本文介绍了一项原创性研究工作。该研究由来自广东工业大学机电工程学院的Guixian Liu、Yongjun Zhang、Yu Deng、Hongyu Wei、Chao Zhou、Jiangwen Liu以及Hongping Luo等人完成，并于2016年6月15日被接受，最终于2017年在*The International Journal of Advanced Manufacturing Technology*期刊上正式发表（卷89，页407-416）。这项研究旨在解决脉冲电化学加工在加工金属双极板微通道阵列时遇到的关键技术难题，并提出了一种创新的解决方案。

学术背景： 该研究属于先进制造技术领域，具体聚焦于特种加工中的电化学加工分支，特别是脉冲电化学加工。研究的直接动因源于质子交换膜燃料电池（PEMFC）关键部件——金属双极板（bipolar plate, BP）的低成本、高效率制造需求。双极板上的流道阵列是其核心结构，其制造工艺直接影响燃料电池的电性能、效率和成本。传统的冲压、液压成形、微细电火花加工（μEDM）等技术在制造双极板微通道时，分别存在翘曲变形、裂纹、工具电极损耗、表面粗糙度高或工艺复杂成本高等问题。 电化学加工（ECM）以其高材料去除率、无工具损耗和无热影响区等优势，被视为一种有前景的解决方案。然而，在加工大面积的密集微通道阵列时，加工区域电解液流场（flow field）的均匀性成为一个关键挑战。流场不均匀会导致局部电解产物堆积、火花放电甚至短路，严重影响加工稳定性和表面质量。因此，改进工具设计、优化流场以提升加工稳定性和效率，成为该领域研究的重点。本研究的目标正是为了解决这一问题，通过设计一种多功能阴极（multifunctional cathode, MFC），并开发一种新的约束流场模式，以实现金属双极板上微通道阵列的高效、稳定、高质量的脉冲电化学加工。

详细工作流程： 本研究是一项结合了仿真模拟与实验验证的系统性工作，主要包含以下几个步骤： 1. 问题分析与方案设计：研究首先明确了目标——在金属双极板上加工微通道阵列，并指出了流场均匀性是核心挑战。基于此，研究团队提出了一个创新性的解决方案：设计一个多功能阴极。这个MFC集成了三种功能：作为加工电极；作为密封装置，约束电解液流动；以及作为隔离装置，将一个大加工区域分割成多个独立的加工区域。其核心设计是在工具电极的各个通道（凹槽）内嵌入弹性块。在加工过程中，这些弹性块被压紧在工作表面，从而在物理上隔离了相邻的加工区域。 2. 多功能阴极的设计与制备：研究人员设计并制造了MFC。工具电极为铜制，通过线切割加工出平行的凹槽。关键部件是弹性块，它采用具有耐温、耐腐蚀特性的弹性橡胶制成，并与一个弹性空腔集成为一体。研究提出了一种新颖的铸造成型法（casting molding method）来制备MFC：首先将工具电极固定在金属空腔上，并与台阶模具组装；然后注入液态橡胶；最后在预热至90°C的烘箱中烘烤30分钟，脱模后即得到集成的MFC。 3. 流场仿真分析：为了从理论上验证MFC设计的有效性，研究利用COMSOL软件进行了三维流场模拟。研究建立了两种流场模型进行比较分析：Type-I（无弹性块）和Type-II（有弹性块）。仿真模型设定了不同的通道深度、初始加工间隙等参数，入口压力设为0.2 MPa，出口为大气压。分析时，提取了每个通道底部中心线上的电解液流速，并计算了平均流速（表征电解液充足性）和流速差（表征流场均匀性）。 4. 实验系统搭建与参数设定：实验在一个自主研发的数控脉冲电化学加工系统上进行。工作材料为具有自钝化能力的304不锈钢，目标加工面积为20×18 mm，包含18条平行流道。实验设定了详细的工艺参数，包括电解液成分（15 wt.% NaNO₃ + 2 wt.% NaClO₃）、入口压力、初始加工间隙、目标加工深度、脉冲频率、占空比等。同时，设置了不同的阴极进给速度和应用电压作为变量，以研究其对加工结果的影响。 5. 实验执行与结果分析：研究进行了两组主要的对比实验。首先，在相同的工艺参数下，分别使用Type-I（无MFC隔离）和Type-II（有MFC隔离）模式进行加工，观察加工过程中短路发生的时间、加工后的通道表面质量（是否存在缺陷）以及缺陷的范围。其次，在验证了Type-II模式有效性的基础上，进一步研究了应用电压（10V，11V，12V，13V）和阴极进给速度（0.2，0.25，0.3，0.35 mm/min）对加工精度（通道宽度、深度、过切量（overcut））的影响。加工后的样品使用基恩士（Keyence）的VHX-600E三维显微镜进行测量和形貌分析。 6. 数据分析：对于流场仿真数据，主要通过比较Type-I和Type-II模型的平均流速和流速差来分析。对于实验结果，一方面定性分析加工表面的宏观缺陷；另一方面，定量测量通道的宽度、深度，并根据公式（1）计算过切量，以此作为评价加工精度的指标。通过绘制不同工艺参数（电压、进给速度）下通道尺寸和过切量的变化曲线，分析其影响规律。

