[發明專利]一種金屬表層低溫切削加工方法及裝置

在審

• 申請號: 202110307671.2
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN113084589A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 顏培;孫婕;陳豪;王西彬;焦黎;仇天陽;趙文祥;周天豐;劉志兵;解麗靜;趙斌;梁志強;滕龍龍;沈文華
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23Q11/10
• 分類號: B23Q11/10
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 廖輝;郭德忠

本發明公開了一種金屬表層低溫切削加工方法及裝置，該加工方法包括：搭建金屬表層低溫切削裝置；裝夾待切削工件，采用所述金屬表層低溫切削裝置對待切削工件進行降溫，使待切削工件表層形成降溫層，并且降溫層的深度大于切削深度；在降溫層的溫度達到預設溫度后，采用刀具對待切削工件進行切削加工。上述加工方法在采用超低溫冷卻介質對材料表面進行冷卻降溫的同時進行切削加工，能夠實現冷卻和切削的同時進行，還能調控工件表面的殘余應力狀態。

技術領域

本發明涉及金屬切削加工技術領域，具體涉及一種金屬表層低溫切削加工方法及裝置。

背景技術

在金屬切削加工過程中，切削區域的金屬材料與刀具之間存在擠壓和摩擦，會發生劇烈的塑性變形，產生極高的切削溫度與切削力，尤其是在加工高溫合金、不銹鋼及鈦合金等高粘性、低導熱系數的難加工材料過程中，工件材料的切削性能差，導熱性差，易在切削區域積聚極高的熱量，造成刀具熱損傷從而加劇刀具磨損，嚴重縮短切削刀具的使用壽命。此外，工件材料粘結在刀具后刀面，與已加工表面發生劇烈摩擦，惡化加工表面狀態，嚴重影響加工表面質量和產品合格率。因此，降低切削過程中的切削溫度，減少材料的粘結，改善工件的加工表面質量，成為這些難加工材料切削加工過程中的關鍵。

現有技術中，為了解決高溫合金等難加工材料刀具熱損傷嚴重、加工表面質量差等問題，主要采用的方法包括：選用合適的水基切削液、采用最小量潤滑技術、向切削區施加低溫冷風強化散熱、將工件材料浸入液氮等超低溫液體中進行整體冷凍后再進行切削；這些方法對于延長刀具壽命、提高加工表面質量均具有一定的成效。

但是，現有方法均存在一定的局限性，例如，大量切削液的使用會對環境造成影響，不符合綠色制造的要求；低溫冷風強化散熱雖然可以滿足常見金屬材料的切削要求，但是并不適用于難加工材料的切削；加工前將工件材料整體浸入低溫液體中進行冷凍處理，可以顯著改善以上的諸多缺陷，但是對于尺寸較大的工件，該種方式可操作性極差，需要耗費大量的冷卻介質，無法實現冷卻和切削同時進行。因此，現有技術中難加工材料的低溫切削方法仍存在不足之處，需要進一步改進和完善。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種金屬表層低溫切削加工方法及裝置，該方法采用超低溫冷卻介質對材料表面進行冷卻降溫，能夠實現冷卻和切削的同時進行，還能調控工件表面的殘余應力狀態。

本發明采用以下具體技術方案：

本發明提供了一種金屬表層低溫切削加工方法，包括以下步驟：

搭建金屬表層低溫切削裝置，所述金屬表層低溫切削裝置包括超低溫冷卻介質輸送管、噴環、噴嘴以及固定支架；所述超低溫冷卻介質輸送管與所述噴環連通，用于向所述噴環輸送超低溫冷卻介質；所述噴環為環形管狀件，并在內周側壁均勻分布有多個噴嘴安裝位；在每個所述噴嘴安裝位可拆卸地安裝有一個所述噴嘴；所述噴環通過所述固定支架固定安裝于刀架；

裝夾待切削工件，采用所述金屬表層低溫切削裝置對待切削工件進行降溫，使待切削工件表層形成降溫層，并且降溫層的深度大于切削深度；

在降溫層的溫度達到預設溫度后，采用刀具對待切削工件進行切削加工。

更進一步地，在裝夾待切削工件之前，還包括：

設定降溫層深度h、冷卻時間T、工件表面以下深度h處的溫度t、噴嘴的數量n、噴嘴的噴射角度β、超低溫冷卻介質的噴射壓力p、超低溫冷卻介質的流量q、刀具的進給速度v_f、刀具的切削速度v、切削深度a_p、噴嘴的出口與待切削工件之間的噴射距離d、以及噴嘴與刀具之間的間隔距離s。

更進一步地，在裝夾待切削工件之前，還包括：

根據設定的噴嘴數量n、噴射角度β、噴射距離d以及間隔距離s，調節噴環、噴嘴以及刀具，并將噴環的初始位置設置在工件加工的起始位置。

更進一步地，噴嘴的數量n為1～8個；