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超低溫加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2020-06-30 08:03王永青郭東明郭立杰劉海波姜少瑋王思琪
上海航天 2020年3期
關(guān)鍵詞:液氮刀具復(fù)合材料

王永青 ,郭東明,郭立杰,劉 闊,任 斐,劉海波,姜少瑋,王思琪

(1.大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245)

0 引言

在航空航天等重點(diǎn)領(lǐng)域,為滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)、重型運(yùn)載火箭等在極端工況下的高使役性能要求,難加工金屬、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等因具有耐高溫、耐磨損、抗腐蝕優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用,但這些材料存在強(qiáng)度高、韌性大、各向異性等加工難題,現(xiàn)階段機(jī)械加工主要采用的常規(guī)切削液冷卻加工方式,難以解決這些特殊材料零件在加工時(shí)冷卻效能不足、不允許采用水基/油基冷卻液等問題[1-3]。瞄準(zhǔn)先進(jìn)制造高效、綠色的發(fā)展趨勢(shì),“一代材料,一代工藝”,新的工藝方法亟需被探尋。目前,我國在清潔切削機(jī)理與前沿技術(shù)研究方面取得了一定進(jìn)展,但尚無法滿足航空航天等重點(diǎn)領(lǐng)域的難加工材料對(duì)清潔切削的迫切需求。突破以超低溫加工技術(shù)為代表的清潔切削技術(shù),研發(fā)出系列超低溫加工裝置,對(duì)夯實(shí)我國制造技術(shù)基礎(chǔ),提升制造基礎(chǔ)保障能力,實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)領(lǐng)域基礎(chǔ)制造工藝與裝備自主可控具有重要意義[4]。

超低溫(低于?153 ℃)加工技術(shù),是指一種在材料去除過程中采用液氮等強(qiáng)冷卻介質(zhì)的綠色加工工藝方法[5-7]。液氮等強(qiáng)冷卻介質(zhì)在噴射壓力作用下進(jìn)入加工區(qū)域,依靠熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等換熱方式降低切削熱。當(dāng)冷卻介質(zhì)為超低溫液體時(shí),在對(duì)流換熱的同時(shí)發(fā)生氣化,增強(qiáng)換熱能力,降溫效果更顯著。冷卻介質(zhì)噴射分為外噴和內(nèi)噴兩種方式。外噴式冷卻加工是基于常規(guī)冷卻通路設(shè)計(jì)思路,通過外置噴嘴對(duì)切削區(qū)域進(jìn)行漫灌式冷卻。內(nèi)噴式冷卻加工是通過主軸-刀柄的內(nèi)腔通道將冷卻介質(zhì)引導(dǎo)至刀尖處,實(shí)現(xiàn)對(duì)切削點(diǎn)的精準(zhǔn)冷卻[8]。超低溫加工技術(shù)與車削、銑削、鉆削等機(jī)械加工方式相結(jié)合,具有少/無環(huán)境污染、健康危害小、零件表面完整性好、加工效率高、特殊要求類零件無臟污、刀具壽命長、綜合加工成本低、發(fā)展可持續(xù)等優(yōu)勢(shì),為難加工材料的高效、綠色、潔凈加工提供了方法選擇,并逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[9-10]。

本文介紹了難加工材料的超低溫加工技術(shù)和超低溫加工裝備的研究進(jìn)展,分別總結(jié)了難加工金屬、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、高分子聚合物、工程陶瓷等典型材料在超低溫加工下的切削加工性能,概括了國內(nèi)外主要研發(fā)機(jī)構(gòu)的超低溫裝備研制成果和應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了超低溫加工技術(shù)存在的不足以及發(fā)展方向,旨在為難加工材料的超低溫加工技術(shù)攻關(guān)和提升基礎(chǔ)研究成果的工程應(yīng)用價(jià)值提供參考。

1 難加工材料的超低溫加工技術(shù)研究

難加工材料主要存在強(qiáng)度高、韌性大、各向異性等難加工特性,超低溫加工技術(shù)可有效降低切削溫度,改善加工表面質(zhì)量,提高刀具壽命,可實(shí)現(xiàn)難加工材料的高質(zhì)高效加工。目前國內(nèi)外專家學(xué)者將超低溫加工技術(shù)主要應(yīng)用于難加工金屬(如鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)鋼等)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(如碳纖維復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料、石英纖維復(fù)合材料等)、高分子聚合物(如聚四氟乙烯等)、工程陶瓷(如新型復(fù)合陶瓷等)等典型材料的切削加工中。

