本研究报告介绍了一项关于航空航天关键部件高效精密加工技术的重要创新。该研究由南京航空航天大学机电工程学院的Liu Lin、Xu Zhengyang*、Teng Yunlong和Hao Yuheng共同完成，成果发表在*International Journal of Mechanical Sciences*期刊2025年第307卷上。

本研究聚焦于一种名为“在线变形柔性电极电化学切割”（online deformation electrochemical cutting with flexible electrode， FECC）的先进工艺。该工艺旨在解决航空航天发动机核心部件——整体叶盘（Blisk）制造中的突出难题。整体叶盘叶片密集、通道狭窄且呈三维扭曲，传统电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）方法，如仿形阴极加工、电解套料、径向进给电解等，常因阴极设计复杂、干涉难以避免或无法成形复杂曲面而面临瓶颈。近年发展的多管电极同步电解（Multi-tool ECM）和电化学切割（Electrochemical cutting）技术虽各有优势，但在加工高密度、窄扭曲通道方面仍力有未逮。而现有的FECC技术所采用的管状或棒状柔性电极，通常尺寸较大以保证刚度，导致加工局部性差（即去除材料区域过大），且其表面为了改善流场而设计的孔、缝等结构也增加了电极设计与制备的难度。因此，开发一种兼具良好柔性、适当刚度、高局部加工能力且结构简单的柔性电极，成为推动FECC技术应用于整体叶盘等复杂构件窄扭曲通道加工的关键。本研究正是为了突破这一瓶颈，创新性地提出、设计并验证了一种新型“片状电极”。

