本文作者为Feng Wang（南京农业大学工程学院与南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室）、Jun Yao（中国科学院工程热物理研究所）和Min Kang（南京农业大学工程学院）。该研究于2020年发表在Journal of Manufacturing Processes（第57卷，91-104页）上。
该研究属于先进制造技术领域，具体聚焦于特种孔加工工艺。在航空航天及汽车工业中，轻量化是结构设计的关键因素，采用各种异形减重孔（如菱形孔）是实现结构减重的常用方法。然而，这对制造技术提出了巨大挑战。电化学加工（ECM）因其无工具损耗、无热变形、无切削力且加工效率高等特点，在异形孔加工中展现出显著优势。但菱形孔对角长度不等，导致侧向间隙内电解液流动路径差异显著，极易造成流场分布不均、加工区域缺液以及侧壁杂散腐蚀等问题，从而降低加工定域性和精度。以往研究提出的方法（如优化流道设计、施加工具阴极振荡、应用轨道运动等）大多只能单独改善流场或抑制杂散腐蚀。本研究旨在探索一种能够同时优化这两个关键问题的综合方法，即研究脉冲电流与低频振荡的同步作用。研究目标是通过脉冲与振荡同步的电化学加工方法，改善菱形孔加工的流场均匀性、抑制杂散腐蚀，从而提高加工精度和表面质量。
研究详细工作流程主要包括以下四个核心部分： 第一，建立理论模型与耦合仿真框架。 研究首先针对菱形孔ECM过程建立了初始物理场模型，定义了电解液进口、阴极表面、阳极（工件）表面、出口等边界。为了动态模拟加工过程，研究者采用了COMSOL 5.0软件，将气体-液体两相流场模型、电场模型以及动网格（ALE）模块进行耦合计算。模型中做出了关键假设，如忽略少量污泥的影响、液体不可压缩、气泡状态遵循理想气体方程、无相间质量转化、以及两相参数在流动方向任意截面上均匀分布等。基于混合物模型（Mixture Model）建立了气液两相流场控制方程（包括连续性方程、动量方程和第二相体积分数方程）。电场模型则基于拉普拉斯方程描述间隙内的电势分布，并考虑了电流效率和氢气生成速率。根据法拉第定律推导出工件材料的溶解速率，并将其与阳极边界运动耦合。对于同步ECM，工具阴极的进给速率和电源输出被设定为随时间周期性变化（正弦振荡和脉冲通断），并通过动网格模块控制求解域的动态变形。仿真技术参数设定包括：工件材料为SS304不锈钢、电解液电导率9.5 S/m、入口压力0.5 MPa、进给速率0.4 mm/min、振荡频率20 Hz、振幅0.3 mm、施加电压24 V、占空比0.8、脉冲导通时间25 ms等。
第二，进行基于仿真的物理场影响分析。 研究者利用上述耦合模型，系统分析并对比了三种ECM方法对加工过程物理场的影响：1) 连续进给沉入式ECM：模拟结果显示，由于菱形孔流道几何形状突变，间隙内电解液流速分布不均，长对角线两侧的尖角区域存在显著的低流速和低电流密度区，易导致短路；短对角线侧流速和电流密度较高，易产生较大的加工圆角；间隙内气泡率分布相对均匀，但整体体积分数高达22%。2) 振荡辅助ECM：分析表明，工具阴极的振荡运动增强了间隙内的吸液效应，促进了氢气泡的排出，改善了电导率分布的均匀性，从而减小了菱形孔各尖角处溶解速率的差异。然而，在阴极回退时，已加工阳极侧壁仍会发生二次腐蚀。3) 脉冲与振荡同步ECM：仿真揭示，当阴极靠近工件底部时脉冲导通进行加工，阴极远离时电源关闭，这种方式显著缩短了侧壁的加工时间并降低了其溶解速率，从而改善了加工定域性。同时，阴极表面氢气析出量明显减少，进一步降低了电导率差异。仿真还动态展示了在一个振荡周期内电导率和溶解速率随时间的变化规律。
