胡 靜，裴景玉，奚學(xué)程，張亞歐，顧 琳，康小明，趙福春，趙萬生

（ 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240 ）

受新冠疫情的影響， 原定于2020 年5 月在瑞士蘇黎世舉辦的第20 屆國際特種加工會議（the 20th CIRP conference on electro physical and chemical machining） 推遲到2021 年1 月19～21 日以線上會議的形式成功舉行。 本次會議是國際生產(chǎn)工程科學(xué)院（CIRP）主辦的系列國際會議，由瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院承辦，大會主席由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Konrad Wegener 教授擔(dān)任。 大會共收錄178 篇來自不同國家和地區(qū)的文章， 其中來自中國（含臺灣地區(qū)） 的文章近70 篇， 約占總文章數(shù)的40%。 大會共設(shè)6 場主題發(fā)言、24 場分論壇會議，分別圍繞電火花加工（EDM）、電化學(xué)加工（ECM）、增材制造（AM）、激光加工（LBM）、電子束加工（EBM）、等離子及復(fù)合加工工藝（PM）等專題展開。大會的論文集由Elsevier 公司出版并在該公司網(wǎng)站發(fā)表[1]。本文對大會發(fā)表的論文進(jìn)行了綜述，希望對國內(nèi)從事特種加工研究的同行有所裨益。

1 電火花加工

1.1 新工藝新方法

對于具有大深徑比等特征的工件，電火花加工的穩(wěn)定性在很大程度上受到排屑效果影響，解決該問題的有效方法之一是在工具電極中加開流道，以促進(jìn)加工屑排出。 采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法很難制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電極，為此部分學(xué)者開展了以增材制造方法制作工具電極的研究。 弗勞恩霍夫生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)計技術(shù)研究所的Eckart Uhlmanna 等采用選擇性激光熔化技術(shù)， 以WC-Co 為材料制作了電火花成形加工用電極，先通過全因子實驗得出最優(yōu)加工參數(shù)配置，再通過計算機(jī)流體仿真分析得出最佳流道結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明：內(nèi)部具有流道結(jié)構(gòu)的電極在加工過程中能獲得最高的材料去除率和最小的電極損耗率，加工效果較好。

針對傳統(tǒng)電火花加工存在的排屑困難、表面質(zhì)量不佳等問題，學(xué)者們提出了在電火花加工工作液中添加金屬粉末、沿進(jìn)給方向進(jìn)行振動輔助等改進(jìn)方法。臺灣中央大學(xué)的Hai-Ping Tsui 等搭建實驗裝置（圖1），研究了在鐵基金屬玻璃電火花加工過程中施加輔助超聲振動并在工作液中添加導(dǎo)電粉末對加工效果所起的作用，結(jié)果表明：通過設(shè)定合理的放電峰值電流、脈沖持續(xù)時間、超聲功率及導(dǎo)電粉末濃度，該方法相比于常規(guī)加工方式可有效改善工件表面質(zhì)量、提高加工效率并降低電極損耗。

圖1 施加超聲振動輔助、工作液中添加導(dǎo)電粉末的鐵基金屬玻璃電火花加工實驗裝置示意圖[3]

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，鍍覆銀的納米顆粒層可使器械表面的抗菌性能大幅度提高。 實現(xiàn)該鍍覆過程的方法之一是混粉電火花加工（PMEDM），但該方法存在粉末分布不均勻、易出現(xiàn)飛濺層等問題。 開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的Viet D. Bui 等以Ti-6Al-4V 表面鍍覆銀納米粉末的工藝過程為例，研究了超聲振動輔助PMEDM 方法在解決上述問題中的作用 （圖2），在工件上施加一個Z 方向的超聲振動，以增強(qiáng)工作液的沖刷作用并提高流速，防止金屬粉末沉積在液槽底部，結(jié)果表明：引入超聲振動不僅提高了鍍覆表面銀顆粒分布的均勻性，也降低了飛濺層出現(xiàn)的可能性；若選擇合適的工具電極尺寸，也可完全消除飛濺層。

圖2 超聲振動輔助PMEDM 實驗裝置示意圖[4]

在工作液中添加金屬粉末可增大放電間隙、利于工作液流動， 同時能有效減少間隙內(nèi)的絕緣區(qū)域、改善放電效果。 但有研究發(fā)現(xiàn)，由于存在靜電，粉末易聚集、沉積在工作液槽底部，難以發(fā)揮作用，且粘附在工件表面的粉末也易引起短路，降低工件表面質(zhì)量。 對此，臺灣中原大學(xué)的K.Y.Chen 等研究用硅油工作液代替混粉工作液、以峰值電流和硅油濃度為可變參數(shù)，分析不同參數(shù)組合下的加工效率和表面質(zhì)量，結(jié)果表明：低粘度（100 mPa·s）的硅油工作液才會產(chǎn)生良好的表面加工層，此時選取最佳峰值電流為20 A，可獲得最佳材料去除率。

Inspire AG 公司的Varun Urundolil Kumaran 等提出了增加碳基填料來解決樹脂基碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在電火花加工過程中的熱變形、穩(wěn)定性差等問題的方法， 通過五組CFRP 樣本的對照試驗發(fā)現(xiàn)，與不含填料的樣本相比，增加填料可在一定條件下提高加工過程的材料去除率、降低工具電極損耗、減少工件熱損傷。

1.2 工藝拓展

弗勞恩霍夫生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)計技術(shù)研究所的Eckart Uhlmanna 等研究了鎢鈷硬質(zhì)合金材料的工具電極在電火花成形加工中的應(yīng)用，通過4 種平均晶粒尺寸和5 種鈷含量的碳化鎢材料對電火花成形加工的材料去除率、相對電極損耗、工件表面粗糙度等參數(shù)的影響，結(jié)果表明：鎢鈷硬質(zhì)合金工具電極的材料去除率與常用工具電極材料相當(dāng)，高鈷含量和粗晶粒尺寸有利于減少電極相對損耗，粗晶粒尺寸也有利于提高材料去除率。

上海交通大學(xué)的張瑞雪等研究了深窄槽電火花成形加工中不同工藝參數(shù)對加工屑粒徑分布的影響，采用激光粒度儀測量了不同加工深度、放電峰值電流及不同電極厚度的加工屑的粒徑分布，并采用掃描電鏡、能譜分析和拉曼光譜儀對加工屑的成分進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：平均粒徑小于50 μm的加工屑易從極間排出， 而平均粒徑大于200 μm的加工屑很難從極間排出，并且碎屑直徑隨著加工深度和電流的升高而增大。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭永豐等通過輔助電極方法研究了8YSZ 陶瓷涂層的電火花加工放電狀態(tài)，并通過單因素實驗研究了不同峰值電流和脈寬下放電狀態(tài)對間隙蝕除特性的影響（圖3），結(jié)果表明：8YSZ 陶瓷涂層的放電狀態(tài)主要由低電阻放電率和高電阻放電率決定，總放電率跟隨低電阻放電率變化；用伺服參考電壓調(diào)整放電間隙，總放電率隨著低電阻放電率的增加而增加。

圖3 8YSZ 陶瓷加工原理和過程

大阪工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的Koji WATANABE等研究了放電修整方法，在劃片機(jī)上增加電火花修整PCD 薄刀片的裝置， 用電容式位移傳感器測量PCD 薄刀片的徑向跳動， 通過反饋的數(shù)值來精修PCD 薄刀片（圖4），并用該方法修整的PCD 薄刀片加工SiC，結(jié)果表明：PCD 的抗彎強(qiáng)度隨著表面光潔度的增加而增加；分別在去離子水和油基工作液中用電火花放電修整PCD 刀片，刀片在加工前后的抗彎強(qiáng)度無差異； 用該方法修整的PCD 刀片切割的SiC 凹槽邊緣鋒利，用純水修整的PCD 刀片在切割20 米以上的SiC 凹槽后仍能保持良好性能。

