第19屆國(guó)際電加工會(huì)議論文綜述

裴景玉 ，楊 飛 ，傅宇蕾 ，夏蔚文 ，劉宏達(dá) ，張瑞雪，趙萬(wàn)生

（1.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；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094）

第19屆國(guó)際電加工會(huì)議（The 19th CIRP Conference on Electro Physical and Electro Chemical Machining）于2018年4月22～27日在西班牙畢爾巴鄂成功舉行。會(huì)議由西班牙IK4 Tekniker研究所及巴斯克大學(xué)聯(lián)合主辦、巴斯克大學(xué)承辦。該會(huì)議作為特種加工學(xué)術(shù)界最高級(jí)別的國(guó)際會(huì)議，也是總部設(shè)在歐洲的國(guó)際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）的系列國(guó)際會(huì)議，吸引了來(lái)自21個(gè)國(guó)家和地區(qū)的各大學(xué)及頂級(jí)廠商的210余名代表參加。其中來(lái)自中國(guó)（含中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)）的專(zhuān)家學(xué)者有70余人，約占與會(huì)人數(shù)的30%。會(huì)議共錄用論文149篇，論文集由Elsevier公司出版成冊(cè)并在公司網(wǎng)站公開(kāi)發(fā)表[1]。該論文集的論文主要圍繞電火花加工、電化學(xué)加工、激光及高能束加工、電沉積加工、增材制造、超聲加工、磨料水射流加工、復(fù)合加工等專(zhuān)題展開(kāi)了交流。本文對(duì)該論文集所發(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 電火花成形加工

1.1 加工機(jī)理研究

近年來(lái)，采用SiC透明半導(dǎo)體作為工件，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝電火花加工過(guò)程，成為電火花加工機(jī)理研究的主要實(shí)驗(yàn)手段。在該實(shí)驗(yàn)方法的支持下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法對(duì)電火花放電過(guò)程、不同工件材料、介質(zhì)影響等進(jìn)行了深入的機(jī)理研究。同時(shí)，也有新的研究實(shí)驗(yàn)手段出現(xiàn)，為機(jī)理研究提供了更多可選項(xiàng)。

日本筑波大學(xué)的Tani Takayuki等更新了實(shí)驗(yàn)方法，采用特定波長(zhǎng)激光作為光源，同時(shí)在圖像接收端增加了帶通濾波器，以濾除該特定激光波長(zhǎng)以外的光，從而得到不受等離子強(qiáng)光發(fā)射影響的放電過(guò)程影像（圖1）。其研究目的是通過(guò)直接觀察放電過(guò)程來(lái)驗(yàn)證以往對(duì)放電凹坑形成過(guò)程的理解是否正確。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，在脈沖寬度為100μs的長(zhǎng)脈沖放電期間，先后發(fā)生了幾次爆炸（圖2）。

圖1 單次放電觀測(cè)系統(tǒng)

圖2 放電過(guò)程中觀察到的間隙現(xiàn)象及其放電波形

絕緣材料可借助輔助電極進(jìn)行電火花加工，但存在加工過(guò)程不穩(wěn)定和加工條件需隨著不同工件材料而調(diào)整的問(wèn)題，且加工過(guò)程中長(zhǎng)脈沖放電的機(jī)理尚不明確。日本東京都工業(yè)技術(shù)大學(xué)的Masahiro Yoshida等開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量長(zhǎng)脈沖放電的系統(tǒng) （圖3），能同步觀測(cè)放電現(xiàn)象和放電波形。通過(guò)高速攝像機(jī)觀察石英玻璃的電火花鉆孔過(guò)程來(lái)研究放電波形與加工間隙中的放電現(xiàn)象之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了長(zhǎng)脈沖放電起到在放電表面上形成碳膜的作用，并且在長(zhǎng)脈沖放電之后，正常放電集中發(fā)生在相同位置的現(xiàn)象出現(xiàn)的概率更高。

圖3 同步觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行原理

據(jù)報(bào)道，在水中可獲得比在油中更高的材料去除率。日本東京大學(xué)的Masanori Kunieda等使用由SiC單晶制成的透明電極觀察放電位置的分布，發(fā)現(xiàn)放電位置在水中比在油中更分散。通過(guò)比較還發(fā)現(xiàn)單脈沖放電的材料去除量在水、油中相同，因而在水中加工比在油中加工更加穩(wěn)定。通過(guò)觀察氣泡的移動(dòng)和介電液體在工作間隙中的流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，放電引起的液體徑向流動(dòng)可向距離放電點(diǎn)較遠(yuǎn)處傳播，且由于油的粘度高于水，通過(guò)介質(zhì)的阻尼作用，氣泡的振蕩可在水中持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)水的冷卻效果比油好，在水中可采用更短的脈沖停歇時(shí)間和更高的放電電流，而不易引發(fā)放電位置集中。以上，可能是水中的材料去除率高于油中的原因。

臺(tái)灣大學(xué)的廖運(yùn)炫等通過(guò)流體力學(xué)分析和高速攝像機(jī)拍攝模擬排屑實(shí)驗(yàn)的方式，研究了高速抬刀時(shí)的排屑特征。研究表明，抬刀速度和高度在一定范圍內(nèi)時(shí)，可產(chǎn)生利于排屑的小氣泡；但速度和高度很大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不利于排屑的大氣泡。針對(duì)不同寬度電極可采用多次抬刀的策略，每次抬刀高度和速度不同，以便達(dá)到最佳的排屑效果。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Fritz Klocke等介紹了一種確定放電位置的新方法。該方法使用熱成像相機(jī)觀察小厚度樣件的反面，當(dāng)正面實(shí)施電火花成形加工時(shí)，每次放電所產(chǎn)生熱量迅速傳導(dǎo)到小厚度樣件的反面并產(chǎn)生熱點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)熱點(diǎn)圖像可以方便地確定放電的平面位置，并通過(guò)加工數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)的比較將放電能量對(duì)應(yīng)到放電位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)際的加工條件下觀測(cè)每次放電點(diǎn)的位置，可直觀地獲得電火花成形加工過(guò)程放電能量的時(shí)間和空間分布。

西班牙ONA公司的Fla?o等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電火花加工過(guò)程中電極幾何形狀以及電極路徑對(duì)電極的損耗影響，建立了易于實(shí)施的電極損耗以及放電間隙指標(biāo)，然后通過(guò)不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電極損耗區(qū)域和長(zhǎng)度與加工時(shí)間呈線性關(guān)系，而損耗分布情況與加工參數(shù)關(guān)系不大（圖4）。

圖4 一組放電參數(shù)下電極加工后的損耗情況

1.2 加工條件研究

1.2.1 高硬度弱導(dǎo)電材料的電火花加工研究

越來(lái)越多的高硬度弱導(dǎo)電材料在現(xiàn)在工業(yè)中得到應(yīng)用，如金屬-陶瓷功能梯度材料、陶瓷復(fù)合材料、PcBN（Polycrystalline cubic boron nitride，人造聚晶立方氮化硼刀具）、PCD（Polycrystalline Diamond，人造聚晶金剛石刀具）及ZrB2-SiC陶瓷材料。這些材料具有硬度高、絕熱、耐磨損的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)切削加工方法無(wú)法適用。電火花加工是一種有效的方法，然而材料的絕緣或弱導(dǎo)電性給電火花加工也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)上述材料展開(kāi)了電火花加工工藝的研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉洪政針對(duì)三層金屬-陶瓷功能梯度材料70%Ni30%Al2O3-30%Ni70%Al2O3-100%Ni，研究了開(kāi)路電壓對(duì)材料去除率、放電狀態(tài)、表面形貌以及加工后表面元素分布等的影響。研究結(jié)果表明，隨著開(kāi)路電壓的增加，高金屬含量層（純鎳層及70%鎳30%Al2O3層）的材料去除率（MRR）上升緩慢，而對(duì)于低金屬含量層 （30%鎳70%Al2O3），當(dāng)開(kāi)路電壓從110 V增加到170 V時(shí)，MRR顯著增加。對(duì)于30%鎳70%Al2O3層，開(kāi)路電壓增加時(shí)，放電波形的類(lèi)型及數(shù)量發(fā)生明顯變化，呈逐漸減少的趨勢(shì)。開(kāi)路電壓對(duì)低金屬含量層 （30%鎳70%Al2O3）表面質(zhì)量的影響有別于高金屬含量層（純鎳層及70%鎳30%Al2O3層）。隨著開(kāi)路電壓的增加，表面質(zhì)量顯示變好、隨后又變差的情況，存在一個(gè)最優(yōu)值。

為了提高陶瓷復(fù)合材料的放電加工性能，德國(guó)斯圖加特大學(xué)陶瓷構(gòu)件與復(fù)合材料制造技術(shù)研究所對(duì)三元復(fù)合陶瓷ZTA-TiC的材料組成與機(jī)械加工、線切割加工特性之間的區(qū)別進(jìn)行了研究。Andrea Gommeringer的研究集中在TiC的含量以及晶粒大小對(duì)電加工性能的影響上。Frank Kern的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TiC的含量與電導(dǎo)率、放電電流以及去除率正相關(guān)。對(duì)于TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～24%的陶瓷復(fù)合材料，晶粒越細(xì)小、去除率越大；對(duì)于TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%的材料，當(dāng)晶粒最粗大時(shí)，去除率最高，故認(rèn)為這兩種截然相反的趨勢(shì)其根本原因是去除機(jī)理不同，前者是熔化與氣化的混合去除過(guò)程，后者則是氣化去除所占比例減小。此外，與金屬加工不同，加工速度與表面粗糙度之間并非負(fù)相關(guān)。該研究涉及的復(fù)合陶瓷成分幾乎涵蓋了目前可加工ZTA-TiC材料所有范疇。對(duì)于低TiC含量的復(fù)合陶瓷，其導(dǎo)電率太低，不適合放電加工；對(duì)于高TiC含量的復(fù)合陶瓷，其含量會(huì)對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

