基于电火花-电解复合加工方法的微小孔制造

航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的制造一直是难点所在。提出了微小孔电火花-电解同步复合加工方法,通过电火花加工和电化学溶解同步进行,实现小孔的高效无重铸层制造。针对电火花-电解复合加工方法进行了试验研究,观测了复合加工过程中的试验现象,研究了加工过程中的电压电流波形和加工产物成分,计算了电化学溶解作用占复合加工材料去除量的比例,分析了工作液电导率对电极损耗的影响,比较了复合加工与纯电火花加工后的微小孔加工质量。试验结果表明,电火花-电解复合加工可以在微小孔制造完成的同时,有效去除孔壁上的重铸层。提出的方法可以为实现航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔的高效无重铸层制造提供新的解决途径,并可用于其他微小群孔类零部件的加工。     

脉冲气体辅助掩模电解加工技术

表面织构被广泛应用于航空发动机关键零部件中,以提高其散热及润滑效果。掩模电解加工是一种高效加工表面织构的工艺方法,但加工中存在加工产物难以排出、电解液流速不均匀以及加工一致性难以保证等问题。为此,提出一种脉冲气体辅助掩模电解加工的新方法,该方法利用脉冲气体的瞬间冲击力对加工区域的电解产物进行冲刷,以促进加工区域电解液的更新。为了研究脉冲气体辅助掩膜电解加工工艺规律,基于COMSOL Multiphysics仿真软件建立了单喷嘴固定条件下加工区域气液两相流与电场耦合的多物理场理论模型。仿真结果显示,当喷气速度为100 m/s时,掩模孔底部流体流动速度最大可达到3.5 mm/s。加工后掩模板表面能够清晰看到产物的排出痕迹。此外,还探究了不同工艺参数对加工一致性与加工效率的影响规律。实验结果表明,喷嘴固定不动时加工一致性随脉冲气体喷射速度的减弱以及喷气脉冲间歇时间的增加而提高,而加工效率却会降低,实验中得到微坑深度标准差最小达到0.75μm,平均深度最大达到15.2μm。最后,分别对比了实验中有无脉冲气体辅助的加工结果以及模拟和实验的成形规律,并在喷嘴移动条件下加工出深度标准差与平均深度分别...     

整体叶盘电解加工电解液进液角度优化研究

整体叶盘电解加工中,流场对加工稳定性起着重要作用,电解液进液角度对流场均匀性具有重要影响。针对由叶尖至叶根流动模式,设计了5种电解液进液角度流动模型（12°、22°、32°、42°以及52°）,并开展电解加工流场仿真研究。结果表明,电解液进液角度为32°时,平均流速为19.01 m/s,流速均方差为6.33,满足整体叶盘电解加工对流场的要求。在电解液进液角度为32°的流场形式下,开展整体叶盘电解加工试验,加工过程稳定,试件表面无流纹,加工精度为0.12 mm,表面粗糙度为Ra0.353μm,验证了流场的合理性。     

数控电解铣削加工机床研制

针对航空、医疗等领域内一些中小尺寸零件复杂曲面和窄深型腔的加工需求,研制了数控电解铣削加工机床,包括:设计了带X/Y/Z移动和C轴旋转的4轴联动机床结构,可实现2μm的重复定位精度;开发了具有快速短路响应及泄能模块的高频脉冲电解电源,并能够与电解机床控制系统实时通信;订制了过滤精度0.5μm,压力、温度可调可控的电解液循环过滤系统。最后以实例进行验证,采用圆柱电极以电解铣削方式在304不锈钢上加工出宽1.4mm、深8mm、R_a0.8μm,侧壁陡峭的大深宽比窄深盲槽,加工过程稳定,机床达到了预期设计目标。     

超声磨料对TC4钛合金电火花加工表面质量的影响

为改善TC4钛合金电火花加工表面质量,减少表面微裂纹、重熔层等表面缺陷,提出了基于电极振动的超声磨料电火花复合加工方法。在煤油工作液中混入12g/L的SiC磨料粉,进行了有无超声磨料作用的窄脉冲(脉宽小于1μs)电火花加工的表面粗糙度对比实验研究。实验结果表明:SiC磨料的超声振动作用使零件表面粗糙度Ra由0.5μm降到0.2μm左右;重熔层厚度、表面裂纹的扫描电子显微镜(SEM)照片显示,超声磨料作用使重熔层厚度减薄20～30μm,表面微裂纹得到有效控制;机理分析认为工作液高频振动及磨料对工件的冲击作用,是改善TC4钛合金电火花加工表面质量的主要原因。研究表明磨料的超声振动作用可显著改善TC4钛合金电火花加工的表面质量。     

