脉冲电化学加工：多物理模型

精确加工和表面效果是金属零件制造商的主要问题。非接触式方法的承诺可以用亚毫米精度和干净的表面（几乎所有硬度的金属）进行机械表面，这似乎太好了。但是，这样的方法，脉冲电化学加工（PECM）是使用2016年Comsol会议上提出的数值建模进行详细调查的重点。乐动滚球app下载

什么是电化学加工？

Comsol博客的常规读者可能会记得，有许多电乐动体育赛事播报化学过程可以精确控制金属物体和表面：例如，电镀其中将底物用作阴极，以便可以在底物表面进行电沉积薄层。在电化学加工（ECM）中，该过程反向运行：在底物处施加阳极电流，从而通过电解到电解质溶液中去除金属，该溶液在底物和驱动电流的阴极工具之间流动。

腐蚀工程师可能会通过电极反应将金属损失溶液丢失是一个不良过程，因此想象出于故意导致金属损失可能是不寻常的。一个关键的优势是可以控制材料的去除，从而为制成部分提供精确的形状和表面饰面。在波士顿举行的Comsol会议上发表的研究论文中，布鲁斯·宾厄姆（Bruc乐动滚球app下载e Bingham）和约翰·帕玛尼（John Parmigiani）将电化学加工描述为“高度加速和控制的腐蚀”。

与其他加工方法相比，电化学加工的优势是什么？首先，阴极工具和底物之间没有机械接触。因此，没有机械切割或精加工过程可能发生的刀具压力或断裂的风险。电化学加工可以快速塑造底物，并且由于它通过化学反应而不是机械过程进行，因此诸如底物硬度之类的大机械性能不会直接影响该方法的可行性。由于相同的原因，表面表面表面通常非常干净，因为金属表面的原子层直接反应而无需机械磨损或表面抛光。另外，没有摩擦加热的风险。

电化学加工只能与经历电解反应的导电和电化学反应性材料一起使用，因此通常将其应用于铝或钢等较少贵金属。这种选择性也可以是一种优势，因为可以应用ECM原位使用非导电材料，例如在制造过程中不应加工的聚合物。此外，可以部署聚合物零件，以类似于在电镀中使用掩码的方式引导加工的空间轮廓。

当然，电化学加工也带来了一些挑战。预测底物的电流密度和加工速率的轮廓可能是一个挑战。尽管阴极工具不磨损，但由于电解产物的沉积或表面阻断，可能仍需要刷新它。乐动体育app无法登录电解产生的副产物，例如氢气气泡，也可以中乐动体育app无法登录断电流在基板上的应用。而且，尽管没有摩擦加热，但由于电阻电解质中电流的流动而引起的焦耳加热仍然很明显。

对这些挑战的一种反应是开发脉冲电化学加工，其中阴极工具的施加电流不是恒定的。取而代之的是，电流是在短突发中应用的，该电流与上下移动的工具定时。这有助于在加工过程中刷新工具和底物之间的电解质。如果电解质受到电解的副产品污染，则加工速率可能受到限制或无法控制。乐动体育app无法登录

处理ECM挑战的另一个重要方法是使用仿真来预测实际制造案例中的ECM行为。让我们进一步了解建模可以在优化加工过程中发挥作用的部分。

建模电化学加工过程

几年来，德国萨克森州TechnischeUniversitätChemnitz的Matthias Hackert-Oschätzchen领导的一群研究人员已经使用ComsolMultiphysics®软件开发了电化学加工的模拟。这项研究与安德烈亚斯·舒伯特（Andreas Schubert）和其他研究人员合作。这些研究人员利用了将不同的物理现象结合在单个模型中的能力，以考虑几种相互作用的物理效应，这些效应对于改善对PECM的理解很重要。

对于一个项目，Hackert-Oschätzchen与M. Penzel等人。被认为是一种“精确”的电化学加工方法，能够制造用于冲压或挤出的错综复杂的模具表面几何形状，专门考虑在金属表面中产生小酒窝或“卡洛特”。

ECM可用于制造复杂的几何形状，例如该卡洛特结构的表面。

在这里，使用尖的阴极工具可导致高度局部从工件中删除材料。描述了表面相互作用的详细化学的实验信息通过经验（成列表）函数的方式纳入了模型中，以依赖电解质电导率对间隙厚度的依赖性以及材料去除率对电流密度的依赖性。通过对阴极工具的时间依赖性运动进行建模，研究人员预测了在25分钟溶解不锈钢1.4301在6.2 V施加电压下的加工卡洛特形状的轮廓。工具形状与加工几何形状的轮廓之间的关系产生了有用的信息，以指导进一步的过程设计。

25分钟模拟时间后的归一化电流密度。

在另一项研究中，Hackert-Oschätzchen与M. Kowalick等。研究了不锈钢1.4301的脉冲电化学加工过程中的多物理作用，包括传热和副产物的化学影响。乐动体育app无法登录他们的模型包含了由于通过工具和底物之间狭窄间隙的电解质以及电解质中产生的氢气的体积分数而引起的流体流动的描述。

PECM模拟的2D轴对称几何形状。

氢气是阴极工具上电解反应的副产品。由于氢气气泡不是电导性的，因此在氢气气泡积聚的区域中，总体电解质电导率降低。反过来，这降低了基材上的局部电流密度和加工速率。特别是，横向工作间隙区域被确定为加工速率有限的区域。

根据研究人员的说法，阴极工具的准确预测和优化将取决于考虑降低电流流量的氢副产物的影响，以及由于焦耳加热而引起的温度梯度的热力学效应。乐动体育app无法登录

通过多物理分析，研究小组很容易地包括所有这些效果，并以对ECM流程设计的理解逐渐通过其简单模型开发。

自己尝试：在comsolMultiphysics®中模拟电化学加工

我们受到了Hackert-Oschätzchen集团的理论研究的启发，并将其已发表作品之一开发为一个教程模型，可以帮助其他模拟工程师开始使用ECM模拟。Microbore教程模型的电化学加工来自对2012年米兰Comsol会议介绍中描述的常规（未脉冲）电化学加工模型的研究。乐动滚球app下载

从在线应用程序库或Comsol Multiphysics软件中的应用程序库下载该模型。该示例带有分步说明。

进一步阅读

获取有关此处讨论的完整会议材料中讨论的研究的更多详细信息：

• “冲压和挤压模具的电化学加工过程的瞬态模拟“
• “内部精确几何形状的脉冲电化学加工（PECM）的2D轴对称模拟“

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