本研究发表于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》2025年第141卷。主要作者为南京航空航天大学机电工程学院的Yan Liu、Jia Liu、Xiaofan Zhang和Di Zhu。
学术背景 本研究的科学领域属于先进制造技术，具体聚焦于特种加工中的电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）工艺。燃料电池是高效、低污染的新一代发电技术，而双极板（Bipolar Plates）是其核心部件，占电堆重量60%以上和成本40%以上。双极板上的流道（尤其是平行阵列流道）的加工精度和表面质量直接影响燃料电池的输出性能。
目前，双极板流道的制造技术主要包括塑性成形、微铣削、电火花加工（EDM）和电化学加工（ECM）。其中，ECM利用阳极电化学溶解去除材料，具有无切削力、无工具损耗、无毛刺、成本低等突出优点，非常适合加工复杂流道结构。然而，在加工平行阵列流道时，传统ECM面临两个主要缺陷：第一，电解产物沿电解液流动方向积累，导致流道入口和出口区域的加工深度不一致；第二，电解液流经阵列流道后，在出口区域汇合，产生不均匀的流速分布，从而在加工表面形成明显的流痕（Flow Marks）。这些缺陷源于电解液的单向流动模式。尽管已有研究采用脉冲电解液流等方法试图改善，但由于流程长、多股流汇合等原因，仍无法保证加工的均匀对称性。因此，本研究旨在解决这一工艺难题，其核心目标是提出并验证一种电解液周期性换向（Electrolyte Periodic Reversal） 的流动模式，以改善脉冲动态ECM加工双极板平行阵列流道的尺寸一致性和表面质量。
详细工作流程 本研究的工作流程系统且完整，主要包括理论仿真、方案提出和实验验证三个核心部分，共计五个主要步骤。
步骤一：传统电解液流动模式的仿真分析。 此步骤旨在从理论上揭示传统单向流动模式问题的根源。研究团队首先进行了二维多物理场耦合仿真。他们选取了加工过程的初始和最终振动时刻的ECM模型横截面，建立了耦合电场、流场和温度场的数学模型。模型考虑了阴极表面产生的氢气（影响电解液电导率）以及电流产生的焦耳热（导致电解液温度升高）。通过求解拉普拉斯方程、法拉第定律和热传导方程，模拟了加工间隙内气泡率、温度和电导率的时空分布。仿真参数设置如下：初始间隙0.5 mm，工具振幅0.3 mm，振动频率10 Hz，进给速度0.1 mm/min，加工电压20 V，电解液为20%硝酸钠溶液，入口压力0.6 MPa，出口压力0.1 MPa。仿真结果表明，沿着电解液流动方向，加工间隙内的氢气体积分数逐渐增加，且加工结束时高于开始时。在一个振动周期内，截面的平均气泡率和温度在脉冲通电期间迅速上升，在脉冲间歇期下降。更重要的是，电导率分布沿流动方向先因温升而增加，后因气泡率升高而迅速下降。这种不均匀的电导率分布直接导致了阳极表面电流密度分布不均。仿真数据显示，在初始振动周期，阳极表面电流密度在入口附近为68.7 A/cm²，中间最高达73.9 A/cm²，出口附近最低为58.1 A/cm²；在最终振动周期，出口附近电流密度进一步降至51.1 A/cm²。电流密度的差异直接对应材料去除率的不均匀。
其次，研究团队进行了三维流场仿真。他们建立了初始和最终加工状态下的三维流道模型，采用标准k-ε湍流模型，分析了不同加工深度和不同极间间隙下的电解液流速分布。仿真结果清晰显示，无论加工深度和间隙如何，在流道阵列下游（靠近出口区域）的电解液速度波动明显大于上游（靠近入口区域）。这表明在出口区域，电解液流速分布极不均匀，是造成表面流痕的理论原因。
