本文的研究者为Feng Wang, Jianshe Zhao, Yanming Lv, Zhenwen Yang, Weimin Gan, 以及 Zongjun Tian，他们分别来自南京航空航天大学机电工程学院和江苏省数字化电化学制造实验室（常州工学院）。这项研究发表在期刊Proc IMechE Part C: J Mechanical Engineering Science上，文章在线发表日期为2017年，收录于该期刊2018年第232卷第17期。
此项研究属于精密制造技术领域，具体聚焦于电化学加工（Electrochemical Machining, ECM）。电化学加工是一种利用阳极溶解原理去除材料的非传统加工方法，具有无工具损耗、无热影响区、无残余应力等独特优势，特别适合用于加工难切削金属材料和高精度复杂结构。然而，传统ECM在加工深腔、异形孔时面临重大挑战：随着加工深度增加，加工间隙内的电解产物（如氢气气泡和金属氢氧化物）难以排出，电解质更新困难，导致加工过程不稳定，加工精度下降。为了解决这些问题，研究者们探索了多种技术路径，例如采用高频窄脉冲、阴极侧壁绝缘、低浓度电解液以及叠加振动进给等。其中，阴极振动进给通过周期性改变加工间隙，被认为能有效促进电解产物的排出和电解质的更新。本研究旨在将振动进给与阴极侧壁绝缘技术相结合，探索并优化用于高精度加工菱形孔（diamond-shaped hole） 的振动电化学加工工艺，系统研究振动参数、工具阴极结构对加工稳定性和精度的影响机制，并最终实现毫米尺度金属结构的高精度加工。
本研究的工作流程系统且严谨，主要包括理论分析、实验系统搭建、工艺实验与结果讨论三大环节。具体流程如下： 首先，研究者进行了详细的理论分析。他们构建了振动进给下阴极位移与速度的数学模型（公式1和2），指出在振动辅助下，加工前沿间隙处于周期性变化中，不存在理论上的平衡间隙。接着，他们深入分析了四种不同加工模式对侧向间隙（决定加工精度的关键）的影响机理：（1）无绝缘线性进给、（2）有绝缘线性进给、（3）无绝缘振动进给、（4）有绝缘振动进给。通过图示和公式推导，他们指出，在无绝缘情况下，电解液电导率沿流动路径的不均匀分布（入口处气泡比例高导致电导率低，出口处温度高导致电导率高）会导致侧向间隙不均匀。而侧壁绝缘技术可以屏蔽侧向间隙的电场，显著减少杂散腐蚀。当结合振动进给时，阴极周期性退出工件不仅进一步缩短了侧壁的加工时间，还强化了间隙内流场的扰动，有利于电解产物的排出和电导率分布的均匀化。理论分析还特别强调了工具刃口宽度（the width of the tool edge, b） 的重要性，指出当b趋近于零时，侧向间隙将几乎不随加工深度增加而变化，从而获得极佳的加工定域性。此外，研究还分析了振动参数（振幅A、频率f）对加工稳定性的影响，指出振幅过大会导致材料去除率过低易短路，频率过高则可能导致电解产物无法彻底排出而被带回间隙。
其次，为了验证理论并开展实验，研究者自主开发了一套完整的振动电化学加工系统。该系统核心是一个高性能的振动系统，采用音圈电机（voice coil motor）作为驱动器，配合滚珠花键副导向，由数字伺服驱动器驱动，并利用雷尼绍数字光栅尺进行高精度位置检测。该系统的负载能力达9公斤，振动频率0-50 Hz、振幅0-1 mm连续可调，振动定位精度控制在0.01 mm以内，重复定位精度优于0.005 mm。整个ECM系统还包括大理石机身、CNC运动主轴、电解液过滤循环系统以及脉冲电源。在实验设计上，工件和阴极材料均为SS304不锈钢，电解液为恒定电导率（9.5 S/m）和温度（25±1°C）的硝酸钠溶液，并采用背压密封腔体来控制进出口压力（入口0.5 MPa，出口0.1 MPa），以稳定流场。加工精度的评价指标定义为入口侧向间隙（entrance side gap, Δs1） 和孔壁锥度（side-wall slope, tanθ），所有尺寸均通过奥林巴斯数字显微镜进行测量。
第三，研究者开展了系统的单因素对比实验。实验主要分为两大系列：一是研究振动参数对加工稳定性的影响，以加工电流信号的波动作为稳定性判据；二是研究振动参数及阴极结构（有无侧壁绝缘、工具刃口宽度b）对加工精度的影响。在稳定性实验中，固定线性进给速度（0.4 mm/min）和平均电压（18V），分别变化振幅（0至0.6 mm，频率固定20 Hz）和频率（0至50 Hz，振幅固定0.3 mm），实时记录不同加工深度下的电流信号。在精度实验中，则系统测量了在不同振幅、频率、以及b=0.1 mm和b=0.5 mm两种工具阴极条件下，加工出的菱形孔的入口侧隙和孔壁锥度。