北京電火花加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室賈云海對(duì)電火花磨削PcBN與PCD展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究，主要研究PcBN晶粒大小、加工工藝參數(shù)對(duì)加工效率和加工質(zhì)量的影響，以及工具電極材料對(duì)PCD加工質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，PcBN晶粒大小對(duì)電火花磨削加工的影響不大，而加工工藝參數(shù)是主要影響因素。隨著電極旋轉(zhuǎn)速度的增加，PcBN材料去除率和電極損耗增加，PcBN表面粗糙度值和熱影響層厚度先顯著下降、后緩慢上升。相比于峰值電流和脈沖寬度，電極更換對(duì)PcBN加工質(zhì)量和加工效率的影響要弱許多。隨著峰值電流的增加，PcBN的材料去除率、表面粗糙度值和熱影響層厚度均增加，而電極損耗比降低，因而峰值電流通常不高于6 A。脈沖寬度增加會(huì)導(dǎo)致材料去除率、表面粗糙度值、熱影響層厚度均增加，但同時(shí)電極損耗比降低。當(dāng)脈沖寬度小于25μs時(shí)，上述變化趨勢(shì)較平緩；但脈沖寬度大于25μs，增長(zhǎng)幅度迅速變大。PcBN刀具切削實(shí)驗(yàn)表明，刀具表面粗糙度值和熱影響層厚度對(duì)刀具壽命的影響很大。PCD加工實(shí)驗(yàn)顯示，熱影響層無(wú)法避免，其主要影響因素是金剛石的石墨化及粘合劑的分解，采用石墨電極時(shí)，其加工效率明顯高于紫銅電極，同時(shí)刀具邊緣的粗糙度值和熱影響層厚度也高于采用紫銅電極加工的結(jié)果。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭永豐等通過(guò)對(duì)ZrB2-SiC陶瓷材料在不同電火花加工參數(shù)條件下的加工實(shí)驗(yàn)觀察，分析了其對(duì)材料去除率、側(cè)面放電間隙以及表面形貌的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工件為正極性時(shí)，其表面有較大的溶滴，而工件為負(fù)極性時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)多邊形材料層以及方形區(qū)域（圖5）。

圖5 使用不同極性加工ZrB2-SiC陶瓷表面

1.2.2 面向表面質(zhì)量的電火花加工條件研究

電火花加工工件的表面質(zhì)量影響工件表面的光亮度、紋理以及性能，是衡量電火花加工性能的重要指標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用微觀觀察以及表面測(cè)量的方法，研究了電火花加工條件對(duì)表面質(zhì)量的影響。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊曉冬等將電容耦合方法應(yīng)用于大面積電火花加工以實(shí)現(xiàn)表面光亮。其工作原理見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，脈沖發(fā)生器通過(guò)饋電電容與工具電極耦合，作用于電極對(duì)兩端。當(dāng)饋電電容減小時(shí)，可減少每個(gè)脈沖的放電能量，從而實(shí)現(xiàn)精整加工。此外，該方法還可消除工具電極與工件之間分布電容的影響，從而進(jìn)一步降低單個(gè)脈沖放電能量，實(shí)現(xiàn)加工表面光亮化。這項(xiàng)研究還研究了工作表面面積較大時(shí)工作間隙的充電和放電特性，證實(shí)了每個(gè)脈沖的放電能量可減到足夠小并獲得光亮表面。

圖6 電容耦合法EDM原理

表面工程是一種通過(guò)紋理修飾或表面修飾來(lái)增強(qiáng)材料功能和性能的技術(shù)。通過(guò)電火花加工過(guò)程本身可增強(qiáng)表面的功能性如降低摩擦或降低、控制附著力，而不需要二次操作。英國(guó)制造技術(shù)中心有限公司的Mohammad Antar等研究了3DS（modified surface structuring，改進(jìn)表面結(jié)構(gòu)）方法對(duì)表面完整性的影響。研究結(jié)果表明，與使用標(biāo)準(zhǔn)電火花工藝加工的樣品相比，該方法可降低摩擦系數(shù)，且最多可降低60%。雖然二者具有相似Ra值，但與標(biāo)準(zhǔn)EDM樣品相比，3DS樣品表現(xiàn)出略低的抗疲勞性能，這可能是表面微裂紋造成的結(jié)果。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的Fritz Klocke等開(kāi)展了不同材料在不同極性下的單次放電、多次放電以及連續(xù)放電加工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)極性對(duì)單次放電蝕坑形貌有重要影響。在連續(xù)放電實(shí)驗(yàn)中，正極性加工Ti6Al4V的材料去除率較低。而工件為鋼時(shí)，由于其導(dǎo)熱系數(shù)較高，材料去除率也較高。Ti6Al4V單次放電實(shí)驗(yàn)的掃描電鏡圖像見(jiàn)圖7。

圖7 Ti6Al4V單次放電實(shí)驗(yàn)的掃描電鏡圖像

瑞士GFMS公司的Umang Maradia等通過(guò)使用電火花加工來(lái)改變模具表面紋理的方法，降低表面粗糙度（RSm和RΔq）來(lái)提高注塑成形的效率。使用該方法可用于替代鍍層表面，從而降低模具表面的脫模力，提高注塑成形的生產(chǎn)效率和零件質(zhì)量。

中國(guó)工程物理研究院的陳飛等研究了單次放電情況下電火花加工不銹鋼材料時(shí)晶粒大小對(duì)于其蝕除特性的影響。通過(guò)對(duì)不銹鋼進(jìn)行不同參數(shù)的熱處理以獲得不同的晶粒大小，并通過(guò)比較試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：晶粒越小，其放電蝕坑的直徑和深度越大。

1.3 放電加工新工藝

為了優(yōu)化電火花加工性能，解決某類(lèi)難加工零件、某種難加工材料的加工問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還提出了若干放電加工新工藝。

清華大學(xué)的寇兆軍等提出了一種通過(guò)快速旋轉(zhuǎn)電極產(chǎn)生移動(dòng)電弧的放電銑削加工方法 （圖8）,其理論研究給出了移動(dòng)電弧的運(yùn)動(dòng)特性和電阻特性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察給出了移動(dòng)電弧的加工機(jī)制。鈦合金的加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其提出的移動(dòng)式電弧銑削方法能在不消弧的情況下連續(xù)去除材料，因此具有較高的材料去除率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)約0.7 mg/min的低電極損耗。

圖8 移動(dòng)電弧放電銑削加工設(shè)備示意圖

上海交通大學(xué)的康小明等在研究中發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)軸的伺服響應(yīng)速度較慢是影響閉式整體葉盤(pán)加工效率的原因之一，可通過(guò)設(shè)計(jì)沿直線運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化電極進(jìn)行預(yù)加工（圖9），從而實(shí)現(xiàn)閉式整體葉盤(pán)流道內(nèi)的大部分材料進(jìn)行高效去除。其開(kāi)展的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用簡(jiǎn)化電極加工某閉式整體葉盤(pán)，能縮短32.2%的加工時(shí)間。

圖9 簡(jiǎn)化電極的設(shè)計(jì)

非導(dǎo)電材料如ZrO2、Al2O3、SiC，通常在電火花加工時(shí)在工件表面沉積或增加輔助導(dǎo)電材料，用以引發(fā)火花放電。同時(shí)，采用碳?xì)浠衔镱?lèi)工作液，使其在放電高溫作用下分解為導(dǎo)電的碳并沉積在非導(dǎo)電工件表面，以維持火花放電的持續(xù)發(fā)生。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)床制造研究所的Mikhail Kliuev，對(duì)去離子水中非導(dǎo)電材料的電火花打孔進(jìn)行了研究。其工作原理是利用工具電極的蝕除產(chǎn)物飛濺沉積在非導(dǎo)電材料表面上，起到輔助電極的作用，使火花放電持續(xù)。為了維持該現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)采用低電壓以縮小極間間隙，并采用可控短路的方法達(dá)到材料飛濺沉積的效果。實(shí)驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖10，采用銀作為輔助電極、銅作為電極；工件接負(fù)極，電參數(shù)選用自電極修整工藝（表1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在去離子水中，采用直徑1 mm的電極可加工深度1.5 mm的孔，之后加工變得困難。低電壓加工時(shí)頻繁出現(xiàn)短路，可強(qiáng)化工具電極材料在非導(dǎo)電工件上的沉積。

表1 電火花加工Zr O2的主要電參數(shù)

圖10 去離子水中電火花加工ZrO2的工作原理示意圖

清華大學(xué)的梁威等提出了一種名為分塊電火花加工的新方法來(lái)加工擴(kuò)壓型氣膜冷卻孔。通過(guò)分塊電火花加工過(guò)程的幾何模型仿真，分析了由電極損耗帶來(lái)的加工誤差，進(jìn)而通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所加工的扇形擴(kuò)散型氣膜冷卻孔的擴(kuò)散角誤差可控制在5.9%以?xún)?nèi)，與仿真結(jié)果吻合較好。

1.4 加工過(guò)程控制研究

針對(duì)難加工材料、難加工形狀的工件等加工難題，還可從過(guò)程控制方面進(jìn)行研究和改進(jìn)。

上海交通大學(xué)的劉宏達(dá)等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在閉式整體葉盤(pán)多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工過(guò)程中，由小線段構(gòu)成的抬刀路徑會(huì)導(dǎo)致其頻繁加減速，這是影響加工效率的一個(gè)重要原因。通過(guò)對(duì)閉式整體葉盤(pán)加工過(guò)程中小線段抬刀軌跡的平滑，獲得平順的速度曲線。仿真結(jié)果表明，該方法能獲得光順的多段路徑抬刀速度曲線，同時(shí)也能減少單次抬刀用時(shí)。

