一种金属表层低温切削加工方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种金属表层低温切削加工方法及装置，该加工方法包括：搭建金属表层低温切削装置；装夹待切削工件，采用所述金属表层低温切削装置对待切削工件进行降温，使待切削工件表层形成降温层，并且降温层的深度大于切削深度；在降温层的温度达到预设温度后，采用刀具对待切削工件进行切削加工。上述加工方法在采用超低温冷却介质对材料表面进行冷却降温的同时进行切削加工，能够实现冷却和切削的同时进行，还能调控工件表面的残余应力状态。态。态。

【技术实现步骤摘要】
一种金属表层低温切削加工方法及装置


[0001]本专利技术涉及金属切削加工
，具体涉及一种金属表层低温切削加工方法及装置。

技术介绍

[0002]在金属切削加工过程中，切削区域的金属材料与刀具之间存在挤压和摩擦，会发生剧烈的塑性变形，产生极高的切削温度与切削力，尤其是在加工高温合金、不锈钢及钛合金等高粘性、低导热系数的难加工材料过程中，工件材料的切削性能差，导热性差，易在切削区域积聚极高的热量，造成刀具热损伤从而加剧刀具磨损，严重缩短切削刀具的使用寿命。此外，工件材料粘结在刀具后刀面，与已加工表面发生剧烈摩擦，恶化加工表面状态，严重影响加工表面质量和产品合格率。因此，降低切削过程中的切削温度，减少材料的粘结，改善工件的加工表面质量，成为这些难加工材料切削加工过程中的关键。
[0003]现有技术中，为了解决高温合金等难加工材料刀具热损伤严重、加工表面质量差等问题，主要采用的方法包括：选用合适的水基切削液、采用最小量润滑技术、向切削区施加低温冷风强化散热、将工件材料浸入液氮等超低温液体中进行整体冷冻后再进行切削；这些方法对于延长刀具寿命、提高加工表面质量均具有一定的成效。
[0004]但是，现有方法均存在一定的局限性，例如，大量切削液的使用会对环境造成影响，不符合绿色制造的要求；低温冷风强化散热虽然可以满足常见金属材料的切削要求，但是并不适用于难加工材料的切削；加工前将工件材料整体浸入低温液体中进行冷冻处理，可以显著改善以上的诸多缺陷，但是对于尺寸较大的工件，该种方式可操作性极差，需要耗费大量的冷却介质，无法实现冷却和切削同时进行。因此，现有技术中难加工材料的低温切削方法仍存在不足之处，需要进一步改进和完善。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种金属表层低温切削加工方法及装置，该方法采用超低温冷却介质对材料表面进行冷却降温，能够实现冷却和切削的同时进行，还能调控工件表面的残余应力状态。
[0006]本专利技术采用以下具体技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种金属表层低温切削加工方法，包括以下步骤：
[0008]搭建金属表层低温切削装置，所述金属表层低温切削装置包括超低温冷却介质输送管、喷环、喷嘴以及固定支架；所述超低温冷却介质输送管与所述喷环连通，用于向所述喷环输送超低温冷却介质；所述喷环为环形管状件，并在内周侧壁均匀分布有多个喷嘴安装位；在每个所述喷嘴安装位可拆卸地安装有一个所述喷嘴；所述喷环通过所述固定支架固定安装于刀架；
[0009]装夹待切削工件，采用所述金属表层低温切削装置对待切削工件进行降温，使待切削工件表层形成降温层，并且降温层的深度大于切削深度；
[0010]在降温层的温度达到预设温度后，采用刀具对待切削工件进行切削加工。
[0011]更进一步地，在装夹待切削工件之前，还包括：
[0012]设定降温层深度h、冷却时间T、工件表面以下深度h处的温度t、喷嘴的数量n、喷嘴的喷射角度β、超低温冷却介质的喷射压力p、超低温冷却介质的流量q、刀具的进给速度v
f
、刀具的切削速度v、切削深度a
p
、喷嘴的出口与待切削工件之间的喷射距离d、以及喷嘴与刀具之间的间隔距离s。
[0013]更进一步地，在装夹待切削工件之前，还包括：
[0014]根据设定的喷嘴数量n、喷射角度β、喷射距离d以及间隔距离s，调节喷环、喷嘴以及刀具，并将喷环的初始位置设置在工件加工的起始位置。
[0015]更进一步地，喷嘴的数量n为1～8个；
[0016]喷嘴的喷射角度β为
‑
60
°
～60
°
；
[0017]喷嘴的喷射压力p为0.05MPa～1MPa；
[0018]喷嘴的出口与待切削工件表面之间的喷射距离d为5mm～10mm；
[0019]超低温冷却介质的流量q为0.5L/min～6L/min。
[0020]更进一步地，待切削工件的材料为高温合金、钛合金、镁合金等高粘性、低导热系数或易燃合金材料。
[0021]更进一步地，所述超低温冷却介质为液氮或超临界二氧化碳。
