【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,金屬陣列結(jié)構(gòu)被越來越多的應(yīng)用于航空航天、電子、能源、材料科學(xué)等領(lǐng)域。此類結(jié)構(gòu)往往具有特征結(jié)構(gòu)數(shù)量大、排列密集、加工精度要求高的特點。此外,加工對象多為高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等難加工材料,且多為薄壁零件,加工后要求無重鑄層、無裂紋、無變形,對加工制造技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。模板電解加工利用電解加工技術(shù),通過預(yù)制模板限定加工區(qū)域,可以實現(xiàn)金屬陣列結(jié)構(gòu)的高效加工。本文針對金屬陣列結(jié)構(gòu)的模板電解加工技術(shù),進行了包括電場流場的理論分析,關(guān)鍵加工技術(shù)的提出,典型結(jié)構(gòu)件的工藝探索以及加工試驗等多方面的研究,主要完成了如下內(nèi)容:(1)開展了模板電解加工電場理論分析,建立陽極溶解的數(shù)學(xué)模型,仿真分析了不同模板結(jié)構(gòu)條件下,陽極電流密度的分布情況以及陽極的成形過程。仿真結(jié)果表明模板深寬比對陽極成形過程有著顯著影響。當(dāng)模板深寬比AR0.8時,陽極的截面形貌變化過程為“中凸形凹坑→平底形凹坑→圓弧形凹坑”;而當(dāng)模板深寬比AR≥0.8時,陽極的截面形貌變化過程為“平底形凹坑→圓弧形凹坑”。另一方面,模板深寬比越大,陽極的電化學(xué)蝕除比越高。因此,根據(jù)陣列結(jié)構(gòu)的不同特點,可以選擇不同模板深寬比的模板結(jié)構(gòu)。(2)提出了雙面陰極式模板電解加工技術(shù)和錐形模板孔電解加工技術(shù),以解決陣列群孔結(jié)構(gòu)模板電解加工中的錐度問題。其中,雙面陰極式模板電解加工技術(shù),是利用陰極式模板提高群孔模板電解加工的邊緣蝕除速率,同時雙面對稱加工,顯著減低了群孔的側(cè)壁錐度。錐形模板孔電解加工技術(shù)則是針對厚板工件的加工,通過增大模板孔的開口角度,提高加工區(qū)邊緣位置的電流密度,加快邊緣蝕除速率;同時改善模板孔內(nèi)的流場環(huán)境,提高加工區(qū)電解產(chǎn)物的排出,從而提高模板電解加工的穩(wěn)定性,減小加工孔的錐度。通過仿真分析和加工試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)模板孔的開口加工角度為140°時,模板孔內(nèi)的電場分布和流場環(huán)境均得到了改善;在厚板工件上加工所得孔的錐度,圓度都得到了明顯提高。(3)分析并解決了大面積陣列群孔結(jié)構(gòu)模板電解加工中的流場問題。首先,針對活動模板電解加工中的壓緊圓柱繞流問題進行了理論分析和試驗研究,得出了活動模板電解加工中,壓緊圓柱的橫向間距L_1,縱向間距L_2與壓緊圓柱的直徑D之間的排布關(guān)系。當(dāng)壓緊圓柱滿足L_1≤3D,L_2≥3D的排布要求時,可以保證加工區(qū)電解液流速的大小和一致性。在隨后的加工試驗中,也證實了合理的壓緊圓柱排布,在保證模板與工件緊密貼合的同時,不影響加工的穩(wěn)定性。其次,提出了蛇形流道模板電解加工技術(shù),通過對蛇形流道的優(yōu)化設(shè)計,可以增大模板電解加工的加工面積,并實現(xiàn)了加工區(qū)電解液流速的均勻性。而后在此優(yōu)化流場內(nèi),對直流加工和脈沖加工中,蛇形流道內(nèi)電解液電導(dǎo)率分布情況,進行了理論計算,發(fā)現(xiàn)脈沖加工中電導(dǎo)率的差異極小,并在隨后的加工試驗中證實了這一結(jié)論。當(dāng)使用脈沖電源在蛇形流道內(nèi)進行大面積群孔加工時,群孔結(jié)構(gòu)的孔徑誤差小于0.05 mm,圓度誤差小于15μm。(4)針對纖維增強復(fù)合材料制備過程中,所需的半圓形截面陣列微槽結(jié)構(gòu),開展了模板電解加工理論及試驗研究。通過分析半圓形截面微槽結(jié)構(gòu)的特點,對模板電解加工所需的模板結(jié)構(gòu),以及微槽的成形過程進行了仿真分析,確定了模板結(jié)構(gòu)的深寬比,以及制備模板的材料。根據(jù)干膜的曝光及顯影試驗,優(yōu)選出了微槽結(jié)構(gòu)的干膜曝光時間為2.5 s,顯影時間為180 s,在此基礎(chǔ)上進行了微槽模板的制備。同時,提出了微槽模板電解加工流場的優(yōu)化方案,顯著提高了微槽內(nèi)的電解液流速,改善了微槽內(nèi)的流速一致性。并根據(jù)優(yōu)化方案,進行了專用夾具的設(shè)計與制備。在此基礎(chǔ)上,開展了微槽模板電解加工的正交試驗,優(yōu)選出了模板電解加工的試驗參數(shù)為:加工電壓15 V,脈沖頻率400 Hz,占空比20%,電解液溫度45℃;在此優(yōu)化參數(shù)下,進行了陣列微槽結(jié)構(gòu)的模板電解加工試驗。試驗結(jié)果表明,微槽截面的半徑誤差為4.47μm,最大圓度誤差為8.63μm,可以滿足半圓形截面陣列微槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。(5)開展了典型金屬陣列結(jié)構(gòu)的模板電解加工試驗研究,包括航空發(fā)動機空氣導(dǎo)管阻尼套群孔結(jié)構(gòu),RF寬頻鍍膜設(shè)備中的鉬柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。加工試驗明確了各類零件的模板電解加工工藝,通過對加工結(jié)果的檢測表明,采用模板電解加工技術(shù)可以實現(xiàn)金屬陣列結(jié)構(gòu)的高效加工,并獲得了良好的加工精度。
【圖文】：

