曲寧松，劉 洋，張峻中，房曉龍

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

電解加工技術(shù)是利用電化學(xué)陽極溶解原理實(shí)現(xiàn)零部件成形的一種特種加工制造方法，由于具有與材料機(jī)械性能無關(guān)、無工具損耗、無重鑄層、少無加工力等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天領(lǐng)域的重要制造技術(shù)，受到航空航天制造業(yè)的“厚愛”。

電解加工技術(shù)在航空大國(guó)受到高度重視，已成為葉片、葉盤、機(jī)匣等關(guān)鍵部件的主要制造技術(shù)，顯示出明顯優(yōu)越性。 例如，德國(guó)MTU 公司將電解加工技術(shù)作為難加工材料葉片和整體葉盤的首選制造技術(shù)；美國(guó)Sermatech 公司在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、鎳基高溫合金整體葉盤、機(jī)匣等重要部件的制造中均采用電解加工技術(shù)；英國(guó)羅羅公司將電解加工技術(shù)納入航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的通用工藝， 用于擴(kuò)散機(jī)匣、內(nèi)機(jī)匣、壓氣機(jī)中間機(jī)匣的加工成形。

盡管電解加工在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中具有顯著優(yōu)越性，但是傳統(tǒng)的電解加工主要是拷貝式加工方法（圖1）。 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉盤、機(jī)匣等關(guān)鍵核心零部件的外形復(fù)雜多樣，采用傳統(tǒng)拷貝式電解加工方法需使用多個(gè)工具陰極。 隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)發(fā)展和不斷改型，關(guān)鍵核心部件的外形結(jié)構(gòu)變化多樣， 拷貝式電解加工所用工具夾具的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，因此發(fā)展柔性的電解銑削加工技術(shù)日益受到重視。電解銑削加工采用形狀簡(jiǎn)單的棒狀工具，通過工具的空間運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面的精密加工，具有加工柔性好、效率高等特點(diǎn)（圖2），故引起國(guó)內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注并紛紛開展了電解銑削方面的研究。

圖1 拷貝式電解加工示意圖

圖2 電解銑削加工示意圖

1 電解銑削加工基礎(chǔ)研究進(jìn)展

電解加工時(shí)工具電極不與工件接觸，因此根據(jù)工件待加工表面與工具電極的不同相對(duì)位置，電解銑削加工可分為低空飛行式電解銑削加工和切入式電解銑削加工兩種類型（圖3 和圖4）。其中，切入式電解銑削材料去除機(jī)制與拷貝式電解加工過程基本一致，故本文不再贅述。 低空飛行式電解銑削加工與拷貝式電解加工相比具有很大不同，本文僅介紹低空飛行式電解銑削加工的材料去除過程以及加工過程建模方面的研究進(jìn)展。

圖3 低空飛行式電解銑削示意圖

圖4 切入式電解銑削示意圖

1.1 材料去除過程

電解加工與材料的種類密切相關(guān)，不同材料的電化學(xué)特性不完全一樣， 導(dǎo)致其電解加工過程不同。 電解銑削加工的常見材料如鈦合金、不銹鋼等均屬于易鈍化性材料，浸入電解液時(shí)會(huì)在非常短的時(shí)間內(nèi)形成較為致密的鈍化膜，因此要實(shí)現(xiàn)上述材料的正常溶解必須先完成鈍化膜的破碎和去除。 在拷貝式電解加工模式下，工件材料的去除方向與工具進(jìn)給方向一致，整個(gè)加工過程中的陽極表面鈍化膜僅需破碎一次，且鈍化膜對(duì)加工過程的影響可忽略不計(jì)。 但在低空飛行式電解銑削加工時(shí)，工具電極按照數(shù)控軌跡運(yùn)動(dòng)，會(huì)持續(xù)對(duì)原始表面進(jìn)行電解加工。 即使在深度方向進(jìn)行二次掃描電解銑削加工， 待加工表面距上一次電解加工也有一段時(shí)間，又會(huì)形成新的氧化層。 已有研究證實(shí)，鈦合金TC4、TB6 等易鈍化性金屬的電解銑削加工電化學(xué)溶解過程是： 陽極表面鈍化→鈍化層破碎→陽極金屬溶解。 陽極從鈍化界面狀態(tài)演化形成陽極溶解界面狀態(tài)，需經(jīng)歷一個(gè)時(shí)間過程（圖 5 和圖 6）[1-2]。 這意味著，只有當(dāng)工件表面氧化膜破碎并建立理想的電化學(xué)溶解界面結(jié)構(gòu)后，鈦合金材料表面才能被有效去除并獲得良好的加工表面質(zhì)量。

