【摘要】：機(jī)匣零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其外形特征多為圓筒或圓錐形的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。機(jī)匣零件種類繁多,根據(jù)機(jī)匣零件在發(fā)動(dòng)機(jī)中承擔(dān)的作用不同,其結(jié)構(gòu)形式也存在較大差異。有些機(jī)匣零件表面有大量的凹凸結(jié)構(gòu),如燃燒室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣等,有些機(jī)匣零件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,回轉(zhuǎn)面上沒(méi)有復(fù)雜的凹凸結(jié)構(gòu),如低壓二級(jí)機(jī)匣、燃燒室外機(jī)匣等。鎳基高溫合金材料兼具優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的抗氧化、抗熱腐蝕等綜合性能,已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件重要的服役材料。為了減輕機(jī)身重量,追求更高的熱效率,機(jī)匣零件通常采用薄壁機(jī)構(gòu),其局部壁厚甚至小于1 mm。機(jī)匣零件加工過(guò)程中去除余量大、材料難切削、加工易變形的特點(diǎn)給傳統(tǒng)加工帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。隨著國(guó)防工業(yè)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)需求量和使用性能的不斷提升,根據(jù)機(jī)匣零件不同結(jié)構(gòu)特征的加工需求,尋找合適、高效的先進(jìn)加工工藝方法具有極其重要的意義。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)中高溫合金機(jī)匣零件為研究對(duì)象,針對(duì)機(jī)匣零件凹凸結(jié)構(gòu)型面加工成形和無(wú)凹凸結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)面高效加工的需求,分別提出定點(diǎn)斷電旋印電解加工技術(shù)、環(huán)形深切電解加工技術(shù)和環(huán)形深切電解磨削復(fù)合加工技術(shù),并進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究。論文研究工作主要完成以下內(nèi)容:(1)圍繞鍛造高溫合金機(jī)匣凹凸結(jié)構(gòu)型面的加工需求,提出了定點(diǎn)斷電旋印電解加工技術(shù)。研究了旋印電解加工過(guò)程中,陽(yáng)極表面的電流密度分布規(guī)律。針對(duì)回轉(zhuǎn)體表面凸條結(jié)構(gòu),提出定點(diǎn)斷電法來(lái)保護(hù)陽(yáng)極工件表面的非加工區(qū)域。開(kāi)發(fā)了陽(yáng)極工件材料去除過(guò)程的仿真程序,并通過(guò)凸臺(tái)成形過(guò)程的仿真模擬證實(shí)了定點(diǎn)斷電法對(duì)陽(yáng)極工件表面非加工區(qū)域的保護(hù)作用,得到了優(yōu)化的斷電間隔校正值。最后,以鍛造高溫合金GH4169薄壁回轉(zhuǎn)體工件為加工對(duì)象,開(kāi)展了定點(diǎn)斷電法的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明定點(diǎn)斷電法對(duì)陽(yáng)極工件表面非加工區(qū)域的保護(hù)起到重要作用。通過(guò)采用優(yōu)化的斷電間隔校正值,加工試樣的成形精度和表面質(zhì)量均有較好改善。(2)針對(duì)鍛造高溫合金機(jī)匣無(wú)凹凸結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)面的高效加工需求,提出環(huán)形深切電解加工技術(shù),并優(yōu)化了流場(chǎng)模式和陰極結(jié)構(gòu)。開(kāi)展了環(huán)形深切電解加工的電場(chǎng)仿真研究,結(jié)果表明,環(huán)形深切能夠顯著提高陰、陽(yáng)極間包絡(luò)的加工面積,加工電流也因此得到顯著提升。同時(shí),研究結(jié)果還表明,陽(yáng)極工件材料的去除效率會(huì)隨著陰極工具的切入深度加大而顯著增加。針對(duì)環(huán)形深切電解加工過(guò)程中,極間大量電解產(chǎn)物難以及時(shí)排除的問(wèn)題,提出了內(nèi)噴沖液的流場(chǎng)模式,并進(jìn)行了內(nèi)噴陰極工具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。開(kāi)展了環(huán)形深切電解加工試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,內(nèi)噴沖液流場(chǎng)模式能夠及時(shí)排除電解產(chǎn)物,實(shí)現(xiàn)了陽(yáng)極工件材料去除效率的大幅提高。