第21 屆國際特種加工會議論文綜述

康小明，顧 琳，奚學程，張亞歐，裴景玉，趙萬生

（ 上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240 ）

第21 屆國際特種加工會議（21st CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining，ISEM XXI）2022 年6 月14 日-16 日以線上和線下相結合的方式舉行。 本次會議由瑞士蘇黎世聯邦理工學院承辦，大會主席由該校的Konrad Wegener 教授擔任。 大會共收錄102 篇來自不同國家和地區的文章， 其中來自中國 （含臺灣地區） 的文章近40篇， 約占總文章數的39%。 大會共設6 個主題報告、30 場分論壇會議，分別圍繞電火花加工（EDM）、電化學加工/電化學放電加工（ECM/ECDM）、增材制造（AM）、激光加工（LBM）、高速電弧加工（BEAM）和其他新技術等專題展開。 大會論文集由愛思唯爾（Elsevier） 公司出版并在該公司網站發表。 本文對大會發表的論文進行了綜述，希望對國內從事特種加工研究的同行有所裨益。

1 電火花加工

瑞士GF 加工方案的Umang Maradia 等作了題為 “技術推動和應用牽引實現電火花加工發展”的主題報告。 報告指出，電火花加工由材料去除率、加工精度、工件的幾何復雜性、易用性和加工成本等多方面需求驅動發展，其技術發展總是一方面由市場需求牽引，另一方面由新技術為市場需求提供解決方案。 在電火花加工技術發展的早期，創新主要集中于機械改進或通過數控技術提高加工的自動化程度和幾何精度，由于電氣部件是產生和控制放電過程的核心，近年來的電火花加工技術從半導體工業和電力電子的創新和發展中受益匪淺，技術的巨大進步使新的工業應用成為可能，數字化、機器學習和實時數據分析將塑造未來的創新和趨勢，以滿足市場對“首次正確零件”和無人化生產的需求。

德國弗勞恩霍夫協會生產與設計技術研究所的Julian Polte 作了題為“高性能高精度電火花加工機床、電極和加工過程進展”的主題報告。 報告指出，為了應對高度復雜的技術挑戰，電火花加工在加工機床、外圍系統、軟件、工具電極和替代工作液等多個方面都有了發展，研究團隊開發了一款基于開放架構、開源軟件以及通用機床組件的脈沖電源和加工控制技術的復雜干式電火花加銑削加工機床；提出采用新的沖液方法、技術和設備等，解決電火花成形加工中殘余加工屑、 氣泡及相關的拉弧、短路等問題；提出在電火花銑削加工中采用抽液來改善加工屑和氣泡的排出效果，開發了一種電加工主軸，該軸的中間可通氣體、近干式工作介質和液體工作液；對于工具電極，可在其表面開螺旋槽來改善充液效果；此外，對銅電極的表面進行熱氧化可降低無效放電的發生概率；使用新工藝和處理技術，用直徑為10 μm 的特定中間相瀝青碳纖維可加工直徑為25 μm 的孔；除了電火花加工技術的進步之外，使用一種特別適用的自然模擬算法軟件工具可實現新工藝技術的有效開發。

德國開姆尼茨工業大學的Andreas Schubert 作了題為“混粉電火花加工進展及其在表面改性中的應用前景”的主題報告。 報告指出，混粉電火花加工的研究已有幾十年，但針對其機理的研究，相關理論還存在矛盾之處；在混粉電火花加工中，工作液對于粉末在極間的分布至關重要，也影響著粉末在改性表面的沉積效果。 該論文旨在驗證混粉電火花加工過程中的單脈沖放電機理，將納米銀粉混合在碳氫基工作液中對Ti-6Al-4V 進行表面改性，分析和討論了正、負極性加工時工件的表面形貌、化學成分及沉積銀的含量和分布，記錄和分析了混粉電火花加工和常規電火花加工在不同放電能量下、有無超聲振動輔助時的電流和電壓波形。 此外，為了將基礎研究成果進行應用，該論文還采用CFD 方法計算了工作液的流場，分析了內充液時納米顆粒在極間的速度和分布。 相關研究結果表明，混粉電火花加工是一種有前景的醫療器械抗菌表面改性技術。

1.1 電火花加工機理

電火花加工過程中存在面積效應。 傳統觀點認為，面積效應與放電頻率有關，然而日本名古屋工業大學的Hayakawa 等[1]嘗試從電極表面溫度的角度去解釋面積效應產生的另外一個原因，根據加工實驗結果和溫度仿真計算結果，電極表面溫溫度越低，加工結果越好。 基于該認知，作者通過改變熱擴散條件以及增加熱容的方式，分別設計了對應實驗來降低電極表面溫度，其實驗結果印證了電極表面溫度的降低可提高加工結果的預測。

日本東京大學的Li 等[2]針對不同環境下的單脈沖電火花放電加工進行了觀測研究， 如圖1 所示，通過對干燥表面、液膜表面和液橋表面三種極間環境的研究發現：與干燥表面相比，采用液膜表面進行放電時的材料去除體積較大，其原因是液體的快速蒸發增加了極間物質徑向流動的運動速度，促使擊穿發生后有更多蝕除顆粒被拋出；當采用液橋表面進行放電時，材料去除體積隨著液橋直徑的增大反而減小，其原因是過多積聚的液體形成了運動阻力，不利于蝕除顆粒排出。 該研究還進一步闡明了不同電介質及其特性對于放電過程的影響。

圖1 三種極間環境

德國亞琛工業大學Petersen 等[3]利用高速相機拍攝放電過程，利用MATLAB 軟件對粒子進行逐幀檢測，研究了電火花加工不同牌號硬質合金過程中的加工碎屑的排出速度（圖2）。研究結果表明，隨著放電時間的延長， 顆粒的數量和投射面積都在增加； 較低的電容水平也受到較高的開路電壓的影響，從而導致較高的放電電流；粒子平均速度與電容水平呈負相關。

圖2 高速相機拍攝示意圖

1.2 電火花小孔加工

日本新潟大學的Hirao 等[4]研究了電極形狀對大深徑比（L/D＞5）電火花小孔加工的影響，提出了一種攪拌器形的電極，與圓柱形電極相比，該電極可加工的孔的深度大約提高了3.5 倍。