[0022]另外，本专利技术还提供了一种用于对金属表层进行低温切削加工的金属表层低温切削装置，包括工件夹持机构、超低温冷却介质输送管、喷环、喷嘴、固定支架、刀架以及刀具；
[0023]所述工件夹持机构用于夹持工件；
[0024]所述超低温冷却介质输送管与所述喷环连通，用于向所述喷环输送超低温冷却介质；
[0025]所述喷环为环形管状件，设置有内部流道、以及与所述内部流道连通且位于内周侧的多个出口；
[0026]在每个所述出口均可拆卸地安装有一个所述喷嘴，所述喷嘴用于向所述工件表面喷射超低温冷却介质；
[0027]所述刀架能够相对所述工件夹持机构移动，用于固定安装所述刀具；
[0028]所述固定支架固定安装于所述刀架，用于支承所述喷环。
[0029]更进一步地，还包括底座；
[0030]所述工件夹持机构固定安装于所述底座；
[0031]所述刀架能够滑动地安装于所述底座。
[0032]更进一步地，所述喷嘴可调节地安装于所述喷环，用于调节所述喷嘴的喷射角度、以及所述喷嘴的出口与工件之间的喷射距离。
[0033]更进一步地，还包括与所述超低温冷却介质输送管连通的超低温冷却介质容器；
[0034]所述超低温冷却介质容器用于存储超低温冷却介质。
[0035]本专利技术具有以下有益效果：
[0036](1)本专利技术所提供的金属表层低温切削加工方法采用金属表层低温切削装置喷射的超低温冷却介质对工件进行降温处理，并在工件表面形成降温层后进行切削加工，使得冷却降温和切削加工能够同时进行；与现有技术中将工件材料完全浸泡冷冻的方法相比，
具有节约超低温冷却介质和加工效率高的特点；采用上述加工方法使表层金属经冷冻后收缩，内层金属由于温度不变、体积不变，会对表层金属的收缩起到限制作用，在表层金属中产生拉应力；加工过程中金属表层发生塑性变形，晶粒被拉长，部分拉应力抵消；切削后表层金属恢复室温的过程中，温度升高、体积膨胀，此时内层金属限制表层金属膨胀，故可使表面产生残余压应力，有效改善加工表面残余应力状态；
[0037](2)本专利技术所提供的金属表层低温切削加工方法采用超低温冷却介质对工件进行低温处理，既能有效改善金属材料的切削加工性能、减少金属材料在刀具表面的粘结，又摆脱了对传统的切削液冷却作用的依赖，具有经济性和环保性，满足绿色切削的要求；
[0038](3)采用本专利技术的金属表层低温切削加工方法在加工特殊工件材料时，低温及切削过程中的应力会造成表面金相组织的转变，如：对于奥氏体不锈钢，在表层低温处理并进行切削加工后，在低温
‑
应力的耦合作用下，表面会发生马氏体相变，从而提高表面硬度和耐磨性，而且奥氏体变为马氏体后体积膨胀，进一步改善了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属表层低温切削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：搭建金属表层低温切削装置，所述金属表层低温切削装置包括超低温冷却介质输送管、喷环、喷嘴以及固定支架；所述超低温冷却介质输送管与所述喷环连通，用于向所述喷环输送超低温冷却介质；所述喷环为环形管状件，并在内周侧壁均匀分布有多个喷嘴安装位；在每个所述喷嘴安装位可拆卸地安装有一个所述喷嘴；所述喷环通过所述固定支架固定安装于刀架；装夹待切削工件，采用所述金属表层低温切削装置对待切削工件进行降温，使待切削工件表层形成降温层，并且降温层的深度大于切削深度；在降温层的温度达到预设温度后，采用刀具对待切削工件进行切削加工。2.如权利要求1所述的金属表层低温切削加工方法，其特征在于，在装夹待切削工件之前，还包括：设定降温层深度h、冷却时间T、工件表面以下深度h处的温度t、喷嘴的数量n、喷嘴的喷射角度β、超低温冷却介质的喷射压力p、超低温冷却介质的流量q、刀具的进给速度v
f
、刀具的切削速度v、切削深度a
p
、喷嘴的出口与待切削工件之间的喷射距离d、以及喷嘴与刀具之间的间隔距离s。3.如权利要求2所述的金属表层低温切削加工方法，其特征在于，在装夹待切削工件之前，还包括：根据设定的喷嘴数量n、喷射角度β、喷射距离d以及间隔距离s，调节喷环、喷嘴以及刀具，并将喷环的初始位置设置在工件加工的起始位置。4.如权利要求3所述的金属表层低温切削加工方法，其特征在于，喷嘴的数量n为1～8个；喷嘴的喷射角度β为
‑
60
°
～60
°
；喷嘴的喷射压力p为0.05M...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜培，孙婕，陈豪，王西彬，焦黎，仇天阳，赵文祥，周天丰，刘志兵，解丽静，赵斌，梁志强，滕龙龙，沈文华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：