沉浸式旋转螺旋电极电化学放电加工Inconel 718合金的流场特性与工艺优化研究

为解决难加工材料Inconel 718合金在传统电加工中存在的碎屑排出困难、电解液补给不及时和加工精度低等问题，研究人员提出了一种新型沉浸式旋转螺旋电极电化学放电加工（ECDM）方法。通过对比圆柱电极与螺旋电极的流场分布、蚀除产物扩散特性及工艺参数优化，证实螺旋电极在流场扰动、碎屑排出效率和表面质量方面具有显著优势，为高厚度规则曲面结构的高效精密加工提供了新思路。

　　

镍基高温合金Inconel 718因其高熔点、优异耐腐蚀性和高强度，成为航空航天领域关键结构件的首选材料，但传统加工方法面临刀具磨损严重、加工效率低和热影响区明显等问题。电火花线切割（WEDM）等特种加工技术虽能部分解决这些问题，但仍存在介质补给不足、间隙流场不稳定等瓶颈。

针对这些挑战，国内某高校的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表了一项创新研究。该团队设计了一种沉浸式旋转螺旋电极电化学放电加工（ECDM）新工艺，通过螺旋电极的旋转扰动效应显著提升加工间隙的流场活性。研究人员采用ANSYS Fluent 22.1软件对比了圆柱电极与螺旋电极的流场模型，结合多通道测量系统（Dewesoft SIRIUS XHS）和超景深显微镜（KEYENCE VHX-6000/VHX-950F）等设备，系统分析了电极结构对加工质量的影响机制。

关键技术方法包括：1）基于计算流体力学的间隙流场仿真；2）电压-电流波形实时监测；3）扫描电镜（SEM）表征再铸层形貌；4）维氏硬度计（JUJING TMHV-1000Z）测量微硬度分布；5）单因素实验优化工艺参数组合。

3.1 流场仿真分析
模拟结果显示螺旋电极最大轴向流速达-0.03 m/s，是圆柱电极（0.007 m/s）的4倍以上。1200 rpm转速下，螺旋电极产生的涡旋流场使蚀除产物滞留时间缩短至0.02-1.8 s，有效避免加工区碎屑堆积。

3.5 加工端面质量分析
螺旋电极加工的狭缝宽度（1026 μm）比圆柱电极（1106 μm）减少7.2%，表面粗糙度从28 μm降至11 μm。SEM观测显示再铸层厚度从107.82 μm锐减至44.37 μm，部分区域甚至无再铸层形成。

3.7 工件截面形貌
微硬度测试表明，螺旋电极加工区的平均硬度（307 HV）较圆柱电极（246 HV）提高24.8%，且硬度分布更均匀。EDS分析发现螺旋电极表面铁元素迁移量（55.79%）显著高于圆柱电极（49.08%），证实其更强的"电极补偿"效应。

3.8 工艺参数影响
单因素实验确定最佳参数组合：转速1200 rpm、电解液浓度20 wt% NaOH、进给速度2.4 μm/s、间隙电压25 V、占空比60%、放电频率60 kHz。在此条件下，20 mm厚Inconel 718合金直角狭缝加工的电极损耗率仅0.17%，表面粗糙度13.93 μm。

该研究通过结构诱导与旋转扰动的协同作用，突破了传统ECDM技术在介质更新和热管理方面的局限。螺旋电极独特的沟槽结构产生的三维流场，不仅将蚀除产物排出效率提升300%，还使再铸层厚度减少58.8%。这项技术为航空发动机涡轮盘等大厚度复杂构件的精密加工提供了新方案，其提出的流场-工艺耦合优化方法对非传统加工领域具有普适指导意义。