北京建筑大學(xué)的周明等提出了一種用于電火花加工伺服進(jìn)給的擴(kuò)展自適應(yīng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含兩個(gè)串聯(lián)的閉環(huán)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其中一個(gè)系統(tǒng)用于根據(jù)參考放電狀態(tài)調(diào)節(jié)加工參數(shù)，另一個(gè)系統(tǒng)用于根據(jù)當(dāng)前加工狀態(tài)調(diào)整參考放電狀態(tài)，自適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)由遞推最小二乘法獲得。使用該方法對(duì)TA15鈦合金和鉬鈦鋯（TZM）合金進(jìn)行盲孔加工實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)伺服控制系統(tǒng)相比，自適應(yīng)系統(tǒng)的最大加工深度提高約154%、電極損耗有所下降、加工效率略有下降。類(lèi)似的，北京建筑大學(xué)的穆新等提出了用于電火花加工的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高加工效率和表面一致性；北京建筑大學(xué)的荊紅雁等提出了一種多輸入多輸出的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可提高電火花盲孔加工最大深度。

德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)的T.Berger等為了提高微細(xì)電火花伺服進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在原有伺服系統(tǒng)上增加一個(gè)輔助進(jìn)給系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要含有一個(gè)安裝在工件夾具下的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（圖11）。實(shí)驗(yàn)研究了原有伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，得出了提高進(jìn)給量調(diào)節(jié)的靈敏度有利于加工穩(wěn)定的結(jié)論，并據(jù)此研制了增加動(dòng)態(tài)特性的輔助裝置，提供了更好的動(dòng)態(tài)特性和更微小的進(jìn)給增量。

圖11 基礎(chǔ)系統(tǒng)上安裝的高動(dòng)態(tài)特性壓電模塊

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王力等提出了一種用于有熱障涂層的鎳基高溫合（TBCs）電火花加工的新放電狀態(tài)檢測(cè)方法。該方法通過(guò)比較不同放電電壓及擊穿延時(shí)來(lái)區(qū)分不同放電狀態(tài)，且用FPGA搭建了專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)電路，能檢測(cè)15種不同的放電狀態(tài)。

2 電火花線切割加工

2.1 加工基礎(chǔ)研究

日本岡山大學(xué)的Yasuhiro Okamoto等研究了使用多電極電火花線切割加工圓柱形單晶硅片時(shí)進(jìn)給率與切口寬度的關(guān)系。由于加工過(guò)程中厚度始終變化，若采用單一進(jìn)給率，不同厚度處的切口寬度不一致。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了不同厚度下合適的進(jìn)給率，使用變進(jìn)給率方法加工，可使切口寬度一致。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳祥等研究了使用帶轉(zhuǎn)臺(tái)的微細(xì)往復(fù)走絲線切割加工復(fù)雜陣列微細(xì)結(jié)構(gòu)，成功加工出邊長(zhǎng)為40μm、高度為700μm的陣列微細(xì)電極結(jié)構(gòu)（圖12）。

圖12 六邊形微細(xì)電極陣列的加工過(guò)程

日本岡山大學(xué)的Tomonori Ebisu等使用CFD（Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體力學(xué)）仿真方法分析了線切割加工中切口內(nèi)的流場(chǎng)與碎屑運(yùn)動(dòng)以及沖液條件對(duì)拐角處形貌精度的影響（圖13）。結(jié)果表明，沖液對(duì)電極絲變形有顯著影響，且在拐角處流場(chǎng)和碎屑濃度會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化，實(shí)際測(cè)量的拐角輪廓誤差與仿真結(jié)果接近。

圖13 線切割加工CFD分析模型

德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Ulrich Schmitt-Radloff等研究了線切割加工對(duì)氧化鋯增強(qiáng)氧化鋁-碳化鈮（ZTA-NbC）陶瓷材料性能的影響。加工采用1次粗加工和4次精修的方式。結(jié)果表明：加工過(guò)程對(duì)材料性能有顯著影響，加工后的材料抗彎強(qiáng)度下降但表面質(zhì)量提高，威布爾模量（Weibull Modulus）增大，可靠性提高。對(duì)每一步加工的分析表明，為了獲得最佳性能，精修過(guò)程是必須的。

2.2 加工過(guò)程控制

上海交通大學(xué)的黃廣煒等提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的工件厚度在線識(shí)別方法。該方法以支持向量機(jī)回歸為核心算法，以有效放電頻率、實(shí)際進(jìn)給率、程序進(jìn)給率、脈間等四個(gè)參數(shù)為輸入，采集樣本數(shù)據(jù)后，通過(guò)訓(xùn)練建立識(shí)別模型，將模型集成在線切割數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行變厚度切割在線識(shí)別。針對(duì)往復(fù)走絲線切割加工的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明工件厚度識(shí)別誤差可控制在2 mm以?xún)?nèi)。

瑞士應(yīng)用科學(xué)和藝術(shù)大學(xué)的G.W?lder等通過(guò)分析線切割加工過(guò)程，建立了加工中耗材（如電極絲、濾網(wǎng)、導(dǎo)電塊、離子交換樹(shù)脂等）的消耗或損耗模型。此模型可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耗材的當(dāng)前損耗狀態(tài)以及預(yù)估下次加工的消耗量。這一方法可有效提高線切割加工的自動(dòng)化水平。

日本金澤大學(xué)的Tomohiro Koyano等設(shè)計(jì)了一種使用光纖雙色高溫計(jì)直接測(cè)量電火花線切割加工中電極絲溫度的方法，可測(cè)量100℃以上的溫度。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖14。實(shí)驗(yàn)對(duì)使用噴霧冷卻的線切割加工過(guò)程中的電極絲溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，結(jié)果顯示電極絲溫度低于100℃。

圖14 用于測(cè)量電火花線切割噴霧加工時(shí)電極絲溫度的實(shí)驗(yàn)裝置

2.3 設(shè)備

北京東興潤(rùn)滑劑公司的何賜文等研制了一種使用兩個(gè)儲(chǔ)絲卷和超長(zhǎng)電極絲的往復(fù)走絲線切割機(jī)床。該機(jī)床使用長(zhǎng)達(dá)5～10 km的電極絲，兩端分別纏繞在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的儲(chǔ)絲卷上，電極絲張力可控制在3～30 N范圍。使用該機(jī)床進(jìn)行的加工實(shí)驗(yàn)表明，由于大大減少了電極絲換向次數(shù)，表面質(zhì)量顯著提升，甚至可達(dá)到單向走絲線切割加工的水平。

3 電化學(xué)加工

3.1 電化學(xué)加工基礎(chǔ)研究

在電化學(xué)基礎(chǔ)研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用建模仿真的方法，從電參數(shù)和電解質(zhì)兩個(gè)角度研究其對(duì)電化學(xué)加工結(jié)果的影響。

清華大學(xué)的韓福柱等研究了脈沖型電化學(xué)加工過(guò)程中極化電壓波形對(duì)加工精度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在電化學(xué)加工過(guò)程中，在脈間時(shí)間內(nèi)消除反向電流的影響后，幾何精度和形狀精度都會(huì)大幅度提高。因而，據(jù)此設(shè)計(jì)了一種新型的加工電源，有助于提高加工精度。

德國(guó)亞琛大學(xué)的Fritz Klocke等探討了現(xiàn)有精密電化學(xué)加工過(guò)程中建模方法的不足，提出了一種新型建模方法。該方法通過(guò)兩種靜態(tài)解插值獲得電解液速度場(chǎng)，并引入了一種時(shí)間步進(jìn)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)步長(zhǎng)的材料溶解仿真。Klocke等還對(duì)電化學(xué)加工42CrMo4鋼過(guò)程的表面完整性進(jìn)行了建模和仿真。研究發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)加工過(guò)程中的電場(chǎng)力隨著溫度變化而變化，在電場(chǎng)力作用下，表面完整性（表面粗糙度）也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。在該模型的幫助下，可以較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)不同加工參數(shù)和初始狀態(tài)（晶粒尺度、金相組成等）下工件的表面形貌。

日本東京大學(xué)的Garg Mayank等研究發(fā)現(xiàn)，與以往所認(rèn)為的電流流通率與電解質(zhì)類(lèi)型無(wú)關(guān)的結(jié)論不同，使用不同類(lèi)型（氯化鈉和硝酸鈉）的電解質(zhì)溶液時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間對(duì)電流流通率有一定影響。在該文中，研究了電解質(zhì)產(chǎn)生上述行為的原因：首先利用半導(dǎo)體Ga2O3晶片等透明電極觀察加工過(guò)程中的電極間間隙現(xiàn)象；其次收集產(chǎn)生的氣體并通過(guò)氣相色譜分析以了解間隙中發(fā)生的反應(yīng)（圖15）；最后考慮離子傳輸方程進(jìn)行了模擬驗(yàn)證理論的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖持續(xù)時(shí)間增加，抑制陽(yáng)極上的氧氣產(chǎn)生是電流效率隨脈沖持續(xù)時(shí)間增加的主要原因。

圖15 電化學(xué)加工氣體色譜分析裝備

3.2 電化學(xué)加工實(shí)驗(yàn)研究

除了理論研究，還有學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，探究各工藝參數(shù)對(duì)加工效果的影響。

南京航空航天大學(xué)的王登勇等觀察了CRECM（Counter-rotating electrochemical machining，旋印電解加工）過(guò)程中的材料去除的過(guò)程，分析了徑向材料去除率與最小極間間隙以及加工電流等的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)的沉入式ECM不同，材料去除率和陰極進(jìn)給速度很難達(dá)到平衡狀態(tài)，陽(yáng)極工件加工在陰極進(jìn)給速度為0.08 mm/s的情況下，獲得的表面粗糙度值為Ra0.12μm。