研究證實(shí)，鈦合金和高溫合金的鈍化膜破碎時(shí)間不一致，與電解液種類及電流密度密切相關(guān)。 如TB6 鈦合金在 45 A/cm2、質(zhì)量分?jǐn)?shù) 15%NaCl 條件下的鈍化膜破碎時(shí)間為10 s[1]，而在60 A/cm2、質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%NaNO3條件下的鈍化膜破碎時(shí)間為27 s[2]；TC4 鈦合金在 50 A/cm2、 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 20%NaNO3條件下的鈍化膜破碎時(shí)間為1.6 s[3]；GH4169 高溫合金在60 A/cm2條件下的鈍化膜破碎時(shí)間僅為1 s[4]。 南京航空航天大學(xué)研究了TC4 鈦合金在NaNO3條件下鈍化膜的破碎時(shí)間與施加的電流密度關(guān)系，結(jié)果表明：電流密度越大，鈍化膜破碎時(shí)間越短（圖7）。

圖5 電流密度45 A/cm2 時(shí)電解加工TB6 不同時(shí)間的形貌[1]

圖6 TB6 電解銑削加工從鈍化界面狀態(tài)演化成陽極溶解界面狀態(tài)過程示意圖[1]

圖7 TC4 材料電解加工時(shí)鈍化膜破碎時(shí)間與電流密度關(guān)系[2]

天津大學(xué)研究人員在研究NaCl 溶液中電解銑削加工TB6 鈦合金發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電解銑削陰極進(jìn)給速度為1.5 mm/min 時(shí)，能在工件表面加工出溝槽，但當(dāng)陰極進(jìn)給速度提高到15 mm/min 時(shí)，工件表面僅出現(xiàn)了點(diǎn)蝕，無法實(shí)現(xiàn)材料的有效去除（圖8）[1]，其主要原因是工具陰極掃描速度過快，陽極表面鈍化層來不及破碎。 南京航空航天大學(xué)研究人員通過在NaNO3溶液中電解銑削加工TB6 鈦合金研究了電流密度對(duì)溝槽的影響， 發(fā)現(xiàn)電流密度為40 A/cm2時(shí)， 電解銑削加工有時(shí)會(huì)出現(xiàn)溝槽不連續(xù)的情況，當(dāng)電流密度為140 A/cm2時(shí)， 可電解銑削加工出質(zhì)量較高的溝槽（圖 9）[3]。

電流密度是最重要的電解加工參數(shù)，除了影響電解銑削加工易鈍化材料時(shí)的鈍化膜破碎時(shí)間之外，還對(duì)材料電化學(xué)溶解過程具有重要影響。 日本東京大學(xué)研究了電流密度對(duì)電解加工不銹鋼形貌的影響，發(fā)現(xiàn)低電流密度時(shí)的加工表面粗糙度值最大，隨著電流密度的增大，表面粗糙度值迅速降低，在87 A/cm2時(shí)的粗糙度值最小，然后隨著電流密度進(jìn)一步增加，粗糙度值逐漸增大（圖10）[5]，其研究認(rèn)為，表面粗糙度值的上述變化趨勢(shì)與不同電流密度時(shí)陽極附近擴(kuò)散層的分布有關(guān)，以表面粗糙度值最小時(shí)的電流密度進(jìn)行加工，加工區(qū)域附近的擴(kuò)散層呈非均勻分布狀態(tài)（圖11）[5]。 德國(guó)開姆尼茨大學(xué)的研究也得到了幾乎相同的結(jié)論，但得到的表面粗糙度值最小時(shí)的電流密度約為400 A/cm2[6]。

圖8 電流密度45A/cm2、15%NaCl 條件下以不同進(jìn)給速度電解銑削TB6 材料的溝槽形貌[1]

圖9 工具電極掃描速度2.4 mm/min、20% NaNO3 條件下以不同電流密度電解銑削加工TB6 材料的溝槽形貌[3]

圖10 電流密度對(duì)電解加工不銹鋼表面粗糙度的影響[5]

圖11 電流密度對(duì)工件表面粗糙度的影響機(jī)理示意圖[5]

1.2 電解銑削加工過程建模

電解銑削加工過程與加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的分布密切相關(guān)，相關(guān)的研究通常是通過建立物理和數(shù)學(xué)模型來描述電解銑削相關(guān)工藝過程。 目前，電解銑削加工過程建模與仿真的研究主要集中在電流分布、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、工件廓形變化以及其中兩個(gè)及兩個(gè)以上的耦合模型。 實(shí)際上對(duì)于電解銑削而言，工件表面的電流密度及其分布特征是材料去除速率、銑削深度、表面形貌、加工質(zhì)量的決定性因素。 對(duì)流場(chǎng)溫度場(chǎng)、工件廓形變化的研究大多數(shù)都是圍繞如何影響或改善加工間隙內(nèi)的電流分布展開。 加工間隙內(nèi)電勢(shì)分布符合拉普拉斯方程，即：

