康小明，顧 琳，奚學(xué)程，張亞歐，裴景玉，趙萬(wàn)生

（ 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240 ）

第21 屆國(guó)際特種加工會(huì)議（21st CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining，ISEM XXI）2022 年6 月14 日-16 日以線上和線下相結(jié)合的方式舉行。 本次會(huì)議由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院承辦，大會(huì)主席由該校的Konrad Wegener 教授擔(dān)任。 大會(huì)共收錄102 篇來(lái)自不同國(guó)家和地區(qū)的文章， 其中來(lái)自中國(guó) （含臺(tái)灣地區(qū)） 的文章近40篇， 約占總文章數(shù)的39%。 大會(huì)共設(shè)6 個(gè)主題報(bào)告、30 場(chǎng)分論壇會(huì)議，分別圍繞電火花加工（EDM）、電化學(xué)加工/電化學(xué)放電加工（ECM/ECDM）、增材制造（AM）、激光加工（LBM）、高速電弧加工（BEAM）和其他新技術(shù)等專題展開(kāi)。 大會(huì)論文集由愛(ài)思唯爾（Elsevier） 公司出版并在該公司網(wǎng)站發(fā)表。 本文對(duì)大會(huì)發(fā)表的論文進(jìn)行了綜述，希望對(duì)國(guó)內(nèi)從事特種加工研究的同行有所裨益。

1 電火花加工

瑞士GF 加工方案的Umang Maradia 等作了題為 “技術(shù)推動(dòng)和應(yīng)用牽引實(shí)現(xiàn)電火花加工發(fā)展”的主題報(bào)告。 報(bào)告指出，電火花加工由材料去除率、加工精度、工件的幾何復(fù)雜性、易用性和加工成本等多方面需求驅(qū)動(dòng)發(fā)展，其技術(shù)發(fā)展總是一方面由市場(chǎng)需求牽引，另一方面由新技術(shù)為市場(chǎng)需求提供解決方案。 在電火花加工技術(shù)發(fā)展的早期，創(chuàng)新主要集中于機(jī)械改進(jìn)或通過(guò)數(shù)控技術(shù)提高加工的自動(dòng)化程度和幾何精度，由于電氣部件是產(chǎn)生和控制放電過(guò)程的核心，近年來(lái)的電火花加工技術(shù)從半導(dǎo)體工業(yè)和電力電子的創(chuàng)新和發(fā)展中受益匪淺，技術(shù)的巨大進(jìn)步使新的工業(yè)應(yīng)用成為可能，數(shù)字化、機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析將塑造未來(lái)的創(chuàng)新和趨勢(shì)，以滿足市場(chǎng)對(duì)“首次正確零件”和無(wú)人化生產(chǎn)的需求。

德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)生產(chǎn)與設(shè)計(jì)技術(shù)研究所的Julian Polte 作了題為“高性能高精度電火花加工機(jī)床、電極和加工過(guò)程進(jìn)展”的主題報(bào)告。 報(bào)告指出，為了應(yīng)對(duì)高度復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，電火花加工在加工機(jī)床、外圍系統(tǒng)、軟件、工具電極和替代工作液等多個(gè)方面都有了發(fā)展，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款基于開(kāi)放架構(gòu)、開(kāi)源軟件以及通用機(jī)床組件的脈沖電源和加工控制技術(shù)的復(fù)雜干式電火花加銑削加工機(jī)床；提出采用新的沖液方法、技術(shù)和設(shè)備等，解決電火花成形加工中殘余加工屑、 氣泡及相關(guān)的拉弧、短路等問(wèn)題；提出在電火花銑削加工中采用抽液來(lái)改善加工屑和氣泡的排出效果，開(kāi)發(fā)了一種電加工主軸，該軸的中間可通氣體、近干式工作介質(zhì)和液體工作液；對(duì)于工具電極，可在其表面開(kāi)螺旋槽來(lái)改善充液效果；此外，對(duì)銅電極的表面進(jìn)行熱氧化可降低無(wú)效放電的發(fā)生概率；使用新工藝和處理技術(shù)，用直徑為10 μm 的特定中間相瀝青碳纖維可加工直徑為25 μm 的孔；除了電火花加工技術(shù)的進(jìn)步之外，使用一種特別適用的自然模擬算法軟件工具可實(shí)現(xiàn)新工藝技術(shù)的有效開(kāi)發(fā)。

德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)的Andreas Schubert 作了題為“混粉電火花加工進(jìn)展及其在表面改性中的應(yīng)用前景”的主題報(bào)告。 報(bào)告指出，混粉電火花加工的研究已有幾十年，但針對(duì)其機(jī)理的研究，相關(guān)理論還存在矛盾之處；在混粉電火花加工中，工作液對(duì)于粉末在極間的分布至關(guān)重要，也影響著粉末在改性表面的沉積效果。 該論文旨在驗(yàn)證混粉電火花加工過(guò)程中的單脈沖放電機(jī)理，將納米銀粉混合在碳?xì)浠ぷ饕褐袑?duì)Ti-6Al-4V 進(jìn)行表面改性，分析和討論了正、負(fù)極性加工時(shí)工件的表面形貌、化學(xué)成分及沉積銀的含量和分布，記錄和分析了混粉電火花加工和常規(guī)電火花加工在不同放電能量下、有無(wú)超聲振動(dòng)輔助時(shí)的電流和電壓波形。 此外，為了將基礎(chǔ)研究成果進(jìn)行應(yīng)用，該論文還采用CFD 方法計(jì)算了工作液的流場(chǎng)，分析了內(nèi)充液時(shí)納米顆粒在極間的速度和分布。 相關(guān)研究結(jié)果表明，混粉電火花加工是一種有前景的醫(yī)療器械抗菌表面改性技術(shù)。

1.1 電火花加工機(jī)理

電火花加工過(guò)程中存在面積效應(yīng)。 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，面積效應(yīng)與放電頻率有關(guān)，然而日本名古屋工業(yè)大學(xué)的Hayakawa 等[1]嘗試從電極表面溫度的角度去解釋面積效應(yīng)產(chǎn)生的另外一個(gè)原因，根據(jù)加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果和溫度仿真計(jì)算結(jié)果，電極表面溫溫度越低，加工結(jié)果越好。 基于該認(rèn)知，作者通過(guò)改變熱擴(kuò)散條件以及增加熱容的方式，分別設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)來(lái)降低電極表面溫度，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了電極表面溫度的降低可提高加工結(jié)果的預(yù)測(cè)。

日本東京大學(xué)的Li 等[2]針對(duì)不同環(huán)境下的單脈沖電火花放電加工進(jìn)行了觀測(cè)研究， 如圖1 所示，通過(guò)對(duì)干燥表面、液膜表面和液橋表面三種極間環(huán)境的研究發(fā)現(xiàn)：與干燥表面相比，采用液膜表面進(jìn)行放電時(shí)的材料去除體積較大，其原因是液體的快速蒸發(fā)增加了極間物質(zhì)徑向流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度，促使擊穿發(fā)生后有更多蝕除顆粒被拋出；當(dāng)采用液橋表面進(jìn)行放電時(shí)，材料去除體積隨著液橋直徑的增大反而減小，其原因是過(guò)多積聚的液體形成了運(yùn)動(dòng)阻力，不利于蝕除顆粒排出。 該研究還進(jìn)一步闡明了不同電介質(zhì)及其特性對(duì)于放電過(guò)程的影響。

圖1 三種極間環(huán)境

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Petersen 等[3]利用高速相機(jī)拍攝放電過(guò)程，利用MATLAB 軟件對(duì)粒子進(jìn)行逐幀檢測(cè)，研究了電火花加工不同牌號(hào)硬質(zhì)合金過(guò)程中的加工碎屑的排出速度（圖2）。研究結(jié)果表明，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)， 顆粒的數(shù)量和投射面積都在增加； 較低的電容水平也受到較高的開(kāi)路電壓的影響，從而導(dǎo)致較高的放電電流；粒子平均速度與電容水平呈負(fù)相關(guān)。

