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  • 发布日期:2017-06-18 16:51
  • 有效期至:长期有效
  • 技术区域:北京市
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详细说明

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到100K 或120K 以下的低温冷冻技术。

由于液氮(LN2)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-196℃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(Cryogenic Processing)和深冷加工(Cryogenic Machining)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。

(1)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,从刀片切削刃部的微孔中释放,避免将机床部件、夹具或传感器暴露在低温气体中。

  航空制造还有冷冻技术?详解最新兴起的深冷加工

深冷加工现场

(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,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,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Deform 3D、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;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,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。

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深冷钻削Ti-6Al-4V的温度仿真

  航空制造还有冷冻技术?详解最新兴起的深冷加工

深冷加工刀具磨损观测

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-6Al-4V 钛合金是双相合金,有良好的韧性、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料,也是深冷加工研究中的常用材料。

据粗略,深冷加工的研究文献中,采用Ti-6Al-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-6Al-4V 钛合金的材料去除率最高可达9500mm3/min,节能88%。Inconel 718 是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金,在650℃以下时具有较高强度、韧性和耐腐蚀性,在700℃时具有较高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度,在1000℃时具有高抗氧化性,广泛应用于航空发动机涡轮盘、压气机盘、轴和承力环等受力转动件。

Inconel718 容易加工硬化,使切削加工十分困难,是最难加工的材料之一,相对可切削性仅为45# 钢的6%~20%。约10% 的深冷加工研究采用Inconel718 工件。近几年,随着Inconel 718的广泛应用,这一比例还在迅速上升。研究表明,深加工在高速加工Inconel 718 时效果显著。

近年来,碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)凭借其轻质高强的优势,被越来越广泛地用于航空产品中。而深冷加工技术也被用于提高其切削性能。例如,研究结果表明,深冷加工对减少刀具刃口圆角和外圆角磨损有着深远的影响,也有助于提高表面完整性,但会产生较大的

切削力和扭矩。深冷加工技术可以提高切削芳纶纤维(Aramid Fiber-Reinforced Composites, AFRC)的质量,因此可进一步优化切削深度、进给速度、冷却温度和液氮流量。

在加工方法方面,深冷加工的研究多见于车削,约占到60%。近几年,针对Ti-6Al-4V 和Inconel 718 的铣削、钻削研究逐渐增多。为了改善润滑效果,深冷加工和微量润滑技术融合,可降低切削力50% 以上。通过设计融合深冷加工和微量润滑技术的专用喷嘴,可显著提高刀具的寿命。深冷加工技术也与零件加热技术融合。利用液氮冷却刀具,通过加热软化工件,双管齐下改善切削性能,取得了良好的效果。但是,有研究表明,这种融合也可能恶化工件的导热性能,使刀具磨损加剧。

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刀具的内部管道

增材制造是一种难加工材料成形的重要方式。但是,增材制造的零件可能更难于进行精加工或半精加工切削。例如,采用真空电子束熔炼技术成形后,Ti-6Al-4V 零件的可加工性比锻件的可加工性更差。但是,采用深冷加工技术进行半精加时,刀具的粘着磨损明显降低、表面完整性改善、刀具寿命提高,为增材-减材混合加工提供了一个选项。国外一些公司开发出了商业化的深冷加工刀柄、刀具和其他装备,通过内部管道将液氮输送到切削区域,取得了良好的应用效果。但是,刀具内部管道形式也可能影响切削性能。例如,有研究证明,与利用双螺旋管道和单直管道相比,利用双直管道输送低温气体和润滑液可取得更小的切削力、更长的刀具寿命。

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采用深冷加工技术制造的大型钛合金飞机结构件

目前,深冷加工技术主要处于实验研究阶段,虽然有些公司致力于深冷加工工艺装备的研发,但大规模的工业化应用还未到来,公开报道的案例还比较少。其中,洛克希德·马丁公司采用深冷加工技术制造F-35 的大型钛合金结构件,使液氮通过主轴和刀具的内部管道直达切削区域。与使用传统的冷却液相比,加工时间从44h 降低到21h,切削效率提高了52%,而刀具使用量并没有增加,零件表面完整性得到提高,白层减少,能耗减少,省去了废弃切削液处置工作,工人的安全性得到提高。据估计,加工成本降低了30%。

摘自《航空制造技术》杂志,原题目:航空难加工材料的深冷加工技术研究进展

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