航空難加工材料的深冷加工技術研究進展

（西北工業(yè)大學現代設計與集成制造技術教育部重點實驗室，西安 710072）

超高強度鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料具有高硬度、高強度、高韌性和高耐磨性等特點，是航空關鍵零件的常用材料。但是，這些材料的導熱系數低、化學活性大、親和性強，導致切削溫度高、切削力大，嚴重影響刀具的壽命。為了提高航空難加工材料的切削性能，常采用高速切削、優(yōu)化刀片基體和幾何角度、采用新的涂層技術、改進冷卻潤滑方式等方法。近年來，深冷加工技術憑借其對切削區(qū)域溫度、零件表面完整性、刀具磨損等的顯著改善，以及卓越的環(huán)境友好性，成為提高航空難加工材料切削性能的主要技術之一。

深冷加工技術

深冷（Cryogenic）是指利用液體氧、液體氟、液體氦、液體氬等冷卻介質達到100K或120K以下的低溫冷凍技術[1]。由于液氮（LN2）經濟、無污染、不產生化學反應，深冷技術常以液氮作為冷源，利用其相變吸熱來獲得-196℃的低溫環(huán)境。某些情況下，高于100K的低溫冷凍技術也被納入深冷范疇，如以固體或液體二氧化碳作為冷卻介質。深冷技術在機械加工中的應用可分為深冷處理（Cryogenic Processing）和深冷加工（Cryogenic Machining）兩種。深冷處理是一種擴展的熱處理工藝，通過冷卻來增強刀具或材料的切削性能，如提高刀具的硬度或改善韌性材料的脆度。深冷加工是指在切削加工過程中通過局部施加冷源，降低切削變形區(qū)域的溫度，從而達到減少刀具磨損、改善加工表面質量的目的。深冷加工是一個典型的多學科交叉技術，涉及低溫物理學、材料學、熱力學、傳熱學、金屬切削原理、測控技術等領域。深冷加工是提高難加工材料切削性能的重要途徑，相關的研究和應用已成為學科前沿和熱點。

深冷加工的冷卻方式

深冷加工的冷卻方式分為切削區(qū)域冷卻法、工件冷卻法和刀具冷卻法3種。

（1）切削區(qū)域冷卻法：將液氮直接噴射到切削區(qū)域，達到降低切削區(qū)域溫度、冷卻刀具，提高刀具性能的目的。液氮可以通過外部噴嘴噴射，也可以通過機床主軸和刀具內部的管道傳輸，從刀片切削刃部的微孔中釋放（圖1）[2]，避免將機床部件、夾具或傳感器暴露在低溫氣體中。

（2）工件冷卻法：在加工前或加工過程中通過液氮噴霧冷卻工件，使韌性材料變得更脆一點，或者使高分子材料的溫度低于玻璃化轉變溫度，從而使材料性能更有利于切削。

圖1 深冷加工現場Fig.1 Cryogenic machining example

（3）刀具冷卻法：在加工中不斷地冷卻刀具，使切削熱快速地從刀具上、特別是刀尖處被帶走，刀尖始終保持在較低溫度。這種方法只冷卻刀具，不冷卻工件，不影響工件的幾何尺寸和力學性能。

深冷加工技術研究現狀

深冷加工是一個復雜的多學科耦合過程，涉及幾何、材料、傳熱、化學等變化。目前，難以建立能夠完整、精確描述這一過程的解析模型。因此，對深冷加工的研究主要方式是利用Deform 3D、Advantage、Abaqus等軟件行有限元仿真，計算深冷加工過程中的溫度、應變、應變率等（圖2）[3]；或開展實際的切削實驗，旨在觀察深冷加工對零件質量、表面完整性、刀具磨損等的影響（圖3）[3]，發(fā)現切削性能和切削結果的變化規(guī)律，并利用響應曲面法等優(yōu)化切削參數。

深冷加工常用的工件材料包括鈦合金、鎳基合金、奧氏體不銹鋼、高速鋼等。其中，Ti-6Al-4V鈦合金是雙相合金，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，可在400～500℃的溫度下長期工作，在500℃以下具有較高的屈服強度、疲勞強度和熱穩(wěn)定性，是航空發(fā)動機壓氣盤、靜葉片、動葉片、機殼、燃燒室外殼、排氣機構外殼、中心體、噴氣管等零件的常用材料，也是深冷加工研究中的常用材料。據粗略統計，深冷加工的研究文獻中，采用Ti-6Al-4V工件的占比超過30%，并且常采用碳化鎢刀具。有研究表明，采用深冷加工銑削Ti-6Al-4V鈦合金的材料去除率最高可達 9500mm3/min，節(jié)能 88%[4]。

