金属阵列结构模板电解加工关键技术研究

发布时间：2020-06-13 14:02

【摘要】：随着科学技术的发展,金属阵列结构被越来越多的应用于航空航天、电子、能源、材料科学等领域。此类结构往往具有特征结构数量大、排列密集、加工精度要求高的特点。此外,加工对象多为高温合金、钛合金、金属间化合物等难加工材料,且多为薄壁零件,加工后要求无重铸层、无裂纹、无变形,对加工制造技术提出了极大的挑战。模板电解加工利用电解加工技术,通过预制模板限定加工区域,可以实现金属阵列结构的高效加工。本文针对金属阵列结构的模板电解加工技术,进行了包括电场流场的理论分析,关键加工技术的提出,典型结构件的工艺探索以及加工试验等多方面的研究,主要完成了如下内容:(1)开展了模板电解加工电场理论分析,建立阳极溶解的数学模型,仿真分析了不同模板结构条件下,阳极电流密度的分布情况以及阳极的成形过程。仿真结果表明模板深宽比对阳极成形过程有着显著影响。当模板深宽比AR0.8时,阳极的截面形貌变化过程为“中凸形凹坑→平底形凹坑→圆弧形凹坑”;而当模板深宽比AR≥0.8时,阳极的截面形貌变化过程为“平底形凹坑→圆弧形凹坑”。另一方面,模板深宽比越大,阳极的电化学蚀除比越高。因此,根据阵列结构的不同特点,可以选择不同模板深宽比的模板结构。(2)提出了双面阴极式模板电解加工技术和锥形模板孔电解加工技术,以解决阵列群孔结构模板电解加工中的锥度问题。其中,双面阴极式模板电解加工技术,是利用阴极式模板提高群孔模板电解加工的边缘蚀除速率,同时双面对称加工,显著减低了群孔的侧壁锥度。锥形模板孔电解加工技术则是针对厚板工件的加工,通过增大模板孔的开口角度,提高加工区边缘位置的电流密度,加快边缘蚀除速率;同时改善模板孔内的流场环境,提高加工区电解产物的排出,从而提高模板电解加工的稳定性,减小加工孔的锥度。通过仿真分析和加工试验发现,当模板孔的开口加工角度为140°时,模板孔内的电场分布和流场环境均得到了改善;在厚板工件上加工所得孔的锥度,圆度都得到了明显提高。(3)分析并解决了大面积阵列群孔结构模板电解加工中的流场问题。首先,针对活动模板电解加工中的压紧圆柱绕流问题进行了理论分析和试验研究,得出了活动模板电解加工中,压紧圆柱的横向间距L_1,纵向间距L_2与压紧圆柱的直径D之间的排布关系。当压紧圆柱满足L_1≤3D,L_2≥3D的排布要求时,可以保证加工区电解液流速的大小和一致性。在随后的加工试验中,也证实了合理的压紧圆柱排布,在保证模板与工件紧密贴合的同时,不影响加工的稳定性。其次,提出了蛇形流道模板电解加工技术,通过对蛇形流道的优化设计,可以增大模板电解加工的加工面积,并实现了加工区电解液流速的均匀性。而后在此优化流场内,对直流加工和脉冲加工中,蛇形流道内电解液电导率分布情况,进行了理论计算,发现脉冲加工中电导率的差异极小,并在随后的加工试验中证实了这一结论。当使用脉冲电源在蛇形流道内进行大面积群孔加工时,群孔结构的孔径误差小于0.05 mm,圆度误差小于15μm。(4)针对纤维增强复合材料制备过程中,所需的半圆形截面阵列微槽结构,开展了模板电解加工理论及试验研究。通过分析半圆形截面微槽结构的特点,对模板电解加工所需的模板结构,以及微槽的成形过程进行了仿真分析,确定了模板结构的深宽比,以及制备模板的材料。根据干膜的曝光及显影试验,优选出了微槽结构的干膜曝光时间为2.5 s,显影时间为180 s,在此基础上进行了微槽模板的制备。同时,提出了微槽模板电解加工流场的优化方案,显著提高了微槽内的电解液流速,改善了微槽内的流速一致性。并根据优化方案,进行了专用夹具的设计与制备。在此基础上,开展了微槽模板电解加工的正交试验,优选出了模板电解加工的试验参数为:加工电压15 V,脉冲频率400 Hz,占空比20%,电解液温度45℃;在此优化参数下,进行了阵列微槽结构的模板电解加工试验。试验结果表明,微槽截面的半径误差为4.47μm,最大圆度误差为8.63μm,可以满足半圆形截面阵列微槽结构的设计要求。(5)开展了典型金属阵列结构的模板电解加工试验研究,包括航空发动机空气导管阻尼套群孔结构,RF宽频镀膜设备中的钼栅网结构。加工试验明确了各类零件的模板电解加工工艺,通过对加工结果的检测表明,采用模板电解加工技术可以实现金属阵列结构的高效加工,并获得了良好的加工精度。
【图文】：

位置分布,群孔,阵列,工业

、多孔喷油嘴、金属光栅以及燃料电池电极板等[1-4]。此类零件往往具有特征结构数量大、密集、加工精度要求高的特点。同时，零件所用材料多为高温合金、钛合金、金属间化合难加工材料，且多为薄壁零件，加工后要求无重铸层、无裂纹、无变形，对加工制造技术了极大地挑战[5-7]。与此同时，作为各领域核心部件，其加工质量的优劣，直接影响产品设性能[8,9]。下面以阵列群孔结构和阵列微槽结构为列，详细阐述金属阵列结构的特点及应用1.1 阵列群孔结构阵列群孔结构是一种常见的零件结构，，通过规则阵列排布的群孔，以实现特定的功能或零件的性能。例如，柴油发动机喷油嘴端部的圆形阵列喷孔如图 1.1（a）所示，其孔径误差壁粗糙度及孔的位置精度，将直接影响发动机的油雾特性，进而影响发动机的工作性能[10,11]子镀膜设备中大量使用如图 1.1（b）所示的金属栅网，此类零件中密集分布着群孔阵列，约束粒子束的大小及位置分布，因此对孔径和孔的位置精度要求极高[12]；同时，由于加工多为 0.5 mm 以下的金属薄板，在加工密集群孔的过程中极易变形，成为制造领域的一项。

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金属阵列结构模板电解加工关键技术研究能需求，同时减轻了零件的质量，增强了散热效果[13-15]。图 1.2 为空气导管阻尼套和冷气导管的群孔结构，这两种零件均为薄壁类零件，群孔的分布较为密集，对孔的形貌、尺寸及位置精度有较高的要求，而且加工后的零件不得出现裂纹变形等加工缺陷[16-18]；同时，该类零件多采用钛合金、高温合金等难加工材料，进一步加大了加工难度。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG662

【参考文献】