步骤二：周期性换向流动模式的提出与理论论证。 基于步骤一的仿真发现，本研究创新性地提出了电解液周期性换向流动模式。其核心原理是：通过在加工过程中定时切换电解液在夹具上的入口和出口，实现电解液流动方向的周期性反转。该方案的优越性从理论上进行了论证：第一，针对产物积累问题，当电解液反向流动时，产物积累的分布也随之反向，因此在一个完整的换向周期内，阳极表面的电荷密度（对应材料去除率）分布会趋于平均。通过计算单向流动和周期性换向模式下的电荷密度分布范围，理论预测表明，周期性换向能将电荷密度波动范围从单向流的0.12-0.13 C/cm²减小到0.07-0.08 C/cm²，从而有望提高流道深度和宽度的均匀性。第二，针对流速不均问题，换向使得电解液汇合区的位置发生移动，原本流速不均匀的区域（原出口区）在换向后可能处于流速更均匀的区域（新入口区），从而有望减轻流痕。基于理论计算，为保证加工深度偏差在精度要求（±0.05 mm）内，单向电解液流动的稳定加工时间应控制在2分钟以内，这为后续实验设计提供了参考。
步骤三：实验设备与平台的搭建。 为验证所提方案，研究团队自主设计并搭建了专用的实验装置。该装置的核心是一个可实现电解液换向的夹具系统。通过配置两套管道和四个电磁阀，并由可编程逻辑控制器（PLC）控制阀门的通断状态，即可快速切换电解液流动方向。整个实验平台集成了脉冲电源、工具阴极（凸起结构，对应流道形状）、工件阳极（304不锈钢）、振动系统、位移传感器和控制器，实现了脉冲动态ECM加工。加工参数与仿真设置保持一致。
步骤四：单向流动与换向流动的对比实验。 本步骤通过系列实验对比了不同流动模式的效果。首先，进行了传统的单向电解液流动加工实验。对加工出的工件进行检测：选取左（区域I）、中（区域III、IV、V）、右（区域II）三个部分进行表面形貌和流道尺寸检测。实验结果完全印证了仿真预测：在出口侧区域II发现了明显的流痕，其表面波度（Sz）高达12.6 μm，显著高于入口侧区域I的5.4 μm。同时，沿电解液流动方向，流道宽度和深度均呈现递减趋势。例如，流道3的宽度从区域III的1497 μm减少到区域V的1388 μm，差异达109 μm；流道4的深度差异最大，为39 μm。这证实了单向流动导致加工不一致。
接着，为了探索换向时间的影响，进行了初步的换向实验：在加工的最后阶段（如最后0.5、1、2分钟）将电解液流动方向反转一次。表面形貌检测结果显示，随着最后换向时间的增加，区域I的波度上升，区域II的波度下降。当最后换向1分钟时，两个区域的波度基本一致（区域I为8.8 μm，区域II为8.0 μm）。超过1分钟（如2分钟）则对区域I表面质量产生负面影响。这初步表明换向可以平衡两个区域的表面质量，并确定了1分钟是一个有效的换向时长参考。
步骤五：周期性换向流动的优化实验。 在初步实验基础上，进一步进行了全过程的周期性换向实验。比较了电解液每1分钟换向一次和每0.5分钟换向一次两种模式。检测结果表明，周期性换向模式能有效改善表面质量的一致性。当换向周期为0.5分钟时，效果最优：区域I和区域II的表面波度分别降至6.3 μm和5.9 μm，且整体水平低于单向流动和1分钟周期换向的结果。更重要的是，对采用0.5分钟周期换向加工出的工件进行流道尺寸检测发现，其尺寸均匀性得到显著提升，且关于工件中心线对称。例如，流道4的宽度差异从单向流的62 μm降至38 μm；流道2的深度差异从单向流的30 μm降至21 μm；流道1的深度差异甚至仅为7 μm。这些数据强有力地证明了周期性换向流动模式在提高加工尺寸一致性和改善表面质量方面的双重有效性。
