本项研究由Xiaochen Jiang（第一作者兼通讯作者）、Yange Li、Dan Li以及Zhixiang Xu共同完成。他们的研究机构分别为山东建筑大学机电工程学院（Xiaochen Jiang、Yange Li、Zhixiang Xu）和山东省水文中心（Dan Li）。该研究成果以论文形式发表于International Journal of Electrochemical Science，第18卷（2023年），文章识别号为100125，于2023年3月31日正式在线发布。

学术背景 本研究隶属于精密制造技术领域，具体聚焦于航空发动机关键部件——叶片的先进加工工艺。叶片是航空发动机的核心部件，其制造精度直接关系到发动机的性能与可靠性。电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）因其不受工件材料强度、韧性、硬度限制的独特优势，在叶片制造中受到广泛关注。然而，传统的直流电化学加工（Direct-current ECM）存在叶片尺寸精度低和表面粗糙度差的问题。为了提高加工质量，研究者们引入了多种辅助技术，其中，振动辅助脉冲电化学加工（Vibration-assisted Pulsed ECM）通过阴极工具的低频振动，有效促进了加工间隙内电解液的更新和气泡的排出，展现出提升加工精度和表面质量的潜力。 然而，在实际加工，尤其是采用双边同时进给加工弱刚性叶片时，由于叶片本身的大扭曲度、大加工面积以及凹凸面阴极进给运动的差异，会导致叶片两侧的加工间隙不一致，即产生“间隙差”（Gap Difference）。这种间隙差在电解液压力波动和工具振动的作用下，可能引起叶片发生变形，从而严重影响最终的加工精度。因此，明确间隙差对叶片变形的影响机理，并寻求抑制变形、提高精度的有效策略，成为该领域一个亟待解决的关键问题。 本研究的核心目标，正是系统性地探究在振动辅助脉冲电化学加工中，由电解液压力和工具振动引起的间隙差对叶片变形的影响规律，并基于此开发一种能够抑制变形、同步保证加工效率和精度的多步加工新方法。

详细研究流程 本研究逻辑严密，主要分为理论分析、模拟验证与工艺实验三个核心环节。 第一环节：间隙差对叶片变形影响的机理分析与模拟实验。 该环节旨在定量揭示间隙差如何导致叶片变形。研究团队首先自主开发了一套“动态应力-应变监测系统”（图3）。该系统由监测部分（显示器、动态应变仪）和装夹部分（夹具、两片平板阴极、模拟叶片）构成。作为研究对象的模拟叶片，其材料为304不锈钢，尺寸为宽35毫米、高39毫米、厚1毫米，以模拟实际加工末期的弱刚性状态。研究的核心变量是叶片左右两侧的加工间隙差。 具体实验流程如下：1. 标定关系：在叶片根部粘贴电阻应变片，并在叶片尖端放置块规。通过主轴移动使叶片尖端产生已知变形，同时使用千分表和动态应变仪测量尖端变形量与根部应变值，建立了“叶片根部应变-尖端变形量”之间的定量对应关系曲线（图4）。2. 模拟测试：为保护应变片免受真实ECM加工电流损坏，实验仅模拟电解液流动和工具振动的工况。在左侧间隙固定为0.3毫米的情况下，通过改变右侧间隙（0.1至0.5毫米），设置了从+0.2毫米到-0.2毫米的五种间隙差条件（表1）。实验分两步进行：首先，在0.8兆帕入口压力和0.1兆帕出口压力的电解液流经间隙时，测量不同间隙差下叶片根部的应变变化（图5）。然后，在电解液流动的基础上，叠加频率为10赫兹的阴极工具振动，再次测量应变响应（图6）。 第二环节：基于间隙差抑制策略的叶片振动辅助脉冲ECM工艺实验。 在明确了间隙差是导致叶片变形主因的基础上，本研究提出了一种创新的“两步法”加工策略，并进行实际加工验证。研究对象为一个典型的航空发动机叶片三维模型（图7），其毛坯材料为GH4169，初始尺寸为15×49×52毫米。研究共对6个工件进行了加工实验。 具体实验流程如下：1. 阴极设计与工装制备：采用基于电场简化假设的余弦法（COS Method），根据法拉第定律和欧姆定律推导出的平衡间隙公式（公式1），设计了凹凸面的工具阴极三维模型（图9），材料为304不锈钢。同时，设计并制造了专用的环氧树脂分体式夹具（图10），该夹具能形成封闭流畅的电解液通道，确保加工区域电解液充盈。2. 两步法加工实施：加工在自主研发的振动辅助脉冲ECM机床上进行。第一步（粗加工）：采用直流ECM模式，针对凹凸面去除余量不均匀的情况，为凹面和凸面阴极设置不同的进给速度（凹面0.4毫米/分钟，凸面0.5毫米/分钟），初始间隙为0.5毫米。此步骤目的是快速去除大部分材料，并使两侧加工趋于均匀，为第二步的精加工创造间隙一致的条件。第二步（精加工）：切换到振动辅助脉冲ECM的“前置耦合模式”（Prepositioned Coupling Mode，图1），此时凹凸面阴极采用相同的、较低的进给速度（0.05毫米/分钟），初始间隙缩小至0.1毫米，并施加频率10赫兹、振幅0.3毫米的振动。此步骤旨在最终精确成形叶片，并利用小间隙和脉冲振动提升表面质量。详细的加工参数总结于表2。3. 结果检测：加工完成后，对所有叶片进行检测。首先使用三坐标测量机（图12）检测叶片型面精度，在每个叶片的凹面和凸面型线上分别选取6个截面，每个截面测量60个点，以评估其与理论模型的轮廓偏差。随后，使用泰勒-霍普森粗糙度轮廓仪测量加工表面的二维形貌，以获取表面粗糙度数据（Ra值）。

