薄型中空电极电解切割榫槽的流场设计与工艺研究

摘要

航空航天技术的飞速发展，对材料性能与复杂型腔结构加工提出了更高要求。电解切割加工技术作为提升加工效率的一种全新工艺方法，通过将复杂外形的零件沿工件表面直接分割出来，从而实现航空航天金属复杂结构的净成形或近净成形加工。本文主要针对电解加工间隙内因电解液流动不稳定而出现的杂散腐蚀、切缝不均匀以及短路等加工缺陷，提出了一种流场主动式控制的工艺技术方案，即通过对电解液的进、出路径进行设计规划，从而实现对电解加工区域的电解液流量、压力的实时调控，以此达到改善流场特性，提高加工定域性的目的。选取榫槽这一航空领域广泛应用的结构，通过采用电解切割成型加工方式对其进行流场控制研究。本文的主要内容包括以下几个方面： 首先，建立电解切割成型加工的理论模型。通过分析电解切割加工的机理，提出了阳极金属材料蚀除量模型，由此得出了影响加工效率的关键因素，并结合电解切割加工间隙流场特性的分析，得出了流场改善的相关措施。 然后，进行电解切割榫槽成型流场方案设计。采用有限元法对电解切割榫槽加工中正流式和反流式两种供液方式的间隙流场进行了仿真分析，分别对比两者加工间隙内的流场压力与流速，证实了反流式设计更有优势，更利于电解液流向主动引导，为后续流场主动式控制提供了理论支撑。 其次，设计电解切割加工流场主动式控制的工艺方案。针对榫槽结构电解加工的工艺特性，进行对应工装夹具的设计，实现了对电解液反流式主动导引的供液回路；并设计榫槽结构加工与之配套的工具阴极结构，并基于流固耦合仿真对阴极结构进行优化，提升了阴极结构的整体刚度。 最后，进行电解切割成型加工流场主动式控制的工艺试验。通过在钛合金TC4、高温合金、高温不锈钢材料进行多次实验，探讨了NaCl和NaNO3不同配比的电解液对加工表面形貌的影响，并系统的分析了加工电压、进给速度对切缝宽度与表面粗糙度的影响规律；以及电解液温度对工具阴极进给速度的影响规律，证实了电解切割流场主动式控制工艺方案的可行性。

目录

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第1章绪论

1.1 榫槽型腔构件

1.1.1 榫槽结构的应用

1.1.2 榫槽结构的分类

1.2 榫槽构件的制造技术

1.3 电解加工技术

1.3.1 电解加工原理及工艺特点

1.3.2 电解加工技术的发展

1.4 电解切割成型加工研究的背景和意义

1.5 主要研究内容

第2章 电解切割成型加工理论研究与分析

2.1 电解切割加工原理

2.1.1 电解切割成型加工的基本原理

2.1.2 电解切割加工工艺特性

2.2 阳极金属材料蚀除量模型

2.3 加工间隙中流场的分析与改善

2.3.1 电解切割成型加工间隙中流场的分析

2.3.2 电解切割成型加工间隙流场的改善

2.4 本章小结

第3章 电解切割榫槽成型总体方案

3.1 加工对象和总体方案

3.1.1 总体方案设计需求分析

3.1.2 总体方案设计

3.2 电解加工基本规律

3.2.1 法拉第定律

3.2.2 平衡间隙理论

3.3 基于CFD的间隙流场仿真分析

3.3.1 电解液流动形式分类

3.3.2 间隙流场几何模型的建立

3.3.3 基于FLUNET的间隙流场仿真

3.3.4 流场仿真结果分析

3.4 本章小结

第4章 电解切割成型加工工艺设计

4.1 电解切割成型加工工装设计

4.1.1 流道夹具的设计

4.1.2 加工路径及流道的密封设计

4.2 电解切割榫槽成型加工工具阴极的设计

4.2.1 大长宽比深窄槽加工工艺特性

4.2.2 加强筋数量对阴极整体刚性的影响

4.2.3 加强筋倾角对阴极整体刚度的影响

4.3电解切割加工电极的绝缘

4.4 电解切割加工系统的可行性试验

4.5 本章小结

第5章 电解切割成型加工工艺试验

5.1 实验材料与电解液配比

5.1.1 实验材料的选择

5.1.2 电解液配比

5.2 工艺参数对于切缝宽度的影响

5.2.1 加工电压对平均缝宽的影响

5.2.2 进给速度对切缝平均宽度的影响

5.3 电解液温度随阴极进给速度的影响规律

5.4 本章小结

第6章 结论和展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的成果