[发明专利]一种金属表层低温切削加工方法及装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及金属切削加工技术领域，具体涉及一种金属表层低温切削加工方法及装置。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供了一种金属表层低温切削加工方法，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。

更进一步地，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。

更进一步地，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。

更进一步地，喷嘴的数量n为1～8个；