黃紹服，張 超

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

電化學(xué)加工是常見(jiàn)的非傳統(tǒng)加工方法之一，隨著新材料在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，單一的電化學(xué)加工方法已經(jīng)很難滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者在電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)方面進(jìn)行了大量的探索與研究工作，近幾年來(lái)，許多研究人員將電化學(xué)加工與機(jī)械、超聲、激光、電液束等其他加工方法進(jìn)行復(fù)合，提出一系列新的復(fù)合加工方法，其有代表性的電化學(xué)復(fù)合加工方法如：文獻(xiàn)[1]研究可控電解珩磨加工機(jī)理及其電解液的加工特性提出了電解復(fù)合珩磨的加工方法；文獻(xiàn)[2]編寫了“使金屬和金屬電鍍層表面具有拋光光澤的方法”的專利，最早提出電解復(fù)合拋光的加工方法；文獻(xiàn)[3]14通過(guò)對(duì)陶瓷等硬脆材料的鏡面和精密加工進(jìn)行研究，最先提出了在線導(dǎo)電砂輪電解磨削的方法；文獻(xiàn)[4]將超聲振動(dòng)引入到脈沖電解加工中進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲脈沖電解加工方法可以有效地提高加工表面質(zhì)量。

針對(duì)電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)的研究進(jìn)展，文獻(xiàn)[5]曾從不同角度對(duì)電化學(xué)拋光機(jī)制的研究與進(jìn)展進(jìn)行了綜述；文獻(xiàn)[6]曾從多個(gè)方面對(duì)電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整加工技術(shù)進(jìn)行了綜述；文獻(xiàn)[7]曾綜述了電解超聲復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)；文獻(xiàn)[8]對(duì)電解射流加工現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行了相關(guān)綜述；文獻(xiàn)[9]也曾對(duì)激光復(fù)合加工技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜述，但是在整體的電化學(xué)復(fù)合加工的研究進(jìn)展上未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者進(jìn)行過(guò)較為系統(tǒng)的評(píng)述。鑒于此，本文作者在上述研究者的工作基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)合電化學(xué)加工技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行較為詳細(xì)的綜述，旨在推進(jìn)電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工方法

電化學(xué)機(jī)械復(fù)合加工是結(jié)合了電化學(xué)加工與機(jī)械加工兩者優(yōu)點(diǎn)的一種創(chuàng)新加工方法，其加工原理是工件表面被電解產(chǎn)生鈍化膜，鈍化膜的高電阻阻礙繼續(xù)電解，再通過(guò)機(jī)械作用將鈍化膜刮除，如此反復(fù)進(jìn)行去除材料。目前，這種加工方法相較傳統(tǒng)的電解磨削，能夠創(chuàng)新地通過(guò)電解與其他普通機(jī)械加工復(fù)合，形成新型加工方法，應(yīng)用更加廣泛。

1.1 電解復(fù)合珩磨加工

電解復(fù)合珩磨是電解與珩磨相結(jié)合的復(fù)合加工方式，電解所需的工具陰極為導(dǎo)電的珩磨條[10]，一般用銅制造，成本低、損耗小，使用壽命長(zhǎng)，且排屑容易，冷卻性能好、熱應(yīng)力影響小。其加工原理如圖1所示，電解珩磨時(shí)，珩磨頭做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刮除工件表面因電解而產(chǎn)生的鈍化膜，使加工表面露出新的金屬基體，并再次被電解蝕除，如此不斷循環(huán)，達(dá)到加工要求[11]。其加工的工件無(wú)熱應(yīng)力變形、無(wú)毛刺、裂紋等缺陷，且工件的加工精度及表面質(zhì)量較高，因而常用來(lái)加工純機(jī)械珩磨難以加工的高硬度、高強(qiáng)度和薄壁易變形精密零件的內(nèi)孔加工。但由于使用電解液代替珩磨液，導(dǎo)軌面處容易殘留電解液，會(huì)因電解反應(yīng)的作用發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，保養(yǎng)起來(lái)較為麻煩。