式中：U 是電源電壓；Ea為陽極本身的過電位；Ec為陰極本身的過電位；ρ 為電解液的電阻；I 為通過的電流強(qiáng)度。

對(duì)于電解銑削加工而言，工件表面的電流分布是其加工質(zhì)量的決定性因素。 上世紀(jì)90 年代，日本東京大學(xué)建立了電解銑削的仿真模型并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算， 得到了如圖12 所示的工件表面電流的分布特征和電極內(nèi)電勢(shì)分布圖， 其研究結(jié)果表明：工件表面的電流分布呈現(xiàn)出中間高、兩邊低的高斯分布，電勢(shì)在電極內(nèi)孔呈近似線性分布[7]。 美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)給出了焦耳熱對(duì)電解液電導(dǎo)率影響的數(shù)學(xué)模型，研究了不同工藝參數(shù)下的陽極電流分布和材料去除率的影響，認(rèn)為材料去除率的極限值會(huì)受到加工間隙電解液沸騰作用的影響[8]。 考慮到TB6鈦合金的鈍化效應(yīng)，天津大學(xué)對(duì)工件鈍化膜的雙電層效應(yīng)進(jìn)行電容等效替換， 在陰極掃描運(yùn)動(dòng)情況下，對(duì)TB6 的鈍化膜破碎所需電量進(jìn)行了探討[1]。南京航空航天大學(xué)則對(duì)鈍化電解液中TC4 和Ti40 鈍化膜破碎電量進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并計(jì)算出電解銑削加工的相應(yīng)溝槽廓形[2]。

圖12 電解銑削電解液束中的電勢(shì)分布和工件表面電流的特征分布[7]

在滿足拉普拉斯方程的基礎(chǔ)上，根據(jù)法拉第定律，金屬的蝕除速率滿足以下關(guān)系式：

式中：η 為電流效率；ω 為金屬材料的電化學(xué)當(dāng)量；i為電流密度。

在對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（2），國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)電解銑削加工過程中工件的廓形演變展開了研究。 波蘭華沙大學(xué)在經(jīng)典公式的基礎(chǔ)上建立了球頭和平底陰極電解銑削加工廓形的數(shù)學(xué)模型[9]。 德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)使用有限元模型（FEM）進(jìn)行了一系列的數(shù)值計(jì)算，并指出陽極表面廓形的變化會(huì)改變其表面的電流分布[10-11]。 英國(guó)曼徹斯特大學(xué)建立了邊界元模型（BEM），對(duì)按設(shè)定程序走刀路徑的電解銑削加工工件表面成形特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致（圖13）[12]。為簡(jiǎn)化模型，印度賈達(dá)普大學(xué)使用圓弧替代電解銑削溝槽邊界，建立了數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)的溝槽廓形和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好[13]。

圖13 基于模型預(yù)測(cè)的電解銑削宏觀結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果及加工實(shí)物[12]

在電解加工過程中，一般認(rèn)為電解液為不可壓縮流體。 因此，流體運(yùn)動(dòng)滿足拉普拉斯和納維斯托克斯方程，如下所示：

在電解銑削過程中，實(shí)現(xiàn)加工間隙電解液的高速流動(dòng)且保證電場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同控制，才能獲得理想的加工質(zhì)量。 因此，電解銑削流場(chǎng)的仿真也備受關(guān)注。 如圖14 所示，德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)開展了流電耦合電解銑削數(shù)值仿真研究，發(fā)現(xiàn)陽極廓形在演變過程中能改變射流反射形態(tài)，并指出可通過調(diào)控射流反射形態(tài)達(dá)到抑制雜散腐蝕的目的，但不能消除二次腐蝕[14]。 廣州工業(yè)大學(xué)開展了內(nèi)吸式和外吸式射流電解加工的流場(chǎng)數(shù)值仿真并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為外吸式相對(duì)于內(nèi)吸式更有利于獲得更加均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)，從而得到加工質(zhì)量更高的結(jié)構(gòu)[15]。南京航空航天大學(xué)指出了宏觀和微觀工具電極噴射出的流體廓形的差異，并認(rèn)為工具陰極底部結(jié)構(gòu)不同會(huì)對(duì)加工區(qū)域流速產(chǎn)生影響[16]。

