导读：
东方富海博士后工作站秉承研究发现价值、研究引领投资的理念，对投资实务进行前瞻性研究。“富海洞察”专栏致力于发布工作站系列研究报告，供读者交流探讨。本文是电加工技术的相关研究，为工作站出品的第24篇报告。
传统减材加工通常采用刀具对工件进行磨削的方式达到成型效果，常见的加工方式包括车削、铣削、钻削等。但对于超硬的先进工程材料，传统方式存在刀具磨损快、残余应力导致变形、加工效率低、能耗高等问题，而一些新型加工技术，如电加工技术，凭借其独特的加工原理，能够突破材料的硬度、强度局限，实现复杂形状与高精度加工，兼具前沿性与经济性，成为推动智能制造升级的关键力量之一。本文主要梳理了电加工中两种最主要的方式，包括电解加工( Electrochemical Machining，ECM)和电火花加工(Electrical discharge machining，EDM)的基本原理、设备组成和技术特色。
在航空航天、医疗、电子器件等众多关键领域，形状记忆合金、高温合金（包括钛、镍合金等）等先进工程材料凭借其高强度、耐蚀性及高温稳定性等优异性能，已成为推动行业技术革新的重要方向。
在对此类材料进行加工时，以刀具切削加工为代表的传统工艺，面临着诸多挑战，例如切削时刀具受力大、摩擦强，致使刀具磨损快；材料热导率低，切削过程中的热量难以消散，导致刀具温度升高、硬度下降，既加剧磨损又增加切削难度；易产生塑性变形和积屑，降低加工表面质量与效率；最终增加了机床负荷和能耗，还可能导致工件变形，影响加工精度与效率。而电化学加工作为新兴技术，凭借其独特的加工原理与工艺优势，为先进工程材料的应用提供了更具前景的解决方案。
电加工方法，是利用电能对材料进行加工的一系列加工方法的统称，其工艺体系包含阳极溶解去除、阴极电沉积、电热转换等多种方式。从加工机理本质来说，电加工是在离子层面进行的微观操作过程，因此，相较于其他特种加工手段，更易于进行微米级别的精准加工，灵活实现材料的去除、生长以及表面改性等多样化需求。
与传统的机械加工工艺相比，电加工依赖于电能作用，而非机械力的直接作用，因此不受被加工材料硬度、强度以及韧性等物理性能的限制，能够高度精确地复制加工模型的形状和尺寸，具备高度的仿真特性，可满足复杂形状和高精度要求的加工任务，在航空航天、模具制造、汽车工业等众多需要先进工程材料的行业获得了广泛应用。
本文旨在介绍两种最主要的电加工方式，电解加工和电火花加工，并剖析它们各自独特的加工原理、特点、应用场景以及在工业制造领域所发挥的关键作用。
1电解加工工艺
电解加工，又称电化学加工，是电加工工艺的重要类型之一，是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理去除工件材料的一类加工工艺。去除机制遵循法拉第电解定律，当电源施加电压时，阴极上会发生还原反应，阳极上会发生氧化反应，因此阳极上的金属原子失去电子变成金属离子，逐步溶解到电解质溶液中，电解效果取决于流过间隙的电荷量和工件材料的化学成分[1]，因此电解加工只能用于能够导电的金属材料，并且该过程与加工材料的机械性能无关。
电解加工机床的工作原理如图1所示。在工具电极与工件之间接电源，并搭配控制单元控制电流变化，工件接电源的正极(阳极)，工具电极接电源的负极(阴极)，两极间保持一定的间隙，流动电解液从两者间隙穿过，使两极间形成导电通路，在电源作用下产生电流，于是工件被加工表面的金属，将不断产生电化学反应而被溶解，电解产物不断被高速流动的电解液带走。工具阴极不断地向工件恒速进给，工件的金属不断被溶解，致使工件与工具阴极各处的间隙趋于一致，将工具阴极的型面复印在工件上，从而得到所需的零件形状。
▲图 1 电解加工设备示意图
图源：《Application of electro chemical machining for materials used in extreme conditions》（Pandilov Z, 2018）
图2展示了电解加工成型的原理。一般加工开始时，工件毛坯形状与工具阴极型面不一致，此时工件上各点与工具阴极表面的距离不相同，因此相同电压的条件下，各点电流密度不一样，距离近的点，通过的电流密度大，工件溶解得快；反之，距离远的点，电流密度小，工件溶解得慢。随着工具阴极不断靠近工件，工件表面上各点先以不同速度溶解，随后工件的被加工型面逐渐趋近于工具阴极的型面（图2）。电解加工效果与多种因素紧密相关，主要包括电压特性、电极材料（工件－阳极、工具－阴极）以及电解质成分组成、物理参数等。此外，工件材料溶解所产生的离子会参与后续的化学反应，对整个电化学过程产生影响。对于水基电解质，氢气会在工具表面附近生成、积聚，因此在电极工具表面发生一些气体生成和气泡逸出，从而对成形过程产生影响。同时，在加工过程中，焦耳热（与电流强度和电极间隙电阻成正比）也会出现并在电解液中消散，因此，在加工间隙中，电解质的物理性质分布是异质的，温度、压力、流速、pH值和电导率是随机变化的，都会影响输出加工参数，所以加工过程中间隙厚度的控制和表面几何结构的设计尤为重要。
