電解復合加工研究進展

干為民，朱燁，王祥志

(江蘇省特種加工重點實驗室(常州工學院)，江蘇 常州 213032)

0 引言

隨著科技進步和經濟發展，新型材料和復雜結構零件層出不窮，對產品的加工制造工藝提出了更高的要求。電解加工是一種非接觸式加工方法，利用金屬的陽極溶解原理進行材料去除，廣泛應用于航空航天、模具加工、精密儀表等行業。電解加工可用于加工各種難切削金屬材料，不受材料強度、硬度和韌性的限制。由于電解加工中的流場、電場、磁場的變化規律較為復雜，加工間隙和加工過程不夠穩定，導致其加工精度不高。

電解復合加工是將電解加工與其他加工方法復合在一起的加工方法，借助其他加工方法的優勢彌補電化學加工存在的不足。復合加工是電解加工的重要發展方向，本文主要闡述與電解電火花復合加工、超聲電解復合加工、電解機械復合加工和激光電解復合加工等四種主要電解復合加工方法的研究現狀與發展趨勢。

1 電解電火花復合加工

電解電火花復合加工是在電解液中發生放電從而在加工間隙實現電化學溶解及電火花去除的復合過程，主要用于解決微小孔、三維復雜型腔等加工難題，以及工件表面的光整加工。

1.1 電解電火花復合加工理論

1.1.1 導電材料的電解電火花加工

加工原理如圖1所示，金屬工件接電源正極，管電極接電源負極，管電極通入電解液。電火花放電去除材料，并在表面凝固產生重鑄層[1]，管

圖1 導電材料加工原理圖

電極和工件在電解液中發生電化學反應，重鑄層被溶解。

朱云[2]提出一種微小孔異區同步復合加工方法。管電極通電后，工具電極端面主要以電火花放電蝕除材料，工具與工件側面間隙較大，電火花反應較弱，主要以電解溶解進行擴孔。

1.1.2 絕緣材料電解電火花加工

電解電火花加工絕緣體材料陶瓷和玻璃時，原理如圖2所示[3]。輔助電極接正極，工具電極接負極。輔助電極的金屬失去電子被氧化，發生陽極溶解的氧化反應，溶液中的氫離子得到電子被還原，在工具電極產生氫氣泡，氣泡逐漸聚攏，在溶液中形成氣泡膜隔離陰極和電解液。陰極發射電子擊穿氣泡膜，形成等離子通道，隨即產生電火花，并形成高壓氣泡。電火花使工件熔化、蒸發，產生液力沖擊，最后消除電離。

圖2 絕緣體材料加工原理圖

1.2 電解電火花復合加工工藝

國內外學者在熟知加工過程和原理的基礎上，通過大量研究和實驗得到了優化參數，從而改善了加工工藝。

1.2.1 脈沖電源加工

微小孔的加工一直是國內外的研究熱點。電解電火花復合加工利用電火花高速穿孔，應用電化學溶解再鑄層進行加工。邢俊[4]研究電參數和非電參數對電極損耗的影響，得到電參數中峰值電流達到12 A、脈沖寬度為12 μs、脈沖間隔為36 μs和非電參數中工具電極直徑為0.5 mm、工作液壓力為6 MPa時，電火花加工中雜散腐蝕較小，能夠得到較好的孔口質量和精度。

張世浩[5]在內沖液機床上采用ARM(微處理器)和CPLD(復雜可編程邏輯電路)的組合脈沖電源進行微小孔加工，當脈沖電流為1.75 A時電極的損耗達到最小，小孔的錐度為0.0042。He Xiaolong等[6]用電火花、電解、電解電火花復合分別加工微小孔，得出在同樣實驗條件下電解電火花復合加工的效率是傳統微細電火花加工的9.2倍，加工出微孔的錐度為0.01，直徑為205 μm，表面的光潔度比電解加工和電火花加工的高。

