电解加工技术的现状与远景展望
1 引言
在经历大约二十年的低潮后，从20世纪90年代后期起，电解加工又重新焕发了生机。其研究机构及人员逐渐壮大，应用领域（尤其在航天、航空、**领域）有所扩展，研究成果及论著数量激增，工艺技术水平及设备性能均达到了一个新的高度。
2 工艺技术研究
电解加工技术的现状与远景展望目前，电解加工工艺技术研究涉及的方向较多，但主要集中在微秒级脉冲电流加工、微精加工、数控展成加工、阴极设计及磁场对电解加工的影响等五大领域。下面分别加以详述。
2.1 微秒级脉冲电流加工
电解加工技术的现状与远景展望自20世纪70年代初起，前苏联、美国、日本、法国、波兰、瑞士、西德等相继开始了对脉冲电流电解加工的研究。在国内，多家单位相继开展了毫秒级脉冲电流电解加工的研究并成功用于工业生产。
随着近代功率电子技术的发展，新型快速功率电子开关元件如MOSFET、IGBT等出现，使得有可能实现微秒级脉冲电流电解加工。20世纪90年代以来，微秒级脉冲电流电解加工基础工艺研究取得突破性进展。研究表明，此项新技术可以提高集中蚀除能力，并可实现0.05mm以下的微小间隙加工，从而可以较大幅度地提高加工精度和表面质量，型腔*高重复精度可达0.05mm[1,2,3]，*低表面粗糙度可达Ra0.40μｍ[1]，有望将电解加工提高到精密加工的水平，而且可促进加工过程稳定并简化工艺，有利于电解加工的扩大应用。
国内外众多研究机构利用微秒级脉冲电流开展了模具型腔及叶片型面加工、型腔抛光、电解刻字、电解磨等工艺可行性试验以及气门模具生产加工试验[1，3]，研究成果进一步从工艺角度证实了上述结论。
2.2 微精加工
电解加工技术的现状与远景展望从原理上而言，电化学加工技术可分为两类：一类是基于阳极溶解原理的减材技术,如电解加工、电解抛光等；另一类是基于阴极沉积原理的增材技术,如电镀、电铸、刷镀等。这两类技术有一个共同点,即材料的去除或增加过程都是以离子的形式进行的。由于金属离子的尺寸非常微小(10-1nm级)，因此，相对于其它“微团”去除材料方式（如微细电火花、微细机械磨削），这种以“离子”方式去除材料的微去除方式使得电化学加工技术在微细制造领域、以至于纳米制造领域存在着极大的研究探索空间。
从理论上讲，只要精细地控制电流密度和电化学发生区域，就能实现电化学微细溶解或电化学微细沉积。微细电铸技术是电化学微细沉积的典型实例，它已经在微细制造领域获得重要应用。微细电铸是LIGA技术一个重要的、不可替代的组成部分,已经涉足纳米尺寸的微细制造中,激光防伪商标模版和表面粗糙度样块是电铸的典型应用[5,6]。
但电化学溶解（成型）加工的杂散腐蚀及间隙中电场、流场的多变性严重制约了其加工精度，其加工的微细程度目前还不能与电化学沉积的微细电铸相比。目前电化学微精成型加工还处于研究和试验阶段，其应用还局限于一些特殊的场合，如电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工(美国IBM公司)、微米级浅槽加工(荷兰飞利浦公司)、微型轴电解抛光(日本东京大学)已取得了很好的加工效果，精度已可达微米级[5]。微细直写加工、微细群缝加工及微孔电液束加工，以及电解与超声、电火花、机械等方式结合形成的复合微精工艺已显示出良好的应用前景[9,10,11,12]。
2.3 数控展成加工
传统的拷贝式电解加工的阴极设计制造困难,加工精度难以保证。尤其对整体叶轮上的扭曲叶片之类通道狭窄的零件表面，由于受工具阴极刚性及加工送进方式的限制，拷贝式电解加工更难以完成其加工任务。
20世纪80年代初，以简单形状电极加工复杂型面的柔性电解加工──数控展成电解加工的思想开始形成，它以控制软件的编制代替复杂的成形阴极的设计、制造，以阴极相对工件的展成运动来加工出复杂型面。这种加工方法工具阴极形状简单，设计制造方便，应用范围广，具有很大的加工柔性,适用于小批量、多品种、甚至单件试制的生产中。
80年代中期，前苏联乌法航空学院特种加工工艺及设备研究所以过程控制为突破口，设计了一种柔性电解加工单元，应用特殊的电流脉冲波形和高选择性的电解液，加工精度达0.02mm，表面粗糙度达Ra0.2～0.6mm。