▲图 2 电解加工成形原理图
图源：《Application of electro chemical machining for materials used in extreme conditions》（Pandilov Z, 2018）
从加工的角度来看，电解加工的优点主要包括：（1）工艺过程中的机械负荷和热负荷可以忽略不计，因此没有刀具磨损和消耗；（2）理论上任何导电金属材料都可以加工，特别适合用于镍基高温合金、钛合金等难加工金属的加工；（3）不受材料刚性的影响，可以加工规格小、壁较薄的零件；（4）不受材料硬度的影响，可以加工热处理后的金属或者粘性金属材料；（5）加工重复精度高，适合批量生产，粗加工、精加工、抛光加工可以一次完成；（6）非接触式加工，工件表层的结构、微硬度和化学成分的变化可以忽略不计，不影响材料特性；（7）加工零件天然无毛刺，无需进行去毛刺或抛光这类的二次加工，工件表面光洁度高；（8）电解液为盐溶液，封闭循环使用，不排放。当然，电解加工也存在一定局限性，主要包括生产准备周期长，特别是对于复杂轮廓加工所需的工具电极设计，通常需要反复修正；同时，由于电解加工是一个多因素耦合过程，影响因子众多，因此，加工精度和加工稳定性需要一定的技术经验积累。
电解加工技术目前可用于去毛刺、抛光、打孔、拉削、成型等五种方向，其中，抛光方向应用最为成熟，成型方向技术难度要求最高、工艺最为复杂。对于加工精度能达到丝精度的电解加工技术，通常称为精密电解加工（Precision Electrochemical Machining，PECM），适用于高精度的零部件成形加工。
航空发动机中的许多部件都可以由电解加工制造，如图3所示，以劳斯莱斯遄达1000发动机为例，其中最重要的零部件类型是复杂表面零件，如叶片、叶盘、外壳、叶轮、扩散器等。用于制造这些零件的材料通常是镍基高温合金和钛合金，由于它们独特的物理和机械特性，加工难度大，同时加工结构非常复杂，因此对加工质量和效率的要求往往很高，而电解加工是制造这些组件有效且经济的方法。例如，压缩机叶盘是航空发动机中最重要的部件，目前主要有三种制造方法：线性摩擦焊接（LFW）、高速切削（HSC）和电解加工。LFW是将叶片与圆盘焊接的有效方法，非常适合航空发动机中风机和低压压缩机的大型叶盘，可以降低材料成本；多轴高速切割是一种成熟的叶盘加工方法，尤其适用于由易于切割且级联通道较宽的材料制成的叶盘；电解加工是加工由难以切割的材料制成的具有狭窄级联通道的叶盘的首选方法。目前，生产叶盘的加工技术中，电解加工所占比例已达45%[2]。随着航空发动机的发展，设计的部件越来越复杂，且难以切割材料的应用将会不断增加，电解加工将具有越来越大的发展潜力。
▲图3 可用ECM在航空发动机中制造的组件
图源：《Electrochemical machining of complex components of aero-engines: Developments, trends, and technological advances》（Xu Z等，2019）
近年来，随着电解加工的精度不断提升，精密电解加工的应用拓展了新领域：精密机械、光学仪器、化学设备以及医疗和制药行业。汽车行业与航空航天行业类似，随着市场的需求，涡轮增压器体积变得越来越小，转速却越来越高，空气压比也更优，其相关零部件多采用高强度的镍铬合金材料制成，传统的切削工艺已无法完成涡轮增压器核心部件（如涡轮和涡轮叶片）的高效批量生产，而精密电解加工却可以胜任。在医疗器械领域，部分高端医疗器械需要的表面极度光滑无毛刺的产品，达到减少微生物附着及提升生物相容性等要求，精密电解加工技术可以同时满足医疗领域很多植入物不同的成型要求及表面光滑度的需求。相信随着技术的发展，未来精密电解加工的应用场景也将不断拓展。
2电火花加工工艺