圖2 深冷鉆削Ti-6Al-4V的溫度仿真Fig.2 Cutting temperature simulation in cryogenic drilling Ti-6Al-4V

圖3 深冷加工刀具磨損觀測Fig.3 Cutter wear measurement after cryogenic machining process

Inconel 718是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在650℃以下時具有較高強度、韌性和耐腐蝕性，在700℃時具有較高的抗拉強度、疲勞強度、抗蠕變強度和斷裂強度，在1000℃時具有高抗氧化性，廣泛應用于航空發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤、軸和承力環(huán)等受力轉動件。Inconel 718容易加工硬化，使切削加工十分困難，是最難加工的材料之一，相對可切削性僅為45#鋼的6%～20%。約10%的深冷加工研究采用Inconel 718工件。近幾年，隨著Inconel 718的廣泛應用，這一比例還在迅速上升。研究表明，深冷加工在高速加工Inconel 718時效果顯著[1]。

此外，AZ31B鎂合金在汽油、煤油和潤滑油中性能穩(wěn)定，適于制造發(fā)動機齒輪機匣、油泵和油管，又因在旋轉和往復運動中產生的慣性力較小而被用來制造搖臂、艙門和舵面等活動零件，在民用機和軍用飛機被廣泛應用。研究表明，采用深冷加工技術切削此類零件可獲得更好的表面完整性，微觀組織結構也得到改善[5]。

近年來，碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）憑借其輕質高強的優(yōu)勢，被越來越廣泛地用于航空產品中。而深冷加工技術也被用于提高其切削性能。例如，研究結果表明，深冷加工對減少刀具刃口圓角和外圓角磨損有著深遠的影響，也有助于提高表面完整性[6]，但會產生較大的切削力和扭矩[7]。深冷加工技術可以提高切削芳綸纖維（Aramid Fiber-Reinforced Composites, AFRC）的質量，因此可進一步優(yōu)化切削深度、進給速度、冷卻溫度和液氮流量[8]。

在加工方法方面，深冷加工的研究多見于車削，約占到60%。近幾年，針對Ti-6Al-4V和Inconel 718的銑削、鉆削研究逐漸增多。為了改善潤滑效果，深冷加工和微量潤滑技術融合，可降低切削力50%以上[9]。通過設計融合深冷加工和微量潤滑技術的專用噴嘴，可顯著提高刀具的壽命[10]。深冷加工技術也與零件加熱技術融合。利用液氮冷卻刀具，通過加熱軟化工件，雙管齊下改善切削性能，取得了良好的效果。但是，有研究表明，這種融合也可能惡化工件的導熱性能，使刀具磨損加劇[11]。

增材制造是一種難加工材料成形的重要方式。但是，增材制造的零件可能更難于進行精加工或半精加工切削。例如，采用真空電子束熔煉技術成形后，Ti-6Al-4V零件的可加工性比鍛件的可加工性更差。但是，采用深冷加工技術進行半精加工時，刀具的粘著磨損明顯降低、表面完整性改善、刀具壽命提高[12]，為增材-減材混合加工提供了一個選項[13]。

國外一些公司開發(fā)出了商業(yè)化的深冷加工刀柄、刀具和其他裝備，通過內部管道將液氮輸送到切削區(qū)域，取得了良好的應用效果。但是，刀具內部管道形式也可能影響切削性能。例如，有研究證明，與利用雙螺旋管道和單直管道相比，利用雙直管道（圖4）輸送低溫氣體和潤滑液可取得更小的切削力、更長的刀具壽命[14]。

深冷加工的影響分析

（1）對切削性能的影響。深冷加工會顯著提高難加工材料的切削性能，改變一些材料的傳統加工方法。例如，由于熱穩(wěn)定性差，金剛石刀具不能用來加工鋼鐵類材料。而采用液氮冷卻后，碳原子的擴散和石墨化得到有效抑制，減少了刀具磨損、提高了加工質量，使用金剛石刀具加工鋼鐵類材料成為可能[1]。通常，氧化鋁陶瓷刀具易碎，切削時不能使用切削液。通過與高速加工的結合，深冷加工可以改善這類刀具的加工性能，使加工效率提高50%～200%[2]。深冷加工也可用于韌性材料和聚合物的切削，通過冷卻使工件材料變脆，更利于切屑的形成[15]。深冷加工能夠滿足特殊加工領域絕對不能使用切削液的要求。