圖14 不同陽極廓形下的射流反射形態(tài)[14]

2 電解銑削工藝研究

電解銑削加工的結(jié)構(gòu)通?？煞譃闇喜酆推矫?型面兩類，且在加工平面/型面時(shí)通常是首先加工出溝槽，然后再拓展為平面/型面。因此，本文先從溝槽的電解銑削工藝研究開始介紹。

2.1 溝槽的電解銑削加工

依據(jù)尺寸特征，溝槽可分為微小溝槽和宏觀溝槽兩種。 由于加工時(shí)的電場(chǎng)、流場(chǎng)以及加工產(chǎn)物質(zhì)量數(shù)等方面具有明顯差異，其加工工藝研究的重點(diǎn)也隨之有很大不同，故本文分別加以介紹。

2.1.1 微小溝槽電解銑削加工

2000 年，德國(guó)馬普研究所采用直徑微米級(jí)的棒狀工具電極進(jìn)行納秒級(jí)脈寬超短脈沖切入式電解銑削加工， 加工出底部基座尺寸為15 μm×15 μm×10 μm、基座上棱柱尺寸為 5 μm×10 μm×12 μm 的銅三維型腔結(jié)構(gòu)和尺寸為 2.5 μm×10 μm×15 μm舌狀結(jié)構(gòu)（圖15）[17]。 韓國(guó)首爾大學(xué)采用柱狀盤形工具電極進(jìn)行切入式微細(xì)電解銑削加工，有效地減小了加工結(jié)構(gòu)的傾斜角度[18]。 南京航空航天大學(xué)采用階梯狀電極，避免了加工干涉，加工出三維微細(xì)結(jié)構(gòu)（圖 16）[19]。

圖15 納秒脈沖電解銑削加工微納結(jié)構(gòu)[17]

圖16 利用盤形工具電極[18]及階梯式工具電極[19]加工的微結(jié)構(gòu)

前述微細(xì)電解銑削加工案例均采用了納秒脈寬脈沖電流。 該脈沖電流的超高頻特性決定了電源功率很小、材料去除效率很低、工具電極進(jìn)給速度僅為每秒數(shù)微米。 為提高微細(xì)電解銑削加工速度，研究人員提出了射流微細(xì)電解銑削加工方法，此時(shí)通常直接采用金屬噴嘴作為工具陰極（圖17）且采用低空飛行式加工。 德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)采用外徑0.1 mm、內(nèi)徑0.05 mm 的金屬噴嘴作為電解銑削加工工具陰極，在進(jìn)給速度為18 mm/min 時(shí)，經(jīng)過十次往復(fù)走刀得到深度0.18 mm、寬度0.19 mm、表面粗糙度Ra0.1 μm 的加工樣件， 并利用此技術(shù)在不銹鋼表面上加工出深度0.06 mm、寬度0.2 mm 的微反應(yīng)器（圖 18）[20]。

圖17 射流電解加工原理[20]

圖18 采用金屬噴嘴電解銑削加工的微結(jié)構(gòu)[20]

日本東京大學(xué)利用外徑為0.42 mm、 內(nèi)徑為0.26 mm 的金屬噴嘴作為工具陰極， 在不銹鋼工件表面加工窄槽時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)給速度從30 mm/min 增加到90 mm/min 時(shí)， 所加工窄槽的深度從0.03 mm減少到0.005 mm[21]。

微陣列是宏觀零件表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的典型代表，電解銑削加工是這類結(jié)構(gòu)的重要加工方法之一。 日本東京大學(xué)通過逐步疊加簡(jiǎn)單圖案的方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖形的加工，分別在平面、圓柱面制備了環(huán)形“V”型溝槽陣列（圖19）[21]。 采用陣列電極是提高陣列結(jié)構(gòu)加工效率的最直接方法，當(dāng)相鄰管電極間距過小時(shí)，反射的電解液射流會(huì)相互干涉、碰撞、滴落，從而在工具和非加工區(qū)之間形成電流通路，影響溝槽的邊緣質(zhì)量，造成非加工區(qū)的雜散腐蝕。 南京航空航天大學(xué)采用內(nèi)徑500 μm、間距4 mm 的側(cè)壁絕緣管電極，在不銹鋼材料表面進(jìn)行交叉群槽、陣列群槽結(jié)構(gòu)的電解銑削加工，還通過排布不同長(zhǎng)度管電極實(shí)現(xiàn)了不同深度群槽的同時(shí)加工（圖20）[22]。

圖19 電解銑削加工的溝槽陣列[21]

