電化學復合加工技術研究

黃紹服，張 超

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

電化學加工是常見的非傳統(tǒng)加工方法之一，隨著新材料在各個行業(yè)領域的應用，單一的電化學加工方法已經(jīng)很難滿足實際生產(chǎn)的需求。因此國內(nèi)外學者在電化學復合加工技術方面進行了大量的探索與研究工作，近幾年來，許多研究人員將電化學加工與機械、超聲、激光、電液束等其他加工方法進行復合，提出一系列新的復合加工方法，其有代表性的電化學復合加工方法如：文獻[1]研究可控電解珩磨加工機理及其電解液的加工特性提出了電解復合珩磨的加工方法；文獻[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，最早提出電解復合拋光的加工方法；文獻[3]14通過對陶瓷等硬脆材料的鏡面和精密加工進行研究，最先提出了在線導電砂輪電解磨削的方法；文獻[4]將超聲振動引入到脈沖電解加工中進行了對比試驗，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。

針對電化學復合加工技術的研究進展，文獻[5]曾從不同角度對電化學拋光機制的研究與進展進行了綜述；文獻[6]曾從多個方面對電化學機械復合光整加工技術進行了綜述；文獻[7]曾綜述了電解超聲復合加工技術的應用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢；文獻[8]對電解射流加工現(xiàn)狀與進展進行了相關綜述；文獻[9]也曾對激光復合加工技術的應用及其發(fā)展趨勢進行了綜述，但是在整體的電化學復合加工的研究進展上未發(fā)現(xiàn)有學者進行過較為系統(tǒng)的評述。鑒于此，本文作者在上述研究者的工作基礎上，對復合電化學加工技術的研究進展進行較為詳細的綜述，旨在推進電化學復合加工技術的進一步發(fā)展。

1 電化學機械復合加工方法

電化學機械復合加工是結(jié)合了電化學加工與機械加工兩者優(yōu)點的一種創(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，再通過機械作用將鈍化膜刮除，如此反復進行去除材料。目前，這種加工方法相較傳統(tǒng)的電解磨削，能夠創(chuàng)新地通過電解與其他普通機械加工復合，形成新型加工方法，應用更加廣泛。

1.1 電解復合珩磨加工

電解復合珩磨是電解與珩磨相結(jié)合的復合加工方式，電解所需的工具陰極為導電的珩磨條[10]，一般用銅制造，成本低、損耗小，使用壽命長，且排屑容易，冷卻性能好、熱應力影響小。其加工原理如圖1所示，電解珩磨時，珩磨頭做直線往復運動，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)，達到加工要求[11]。其加工的工件無熱應力變形、無毛刺、裂紋等缺陷，且工件的加工精度及表面質(zhì)量較高，因而常用來加工純機械珩磨難以加工的高硬度、高強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，導軌面處容易殘留電解液，會因電解反應的作用發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，保養(yǎng)起來較為麻煩。

圖1 電解珩磨復合加工原理圖

文獻[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[13]利用TC4孔進行了電解復合珩磨加工試驗，并對電解復合珩磨加工工藝參數(shù)對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，且材料材料力學性能及材料去除率隨著加工時間的增加并無明顯降低，為電解復合珩磨加工在生產(chǎn)中的應用提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。文獻[14]針對長徑比大于15， 材質(zhì)為 27SiM n的煤礦液壓支架缸筒零件內(nèi)孔， 進行了電解復合珩磨試驗，通過對電極間隙、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)場試驗，得出加工出的表面粗糙度達到Ra0. 025μm，精度為IT6，比普通珩磨加工效率提高了20倍以上，但整個加工過程必須仔細的檢測和測量，保證工件的精度。

1.2 電解復合拋光加工

電解復合拋光加工在原來的機械加工基礎上疊加了電解作用，并采用鈍性較強的電解液或較低密度的電流，加工原理如圖2所示，電解復合拋光加工時，工件被電解時生成鈍化膜并阻礙工件表面繼續(xù)被電化學溶解，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，同時又生成新的鈍化膜；低處的鈍化膜未被刮除，保護此處不被溶解，如此不斷循環(huán)進行直至達到拋光的效果。

圖2 電解復合拋光加工原理圖

目前，我國已將電解機械復合拋光技術作為用于大型軋輥、化工容器型腔拋光的一種首選加工方法，并且不斷擴大應用范圍。電解復合拋光與傳統(tǒng)的機械拋光及電化學拋光相比，具有拋光速度高、整平過程短、拋光質(zhì)量好的特點。但是這種技術也存在著一定的局限性，加工表面質(zhì)量會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實現(xiàn)，因而材料的去除率較低，若使用柔性拋光墊則成本會變高。

