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【太原理工大学】前沿综述 | 多场辅助精密微孔加工:协同效应、表面完整性与技术前沿

2026-06-19 15:54:03

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长三角G60激光联盟导读

各位行业同仁、科研伙伴大家好，本期为大家分享一篇发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上的重磅综述论文，聚焦多场耦合精密微孔加工领域，系统梳理技术机理、应用现状与未来发展方向，一起来学习吧！

文章导读

摘要

微孔加工是高端制造领域的关键技术，对孔径、深径比与加工精度均有着严苛要求，航空发动机气膜冷却孔便是典型应用，其加工质量直接影响发动机冷却效率、疲劳寿命与结构可靠性。电火花钻孔（EDD）等传统加工工艺易产生重熔层、热影响区等缺陷。为此，多场辅助加工成为解决该问题的颠覆性技术。

本文首先将多场辅助工艺划分为后处理强化与加工过程优化两大技术体系，构建统一理论框架，阐释多场耦合协同机理及其在微纳尺度下对工件表面完整性的改善机制。现有研究证实：相较于传统单一场加工工艺，多场复合技术可有效降低表面粗糙度、减少亚表面损伤、抑制裂纹萌生、提升尺寸稳定性。

文章系统评价了主流多场加工方法的优缺点与适用场景，为工艺选型提供依据；同时展望了人工智能自适应控制、柔性微刀具、智能一体化制造系统等前沿发展方向。该综述全面总结了当前领域研究现状，并为后续研究绘制了发展路线图。

部分图文

主要亮点

创新分类体系
首次系统性将多场辅助微孔加工划分为加工后处理强化、加工过程原位优化两大范式，理清领域技术脉络。
机理深度解析
阐明超声、磁场、流场、电化学、热场等多场耦合的协同作用机制，揭示其改善微孔表面、亚表面完整性的微观原理。
全面工艺对比
针对超声复合、磁场复合、流场复合、电化学复合、多场耦合电火花 / 激光 / 电化学钻孔等主流技术，逐一分析优势、短板与适用工况，覆盖航空高温合金、陶瓷基复合材料、医用材料等多种工件。
工程价值突出
聚焦航空发动机气膜冷却孔这一核心应用，解决传统工艺重熔层、微裂纹、尺寸偏差等行业痛点，可直接指导工业生产工艺选型。
前沿方向预判
结合智能制造趋势，提出 AI 参数优化、柔性微加工工具、一站式智能制造等未来发展方向，指明跨学科融合发展路径。
数据支撑详实
汇总大量实验数据，对比不同工艺的表面粗糙度、加工效率、尺寸精度等关键指标，结论具备极强参考性。

图 1 本文逻辑结构图

图 2 超声空化研磨抛光（UCAF）改善重熔层表面粗糙度机理图

图 3 微孔超声复合抛光相关研究

(a) 超声空化研磨抛光（UCAF）(b) 振动增强声空化流(c) 超声辅助磨料流抛光(d) 超声 - 化学复合研磨抛光

图 4 磁场辅助抛光（MFAP）磨损机理图

(a) 颗粒介质三体磨损 (b) 刚性介质二体磨损 (c) 流体介质磨粒磨损

图 5 微孔磁场复合抛光相关研究

(a) 磁流变剪切增稠抛光（MSTP）(b) 磁场辅助化学磨料流抛光(c) 磁场增强化学机械抛光

图 6 材料去除机理图

(a) 水力空化研磨抛光（HCAF）(b) 磨料射流抛光(c) 液膜剪切抛光（LFSP）

图 7 微孔流场复合抛光相关研究

(a) 水力空化研磨抛光（HCAF）(b) 温度辅助水力空化研磨抛光(c) 多相水力空化研磨抛光(d) 自激振荡磨料流抛光（SOAFP）(e) 液态金属驱动磨料流加

