先进的激光差分扫描辅助电解液喷射加工方法提升了宏观表面的平整度

《Optics & Laser Technology》：Advanced laser differential scanning-assisted electrolyte jet machining method improves macroscopic surface flatness

本文提出激光差分扫描辅助电解液射流加工方法（LDSA-EJM），通过数值模拟建立激光扫描路径数学模型，实验证明该法在180V、30W条件下加工深度181.2μm，表面粗糙度1.381μm，平坦度12.29μm，较传统方法提升72.24%。优化扫描步长5.4mm成功加工30.76×30.19mm的2024铝合金薄壁件，表面粗糙度1.571μm，平坦度15.6μm。

　　

杜立群|李东|张策|于明鑫|韩小龙|崔建峰

中国大连理工大学机械工程学院高性能精密制造国家重点实验室，大连116024

摘要

使用中性电解质的电解液喷射加工具有无应力、环保的优点，能够消除传统机械加工引起的变形和化学铣削产生的污染。该方法非常适合用于航空航天领域中的薄壁部件加工。然而，阳极工件表面的电流密度不均匀会导致宏观表面平整度下降。本文提出了一种新型的激光差分扫描辅助电解液喷射加工方法。通过微米级激光点的差分扫描，可以在宏观尺度的电解液表面上实现空间变化的烧蚀效果。基于对传统电解液喷射加工中蚀刻轮廓的数值模拟分析，并考虑了混合加工条件下激光烧蚀深度的影响，建立了一个差分激光扫描的数学模型。在180伏的电解电压和30瓦的激光功率下实施定制的差分激光扫描策略，加工深度达到181.2微米，表面粗糙度为1.381微米。值得注意的是，所获得的平整度为12.29微米，比传统方法提高了72.24%。优化的扫描步长为5.4毫米，能够加工尺寸为30.76毫米×30.19毫米的2024铝合金薄壁部件，其表面粗糙度为1.571微米，平整度为15.6微米。

引言

薄壁部件在航空航天[1]、能源设备[2]等领域具有重要的应用价值。传统的薄壁部件加工方法主要分为机械加工和化学铣削[3]。机械加工通过刀具与工件之间的切削力去除材料。然而，在加工薄壁部件时，过大的切削力常常会导致工件振动和变形[4]。虽然化学铣削可以避免机械加工引起的变形，但由于强酸和强碱造成的环境污染以及难以控制加工深度的问题，其应用范围仍然受到限制[5]。电解液喷射加工（EJM）作为一种非接触式精密加工技术[6]，具有无刀具磨损、无热应力[7]、[8]和无残余应变[9]、[10]等优点。它被广泛用于微结构加工[11]和航空航天部件制造[12]。采用中性电解质系统的EJM工艺通过阳极蚀刻实现选择性材料去除，有效避免了加工变形和化学污染。然而，传统的EJM由于电解质电流密度分布不均匀[13]、[14]，导致宏观表面平整度较差，这对大面积薄壁部件的高平整度加工提出了挑战。在这里，宏观表面平整度定义为喷嘴扫描宽度范围内的加工深度偏差（具体来说是最大深度与最小深度之差，Δh）。它代表了宏观尺度的几何形状误差，与表征表面纹理的微观表面粗糙度（Ra）不同。

