液氮冷却提高刀具寿命

　　在加工钛合金材料时，采用液氮冷却可以明显降低刀具的磨损程度，尤其是可以提高切割参数水平

　　钛合金材料由于其良好的耐热性而越来越多地被用作建筑材料。但是，这种材料的难切削特性会导致刀具的极大磨损。采用液态氮冷却即可显著提高刀具的使用寿命。

　　诸如钛基和镍基合金的高耐热合金的加工，对切割材料、涂层材料和冷却润滑策略提出了特别的要求。由于切割时会产生很高的温度，因此钛金属加工几乎只能是一种湿式加工。干式加工方式只有在特殊情况下才会被采用。但是，尽管采用了冷却润滑剂和冷却剂的高压引入方式，刀具在较短时间内仍然会遭受到热磨损机理的影响。降低切割温度和显著减弱刀具热磨损机理影响的一种可能性便是采用液态氮冷却剂（-196℃）。

提高钛金属加工效率

　　钛合金作为一种建筑材料，其应用领域越来越广。这一方面要归功于其特殊的强度，可以耐受很高的温度；另一方面这种金属还具备良好的防腐性能。钛合金可以抵抗大约550℃的温度，因此常常可以被用于离心力很大的涡轮机部件上，例如涡轮叶轮盘和涡轮叶片。图1所示GP700型传动机构材料的多样性，如在空客A380上的应用。在传动机构方面，钛合金主要用于FAN和空压机领域；温度较高的传动机构领域则主要采用镍基合金。但是，钛合金也用于飞机机身的那些因温度过高（＞130℃）而无法采用铝合金材料或铝合金强度不够的部件上。钛金属部件和钛/CFK复合材料部件在飞机制造业中的应用比例在不断上升。因此，不断提高钛金属材料的切削加工效率越来越重要。

钛金属切削加工难度大

　　钛合金由于其机械和物理特性所限，非常难以切削加工。这种材料强度很大，而破断延伸性则较弱。钛合金在可切削性方面一个重要的物理特性便是其较小的导热性，只有普通钢铁材料的10%～20%。因此，只有一小部分的切割热量可以由切屑带走。与42CrMo4等钢材加工相比，在加工钛金属材料时，有20%～30%的多余热量必须要由刀具所承受。除了刀具的较高热负荷之外，钛金属会与大多数的切割材料产生反应。由于钛金属有较高的切削温度和较强的反应等特征，两种因素作用在一起，因此，切削刀具容易出现较强的离散磨损现象。此外，对于钛金属切削来说，生成层叠状切屑也是一种典型的现象。随着断续的层叠状切屑的产生，刀具上也会出现周期性的机械与热量的交互载荷。在较长的切削时间里，刀具的疲劳过程会参与到整个磨损过程之中。因此，在加工钛金属合金时，大多会投入使用没有涂层的S组硬金属。由于刀具受到很高的机械和热量载荷，因此，硬金属刀具只能采用50～90m/min的较低的速度。本文中所述的α-β-TiA16V4合金便是技术上最常见的钛合金。

　　至于对切削技术方面的低温冷却，通常采用温度极低的材料。出于良好的可供性和相对操作安全方面的考虑，切削流程中通常采用液态氮和干冰来冷却。

　　低温冷却的优点是可以降低切削温度，显著减缓刀具磨损程度并提高切削参数水平。在对奥氏体钢材进行车削而采用低温冷却（LN2）时，可以使得刀具的使用寿命比采用常规的溢流冷却方法高出4倍多。

低温冷却降低热磨损

　　鉴于所述的特性，低温冷却在钛金属合金切削过程中显示出很强的可以降低刀具因热磨损程度的倾向。对TiA16V4合金外缘车削的研究结果表明，通过采用低温冷却（LN2）来取代常规的溢流冷却，由此可以使得刀具的磨损量降低80%。

　　当切削速度较高时，采用液态氮可以获得较好的冷却效果。通过采用液态氮来取代常规的溢流冷却，从而降低刀具磨损程度，可以达到很好的表面质量和明显较长的刀具使用寿命。

　　然而在对钛金属合金进行镗、铣加工时，采用低温冷却方法却未能获得任何结果。因此在采用液态氮冷却条件下对TiA16V4合金的立式铣削进行试验。所采用的为常规溢流冷却（乳化液6%）和无润滑剂成分的液态氮冷却方法，在相同的切削参数条件下，投入使用直径为12mm的涂层整体硬质合金立铣刀（带有Al-Cr-N-PVD涂层）。液态氮冷却剂通过一个喷嘴被引到刀具与工件之间交接处的外侧上。试验工件为TiA16V4刀片，该刀片在435mm长的直线铣削轨迹上接受加工。

　　刀片按照设定的切削参数经过16.4min的使用时间之后的情况。在切削面上，溢流冷却和LN2冷却之间的差异最为显著。刀片边缘在被置于溢流冷却条件下16.4min时出现沟槽，而在采用LN2冷却方法时，刀片边缘只产生轻微的材料粘附现象和涂层出现轻微的刮痕。刀片边缘在溢流冷却作用下磨损较强而产生位移，因此在自由面(图2)的差异就没有那么明显。

　　在磨损测量中考虑刀片边缘位移的问题，则也可以发现LN2冷却优点（溢流冷却下的磨损痕迹宽度VB=98μm，LN2冷却下的磨损痕迹宽度VB=10μm）。

表面磨损量可以降低10%

　　在采用LN2冷却方法时，自由面的磨损程度较低，这一点从磨损与使用时间关系图表上即可看出（图3）。由于切削作业的不连续性，尤其在使用LN2冷却方法时，铣刀的刀刃边缘总是处于一种极大的热变换载荷之中。但是，在整个冷却过程中，热载荷并未对刀具磨损带来负面的影响。

　　如实验结果所示，在对钛合金铣削加工中，液氮冷却在工艺和经济性上有着极大的优势。采用液氮冷却可以大幅降低刀具的磨损程度，尤其可以提高切割参数水平。在同等切割参数条件下，在采用LN2冷却方法时，自由面磨损大约只为采用常规溢流冷却方法时的自由面磨损量的10%。

　　采用LN2冷却方法的另一个好处在于液态氮在加工过程中会发生完全汽化，由此工件、切屑和机床内腔可以保持干燥和整洁。由于周围空气中有78%是氮气，因此采用LN2冷却无需担心操作人员会遭受身体危害的情况发生。

低温冷极少被采用

　　虽然低温冷却具备很多优点，但是它却很少被应用于金属材料切削加工场合。因此，有必要在低温冷却领域里对液态氮冷却的优势潜力及其应用继续进行深入的研究，为将来的工业化应用创造条件。

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