工

图 8 磨料射流抛光相关研究

(a) 振动辅助磨料水流抛光(b) 低压磨料水射流抛光(c) 分时双向流磨料水射流抛光

图 9 电化学抛光材料去除与平整化机理图

(a)(b) 电流 - 电压特性与粘性膜理论 (c)(d) 激光选区熔化哈氏合金 X 电化学抛光前后表面形貌 (e)(f) 表面平整化机理

图 10 微孔电化学复合抛光相关研究

(a) 研磨 - 电化学复合加工(b) 柔性阴极电化学加工(c) 电化学机械抛光（ECMP）(d) 超声辅助电化学钻磨（UAECDG）

图 11 超声辅助电火花钻孔（EDD）的三种施加方式

(a) 电极施加超声 (b) 工件施加超声 (c) 工作液施加超声

图 12 超声辅助电火花钻孔相关研究

(a) 超声 + 行星运动辅助电火花钻孔(b) 工作液激发式超声微电火花钻孔(c) 超声圆周振动电火花钻孔(d) 横向超声辅助电火花钻孔(e) 纵扭复合超声电火花钻孔(f) 纵扭超声复合电火花钻孔

图 13 磁场辅助电极间隙排屑示意图

图 14 磁场辅助电火花钻孔相关研究

(a) 单一磁场辅助电火花钻孔(b) 磁场 + 粉末复合电火花钻孔(c) 超声 - 磁场混合辅助电火花钻孔

图 15 激光钻孔（LBD）成孔过程示意图

图 16 流场辅助激光钻孔相关研究

(a) 水下激光钻孔(b) 连续激光 + 同轴水射流复合钻孔(c) 背侧供水辅助激光钻孔

图 17 超声 / 磁场辅助激光钻孔相关研究

(a) 横向磁场 + 浸液复合激光钻孔(b) 纵向磁场 + 半浸液激光钻孔(c) 化学溶液内磁场增强激光钻孔(d) 流场 + 超声 + 多磁场复合激光钻孔

图 18 电化学钻孔（ECD）电极间隙电化学反应示意图

图 19 流场辅助电化学钻孔相关研究

(a) 脉动流电化学钻孔(b) 电解液分流式电化学钻孔(c) 实时流量调控多通道电化学钻孔(d) 前置流道 + 组合管电极电化学钻孔

图 20 超声辅助电化学钻孔相关研究

(a) 超声 + 盘式微工具电化学钻孔(b) 超声辅助掩膜电化学钻孔(c) 集成超声振动的阵列电极电化学钻孔

图 21 电化学放电钻孔（ECDD）原理示意图

图 22 电化学放电钻孔相关研究

(a) 管电极高速电化学放电钻孔(b) 复合式电化学放电钻孔(c) 基于电压方差信号的穿孔检测技术(d) 高速电化学放电钻孔可视化仿真模型(e) 带热障涂层工件的电化学放电钻孔(f) 辅助电极式电化学放电钻孔

结论/展望

传统单一场微孔加工技术受限于深径比提升、结构复杂化、加工质量与成本平衡等问题，已难以满足高端制造需求；多场耦合加工技术通过超声、磁场、流场、电化学、热场等能量场协同作用，可同步提升加工性能与表面质量，是当前最优解决方案。
多场耦合的协同效应是技术核心：不同能量场相互配合，从材料去除方式、微观缺陷抑制、介质输运、排屑冷却等多个维度优化加工过程，大量实验证明该类技术可显著消除重熔层、微裂纹、残余应力等缺陷，全面提升微孔表面与亚表面完整性。
两类技术路线各有优劣：后处理强化工艺整体表面加工质量更优异，适合对精度、表面光洁度要求极高的场景；加工过程原位优化工艺可一步完成钻孔与缺陷控制，工序更简洁、效率更高。不同多场组合工艺有着明确的适用材料、孔径与工况，可根据实际生产需求灵活选型。

（二）未来发展展望

柔性加工工具成为主流
基于流体、柔性结构的微刀具，搭配超声、磁场等辅助场，可适配异形、大深径比复杂微孔，实现全孔道均匀加工。
一站式原位加工是趋势
依托实时传感、多场自适应控制技术，逐步替代 “钻孔 + 后抛光” 两道工序，实现单步高质量成型，降低生产成本、提升量产效率。
人工智能深度赋能
利用 AI 算法优化多场参数组合、挖掘多尺度协同机理，拓展可加工材料范围，进一步突破加工精度与表面质量上限。
多学科交叉融合
机械制造、材料科学、数据科学深度结合，推动智能微制造技术发展；该技术将持续赋能航空发动机、医疗器械、能源装备等核心领域，助力智能制造与绿色制造升级。

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文章原文阅读：https://doi.org/10.1007/s00170-026-18093-7

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