【摘要】：機匣零件是航空發(fā)動機的關(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)。機匣零件種類繁多,根據(jù)機匣零件在發(fā)動機中承擔的作用不同,其結(jié)構(gòu)形式也存在較大差異。有些機匣零件表面有大量的凹凸結(jié)構(gòu),如燃燒室機匣、渦輪機匣等,有些機匣零件結(jié)構(gòu)比較簡單,回轉(zhuǎn)面上沒有復(fù)雜的凹凸結(jié)構(gòu),如低壓二級機匣、燃燒室外機匣等。鎳基高溫合金材料兼具優(yōu)異的高溫強度、良好的抗氧化、抗熱腐蝕等綜合性能,已成為航空發(fā)動機機匣零件重要的服役材料。為了減輕機身重量,追求更高的熱效率,機匣零件通常采用薄壁機構(gòu),其局部壁厚甚至小于1 mm。機匣零件加工過程中去除余量大、材料難切削、加工易變形的特點給傳統(tǒng)加工帶來極大的挑戰(zhàn)。隨著國防工業(yè)對航空發(fā)動機需求量和使用性能的不斷提升,根據(jù)機匣零件不同結(jié)構(gòu)特征的加工需求,尋找合適、高效的先進加工工藝方法具有極其重要的意義。本文以航空發(fā)動機中高溫合金機匣零件為研究對象,針對機匣零件凹凸結(jié)構(gòu)型面加工成形和無凹凸結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)面高效加工的需求,分別提出定點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),并進行了大量的理論分析和試驗研究。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匣凹凸結(jié)構(gòu)型面的加工需求,提出了定點斷電旋印電解加工技術(shù)。研究了旋印電解加工過程中,陽極表面的電流密度分布規(guī)律。針對回轉(zhuǎn)體表面凸條結(jié)構(gòu),提出定點斷電法來保護陽極工件表面的非加工區(qū)域。開發(fā)了陽極工件材料去除過程的仿真程序,并通過凸臺成形過程的仿真模擬證實了定點斷電法對陽極工件表面非加工區(qū)域的保護作用,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)體工件為加工對象,開展了定點斷電法的試驗研究,結(jié)果表明定點斷電法對陽極工件表面非加工區(qū)域的保護起到重要作用。通過采用優(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)針對鍛造高溫合金機匣無凹凸結(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)化了流場模式和陰極結(jié)構(gòu)。開展了環(huán)形深切電解加工的電場仿真研究,結(jié)果表明,環(huán)形深切能夠顯著提高陰、陽極間包絡(luò)的加工面積,加工電流也因此得到顯著提升。同時,研究結(jié)果還表明,陽極工件材料的去除效率會隨著陰極工具的切入深度加大而顯著增加。針對環(huán)形深切電解加工過程中,極間大量電解產(chǎn)物難以及時排除的問題,提出了內(nèi)噴沖液的流場模式,并進行了內(nèi)噴陰極工具的設(shè)計和優(yōu)化。開展了環(huán)形深切電解加工試驗研究,結(jié)果表明,內(nèi)噴沖液流場模式能夠及時排除電解產(chǎn)物,實現(xiàn)了陽極工件材料去除效率的大幅提高。通過幾種典型結(jié)構(gòu)形式的回轉(zhuǎn)體零件的環(huán)形深切電解加工試驗,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)體工件為加工對象,進行了高30 mm、徑向去除余量12 mm的環(huán)形深切電解加工試驗,取得良好的效果,其材料去除效速度達270 mm~3/min。(3)面向鑄造高溫合金機匣的電解加工,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在電化學溶解過程中的材料去除機制。K423A的微觀組織結(jié)構(gòu)研究表明,相對于鍛造高溫合金,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。電化學溶解特性的研究表明,相對于鍛造高溫合金,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)面向鑄造機匣無凹凸結(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)合加工過程中陽極材料的去除機制。針對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)量較差的問題,采用深切電解磨削復(fù)合加工技術(shù),實現(xiàn)了對鑄造高溫合金材料的高速電化學溶解的同時,對基體中難溶性成份的磨削作用。為此,開展了陽極材料去除機理的試驗研究,建立了鑄造高溫合金在電解磨削復(fù)合加工過程中的材料去除模型,揭露了機械磨削在鑄造高溫合金材料去除過程中的作用。此外,還開展了不同加工參數(shù)下的電解磨削復(fù)合加工試驗,探討了陰極工具的轉(zhuǎn)速、磨粒粒度對加工電流及加工效率的影響。(5)根據(jù)深切電解磨削復(fù)合加工的特點和工藝需求,研制了電解液的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接裝置,并設(shè)計了多自由度控制的輔助沖氣裝置。為實現(xiàn)內(nèi)噴陰極工具在高速旋轉(zhuǎn)的同時,對加工間隙進行穩(wěn)定供液,設(shè)計了精密的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接裝置。設(shè)計了多自由度控制的輔助沖氣裝置,以期對不同大小、不同形狀、不同切深的陽極工件實施任意角度的自由沖氣,以達到對回轉(zhuǎn)體零件已加工表面的保護作用。(6)開展了某型號鑄造高溫合金機匣零件鑄造余量的環(huán)形深切電解磨削復(fù)合加工試驗,并針對鑄造高溫合金機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已加工表面。通過建立陽極工件腐蝕速率的數(shù)學模型,優(yōu)化了內(nèi)噴陰極工具的直徑,設(shè)計了陰極工具的出液口、壁厚等尺寸參數(shù)。進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渡區(qū)域。最后,對某型號鑄造機匣模擬件的鑄造余量成功開展了環(huán)形深切電解磨削復(fù)合加工試驗,加工效率和表面質(zhì)量均得到有效的改善,陽極機匣零件的材料去除效率達到191 mm~3/min。
【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;V263
【圖文】：

南京航空航天大學博士學位論文程中，陰極工具始終與陽極工件保持一定的間隙，其表常的電解加工過程中，陰極工具在理論上不會產(chǎn)生損耗優(yōu)勢，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)外電解加工機匣零件的工藝方法中，使用多個仿形塊電加工過程中，先后采用多個仿形的塊狀電極，依次在回機匣零件外型面的復(fù)雜凹凸結(jié)構(gòu)，如圖 1.9 所示。

【參考文獻】

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本文編號：2744283