《Journal of Materials Processing Technology》：Active gas-film insulation method for controllable electrochemical machining deep-narrow grooves
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高精度深窄槽加工中，主动气膜绝缘电化学加工技术通过动态调节气膜覆盖区域，结合电解液压力与气膜压力优化，有效抑制侧壁异常腐蚀，锥度降低98%。实验验证了气液两相流仿真模型及电信号反演定位法的可靠性，并成功加工复杂异形深窄槽。
Jinpeng Zhao|Wanfei Ren|Jinkai Xu|Huihui Sun|Haoran Deng|Qingwei Wang
中国长春市长春科技大学跨尺度微纳制造教育部重点实验室，邮编130022
摘要
高精度深窄沟（DNG）在航空航天工业中得到广泛应用。作为加工深窄沟的有效方法之一，电化学加工（ECM）在加工过程中会产生不可控制的杂散腐蚀，这会导致侧壁形成渐进锥度。本研究创新性地提出了一种名为“主动气体膜绝缘法用于可控电化学加工”的新技术。通过理论分析和气液两相流模拟，研究了电解液环境中气体膜的运动路径和变化机制。设计了一种气体膜电信号反演定位方法来辅助实验，实现了动态气体膜位置的电信号转换，从而能够实时观察实验过程。通过对加工后的深窄沟表面质量、轮廓形态和锥度的测量，深入分析了气体膜绝缘的形成规律。研究发现，在优化电解液压力和浸没气体膜压力的组合参数下，气体膜的绝缘效果表现出一致性。最终，与传统的电化学加工方法相比，基于气体膜绝缘的电化学加工方法使深窄沟的侧壁锥度减少了约98％。为了展示气体膜绝缘的灵活适用性，通过动态调节绝缘区域加工了特殊形状的深窄沟结构。本研究为实现高精度、可控复杂结构的光电化学加工提供了一种新方法。
引言
对于高性能部件而言，深窄沟（DNG）的高精度加工已成为一个关键的制造挑战。例如，涡轮叶片冷却通道要求DNG具有微米级的尺寸公差和亚微米级的表面完整性[1]，[2]。电化学加工（ECM）由于其非接触性、无加工应力和无工具电极磨损等优点，被认为是实现DNG加工的有效方法之一[3]，[4]。然而，由于不可控制的杂散腐蚀导致的渐进锥度限制了DNG的加工精度和纵横比[5]，[6]。因此，开发和采用有效的抑制杂散腐蚀策略非常重要。
目前，抑制杂散腐蚀的策略主要包括绝缘涂层[7]、阴极结构修改、电解液流场调节[8]和工艺参数优化[9]。在阴极表面涂覆绝缘环氧树脂是一种常见的控制杂散腐蚀的方法。然而，由于与基底的粘结强度不足，这种涂层在高速电解液的冲刷下容易脱落[10]，[11]，导致绝缘失效。为了提高粘结强度，研究人员提出了使用电化学沉积[12]或烧结工艺[13]，[14]在阴极表面构建绝缘层的方法。然而，这些方法通常涉及复杂的制备过程和较长的周期，限制了绝缘技术的工程应用。阴极修改方法通过改变阴极属性和增加侧壁加工间隙来调节电场分布，有效抑制了侧壁的杂散腐蚀并减少了加工锥度[15]，[16]。然而，由于侧壁间隙的固有特性，这种方案仍无法完全消除锥度问题。Chen等人[17]提出了一种结合绝缘涂层和阴极结构修改的复合策略，显著改善了单次电化学铣削中DNG的侧壁锥度。尽管如此，在铣削起始区域，向下进给过程中产生的杂散腐蚀会导致加工轮廓的初始段出现弧形过渡。为了抑制由无序电解液流动引起的非加工区域的杂散腐蚀，Liu等人[18]使用吸力装置限制电解液的分散，显著提高了非加工区域的表面质量。然而，这种方法主要适用于抑制表面区域的杂散腐蚀，对改善DNG内部区域的杂散腐蚀效果有限。此外，使用成型片状阴极的电化学加工也是制造DNG的常见工艺方法[19]。Zhang等人[20]利用盐溶液-去离子水复合流体降低了工件近表面区域的溶液电导率，有效减弱了表面的杂散电场强度。然而，这种方法对改善深孔内部的加工锥度效果有限。为了最小化DNG的侧壁锥度，优化ECM参数是提高加工精度的常用策略[21]，[22]。脉冲ECM通过间歇性施加电流避免了直流条件下的侧壁材料连续溶解。为了提高加工间隙中的质量传递效率，研究人员提出在工具阴极连续轴向进给的基础上叠加振动。这种复合运动模式有助于减少侧壁的杂散腐蚀[23]，[24]。传统的深窄沟电化学加工方法使用空心绝缘阴极，Wang等人[25]研究了通过绝缘空心阴极外侧进行DNG的ECM。然而，由于在阴极设计时必须为电解液流动预留足够的空间，因此加工出的DNG宽度受到限制。Zhao等人[26]在阴极内部添加了肋状结构，增强了传统加工方法的阴极强度，但加工出的深窄沟宽度仅为3毫米。此外，Zhang等人[27]发现，在加工过程中空心阴极的底端面会出现未蚀刻的凸起。此外，选择合适的绝缘涂层以避免涂层脱落一直是一个未解决的问题。因此，传统加工方法适用于加工宽度为3毫米及以上的深窄沟，但对于更窄的深窄沟加工相对困难。