（2）對切削溫度的影響。切削區(qū)域溫度升高是加工過程中的一種普遍現象，太高的切削溫度會影響刀具壽命、表面完整性和加工精度。難加工材料的熱導率低，切削區(qū)域的發(fā)熱不能快速擴散，使切削區(qū)域和前刀面的溫度變得很高。傳統的切削液通過傳導散熱，在到達切削區(qū)域前可能已經蒸發(fā)，對切削區(qū)域的冷卻效果有限。采用深冷加工技術后，具有一定壓強的低溫氣體可直達切削區(qū)域，顯著降低刀具和切屑界面的溫度[16]。圖5是不同冷卻潤滑條件下車削Inconel 718時實測切削溫度的對比圖。可以看出，深冷加工時切削溫度僅為干切的一半左右[17]。

（3）對切削力的影響。在相同的材料、刀具、機床和加工參數下，深冷加工比干切的切削力和扭矩更小，斷屑性能更好[16]。如圖6所示，在同等條件下，深冷加工的徑向力、進給力、主切削力均介于干切和微量潤滑之間[17]。因此，可以進一步提高切削速度和進給量，以便于獲得更高的材料去除率。但是，也有研究表明，在低速加工時，深冷加工提高了摩擦力[18]，反而產生了更大的切削力和扭矩[1]。

（4）對刀具磨損的影響。試驗表明，用深冷加工技術切削鈦合金、不銹鋼等材料時，切削力和切削溫度的降低使硬質合金刀具、碳化鎢刀具、立方氮化硼刀具的粘著磨損、擴散磨損、磨料磨損顯著降低，月牙洼磨損減少[19]。與干切或使用傳統冷卻液相比，刀具壽命可提高數倍，經濟效益顯著。如圖7所示，在車削Inconel 718時，深冷加工的后刀面磨損量顯著低于干切和微量潤滑[17]。

圖4 刀具的內部管道Fig.4 Internal cooling channels of cutters

圖5 不同冷卻潤滑條件下的實測最大切削溫度Fig.5 Measured maximum temperature as a function of cooling/lubricating

圖6 不同冷卻潤滑條件下的切削力對比Fig.6 Cutting force comparison under different cooling/lubricating conditions

（5）對切削穩(wěn)定性的影響。與傳統加工方式相比，深冷加工可以改變主軸刀具單元的模態(tài)和切削力系數，提高切削穩(wěn)定性極限，使穩(wěn)定性邊界整體向低主軸轉速區(qū)域移動[20]。切削7075鋁合金時，干切和深冷加工條件下的穩(wěn)定性曲線如圖8所示，與干切相比，深冷加工時的穩(wěn)定性明顯提高[20]。

（6）對表面完整性的影響。深冷加工可以減少殘余應力、毛刺，提高表面完整性和零件質量。對材料的深冷處理可改變其微觀組織結構。與微量潤滑和干切相比，深冷加工技術在切削Ti-6Al-4V和Inconel 718等難加工材料時可以獲得更好的表面質量[21]。在加工記憶合金、不銹鋼等材料時也獲得了類似的效果。與其他工況相比，深冷加工后零件表面和亞表面更加致密、塑性變形深度較淺、顯微硬度更高，抗失效能力得到提高[22]。從圖9可以看出，在加工鎳鈦形狀記憶合金時，深冷加工后的顯微硬度明顯高于干切，比可接受的標準高得多[21]。

（7）對環(huán)境的影響。氮氣是大氣中的最主要成分（約占78%）。由于液氮是制氧工業(yè)的副產品，液氮的來源非常廣泛。與使用常規(guī)切削液相比，使用液氮不僅能獲得更好的切削性能，而且不會腐敗、變質，對人體無毒害、對環(huán)境無任何污染[23]。此外，液體二氧化碳（CO2）也被用于切削區(qū)域的冷卻。雖然液體二氧化碳（-78.5℃）比液氮溫和，在某些情況下更有利于延長刀具壽命、改善表面質量、提高效益。但是，二氧化碳是輻射性氣體，具有發(fā)射和吸收熱輻射的能力，會產生溫室效應，環(huán)境友好性差。而深冷加工與微量潤滑的結合更能在技術和環(huán)境方面取得雙贏[24]。

圖7 不同冷卻潤滑條件下的后刀面磨損Fig.7 Flank wear progression at different cooling/lubricating conditions

圖8 深冷加工與干切的穩(wěn)定性葉瓣圖Fig.8 Predicted SLDs of cryogenic machining and dry machining