上海交通大學的張敏等[5]針對航空發動機渦輪葉片氣膜冷卻孔加工中氣膜孔軸線方向數字化檢測方法缺失的問題，提出了一種基于改進高斯映射算法的氣膜孔軸線測量方法，即：提出一種考慮圓柱面法線方向和點云法向量特征的高斯映射變換算法，并結合主法向量算法和平面擬合算法，解決了采樣點云數量少、 傳統方法擬合精度低的問題，實驗驗證該算法具有較高的適應性、 精度和可靠性，算法提取的軸線方向精度達到0.6304°（圖3）。

圖3 氣膜孔軸向檢測結果示意圖

1.3 電火花線切割加工

在電火花線切割加工中，電極絲溫度的升高是造成斷絲的重要原因。 電極絲溫度測量是防范斷絲必要的手段。 日本金澤大學的Koyano 等[6]提出了用帶光纖的雙色高溫計來測量加工過程中的電極絲溫度，并在加工期間用壓縮空氣吹去電極絲表面的加工液，使電極絲的紅外光被高溫計檢測到，測得的電極絲溫度在150°～200°之間。

圖4 電極絲溫度測量與分布示意圖

亞琛工業大學的Oliviera 等[7]研究了材料性能和電介質對電火花線切割工藝的影響，研究實驗表明：當不改變加工參數時，硬質合金的導熱性和導電性上升時，切割速度降低。 此外，當使用低熱導率高粘度的電介質時，切割速度達到頂峰。

日本東京大學的Sawada 等[8]通過利用電極絲位移傳感器實現參數自適應變化的電火花線切割仿真過程（圖5），并將該仿真應用于階梯形工件的粗加工，進而對仿真精度進行評估，發現仿真模擬的切口寬度和送絲速度與實際加工相比存在一定誤差，但該變化可定性地再現。

圖5 電極絲位移傳感器示意圖

為了實現電火花線切割加工過程的數字化處理，亞琛工業大學的Küpper 等[9]開發了用于評估工藝參數的數字化模型，通過記錄并處理加工數據來預測工件的幾何精度，其原理在于利用FPGA 檢測每個放電狀態是否正常，以及通過無監督機器學習方法來確保不丟失相關信息，最終獲取統計數據和加工幾何精度之間的關聯信息。

東京大學的Shibata 等[10]開發了一種結合電極絲位移和放電位置檢測的電火花線切割加工仿真系統，如圖6 所示，利用光學位移傳感器測量電極絲的位移，得到加工過程中電極絲的放電反作用力和震動阻尼系數，并通過測量放電點得到放電反作用力的施力點， 從而計算電極絲的偏轉和震動，最終得到工件的加工幾何形狀。

圖6 電火花線切割加工仿真示意圖

瑞士的Esteves 等[11]研究了電極絲直徑對單個蝕坑形狀的影響， 采用0.20、0.25、0.30 mm 三種絲徑的電極絲在不同脈沖能量下加工單個蝕坑，利用光學顯微鏡拍攝單個蝕坑的形貌并測量其尺寸，試驗結果表明：在低能量脈沖下的蝕坑尺寸較小且形狀更為圓滑；在高能量脈沖下的蝕坑形狀主要受電極絲直徑影響，絲徑越小，蝕坑越細長。

上海交通大學的谷文婷等[12]研究了電火花線切割加工過程中的放電反作用力的形成機理以及與氣泡之間的關系，采用高速攝像機從側方和后方觀測放電過程，并基于觀測視頻和圖像分析了氣泡的變形等運動現象，還通過霍普金森棒測試系統測量了單次放電中反作用力的峰值（圖7）。結果表明，反作用力的波形隨著氣泡的運動呈現復雜的振動，其峰值達幾個N，并且與開路電壓成正比。

圖7 霍普金森棒反作用力測試系統

西班牙巴斯克大學的Wang 等[13]在不同加工條件下研究了放電延遲時間的變化規律，在一系列電火花線切割單次放電試驗中改變各項加工參數，比較了放電延遲時間的平均值。 試驗結果表明，隨著放電間隙寬度和沖液壓力的增大，放電延遲時間增加；加工表面越平滑，放電延遲時間越長且放電越不易發生。

日本岡山大學的Liu 等[14]研究了工作液黏度對電火花線切割加工特性的影響，通過開展的直線切割試驗發現，單個蝕坑體積和材料蝕除率隨著電加工油黏度的增大而增大（圖8）；通過開展的工作液黏度對加工精度影響的試驗發現，隨著工作液黏度的提升， 放電過程中作用于電極絲的流體力增大，使電極絲的偏轉增加、振動降低，并且電極絲偏轉的增加會降低工件的角形狀精度，電極絲振動的降低會改善工件的表面精度。

圖8 激光掃描顯微鏡拍攝的單個蝕坑形貌圖

1.4 電火花成形加工

上海交通大學的孫延鑫等[15]提出一種空間直線伺服軌跡的工具電極空間搖動方法（圖9），基于螺旋理論推導工具電極空間搖動運動學公式，計算得到插補周期內各個運動軸的坐標增量，進而控制多軸聯動機床實現工具電極的空間搖動，還研究了搖動半徑、搖動速度等空間搖動參數對多軸聯動電火花成形加工的影響。 結果表明，提高空間搖動半徑和速度可將加工效率分別提高51.62%和50.44%。

圖9 工具電極空間搖動示意圖

正常的電火花放電脈沖含有高頻信號，而電弧脈沖則不存在。 為了提高加工效率，哈爾濱工業大學的趙一錦等[16]提出在脈沖電源發出的長方形脈沖波形之上主動疊加高頻震蕩的方法。 實驗表明，與傳統電源相比，帶有主動高頻震蕩的脈沖電源可在不影響表面粗糙度的條件下提高加工效率。

為提高電火花加工的表面質量，通常采取的措施是降低單個脈沖的放電能量。 而北京建筑大學的穆鑫等[17]認為，即使放電能量較小，連續單通道放電產生的蝕坑在微觀上仍是分散的，這種有一定深度且不均勻分布的蝕坑不利于表面質量的提高。 為此，該團隊提出了一種“多通道放電”方法，即通過伺服參考電壓合理控制放電間隙，使極間長期處于過渡電弧放電狀態， 從而促進多通道放電的形成。實驗結果表明，與常規的放電方法相比，加工效率提升了3.5 倍， 但多通道放電的機理和可控性仍需進一步研究。