日本Keisoku系統(tǒng)工程公司的米大海等觀察了影響電化學(xué)加工過(guò)程中轉(zhuǎn)角區(qū)域表面粗糙度的因素。研究結(jié)果表明：由于轉(zhuǎn)角區(qū)域造成流道幾何形狀的突然變化，氣泡易產(chǎn)生和聚集，從而影響電極表面的電流分布，造成轉(zhuǎn)角加工表面精度較差。轉(zhuǎn)角處流速場(chǎng)分布見(jiàn)圖16。

南京航空航天大學(xué)的劉壯等基于非線性回歸分析提出了一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停靡钥刂艫ECJM（Abrasive assisted electrochemical jet machining,磨料輔助電化學(xué)射流加工）加工微細(xì)流道的特性，如流道深度和寬度。模型參數(shù)包括工作電壓、磨料濃度、電解液濃度、射流壓力、射流掃描速度和射流掃描次數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，在流道深度為40～250μm時(shí)，對(duì)流道寬度和深度的預(yù)測(cè)誤差約為4.4%～6.2%。

德國(guó)亞琛大學(xué)的Fritz Klocke等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了對(duì)雙螺旋電極電化學(xué)線切割的加工速率和表面一致性的影響因素，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖17。結(jié)果表明：對(duì)切縫寬度有影響的因素包括進(jìn)給速率、噴嘴直徑、工作電壓；對(duì)表面粗糙度有影響的因素包括電解液壓力、進(jìn)給速率、前部和側(cè)向加工間隙。另外，電極旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致前緣和入口邊緣部分溶解。

圖16 ECM加工中轉(zhuǎn)角處流速場(chǎng)分布

圖17 電化學(xué)線切割研究平臺(tái)以及電極結(jié)構(gòu)的仿真效果

3.3 電化學(xué)射流加工

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Ivan Bisterov開(kāi)發(fā)了一種CAM軟件用于EJP（Electrochemical Jet Processing,電化學(xué)噴射加工）。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，可精確控制表面粗糙度、表面形貌和痕跡深度等表面參數(shù)。圖18是一幅梵高畫(huà)作原圖在CAM軟件輔助下形成加工路徑并進(jìn)行加工的過(guò)程。通過(guò)該種方法可以節(jié)約成本，提高加工效率。

德國(guó)開(kāi)姆尼茲理工大學(xué)的A.Martin研究了電化學(xué)射流加工過(guò)程中工件材料、噴嘴與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、工件間隙、電解液的種類(lèi)和電解液的導(dǎo)電率與加工表面精度之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)所施加的電壓大小影響電化學(xué)射流的電流密度，從而影響溝槽的寬度和深度。

圖18 由梵高畫(huà)作形成加工路徑并加工

德國(guó)開(kāi)姆尼茲理工大學(xué)的Norbert Lehnert研究了電化學(xué)射流加工處理鋁基復(fù)合材料的技術(shù)路線。首先，實(shí)驗(yàn)研究了含10%碳化硅的EN-AW-2017鋁基復(fù)合材料在硝酸鈉中的溶解特性；其次，在電化學(xué)射流加工中采用不同pH值的溶液 （氯化鈉和硝酸鈉），用來(lái)在鋁基碳化硅材料上產(chǎn)生點(diǎn)蝕；最后采用碳化硅顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、5%、10%的材料做對(duì)比加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，腐蝕深度與碳化硅占比、電壓、加工時(shí)間和電解液種類(lèi)有關(guān)；不同種類(lèi)電解液的溶解特性不同，工作電壓和加工時(shí)間是控制腐蝕點(diǎn)的決定性因素；SiC顆粒占比對(duì)加工深度和寬度也有小范圍的影響。

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Alistair Speidel等研究了電化學(xué)射流加工過(guò)程中多晶硅銅片預(yù)處理狀態(tài)對(duì)加工結(jié)果的影響。研究表明，電化學(xué)射流加工可用來(lái)生成表面織構(gòu)；在高于室溫的情況下進(jìn)行軋制加工的工件表面，在任意電流條件下，都會(huì)產(chǎn)生較小的蝕坑；在退火條件下，晶粒較大，電化學(xué)射流加工后有利于形成低孔隙度有序表面；加工前材料的晶粒取向和晶粒度等均對(duì)加工結(jié)果有所影響。

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的Jonathon Mitchell-Smith研制了多路電化學(xué)射流加工的裝置，通過(guò)該裝置不同種類(lèi)的電解液可以快速更換或?qū)崿F(xiàn)混合加工，從而滿(mǎn)足精加工與粗加工的進(jìn)程。在該研究中，通過(guò)應(yīng)用三種不同的電解液加工出了梯度表面材料。多路電化學(xué)射流加工的裝備見(jiàn)圖19。

3.4 電化學(xué)加工表面質(zhì)量研究

廣東工業(yè)大學(xué)的張傳運(yùn)等研究了一種采用電化學(xué)加工法加工大螺距滾珠螺母溝槽的方法，該方法通過(guò)使用可移動(dòng)的約束環(huán)，來(lái)改善加工過(guò)程中流場(chǎng)。由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)引入約束環(huán)，流場(chǎng)得到了很大的改善。該方法可穩(wěn)定加工25°升角的螺旋溝槽。

圖19 多路電化學(xué)射流加工裝置示意圖

日本大阪大學(xué)的徐楊使用AFM觀察了4H-SiC材料 ECMP（Electrochemical mechanical polishing,電化學(xué)機(jī)械拋光）的初始階段，結(jié)果表明氧化反應(yīng)從表面平臺(tái)的邊緣開(kāi)始，后逐漸擴(kuò)展到底部。同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)極氧化法會(huì)產(chǎn)生較大氧化物突起，且突起隨著氧化過(guò)程增長(zhǎng)。因此，如果能在氧化物產(chǎn)生時(shí)迅速將其去除，將能獲得光潔的表面。

比利時(shí)魯汶大學(xué)的郭程將之前的單電極SMEFC（Scanning micro electrochemical flow cell，電化學(xué)掃描單元）推廣到多電極，詳細(xì)介紹了設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程。通過(guò)使用該設(shè)備加工中尺度的陣列孔和槽，驗(yàn)證了其可靠性，并通過(guò)仿真解釋了橢圓形孔產(chǎn)生的原因。加工的陣列孔見(jiàn)圖20。

圖20 不同真空間隙下的孔的形狀

3.5 先進(jìn)材料的電化學(xué)加工研究

日本東京農(nóng)工大的Saori Hizume等發(fā)現(xiàn)，使用電解質(zhì)抽吸電極加工鈦合金會(huì)使加工表面不平坦，且出現(xiàn)了沿著掃描方向加工量減少的問(wèn)題。研究還觀察了施加電壓與上述二者的關(guān)系以及加工電流密度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)電壓低于20 V且低電流密度的接通時(shí)間低于1 s時(shí)，可實(shí)現(xiàn)均勻的加工。

南京航空航天大學(xué)的劉嘉等提出了一種復(fù)雜型面電極的電化學(xué)反拷貝方法（圖21），大幅簡(jiǎn)化了工具電極的制作過(guò)程。研究表明，通過(guò)調(diào)整進(jìn)給速度可控制最優(yōu)的加工間隙，通過(guò)使用不銹鋼的反拷貝電極可實(shí)現(xiàn)γ-TiAl金屬間化合物葉片的電化學(xué)加工，并具有較好的質(zhì)量和加工精度。

圖21 ECM加工反拷貝法原理圖

德國(guó)薩爾布呂肯大學(xué)的A.Ernst等通過(guò)仿真提出了一種電極仿真和優(yōu)化的逆運(yùn)算算法，使噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的電化學(xué)加工電極形狀設(shè)計(jì)流程大為縮短。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法特別適用于加工葉片的表面和前緣，但加工的葉片后緣部分區(qū)域還不能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

3.6 電化學(xué)加工的應(yīng)用研究

南京航空航天大學(xué)的趙建社等為了提高菱形孔格柵的電化學(xué)加工精度和穩(wěn)定性，對(duì)基于陽(yáng)極溶解理論中影響電化學(xué)加工的因素進(jìn)行了研究，強(qiáng)調(diào)較小加工間隙對(duì)于高精度加工的重要性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：高頻短脈沖與輔助振動(dòng)的匹配以及鈍化電解質(zhì)能顯著減少雜散腐蝕，同時(shí)提高加工精度。

日本關(guān)東學(xué)院大學(xué)的Mitsuo Uchiyama等對(duì)電化學(xué)加工中使用的電極和加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，用于彎曲小孔的加工。加工孔的曲率由電極尖端到末端的傾斜角及電極進(jìn)給速度決定，通過(guò)增加超聲振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了直徑6 mm及以下彎曲小孔的加工。使用外徑為4 mm的電極，在超聲振動(dòng)輔助下能使彎曲小孔的加工速度達(dá)到1.8 mm/min，如圖22所示。

圖22 兩種不同方法的加工速度對(duì)比

日本東京大學(xué)的韓偉等使用靜電感應(yīng)反饋法對(duì)微細(xì)鎢桿進(jìn)行磨削加工，使用中性電解液以及雙極性電流成功實(shí)現(xiàn)了鎢桿的加工。為了避免雙極性電流對(duì)電極損耗造成的影響，用運(yùn)行的黃銅絲作為電極，實(shí)現(xiàn)了微細(xì)鎢桿的磨削加工。

4 超聲加工

廣東工業(yè)大學(xué)的何俊峰等提出了電泳輔助微超聲波加工的方法，以減少硬脆材料孔加工時(shí)的邊緣碎裂。如圖23所示，磨粒在電泳效應(yīng)和電場(chǎng)作用下聚集在刀具周?chē)?，在磨擦過(guò)程中磨粒的利用率增加，刀具與工件之間的直接錘擊得以削弱。使用最佳參數(shù)值如加工力0.1 N、磨粒直徑0.1μm、電場(chǎng)電壓5 V、超聲功率21 W，可在單晶硅中加工出直徑為100μm的微孔。與傳統(tǒng)的微細(xì)超聲加工相比，采用該方法加工的孔周?chē)行忌?，且加工質(zhì)量和材料去除率大幅提高。