圖1 電解珩磨復(fù)合加工原理圖

文獻(xiàn)[12]研究了電解珩磨方法，發(fā)現(xiàn)影響電解珩磨加工效果的主要工藝參數(shù)是電流密度、電解液濃度、出口壓力和磨粒粒度。文獻(xiàn)[13]利用TC4孔進(jìn)行了電解復(fù)合珩磨加工試驗(yàn)，并對(duì)電解復(fù)合珩磨加工工藝參數(shù)對(duì)材料去除率及表面粗糙度的影響研究分析，得出已加工表面粗糙度有效地降低了80%左右，且材料材料力學(xué)性能及材料去除率隨著加工時(shí)間的增加并無(wú)明顯降低，為電解復(fù)合珩磨加工在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)長(zhǎng)徑比大于15， 材質(zhì)為 27SiM n的煤礦液壓支架缸筒零件內(nèi)孔， 進(jìn)行了電解復(fù)合珩磨試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)電極間隙、電解珩磨壓力、電解液等主要工藝參數(shù)的理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出加工出的表面粗糙度達(dá)到Ra0. 025μm，精度為IT6，比普通珩磨加工效率提高了20倍以上，但整個(gè)加工過(guò)程必須仔細(xì)的檢測(cè)和測(cè)量，保證工件的精度。

1.2 電解復(fù)合拋光加工

電解復(fù)合拋光加工在原來(lái)的機(jī)械加工基礎(chǔ)上疊加了電解作用，并采用鈍性較強(qiáng)的電解液或較低密度的電流，加工原理如圖2所示，電解復(fù)合拋光加工時(shí)，工件被電解時(shí)生成鈍化膜并阻礙工件表面繼續(xù)被電化學(xué)溶解，再由磨料將工件表面高處的鈍化膜刮除，露出新的金屬基體，同時(shí)又生成新的鈍化膜；低處的鈍化膜未被刮除，保護(hù)此處不被溶解，如此不斷循環(huán)進(jìn)行直至達(dá)到拋光的效果。

圖2 電解復(fù)合拋光加工原理圖

目前，我國(guó)已將電解機(jī)械復(fù)合拋光技術(shù)作為用于大型軋輥、化工容器型腔拋光的一種首選加工方法，并且不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍。電解復(fù)合拋光與傳統(tǒng)的機(jī)械拋光及電化學(xué)拋光相比，具有拋光速度高、整平過(guò)程短、拋光質(zhì)量好的特點(diǎn)。但是這種技術(shù)也存在著一定的局限性，加工表面質(zhì)量會(huì)因磨粒的大小差異造成表面損傷，此外，材料的去除主要以磨粒的滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)，因而材料的去除率較低，若使用柔性拋光墊則成本會(huì)變高。

文獻(xiàn)[15]在不同的電壓、電流、溫度下分別進(jìn)行了316不銹鋼電解拋光最佳參數(shù)的試驗(yàn)，其中不同電壓下加工后的樣品在超景深顯微鏡下拍攝的圖像如圖3所示，得出隨著拋光電壓的增大，拋光后工件的加工表面質(zhì)量越高，有利于電解拋光加工的進(jìn)行。

圖3 不同電壓下電解拋光后的超景深圖像

文獻(xiàn)[16]應(yīng)用電化學(xué)拋光平滑馬氏體不銹鋼醫(yī)療器械表面而提高其耐腐蝕性。文獻(xiàn)[17]優(yōu)化了低碳鋼和生物醫(yī)用鈦孔環(huán)的電化學(xué)磨粒拋光工藝，拋光低碳鋼和生物醫(yī)用鈦孔環(huán)后的十點(diǎn)平均粗糙度Rtm與表面粗糙度Ra分別達(dá)到0.64 μm 和 0.09 μm。lin 和su分析了四種不同加工特性：在碳化鎢的ECP過(guò)程中，分電拋光、電解拋光、裂紋、點(diǎn)蝕隨著施加電流的變化規(guī)律。Chandler 提出，1XXX到3XXX， 5XXX和6XXX 系列的鋁合金可以通過(guò)電化學(xué)拋光達(dá)到很高精度。但7XXX， 3XX和5XX系列則不能用電化學(xué)拋光加工[18]。Tang以鋁合金，不銹鋼和鈦合金作為陽(yáng)極工件，在相同加工條件下，不銹鋼，鋁合金，鈦合金表面精度依次減小，并發(fā)現(xiàn)鈦的表面結(jié)構(gòu)有斑點(diǎn)和凹槽，這表明了晶粒和晶粒邊界的不同刻蝕特性[19]。

1.3 電解砂帶(砂輪)磨削加工

電解砂帶(砂輪)磨削加工時(shí)工件為陽(yáng)極，導(dǎo)電接觸輪為工具陰極，砂帶(砂輪)的厚度使工件與接觸輪構(gòu)成間隙，并且砂帶(砂輪)與工件需保持一定壓力。其加工示意圖如圖4所示，接通電源時(shí)，電解液以一定壓力和流量輸入間隙中，工件表面被電解生成鈍化膜，之后被砂帶(砂輪)刮除，露出的新的金屬基體繼續(xù)被電解，如此不斷循環(huán)，直至達(dá)到加工所需的尺寸精度及表面粗糙度。

