在加工鈦合金材料時前联，采用液氮冷卻可以明顯降低刀具的磨損程度鸭僧，尤其是可以提高切割參數(shù)水平

　　鈦合金材料由于其良好的耐熱性而越來越多地被用作建筑材料岗努。但是，這種材料的難切削特性會導(dǎo)致刀具的極大磨損。采用液態(tài)氮冷卻即可顯著提高刀具的使用壽命浴滴。

　　諸如鈦基和鎳基合金的高耐熱合金的加工，對切割材料岁钓、涂層材料和冷卻潤滑策略提出了特別的要求升略。由于切割時會產(chǎn)生很高的溫度，因此鈦金屬加工幾乎只能是一種濕式加工屡限。干式加工方式只有在特殊情況下才會被采用品嚣。但是，盡管采用了冷卻潤滑劑和冷卻劑的高壓引入方式钧大，刀具在較短時間內(nèi)仍然會遭受到熱磨損機理的影響翰撑。降低切割溫度和顯著減弱刀具熱磨損機理影響的一種可能性便是采用液態(tài)氮冷卻劑（-196℃）。

提高鈦金屬加工效率

　　鈦合金作為一種建筑材料啊央，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣眶诈。這一方面要歸功于其特殊的強度，可以耐受很高的溫度瓜饥；另一方面這種金屬還具備良好的防腐性能逝撬。鈦合金可以抵抗大約550℃的溫度，因此常晨旎欤可以被用于離心力很大的渦輪機部件上愚矗，例如渦輪葉輪盤和渦輪葉片。圖1所示GP700型傳動機構(gòu)材料的多樣性穿互，如在空客A380上的應(yīng)用椭药。在傳動機構(gòu)方面，鈦合金主要用于FAN和空壓機領(lǐng)域峡徽；溫度較高的傳動機構(gòu)領(lǐng)域則主要采用鎳基合金蓬甩。但是，鈦合金也用于飛機機身的那些因溫度過高（＞130℃）而無法采用鋁合金材料或鋁合金強度不夠的部件上垢类。鈦金屬部件和鈦/CFK復(fù)合材料部件在飛機制造業(yè)中的應(yīng)用比例在不斷上升婆崔。因此，不斷提高鈦金屬材料的切削加工效率越來越重要革襟。

鈦金屬切削加工難度大

　　鈦合金由于其機械和物理特性所限十卖，非常難以切削加工。這種材料強度很大鸭嗡，而破斷延伸性則較弱俘伤。鈦合金在可切削性方面一個重要的物理特性便是其較小的導(dǎo)熱性，只有普通鋼鐵材料的10%～20%份氧。因此唯袄，只有一小部分的切割熱量可以由切屑帶走。與42CrMo4等鋼材加工相比蜗帜，在加工鈦金屬材料時恋拷，有20%～30%的多余熱量必須要由刀具所承受资厉。除了刀具的較高熱負(fù)荷之外，鈦金屬會與大多數(shù)的切割材料產(chǎn)生反應(yīng)蔬顾。由于鈦金屬有較高的切削溫度和較強的反應(yīng)等特征宴偿，兩種因素作用在一起，因此诀豁，切削刀具容易出現(xiàn)較強的離散磨損現(xiàn)象窄刘。此外，對于鈦金屬切削來說舷胜，生成層疊狀切屑也是一種典型的現(xiàn)象娩践。隨著斷續(xù)的層疊狀切屑的產(chǎn)生，刀具上也會出現(xiàn)周期性的機械與熱量的交互載荷烹骨。在較長的切削時間里翻伺，刀具的疲勞過程會參與到整個磨損過程之中。因此陵阁，在加工鈦金屬合金時姥憋，大多會投入使用沒有涂層的S組硬金屬。由于刀具受到很高的機械和熱量載荷苦爸，因此拼肥，硬金屬刀具只能采用50～90m/min的較低的速度。本文中所述的α-β-TiA16V4合金便是技術(shù)上最常見的鈦合金瑟扁。

　　至于對切削技術(shù)方面的低溫冷卻境仁，通常采用溫度極低的材料。出于良好的可供性和相對操作安全方面的考慮匹氯，切削流程中通常采用液態(tài)氮和干冰來冷卻阿切。

　　低溫冷卻的優(yōu)點是可以降低切削溫度，顯著減緩刀具磨損程度并提高切削參數(shù)水平重抑。在對奧氏體鋼材進行車削而采用低溫冷卻（LN2）時擦蚣，可以使得刀具的使用壽命比采用常規(guī)的溢流冷卻方法高出4倍多。

