钛合金深窄槽电解加工技术基础研究

发布时间：2020-07-19 14:38

【摘要】：钛合金深窄槽结构广泛应用于航空、航天、兵器等行业中,发挥着十分重要的作用。这些深窄槽结构不仅要求具有较小的宽度尺寸,而且要求具有较大的长宽比和深宽比。电解加工技术是以材料的电化学溶解特性为基础,通过氧化还原反应去除工件材料,具有工件材料适应性广、加工速度高、工具阴极无损耗、加工过程无宏观作用力等优点,较适用于难加工材料的加工。随着深窄槽的深宽比、长宽比的增大,电解加工过程中加工间隙内电解液压力沿流程损失增大,电解产物难以排出。同时,工具阴极的长宽比、深宽比也越来越大,阴极制造难度成倍增加且整体刚性也难以保证,从而制约了电解加工技术在钛合金深窄槽中的应用。本文以TB6钛合金深窄槽为研究对象。首先,进行了工件材料的电化学溶解特性和阴极结构对加工过程稳定性影响仿真分析的研究。随后,通过工艺对比试验,优化了电解加工工艺参数。最终,稳定的加工出入口处平均槽宽2.45mm、沿深度方向平均槽宽2.68mm,长宽比11:1的直线深窄槽结构及入口处平均槽宽2.47mm、沿深度方向平均槽宽2.70mm、长宽比15:1的曲线深窄槽结构。具体的研究内容主要包括以下几个方面:1.理论分析及基础试验研究。基于电化学阳极溶解的原理,对TB6钛合金进行了电化学溶解特性基础试验研究,通过分析TB6钛合金在不同成分电解液中的分解电压、ηω-i曲线及表面质量,选取了合适的电解液成分。另外,结合深窄槽结构的特点和电解加工的难点,分析了影响深窄槽电解加工稳定性和加工精度的因素,并采取相应的措施进行改善,为后期的工艺试验研究奠定了理论基础;2.深窄槽电解加工工装夹具设计。为了解决大长宽比、大深宽比阴极刚性差的问题,通过三维软件设计了各种结构的片状阴极,并采用ANSYS流体动力学模块及Static Structural静力学模块对阴极结构进行了变形分析。比较分析各种阴极结构的最大变形量及最大等效应力,优化了阴极结构,使其满足刚性要求。在阴极满足刚性要求的基础上,通过流场数值分析方法,研究了加强筋各参数对加工间隙内电解液流场的影响规律,对比分析仿真结果,最终优选了既能满足整体刚性要求,又能保证电解液流场稳定性的阴极结构;3.直线槽、曲线槽电解加工工艺试验。根据理论分析及仿真分析的结果,开展了不同阴极结构、不同阴极进给模式及不同加工参数的对比试验。通过分析不同结构阴极所能达到的最大进给速度,验证了前期理论分析阴极结构对加工稳定性影响的规律。通过不同阴极进给模式的单因素对比试验,分析了振动参数对加工稳定性及加工精度的影响。最终,综合分析了不同加工参数的试验结果,优选了工艺参数,并加工出满足试验要求的直线、曲线深窄槽结构。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG662
【图文】：

工件表面形貌,工作液,深窄槽,切割加工

（a）工作液浓度 1:20 （b）工作液浓度 1:5图 1.10 不同浓度工作液加工出的工件表面形貌火花线切割加工过程中，丝状电极张力对加工精度、加工效率、表面质量均有此，众多学者尝试采用新的设计方法改进传统丝状电极的控制系统，以扩大电技术在窄槽、窄缝中的应用[37]。台湾学者陈顺同等人通过研究丝状电极张力对规律，设计了一种磁力控制原理的控制系统，并通过工艺试验验证了此系统的所示为采用该控制系统加工出的深窄槽结构，并在继电器上得到应用[38]。图 1.11 继电器样件上的深窄槽结构用电火花线切割加工技术进行难加工材料（镍基高温合金、钛合金）切割时，重、脉冲电源的利用率低。而针对形状尺寸较大，且存在盲腔、盲槽的结构时

深窄槽,阵列

南京航空航天大学硕士学位论文嘉等人通过流场数值仿真分析法，研究了阴极叠加低频振动对流场的影响规律图 1.12 所示的 30 个深窄槽结构的一次性加工[45]。苏格兰拉斯哥大学的 Silva 等电导率与工艺参数的相互关系对窄槽、窄缝加工精度的影响规律，建立并分析的数学模型，基于理论分析，通过工艺试验加工出满足要求的环形阵列窄槽结航天大学的何俊生等人采用图 1.13 所示的成形阴极，对原先电火花加工后，存结构进行了表面处理，基于电化学阳极溶解原理，电解加工技术对于提高表面代的作用[47]。朱荻、徐惠宇等人采用直流电源、低浓度电解液溶液，研究了丝状工具阴极对深窄槽加工稳定性的影响，工艺试验结果证明了丝状阴极可以减死水区，促进了电解液的更新和电解产物的排出，因此也提高了深窄槽加工精

表面形貌,深窄槽,线切割,钛铝合金

南京航空航天大学硕士学位论文过程中电流的变化及切槽的宽度反应加工稳定性，最终选用优化的工艺参数加工出图 1.17 所示的深窄槽结构，深宽比达 20:1，大大的提高了加工效率[57]。曲宁松、贺海东等人开展了钛铝合金电解线切割加工试验，由于钛铝合金是新型的航空材料，前人对其研究相对较少，他们研究了不同电解液成分对加工精度的影响规律，最后采用 1%NaCl+1%NaNO3混合溶液加工出深宽比达 31:1 深窄槽结构[58]。图 1.16 不同加工参数下的表面形貌图(a)Without cathode travelling(b)A=100μm、v=400μm/s (c)A=5μm、f=100Hz(d)U=6V、duration=30nmand period=6μs

【参考文献】