波兰华沙工业大学的Kozak教授于1986年率先提出了电解铣削的思想，以棒状旋转阴极作类似于圆柱状侧铣刀的成形运动来形成加工表面，成功地应用于直升机旋翼座架型面的加工，加工中采用NaNO3电解液，精度可达±0.01～0.02mm，表面粗糙度达Ra0.16～0.63mm。
波兰Cracow金属切削学院的A.Ruszaj和J.Cekaj教授利用形似球头铣刀的工具阴极，进行了型面光整加工的试验研究，取得了形状误差小于0.01mm的加工效果，从而证明了该工艺在模具的光整加工方面具有很好的应用价值。
美国、英国、俄罗斯都高度重视数控电解加工技术的研究并已得到应用，在新型航空发动机及航天火箭发动机的研制中发挥了重要作用。美国 GE公司的五轴数控电解加工，美国、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表了数控电解加工整体叶轮的国际先进水平。
在国内,南京航空航天大学从20世纪80年代中期开始进行数控展成电解加工工艺技术的研究，已在电解加工设备研制、加工机理研究、控制软件编制及工艺试验等方面均取得了重要进展[7,8,9]。具体研究内容包括以下几方面：
(1)设备研制：研制了五轴数控电解加工机床及配套的多轴联动数控系统。该机床具有三个直线运动坐标轴及二个旋转运动坐标轴，各轴均采用步进电机驱动。多轴联动数控系统为二级数控系统,上位机为一台通用计算机,用于数据处理及生成数控加工程序,下位机为组合在一起的五台经济型二轴数控单元及其驱动单元，用于驱动机床各轴运动。
(2)成形规律研究：研究了棒状外喷式阴极、三角形截面内喷式阴极、矩形截面内喷式阴极三种状况下展成电解加工间隙随一些主要工艺参数变化的规律。
(3)阴极设计：针对整体叶轮结构,设计制造了不同结构的开槽阴极、型面精加工阴极,并通过工艺试验对其结构进行不断改进，现已设计出了新颖结构的组合式开槽阴极及矩形截面整体式型面精加工阴极,很好地解决了加工过程中易产生的阴极短路**问题。
(4)加工软件开发：针对整体叶轮的开槽加工及型面精加工,开发了相应的数控展成电解加工软件,具有叶片型面的数据处理、数控加工的展成运动轨迹计算及整体叶轮的三维型面几何造型等功能。
(5)加工工艺试验：包括直纹面、非直纹面整体叶（涡）轮及带冠整体叶轮的展成电解加工、叶片型面电解抛光与五轴联动电解磨削等。试验表明,工艺过程稳定可靠,可以获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度。
2.4 阴极设计
电解加工技术的现状与远景展望目前的生产实际中，多采用迭代试验修正法来制作阴极，这不仅浪费人力物力，而且要求操作者具备丰富的实践经验和很高的技术水平，同时也大大延误了生产周期，增加了制造成本。特别是对于形状复杂和精度要求较高的零件，阴极设计问题已成为影响电解加工应用的一个重要原因。
南京航空航天大学研究设计了阴极设计CAD/CAE/CAM系统的结构框架以及开发策略。该系统基于专家系统,结合专业技术人员和领域专家的经验来优选工艺参数,并且采用基于自由边界的数值算法,保证算法的收敛性[10]。
南京航空航天大学还提出了一种基于正问题数值求解模拟“试验修整”进行阴极设计的方法。该方法将生产实际中制造阴极的过程再现于计算机上。采用有限元求解拉普拉斯方程得到加工间隙中的电位分布，通过不断地将获得的等位线与理想工件边界进行比较，将得到的差值映射到阴极端用来指导阴极的修整，直到工件阳极端的差值小于所允许的值。该设计方法具有易于处理复杂边界、收敛性好、精度高的特点[11]。
合肥工业大学也提出了应用阴极设计数据表来进行阴极设计的方法，通过合理设计工艺试验，获取了特征部位的加工间隙偏差值，据此计算出各特征部位对应阴极处的附加修正量。在此基础上，建立五种阴极设计数据表，为阴极设计提供了丰富的修正数据。在此基础上，可望建立阴极设计数据库[12]，。
2.5磁场提高电解加工精度的研究
这项技术早期研究较多的是磁场对电解磨削、电解抛光的影响。近年来，国内开展了电解成型加工叠加磁场的研究。
西北工业大学的研究发现当加工对象是钛合金或者是在NaCl电解液中加工45钢时，磁场可以显著减少杂散腐蚀，提高加工精度，而在NaNO3电解液中加工45钢则效果甚微[13]。
