非接触多孔球约束电解液的电化学加工

《Precision Engineering》：Electrochemical machining with electrolyte confined by non-contacting porous ball

　　

• 通过模拟和实验验证了一种采用非接触多孔球进行电解液限域的正置式电化学 machining（ECM）方法。• 开发了一种新型正置式电化学 machining 实验装置，用于在工作件表面加工坑槽和沟槽。• 阐明了接触式与非接触式多孔球电解液限域之间的加工质量和稳定性差异。

1. 引言

电化学加工（ECM）基于离子级别的物质去除，具有发展成为高质量加工方法的巨大潜力。由于具有诸多优势，电化学加工被广泛应用于多种场合，包括不存在残余应力和热影响层、无论工件材料的硬度如何均能获得良好的表面光洁度、无工具磨损等[1,2]。在传统电化学加工中，通常需要将阴极工具和阳极工件浸入电解液中，以确保发生电化学反应[3,4]。然而，电场可以到达电解液的任何位置，导致本不应该被加工的区域也存在电场，从而产生不必要的杂散腐蚀[5]。

一些研究人员针对这一问题开展了一系列研究。Schuster等[6]提出了在微电化学加工中使用超短电压脉冲的方法，该方法有效地控制了工具电极与工件之间的双电层充电，从而提高了加工精度。然而，通过超短电压脉冲电源控制电场的方法成本较高，通常仅用于微电化学加工。减少杂散腐蚀最常见的方法是绝缘工具侧壁或工件，这样可以有效地限制工具侧壁与工件之间形成的杂散电流。典型方法包括电极外部绝缘[7,8]和侧壁绝缘空心电极（SIHE）[9]。此外，研究表明，使用激光辐照可以大大抑制由电化学反应引起的杂散腐蚀。它调节电极界面状态，增加过电位，增强传质，从而提高电化学加工的定位能力[10,11]。此外，调节工作流体性质是减轻杂散腐蚀的另一种可行策略[12]。而且，透过掩模电化学加工（TMECM）已被用于减少杂散腐蚀[13,14]，该方法在工件上施加掩模，隔离流过工件表面非加工区域的电场。在透过掩模电化学加工方面，已经发展出许多创新方法，例如使用非导电掩模的微钻头进行微孔微电化学加工[15]，以及使用导电掩模进行微凹坑电化学加工[16]。然而，由于绝缘层在加工过程中容易磨损，为工具侧壁或工件表面制备绝缘层既费时又成本高昂。在电化学加工过程中将电解液流动限制在特定区域已被证明是防止杂散腐蚀的有效措施。喷射电化学加工（Jet-ECM）利用集中的电流密度实现高度局部化的材料去除[17]。然而，在Jet-ECM中会出现电解液飞溅现象，这使得流场控制更加困难。飞溅的电解液会产生部分杂散腐蚀。为防止电解液飞溅，Yamamura[18]提出了一种利用电解液吸取工具的方法。Endo等[19]和Nagoya等[20]优化了电解液吸取工具的结构以提高加工精度，通过检测极间间隙（IEG）压力，实现了对极间间隙的精确控制。Liu等[21]探讨了带吸取工具电化学加工中两种电解液流动模式的特性，证明外流模式（OFM）的加工方法能更有效地提高加工精度。

Natsu等[22]使用羊毛毡作为非金属吸液材料来限制电解液，以减少电化学加工中的杂散腐蚀。然而，由于剧烈的气泡和热量产生，羊毛毡很容易因过热而损坏。在后续研究中，他们提出了一种替代方案，使用麦饭石球（MFS球）作为多孔球，通过毛细作用吸收和控制电解液分布[23,24]。该技术涉及多孔球在工件表面上持续滚动，能够在球的路径上精确加工结构，同时防止在不需要的区域去除材料。然而，工件倒置安装在MFS球上方，球与工件持续接触滚动以提供电解液（接触式多孔球电解液限域电化学加工，以下简称ECM-CPB）。这种倒置布局在MFS球与工件之间引入了加工应力，由于物理接触会损害加工表面。因此，在ECM-CPB中工件的已加工表面上存在可见的划痕缺陷[21]。此外，倒置安装使装置复杂化，且不兼容大型工件。最后，该方法要求多孔球必须是绝缘的，否则会发生短路故障，这限制了多孔材料的选择。后续研究使用类似圆珠笔的工具，其笔尖结构实现了正置配置，其中工件安装在旋转的MFS球下方[25]。这种正置方法进一步降低了装配复杂性，便于加工大型或重型工件。然而，它仍然采用接触加工模式，未能突破接触引起的加工应力限制。