通過(guò)幾種典型結(jié)構(gòu)形式的回轉(zhuǎn)體零件的環(huán)形深切電解加工試驗(yàn),證明了環(huán)形深切電解加工方法的應(yīng)用潛力。最后,以鍛造高溫合金GH4169回轉(zhuǎn)體工件為加工對(duì)象,進(jìn)行了高30 mm、徑向去除余量12 mm的環(huán)形深切電解加工試驗(yàn),取得良好的效果,其材料去除效速度達(dá)270 mm~3/min。(3)面向鑄造高溫合金機(jī)匣的電解加工,分析了典型鑄造高溫合金K423A的微觀組織結(jié)構(gòu)特征,并研究了K423A在電化學(xué)溶解過(guò)程中的材料去除機(jī)制。K423A的微觀組織結(jié)構(gòu)研究表明,相對(duì)于鍛造高溫合金,鑄造高溫微觀結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,大量碳化物、氧化物及雜質(zhì)顆粒富含在基體材料中。電化學(xué)溶解特性的研究表明,相對(duì)于鍛造高溫合金,鑄造高溫合金能夠獲得更高的電流效率,展示了電解加工技術(shù)在高效加工鑄造高溫合金材料中的應(yīng)用潛力。然而,研究結(jié)果也表明,由于鑄造合金材料基體中大量難溶性微觀顆粒的存在,導(dǎo)致鑄造高溫合金材料的電解加工試樣表面質(zhì)量明顯較差。(4)面向鑄造機(jī)匣無(wú)凹凸結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)面的高效加工需求,提出深切電解磨削復(fù)合加工技術(shù),并研究了復(fù)合加工過(guò)程中陽(yáng)極材料的去除機(jī)制。針對(duì)鑄造高溫合金材料中難溶性成份導(dǎo)致其電解加工表面質(zhì)量較差的問(wèn)題,采用深切電解磨削復(fù)合加工技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄造高溫合金材料的高速電化學(xué)溶解的同時(shí),對(duì)基體中難溶性成份的磨削作用。為此,開(kāi)展了陽(yáng)極材料去除機(jī)理的試驗(yàn)研究,建立了鑄造高溫合金在電解磨削復(fù)合加工過(guò)程中的材料去除模型,揭露了機(jī)械磨削在鑄造高溫合金材料去除過(guò)程中的作用。此外,還開(kāi)展了不同加工參數(shù)下的電解磨削復(fù)合加工試驗(yàn),探討了陰極工具的轉(zhuǎn)速、磨粒粒度對(duì)加工電流及加工效率的影響。(5)根據(jù)深切電解磨削復(fù)合加工的特點(diǎn)和工藝需求,研制了電解液的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接裝置,并設(shè)計(jì)了多自由度控制的輔助沖氣裝置。為實(shí)現(xiàn)內(nèi)噴陰極工具在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí),對(duì)加工間隙進(jìn)行穩(wěn)定供液,設(shè)計(jì)了精密的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接裝置。設(shè)計(jì)了多自由度控制的輔助沖氣裝置,以期對(duì)不同大小、不同形狀、不同切深的陽(yáng)極工件實(shí)施任意角度的自由沖氣,以達(dá)到對(duì)回轉(zhuǎn)體零件已加工表面的保護(hù)作用。(6)開(kāi)展了某型號(hào)鑄造高溫合金機(jī)匣零件鑄造余量的環(huán)形深切電解磨削復(fù)合加工試驗(yàn),并針對(duì)鑄造高溫合金機(jī)匣零件的已加工表面極易遭受雜散電流侵蝕的特性,提出氣絕緣的方法保護(hù)已加工表面。通過(guò)建立陽(yáng)極工件腐蝕速率的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化了內(nèi)噴陰極工具的直徑,設(shè)計(jì)了陰極工具的出液口、壁厚等尺寸參數(shù)。進(jìn)行了輔助沖氣的二相流仿真模擬,結(jié)果表明,輔助沖氣能顯著減小電解液的過(guò)渡區(qū)域。最后,對(duì)某型號(hào)鑄造機(jī)匣模擬件的鑄造余量成功開(kāi)展了環(huán)形深切電解磨削復(fù)合加工試驗(yàn),加工效率和表面質(zhì)量均得到有效的改善,陽(yáng)極機(jī)匣零件的材料去除效率達(dá)到191 mm~3/min。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG662;V263
【圖文】：

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文程中，陰極工具始終與陽(yáng)極工件保持一定的間隙，其表常的電解加工過(guò)程中，陰極工具在理論上不會(huì)產(chǎn)生損耗優(yōu)勢(shì)，電解加工被廣泛應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域中，尤其在航空航難成形零件的重要加工技術(shù)之一，如，機(jī)匣、葉片等關(guān)解加工現(xiàn)狀極電解加工技術(shù)外電解加工機(jī)匣零件的工藝方法中，使用多個(gè)仿形塊電加工過(guò)程中，先后采用多個(gè)仿形的塊狀電極，依次在回機(jī)匣零件外型面的復(fù)雜凹凸結(jié)構(gòu)，如圖 1.9 所示。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2744283