電火花加工的工藝參數對加工效率和質量有顯著影響，而目前這些參數的選取大多依靠操作者的實際經驗。 為優選工藝參數、減少人工經驗依賴，瑞士GF 加工方案的Dr?ajic 等[18]研發了一種具備自學習和遷移學習功能的“虛擬操作者”系統，利用貝葉斯算法建立系統優化模型，可模擬實際的電火花加工過程并根據多次迭代確定出最優的參數組合。該系統已被證明在線切割粗加工速度優化、提高加工效率等方面表現出較好的性能，其原理可進一步應用于其他電火花加工過程中。

LC 脈沖電源能在極低電壓輸入條件下產生高開路電壓和持續時間短的高脈沖電流，能提高電火花的加工效率。 東京大學的Jiang 等[19]研究了LC 脈沖電源在不同放電參數條件下的工件粗糙度、孔的圓柱度、電極損耗率和材料去除率情況。 結果表明：隨著電感和電容的增加，間隙開啟電壓持續時間增加，電壓值降低。 放電電流持續時間隨電感增加而增加。 與RC 脈沖電源相比，LC 脈沖電源加工表面粗糙度值更大，電極損耗率更高，但是能獲得更高的材料去除率，孔的圓柱度也有明顯提升。

1.5 微細電火花加工

哈爾濱工業大學的劉歡等[20]針對微孔陣列加工中對加工精度的要求，對電極磨損和間隙有效放電能量的特性展開了研究，通過優化脈沖參數、電極偏心半徑減少了電極的磨損，通過研究電極的幾何演化規律建立了基于均勻補償的電極磨損模型，實驗表明電極尖端形貌區域穩定，可均勻補償電極的軸向磨損（圖10）；同時，建立了基于LabVIEW 的間隙有效放電能量檢測系統，通過微孔陣列加工實驗得到了間隙有效放電能量的變化規律。

圖10 精密微型電火花加工實驗系統配置

在微細電火花加工中，為了實現高效而穩定的加工，伺服系統需感知當前的放電狀態。 哈爾濱工業大學的解為然等[21]提出一種基于小波變換的微細電火花放電狀態檢測方法，在使用低頻小波系數分析電火花放電狀態時發現，局部最大值可反映電火花放電的各種狀態（圖11a），該值從大到小依次為開路D、放電C、拉弧B、短路A，可通過設定不同的區域范圍值來對放電狀態進行分類。 然而，僅采用低頻小波系數難以區分拉弧與放電延遲很小的正常放電，作者就此提出采用高頻小波系數局部最小值來區分二者（圖11b）。 在低頻小波系數與高頻小波系數相結合的小波變換基礎上，作者還通過FPGA 實現對電火花放電狀態的高速在線檢測， 并應用于實際加工之后獲得了更高的加工效率和更好的加工穩定性。

圖11 基于小波變換的微細電火花放電狀態檢測方法

針對微細電火花電極損耗大、微細電極制作困難的問題，大連大學的王元剛等[22]提出了一種分段式電火花加工電極的方法來制造大長徑比的微細電極（圖12）。采用該方法，用時83 min，可加工出底部邊長為46 μm、長度為1 773 μm、表面粗糙度為Ra0.493 μm、 側壁邊長偏差率為0.004 5 的方形電極。采用該電極，可加工出長度為1 200 μm、寬度為85 μm、深度為35 μm 的微通道。

圖12 分段式電火花加工電極的原理

比利時魯汶大學的Ye 等[23]針對NbC-Ni 基金屬陶瓷的微細電火花銑削型腔加工，采用經驗和統計研究相結合的方法確定了該材料的合適加工窗口，通過實證研究對加工表面進行了微觀結構分析和表面形貌表征，識別出微結構特征，如微裂紋、微空洞和微珠， 確定了材料的去除模式為熔化/蒸發；在統計研究時，根據二次模型的方差分析，構建了MRR 和TWR 的相關函數并優化參數；還分析了火花頻率、短路頻率和進給速度等過程參數（圖13），跟蹤加工狀態，以便在必須采取干預措施時進行加工調整。 目前， 該研究得到的最大MRR 值約為0.09 mm3/min、最小TWR 值約為0.05 mm3/min。

圖13 加工過程狀態跟蹤

針對微細電火花加工中放電集中導致的表面質量問題，哈爾濱工業大學的侯少杰等[24]從放電坑微觀形成角度，提出一個衡量加工表面質量的新指標：放電坑重疊率（overlap rate of discharge crater，ORC）。 當放電狀態良好時，放電波形以正常放電為主，放電坑之間彼此不重疊，最終得到的表面質量佳（圖14a）；當放電以拉弧和開路為主時，放電坑彼此重疊，最終得到的加工表面質量也較差（圖14b）。該作者團隊還進一步采用了正交試驗證明了ORC與表面粗糙度之間的正相關性。

圖14 放電坑重疊率與放電狀態[24]

%為了探究這種放電沖擊的大小和影響因素，上海交通大學的裴景玉等[25]提出了一種基于低剛度懸臂梁振動的電火花放電沖擊測量方法（圖15），選取6 個能級并在每個能級組合6 種電參數， 開展了氣中放電沖擊的測量實驗，對振動波形進行頻域低通濾波后，經數據分析整理得到了不同能級下的振動幅度圖譜，通過分析其規律發現，放電能量與振幅正相關，但影響有限，而同一能級條件下電流和脈寬對振幅無規律性影響。 此外，該實驗的過程中出現兩種非正常沖擊，一種是電極粘附，另一種是多次放電，均會導致振幅增加。

2 電化學加工/電化學放電加工

英國諾丁漢大學的Adam Clare 等作了題為“電解液射流—— 一種加工與測量的工具” 的主題報告。 提出電解液射流不僅可進行材料的去除和沉積，還可對工件表面做在線測量，相關研究是通過噴嘴在平行于及垂直于進給方向的擺動、噴嘴端面形狀設計、工作液中添加20%NaI 等方式，探索了電解液射流加工性能提升的組合條件；根據噴嘴與工件之間的極間電阻變化， 對工件進行坐標測量；結合傳統的表面紋理計量，對工件的晶體紋理進行了評估。