西安工业学院进行了磁场影响电场的仿真试验及在电解加工装置上叠加磁场的加工工艺试验。试验表明，电解加工过程中叠加磁场会改变原有电场分布，进而改变间隙流场的分布，从而有利于解决以往电解加工过程中的杂散腐蚀现象，提高电解加工的质量。只有在叠加磁场方向垂直于电场方向且N 极指向电场叠加磁场时,对电场均布有较明显的作用。[14]此外，采取切割流线的方向叠加磁场，洛仑兹力的作用有利于成股的束流展开；磁场可以减小电解液的粘度，改善其流动性能，有利于及时排走电解产物和热量，改善加工条件，提高加工稳定性[15]。
除了上述五大研究方向之外，带冠整体叶轮加工、周期循环电解加工、数控铣床电解加工、脉冲电解加工间隙测控方法、基于BP神经网络的电解加工精度预测模型、电解加工中管理系统的开发……等工艺技术的研究均有所**或突破。
3 设备研发
电解加工是一种制造技术，常要求设备研发在工艺技术之前。甚至可以说，许多工艺技术必须建立在先有硬件的基础之上（如微秒级脉冲电流加工、振动进给加工等）。
电解加工的设备主要包括机床、电源和电解液系统三个主要实体以及相应的控制系统。
3.1 机床
早期的电解加工机床，其控制系统多为采用分离元件的继电系统或简易数控系统，其故障率高，稳定性差，使用寿命短，且控制柔性较差，自动化程度低。因而，这两类系统近年来逐渐被PLC控制系统和计算机控制系统所替代。
3.1.1英国进口高精密叶片加工成套设备
从英国Amchem公司进口的成套设备代表了目前国际上*高水准。该设备拥有一个包括产品数据处理、模型生成与转换、加工数据、测量数据以及它们之间交互的集成系统。它借助于图形工作平台、NC加工设备和三坐标测量机可高效地设计出合格阴极工装来满足精密电解加工叶片的需要，与加工叶片的精密数控电解机床构成一个闭环系统。
设备按如下程序运行：在基于UG下的CAD/CAM工作平台上，通过网络或其它介质输入叶片产品数据，建立产品数字主模型。随后，该系统CAD/CAM数据在经运算和处理后将生成叶片加工阴极工装的NC代码和测量阴极工装与叶片产品的测量特征点参数，并分别发送给数控铣床和三坐标测量机(CMM)。三坐标测量机按要求对阴极工装和叶片产品进行测量。阴极工装测量不合格的要返修；叶片产品型面参数测量不合格时，要检测阴极工装的型面，必要时更换工装设计或返修；叶片产品位置及尺寸参数测量不合格时，要调整工装和电解加工工艺参数。测量结果可在计算机上进行评估和分析，评估结果能以数字报表形式由打印机输出，分析结果能以图形放大形式由绘图机输出[16]。
该设备能从锻件毛坯一次性电解加工出满足叶片设计图*终尺寸和表面质量要求的合格产品，加工效率高，而且可三件同时加工。
3.1.2国产PLC数控电解加工机床
近年开发的电解加工机床，普遍采用了PLC控制系统。
可编程控制器(PLC)集数据处理、程序控制、参数调节等功能于一体，它灵活通用、易于编程、使用方便、可靠性高，可以在电解加工等工业控制现场的恶劣环境中可靠地工作，平均无故障时间高达5万～10万小时以上。而触摸屏技术是近几年新兴的一种多媒体技术，它具有简单易学、操作方便，稳定性好等特点，日益得到人们的关注和青睐。
合肥工业大学自主开发的DJK3150型数控电解加工机床，采用PLC和触摸屏技术，其控制性能明显优于普通电解加工机床，具有自动对刀、自动加工、自动分度、故障自动处理、定时加工、变速加工和适应控制等先进功能，同时也显著提高了电解加工机床的可靠性和稳定性。该机床已在工业企业稳定用于生产[17]。
北京首都航天机械公司与四通公司合作，也开发了PLC控制系统。该系统采用步进电机驱动，直线光栅反馈，具有高运动精度。
3.1.3可重构电解加工机床研究
常规的电解加工机床是根据用户具体需求单机生产,机床研制周期长、设计重复、成本高。为此,南京航空航天大学提出采用开放式控制系统、模块化思想开发可重构电解机床,将机床本体分解成运动轴模块和机床台面两大部分,各运动轴模块配置相应的控制模块,控制模块通过总线连接成为整体。控制模块都是智能化模块,内部包含模块类型、功能信息。这些模块加入到系统时,可直接与PC机进行通信。PC机探测到有新模块时,根据加工对象、加工精度、加工批量等要求,可构建成单轴、双轴或三轴电解加工机床,这种体系结构的主要特点是CNC硬件平台独立于机床控制单元,各模块通过CAN总线传递信息,极大地简化了数控系统硬件平台和连线,借助于网络的柔性控制体系结构和开放的数据交换可经济、高效地实现可重构的数控机床[18]。