、多孔噴油嘴、金屬光柵以及燃料電池電極板等[1-4]。此類零件往往具有特征結(jié)構(gòu)數(shù)量大、密集、加工精度要求高的特點。同時，零件所用材料多為高溫合金、鈦合金、金屬間化合難加工材料，且多為薄壁零件，加工后要求無重鑄層、無裂紋、無變形，對加工制造技術(shù)了極大地挑戰(zhàn)[5-7]。與此同時，作為各領(lǐng)域核心部件，其加工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響產(chǎn)品設(shè)性能[8,9]。下面以陣列群孔結(jié)構(gòu)和陣列微槽結(jié)構(gòu)為列，詳細(xì)闡述金屬陣列結(jié)構(gòu)的特點及應(yīng)用1.1 陣列群孔結(jié)構(gòu)陣列群孔結(jié)構(gòu)是一種常見的零件結(jié)構(gòu)，，通過規(guī)則陣列排布的群孔，以實現(xiàn)特定的功能或零件的性能。例如，柴油發(fā)動機噴油嘴端部的圓形陣列噴孔如圖 1.1（a）所示，其孔徑誤差壁粗糙度及孔的位置精度，將直接影響發(fā)動機的油霧特性，進而影響發(fā)動機的工作性能[10,11]子鍍膜設(shè)備中大量使用如圖 1.1（b）所示的金屬柵網(wǎng)，此類零件中密集分布著群孔陣列，約束粒子束的大小及位置分布，因此對孔徑和孔的位置精度要求極高[12]；同時，由于加工多為 0.5 mm 以下的金屬薄板，在加工密集群孔的過程中極易變形，成為制造領(lǐng)域的一項。

金屬陣列結(jié)構(gòu)模板電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究能需求，同時減輕了零件的質(zhì)量，增強了散熱效果[13-15]。圖 1.2 為空氣導(dǎo)管阻尼套和冷氣導(dǎo)管的群孔結(jié)構(gòu)，這兩種零件均為薄壁類零件，群孔的分布較為密集，對孔的形貌、尺寸及位置精度有較高的要求，而且加工后的零件不得出現(xiàn)裂紋變形等加工缺陷[16-18]；同時，該類零件多采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，進一步加大了加工難度。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG662

【參考文獻】

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本文編號：2711283