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双电解磨削技术通过同步电解磨轮与工件表面氧化膜实现难加工金属的高精度加工，建立基于赫兹接触力学与电化学理论的磨力预测模型，实验表明磨轮电压30V、工件电压27.5V时表面粗糙度可从514nm降至2.5nm。
周亚峰|沈家成|杨聚如|王彦欢|大森仁|刘冰海
浙江工业大学超精密加工研究中心，310014，中国
摘要
本文提出了一种双电化学磨削（DEG）方法，该方法通过同时电解砂轮和工件来实现难加工金属的精密磨削。分析了DEG原理和微材料去除原理。使用3000#金刚石砂轮对Cr12硬化模具钢工件进行了DEG实验，研究了工件和砂轮氧化膜的生成与去除特性。选择了影响氧化膜特性的两个主要因素：砂轮上的电解电压（Vg）和工件上的电解电压（Vw），并进行了单因素实验。在Vw为27.5 V、Vg为30 V的条件下，经过15分钟磨削后，工件表面粗糙度从514 nm迅速降低到2.5 nm。建立了一个基于赫兹接触力学和电化学理论的磨削力预测模型，该模型整合了氧化膜形成和去除的效果，定量描述了砂轮自锐化和工件表面改性的动态平衡。通过工件氧化膜厚度系数（Δh）和砂轮氧化膜密度系数（ρ）修正了颗粒压痕深度。与实验结果相比，相对误差小于5%。本研究揭示了氧化膜的生成与去除特性，阐明了砂轮和工件表面氧化膜之间的相互作用。
引言
随着航空航天、能源设备和高精度机床对高性能材料需求的激增，以钛合金、镍基超合金和碳化钨硬合金为代表的难加工金属因其高强度、高耐磨性和高温耐受性而成为关键材料。然而，传统的机械磨削方法面临工具严重磨损、加工效率低以及难以控制表面完整性等挑战，迫切需要新型精密加工方法的突破[1]。在这种背景下，电化学辅助磨削技术（如电化学在线修整（ELID）磨削和电化学磨削（ECG）技术逐渐成为前沿解决方案[2,3]。
ELID磨削技术由大森仁教授在20世纪80年代末开发[4]。在该过程中，砂轮的结合材料发生电化学溶解，不断暴露出新的砂粒，从而实现动态自锐化加工。原位氧化层的形成和稳定性至关重要，研究表明电解质组成显著影响其绝缘性能和修整效率[5]。在难加工金属材料的磨削中，ELID可以获得Ra <35 nm的超光滑表面和150–400 MPa的低残余应力，远优于传统的珩磨工艺（残余应力可达600–800 MPa）[6]。在ELID工艺的扩展和材料适应性研究方面取得了显著进展。张等人[7]发现优化ELID参数（低进给速率/微米级切削深度）可以提高CoCrMo合金假体的加工效率，并检测到表层下存在连续的钝化膜，显著增强了材料的生物相容性。这对于生物医学植入物尤为重要， Mizutani等人使用类似的ELID表面改性技术实现了钛合金的更好骨整合[8]。张等人[9]揭示了电流强度、颗粒大小和旋转速度在轴承ELID磨削中的耦合效应，使用W2.5微粉砂轮可达到0.0166 μm的波度。ELID的应用也扩展到了碳化硅等硬脆材料，Katahira等人报告称其有效抑制了表面损伤和微裂纹[10]。Kuai等人[11]利用纳米压痕技术表征了铜结合砂轮上的氧化膜机械性能，发现其弹性模量和硬度分别达到基体的1.8倍和3.2倍，为电化学修整动力学建模提供了关键参数。
然而，ELID技术仍存在一些不足：首先，在高硬度材料加工过程中效率提升受到限制，容易产生表面微裂纹和热点等缺陷[12]；其次，在细粒度磨削过程中磨削屑容易嵌入砂轮-工件界面，导致电化学修整不稳定和表面质量下降；此外，电解质参数的选择显著影响修整效果，不合适的电解质浓度或电流密度可能导致砂轮钝化或过度腐蚀，从而影响加工一致性[13]。