为解决这一关键问题，本研究提出了一种采用非接触多孔球进行电解液限域的电化学加工方法（非接触式多孔球电解液限域电化学加工，以下简称ECM-NCPB）。该方法在正置配置中保持多孔球与工件之间的稳定间隙，其间介质的电解液形成稳定的毛细液体桥，不会分散或滴落，受多孔介质中的毛细作用、电解液表面张力和间隙几何限域的协同效应支配。

值得注意的是，尽管所提出的ECM-NCPB和经典笔式纳米光刻（DPN）都依赖于毛细液体桥来输送液体介质，但它们存在本质区别。DPN是一种增材纳米制造技术，采用昂贵的AFM微探针在微小的微米扫描区域内沉积有机或生物墨水，在基底上形成纳米级图案[26]。相比之下，ECM-NCPB是一种减材电化学加工方法，它采用低成本多孔球进行持续电解液供给，通过电场驱动的阳极溶解在金属工件上实现微米级沟槽加工，突破了DPN在设备成本、加工规模和应用基底方面的限制。

这种基于间隙的ECM-NCPB从根本上消除了ECM-CPB固有的加工应力劣势，为进一步通过利用导电多孔材料提高电流密度来改善加工效率奠定了坚实基础。本研究对ECM-NCPB和ECM-CPB进行了对比分析，建立了相应的仿真模型以探索其在相同条件下的性能差异，并设计建造了实验平台进行系统性的对比验证实验。这些研究系统地阐明了所提出方法的基本特性，为技术的进一步拓展提供了有价值的指导和参考。

2. 加工原理与实验装置

图1展示了倒置式ECM-CPB（图1a）和正置式ECM-NCPB（图1b）的原理示意图。ECM-CPB的倒置布局特征为工件位于MFS球上方并保持紧密的表面接触。相比之下，ECM-NCPB的正置布局采用工件水平置于底部的配置，MFS球垂直安装在上方，两个部件之间保留狭窄的加工间隙。ECM-CPB要求MFS球与工件始终保持接触，材料去除通过MFS球在工件上滚动来提供电解液以进行电化学反应。然而，该方法向工件引入了机械应力。同时，由于MFS球吸收了电解液，其导电性低于纯电解液区域，工件与球接触的加工中心区域的电流密度进一步降低，从而降低了该区域的去除速率。

图1. 使用多孔球限域电解液分布的电化学加工方法的加工原理。（a）倒置式ECM-CPB。（b）正置式ECM-NCPB。

相比之下，正置式ECM-NCPB要求在MFS球与工件之间保持一定间隙，该间隙被电解液填充并形成持续稳定的毛细液体桥，不会分散或滴落。这种稳定配置得益于核心机制的协同效应。首先，MFS球的毛细吸附作用持续供给和保持电解液，在球表面形成连续液膜[23]。其次，当MFS球接近工件时，电解液膜同时润湿MFS球和工件表面，在气-液界面处形成弯月面。最后，电解液的表面张力和弯月面两侧的Laplace压力差起到弹性约束作用，而微间隙的几何限域限制了电解液的横向扩散[27,28]。这些效应共同稳定了两个表面之间的液体桥，使其不会分散或滴落，从而满足工件电化学阳极溶解的条件。在ECM-NCPB中，当MFS球进行线性运动时，可以实现连续的材料去除。

与接触式多孔球电解液限域电化学加工（ECM-CPB）相比，ECM-NCPB消除了接触引起的加工应力，从根本上避免了球与工件直接接触造成的机械损伤。同时，液体桥配置确保了加工区域内电解液电导率的相对均匀分布，有利于提高工件加工表面的均匀性。如果使用导电多孔球，这种非接触结构也有望提高加工效率并消除短路风险。然而，它需要精确控制加工间隙以维持电解液液体桥的稳定性。此外，在长时间加工过程中，加工间隙中电解液更新不足可能导致焦耳热和电化学反应副产物的积累，导致加工因间隙堵塞而终止。

为验证这两种电化学加工方法的过程，本研究设计了一种正置式实验装置，其结构布局如图2所示。3D打印管体采用4轴承结构以防止电解液泄漏并固定MFS球的位置。此外，线性轴承和精密滑块确保了整个实验装置适配不同尺寸的MFS球。另外，电源的负极通过螺丝连接到线性轴承，然后依次与金属管、轴承支架和MFS球上方的轴承形成电连接，最终通过电解液与工件形成完整回路。