圖4 PCD 葉片修整、測量和切割測試的實驗裝置

魯汶大學(xué)的Mattia Bellotti 和太原理工大學(xué)王燕青等[10]提出了一種利用兩根靜態(tài)銅絲制作錐形微桿的新方法（TS-WEDG），通過在兩根成一定角度的靜態(tài)金屬絲之間沿著中心線進(jìn)給旋轉(zhuǎn)的微棒來制備錐形微細(xì)棒狀工件，通過調(diào)整一根導(dǎo)線的位置改變兩根導(dǎo)線之間的相對角度和距離，從而控制微棒的尺寸和錐度（圖5），結(jié)果表明：TS-WEDG 方法可在約4 min 內(nèi)制備高度2.5 mm 的微型錐棒。

圖5 TS-WEDG 方法加工微棒原理圖

開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的T. Berger 等為了減少開路、電弧和短路等不良加工狀態(tài)，提出了一種基于統(tǒng)計分析的附加系統(tǒng)dynoMat 模塊, 利用壓電作動器來微調(diào)工具電極與工件之間的間隙， 結(jié)果表明：該模塊使不良脈沖次數(shù)減少、 材料去除率提高、電極損耗率降低。

1.3 微小孔及異形孔加工

摩爾曼斯克國立技術(shù)大學(xué)的Kliuev 等在渦輪葉片氣膜冷卻異形孔加工中（圖6），采用電火花銑削與成形加工的新策略，使用標(biāo)準(zhǔn)圓柱旋轉(zhuǎn)電極代替復(fù)雜的成形電極并采用高速電火花打孔對型腔進(jìn)行預(yù)加工，同時優(yōu)化打孔加工順序以縮短加工時間，再采用逐層加工策略進(jìn)行精加工以保證加工精度，結(jié)果表明：與單純逐層加工方式相比，該方法不僅得到了相同的幾何形狀且在深層而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中更加有效，可提高15%的生產(chǎn)率并具有更高的幾何靈活性，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化策略以提高生產(chǎn)率。

圖6 異形孔加工

哈爾濱工業(yè)大學(xué)候少杰等研究了陣列群孔微細(xì)電火花加工中的電極損耗規(guī)律，采用塊電極磨削與線電極磨削相結(jié)合的方法制備微細(xì)電極，通過單因素實驗研究電源模式、開路電壓、電容、限流電阻和電極直徑等因素對電極磨損的影響， 結(jié)果表明：采用晶體管電阻電源及較低的開路電壓可減小電極損耗，并且電極損耗量隨著工件厚度和加工孔數(shù)的增加而增大；在電阻電容和晶體管電容電源模式下，電極損耗隨著電容的增大而先減小后增大。 另外，該研究還建立了電極磨損、工件厚度和電極直徑之間的函數(shù)關(guān)系，提出了一種加工5×6 微陣列孔的補(bǔ)償策略， 其孔徑偏差小于2 μm、 平均直徑為115 μm，為微陣列孔加工中電極磨損補(bǔ)償策略提供了依據(jù)。

1.4 加工機(jī)理及新工藝的研究

在電火花加工過程中，等離子通道產(chǎn)生并存在于微小間隙內(nèi)，使等離子體與材料之間的相互作用很難被直接觀察及探測到。 為此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)床與制造研究所（IWF）的Wiessner M 基于空間分辨發(fā)射光譜與高速攝像相結(jié)合的觀測方法進(jìn)行阿貝爾反演算，得到每一時刻不同波長的光沿著等離子通道方向的光強(qiáng)分布（圖7）。在研究時，為滿足阿貝爾反演算的條件，該作者探討了觀測電極的形狀對觀測結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電極為尖銳點對點的幾何結(jié)構(gòu)時，阿貝爾反演有效；采用Cu-Al 電極加工材料，除了觀測Cu、Al 的離子光譜，還觀測了空氣和油兩種工作介質(zhì)中共同存在的離子Hα，分析對比了不同介質(zhì)中、分別采用正負(fù)極性加工的觀測結(jié)果，得到并解釋了等離子體膨脹隨著時間變化的情況，以及等離子體成分和不同等離子體參數(shù)的時間分辨輪廓，結(jié)果表明：微放電中心由高度電離的粒子主導(dǎo)，而單個電離態(tài)粒子和原子態(tài)粒子更均勻地分布在整個等離子體中；空間分辨測量表明等離子體中心不處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，場發(fā)射可能導(dǎo)致小間隙中的離子增強(qiáng)場發(fā)射驅(qū)動湯森放電。

圖7 空間分辨發(fā)射光譜與高速攝像相結(jié)合的電火花等離子通道觀測及數(shù)據(jù)處理方法

目前多數(shù)研究傾向認(rèn)為，實現(xiàn)大面積電火花精密加工的難點是寄生電容造成的。 亞琛工業(yè)大學(xué)機(jī)床與生產(chǎn)工程實驗室（WZL）的Timm Petersen[15]設(shè)計了三個水平的大面積加工，結(jié)果表明：當(dāng)加工目標(biāo)設(shè)定為表面粗糙度值低于1 μm 時， 加工面積一旦達(dá)到200 cm2，寄生電容的影響更加顯著，同時伴隨加工難度的增大，電極損耗增加、加工效率降低（圖8）， 分析認(rèn)為產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因很可能是放電提前中斷。 為了觀察被中斷的放電是否會停留在同一位置，Timm Petersen 還以透明SiC 作為工件開展直接觀測實驗（圖9），然而在實驗中既未觀測到放電點的空間偏移， 也未觀測到放電點的時間偏移，并且在同步電流電壓波形檢測中也未檢測到放電中斷，但電流波形顯示了電容充電的特性，并發(fā)現(xiàn)此時的寄生電容值不到初始實驗時的一半，故認(rèn)為是由于采用不同工件材料，放電間隙增大，降低寄生電容值。 受限于實驗條件和手段，該研究暫未有完整結(jié)果，需后續(xù)的優(yōu)化實驗和大量觀察數(shù)據(jù)。

圖8 受寄生電容效應(yīng)影響的放電電流和電壓波形（Ie= 2 A，te= 5 μs）

圖9 采用透明電極的實驗裝置[15]

在電火花加工時，放電坑中只有百分之幾的熔池作為電蝕產(chǎn)物被去除。 如果能去除大部分熔融材料，加工速度將會提高，熱影響層的厚度也會相應(yīng)地減小。 已有研究表明，放電電流脈沖的上升和下降速度對單脈沖放電的去除量、連續(xù)脈沖放電的加工效率和電極損耗都有顯著影響，然而這些研究仍不能明確加工效率的改變是由單個放電脈沖去除量改變還是由放電頻率改變導(dǎo)致的。 為此，東京大學(xué)的Mayu Shinohara 在實驗中增加了放電次數(shù)檢測，定量地比較了斜升、斜降和矩形三種不同的脈沖形狀與單個脈沖去除量之間的關(guān)系（圖10），結(jié)果表明：在60～200 μs 的任何脈沖持續(xù)時間下，斜坡上升脈沖每次放電的移除體積最大，并認(rèn)為脈沖結(jié)束時的高熱通量導(dǎo)致對完全發(fā)展熔池的沖擊。

圖10 研究的三種電流脈沖形狀及其加工實驗系統(tǒng)示意圖

為了研究電火花微孔加工時氣泡行為所帶來的影響，日本農(nóng)工大學(xué)的Guodong Li 等使用自制的與電極直徑相等的SiC 透明半導(dǎo)體夾層工件， 通過高速攝像機(jī)拍攝電火花加工過程（圖11），利用與電極間隙尺寸相等的膠合層在電火花加工后熔融形成的窗口進(jìn)行觀察，既提高了盲孔的密封性、消除了氣泡和放電產(chǎn)物的泄漏，又提高了電極間隙區(qū)和從微孔逸出的氣泡行為觀察的準(zhǔn)確性， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著電極加工深度增加，氣泡體積增大、氣泡數(shù)目下降，故提出了深孔加工時氣泡在電極間隙區(qū)滯留時間增加、 氣泡行為以擠壓和融合為主的論斷；同時由于大氣泡擠壓，放電產(chǎn)物集中導(dǎo)致短路、異常放電以及絕緣強(qiáng)度降低，隨即也解釋了深孔加工時加工速度隨著孔深增加而降低甚至停止的原因。