主要结果： 1. 流场仿真结果：三维流场模拟清晰地展示了两种模式的差异。在Type-I模式中，由于没有弹性块的隔离，大部分电解液倾向于从电极凸肋之间的间隙流过，而进入工件微通道的电解液流速较低且各通道间存在显著干扰（相互串流）。计算得到的平均流速差较大（例如在通道深度100μm时高达1.33 m/s），表明流场非常不均匀。在Type-II模式中，由于弹性块的存在，电解液被强制流经各个独立的加工间隙，各通道间的流动互不干扰。仿真结果显示，Type-II模式下的平均流速显著高于Type-I，且流速差非常小（在通道深度100μm、300μm、500μm时分别为0.17，0.12，0.1 m/s），证明了MFC结构能极大改善流场的均匀性并为加工区域提供充足的电解液。 2. 加工过程稳定性实验结果：实验结果有力地支持了仿真结论。在Type-I模式下加工，即使采用较低的进给速度（0.2 mm/min），加工约135秒后就发生短路，且加工出的通道阵列表面存在大范围的缺陷。当提高进给速度至0.35 mm/min时，短路在短短30秒内发生，缺陷区域更大。这表明在不均匀流场下，局部电解产物极易堆积并扩散至相邻区域，引发灾难性的加工失败。而在Type-II模式下，即使在较高的进给速度（0.35 mm/min）下，加工也能持续约65秒，且最终只在局部小范围内出现缺陷。这说明MFC的隔离作用有效地将问题限制在单个独立的加工区域内，阻止了缺陷向周围区域的蔓延，显著提升了整个加工过程的稳定性。 3. 工艺参数对加工精度的影响结果：在稳定的Type-II模式下，研究了电压和进给速度的影响。结果表明，应用电压对加工尺寸有显著影响：随着电压从10V增加到13V，加工出的通道宽度、深度和过切量均随之增大。过切量从233μm（10V时）增加到更大的值。这是因为电压升高导致电流密度增大，材料去除率增加，同时杂散电流也更严重。因此，较低的应用电压有利于提高加工精度。关于进给速度的影响，在0.2至0.3 mm/min范围内，随着进给速度的提高，通道宽度、深度和过切量均减小。在0.3 mm/min时获得了最小的过切量（245μm）。这是因为较高的进给速度意味着工具阴极更快地趋近工件，使得加工间隙变小，杂散腐蚀减弱。然而，当进给速度过高（0.35 mm/min）时，由于电解产物来不及排出，容易引发短路，导致加工不稳定。这表明，高进给速度有利于精度，但存在一个临界点，超过此点会牺牲稳定性。 4. MFC结构问题的识别与改进：研究还发现并报道了MFC在实际应用中可能遇到的问题：当电解液压力较大时，弹性块会发生弹性变形，可能导致电解液泄漏。研究通过增加一个挡板（baffle）的设计，有效减少了弹性块变形，防止了泄漏，从而进一步提升了工艺的可靠性。

结论与意义： 本研究成功提出并验证了一种用于加工金属双极板微通道阵列的脉冲电化学加工新方法——采用多功能阴极。主要结论如下：(1) 成功将电极、密封装置和隔离功能集成于一个MFC中，简化了夹具设计。(2) 通过流场仿真和实验对比，证实了在工具电极通道内填充弹性块（Type-II模式）能有效将大加工区域分割为多个独立的小区域，从而极大地改善了加工间隙内电解液流场的均匀性。(3) 实验结果表明，这种隔离作用能够防止因相邻通道间串流而引起的表面缺陷扩散，显著提高了加工稳定性。(4) 研究明确了工艺参数的影响规律：较低的应用电压和较高的阴极进给速度有利于提高加工精度，但需在效率与精度/稳定性之间取得平衡。对于本研究的条件，在13V电压下，0.2至0.25 mm/min的进给速度范围是合适的。 本研究的科学价值在于，它为电化学加工中流场控制这一经典难题提供了一个具体而有效的创新解决方案，深化了对约束流场模式下电解液流动行为及其对加工过程影响机理的理解。其应用价值非常直接和显著：该方法为实现金属双极板微通道阵列的低成本、高效率、高质量制造提供了一条切实可行的工艺路径，有助于推动质子交换膜燃料电池的商业化进程。

研究亮点： 1. 创新的工具设计：提出并实现了“多功能阴极”这一集成化概念，巧妙地将流场隔离功能与工具电极本体结合，是本研究最核心的创意。 2. 系统性的研究方法：采用了“理论分析（流场仿真）- 工具设计与制备 - 实验验证 - 参数优化”的完整闭环研究流程，逻辑严谨，结论可靠。 3. 明确的工程问题导向：研究紧密围绕金属双极板制造这一具体工程需求展开，提出的解决方案具有很强的针对性和实用性。 4. 对关键工艺参数的量化分析：不仅验证了新方法的有效性，还详细研究了电压和进给速度对加工精度的定量影响规律，为工艺优化提供了具体指导。 5. 对潜在问题的识别与改进：研究没有回避MFC在高压下可能出现的弹性变形问题，并提出了增加挡板的改进方案，体现了研究的全面性和工程实践的严谨性。

这项研究为解决电化学加工大面积微结构阵列的稳定性难题做出了实质性贡献，其提出的MFC设计理念和相关研究结论对电化学加工领域的研究人员和工程技术人员具有重要的参考价值。