图2. 实验装置示意图。

图3展示了实验装置的电解液流动模式。电解液可以通过顶部管接头流入装置。此外，MFS球可以完全浸没在电解液中，电解液可以通过底部电解液管接头被泵抽出。这种设计策略可以通过补充电解液来消除焦耳热。

图3. 电解液流动示意图。

3. 电化学加工的仿真与分析

3.1 仿真模型参数配置

为研究两种方法在工艺特性方面的基本差异，本研究对ECM-NCPB和ECM-CPB进行了仿真研究。为准确建立与实验装置紧密对应的仿真模型，本研究采用CCD相机拍摄实验装置图像，如图4所示。从这些图像中提取MFS球和电解液膜的尺寸以构建仿真模型。具体而言，对于接触式情况，MFS球与工件之间的最小间隙设为零，而非接触式情况设为1 mm。这些参数用于模型设置。在电化学加工过程中，由于MFS球表面形成了电解液膜，电解液不会泄漏[24]。因此，在模型侧面设置了绝缘层以更好地模拟实际加工条件，提高仿真的准确性。

图4.

仿真模型参考自实验装置。(a-b) 实验装置。(c-d) 仿真模型。为了简化计算，做出了以下假设：
(1) 忽略了工件表面产生的氧气和工具电极表面产生的氢气。
(2) 仿真过程中电解液膜的形态未发生变化。
(3) 忽略了电解液温度的变化以及由温差引起的能量耗散。
(4) 仿真中未包含极化效应。
基于上述假设，仿真参数列于表 1 中。生成了三角形网格，如图 5 所示。通过这些设置，通过仿真计算获得了结果。

表 1. 仿真参数。
| 参数 | 值 |
| :--- | :--- |
| 电解液电导率 | 6 S/m, 10.5 S/m, 15 S/m |
| MFS 球电导率 | 6 S/m |
| 仿真时间 | 1 s |
| 工件表面电势 ($\phi_1$) | 30 V |
| 工具表面电势 ($\phi_2$) | 0 V |
| MFS 球与工件之间的距离 | 0, 1 mm |

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图 5. 仿真模型网格示意图。(a) ECM-NCPB。(b) ECM-CPB。

根据电场理论中的拉普拉斯方程，电解液中的电位分布可描述为 [24]：
(1) $\nabla^2\phi=0$
其中 $\nabla$ 是拉普拉斯算子，$\phi$ 是电位场。利用欧姆定律可得到穿过电解液域的法向电流密度 ($j_n$)。
(2) $j_n=-\kappa\nabla\phi$
其中 $\kappa$ 是电解液的电导率。
材料溶解速率 $v$ 可描述为：
(3) $v=\eta\omega j_n$
其中 $\eta$ 是电流效率，$\omega$ 是体积电化学当量。

3.2. 两种方法的仿真结果
在电导率为 15 S/m 的电解液中仿真 1 秒后，提取了两种电解加工方法的电位分布，如图 6 所示。通过 L1 采样线（见图 7）提取了电位分布线。在 ECM-NCPB 中，采样位置 1 mm 处的电位斜率发生了变化，这是由于 MFS 球和电解液之间的电导率差异所致，而 ECM-CPB 沿采样线的电位斜率保持稳定。

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图 6. 电位分布示意图。(a) ECM-NCPB。(b) ECM-CPB。
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图 7. L1 采样线中电位分布示意图。

两种电解加工方法仿真 1 秒后的电流密度分布如图 8 所示。可以观察到，ECM-NCPB 的加工中心区域间隙较窄，但承载的电流密度低于其边缘。鉴于电解液电导率 (15 S/m) 远高于多孔球 (6 S/m)，电流主要通过自由电解液传输。仿真模型在 MFS 球边缘设置了较厚的电解液层，而狭窄的中心间隙被低电导率的 MFS 球包围，导致边缘电流集中。同时，ECM-CPB 由于加工中心区域的多孔球与工件接触，显示出被进一步抑制的中心电流密度。

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图 8. 电流密度分布示意图。(a) ECM-NCPB。(b) ECM-CPB。