圖11 實驗方法示意圖

高速電火花打孔因具有電極內(nèi)充液、旋轉(zhuǎn)等特點，被廣泛應(yīng)用于大深徑比小孔加工。 但隨著小孔加工深度的增加，加工狀態(tài)逐漸惡化，若伺服加工參數(shù)不變，加工效率將逐漸降低，故有必要對深孔加工伺服過程進(jìn)行優(yōu)化。 上海交通大學(xué)夏蔚文等研究了電火花深小孔加工的間隙伺服控制，提出了一種適用于大深徑比小孔加工的雙輸入雙輸出的自適應(yīng)伺服控制系統(tǒng)（圖12），根據(jù)電流和電壓判斷脈沖放電狀態(tài)類型將放電脈沖分為正常放電、開路放電和短路三種類型，并據(jù)此進(jìn)一步定義了正常放電率、開路率和短路率；以伺服參考電壓和伺服進(jìn)給增益系數(shù)為輸入量，并將其作為正常放電率和非正常放電率的變化率；通過最小二乘法在線辨識受控對象的模型參數(shù)，引入遺忘因子，采用多變量廣義最小方差法作為控制率；通過在線辨識受控對象的參數(shù)，根據(jù)當(dāng)前的輸入與輸出自動調(diào)整伺服參考電壓和伺服進(jìn)給增益系數(shù)，保持加工穩(wěn)定、高效進(jìn)行，結(jié)果表明： 在進(jìn)行電極直徑0.4 mm、 深徑比100∶1的小孔加工時，該自校正調(diào)節(jié)器可有效改善加工的放電狀態(tài)，尤其在打孔過程的后期階段可有效提高正常放電率、降低短路率；使用該自校正調(diào)節(jié)器，加工時間縮短了11.3%、電極損耗降低了3%。

圖12 深小孔高速電火花加工自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)框圖

小孔高速電火花加工工藝是航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片氣膜冷卻孔的有效加工方法。 但由于葉片中空結(jié)構(gòu)具有特殊性，需在加工中準(zhǔn)確檢測孔穿透的時刻，以控制工具電極位置，防止對冷卻流道對面部分的損傷。 清華大學(xué)的Wei Liang 等提出了一種利用音頻信號進(jìn)行穿孔檢測的新方法，通過時域和頻域方法對過程中的音頻信號進(jìn)行采集和分析（圖13），發(fā)現(xiàn)音頻信號由電火花加工過程的火花放電爆炸聲、沖液聲和背景噪聲等構(gòu)成，火花爆發(fā)前、 后收集的音頻信號的幅度和頻譜不同，尤其在高頻段表現(xiàn)明顯；通過濾波器的設(shè)計可降低機(jī)床環(huán)境的背景噪音， 最短幀長為0.2 s 時的信號穩(wěn)定；設(shè)計的特征提取算法能以較小的維數(shù)反映顯著特征，根據(jù)音頻信號的特征建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別模型，最終檢測精度在訓(xùn)練集中為98.9%、在測試集中為90.1%，并且誤識別點分散。該實驗還表明，通過使用包含多個幀的音頻片段可提高準(zhǔn)確性， 當(dāng)音頻段長度為1 s 時的測試精度提高到98.4%， 故認(rèn)為利用電火花加工氣膜冷卻孔中的音頻信號進(jìn)行穿孔檢測是可行的，音頻信號和其他信號（例如間隙電壓和工具電極速度）的融合可進(jìn)一步提高檢測精度。

圖13 穿孔前后采集的音頻信號及其處理

微細(xì)電火花加工適合加工金屬表面微特征，在小型化產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用，然而該加工通常難以單獨制造如微懸橋、 微流道等的微細(xì)三維懸浮結(jié)構(gòu)。對此，上海交通大學(xué)的徐凌羿等提出了一種如同3D打印的微細(xì)電火花加工與微電鑄相結(jié)合的三維微細(xì)制造方法，首先將目標(biāo)器件分層切片，獲得每一層的特征結(jié)構(gòu)；接著在每一層的加工過程中，將微電鑄用于沉積材料、微細(xì)電火花銑削用于加工每層的特征、塊電極電火花磨削用于表面平整化，并引入犧牲材料用于支撐上層材料的成形 （圖14）；最后，為了驗證工藝可行性，在電火花/電化學(xué)組合加工機(jī)床上進(jìn)行微懸橋制造試驗，成形了兩個尺寸分別為400 μm×100 μm×50 μm 和400 μm×100 μm×100 μm 的微橋結(jié)構(gòu)（圖15）。

圖14 微橋結(jié)構(gòu)的電火花加工與電成形復(fù)合成形工藝

圖15 微橋結(jié)構(gòu)的電子顯微鏡圖像

1.5 基于仿真計算的EDM 微觀機(jī)理研究

近幾年來，隨著電火花加工向高精度、高質(zhì)量的應(yīng)用發(fā)展，越來越多的研究學(xué)者關(guān)注放電加工過程中的微觀機(jī)理，希望從中獲取進(jìn)一步提高電火花加工性能的啟示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊曉冬等為了闡明電火花加工過程中蝕坑的形成過程，提出了一種新的數(shù)值模擬方法，先利用熱流耦合的方法計算了放電過程中所形成的放電等離子體的熱流密度和壓強(qiáng)分布;再用放電等離子體熱流的分析結(jié)果替代前人研究采用的假設(shè)熱源，并在考慮由等離子體高溫引起的材料熱相變、熔池流動特性的前提下，基于熱-液耦合模型實現(xiàn)放電蝕坑形成過程的數(shù)值模擬（圖16）；還利用該模擬方法進(jìn)一步考察了放電電流、間隙距離和放電時間等參數(shù)對放電蝕坑的影響， 結(jié)果表明：蝕坑的直徑和深度均隨著放電電流和放電時間的增大而增大，而間隙距離的增大會導(dǎo)致蝕坑直徑變大、蝕坑深度變小。

圖16 放電蝕坑形成過程的模擬結(jié)果

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉歡等研究了微孔陣列微細(xì)電火花加工中工具電極的損耗和間隙流場的影響關(guān)系，為制定電極磨損補(bǔ)償策略并在一定程度上提高加工精度提供了參考。 該研究通過改變工具電極的直徑和加工深度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)加工間隙中的流場速度隨著深徑比的增大而減小，而深徑比的不同會影響工具電極軸向損耗的均勻性。

亞琛工業(yè)大學(xué)的T.Bergs 等修改了現(xiàn)有的微觀組織演化模型， 使其既能適應(yīng)材料的實際微觀結(jié)構(gòu)，又能適應(yīng)更高的溫度梯度。 為表征由珠光體晶粒組成的鋼材料，提出了一種用等效均相取代珠光體的新方法。 該模型成功地模擬了電火花加工熱循環(huán)過程中材料微觀組織的演變過程（圖17）。

圖17 dT/dt=105 K/s 加熱過程中的微觀組織演變

1.6 電火花線切割加工

1.6.1 控制方法與策略

三菱機(jī)電公司的Takayuki Nakagawa 等提出了一種帶有橫向工件尺寸估算器的電極進(jìn)給速度控制器， 可提高電火花線切割多次切割的加工精度；使用平均工作電壓控制調(diào)整電極的進(jìn)給速度提出了二維仿真模型，分別分析了平均工作電壓恒定與進(jìn)給速度恒定情況下的加工控制器性能。 仿真結(jié)果表明：平均工作電壓恒定時，控制器生成的工件形狀與加工前工件的形狀相反；即使在相同的平均工作電壓下，修刀后的工件尺寸不僅取決于平均工作電壓，還取決于電極進(jìn)給速度，因為快速的電極進(jìn)給速率在電極的進(jìn)給方向上增加了放電頻率，而在橫向尺寸方向降低了放電頻率。 使用階梯形工件開展的實驗結(jié)果表明：恒定電極進(jìn)給速度時的控制器會使加工尺寸誤差變小； 平均工作電壓恒定時，控制器會使工件加工后形狀與原來形狀相反。