1.1 難加工金屬材料的超低溫加工

鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度高、抗蝕性好、彈性模量小等特點(diǎn),是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴、壓氣機(jī)盤等零部件的核心材料[11],但在加工過程中易產(chǎn)生極大熱量,切削熱不能有效地通過切屑和工件材料導(dǎo)出,積聚在切削區(qū)域,導(dǎo)致刀具壽命縮短,降低加工效率。SHOKRANI 等[12]發(fā)現(xiàn)相比于干式切削和傳統(tǒng)切削液濕式切削,液氮超低溫加工分別使TC4 鈦合金的已加工表面粗糙度降低39%和31%。陳明等[13]針對(duì)TC4 鈦合金開展了超臨界態(tài)二氧化碳混合油膜附水滴的冷卻潤滑銑削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該方法可以有效降低切削溫度、切削力和加工表面粗糙度。王永青等[14-16]針對(duì)TC4 鈦合金材料進(jìn)行了一系列超低溫內(nèi)冷銑削加工試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)切削液冷卻相比,超低溫冷卻工藝可使切屑呈規(guī)則的鋸齒狀,抑制絕熱剪切帶,減少材料微觀缺陷,如圖1 所示,同時(shí)也提出了一種TC4 鈦合金蜂窩材料冰固持加工新方法,增加了切削點(diǎn)處工藝系統(tǒng)剛性,顯著抑制開裂、塌邊等缺陷,如圖2 所示。DHANANCHEZIAN 等[17]開展了液氮超低溫車削TC4 鈦合金試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)超低溫加工在切削溫度、切削力、表面粗糙度和刀具磨損方面起到積極作用。

圖1 TC4 鈦合金超低溫銑削Fig.1 Cryogenic milling of TC4 titanium alloy with liquid nitrogen

圖2 TC4 蜂窩材料銑削加工效果對(duì)比[14]Fig.2 Comparison of milling effect of TC4 honeycomb material[14]

高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度、抗氧化性、耐腐蝕能力、疲勞強(qiáng)度,是航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的核心材料,但由于其高溫強(qiáng)度大、硬度高、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn),在加工過程中,切削刀具變形嚴(yán)重,切削刃的局部溫度極高,易影響工件表面加工質(zhì)量和加工效率[18-19]。PUSAVEC 等[20]、KENDA 等[21]開展了液氮超低溫加工Inconel 718 鎳基合金車削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)超低溫加工技術(shù)會(huì)增大工件表面殘余壓應(yīng)力和硬度,從而提高了工件的疲勞壽命和耐磨性,還可以延長刀具壽命并降低工件已加工表面粗糙度。KAYNAK 等[22]開展了干式車削與液氮冷卻車削Ni-Ti鎳鈦記憶合金的對(duì)比試驗(yàn),如圖3(a)所示,發(fā)現(xiàn)超低溫加工產(chǎn)生的影響層深度是干式切削的2 倍,提升了工件加工表面硬度。SHOKRANI 等[23]進(jìn)行了液氮超低溫銑削Inconel 718 鎳基合金試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)相比于干式切削,超低溫加工會(huì)增加工件表面粗糙度,減少刀具的使用壽命,如圖3(b)所示,超低溫可能加劇了刀具崩刃失效。WANG 等[24]提出了一種超低溫和等離子相結(jié)合的加工方法,利用高溫等離子預(yù)處理Inconel 718 鎳基合金待加工表面,降低工件的硬度和強(qiáng)度,使用液氮低溫射流冷卻刀具,使刀具材料保持較好的硬度和強(qiáng)度,與常規(guī)干式車削和單一等離子強(qiáng)化加工相比,混合加工方法得到的工件表面光潔度更好,切削力更小,刀具壽命更長。