本研究的实验结果丰富且具有明确的指向性，有力地支撑了理论分析并引导出最终结论。 关于加工稳定性，实验结果显示振动参数的选择存在一个优化窗口。当振动频率固定为20 Hz时，振幅过小（如0.1 mm）或过大（>0.5 mm）都会导致加工过程不稳定，电流信号波动剧烈甚至发生短路；而当振幅接近0.3 mm时，整个加工过程的电流信号最为平稳。当振幅固定为0.3 mm时，低频（10 Hz）或过高频率（>40 Hz）下，加工末期的电流信号波动加剧；而在20 Hz至30 Hz的频率范围内，加工过程保持稳定。这些结果证实了理论分析的预测：适中的振幅能在不显著降低材料去除率的前提下有效排屑，而适中的频率则能保证电解产物被充分置换而不被带回间隙。这一部分结果为后续精度实验和最终工艺参数确定提供了关键的稳定性边界条件。
关于加工精度，实验结果清晰地揭示了各因素的作用规律。首先，工具刃口宽度b被证明是影响精度的最关键因素。无论是否采用振动或绝缘，当b从0.5 mm减小到0.1 mm时，菱形孔的入口侧隙显著减小，孔壁锥度也得到改善。尤其是在振动进给结合侧壁绝缘、且b=0.1 mm的条件下，获得了最佳的成形精度。其次，振动参数对精度有重要影响。随着振动振幅或频率的增加，无论阴极有无绝缘，孔壁锥度（tanθ）均呈现下降趋势，表明侧向间隙的均匀性得到改善。对于入口侧隙，在无绝缘阴极振动进给时，其先减后增；而在有绝缘阴极振动进给时，当b=0.1 mm，入口侧隙随参数变化很小。这验证了理论分析：窄刃口结合侧壁绝缘，使得入口处的加工时间极短且电场被约束，从而获得极小且稳定的入口侧隙。研究还提供了详实的形貌对比图，直观展示了不同参数组合下菱形孔的加工质量差异，其中采用优化参数（A=0.3 mm， f=30 Hz， b=0.1 mm，带侧壁绝缘）加工出的菱形孔，侧壁平直，轮廓清晰。
综合理论与实验结果，本研究得出以下核心结论： 1. 加工精度提升机制：采用振动进给结合阴极侧壁绝缘时，通过减小工具刃口宽度可以显著减小入口侧隙和孔壁锥度。增加振动振幅和频率有助于改善侧隙分布的均匀性。 2. 加工稳定性优化窗口：振动进给并不总是提高稳定性，需合理选择参数。在本研究条件下（线性进给0.4 mm/min），振幅约0.3 mm、频率在20-30 Hz范围内时，加工过程最为稳定。 3. 工艺验证与实现：通过优化参数组合（A=0.3 mm， f=30 Hz， b=0.1 mm，带绝缘，平均电压18V），成功实现了高精度菱形孔的加工，其平均入口侧隙仅为117 μm，孔壁锥度tanθ低至0.03。这证明了所提出的精密振动电化学加工技术可用于毫米尺度金属结构的精密制造。
本研究的科学价值和应用价值显著。在科学层面，它系统地揭示了振动参数、阴极几何与绝缘状态耦合作用下，电化学加工深小异形孔时的间隙动态特性、流场/电场分布演变规律以及对加工定域性、稳定性的影响机制，丰富了振动辅助ECM的理论体系。在应用层面，研究成功开发了高性能的振动ECM系统，并探索出了一套可重复、高精度的菱形孔加工工艺参数，为解决航空航天、光学仪器等领域中毫米级复杂金属结构件的精密加工难题提供了有效的技术方案。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面： 1. 研究方法的创新性：自主设计并搭建了高精度、大负载的音圈电机驱动振动系统，并将其与ECM集成，为开展可控的振动辅助加工研究提供了先进的硬件平台。 2. 研究问题的系统性：没有孤立地研究振动或绝缘，而是将二者结合，并引入“工具刃口宽度”这一关键结构变量，从理论建模到实验验证，完整地分析了多因素协同作用对加工性能的影响。 3. 结论的实践指导性：研究不仅得出了定性规律，更通过大量实验给出了具体的参数优化窗口和极限加工精度数据（如117 μm侧隙），对工程实践具有直接的指导意义。 4. 目标对象的典型性：选择菱形孔作为加工对象，其尖角特征对加工定域性要求极高，成功加工此类零件充分证明了所发展工艺的能力。
此外，文档中还包含了详尽的参考文献、实验参数列表以及符号说明，体现了研究的规范性和可复现性。研究得到了中国国家自然科学基金等多个项目的资助，显示了该研究方向的重要性。整体而言，这是一项理论分析深入、实验设计周密、结果可靠、结论明确的优秀应用基础研究，推动了精密电化学加工技术的发展。