电塑性辅助加工的应用及发展综述

Overview of Applications and Development of Electropulse-Assisted Processing

摘要: 电塑性辅助加工技术作为新型材料加工方法，具有显著优势和广阔应用前景。文章系统阐述了电塑性辅助加工的理论基础、应用领域、国内外发展现状。在理论基础方面，从纯电塑效应、焦耳热效应、集肤效应和磁压缩效应四个方面进行探讨；在应用领域方面，涵盖了金属拉拔、轧制、车削、焊接、弯曲等加工工艺，展示了其在降低拔制力、提高材料塑性、减少板带边裂、提高表面质量、减小切削力等方面的作用。总之，电塑性辅助加工技术为材料加工领域带来了新的发展方向。

Abstract: Electropulse-assisted processing technology, as a novel material processing method, has significant advantages and broad application prospects. This paper systematically elaborates on the theoretical basis, application fields, and the current development status, both domestically and internationally, of electropulse-assisted processing. In terms of theoretical foundation, the discussion covers four aspects: pure electropulse effects, Joule heating effects, skin effects, and magnetic compression effects. In the application domain, it includes processing techniques such as metal drawing, rolling, turning, welding, and bending, demonstrating its roles in reducing drawing force, improving material plasticity, minimizing edge cracking in strips, enhancing surface quality, and decreasing cutting forces. In summary, electropulse-assisted processing technology offers a new direction for development in the field of material processing.

1. 引言

1.1. 研究背景

当金属在变形过程中受到电脉冲的作用时，其变形抗力会显著下降，同时材料的塑性也会得到显著增强。这种现象，即电流脉冲对塑性流动的影响，被称为电塑性效应。1963年，Troistkii和Likhtman首次观察并报道了EPE (电塑性效应)现象[1] [2]。此后，Troistkii及其同事，以及其他俄罗斯学者以及Conrad团队和美国的研究者们，对电子在不同金属中对流动应力的影响进行了广泛研究。Conrad及其团队在美国进行了与电塑性效应相关的研究，包括Varma、Cornwell和Goldman [3]-[5]等研究者的贡献。他们通过实验探究了在塑性流动过程中施加电流脉冲时，漂移电子与位错相互作用的强度及其物理机制。他们提出，电流可能通过改变热活化过程中的力–距离曲线，减少活化体积和自由能。这些研究主要通过两种方式引入漂移电子：一种是持续电流，另一种是高密度电脉冲。众多研究表明，金属的电塑性不是由单一的热效应或非热效应引起的，而是这两种效应共同作用的结果[6]-[10]。Conrad [11]对多种金属材料的电塑性进行了深入研究，发现在产生相同流动应力的情况下，由于非热效应的作用，电塑性中的热效应部分相较于热塑性有所减少，导致整体热效应降低。因此，热效应和非热效应共同塑造了材料的塑性特性。

传统的制造工艺，如拉伸、轧制和冲压，主要依赖热量来减小制造零件所需的力。然而，这些工艺中的预热、中间加热和退火步骤消耗了大量的时间、精力和劳动力。此外，所需的高温常常导致热应力、以及公差控制的下降。因此，电塑性制造加工现在被视为一种简化制造过程并提升最终产品性能的有效方法。深入理解和有效利用电流对制造过程中微观结构演变的影响，对于科学研究、工程实践以及更广泛的工业应用都具有重要意义。本文综述了近年来金属EPMP(电脉冲加工)过程领域的主要研究成果，包括实验和理论两方面的进展。

1.2. 电塑性基本理论

电塑性效应指的是金属在经历塑性变形时，施加电流能够显著降低其变形抗力并提升塑性的现象[12]。尽管众多学者进行了大量研究，并取得了丰硕成果，但在国际学术界，对该效应的具体机理仍未形成一致意见[13]。这一现象的复杂性主要源于脉冲电流引发的材料塑性改善是多种物理效应相互作用的结果。