圖2 高速相機(jī)拍攝示意圖

1.2 電火花小孔加工

日本新潟大學(xué)的Hirao 等[4]研究了電極形狀對(duì)大深徑比（L/D＞5）電火花小孔加工的影響，提出了一種攪拌器形的電極，與圓柱形電極相比，該電極可加工的孔的深度大約提高了3.5 倍。

上海交通大學(xué)的張敏等[5]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜冷卻孔加工中氣膜孔軸線方向數(shù)字化檢測(cè)方法缺失的問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)高斯映射算法的氣膜孔軸線測(cè)量方法，即：提出一種考慮圓柱面法線方向和點(diǎn)云法向量特征的高斯映射變換算法，并結(jié)合主法向量算法和平面擬合算法，解決了采樣點(diǎn)云數(shù)量少、 傳統(tǒng)方法擬合精度低的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該算法具有較高的適應(yīng)性、 精度和可靠性，算法提取的軸線方向精度達(dá)到0.6304°（圖3）。

圖3 氣膜孔軸向檢測(cè)結(jié)果示意圖

1.3 電火花線切割加工

在電火花線切割加工中，電極絲溫度的升高是造成斷絲的重要原因。 電極絲溫度測(cè)量是防范斷絲必要的手段。 日本金澤大學(xué)的Koyano 等[6]提出了用帶光纖的雙色高溫計(jì)來(lái)測(cè)量加工過(guò)程中的電極絲溫度，并在加工期間用壓縮空氣吹去電極絲表面的加工液，使電極絲的紅外光被高溫計(jì)檢測(cè)到，測(cè)得的電極絲溫度在150°～200°之間。

圖4 電極絲溫度測(cè)量與分布示意圖

亞琛工業(yè)大學(xué)的Oliviera 等[7]研究了材料性能和電介質(zhì)對(duì)電火花線切割工藝的影響，研究實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)不改變加工參數(shù)時(shí)，硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性上升時(shí)，切割速度降低。 此外，當(dāng)使用低熱導(dǎo)率高粘度的電介質(zhì)時(shí)，切割速度達(dá)到頂峰。

日本東京大學(xué)的Sawada 等[8]通過(guò)利用電極絲位移傳感器實(shí)現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)變化的電火花線切割仿真過(guò)程（圖5），并將該仿真應(yīng)用于階梯形工件的粗加工，進(jìn)而對(duì)仿真精度進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)仿真模擬的切口寬度和送絲速度與實(shí)際加工相比存在一定誤差，但該變化可定性地再現(xiàn)。

圖5 電極絲位移傳感器示意圖

為了實(shí)現(xiàn)電火花線切割加工過(guò)程的數(shù)字化處理，亞琛工業(yè)大學(xué)的Küpper 等[9]開(kāi)發(fā)了用于評(píng)估工藝參數(shù)的數(shù)字化模型，通過(guò)記錄并處理加工數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)工件的幾何精度，其原理在于利用FPGA 檢測(cè)每個(gè)放電狀態(tài)是否正常，以及通過(guò)無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)確保不丟失相關(guān)信息，最終獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和加工幾何精度之間的關(guān)聯(lián)信息。

東京大學(xué)的Shibata 等[10]開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合電極絲位移和放電位置檢測(cè)的電火花線切割加工仿真系統(tǒng)，如圖6 所示，利用光學(xué)位移傳感器測(cè)量電極絲的位移，得到加工過(guò)程中電極絲的放電反作用力和震動(dòng)阻尼系數(shù)，并通過(guò)測(cè)量放電點(diǎn)得到放電反作用力的施力點(diǎn)， 從而計(jì)算電極絲的偏轉(zhuǎn)和震動(dòng)，最終得到工件的加工幾何形狀。

圖6 電火花線切割加工仿真示意圖

瑞士的Esteves 等[11]研究了電極絲直徑對(duì)單個(gè)蝕坑形狀的影響， 采用0.20、0.25、0.30 mm 三種絲徑的電極絲在不同脈沖能量下加工單個(gè)蝕坑，利用光學(xué)顯微鏡拍攝單個(gè)蝕坑的形貌并測(cè)量其尺寸，試驗(yàn)結(jié)果表明：在低能量脈沖下的蝕坑尺寸較小且形狀更為圓滑；在高能量脈沖下的蝕坑形狀主要受電極絲直徑影響，絲徑越小，蝕坑越細(xì)長(zhǎng)。

上海交通大學(xué)的谷文婷等[12]研究了電火花線切割加工過(guò)程中的放電反作用力的形成機(jī)理以及與氣泡之間的關(guān)系，采用高速攝像機(jī)從側(cè)方和后方觀測(cè)放電過(guò)程，并基于觀測(cè)視頻和圖像分析了氣泡的變形等運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，還通過(guò)霍普金森棒測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了單次放電中反作用力的峰值（圖7）。結(jié)果表明，反作用力的波形隨著氣泡的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)，其峰值達(dá)幾個(gè)N，并且與開(kāi)路電壓成正比。

圖7 霍普金森棒反作用力測(cè)試系統(tǒng)

西班牙巴斯克大學(xué)的Wang 等[13]在不同加工條件下研究了放電延遲時(shí)間的變化規(guī)律，在一系列電火花線切割單次放電試驗(yàn)中改變各項(xiàng)加工參數(shù)，比較了放電延遲時(shí)間的平均值。 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著放電間隙寬度和沖液壓力的增大，放電延遲時(shí)間增加；加工表面越平滑，放電延遲時(shí)間越長(zhǎng)且放電越不易發(fā)生。

日本岡山大學(xué)的Liu 等[14]研究了工作液黏度對(duì)電火花線切割加工特性的影響，通過(guò)開(kāi)展的直線切割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單個(gè)蝕坑體積和材料蝕除率隨著電加工油黏度的增大而增大（圖8）；通過(guò)開(kāi)展的工作液黏度對(duì)加工精度影響的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著工作液黏度的提升， 放電過(guò)程中作用于電極絲的流體力增大，使電極絲的偏轉(zhuǎn)增加、振動(dòng)降低，并且電極絲偏轉(zhuǎn)的增加會(huì)降低工件的角形狀精度，電極絲振動(dòng)的降低會(huì)改善工件的表面精度。

圖8 激光掃描顯微鏡拍攝的單個(gè)蝕坑形貌圖

1.4 電火花成形加工

上海交通大學(xué)的孫延鑫等[15]提出一種空間直線伺服軌跡的工具電極空間搖動(dòng)方法（圖9），基于螺旋理論推導(dǎo)工具電極空間搖動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，計(jì)算得到插補(bǔ)周期內(nèi)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的坐標(biāo)增量，進(jìn)而控制多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床實(shí)現(xiàn)工具電極的空間搖動(dòng)，還研究了搖動(dòng)半徑、搖動(dòng)速度等空間搖動(dòng)參數(shù)對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工的影響。 結(jié)果表明，提高空間搖動(dòng)半徑和速度可將加工效率分別提高51.62%和50.44%。

圖9 工具電極空間搖動(dòng)示意圖

正常的電火花放電脈沖含有高頻信號(hào)，而電弧脈沖則不存在。 為了提高加工效率，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙一錦等[16]提出在脈沖電源發(fā)出的長(zhǎng)方形脈沖波形之上主動(dòng)疊加高頻震蕩的方法。 實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)電源相比，帶有主動(dòng)高頻震蕩的脈沖電源可在不影響表面粗糙度的條件下提高加工效率。