魯汶大學的Arshad 等[26]研究了電解加工和納秒脈沖激光輔助電解加工 （laser-assisted electrochemical machining，LAECM） 過程中的碳化鈮NbC金屬陶瓷加工特性（圖16）。 采用線性掃描伏安法（LSV）和溝槽加工的結果表明，加入碳化鎢（WC）對鈍化層的穩定性有顯著影響；通過采集加工電流和表征溝槽剖面，進一步分析了NbC 溶解特性和鈍化特性。 結果發現，與電解加工相比，LAECM 的雜散點蝕可忽略不計，并使加工溝槽寬度減少了7%；在激光輔助下， 溝槽深度顯著增加， 無WC 時增加14%，加入WC 時增加16%。

圖16 NbC 加工裝置示意圖

亞琛工業大學的Tchoupe 等[27]研究采用PECM加工參數來區分不同加工過程，所制定的參數可用于監測工作間隙中的沖洗狀態（圖17），分析不同電解液壓力條件下、PECM 加工過程中的脈沖電流。結果表明， 電解質壓力變化影響電流信號的波形；該數據驅動模型能明顯區分在特定閾值以下的加工過程，并可從電信號推斷沖液的質量。

圖17 數據挖掘方法和過程特征參數的制定

亞琛工業大學的Sous 等[28]采用電解線切割加工（WECM）方法對厚度5 mm 的鎳基IN718 合金工件進行曲線切割（圖18），研究了不同工藝參數和絲直徑對90°切割時的最小切割半徑的影響。 結果表明，盡管電場集中于尖銳邊緣，但內邊緣的半徑始終小于外邊緣的；低進給速度對可實現的最小切削半徑有影響；在90°切削刃處，工作電壓與切削半徑之間存在線性關系。

圖18 WECM 測試臺特寫視圖

亞琛工業大學的Heidemanns 等[29]研究了用于PECM 工藝熱成像分析的夾具， 能捕獲加工過程中電解液通道內的條件， 有利于深入理解加工過程，還使用紅外攝像機記錄了藍寶石晶體電解液通道中的溫度分布（圖19）。 結果表明，對流是傳熱的主要因素；在脈寬期間，一定的熱量會存儲于電極中，可防止這期間的電解液溫度達到入口溫度。

圖19 夾具和溫度示意圖

魯汶大學的Wu 等[30]基于機器學習方法提出了線性回歸（LR）、神經網絡（NN）和卷積神經網絡（CNN）三種數據驅動的ECM 模型，用于預測脈沖ECM 的最終工件加工輪廓（圖20），對訓練參數窗口之外的參數進行了實驗， 表明了數據驅動ECM模型的性能和通用性，得出機器學習模型具有良好的泛化能力以及CNN 模型的預測均方誤差（MSE）為7.60 的結論。

圖20 模型示意圖

魯汶大學的Saxena 等[31]提出了一種由多物理場模擬實現的“虛擬傳感”方法，并使用Comsol 軟件開發了微電解加工和激光輔助微電解加工的多物理場模型。 該模型能模擬如溫度依賴性、電解質特性、氫氣和氧氣的產生、焦耳熱和激光加熱產生的熱量、層流流動和電流等現象，并且能對加工間隙內部的5 個不同位置如工件表面、工具表面、加工間隙中心、加工間隙出口和指定位置進行評估。

利用飛秒激光或皮秒激光照射材料表面，可以自組織地制備精細的納米級周期結構。 然而，除了創建納米結構之外，很難對表面進行修飾，因為激光照射通常在接近加工閾值的低能量大氣中進行。為了提高加工效率， 東京農工大學的Kodama 等[32]提出了電解液超短脈沖激光燒蝕技術，闡明了激光燒蝕在金屬溶液中的金屬沉積現象，在制造納米結構的同時實現對表面成分的控制, 通過飛秒激光照射硫酸銅溶液中的基板表面，研究了納米結構的制備和銅顆粒的沉積情況（圖21）。

圖21 實驗裝置[32]

東京農工大學的Natsu 等[33]利用ECM 方法將工具形狀轉移至預鉆孔中，以此來加工具有復雜內部特征的微孔。 實驗時，將錐形電極插入工件的預鉆孔，然后在電極與工件之間施加電壓，并利用高分辨率攝像機觀察電極間區的電解質流動、氣泡產生和材料溶解情況。 實驗發現，可將工具電極的形狀復制到工件預制孔中；電解液經極間區域被壓縮時，氣泡聚集在電解液出口處（圖22），這種氣泡的聚集對材料去除量有重要影響。

圖22 高速相機拍攝的電極間區域

美國辛辛那提大學的Kale 等[34]使用卷積神經網絡（CNN）來定義電化學放電加工（ECDM）高速視頻中的火花放電過程。 研究認為，火花的識別可潛在地提高ECDM 中材料去除的預測準確度，CNN 模型基于圖像識別，其學習模型是一個9 層的卷積神經網絡，按順序生成火花存在的時間序列。 該模型使用5 285 個樣本進行訓練、 使用1 321 個樣本進行測試，其訓練、測試準確率達到97%（圖23）。

圖23 訓練和測試準確度

廣東工業大學的張清榮等[35]研究了WC 材料的雙極脈沖電解加工方法，設計了與工具電極同軸放置的輔助電極，以避免工具電極在負脈沖時的電極損耗。 如圖24 所示，在正脈沖加工期間，電流流經工件（碳化鎢）、電解液和工具電極，形成電解加工回路， 工件材料被溶解并在工件表面形成氧化鎢；在負脈沖加工期間， 輔助電極與工件形成回路，導致工件表面生成氫氣，從而弱化了層鈍化在工件表面的附著，并提高了電解液pH 值，促進工件表面氧化鎢的溶解。 實驗時，工具電極與輔助電極通過絕緣層進行電隔離，以防止相互導電。 此外，研制新型雙極納秒脈沖電源對碳化鎢進行雙極脈沖加工，提高了電化學溶解的溶解效率，并成功加工出微孔。