上海交通大學(xué)的李子倫等研究了四軸聯(lián)動電火花線切割加工中的外推插補(bǔ)，提出了一種軌跡平滑與前瞻合并的方法（圖18）。該方法基于廣義單位弧長增量法，避免了浮點數(shù)運算，減緩了四軸聯(lián)動情況下的各軸往復(fù)運動，并分析了四軸聯(lián)動切割上下異形面時因截斷誤差導(dǎo)致的各軸頻繁小幅往復(fù)運動情況。 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切割上下異形面且上下表面軌跡長度不一致時， 小幅往復(fù)運動情況尤為突出， 故提出了一種前瞻合并軌跡的方法， 前瞻2～4段軌跡，當(dāng)預(yù)判當(dāng)前軌跡和下一段軌跡均為往復(fù)運動時，將小線段軌跡段合并，以減少各軸的往復(fù)運動；若無往復(fù)運動而是真正的換向時，則不進(jìn)行軌跡合并（圖19～圖20）。 該研究還通過優(yōu)化伺服跟蹤系統(tǒng)，使單位時間內(nèi)切割面積盡量一致。 仿真模結(jié)果表明：使用該方法，顯著降低了各軸小幅往復(fù)運動的情況；加工實驗表明該方法，能提升上下異形直紋面的加工效率。

圖18 外推插補(bǔ)示意圖

圖19 上下表面異形軌跡

圖20 合并前后的軌跡示意圖

亞琛工業(yè)大學(xué)的T.Bergs 等研究了電火花線切割加工中修邊過程信號的能量表征，考慮到修邊的高頻特性與理想的放電信號特性存在明顯差異且能量值會發(fā)生變化，提出了一種以能量方式描述修邊加工的方法，通過在線采集信號與離線示波器采集信號對高頻信號進(jìn)行測量； 保持工藝參數(shù)不變，改變加工條件、工件高度和進(jìn)給速度，分析和評估了在線、離線過程中輸入信號和輸出信號的表示形式，并使用該方法區(qū)分不同加工條件下的修邊。

岡山大學(xué)的Hiroki Iwai 等研究了電火花線切割修邊過程中噴嘴噴射沖液對工作液流量和電極絲的力學(xué)影響（圖21），通過計算流體動力學(xué)分析闡明了噴射沖液對WEDM 加工特性的影響， 明確了第一次切割加工時切縫中流場和碎屑的排出情況；通過對修邊情況下的CFD 分析，研究了噴嘴排出部位周圍的工作液流場，并通過高速攝像機(jī)觀測線切割加工中的實際工作液流場，驗證了CFD 分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；通過CFD 分析獲得了作用于線電極表面上的壓力分布，使用結(jié)構(gòu)分析模擬了修邊狀態(tài)下的線電極變形，結(jié)果表明：當(dāng)工件厚度較小時，無論噴射沖洗的流速如何，電極絲周圍的流場都會出現(xiàn)周期性波動，線電極的撓曲形狀也因周圍工作液流場的周期性波動而改變。 此外，為了研究對電火花線切割修邊加工性能的影響，該研究還針對各種工件厚度測量了修邊后的表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)工件較薄時的表面粗糙度會因流場的周期性波動而變大。

圖21 裝置示意圖

1.6.2 加工機(jī)理

普福爾茨海姆大學(xué)的Kai Oβwald 認(rèn)為電極絲的運動速度對加工效率影響很大，并對高速走絲線切割的放電過程進(jìn)行了研究，通過檢測工件上不同點位的電流，得到放電點的位置（圖22），發(fā)現(xiàn)上部的放電數(shù)量明顯多于下部， 并據(jù)放電狀態(tài)分析：放電數(shù)量多，證明該位置加工效率低，這是因為電極絲高速運動配合重力作用，使工件下部沖洗作用更強(qiáng)；同時表明，不同厚度下的放電分布存在較大差異，故根據(jù)不同的情況選擇不同的電極絲速度對改善加工過程有重要意義。

圖22 放電點位置示意

斷絲產(chǎn)生的原因一直是電火花線切割研究的熱點，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Fabian Kneubühler 認(rèn)為常用的重量差方法忽略了電極絲具體位置的磨損， 提出使用三維光學(xué)線材法評估電極絲磨損情況， 并通過光學(xué)顯微鏡對電極絲進(jìn)行圓周拍照，重建了電極絲表面的三維模型（圖23），使脈沖能量逐步增大，研究發(fā)現(xiàn)：隨著脈沖能量增大，電極絲表面損耗的速度大于重量減少速度，某些位置的半徑已非常小，最終導(dǎo)致斷絲，這也是加工異常有時比預(yù)期出現(xiàn)更早的重要原因。

圖23 電極絲三維形貌

GF 公司的R. Di Campli 提出了一種電火花線切割中電極損耗的實時預(yù)測模型，將加工中采集到的放電點位置和能量傳入有限元仿真模型，實時計算損耗和溫度變化， 得到電極絲半徑變化的情況（圖24），預(yù)測結(jié)果符合實際變化趨勢，可實現(xiàn)加工中難測量量的監(jiān)控，為實時控制策略的調(diào)整提供有效的指導(dǎo)信息，為降低斷絲率、提高加工效果提供了新的思路。

圖24 電極絲直徑測量與預(yù)測結(jié)果對比

1.6.3 工藝優(yōu)化與過程控制

上海交通大學(xué)的褚皓宇等從極間狀態(tài)檢測和伺服控制算法兩方面入手研究提升電火花線切割加工過程中的切割效率和穩(wěn)定性，設(shè)計了基于可編程單片系統(tǒng)（PSoC）的可調(diào)閾值單脈沖識別電路，用軟件編程方式實現(xiàn)硬件電路的搭建，引入施密特比較器將單個脈沖精確識別為開路、短路與正常放電三種狀態(tài)，通過邏輯電路設(shè)計、濾波處理和脈沖計數(shù)，獲取單位時間內(nèi)三種脈沖數(shù)量統(tǒng)計，將脈沖識別統(tǒng)計結(jié)果作為自適應(yīng)控制的輸入?yún)?shù)、伺服進(jìn)給速度作為輸出參數(shù)，進(jìn)行自適應(yīng)伺服控制（圖25）；采用自適應(yīng)算法中的間接自校正控制器，通過遞歸最小二乘法的在線辨識， 得到控制對象的實時模型， 再用實時模型的參數(shù)計算出控制器的對應(yīng)系數(shù)， 使控制器跟隨并適應(yīng)控制對象以實現(xiàn)控制目標(biāo)，并且該間接自校正控制可根據(jù)加工放電狀態(tài)的變化實時更新控制器參數(shù)， 具有很強(qiáng)的魯棒性；通過不同厚度的切割實驗發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)控制與原有伺服控制相比，切割效率最高可提升9.67%、速度波動性最大降低72.4%， 有效地提升了線切割加工的效率與穩(wěn)定性。

圖25 自適應(yīng)伺服控制結(jié)構(gòu)圖

上海交通大學(xué)的秦嶺等針對現(xiàn)有電火花線切割CAM 軟件中的巨量幾何對象處理效率低下問題開展了算法優(yōu)化研究， 針對傳統(tǒng)算法CAM 軟件在圖形文件幾何對象數(shù)目巨大且對象排列亂序時規(guī)劃加工路徑會出現(xiàn)時間過長甚至程序崩潰的問題，運用圖論思想進(jìn)行分析，并結(jié)合線切割加工圖紙存在唯一歐拉回路的特點， 提出了類哈希表排序算法， 通過將所有頂點數(shù)據(jù)預(yù)先放入不同區(qū)域的桶中，使每個頂點在尋找相鄰幾何對象時只與最有可能的其他頂點進(jìn)行比較計算，大幅降低了計算復(fù)雜度、節(jié)約了大量的計算時間，使整體運算時間比傳統(tǒng)遍歷算法降低了90%，并且圖形文件中的幾何對象數(shù)目越多，所節(jié)省計算時間越顯著。

華中科技大學(xué)的張臻等針對電火花線切割加工薄壁件時所產(chǎn)生的熱變形現(xiàn)象進(jìn)行了研究，建立了熱力耦合的有限元仿真模型，通過施加溫度場和應(yīng)力場，并結(jié)合薄壁件材料特性獲得了線切割加工中的熱變形數(shù)值，還在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對外加磁場輔助下的熱變形進(jìn)行對比實驗（圖26、圖27），根據(jù)結(jié)果分析認(rèn)為：輔助磁場通過改善沿厚度方向的表面放電點分布和提升溫度分布的均勻性，有效減少了薄壁件在線切割加工過程中的變形和殘余應(yīng)力梯度； 輔助磁場還改善了薄壁部件的表面完整性，重鑄層厚度可降低22.68%，并且裂縫、空隙和碎屑也大幅減少，從而表明輔助磁場可有效地提高加工精度、獲得更好的表面質(zhì)量。