為提高電火花加工的表面質(zhì)量，通常采取的措施是降低單個(gè)脈沖的放電能量。 而北京建筑大學(xué)的穆鑫等[17]認(rèn)為，即使放電能量較小，連續(xù)單通道放電產(chǎn)生的蝕坑在微觀上仍是分散的，這種有一定深度且不均勻分布的蝕坑不利于表面質(zhì)量的提高。 為此，該團(tuán)隊(duì)提出了一種“多通道放電”方法，即通過(guò)伺服參考電壓合理控制放電間隙，使極間長(zhǎng)期處于過(guò)渡電弧放電狀態(tài)， 從而促進(jìn)多通道放電的形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)的放電方法相比，加工效率提升了3.5 倍， 但多通道放電的機(jī)理和可控性仍需進(jìn)一步研究。

電火花加工的工藝參數(shù)對(duì)加工效率和質(zhì)量有顯著影響，而目前這些參數(shù)的選取大多依靠操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。 為優(yōu)選工藝參數(shù)、減少人工經(jīng)驗(yàn)依賴，瑞士GF 加工方案的Dr?ajic 等[18]研發(fā)了一種具備自學(xué)習(xí)和遷移學(xué)習(xí)功能的“虛擬操作者”系統(tǒng)，利用貝葉斯算法建立系統(tǒng)優(yōu)化模型，可模擬實(shí)際的電火花加工過(guò)程并根據(jù)多次迭代確定出最優(yōu)的參數(shù)組合。該系統(tǒng)已被證明在線切割粗加工速度優(yōu)化、提高加工效率等方面表現(xiàn)出較好的性能，其原理可進(jìn)一步應(yīng)用于其他電火花加工過(guò)程中。

LC 脈沖電源能在極低電壓輸入條件下產(chǎn)生高開(kāi)路電壓和持續(xù)時(shí)間短的高脈沖電流，能提高電火花的加工效率。 東京大學(xué)的Jiang 等[19]研究了LC 脈沖電源在不同放電參數(shù)條件下的工件粗糙度、孔的圓柱度、電極損耗率和材料去除率情況。 結(jié)果表明：隨著電感和電容的增加，間隙開(kāi)啟電壓持續(xù)時(shí)間增加，電壓值降低。 放電電流持續(xù)時(shí)間隨電感增加而增加。 與RC 脈沖電源相比，LC 脈沖電源加工表面粗糙度值更大，電極損耗率更高，但是能獲得更高的材料去除率，孔的圓柱度也有明顯提升。

1.5 微細(xì)電火花加工

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉歡等[20]針對(duì)微孔陣列加工中對(duì)加工精度的要求，對(duì)電極磨損和間隙有效放電能量的特性展開(kāi)了研究，通過(guò)優(yōu)化脈沖參數(shù)、電極偏心半徑減少了電極的磨損，通過(guò)研究電極的幾何演化規(guī)律建立了基于均勻補(bǔ)償?shù)碾姌O磨損模型，實(shí)驗(yàn)表明電極尖端形貌區(qū)域穩(wěn)定，可均勻補(bǔ)償電極的軸向磨損（圖10）；同時(shí)，建立了基于LabVIEW 的間隙有效放電能量檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)微孔陣列加工實(shí)驗(yàn)得到了間隙有效放電能量的變化規(guī)律。

圖10 精密微型電火花加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置

在微細(xì)電火花加工中，為了實(shí)現(xiàn)高效而穩(wěn)定的加工，伺服系統(tǒng)需感知當(dāng)前的放電狀態(tài)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的解為然等[21]提出一種基于小波變換的微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測(cè)方法，在使用低頻小波系數(shù)分析電火花放電狀態(tài)時(shí)發(fā)現(xiàn)，局部最大值可反映電火花放電的各種狀態(tài)（圖11a），該值從大到小依次為開(kāi)路D、放電C、拉弧B、短路A，可通過(guò)設(shè)定不同的區(qū)域范圍值來(lái)對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行分類。 然而，僅采用低頻小波系數(shù)難以區(qū)分拉弧與放電延遲很小的正常放電，作者就此提出采用高頻小波系數(shù)局部最小值來(lái)區(qū)分二者（圖11b）。 在低頻小波系數(shù)與高頻小波系數(shù)相結(jié)合的小波變換基礎(chǔ)上，作者還通過(guò)FPGA 實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花放電狀態(tài)的高速在線檢測(cè)， 并應(yīng)用于實(shí)際加工之后獲得了更高的加工效率和更好的加工穩(wěn)定性。

圖11 基于小波變換的微細(xì)電火花放電狀態(tài)檢測(cè)方法

針對(duì)微細(xì)電火花電極損耗大、微細(xì)電極制作困難的問(wèn)題，大連大學(xué)的王元?jiǎng)偟萚22]提出了一種分段式電火花加工電極的方法來(lái)制造大長(zhǎng)徑比的微細(xì)電極（圖12）。采用該方法，用時(shí)83 min，可加工出底部邊長(zhǎng)為46 μm、長(zhǎng)度為1 773 μm、表面粗糙度為Ra0.493 μm、 側(cè)壁邊長(zhǎng)偏差率為0.004 5 的方形電極。采用該電極，可加工出長(zhǎng)度為1 200 μm、寬度為85 μm、深度為35 μm 的微通道。

圖12 分段式電火花加工電極的原理

比利時(shí)魯汶大學(xué)的Ye 等[23]針對(duì)NbC-Ni 基金屬陶瓷的微細(xì)電火花銑削型腔加工，采用經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)研究相結(jié)合的方法確定了該材料的合適加工窗口，通過(guò)實(shí)證研究對(duì)加工表面進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析和表面形貌表征，識(shí)別出微結(jié)構(gòu)特征，如微裂紋、微空洞和微珠， 確定了材料的去除模式為熔化/蒸發(fā)；在統(tǒng)計(jì)研究時(shí)，根據(jù)二次模型的方差分析，構(gòu)建了MRR 和TWR 的相關(guān)函數(shù)并優(yōu)化參數(shù)；還分析了火花頻率、短路頻率和進(jìn)給速度等過(guò)程參數(shù)（圖13），跟蹤加工狀態(tài)，以便在必須采取干預(yù)措施時(shí)進(jìn)行加工調(diào)整。 目前， 該研究得到的最大MRR 值約為0.09 mm3/min、最小TWR 值約為0.05 mm3/min。

圖13 加工過(guò)程狀態(tài)跟蹤

針對(duì)微細(xì)電火花加工中放電集中導(dǎo)致的表面質(zhì)量問(wèn)題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的侯少杰等[24]從放電坑微觀形成角度，提出一個(gè)衡量加工表面質(zhì)量的新指標(biāo)：放電坑重疊率（overlap rate of discharge crater，ORC）。 當(dāng)放電狀態(tài)良好時(shí)，放電波形以正常放電為主，放電坑之間彼此不重疊，最終得到的表面質(zhì)量佳（圖14a）；當(dāng)放電以拉弧和開(kāi)路為主時(shí)，放電坑彼此重疊，最終得到的加工表面質(zhì)量也較差（圖14b）。該作者團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步采用了正交試驗(yàn)證明了ORC與表面粗糙度之間的正相關(guān)性。

圖14 放電坑重疊率與放電狀態(tài)[24]

%為了探究這種放電沖擊的大小和影響因素，上海交通大學(xué)的裴景玉等[25]提出了一種基于低剛度懸臂梁振動(dòng)的電火花放電沖擊測(cè)量方法（圖15），選取6 個(gè)能級(jí)并在每個(gè)能級(jí)組合6 種電參數(shù)， 開(kāi)展了氣中放電沖擊的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)振動(dòng)波形進(jìn)行頻域低通濾波后，經(jīng)數(shù)據(jù)分析整理得到了不同能級(jí)下的振動(dòng)幅度圖譜，通過(guò)分析其規(guī)律發(fā)現(xiàn)，放電能量與振幅正相關(guān)，但影響有限，而同一能級(jí)條件下電流和脈寬對(duì)振幅無(wú)規(guī)律性影響。 此外，該實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中出現(xiàn)兩種非正常沖擊，一種是電極粘附，另一種是多次放電，均會(huì)導(dǎo)致振幅增加。