圖4 電解砂帶磨削加工示意圖

電解復(fù)合砂帶磨削使用特制的砂帶，其耐酸堿，并且絕緣，通常砂帶上會(huì)開(kāi)小孔，以便達(dá)到較好的透水效果及降低噪聲的目的，但通常造成砂帶的使用壽命縮短。因而，一般采用中極法電解砂帶磨削，其磨頭與陰極分開(kāi)，所以砂帶不帶孔，導(dǎo)電面積大，間隙易調(diào)整，適合玻璃、陶瓷等硬脆材料的鏡面、精密加工。

文獻(xiàn)[20]最先提出了在線電解磨削加工方法，并將其應(yīng)用到硬脆材料的精加工方面，加工方法示意圖如圖5所示。文獻(xiàn)[21]已實(shí)現(xiàn)在線電解砂輪磨削技術(shù)對(duì)多種難加工材料的精密鏡面磨削。文獻(xiàn)[22]將超聲技術(shù)與在線電解砂帶磨削技術(shù)結(jié)合進(jìn)行納米Al2O3陶瓷的磨削試驗(yàn)，得出磨削力隨磨削深度增加不斷增大，同時(shí)加工的表面質(zhì)量得到改善。美國(guó)的一些學(xué)者在該技術(shù)加工計(jì)算機(jī)半導(dǎo)體微處理器方面也取得突破進(jìn)展，國(guó)防、航空航天領(lǐng)域的研究也在進(jìn)行。

圖5 在線電解砂輪磨削加工示意圖

文獻(xiàn)[23]結(jié)合了在線電解磨削(ELID)和CMP拋光兩種復(fù)合加工技術(shù)的特點(diǎn)，依次使用不同粒度的砂輪進(jìn)行了藍(lán)寶石基片的超光滑納米級(jí)精度的組合加工，其加工后在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)到的圖像如圖6所示，可以看出使用粒度越大的砂輪磨削，工件表面的磨削紋路越清晰，脆性變形區(qū)域也越小。

圖6 藍(lán)寶石表面不同粒度砂輪磨削后的微觀形貌

文獻(xiàn)[24]利用電化學(xué)砂帶復(fù)合加工對(duì)回轉(zhuǎn)溝槽表面進(jìn)行光整加工，通過(guò)對(duì)比各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)加工表面質(zhì)量的影響程度，分析了砂帶壓力是機(jī)械作用對(duì)表面粗糙度的影響程度大于電化學(xué)作用的主要因素；加工電流的大小是電化學(xué)作用對(duì)圓度的影響程度大于機(jī)械作用的主要因素，并得出采用電解砂帶磨削加工回轉(zhuǎn)表面上的溝槽時(shí)，能夠有效地改善溝槽的光整度[25]，還可以通過(guò)向加工間隙中充分注入配制適宜成分的電解液、增大陰極面積從而增大導(dǎo)電面積及提高接觸磨輪的精度，來(lái)提高其加工效率和加工表面質(zhì)量。

2 其他電化學(xué)復(fù)合加工

除機(jī)械加工外，電化學(xué)加工技術(shù)還可以與其它的加工方法復(fù)合，已經(jīng)發(fā)展了多種電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)，包括電解電火花加工、電解超聲復(fù)合加工、激光電化學(xué)加工、激光輔助噴射液束電解加工等。

2.1 電解電火花復(fù)合加工

電解電火花復(fù)合加工的原理是通過(guò)聚集在工具電極周圍的氣膜形成工件與電極間的絕緣層，當(dāng)加工間隙兩端電壓達(dá)到氣膜的擊穿電壓時(shí)，工具電極端部產(chǎn)生電火花并釋放大量熱能熔化甚至氣化工件，從而達(dá)到去除材料的目的，如圖7所示。電解電火花復(fù)合加工結(jié)合了電解加工和電火花加工各自的優(yōu)勢(shì)，電火花技術(shù)進(jìn)行微小孔、型腔等加工時(shí)會(huì)不可避免會(huì)出現(xiàn)重鑄層，而電解加工時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)可以溶解重鑄層，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為結(jié)合兩種加工各自的優(yōu)勢(shì)用于材料的加工做了許多研究。

