【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,金屬陣列結(jié)構(gòu)被越來越多的應(yīng)用于航空航天、電子、能源、材料科學(xué)等領(lǐng)域。此類結(jié)構(gòu)往往具有特征結(jié)構(gòu)數(shù)量大、排列密集、加工精度要求高的特點(diǎn)。此外,加工對象多為高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等難加工材料,且多為薄壁零件,加工后要求無重鑄層、無裂紋、無變形,對加工制造技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。模板電解加工利用電解加工技術(shù),通過預(yù)制模板限定加工區(qū)域,可以實(shí)現(xiàn)金屬陣列結(jié)構(gòu)的高效加工。本文針對金屬陣列結(jié)構(gòu)的模板電解加工技術(shù),進(jìn)行了包括電場流場的理論分析,關(guān)鍵加工技術(shù)的提出,典型結(jié)構(gòu)件的工藝探索以及加工試驗(yàn)等多方面的研究,主要完成了如下內(nèi)容:(1)開展了模板電解加工電場理論分析,建立陽極溶解的數(shù)學(xué)模型,仿真分析了不同模板結(jié)構(gòu)條件下,陽極電流密度的分布情況以及陽極的成形過程。仿真結(jié)果表明模板深寬比對陽極成形過程有著顯著影響。當(dāng)模板深寬比AR0.8時,陽極的截面形貌變化過程為“中凸形凹坑→平底形凹坑→圓弧形凹坑”;而當(dāng)模板深寬比AR≥0.8時,陽極的截面形貌變化過程為“平底形凹坑→圓弧形凹坑”。另一方面,模板深寬比越大,陽極的電化學(xué)蝕除比越高。因此,根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn),可以選擇不同模板深寬比的模板結(jié)構(gòu)。(2)提出了雙面陰極式模板電解加工技術(shù)和錐形模板孔電解加工技術(shù),以解決陣列群孔結(jié)構(gòu)模板電解加工中的錐度問題。其中,雙面陰極式模板電解加工技術(shù),是利用陰極式模板提高群孔模板電解加工的邊緣蝕除速率,同時雙面對稱加工,顯著減低了群孔的側(cè)壁錐度。錐形模板孔電解加工技術(shù)則是針對厚板工件的加工,通過增大模板孔的開口角度,提高加工區(qū)邊緣位置的電流密度,加快邊緣蝕除速率;同時改善模板孔內(nèi)的流場環(huán)境,提高加工區(qū)電解產(chǎn)物的排出,從而提高模板電解加工的穩(wěn)定性,減小加工孔的錐度。通過仿真分析和加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)模板孔的開口加工角度為140°時,模板孔內(nèi)的電場分布和流場環(huán)境均得到了改善;在厚板工件上加工所得孔的錐度,圓度都得到了明顯提高。(3)分析并解決了大面積陣列群孔結(jié)構(gòu)模板電解加工中的流場問題。首先,針對活動模板電解加工中的壓緊圓柱繞流問題進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究,得出了活動模板電解加工中,壓緊圓柱的橫向間距L_1,縱向間距L_2與壓緊圓柱的直徑D之間的排布關(guān)系。當(dāng)壓緊圓柱滿足L_1≤3D,L_2≥3D的排布要求時,可以保證加工區(qū)電解液流速的大小和一致性。在隨后的加工試驗(yàn)中,也證實(shí)了合理的壓緊圓柱排布,在保證模板與工件緊密貼合的同時,不影響加工的穩(wěn)定性。其次,提出了蛇形流道模板電解加工技術(shù),通過對蛇形流道的優(yōu)化設(shè)計,可以增大模板電解加工的加工面積,并實(shí)現(xiàn)了加工區(qū)電解液流速的均勻性。而后在此優(yōu)化流場內(nèi),對直流加工和脈沖加工中,蛇形流道內(nèi)電解液電導(dǎo)率分布情況,進(jìn)行了理論計算,發(fā)現(xiàn)脈沖加工中電導(dǎo)率的差異極小,并在隨后的加工試驗(yàn)中證實(shí)了這一結(jié)論。當(dāng)使用脈沖電源在蛇形流道內(nèi)進(jìn)行大面積群孔加工時,群孔結(jié)構(gòu)的孔徑誤差小于0.05 mm,圓度誤差小于15μm。(4)針對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備過程中,所需的半圓形截面陣列微槽結(jié)構(gòu),開展了模板電解加工理論及試驗(yàn)研究。通過分析半圓形截面微槽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),對模板電解加工所需的模板結(jié)構(gòu),以及微槽的成形過程進(jìn)行了仿真分析,確定了模板結(jié)構(gòu)的深寬比,以及制備模板的材料。根據(jù)干膜的曝光及顯影試驗(yàn),優(yōu)選出了微槽結(jié)構(gòu)的干膜曝光時間為2.5 s,顯影時間為180 s,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了微槽模板的制備。同時,提出了微槽模板電解加工流場的優(yōu)化方案,顯著提高了微槽內(nèi)的電解液流速,改善了微槽內(nèi)的流速一致性。并根據(jù)優(yōu)化方案,進(jìn)行了專用夾具的設(shè)計與制備。在此基礎(chǔ)上,開展了微槽模板電解加工的正交試驗(yàn),優(yōu)選出了模板電解加工的試驗(yàn)參數(shù)為:加工電壓15 V,脈沖頻率400 Hz,占空比20%,電解液溫度45℃;在此優(yōu)化參數(shù)下,進(jìn)行了陣列微槽結(jié)構(gòu)的模板電解加工試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,微槽截面的半徑誤差為4.47μm,最大圓度誤差為8.63μm,可以滿足半圓形截面陣列微槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。(5)開展了典型金屬陣列結(jié)構(gòu)的模板電解加工試驗(yàn)研究,包括航空發(fā)動機(jī)空氣導(dǎo)管阻尼套群孔結(jié)構(gòu),RF寬頻鍍膜設(shè)備中的鉬柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。加工試驗(yàn)明確了各類零件的模板電解加工工藝,通過對加工結(jié)果的檢測表明,采用模板電解加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)金屬陣列結(jié)構(gòu)的高效加工,并獲得了良好的加工精度。
【圖文】：