圖26 電火花線切割外加輔助磁場示意圖

圖27 薄壁件變形仿真示意圖

亞琛工業(yè)大學(xué)的Küpper 等開發(fā)了電火花線切割加工在線過程監(jiān)控系統(tǒng)，用于實時評估線切割加工工藝效果， 通過FPGA 對單個脈沖進(jìn)行檢測，并分類為正常與異常放電，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法獲取放電狀態(tài)與加工工藝性能之間的關(guān)系，同時通過改變線切割加工放電參數(shù)，探究了不同參數(shù)變化對加工工藝的影響規(guī)律。

2 電化學(xué)加工

2.1 加工機(jī)理

針對陶瓷涂層鎳超合金電化學(xué)放電加工中的放電特性，上海交通大學(xué)的康小明等選用螺旋結(jié)構(gòu)工具電極，研究了在加工涂層材料和基體材料時的放電圖像、 電壓/電流信號和加工孔表面粗糙度，結(jié)果表明：加工陶瓷涂層時僅發(fā)生電化學(xué)放電，而加工鎳高溫合金時會同時發(fā)生電化學(xué)放電和火花放電； 火花放電是高溫合金基體材料去除的主要因素，放電的發(fā)生與工具電極和高溫合金工件之間的間隙大小有關(guān)， 所采用的最大間隙距離為60 μm；兩種放電方式均對加工表面產(chǎn)生影響，其中火花放電導(dǎo)致表面粗糙度值增加，而電化學(xué)放電通過去除少量材料降低表面粗糙度值，故可通過提高電解質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來提高電化學(xué)放電的效率。

電化學(xué)放電打孔時，由雜散電流引起的雜散腐蝕將損害小孔入口周圍的表面質(zhì)量。 南京航空航天大學(xué)的張信義等通過實驗證明：在管電極高速電化學(xué)放電打孔（TSECDD）工藝中使用輔助陽極和絕緣涂層可改變電場分布，有效地消除由雜散電流引起的雜散腐蝕，大幅度提高工件的表面質(zhì)量；工件絕緣表面由于存在絕緣層，電流密度不會引起任何雜散腐蝕， 而輔助陽極使工件入口附近的電場穩(wěn)定，降低了微孔邊緣的電流密度，并且該電流密度隨著輔助陽極間隙和內(nèi)徑的增大而增大、隨著電勢增大而減?。划?dāng)輔助陽極在工件上方0.05 mm 處，輔助陽極的內(nèi)徑為0.6 mm，輔助陽極的電勢比工件的電勢高10 V 時， 工件表面的雜散電流降至零且微孔邊緣的電流密度從104 A/ cm2降至42 A/cm2。

南京航空航天大學(xué)的高長水等通過模擬和實驗研究了SiC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的磨料輔助電化學(xué)射流加工中增強(qiáng)相的去除機(jī)理，利用仿真模型計算了Al2O3磨料顆粒和液體射流對SiC 顆粒的沖擊力以及增強(qiáng)相與基體之間結(jié)合界面的壽命， 結(jié)果表明：Y 方向的沖擊力隨著沖擊角的增大而增大、X 方向的沖擊力隨著沖擊角的增大而減小；SiC 和基體之間的結(jié)合界面的壽命隨著結(jié)合面積的減小而顯著非線性地降低、 在給定的鍵合區(qū)域隨著SiC 尺寸的增加而縮短， 故材料去除率隨著SiC 尺寸和含量的增加而降低。 實驗還分析認(rèn)為，SiC 去除機(jī)理可能是基體首先溶解而導(dǎo)致兩個成分之間的結(jié)合面積減小，當(dāng)結(jié)合面積下降到較低水平時，便可將SiC 增強(qiáng)材料剝離出金屬基體，而增強(qiáng)材料的掉落會在加工表面留下微坑， 嚴(yán)重影響加工表面的粗糙度，且通常表面粗糙度將隨著增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)或粒度的增加而增加。

南京航空航天大學(xué)的張軍等分別使用具有相同轉(zhuǎn)速的五個凹腔的等尺寸陰極工具和旋轉(zhuǎn)比為5∶1 的單個凹腔的小型陰極工具， 進(jìn)行了同步和差動旋印電化學(xué)加工， 在旋轉(zhuǎn)零件上形成凸特征陣列，并通過數(shù)學(xué)建模和仿真對陽極成形過程進(jìn)行了模擬，用實驗結(jié)果驗證了仿真程序的有效性。 仿真結(jié)果表明：通過使用合適的陰極工具直徑，差動旋印電化學(xué)加工可實現(xiàn)與同步旋印電化學(xué)加工近似的加工性能，可通過在差動旋印電化學(xué)加工中選擇合適的陰極工具直徑和進(jìn)刀深度來制造具有直側(cè)壁輪廓的凸特征陣列；隨著差動旋印電化學(xué)加工中陰極工具進(jìn)給深度的增加，凸特征結(jié)構(gòu)的側(cè)壁輪廓可從正錐度變?yōu)榈瑰F度。

脈沖電解加工（PECM）可用于加工高強(qiáng)度金屬和硬化金屬。 奧托·馮·格里克馬格德堡大學(xué)的Gunnar Meichsner 等提出了使用PEMCenter 8000加工1225 個方形孔的不同有效工藝鏈， 分別研究了全陰極、分段陰極和多陰極三種不同工藝流程設(shè)計合適的ECM 工藝鏈， 結(jié)果表明： 使用完整的陰極，PECM 工藝的時間效率更高。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王翰等提出了一種通過WEDM 原位制備、邊緣方形的微型圓盤電極進(jìn)行微電化學(xué)平板銑削的方法，以在工件表面制造微溝槽結(jié)構(gòu)，實驗表明：圓盤電極的電極進(jìn)給速度和發(fā)電機(jī)的脈沖寬度等主要電化學(xué)參數(shù)對304 不銹鋼的微槽寬度和表面質(zhì)量有很大影響。 實驗采用邊緣寬度為170 μm 的圓盤工具電極和適當(dāng)工藝參數(shù)成功地加工了溝槽寬度254 μm、 表面粗糙度Ra=0.33 μm 的微槽（圖28），擴(kuò)展了微結(jié)構(gòu)制造的工藝技術(shù)，拓寬了微電化學(xué)加工技術(shù)的加工靈活性和能力。

圖28 微電解板坯銑削加工的微槽

2.2 微細(xì)電化學(xué)加工

東京農(nóng)工大學(xué)Masako Sakamoto 等研究了工件材料、電解液流速在大深徑比孔電解加工中出現(xiàn)咬邊和短路時對加工穩(wěn)定性的影響。 結(jié)果表明：在相同類型的鎳基高溫合金中，由于鑄造和鍛造方法不同，易熔相的數(shù)量和分布以及組織的析出形貌皆不同（圖29）；即使在同一種材料中，由于晶界碳化物的析出程度不同，電解加工的溶解速度也不相同。

圖29 孔的橫截面顯微圖

雜散腐蝕和電解產(chǎn)物在加工間隙中的沉積是嚴(yán)重制約微細(xì)電解加工應(yīng)用的主要影響因素。 目前，在電極側(cè)壁制備薄而耐久的絕緣薄膜是抑制雜散腐蝕的技術(shù)瓶頸之一。 清華大學(xué)Guodong Liu 等提出將各向異性蝕刻硅電極用于微電解加工，并在其上沉積二氧化硅和氮化硅作為絕緣薄膜， 利用Fluent 軟件建立電解液流動與離散相分布的仿真模型。 仿真結(jié)果表明，硅電極電解液的正常流速是圓柱電極電解液的50 倍， 有利于電解液中固體點解產(chǎn)物的順利排出；加工實驗結(jié)果表明，硅電極加工工件的電解產(chǎn)物比圓柱形電極加工工件的電解產(chǎn)物要少得多。 梯形截面的硅電極在減少電解產(chǎn)物淤積方面具有明顯的優(yōu)勢。