文獻[15]在不同的電壓、電流、溫度下分別進行了316不銹鋼電解拋光最佳參數(shù)的試驗，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行。

圖3 不同電壓下電解拋光后的超景深圖像

文獻[16]應用電化學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[17]優(yōu)化了低碳鋼和生物醫(yī)用鈦孔環(huán)的電化學磨粒拋光工藝，拋光低碳鋼和生物醫(yī)用鈦孔環(huán)后的十點平均粗糙度Rtm與表面粗糙度Ra分別達到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過程中，分電拋光、電解拋光、裂紋、點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電化學拋光達到很高精度。但7XXX， 3XX和5XX系列則不能用電化學拋光加工[18]。Tang以鋁合金，不銹鋼和鈦合金作為陽極工件，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)磨削加工時工件為陽極，導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，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，通常砂帶上會開小孔，以便達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，所以砂帶不帶孔，導電面積大，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[20]最先提出了在線電解磨削加工方法，并將其應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[21]已實現(xiàn)在線電解砂輪磨削技術對多種難加工材料的精密鏡面磨削。文獻[22]將超聲技術與在線電解砂帶磨削技術結(jié)合進行納米Al2O3陶瓷的磨削試驗，得出磨削力隨磨削深度增加不斷增大，同時加工的表面質(zhì)量得到改善。美國的一些學者在該技術加工計算機半導體微處理器方面也取得突破進展，國防、航空航天領域的研究也在進行。

圖5 在線電解砂輪磨削加工示意圖

文獻[23]結(jié)合了在線電解磨削(ELID)和CMP拋光兩種復合加工技術的特點，依次使用不同粒度的砂輪進行了藍寶石基片的超光滑納米級精度的組合加工，其加工后在光學顯微鏡下觀測到的圖像如圖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 藍寶石表面不同粒度砂輪磨削后的微觀形貌

文獻[24]利用電化學砂帶復合加工對回轉(zhuǎn)溝槽表面進行光整加工，通過對比各個工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)量的影響程度，分析了砂帶壓力是機械作用對表面粗糙度的影響程度大于電化學作用的主要因素；加工電流的大小是電化學作用對圓度的影響程度大于機械作用的主要因素，并得出采用電解砂帶磨削加工回轉(zhuǎn)表面上的溝槽時，能夠有效地改善溝槽的光整度[25]，還可以通過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電面積及提高接觸磨輪的精度，來提高其加工效率和加工表面質(zhì)量。

2 其他電化學復合加工

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

2.1 電解電火花復合加工

電解電火花復合加工的原理是通過聚集在工具電極周圍的氣膜形成工件與電極間的絕緣層，當加工間隙兩端電壓達到氣膜的擊穿電壓時，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，從而達到去除材料的目的，如圖7所示。電解電火花復合加工結(jié)合了電解加工和電火花加工各自的優(yōu)勢，電火花技術進行微小孔、型腔等加工時會不可避免會出現(xiàn)重鑄層，而電解加工時的電化學反應可以溶解重鑄層，國內(nèi)外許多學者為結(jié)合兩種加工各自的優(yōu)勢用于材料的加工做了許多研究。

圖7 電解-電火花雙電源復合加工原理圖

文獻[3]15在電導率為0.6MΩ的水中進行了微小孔電火花-電解復合加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該方法去除了孔出口重鑄層。文獻[26]提出當電火花-電解復合加工微小孔時，工作液用低電導率的中性溶液，電火花加工與電解加工同步進行，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[27]對電解電火花加工中孔穿透后出現(xiàn)的漏液等問題提出了低熔點非金屬填充物反襯加工的方法，并進行了試驗加工出500μm的微小孔，證明了電解電火花復合加工可實現(xiàn)單晶高溫合微小孔的無重鑄層加工。文獻[28]提出電火花電源和電解電源雙電源同步供電電火花-電解復合加工方法，選取了不同濃度的NaCl溶液在鈦合金材料上進行了微小孔加工試驗，加工后的微小孔如圖8所示，試驗表明，雙電源供電以及適當?shù)脑黾与娊庖簼舛燃饶芴岣呒庸ば剩帜苋コ⑿】卓妆谥罔T層。