目前的研究揭示了影响电塑性效应的多种物理机制，这些机制主要分为热效应和非热效应两个方面[14]。

1.2.1. 非热效应

非热效应是电塑性理论研究的重要组成部分，主要通过电子的动力学行为影响金属内部的微观结构，包括以下几个方面：

1) 在脉冲电流作用下，漂移电子与金属原子相互作用，将能量传递给金属原子，从而促进原子运动。这一现象被称为电子风效应。它通过降低位错激活能，促使位错运动，减少位错密度，从而显著降低材料的变形抗力并提升其塑性[15]。

例如，Liu等人对5083铝合金的研究发现，脉冲电流处理后的材料位错线更加平直，几乎没有缠绕现象，这表明电子风效应显著促进了位错的滑移运动[16]。电子风效应的具体作用可以通过以下公式描述：

$f/l=\left[\frac{b}{4}\left(\frac{3n}{2E_F}\right)\frac{{\Delta }^2}{{\nu }_F}\right]\left({\nu }_e-{\nu }_d\right)$ (1)

式中：$f$ 为位错受到的电子风力；$l$ 为位错线长度；$b$ 为柏式矢量值；$n$ 为单位体积的电子数量；$\Delta$ 为材料的形变常数；$E_F$ 为费米能；$v_F$ 为费米速度；$v_c$ 为电子移动速度；${\nu }_d$ 为位错的移动速度。

2) 集肤效应是指当脉冲电流施加到金属材料时，电流分布呈现规律性，并逐渐集中于材料的表面区域。如图1所示，在脉冲电流作用后，工件截面的电流方向逐渐聚集于边缘。这种由于集肤效应引起的电流分布不均直接导致材料塑性的不均匀，尤其是从外向内垂直于电流方向的塑性显著下降。

Figure 1. Variation of (a) cutting force and (b) surface roughness under different discharge voltages

图1. 不同放电电压下(a)切削力及(b)表面粗糙度的变化

尽管集肤效应通常通过交流电(AC)实验进行研究，但研究表明，直流脉冲电流(DC)下同样会产生瞬态集肤效应。在电塑性效应(EPE)中，集肤效应的根本原因在于脉冲电流在材料内产生了交变磁场，从而导致材料内部产生感应电势。这种感应电势从材料中心到边缘逐渐减弱，进一步在与施加电流方向相反的方向上产生感应电流。感应电流与施加电流相互抵消，尤其在材料中心部分抵消效果最强，导致电流聚集在工件边缘，形成集肤效应。

根据麦克斯韦方程，集肤效应的深度可通过以下公式描述[17]：

$\delta ={\left(\pi {\mu }_{m}f/{\rho }_r\right)}^{-1/2}$ (2)

式中：${\mu }_m$ ——导磁率(H/m)；f——脉冲电流频率(Hz)；${\rho }_r$ ——电阻率($\Omega \cdot \text{m}$ )。

3) 磁压缩效应：随着高频脉冲电流的引入，产生的磁场对工件材料内部的原子施加压力，促使原子受力运动，进而促进了金属材料的软化。磁压缩效应产生的应力较小，对塑性材料变形影响不大，并且材料自身感生的磁场强度很小，因此不是造成材料变形过程中流动应力下降的主要原因。

1.2.2. 热效应

电加工中的热效应可分为焦耳热效应、诱导热效应和介电热效应[18]。诱导热的产生需要在施加交变磁场的环境中进行，而由于其是由感应电流产生的焦耳热，因此不考虑诱导热的影响。介电热的产生则需要在激发的交变电场中使用绝缘介电材料，但由于电塑性效应(EPE)需要在脉冲电流中使用金属导电材料，因此在讨论EPE机制时也排除了介电热的考虑。对于给定材料，加载电流后，温升可以表示为：

$T=\frac{{\displaystyle \underset{0}{\overset{t}{\int }}{\rho }_e{I}^2(t)dt}}{c{A}^2\rho }$ (3)

式中：T为温度变化量；$t$ 为时间；${\rho }_e$ 为材料电阻率；$I(t)$ 为瞬间电流值；$c$ 为材料的比热容；$A$ 为试样的截面积；$\rho$ 为材料密度。

对于金属材料，电流产生的焦耳热效应引起材料温度的变化量，$\Delta T$ 可以表示为[19]

(4)