管电极电解铣削微沟槽加工参数和槽宽的相关性研究

微细管电极铣削微沟槽加工工艺受到多种加工参数的共同影响,通过科学的工具深入探究、量化和总结这些规律是后续理论研究的基础,对于实际工程问题的研究至关重要.微沟槽加工的定域性是衡量微细管电极电解铣工艺的重要评判标准,而加工参数的选取对微沟槽加工的定域性起到决定性作用.通过皮尔逊相关性分析法探究管电极电解铣削微沟槽工艺主要加...     

微幅往复走丝微细电解线切割试验研究

 微细电解线切割是一种新型的微细加工技术,适合高精度金属窄缝、窄槽等微细结构的加工,由于加工间隙内电解产物排出困难,容易影响加工精度。为了提高产物排出效率,提出线电极微幅往复走丝促进加工间隙内电解产物排出的方法,改善了加工稳定性,提高了加工精度和加工效率。建立了间隙内电解产物排出效率对加工精度、加工速度影响的数学模型,分析了线电极走丝速度和走丝幅值对间隙内电解产物排出和电解液更新的影响。通过试验研究了线电极的走丝速度和走丝幅值对加工精度和加工效率的影响规律,采用优化参数在厚度为80 μm的钴基弹性合金上进行微槽结构加工,底面粗糙度约为0.45 μm,倒角半径小于8 μm。结果表明线电极轴向微幅往复走丝可以有效地提高加工质量和加工效率。     

榫槽结构浸没式管电极内喷液电解切割加工

在航空发动机中,用于连接涡轮盘和叶片的榫槽/榫头结构加工精度、表面质量要求极高,现有加工技术还不能实现涡轮盘榫槽结构的低成本、高效、高质量加工。电解线切割具有加工精度高、加工表面质量好、加工灵活性强等特点,对涡轮盘榫槽结构的低成本加工具有原理性优势。针对管电极内喷液电解切割时,切缝侧壁表面粗糙度不均匀问题,提出了浸没式管电极内喷液电解切割加工方法。在较为稳定、均匀的外部流场和快速流动的加工间隙内部流场共同作用下,实现了大厚度难加工材料的高效高质量加工。结果表明,相比于管电极内喷液电解切割,浸没式管电极内喷液电解切割加工出的切缝侧壁表面粗糙度比较均匀,整体加工质量较好。优选出内喷液压力,以4.5μm/s的进给速度在20 mm厚的高温合金GH4169工件上加工出表面粗糙度为Ra 1.247μm的涡轮盘榫槽结构。     

微尺度线电极电解加工

微尺度线电极电解是近期出现的一种新加工方法,采用钨丝作为线电极,在加工过程中电极无损耗,通过控制工具电极轨迹可实现微细结构加工。建立了微尺度线电极电解加工模型;通过微尺度线电极叠加微幅振动,促进了加工间隙中电解液更新;针对加工电压、脉冲宽度、脉冲周期和加工速度等影响微尺度线电极电解加工精度的因素进行了参数对比试验,并对加工参数进行了分析和优化。采用电化学腐蚀原理进行微米尺度线电极的在线制作,在线制得直径10 μm和2 μm的线电极,实现了切缝宽度为20 μm以下的复杂微细结构以及切缝宽度为8 μm以下的微螺旋结构。     

高纯钨磨削加工试验研究

为探究适用于高纯钨磨削加工的砂轮,使用80~#绿碳化硅砂轮和金刚石砂轮开展磨削对比试验,从工件表面粗糙度角度评价上述两种砂料对高纯钨磨削加工表面的影响。试验结果表明,绿碳化硅砂轮对应的工件得到了更理想的表面粗糙度。使用绿碳化硅砂轮开展工艺试验,分析在不同磨削参数下加工表面粗糙度的变化趋势,以此为依据对高纯钨磨削加工工艺参数进行评价与优化。综合考虑加工表面粗糙度以及加工效率,得出适合于钨磨削加工的参数为砂轮线速度v_s=23m/s、磨削深度a_p=8μm、工作台进给速度v_w=10m/min,该参数下得到的表面粗糙度均值为0.336μm。     