主要研究结果 模拟实验环节的结果清晰地揭示了间隙差的主导作用。当仅有电解液流动时（图5），应变值随间隙差的增大而显著增大。例如，当间隙差为±0.02毫米时，测得的应变值高达±120微应变，根据之前标定的关系换算，对应的叶片尖端变形量达到0.03毫米，这已严重超出了航空发动机叶片通常±0.03毫米的精度要求。值得注意的是，当间隙差为0毫米时，电解液压力稳定后对叶片应变的影响微乎其微。而在叠加工具振动后（图6），应变值虽有波动，但变化范围很小，且振动停止后应变值回落，表明工具振动本身对叶片变形的影响不显著。综合分析得出结论：在振动辅助脉冲ECM加工叶片过程中，导致变形的主要因素是叶片两侧的间隙差，而非工具振动。 这一关键发现为后续工艺优化指明了方向——必须在加工末期，尤其是叶片处于弱刚性状态时，竭力减少或消除两侧间隙差。 工艺实验环节的结果充分验证了基于上述发现所提出的“两步法”策略的有效性。经过两步法加工得到的最终叶片（图11b）表面光洁，无流纹等缺陷。三坐标检测数据显示（图13），以2号和5号叶片为例，其凹面和凸面型线的总轮廓误差（最大正偏差与最大负偏差的绝对值之和）均在0.05毫米左右（如2号叶片凹面0.048毫米，凸面0.050毫米）。这表明，通过第一步直流ECM的差异化进给预先均衡了加工余量，为第二步精加工创造了接近零间隙差的条件，从而有效抑制了变形，获得了高精度的叶片型面。表面粗糙度测量结果（图14）进一步显示，叶片凹面和凸面的平均粗糙度（Ra）分别约为0.121微米和0.113微米，均低于0.13微米，体现了振动辅助脉冲ECM在小间隙加工中对提升表面质量的显著优势。

结论与价值 本研究得出的核心结论是：在振动辅助脉冲电化学加工航空发动机叶片时，由电解液压力引起的叶片两侧间隙差是导致工件变形、影响加工精度的主要原因。为了抑制这种变形，研究提出并验证了一种创新的多步加工模式。该模式首先采用直流ECM并配合凹凸面不同的阴极进给速度，快速去除余量并实现初步均匀化加工；随后切换至振动辅助脉冲ECM的前置耦合模式，以相同的低速进给完成最终精加工。这一策略不仅保持了较高的加工效率，更重要的是通过主动控制间隙差，显著提高了叶片的轮廓精度（总轮廓误差约0.05毫米）和表面质量（表面粗糙度低于0.13微米）。 本研究的科学价值在于，首次通过系统的模拟实验定量揭示了振动辅助ECM中叶片变形的核心诱因是间隙差而非振动本身，深化了对该复合加工过程中力-电-流多场耦合机理的理解。其应用价值则直接体现在所提出的“两步法”加工策略上，该策略为解决弱刚性、复杂曲面零件在ECM加工中的变形控制难题提供了一种有效、可行的工艺方案，对于提升航空发动机制造水平具有重要的工程实践意义。

研究亮点 本研究的亮点突出体现在以下三个方面：1. 问题切入精准，机理研究深入：没有停留在对振动辅助ECM工艺参数的泛化优化，而是敏锐地抓住加工末期叶片“弱刚性”和“间隙差”这一对具体矛盾，通过设计精巧的模拟实验，剥离了电解液压力与工具振动各自的影响，明确指出了间隙差是导致变形的首要因素。2. 方法创新且有效：提出的“两步法”加工策略构思巧妙，将高效率的粗加工与高精度的精加工有机结合，通过工艺阶段的主动干预来控制物理状态（间隙差），逻辑清晰，实践性强，实验数据充分证明了其优越性。3. 自主开发实验系统：为完成机理研究，自主研发了“动态应力-应变监测系统”，这套系统能够在不引入加工电流干扰的情况下，精确模拟并测量ECM环境中的叶片变形，为获得可靠的基础数据提供了关键技术支持。

其他有价值内容 此外，论文在阐述中还提供了丰富的工程技术细节，例如：对振动辅助脉冲ECM“前置耦合模式”工作时序的详细说明（图1），对采用余弦法进行阴极型面设计的原理和公式推导，以及对具有独立电解液入口、能确保整个叶型均匀流场的专用夹具的设计介绍（图10）。这些内容不仅增强了研究的完整性和可复现性，也为同行研究人员和工程技术人员提供了宝贵的参考资料。论文最后还将本研究的轮廓精度和表面粗糙度结果与同领域其他学者的工作（如Zong等人、Zhu等人的研究）进行了对比，指出其结果具有可比性或更优，进一步佐证了本研究方法的有效性。