式中：$I$ 为电流；$\rho$ 为材料的电阻率；$C_p$ 为材料的比热容；$t$ 为电流持续时间；$l_0$ 为试样的长度；$A_0$ 为试样的横截面积。

在金属加工过程中，电塑性效应的热效应至关重要。材料可以通过焦耳热效应被热软化，从而降低流动应力，提升材料的塑性[20]-[23]。随着微裂纹处电阻的增加，焦耳热效应的热软化作用得到了进一步放大，这使得裂纹在热应力作用下闭合，从而减少了裂纹的数量和大小[24]-[27]。焦耳热效应还能够为金属内部位错钉扎和相变提供能量[28]，从而促进这些过程的发生[29] [30]。

此外，焦耳热能够加速再结晶的成核过程，降低材料动态再结晶的阈值，并促进再结晶后的成核粗化和扩展。

目前对电塑性效应的研究表明，热效应与非热效应共同决定了电塑性的表现。其中，焦耳热效应在整体中占据较大比重，被认为是电塑性效应的主要原因。而非热效应中的电子风效应已形成较为成熟的理论，经过大量实验验证，其作用机制得到了广泛认可。然而，磁压缩效应和集肤效应仍存在局限性，例如在小截面材料中，集肤效应常被忽略，而磁压缩效应的影响仅在特定条件下显现。未来研究应进一步整合热效应与非热效应的理论，探索两者的耦合关系，并通过实验与数值模拟验证统一理论模型，以推动电塑性效应在材料加工中的广泛应用。

2. 电塑性加工

传统制造工艺，如拉伸、轧制和冲孔，通常依赖于热能来降低与零件制造相关的力。然而，相较于热加工所带来的负面影响，电塑性制造(EP制造)被视为一种有效的节能手段。俄罗斯研究人员已经在金属拉拔与轧制领域实施了这一工艺，其优势已在相关文献中得到验证。Tang [31]-[34]等人对电子塑性拉拔和轧制进行了系列研究，结果证实了EP在金属加工中的积极作用，并指出EP制造过程特别适用于那些在传统制造工艺中难以加工的金属及其合金。例如，王研究员成功地在镁合金上实现了EP冲孔，进一步展示了这一技术的潜力[35]。

2.1. 电塑性拉伸

电塑性拉伸(EPD)是一种材料加工技术，在金属拉拔过程中，电塑性技术能够有效降低拔制力，提升材料的塑性。特别是在不锈钢丝和镁合金丝材的拉拔中，其效果尤为显著，在电塑性拉伸过程中电流可以通过设备施加或直接通过常规接触点施加到材料上。在对不锈钢、铜和钨丝的EPD研究中发现[36]-[42]，通过金属变形区施加的电流脉冲能够显著降低拉伸所需的力。力的减小程度依赖于电流密度、脉冲频率和脉冲方向，这清楚地揭示了极性效应的存在，表1列出了典型的电塑性拉伸实验，包括实验材料、加工参数和实验结论。

Gromov [43]等人报道，电刺激对亚结构的形成具有多重影响，尤其在拉伸08G2S和17GKhAF钢丝时表现出不同的结构层次。最近，Tang及其同事研究了电塑性效应在不同金属冷拔中的应用。他们的研究表明，施加脉冲电流可以显著降低304 L不锈钢的变形抗力。与传统拉拔工艺相比，EPD能够使冷拔钢丝的电阻率降低超过10% (见图2)。

此外，在EPD过程中，低变形速率下铁磁相的形成有所减少，而在没有施加电脉冲的情况下，则会形成大量的应变诱发马氏体(见图3)。

对于镁合金的EPD而言，与传统拉丝工艺相比，所需的拉伸力降低了约25%。在较低温度下，动态再结晶能够在更短的处理时间内发生，从而显著提高了线材的塑性。图4展示了EP绘图系统的示意图。

电塑性拉伸技术能够显著提升材料的延伸率、塑性和屈服强度，同时改善材料的表面质量和力学性能，从而提高整体加工性能。这一过程还降低了丝材与模具之间的摩擦力，进而减少了所需的拉拔力。与传统的拔丝工艺相比，电塑性拉拔可以减少或省略中间的退火步骤，因此这一技术不仅提高了生产效率，还降低了成本和能耗，已成为拉拔工艺中的一种创新解决方案。