本研究的核心目标是设计并应用一种创新的局部绝缘片状电极，以显著提升FECC技术在加工镍基高温合金窄扭曲通道方面的能力。研究围绕以下几个关键程序系统展开： 程序一：片状电极的机械性能理论与仿真分析。首先，研究者对片状电极进行了概念设计，其核心是一个细长的矩形截面薄片结构（长b=3mm，宽h=0.5mm，长度150mm），并在其大部分表面施加局部绝缘层，仅保留底部及周边小部分区域作为导电加工区。为了评估其机械性能，研究者将其与三种不同规格的传统棒状电极进行了对比。通过理论建模（计算截面惯性矩、弯曲刚度、最大正应力）和有限元机械仿真，在保证电极变形处于弹性阶段的前提下，分析各电极在相同边界条件下的载荷承受能力与变形量。仿真结果表明，在达到相近的最大应力（约204-205 MPa）时，片状电极能承受的载荷（25.5 N·mm）远大于与其宽度相同的棒状电极1（2.35 N·mm），且产生的变形量（10.36 mm）也更大。与横截面积相同、弯曲刚度相等的棒状电极3相比，片状电极在相近应力下能承受更大载荷并产生更大变形。而与直径与片状电极长度相同的棒状电极2相比，虽然其承载能力极强（550 N·mm），但产生的变形极小（1.76 mm），无法满足加工需求。这些结果从理论上初步证明了片状电极在弹性变形范围内具有优异的综合机械性能，既能产生足够变形，又具备适当刚度。 程序二：局部绝缘理论建模与电场仿真验证。这是本研究的一项关键创新。研究者基于电化学加工理论，建立了片状电极局部绝缘宽度的理论模型。由于FECC过程中电极同时存在进给速度（vc）和变形速度（vd），其合成运动可等效为电极绕中心旋转一定角度θ后以合成速度v运动。研究者推导出考虑电极变形后的端面间隙、侧面间隙及最终通道宽度的计算公式，并进一步得出电极绝缘层宽度（l）的取值范围，以确保电极在变形后不会与已加工通道发生干涉。为验证该理论的合理性，研究者利用COMSOL Multiphysics软件建立了四种不同的二维电场仿真模型：未绝缘电极模型、全绝缘电极模型、局部绝缘电极实际模型及其等效模型。通过设置相应的电势边界条件和移动网格来模拟工件材料的溶解过程。仿真结果显示，全绝缘电极由于侧面材料溶解过慢，在加工早期（t=406 s）即与工件发生干涉，导致加工中断。未绝缘电极加工过程平稳，但最终通道宽度较大（6.39 mm）。采用理论优化宽度（l=1.5mm）的局部绝缘电极，不仅能顺利完成1800秒的加工，无干涉现象，而且将通道宽度显著减小至4.74 mm，比未绝缘电极窄了25.8%。更重要的是，局部绝缘等效模型的仿真结果（通道宽度4.76 mm）与实际模型高度吻合，误差小于0.4%，有力地验证了理论模型的准确性。 程序三：流固耦合仿真分析电极抗流冲击稳定性。为确保片状电极在高速电解液冲击下的工作可靠性，研究者进行了流固耦合仿真。分别模拟了电极在变形前和变形后两种状态下，受到0.8 MPa压力电解液冲击时的响应。结果表明，无论是在变形前还是变形后，电解液冲击引起的片状电极最大变形量（0.0043 mm 和 0.0016 mm）和最大等效应力（3.61 MPa 和 11.6 MPa）均远低于电极材料的屈服极限，证明片状电极具有足够的刚性来抵抗加工中的流体冲击，保证了工艺稳定性。 程序四：实验验证与性能研究。此程序包含多个实验环节，使用自行设计的FECC实验平台（集成三轴机床、在线变形装置、电源、控制系统等）和GH4169镍基高温合金工件进行。首先，通过三点弯曲实验，对片状电极和三种对比棒状电极进行了力学性能测试。实验获得的力-位移曲线和应力-应变曲线显示，片状电极的刚度（2.10 N/mm）适中，介于过于柔软（棒状电极1，0.20 N/mm）和过于刚硬（棒状电极2，176.32 N/mm）之间，且与同等弯曲刚度的棒状电极3（3.17 N/mm）接近。在弹性范围内（应变0.5%时），片状电极产生的应力（770.76 MPa）最小，再次证实其良好的机械性能，适合用于FECC。其次，进行了局部绝缘验证实验。分别使用未绝缘、局部绝缘（l=2.5mm）和全绝缘的片状电极进行变形切割实验。电流监测和加工后通道测量结果显示：未绝缘和局部绝缘电极均能稳定加工，无短路；局部绝缘电极的平衡加工电流（100 A）低于未绝缘电极（120 A），对应的加工通道宽度（3.52 mm）比未绝缘电极（5.28 mm）减小了33.3%，与仿真趋势一致。全绝缘电极则因材料去除过慢导致电极与工件干涉，绝缘层剥落，加工中断，与仿真预测完全吻合。第三，利用坐标测量机（CMM）和扫描电镜（SEM）等表征手段，分析了绝缘对加工轮廓和表面完整性的影响。研究表明，片状电极的在线变形能精确复制到工件表面，形成凸起轮廓。在相同电极变形量下，局部绝缘电极获得的加工轮廓曲率半径（如35.92 mm）小于未绝缘电极（如39.98 mm），意味着能加工出曲率更大的扭曲轮廓。表面分析表明，使用局部绝缘电极加工的轮廓表面更平整，突起减少，表面粗糙度Ra值从2.52 μm改善至1.79 μm，且表面附着的碳、氧元素含量显著降低，表明局部绝缘提高了加工局部性，减少了二次腐蚀和产物附着，从而改善了表面质量。第四，研究了进给速度与变形速度的匹配关系。在保持电极变形量和变形速度不变的条件下，改变电极进给速度进行实验。结果表明，随着进给速度/变形速度的比值从3增加到5，加工轮廓线的锥角从61.63°增大到75.43°，表明通过合理选择进给参数可以控制轮廓的锥度和扭曲程度。同时，实验成功实现了高达1.0 mm/min的进给速度，加工出典型扭曲通道零件，显著高于以往FECC研究中使用的进给速度（如0.5-0.6 mm/min），为高效率材料去除提供了参考。 本研究的主要结论是，创新设计的局部绝缘片状电极成功解决了FECC技术加工窄扭曲通道的关键难题。该设计通过理论、仿真和实验得到了系统验证，表现出优异的综合性能：适当的刚度（2.10 N·mm）和机械稳定性；局部绝缘理论能有效指导设计，将加工通道宽度显著减小25.8%以上（实验减少33.3%）；在高速电解液冲击下应力水平远低于材料屈服强度；最终在镍基高温合金上实现了高质量、高效率（1.0 mm/min）的窄扭曲通道加工，表面粗糙度达到Ra 1.79 μm。

本研究的科学价值在于，它提出并验证了一套完整的、面向复杂曲面窄通道加工的柔性电极创新设计理论与方法，特别是“局部绝缘理论”及其等效模型，为电化学加工领域的阴极设计提供了新思路。其应用价值巨大，为航空航天发动机整体叶盘等具有密集叶片、狭窄扭曲流道构件的精密高效制造提供了一种极具潜力的创新解决方案，有望推动FECC技术在高端制造领域的更广泛应用。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1. 核心创新明确：提出了全新的“局部绝缘片状电极”结构，从根本上改善了FECC电极的加工局部性和结构简易性。2. 方法系统全面：研究涵盖了从理论建模、多物理场（机械、电场、流场）耦合仿真到全方位实验验证（力学测试、加工验证、参数研究、表面表征）的完整闭环，论证严谨。3. 理论贡献显著：建立的“局部绝缘理论”及其等效运动模型，不仅有效指导了电极设计，其极高的仿真预测精度（误差<0.4%）也彰显了理论模型的可靠性。4. 工程效果卓越：最终实验成功实现了对高温合金窄扭曲通道的高质量、相对高速加工，综合性能指标（如通道宽度、表面质量、进给速度）优于先前研究，充分证明了该方案的工程可行性。此外，研究中对进给速度与变形速度匹配关系的探索，也为工艺参数优化提供了有价值的方向。