圖24 無磨損WC 雙極脈沖電解加工的示意圖

上海交通大學的王鋒等[36]研究了一種針對激光輔助電化學加工的金屬毛細管內壁化學拋光技術。為了減少激光在管電極中的傳輸損失，提高加工耦合效率，通過探究氧化劑過硫酸鉀濃度、絡合劑乳酸濃度、泵流量、pH 值、拋光液溫度以及拋光時間六個因素對金屬毛細管內壁表面粗糙度的影響，得出室溫條件下的最佳拋光參數為過硫酸鉀0.15%、乳酸0.15%、泵流量120 mL/min、pH 值2.0、化學拋光反應時間為150 s，可使表面粗糙度由Ra2.26 μm降低到Ra0.31 μm。此外，通過試驗驗證了拋光后的毛細管能降低激光在輔助管電極電解加工過程中的傳輸損耗，可有效提高激光輔助電化學加工材料去除率，改善表面質量。

日本關東學院大學的Matsuzawa 等[37]通過特定的電子冷卻元件將中性電解液硝酸鈉溶液在管道中凍結10 s，研究了冷凍電解液密封在電極中的水平和垂直電化學加工技術，并探索利用該器件原理將電解液冷卻至冰點以下的可能，但目前還沒有循環電解質路徑， 無法將電解液密封在工具電極中，將考慮利用真空吸附方式通過工具電極內外壓力差進行電解液密封在電極中的循環。

南京航空航天大學的王晴晴等[38]研究了電化學銑削中矩形陰極結構的優化， 提出了矩形陰極、圓角矩形陰極和角矩形陰極三種不同邊緣結構的陰極（圖25），并采用仿真模擬分析了不銹鋼316 工件的流場，還通過實驗驗證其加工表面粗糙度。 結果顯示，相較于矩形陰極和圓角矩形陰極，角矩形陰極的加工表面更光亮、表面粗糙度值最低，并且加工表面在不同位置的表面粗糙度差異不顯著，有較好的加工穩定性。

圖25 三種不同的陰極結構

3 增材制造

德國亞琛增材制造中心的Johannes Henrich Schleifenbaum 作了題為“快速合金開發”的大會主題報告。 激光粉末床熔合是一種典型的增材制造方法，具有熔池尺寸小、冷卻速度快的特點。 增材制造與傳統的加工方法區別巨大，為傳統加工方法開發的合金并不適合于增材制造，目前僅有少數高強合金如Scalmalloy 可專門用于增材制造。 開發新合金，耗時費資且不能保證成功。 由于無其他加工方法可重現激光粉末床熔合的獨特加工條件，故為增材制造開發專用合金更加困難。 報告認為，快速合金開發（rapid alloy development，RAD）是一種可能應對上述挑戰的方法，集成計算材料工程采用預期相的熱力學模擬和凝固模擬， 可進一步了解微觀結構（如晶胞尺寸、枝晶間距）和由此產生的特性；對于有前景的合金，再進一步通過增材制造來開展實驗測試； 通常先將多種元素或預合金粉末進行干混合，再使用定制預合金粉末進行最終的合金表征。

蘇黎世聯邦理工學院的Markus Bambach 在題為“AM+X：增材制造與基于模具制造技術組合加工方法的前景”的主題報告中指出，與基于模具制造工藝相比，增材制造可加工個性化、輕量化、復雜結構的零件。 但由于增材制造的成本相當高，不僅在小批量和一次性生產中的成本高、 交付周期長，同樣在大尺寸零件或大批量生產中也表現昂貴，其工業應用相對緩慢。 因此，人們預想增材制造與基于模具的制造技術（如成形、鑄造）的組合比單純增材制造更有優勢。 該報告概述了模具金屬成形和無模增材制造組合工藝（AM）的最新發展，重點分析了兩種類型的工藝鏈：①一是在對AM 制作的預制件進行模鍛成形時發現，其峰值應力相較于常規直接模鍛的更小， 增材制造預制件模鍛后的孔隙率更小、晶粒細小且均勻；②二是通過模具成形制造預制件，通過定向能量沉積制造復雜零件特征，并以航空航天鈦零件為例說明了“AM+X”工藝在成本和零件性能方面優于單純的增材制造。

蘇黎世聯邦理工學院的Weber 等[39]將激光粉末熔融（LPBF）工藝應用于壓電堆制造，可利用熱收縮直接對零件施加預應力， 而無需額外的加載元件，此外還提出了一種壓力、電壓和溫度的原位測量的方法，有助于了解加工過程中作用在壓電堆上的復雜應力狀態。

魯汶大學的Goos 等[40]提出一種將氣溶膠噴射打?。ˋJP）和絲網印刷技術相結合的加工方法，可在任意形狀的聚酰胺（PA）基材上沉積壓阻式壓電傳感器（圖26），通過氣溶膠噴涂打印將銀墨水沉積在PA 基材上， 而后采用絲網印刷技術將壓電材料涂抹在銀墨水上。 經實驗驗證，采用該方法制造的壓阻式壓電傳感器產生了典型的壓阻特性，即傳感器的電阻隨著施加壓力的增大而減小。

圖26 壓阻式壓電傳感器結構示意圖

激光粉末床熔化（LPBF）產生的枝晶組織會在正交切割時產生各向異性特性。 如圖27 所示，為了研究枝晶取向對切削過程的影響，德國機床研究所Maucher 等[41]定義了堆疊角α（切割向量和堆疊方向之間的角度）和β（垂直于切割向量的向量與堆疊積方向之間的角度），通過正交切割實驗發現：不同堆疊角的切削力、振動、切屑和表面完整性都存在明顯差異，證實了材料的各向異性特性，建立了切削力和堆疊角的多項式回歸模型，并且該模型可根據堆疊角預測可能產生的切削力和切屑體積。

圖27 堆疊方向和切割方向相關角度定義示意圖

蘇黎世聯邦理工學院的Dey 等[42]觀測了不同冷卻速率和初始晶粒尺寸條件下的晶粒形態，采用耦合元胞自動機模型（CA）模擬了激光焊縫凝固過程中晶粒變化的微觀過程，通過仿真得到了不同冷卻速率時的單晶尺寸和熔池邊界的枝晶結構（圖28），總結出初始晶粒尺寸和枝晶間距的線性關系。 該論文還通過實驗對熔池形狀進行了仿真，但由于受限于模型，仿真的晶粒尺寸存在誤差。

