航空高温钛合金超声磁场辅助电火花线切割加工的微观表面质量研究

Wire electrical discharge machine (WEDM) is one of the most important techniques to manufacture precise aircraft components of high-temperature titanium alloys. Micro-surface quality of aircraft components directly affects their performances. Electrical discharge machine, electrical discharge milling and other electro machining techniques are developed significantly by using auxiliary external fields. But ultrasonic vibration affects the frequency and amplitude of wire vibration, and magnetic field also leads to some wire deformation. It is difficult for WEDM to directly increase the micro-surface quality by using these techniques. Therefore, the key point to this problem is that the wire motion and the change of discharge channel under ultrasonic vibration and magnetic field are revealed, and the influence mechanism of ultrasonic vibration and magnetic field on micro-surface quality is investigated. Thermal physics model of WEDM is improved through establishing wire vibration model under external fields coupling. Furthermore, the effects of ultrasonic vibration and magnetic field on surface crack and heat affected zone are revealed by analyzing simulation and experiment results. Based on above researches, the optimal micro-surface quality with corresponding parameter combinations are obtained by optimizing multi-process parameters of ultrasonic vibration, magnetic field, and WEDM. This study will not only provide a theoretical basis for the application of auxiliary external field assisted WEDM, but also promote the further application of WEDM in precise aerospace engineering.

电火花线切割是加工航空高温钛合金零件的重要手段之一。微观表面质量对航空零部件性能有直接影响。超声及磁场等外场辅助方式能够显著地提高电火花成型及铣削等电加工表面质量，但由于超声振动会影响电极丝的振动频率和幅值，磁场也会使电极丝产生一定挠曲变形，一直难以用于提高电火花线切割加工的微观表面质量。因此，解决此难题的关键在于揭示外场辅助作用下电极丝运动和放电通道变化规律，并着重研究超声振动和磁场对电火花线切割加工微观表面质量的作用机理。本项目通过建立外场耦合作用下电极丝振动模型，完善线切割加工过程的热物理模型；然后结合实验观测，揭示超声磁场对线切割加工表面裂纹和热影响区形成的影响规律。基于此，对超声磁场参数和线切割加工参数进行混合多目标工艺优化，获得较高质量的微观表面以及相应工艺参数组合。该研究成果不仅为外场辅助电火花线切割技术应用提供理论基础，而且进一步推动电火花线切割在航空精密制造领域中的应用。

为了实现高质量加工航空发动机高温合金材料的迫切需求，本项目提出超声磁场辅助电火花技术，通过超声振动和磁场复合辅助改善电火花加工性能，提高高温合金加工微观表面质量。本项目搭建了超声振动——磁场辅助电火花线切割加工实验平台，基于多物理场耦合电极丝振动方程和高斯体热源，建立了超声磁场辅助电火花线切割热物理模型，模拟仿真加工蚀除过程中工件材料温度场、应力场、热影响区以及表面凹坑变化，揭示超声振动和磁场对电火花线切割加工航空高温合金材料（钛合金、镍基合金等）微观表面质量影响机制。进一步，针对加工效率、放电能耗、电极损耗与微观表面质量等加工性能关键指标，采用多目标智能优化算法，多参数协同优化获得最优加工性能以及相应的工艺参数组合，最小表面粗糙度可达1.08µm，重铸层厚度为5.89µm，以后为实际高效高精电火花加工航空高温合金材料提供数据指导。.另外，深入研究了航空高温合金薄壁件电火花线切割加工热变形行机理，通过建立线切割加工薄壁件热变形模型，获得薄壁件温度场分布和表面残余应力分布，仿真出线切割加工中的热变形演化过程，预测不同加工参数条件下热变形趋势及大小。提出薄壁件电火花线切割加工动态补偿路径规划算法，并采用横向磁场辅助电火花线切割加工方式；不仅提高薄壁件尺寸精度，使直线度误差降低90%，而且改善零件微观表面质量，重铸层厚度从15.65μm降至12.10μm，减少了22.68%，同时变形减少32.77%，从而实现薄壁件线切割精密加工制造。.通过本项目研究，发表了11篇相关SCI学术论文，其中中科院分区TOP期刊论文5篇，一篇入选ESI高被引，申请5项发明专利并授权2项，该研究成果不仅为外场辅助电火花线切割技术应用提供理论基础，而且进一步推动电火花线切割在航空精密制造领域中的应用。特别是在一定程度上为电火花线切割加工高质量薄壁航空高温合金构件提供了可行解决方案，未来可应用于加工制造航空发动机关键薄壁件。