、多孔噴油嘴、金屬光柵以及燃料電池電極板等[1-4]。此類零件往往具有特征結(jié)構(gòu)數(shù)量大、密集、加工精度要求高的特點(diǎn)。同時，零件所用材料多為高溫合金、鈦合金、金屬間化合難加工材料，且多為薄壁零件，加工后要求無重鑄層、無裂紋、無變形，對加工制造技術(shù)了極大地挑戰(zhàn)[5-7]。與此同時，作為各領(lǐng)域核心部件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響產(chǎn)品設(shè)性能[8,9]。下面以陣列群孔結(jié)構(gòu)和陣列微槽結(jié)構(gòu)為列，詳細(xì)闡述金屬陣列結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用1.1 陣列群孔結(jié)構(gòu)陣列群孔結(jié)構(gòu)是一種常見的零件結(jié)構(gòu)，，通過規(guī)則陣列排布的群孔，以實(shí)現(xiàn)特定的功能或零件的性能。例如，柴油發(fā)動機(jī)噴油嘴端部的圓形陣列噴孔如圖 1.1（a）所示，其孔徑誤差壁粗糙度及孔的位置精度，將直接影響發(fā)動機(jī)的油霧特性，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的工作性能[10,11]子鍍膜設(shè)備中大量使用如圖 1.1（b）所示的金屬柵網(wǎng)，此類零件中密集分布著群孔陣列，約束粒子束的大小及位置分布，因此對孔徑和孔的位置精度要求極高[12]；同時，由于加工多為 0.5 mm 以下的金屬薄板，在加工密集群孔的過程中極易變形，成為制造領(lǐng)域的一項(xiàng)。

金屬陣列結(jié)構(gòu)模板電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究能需求，同時減輕了零件的質(zhì)量，增強(qiáng)了散熱效果[13-15]。圖 1.2 為空氣導(dǎo)管阻尼套和冷氣導(dǎo)管的群孔結(jié)構(gòu)，這兩種零件均為薄壁類零件，群孔的分布較為密集，對孔的形貌、尺寸及位置精度有較高的要求，而且加工后的零件不得出現(xiàn)裂紋變形等加工缺陷[16-18]；同時，該類零件多采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，進(jìn)一步加大了加工難度。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG662

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2711283