4D打印技术的研究进展

4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展;4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展;4D打印形状记忆合金,目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题,本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素;成形孔隙对其综合性能的影响;组织性能调控;变形控制;性能指标调节的冗余度问题;需要突破的科学问题等相关思考。总体而言,随着新型原材料、成形方法、控制软件和机器精度的不断发展,4D打印技术发展迅速,正逐步走向智能化、精确化和高效化。     

纳米多层膜及其在材料连接应用中的研究进展

纳米多层膜由于尺寸效应,存在熔点降低现象,应用于温度敏感材料的连接具有明显优势。同时由于多层膜层剧烈而快速的自蔓延放热反应,应用于连接时可以提供巨大热量。一方面可作为中间层辅助钎焊或扩散焊接;另一方面可作为独立热源为连接提供热量。纳米多层膜反应过程的实时观察受到单镜头拍摄速度和测量精度等条件的限制,而分子动力学模拟的应用为纳米多层膜反应机理研究拓展了新的思路。     

不均匀进口总压对涡轮气动性能的影响

为了探究不同进口总压分布对涡轮气动损失的影响规律及作用机理,以 GE-E3 发动机高压涡轮的第 1 级导叶为研究对象,通过设定总压畸变高度和强度,利用数值模拟方法对多种涡轮进口 1 维分布形式下的涡轮气动性能展开研究。结果表明:当端区总压强于中展区总压时,静叶压力面附近流体向中展区汇集碰撞,出口效率降低;随进口总压畸变强度的提高,静叶出口效率线性降低;当端区总压弱于中展区总压时,静叶出口效率变化不大;单级涡轮出口效率随总压畸变形式变化的规律与静叶的类似。     

基于高斯过程回归的连续式风洞马赫数控制

在风洞实验中保持实验段马赫数的稳定对实验的成功具有重要意义。传统的PID控制算法具有一定时滞性,不能满足连续变迎角实验模式下马赫数的控制精度要求。针对这一缺陷,提出了一种基于高斯过程回归的前馈控制策略,结合PID控制器共同完成马赫数控制任务。首先,对原始数据执行了预处理操作,将数据集中的异常数据进行清洗并且对清洗后的数据进行标准化;其次,选取迎角、实时马赫数、实验段截面积作为高斯过程回归模型的输入,压缩机转速作为输出,采用随机划分数据集与分组划分数据集两种策略进行建模,并将高斯过程回归与常用回归模型的预测精度进行了比较;最后,给出了利用高斯过程回归预测结果及预测置信度进行PID反馈控制的方法。实验结果表明高斯过程回归对风洞实验数据具有很好的建模能力,基于高斯过程回归的前馈控制与PID结合的控制策略能够提高连续变迎角模式下的马赫数控制精度。     

基于振动台的TA11钛合金超高频疲劳实验和验证

提出一种利用电动振动台开展材料超高频疲劳实验的方法。采用TA11钛合金板材,在有限元计算的基础上设计出超高频疲劳试样,测试过程中的实际加载频率达到1756 Hz,同时在相同的应力水平下对该超高频试样和标准试样开展振动疲劳测试,对测试结果数据的一致性进行统计检验。结果表明:在相同应力条件下,本研究提出的超高频疲劳试样和标准振动疲劳的实验结果吻合较好。将本研究结果与同种材料的轴向高周疲劳和旋弯疲劳测试结果进行对比,一致性同样良好。     

带底部法兰筒形件切旋成形工艺研究

旋压成形工艺是一种少/无切削、成形力小的渐进成形技术,广泛应用于现代制造业。针对带底部法兰的筒形件提出一种切旋两步成形工艺,采用有限元方法对不同参数条件下的旋压成形过程进行数值模拟,得到旋轮倾角、旋轮圆角半径以及进给比等因素对成形过程中成形力大小和坯料的筒壁厚度分布以及应变分布的影响,并通过试验验证了工艺的可行性。     