1.2.2 復合微細電解電火花加工

Zhaoqi Zeng等[7]開展單一的微細電解加工和復合微細電解電火花加工的對比實驗，發現后者加工出來的工件表面粗糙度達到0.143 μm，機械性能較好。

Lijo Paul等[8]得出，在NaOH和KOH的混合電解液中電解電火花加工微細結構時，加工速率和材料去除率更高。

1.2.3 電解電火花加工非金屬材料

電解電火花復合加工不僅能加工金屬材料，還能對非金屬材料如玻璃、硅等進行打孔、切割[9]。鹿昌劍[10]通過蓋玻片打孔實驗研究主要加工參數對加工質量和效率的影響，得出了電解液濃度越高，加工面的質量越好，增幅變緩直至臨界值。電解電火花加工過程中陰極損耗嚴重，選擇熔點高的材料可以降低電極的損耗，避免多次補償電極， 提高工件的加工效率。

復合加工中氫氣聚集的速度和方式也需要考究，劉志東等[11]發現當電極兩端接脈沖組合電源時，放電效率會得到質的提升，能夠把析出的氫氣更好地利用起來。

2 電解機械復合加工

電解機械復合加工將電解與機械作用相結合，電解的作用是去除陽極材料，機械作用主要是去除電解加工產生的鈍化膜并使加工繼續進行下去。電解機械復合加工集成了電解和機械磨削(研磨)的優勢，比電解加工有更高的精度，比磨削(研磨)加工有更高的效率。如圖3所示，導電砂輪接電源的負極，工件接電源正極，在導電砂輪和工件的間隙通入電解液，通電后，陽極溶解，在金屬表面形成鈍化膜，高速旋轉的砂輪磨削去除凸起的氧化膜使表面光潔。

圖3 電解磨削加工原理圖

2.1 電解機械復合加工理論

國內外學者通過建立物理模型和數學模型找到難控制的加工參數進行優化。比如，根據加工間隙平衡理論，建立數控電解復合切割的物理模型和數學模型，進而找到加工間隙的影響因素。采用田口法建立數學模型進行參數多效應優化，得到較好的實驗數據。

2.2 電解機械復合加工工藝

2.2.1 數控電解機械復合加工機床的設計

干為民等[12-14]提出數控展成電解機械復合加工方法，實現了工件粗磨和精磨的同時化，并且研發了帶有電解液內噴和大旋轉電流的復合陰極夾頭的數控電解機械復合機床，實現了數控電解復合加工的整體化和多樣化，如剃須網刀和人工髖關節球的復合光整加工。

2.2.2 數學模型的優化

Asit Baran Puri等[15]采用效應面技術建立參數之間的數學模型，研究電解磨削的多效應優化，通過正交實驗得出當電壓為20 V，切削速度為16 m/s時得到較高的材料去除率。在磨削碳化物時，電壓為15 V時，材料表面的粗糙度較低。

2.2.3 脈沖電化學機械拋光

現階段，拋光方式有機械拋光、電化學拋光、電化學機械拋光、脈沖電化學機械復合拋光和高熱量拋光[16]。在對大型平板電化學拋光之前要進行機械拋光，粗糙度才能達到理想值，耗時和成本由此增加。而脈沖電化學機械拋光可以直接將粗糙度從6.4 μm降低到0.1 μm。J.J.Yi[17]在相同實驗條件下對粗糙度0.36 μm、表面積40 cm2的不銹鋼進行電解機械拋光和脈沖電解機械拋光，后者的表面粗糙度可以達到更低(0.06 μm)，表面拋光質量更高。脈沖電解機械拋光復合加工應用在軸承和齒輪箱時減噪效果明顯，能減少生產費用，延長使用壽命。

2.2.4 電解電火花機械研磨加工

J.W.Liu等[18]在6061鋁合金的氧化鋁金屬顆粒上做了對比實驗，發現經過機械研磨再進行電解電火花復合加工的工件粗糙度比只進行電解電火花復合加工的減少了10%，材料去除率也是后者的3倍。在材料去除率影響因素的正交實驗中，得出影響因素依次為占空比、電流密度、電解液濃度。

3 超聲電解復合加工

超聲電解復合加工利用工具頭的高頻振動，帶動電解液中的微細磨料對工件沖擊及由此產生的空化等作用來去除材料，或利用超聲振動產生的局部高溫使工件結合。超聲電解復合加工是一種超聲機械振動拋磨與電化學陽極溶解相結合的加工方式。