圖3 高溫合金超低溫加工Fig.3 Cryogenic machining of high-temperature alloy

高強(qiáng)度鋼具有強(qiáng)度高、硬度高、塑性強(qiáng)、韌性強(qiáng)等特點(diǎn),是飛機(jī)大梁、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸和起落架、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等的核心材料[25],但由于高強(qiáng)度鋼切屑強(qiáng)韌,熱導(dǎo)率較小,易導(dǎo)致切削熱難以散失,斷屑困難,刀具磨損嚴(yán)重。許清[26]針對(duì)35CrMnSiA高強(qiáng)度鋼開展了液氮超低溫銑削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)超低溫冷卻可以提升其鋸齒化程度,有助于提高斷屑性能。趙威等[27]發(fā)現(xiàn)低溫氮?dú)馍淞鳒囟鹊慕档蛯?dǎo)致切削力的增加和顯微硬度的降低,噴射溫度越低,表面粗糙度越小,與干式切削加工相比,在超低溫加工條件下可以有效降低工件表面的拉伸殘余應(yīng)力,有利于改善加工零件的表面完整性,如圖4(a)所示。

袁松梅等[28]針對(duì)30CrNi2MoVA 高強(qiáng)鋼開展了低溫微量潤滑銑削試驗(yàn),結(jié)果表明低溫微量潤滑條件在抑制刀具磨損、減小切削力和加工表面粗糙度、提升斷屑性能方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。李淑娟等[29-30]開展了液氮超低溫車削35CrMnSiA 高強(qiáng)度鋼與45CrNiMoV 高強(qiáng)度鋼試驗(yàn),如圖4(b)所示,發(fā)現(xiàn)液氮超低溫冷卻切削可有效降低切削溫度和工件材料塑性,使摩擦系數(shù)減小和切削力降低,改善斷屑效果,還可抑制積屑瘤的形成,減小表面粗糙度值,提高刀具耐用度。

圖4 高強(qiáng)度鋼超低溫加工Fig.4 Cryogenic machining of high-strength steel

超低溫加工技術(shù)可以有效降低鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼等在加工過程中產(chǎn)生的切削熱,延長刀具壽命,減少表面缺陷,降低表面粗糙度,提升了鈦合金、高強(qiáng)度鋼的斷屑性能,還可增大高溫合金表面殘余壓應(yīng)力,減小高強(qiáng)度鋼加工殘余拉應(yīng)力。現(xiàn)階段超低溫加工對(duì)難加工金屬材料切削性能影響匯總情況見表1。

超低溫切削加工對(duì)鈦合金表面殘余應(yīng)力、對(duì)高溫合金的斷屑機(jī)理等方面的影響情況尚需深入研究。

表1 超低溫加工對(duì)難加工金屬材料切削性能影響匯總Tab.1 Summary of the influence of cryogenic machining on the cutting performance of difficult-to-machine metal materials

1.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的超低溫加工

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料目前被廣泛應(yīng)用于航空航天傳感器、制動(dòng)器、控制器和壓力容器等重要器件中[31-32],與傳統(tǒng)鋼材料、鋁材料相比,減少了航空航天器近30%的質(zhì)量[33],降低了運(yùn)行成本,實(shí)現(xiàn)了裝備減重增效。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度低、硬度高、膨脹系數(shù)小、耐磨性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但由于碳纖維復(fù)合材料具有高度的各向異性,易導(dǎo)致在加工中產(chǎn)生分層、毛刺、開裂等加工缺陷。劉海波等[34]使用液氮超低溫冷卻系統(tǒng)對(duì)碳/碳復(fù)合材料鉆孔及銑削過程進(jìn)行冷卻,如圖5(a)所示,減少了加工缺陷,使孔表面質(zhì)量顯著提高,如圖5(b)所示,解決了離子推進(jìn)器柵極組件鉆孔加工缺陷問題。SHOKRANI 等[35]進(jìn)行了碳/碳復(fù)合材料的鉆削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)相比干式切削,液氮超低溫加工可使鉆削出口纖維分層現(xiàn)象減少,加工后表面粗糙度降低25%,提高了表面完整性。張高峰等[36]針對(duì)碳纖維環(huán)氧樹脂層壓復(fù)合材料開展了液氮低溫鉆削與常溫干式鉆削的對(duì)比試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)液氮低溫鉆削可以使纖維斷口明顯減少,加工后樹脂涂覆表面整潔平滑,抑制大面積纖維樹脂剝離,孔壁表面質(zhì)量有了大幅提高。

圖5 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料超低溫加工[34]Fig.5 Cryogenic machining of carbon fiber-reinforced composites

