【摘 要】
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为了满足高端制造装备对零件的极端可靠性要求,先进制造业中对各种难加工材料的拉伸状复杂型面应用越来越多,广泛用于交通、模具、航空航天等领域。采用传统机械加工难加工材料拉伸状复杂型面,会因其加工过程中产生残余应力或产生烧伤,难以保证加工精度和加工质量。采用电火花技术加工,会因加工速度比较慢、存在电极损耗,影响成形效率和成形精度。电解加工阴极无损耗,加工效率和表面质量相对较高,因此电解加工已成为难加工材
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(52075409); 陕西省重点研发计划项目(2021GY-272);
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为了满足高端制造装备对零件的极端可靠性要求,先进制造业中对各种难加工材料的拉伸状复杂型面应用越来越多,广泛用于交通、模具、航空航天等领域。采用传统机械加工难加工材料拉伸状复杂型面,会因其加工过程中产生残余应力或产生烧伤,难以保证加工精度和加工质量。采用电火花技术加工,会因加工速度比较慢、存在电极损耗,影响成形效率和成形精度。电解加工阴极无损耗,加工效率和表面质量相对较高,因此电解加工已成为难加工材料、拉伸状复杂型面零件的主要加工方法之一。本文以U71Mn材料拉伸状复杂型面为研究对象,提出电解加工工艺方案,通过设计新的工艺装置、研制新的电解液、通过仿真和实验对工艺参数进行优化等关键技术研究,解决了 U71Mn拉伸状复杂型面加工效率低、表面质量较差的问题。主要研究内容如下:(1)针对现有磨削技术加工U71Mn材料拉伸状复杂型面,具有残余应力、加工效率低、表面质量不够好、成本大的难题,提出电解加工新工艺方案。电解加工工艺是利用U71Mn材料在电解液中的电化学溶解,将工件加工成形。该新方案与磨削技术相比较具有无机械切削力、加工效率高、表面质量好的优点。(2)针对拉伸状复杂型面电解加工设计出新的工艺装置。利用COMSOL仿真软件,基于Navier-Stokes方程中的k-ε模型对间隙流道模型进行流场仿真,依据流场的均匀性对阴极型面进行优化;设计了由前端流道系统、加工夹具系统、后端背压系统和密封系统四部分组成的工艺装置。利用新的工艺装置进行了工艺实验,实验表明,工艺装置的设计合理可靠。(3)研究了 U71Mn材料电解加工电化学特性,研制了新的电解液配方。根据U71Mn材料在不同电解液中的极化曲线,对电化学特性进行研究,初选出电解液的浓度配比;利用电解加工小孔实验进行电解液液配方改进,实验表明,添加络合剂Na2SO4后的电解液加工的孔加工精度较好、效率高。终选复合电解液配方为:5%NaCl+15%NaNO3+2%Na2SO4。(4)对工艺参数进行优化,加工出合格的样件。通过物理场耦合仿真对电解液的入口压力、出口压力、电压进行分析及优化;研究拉伸状复杂型面电解加工的成形规律,分析了不同参数对材料去除率和粗糙度的影响;通过正交实验,利用响应曲面法对实验结果进行多目标优化分析,得出优化后的拉伸状复杂型面加工工艺参数为:脉冲电压25V,占空比70%,脉冲频率800Hz,电解液入口压力0.6MPa,利用优化后的工艺参数加工出合格的样件,其材料去除率为43.5g/min,尺寸偏差为0.58mm,粗糙度Ra为0.44μm。通过电解加工技术实现U71Mn材料拉伸状复杂型面的加工是可行的。可以实现无残余应力、加工效率较高、表面质量较好、成本较低的要求。相对比传统的磨削技术,材料去除率提高了14%,加工效率得以提升;表面粗糙度提高了 78%,表面质量得到了明显改善。
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