图 9 显示了沿 L2 采样线的电流密度分布。与 ECM-CPB 相比，加工中心区域（对应于工件表面上正对 MFS 球的区域）在 ECM-NCPB 中具有较高的电流密度。原因可解释如下。ECM-CPB 的中心接触区域被低电导率的 MF 球占据，这提高了界面电阻。然而，ECM-NCPB 形成了一个充满高电导率电解液的毛细液桥，从而降低了间隙电阻并增强了局部电场。相反，在远离加工中心区域的边缘区域，ECM-CPB 的电流密度高于 ECM-NCPB。

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图 9. L2 采样线中电流密度分布示意图。

两种加工方法的腐蚀轮廓如图 10 所示。提取并描绘了工件表面的腐蚀形貌，如图 11 所示。仿真结果表明，与 ECM-CPB 相比，ECM-NCPB 在加工中心区域产生了更大的深度，但在凹坑边缘的深度较浅。更重要的是，ECM-NCPB 产生的底部表面比 ECM-CPB 更平坦。

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图 10. 材料形状变化的对比。(a) ECM-NCPB。(b) ECM-CPB。
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图 11. L3 采样线中加工轮廓示意图。

从上述仿真结果分析可得，ECM-NCPB 形成了受限的液桥，这限制了电解液的横向扩散并定义了电化学反应的有效边界。受液桥几何形态的约束，电极间电场集中在目标加工区域内，电化学溶解仅发生在电解液膜覆盖工件的地方。根据沿采样线 L2 的电流密度分布，ECM-NCPB 在加工边缘区域附近产生了陡峭的电流密度梯度。外围区域电流密度的快速衰减抑制了目标区域外的非预期阳极溶解，并实现了对杂散腐蚀的有效抑制。可以通过改变电解液膜的厚度灵活调整加工区域。需要注意的是，当前仿真未纳入液桥的动态变形。在本工作的后续实验部分，通过调整最小电解液膜厚度，成功制备了不同宽度的浅槽，这进一步验证了电解液膜形态对加工边界和杂散腐蚀的调节作用。

3.3. 不同 MFS 球电导率的仿真结果
为了进一步探索 ECM-NCPB 相对于 ECM-CPB 的优势，进行了非接触多孔球情况下不同 MFS 球电导率的仿真。凹坑的仿真结果如图 12 所示。从图中可以看出，随着 MFS 球电导率的增加，腐蚀形貌的深度增加，而通道底部表面的凸起减少。ECM-NCPB 不要求吸液材料绝缘，这与 ECM-CPB 不同（如果 ECM-CPB 使用导电材料会导致短路）。如果未来的研究能够确定合适的导电电解液吸收材料，该方法的效率将进一步提高，从而导致该技术应用的扩展。

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图 12. 使用 ECM-NCPB 在不同 MFS 球电导率下的腐蚀形貌示意图。

3.4. 考虑氧气生成的仿真
在传统电解加工中，工件表面产生氧气，而工具表面产生氢气，气体可以降低含气电解液的电导率。然而，在两种电解加工方法的仿真模型中，由于上方工具电极产生的氢气被隔离在 3D 打印管内，因此未考虑氢气的生成及其对电解液电导率的影响。进行了一项 1 分钟的仿真来分析这些现象，重点是氧气生成对加工的影响。
当忽略工具阴极表面产生的氢气时，工件阳极表面的氧气生成速率 $N_{O2}$ 可通过以下方程获得 [29]。
(4) $N_{O2}|_{\Gamma_1}=\frac{j_n M_{O2}}{Z_{O2}F}$
其中 $j_n$ 代表电流密度，$M_{O2}$ 表示氧气的摩尔质量，$Z_{O2}$ 表示氧气的电荷数，通常设为 4，$F$ 是法拉第常数，设为 96500 [C/mol]。
通过考虑氧气气体的分布并忽略温度升高的影响，可使用以下方程确定电导率 ($\kappa$) [29]。
(5) $\kappa=\kappa_0 (1-\beta)^{3/2}$
其中 $\kappa_0$ 表示无氧气气泡时的电解液电导率，$\beta$ 代表氧气占据的体积分数。
说明氧气生成的仿真结果如图 13 所示。在 ECM-CPB 中，受限的狭窄间隙导致氧气积聚在支撑电解液弯月面的液桥附近，这很容易损坏弯月面结构。得益于间隙，在 ECM-NCPB 中氧气向 MFS 球扩散，避免了稳定弯月面处严重的气泡积聚，这有利于减少液桥的不稳定性。由于当前仿真未包含液桥变形，气泡液桥相互作用的定量研究将在未来研究的后续多物理场耦合模型中探索。考虑氧气生成影响电解液电导率后的 1 分钟仿真时间的腐蚀形貌如图 14 所示。ECM-CPB 在凹坑的加工中心区域未产生可见的加工痕迹。相反，与 ECM-CPB 相比，ECM-NCPB 可以侵蚀凹坑的加工中心区域。此外，对于两种方法的加工中心区域，整体趋势与图 11 所示的仿真结果趋势保持一致，而 ECM-CPB 在加工边缘区域产生了更深的深度。