Figure 2. 300 Hz current pulse and no current

图2. 300 Hz电流脉冲和无电流

Figure 3. (a) Transmission electron microscopy morphology of martensite and (b) diffraction pattern in martensite

图3. (a) 马氏体的透射电镜形貌以及(b) 马氏体中的衍射图案

Figure 4. Schematic diagram of the electrolytic polishing and drawing process system

图4. 电解抛光和拉拔过程系统示意图

Table 1. Electroplastic tensile experiment and results

表1. 电塑性拉伸实验及结果

材料	加工参数	研究结论	参考文献
MS1300超高强钢	脉冲电流密度6.07~7.14 A/mm²，恒温环境，初始应变速率 1 × 10⁻³ s⁻¹	脉冲电流降低抗拉强度但提高断后伸长率；马氏体分解和碳化物析出降低变形抗力，提高塑性。	[44]
AZ31镁合金板材	脉冲电流密度15~38 A/mm^2，占空比0.5，输出频率50Hz	电流引发动态再结晶，降低流动应力，提高塑性；伸长率先升后降，最优电流密度为15 A/mm²。	[45]
AZ31B镁合金板材	脉冲电流密度111.1~222.2 A/mm^2，频率120~480 Hz，测试温度100~200℃	确认纯电塑性效应存在，促进动态再结晶；建立流变应力模型，动态再结晶提高成形性。	[46]
Ti6554钛合金	脉冲电流密度4.5~13.5 A/mm^2，占空比10%，频率0.1 Hz	通过解耦焦耳热效应和非热效应，发现电流密度越大，非热效应贡献越小；应变越大，非热效应贡献越大。	[47]

2.2. 电塑性轧制

电塑性轧制(EPR)是一种金属成型加工技术。如图5，在EPR中，电流通过滑动接触点施加到相对的轧辊上，或直接施加到材料上。俄罗斯研究人员已经成功生产出符合EPR世界最高标准的钨片。Klimov [48]-[51]等人通过施加电流脉冲，能够在室温无真空条件下将钨板轧制成20至30毫米的条状。Xu [52]等人在室温下应用EP轧制技术成功获得了镁合金带材。在EPR过程中，轧制分离力显著下降，降幅约为8%。动态再结晶现象也在较低温度和较短时间内发生，此外，Mal’tsev [53]针对EPR后技术级金属的性能进行了研究，结果显示，随着变形程度的增加，经过EPR处理的金属在强度和塑性性能上均有所提升。EPR技术还促使TiNi形状记忆合金形成纳米结构，Stolyarov [54]等人也报道了EPR在TiNi合金中的应用，EPR可用于形成多种类型的显微组织，包括混合非晶纳米晶、纳米晶和超细晶显微组织。这些结构类型主要受到脉冲电流密度和塑性应变程度的影响。研究结果表明，EPR技术能够增强TiNi合金的变形能力，同时提高其强度和延展性，表2列出了典型的电塑性轧制实验，包括实验材料、加工参数和实验结论。

Figure 5. Schematic diagram of the electropulse rolling process system

图5. 电塑性轧制工艺系统示意图

Guan [55]等人在室温下对AZ31镁合金进行了大应变EPR变形的研究。结果显示，在热效应与非热效应的共同作用下，晶界处形成了新的小型动态再结晶晶粒，而孪晶区域则由韧性带构成。有趣的是，与对照样品相比，EPR处理样品的c轴从法向朝滚动方向倾斜了约5˚到15˚，同时基底织构的强度略有减弱。

Figure 6. Microstructure of the deformed area after electropulse rolling treatment

图6. 电塑性轧制处理后

采用电塑性轧制技术能够降低变形抗力，显著提高材料的延伸率，同时减小应力，导致屈服强度、抗拉强度和硬度的降低。该工艺操作简便，且电流对材料具有退火效果，使得可以实现多次轧制，从而有效降低能耗并提高生产效率。此外，经过电塑性轧制处理后的材料表现出优良的综合性能，如图6所示。