3.1 超聲電解復合加工原理

金屬工件陽極溶解產生鈍化膜阻礙電解加工的進行，電解液中懸浮的磨粒在超聲波的振動下產生動能與工作液的空化作用協同擊破工件表面的金屬氧化物，溶液的不斷流動帶走擊破的氧化層促使電解加工更好地進行，周而復始的產生與去除使得表面粗糙度比單一電解加工的低。如圖4所示，電源正極接工件，負極接工具。超聲波發生器發射的高頻電信號由換能器轉換為機械振動動能，變幅桿傳遞動能使工具做小振幅高頻振動，工件浸入充滿電解液和磨料的懸浮工作液中，在脈沖超聲波和電解的作用下工件被蝕除。

圖4 超聲電解復合加工原理圖

3.2 超聲電解復合加工工藝

在超聲電解復合加工過程中，振動系統的穩定性、電解液流動方式、加工參數影響加工精度。

3.2.1 超聲振動系統的設計

王芳[19]進行超聲振動系統中壓電換能器、變幅桿、工具電極的設計和工作臺的振動分析，發現提高工作臺的剛度系數可以減少振動位移。通過ANSYS分析，優化指數型和階梯型超聲振動系統，在此基礎上改進超聲波振動系統。最后在單超聲加工和脈沖電解、超聲電解復合加工三種不同的加工實驗中得到各參數對材料去除率的影響。

3.2.2 內噴式旋轉超聲電解復合加工

劉澤祥等[20]搭建內噴式旋轉超聲電解加工裝置，研究加工電壓、陰極裸露長度、進給速度、陰極轉速對側面間隙的影響，與數學回歸模型的相對誤差為8.18%，優化模型后誤差減少了3.22%。

3.2.3 電解液流動的設計

Sebastian Skoczypiec[21]基于計算流體力學方法，分析陽極和陰極間隙中多相流、湍流和不穩定流體，定義了超聲電解復合加工過程中電解液的最佳流動方式，并且通過實驗得出超聲波振動可以降低電解加工中的極化效應。

3.2.4 雙電位粒子傳送理論

Zhang Chengguang等[22]基于電化學理論提出雙電位形成伴有粒子的傳送的觀點，在超聲電解復合加工的實驗中研究粒子大小、超聲波振幅、脈沖電壓、加工間隙對材料去除率的影響，得出粒子能夠促進超聲電解復合加工的進行，并且加工出來的工件表面質量很好。

3.2.5 超聲電解研磨

H.Singh等[23]做了電解研磨和超聲波電解研磨的對比實驗，得出后者加工出的工件平均粗糙度比前者改善了18.36%，材料去除率比前者提升了20%。

超聲電解復合加工的技術難題是當電流密度較大時加工雜散腐蝕現象嚴重，采取超高頻脈沖電源、混氣加工或復合電解液等措施，可得到一定程度改善，但還需要進一步研究。

4 激光電解復合加工

激光加工是集中高密度能量的激光束照射工件，使工件熔化氣化進行穿孔、切割等的加工技術。激光電解加工是在激光加工的基礎上進行電化學輔助加工的新型復合加工，能夠減少熱影響區，去除再鑄層，達到定域性刻蝕效果。

4.1 激光電解復合加工原理

如圖5所示，要加工的工件接脈沖電源的正極，金屬腔體接電源負極。激光電解復合加工過程中，由發射器發出的脈沖激光束與噴嘴噴出的高速電解液束混合接觸工件，激光束的高能量使工件表面熔化和電解液氣化，形成蒸汽顆粒和等離子體，進而壓縮電解液，使空泡破滅產生巨大的沖擊力，濺射出高溫熔化物，同時在電解液中發生陽極溶解。激光電解復合加工具有無切削力、噪聲小、熱變形小、加工精度高、效率高的優勢。

圖5 激光電解復合加工原理圖

4.2 激光電解復合加工工藝

在激光電化學加工復合刻蝕加工表面時，沖擊空蝕是影響材料去除的重要因素。國內外對激光電解復合加工中的定域性和電解液中空泡的空化效應研究較多并且取得較大成果。

4.2.1 噴射液束電解激光復合加工

袁立新等[24]研究噴射液束激光電解加工中各參數對再鑄層殘余率和材料去除率的影響，基于響應曲面法建立各參數二次回歸方程，達到了優化效果，成功地在鎳基高溫合金材料上加工出高質量的群孔和進行刻字。

