电化学加工中双极性脉冲与辅助电极的作用机制研究——基于双电层行为分析

作者及发表信息
本研究的通讯作者为东京农工大学机械系统工程系的Wataru Natsu（通讯邮箱：summer@cc.tuat.ac.jp），第一作者为Qingrong Zhang（东京农工大学）与Hongping Luo（广东工业大学）。研究成果发表于《Journal of Materials Processing Technology》2025年第341卷，文章编号118907。

学术背景
电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）作为一种非传统加工技术，因无工具磨损、无残余应力及高表面质量等优势，在航空航天、医疗器械等领域备受关注。然而，传统单极性脉冲ECM（UP-ECM）存在杂散腐蚀（stray corrosion）问题，严重制约加工精度。尽管已有研究通过双极性脉冲（bipolar pulses）和辅助电极（auxiliary electrode）结合的方法（BP-AE ECM）提升了精度，但其核心机制——尤其是双电层（Electric Double Layer, EDL）行为的作用尚未明确。本研究旨在通过分析EDL的动态行为，揭示BP-AE ECM抑制杂散腐蚀的机理，为高精度加工提供理论支持。

研究流程与方法
1. 机理假设与模型构建
- 关键假设：BP-AE ECM通过负脉冲提供的反向电荷中和非加工区EDL中的正向电荷，从而降低非法拉第电流（faradaic current），抑制杂散腐蚀。
- 模型开发：基于等效电路模型（含EDL电容、法拉第电阻等参数）和COMSOL Multiphysics电场耦合模型，模拟EDL过电位（overpotential）与电流分布。

1. 实验验证设计

   • 实验装置：自主设计双极性脉冲电源（主电路含MOSFET与二极管，可独立调控正/负脉冲电压），搭配三轴运动平台与CCD实时观测系统。
     
   • 参数设置：对比UP-ECM与BP-AE ECM在不同负脉冲电压（Un=0-16 V）、频率（10-50 kHz）下的加工效果，以SUS 304不锈钢为工件，NaNO₃电解液（10 wt%）为介质。
     

2. 核心实验与数据分析

   • 瞬态实验：通过短时（微秒级）脉冲分析EDL充电/放电行为，结合低通滤波（3 MHz截止频率）提取电流波形，量化等效电路参数（如EDL电容Cdx、电解液电阻Rey）。
     
   • 加工实验：测量孔槽的直径、深度及表面粗糙度，计算蚀刻因子（Etch Factor, EF）评估加工局部性。
     

主要结果
1. EDL行为的仿真验证
- 负脉冲电流密度在非加工区显著高于加工区（0.044 A/cm² vs. 0.5-1 mm区域的高密度），导致非加工区EDL储存更多反向电荷。
- 等效电路模拟显示，BP-AE ECM中非加工区的EDL过电位（Ups）在正脉冲阶段大幅降低（Un=16 V时法拉第电流降至0.032 A，较Un=0 V的0.112 A减少71%）。

1. 实验现象与加工效果

   • 气泡观测：Un=4 V时非加工区氧气泡消失；Un≥8 V时氢气泡密集生成，进一步抑制杂散电流。
     
   • 加工精度：BP-AE ECM在Un=16 V时实现无杂散腐蚀，EF值显著提升（较UP-ECM提高3.7倍），且槽底粗糙度Ra降至0.276 μm（UP-ECM为1.032 μm）。
     

2. 脉冲频率影响
   高频（50 kHz）下，BP-AE ECM因正脉冲总宽度缩短，材料去除率降低，但加工局部性保持稳定（EF值无显著波动）。

结论与价值
本研究首次从EDL行为角度阐明了BP-AE ECM提升精度的核心机制：负脉冲通过电荷中和效应抑制非加工区溶解，而氢气泡的绝缘作用进一步协同增强。其科学价值在于为ECM工艺参数优化提供了理论依据；应用价值体现在无需超短脉冲电源即可实现高效高精度加工（如微齿轮、燃料电池双极板等复杂结构）。

研究亮点
1. 创新机理：提出“EDL电荷中和”模型，突破传统物理隔离杂散电流的局限。
2. 方法革新：开发可调双极性脉冲电源及多物理场耦合仿真流程，参数识别精度达微秒级。
3. 工业潜力：在10 kHz频率下实现91 μm深、1345 μm宽的高精度孔加工，为难切削材料提供新方案。

其他发现
BP-AE ECM可减少目标加工区的氧化膜（氧含量从34.2%降至28.7%），提升电流效率，加工速率达1.5 μm/s（UP-ECM为0.9 μm/s）。未来需进一步研究氢气泡与EDL行为的耦合效应，以拓展其在增材制造中的应用。