低溫冷卻降低熱磨損

　　鑒于所述的特性亿永，低溫冷卻在鈦金屬合金切削過程中顯示出很強的可以降低刀具因熱磨損程度的傾向掠廓。對TiA16V4合金外緣車削的研究結(jié)果表明，通過采用低溫冷卻（LN2）來取代常規(guī)的溢流冷卻甩恼，由此可以使得刀具的磨損量降低80%蟀瞧。

　　當(dāng)切削速度較高時，采用液態(tài)氮可以獲得較好的冷卻效果条摸。通過采用液態(tài)氮來取代常規(guī)的溢流冷卻悦污，從而降低刀具磨損程度，可以達到很好的表面質(zhì)量和明顯較長的刀具使用壽命。

　　然而在對鈦金屬合金進行鏜切端、銑加工時彻坛，采用低溫冷卻方法卻未能獲得任何結(jié)果。因此在采用液態(tài)氮冷卻條件下對TiA16V4合金的立式銑削進行試驗踏枣。所采用的為常規(guī)溢流冷卻（乳化液6%）和無潤滑劑成分的液態(tài)氮冷卻方法小压，在相同的切削參數(shù)條件下，投入使用直徑為12mm的涂層整體硬質(zhì)合金立銑刀（帶有Al-Cr-N-PVD涂層）椰于。液態(tài)氮冷卻劑通過一個噴嘴被引到刀具與工件之間交接處的外側(cè)上。試驗工件為TiA16V4刀片仪搔，該刀片在435mm長的直線銑削軌跡上接受加工姻眼。

　　刀片按照設(shè)定的切削參數(shù)經(jīng)過16.4min的使用時間之后的情況。在切削面上袄扛，溢流冷卻和LN2冷卻之間的差異最為顯著娄缴。刀片邊緣在被置于溢流冷卻條件下16.4min時出現(xiàn)溝槽，而在采用LN2冷卻方法時桂付，刀片邊緣只產(chǎn)生輕微的材料粘附現(xiàn)象和涂層出現(xiàn)輕微的刮痕摊梯。刀片邊緣在溢流冷卻作用下磨損較強而產(chǎn)生位移，因此在自由面(圖2)的差異就沒有那么明顯巍嘶。

　　在磨損測量中考慮刀片邊緣位移的問題杀乃，則也可以發(fā)現(xiàn)LN2冷卻優(yōu)點（溢流冷卻下的磨損痕跡寬度VB=98μm，LN2冷卻下的磨損痕跡寬度VB=10μm）原承。

表面磨損量可以降低10%

　　在采用LN2冷卻方法時碳环，自由面的磨損程度較低，這一點從磨損與使用時間關(guān)系圖表上即可看出（圖3）废奖。由于切削作業(yè)的不連續(xù)性鞍后，尤其在使用LN2冷卻方法時，銑刀的刀刃邊緣總是處于一種極大的熱變換載荷之中内地。但是伴澄，在整個冷卻過程中，熱載荷并未對刀具磨損帶來負(fù)面的影響阱缓。

　　如實驗結(jié)果所示非凌，在對鈦合金銑削加工中，液氮冷卻在工藝和經(jīng)濟性上有著極大的優(yōu)勢荆针。采用液氮冷卻可以大幅降低刀具的磨損程度清焕，尤其可以提高切割參數(shù)水平。在同等切割參數(shù)條件下祭犯，在采用LN2冷卻方法時秸妥，自由面磨損大約只為采用常規(guī)溢流冷卻方法時的自由面磨損量的10%。

　　采用LN2冷卻方法的另一個好處在于液態(tài)氮在加工過程中會發(fā)生完全汽化，由此工件粥惧、切屑和機床內(nèi)腔可以保持干燥和整潔键畴。由于周圍空氣中有78%是氮氣，因此采用LN2冷卻無需擔(dān)心操作人員會遭受身體危害的情況發(fā)生突雪。

低溫冷極少被采用

　　雖然低溫冷卻具備很多優(yōu)點起惕，但是它卻很少被應(yīng)用于金屬材料切削加工場合。因此掠北，有必要在低溫冷卻領(lǐng)域里對液態(tài)氮冷卻的優(yōu)勢潛力及其應(yīng)用繼續(xù)進行深入的研究牌骚，為將來的工業(yè)化應(yīng)用創(chuàng)造條件。

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