【摘 要】
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机匣作为航空发动机的重要零件之一,具有结构复杂、种类繁多、制造难度大、加工周期长等特点,一直是航空航天领域的制造难题。栅格结构机匣是众多机匣种类中的一种,由圆柱或圆锥形壳体和支撑板组成,表面通常具有加强筋,安装座和安装边等复杂轮廓结构。旋印电解加工作为一种适用于复杂薄壁回转体机匣零部件的新型加工技术,对于加工栅格结构机匣具有独特的优势和巨大的潜力。本文紧紧围绕栅格结构机匣旋印电解加工流场展开深入研
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机匣作为航空发动机的重要零件之一,具有结构复杂、种类繁多、制造难度大、加工周期长等特点,一直是航空航天领域的制造难题。栅格结构机匣是众多机匣种类中的一种,由圆柱或圆锥形壳体和支撑板组成,表面通常具有加强筋,安装座和安装边等复杂轮廓结构。旋印电解加工作为一种适用于复杂薄壁回转体机匣零部件的新型加工技术,对于加工栅格结构机匣具有独特的优势和巨大的潜力。本文紧紧围绕栅格结构机匣旋印电解加工流场展开深入研究,开展流场仿真分析,通过多种方式优化流场,有效提升旋印电解加工的加工稳定性。为了进一步提升表面加工质量,掌握材料的溶解特性,研究了钛合金材料在旋印电解加工中的溶解特性。通过研究材料的分步演变过程,总结其成型规律。最后结合上述研究开展旋印电解加工验证试验。本文的主要研究内容如下:(1)对栅格结构机匣零件在旋印电解加工中的流场开展了仿真研究。建立栅格结构机匣零件的数字模型,使用FLUENT软件进行流场仿真分析,在压缩流道的基础上提出新的电解液流动模式来优化流场分布。分别设计了三向电解液流动、阴极内部出液流动、侧流式加阴极内部补液的电解液流动模式。对三种电解液流动模式进行仿真分析,研究发现,侧流式加阴极内部补液的电解液流动模式可以有效消除栅格尖点区域的低流速区,提升流场分布的均匀性,满足旋印电解加工对流场的要求。最后设计了新的供液夹具开展了对比验证试验,取得了良好的效果。栅格结构零件表面的纵向加强筋侧壁锥度减小到6.2°,顶部和根部圆角半径分别减少到1.8mm和2 mm。(2)对复杂栅格结构零件在旋印电解加工中的流场开展了仿真研究。根据先前的研究结果,分析了复杂栅格结构的流场分布特点,对阴极内部出液的反流式和侧流式加阴极内部补液的流动模式进行了仿真研究。根据流场分布非对称的特点,提出了周期性交替换向的电解液流动模式。此外还对夹具压力腔的形状,电解液入口和补液口的压强大小以及流道二次压缩的可行性进行了研究,通过结构优化和改进参数进一步提升了电解液的流速和流场均匀性。使用新的电解液流动模式和优化的加工参数,成功加工出直径为300 mm的复杂高精度栅格结构薄壁回转体零件。加工零件表面栅格结构轮廓清晰,最小壁厚仅为0.7 mm。(3)研究了钛合金材料在旋印电解加工中的溶解特性。使用平板电极电解加工试验系统开展试验研究,通过在平板电极输出波动的电流密度模拟材料在旋印电解加工中的加工状态。观察分析钛合金材料的表面形貌,微观结构和元素组成,揭示了工件在旋转状态下的演变规律。研究转速对表面加工质量的影响,建立了钛合金材料在旋印电解加工中的定性演变模型。研究结果表明,钛合金在低转速下钝化膜均匀破裂,可以得到更好的表面质量。此外使用辅助阳极消除加工中的低电流密度区域,大幅度提升钛合金的表面加工质量。最后根据平板电极电解试验的结果进行了旋印电解验证试验,证明了研究结果的正确性和可靠性。
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