本文介绍了一项发表于2025年 Advances in Mechanical Engineering 期刊（第17卷第7期）的原创性研究。该研究由来自南京农业大学工程学院（主要通讯单位）、南京工业职业技术大学机械工程学院以及常州工学院航空航天与机械工程学院的冯旺（Feng Wang）、袁欣科（Xinke Yuan）、王涛（Tao Wang）、万以清（Yiqing Wan）、何亚峰（Yafeng He）和康敏（Min Kang）共同完成。
这项研究属于精密制造与特种加工领域，具体聚焦于通掩膜电化学加工（Through-Mask Electrochemical Machining， TMECM）技术。研究背景在于，具有特定形状和尺寸的微凹坑阵列对于减少零件磨损和振动至关重要。TMECM利用阳极溶解原理去除材料，能够高效加工大面积微结构。然而，在采用柔性阴极时，由于其需要紧密贴合掩膜，加工区域产生的电解产物（主要是淤渣）容易粘附或聚集在阴极表面，这会堵塞电流通道，严重影响微凹坑阵列的加工定域性（即加工的精确范围和一致性）和尺寸均匀性。以往的研究通过优化阴极特性、掩膜结构、电解液流动或引入外部辅助能量场（如超声波）来试图改善定域性，但阴极表面随机分布的淤渣仍然难以有效清除。因此，本研究旨在解决这一核心难题，通过提出一种电源通断与阴极运动同步控制的新方法，以期在高效加工的同时，有效清除阴极表面淤渣，从而获得高精度、高一致性的微凹坑阵列。
研究的工作流程系统而详尽，主要包含以下几个关键环节：
首先，研究团队提出并构建了同步控制方法的理论模型与实验系统。其核心思想是周期性控制柔性阴极的贴合与分离运动，并与电源通断精确同步。具体而言，在电源导通时间（tc）内，阴极在多孔海绵的驱动下紧密贴合掩膜，进行电化学溶解加工；在电源关断时间（to）内，阴极从掩膜表面回退一定位移（s），此时利用高压电解液冲洗掉附着在阴极表面的淤渣，恢复其导电性。整个有效加工时间（Te）是多个加工周期的总和。为了验证该方法，团队搭建了一套完整的TMECM实验系统，该系统包括机床主体、可编程电源、电解液循环过滤系统以及位于加工腔内的核心装置。运动控制器和伺服电机负责驱动包裹着柔性阴极的电解液腔做垂直方向的进给与回退运动。同步控制的实现依赖于对Z轴运动程序和电源通断时间的独立设置与联动。当阴极运动至回退位置并停留时，对应电源关断时间；当阴极快速运动至加工区域并停留时，对应电源导通时间。通过设置往复运动程序并重复通断电源，即可实现同步控制。实验采用的柔性阴极为通过化学镀银工艺在编织聚酰胺织物表面形成致密银涂层的银镀柔性阴极，具有良好导电性和柔性。掩膜为采用飞秒激光加工的聚酰亚胺掩膜，其上具有直径200微米、间距500微米的圆形通孔阵列。电解液为NaNO3溶液。
其次，为了探究同步控制的必要性并确定关键的加工时间窗口，研究进行了连续加工实验。在此实验中，柔性阴极始终保持与掩膜紧密接触，不进行回退运动。实验采用固定参数（电压10V，海绵孔密度50 PPI，压缩量5mm），观察了连续加工时间从4秒增加到24秒过程中，阴极表面淤渣的分布变化。这项实验是后续所有同步控制实验的基础，因为它直观揭示了淤渣问题的演化过程。
接着，在明确了淤渣粘附聚集的时间节点后，研究团队开展了一系列同步控制下的TMECM实验，系统探究了不同因素对微凹坑加工质量的影响。实验分为几个参数研究系列： 1. 海绵特性影响实验：研究了海绵孔密度（10， 20， 30， 40， 50 PPI）和压缩量（1， 2， 3， 4， 5 mm）对微凹坑直径、深度和底部表面粗糙度的影响。此系列实验固定了电源导通时间（tc=8s）和有效加工时间（Te=48s）。 2. 加工参数影响实验：研究了电源导通时间（tc = 4， 6， 8， 10， 12 s）和有效加工时间（Te = 16， 32， 48， 64， 80 s）对微凹坑形貌的影响。在此系列中，海绵特性被固定在优化后的参数（孔密度50 PPI， 压缩量5 mm）。
最后，是检测与分析环节。加工完成的微凹坑阵列使用高清工业显微镜和Olympus DSX100超景深显微镜进行检测。测量每个微凹坑的直径和深度，并利用DSX100的图像处理软件，在微凹坑底部中心位置选取100μm×100μm的区域，分析其三维形貌，获取表征底部表面质量的粗糙度参数Sa（符合ISO 25178-2标准）和Ra（符合GB/T 1031-2009标准）。所有数据均用于分析各因素对加工结果的影响规律。
研究取得了丰富且相互印证的实验结果：