超聲輔助電化學(xué)微加工（USEMM）是一種很有前景的微凹坑加工方法，可減少過切、增強(qiáng)電解液更新、提高加工定域性和增加材料去除量。 浙江工業(yè)大學(xué)Minghuan Wang 等針對光滑和旋轉(zhuǎn)工件上的微凹坑陣列加工問題，提出了徑向超聲滾動電化學(xué)微加工方法，實驗表明：電解液更新和加工穩(wěn)定性提高，可獲得性能良好的微凹坑陣列；USEMM 相較于EMM，微凹坑的加工效率更高且微凹坑的寬度減少14.6%、深度增加19.2%、橫截面積擴(kuò)大31.2%、底部的粗糙度值下降23.9%，側(cè)壁表面質(zhì)量也更好。

在射流電解加工中，隨著加工深度和時間的增加，電流密度逐漸減小、材料去除率降低且橫向特征尺寸也會緩慢增加，因而該加工方法在加工高深寬比結(jié)構(gòu)時存在局限性，并且電解液射流的電流密度分布不集中，也影響形狀精度。 為此，中國物理研究院的Qi Jing 等提出了一種將金屬絲電極置于噴嘴的高速射流中的金屬絲前置射流電解加工法（WPJet-ECM）， 使電極可隨著工件的溶解而進(jìn)給，從而保證了高深寬比；電流密度被電極絕緣側(cè)壁限制在電極端面，從而提高了形狀精度，結(jié)果表明：該方法可有效集中電流密度，相比于噴嘴靜止時獲得的凹坑直徑減小、深度增大且內(nèi)壁表面和邊緣的質(zhì)量均有明顯改善。

鈦納米管（TNT）具有高比表面積的特點，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。 對于制備TNT，陽極氧化法因其簡單、成本低而受到青睞。孟買理工學(xué)院Mukesh Tak 等采用陽極氧化法制備了鈦納米管， 并研究了外加電壓、陽極氧化時間、電解液（NH4F -乙二醇）中H3PO4濃度等參數(shù)對TNT 平均內(nèi)徑的影響，提出了一種利用電化學(xué)微加工技術(shù)在鈦表面產(chǎn)生TNT、修飾鈦表面形貌的方法，結(jié)果表明：采用0.3 mol/L H3PO4和0.3 mol/L NH4F 的混合電解液，在30 V 電壓下陽極氧化3 小時，是制備有序均勻TNT 陣列的最佳參數(shù)，可制備得到平均內(nèi)徑為（48±5） nm 的均勻TNT 陣列；具有TNT 的鈦表面沿著深度方向的溶解量大于徑向方向的溶解量，故具有TNT 表面的鈦有助于ECMM 加工（圖30）。

圖30 ECMM 示意圖

3 增材制造

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Daniel Baier 等提出了一種高效確定電弧熔絲增材制造（WAAM）工藝參數(shù)以及在WAAM 過程中通過質(zhì)量監(jiān)測保證零件質(zhì)量的方法。WAAM 技術(shù)使用電弧焊工藝以熔化線材的形式添加材料， 該方法將WAAM 過程中的質(zhì)量監(jiān)測信號同零件的幾何性質(zhì)和工藝參數(shù)結(jié)合起來，能實時地評估零件的最終幾何精度。 此外關(guān)于WAAM工藝參數(shù)的研究表明， 焊槍的進(jìn)給速率vTS及線材的進(jìn)料速率vWFS對零件質(zhì)量有很大影響， 而對電弧長度校正系數(shù)kl的影響較小；采用熱成像線傳感器可有效地測量WAAM 過程中單個熔層的溫度，有助于實時評估零件質(zhì)量。

清華大學(xué)的王軍華等研究了激光立體成形（LSF）過程中粉末粒子的重疊效應(yīng)對激光能量衰減的影響（圖31）， 通過引入有效粉末粒子數(shù)的概念，建立了多噴嘴情況下的激光能量衰減理論模型，以此準(zhǔn)確計算了任意粉末顆粒體積分?jǐn)?shù)下的激光能量衰減率。 研究結(jié)果表明：粉末進(jìn)料率和粉末載氣流量等進(jìn)料參數(shù)是激光能量衰減率的主要影響因素；在不同的粉末載氣流量下，激光能量衰減率與粉末進(jìn)給速率成正比，激光能量衰減的增長率與粉末進(jìn)給速率成反比。 此外，該研究還提出了一種簡單的激光能量衰減測量方法，并對不同粉末載氣流量下的激光衰減率進(jìn)行了測量，測量結(jié)果驗證了激光能量衰減理論模型的正確性。

圖31 粉末粒子的重疊效應(yīng)造成激光能量衰減

瑞士東部高等職業(yè)學(xué)院的Mohammad Rabiey等進(jìn)行了DIN1.2343 型鋼注塑模具修復(fù)工藝參數(shù)優(yōu)化的研究，將激光功率、粉末進(jìn)料率和激光頭進(jìn)給速度作為重點研究參數(shù)， 采用田口法進(jìn)行實驗設(shè)計，以減少尋找最優(yōu)參數(shù)所需的實驗次數(shù)，在自主研制的試驗裝置上對試件進(jìn)行修復(fù)試驗，結(jié)合拉伸試驗與金相試驗結(jié)果確定了熱作工具鋼DIN 1.2343 激光金屬沉積修復(fù)的最佳工藝參數(shù)，且在優(yōu)化工藝參數(shù)下，沉積材料對基底材料具有極好的附著性，研究表明：盡管基底材料與沉積材料的硬度不同， 優(yōu)化工藝參數(shù)下的試樣針孔數(shù)量明顯降低，此外焊縫熱影響區(qū)沉積材料的硬度會增加。

大連大學(xué)的吳蒙華等對3D 金屬微結(jié)構(gòu)無掩模局部電沉積技術(shù)增材制造技術(shù)進(jìn)行了仿真和工藝研究（圖32），得到了極間電壓、占空比和極間間隙對局部電沉積工藝的影響規(guī)律，通過正交實驗優(yōu)化了極間電壓、 脈沖頻率等電參數(shù)和各軸移動速度，電沉積速率可達(dá)460 μm3/s。

圖32 無掩模局部電沉積技術(shù)加工出的鎳圓柱

瑞士南方應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的Baraldo 等針對直接金屬沉積技術(shù)中機(jī)床加減速導(dǎo)致的加工區(qū)域局部能量密度過大并帶來沉積厚度不均勻的問題，開發(fā)了一種基于視覺的激光功率在線控制系統(tǒng)，根據(jù)在線采集的熔池圖像調(diào)節(jié)激光束功率并驗證（圖33）。

圖33 優(yōu)化前后的V 型軌跡沉積高度分布

清華大學(xué)的韓福柱等研究了激光增材制造Rene 104 高溫合金中存在嚴(yán)重裂紋缺陷的問題，發(fā)現(xiàn)使用較高的預(yù)熱溫度、更緩慢的冷卻速度、附加實時錘擊可顯著消除激光增材制造部件中的裂紋，制造出的零件具有與粉末冶金相當(dāng)?shù)臋C(jī)械性能。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊曉冬等提出在工具電極和金屬粉末基體之間施加電壓以擊穿電介質(zhì)并形成足以使金屬粉末熔化的新型微電弧等離子體金屬增材制造方法（圖34），通過單點和單通道放電熔融實驗研究了工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖34 微電弧等離子體增材制造原理示意圖

加州大學(xué)的Madireddy 等研究采用多層激光噴丸減輕AlSi10Mg 增材制造中的變形（圖35）， 發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力引起的變形仍是金屬增材制造中的普遍問題，激光噴丸處理通過機(jī)械手段有效地重新分配殘余應(yīng)力、減小畸變具有普適性，并基于試樣中累積殘余應(yīng)力的測定確定了最佳層間激光噴丸的沖擊頻率，結(jié)果表明：激光噴丸可使變形降低45%。

圖35 沿著NIST AMB2018-01 測試橋的噴丸柵格

Lukasiewicz 航空研究所的Zakrzewski 等研究了選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔融（SLM）的增材制造（AM）加工參數(shù)對制成件（圖36）的表面粗糙度和材料密度的影響，利用量綱分析建立了基于加工參數(shù)和重要的熱物理性質(zhì)的平均表面粗糙度Ra 的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明：激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度是影響表面粗糙度Ra 水平的關(guān)鍵因素，表面粗糙度和材料密度之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，體積能量密度對所制造零件的密度值也有很大的影響。