圖7 電解-電火花雙電源復(fù)合加工原理圖

文獻(xiàn)[3]15在電導(dǎo)率為0.6MΩ的水中進(jìn)行了微小孔電火花-電解復(fù)合加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法去除了孔出口重鑄層。文獻(xiàn)[26]提出當(dāng)電火花-電解復(fù)合加工微小孔時(shí)，工作液用低電導(dǎo)率的中性溶液，電火花加工與電解加工同步進(jìn)行，加工效率接近電火花加工的效率，且可以去除孔壁上大部分重鑄層。文獻(xiàn)[27]對(duì)電解電火花加工中孔穿透后出現(xiàn)的漏液等問(wèn)題提出了低熔點(diǎn)非金屬填充物反襯加工的方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)加工出500μm的微小孔，證明了電解電火花復(fù)合加工可實(shí)現(xiàn)單晶高溫合微小孔的無(wú)重鑄層加工。文獻(xiàn)[28]提出電火花電源和電解電源雙電源同步供電電火花-電解復(fù)合加工方法，選取了不同濃度的NaCl溶液在鈦合金材料上進(jìn)行了微小孔加工試驗(yàn)，加工后的微小孔如圖8所示，試驗(yàn)表明，雙電源供電以及適當(dāng)?shù)脑黾与娊庖簼舛燃饶芴岣呒庸ば?，又能去除微小孔孔壁重鑄層。

圖8 電解電火花復(fù)合加工微小孔

文獻(xiàn)[30]利用棒狀電極進(jìn)行微細(xì)放電加工與微細(xì)電化學(xué)同步的加工方法，應(yīng)用低阻抗去離子水、小進(jìn)給速度，得到了較好的加工表面質(zhì)量和加工精度，但其加工效率低，無(wú)法適應(yīng)大批量孔的高效加工要求。

2.2 電解超聲復(fù)合加工

電解超聲復(fù)合加工是指輔以超聲振動(dòng)的復(fù)合電解加工，目前大多用于難加工材料的深小孔加工及表面光整加工。加工時(shí)，直流電源連接工件，工具連接負(fù)極，電解液一般由鹽溶液和磨料混合而成。工件表面在電解液中產(chǎn)生陽(yáng)極溶解，電解產(chǎn)物陽(yáng)極鈍化膜被超聲振動(dòng)的工具及磨料蝕除，由于超聲振動(dòng)引起的空化作用，加快了鈍化膜的蝕除和磨料懸浮液的循環(huán)更新，促進(jìn)了陽(yáng)極溶解過(guò)程的進(jìn)行，使加工速度和加工質(zhì)量大大提高，其加工示意圖如圖9所示。

圖9 電解超聲復(fù)合加工小孔示意圖

文獻(xiàn)[31]進(jìn)行了有超聲和無(wú)超聲輔助的電解制備對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，可以明顯看出超聲技術(shù)輔助電解加工可以有效地防止鎢絲微細(xì)電極在加工時(shí)變形成紡錘狀結(jié)構(gòu)，并且對(duì)提高加工精度有著良好的促進(jìn)作用，還節(jié)省了成本。

圖 10鎢絲微細(xì)電極

文獻(xiàn)[32]通過(guò)對(duì)加工電源與超聲頻振動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)關(guān)方法的研究，實(shí)現(xiàn)了兩者的實(shí)時(shí)同步控制，進(jìn)行了同步超聲振動(dòng)微細(xì)電加工試驗(yàn)，驗(yàn)證了同步超聲復(fù)合電解加工過(guò)程比其他超聲及超聲非同步復(fù)合加工更加穩(wěn)定，且加工精度與加工的表面質(zhì)量也更優(yōu)。但有關(guān)超聲電解復(fù)合加工時(shí)工件表面的去除機(jī)理以及表面粗糙度的影響因素等問(wèn)題還有待進(jìn)一步地研究與驗(yàn)證。

2.3 激光電化學(xué)加工

激光電化學(xué)復(fù)合加工是在電化學(xué)體系中引入激光束，在光傳輸光路中選擇合適的透鏡成像比例來(lái)得到一定大小和功率密度的聚焦光斑，利用激光具有的高能量改變輻照區(qū)域的電極狀態(tài)，激發(fā)、誘導(dǎo)電化學(xué)反應(yīng)，提高電化學(xué)反應(yīng)速度，由電化學(xué)和激光兩種能量共同作用而實(shí)現(xiàn)的加工技術(shù)。