CNTs泡沫相变复合材料:纳米孔隙的构筑与相变材料的包裹

热能是一种广泛存在并极具应用前景的能源,但目前储热材料的能量转换时间较长,储热效率较低,亟需一种高性能的新型储热材料。本工作通过化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)方法利用碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)构筑宏观体材料,在微纳尺度下对复合材料结构进行优化,合成孔隙结构可控的 CNTs泡沫,利用毛细管作用力将熔融相变材料硬脂酸和石蜡填充到 CNTs 泡沫中,形成分散均匀的 CNTs相变复合材料。用聚焦离子/电子双束显微电镜(FIB/SEM)观察样品形貌,用差式扫描量热计(DSC)分析样品潜热,用 X 射线衍射仪(XRD)分析样品晶体结构,用拉伸试验机测试样品强度。结果表明:CNTs泡沫对相变材料具有优异的包裹性,减少了在相变循环中相变材料的流失;复合相变材料具有较高的潜热。     

烧结温度对氧化铝基陶瓷型壳显微组织及力学行为的影响

采用选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)快速制备高温合金叶片用氧化铝基陶瓷型壳初坯,并结合高温烧结(high-temperature sintering)进一步提高陶瓷型壳的力学性能。研究不同烧结温度(1450～1600℃)对氧化铝基陶瓷型壳的抗弯强度的影响,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)分析型壳的物相组成、断口微观形貌。结果表明:采用选择性激光烧结+高温烧结技术可快速高效地制备力学性能满足要求的陶瓷型壳,随着烧结温度从1450℃升高到1600℃,型壳的室温平均抗弯强度增大,并在1600℃时达到38.03 MPa;型壳的主要强化相为柱状莫来石相,且随烧结温度升高,型壳中莫来石相含量增加,石英相含量降低,方石英相含量先增加后有所降低;裂纹扩展形式从缓慢扩展转变为迅速扩展并引发瞬断,断口由撕裂状演变为平齐小断面,断裂方式由主要沿晶断裂向穿晶断裂转变,裂纹倾向于向晶内莫来石扩展。     

射流破碎的线性不稳定性分析方法

线性不稳定性分析是目前处理柱状射流及复合射流破碎的最常用理论方法之一。该方法基于流体力学基本方程和边界条件,利用线化小扰动法和正则模法开展相关研究,能够成功预测实验中发现的不同流动现象和规律。线化小扰动法的原理是将非线性问题中涉及的物理量分解成零阶近似和小扰动,代入原非线性方程并略去高阶小量,从而使非线性问题转化为一阶近似的线性定解问题。正则模法是将小扰动量分解成一系列模态的叠加(比如Fourier级数形式),使每个模态都满足线性系统,从而将线性定解问题转化为求解广义特征值问题。正则模法适用于具有对称性的流场,根据小扰动的演化情况,可以分为时间模式、空间模式和时空模式。本文回顾了射流及复合射流线性不稳定性分析方法的主要内容和具体实施步骤,并选取流动聚焦这一代表性的微细射流生成技术,概述了线性不稳定性分析方法在实际中的应用,最后对已取得的相关成果进行了总结。     

一种用于间断装配的流场结构辨识算法

使用激波装配法时,初始激波是否准确将会对计算过程产生影响。为了确定初始激波的位置,提出了一种新的流场结构辨识算法。该算法以捕捉法计算得到的流场作为系统观测数据,根据密度、压力等参数从该数据中获取激波和接触间断等流动特征周围的网格节点作为离散点集。通过将该离散点集分割成若干子区域,在各子区域内进行分片拟合,最终将离散点集拟合成连续光滑的实体模型,并将此作为初始激波面。在二维方法的基础上,通过引入单位球模型成功将该辨识算法拓展到三维应用。结果表明,采用该方法获得的间断曲面(激波和接触间断)与捕捉法流场中的间断分布吻合较好,作为初始间断面用于装配法可快速得到收敛解。该方法解决了应用激波装配法时确定初始间断面的难题。此外,该方法还可用于网格自适应方法。选择不同流动参数,可以获得相应流场特征结构的空间曲面,在此曲面的基础上可进行网格局部加密或重剖分。该流场结构辨识算法用于网格自适应具有网格尺度自由设置的优势。