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图 13. 仿真中氧气生成的示意图。
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图 14. 考虑氧气生成时的腐蚀形貌示意图。

4. 实验程序
实验平台如图 15 所示。使用数控机床 (KitMill CL420, ORIGINALMIND INC.) 控制 MFS 球单元和工件的相对移动。加工过程中的加工电压和电流由示波器 (TBS2000, Tektronix) 进行。使用直流 (DC) 电源为电解加工过程提供能量。使用 CCD 相机 (GP304K, Gaopin) 观察加工现象。为了评估加工结果，使用显微镜 (VW-9000, Keyence) 检查了加工表面。随后，利用轮廓测量系统 (CV3100S4, Mitutoyo) 对横截面轮廓进行量化。

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图 15. 实验平台。

4.1. 不同电解加工方法的实验
为了验证两种电解加工方法的仿真结果，在静止的工件和不同电解加工方法下的 MFS 球上进行了实验。表 2 列出了实验参数。市售的由粘土和麦饭石烧结而成的多孔球直径约为 10 mm，内部随机分布着不连通的微孔，特征平均孔径为 16.6 μm，微孔面积比为 2.7%。微孔覆盖的面积约占总面积的 2.7% [23]。众所周知，在不同加工间隙下，电解液膜形态存在差异。为了确保实验程序的统一性，认为有必要人为设计底部的最小电解液膜厚度作为实验电解液膜厚度的参数。该参数可以使用 CCD 显微镜准确观察，如图 16 所示。在最小电解液膜厚度为 5 mm，加工时间为 60 s 的情况下，使用两种电解加工方法进行了对比实验。

表 2. 不同电解加工方法的实验参数。
| 参数 | 值 |
| :--- | :--- |
| 工件 | SUS304 板，100 × 100× 5 mm，抛光后 Ra 0.2 ～ 0.4 μm |
| 吸收材料 | MFS 球 |
| 电极材料 | SUS304 |
| 电解液 | 20 wt% NaNO3 水溶液 |
| 加工时间 | 60 s |
| 加工电压 | 30 V |
| 最小电解液膜厚度 | 5 mm |
| MFS 球与工件之间的加工间隙 | 1, 0.5, 0 mm |

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图 16. ECM-NCPB 和 ECM-CPB 在加工前和加工 60 秒后的实验快照。

从加工前后的实验快照可以看出，电解液膜的形态没有显示出任何显著变化，且两者均可稳定运行。ECM-NCPB 析出的盐比 ECM-CPB 多。这是因为 ECM-NCPB 保留了 1 mm 的加工间隙，导致仅通过多孔球的毛细效应电解液更新缓慢，阳极溶解金属离子在受限间隙中持续积聚，导致局部电解液快速过饱和并大量析出盐。相比之下，ECM-CPB 采用多孔球与工件紧密附着来加速电解液更新，减少离子富集，并抑制盐析出。此外，大多数不溶性反应产物在重力作用下沉入加工凹坑中，而不是持续阻塞加工间隙。MFS 球持续供应新鲜电解液缓解了严重堵塞，使毛细液桥保持完好并保证工艺稳定性。然而，残留沉淀物可能会附着在加工表面上并形成微观缺陷，从而恶化表面质量。此外，反应产物的持续积聚扭曲了局部电场分布并降低了有效电流密度。