台湾元智大学与合肥工业大学也合作开展了可重构电解加工机床研究，并已制造出小型样机。
3.2 电源
3.2.1毫秒级脉冲电源
由于制造成本与直流电源相差无几，近年开发的机床基本上配置了毫秒级脉冲与直流两用电源。旧设备改造时，除了针对特定产品的专用设备以外，也大多更换为脉冲电源。
3.2.2微秒级脉冲电源
90年代由华南理工大学和英国爱丁堡大学合作研制MOSFET脉冲电源,已开发了1000A、2000A的工程化样机，主要性能指标如下[3]:
额定峰值电流: 1000Ａ（2000A）；
额定电压: 24Ｖ(直流)，20Ｖ(脉冲峰值)；
*高脉冲频率: 100Hz～20KHz，连续可调；
脉冲宽度: 25μｓ～5ms，连续可调；
短路保护关断时间: 10μｓ
该电源解决了大电流快速换流所引发和派生的诸多技术难题，如：矩形波波形畸变，功率开关器件的过压击穿、过热烧损，快速短路保护等，有望用于实际生产。
此外，多家研究机构还开发了不同类型的小功率微秒级脉冲电源，主要用于电化学抛光、微细加工等领域。
3.2.3 高频群脉冲电源
北京理工大学和合肥工业大学相继开展了高频群脉冲电源的研究。该电源可用于微细电解加工。
群脉冲是经过主脉冲(高频)和调制脉冲(低频)相乘获得的特殊脉冲信号。高频群脉冲电源既能单独控制每一个脉冲的宽度，也可以控制一组内脉冲的个数，因而输出脉冲的波形灵活多变，特别适合于微细加工[19]。
3.2.4 双向脉冲电源
为了保持阴极工作表面的几何尺寸及物化性能的稳定，须利用双向脉冲电源的负半周电流来去除阴极表面的沉积。
该类电源尤其适合用于深小孔的加工。
4 展望
近阶段，电解加工的研究重点及应用领域会主要集中在以下几个方向：
⑴微秒级脉冲电解加工工艺规律及扩大应用的研究。
脉冲参数（脉冲宽度及占空比）对加工效果的影响；流场的影响，冲液加工的可行性及相应的参数选择；在不同领域的应用及相应的参数选择。
⑵微秒级脉冲电源的进一步研发。
脉冲电源的工程化完善；脉冲参数在较大范围内可调，脉冲宽度更小、功率更大的脉冲电源的研制。
⑶电化学微细加工的研究
电化学加工技术具有优良的加工机理，具有在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间，但必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断**，才能在微精加工及MEMS制造领域有所作为。具体应关注以下几点：
①注重工艺复合化，实现与其它精密微精加工技术的优势互补。
②实现加工过程自动检测与控制，实时补偿加工参数变化对加工精度的影响，从而有效控制加工精度；
③以平面工艺为基础，完善设备、电极制作及加工工艺，达到可加工各种复杂三维微结构的目标；
④开发微进给系统及微控工作台。
⑤ 微细加工电解液的研究。
⑷数控电解加工工艺的完善、设备的改进、以及稳定工程应用的研究。
在航空、航天发动机整体构件、如整体叶盘、整体涡轮、整体机匣的加工中，作为数控铣削、精密铸造方法的必要补充，数控电解显示了极大的优越性[20]。应进行相关工艺及设备的研究，力求将数控电解在发动机研制和生产中得到稳定应用。
⑸电解加工机床（包括其控制系统）及电解液系统性能的进一步改善。
精密加工、微细加工等新技术对电解加工设备提出了更高的要求，如：机床的高定位精度及低速进给的稳定性、电解液系统的高清洁度及参数的稳定等，这些都需要引起足够重视。
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电解加工技术的现状与远景展望
作者简介：陈远龙，男，1964年10月出生，合肥工业大学特种加工研究所所长，副研究员，博士。主要从事特种加工工艺及设备方面的研究开发工作。
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