因此，可知对于放电加工中不同方法的加工机理具有一定差异，且仍需进一步研究，未来利用宏观和微观相结合的方式，综合考虑放电加工中的复杂因素，更加准确地模拟出放电加工过程是该领域的研究重点，也是研究难点．

4 未来放电加工机理的数值模拟研究趋势

4.1 放电加工等效热源研究

当前对于放电加工的数值模拟研究大多基于高斯热源开展，而放电过程受放电状态（电弧和火花）、工作介质等多因素影响，这可能导致单一的高斯热源并不完全适应于任意加工方法，因此开展放电加工等效热源研究可能是未来研究的重点之一．

4.2 放电加工多物理场和分子动力学复合模拟研究

由前人研究可知，放电加工过程是一个涉及多个物理场耦合作用的过程，对于材料去除动力、抛出过程等机理的研究尚未被完全揭示，仍需进一步研究．就目前而言，现有的多物理场耦合仿真方法无法从微观角度揭示放电过程和材料去除过程，现有分子动力学仿真结果虽可以从微观角度揭示，但实际仿真结果与实验结果误差相对较大，主要以定性分析为主，因此综合两种方法的优势，开展多物理场和分子动力学复合模拟研究可能是未来揭示加工机理的关键手段．

4.3 电弧加工机理研究

尽管国内外研究人员对电火花加工机理的研究已作出了重要贡献，但这些机理是否完全适用于电弧加工仍需进一步探究．对于电弧加工和电火花加工而言，能量尺度和加工方式的差异造成了两者可能在加工机理方面存在一定差异．可能受限于电弧发展时间等因素的影响，目前关于电弧加工机理的数值模拟研究无法完全揭示电弧等离子体与材料的相互作用过程，这导致迄今为止电弧加工表面质量差的问题仍无法得到有效解决，因此关于电弧加工机理的深入研究可能是未来放电加工领域的重要方向．

5 结论

本文首先对放电加工方法进行了归纳，然后围绕放电通道、能量分配比例、放电凹坑和材料去除过程等方面，从不同角度的数值模拟，依次梳理了电火花加工和电弧加工的机理研究现状，最后展望了放电加工机理的数值模拟研究趋势，为后续相关研究提供了参考．