关于淤渣分布：连续加工实验结果表明，随着连续加工时间增加，阴极表面淤渣覆盖面积增大。当时间小于8秒时，主要表现为淤渣粘附；当时间超过12秒后，不仅粘附加剧，还出现了局部淤渣团聚现象。这严重破坏了阴极的导电性，导致局部区域电流无法导通，加工停止。这一结果直接论证了引入周期性阴极回退以清除淤渣的必要性，并为设定同步控制周期（特别是电源导通时间tc不应过长）提供了关键依据。
关于海绵孔密度的影响：随着孔密度从10 PPI增加到50 PPI，微凹坑的直径和深度呈现先增大后减小的趋势，且在30 PPI时达到最大（直径252.7μm， 深度11.4μm）。更重要的是，孔密度的增加显著减小了微凹坑直径和深度的偏差，同时降低了底部表面粗糙度（50 PPI时，Sa=0.329μm， Ra=0.419μm）。分析认为，适中孔密度（30 PPI）有利于电解液渗透；过高孔密度（50 PPI）虽然增加了流动阻力，不利于供给电解液导致尺寸减小，但却能减少流场波动，促进材料均匀溶解，从而提高了尺寸一致性和表面光洁度。此外，高孔密度海绵增大了与柔性阴极的接触面积，使其能更均匀地贴合掩膜，使加工区电场分布更均匀，减少了杂散腐蚀。
关于海绵压缩量的影响：压缩量从1mm增加到5mm，微凹坑直径从246.9μm减小并稳定在约230μm左右；深度则先急剧下降后缓慢回升。同时，尺寸偏差显著减小，底部粗糙度先下降后趋于稳定。分析指出，较小压缩量时电解液供给相对充足，加工出的凹坑尺寸大但均匀性差；增大压缩量使阴极与掩膜贴合更紧密，显著改善了电场均匀性，并增强了加工区域的电解液剪切流，这既抑制了侧向溶解（稳定直径），又促进了深度方向的溶解（深度回升），最终获得更均匀、形状更接近梯形（而非传统的半圆形）的凹坑截面。
关于电源导通时间的影响：导通时间从4s增加到12s，微凹坑深度显著减小（从14.99μm降至7.49μm），直径变化则先减后增。同时，尺寸偏差和底部粗糙度在导通时间较长时（如12s）明显增大。结果表明，较短的导通时间（如4s或6s）对应更高的阴极运动频率，频繁压缩海绵产生的剪切流有利于产物排出和材料均匀溶解，从而能获得大而深、粗糙度低的凹坑。而过长的导通时间则容易导致淤渣和气泡在加工区累积，阻塞电流，加剧溶解的不确定性，损害加工质量。这验证了同步控制中设置合理短导通时间的有效性。
关于有效加工时间的影响：随着有效加工时间从16s延长至80s，微凹坑的直径和深度均显著增加，这是由累计加工电量增加导致的必然结果。但尺寸偏差呈现先减小后增大的趋势，底部粗糙度则显著下降并趋于稳定。研究指出，时间过短时，溶解未进入稳定状态，凹坑浅且底部有残余凸起；时间过长时，随着极间间隙增大，电场能量衰减和发散加剧，反而导致尺寸偏差增大。因此，存在一个最优的有效加工时间窗口。
基于以上系统实验获得的规律，研究团队最终确定了优化参数组合：海绵孔密度50 PPI，压缩量5 mm，电源导通时间8 s，有效加工时间48 s。采用此参数组合，成功加工出了高性能的微凹坑阵列。其直径为229.6 ± 2 μm，深度为9 ± 0.3 μm，底部表面粗糙度Sa为0.34 μm，Ra为0.43 μm。该阵列形状规则，截面近似梯形，底部光滑无残余凸起，体现了优异的加工定域性和一致性。
本研究的主要结论可总结为以下几点：第一，揭示了柔性阴极紧密贴合掩膜时，阴极表面淤渣随连续加工时间增加的演化规律（从粘附到团聚），明确了同步控制中防止淤渣团聚的加工时间窗口。第二，阐明了海绵特性（孔密度、压缩量）通过影响电解液渗透、流场均匀性、阴极-掩膜贴合度以及剪切流强度，进而调控微凹坑尺寸、一致性和表面质量的机理。第三，明确了同步控制中电源导通时间和有效加工时间对加工过程的影响：短导通时间配合周期性回退有利于均匀溶解；有效加工时间需足够以保证溶解稳定，但过长则会增加偏差。第四，成功实践了所提出的同步控制方法，通过参数优化制备出了高精度的微凹坑阵列，证明了该方法的可行性与有效性。
本研究的价值与亮点显著。在科学价值层面，它深入揭示了TMECM中柔性阴极表面淤渣产生、粘附和聚集的动态过程及其对加工定域性的破坏机制，为理解该工艺的极限提供了新视角。所提出的“电源通断-阴极运动”同步控制策略，为解决淤渣清除这一共性难题提供了一种创新性的主动控制思路，而非仅仅依赖外部辅助手段。在应用价值层面，该方法不依赖复杂的附加装置（如超声振子），通过优化工艺参数和简单的运动控制即可显著提升微凹坑阵列的加工精度、一致性和表面质量，对于在摩擦副表面、微流控器件、表面功能化等领域高效制备高性能微结构具有直接的工程应用前景。研究的亮点在于将时间维度（周期性通断与运动）和空间维度（海绵物理特性）的控制相结合，系统性地构建了从问题机理分析、到创新方法提出、再到多参数实验验证与优化的完整研究链条，最终实现了工艺性能的显著提升。此外，研究中对微凹坑形貌的全面表征（包括三维粗糙度Sa），也体现了对加工质量评价的严谨性和先进性。