需要注意的是，当前研究尚未纳入固体反应产物的输运行为，相关定量研究将在后续工作中开展。当加工完成后，由于MFS球内部的毛细作用，沉淀的盐将逐渐溶解在补充的电解液膜中[20]。两种ECM方法在实验结束时电解液均变得浑浊。这一现象源于电解液部分蒸发、工件材料溶解以及加工过程中泥沙生成等综合效应。如图17所示，两种ECM方法加工的凹坑表明，与ECM-CPB相比，ECM-NCPB在凹坑加工中心区域具有加工更大深度的能力，这可以有效提高加工质量。ECM-CPB无法在加工中心区域完全加工出凹坑。然而，与ECM-CPB相比，ECM-NCPB在凹坑加工边缘区域存在明显的杂散腐蚀。本实验的后续部分将分析和解释这一现象的原因。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图17. 使用两种ECM方法加工的凹坑。图18展示了两种ECM方法产生的凹坑实验横截面形状对比。ECM-CPB产生总宽度为6.11 mm、最大深度为13 μm的凹坑，而ECM-NCPB产生略窄的凹坑，宽度为5.92 mm，最大深度较浅为8 μm。通过与图14中考虑氧气影响的前述模拟结果进行对比，可以发现实验和模拟结果表现出明显的吻合趋势。这表明ECM-NCPB在加工凹坑加工中心区域（宽度约2.54 mm）方面是有效的，而ECM-CPB在凹坑加工边缘区域产生更深的轮廓。通过对比实验和模拟结果，实验结果产生了更深的轮廓，这是因为模拟环境未考虑反应过程中产生的热量和蒸发。如图19所示，由于电化学反产生的大量热量和气泡，实验中也观察到MFS球表面出现局部干燥现象。然而，随着实验的进行，MFS球强大的毛细效应导致环境中的电解液被重新吸收，使表面重新润湿。这一发现进一步说明了MFS球具有显著的电解液吸收能力。下载：下载高分辨率图像（329KB）下载：下载全尺寸图像图18. 两种加工方法凹坑实验横截面形状的对比。下载：下载高分分辨率图像（337KB）下载：下载全尺寸图像图19. MFS球电解液自补充原理示意图。4.2. 不同加工间隙实验为研究ECM-NCPB中加工边缘区域的杂散腐蚀，进行了不同加工间隙的重复实验。如图20所示，实验结果显示，在ECM-CPB中，凹坑的加工中心区域无法被完全加工。相反，凹坑加工边缘区域周围未发现明显的杂散腐蚀。此外，在ECM-NCPB中，0.5 mm的加工间隙使MFS球能够精确控制电解液膜，从而确保更一致且稳定的加工范围，且凹坑加工边缘区域没有明显的杂散腐蚀。当加工间隙增加到1 mm时，加工边缘区域的杂散腐蚀明显。图21展示了不同加工间隙下加工结果的横截面轮廓。0.5 mm加工间隙时加工质量最佳。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图20. 不同加工间隙凹坑实验结果示意图。下载：下载高分辨率图像（300KB）下载：下载全尺寸图像图21. 不同加工间隙凹坑的横截面轮廓。加工过程中的电压和电流波形如图22所示。与其他加工间隙相比，0.5 mm加工间隙时电流较低。这是因为0.5 mm加工间隙在整体加工区域内包含的电解液量最少，由于其人为施加的最小液膜厚度所致。因此，与其他两种加工间隙相比，所得加工直径较小。显然，0.5 mm加工间隙在降低能耗和提高加工质量方面具有明显优势。电解液温度升高引起的蒸发会导致所有加工间隙在加工过程中出现加工电流蠕变。一旦电化学腐蚀达到极限阶段，整体电化学环境将不再像初始阶段那样剧烈。电解液通过MFS球的毛细效应被补充到电化学加工区域，整体实验温度较低，电解液的电导率和温度将缓慢下降。因此，加工电流先达到峰值然后逐渐下降。下载：下载高分辨率图像（388KB）下载：下载全尺寸图像图22. 不同加工间隙加工时电压和电流波形示意图。图23展示了加工间隙为1 mm时加工边缘区域轻微杂散腐蚀的分析。在较大加工间隙过程中，显然加工边缘区域上方含电解液的电流密度极小，导致该区域出现轻微杂散腐蚀。此问题可通过减小加工间隙有效克服。因此，后续实验研究中将采用0.5 mm加工间隙以获得更优的加工质量。下载：下载高分辨率图像（449KB）下载：下载全尺寸图像图23. ECM-NCPB的实验与模拟示意图。4.3. 浅槽加工图24展示了ECM-NCPB下电解液膜的稳定性特征。可以看出，随着MFS球在加工过程中的移动，MFS球与工件之间的整体电解液膜保持稳定。为了实现精密浅槽加工，工艺需要在执行连续重复的相对扫描运动时，在MFS球与工件表面之间维持稳定的电解液膜。实验参数列于表3。