航空难加工材料的深冷加工技术研究进展.pdf

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1、航空难加工材料的深冷加工技术研究进展孙惠斌(西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安710072)[摘要】主要介绍了深冷加工技术的发展现状，论述了深冷加工对航空难加工材料切削性能、切削温度、刀具磨损、表面完整性等的影响，指出了进一步研究和应用亟待探索和解决的问题。关键词：难加工材料；切削性能；深冷加工DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．08．016博士，副教授，主要从事数字化制造、智能制造．制造过程感知等方向的研究工作。超高强度钢、钛合金、高温合金等难加工材料具有高硬度、高强度、

2、高韧性和高耐磨性等特点，是航空关键零件的常用材料。但是，这些材料的导热系数低、化学活性大、亲和性强，导致切削温度高、切削力大，严重影响刀具的寿命。为了提高航空难加工材料的切削性能，常采用高速切16航空制造技术·2017年第8期削、优化刀片基体和几何角度、采用新的涂层技术、改进冷却润滑方式等方法。近年来，深冷加工技术凭借其对切削区域温度、零件表面完整性、刀具磨损等的显著改善，以及卓越的环境友好性，成为提高航空难加工材料切削性能的主要技术之一。深冷加工技术深冷(Cryogenic)是指利用液体氧、液体氟、液体氦、液体氩等冷却介质达

3、到100K或120K以下的低温冷冻技术Ⅲ。由于液氮(LN，)经济、无污染、不产生化学反应，深冷技术常以液氮作为冷源，利用其相变吸热来获得一196'C的低温环境。某些情况下，高于100K的低温冷冻技术也被纳入深冷范畴，如以固体或液体二氧化碳作为冷却介质。深冷技术在机械加工中的应用可分为深冷处理(CryogenicProcessing)和深冷加工(CryogenicMachining)两种。深冷处理是一种扩展的热处理工艺，通过冷却来增强刀具或材料的切削性能，如提高刀具的硬度或改善韧性材料的脆度。深冷加工是指在切削加工过程中通过局部

4、施加冷源，降低切削变形区域的温度，从而达到减少刀具磨损、改善加工表面质量的目的。深冷加工是一个典型的多学科交叉技术，涉及低温物理学、材料学、热力学、传热学、金属切削原理、测控技术等领域。深冷加工是提高难加工材料切削性能的重要途径，相关的研究和应用已成为学科前沿和热点。深冷加工的冷却方式深冷加工的冷却方式分为切削区域冷却法、工件冷却法和刀具冷却法3种。(I)切削区域冷却法：将液氮直接喷射到切削区域，达到降低切削区域温度、冷却刀具，提高刀具性能的目的。液氮可以通过外部喷嘴喷射，也可以通过机床主轴和刀具内部的管道传输，从刀片切削刃部

5、的微孔中释放(图1)[2]，避免将机床部件、夹具或传感器暴露在低温气体中。(2)工件冷却法：在加工前或加工过程中通过液氮喷雾冷却工件，使韧性材料变得更脆一点，或者使高分子材料的温度低于玻璃化转变温度，图1深冷加工现场Fig．1Cryogenicmachiningexample从而使材料性能更有利于切削。(3)刀具冷却法：在加工中不断地冷却刀具，使切削热快速地从刀具上、特别是刀尖处被带走，刀尖始终保持在较低温度。这种方法只冷却刀具，不冷却工件，不影响工件的几何尺寸和力学性能。深冷加工技术研究现状深冷加工是一个复杂的多学科耦合过程

6、，涉及几何、材料、传热、化学等变化。目前，难以建立能够完整、精确描述这一过程的解析模型。因此，对深冷加工的研究主要方式是利用Deform3D、Advantage、Abaqus等软件行有限元仿真，计算深冷加工过程中的温度、应变、应变率等(图2)【3】；或开展实际的切削实验，旨在观察深冷加工对零件质量、表面完整性、刀具磨损等的影响(图3)p】，发现切削性能和切削结果的变化规律，并利用响应曲面法等优化切削参数。深冷加工常用的工件材料包括钛合金、镍基合金、奥氏体不锈钢、高速钢等。其中，Ti一6A1—4V钛合金是双相合金，有良好的韧性、

7、塑性和高温变形性能，可在400～500℃的温度下长期工作，在500℃以下具有较高的屈服强度、疲劳强度和热稳定性，是航空发动机压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管等零件的常用材图2深冷钻igUTi一6AI一4V的温度仿真Fig．2CuttingtemperaturesimulationincryogenicdrillingTi-6AI-4V图3深冷／jU"r7]具磨损观测Fig．3Cutlerwearmeasurementaftercryogenicmachiningprocess料，也是深冷加

8、工研究中的常用材料。据粗略统计，深冷加工的研究文献中，采用Ti一6AI一4V工件的占比超过30％，并且常采用碳化钨刀具。有研究表明，采用深冷加工铣削Ti一6A1—4V钛合金的材料去除率最高可达9500ram3／min，节能88％【4]。Inconel718是含铌、钼的沉淀硬化