CN112192313A - 一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法及装置 - Google Patents

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周里群
余鑫
黄子懿
李玉平
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Xiangtan University
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    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
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    • B23Q11/1038—Arrangements for cooling or lubricating tools or work using cutting liquids with special characteristics, e.g. flow rate, quality

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Abstract

本发明公开了一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法及装置。其特征是：存储在杜瓦罐内的液态CO2经过控制阀由钢丝编织高压软管输送，在切削加工时通过冷却管喷嘴喷射至切削加工区域。本发明改善了目前镍基高温合金加工中因传统切削液的应用导致的高成本、高环境污染和低安全性等问题，通过改善切削区域的润滑散热条件，显著降低了车削加工区的温度，减小了刀具磨损，提高了已加工表面完整性。

Description

一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法及装置
技术领域
本发明属于机械制造车削加工技术领域，更具体的是涉及一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法及装置。
背景技术
镍基高温合金具有优异的性能，在现代核工业、航天航空装备中被大量应用，然而优异的性能导致其在加工时会出现严重的刀具磨损和表面完整性低等问题，切削加工性能差。当前镍基高温合金的加工制造中大多仍采用传统切削液浇注式冷却，但该方式存在许多负面影响：一是传统浇注式冷却需耗费大量切削液，加之废切削液的后处理等造成加工成本较高；二是传统切削液需添加多种添加剂来保证冷却润滑性能，而添加剂多数为有毒有害物质，长时间接触会威胁人体健康；三是切削液若未经充分后处理，排入环境会对土壤、地下水和空气造成严重污染；四是该方式切削液用量大，浪费生产资源，冷却润滑能力有限，不符合日益增长的加工制造及环保需求。
发明内容
针对背景技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下所述技术方案。
一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置，包括(1)液态CO2杜瓦罐，(2)开关控制阀，(3)钢丝编织高压软管，(4)转接头，(5)冷却管及喷嘴；干冰低温冷却装置如图1所示，利用干冰低温冷却装置末端冷却管喷嘴，将液态CO2喷射在切削加工区域，可提供良好的冷却润滑效果。
所述的液态CO2杜瓦罐(1)自带压力表和增压阀，罐内压力在0.5MPa～2MPa内可调。
所述的钢丝编织高压软管(3)其耐受压力为15MPa，钢丝编织高压软管(3)的作用主要是将各个元件连接起来输送液态CO2，防止液态CO2在输送中吸热膨胀，凝结成干冰颗粒造成管路堵塞。
所述的冷却管及喷嘴(5)可实现角度在0～360°、位置任意调节。
所述的冷却管喷嘴直径为Φ7mm。
本发明的另一个目的在于提供一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法，是将存储在杜瓦罐内的液态CO2经开关控制阀(2)通过钢丝编织高压软管(3)依次流经转接头(4)、冷却管及喷嘴(5)，最后形成高速低温的干冰-CO2固气混合物射流，喷射在切削加工区域；通过杜瓦罐自带增压阀可实现1MPa～1.5MPa的喷射压力，切削环境恶劣时用大压力，切削环境良好时用小压力。
干冰低温冷却应用在切削加工中有如下技术优势：
(1)可直接加装于现有生产线上，不影响现有生产。
(2)液态CO2被喷射出喷嘴后会瞬间吸热并发生物相变化，变成干冰-CO2固气混合物并最终变成CO2气体，不会造成二次污染。
(3)高速低温的干冰-CO2固气混合物射流能在刀屑接触区形成一层低温润滑膜，改善刀屑摩擦环境，抑制刀具磨损。
(4)高速低温的干冰-CO2固气混合物射流能够剥离粘附在刀具表面的切屑，抑制切屑瘤的产生，提高加工稳定性和加工精度。
(5)干冰微粒的瞬间气化和低温CO2气体的升温会吸收大量热量，降低了切削加工区域的温度，并隔绝刀具与空气中O2的接触，降低了刀具的过热氧化程度，增加刀具寿命。
此种冷却方法非常适用于大型工件的切削加工和高速切削加工，是由于切削加工大型工件的切削用量大，切削区域更容易产生大量热量，高速切削加工也会产生大量的切削热。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。
其中：
图1是干冰低温冷却装置示意图。
图2是不同切削条件下的刀具后刀面磨损量。
图3是不同切削条件下的工件已加工表面粗糙度。
主要附图标记的说明：
1-液态CO2杜瓦罐；2-开关控制阀；3-钢丝编织高压软管；4-转接头；5-冷却管及喷嘴。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施案例对本发明的技术方案进行进一步说明。
一种图1为干冰低温冷却装置示意图，在检查各元件及连接处确保密封性良好的情况下，打开液态CO2杜瓦罐(1)的增压阀，调节罐内压力至1MPa～1.5MPa，喷嘴(5)距切削区20mm，喷嘴与刀具夹角为45°，打开开关控制阀(2)使液态CO2喷射至切削加工区域。
以YBC251硬质合金涂层刀具车削镍基高温合金GH4169Φ40外圆为例，验证干冰低温冷却的效果。刀具参数：前角γ＝-6°，主偏角Kr＝93°，刃倾角λs＝-6°；切削参数：切削速度分别为50、70、90、110r/min，进给量f＝0.15mm/r，切削深度αp＝0.3mm，液态CO2喷射压力为1.3MPa，用Mahr Marsurf PS 10型表面粗糙度仪测量已加工表面粗糙度值Ra(μm)，并用KEYENCEVHX-500FE超景深三维显微镜测量刀具的后刀面磨损量VB(μm)。
由图2可知，在切削加工中应用干冰低温冷却，相比于干切削，能有效地降低刀具后刀面磨损量。当切削速度的增加时，对降低刀具后刀面磨损量的效果更明显。
由图3可知，在切削加工中应用干冰低温冷却，相比于干切削，可以降低工件已加工表面粗糙度。当切削速度增加时，采用干冰低温冷却方式，工件已加工表面粗糙度更低。
上述实施案例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明的简单变换等均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置，其特征是：包括(1)液态CO2杜瓦罐，(2)开关控制阀，(3)钢丝编织高压软管，(4)转接头，(5)冷却管及喷嘴。
2.根据权利要求1所述的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置，其特征是：所述的液态CO2杜瓦罐(1)带有压力表和增压阀，罐内压力在0.5MPa～2MPa内可调。
3.根据权利要求1所述的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置，其特征是：所述的钢丝编织高压软管(3)耐受压力为15MPa，钢丝编织高压软管(3)的主要作用，是将各个元件连接起来输送液态CO2，防止液态CO2在输送过程中吸热膨胀，凝结成干冰颗粒造成管路堵塞。
4.根据权利要求1所述的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置，其特征是：所述的冷却管及喷嘴(5)可实现角度在0～360°、位置任意调节。
5.根据权利要求1所述的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置，其特征是：应保证所述开关控制阀(2)、钢丝编织高压软管(3)、转接头(4)以及各元件连接处的密封性和安全性。
6.基于权利要求1所述的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却装置的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法，其特征是：存储在杜瓦罐内的液态CO2经开关控制阀(2)通过钢丝编织高压软管(3)流经转接头(4)、冷却管及喷嘴(5)，最后形成高速低温的干冰-CO2固气混合物射流，喷射在切削加工区域，通过杜瓦罐自带增压阀可实现1MPa～1.5MPa的喷射压力，切削环境恶劣时用大压力，切削环境良好时用小压力。
7.根据权利要求5所述的一种用于镍基高温合金材料切削的干冰低温冷却方法，其特征是：所述的切削速度为50～110r/min。
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