学术研究报告：乙二醇基电解液中可控电化学放电加工的能量-电量调控方法

作者及机构
本研究由南京航空航天大学机电学院精密与微细制造技术江苏省重点实验室的Zhao Han、Xiaolong Fang*、Guodong Miao、Jingyao Liang及Di Zhu*合作完成，发表于2023年1月的《International Journal of Mechanical Sciences》（卷247，文章编号108161）。

学术背景
电化学放电加工（Electrochemical Discharge Machining, ECDM）是一种结合电化学加工（ECM）与放电加工（EDM）的复合工艺，适用于导电与非导电材料的精密加工。然而，传统水基电解液（如低浓度盐溶液）存在气体膜（gas film）稳定性差、工件表面易形成不均匀钝化膜（transpassive film）等问题，限制了加工精度与表面完整性。本研究提出采用乙二醇（ethylene glycol）基电解液，开发能量-电量调控方法，旨在优化ECDM的加工性能。

研究流程
1. 电解液特性对比实验
- 对象：水基（0.04 mol/L NaCl）与乙二醇基（1 mol/L NaCl）电解液，导电率均为3.3 ms/cm。
- 方法：通过高速摄像机观察工具电极表面的气泡与气体膜形态，分析气体膜厚度理论模型（基于Taylor不稳定性判据）。
- 结果：乙二醇基电解液生成的气泡链更密集，气体膜厚度理论值更低（13.21–22.88 μm vs. 水基17.11–29.63 μm），且无氧析出副反应。

1. 加工性能验证

   • 材料：铝1060（Al 1060）工件。
     
   • 参数：电压32 V、占空比20%、频率100 kHz、进给速率10 μm/s。
     
   • 分析：对比两种电解液中切缝形貌（SEM观测）、表面粗糙度（Ra测量）及氧含量（EDS分析）。
     
   • 结果：乙二醇基电解液的切缝宽度（300 μm vs. 水基408 μm）、表面粗糙度（Ra 0.2 μm vs. 0.5 μm）和氧含量（2.82 wt% vs. 4.48 wt%）均显著改善。
     

2. 电信号调控机制

   • 实验设计：通过示波器采集电压-电流波形，分离EDM与ECM脉冲（EDM为高幅三角波，ECM为低幅方波）。
     
   • 关键参数：脉冲数比（RD = N_EDM/N_total, RC = N_ECM/N_total）、单脉冲EDM能量（E_s）与ECM电量（Q_s）。
     
   • 调控模型：总EDM能量（E = N·RD·E_s）与总ECM电量（Q = N·RC·Q_s）的定量关系。
     
   • 优化区间：E控制在10N–14N μJ时线电极磨损率最低，Q控制在0.5N–1N μC时切缝宽度最小。
     

3. 多材料验证

   • 对象：304不锈钢（304 SS）、Inconel 718、钛合金TC4、TiAl 45XD等。
     
   • 结果：五角星图案（总长15 mm）加工显示，304 SS切缝最窄（276 μm），TC4与TiAl 45XD线磨损率最低（0.14%）。
     

主要结论
1. 气体膜优化：乙二醇基电解液形成更薄、更稳定的气体膜，避免了工件表面钝化膜，提升了放电均匀性。
2. 工艺调控：能量-电量调控方法实现了EDM与ECM比例的精确控制，为复杂结构加工提供了参数优化依据。
3. 普适性验证：该方法适用于多种金属材料，在航空航天精密部件加工中具有应用潜力。

研究亮点
- 电解液创新：首次将乙二醇基电解液引入ECDM，解决了传统水基电解液的氧析出与钝化问题。
- 信号解析技术：通过电信号分离与脉冲计数，建立了EDM/ECM作用的定量调控模型。
- 跨材料适用性：在高温合金、钛合金等难加工材料上验证了工艺的通用性。

其他价值
- 设备开发：研究团队设计了具有电解液循环过滤功能的ECDM系统，集成高速主轴旋转与三轴CNC控制，支持复杂轨迹加工。
- 理论贡献：提出了基于气体膜厚度临界值（λ_c1, λ_c2）的稳定性判据，为后续ECDM工艺优化提供了理论框架。

（注：专业术语如“gas film”首次出现时标注英文，后续使用中文表述；期刊名与作者名保留原文。）