圖20 群管電極電解銑削加工群槽結(jié)構(gòu)[22]

2.1.2 宏觀溝槽電解銑削加工

由于內(nèi)噴液電解銑削加工可快速帶走加工產(chǎn)物，在宏觀溝槽電解銑削加工時(shí)內(nèi)噴液工具電極是重要的研究?jī)?nèi)容。 但由于圓柱狀工具電極內(nèi)部出液口尺寸的增大，工件加工表面的電場(chǎng)分布很難均勻分布，導(dǎo)致加工溝槽底面的平整度不佳。 比利時(shí)魯汶大學(xué)采用外徑7 mm、內(nèi)徑6 mm 的管狀電極進(jìn)行宏觀電解銑削加工溝槽時(shí)，發(fā)現(xiàn)其加工出溝槽呈中間凸起、兩邊下凹的截面（圖21），于是為提高加工后溝槽底面的平整性， 設(shè)計(jì)了幾種類型的出液口，之后發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的出液口可有效地改善溝槽底面的不平度，但無法完全消除不平整的情況，加工后溝槽的底面輪廓仍不平整（圖22）[23]。

圖21 采用外徑7 mm、內(nèi)徑6 mm 管狀電極電解銑削加工出溝槽示意圖[23]

圖22 不同出液口形式管電極加工的溝槽橫截面輪廓[23]

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)[12]采用外置噴嘴向不銹鋼工件表面噴射電解液，開展了電解銑削加工溝槽平整度方面的研究， 分別使用直徑為1 mm 的圓形截面電極和尺寸為1 mm×1 mm 的方形截面電極進(jìn)行電解銑削加工，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工具陰極進(jìn)給速度為9 mm/min時(shí)，使用方形刀具加工的型面輪廓更深、更寬且底面更平（圖 23）。

圖23 不同工具外置沖液電解銑削加工及其輪廓形貌[12]

由此可見，在宏觀溝槽電解銑削加工時(shí)，待加工區(qū)的電場(chǎng)分布是溝槽底部不平度的決定性因素，通過外置噴嘴以及正方形工具電極可顯著抑制溝槽底部的不平度，但外置噴嘴這種電解液流動(dòng)模式在實(shí)現(xiàn)加工區(qū)電解加工產(chǎn)物的快速輸運(yùn)方面還有一定困難。 鑒于此，南京航空航天大學(xué)進(jìn)行了具有矩形出液口工具電極內(nèi)噴液電解銑削加工研究，針對(duì)回轉(zhuǎn)體端面的加工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用的工具電極梯形出液口結(jié)構(gòu)，加工出底部平整的結(jié)構(gòu)（圖24）。

圖24 矩形出液口工具電極內(nèi)噴液電解銑削加工[24]

有時(shí)宏觀溝槽不需要平整底部，而是有其他形貌要求，如溝槽截面要求是類球形結(jié)構(gòu)，則需針對(duì)要求設(shè)計(jì)工具電極。 廣東工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)出具有球頭結(jié)構(gòu)的內(nèi)噴液工具電極，在GCr15 鋼工件上進(jìn)行滾珠螺母圓弧滾道的工作液內(nèi)噴式電解銑削加工，在走刀加工深度2.5 mm、 進(jìn)給速度0.3 mm/min 條件下，獲得了導(dǎo)程角 45°、表面粗糙度 Ra0.54 μm、輪廓精度（±0.025） mm 的滾珠螺母圓弧滾道（圖 25）。

圖25 球形陰極電解銑削加工滾珠螺母滾道[25]

英國(guó)諾丁漢大學(xué)采用內(nèi)徑500 μm 管狀工具電極在718 鎳基高溫合金表面進(jìn)行了電解銑削加工研究，發(fā)現(xiàn)通過改變工具電極端部結(jié)構(gòu)形狀可改變工具電極端部在工件表面的電場(chǎng)分布，電解銑削加工出不同輪廓形狀的溝槽（圖26）[26]。

2.2 平面電解銑削加工研究

在電解銑削平面的過程中，工具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡常見的是行切和環(huán)切兩種方案（圖27）。由于電解銑削工具電極在工件表面投影面積邊緣處呈現(xiàn)出較大過渡圓?。▓D28），故電解銑削工具電極的跨距對(duì)平面加工的影響非常大，是平面電解銑削加工的最重要研究?jī)?nèi)容。 若工具電極跨距太大，不能很好地去除過渡圓?。蝗艨缇嗵?，會(huì)出現(xiàn)較大過切，同樣也會(huì)增加平面的不平度。 為解決不同尺寸工具電極優(yōu)選出的偏移量無法借鑒參考的問題，提出了工具電極跨比的概念，將其定義為跨距與工具電極徑向尺寸之比。