已经进行了大量研究来提高EJM的宏观表面平整度。现有技术主要通过优化工艺参数、设计专用喷嘴[15]和利用激光辅助加工来提高平整度。然而，由于EJM固有的各向同性蚀刻特性[15]，宏观表面平整度的提高仍然有限。刘等人[16]研究了阴极喷嘴加工间隙对EJM宏观表面平整度的影响。实验结果表明，阳极和阴极之间的间隙越小，电场对阳极工件表面电流密度分布的影响越大，这取决于阴极喷嘴的形状。结合阴极喷嘴设计和工艺参数优化，平整度显著提高了56.2%，从最初的10.99微米降低到最终的4.81微米，加工深度为34.59微米。这项研究表明，优化工艺参数可以有效提高宏观表面平整度。此外，一些研究人员通过设计阴极喷嘴来调节电流密度分布，进一步提高了平整度。Mitchell-Smith等人[17]对标准阴极喷嘴的尖端进行了局部加工，以调整阳极工件表面的电流密度分布。与标准阴极喷嘴相比，对称双元件（STE）喷嘴使平整度提高了48.27%，从10.71微米降低到5.54微米，加工深度为28.93微米。沈等人[18]提出了一种多通道旋转阴极，用于改善旋转阴极电化学铣削中的宏观表面平整度。新型阴极喷嘴具有一个大的中心孔，可以降低中心电流密度，而周围的小孔则保持较高的边缘电流密度，从而在阳极工件表面上实现更均匀的电流密度分布。最终，加工出了一个42×40毫米的平面表面，平整度达到47微米。Vanderauwera等人[19]将阴极喷嘴截面中的单个中心孔替换为十字形、星形和辐条形多通道结构，同时减小了内径，抑制了中心电流密度，平衡了边缘电流密度。由此得到的加工表面平整度为26.88微米。这些研究表明，阴极喷嘴设计可以调节电流密度分布并提高宏观表面平整度。此外，一些研究人员还通过阴极喷嘴设计来调节流场分布，以提高平整度。王等人[20]设计了一种带有后倾端面的工具，用于TC4钛合金的电解液喷射加工。重新设计的喷嘴减少了加工区域内的低速流区，并增加了工具后部的高速流区，有效调节了流场分布。结果，电解液流动更加均匀，表面平整度得到改善。通过优化扫描步长，制造出了尺寸为35.13×36.25毫米的平面表面，平整度为30微米。尽管现有的EJM方法在提高宏观表面平整度方面取得了一些成功，但这些单一场方法在实现最佳精度方面往往存在固有的局限性。因此，尽管这种综合方法具有显著潜力，但关于通过多场辅助来提高平整度的综合研究仍然非常少。例如，朱等人[21]提出了一种结合水射流辅助皮秒激光钻孔和后电化学加工的混合方法，有效消除了再铸层等热缺陷，并显著提高了薄膜冷却孔的几何精度。王等人[13]、[22]结合了激光和电化学铣削，利用激光去除EJM中心区域的凸起，从而提高了加工孔的宏观表面平整度。然而，利用激光来提高电解液喷射加工中的宏观表面平整度的方法尚未得到探索。

本文首次提出了一种激光差分扫描辅助电解液喷射加工方法（LDSA-EJM）。为了预测阳极蚀刻轮廓，使用了COMSOL Multiphysics对传统EJM和LDSA-EJM进行了数值模拟。激光扫描路径是根据提取的阳极蚀刻轮廓反向确定的，并建立了相应的数学模型。通过考虑激光加工与电解液喷射加工之间的耦合效应，分析了不同激光功率对表面粗糙度和加工深度的影响。所提出的LDSA-EJM方法在各种加工深度下提高了宏观表面平整度。该研究评估了不同扫描步长对表面平整度的影响，然后将其应用于大面积航空航天铝合金2024薄壁部件的加工。

部分摘录

制造方法

LDSA-EJM方法通过微米级激光点的精确差分扫描，实现了激光和电解作用的互补耦合。该方法的示意图如图1所示，其中图1a展示了实验装置。来自脉冲激光源的激光依次通过光束扩展器、反射镜和聚焦透镜，最终在喷嘴中心聚焦。激光对准和观察是通过

喷射形状的数值模拟

由于电解质和空气之间的电导率不同，准确捕捉电解液喷射的形状有助于提高数值模拟的准确性。在本文中，水平集函数用于跟踪电解质和空气之间的移动界面，从而确定稳态电解液喷射的形状。

COMSOL Multiphysics中的“层流、两相、水平集”模块[24]、[25]模拟了电解液和气体在

实验

LDSA-EJM的表面形态控制实验装置包括以下组件：运动控制系统、电解液循环系统、电源系统、激光系统和主体设备。图10a显示了该装置的示意图。选择航空航天铝合金2024（AA2024-T4）进行实验，因为其具有优异的耐腐蚀性和高强度，是航空航天应用中的常用材料。电解液罐安装在一个

数值模拟结果验证

基于上述数值模拟结果，本文进一步系统地研究了激光扫描路径对宏观表面平整度的影响。实验分为两组：激光辅助电解液喷射加工（LA-EJM）组和对照组。两组都在180伏的电解电压下进行操作。在激光应用组中，加工表面使用均匀扫描的激光进行处理

结论

本文介绍了一种激光差分扫描辅助电解液喷射加工（LDSA-EJM）方法，旨在解决EJM中宏观表面平整度差的问题。通过数值模拟，分析了差分激光扫描策略提高EJM宏观表面平整度的可行性。建立了激光扫描路径的数学模型，并研究了激光功率、电解电压和扫描步长对宏观表面平整度的影响

作者贡献声明

杜立群：数据整理、资金获取、概念构思。李东：撰写——初稿、正式分析。张策：方法论、研究。于明鑫：撰写——审阅与编辑、资源管理、项目协调。韩小龙：监督、软件开发。崔建峰：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4601600）的支持。作者感谢大连理工大学仪器分析中心的协助。