圖28 不同初始晶粒尺寸時的微觀結構模擬圖

瑞士東部應用科學大學的Rabiey 等[43]搭建了激光增材加工平臺，通過使用超聲輔助加工減少激光金屬增材技術（LMD）中存在的氣孔和微裂紋等缺陷；設計了DOE 實驗，對比了超聲輔助加工和普通加工的沉積質量。 結果表明：超聲輔助可提高粉末的利用效率；超聲輔助加工可細化晶粒、有效減少氣孔和微裂紋，但不能增加材料的抗拉強度和硬度（圖29）。

圖29 LMD 晶粒結構的掃描電鏡圖

在增材制造的新工藝方面， 德國Foerster 等[44]設計了基于光電攝影原理（EP）的新工藝，可利用激光束（PBF-LB/M）制備大量尺寸均勻的金屬粒子，并在光電攝影法的基礎上，推導了沉積力，建立了預測增材過程中厚度和增材層數的模型（圖30），搭建了粉末增材的試驗臺， 測試了增材過程中的厚度，驗證了增材模型，證明了通過單層增材可形成多層沉淀，即證明了增材制造工藝的可轉移性。

圖30 電荷分布的原理系統建模

激光金屬增材（LMD）可以控制能量輸入，有效控制零件變形， 但由于鋁材料自身反射率較大，不易進行LMD 加工。 為此，西班牙的Madarieta[45]采用線沉積的方法在5083 鋁襯底上沉積鋁線（圖31），可在不預熱的情況下進行高速增材，為制造復雜零件增加多向性，并實驗探究了工藝參數對加工速度和加工質量的影響。 結果表明，使用該方法制造零件，最大沉積速率為0.7 kg/h、孔隙率小于0.04%。

圖31 激光金屬沉積制造的鋁工件

無掩膜局部電沉積增材的速度和加工質量由單層沉積的層高和層寬決定。 為了得到無掩膜局部電沉積的層高和層寬，大連大學的于昇元等[46]采用單一變量法和正交實驗法研究了極間電壓、電極掃描速率、極間間隙和脈沖占空比等主要工藝參數對層高的影響。 結果表明：電極掃描速率和電壓對層高的影響較大，占空比的影響較??；電壓和掃描速率對層寬的影響較大，極間間距過小會導致增材失效。經正交實驗得到最優參數，此時層高1.8 μm，加工效率較高、表面形貌較好。

再來看增材制造的性能改善方面的研究。 定向金屬沉積（DMD）是一種將金屬粉末與定向移動的激光束融合來加工零件的增材制造技術，但激光能量和金屬粉末密度在加工路徑曲率較小的位置會發生變化，從而造成局部位置過度沉積。 為了解決這一問題，瑞士機床與制造研究所的Daniel 等[47]采集了包含不同曲率和幾何形狀的激光工作路徑、基于人工神經網絡建立的具有25 層神經元的預測模型（圖32），通過模型優化得到的均方根誤差基本小于金屬粉末的直徑，可預測和調節定向金屬沉積時的高度。

圖32 具有隱藏層和損失函數的神經網絡示意圖

日本岡山大學的Kobayashi 等[48]提出采用噴砂和大面積電子輻照相結合的方法來改善鈦合金增材制造的表面質量， 首先對材料表面做噴砂處理，在一定程度上減小初始較大的表面粗糙度值并改變表面形貌，然后對噴砂表面做大面積電子輻照并快速熔化冷卻加工表面。 研究發現，在噴砂表面進行電子輻照，可顯著降低表面粗糙度值，且經電子輻照后的表面粗糙度與硼砂表面形貌有關。

南非斯坦陵布什大學的Kirkman 等[49]建立了連續纖維增材制造和自由成型相結合的系統（圖33）。該系統可實現用五軸機械臂制造任意形狀的玻璃纖維聚合物，還可指定噴嘴姿態和刀具軌跡生成方法。 該團隊還通過實驗探究了噴嘴直徑、激光強度和位置對幾何精度和空隙率的影響，并在最優工藝參數條件下采用該系統制造出纖維體積分數大于30%、空隙小于1%的玻璃纖維聚合物。

圖33 連續纖維自由成形系統

4 激光加工

針對傳統納米制造工藝成本高、耗時長，以及電子束光刻等工藝維護成本較高、生產環境嚴苛的問題，阿聯酋阿布扎比哈利法大學的Haider 等[50]提出了一種依賴單脈沖全息直接激光干涉圖形化方法（DLIP）的直接激光燒蝕系統，在全息Denisyuk 反射模式消融裝置中使用了Nd：YAG 激光器， 以黑色、紅色、藍色和棕色四種類型的墨水為納米結構的生產介質， 并對四種納米結構進行了光譜分析，還采用了以脈沖激光干涉方式制造一維和二維納米圖案的激光燒蝕工藝（圖34），實現了商用隱形眼鏡表面的二維納米結構的低成本生產。 該二維納米結構可用于眼部疾病檢測等，并且適用于各種材料制成的薄膜。

圖34 以脈沖激光干涉方式制造一維和二維納米圖案的激光燒蝕工藝示意圖

文獻[50] 還提出一個基于激光的直接消融系統，依靠DLIP 能產生低成本、時間花費不多的納米結構。 全息激光燒蝕工藝方法在平面和商業隱形眼鏡制造中展示了二維納米粒子幾何結構的多功能性。 該方法能在完全獨立于材料的情況下使多種材料制成的薄膜圖案化。 研究結果顯示，收縮鏡片上的全息納米結構可用來感知眼壓和淚液中的離子濃度等參數；隱形眼鏡上的納米顆粒也可用于其他眼部疾病的早期檢測。

