基于叶片双侧加工间隙差异影响的振动辅助脉冲电化学加工研究学术报告
本文旨在向国内同行介绍一篇近期发表于 International Journal of Electrochemical Science 的研究论文。该研究聚焦于航空发动机关键部件——叶片的精密制造领域，深入探讨了在振动辅助脉冲电化学加工（Electrochemical Machining， ECM）过程中，由电解质压力和工具振动引起的叶片两侧加工间隙差异如何影响叶片变形及最终加工精度，并提出了相应的工艺优化策略。
一、 研究团队与发表信息
本研究由姜小琛（通讯作者）与李延戈、李丹、徐志祥共同完成。姜小琛、李延戈、徐志祥来自山东建筑大学机械与电子工程学院，李丹来自山东省水文中心。该研究成果以 “Influence of machining gap on both sides of blade in vibration-assisted pulsed electrochemical machining” 为题，于2023年发表在第18卷的 International Journal of Electrochemical Science 期刊上，文章识别码为100125。
二、 研究背景与目的
本研究属于先进制造技术领域，具体为特种加工中的电化学加工（ECM）方向。电化学加工因其不受工件材料强度、韧性和硬度限制的特性，在航空发动机复杂曲面叶片制造中展现出巨大潜力。然而，传统的直流ECM存在尺寸精度低、表面质量差的固有缺陷。为改善加工效果，振动辅助脉冲ECM技术应运而生，通过引入阴极工具的低频振动，有效促进了加工间隙内气泡和电解产物的排出以及电解液的更新，从而提高了加工精度和表面质量。
在实际的叶片ECM过程中，特别是在双侧同时加工时，由于叶片结构本身属于弱刚性体，在加工后期材料余量减少时，其刚性进一步减弱。此时，加工区域内电解液的压力波动以及阴极工具的振动，可能导致叶片两侧的加工间隙（即阴极工具与工件叶片表面之间的间隙）出现不一致（即间隙差）。这种间隙差会引发叶片产生非预期的弹性变形，进而严重损害最终的成形精度。尽管此前研究已尝试通过优化流场、改进阴极设计（如辅助电极、局部绝缘）或改变进给路径（如切向进给）等方法来提升ECM精度，但针对加工过程中由物理因素直接引发的叶片变形机理及其抑制方法的研究尚不充分。
因此，本研究的核心目标是：深入分析在振动辅助脉冲ECM过程中，由电解质压力和工具振动导致的叶片两侧加工间隙差对叶片变形的影响规律；并基于此规律，提出一种能够有效抑制间隙差、从而提高叶片加工精度和表面质量的新型多步加工工艺方案。
三、 研究详细工作流程
本研究采用了理论分析、模拟测试与实验验证相结合的系统性方法，工作流程主要包含三个关键部分：
第一部分：间隙差对叶片变形影响的机理分析与实验验证
本部分是研究的理论基础和问题量化环节。首先，研究者构建了一套动态应力-应变监测系统（图3所示），用于模拟并测量在ECM类似环境下（电解液流动、工具振动）叶片因间隙差而产生的变形。该系统是本研究的一项关键自研装置，由监测部分（显示器和动态应变仪）和夹具部分（夹具、两个平面阴极、模拟叶片）构成。监测的核心是在304不锈钢模拟叶片的根部粘贴电阻应变片，通过测量叶片受力变形时应变片的电阻变化，经由动态应变仪转换为应变值，从而间接反映叶片的变形程度。由于实际ECM中的加工电流会损坏应变片，此测试仅模拟了电解液和阴极振动的物理作用，而未通电进行实际电化学溶解。
实验设计巧妙地通过固定一侧间隙（左间隙为0.3 mm），改变另一侧间隙（右间隙从0.1 mm到0.5 mm变化），人为制造出从+0.2 mm到-0.2 mm的一系列间隙差（见表1）。研究分为两个子步骤： 1. 仅电解液流动影响测试：在电解液进口压力0.8 MPa、出口压力0.1 MPa的条件下，观察不同间隙差下叶片根部的应变变化。结果显示（图5），随着电解液流入间隙，应变值发生波动并最终趋于稳定。关键发现是：应变值随间隙差的绝对值增大而显著增大。当间隙差为±0.02 mm时，应变值可达±120 με，经换算对应叶片尖端变形量达0.03 mm，这已严重威胁到叶片通常要求的±0.03 mm的加工精度。而当间隙差为零时，电解液压力对叶片应变的影响微乎其微。 2. 电解液流动叠加工具振动影响测试：在电解液流动稳定的基础上，启动阴极工具以10 Hz频率振动。结果显示（图6），工具振动会引起应变值的微小波动，但波动幅度有限，且振动停止后应变值回落。这表明与间隙差的影响相比，工具振动本身对叶片变形的影响很小。
通过这部分研究，研究团队明确了一个核心结论：在叶片ECM，尤其是精加工阶段，导致叶片变形、影响加工精度的最主要因素是叶片两侧的加工间隙不一致（间隙差）。这为后续的工艺改进提供了直接的理论依据和目标——必须设法在精加工阶段减小乃至消除间隙差。
第二部分：基于间隙差抑制策略的叶片多步加工工艺设计与实施