比利時(shí)魯汶大學(xué)在采用外徑7 mm、 內(nèi)徑6mm的管狀電極進(jìn)行宏觀電解銑削加工平面時(shí)，單次走刀深度為0.43 mm， 初步優(yōu)選出的工具電極跨比為85%、95%和100%，其加工試驗(yàn)結(jié)果顯示：工具電極跨比為85%時(shí)加工表面出現(xiàn)下凹現(xiàn)象；工具電極跨比為95%時(shí)加工表面出現(xiàn)上凸現(xiàn)象（圖29），因此推斷最優(yōu)的工具電極跨比應(yīng)在85%～95%之間， 但并未進(jìn)行進(jìn)一步的研究報(bào)道[23]。

圖26 改變工具電極端面結(jié)構(gòu)獲得不同橫截面輪廓的溝槽[26]

圖27 電解銑削行切和環(huán)切加工示意圖

圖28 電解銑削加工溝槽成形示意圖

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)開展了外置噴嘴噴射電解液的平面電解銑削加工研究，在工具電極的截面為1 mm×1 mm 的正方形、工具電極跨比分別為10%和30%、通過24 次逐層走刀、電解銑削材料去除深度為0.55 mm 的條件下加工出人偶結(jié)構(gòu)，并通過數(shù)值仿真和加工實(shí)驗(yàn)，討論了行切和環(huán)切兩種電解銑削走刀模式對(duì)加工質(zhì)量的影響，最終發(fā)現(xiàn)環(huán)切的加工質(zhì)量更高（圖30）[12]。 南京航空航天大學(xué)在采用直徑1.0 mm 圓管電極、工具電極跨比80%、行切模式的條件下在增材制造的GH4169 合金表面電解銑削加工出質(zhì)量較高的平面， 還采用相同工具電極跨比、環(huán)切模式在TB6 鈦合金表面加工出平面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量和 GH4169 具有很大差異[3，27]。

圖29 工具電極跨距比對(duì)溝槽底部影響[23]

圖30 行切和環(huán)切兩種電解銑削走刀模式及兩種工具跨比加工出的人偶圖案[12]

2.3 提高加工質(zhì)量方面的研究

本部分主要介紹在抑制雜散腐蝕和提高加工表面質(zhì)量?jī)煞矫娴难芯窟M(jìn)展。

2.3.1 抑制雜散腐蝕方面的研究

英國(guó)諾丁漢大學(xué)提出了噴嘴角度可調(diào)節(jié)的管電極電解銑削加工工藝（圖31），實(shí)現(xiàn)了射流方向從垂直于工件表面的單一角度沖擊到噴嘴可調(diào)節(jié)、射流方向可變的改進(jìn)[28]，此外還發(fā)現(xiàn)在電解銑削加工中將管狀工具電極沿著一定角度傾斜，可加快加工區(qū)產(chǎn)物的輸運(yùn)，同時(shí)降低加工溝槽表面的表面粗糙度值；通過采用削邊的管電極和摻雜碘離子的電解液，以一定的傾斜角度進(jìn)行電解銑削加工，不僅減少過切，還可明顯減弱溝槽邊緣處雜散腐蝕[29-30]。

圖31 控制工具電極傾斜角度減小加工表面粗糙度[28]

比利時(shí)魯汶大學(xué)提出了同軸抽吸電解銑削工藝（圖32）[31-32]，在電解液噴嘴外側(cè)同軸安裝了電解液抽吸通道并連接于抽吸泵，在加工過程中沖擊到工件四散開的電解液流被迅速抽離工件表面，通過切斷電化學(xué)電流回路的形式對(duì)工件非加工區(qū)進(jìn)行了保護(hù)，其仿真模擬及試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了此方法對(duì)減小雜散腐蝕、提高加工定域性有顯著作用。

圖32 同軸抽吸輔助電解銑削加工示意圖[31-32]

針對(duì)管電極電解銑削加工槽結(jié)構(gòu)，考慮到由邊緣區(qū)域電流密度低而造成的雜散腐蝕及加工定域性下降的問題，南京航空航天大學(xué)提出了通過調(diào)節(jié)電解液射流反射形態(tài)來降低邊緣雜散腐蝕的方法，確定了獲得近無邊緣雜散腐蝕的高定域性溝槽結(jié)構(gòu)所需滿足的條件， 當(dāng)加工參數(shù)在合適范圍內(nèi)時(shí)，工件未加工區(qū)將出現(xiàn)無連續(xù)電解液流的狀態(tài)，此時(shí)溝槽邊緣的雜散腐蝕現(xiàn)象可基本消除（圖33）[33]，此外，為擴(kuò)大工藝窗口還提出了淺層切入方式調(diào)控電解液反射流的方法，顯著增大了可基本消除的溝槽邊緣雜散腐蝕現(xiàn)象的加工工藝窗口[34]。