圖36 由SLS/SLM 工藝制備的樣品

俄羅斯國立科技大學(xué)的Mu?oz Bola?os 等研究了選擇性激光熔化3D 打印AlSi11Cu 合金的力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)演變， 發(fā)現(xiàn)增材制造雖具有巨大優(yōu)勢，但也存在與孔隙、粗糙表面、層間融合不足有關(guān)的特定問題，制造件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的各向異性備受關(guān)注，通過應(yīng)力消除熱處理后的拉伸和壓縮實驗對3D 打印AlSi11Cu 合金的力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究（圖37），結(jié)果表明：機(jī)械性能在打印狀態(tài)和退火狀態(tài)下均表現(xiàn)出明顯的各向異性，在徑向方向上具有較高的強(qiáng)度和延展性，橫向和縱向方向延展性較差。

圖37 斷裂后的拉伸試樣

4 高能束加工

4.1 激光加工

岡山大學(xué)的Kohei Umezu 等利用波長532 nm的微秒脈沖激光加工設(shè)備，通過控制脈寬和脈沖波形，研究了降低金屬模具表面粗糙度的方法，發(fā)現(xiàn)通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拿}寬可將粗糙度值從4.0 μm 降至1.0 μm，還通過控制脈沖持續(xù)時間來減少邊緣形成的方法降低粗糙度值、通過控制瞬時輸入功率來增加模具材料表面光順的功率密度范圍，從而提高模具材料表面光順的過程可控性，其研究結(jié)果同樣適用于高反射率材料。

魯汶大學(xué)的 Peeters 等對 Stavax -ESR 和Sverker-21 兩種模具材料的選擇性激光硬化工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，并成功實現(xiàn)了該工藝在注塑成形模具組件、碎紙機(jī)刀片、注射噴嘴和紋理模具上的應(yīng)用，還通過集成到多軸加工平臺的激光裝置實現(xiàn)工件的表面硬化, 結(jié)果表明： 經(jīng)激光硬化后，Stavax-ESR 和Sverker-21 的最大硬度分別可達(dá)614HV 和810HV。

激光加工技術(shù)同樣被應(yīng)用于各類刀具的性能改善研究中。諾丁漢大學(xué)的Paul 等利用飛秒激光研究了刀具前刀面的幾何表面微織構(gòu)對二維正交車削過程中刀具受力的影響，通過制造出圓形凹坑及開口平行凹槽等微結(jié)構(gòu)，開展了處理后刀具的正交車削試驗、原位摩擦試驗和摩擦學(xué)試驗，結(jié)果表明：在刀具的典型工作范圍內(nèi)，采用冷卻液對未涂層硬質(zhì)合金刀具表面制備出表面織構(gòu)可以降低摩擦，具有閉合凹陷結(jié)構(gòu)的織構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力最低，并減少了表面磨損。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)床與制造研究所的Lukas 等針對碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）材料加工時所產(chǎn)生的刀具機(jī)械磨損和工件破損現(xiàn)象，期望通過對鉆削刀具的切削刃進(jìn)行激光燒蝕后再涂層的兩段式處理方法來改善上述問題（圖38），實驗中先采用切向激光燒蝕工藝生成新的前刀面，再于其上通過正交激光燒蝕工藝制備了兩種微結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明： 采用單個較大的凹槽壓痕會明顯降低主切削力，但同時導(dǎo)致切削刃穩(wěn)定性降低，而優(yōu)化的微結(jié)構(gòu)策略需在側(cè)面接觸最小化和足夠的切削刃支撐之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖38 切削刃處理和微結(jié)構(gòu)工藝的示意圖

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院機(jī)床與制造研究所Claudio 等針對微切削刀具的制造技術(shù)，利用超短脈沖（USP）激光加工技術(shù)提供了一種有別于傳統(tǒng)磨削成形的解決方案， 利用Siemens NX 進(jìn)行有限元模擬， 對直徑為0.2 mm 的刀具幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化， 通過一臺8 軸激光加工中心加工成形，并利用該刀具進(jìn)行了切削銅材料的試驗， 結(jié)果表明：可產(chǎn)生良好的工件表面，可加工出較小的切削刃半徑、獲得較小的熱影響區(qū)，但銑削試驗沒顯示出預(yù)期結(jié)果。

薩爾蘭大學(xué)生產(chǎn)工程研究所及巴塞羅那加泰羅尼亞政治大學(xué)的Fang 等使用納秒激光在脈沖電解加工（PECM）陰極上加工出凹槽、半球體和六角錐體三種三維織構(gòu)，并通過在Ti6Al4V 工件上復(fù)制圖形來對電極進(jìn)行了測試和驗證，結(jié)果表明：納秒激光能產(chǎn)生具有清晰表面狀態(tài)的刀具圖形且符合設(shè)計（圖39a～圖39c），但復(fù)制后工件上的圖形和刀具之間存在明顯的幾何特征偏差 （圖39d～圖39f），若要利用PECM 復(fù)制銳邊圖案仍具有挑戰(zhàn)性。

圖39 工具電極及電化學(xué)加工工件形態(tài)檢查的全局和局部縮放圖

4.2 電子束加工

電子束輻照后的金屬表面會形成改性層，一定厚度的改性層能長期維持其較高的耐腐蝕性及耐磨性等功能。 岡山大學(xué)的Shoya OTA 等通過非穩(wěn)態(tài)傳熱模型仿真實驗研究了304 不銹鋼和鎳基合金在不同能量密度電子束輻照下的溫度分布及改性層和去除層的厚度，結(jié)果表明：同樣能量密度的輻照下，低熱導(dǎo)系數(shù)的鎳基合金的改性層厚度大于高熱導(dǎo)系數(shù)的304 不銹鋼， 隨著能量密度的增加，材料的改性層厚度增加，同時鎳基合金的改性層厚度與304 不銹鋼的差異越來越大； 隨著能量密度增加，兩種材料的去除層厚度增加但差異不大，故熱導(dǎo)系數(shù)對材料的改性層厚度具有較大的影響。

岡山大學(xué)的Togo SHINONAGA 等應(yīng)用束斑直徑60 mm 的大束斑電子束對增材制造技術(shù)加工的馬氏體時效鋼進(jìn)行表面修復(fù)的實驗研究，驗證了大束斑電子束輻照對增材制造金屬零件進(jìn)行表面修復(fù)和表面光順的可行性。 如圖40 所示， 直徑小于40 μm 的顆粒飛濺物通過三次以上的輻照即可完全清除；進(jìn)一步增加至10 次輻照，空腔和飛濺顆粒完全消失，從而可得到光滑的表面；輻照次數(shù)增加至100 次后， 表面粗糙度Ra 由8.2 μm 降至1 μm以下。 此外，該研究還通過對表面和截面微觀組織的觀察，揭示了電子束輻照對表面修復(fù)的機(jī)理。

圖40 不同輻照次數(shù)下空腔和顆粒濺射的變化

上海交通大學(xué)的Yulei Fu 等開展了應(yīng)用空心陰極電子束進(jìn)行金屬材料表面改性的研究，闡述了贗火花電子束與45 鋼作用時組織性能變化及機(jī)理，結(jié)果表明：輻照區(qū)域生成了γ 相并伴有晶粒細(xì)化和非晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，據(jù)此揭示了由輻照局部區(qū)域晶體尺寸低于臨界晶體尺寸而導(dǎo)致的非晶結(jié)構(gòu)形成機(jī)制。 同時，該團(tuán)隊還研制了電子束分布特性測量系統(tǒng)（圖41），實測了不同加速電壓和氣壓條件下電子束形成的不同束流分布特性；結(jié)合同樣條件下的304 不銹鋼材料處理結(jié)果， 對電子束的電流分布和能量分布特性、輻照產(chǎn)生的溫度及誘導(dǎo)的應(yīng)力場及其影響材料表面改性層的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀理化性能等展開了研究。

圖41 電子束電流分布測量裝置

5 等離子體和其他新技術(shù)研究

過濾陰極真空電弧沉積（FCVAD）技術(shù)運用等離子體電磁場過濾，可有效減少或消除物理氣相沉積中陰極材料的“大顆粒”，進(jìn)而擴(kuò)大其在精密加工和摩擦學(xué)等方面的應(yīng)用。

