【摘要】：隨著科學技術的發(fā)展,金屬陣列結構被越來越多的應用于航空航天、電子、能源、材料科學等領域。此類結構往往具有特征結構數量大、排列密集、加工精度要求高的特點。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,對加工制造技術提出了極大的挑戰(zhàn)。模板電解加工利用電解加工技術,通過預制模板限定加工區(qū)域,可以實現金屬陣列結構的高效加工。本文針對金屬陣列結構的模板電解加工技術,進行了包括電場流場的理論分析,關鍵加工技術的提出,典型結構件的工藝探索以及加工試驗等多方面的研究,主要完成了如下內容:(1)開展了模板電解加工電場理論分析,建立陽極溶解的數學模型,仿真分析了不同模板結構條件下,陽極電流密度的分布情況以及陽極的成形過程。仿真結果表明模板深寬比對陽極成形過程有著顯著影響。當模板深寬比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,陽極的電化學蝕除比越高。因此,根據陣列結構的不同特點,可以選擇不同模板深寬比的模板結構。(2)提出了雙面陰極式模板電解加工技術和錐形模板孔電解加工技術,以解決陣列群孔結構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,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壁錐度。錐形模板孔電解加工技術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;同時改善模板孔內的流場環(huán)境,提高加工區(qū)電解產物的排出,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發(fā)現,當模板孔的開口加工角度為140°時,模板孔內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構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行了理論分析和試驗研究,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之間的排布關系。當壓緊圓柱滿足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。在隨后的加工試驗中,也證實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,通過對蛇形流道的優(yōu)化設計,可以增大模板電解加工的加工面積,并實現了加工區(qū)電解液流速的均勻性。而后在此優(yōu)化流場內,對直流加工和脈沖加工中,蛇形流道內電解液電導率分布情況,進行了理論計算,發(fā)現脈沖加工中電導率的差異極小,并在隨后的加工試驗中證實了這一結論。當使用脈沖電源在蛇形流道內進行大面積群孔加工時,群孔結構的孔徑誤差小于0.05 mm,圓度誤差小于15μm。(4)針對纖維增強復合材料制備過程中,所需的半圓形截面陣列微槽結構,開展了模板電解加工理論及試驗研究。通過分析半圓形截面微槽結構的特點,對模板電解加工所需的模板結構,以及微槽的成形過程進行了仿真分析,確定了模板結構的深寬比,以及制備模板的材料。根據干膜的曝光及顯影試驗,優(yōu)選出了微槽結構的干膜曝光時間為2.5 s,顯影時間為180 s,在此基礎上進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,顯著提高了微槽內的電解液流速,改善了微槽內的流速一致性。并根據優(yōu)化方案,進行了專用夾具的設計與制備。在此基礎上,開展了微槽模板電解加工的正交試驗,優(yōu)選出了模板電解加工的試驗參數為: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)化參數下,進行了陣列微槽結構的模板電解加工試驗。試驗結果表明,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構的設計要求。(5)開展了典型金屬陣列結構的模板電解加工試驗研究,包括航空發(fā)動機空氣導管阻尼套群孔結構,RF寬頻鍍膜設備中的鉬柵網結構。加工試驗明確了各類零件的模板電解加工工藝,通過對加工結果的檢測表明,采用模板電解加工技術可以實現金屬陣列結構的高效加工,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構數量大、密集、加工精度要求高的特點。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，對加工制造技術了極大地挑戰(zhàn)[5-7]。與此同時，作為各領域核心部件，其加工質量的優(yōu)劣，直接影響產品設性能[8,9]。下面以陣列群孔結構和陣列微槽結構為列，詳細闡述金屬陣列結構的特點及應用1.1 陣列群孔結構陣列群孔結構是一種常見的零件結構，，通過規(guī)則陣列排布的群孔，以實現特定的功能或零件的性能。例如，柴油發(fā)動機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)動機的油霧特性，進而影響發(fā)動機的工作性能[10,11]子鍍膜設備中大量使用如圖 1.1（b）所示的金屬柵網，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，成為制造領域的一項。

金屬陣列結構模板電解加工關鍵技術研究能需求，同時減輕了零件的質量，增強了散熱效果[13-15]。圖 1.2 為空氣導管阻尼套和冷氣導管的群孔結構，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，進一步加大了加工難度。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG662

【參考文獻】

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本文編號：2711283