基于第一部分的发现，研究者提出了一种创新的“两步法”加工工艺，旨在先通过非均衡加工获得均匀的初始间隙，再通过均衡的精加工消除间隙差。 1. 加工对象与阴极设计：研究对象为一个典型的航空发动机叶片（图7），材料为GH4169，毛坯尺寸15×49×52 mm。采用广泛应用于阴极设计的cosθ法，根据ECM平衡间隙公式（公式1），设计了分别对应叶片凹面和凸面的工具阴极（图9），材料为304不锈钢。 2. 专用夹具与流道设计：为确保加工稳定性和流场均匀性，研究团队设计并制造了一套分体式夹具（图10）。夹具采用环氧树脂制造，内部设有定位块和供电导流板。电解液从两个入口流入，经加工区域后从前盖板的出口流出，保证了加工间隙内电解液的充分填充和更新。 3. 两步加工实验：实验在自研的振动辅助脉冲ECM机床上进行，共加工了六个工件。 * 第一步（粗加工/预匀化）：采用直流ECM模式。此时，凹面和凸面阴极采用不同的进给速度（凹面0.4 mm/min，凸面0.5 mm），以较大的初始间隙（0.5 mm）快速去除大部分余量。此步骤的目的并非直接获得最终形状，而是通过非对称进给策略，使得加工完成后叶片两侧的剩余材料厚度尽可能均匀，为第二步的精加工创造一个起始间隙接近一致的条件。 * 第二步（精加工/终成形）：切换至振动辅助脉冲ECM的“前置耦合模式”（Prepositioned Coupling Mode， 图1所示）。在此模式下，凹面和凸面阴极采用完全相同的、较低的进给速度（0.05 mm/min），在较小的初始间隙（0.1 mm）下进行精加工。阴极工具同时以10 Hz频率、0.3 mm振幅振动，并采用特定的脉冲参数（脉宽8.33 ms）。此步骤的目的是在已较为均匀的初始间隙基础上，通过双侧同步、低速、振动的精细加工，最终消除间隙差，精确成形叶片轮廓，并获得优良的表面质量。其他加工参数如电压（20 V）、电解液（NaNO₃溶液）等均列于表2。
第三部分：加工结果检测与数据分析
加工完成后，对制成的叶片进行了全面的精度与质量检测。 1. 轮廓精度检测：使用三坐标测量机（图12）对叶片（以2号和5号叶片为例）的凹、凸型面进行检测。在每个型面上选取6个截面线，每个截面线测量60个点。检测结果（图13）以轮廓偏差图的形式展示。数据显示：2号叶片凹面轮廓最大正偏差0.032 mm，最大负偏差-0.016 mm，总轮廓误差0.048 mm；凸面总轮廓误差为0.050 mm。5号叶片凹面总轮廓误差0.051 mm，凸面总轮廓误差0.049 mm。所有被测叶片的轮廓总误差均在0.05 mm左右，证明了该工艺能达到很高的轮廓精度。 2. 表面粗糙度检测：使用泰勒-霍普森粗糙度轮廓仪测量叶片表面。以2号叶片为例（图14），凸面平均粗糙度（Ra）为0.113 µm，凹面平均粗糙度为0.121 µm。表面粗糙度均小于0.13 µm，显示了振动辅助脉冲ECM在提升表面质量方面的显著优势。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
研究的各部分结果环环相扣，逻辑严密： 1. 机理验证结果：实验明确量化了间隙差与叶片变形的正相关关系，并排除了工具振动作为主要变形因素的可能性。这步结果为整个研究指明了技术攻关的焦点——控制间隙差。 2. 工艺实施与结果：基于上述焦点，提出的“两步法”工艺（先非均衡直流ECM匀料，后均衡振动脉冲ECM精修）被证明是有效的。第一步的结果（图11a）是获得了余量均匀的中间工件，这为第二步的成功创造了前提。第二步的结果（图11b）是获得了无流痕、高精度的最终叶片。 3. 最终检测结果：轮廓精度（~0.05 mm总误差）和表面粗糙度（<0.13 µm）的优异数据，直接验证了“通过抑制间隙差来提高精度”这一核心思路的正确性，以及所提出的多步加工工艺方案的有效性。这些结果与前人研究（如Zong等人关于局部ECM的报告，Zhu等人关于流场优化的报告）的结论相呼应，但本研究的贡献在于提供了一种从“变形机理”到“主动工艺控制”的完整解决方案。
五、 研究结论与价值
本研究得出以下核心结论：在振动辅助脉冲ECM加工弱刚性叶片时，由电解液压力引起的叶片两侧加工间隙差异是导致叶片变形、进而降低加工精度的主要原因。为了抑制这种变形，在加工的最后成形阶段，必须尽可能减小两侧的间隙差。为此，研究提出并验证了一种创新的多步ECM工艺模式，该模式结合了直流ECM的高效材料去除能力和振动辅助脉冲ECM的高精度成形能力，不仅提高了加工效率，更重要的是通过主动控制间隙演变路径，显著提升了叶片的轮廓精度和表面质量。
该研究的科学价值在于深入揭示了ECM过程中一个影响精密零件（尤其是薄壁弱刚性件）加工精度的关键物理机制，弥补了该领域对“加工过程力学变形”关注不足的空白。其应用价值则体现为提供了一套切实可行、效果显著的工艺优化方案，可直接用于指导航空发动机叶片等高端零部件的ECM生产实践，对提升我国航空发动机制造技术水平具有积极意义。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
文中对振动辅助脉冲ECM的“前置耦合模式”进行了应用，该模式通过控制电源脉冲与工具振动位置的耦合关系，能在小间隙下获得更好的加工定域性。本研究将其作为精加工阶段的核心模式，进一步凸显了脉冲与振动复合加工的技术优势。此外，研究对夹具和电解液流道的专门设计，也体现了ECM工艺中“机-电-液”多场耦合系统设计的重要性，为同类工程应用提供了参考。