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新型射流-电化学放电加工技术（Jet-ECDM）实现玻璃无损伤精密加工

作者及机构
本研究由南方科技大学机械与能源工程系的Genglin Zhu、Hexin Li、Wenjun Lu、Yonghua Zhao，上海航天设备制造有限公司的Sanjun Liu，以及中国民航大学航空工程学院的Weidong Liu合作完成。研究成果发表于《International Journal of Machine Tools and Manufacture》2025年第209卷。

学术背景
玻璃因其优异的物理化学性质（如高硬度、高透光性、化学惰性和绝缘性）在微流体芯片、传感器、光学器件等领域具有广泛应用。然而，玻璃的高脆性和绝缘特性使其精密加工面临巨大挑战。传统方法如化学蚀刻（Chemical Etching）效率低且危险，机械加工易引入应力裂纹，激光加工则易产生热影响区（Heat-Affected Zone, HAZ）。电化学放电加工（Electrochemical Discharge Machining, ECDM）虽能加工绝缘材料，但其接触式加工易导致热损伤，且放电位置难以精准控制于工件表面。

本研究旨在开发一种非接触、无热损伤的玻璃加工技术——射流-电化学放电加工（Jet-ECDM），通过调控电场与流体场耦合，直接在绝缘工件表面诱导电化学放电，实现纳米级表面质量（Ra ~50 nm）和无损伤亚表面加工。

研究流程与方法
1. 原理设计与机制验证
- 核心创新：提出利用电解液射流作为虚拟工具电极，在工件表面形成气液混合薄层，通过气体介电击穿产生局部放电。区别于传统ECDM，Jet-ECDM的放电发生在射流冲击区，而非工具电极表面。
- 关键实验：通过高速摄像（38,000 fps）观测气泡行为，结合多物理场仿真（COMSOL）分析气泡分布与电场强度的耦合关系，验证放电定位机制。

1. 多物理场仿真

   • 模型构建：耦合电场（拉普拉斯方程）与气泡流场（湍流模型），采用Bruggemann方程修正气泡对电解液电导率的影响。
     
   • 仿真结果：阴极喷嘴（产生H₂）的气泡体积分数（Gas Volume Fraction, GVF）高于阳极（产生O₂），且高电压（280 V）和低流速（8 mL/min）促进气泡均匀分布，放电更集中于射流中心。
     

2. 放电特性调控

   • 实验设计：对比直流与脉冲电压（正弦波/方波）对放电频率（1–711 Hz）和强度的影响，热电偶测量放电区温度（峰值~160°C）。
     
   • 关键发现：正弦脉冲（200 Hz）可抑制径向流痕（Flow Marks），阴极喷嘴放电更均匀，表面粗糙度（Ra）较阳极降低50%。
     

3. 材料去除机制

   • 化学主导：在NaOH电解液中，放电等离子体活化SiO₂与OH⁻反应生成可溶性硅酸钠（Na₂O-SiO₂），非热主导（对比NaCl电解液无材料去除）。
     
   • 工艺验证：加工石英玻璃（99.9% SiO₂）的微沟槽，通过聚焦离子束（FIB）和透射电镜（TEM）证实亚表面无裂纹，SAED衍射图谱显示晶体结构完整。
     

主要结果
1. 放电定位：仿真与实验证实，射流冲击区的电场集中（强度~10⁶ V/m）和气泡积累（GVF >30%）是放电发生于工件表面的关键。
2. 工艺窗口：优化参数为电压260–270 V、极间距离2 mm、流速10 mL/min，此时材料去除率2.1 μm/s，过切量（Overcut）仅50 μm。
3. 表面质量：扫描策略（低速0.1 mm/s+多道次）使Ra达17.6 nm（AFM测量），优于传统ECDM（Ra ~200 nm）。

结论与价值
1. 科学价值：首次实现绝缘材料表面直接放电，揭示了气液界面放电的“电场-流体”耦合机制，为等离子体辅助加工提供新理论。
2. 应用价值：Jet-ECDM兼容现有电解射流加工（EJM）设备，可扩展至陶瓷等绝缘材料的高精度加工，适用于航空航天石英谐振荡器（HHO）等复杂三维结构制造。

亮点与创新
- 方法创新：非接触式射流约束放电，避免工具磨损；自稳定气层提升工艺重复性。
- 技术突破：纳米级表面质量与无热损伤特性，解决了玻璃微加工中“精度-损伤”矛盾。
- 跨学科融合：结合电化学、流体力学与等离子体物理，为混合加工技术开辟新方向。

其他发现
红外热成像显示加工区瞬时温度仅60°C（传统ECDM为500–600°C），证实低温化学主导机制；极性效应（阴极更均匀）为工艺调控提供新维度。