电解加工新工艺及发展趋势

尹飞鸿，蒋丽伟，2，何亚峰，3，干为民，3

(1.常州工学院机械与车辆工程学院，江苏 常州 213032) (2.常州大学机械工程学院，江苏 常州 213164) (3.江苏省特种加工重点实验室，江苏 常州 213032)

电解加工又称为电化学加工(electrochemical machining，ECM)，是金属工件作为阳极发生溶解蚀除，按照工具阴极形状进行成型加工的方法。

电解加工从问世到现在经过了半个多世纪的发展，已经成为现代机械制造领域里的一个重要分支，在军事和民用工业中都得到了广泛的应用，近年来受到越来越多的关注。传统机械加工难加工像硬质合金、钛合金等强度大、硬度高的材料，电解加工方法却能很好地解决这些材料难加工的问题。

电解加工作为特种加工的一个重要分支，具有加工效率高、表面质量好、工具阴极无损耗等优点，同时也存在着加工精度不够高、工艺不够稳定、加工技术复杂、设备投资大等缺点。近年来，随着高新技术的快速发展，一些军工产品的研制要求越来越高，模具需求也大幅增长，导致新材料、新结构不断出现，对产品精度、表面质量等方面提出了更高的要求。为适应新技术、新材料的发展，电解加工在技术和方法等方面取得了一些新突破。

1 电解加工新工艺与新技术

1.1 高频窄脉冲电流电解加工

在脉冲电流电解加工过程中，加工间隙中的电解液在脉冲间歇时得到更新，电解产物以及析出的气体可以有效地排出，使电场得到改善，而且脉冲电流会发生阶跃，产生压力波，搅拌电解液，从而改善流场。

高频窄脉冲电流引起的极间间隙的理化特性的变化使阳极溶解蚀除能力变强，散蚀能力变弱，而且强化效应随着频率的提高而得到增大，从而较大幅度地提高加工精度。余艳青等[1]通过研制高频窄脉冲电解加工工程化电源对气门模具进行电解加工，加工成型精度为0.05mm，表面粗糙度为0.56～0.66μm；秦艳芳等[2]将高频窄脉冲电源电解加工叶片与直流电源电解加工叶片作对比，结果表明脉冲电解加工减少了流场中的气泡，使电导率变小，从而使电解液的电导率稳定，电流密度也较大，提高了工件的表面质量和加工精度。

高频窄脉冲电流电解加工能够实现微小间隙加工，间隙的缩小使得间隙中的流场均匀，电解加工的阴极和阳极型面之间更能相互吻合，复制和重复精度大大提高，CHIKAMORI[3]利用脉冲电源，降低加工电压，并选用低浓度电解液进行电解微细加工试验，使加工间隙的范围在几微米大小之间。

1.2 展成法电解加工

传统的电解成型加工应用全型复制法，这种加工方法具有效率高、设备简单等优点，但加工间隙中的电场和流场的均匀性和稳定性不容易控制，加工精度不高；其工具阴极可达性差，成型范围也受到限制，而且工具阴极的设计、制造复杂，反复修正周期时间长，不适合复杂型面、型腔小批量制造。

基于以上缺点，展成法电解加工应运而生。展成法电解加工按照计算机指令，使形状简单的工具阴极进行复杂的展成成型运动，从而加工出形状复杂的工件。近年来国内外学者对展成法电解加工的成型规律进行了全面、深入的研究，并将这种方法用于航空发动机扭曲变截面整体涡轮、大型钛合金叶片、螺旋桨型面等的加工，整体涡轮与叶片展成电解加工如图1所示。

图1 整体涡轮与叶片展成电解加工

稳定的加工间隙是关系展成电解加工重复精度的关键问题，为研究加工间隙的稳定性，朱永伟等[4]通过分析研究大扭曲度整体涡轮展成电解加工叶片型面的成形规律，设计合理的阴极及流场，对多轴联动数控编程进行优化，进行整体涡轮叶片展成电解加工试验，该方法加工稳定，型面精度符合要求；康敏等[5]采用四轴联动方式对直纹面叶型整体叶轮叶片型面进行精密展成电解加工，提出一种拟合叶片型面的方法，优化展成运动轨迹，使加工出的整体叶轮叶片型面精度较高，叶片型线误差小于0.1mm，表面粗糙度Ra小于0.8μm。

