高温合金机匣电解加工技术基础研究

发布时间：2020-07-06 23:20

【摘要】：机匣零件是航空发动机的关键部件之一,其外形特征多为圆筒或圆锥形的回转体结构。机匣零件种类繁多,根据机匣零件在发动机中承担的作用不同,其结构形式也存在较大差异。有些机匣零件表面有大量的凹凸结构,如燃烧室机匣、涡轮机匣等,有些机匣零件结构比较简单,回转面上没有复杂的凹凸结构,如低压二级机匣、燃烧室外机匣等。镍基高温合金材料兼具优异的高温强度、良好的抗氧化、抗热腐蚀等综合性能,已成为航空发动机机匣零件重要的服役材料。为了减轻机身重量,追求更高的热效率,机匣零件通常采用薄壁机构,其局部壁厚甚至小于1 mm。机匣零件加工过程中去除余量大、材料难切削、加工易变形的特点给传统加工带来极大的挑战。随着国防工业对航空发动机需求量和使用性能的不断提升,根据机匣零件不同结构特征的加工需求,寻找合适、高效的先进加工工艺方法具有极其重要的意义。本文以航空发动机中高温合金机匣零件为研究对象,针对机匣零件凹凸结构型面加工成形和无凹凸结构回转面高效加工的需求,分别提出定点断电旋印电解加工技术、环形深切电解加工技术和环形深切电解磨削复合加工技术,并进行了大量的理论分析和试验研究。论文研究工作主要完成以下内容:(1)围绕锻造高温合金机匣凹凸结构型面的加工需求,提出了定点断电旋印电解加工技术。研究了旋印电解加工过程中,阳极表面的电流密度分布规律。针对回转体表面凸条结构,提出定点断电法来保护阳极工件表面的非加工区域。开发了阳极工件材料去除过程的仿真程序,并通过凸台成形过程的仿真模拟证实了定点断电法对阳极工件表面非加工区域的保护作用,得到了优化的断电间隔校正值。最后,以锻造高温合金GH4169薄壁回转体工件为加工对象,开展了定点断电法的试验研究,结果表明定点断电法对阳极工件表面非加工区域的保护起到重要作用。通过采用优化的断电间隔校正值,加工试样的成形精度和表面质量均有较好改善。(2)针对锻造高温合金机匣无凹凸结构回转面的高效加工需求,提出环形深切电解加工技术,并优化了流场模式和阴极结构。开展了环形深切电解加工的电场仿真研究,结果表明,环形深切能够显著提高阴、阳极间包络的加工面积,加工电流也因此得到显著提升。同时,研究结果还表明,阳极工件材料的去除效率会随着阴极工具的切入深度加大而显著增加。针对环形深切电解加工过程中,极间大量电解产物难以及时排除的问题,提出了内喷冲液的流场模式,并进行了内喷阴极工具的设计和优化。开展了环形深切电解加工试验研究,结果表明,内喷冲液流场模式能够及时排除电解产物,实现了阳极工件材料去除效率的大幅提高。通过几种典型结构形式的回转体零件的环形深切电解加工试验,证明了环形深切电解加工方法的应用潜力。最后,以锻造高温合金GH4169回转体工件为加工对象,进行了高30 mm、径向去除余量12 mm的环形深切电解加工试验,取得良好的效果,其材料去除效速度达270 mm~3/min。(3)面向铸造高温合金机匣的电解加工,分析了典型铸造高温合金K423A的微观组织结构特征,并研究了K423A在电化学溶解过程中的材料去除机制。K423A的微观组织结构研究表明,相对于锻造高温合金,铸造高温微观结构更为复杂,大量碳化物、氧化物及杂质颗粒富含在基体材料中。电化学溶解特性的研究表明,相对于锻造高温合金,铸造高温合金能够获得更高的电流效率,展示了电解加工技术在高效加工铸造高温合金材料中的应用潜力。然而,研究结果也表明,由于铸造合金材料基体中大量难溶性微观颗粒的存在,导致铸造高温合金材料的电解加工试样表面质量明显较差。(4)面向铸造机匣无凹凸结构回转面的高效加工需求,提出深切电解磨削复合加工技术,并研究了复合加工过程中阳极材料的去除机制。针对铸造高温合金材料中难溶性成份导致其电解加工表面质量较差的问题,采用深切电解磨削复合加工技术,实现了对铸造高温合金材料的高速电化学溶解的同时,对基体中难溶性成份的磨削作用。为此,开展了阳极材料去除机理的试验研究,建立了铸造高温合金在电解磨削复合加工过程中的材料去除模型,揭露了机械磨削在铸造高温合金材料去除过程中的作用。此外,还开展了不同加工参数下的电解磨削复合加工试验,探讨了阴极工具的转速、磨粒粒度对加工电流及加工效率的影响。(5)根据深切电解磨削复合加工的特点和工艺需求,研制了电解液的旋转转接装置,并设计了多自由度控制的辅助冲气装置。为实现内喷阴极工具在高速旋转的同时,对加工间隙进行稳定供液,设计了精密的旋转转接装置。设计了多自由度控制的辅助冲气装置,以期对不同大小、不同形状、不同切深的阳极工件实施任意角度的自由冲气,以达到对回转体零件已加工表面的保护作用。(6)开展了某型号铸造高温合金机匣零件铸造余量的环形深切电解磨削复合加工试验,并针对铸造高温合金机匣零件的已加工表面极易遭受杂散电流侵蚀的特性,提出气绝缘的方法保护已加工表面。通过建立阳极工件腐蚀速率的数学模型,优化了内喷阴极工具的直径,设计了阴极工具的出液口、壁厚等尺寸参数。进行了辅助冲气的二相流仿真模拟,结果表明,辅助冲气能显著减小电解液的过渡区域。最后,对某型号铸造机匣模拟件的铸造余量成功开展了环形深切电解磨削复合加工试验,加工效率和表面质量均得到有效的改善,阳极机匣零件的材料去除效率达到191 mm~3/min。
【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;V263
【图文】：

机匣,电解加工,仿形,电极

南京航空航天大学博士学位论文程中，阴极工具始终与阳极工件保持一定的间隙，其表常的电解加工过程中，阴极工具在理论上不会产生损耗优势，电解加工被广泛应用工业领域中，尤其在航空航难成形零件的重要加工技术之一，如，机匣、叶片等关解加工现状极电解加工技术外电解加工机匣零件的工艺方法中，使用多个仿形块电加工过程中，先后采用多个仿形的块状电极，依次在回机匣零件外型面的复杂凹凸结构，如图 1.9 所示。

【参考文献】