下载：下载高分辨率图像（419KB）下载：下载全尺寸图像图24. ECM-NCPB加工过程中电解液膜示意图。表3. 浅槽加工实验参数参数值工件SUS304板，100 × 100 × 5 mm，抛光后Ra 0.2 ～ 0.4 μm吸收材料MFS球电极材料SUS304电解液20 wt% NaNO?水溶液往复方向10 mm往复次数30、60往复速度21 mm/s加工电压25、30 V最小电解液膜厚度3、4、5、6 mm MFS球与工件之间的加工间隙0.5 mm图25展示了不同加工电压和往复次数下的浅槽。在30次往复扫描实验中观察到，无论加工电压设定为25 V还是30 V，产生的浅槽轮廓均不明显。这是因为总电化学反应时间不足以去除工件材料，导致浅槽轮廓不清晰。当往复次数增加到60次时，实验结果表明浅槽具有清晰的轮廓，最大深度达到6 μm。更多的往复扫描意味着更长的总电化学反应时间，因此去除更多材料形成明显的凹槽。下载：下载高分辨率图像（633KB）下载：下载全尺寸图像图25. 不同加工电压和往复次数下的浅槽。(a) 加工结果。(b) 横截面测量结果。（最小电解液膜厚度：5 mm）在ECM-NCPB中，通过用滴管将电解液手动滴加到MFS球上，可以调整工件与MFS球之间电解液膜的厚度，从而加工不同厚度的浅槽。为研究这一特性，进行了不同厚度的扫描实验。加工结果如图26所示。当电解液膜最小厚度为3.0 mm或4.0 mm时，加工形貌基本相同。间隙内有限的电解液体积限制了可电化学溶解的金属总量，因此在这两种厚度值下，加工凹槽的宽度和深度保持较小且几乎相同。当电解液膜厚度增加到5.0 mm和6.0 mm时，加工间隙内保留更多电解液，为持续的阳极溶解提供充足的反应介质。扩大的电解液储库增加了累积材料去除量，导致凹槽宽度和深度同时增加。下载：下载高分辨率图像（739KB）下载：下载全尺寸图像图26. 不同加工宽度的浅槽。(a) 加工结果。(b) 横截面测量结果。（加工电压：30 V）实验结果表明，当使用直径约9.0 mm的MFS球进行可变宽度加工时，最大人为定义加工厚度为6 mm，而当加工宽度为7 mm时，由于底部液膜过大，MFS球的毛细效应不足以维持电解液膜的粘附，在扫描过程中会产生电解液膜变形和电解液泄漏。图27展示了不同长度的加工浅槽。这些浅槽的深度和宽度基本一致。这间接表明，ECM-NCPB在整个加工过程中有效维持了MFS球与工件之间电解液膜的状态，无论加工长度如何。因此，获得了高度一致的浅槽，关键尺寸控制不受加工长度影响。无论是短行程还是长行程扫描，都不会破坏电解液膜或导致局部电解液饥饿/溢出，从而消除了与长度相关的材料去除差异。如图27c所示，从凹槽底部提取的表面粗糙度轮廓在不同长度下表现出相似的波动特征，所有轮廓均在约±2 μm的窄深度范围内波动。相应的定量粗糙度参数汇总于表4：算术平均粗糙度（Ra）范围为0.486 μm至0.567 μm，最大峰谷高度（Rz）从2.798 μm至3.065 μm。这些粗糙度值的微小变化进一步证实了加工长度对该方法加工浅槽的表面质量影响很小。下载：下载高分辨率图像（771KB）下载：下载全尺寸图像图27. 不同加工长度的浅槽。(a) 加工结果。(b) 横截面测量结果。（最小电解液膜厚度：5 mm）。(c) 浅槽表面粗糙度。表4. 不同加工长度下浅槽的粗糙度参数项目长度：10 mm长度：15 mm长度：20 mm算术平均粗糙度（Ra）0.567 μm0.486 μm0.524 μm均方根粗糙度（Rq）0.685 μm0.608 μm0.623 μm最大峰谷高度（Rz）3.065 μm2.911 μm2.798 μm凹槽的表面质量几乎不受加工长度影响，其核心机制在于ECM-NCPB系统能够利用毛细力稳定并束缚电解液膜。在任何长度的往复扫描过程中，MFS球都能持续向小加工间隙输送均匀的电解液，工件所有加工位置的材料去除率保持同步。因此，不同长度凹槽的表面粗糙度差异极小。4.4. 标记加工如前所述，ECM-NCPB的特性已通过数值分析和加工实验的组合得以验证。本节介绍了所提出的标记加工方法，即MFS球沿字母外轮廓进行单次往复运动，从而防止电解液在角落或加工形状突变处泄漏。图28、图29展示了加工结果。显然，三个字母E、C和M的路径长度分别为10、8和16 cm。在排除机器拐角和转向切换时间后，在相同加工速度下，整体加工时间比为5:4:8。此外，字母C的完成度较浅，相比字母E和M，其深度也比字母M浅一半。字母M更宽更深，因为其加工时间更长。