2 電化學(xué)加工/電化學(xué)放電加工

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Adam Clare 等作了題為“電解液射流—— 一種加工與測(cè)量的工具” 的主題報(bào)告。 提出電解液射流不僅可進(jìn)行材料的去除和沉積，還可對(duì)工件表面做在線測(cè)量，相關(guān)研究是通過(guò)噴嘴在平行于及垂直于進(jìn)給方向的擺動(dòng)、噴嘴端面形狀設(shè)計(jì)、工作液中添加20%NaI 等方式，探索了電解液射流加工性能提升的組合條件；根據(jù)噴嘴與工件之間的極間電阻變化， 對(duì)工件進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量；結(jié)合傳統(tǒng)的表面紋理計(jì)量，對(duì)工件的晶體紋理進(jìn)行了評(píng)估。

魯汶大學(xué)的Arshad 等[26]研究了電解加工和納秒脈沖激光輔助電解加工 （laser-assisted electrochemical machining，LAECM） 過(guò)程中的碳化鈮NbC金屬陶瓷加工特性（圖16）。 采用線性掃描伏安法（LSV）和溝槽加工的結(jié)果表明，加入碳化鎢（WC）對(duì)鈍化層的穩(wěn)定性有顯著影響；通過(guò)采集加工電流和表征溝槽剖面，進(jìn)一步分析了NbC 溶解特性和鈍化特性。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與電解加工相比，LAECM 的雜散點(diǎn)蝕可忽略不計(jì)，并使加工溝槽寬度減少了7%；在激光輔助下， 溝槽深度顯著增加， 無(wú)WC 時(shí)增加14%，加入WC 時(shí)增加16%。

圖16 NbC 加工裝置示意圖

亞琛工業(yè)大學(xué)的Tchoupe 等[27]研究采用PECM加工參數(shù)來(lái)區(qū)分不同加工過(guò)程，所制定的參數(shù)可用于監(jiān)測(cè)工作間隙中的沖洗狀態(tài)（圖17），分析不同電解液壓力條件下、PECM 加工過(guò)程中的脈沖電流。結(jié)果表明， 電解質(zhì)壓力變化影響電流信號(hào)的波形；該數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型能明顯區(qū)分在特定閾值以下的加工過(guò)程，并可從電信號(hào)推斷沖液的質(zhì)量。

圖17 數(shù)據(jù)挖掘方法和過(guò)程特征參數(shù)的制定

亞琛工業(yè)大學(xué)的Sous 等[28]采用電解線切割加工（WECM）方法對(duì)厚度5 mm 的鎳基IN718 合金工件進(jìn)行曲線切割（圖18），研究了不同工藝參數(shù)和絲直徑對(duì)90°切割時(shí)的最小切割半徑的影響。 結(jié)果表明，盡管電場(chǎng)集中于尖銳邊緣，但內(nèi)邊緣的半徑始終小于外邊緣的；低進(jìn)給速度對(duì)可實(shí)現(xiàn)的最小切削半徑有影響；在90°切削刃處，工作電壓與切削半徑之間存在線性關(guān)系。

圖18 WECM 測(cè)試臺(tái)特寫視圖

亞琛工業(yè)大學(xué)的Heidemanns 等[29]研究了用于PECM 工藝熱成像分析的夾具， 能捕獲加工過(guò)程中電解液通道內(nèi)的條件， 有利于深入理解加工過(guò)程，還使用紅外攝像機(jī)記錄了藍(lán)寶石晶體電解液通道中的溫度分布（圖19）。 結(jié)果表明，對(duì)流是傳熱的主要因素；在脈寬期間，一定的熱量會(huì)存儲(chǔ)于電極中，可防止這期間的電解液溫度達(dá)到入口溫度。

圖19 夾具和溫度示意圖

魯汶大學(xué)的Wu 等[30]基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法提出了線性回歸（LR）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）三種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的ECM 模型，用于預(yù)測(cè)脈沖ECM 的最終工件加工輪廓（圖20），對(duì)訓(xùn)練參數(shù)窗口之外的參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)， 表明了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)ECM模型的性能和通用性，得出機(jī)器學(xué)習(xí)模型具有良好的泛化能力以及CNN 模型的預(yù)測(cè)均方誤差（MSE）為7.60 的結(jié)論。

圖20 模型示意圖

魯汶大學(xué)的Saxena 等[31]提出了一種由多物理場(chǎng)模擬實(shí)現(xiàn)的“虛擬傳感”方法，并使用Comsol 軟件開(kāi)發(fā)了微電解加工和激光輔助微電解加工的多物理場(chǎng)模型。 該模型能模擬如溫度依賴性、電解質(zhì)特性、氫氣和氧氣的產(chǎn)生、焦耳熱和激光加熱產(chǎn)生的熱量、層流流動(dòng)和電流等現(xiàn)象，并且能對(duì)加工間隙內(nèi)部的5 個(gè)不同位置如工件表面、工具表面、加工間隙中心、加工間隙出口和指定位置進(jìn)行評(píng)估。

利用飛秒激光或皮秒激光照射材料表面，可以自組織地制備精細(xì)的納米級(jí)周期結(jié)構(gòu)。 然而，除了創(chuàng)建納米結(jié)構(gòu)之外，很難對(duì)表面進(jìn)行修飾，因?yàn)榧す庹丈渫ǔＴ诮咏庸ら撝档牡湍芰看髿庵羞M(jìn)行。為了提高加工效率， 東京農(nóng)工大學(xué)的Kodama 等[32]提出了電解液超短脈沖激光燒蝕技術(shù)，闡明了激光燒蝕在金屬溶液中的金屬沉積現(xiàn)象，在制造納米結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)表面成分的控制, 通過(guò)飛秒激光照射硫酸銅溶液中的基板表面，研究了納米結(jié)構(gòu)的制備和銅顆粒的沉積情況（圖21）。

圖21 實(shí)驗(yàn)裝置[32]

東京農(nóng)工大學(xué)的Natsu 等[33]利用ECM 方法將工具形狀轉(zhuǎn)移至預(yù)鉆孔中，以此來(lái)加工具有復(fù)雜內(nèi)部特征的微孔。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，將錐形電極插入工件的預(yù)鉆孔，然后在電極與工件之間施加電壓，并利用高分辨率攝像機(jī)觀察電極間區(qū)的電解質(zhì)流動(dòng)、氣泡產(chǎn)生和材料溶解情況。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可將工具電極的形狀復(fù)制到工件預(yù)制孔中；電解液經(jīng)極間區(qū)域被壓縮時(shí)，氣泡聚集在電解液出口處（圖22），這種氣泡的聚集對(duì)材料去除量有重要影響。

圖22 高速相機(jī)拍攝的電極間區(qū)域

美國(guó)辛辛那提大學(xué)的Kale 等[34]使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）來(lái)定義電化學(xué)放電加工（ECDM）高速視頻中的火花放電過(guò)程。 研究認(rèn)為，火花的識(shí)別可潛在地提高ECDM 中材料去除的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，CNN 模型基于圖像識(shí)別，其學(xué)習(xí)模型是一個(gè)9 層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，按順序生成火花存在的時(shí)間序列。 該模型使用5 285 個(gè)樣本進(jìn)行訓(xùn)練、 使用1 321 個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試，其訓(xùn)練、測(cè)試準(zhǔn)確率達(dá)到97%（圖23）。