英國拉夫堡大學的Manuela 等[51]采用了波長為1 064 nm 的納秒級光纖激光器，提出兩種具有不同微結構的氮化硼材料（CBN 含量分別為50%、90%）的多晶表面工程，以實現功能化的機械性能，并促使特定等級的材料能適用于各種機械加工。 該團隊采用三維白光干涉法、掃描電鏡和顯微硬度測量相結合的方法，研究了材料對不同流量、進給速度和脈沖持續時間的響應情況。 研究發現，激光表面處理可提高PCBN 合金的硬度和粗糙度；激光進給速度和波形對材料的微觀結構有特殊影響，使材料的化學和力學性發生局部變化；提高硬度可能更有利于其他材料在機械加工淬硬鋼和汽車以及航空航天工業中的應用。 然而該研究也發現，表面微裂紋的形成和擴展可能會抑制表面的完整性，因為這些微裂紋可能會導致切削刃過早地碎裂。

氧化鋯-氧化鋁復合材料具有優異的機械性能和生物相容性，是生物植入的理想材料，但同時具有高脆性和高硬度， 難以采用傳統方法進行加工。魯汶大學的Han 等[52]針對四種氧化鋁含量的陶瓷進行了單脈沖點加工和槽加工實驗，研究了氧化鋁含量對納米脈沖激光微加工氧化鋯-氧化鋁復合材料性能的影響（圖35）。 結果發現，相比于80%氧化鋁和100%氧化鋁， 氧化鋯和20%氧化鋁在相對較低的激光能量輸入條件（PRR 為100 kHz、脈沖寬度為3 ns、掃描速度為100 mm/30 min）時，其MRR 明顯更高，在較高激光能量輸入條件下更易發生熱開裂；相比于長脈沖激光加工，短激光脈沖（3 ns）加工時，激光斑點形態受材料微觀結構不均勻性影響的程度更大。在該論文中，Han 等還通過改變氧化鋁含量， 研究了不同材料組成對氧化鋯-氧化鋁復合材料的納秒脈沖激光微加工性能的影響。

圖35 納秒激光微加工實驗

魯汶大學的Levichev 等[53]采用基于人工神經網絡的圖像粗糙度量化方法來測量激光切割零件的表面，通過使用一種需較少訓練數據的算法對不銹鋼、 低碳鋼和鋁的激光切割后粗糙度進行了測量。按照目前的標準，激光切割邊緣的粗糙度能被充分估計并進行質量分級。 相比于傳統的基于接觸的輪廓測量方法，該方法的測量速度更快、環境要求更低，能布置于相對較差的環境中，并滿足實時性測量需求。

瑞士西北應用科技大學的Chays 等[54]通過將光學測量系統耦合于激光紋理機床的加工頭來實現對加工區域的尺寸測量。 該方法能代替傳統的手動零件尺寸校核過程。 測量系統采用激光相干層析成像（OCT）方法，制造出的樣機能實現5 μm 的分辨率。 該方法能進行反饋，后續可將測量結果發送至機床系統，以實現對加工過程的實時調整。

埃爾朗根-紐倫堡大學的Wittmann 等[55]研究采用激光在不銹鋼基體上生成聚醚醚酮 （PEEK）涂層，首次使用波長為1.94 μm 的摻銩光纖激光器固化沉積了PEEK 粉末，并研究了單層、雙層和三層PEEK 涂層的固結性能。研究表明，為了增強不銹鋼基體的潤濕性能，要生成致密的涂層，其重要的前提條件是基體加熱。

魯汶大學的Nagarajan 等[56]采用飛秒激光處理技術對碳化鎢-鈷合金表面的鈷粘結劑進行了選擇性去除，通過飛秒激光加工制備了點、線、面三種不同形貌，研究了脈沖能量、脈沖次數、掃描速度等工藝參數對顯微組織的影響；通過使用優化的加工參數（3.8 μJ、600 mm/s），能在碳化鎢晶粒形貌變化和熱影響最小的情況下實現對鈷相的選擇性去除。

5 高速電弧加工和其他新技術

上海交通大學的楊逸飛等[57]研究了高速電弧放電加工對于γ-TiAl 材料的加工工藝特性。當開路電壓為140 V、加工深度為4 mm、電極直徑為20 mm時，最大材料去除率可達4 484.9 mm3/min、電極損耗率為2.74%、表面粗糙度值為74.14 μm；材料去除率受加工深度的影響最大，電極損耗率與電極直徑強烈相關，這三種加工參數都對表面粗糙度影響較大；電弧加工后的材料，存在厚度不到50 μm 的重鑄層和約400 μm 的殘余應力影響層， 由此可見高速電弧放電加工對于γ-TiAl 這種難加工材料具有可觀的加工潛力。

上海交通大學的李柯林等[58]深入研究了TiAl和Ti-6Al-4V 材料在高速電弧放電加工后的殘余應力。 與傳統切削加工產生的壓應力相反，電弧加工后的材料因為高溫后快速冷卻，在表面產生了較大的拉應力。 TiAl 的最大殘余應力出現在100 μm深度位置，這是因為更大、更深的表面裂紋會釋放部分內應力。 由于TiAl 的抗拉強度較小，其殘余應力最大值（586 MPa）相比于Ti-6Al-4V 位于表面的最大值（679 MPa）要小。 該研究還給出了兩種材料的推薦加工余量，分別是800 μm 和700 μm。

中國石油大學（華東）的武鑫磊等[59]研究了不同電介質流體對電火花輔助電弧加工的影響。 試驗裝置的內沖流體均為去離子水，外沖流體分別為去離子水、氧氣、空氣、氮氣和氬氣。 試驗通過仿真模型預測氣泡的加入可縮短放電擊穿時間。 試驗表明：外沖氣體可有效提高A286 高溫合金的加工效率，其中氧氣的提升效果最佳，這是因為氧氣可幫助形成不導電的氧化層，防止短路并提高放電率；氬氣的提升效果最弱， 這是因為高能脈沖能電離氬氣，從而分散了放電能量導致加工效率降低；流體流量的升高可幫助沖刷加工屑，從而提高效率并降低電極損耗率，由此進一步驗證了外沖氣體對加工效果的提升作用。