Table 2. Electroplastic rolling experiment and results

表2. 电塑性轧制实验及结果

材料	加工参数	研究结论	参考文献
304不锈钢	高能脉冲电流，频率范围300~600 Hz，单道次压下量0.2 mm	降低抗力，提升塑性，简化工序。	[56]
V-Ti-Ni合金	脉冲电流密度50~400 A/mm^2，单道次极限压下量达13.3%	脉冲电流提升性能，降低硬度。	[57]
稀土镁合金	同步轧制、异步轧制、电塑性轧制，高应变速率轧制等多种工艺	晶粒细化提升性能，需优化参数。	[58]
Al-Si铸造合金	超声波–电脉冲耦合轧制，频率30 kHz，电流密度102~103 A/cm^2	显著提升表面硬度和光洁度，纳米晶结构层厚度达40微米。	[59]

2.3. 电塑冲孔

电塑性冲孔是一种结合电流与机械冲击的加工技术。在电塑性冲孔(EPP)过程中，电流通过弹性接触的方式施加到相对的模具上，或直接作用于材料。研究表明，电脉冲对AZ31镁合金的拉伸成形具有显著影响。具体而言，脉冲下AZ31镁合金展现出较低的抗变形能力和优良的塑性特征。在200℃的相对较低温度下，EPP技术能够在2.5分钟内实现深度达15 mm，并且在大变形区域内出现动态再结晶现象。

3. 电塑性切削

3.1. 电塑性铣削

Figure 7. Experimental system

图7. 实验系统图

Figure 8. Comparison of surface roughness at different positions under various current densities

图8. 各个电流密度下不同位置表面粗糙度对比图

电塑性铣削是一种结合电流和机械加工的方法。在姜颢天[60]等人的研究中，电塑性效应在钨合金铣削中的显著作用得到了验证：通过采用电塑性铣削(EM)技术，相较于传统铣削(CM)，在加工钨合金时切削力实现了显著降低，最大降幅可达42.12%。尽管提升通电电压对减少切削力有一定的帮助，但当电压从30 V增至90 V时，切削力的降低效果并不明显，降幅仅约为6.60%。黄波涛[61] [62]等进行GH4169高温合金电塑性辅助铣削实验，如图7所示，实验表明，通电条件下边缘位置的铣削效果明显优于中间位置，边缘区域的平均切削力和表面粗糙度均小于中间区域，如图8所示。电塑性铣削在0.2~0.4 mm的切削深度下，Z轴平均切削力降低显著；在0.1~0.3 mm的切削深度下，表面粗糙度降低明显。电塑性铣削相较于普通铣削具有明显优越性。脉冲电流能有效降低铣削过程中的平均切削力和切削温度，提高工件加工质量，降低刀具磨损量。不通电时刀具磨损以磨粒磨损和扩散磨损为主，通入脉冲电流时磨粒磨损减轻，但粘结磨损和氧化磨损加剧，表3列出了典型的电塑切削实验，包括实验材料、加工参数和实验结论。

3.2. 电塑性车削

电塑性车削是一种结合电流与机械切削操作的加工技术。路冬[63]等对TC4钛合金进行了电塑性辅助车削研究，如图9所示，结果表明，与普通车削相比，电塑性辅助车削显著改善了工件的表面质量，同时切削力也显著降低。聂熹等在进行钛合金电塑性辅助车削实验中结果表明，电塑性车削相比普通车削在TC4钛合金加工中具有显著的优越性，主要体现在降低了表面粗糙度和切削力，改善了工件表面质量。电塑性车削工件的表面纹理更加光亮、缜密平整，与普通车削相比有明显改善，如图10所示。范会友[64]等在脉冲电流辅助切削GH4169的切削机理研究中发现，脉冲电流对GH4169合金的应力–应变特性有显著影响，能有效降低材料的屈服强度和流动应力。在塑性变形阶段，应力–应变曲线在脉冲电流作用下呈现锯齿状特征，脉冲电流辅助切削GH4169时，切削力显著降低，切削过程稳定性提高。电流密度与切削力的关系非线性如图11、图12，高电流密度可能导致切削温度升高，进而软化材料，影响切削效果。脉冲电流有助于降低材料内部应力，减少裂纹发生，提高加工表面质量，尤其在高温高应力条件下效果显著。