4.2.2 定域性加工的分析

印潔、張朝陽等[25-26]用ANSYS間接耦合方法分析激光電解復合加工中的瞬時溫度場和電場對加工區域范圍和加工深度的影響，在鋁合金上進行多脈沖打點，達到了定域性刻蝕效果。張朝陽、毛衛平等[27]在以導電玻璃為陰極的激光電解復合加工系統中，研究不同加工參數對激光定域性的影響，得出激光能量、加工電流和頻率越大，則微型槽的邊寬越大，定域性加工效果越差。

4.2.3 空化效應的改善

張朝陽、毛衛平等[28-29]研究激光束沖擊空化效應對微細加工工件表面形貌和質量的影響，發現脈沖能量的兩次增大對空泡半徑產生的效果不一樣，第二次的空泡增大的最大半徑比第一次大，并且材料的去除量也變多了。空泡內外的膨脹和收縮加快了電解液的流動，減少了熱影響區的范圍，改善了工件的表面形貌。

4.2.4 微細激光電解復合加工

Zhang Zhaoyang等[30]應用激光電化學加工方法蝕刻鋁合金上線寬為130 μm的微型結構，加工精度很高且表面質量很好。

對四種電解復合加工方法的加工理論、加工工藝和應用進行對比分析，見表1。

表1 四種電解復合加工方法對比

5 發展趨勢

四種復合加工理論和工藝層出不窮，發展趨勢是微細化、綠色化、智能化。

5.1 微細化

機械結構的逐步微型化給單一的電解加工帶來了困難，尤其是在一些精密機械的制造行業，如航天航空、醫療、測量等。專家、學者在微細加工(1～1 000 μm)領域內的研究日趨增多。微電子機械系統(MEMS)也是精細加工的研究對象，與我們的生活息息相關，如傳感器、移動通信、家庭智能電子設備等。由于單一的電解加工、電火花加工會產生變質層，影響結構的正常使用，復合加工可以避免這樣的缺陷。在上述四種復合加工方法的研究成果中，難切削材料的微型槽、微小孔等微型結構的精確加工一直是研究熱點。實現定域性加工、縮小加工范圍的熱影響、高效率加工是微細電解復合加工的努力方向。

5.2 綠色化

綠色化是國民經濟和制造業可持續發展的必然要求，也是電解復合加工可持續發展的必然要求。電解復合加工要追求產品從設計、制造、使用、維護到報廢整個生命周期中能源、資源利用率最高，有害排放物最小，對環境及人體的不利影響最低，同時也要為其他產業的綠色發展提供先進的技術和裝備支撐。

5.3 智能化

電解復合加工不僅僅是加工過程中對軸的運動軌跡進行控制，更重要的是在時間、空間維度上，根據加工工件及環境的宏微觀狀態，精準快速地感知、判斷，對加工能量、軸運動狀態、工作介質等諸多工藝參數進行智能決策控制，以達到最佳的物理化學效應及多能場復合效應。智能化是電解復合加工邁向高端、占據未來競爭制高點的必然選擇和必由之路，是今后長時期的主攻方向。

6 結語

電解復合加工是加工非金屬材料微型結構和難切削金屬材料型面及微型結構的有效方法。近些年來對電解復合加工的研究越來越多，已有的研究和應用表明，電解復合加工與單一加工相比有著得天獨厚的優勢，但同時也會出現各種各樣的問題。

電解電火花加工應用領域較廣，在生產實踐中發揮著巨大作用，但是陰極的損耗較為嚴重，如何實現在線修補還需要進一步研究。電解機械復合加工是傳統機械加工與特種加工方法的復合，可以達到取長補短的效果，但是復合陰極有一定程度的損耗，加工效率較低，導致加工表面與磨輪之間易堵塞，在線電解修整(ELID)磨削加工方法可用于在線修整復合陰極。超聲電解復合加工過程中雜散腐蝕雖然減少，卻依然存在，如何優化工藝參數仍需進一步探索。激光電解復合加工過程中，電流參數、流場參數的優化及激光在電解液中的衰減特性，還需要進一步確定，以保證復合加工的定域性和精度。

新型的電解復合加工技術既是特種加工的發展趨勢，也是未來制造行業的新興力量。

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