2.3.2 提高加工表面質(zhì)量方面的研究

如前文所述， 若提高電解銑削加工的電流密度，則可提高加工表面質(zhì)量。 此外，由于電解銑削工具電極具有持續(xù)徑向進(jìn)給的技術(shù)特點(diǎn)，電解加工產(chǎn)物大多數(shù)都流經(jīng)已加工表面，易出現(xiàn)不溶性加工產(chǎn)物黏附在已加工表面的現(xiàn)象，這將增大已加工表面的表面粗糙度值，降低加工表面質(zhì)量。 因此，如何抑制已加工表面的不溶性產(chǎn)物黏附問題是電解銑削加工研究的重要內(nèi)容。

圖33 調(diào)控電解液反射流電解銑削加工出的溝槽形貌[33-34]

南京航空航天大學(xué)提出通過設(shè)計(jì)工具電極端部?jī)A斜結(jié)構(gòu)，增大了流經(jīng)已加工表面的電解液流動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)了高電流密度下電解銑削加工中大量電解產(chǎn)物的快速輸運(yùn)，抑制了不溶性加工產(chǎn)物在加工表面的黏附，提高了加工表面質(zhì)量[16]。南京航空航天大學(xué)還研究了圓形、矩形及三角形等三種出液口形式對(duì)加工表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)三角形出液口更有利于抑制不溶性加工產(chǎn)物黏附在已加工表面，并獲得了銀白色的TB6 鈦合金加工表面（圖34）[35]。比利時(shí)魯汶大學(xué)提出工作液“內(nèi)噴式+外噴式”電解銑削加工方法（圖35），附加的外噴式工作液起到加快加工區(qū)域內(nèi)加工產(chǎn)物排出的作用，降低了加工表面的粗糙度值[23]。

2.4 復(fù)合加工

復(fù)合加工方法是提高加工質(zhì)量或加工效率的重要手段，是制造技術(shù)研究的重點(diǎn)發(fā)展方向。 研究人員為進(jìn)一步提高電解銑削的加工效率或加工精度， 開展了基于電解銑削技術(shù)的復(fù)合加工方法研究。 這些方法主要包括電解銑磨復(fù)合加工和電解機(jī)械復(fù)合銑削加工。 其中，由于電火花電解復(fù)合銑削加工以放電加工去除材料為主，這里不做介紹。

2.4.1 電解銑磨復(fù)合加工

電解銑磨復(fù)合加工是近年來在電解磨削加工技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種柔性電解機(jī)械復(fù)合加工方法，通常采用帶有磨粒的棒狀工具，通過類似銑削加工的工具數(shù)控軌跡運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工。 日本秋田縣立大學(xué)提出了超聲輔助電解磨銑復(fù)合加工Ti6Al4V 材料的方法[36-37]，具體使用直徑1.8 mm 的磨輪， 在切削深度 0.003 mm、 進(jìn)給速度120 mm/min、占空比20%、振幅0.004 mm 等參數(shù)條件下開展研究， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)磨削加工，其法向磨削力、切向磨削力和表面粗糙度值分別減少了60%、70%和46%。

圖34 三種出液口形式工具電解銑削加工表面及成分[35]

圖35 工作液內(nèi)噴式+外噴式電解銑削加工系統(tǒng)[23]

常州工學(xué)院進(jìn)行了數(shù)控展成電解磨削復(fù)合精加工的研究，提出了臨界展成速度的概念，即在低電壓、小切深條件下，當(dāng)展成速度等于臨界展成速度時(shí)，去除量將等于切削深度，此時(shí)可獲得較高的加工精度[38]。南京航空航天大學(xué)[39-41]提出了電解銑磨復(fù)合加工技術(shù)，通過內(nèi)噴射電解液供給，在切削深度為 3、10 mm 時(shí)分別獲得了 2.6、2.3 mm/min 的最大進(jìn)給速度， 并在GH4169 高溫合金上加工出薄壁及平面結(jié)構(gòu)（圖36）。