Figure 9. Experimental system

图9. 实验系统图

Figure 10. Surface texture comparison

图10. 表面纹理对比

Figure 11. Cutting force variation with current density

图11. 切削力随电流密度变化图

Figure 12. Average cutting force variation curve with current density

图12. 平均切削力随电流密度变化曲线

3.3. 多能场耦合加工

Figure 13. Schematic diagram of electropulse-ultrasonic vibration coupled assisted turning

图13. 电塑性–超声振动耦合辅助车削示意图

廖鹏飞[65] [66]等人在基于电塑性–超声振动耦合作用的钛合金车削实验研究(如图13~图14)中得出以下结论：电塑性–超声振动耦合辅助车削相比传统车削和超声振动辅助车削，能显著降低切削力并提升表面质量。在相同背吃刀量条件下，电塑性–超声振动耦合辅助车削进一步减少了三向切削力，且随着背吃刀量的增加，切削力的降低幅度增大，显示了该技术在较大背吃刀量时的优越性。增加放电电压轻微降低了切削力，但显著改善了表面粗糙度Ra值，表明电塑性效应使材料更易切削。但对表面粗糙度Ra值的改善作用较小，说明放电频率对降低切削力有积极作用。

多能场耦合加工技术作为一种前沿制造技术，在特定制造领域中展现出独特的优势，能够实现复杂和个性化的工业设计，具有广泛的应用潜力。尽管这一技术的发展前景广阔，但其内在的耦合机制较为复杂，带来了一系列挑战。

Figure 14. Experimental device for electropulse-ultrasonic vibration coupled assisted turning

图14. 电塑性–超声振动耦合辅助车削实验装置

Table 3. Electroplastic cutting experiment and results

表3. 电塑性轧制实验及结果

材料	加工参数	研究结论	参考文献
GH4169高温合金	脉冲电流密度4.08~17.13 A/mm^2，切削深度0.2~0.4mm，频率200 Hz	相比传统铣削，显著降低切削力，最大降幅达42%；表面粗糙度改善有限，但刀具磨损显著减轻。	[61]
95WNiCu钨合金	通电电压30 V，切削深度0.1~0.3mm	在通电条件下，边缘位置的铣削效果优于中间位置；切削力和表面粗糙度显著降低。	[59]
TC4钛合金	放电电压60 V，脉冲频率100~300 Hz，切削速度42 m/min	脉冲电流辅助切削提高表面质量，切削力降低，同时降低刀具磨损，显著改善加工稳定性。	[62]
钛合金(超声振动耦合)	放电电压80 V，放电频率200 Hz，切削速度38 m/min	耦合技术显著降低切削力，切削力最大下降54%，并在超声基础上进一步改善表面质量	[65]

4. 研究结论总结

本文系统地探讨了电塑性辅助加工技术的理论基础、应用领域以及国内外的发展现状，并得出以下结论：电塑性效应的机理：电塑性效应是多种物理效应共同作用的结果，包括纯电塑性效应、焦耳热效应、集肤效应和磁压缩效应。这些效应共同作用，降低了金属材料的变形抗力并提高其塑性。电塑性辅助加工技术已在金属拉拔、轧制、车削、铣削等多种加工工艺中得到应用，显示出降低拔制力、提高材料塑性、减少板带边裂、提高表面质量、减小切削力等优势。电塑性拉伸：电塑性拉伸技术能有效降低拔制力，提升材料塑性，电塑性轧制：电塑性轧制技术能降低变形抗力，提高材料的延伸率，减小应力，导致屈服强度、抗拉强度和硬度的降低，同时操作简便，具有退火效果，能实现多次轧制，降低能耗，提高生产效率。电塑性冲孔：电塑性冲孔技术能降低材料的抗变形能力，减小所需的冲击力，并提高加工效率和质量。电塑性切削：电塑性铣削和车削技术能显著降低切削力，提升加工表面质量，降低工具磨损，延长工具使用寿命。

电塑性加工的前景：电塑性辅助加工技术为金属加工行业带来了更高的效率和更优的加工质量，未来有望在更广泛的领域中发挥重要作用。

综上所述，电塑性辅助加工技术通过利用电流脉冲影响金属材料的塑性流动，为材料加工领域带来了新的发展方向，具有显著的优势和广阔的应用前景。