综合上述研究进展可以看出，除了绝缘策略外，尽管现有技术可以改善DNG的侧壁锥度，但仍然难以完全消除杂散腐蚀。然而，绝缘涂层存在粘结强度不足、流道堵塞和膜厚不均匀等固有问题[28]，[29]。因此，迫切需要探索替代绝缘涂层的有效方法。与绝缘涂层的局限性和不可控性相比，气体介质具有优异的绝缘性能、避免电解液污染风险和动态可调性等显著优势。Hu等人[30]通过向下冲洗气体限制了电解液在加工区域的扩散，并促进了该区域残余电解液的排出，从而有效抑制了杂散腐蚀。在研究深孔侧壁的沟槽加工时，Liu等人[31]利用气体的可压缩性和液体的不可压缩性来控制电解液射流的形状，从而实现了孔内表面的局部微沟加工。Ivan Bisterov等人[32]基于共轴气液两相流的收缩效应，利用气体和液体的聚焦机制减小了射流的直径。这种方法可以在加工过程中动态调整射流的大小。在以往关于气体辅助ECM的研究中，已经揭示了气体的优异绝缘性能和动态可调性。然而，这类研究中的气体主要作用于电解液的外部，这大大限制了其绝缘性能的应用范围。Zhan等人[33]在电极侧壁上有意诱导了动态气体膜绝缘，增强了加工间隙处的局部电解液质量传递能力。然而，诱导的气流有限，绝缘区域主要局限于阳极表面区域。目前关于气体膜绝缘的研究主要集中在加工区域的表面。然而，对于高纵横比的沟槽/孔结构，侧壁的锥度与阴极侧的绝缘效果密切相关。由于高纵横比特性，浸没阴极表面的气体膜绝缘充满不确定性。因此，如何将气体绝缘技术引入电解液内部以实现加工区域的有效绝缘仍然是一个亟需深入研究的课题。
基于先前开发的L形阴极结构[34]，本研究专注于1毫米微尺度DNG的电化学加工，并创新性地使用气体分别覆盖工件表面和电解液表面下的加工区域，形成气体膜绝缘层。首先，为了系统验证外部气体膜和亚液相气体膜的形成机制和行为特性，从理论上分析了气体膜的运动路径，并建立了气液两相流模拟模型来模拟气体膜的形成。为了解决实验中难以直接观察亚液相气体膜的技术挑战，设计了一种气体膜电信号反演定位方法来辅助实验，实现了动态气体膜位置的电信号转换，从而能够实时观察实验过程。为了探索影响气体膜的相关参数及其对实验结果的影响，进行了正交实验，并通过实验结果的特征分析获得了参数与气体膜形成之间的规律关系。最后，为了展示气体膜的动态可调性，对复杂和可变DNG结构进行了加工。
部分摘录
原理
针对DNG结构的电化学加工，基于气体的介电性能，本研究提出了一种新的电化学加工方法，该方法通过动态调节沿流动方向的亚液相分层气体膜来实现工件在近加工区域和阴极侧壁的杂散腐蚀绝缘。此外，外部气体膜还限制了...
气液两相流模拟
为了分析外部气体膜对阳极表面的绝缘效果及其对电解液的约束效果，本研究在Fluent软件中建立了气液两相流模拟模型。由于阳极表面上的气体膜和电解液仅受到垂直于阴极表面的y-z平面方向力的限制，而在x-z平面上没有约束力，因此需要建立三维对称模型进行建模
气体膜电信号反演定位（GFEIL）
在DNG的电化学加工过程中，阴极被阳极工件完全包围，导致电解液流场和气体膜的运动处于无法直接观察的封闭环境中。气体膜的动态行为对加工稳定性、精度和表面质量有决定性影响，因此迫切需要一种实时的非接触式监测方法来实现气体膜运动的定量表征和闭环控制
外部气体膜实验结果分析
在外部气体膜的作用下，入口区域电解液的径向射流扩散得到有效抑制，显著促进了加工间隙中电解液的方向传输。图11显示了使用超深度场3D显微镜系统观察到的阳极工件表面形态的对比。对于未使用外部气体膜加工的表面形态，观察到明显的弧形杂散腐蚀形态
结论
成功开发并验证了一种名为“主动气体膜绝缘法用于可控电化学加工深窄沟”的新技术。通过主动可控的气体膜，该技术有效解决了高纵横比深窄沟加工中长期的杂散腐蚀和侧壁锥度问题，实现了加工精度和表面完整性的协同改进。
CRediT作者贡献声明
Jinpeng Zhao：撰写——原始草稿、软件、方法论、概念化。Wanfei Ren：监督。Qingwei Wang：形式分析。Huihui Sun：项目管理。Haoran Deng：验证。Jinkai Xu：调查、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家关键研发计划（2024YFB4607500）、吉林省重点研发计划项目（编号20230201093GX）和国家自然科学基金（U24A20125、52575474）的支持。