圖23 電泳輔助微超聲加工原理圖

埃及-日本科技大學(xué)（E-JUST）的Mohamed O.Helmy等研究了采用超聲輔助銑削加工方法對(duì)多向CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics，碳纖維增強(qiáng)塑料）層壓板進(jìn)行邊緣修整時(shí)，不同的流體輸送方法（微量潤(rùn)滑/沖液）在不同切削條件下對(duì)加工的影響，還研究了切削速度、進(jìn)給速度、徑向切削深度和冷卻方式等工藝參數(shù)對(duì)切削力、表面完整性和彈回效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，沖液比微量潤(rùn)滑具有更好的效果。

日本筑波大學(xué)的Hiromitsu Gotoh等提出了一種用振動(dòng)針工具對(duì)CFRTP（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics，碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料）進(jìn)行微孔加工的方法。研究中對(duì)直徑為0.5 mm的針狀工具施加超聲波振動(dòng)，然后讓針狀工具與CFRTP接觸以軟化熱塑性基體樹(shù)脂，從而避免切割碳纖維。該研究用約1 s時(shí)間完成對(duì)厚度1 mm的CFRTP鉆孔。

5 激光及高能束流加工

5.1 激光加工

廣東工業(yè)大學(xué)的鄧宇等利用納秒級(jí)激光在聚二甲硅氧烷材料上進(jìn)行加工，誘導(dǎo)出可調(diào)節(jié)的褶皺。研究發(fā)現(xiàn)，在材料表面施加預(yù)應(yīng)力對(duì)于產(chǎn)生可調(diào)節(jié)褶皺十分必要。隨著入射激光能量的增加，褶皺長(zhǎng)度和幅度都有所增加。當(dāng)激光能量超過(guò)5 W時(shí)，波紋之間產(chǎn)生交叉；當(dāng)預(yù)應(yīng)力超過(guò)150 kPa時(shí)，會(huì)有微裂紋產(chǎn)生。通過(guò)該方法，可產(chǎn)生波長(zhǎng)為400～1500 nm的波紋狀形貌（圖24）。

圖24 不同預(yù)應(yīng)力下激光加工的折皺掃描電鏡圖

西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的方詩(shī)琪等研究了激光加工硬質(zhì)合金的加工工藝，通過(guò)使用納秒級(jí)激光，研究了加工參數(shù)與材料去除率之間的關(guān)系。重點(diǎn)研究組分相同但是晶粒度不同的兩種材料，在不同的脈沖能量和脈沖數(shù)量下的影響關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著脈沖數(shù)量和能量的增加，材料去除率增加；當(dāng)加工參數(shù)相同時(shí)，晶粒度越大,激光加工出的孔深越大。

由于較厚的表面改性層有助于工件使用壽命的提高，日本岡山大學(xué)的Togo Shinonaga教授研究了大束斑電子束表面改性過(guò)程中加工參數(shù)對(duì)表面改性層厚度的變化，建立了基于傳熱理論的仿真模型，可預(yù)測(cè)出不同材料在大束斑電子束作用下表面改性層的厚度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果一致，隨著能量密度的增加，表面改性層變厚；導(dǎo)磁系數(shù)較大時(shí)，表面改性層較厚。

在激光加工應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域的研究中，利用激光加工出微結(jié)構(gòu)，從而起到幫助生物薄膜的后續(xù)生成和避免口腔內(nèi)細(xì)菌的作用。德國(guó)的弗勞恩霍費(fèi)爾理工大學(xué)和柏林大學(xué)合作，E.Uhlmann等研究了激光在Ti-6Al-4V材料上進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程。加工后的微結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖25。相比于拋光表面，有微織構(gòu)的表面細(xì)菌粘附更少；通過(guò)皮秒激光誘導(dǎo)可產(chǎn)生激光誘導(dǎo)規(guī)則表面。

圖25 表面微織構(gòu)

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的H.Büttner進(jìn)行了超快脈沖激光在銅表面進(jìn)行高深徑比微結(jié)構(gòu)加工的研究。首先研究了激光加工過(guò)程中的熱加工和冷加工機(jī)理，其次就加工的工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在加工過(guò)程中，脈沖能量和脈沖重復(fù)頻率是一對(duì)需要被平衡的重要參數(shù)。

5.2 高能束流加工

上海交通大學(xué)的傅宇蕾等利用SEM掃描電鏡、EDX能量色散X射線光譜儀等測(cè)量?jī)x器，研究了大電流脈沖電子束處理AISI 1045鋼的表面微觀形貌的演化。所采用的電子束由贗火花放電裝置產(chǎn)生，可在處理后的表面產(chǎn)生微坑。研究分析表明，微坑直徑約為0.2～2μm，由次表層低熔點(diǎn)元素噴發(fā)形成；形成的重鑄層厚度約2μm；適當(dāng)調(diào)節(jié)電子束參數(shù)，可有效去除表面不規(guī)則形貌。

上海交通大學(xué)的張瑞雪等建立了電子束表面拋光過(guò)程的表面?zhèn)鳠崮Ｐ?，利用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在考慮束源能量不均勻的情況下，研究了束源功率、束斑重疊率、掃描次數(shù)、掃描方式等工藝參數(shù)對(duì)工件表面溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，表面最大溫度與束源功率成正比；溫度梯度一般隨束斑重疊率增大而增大；掃描次數(shù)增大會(huì)提高表面溫度但降低溫度梯度；與往復(fù)掃描相比，單向掃描獲得的溫度場(chǎng)更為均勻。該研究結(jié)果可用于優(yōu)化工藝參數(shù)。

臺(tái)北科技大學(xué)的建慶祥等為了提高微細(xì)探針加工的可控性以及研究非導(dǎo)體探針的加工方法，提出了一種低成本的利用微細(xì)放電等離子體加工微細(xì)石英探針的方法。該方法將微細(xì)石英管固定后緩慢旋轉(zhuǎn)，并送入等離子體區(qū)域，使其頭部形成球形（圖26）。實(shí)驗(yàn)選用的進(jìn)給量為150μm，加工出的探針直徑為116.8μm±1.82μm、球度為1μm。研究表明，增大石英管的進(jìn)給量可增大球形探頭的直徑；由于重力作用，豎直方向進(jìn)給比水平方向進(jìn)給的加工效果更好。

圖26 微細(xì)放電等離子體圖示與石英管加工裝置

上海交通大學(xué)的朱穎謀等使用超快速四通道ICCD相機(jī)，研究了橫向空氣噴射對(duì)等離子體通道發(fā)展和放電蝕坑形成的影響。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，等離子弧通道在高速空氣沖刷下明顯受到干擾，電弧等離子體通道沿著空氣沖刷方向移動(dòng)。與固定的空氣介質(zhì)相比，高速空氣沖刷增加了從熔池沖走的熔融金屬，因此被去除材料的體積會(huì)增加，而殘留在表面上的重鑄層有所減少。并且，在單次電弧放電中使用高速空氣沖刷會(huì)顯著降低工具電極的損耗量。

上海交通大學(xué)的Ahmad Farhadi等基于單電弧放電和放電蝕坑位置的圖像研究了不同電極形狀和尺寸對(duì)等離子體通道生長(zhǎng)和放電蝕坑形成的影響。使用超快速四通道ICCD相機(jī)，研究了在不同電極尖端和直徑的情況下放電蝕坑的變化。研究表明：工具電極直徑越小則損耗越快，且放電間隙距離增加，從而形成更大尺寸的蝕坑；尖銳的電極尖端促進(jìn)了蝕坑縱向尺寸的增加，而接近平坦的電極尖端更適于蝕坑的橫向生長(zhǎng)；增大電流，蝕坑尺寸和電極損耗均會(huì)增加。

6 增材制造

西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的Irene Buj-Corral研究了增材制造過(guò)程中使用PLA（polylactic acid，聚乳酸）材料打印人工髖關(guān)節(jié)的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。該研究使用FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積成形）方法，開(kāi)展了支撐柱分辨率、工件與工件之間的水平偏置、填充密度三個(gè)參數(shù)的全因子實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，支撐柱分辨率和工件與工件之間的水平偏置是影響最后實(shí)驗(yàn)件粗糙度的關(guān)鍵因素。

西班牙赫羅納大學(xué)的Marc Rabionet研究了3D打印管狀血管支架的過(guò)程，管狀支架被放置在血管較細(xì)的部位來(lái)改善不健康血管的血流情況，從而增加供氧量（圖27）。研究發(fā)現(xiàn)，打印過(guò)程中的一系列參數(shù)如打印速度、溫度、流速和微氣孔，均會(huì)影響纖維原細(xì)胞的增長(zhǎng)率。

圖27 3D打印管狀支架

西班牙阿迪蘭增材制造有限公司（ADDILAN Fabricación Aditiva S.L）的 Iván Tabernero 等提出了WAAM（Wire-Arc Additive Manufacturing，電弧熔絲增材制造）方法，克服了傳統(tǒng)增材制造方法受到尺寸限制的劣勢(shì)，成為了制造具有高機(jī)械要求的中大型零件的方案之一。該方法可用于航空工業(yè)中結(jié)構(gòu)件的制造中。WAAM技術(shù)使用電弧焊工藝以線材形式添加材料，以熔化線材和基材，而主要用于WAAM的焊接工藝有三種，分別是等離子弧焊，氣體鎢極弧焊和氣體金屬弧焊。該研究比較了使用不同焊接工藝時(shí)的加工過(guò)程和工件機(jī)械性能。結(jié)果表明，該方法可作為傳統(tǒng)金屬預(yù)制件制造工藝如鑄造或鍛造的替代工藝。