ECG（电化学磨削）是一种结合电化学阳极溶解和机械去除的混合加工技术，可实现高效和精确的材料加工。张等人[14]使用ECG磨削锂离子电池负极，显著提高了电极材料的电化学性能。王等人[15]将ECG技术应用于钛合金工具的精密加工，使侧壁平整度从109.7 μm提高到59.0 μm，表面粗糙度降低了84%，降至0.789 μm。Kaushal等人[16]在镍基超合金加工研究中证明，协调控制电解质浓度、进给速率和电压参数可以同时改善表面粗糙度和材料去除率（MRR）。杨等人[1]提出了一种高效精确的连续电化学磨削工艺，用于Ti–6Al–4V钛合金加工，其在提高效率和精度方面优于传统机械磨削，特别是将压缩残余应力降低了90.5%，加工时间缩短了63.3%，同时改善了表面粗糙度和工具磨损。Choudhary[17]通过实验比较发现，峰值电流、工具极性和运动参数在6061铝合金的ECG加工中起主导作用。Hossam[18]使用ECG磨削K110合金钢，显著提高了加工表面的完整性。Kaushal[19]在对Ni基超合金Hastelloy C276的参数研究中发现，自开发的电化学表面磨削（ECFG）工艺使用OPAT方法，电解质浓度为40–60 g/L时改善了表面光洁度，更高供电电压和电解质浓度显著提高了MRR，同时提高砂轮速度也提高了MRR和表面粗糙度。基于电位动态和电位静态极化曲线的分析，刘等人[20]开发了一种新型电解质配方，成功应用于碳化钨硬涂层的精密加工。Wang等人[21]在蜂窝密封件的ECG研究中引入了环保抑制剂十二烷基苯磺酸钠到10% NaCl电解质中，显著抑制了Hastelloy X蜂窝密封件的过度腐蚀，最大抑制效率达到73.44%。Luo[22]使用线电极ECG技术在优化工艺参数后实现了各种复杂微旋转结构的有效成型。Sapre[23]对微ECG电极间隙中的湍流电解质流动进行了建模和实验分析，发现氢氧化层上的剪切力随电解质流速增加而增加，但当IEG加倍时减半，电化学作用是总材料去除率的主要贡献因素。Bhuyan[24]成功开发了一种新型ECG设备，其在加工难加工材料（如铝合金）时具有显著的成本优势。
基于现有研究的回顾，得出以下主要结论：(a) ELID磨削受磨料粘附的影响，限制了加工精度的提高；(b) 电化学磨削技术由于缺乏磨轮修整机制，导致表面质量较差。因此，开发一种结合高效材料去除和表面完整性控制的新复合磨削工艺对于提高加工性能具有重要意义。
本文提出了DEG（双电化学磨削）技术，以实现难加工金属的高质量磨削。为了研究DEG过程中工件和砂轮氧化膜之间的相互作用，并提升砂轮修整和工件加工效果，建立了磨削力模型。该模型基于赫兹接触理论和电化学原理。随后，在不同Vg和Vw条件下对Cr12硬化模具钢工件进行了磨削实验。最后，基于建立的磨削力模型，进一步研究了砂轮和工件电压对磨削力和表面质量的影响。
DEG原理
如图1所示，DEG过程涉及工件和金属结合砂轮的同时电化学反应。通过砂轮的电化学磨削，保持砂粒一致的暴露高度，提高耐用性并保持精度。通过去除工件上的氧化膜，DEG实现了更好的表面光洁度、高加工效率和延长的砂轮寿命。
实验程序
磨削实验中使用的设备如图4所示。采用了两种可编程脉冲电源，其占空比范围为1%–99%，电源频率为2.5–250 kHz，单极方波配置，峰值功率输出为900 W。磨削过程中，工件和砂轮保持旋转以确保氧化膜的均匀性。实时电流和电压反馈由数字采集模块连续记录。
磨削力模型
磨削力直接影响去除效率、表面质量和工艺稳定性。过大的磨削力会导致机械损伤（如微裂纹），而过小的磨削力会导致残余钝化膜，降低电化学和机械的协同效应。因此，需要准确控制磨削力以优化材料去除率和抑制热损伤。
DEG与其他磨削方法的性能比较
不同磨削方法后砂轮的宏观形态如图11所示。传统磨削后，砂轮表面出现堵塞，形成明亮平坦的外观。在ECG中，由于电解作用导致工件阳极氧化，砂轮表面出现均匀的腐蚀痕迹以及来自工件的金属氧化物膜附着痕迹。在ELID磨削中，在线电化学过程在砂轮上形成了致密的绝缘氧化膜。
结论
基于对DEG技术的理论和实验研究，阐明了氧化膜对磨削力影响的机制，提出了相应的模型和优化策略。主要研究结果总结如下：
1)建立了基于赫兹接触理论和电化学理论的磨削力模型。该模型考虑了砂轮密度系数（描述氧化膜的机械性能）和工件氧化膜厚度
作者贡献声明
周亚峰：撰写 – 原始稿。沈家成：可视化制作。杨聚如：资源协调。王彦欢：数据管理。大森仁：方法论设计。刘冰海：项目监督。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金的财政支持[51935008, U24A20124, 51935008]。