相同的表面深度和形状也可以通过后续调整往复次数或往复速度来实现。下载：下载高分辨率图片（519KB）下载：下载全尺寸图片图28. 金属标记加工实验结果（往复次数：60次；往复速度：21 mm/s；加工电压：30 V；最小电解液膜厚度：5 mm；MFS球与工件之间的加工间隙：0.5 mm）。下载：下载高分辨率图片（426KB）下载：下载全尺寸图片图29. ECM图案加工实验结果。（a）金属标记加工结果照片。（b）截面轮廓。（c）浅刻字的表面粗糙度。此外，从字的底部提取的局部表面粗糙度轮廓（图29c）显示所有三个字母具有相似的波动特征，表明无论字母形状如何，表面质量保持一致。定量粗糙度参数汇总于表5：算术平均粗糙度（Ra）在0.387 μm至0.402 μm之间，均方根粗糙度（Rq）在0.472 μm至0.498 μm之间，最大峰谷高度（Rz）在2.116 μm至2.724 μm之间。这些数值的小幅度变化进一步证实了该方法在处理不同形状时仍能保持稳定的表面质量。表5. 字母的粗糙度参数。项目 E字母 C字母 M字母 算术平均粗糙度（Ra） 0.387 μm 0.398 μm 0.402 μm 均方根粗糙度（Rq） 0.472 μm 0.480 μm 0.498 μm 最大峰谷高度（Rz） 2.168 μm 2.116 μm 2.724 μm 5. 结论本研究提出了一种电解液被多孔球限制且不接触工件的ECM方法（简称ECM-NCPB），以实现金属工件表面的浅凹坑加工。通过仿真和实验研究了电解液限制ECM-NCPB与接触式多孔球的不同加工特性。讨论了ECM-NCPB与ECM-CPB相比的差异和优势。可以得出以下结论：（1）ECM-NCPB有效避免了以往实验的复杂准备工作，不需要将工件保持在倒置位置，因此可以最大限度地降低加工设备损坏和实验终止的风险，这使得该方法具有潜在的应用价值。（2）通过仿真和实验研究了静止工件和MFS球条件下两种ECM方法的电化学腐蚀行为。仿真结果表明，ECM-NCPB可以增强浅凹坑加工中心区域的深度。然而，加工边缘区域的深度比接触式多孔球ECM方法更浅。实验结果表明，在ECM-NCPB中，合理的加工间隙有助于提高加工质量，并且在加工过程中电解液膜保持稳定。（3）通过数控机床控制MFS球的运动轨迹，在稳定的加工条件下在工件表面刻蚀了不同长度、宽度和图案的标记。此外，在3-6 mm的厚度范围内，电解液可以维持稳定的液桥，实现连续扫描加工而不断裂液桥。该方法实现了最大6 μm的可加工沟槽深度，并且在10 mm至20 mm的沟槽长度范围内保证了尺寸精度的一致性。（4）电解液限制ECM-CPB要求吸液材料为非导电材料，以避免加工过程中发生短路。相反，保持加工间隙的电解液限制ECM-NCPB消除了加工短路的风险，因此可以使用导电吸液材料。这一优势表明，未来有望使用导电吸水材料来优化电场分布，从而提高加工效率。未来的研究还将进一步探索ECM-NCPB加工高长宽比结构和特征尺寸为10-100 μm的微尺度特征的能力，以充分挖掘所提出的电解液限制ECM方法的实际应用潜力。CRediT作者贡献声明 Kai Song Chen：软件、调查、数据管理。Qingrong Zhang：撰写——初稿、可视化、形式分析、资金获取。Hongping Luo：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法学、资金获取、概念化。Wataru Natsu：监督、资源、项目管理、资金获取、概念化。Kai Song Chen | Qingrong Zhang | Hongping Luo | Wataru Natsu