Journal of Materials Processing Technology：主动气体薄膜绝缘法实现深窄槽可控电化学加工

发布日期：2026-01-28

研究类论文

发表期刊：Journal of Materials Processing Technology

中科院1区（TOP） IF:7.5

Active Gas-film Insulation Method for Controllable Electrochemical Machining Deep-Narrow Grooves

Jinpeng Zhao, Wanfei Ren*, Jinkai Xu*, Huihui Sun, Haoran Deng, Qingwei Wang

Received 9 November 2025; Received in revised form 16 December 2025; Accepted 7 January 2026 Available online 8 January 2026

DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2026.119208

赵劲鹏，任万飞*，许金凯*，孙辉辉，邓浩然，王清魏

长春理工大学

Zhao J, Ren W, Xu J, et al. Active Gas-film Insulation Method for Controllable Electrochemical Machining Deep-Narrow Grooves[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2026: 119208.

高精度深窄槽（DNG）在航空航天行业中被广泛应用，电化学加工（ECM）作为加工深窄槽的有效途径之一，其在加工过程中产生的不可控杂散腐蚀会诱导侧壁形成渐进锥度。本研究创新性地提出一种名为“液下沿流分层气膜绝缘动态调控”的创新性ECM技术。通过理论与气液两相流仿真分析了气膜在电解液环境中的运动路径与变化机制。设计并利用气膜电信号反演定位法实现在实验中对液下气膜位置与电流密度的同步观测。基于对所加工DNG表面质量，轮廓形貌和锥度测量的表征，对气膜绝缘的形成规律进行深入分析，发现气膜的绝缘效果在电解液压强与液下气膜压强组合参数的优化下产生一致的规律性。最终气膜绝缘ECM的深窄槽侧壁锥度较传统ECM降低幅度可达98%。为了揭示气膜绝缘的灵活应用性，通过对绝缘区域的动态调控加工出异形深窄槽结构。本研究为实现高精度、可调控的复杂结构ECM加工提供了新途径。

深窄槽，电解加工，气膜绝缘，动态调控

1.提出了一种采用气膜绝缘的电解加工技术来加工深而窄的沟槽

2.通过气膜运动—电信号转换设计了一种辅助监测方法

3.揭示气液环境中气体和液体的规律性变化

4.实现对特殊形状的深窄槽的加工

图1 论文主要研究成果

对于高性能部件而言，高精度加工深窄沟槽（DNG）成为了一项关键的制造挑战；例如，涡轮叶片冷却通道要求DNG具备微米级尺寸公差与亚微米级表面完整性。电化学加工（ECM）因其非接触特性、无加工应力以及工具电极无损耗等优势，被视为实现DNG加工的有效途径之一。然而，不可控的杂散腐蚀所导致的渐进式锥度限制了 DNG 的加工精度和深宽比。因此，在电化学加工中开发或采用有效策略来抑制 DNG 侧壁上的杂散腐蚀具有重要意义。

本研究创新地将气体分别覆盖在工件表面与电解液液面之下的加工区形成气膜绝缘层。首先，为了对外部气膜与液下气膜的形成机制与行为特性进行系统验证，从理论对气膜流动路径进行分析，并建立气-液两相流仿真模型对气膜形成进行模拟。针对实验中液下气膜难以直接观测的技术挑战，创新性地提出“气膜电信号反演定位法”来进行对液下气膜运动位置与电流密度的实时观测。为了探究影响气膜的相关参数并对实验结果的影响，进行正交实验并从对实验结果的表征来寻找参数与气膜形成的规律关系。最后为了证明气膜灵活的动态可调控性，对复杂多变的DNG结构进行加工。

1. 传统电解加工中的绝缘涂层面临着冲刷脱落和绝缘不均匀等问题。而所提出的通过活性气膜进行动态绝缘调控的电解加工技术，利用气体的绝缘特性，可以有效绝缘的同时，提高电解液传质效率。导气缝结构的设计，可以实现液下气膜的形成。外部气膜在抑制表面杂散腐蚀的同时，也对内部气膜进行约束。

图2  深窄槽加工原理图。(a) 无绝缘加工。(b) 外部气膜绝缘加工。(c)外部气膜与内部气膜绝缘加工

2. 在不同气膜压强下，通过对气膜的路径分析与实验观测，将气膜运动状态分为4种阶段。

图3 不同内部气膜压力下的气膜原理示意图（a）气膜覆盖部分绝缘状态，（b）气膜覆盖单侧绝缘状态，（c）完全气膜覆盖状态，（d）气膜过度覆盖状态

3. 利用气液两相流仿真对气膜运动状态与影响气膜因素进行探究。

图4 气液两相流仿真模型与云图

4. 通过45组正交实验对气膜与气体压强的分布规律进行探究。

图5 气膜绝缘深窄槽加工实验结果与数据分析

图6 气膜动态调控对异形深窄槽于TC4合金的加工

成功开发并验证了一种名为“主动气膜绝缘动态调控”的创新性电化学加工技术，该技术通过主动可控的气膜有效解决了高深宽比深窄沟槽加工中长期存在的杂散腐蚀与侧壁锥度难题，实现了加工精度与表面完整性的协同提升，主要研究内容如下：

（1）理论分析层面，通过对加工间隙内的电解液进行单元化分析，解析了传统加工方式下电解液的流动路径；同时，还分析了施加外置气膜与液下气膜后，气膜与电解液的流动路径变化规律。基于气液两相流仿真，验证了气膜与电解液的理论流动路径。研究发现：随着外置气膜压强的增大，被外置气膜隔离的表面电解液区域随之扩大；但外置气膜压强过高，会阻碍电解液进入侧壁间隙。外置气膜压强升高会使气膜厚度增大，绝缘效果随之增强；然而液下气膜压强过高则会引发流场扰动，部分气膜会进入底部间隙，进而影响加工区域。气膜形成所需的导气狭缝宽度过小，会阻碍气膜的通过；宽度过大则会导致电解液扰动与流速损失。

（2）为在实验中更好地观测气膜运动状态，本研究设计了气膜电信号反演定位法，通过构建电流密度与气膜位置之间的传递函数模型并进行计算，实现对液下气膜运动状态的监测。利用实验测得的电流曲线，验证了气膜的四种运动状态，解决了深窄槽加工过程中气膜动态特性难以观测的问题。

（3）开展对比实验，验证了外置气膜对表面轮廓的改善作用。通过 45 组正交试验，探究了外置气膜对表面质量的改善效果，以及电解液压强、液下气膜压强、导气狭缝宽度对液下气膜的影响规律。研究表明：导气狭缝宽度过小，会导致深窄槽形貌出现双侧不对称；宽度过大则会产生涡流，影响加工侧壁的一致性。此外，电解液压强与液下气膜压强对气膜厚度存在交互作用，最终使绝缘效果呈现出一定的规律性。与传统电解加工相比，采用气膜绝缘技术获得的最优锥度指标改善幅度可达98%。通过加工多条导气狭缝以调节气膜的绝缘区域，实现了加工过程中绝缘区域的可调控性。利用阴极侧壁非绝缘区域产生的杂散腐蚀，成功加工出外窄内宽的异形深窄槽结构。为验证技术的材料适用性，本研究设计三组对比实验（无绝缘、涂层绝缘、气膜绝缘）对 TC4 合金进行加工。实验结果表明，在 TC4 合金加工中，气膜绝缘技术的加工效果优于上述两种传统绝缘加工方式。