电火花加工是一种基于电热效应的材料去除工艺，其本质是将电能高效转化为热能，进而实现对工件材料的侵蚀加工。如图4所示，加工过程中，工具电极和工件电极完全浸没在绝缘的电介质中，通过电源在两者间施加电压，当放电发生时，会在极短时间内于工具与工件的特定间隙区域会形成高度集中的等离子体通道，放电的能量迅速转化为热能，瞬间产生高达6000至12000°C的高温，同时伴随达到20MPa的高压，材料发生熔化和蒸发效果。电介质液体在加工过程中发挥着重要作用，一方面，它能够及时冷却放电区域，避免热量过度扩散导致工件热影响区过大；另一方面，高速流动的电介质液体可以将熔化和蒸发的材料碎屑迅速冲走，形成“电蚀”，从而逐步实现对工件的精确加工，以满足特定的尺寸和形状要求的效果。
▲图4 电火花加工技术的工作原理
图源：《Recent Trends and Developments in the Electrical Discharge Machining Industry: A Review》 （Kamenskikh A A等，2023）
电火花放电的条件包括：两极间隙保证在几微米到数百微米之间，放电必须是瞬时的脉冲性放电，必须有足够的脉冲放电强度，一般局部电流密度高达105~108 A/cm，放电延续时间一般为10-7 s~10-3 s，必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行，可使工具电极和工件在未达到击穿电压前保持绝缘状态，防止持续的电弧放电。因此，电火花加工是一个非常复杂的过程，涉及众多影响因素，包括加工机制、介电体选择、电极工具设计、工件材料、阴极和阳极的表面状态以及工艺的操作模式和类型等，这些要素相互交织，共同影响加工的最终结果。以钛合金加工为例，在加工过程中存在重熔层的形成、热影响区的产生和工具磨损等现象，通过合理调整电火花的加工工艺参数可以在一定程度上减轻甚至消除上述不良现象。因此，大多数研究都聚焦在精确调控影响该工艺的各类因素，以及工艺相关的物理力学、热力学、电学和其他效应[3]。电火花加工装置如图5所示，基本框架与电解加工比较类似，都需要外接电源及电源控制单元，最大区别之一在于将电解液换成了电介质。
▲图5 电火花加工装置示意图
图源：《A novel electrode front-end face design to improve geometric accuracy in electrical discharge machining process》Wang S M等，2023）
根据加工效率和表面层要求，电火花加工分为四种类型：粗加工、半精加工、精加工和超精加工。粗加工优先考虑高生产力，但可能牺牲表面质量；半精加工旨在获得光滑无缺陷的表面；精加工可得到无技术余量的表面，通常具有所需的形状、尺寸和粗糙度；超精加工则用于创建特定的微观表面结构或凹凸图案。
电火花加工在减材加工方法中展现出独特的优势，比如，能够精准加工出几何形状极为复杂的工件；不直接接触工件和工具，从而避免了加工过程中的切屑形成和振动应力；对材料的适应性广泛，无论是韧性材料、硬度较高的材料，还是脆性材料，均能实现高效加工。但同时，该工艺也存在部分不足，如较低的材料去除率、表面加工质量不足、加工时间长、成本高以及仅限于导电材料的加工等等。
目前，电火花机有多种衍生应用，主要包括电火花成型加工、线切割电火花加工和电火花钻孔等。电火花成型加工指用铜或石墨作为模具电极，制作成特定形状，通过电火花加工将模具上的形状复制至工件上。例如，LEAP航空发动机扩压器出口导向叶环的叶片形状复杂，气流通道空间狭小，属于典型的深邃扭曲叶型，中国航发动力股份有限公司利用电火花成型加工技术完成了扩压器的高效生产制造[4]。
线切割电火花加工指利用连续移动的细金属丝（电极丝）作为工具电极，对导电材料按预定轨迹进行切割加工，以获得复杂形状工件的特种加工工艺。例如，安徽天航机电有限公司使用线切割电火花加工参与完成了外形复杂的高精度铝合金薄壁零件的加工，有效保证了零件质量及加工效率[5]。
电火花钻孔指以窄喷枪作为工具电极，接近工件时，在两者之间产生间歇性的火花放电，在放电瞬间，产生的高温使得工件材料迅速熔化和，与此同时，介电流体经由喷枪的中心空腔高速流动带走碎屑，最终制作出小而深的孔。有研究报道，利用电火花加工机实现了深长孔加工新工艺，在提高加工效率的同时改善了加工工件的表面质量[6]。此外，电火花加工还有电火花铣削加工、多电极电火花加工、电火花纹理加工等多种加工方式。