2.4.2 電解機(jī)械復(fù)合銑削加工

比利時(shí)魯汶大學(xué)采用嵌有氮化硅涂層刀片的工具陰極進(jìn)行了TC4 材料的電解機(jī)械復(fù)合銑削加工試驗(yàn)研究，在加工電流分別為10、20 A 時(shí)，電解機(jī)械復(fù)合銑削的材料去除率相比于電解銑削時(shí)分別提高了60%、48%，且刀片可刮除電解銑削加工造成的中間凸起（圖37），提高了加工精度，并且改進(jìn)了電解機(jī)械復(fù)合銑削的工具電極結(jié)構(gòu)，研究了主軸轉(zhuǎn)速、加工間隙等工藝參數(shù)對(duì)鈦合金電解機(jī)械復(fù)合銑削加工行為的影響[42]。

圖36 電解銑磨加工的薄壁及平面結(jié)構(gòu)[39-41]

3 未來發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)

綜上所述，電解銑削加工技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，在基礎(chǔ)研究和加工工藝等方面均取得多項(xiàng)研究成果。 但從相關(guān)研究成果來看，目前該技術(shù)的規(guī)?；こ虘?yīng)用仍存在加工精度、表面質(zhì)量及加工效率等諸多挑戰(zhàn)，其未來的發(fā)展應(yīng)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）加工過程建模。 電解銑削加工時(shí)，工具電極做徑向運(yùn)動(dòng)，使其流場(chǎng)分布非常復(fù)雜，加上在不溶性加工產(chǎn)物、氣泡等在加工間隙內(nèi)的分布規(guī)律方面尚未有很好研究，這使得電解銑削加工過程的建模精準(zhǔn)度很難提高。 此外，目前建模精度較高的研究都是在單次走刀材料去除量很低的情況開展的，不能適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)中需進(jìn)行大余量去除的場(chǎng)景。 因此，研究單次走刀材料去除量很大時(shí)的加工間隙內(nèi)不溶性加工產(chǎn)物、氣泡分布規(guī)律并建立精確的材料去除模型是電解銑削加工技術(shù)面臨的重要挑戰(zhàn)。

圖37 電解銑削與電解-機(jī)械復(fù)合銑削的工具與加工示意圖[42]

（2）型面加工。 目前針對(duì)電解銑削加工的研究更多聚焦于溝槽及少量平面加工方面，針對(duì)復(fù)雜型面加工的研究幾乎空白。 由于目前在工程領(lǐng)域的電解加工對(duì)象大多數(shù)是難切削加工材料的復(fù)雜型面，需要進(jìn)一步研究適合復(fù)雜型面電解銑削加工的工具電極結(jié)構(gòu)、數(shù)控軌跡規(guī)劃、電場(chǎng)流場(chǎng)分布調(diào)控等，以提高復(fù)雜型面電解銑削的加工精度及表面質(zhì)量，為加工技術(shù)的進(jìn)一步工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（3）高效加工。 與拷貝式電解加工模式相比，電解銑削的加工效率較低。 實(shí)現(xiàn)難切削加工材料的高效加工是技術(shù)工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)。 通過對(duì)加工電場(chǎng)及流場(chǎng)的優(yōu)化，充分挖掘電解銑削加工在高效去除材料方面的發(fā)展?jié)摿?，將是電解銑削加工技術(shù)的重要發(fā)展方向。

（4）復(fù)合加工。 電解銑削加工在難切削加工材料零部件的優(yōu)勢(shì)主要是材料去除效率高、加工柔性較好、 無工具損耗以及不產(chǎn)生大的機(jī)械作用力等，但目前電解銑削加工在加工精度、表面質(zhì)量等方面還很難滿足工程生產(chǎn)需求。 因此，采用其他能量形式實(shí)現(xiàn)材料去除的一種或多種加工技術(shù)與電解銑削技術(shù)復(fù)合，形成新的以電解銑削為主的復(fù)合加工新方法，以進(jìn)一步提高加工精度、表面質(zhì)量及加工效率，將是電解銑削技術(shù)發(fā)展的重要方向。

4 結(jié)束語

電解銑削加工技術(shù)在難切削加工材料零部件的高效低成本制造方面具有重要的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究工作已取得了階段性研究進(jìn)展。然而， 要實(shí)現(xiàn)電解銑削技術(shù)的規(guī)?；こ虘?yīng)用，仍需要在加工過程精確建模、 復(fù)雜型面加工工藝、已加工表面雜散腐蝕及不溶性加工產(chǎn)物黏附抑制方法和提高加工效率技術(shù)措施等多個(gè)方面取得進(jìn)一步的突破，從而才能提高該技術(shù)的加工精度和表面質(zhì)量， 最終實(shí)現(xiàn)難切削加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效率、低成本精密加工。