展成电解加工的成型规律有一定的特殊性，加工间隙中的流场、电场、电化学阳极溶解速度场等多物理场随着工具阴极的运动而改变，因此很有必要研究阴极的设计及阴极的运动轨迹。直纹面叶轮上叶片采用展成电解加工，吴锐等[6]通过分析其扭角对加工的影响，提出作曲线拟合叶片型值点，并对曲线作法线方向的偏置，根据生成的特征点来设计工具阴极的运动轨迹，然后进行工艺试验，该方法不仅提高了阴极设计的效率，还提高了叶轮叶片型面展成加工的精度；WU等[7]对整体叶轮精加工阴极表面进行离散化处理，提出以叶片拟合型面母线的法向偏置线为基准进行展成运动轨迹设计，实验证明该方法提高了整体叶轮精加工展成运动设计效率和加工精度。

1.3 复合电解加工

复合加工能够综合应用多种加工方法的优势，取长补短，是技术制造的发展方向，特别在特种加工领域，各种类型能量能够综合利用，提高加工质量和加工效率，获得良好的经济效果。常见的复合加工有电解机械复合加工、电解激光复合加工、电解电火花复合加工以及超声电解复合加工等，国内外学者对它们的工艺进行了广泛研究。

1.3.1电解机械复合加工

在电解加工过程中产生的钝化膜使加工不能够继续进行，电解机械复合加工主要是利用机械作用去除产生的钝化膜，它是以电解加工为主、机械加工为辅的一种复合加工技术，电解磨削加工就是一种典型的电解机械复合加工方法，其加工原理如图2所示。

图2 电解磨削原理图

电解磨削是将电化学溶解与机械磨削有机结合进行材料去除的复合加工方法，电解过程中会有钝化膜产生，电解磨削更容易消除钝化膜，使阳极溶解速度加快，加工效率得到提高。干为民等[8]通过研究精加工整体叶轮叶片型面，提出一种五轴联动数控展成电解磨削加工方法，深入研究其加工机理，将整体叶轮精加工效率提高了12倍。

与纯电解相比，电解磨削电流效率高，而且其表面整平过程也比纯机械磨削好。赵建社等[9]对剃须刀网罩表面进行脉冲电流电解磨削加工，通过对峰值电压、电源占空比、机械进给速度、电解液温度等不同参数的分析，研究其对表面粗糙度、平面度的影响规律，采用优化后的参数进行试验，表面粗糙度和平面度等都有较好的改善。

1.3.2电解激光复合加工

激光可以被水射流引导，在此基础上再结合电解射流小孔原理，发展了电解激光复合加工，其加工原理如图3所示。电解射流阳极材料在电化学反应下被溶解，激光束流经射流去除材料，该区域的电解液在激光的照射下温度升高，加工效率得到提高，并加强电解射流加工的定域性。

图3 电解激光复合加工原理图

电解激光复合加工使工件表面的成型精度得到较大的提高，PAJAK等[10]将激光方法用在喷射电解加工上进行试验研究，结果表明，电解激光复合加工可以有效改善加工精度和表面质量，提高加工效率，使加工面没有再铸层、残余应力和微裂纹；李昞晖[11]开展电解激光复合加工孔试验，重点研究加工质量和加工效率，试验结果表明，电解激光复合加工能有效去除激光加工所产生的再铸层和斑点，加工表面无热影响区。

1.3.3电解电火花复合加工

电解电火花复合加工的电源是由高压脉冲和低压直流组合而成的，在加工过程中电源放电，电解产生气体，气体膜被击穿使极间电场畸变，形成击穿通道，可在小间隙下实现高速加工，加工系统如图4所示。

1—电解液；2—过滤系统；3—机床；4—工件；5—脉冲电源；6—隔离二极管；7—硅整流电源；8—开关；9—电极；10—泵；11—球阀

对于电解电火花的加工机理，有许多学者进行了研究。FASCIO等[12]对加工电压、电流等参数进行研究，利用渗流理论分析这些参数对加工的影响，估计加工过程中火花特性，发现电极直径是影响临界电压大小的主要因素，而且发现热效应和化学反应使表面质量得到改善；WUTHRICH等[13]研究了电解电火花的物理原理及微型化加工，研究发现电极尺寸和气泡膜厚度影响加工结构的尺寸，而表面张力和电极形状又影响气泡膜厚度，因此他们通过加入表面活性剂来提高电极的润湿性，使气泡膜的厚度减小，降低临界电压值。

1.3.4超声电解复合加工

与电解电火花复合加工相比，超声电解复合加工过程中产生的钝化膜是靠超声高频振动、超声空化作用去除的，电解液在超声振动和空化作用下流动加快，电解产物可以及时排除，加工效率提高，而且加工精度和表面质量也有所改善，超声电解复合加工原理如图5所示。