西班牙IK4-Tekniker研究所Tekniker基金會(huì)中心的Laura Arreguia研究了增材制造過(guò)程中的尺寸誤差。研究表明，制造過(guò)程中存在角度極限，當(dāng)傾斜角為90°～60°時(shí)，幾何精度較高；當(dāng)需要更大的傾斜角時(shí)，需適當(dāng)調(diào)整激光頭的位置；在激光金屬沉積過(guò)程中，層與層之間停留的時(shí)間需根據(jù)沉積形狀而確定。圖28是不同沉積停留時(shí)間下的幾何形貌。

圖28 不同沉積停留時(shí)間下的幾何形貌

荷蘭理工大學(xué)的Francesco研究了用增材制造方法加工鏡面級(jí)模具內(nèi)表面的工藝鏈。研究將電鑄過(guò)程和3D打印過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，電鑄獲得了較高的表面質(zhì)量，同時(shí)選擇性激光熔覆3D打印提供了更高的材料處理效率，也為創(chuàng)造隨形冷卻通道提供了可能性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，較高硬度和較好表面質(zhì)量的鎳合金鍍層可以被同步實(shí)現(xiàn)。

西班牙IK4-Tekniker研究所的Iker Garmendia等研究了激光金屬沉積過(guò)程中的在線高度控制3D光學(xué)掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)可比較計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)際加工結(jié)果的誤差，精確地控制形狀，減少了加工過(guò)程中監(jiān)控的人力成本。通過(guò)對(duì)比使用和未使用該控制算法的結(jié)果，驗(yàn)證了該控制算法的有效性。

西班牙巴斯克大學(xué)的Pedro Ramiro研究了在激光金屬沉積過(guò)程中，基體無(wú)預(yù)熱情況下的鐵鈷鎳基粉末的加工特性。該研究的目的是為42CrMoS4l螺桿選擇最適宜的鐵鈷鎳基粉末涂層材料，從而實(shí)現(xiàn)薄膜的無(wú)裂紋和非預(yù)熱加工。研究以激光金屬沉積過(guò)程中的參數(shù)和加工后的主要幾何指標(biāo)為對(duì)象。結(jié)果表明，使用合適的工藝和材料可獲得厚度為1.2～0.76 mm的無(wú)裂紋涂層。

西班牙巴斯克大學(xué)的Magdalena Cortina針對(duì)激光金屬沉積過(guò)程設(shè)計(jì)了新型的噴嘴，該噴嘴通過(guò)提供保護(hù)氣體和提高噴嘴效率來(lái)擴(kuò)展用于激光金屬沉積的材料選擇范圍。該研究包括噴嘴的設(shè)計(jì)、加工和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用該噴嘴可避免常規(guī)使用的大規(guī)模氣體保護(hù)，減少了材料浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率。

7 微細(xì)特種加工

7.1 微細(xì)電化學(xué)加工

清華大學(xué)的劉國(guó)棟等研究了采用中空電極進(jìn)行電化學(xué)加工過(guò)程中，電解液壓力對(duì)加工小孔形狀精度的影響。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，加大電解液壓力有助于移除不溶解于電解液中的材料，且可以提高形狀精度。但是過(guò)大的壓力會(huì)使電解液流場(chǎng)形成湍流，反而對(duì)形狀精度造成不利的影響，因此在加工過(guò)程中存在最優(yōu)電解液壓力。并且，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果相符。

臺(tái)灣逢甲大學(xué)的洪榮洲等研究利用熱浸鍍鋁和微弧氧化工藝制備側(cè)壁絕緣電極，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)微孔加工。在該研究中，為了提高加工精度，采用熱浸鍍鋁和微弧氧化工藝加工碳化鎢工作電極，使電極側(cè)壁表面形成有效絕緣層。通過(guò)分析經(jīng)過(guò)該工藝加工后的電極表面和截面，發(fā)現(xiàn)電極的電壓耐受性能得到提高，電化學(xué)加工中的雜散腐蝕得到有效抑制，微孔加工精度得到提高。

7.2 微細(xì)電火花加工

在微細(xì)電火花領(lǐng)域，電極的損耗是關(guān)鍵問(wèn)題之一，會(huì)引發(fā)一系列的加工精度、過(guò)程控制問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從減少電極損耗、預(yù)測(cè)電極損耗及補(bǔ)償電極損耗幾個(gè)角度，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。此外，大深徑比的微細(xì)孔是工業(yè)應(yīng)用最廣泛，且加工難度大的一類(lèi)零件，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了多方面的工作。為了更好地對(duì)微細(xì)電火花加工過(guò)程進(jìn)行控制并提高加工性能，新型的微細(xì)電火花機(jī)床、微細(xì)電火花電源被設(shè)計(jì)并制造出來(lái)。還有很多學(xué)者，嘗試采用新的方法來(lái)得到微小電能，經(jīng)火花放電，實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工的目的。

為了降低電極損耗，德國(guó)弗勞恩霍夫生產(chǎn)系統(tǒng)與設(shè)計(jì)技術(shù)研究所的Eckart Uhlmann采用滲硼CVD金剛石作為微細(xì)電火花的電極，研究了不同工件材料下電參數(shù)對(duì)電極損耗的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)工件材料為冷作模具鋼90MnCrV8和硬質(zhì)合金K40F時(shí)，用滲硼CVD金剛石電極進(jìn)加工微結(jié)構(gòu)是可行的。而對(duì)于陶瓷材料SiSiC來(lái)說(shuō)，由于需要大量的能量輸入用于材料氣化，加工無(wú)法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，滲硼CVD金剛石作為工具電極顯示出很高的耐損耗能力，其損耗與脈沖寬度緊密相關(guān)。但該材料的電極制作時(shí)間長(zhǎng)、成本高且易碎裂，對(duì)夾持要求高。

韓國(guó)首爾大學(xué)的Yooseok Kim等發(fā)現(xiàn)電介質(zhì)中的石墨粉能將帶電能量分散到幾個(gè)小的放電等離子體通道中，這些小等離子通道會(huì)在工具極性和電流方向波動(dòng)之前迅速消失，減少工具電極損耗量。對(duì)于微細(xì)孔電火花加工的情況而言，在最佳工具進(jìn)給條件下，石墨粉混合煤油電火花加工與無(wú)粉末混合加工相比，加工時(shí)間和工具損耗長(zhǎng)度分別減少了30.9%和28.3%。

在電極損耗測(cè)量方面，北京市電加工研究所劉建勇等設(shè)計(jì)了一種在遞增厚度試樣上加工微孔的實(shí)驗(yàn)方法，共加工了TC4、TC11鈦合金和GH4169超耐熱合金三種常用航空材料，并通過(guò)一元三次回歸方法，得到了三種工件材料加工時(shí)間與電極損耗之間的關(guān)系曲線。

對(duì)電極損耗的測(cè)量，瑞士西部應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)的Nicola Giandomenico等采用在線電參數(shù)測(cè)量的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)在線對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，根據(jù)每一次放電能量所蝕除的電極的量，來(lái)進(jìn)行電極損耗的間接計(jì)算（圖29a）。為此，設(shè)計(jì)了一臺(tái)采用“智能脈沖電源”的微細(xì)電火花銑削機(jī)床。該電源采用了CCR（Constant current regulator，恒流調(diào)節(jié)器）元件作為脈沖電源電路的組成部分（圖29b），以獲得具有無(wú)功率耗散、少過(guò)沖、無(wú)延遲、高頻、具有上升斜率控制的放電電流波形。

圖29 智能脈沖電源示意圖

在電極損耗補(bǔ)償方面，上海交通大學(xué)的裴景玉等提出了采用空心電極的定長(zhǎng)補(bǔ)償方法。該方法基于對(duì)電極損耗過(guò)程的深入了解，在加工前即可通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)電極沿加工路徑的損耗量。在實(shí)際加工中通過(guò)程序在合適的位置給予補(bǔ)償，以保證加工精度。研究采用了空心電極，以獲得更好的加工質(zhì)量。針對(duì)兩種典型閉式加工路徑，給出整個(gè)加工工藝過(guò)程策略和電極損耗量預(yù)測(cè)算法。典型的型腔加工實(shí)驗(yàn)表明，此方法的相對(duì)尺寸誤差可控制在在1.2%以?xún)?nèi)，底部不平度在2.5μm以?xún)?nèi)（圖30）。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片微細(xì)冷卻孔的群孔加工中，一方面要保證通孔加工的質(zhì)量，同時(shí)要及時(shí)檢測(cè)到穿透，以避免造成內(nèi)流道背傷。上海交通大學(xué)夏蔚文等提出了一種基于支持向量機(jī)方法的自動(dòng)穿孔檢測(cè)方法。該方法是首先構(gòu)建有效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，然后進(jìn)行一系列的加工實(shí)驗(yàn)，并現(xiàn)場(chǎng)采集放電電流信號(hào)以及將是否穿透的人工檢測(cè)結(jié)論作為訓(xùn)練樣本，以訓(xùn)練該學(xué)習(xí)算法，最終得到一個(gè)訓(xùn)練好的算法模型。該模型的輸入量分別是脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、有效放電頻率以及實(shí)際電極進(jìn)給速率。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的放電電流信號(hào)，能給出是否穿透的結(jié)論。該方法被用于200次的微孔加工驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，結(jié)果顯示穿透判斷正確率接近100%。