圖23 訓(xùn)練和測(cè)試準(zhǔn)確度

廣東工業(yè)大學(xué)的張清榮等[35]研究了WC 材料的雙極脈沖電解加工方法，設(shè)計(jì)了與工具電極同軸放置的輔助電極，以避免工具電極在負(fù)脈沖時(shí)的電極損耗。 如圖24 所示，在正脈沖加工期間，電流流經(jīng)工件（碳化鎢）、電解液和工具電極，形成電解加工回路， 工件材料被溶解并在工件表面形成氧化鎢；在負(fù)脈沖加工期間， 輔助電極與工件形成回路，導(dǎo)致工件表面生成氫氣，從而弱化了層鈍化在工件表面的附著，并提高了電解液pH 值，促進(jìn)工件表面氧化鎢的溶解。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，工具電極與輔助電極通過(guò)絕緣層進(jìn)行電隔離，以防止相互導(dǎo)電。 此外，研制新型雙極納秒脈沖電源對(duì)碳化鎢進(jìn)行雙極脈沖加工，提高了電化學(xué)溶解的溶解效率，并成功加工出微孔。

圖24 無(wú)磨損WC 雙極脈沖電解加工的示意圖

上海交通大學(xué)的王鋒等[36]研究了一種針對(duì)激光輔助電化學(xué)加工的金屬毛細(xì)管內(nèi)壁化學(xué)拋光技術(shù)。為了減少激光在管電極中的傳輸損失，提高加工耦合效率，通過(guò)探究氧化劑過(guò)硫酸鉀濃度、絡(luò)合劑乳酸濃度、泵流量、pH 值、拋光液溫度以及拋光時(shí)間六個(gè)因素對(duì)金屬毛細(xì)管內(nèi)壁表面粗糙度的影響，得出室溫條件下的最佳拋光參數(shù)為過(guò)硫酸鉀0.15%、乳酸0.15%、泵流量120 mL/min、pH 值2.0、化學(xué)拋光反應(yīng)時(shí)間為150 s，可使表面粗糙度由Ra2.26 μm降低到Ra0.31 μm。此外，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了拋光后的毛細(xì)管能降低激光在輔助管電極電解加工過(guò)程中的傳輸損耗，可有效提高激光輔助電化學(xué)加工材料去除率，改善表面質(zhì)量。

日本關(guān)東學(xué)院大學(xué)的Matsuzawa 等[37]通過(guò)特定的電子冷卻元件將中性電解液硝酸鈉溶液在管道中凍結(jié)10 s，研究了冷凍電解液密封在電極中的水平和垂直電化學(xué)加工技術(shù)，并探索利用該器件原理將電解液冷卻至冰點(diǎn)以下的可能，但目前還沒(méi)有循環(huán)電解質(zhì)路徑， 無(wú)法將電解液密封在工具電極中，將考慮利用真空吸附方式通過(guò)工具電極內(nèi)外壓力差進(jìn)行電解液密封在電極中的循環(huán)。

南京航空航天大學(xué)的王晴晴等[38]研究了電化學(xué)銑削中矩形陰極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化， 提出了矩形陰極、圓角矩形陰極和角矩形陰極三種不同邊緣結(jié)構(gòu)的陰極（圖25），并采用仿真模擬分析了不銹鋼316 工件的流場(chǎng)，還通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其加工表面粗糙度。 結(jié)果顯示，相較于矩形陰極和圓角矩形陰極，角矩形陰極的加工表面更光亮、表面粗糙度值最低，并且加工表面在不同位置的表面粗糙度差異不顯著，有較好的加工穩(wěn)定性。

圖25 三種不同的陰極結(jié)構(gòu)

3 增材制造

德國(guó)亞琛增材制造中心的Johannes Henrich Schleifenbaum 作了題為“快速合金開(kāi)發(fā)”的大會(huì)主題報(bào)告。 激光粉末床熔合是一種典型的增材制造方法，具有熔池尺寸小、冷卻速度快的特點(diǎn)。 增材制造與傳統(tǒng)的加工方法區(qū)別巨大，為傳統(tǒng)加工方法開(kāi)發(fā)的合金并不適合于增材制造，目前僅有少數(shù)高強(qiáng)合金如Scalmalloy 可專門用于增材制造。 開(kāi)發(fā)新合金，耗時(shí)費(fèi)資且不能保證成功。 由于無(wú)其他加工方法可重現(xiàn)激光粉末床熔合的獨(dú)特加工條件，故為增材制造開(kāi)發(fā)專用合金更加困難。 報(bào)告認(rèn)為，快速合金開(kāi)發(fā)（rapid alloy development，RAD）是一種可能應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的方法，集成計(jì)算材料工程采用預(yù)期相的熱力學(xué)模擬和凝固模擬， 可進(jìn)一步了解微觀結(jié)構(gòu)（如晶胞尺寸、枝晶間距）和由此產(chǎn)生的特性；對(duì)于有前景的合金，再進(jìn)一步通過(guò)增材制造來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試； 通常先將多種元素或預(yù)合金粉末進(jìn)行干混合，再使用定制預(yù)合金粉末進(jìn)行最終的合金表征。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Markus Bambach 在題為“AM+X：增材制造與基于模具制造技術(shù)組合加工方法的前景”的主題報(bào)告中指出，與基于模具制造工藝相比，增材制造可加工個(gè)性化、輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。 但由于增材制造的成本相當(dāng)高，不僅在小批量和一次性生產(chǎn)中的成本高、 交付周期長(zhǎng)，同樣在大尺寸零件或大批量生產(chǎn)中也表現(xiàn)昂貴，其工業(yè)應(yīng)用相對(duì)緩慢。 因此，人們預(yù)想增材制造與基于模具的制造技術(shù)（如成形、鑄造）的組合比單純?cè)霾闹圃旄袃?yōu)勢(shì)。 該報(bào)告概述了模具金屬成形和無(wú)模增材制造組合工藝（AM）的最新發(fā)展，重點(diǎn)分析了兩種類型的工藝鏈：①一是在對(duì)AM 制作的預(yù)制件進(jìn)行模鍛成形時(shí)發(fā)現(xiàn)，其峰值應(yīng)力相較于常規(guī)直接模鍛的更小， 增材制造預(yù)制件模鍛后的孔隙率更小、晶粒細(xì)小且均勻；②二是通過(guò)模具成形制造預(yù)制件，通過(guò)定向能量沉積制造復(fù)雜零件特征，并以航空航天鈦零件為例說(shuō)明了“AM+X”工藝在成本和零件性能方面優(yōu)于單純的增材制造。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Weber 等[39]將激光粉末熔融（LPBF）工藝應(yīng)用于壓電堆制造，可利用熱收縮直接對(duì)零件施加預(yù)應(yīng)力， 而無(wú)需額外的加載元件，此外還提出了一種壓力、電壓和溫度的原位測(cè)量的方法，有助于了解加工過(guò)程中作用在壓電堆上的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

魯汶大學(xué)的Goos 等[40]提出一種將氣溶膠噴射打?。ˋJP）和絲網(wǎng)印刷技術(shù)相結(jié)合的加工方法，可在任意形狀的聚酰胺（PA）基材上沉積壓阻式壓電傳感器（圖26），通過(guò)氣溶膠噴涂打印將銀墨水沉積在PA 基材上， 而后采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)將壓電材料涂抹在銀墨水上。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用該方法制造的壓阻式壓電傳感器產(chǎn)生了典型的壓阻特性，即傳感器的電阻隨著施加壓力的增大而減小。

圖26 壓阻式壓電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

激光粉末床熔化（LPBF）產(chǎn)生的枝晶組織會(huì)在正交切割時(shí)產(chǎn)生各向異性特性。 如圖27 所示，為了研究枝晶取向?qū)η邢鬟^(guò)程的影響，德國(guó)機(jī)床研究所Maucher 等[41]定義了堆疊角α（切割向量和堆疊方向之間的角度）和β（垂直于切割向量的向量與堆疊積方向之間的角度），通過(guò)正交切割實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：不同堆疊角的切削力、振動(dòng)、切屑和表面完整性都存在明顯差異，證實(shí)了材料的各向異性特性，建立了切削力和堆疊角的多項(xiàng)式回歸模型，并且該模型可根據(jù)堆疊角預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的切削力和切屑體積。

