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航空制作还有冷冻技能?详解最新鼓起的深冷加工

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  • 发布日期:2017-06-18 16:51
  • 有效期至:长时刻有效
  • 技能区域:北京市
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具体阐明

深冷(Cryogenic)是指运用液体氧、液体氟、液体氦、液体氩等冷却介质到达100K 或120K 以下的低温冷冻技能。

因为液氮(LN2)经济、无污染、不发生化学反应,深冷技能常以液氮作为冷源,运用其相变吸热来获得-196℃的低温环境。某些情况下,高于100K 的低温冷冻技能也被归入深冷范畴,如以固体或液体二氧化碳作为冷却介质。深冷技能在机械加工中的运用可分为深冷处理(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,经过冷却来增强刀具或资料的切削功能,如进步刀具的硬度或改进耐性资料的脆度。深冷加工是指在切削加工进程中经过部分施加冷源,下降切削变形区域的温度,然后到达削减刀具磨损、改进加工外表质量的意图。

深冷加工是一个典型的多学科穿插技能,触及低温物理学、资料学、热力学、传热学、金属切削原理、测控技能等范畴。深冷加工是进步难加工资料切削功能的重要途径,相关的研讨和运用已成为学科前沿和热门。

深冷加工的冷却办法

深冷加工的冷却办法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:将液氮直接喷发到切削区域,到达下降切削区域温度、冷却刀具,进步刀具功能的意图。液氮能够经过外部喷嘴喷发,也能够经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开释,防止将机床部件、夹具或传感器暴露在低温气体中。

  航空制作还有冷冻技能?详解最新鼓起的深冷加工

深冷加工现场

(2)工件冷却法:在加工前或加工进程中经过液氮喷雾冷却工件,使耐性资料变得更脆一点,或许使高分子资料的温度低于玻璃化转变温度,然后使资料功能更有利于切削。

(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,刀尖一直保持在较低温度。这种办法只冷却刀具,不冷却工件,不影响工件的几许尺度和力学功能。

深冷加工技能研讨现状

深冷加工是一个杂乱的多学科耦合进程,触及几许、资料、传热、化学等改变。现在,难以树立能够完好、准确描绘这一进程的解析模型。因而,对深冷加工的研讨首要办法是运用Deform 3D、Advantage、Abaqus 等软件行有限元仿真,核算深冷加工进程中的温度、应变、应变率等;或展开实践的切削试验,旨在调查深冷加工对零件质量、外表完好性、刀具磨损等的影响,发现切削功能和切削成果的改变规则,并运用呼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

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深冷加工刀具磨损观测

深冷加工常用的工件资料包含钛合金、镍基合金、奥氏体不锈钢、高速钢等。其间,Ti-6Al-4V 钛合金是双相合金,有杰出的耐性、塑性和高温变形功能,可在400~500℃的温度下长时刻作业,在500℃以下具有较高的屈从强度、疲劳强度和热安稳性,是航空发起机压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气组织外壳、中心体、喷气管等零件的常用资料,也是深冷加工研讨中的常用资料。

据大略计算,深冷加工的研讨文献中,选用Ti-6Al-4V 工件的占比超越30%,而且常选用碳化钨刀具。有研讨标明,选用深冷加工铣削Ti-6Al-4V 钛合金的资料去除率最高可达9500mm3/min,节能88%。Inconel 718 是含铌、钼的沉积硬化型镍铬铁合金,在650℃以下时具有较高强度、耐性和耐腐蚀性,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,广泛运用于航空发起机涡轮盘、压气机盘、轴和承力环等受力滚动件。

Inconel718 简单加工硬化,使切削加工好不容易,是最难加工的资料之一,相对可切削性仅为45# 钢的6%~20%。约10% 的深冷加工研讨选用Inconel718 工件。近几年,跟着Inconel 718的广泛运用,这一份额还在敏捷上升。研讨标明,深加工在高速加工Inconel 718 时作用显着。

近年来,碳纤维增强复合资料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)凭仗其轻质高强的优势,被越来越广泛地用于航空产品中。而深冷加工技能也被用于进步其切削功能。例如,研讨成果标明,深冷加工对削减刀具刃口圆角和外圆角磨损有着深远的影响,也有助于进步外表完好性,但会发生较大的

切削力和扭矩。深冷加工技能能够进步切削芳纶纤维(Aramid Fiber-Reinforced Composites, AFRC)的质量,因而可进一步优化切削深度、进给速度、冷却温度和液氮流量。

在加工办法方面,深冷加工的研讨多见于车削,约占到60%。近几年,针对Ti-6Al-4V 和Inconel 718 的铣削、钻削研讨逐步增多。为了改进光滑作用,深冷加工和微量光滑技能交融,可下降切削力50% 以上。经过规划交融深冷加工和微量光滑技能的专用喷嘴,可显着进步刀具的寿数。深冷加工技能也与零件加热技能交融。运用液氮冷却刀具,经过加热软化工件,左右开弓改进切削功能,获得了杰出的作用。可是,有研讨标明,这种交融也或许恶化工件的导热功能,使刀具磨损加重。

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刀具的内部管道

增材制作是一种难加工资料成形的重要办法。可是,增材制作的零件或许更难于进行精加工或半精加工切削。例如,选用真空电子束熔炼技能成形后,Ti-6Al-4V 零件的可加工性比锻件的可加工性更差。可是,选用深冷加工技能进行半精加时,刀具的粘着磨损显着下降、外表完好性改进、刀具寿数进步,为增材-减材混合加工供给了一个选项。国外一些公司开发出了商业化的深冷加工刀柄、刀具和其他配备,经过内部管道将液氮运送到切削区域,获得了杰出的运用作用。可是,刀具内部管道方式也或许影响切削功能。例如,有研讨证明,与运用双螺旋管道和单直管道比较,运用双直管道运送低温气体和光滑液可获得更小的切削力、更长的刀具寿数。

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选用深冷加工技能制作的大型钛合金飞机结构件

现在,深冷加工技能首要处于试验研讨阶段,尽管有些公司致力于深冷加工工艺配备的研制,但大规模的工业化运用还未到来,揭露报导的事例还比较少。其间,洛克希德·马丁公司选用深冷加工技能制作F-35 的大型钛合金结构件,使液氮经过主轴和刀具的内部管道直达切削区域。与运用传统的冷却液比较,加工时刻从44h 下降到21h,切削功率进步了52%,而刀具运用量并没有添加,零件外表完好性得到进步,白层削减,能耗削减,省去了抛弃切削液处置作业,工人的安全性得到进步。据估计,加工成本下降了30%。

摘自《航空制作技能》杂志,原标题:航空难加工资料的深冷加工技能研讨进展

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