电火花的加工过程中，工件、电极和电介质之间会发生材料迁移反应，存在不可避免的电极磨损和重熔层或白层的沉积，一方面会影响产品的表面质量，另一方面电火花加工也被视为一种非常规的表面改性/合金化技术。为解决电火花的表面加工影响，干式（空气）电火花加工作为油性介电液体的替代品而受到关注，有研究已经证明在气体介质中可以进行电火花加工。干式电火花加工可以阻止材料迁移反应的发生，从而实现工具电极的磨损减少以及表面质量的提高，但加工效率存在明显降低，因此，使用气体作为电介质仍处于研究阶段[7]。
3电解加工与电火花加工发展方向
电解加工凭借其“离子级去除”的独特优势，已成为航空航天、医疗器械等高端制造领域突破难切削材料加工瓶颈的核心技术，未来的发展方向主要集中在以下方向：研究材料溶解行为机理，探索不同材料在电解液中的离子迁移规律及表面形貌演化；探索更多工艺参数，包括分析电压、电流密度、电解液流速等变量对加工精度及表面质量的关联机制；工具阴极优化，通过新型电极材料和结构设计提升加工效率与局部化溶解能力；电解液创新，开发新型中性盐溶液以降低腐蚀性并提高加工稳定性。
而电火花加工的发展方向主要集中在提高加工质量和速率以及减少刀具磨损，例如借助分子动力学仿真揭示材料蚀除机制，优化放电通道能量分布，推动加工精度与表面质量的提升；增强智能控制，构建放电状态实时监测系统，集成高频脉冲电源与自适应PID算法，动态调整脉冲宽度及间隔时间，在保持加工稳定性的同时将蚀除速率提升；研发液氮冷却电极技术，减少热影响区并延长工具寿命等等。
最近，将电化学加工和电火花加工集合起来的复合工艺电化学放电加工（ECDM）引起了广泛关注，将电火花加工和电化学加工分别设计在工具电极的前端和侧面间隙，使用低电导率的盐溶液作为工作液，能以更快的加工速率制造出通孔；但加工出的孔的底部表面积仍然会因电火花加工的主导作用而出现放电痕迹和重铸层，同时ECM和EDM的相互作用在加工孔表面导致阳极溶解和放电侵蚀的聚合效应。综合来说，ECDM增加了工艺复杂性和相关加工成本，目前仍处于技术研发阶段，尚不适合大规模的生产加工[8]。
4总结
在现代工业制造领域，电加工技术凭借其独有的技术特性，尤其是电解加工和电火花加工这两种关键工艺，在诸多复杂零部件制造与特殊材料加工中扮演着不可或缺的角色，在航空航天、汽车制造、医疗器械等对零部件精度和性能要求极高的行业中的需求与日俱增。当然，这两种加工方式也并非尽善尽美，随着相关技术不断创新突破，电化学加工的应用领域将持续拓展，发展潜力不容小觑，未来有望实现更广泛的应用。
参考文献
[1] 曹凤国. 电化学加工. 2014.
[2] Zhengyang X U, Yudi W. Electrochemical machining of complex components of aero-engines: Developments, trends, and technological advances[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 34(2): 28-53.
[3] Kamenskikh, Anna A., et al. Recent trends and developments in the electrical discharge machining industry: a review. Journal of Manufacturing and Materials Processing 7.6 (2023): 204.
[4] 蓝仁浩,航空发动机扩压器叶型电火花成型加工技术.陕西省,中国航发动力股份有限公司,2018-11-29.
[5] 高茂洋,常星星,张卫,等.外形复杂的高精度铝合金薄壁件加工工艺[J].金属加工(冷加工),2024,(01):59-61.
[6] 姜国振,刘波,范丽华,等.电火花深长孔加工新工艺实验研究[J].南方农机,2023,54(05):138-141.
[7] Bhandare, A.S.; Dabade, U.A. Modeling of Dry EDM process parameters during machining of Inconel 718 using artificial neural network. Mater. Today Proc. 2023.
[8] Liu, Guodong, et al. Tooling aspects of micro electrochemical machining (ECM) technology: design, functionality, and fabrication routes. Journal of Materials Processing Technology (2023): 118098.