圖27 堆疊方向和切割方向相關(guān)角度定義示意圖

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Dey 等[42]觀測(cè)了不同冷卻速率和初始晶粒尺寸條件下的晶粒形態(tài)，采用耦合元胞自動(dòng)機(jī)模型（CA）模擬了激光焊縫凝固過(guò)程中晶粒變化的微觀過(guò)程，通過(guò)仿真得到了不同冷卻速率時(shí)的單晶尺寸和熔池邊界的枝晶結(jié)構(gòu)（圖28），總結(jié)出初始晶粒尺寸和枝晶間距的線性關(guān)系。 該論文還通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)熔池形狀進(jìn)行了仿真，但由于受限于模型，仿真的晶粒尺寸存在誤差。

圖28 不同初始晶粒尺寸時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)模擬圖

瑞士東部應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Rabiey 等[43]搭建了激光增材加工平臺(tái)，通過(guò)使用超聲輔助加工減少激光金屬增材技術(shù)（LMD）中存在的氣孔和微裂紋等缺陷；設(shè)計(jì)了DOE 實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了超聲輔助加工和普通加工的沉積質(zhì)量。 結(jié)果表明：超聲輔助可提高粉末的利用效率；超聲輔助加工可細(xì)化晶粒、有效減少氣孔和微裂紋，但不能增加材料的抗拉強(qiáng)度和硬度（圖29）。

圖29 LMD 晶粒結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖

在增材制造的新工藝方面， 德國(guó)Foerster 等[44]設(shè)計(jì)了基于光電攝影原理（EP）的新工藝，可利用激光束（PBF-LB/M）制備大量尺寸均勻的金屬粒子，并在光電攝影法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了沉積力，建立了預(yù)測(cè)增材過(guò)程中厚度和增材層數(shù)的模型（圖30），搭建了粉末增材的試驗(yàn)臺(tái)， 測(cè)試了增材過(guò)程中的厚度，驗(yàn)證了增材模型，證明了通過(guò)單層增材可形成多層沉淀，即證明了增材制造工藝的可轉(zhuǎn)移性。

圖30 電荷分布的原理系統(tǒng)建模

激光金屬增材（LMD）可以控制能量輸入，有效控制零件變形， 但由于鋁材料自身反射率較大，不易進(jìn)行LMD 加工。 為此，西班牙的Madarieta[45]采用線沉積的方法在5083 鋁襯底上沉積鋁線（圖31），可在不預(yù)熱的情況下進(jìn)行高速增材，為制造復(fù)雜零件增加多向性，并實(shí)驗(yàn)探究了工藝參數(shù)對(duì)加工速度和加工質(zhì)量的影響。 結(jié)果表明，使用該方法制造零件，最大沉積速率為0.7 kg/h、孔隙率小于0.04%。

圖31 激光金屬沉積制造的鋁工件

無(wú)掩膜局部電沉積增材的速度和加工質(zhì)量由單層沉積的層高和層寬決定。 為了得到無(wú)掩膜局部電沉積的層高和層寬，大連大學(xué)的于昇元等[46]采用單一變量法和正交實(shí)驗(yàn)法研究了極間電壓、電極掃描速率、極間間隙和脈沖占空比等主要工藝參數(shù)對(duì)層高的影響。 結(jié)果表明：電極掃描速率和電壓對(duì)層高的影響較大，占空比的影響較?。浑妷汉蛼呙杷俾蕦?duì)層寬的影響較大，極間間距過(guò)小會(huì)導(dǎo)致增材失效。經(jīng)正交實(shí)驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)，此時(shí)層高1.8 μm，加工效率較高、表面形貌較好。

再來(lái)看增材制造的性能改善方面的研究。 定向金屬沉積（DMD）是一種將金屬粉末與定向移動(dòng)的激光束融合來(lái)加工零件的增材制造技術(shù)，但激光能量和金屬粉末密度在加工路徑曲率較小的位置會(huì)發(fā)生變化，從而造成局部位置過(guò)度沉積。 為了解決這一問(wèn)題，瑞士機(jī)床與制造研究所的Daniel 等[47]采集了包含不同曲率和幾何形狀的激光工作路徑、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的具有25 層神經(jīng)元的預(yù)測(cè)模型（圖32），通過(guò)模型優(yōu)化得到的均方根誤差基本小于金屬粉末的直徑，可預(yù)測(cè)和調(diào)節(jié)定向金屬沉積時(shí)的高度。

圖32 具有隱藏層和損失函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

日本岡山大學(xué)的Kobayashi 等[48]提出采用噴砂和大面積電子輻照相結(jié)合的方法來(lái)改善鈦合金增材制造的表面質(zhì)量， 首先對(duì)材料表面做噴砂處理，在一定程度上減小初始較大的表面粗糙度值并改變表面形貌，然后對(duì)噴砂表面做大面積電子輻照并快速熔化冷卻加工表面。 研究發(fā)現(xiàn)，在噴砂表面進(jìn)行電子輻照，可顯著降低表面粗糙度值，且經(jīng)電子輻照后的表面粗糙度與硼砂表面形貌有關(guān)。

南非斯坦陵布什大學(xué)的Kirkman 等[49]建立了連續(xù)纖維增材制造和自由成型相結(jié)合的系統(tǒng)（圖33）。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用五軸機(jī)械臂制造任意形狀的玻璃纖維聚合物，還可指定噴嘴姿態(tài)和刀具軌跡生成方法。 該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了噴嘴直徑、激光強(qiáng)度和位置對(duì)幾何精度和空隙率的影響，并在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下采用該系統(tǒng)制造出纖維體積分?jǐn)?shù)大于30%、空隙小于1%的玻璃纖維聚合物。

圖33 連續(xù)纖維自由成形系統(tǒng)

4 激光加工

針對(duì)傳統(tǒng)納米制造工藝成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，以及電子束光刻等工藝維護(hù)成本較高、生產(chǎn)環(huán)境嚴(yán)苛的問(wèn)題，阿聯(lián)酋阿布扎比哈利法大學(xué)的Haider 等[50]提出了一種依賴單脈沖全息直接激光干涉圖形化方法（DLIP）的直接激光燒蝕系統(tǒng)，在全息Denisyuk 反射模式消融裝置中使用了Nd：YAG 激光器， 以黑色、紅色、藍(lán)色和棕色四種類型的墨水為納米結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)介質(zhì)， 并對(duì)四種納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光譜分析，還采用了以脈沖激光干涉方式制造一維和二維納米圖案的激光燒蝕工藝（圖34），實(shí)現(xiàn)了商用隱形眼鏡表面的二維納米結(jié)構(gòu)的低成本生產(chǎn)。 該二維納米結(jié)構(gòu)可用于眼部疾病檢測(cè)等，并且適用于各種材料制成的薄膜。

圖34 以脈沖激光干涉方式制造一維和二維納米圖案的激光燒蝕工藝示意圖

文獻(xiàn)[50] 還提出一個(gè)基于激光的直接消融系統(tǒng)，依靠DLIP 能產(chǎn)生低成本、時(shí)間花費(fèi)不多的納米結(jié)構(gòu)。 全息激光燒蝕工藝方法在平面和商業(yè)隱形眼鏡制造中展示了二維納米粒子幾何結(jié)構(gòu)的多功能性。 該方法能在完全獨(dú)立于材料的情況下使多種材料制成的薄膜圖案化。 研究結(jié)果顯示，收縮鏡片上的全息納米結(jié)構(gòu)可用來(lái)感知眼壓和淚液中的離子濃度等參數(shù)；隱形眼鏡上的納米顆粒也可用于其他眼部疾病的早期檢測(cè)。