第三，搭建实验系统并设计对比实验。 为验证仿真结果并研究实际加工效果，研究者搭建了独立的电化学加工实验系统，包括机床主体、脉冲电源、电解液循环过滤系统、由直线音圈电机驱动的振荡装置，以及基于单片机控制的脉冲与振荡同步模块。该模块能根据采样的振荡位置信号控制绝缘栅双极晶体管的通断，从而实现电源输出与工具阴极位置的精确同步，脉冲导通时间可在单个振荡周期T的0.1T至0.9T范围内精确调节。实验中采用了封闭式夹具以减少压力波动和沿程损失，并对工具阴极侧壁涂覆环氧树脂进行绝缘，仅保留底部高度0.1 mm的工作刃边。实验材料为SS304不锈钢，电解液为NaNO₃溶液。研究设计了一系列对比实验，主要考察参数包括：振荡幅度（0-0.5 mm）、振荡频率（0-50 Hz）以及脉冲导通时间（25-45 ms）。通过测量菱形孔入口侧向间隙、底部侧向间隙、侧壁锥度、长短对角线两侧的入口圆角半径以及表面粗糙度来评估加工精度和质量。
第四，分析与讨论实验结果。 实验结果与仿真趋势基本吻合：1) 振荡参数影响：在固定频率下，随着振幅增加，侧壁锥度和圆角半径总体呈下降趋势，但入口侧向间隙变化不大。在固定振幅下，随着频率增加，侧壁锥度从0.045降至0.03，圆角半径减小，但频率高于20 Hz后变化趋于平缓。这证实了振荡对改善流场均匀性的积极作用。2) 脉冲同步影响：在固定振荡参数（振幅0.3 mm，频率20 Hz）下，缩短脉冲导通时间能显著降低入口侧向间隙、侧壁锥度和圆角半径。当导通时间为25 ms时，获得了最佳的加工精度：入口侧向间隙仅为0.13 mm，侧壁锥度为0.026，长短对角线侧的入口圆角半径分别为R0.165 mm和R0.28 mm。若导通时间过短（<25 ms），则加工中易频繁发生短路。3) 轮廓与表面质量对比：将三种ECM方法（沉入式、振荡辅助、同步）的仿真轮廓与实验加工轮廓进行对比，发现同步ECM方法的误差最小（最大误差仅0.06 mm），验证了耦合仿真对同步ECM过程预测的有效性和可行性。表面质量分析表明，沉入式ECM加工出的菱形孔底面粗糙，存在明显的多孔结构；振荡辅助ECM的表面质量有所改善，但仍残留少量多孔结构；而同步ECM获得的表面最为光滑平整，表面粗糙度仅为Ra 0.134 μm，且底面无多孔结构。这归因于同步方法显著减少了氢气析出量，增强了电流传导效果。
本研究的主要结论是：1) 理论层面：脉冲与振荡同步的ECM方法能够有效减少菱形孔尖角处的溶解速率差异，提高电导率分布的均匀性，并显著降低侧壁溶解速率，从而改善加工定域性。2) 实验层面：通过优化同步参数（特别是缩短脉冲导通时间），可以显著提高菱形孔的加工精度（减小侧向间隙、锥度和圆角）和表面质量（降低粗糙度、消除多孔结构）。3) 方法验证：所建立的气液两相流场与电场耦合仿真模型对于同步ECM过程是有效且可行的。
本研究具有重要的科学价值和应用价值。在科学价值方面，它深入探究了脉冲与机械运动在微观时间尺度上耦合作用于复杂多物理场（流场、电场、电化学溶解）的机理，为理解动态ECM过程提供了理论框架和仿真方法。在应用价值方面，研究成果为航空航天领域轻量化构件上高质量、高精度异形孔（特别是菱形孔）的电化学制造提供了明确的工艺方案和优化参数，有助于提升相关关键零部件的性能和可靠性。此外，研究发展的脉冲-振荡同步控制模块和封闭式夹具设计也具有工程参考价值。
本研究的亮点在于：1) 研究方法的创新性：创造性地提出了将脉冲电源输出与工具阴极低频振荡运动进行精确同步的控制策略，并成功实现了实验装置，为同时改善ECM流场和抑制杂散腐蚀提供了一种集成化解决方案。2) 仿真与实验的深度结合：建立了复杂的气液两相流-电场耦合动态仿真模型，并系统地通过多组对比实验验证了仿真结果，形成了从机理分析、过程预测到工艺优化的完整研究闭环。3) 研究对象的特殊性：针对具有非对称几何特征的菱形孔这一具体而具有挑战性的加工目标展开研究，问题导向明确，研究成果具有直接的应用针对性。4) 结论的全面性：研究不仅关注宏观加工精度（尺寸、锥度、圆角），还深入分析了微观表面形貌和粗糙度，对加工质量的评价更为全面。该研究为后续进一步考虑电解产物对电压降影响，从而提升仿真精度指明了方向。