作為電化學拋光（EP）的替代工藝，等離子電解拋光（PEP）越來越受到關注。 然而，傳統的浸入式PEP 方法會導致浸沒深度方向上出現不均勻拋光，且該方法無法處理復雜形狀的工件。 為解決這一問題并加強對金屬工件局部拋光效果的控制，伯爾尼應用科技大學的Küenzi 等[60]研究并分析了等離子電解液射流技術在實際拋光過程中的可行性，實驗結果表明：射流PEP 加工的中心區域拋光速率可達到200 nm/s， 并且中心區域的表面粗糙度可降至Sa0.2 μm 以下。 與浸入式PEP 方法相比，射流PEP方法通過掃描工件表面的方式可實現更高精度的拋光控制，并且拋光速度是前者的6 倍。

磨粒水射流（AWJ）是加工不同韌性材料的強有力工具。 為了理解磨粒水射流的加工機理，亞琛工業大學的Dadgar 等[61]考慮了不同磨料顆粒的形狀、大小、 物理特征的差異以及初始速度和沖擊角，分析了單個磨粒對42CrMo4 材料產生的改性影響。 研究發現，與垂直沖擊角時的情況相比，采用較平坦的沖擊角會導致較低的球形度且球形度會隨著粒子速度的增加而降低；采用垂直沖擊角并不一定會產生更高的凹坑深度和寬度，而凹坑的尺寸與磨粒和工件的硬度有關；采用垂直沖擊角更易產生材料對稱堆積的現象，而采用更加平坦的沖擊角，則會導致凹痕入口側和出口側的材料堆積差異較大。

東京農工大學的Daihai MI 等[62]提出并構建了一種基于流體有限元分析和粒子示蹤分析的耦合仿真模型， 用于解釋在ECM 實驗中使用細長電解液流道時產生連續突起的現象。 仿真結果表明，在壁面升力垂直分量的作用下，碎屑顆粒沿著流道集中在通道壁的下游兩側附近；碎屑平衡位置與最近壁面的距離約為流道寬度的0.2 倍， 這與實驗測量的連續突起的位置重合。 這項工作還對ECM 過程中在狹窄流充道壁附近產生的連續突起給出了新的解釋，未來可用于尋找更好的加工條件，以提高加工表面的表面質量。

電子束拋光技術（EBP）是一種通過大面積電子束（EB）照射工件表面來達到預期光整效果的新型表面精整技術。但在使用EB 拋光孔壁和底面時，由于電子束集中于孔的入口邊緣或內壁上部，拋光效果不盡人意。 為此，岡山大學的Shinonaga 等[63]通過仿真和實驗，研究了不同的磁場控制策略，通過水平偏置磁鐵、增設磁軛，成功地將電子束引導至由不銹鋼板組成的L 形工件的內側面，并在該內側面獲得了均勻的磁力線分布。 實驗結果表明，磁約束電子束拋光可在工件內側面獲得表面粗糙度小于Rz1.5 μm 的平滑區域。該研究可作為磁約束電子束拋光技術在孔壁表面拋光領域應用的技術驗證。

大氣等離子噴涂（APS）是一種廣泛使用的熱噴涂工藝。 由于影響涂層特性的因素眾多，即使采用相同的工藝參數，得到的涂層的特性也存在很大差異。 蘇黎世機床制造研究所的Hudomalj 等[64]從厚度、孔隙率、顯微硬度和沉積效率四個方面，研究了粒度分布（PSD）寬度對涂層特性可重復性的影響。在保證其他工藝參數相同的前提下，實驗使用兩組不同PSD 寬度但具有相同平均粒度的粉末對尺寸為30 mm×60 mm×3 mm 的鋼樣品進行噴涂。結果表明，窄帶PSD 可改善噴涂質量并提高涂層特性的可重復性，究其原因，窄帶PSD 的情況下，粉末在送粉過程不易發生偏折，粉末進料也更加均勻。 此外，窄帶PSD 還可最大限度地減少其他工藝參數變化對涂層的影響。

Roll-to-roll（R2R）納米制造工藝在柔性電子制造中發揮了至關重要的作用，然而在納米尺度制造方面經常受到高噪聲水平和大延遲測量等因素的制約。美國德州大學奧斯汀分校的Graff 等[65]將R2R濺射沉積過程簡化為以功率為輸入、以沉積膜厚度為輸出的單輸入、單輸出物理系統（圖36），由光譜儀測量結果和控制算法推算得出沉積的SiO2薄膜的厚度。

圖36 R2R 沉積過程示意圖

無掩模局部電沉積技術是一種電化學沉積與增材制造相結合的新技術。 大連大學的肖雨晴等[66]研究了不同電壓和占空比條件下，利用無掩模局部電沉積技術制備微鎳柱的生長機理，分析了微鎳柱的微觀形貌；通過比較體積沉積速率，分析了電壓和占空比對微鎳柱的影響（圖37）。 結果表明：在低電壓/小占空比（4.2 V/0.3）條件下，微鎳柱的沉積速率小、直徑小且晶粒均勻、細??；在高電壓/大占空比（4.8 V/0.7）條件下，微鎳柱的沉積速率大、直徑較大且晶粒形狀不規則；當電壓為4.8 V、占空比為0.5時，微鎳柱的沉積速率最高，為13 608.69 μm3/s。根據高電壓、小占空比條件下的微鎳柱表面形態及其橫截面微觀結構，該研究將微鎳柱的沉積過程分為三個階段，即：初始沉積階段的逐層沉積、中間階段的累積沉積和最后階段的混合沉積。

圖37 無掩模局部電沉積裝置示意圖

6 結論

從第21 屆ISEM 會議發表的論文來看， 國際特種加工領域的研究在近年出現以下幾個方面的進展：

（1）加工結果的建模預測朝著兩個方向發展：一是對多物理場方程的求解；二是對加工過程分析模型的簡化。

（2）在加工過程實驗方面，借助高速相機等設備可抓拍獲得加工區域內極快的材料轉變現象。

（3）為了對加工過程有深入的理解，將實驗方法和數值模擬方法相結合，獲得了更全面的信息。

（4）采用新技術加強對加工過程的監控和加工過程的控制，如使用人工智能進行加工結果的預測或給定加工參數。

（5）對新材料的加工參數進行預估，以獲得需要的幾何形狀、表面、完整性和材料性能。 這需要機床制造商提供材料數據庫，而材料數據庫未來或許可以通過自學習來實現。