英國(guó)拉夫堡大學(xué)的Manuela 等[51]采用了波長(zhǎng)為1 064 nm 的納秒級(jí)光纖激光器，提出兩種具有不同微結(jié)構(gòu)的氮化硼材料（CBN 含量分別為50%、90%）的多晶表面工程，以實(shí)現(xiàn)功能化的機(jī)械性能，并促使特定等級(jí)的材料能適用于各種機(jī)械加工。 該團(tuán)隊(duì)采用三維白光干涉法、掃描電鏡和顯微硬度測(cè)量相結(jié)合的方法，研究了材料對(duì)不同流量、進(jìn)給速度和脈沖持續(xù)時(shí)間的響應(yīng)情況。 研究發(fā)現(xiàn)，激光表面處理可提高PCBN 合金的硬度和粗糙度；激光進(jìn)給速度和波形對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)有特殊影響，使材料的化學(xué)和力學(xué)性發(fā)生局部變化；提高硬度可能更有利于其他材料在機(jī)械加工淬硬鋼和汽車以及航空航天工業(yè)中的應(yīng)用。 然而該研究也發(fā)現(xiàn)，表面微裂紋的形成和擴(kuò)展可能會(huì)抑制表面的完整性，因?yàn)檫@些微裂紋可能會(huì)導(dǎo)致切削刃過(guò)早地碎裂。

氧化鋯-氧化鋁復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和生物相容性，是生物植入的理想材料，但同時(shí)具有高脆性和高硬度， 難以采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行加工。魯汶大學(xué)的Han 等[52]針對(duì)四種氧化鋁含量的陶瓷進(jìn)行了單脈沖點(diǎn)加工和槽加工實(shí)驗(yàn)，研究了氧化鋁含量對(duì)納米脈沖激光微加工氧化鋯-氧化鋁復(fù)合材料性能的影響（圖35）。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于80%氧化鋁和100%氧化鋁， 氧化鋯和20%氧化鋁在相對(duì)較低的激光能量輸入條件（PRR 為100 kHz、脈沖寬度為3 ns、掃描速度為100 mm/30 min）時(shí)，其MRR 明顯更高，在較高激光能量輸入條件下更易發(fā)生熱開(kāi)裂；相比于長(zhǎng)脈沖激光加工，短激光脈沖（3 ns）加工時(shí)，激光斑點(diǎn)形態(tài)受材料微觀結(jié)構(gòu)不均勻性影響的程度更大。在該論文中，Han 等還通過(guò)改變氧化鋁含量， 研究了不同材料組成對(duì)氧化鋯-氧化鋁復(fù)合材料的納秒脈沖激光微加工性能的影響。

圖35 納秒激光微加工實(shí)驗(yàn)

魯汶大學(xué)的Levichev 等[53]采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像粗糙度量化方法來(lái)測(cè)量激光切割零件的表面，通過(guò)使用一種需較少訓(xùn)練數(shù)據(jù)的算法對(duì)不銹鋼、 低碳鋼和鋁的激光切割后粗糙度進(jìn)行了測(cè)量。按照目前的標(biāo)準(zhǔn)，激光切割邊緣的粗糙度能被充分估計(jì)并進(jìn)行質(zhì)量分級(jí)。 相比于傳統(tǒng)的基于接觸的輪廓測(cè)量方法，該方法的測(cè)量速度更快、環(huán)境要求更低，能布置于相對(duì)較差的環(huán)境中，并滿足實(shí)時(shí)性測(cè)量需求。

瑞士西北應(yīng)用科技大學(xué)的Chays 等[54]通過(guò)將光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)耦合于激光紋理機(jī)床的加工頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工區(qū)域的尺寸測(cè)量。 該方法能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手動(dòng)零件尺寸校核過(guò)程。 測(cè)量系統(tǒng)采用激光相干層析成像（OCT）方法，制造出的樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)5 μm 的分辨率。 該方法能進(jìn)行反饋，后續(xù)可將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至機(jī)床系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)調(diào)整。

埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)的Wittmann 等[55]研究采用激光在不銹鋼基體上生成聚醚醚酮 （PEEK）涂層，首次使用波長(zhǎng)為1.94 μm 的摻銩光纖激光器固化沉積了PEEK 粉末，并研究了單層、雙層和三層PEEK 涂層的固結(jié)性能。研究表明，為了增強(qiáng)不銹鋼基體的潤(rùn)濕性能，要生成致密的涂層，其重要的前提條件是基體加熱。

魯汶大學(xué)的Nagarajan 等[56]采用飛秒激光處理技術(shù)對(duì)碳化鎢-鈷合金表面的鈷粘結(jié)劑進(jìn)行了選擇性去除，通過(guò)飛秒激光加工制備了點(diǎn)、線、面三種不同形貌，研究了脈沖能量、脈沖次數(shù)、掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)顯微組織的影響；通過(guò)使用優(yōu)化的加工參數(shù)（3.8 μJ、600 mm/s），能在碳化鎢晶粒形貌變化和熱影響最小的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)鈷相的選擇性去除。

5 高速電弧加工和其他新技術(shù)

上海交通大學(xué)的楊逸飛等[57]研究了高速電弧放電加工對(duì)于γ-TiAl 材料的加工工藝特性。當(dāng)開(kāi)路電壓為140 V、加工深度為4 mm、電極直徑為20 mm時(shí)，最大材料去除率可達(dá)4 484.9 mm3/min、電極損耗率為2.74%、表面粗糙度值為74.14 μm；材料去除率受加工深度的影響最大，電極損耗率與電極直徑強(qiáng)烈相關(guān)，這三種加工參數(shù)都對(duì)表面粗糙度影響較大；電弧加工后的材料，存在厚度不到50 μm 的重鑄層和約400 μm 的殘余應(yīng)力影響層， 由此可見(jiàn)高速電弧放電加工對(duì)于γ-TiAl 這種難加工材料具有可觀的加工潛力。

上海交通大學(xué)的李柯林等[58]深入研究了TiAl和Ti-6Al-4V 材料在高速電弧放電加工后的殘余應(yīng)力。 與傳統(tǒng)切削加工產(chǎn)生的壓應(yīng)力相反，電弧加工后的材料因?yàn)楦邷睾罂焖倮鋮s，在表面產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。 TiAl 的最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在100 μm深度位置，這是因?yàn)楦蟆⒏畹谋砻媪鸭y會(huì)釋放部分內(nèi)應(yīng)力。 由于TiAl 的抗拉強(qiáng)度較小，其殘余應(yīng)力最大值（586 MPa）相比于Ti-6Al-4V 位于表面的最大值（679 MPa）要小。 該研究還給出了兩種材料的推薦加工余量，分別是800 μm 和700 μm。

中國(guó)石油大學(xué)（華東）的武鑫磊等[59]研究了不同電介質(zhì)流體對(duì)電火花輔助電弧加工的影響。 試驗(yàn)裝置的內(nèi)沖流體均為去離子水，外沖流體分別為去離子水、氧氣、空氣、氮?dú)夂蜌鍤狻?試驗(yàn)通過(guò)仿真模型預(yù)測(cè)氣泡的加入可縮短放電擊穿時(shí)間。 試驗(yàn)表明：外沖氣體可有效提高A286 高溫合金的加工效率，其中氧氣的提升效果最佳，這是因?yàn)檠鯕饪蓭椭纬刹粚?dǎo)電的氧化層，防止短路并提高放電率；氬氣的提升效果最弱， 這是因?yàn)楦吣苊}沖能電離氬氣，從而分散了放電能量導(dǎo)致加工效率降低；流體流量的升高可幫助沖刷加工屑，從而提高效率并降低電極損耗率，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了外沖氣體對(duì)加工效果的提升作用。

