随着科学技术的快速发展,高性能材料的应用越来越广泛,对加工技术的要求越来越高。放电加工技术以其能加工复杂型腔、不产生宏观作用力以及能忽略目标材料的强度、硬度以及韧性等特点在高性能材料的加工领域得到了广泛应用。但是面对现代制造业高速发展的需求,较低的加工效率成为了传统电加工技术发展的瓶颈。电弧加工,作为一种近年来广受关注的新型放电加工技术,就是为了攻克传统电加工低加工效率的技术难题而被提出的。电弧加工是一种集高能源利用率和低损耗快加工于一身的绿色加工技术。与传统电火花放电相比,电弧加工采用电弧作为放电能量源,在加工过程中,脉冲宽度较长,放电电流较大,因此会在工件表面形成较大的凹坑和凹坑凸缘并会产生更大、更多的蚀除颗粒分布到极间放电间隙。然而,由电弧的伏安特性可知,电弧加工的开路电压较低,所以其击穿间隙较小。以上特性导致电弧加工在加工过程中会在较小的放电间隙中产生较多的大颗粒蚀除产物,容易造成间隙放电状态恶化,影响加工质量和加工过程的稳定性。鉴于以上背景,本文提出了高压激励电弧铣削加工技术。该技术通过在电弧加工的放电电极两端叠加高压脉冲,影响电弧放电的击穿和断弧作用,有效的增大了电弧加工的放电间隙,改善了极间放电状态,最终增强了电弧加工的稳定性,提高了电弧加工的加工效率和加工质量并降低了电弧加工的相对电极损耗,是一种极具优势的新型放电加工技术。本研究基于电弧等离子体特性,开展了高压激励电弧铣削加工技术的机理研究:通过分析电弧等离子体的伏安特性,得出了电弧等离子体中电压与电流的关系;通过分析电弧等离子体的温度、直径、最大长度和电弧等离子体功率,确定了电弧等离子体放电能量与弧柱特性参数之间的关系;通过分析电弧等离子体的弧柱压缩效应和弧压最小原理,阐述了电弧等离子体的扰动;通过分析电弧等离子体中粒子的相互作用,阐述了电弧等离子体的极性效应;运用等离子体物理的电弧理论,分析了电弧等离子体的形成、扩展以及维持稳态的过程。基于电源的单次放电模式,对不同环境下的电弧单次放电进行了系统的研究,开展了以峰值电流、放电时间以及环境压强为试验因素的针——面式单脉冲放电试验:发现在低气压环境下,电弧仍然可蚀除工件材料,这是与传统电火花加工的一个很大的不同点;随着环境压强的减小,电弧放电通道会进一步扩大。当电弧达到稳态时,环境压力越小,放电通道半径越大,并且,不论是阳极表面还是阴极表面,放电通道的扩展情况几乎相同,基于此结果完善了电弧等离子扩展模型。此外,通过分析单脉冲放电产生的凹坑发现,在较小的环境压力下,电弧放电会在工件表面形成具有较小熔融区直径、凹坑直径、凹坑深度、熔融体积、去除体积和去除体积比和较大变色区的凹坑。与此同时,较高的放电电流和较长的放电持续时间会在工件表面形成具有较大变色区、熔融区、凹坑直径、凹坑深度、白层厚度、熔融体积和去除体积的凹坑,这说明大峰值电流和长放电时间有助于电弧加工获得较大的材料去除率。在大功率直流电源的基础上通过复合高压高频脉冲电源开发了适用于高压激励电弧铣削加工的高压激励电弧复合电源,并对电弧加工的供电电路、冲液循环系统以及电弧铣削主轴进行了改进,完成了高压激励电弧铣削加工试验样机的搭建。基于热电子理论,分析了电弧加工中工具电极的材料特性对电弧放电的影响,发现电弧加工过程中电极材料的材料属性对电流密度有重要影响:电极材料在加工时的温度主要取决于材料的熔点,电极材料的熔点越高,电极在加工时能承受的温度越高,电极上热电子发射所容许的电流密度也就越大。并利用试验样机研究了不同工具电极材料对电弧铣削加工结果影响,验证了热电子理论,选出了最优电极材料。基于单脉冲试验结果以及电弧等离子特性,分析了叠加高压脉冲在电弧铣削加工中的作用机理:一方面叠加高压可以促进电弧的放电击穿,增加相同放电间隙时的放电频率,最终增加平均放电时间,提高材料去除效率;另一方面,叠加高压可以增大平均放电间隙,增强冲液效果,促进弧根在电极表面移动,分散放电能量,改善极间放电状态,减小电极的相对损耗;同时,增大的平均放电间隙,可以拉长电弧等离子体,增强电弧等离子体功率,强化电弧等离子体的极性效应,有助于提高电弧加工的材料去除效率并降低电极的相对损耗。利用试验样机开展了高压脉冲的电参数试验,验证了高压脉冲的作用理论,得到了高压脉冲电参数与加工特性之间的关系。基于流体动力学,建立了电弧铣削加工的极间流场理论,根据实际加工情况建立了极间流场的三维模型并进行仿真分析,并根据仿真结果对电弧铣削加工的间隙流场进行了改善。通过对不同流场的仿真分析和试验对比,验证了流场改善的合理性,并得出了适合于电弧铣削加工的最佳电极结构,为进一步研究高压激励电弧铣削加工技术提供了基础。基于搭建的试验样机,设计并进行了以峰值电流、电极转速、冲液压力和高压脉冲幅值等为试验参数的单因素试验,并对流场的改善情况进行了对比试验。试验结果表明:随着峰值电流的增大,工件的材料去除率、电极损耗率以及工件表面粗糙度会随之增大,而电极的相对损耗率会降低。随着电极转速或冲液压力的增大,电弧的断弧作用会逐渐增强,促进电弧分散放电能量,防止放电集中和放电过程的不稳定,有助于提高材料去除率;当达到最佳值以后,继续增大电极转速或冲液压力,断弧作用会过度增强,导致断弧过于频繁,缩短了实际放电时间,增大电极损耗的同时不利于增大材料去除率。叠加适当幅值的高压可以有效的提高材料去除率和加工质量并降低电极的相对损耗率;过高或过低的高压脉冲都不利于提升加工效果;采用新型结构的工具电极,能产生良好的冲液环境,及时排除金属颗粒使电弧加工更加稳定,最终使高压激励电弧铣削加工技术的加工结果得以改善;此外,新型结构的工具电极有助于增强机械断弧作用,将直流电弧放电在一定程度上转变成脉冲式放电,有效的改善了放电的消电离过程,提高了加工过程的稳定性。