一直以來(lái)，高深徑比的微細(xì)孔加工都是一個(gè)難題。其原因在于深孔加工時(shí)，底部放電蝕除產(chǎn)物難以排出，導(dǎo)致頻繁的短路及非正常放電。為了直觀地觀察并證明底部放電蝕除產(chǎn)物的聚集是高深徑比微孔加工困難的原因，大連理工大學(xué)李國(guó)棟和日本東京農(nóng)工大學(xué)的夏恒等設(shè)計(jì)了一個(gè)采用高速攝像機(jī)及自制“三明治”式加工樣件的實(shí)驗(yàn)方法，觀測(cè)了在不銹鋼SUS304和SiC上加工微孔的過(guò)程 （圖31）。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孔深增加時(shí)，低速氣泡合并成大氣泡，上升速度進(jìn)一步下降，同時(shí)阻隔了極間放電蝕除產(chǎn)物的有效排出并使其沉積在極間，導(dǎo)致重復(fù)短路和不正常放電，難以進(jìn)一步向下加工。

圖30 采用空心電極定長(zhǎng)補(bǔ)償方法封閉路徑加工的型腔

圖31 采用高速攝像機(jī)及“三明治”式試樣觀測(cè)深孔加工的實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)上述加工深孔的難題，日本東京農(nóng)工大學(xué)夏恒等采用與微細(xì)電極同軸噴嘴噴霧的方法，其工作原理見(jiàn)圖32。帶有一定壓力的去離子水在壓縮空氣的作用下霧化，沿著微細(xì)電極同軸進(jìn)入放電間隙。由于去離子水霧具有低粘度特性，可更好地進(jìn)入微小的放電間隙，并在水霧的作用下帶出蝕除產(chǎn)物。該研究對(duì)比了不同壓力條件下去離子水和去離子水霧作為電介質(zhì)時(shí)，加工深度隨著加工時(shí)間變化的情況。研究結(jié)果顯示，采用去離子水霧加工時(shí)的時(shí)間遠(yuǎn)小于單純采用去離子水電介質(zhì)加工的時(shí)間；采用去離子水霧加工時(shí)的放電間隙也小于單純采用去離子水時(shí)的放電間隙，具有更好的加工精度。

圖32 噴霧微細(xì)電火花加工的工作原理

電火花加工后的微細(xì)孔內(nèi)壁粗糙度對(duì)其內(nèi)部流體的流動(dòng)性能有很大的影響，需將其作為加工質(zhì)量的檢測(cè)指標(biāo)。然而，對(duì)于微細(xì)尺度的內(nèi)孔表面，已經(jīng)不適于采用破壞式的線切割對(duì)剖后測(cè)量的方法。為此，比利時(shí)魯汶大學(xué)的Krishna Kumar Saxena等提出一種非破壞式微孔內(nèi)壁粗糙度的測(cè)量方法，將一種兩組分有機(jī)硅聚合物灌入已加工的微小深孔，待其固化后拉出小孔，從而得到柱狀的內(nèi)表面復(fù)刻物。該方法是以算術(shù)平均曲面參數(shù)Sa作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)復(fù)刻物采用共聚焦顯微圖像處理方法進(jìn)行粗糙度的測(cè)量。通過(guò)與孔壁的接觸式測(cè)量結(jié)果對(duì)比，評(píng)估了該方法的有效性及誤差。當(dāng)孔徑為0.35 mm時(shí)，測(cè)量誤差為±60 nm；當(dāng)孔徑為0.5 mm時(shí)，測(cè)量誤差為±50 nm。

德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)Eckart Uhlmann等設(shè)計(jì)了一種氣中放電的電火花銑削機(jī)床（圖33）。在機(jī)床的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)單元部分采用了特別設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，以消除作用在壓電陶瓷上的剪切力；主軸單元采用氣動(dòng)渦輪驅(qū)動(dòng)以獲得高速的電極旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；系列化的電極夾頭及陶瓷密封可維持密封腔內(nèi)高壓電介質(zhì)的壓力穩(wěn)定。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，型腔加工深度為108～116μm、型腔尖角半徑為44～54 μm（圖34）。同時(shí)，該機(jī)床采用了基于高速GaN FET晶體管的復(fù)合脈沖電源，可在無(wú)電阻情況下對(duì)電容器進(jìn)行高速充放電控制。

圖33 氣中電火花銑削機(jī)床

圖34 電火花銑削機(jī)床加工的樣件及檢測(cè)結(jié)果

南京理工大學(xué)的楊蛟等在研究微細(xì)電火花加工中正負(fù)極性交替放電現(xiàn)象及其對(duì)加工性能影響的基礎(chǔ)上，提出了一種采用先進(jìn)電力電子技術(shù)的新型無(wú)阻雙極性脈沖電源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖35a、仿真波形見(jiàn)圖35b。該電源可在擊穿階段控制間隙電壓、在放電階段控制放電電流并在加工中提供高頻正負(fù)交替脈沖電壓，蝕除材料時(shí)還可防止電解，同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒定放電頻率和恒定單次放電能量。

南京理工大學(xué)的華晗等根據(jù)商用RC型脈沖電源上進(jìn)行的微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)波形，提出了RC脈沖電源放電中的準(zhǔn)維持電壓假設(shè)，建立了考慮到寄生參數(shù)的RC型脈沖電源電學(xué)模型并對(duì)其放電過(guò)程進(jìn)行了理論分析。結(jié)果顯示，理論模型計(jì)算的波形和實(shí)驗(yàn)波形相吻合，證實(shí)所提的電學(xué)模型和準(zhǔn)維持電壓假設(shè)的有效性；同時(shí)，寄生參數(shù)會(huì)對(duì)微細(xì)電火花放電間隙電壓和放電電流產(chǎn)生很大影響。

韓國(guó)首爾大學(xué)的Hyeong-gyun Cheong等提出使用N溝道MOSFET的RC型脈沖電源（圖36）。該脈沖電源可防止電流方向的波動(dòng)，同時(shí)可增加占空比，以提高材料去除率。

圖35 雙極性新型無(wú)阻脈沖電源電路和仿真波形

圖36 采用MOSFET的RC脈沖電源電路

大連理工大學(xué)的余祖元等提出了等離子射流微細(xì)電火花加工方法，并在使用晶體管脈沖電源的微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)中分別采用了氧輔助氮等離子射流、氮氧混合等離子射流和外部壓縮空氣輔助氮等離子射流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧輔助氮等離子體射流的材料去除率和表面粗糙度隨氧氣流量的增加而增加；壓縮空氣輔助等離子體射流的微細(xì)電火花加工在表面質(zhì)量和邊緣質(zhì)量方面優(yōu)于氧氣輔助氮等離子體射流。此外，余祖元等還開(kāi)展了采用氮等離子射流、氮?dú)馍淞骱腿ルx子水的微細(xì)電火花加工系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮等離子射流中的放電距離大于氮?dú)馍淞髦械姆烹娋嚯x，且加工過(guò)程更穩(wěn)定、電極磨損體積差異非常小；去離子水的加工效率最高，但其表面粗糙度比氮等離子射流所獲得的表面粗糙度差。

上海交通大學(xué)的張亞歐等提出并實(shí)現(xiàn)了一種靜電場(chǎng)誘導(dǎo)電介質(zhì)射流的微細(xì)電火花加工方法。在高壓靜電場(chǎng)的作用下，噴嘴中的電解液會(huì)生成細(xì)到數(shù)微米的場(chǎng)致射流，在射流的端部將到達(dá)工件表面時(shí)擊穿空氣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)微小能量的放電，從而去除工件上的微量材料。試驗(yàn)中場(chǎng)致射流工具電極的直徑接近5μm、脈沖放電能量遠(yuǎn)小于10-8J。在單次放電實(shí)驗(yàn)中可觀察到直徑小至1μm的放電蝕坑。

山東大學(xué)的王侃等從電容效應(yīng)的角度分析了工具電極尺寸對(duì)微細(xì)電火花加工性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工具電極尺寸的增大，材料去除率、電極損耗率和直徑過(guò)切均相應(yīng)增加。當(dāng)工具電極直徑大于500μm時(shí)，材料去除率的增加明顯高于電極損耗率的增加，相對(duì)電極損耗率則呈下降趨勢(shì)。

8 復(fù)合加工及其他特種加工方法

8.1 復(fù)合加工方法

揚(yáng)州大學(xué)的趙青青等提出了一種被稱(chēng)為超聲調(diào)制復(fù)合同步脈沖電化學(xué)放電加工的新的微細(xì)加工方法。該方法引入低工作電壓、混粉工作液、超聲振動(dòng)，研究了該方法的機(jī)理和在線實(shí)時(shí)參數(shù)最優(yōu)調(diào)節(jié)的方法，并在YT15硬質(zhì)合金材料上加工了微小孔陣列，其加工精度為±1μm、表面粗糙度值為Ra0.08μm，其結(jié)果優(yōu)于超聲輔助電化學(xué)加工。

比利時(shí)魯汶大學(xué)的D.Van Camp等提出了機(jī)械電化學(xué)銑削的復(fù)合加工方法，并用該方法加工了以Ti6Al4V為材料的刀具工件（圖37）。其對(duì)加工后表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的研究表明，機(jī)械銑削過(guò)程不僅去除了工件表面的氧化層，有助于電化學(xué)加工的進(jìn)行，而且也直接參與了材料去除。與電化學(xué)加工相比，該方法可使材料去除率提升48%～60%。

圖37 MECM刀具結(jié)構(gòu)

臺(tái)灣南開(kāi)科技大學(xué)的林炎成等開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合氣中電火花放電和磨料射流加工的復(fù)合加工方法，并研究其加工特性（圖38）。通過(guò)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)，研究了加工極性、加工參數(shù)、氣壓、磨料粒徑等因素對(duì)材料去除率、電極損耗率、表面粗糙度的影響，獲得了加工SKD 61模具鋼的最佳參數(shù)。使用該參數(shù)加工時(shí)，得到的材料去除率約為3.45 mm3/min、電極損耗約為0.0086 mm3/min。

