本文档是关于一项原创性研究的学术论文，发表于期刊 Precision Engineering 第91卷（2024年），作者是Chenhao Xue和Ningsong Qu*（通讯作者），均来自中国南京航空航天大学机电工程学院。这项研究聚焦于一种名为电化学放电铣削（Electrochemical Discharge Milling, ECDM）的复合加工技术，并提出了一种创新的脉冲动态调控方法，旨在提升对难加工材料（如钛合金）的加工质量和过程可控性。
从学术背景来看，电化学放电加工（ECDM）结合了电解加工（Electrochemical Machining, ECM）和电火花加工（Electrical Discharge Machining, EDM）的优点，特别适用于加工难切削材料和非导电材料，在航空航天等领域具有广阔的应用前景。然而，传统的ECDM（尤其是使用直流电源时）面临一个核心挑战：放电能量和区域的不可预测性与随机性。这种不确定性会导致工件表面质量恶化、电极间隙（Inter-Electrode Gap, IEG）尺寸变化以及多物理场（如流场、电场）分布不均，从而影响加工的稳定性和精度。因此，如何有效调控ECDM过程中的加工状态与能量分布，成为该领域的重要研究课题。本研究的目标正是为了解决这一问题。研究者引入了“脉冲动态加工”的理念，并提出了一种利用开槽管状电极（slotted tube electrode）实现脉冲动态电化学放电铣削的新方法。其核心思想是通过电极的旋转和特定结构设计，周期性地在纯电解加工（Pure-ECM）阶段和电化学放电加工（ECDM）阶段之间切换，以实现对放电能量和过程的主动调控。
接下来详细阐述本研究的详细工作流程。整个研究可以被清晰地划分为几个主要步骤：提出加工机理与设计、搭建实验平台与准备材料、执行系列对比实验、进行全面测量与分析。
首先，在研究设计阶段，作者提出了脉冲动态ECDM的加工机理。其核心在于使用特制的开槽管状电极（外径6mm，内径3mm）。电极底部沿径向加工有特定尺寸（长宽深均为2mm）的槽。实验中使用了三种电极：无槽电极、双槽（直线槽）电极和四槽（十字槽）电极。当电极旋转时，其底部的槽会周期性地扫过加工区域。在电极无槽部分对准工件时，电极间隙较小，容易形成气泡膜并击穿放电，进入ECDM阶段，材料主要通过热蚀除（熔化、气化）被移除。当电极的开槽部分旋转到加工位置时，电极间隙瞬间增大，放电条件被破坏，系统切换到Pure-ECM阶段，此时主要依靠阳极溶解去除材料，同时电解液通过槽口直接冲刷加工区，带走蚀除产物和热量，为下一次放电准备新的电解液和气泡。这种通过电极机械旋转和几何结构实现的周期性阶段切换，构成了“脉冲动态”调控的基础。
其次，在实验系统搭建方面，研究构建了一个完整的电化学放电加工实验平台。该系统主要包括加工单元、电解液供给系统、机械控制系统和直流电源单元。电源采用55V直流电压，电路中串联一个0.2Ω的保护电阻以限制峰值电流、过滤随机放电。电解液为20wt%的NaCl溶液，采用管内冲液方式。工件材料为Ti-6Al-4V钛合金，工具电极为CuW-70铜钨合金。实验参数包括进给速度（60 mm/min）、旋转速度（500, 700, 800 rpm）和铣削深度（1.0, 2.0, 3.0 mm）。这些参数在后续实验中作为变量进行考察。
第三，实验过程遵循标准程序。先进行ECDM钻孔至设定深度，再进行长度为40mm的窄槽铣削。加工前后，使用电子天平精密称量工件和电极的质量以计算材料去除率（Material Removal Rate, MRR）和相对工具损耗率（Relative Tool Wear Rate, RTWR）。加工过程中的电流和电压由数据记录仪实时采集。
第四，测量与分析方法是研究的关键环节。加工完成后，使用三维光学轮廓仪测量加工槽的三维形貌、表面粗糙度（分别测量上、中、下三个位置的Ra和整个槽底区域的Sa）和侧壁锥度。侧壁锥度通过选取三个等距截面，测量其顶部宽度、底部宽度和深度，按给定公式计算平均值得到。此外，还使用聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM）和能量色散谱（EDS）对加工槽表面的微观结构和元素组成进行观察分析，以评估氧化层和重凝层情况。过切量（宽度过切和深度过切）通过比较实际加工尺寸与设定值（电极外径和铣深设定值）计算得出。