圖9 深冷加工和干切的顯微硬度Fig.9 Microhardness of cryogenic machining and dry machining

（8）經濟效益分析。通過改善加工性能、優(yōu)化工藝參數、提高材料去除率、降低刀具磨損、節(jié)省切削液，深冷加工技術可以獲得顯著的經濟效益。使用深冷加工技術，省去了輸送冷卻液的泵，加工能耗也明顯降低[4]。由于沒有切削液殘留，因此省去了零件清洗的成本。綜合考慮成本和收益，隨著液氮使用成本的降低，深冷加工在經濟方面的優(yōu)越性將變得越來越顯著。

深冷加工研究和應用面臨的問題

圖10 采用深冷加工技術制造的大型鈦合金飛機結構件Fig.10 Large titanium airframe component fabricated by using cryogenic machining technology

目前，深冷加工技術主要處于實驗研究階段，雖然有些公司致力于深冷加工工藝裝備的研發(fā)，但大規(guī)模的工業(yè)化應用還未到來，公開報道的案例還比較少。其中，洛克希德·馬丁公司采用深冷加工技術制造F-35的大型鈦合金結構件（圖10）[2]，使液氮通過主軸和刀具的內部管道直達切削區(qū)域。與使用傳統的冷卻液相比，加工時間從44h降低到21h，切削效率提高了52%[2]，而刀具使用量并沒有增加，零件表面完整性得到提高，白層減少，能耗減少，省去了廢棄切削液處置工作，工人的安全性得到提高。據估計，加工成本降低了30%。

雖然深冷加工技術已經體現出顯著的優(yōu)越性，但該技術的研究和應用還處于發(fā)展階段，還面臨以下這些亟待探索和解決的問題。

（1）對于Ti-6Al-4V和Inconel 718等難加工材料來說，深冷加工在降低溫度、提高切削性能的同時也會降低材料的導熱性能，可能反而會加劇刀具磨損。深冷加工在提高零件表面硬化程度的同時也可能會惡化表面質量，二者之間也存在此消彼長的矛盾。因此，如何優(yōu)化深冷加工中液氮噴射的角度、壓強、時間、速度等參數，在其正面效應和負面效應之間取得平衡是一個值得研究的問題。

（2）目前，對深冷加工的研究主要通過加工試驗或數值模擬（有限元仿真）進行，缺少可靠的解析模型，難以深入揭示其機理、掌握其規(guī)律，更不利于工藝裝備和切削參數的優(yōu)化[25]。研究過程中經常出現一些存在爭議、難以解釋，甚至完全相反的結果。不同的刀具、工件材料組合下，深冷加工的結果差異較大[26]。因此，對深冷加工技術的研究，需要逐步從定性研究轉向更為深入的定量研究，為深冷加工工藝參數的選擇和優(yōu)化提供更可靠的依據。

（3）深冷加工過程是一個強時變、非線性、多場耦合的復雜物理過程，對切削區(qū)域的溫度、壓強的在線監(jiān)測難以進行，對熱傳導和溫度場的變化難以在線獲得，對可能存在的變化難以在線感知。這些都是認知深冷加工規(guī)律不得不面臨的障礙，需要通過多學科交叉提高深冷加工過程的感知能力。

（4）對深冷加工工藝參數的精確控制，也必須通過相應的硬件設備實現。目前，刀具材料的選擇和幾何的設計很少考慮深冷加工的需求，深冷加工的專用刀具還不夠豐富。深冷加工中使用的液氮基本上是一次性的，都直接“還給”了大自然，缺少現場回收、再利用的裝備。這些問題使深冷加工的潛在優(yōu)勢不能完全發(fā)揮。因此，深冷加工專用設備、工裝、刀具也是一個極具潛力的領域。

（5）深冷加工過程中，刀具和工件都可能發(fā)生熱彈性變形，造成輪廓度誤差。深冷加工后工件面型精度及表層力學性能還難以準確預測。因此，深冷加工精度的控制和補償都是值得深入研究的問題。

結束語

應用深冷加工技術，可以顯著改善航空難加工材料的切削性能，提高刀具壽命和零件表面完整性。更重要的是，深冷加工技術采用無毒、無污染的液氮作為冷卻介質，是一種綠色、環(huán)保的先進加工技術，具有廣闊的應用前景。目前，對于深冷加工技術的研究還不夠深入和充分，還有大量的機理和規(guī)律有待探索和發(fā)現。隨著需求的日益迫切、科學技術的高速發(fā)展，深冷加工將成為提高航空難加工材料切削性能的重要手段，對深冷加工機理和規(guī)律的掌握將更加深入。這將有力地促進研究人員不斷發(fā)掘深冷加工的潛在優(yōu)勢，深冷加工的應用也將越來越廣泛。作為綠色制造技術的重要發(fā)展方向，深冷加工技術的經濟、社會效益值得期待。

參 考 文 獻

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