文獻(xiàn)[33]在所構(gòu)建的激光電化學(xué)復(fù)合加工系統(tǒng)中，加入透光導(dǎo)電的氧化銦錫，采用該復(fù)合方法在濃度為0.5 mol/L 的 NaNO3溶液中對(duì)鋁合金進(jìn)行了加工試驗(yàn)，研究了不同的工藝參數(shù)對(duì)激光電化學(xué)定域性的影響，結(jié)果表明： 隨著激光的能量、頻率的增大，槽的寬度變大；隨著進(jìn)給速度的增大，槽的寬度變小。此外，文獻(xiàn)[34]利用所構(gòu)建得納秒脈沖激光電化學(xué)復(fù)合加工系統(tǒng)，分別進(jìn)行了金屬及脆性材料硅的激光輻照和脈沖電化學(xué)復(fù)合加工試驗(yàn)，得出了金屬材料的表面加工質(zhì)量高，脆性材料硅則存在不規(guī)則的凹坑，且刻蝕的深度淺，如圖11所示。

圖11 激光電化學(xué)復(fù)合刻蝕硅微槽的整體和局部形貌圖

2.4 激光輔助噴射液束電解加工

激光輔助噴射液束電解加工是利用激光加工聚焦生成的高熱能去除材料，同時(shí)施加噴射電液束電解作用去除表面重鑄層，從而提高加工表面質(zhì)量的一種優(yōu)質(zhì)加工方法。其加工原理如圖 12所示它是在借鑒了“水射流引導(dǎo)激光加工”和“電解射流小孔加工”的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。但激光噴射液束電解加工機(jī)理還有待進(jìn)一步研究，且加工的成本較高，許多學(xué)者致力于這方面的研究，有望將其運(yùn)用到工程實(shí)際應(yīng)用上。

圖12 激光輔助噴射液束電解加工原理圖

加工時(shí)，被加工工件接脈沖電源正極，在金屬腔體上接負(fù)極，電解液輸送至金屬腔體內(nèi)，并以高速的形式射向工件的待加工部位，在噴射點(diǎn)上產(chǎn)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。

文獻(xiàn)[35]針對(duì)激光加工后工件表面出現(xiàn)的重鑄層，提出了激光-噴射液束復(fù)合加工的方法并研制了專用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了不銹鋼打孔實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比在噴射液束及空氣中孔加工整體與局部形貌的結(jié)果，如圖13所示，得出了在噴射液束中進(jìn)行激光加工的孔邊緣、孔底的重鑄層基本被去除，且無(wú)微裂紋，由此論證了激光-噴射液束復(fù)合加工方法的可行性。

(a)整體形貌 (b)局部放大圖13 激光輔助噴射液束電解加工打孔形貌圖

此外，文獻(xiàn)[36]還以材料去除率及加工的孔維度為加工表面質(zhì)量指標(biāo)，通過(guò)改變激光脈沖能量、加工電壓、加工間隙的大小進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出影響材料去除率的主要因素是激光脈沖能量，縮短加工間隙、增加加工電壓和激光脈沖能量都會(huì)導(dǎo)致孔入口的維度增大。

3 結(jié)論

通過(guò)學(xué)習(xí)和分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)電化學(xué)機(jī)械加工機(jī)理及相關(guān)試驗(yàn)的研究較多，但相較于國(guó)外的一些研究，在新技術(shù)方面的研發(fā)與實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用卻較少，且大多電化學(xué)復(fù)合加工的試驗(yàn)研究使用的材料較為單一，沒(méi)有形成系統(tǒng)、完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，因而難以開(kāi)發(fā)一些新的復(fù)合工藝方法，在一定程度上限制了該加工技術(shù)的發(fā)展。但正因如此其研究、開(kāi)發(fā)的空間也更加廣闊。隨著硬質(zhì)合金等高硬度、高強(qiáng)度材料的大范圍使用，電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)在機(jī)械、化學(xué)、能源、航天航空等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也變得更加廣泛，這對(duì)工件的表面質(zhì)量要求更加嚴(yán)格。未來(lái)電化學(xué)復(fù)合加工技術(shù)需要解決的問(wèn)題主要體現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)對(duì)更多新材料和復(fù)雜型面的高效、高精加工及加工表面質(zhì)量改善等方面，加強(qiáng)與其他成熟加工技術(shù)的組合，并結(jié)合模擬技術(shù)試驗(yàn)研究，使其朝著精密化與超精密化加工、微細(xì)與超微細(xì)加工、智能化和集成化的方向發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的大規(guī)模應(yīng)用。