作為電化學(xué)拋光（EP）的替代工藝，等離子電解拋光（PEP）越來(lái)越受到關(guān)注。 然而，傳統(tǒng)的浸入式PEP 方法會(huì)導(dǎo)致浸沒(méi)深度方向上出現(xiàn)不均勻拋光，且該方法無(wú)法處理復(fù)雜形狀的工件。 為解決這一問(wèn)題并加強(qiáng)對(duì)金屬工件局部拋光效果的控制，伯爾尼應(yīng)用科技大學(xué)的Küenzi 等[60]研究并分析了等離子電解液射流技術(shù)在實(shí)際拋光過(guò)程中的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：射流PEP 加工的中心區(qū)域拋光速率可達(dá)到200 nm/s， 并且中心區(qū)域的表面粗糙度可降至Sa0.2 μm 以下。 與浸入式PEP 方法相比，射流PEP方法通過(guò)掃描工件表面的方式可實(shí)現(xiàn)更高精度的拋光控制，并且拋光速度是前者的6 倍。

磨粒水射流（AWJ）是加工不同韌性材料的強(qiáng)有力工具。 為了理解磨粒水射流的加工機(jī)理，亞琛工業(yè)大學(xué)的Dadgar 等[61]考慮了不同磨料顆粒的形狀、大小、 物理特征的差異以及初始速度和沖擊角，分析了單個(gè)磨粒對(duì)42CrMo4 材料產(chǎn)生的改性影響。 研究發(fā)現(xiàn)，與垂直沖擊角時(shí)的情況相比，采用較平坦的沖擊角會(huì)導(dǎo)致較低的球形度且球形度會(huì)隨著粒子速度的增加而降低；采用垂直沖擊角并不一定會(huì)產(chǎn)生更高的凹坑深度和寬度，而凹坑的尺寸與磨粒和工件的硬度有關(guān)；采用垂直沖擊角更易產(chǎn)生材料對(duì)稱堆積的現(xiàn)象，而采用更加平坦的沖擊角，則會(huì)導(dǎo)致凹痕入口側(cè)和出口側(cè)的材料堆積差異較大。

東京農(nóng)工大學(xué)的Daihai MI 等[62]提出并構(gòu)建了一種基于流體有限元分析和粒子示蹤分析的耦合仿真模型， 用于解釋在ECM 實(shí)驗(yàn)中使用細(xì)長(zhǎng)電解液流道時(shí)產(chǎn)生連續(xù)突起的現(xiàn)象。 仿真結(jié)果表明，在壁面升力垂直分量的作用下，碎屑顆粒沿著流道集中在通道壁的下游兩側(cè)附近；碎屑平衡位置與最近壁面的距離約為流道寬度的0.2 倍， 這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的連續(xù)突起的位置重合。 這項(xiàng)工作還對(duì)ECM 過(guò)程中在狹窄流充道壁附近產(chǎn)生的連續(xù)突起給出了新的解釋，未來(lái)可用于尋找更好的加工條件，以提高加工表面的表面質(zhì)量。

電子束拋光技術(shù)（EBP）是一種通過(guò)大面積電子束（EB）照射工件表面來(lái)達(dá)到預(yù)期光整效果的新型表面精整技術(shù)。但在使用EB 拋光孔壁和底面時(shí)，由于電子束集中于孔的入口邊緣或內(nèi)壁上部，拋光效果不盡人意。 為此，岡山大學(xué)的Shinonaga 等[63]通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，研究了不同的磁場(chǎng)控制策略，通過(guò)水平偏置磁鐵、增設(shè)磁軛，成功地將電子束引導(dǎo)至由不銹鋼板組成的L 形工件的內(nèi)側(cè)面，并在該內(nèi)側(cè)面獲得了均勻的磁力線分布。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磁約束電子束拋光可在工件內(nèi)側(cè)面獲得表面粗糙度小于Rz1.5 μm 的平滑區(qū)域。該研究可作為磁約束電子束拋光技術(shù)在孔壁表面拋光領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)驗(yàn)證。

大氣等離子噴涂（APS）是一種廣泛使用的熱噴涂工藝。 由于影響涂層特性的因素眾多，即使采用相同的工藝參數(shù)，得到的涂層的特性也存在很大差異。 蘇黎世機(jī)床制造研究所的Hudomalj 等[64]從厚度、孔隙率、顯微硬度和沉積效率四個(gè)方面，研究了粒度分布（PSD）寬度對(duì)涂層特性可重復(fù)性的影響。在保證其他工藝參數(shù)相同的前提下，實(shí)驗(yàn)使用兩組不同PSD 寬度但具有相同平均粒度的粉末對(duì)尺寸為30 mm×60 mm×3 mm 的鋼樣品進(jìn)行噴涂。結(jié)果表明，窄帶PSD 可改善噴涂質(zhì)量并提高涂層特性的可重復(fù)性，究其原因，窄帶PSD 的情況下，粉末在送粉過(guò)程不易發(fā)生偏折，粉末進(jìn)料也更加均勻。 此外，窄帶PSD 還可最大限度地減少其他工藝參數(shù)變化對(duì)涂層的影響。

Roll-to-roll（R2R）納米制造工藝在柔性電子制造中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，然而在納米尺度制造方面經(jīng)常受到高噪聲水平和大延遲測(cè)量等因素的制約。美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的Graff 等[65]將R2R濺射沉積過(guò)程簡(jiǎn)化為以功率為輸入、以沉積膜厚度為輸出的單輸入、單輸出物理系統(tǒng)（圖36），由光譜儀測(cè)量結(jié)果和控制算法推算得出沉積的SiO2薄膜的厚度。

圖36 R2R 沉積過(guò)程示意圖

無(wú)掩模局部電沉積技術(shù)是一種電化學(xué)沉積與增材制造相結(jié)合的新技術(shù)。 大連大學(xué)的肖雨晴等[66]研究了不同電壓和占空比條件下，利用無(wú)掩模局部電沉積技術(shù)制備微鎳柱的生長(zhǎng)機(jī)理，分析了微鎳柱的微觀形貌；通過(guò)比較體積沉積速率，分析了電壓和占空比對(duì)微鎳柱的影響（圖37）。 結(jié)果表明：在低電壓/小占空比（4.2 V/0.3）條件下，微鎳柱的沉積速率小、直徑小且晶粒均勻、細(xì)小；在高電壓/大占空比（4.8 V/0.7）條件下，微鎳柱的沉積速率大、直徑較大且晶粒形狀不規(guī)則；當(dāng)電壓為4.8 V、占空比為0.5時(shí)，微鎳柱的沉積速率最高，為13 608.69 μm3/s。根據(jù)高電壓、小占空比條件下的微鎳柱表面形態(tài)及其橫截面微觀結(jié)構(gòu)，該研究將微鎳柱的沉積過(guò)程分為三個(gè)階段，即：初始沉積階段的逐層沉積、中間階段的累積沉積和最后階段的混合沉積。

圖37 無(wú)掩模局部電沉積裝置示意圖

6 結(jié)論

從第21 屆ISEM 會(huì)議發(fā)表的論文來(lái)看， 國(guó)際特種加工領(lǐng)域的研究在近年出現(xiàn)以下幾個(gè)方面的進(jìn)展：

（1）加工結(jié)果的建模預(yù)測(cè)朝著兩個(gè)方向發(fā)展：一是對(duì)多物理場(chǎng)方程的求解；二是對(duì)加工過(guò)程分析模型的簡(jiǎn)化。

（2）在加工過(guò)程實(shí)驗(yàn)方面，借助高速相機(jī)等設(shè)備可抓拍獲得加工區(qū)域內(nèi)極快的材料轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

（3）為了對(duì)加工過(guò)程有深入的理解，將實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，獲得了更全面的信息。

（4）采用新技術(shù)加強(qiáng)對(duì)加工過(guò)程的監(jiān)控和加工過(guò)程的控制，如使用人工智能進(jìn)行加工結(jié)果的預(yù)測(cè)或給定加工參數(shù)。

（5）對(duì)新材料的加工參數(shù)進(jìn)行預(yù)估，以獲得需要的幾何形狀、表面、完整性和材料性能。 這需要機(jī)床制造商提供材料數(shù)據(jù)庫(kù)，而材料數(shù)據(jù)庫(kù)未來(lái)或許可以通過(guò)自學(xué)習(xí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。