研究的主要结果丰富且具有说服力，支持了所提出的脉冲动态调控方法的有效性。
关于加工电流波形，实验结果表明，所有开槽电极（尤其是十字槽电极）的电流波形都表现出比无槽电极更明显的ECDM阶段与Pure-ECM阶段的周期性交替。放电频率与电极旋转速度严格对应（如500 rpm对应约8.33 Hz），证明了机械旋转对加工阶段的主动调控作用。一个重要的发现是，研究者首次对脉冲动态ECDM中的放电类型进行了明确定义和统计分类，分为火花放电（持续时间极短）、电弧放电（持续时间较长）和连续放电（多次放电连续发生，呈“M形”波形）。统计分析显示，在浅铣削深度（1mm）下，火花放电是主要类型，且开槽电极（特别是十字槽电极）能产生更高比例的火花放电。随着铣深增加，主要放电类型向电弧放电或连续放电转变，但十字槽电极仍能保持相对较高的火花放电概率，表明其能有效将长时放电中断、转化为短时放电，体现了脉冲动态调控在能量精细化分配方面的优势。
关于加工槽的表面形貌与过切量，直观照片和截面轮廓测量数据一致表明，开槽电极（尤其是十字槽电极）能显著抑制加工槽顶部重凝材料的堆积。无槽电极在3mm铣深时，槽侧出现了大量重凝物堆积，导致宽度过切高达1.84 mm；而十字槽电极在相同条件下，宽度过切仅为1.11 mm，甚至优于无槽电极在1mm深度时的过切量（0.36 mm为十字槽电极在1mm深度时获得的最小宽度过切）。在表面粗糙度和侧壁锥度方面，十字槽电极加工出的槽具有最低的表面粗糙度（Ra约13 μm）和最小的侧壁锥度（16.99°），且这些优势在不同铣削深度下均能保持。SEM和EDS分析进一步证实，使用十字槽电极加工的槽底表面氧化程度最低（氧元素含量20.83%），表明其加工过程中热量积累和后续氧化更少，表面质量更优。
关于材料去除率与工具损耗，结果显示无槽电极的MRR最高，但结合其巨大的过切量和侧壁锥度可知，其高MRR很大程度上来源于非预期的、粗糙的顶部材料去除，这反而损害了加工精度。十字槽电极在实现高质量加工的同时，MRR仍能达到近1500 mm³/min，体现了其在保证精度前提下的高效性。在工具旋转速度影响的研究中（使用性能最优的十字槽电极，铣深3mm），提高转速能线性增加阶段切换频率，使Pure-ECM阶段的电流波形更稳定、规律。转速从500 rpm提高到800 rpm，槽的侧壁锥度从16.99°降低到14.28°，但表面粗糙度略有波动，在700 rpm时最差。同时，MRR随转速提高而适当增加，但工具相对损耗率（RTWR）在800 rpm时急剧上升，提示存在最佳转速窗口以平衡加工效率与工具寿命。
基于以上结果，本研究得出明确结论：利用开槽管状电极（特别是十字槽电极）和直流电源，能够成功实现ECDM的脉冲动态调控。该方法能周期性、可控地在ECDM和Pure-ECM阶段间切换，优化电流波形，将主要放电类型导向更有利的火花放电，有效抑制重凝层形成，减少加工过切，从而在较高材料去除率下获得表面粗糙度更低、侧壁锥度更小、尺寸精度更高的窄槽。
本研究的科学价值与应用价值显著。在科学层面，它提出并验证了一种通过电极几何结构与运动结合来实现复合加工过程动态调控的新机理，深化了对ECDM中多物理场耦合与能量调控的理解，特别是对放电类型进行了创新性的定义与统计分析，为过程监控与优化提供了新指标。在应用层面，该方法为解决难加工材料（如钛合金）的高效精密铣削提供了一种切实可行的工艺方案，通过相对简单的电极改型即可显著提升加工质量与一致性，具有很好的工程推广潜力。
本研究的亮点突出：首先，提出了“利用开槽电极实现脉冲动态ECDM”这一新颖方法，构思巧妙，将复杂的电源脉冲控制转化为机械结构的周期性调控。其次，首次对脉冲动态ECDM过程中的放电类型进行了系统性的定义和统计分析，建立了放电波形特征与加工状态的关联。再次，研究全面、细致，从电流波形、表面形貌、尺寸精度、材料去除、工具损耗等多个维度进行了量化对比和机理分析，论证充分。最后，明确了工具旋转速度作为调控频率关键参数的作用，并指出了其与加工质量、效率、工具寿命的权衡关系，对实际工艺参数选择具有指导意义。
此外，研究中串联保护电阻以稳定电流、过滤随机放电的做法，以及采用低浓度盐溶液（20% NaCl）作为电解液的环境，也是值得注意的工艺细节，它们共同为脉冲动态调控创造了有利条件。整项工作体现了从机理创新、方法实现到全面验证的完整研究链条，对先进特种加工领域的研究者和工程师都具有重要的参考价值。