主要结果 1. 仿真结果：多物理场仿真揭示了传统单向ECM加工中，沿电解液流动方向，加工间隙内气泡率和温度升高导致电导率下降，进而造成阳极表面电流密度分布不均（出口区域比入口区域低约20-25%）。流场仿真进一步表明，电解液在流道阵列出口区域流速分布极不均匀。 2. 理论论证结果：计算表明，采用周期性换向流动模式，可以使阳极表面的平均电荷密度分布更加均匀，波动范围比单向流动减少约40-50%。 3. 初步换向实验结果：在加工末期进行单次换向（如最后1分钟）可以有效平衡入口和出口区域的表面波度，使其接近一致，证实了换向对改善表面质量的有效性，并确定了过长的末端换向时间并无益处。 4. 优化实验结果：采用全过程周期性换向（尤其是每0.5分钟换向一次）取得了最佳综合效果。表面质量方面，工件两侧区域的表面波度均降低至较低且相近的水平（~6 μm）。加工精度方面，平行阵列流道的宽度和深度沿着流动方向的变化量显著减小，均匀性大幅提高，尺寸分布呈现良好的对称性。例如，最优条件下流道深度最大差异仅为21 μm，最小仅为7 μm，远优于单向流动的30-39 μm差异。
这些结果层层递进：仿真结果揭示了问题机理并为新方案提供了理论依据；初步实验验证了换向的基本效果并指导了参数范围；最终的优化实验则全面证实了周期性换向方案在实现高一致性、高质量加工方面的优越性能。所有实验结果均有力地支撑了研究的最终结论。
结论与意义 本研究得出以下核心结论： 第一，传统脉冲动态ECM加工双极板时，因电解液单向流动导致的产物积累和出口区流速不均，确实会造成阳极材料去除率沿流动方向不一致及加工表面产生流痕。 第二，与单向流动相比，本文提出的电解液周期性换向流动模式，有利于提高加工尺寸的一致性，并能有效减轻加工表面的流痕。 第三，缩短换向周期有益于加工结果。每0.5分钟换向一次加工出的工件，表现出良好的表面波度和均匀的尺寸特征。
本研究的科学价值在于，首次系统地将电解液周期性换向这一流动控制策略应用于双极板平行阵列流道的ECM加工中，并通过多物理场仿真与实验相结合的方法，完整揭示了该工艺的作用机理和优化规律，为高精度、高表面质量ECM工艺的发展提供了新的思路和理论依据。其应用价值尤为突出，所提出的方法能直接用于解决燃料电池金属双极板制造中的关键技术难题，提高产品性能一致性与可靠性，对推动燃料电池技术的产业化具有重要的工程实践意义。
研究亮点 1. 创新性的工艺方法：提出了“电解液周期性换向”这一新颖的ECM流动控制模式，巧妙地将时间维度的周期性引入空间流动问题，以平衡由空间流动方向性引起的加工缺陷。 2. 系统性的研究方法：采用了“仿真揭示机理-理论推导方案-实验验证优化”的完整研究链条。多物理场耦合仿真与三维流场仿真相结合，深入剖析了传统工艺缺陷的物理本质；在此基础上提出的新方案具有坚实的理论支撑。 3. 显著的工艺改善效果：实验数据充分证明，所提方案能同时显著提升加工尺寸的一致性（流道深度和宽度均匀性提高约30%-80%）和改善表面质量（表面波度降低超过50%），解决了ECM加工平行阵列流道的两个共性难题。 4. 明确的工程指导价值：研究不仅验证了换向模式的有效性，还通过实验确定了优化的换向周期（0.5分钟），为实际工艺参数的制定提供了直接、具体的指导。
其他有价值内容 研究中自主设计的可实现快速换向的夹具及液压控制系统，是实施该工艺的关键设备创新，体现了机电一体化设计在先进制造装备中的重要性。此外，文章对脉冲动态ECM（结合工具振动与脉冲电源）本身的技术特点及其在提高产物排出、改善加工稳定性方面的基础作用也进行了阐述，为理解整个工艺背景提供了补充信息。