莫斯科國立科技大學(xué)的Vereschaka 等將FCVAD 技術(shù)用于制備納米結(jié)構(gòu)多組分改性涂層，所制備的涂層具有可控的納米層厚度（2～100 nm），總的涂層厚度可達(dá)20 μm 且具有致密和無微孔穴的特點，適用于切削刀具、醫(yī)療器械等多種場合。圖42是用傳統(tǒng)物理氣相沉積（PVD）技術(shù)和FCVAD 技術(shù)分別制備的Ti-TiN-（Ti, Al, Cr）N 涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM 圖像， 可見PVD 制備的涂層中有大量的微孔穴，同時微孔穴的存在會促使涂層一系列缺陷的形成（如內(nèi)部分層、縱向裂紋）；FCVAD 技術(shù)制備的涂層微觀質(zhì)量有顯著提升。 圖43 所示的車削實驗結(jié)果表明： 相較于PVD 涂層刀具和無涂層刀具，F(xiàn)CVAD 涂層的切削刀具具有最高的使用壽命。對涂層失效形式進(jìn)行分析可知，F(xiàn)CVAD 涂層作為一個整體失效，沒有明顯的層間分層；而PVD 涂層失效時伴隨導(dǎo)致分層的裂紋。

圖42 Ti-TiN-（Ti, Al, Cr）N 涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)SEM 圖像

圖43 車削1045 鋼后刀面磨損量與時間的關(guān)系

廣東工業(yè)大學(xué)的Deng 等研究了激光誘導(dǎo)氣穴驅(qū)動的微沖壓技術(shù)（LICPF）機(jī)理及工藝（圖44），通過分析微沖壓形成的銅箔表面粗糙度以及微觀形貌，系統(tǒng)地研究了激光能量、氣穴位置、沖壓次數(shù)等關(guān)鍵工藝參數(shù)對沖壓工件的影響，通過高速相機(jī)拍攝圖像發(fā)現(xiàn)等離子體沖擊、破裂沖擊、激光誘導(dǎo)氣穴產(chǎn)生的微噴射是沖壓變形形成的主要驅(qū)動能量來源（圖45），發(fā)現(xiàn)LICPF 經(jīng)歷了氣穴氣泡產(chǎn)生，氣穴擴(kuò)張、逐漸收縮、最終破裂四個過程且在整個過程中等離子體沖擊、破裂沖擊以及破裂產(chǎn)生的微噴射都會對沖壓結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖44 LICPF 實驗裝置原理圖

圖45 LICPF 過程示意圖

廣東工業(yè)大學(xué)的Wu 等將Jet-ECM 應(yīng)用于平板印刷， 提出了一種掩膜電解液射流加工（MEJM）技術(shù)（圖46），可用于在金屬表面加工微小字符。 傳統(tǒng)的電解液射流加工其最小的加工特征尺寸取決于射流噴嘴內(nèi)徑，同時其加工過程中是點蝕除的方式，效率低下。MEJM 技術(shù)將之前的串行蝕除轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿形g除，提高了效率，并且加工精度主要取決于印刷掩膜的分辨率。 實驗表明：在特定條件下，該技術(shù)加工微小字符的重復(fù)精度高，其最小尺寸誤差是0.039%。

圖46 掩膜電解液射流加工過程示意圖

生物3D 打印技術(shù)（3D bioprinting）、激光誘導(dǎo)技術(shù)等在生物工程領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。 用于生物打印的生物墨水 （bioink） 在擠壓成形上存在很大問題，生物墨水材料的粘度、成膠速率、彈性和剪切模量等參數(shù)都會對打印效果產(chǎn)生影響。 為了研究海藻酸鈉作為生物墨水的擠壓打印成形特性， 美國的Shah 等在生物結(jié)構(gòu)3D 打印技術(shù)領(lǐng)域研究了不同加工參數(shù)對藻朊酸鹽基水凝膠類型生物墨水的剪切稀疏性能影響，對不同濃度的水凝膠混合物進(jìn)行了實驗，建立起粘度、剪切應(yīng)力與打印壓力和平均擠出速度的數(shù)學(xué)模型，該模型可表征生物墨水的可打印性能。 在該模型的基礎(chǔ)上，研究了不同濃度的組合和不同的添加劑的影響效果。

現(xiàn)有的多細(xì)胞懸浮液中細(xì)胞分離方法的準(zhǔn)確性有待提高。 采用激光誘導(dǎo)向前傳遞（LIFT）方法有望解決這一問題。 廣東工業(yè)大學(xué)的Deng 等提出了一種利用環(huán)形激光誘發(fā)環(huán)形空泡的新方法。 脈沖壓力波產(chǎn)生的空泡在幾何對稱條件下相互重疊形成一個收斂的效果，可增強(qiáng)中軸線區(qū)域的壓力，從而驅(qū)動細(xì)胞分離，而側(cè)向力塊之間的交互內(nèi)外圓環(huán)空化的解決方案， 可有效地提高單細(xì)胞分離的精度。該研究采用在XFlow 軟件中的晶格玻爾茲曼模型對具有不同脈沖能量和環(huán)形形狀的環(huán)形光斑進(jìn)行了計算和模擬，通過對流場升力的分析（圖47）發(fā)現(xiàn)，在空化膨脹過程中，液體在脈沖壓力作用下可分為運動方向相反的兩部分溶液，其中一部分向內(nèi)環(huán)匯合，另一部分向外環(huán)擴(kuò)散，實現(xiàn)分離目標(biāo)物的目的，還驗證了環(huán)形激光對提高傳遞精度的可行性。

圖47 目標(biāo)物在脈沖壓力作用下的運動圖

Cassegrain 天線系統(tǒng)被應(yīng)用于衛(wèi)星和射電望遠(yuǎn)鏡等的通信模塊，其太赫茲（THz）信號傳遞用的波紋喇叭裝置具有微米級的波紋齒和縫隙寬度以及高深寬比等結(jié)構(gòu)特征， 傳統(tǒng)的電鑄加工不再適用。南京航空航天大學(xué)的Liu 等把三維波紋喇叭的制造轉(zhuǎn)化為二維切片成形， 應(yīng)用UV-LIGA 技術(shù)光刻工藝進(jìn)行分層加工，解決了THz 波紋喇叭制造的瓶頸問題（圖48）；為保證二維切片裝配的定位精度，采用超聲誘導(dǎo)微振動的方法通過三個高精度定位柱對切片進(jìn)行定位，在真空環(huán)境下通過逐步加熱加壓切片來實現(xiàn)切片間的粘合。 真空環(huán)境有效地去除了粘結(jié)層表面吸附的殘余氣體分子，降低了由于金屬氧化和空氣夾雜導(dǎo)致的不完全粘結(jié)的可能性。

圖48 制造太赫茲波紋喇叭的主要工藝步驟

6 結(jié)束語

在新興科技推動下，工程技術(shù)不斷發(fā)展，持續(xù)涌現(xiàn)的新材料、新結(jié)構(gòu)、新功能的制造需求也推動了特種加工技術(shù)進(jìn)步， 并催生了新的特種加工工藝。 在這一充滿活力的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，開放式的國際學(xué)術(shù)交流更加顯得重要。 CIRP ISEM 國際會議是從事特種加工研究、裝備制造、工程應(yīng)用的各國科技人員進(jìn)行廣泛、 深入國際交流的最好平臺， 從這次ISEM 會議上發(fā)表的論文來看， 有幾個方面明顯的趨勢：一是各國科技人員越來越重視特種加工的基礎(chǔ)研究，從工藝過程的物理、化學(xué)、材料、流體、傳熱等多視角來考察加工過程，取得了許多機(jī)理方面的新突破；二是工程應(yīng)用水平持續(xù)提升，特別是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的不斷突破，使得特種加工方法應(yīng)用到更加廣闊的領(lǐng)域；三是中國研究大軍的崛起，特別是年輕的中國學(xué)者在國際學(xué)術(shù)舞臺上漸漸成為主力軍，也預(yù)示著我國特種加工技術(shù)必將在不遠(yuǎn)的將來逐步實現(xiàn)并跑和超越。