圖38 氣中放電與磨料射流復(fù)合加工示意圖

德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Philipp Ninz等在氧化鋁基中分別加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)同為2%的不同金屬材料作為鍍層，以降低成本,并使金屬化可在空氣中進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)氧化鋁陶瓷的激光誘導(dǎo)選擇性金屬化。針對(duì)幾種鍍層的對(duì)比研究結(jié)果表明：含錫、鎳鍍層的材料，其活性最強(qiáng)，含鉻、鐵鍍層的材料的活性次之，而稀土金屬氧化物和氧化錳等鍍層材料幾乎沒(méi)有活化效果。

南京航空航天大學(xué)的徐正揚(yáng)等分析了管狀電極高速電化學(xué)放電小孔加工的加工機(jī)理，并分析了其電極損耗和放電波形等因素。研究發(fā)現(xiàn)，加工過(guò)程中電極前端主要通過(guò)電火花放電蝕除材料；在側(cè)向間隙中，主要通過(guò)電化學(xué)過(guò)程去除重鑄層。采用用直徑為0.3 mm的電極加工45°斜孔并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，該方法的電極損耗、表面質(zhì)量、孔型精度等均優(yōu)于電火花加工，且?guī)缀鯚o(wú)重鑄層。

高雄應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的許文政等研究了超聲輔助電火花加工（UA-EDM）和旋轉(zhuǎn)超聲輔助電火花加工（RU-EDM）在成形和銑削模式下的加工效率和極間狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)：在單純旋轉(zhuǎn)輔助電火花加工時(shí)，極間存在單一大氣泡，放電在氣泡中進(jìn)行，而引入超聲輔助加工時(shí)，極間產(chǎn)生很多小氣泡，可使放電脈沖上升沿更陡并提高脈沖能量效率；在電火花銑削時(shí)，RU-EDM能產(chǎn)生更劇烈的工作液紊流，碎屑流動(dòng)速率比單純超聲輔助提高約38%，材料去除率比RU-EDM高約24.7%，而在成形加工時(shí)的UA-EDM材料去除率比RU-EDM的高2倍以上，但同時(shí)電極損耗也略有增加。

意大利工業(yè)技術(shù)與自動(dòng)化研究所的F.Modica等研究了使用不同工作液介質(zhì) （包括去離子水、自來(lái)水、含有石榴石磨料的去離子水、含有石榴石磨料的自來(lái)水）時(shí)的微細(xì)電火花加工性能，以便后續(xù)展開(kāi)對(duì)微細(xì)電火花和微細(xì)磨料水射流復(fù)合加工方式的研究。針對(duì)加工前、后工作液導(dǎo)電率、材料去除率和電極損耗率的研究表明，工作液導(dǎo)電率與材料去除率負(fù)相關(guān)、與電極損耗率正相關(guān)；使用含有石榴石磨料的工作液會(huì)在加工表面形成積碳，并對(duì)放電蝕坑形狀產(chǎn)生輕微的影響。

德國(guó)普福爾茨海姆大學(xué)的Kai O?wald等研究了在中等導(dǎo)電率工作液中的高速線切割加工。該復(fù)合加工過(guò)程中有五種放電脈沖類(lèi)型，分別是電擊穿脈沖（普通電加工脈沖）、熱擊穿脈沖、電弧脈沖、電化學(xué)脈沖和短路脈沖，而不同的脈沖對(duì)于加工性能有不同影響。通過(guò)改變加工電流、切割速率、工作液導(dǎo)電率等參數(shù)，可調(diào)節(jié)不同脈沖的比例，以分別實(shí)現(xiàn)最大材料去除率、最佳精度、最小表面粗糙度值等最優(yōu)化目標(biāo)。例如，熱擊穿和電弧脈沖可提高材料去除率，而電化學(xué)脈沖可提高表面質(zhì)量。

8.2 電沉積加工方法

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的康敏等為提高微耕機(jī)葉片的性能，采用噴射電沉積法在65Mn材料表面制備了Ni-Co-P/BN(h)納米復(fù)合涂層。用OLS4100型激光掃描顯微鏡、XRD、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和維氏顯微硬度儀分別對(duì)Ni-Co-P/BN(h)納米復(fù)合涂層的表面形貌、摩擦磨損和顯微硬度進(jìn)行了表征。研究表明，當(dāng)電壓16 V、浴溫70℃、極間距1.6 mm、納米粒子濃度8 g/L時(shí)，涂層表面性能較好，微觀結(jié)構(gòu)均勻致密。該方法制備的涂層表面摩擦系數(shù)明顯降低，其磨損量約為65Mn基體的11.36%，且表面耐腐蝕性提高；熱處理后，其涂層硬度也高于65Mn基體的。

美國(guó)辛辛那提大學(xué)的Murali Sundaram等使用移動(dòng)陽(yáng)極研究了電壓、鍍液類(lèi)型和沉積頻率對(duì)Ni-Cu合金電化學(xué)選區(qū)沉積的影響，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖39。研究表明，高電流密度可使鎳的沉積速度增加；與硼酸浴相比，檸檬酸鹽浴中沉積的鎳有更高的百分比，且表面完整性更好；硼酸浴中沉積速度較快，其速率約為 0.5～2 μm/s；Ni∶Cu 的比值在 2～14 之間，但高沉積頻率會(huì)導(dǎo)致沉積物中鎳的百分比降低。

圖39 電化學(xué)選區(qū)沉積裝置示意圖

大連理工大學(xué)的王龍剛等開(kāi)發(fā)了一種可在不銹鋼網(wǎng)基材上高效制造微結(jié)構(gòu)和超疏水表面的電刷鍍方法，討論了影響基底超疏水性的電鍍電壓、電鍍時(shí)間和電刷速度等工藝參數(shù)。結(jié)果表明，在電鍍電壓16 V、電刷速度8 m/min、電鍍5 min的條件下，涂層表面水接觸角可達(dá)158°、水滑角低至6°，且摩擦阻力測(cè)試表明涂層表面具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

廣東工業(yè)大學(xué)的江樹(shù)鎮(zhèn)等通過(guò)一種簡(jiǎn)易的單步脈沖電沉積法制備了仿生超疏水表面。在含有氯化鑭（LaCl3·6H2O）、肉豆蔻酸（CH3（CH2）12COOH）和乙醇的電解液中，采用不同頻率的單步脈沖電沉積工藝、相同的10 min制備時(shí)間，得到了銅基超疏水表面。所制備的表面具有微/納米雙尺度結(jié)構(gòu)，主要由肉豆蔻酸鑭（La[CH3(CH2)12COO]3）組成，最大水接觸角約為160.3°。

8.3 磨料水射流加工

南京航空航天大學(xué)的高長(zhǎng)水等提出了一種可在有陶瓷熱障涂層（TBCs）的零件上加工小孔的新穎復(fù)合加工工藝，先用AWJM （Abrasive Water Jet Machining，磨料水射流加工）去除涂層，再用EDM工藝加工金屬基材（圖40）。研究?jī)H針對(duì)AWJM工藝，結(jié)果顯示，在90°沖擊角的情況下，以相對(duì)較低的壓力（2～3 MPa）射流就能去除熱障涂層。

圖40 AWJM實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

健行科技大學(xué)的王阿成等為了降低電火花線切割工件表面粗糙度值，針對(duì)AFM（Abrasive Flow Machining，磨料流加工）方法研制了低成本、高效率的磨料介質(zhì)，即純硅橡膠（P-Silicone）和含添加劑（A-Silicone）的硅橡膠。此外，為了改善傳統(tǒng)AFM的性能，研究中提出了一種螺旋通道，可使研磨介質(zhì)產(chǎn)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，用于復(fù)雜孔的拋光。

介質(zhì)在 AFF（Abrasive Flow Finishing，磨料流精加工）過(guò)程中起重要作用，若介質(zhì)的成分和用量不同，其流變性能和精加工能力也會(huì)有所不同。印度理工學(xué)院的Ravi等使用自行設(shè)計(jì)和制造的AFF裝置（圖41），對(duì)使用彈性主導(dǎo)聚合物混合磨料流加工介質(zhì)的納米精加工進(jìn)行了研究，將軟質(zhì)苯乙烯聚合物和有機(jī)硅聚合物與添加劑和碳化硅磨粒混合制成介質(zhì)，使用中心復(fù)合材料旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)對(duì)AlSiC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）金屬基復(fù)合材料進(jìn)行精加工，并采用響應(yīng)面方法進(jìn)行建模。結(jié)果顯示，在AlSiC（質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%）金屬基體復(fù)合材料上使用優(yōu)化混合研磨介質(zhì)獲得的最佳表面粗糙度為110 nm。

圖41 AFF裝置示意圖

在磨料水射流加工CFRP復(fù)合材料時(shí)，由于缺乏足夠的工藝數(shù)據(jù)，會(huì)產(chǎn)生切割精度和質(zhì)量方面的問(wèn)題。美國(guó)波音先進(jìn)制造研究中心的El-Hofy等為切割兩種多向CFRP層合板的疊層結(jié)構(gòu)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究和統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，研究了包括射流壓力、進(jìn)給速率和噴嘴距離等影響因素，并使用方差分析技術(shù)評(píng)估了加工過(guò)程響應(yīng)，如頂部和底部的切口寬度、切口錐度、機(jī)械加工性和表面特性。研究發(fā)現(xiàn)，頂部和底部的切口寬度會(huì)隨著壓力、隔離距離的增加而增加，并隨著進(jìn)給速率的增加而減小。

磨料水射流銑削過(guò)程很難通過(guò)一般的CAE軟件模擬出來(lái)，因?yàn)樵擃?lèi)軟件通常假設(shè)刀具是具有固定形狀的實(shí)體，而水射流是形狀靈活多變的非實(shí)體工具。德國(guó)弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所的Fritz等通過(guò)建立磨料水射流銑削過(guò)程的材料去除模擬模型來(lái)預(yù)測(cè)給定加工程序的加工結(jié)果，該模型考慮了磨料粒子與工件的交互作用、水射流的特性以及進(jìn)給速率曲線等方面的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。