圖8 電解電火花復合加工微小孔

文獻[30]利用棒狀電極進行微細放電加工與微細電化學同步的加工方法，應用低阻抗去離子水、小進給速度，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，無法適應大批量孔的高效加工要求。

2.2 電解超聲復合加工

電解超聲復合加工是指輔以超聲振動的復合電解加工，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，直流電源連接工件，工具連接負極，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)生陽極溶解，電解產(chǎn)物陽極鈍化膜被超聲振動的工具及磨料蝕除，由于超聲振動引起的空化作用，加快了鈍化膜的蝕除和磨料懸浮液的循環(huán)更新，促進了陽極溶解過程的進行，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 電解超聲復合加工小孔示意圖

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

圖 10鎢絲微細電極

文獻[32]通過對加工電源與超聲頻振動實現(xiàn)同步開關方法的研究，實現(xiàn)了兩者的實時同步控制，進行了同步超聲振動微細電加工試驗，驗證了同步超聲復合電解加工過程比其他超聲及超聲非同步復合加工更加穩(wěn)定，且加工精度與加工的表面質(zhì)量也更優(yōu)。但有關超聲電解復合加工時工件表面的去除機理以及表面粗糙度的影響因素等問題還有待進一步地研究與驗證。

2.3 激光電化學加工

激光電化學復合加工是在電化學體系中引入激光束，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)、誘導電化學反應，提高電化學反應速度，由電化學和激光兩種能量共同作用而實現(xiàn)的加工技術。

文獻[33]在所構(gòu)建的激光電化學復合加工系統(tǒng)中，加入透光導電的氧化銦錫，采用該復合方法在濃度為0.5 mol/L 的 NaNO3溶液中對鋁合金進行了加工試驗，研究了不同的工藝參數(shù)對激光電化學定域性的影響，結(jié)果表明： 隨著激光的能量、頻率的增大，槽的寬度變大；隨著進給速度的增大，槽的寬度變小。此外，文獻[34]利用所構(gòu)建得納秒脈沖激光電化學復合加工系統(tǒng)，分別進行了金屬及脆性材料硅的激光輻照和脈沖電化學復合加工試驗，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 激光電化學復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“水射流引導激光加工”和“電解射流小孔加工”的基礎上提出來的。但激光噴射液束電解加工機理還有待進一步研究，且加工的成本較高，許多學者致力于這方面的研究，有望將其運用到工程實際應用上。

圖12 激光輔助噴射液束電解加工原理圖

加工時，被加工工件接脈沖電源正極，在金屬腔體上接負極，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，在噴射點上產(chǎn)生電化學陽極溶解，從而實現(xiàn)材料的去除。

文獻[35]針對激光加工后工件表面出現(xiàn)的重鑄層，提出了激光-噴射液束復合加工的方法并研制了專用的實驗設備，進行了不銹鋼打孔實驗，通過對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行激光加工的孔邊緣、孔底的重鑄層基本被去除，且無微裂紋，由此論證了激光-噴射液束復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[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，通過改變激光脈沖能量、加工電壓、加工間隙的大小進行了實驗研究，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導致孔入口的維度增大。

3 結(jié)論

通過學習和分析國內(nèi)外學者的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)許多學者對電化學機械加工機理及相關試驗的研究較多，但相較于國外的一些研究，在新技術方面的研發(fā)與實際生產(chǎn)應用卻較少，且大多電化學復合加工的試驗研究使用的材料較為單一，沒有形成系統(tǒng)、完整的數(shù)據(jù)庫，因而難以開發(fā)一些新的復合工藝方法，在一定程度上限制了該加工技術的發(fā)展。但正因如此其研究、開發(fā)的空間也更加廣闊。隨著硬質(zhì)合金等高硬度、高強度材料的大范圍使用，電化學復合加工技術在機械、化學、能源、航天航空等各個領域的應用也變得更加廣泛，這對工件的表面質(zhì)量要求更加嚴格。未來電化學復合加工技術需要解決的問題主要體現(xiàn)在如何實現(xiàn)對更多新材料和復雜型面的高效、高精加工及加工表面質(zhì)量改善等方面，加強與其他成熟加工技術的組合，并結(jié)合模擬技術試驗研究，使其朝著精密化與超精密化加工、微細與超微細加工、智能化和集成化的方向發(fā)展，真正實現(xiàn)實際生產(chǎn)應用的大規(guī)模應用。