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、低密度、耐疲勞性和耐燒蝕性等優(yōu)點(diǎn),但由于該材料的高韌性、多相性、非均勻性和各向異性,易造成毛刺、分層和燒蝕等加工缺陷。王晉宇[37]、王鳳彪等[38-39]開展了芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的超低溫切削試驗(yàn),如圖6(a)所示,測(cè)得超低溫加工時(shí)的切削力相比于干式切削有所減小,隨著液氮射流溫度的降低,更有效抑制了樹脂基體的軟化與碳化,增強(qiáng)了樹脂基對(duì)纖維的約束,起毛和進(jìn)口毛刺面積減少,燒蝕缺陷也得到顯著抑制,如圖6(b)所示。

圖6 芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料超低溫加工Fig.6 Cryogenic machining of aramid fiber-reinforced composites

石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐高低溫性能,但由于這類材料在不同的纖維取向、應(yīng)力和應(yīng)變下,具有各向異性和非均勻性[40],采用常規(guī)機(jī)械加工工藝時(shí),易導(dǎo)致切削力大、加工效率低、刀具磨損嚴(yán)重等問題。王鳳彪等[41]建立了液氮超低溫內(nèi)冷加工石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型,如圖7 所示,進(jìn)行了一系列石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料液氮內(nèi)冷式銑削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)纖維方向?qū)Σ牧霞庸ば阅苡酗@著影響,由于剪切應(yīng)力會(huì)隨著纖維方向的改變而變化,當(dāng)纖維方向?yàn)?0°時(shí),可獲得最佳的表面質(zhì)量,即可有效地抑制凹坑、裂紋和毛刺等缺陷,尚可基于此模型進(jìn)一步開展石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的干式與超低溫對(duì)比銑削試驗(yàn),研究超低溫加工對(duì)其切削加工性能的具體影響。

圖7 液氮超低溫內(nèi)冷加工石英纖維增強(qiáng)復(fù)合材料模型[41]Fig.7 Model for cryogenic machining of quartz fiber-reinforced composites with liquid nitrogen[41]

超低溫加工技術(shù)改變了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由拉伸斷裂到剪切斷裂的斷裂形式,使得加工毛刺、撕裂、燒蝕等缺陷明顯減少,降低了表面粗糙度,使加工表面質(zhì)量和加工效率顯著提高?,F(xiàn)階段超低溫加工對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切削性能影響匯總情況見表2。目前,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料超低溫加工相關(guān)研究較少,且針對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在液氮超低溫條件下的斷裂機(jī)理研究不夠充分,尚需進(jìn)一步研究。

表2 超低溫加工對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料切削性能影響匯總Tab.2 Summary of the influence of cryogenic machining on the cutting performance of fiber-reinforced composites

1.3 高分子聚合物材料的超低溫加工

高分子聚合物材料具有耐特種介質(zhì)、耐高低溫、耐真空輻射、耐高壓等優(yōu)點(diǎn),是防護(hù)罩類零件的核心材料,但是存在切削加工效率較低等問題[42]。王永青等對(duì)聚四氟乙烯材料進(jìn)行了液氮外噴式超低溫銑削試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯材料表面毛刺、飛邊等現(xiàn)象得到了抑制,亞表面損傷層也得到了減小,如圖8 所示。DHOKIA 等[43]針對(duì)乙烯-醋酸乙烯共聚物材料開展了液氮低溫?cái)?shù)控加工試驗(yàn),運(yùn)用一種預(yù)測(cè)和補(bǔ)償乙烯-醋酸乙烯共聚物低溫收縮效應(yīng)的方法,將復(fù)雜工件材料加工尺寸誤差控制在1%范圍內(nèi)。

液氮超低溫加工可以改變高分子聚合物材料的力學(xué)性能,使之更易切削,提升了切削效率,減小材料加工損傷。目前高分子聚合物材料超低溫加工相關(guān)研究很少,尚需開展大量試驗(yàn)研究。

1.4 工程陶瓷材料的超低溫加工

工程陶瓷材料具備質(zhì)量小、強(qiáng)度高、硬度高、耐腐蝕、耐高溫、抗磨損、抗燒蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn),是直升機(jī)用防彈裝甲、飛機(jī)剎車盤的核心材料,但由于其高脆性和低斷裂韌性等特性,易在加工中產(chǎn)生變形層、微裂紋等缺陷[44-45]。SONI 等[46]開展了AlSiTi復(fù)合陶瓷液氮冷卻低溫磨削試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在低溫磨削環(huán)境下,磨削力、單位體積去除消耗能量和表面粗糙度值顯著降低,表面和亞表面損傷深度較小,如圖9 所示。