图5 超声电解复合加工原理图

超声电解复合加工提高了加工效率和加工精度，YANG等[14]利用自行设计的超声电解微细复合加工装置开展微小深孔试验研究，所用的阴极为φ76μm的半圆柱，半圆柱阴极扩大了电解液的流动空间，再经过超声振动作用，电解液在加工过程中扩散和对流，减少了气泡的产生，提高了加工效率和加工精度；朱永伟等[15]通过设计变幅杆和不同截面的微细工具阴极进行超声电解复合微细加工基础试验，试验证明了微细电解复合超声频振动在加工速度、加工精度、表面质量等方面具有技术优势，可以用在微细加工上。

2 计算机技术在电解加工中的应用

电解加工技术的进步，电解加工工艺的优化，稳定性和重复性的提高，都离不开计算机技术的发展以及计算机技术在电解加工过程中的运用。

2.1 电解加工多物理场耦合模拟

科技的发展带动了计算机技术的发展，有限元、边界元等技术在计算机中的应用促进了电解加工过程的数值仿真模拟。计算机仿真技术可以对电解加工的方式和参数进行优化，设计合理的加工形式，缩短加工准备周期，提高加工效率和加工质量。因此，对电解加工过程进行仿真模拟是非常有必要的。

王明环等[16]通过研究螺旋孔电解加工，建立了加工间隙多相流、多物理场模型，对加工间隙中电解液流速、温度和气泡率进行数值计算，分析它们的变化规律，获得了电解加工孔多物理场耦合规律，揭示了电解加工螺旋孔机理； NGUYEN等[17]建立了采用去离子水电解加工孔径向间隙成形多物理场模型，并开展试验进行验证；何亚峰等[18]研究了钛合金方孔电解加工，根据加工中电场、流场和温度场的相互影响关系建立了钛合金方孔电解加工多物理场耦合模型，通过数值计算，得到了各物理量随时间变化的规律，并通过试验研究了不同电解液进口压力对电解加工孔质量的影响。

2.2 电解加工中计算机控制技术

电解工艺过程很大程度取决于使用者的经验，由于这一特点和目前的发展水平，近年来发展了模糊逻辑控制系统，它将使用者从实践中总结的工艺规律变成试探控制的算法，形成控制条规，根据模糊逻辑的法规不断优化工艺参数来减小加工误差，以达到要求的加工精度，因此模糊逻辑是电解加工自动控制的一种有前途的发展方向。

加工间隙是电解加工核心的工艺要素，加工精度、表面质量和加工效率都取决于加工间隙，而且工具阴极的设计和加工参数的选择也主要依据加工间隙，因此研究对加工间隙的控制很有意义。陆永华等[19]研究测试间隙与初始设定间隙之间的偏差，把二者之间的偏差和偏差的变化量作为模糊控制器的输入，把主轴进给速度作为模糊控制器的输出，通过设计二输入一输出的模糊控制器对加工间隙进行控制，试验发现模糊控制电解加工过程稳定，鲁棒性好，加工过程很快达到平衡状态；ZAYTSEV等[20]把模糊控制策略引入电解加工过程中，模糊控制具有强鲁棒性，被控对象的参数变化对模糊控制的影响不明显，保持了加工间隙的恒定，提高了控制系统的实时性。

3 小型、精密、光整电解加工应用发展

随着高新技术的发展，小型精密件的应用越来越广，加工占比也越来越大，精密加工领域的发展也带动了电解加工技术的革新，特别是光整加工领域，使电解加工高表面质量的优势得到充分发挥。OSENBRUGGEN[21]利用绝缘的工具阴极加工牙齿形状的工件，加工出的工件宽0.37mm、高0.77mm；鲜洁宇等[22]利用直线刃阴极进行电解光整加工齿轮齿面，并对加工精度进行分析研究，加工出的齿面质量好、加工精度高；尹韶辉等[23]利用在线电解修整镜面磨削和磁流变光整加工技术对化学气相沉积碳化硅反射镜进行纳米级精度的加工，提高了表面质量和表面的形状精度； PA[24]通过设计抛光和电解光整精加工工具来改进电解加工孔的表面粗糙度，光整效果好，孔表面光亮。

综上所述，电解加工在中小工件加工中具有高效、高表面质量和高精度的优势，所以小型、精密、光整是电解加工发展的方向，有望在这一领域得到广泛的应用。

4 结束语

近年来，随着对电解加工原理的深入研究，许多新的工艺和方法被应用到电解加工中，这些新工艺新方法弥补了传统电解加工中的不足，市场也需要精度更高、表面质量更好、尺寸更微细化的零件，所以电解加工在制造业领域中还有很大的发展空间。

电解加工研究成果极大地提高了孔的加工精度和质量，解决了若干加工难题，但电解加工是一个多物理场耦合的连续动态加工过程，有其特殊的流体动力和电化学溶解特点，加工过程涉及因素多，各物理场之间影响关系复杂，耦合机理仍是难点和热点问题，还有待深入研究。

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