復(fù)合陶瓷材料的磨削加工試驗(yàn)初步證明,超低溫加工可以減少磨削加工的表面和亞表面損傷,降低磨削加工粗糙度,提高磨削加工效率和加工質(zhì)量。目前工程陶瓷材料超低溫加工相關(guān)研究很少,尚需開展大量試驗(yàn)研究。

圖8 聚四氟乙烯超低溫加工Fig.8 Cryogenic machining of polytetrafluoroethylene with liquid nitrogen

圖9 不同冷卻環(huán)境下的復(fù)合陶瓷亞表面損傷對(duì)比[46]Fig.9 Comparison of subsurface damage of composite ceramics in different cooling environments

2 超低溫加工裝備的研究與應(yīng)用

2.1 國外的超低溫加工裝備及應(yīng)用

鑒于超低溫加工技術(shù)在難加工材料加工中顯示出諸多優(yōu)勢(shì),國外如美國美格公司、韓國工業(yè)技術(shù)研究所等,以及國內(nèi)如大連理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等研發(fā)機(jī)構(gòu)均開展了超低溫加工相關(guān)裝備研制工作。

美國5ME 公司發(fā)明了多項(xiàng)低溫加工技術(shù),實(shí)現(xiàn)了液氮通過主軸、刀架和刀身直接傳輸?shù)角邢魅校岣吡饲邢魉俣?、材料去除率,延長了刀具壽命,同時(shí)也降低了能耗。大隈機(jī)床美國分公司與5ME 公司合作,使其機(jī)床配備了5ME 公司的各項(xiàng)低溫加工技術(shù),配有低溫系統(tǒng)的大隈機(jī)床可通過真空夾套進(jìn)料管線將小流量的液氮直接輸送到切割邊緣。5ME低溫加工技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用如圖10(a)所示。

美國美格(MAG)公司研制出世界上第一臺(tái)商用液氮內(nèi)噴式超低溫冷卻加工機(jī)床,如圖10(b)所示,成功應(yīng)用于洛克希德·馬丁公司F-35 閃電Ⅱ型噴氣戰(zhàn)機(jī)的鈦合金零件加工中,使零件的加工質(zhì)量和效率顯著提升,刀具壽命延長10 倍[47]。

美國哈挺公司與空氣產(chǎn)品及化學(xué)物質(zhì)有限公司共同開發(fā)了ICEFLY 工藝,該工藝可以替代粗加工工藝,通過空氣產(chǎn)品公司開發(fā)的兩相系統(tǒng),在液氮中懸置專用固體粒子,結(jié)合打擊刀具和工件的氣體速度,破壞阻礙熱量傳遞的氣體分界層,使液氮經(jīng)過附在刀具轉(zhuǎn)塔上的噴嘴直接噴射到刀具和工件上,使刀具保持著較低的切削溫度,改善了工件表面的加工質(zhì)量,提高了切削效率,降低了刀具成本。ICEFLY 液氮低溫輸送系統(tǒng)的應(yīng)用情況如圖10(c)所示。

韓國工業(yè)技術(shù)研究所及貿(mào)易、工業(yè)和能源部聯(lián)合啟動(dòng)了液氮作為冷卻介質(zhì)的超低溫冷卻加工技術(shù)與系統(tǒng)的研究,其中韓國工業(yè)技術(shù)研究所研制出了液氮內(nèi)噴式刀柄,克服了外噴漫灌式冷卻加工中過多液氮對(duì)工件材料的不良影響,如圖10(d)所示,使液氮能夠直接輸送到刀具的內(nèi)部,刀具處于較低的切削溫度,而不會(huì)增加工件材料的硬度[48]。

圖10 國外超低溫裝備研制Fig.10 Research and development of foreign cryogenic equipment

2.2 國內(nèi)的超低溫加工裝備及應(yīng)用

大連理工大學(xué)王永青等[8,10,49-52]研制了LNC-100 型獨(dú)立式液氮流量調(diào)控裝置,噴嘴出口溫度可達(dá)?190 ℃,流量調(diào)控范圍0~100 L/h,壓力范圍0~0.8 MPa,如圖11(a)所示。采用該裝置對(duì)常規(guī)機(jī)床進(jìn)行改造可以實(shí)現(xiàn)外噴式冷卻加工,并應(yīng)用于西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,提升了鈦合金噴管銑槽加工質(zhì)量與效率,極大降低了加工成本;同時(shí)也基于液氮內(nèi)噴式中空隔熱主軸、中空傳輸式刀柄、集成式液氮流量調(diào)控裝置等單元技術(shù),研制出國內(nèi)唯一的液氮內(nèi)噴式超低溫冷卻加工機(jī)床CVM 600,如圖11(b)所示,針對(duì)鈦合金、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、金屬蜂窩、聚四氟乙烯等難加工材料與零件,開展了大量超低溫內(nèi)/外噴式冷卻加工試驗(yàn)研究,且該機(jī)床成功應(yīng)用于上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,填補(bǔ)了國內(nèi)此領(lǐng)域的研究空白,打破了國際技術(shù)封鎖和裝備禁運(yùn)。

南京航空航天大學(xué)何寧、趙威等[53-54]構(gòu)建了低溫冷風(fēng)、低溫微量潤滑、低溫二氧化碳、液氮等介質(zhì)的外噴式冷卻切削實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或裝置,如圖11(c)所示,并應(yīng)用于TC4 鈦合金、35CrMnSiA 高強(qiáng)度鋼等材料的液氮外噴式冷卻加工試驗(yàn)研究中。華中科技大學(xué)丁漢、張小明等[55-56]開發(fā)了一種雙噴頭式液氮冷卻系統(tǒng),如圖11(d)所示,并應(yīng)用于Inconel 718鎳基合金的超低溫加工試驗(yàn)研究中。

廣東工業(yè)大學(xué)王成勇等[57-59]提出了新型超臨界二氧化碳復(fù)合噴霧微量潤滑切削技術(shù),發(fā)明了超臨界二氧化碳復(fù)合噴霧系統(tǒng)及其專用噴嘴和超臨界二氧化碳集中供液系統(tǒng),并將超低溫復(fù)合噴霧技術(shù)應(yīng)用于高效微銑硬質(zhì)合金模具和車削硅鋁合金試驗(yàn)研究中。

圖11 國內(nèi)超低溫裝備研制Fig.11 Research and development of domestic cryogenic equipment

3 結(jié)束語

超低溫加工技術(shù)為難加工材料零件的綠色、高質(zhì)、高效加工提供了方法選擇。本文總結(jié)并分析現(xiàn)有超低溫加工技術(shù)及裝備的研究進(jìn)展,可以得到以下結(jié)論:1)超低溫加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于,可大幅降低切削熱,提高零件的加工效率;減少加工缺陷,提高零件表面完整性;延長刀具壽命,降低刀具成本;冷卻介質(zhì)無殘留,減少對(duì)加工車間的環(huán)境污染以及加工人員的健康危害。2)超低溫加工工藝研究主要集中在外噴式冷卻試驗(yàn)研究方面,且難加工金屬材料的超低溫加工技術(shù)研究較多,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、高分子聚合物等材料的研究相對(duì)較少。3)國內(nèi)在超低溫加工裝備研制與應(yīng)用方面總體處于“跟跑”階段,少數(shù)研究單位在裝備研制上有一定突破。

超低溫加工技術(shù)的相關(guān)研究方興未艾,在未來發(fā)展中將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì):1)內(nèi)噴式冷卻。與外噴式冷卻相比,內(nèi)噴式冷卻具有直接、精準(zhǔn)、高效的冷卻特點(diǎn),且集成度高。2)冷卻介質(zhì)的在線制備。目前常用的罐儲(chǔ)方式存在供給不連續(xù)、成本較高等問題,在加工過程中進(jìn)行冷卻介質(zhì)的在線制備可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、低成本供給。3)潤滑增效技術(shù)。在部分難加工材料的超低溫加工中引入微量潤滑液或固體潤滑劑,可進(jìn)一步提高材料的表面光潔度。4)裝備智能化與集成化。冷卻介質(zhì)射流狀態(tài)智能調(diào)控、加工環(huán)境及刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警、時(shí)變誤差智能補(bǔ)償?shù)戎悄芑夹g(shù),以及冷卻介質(zhì)在線制備、內(nèi)噴式冷卻等功能的集成將有助于超低溫加工裝備的推廣應(yīng)用。

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