一種液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于材料加工領(lǐng)域，涉及一種液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法。該方法中，首先，將液氮噴嘴固定于機(jī)床主軸，并將多個(gè)材料、形狀、尺寸相同的試件用夾具固定于機(jī)床工作臺(tái)；接著，液氮噴嘴采用與加工相適應(yīng)的參數(shù)、路徑對多個(gè)試件進(jìn)行噴淋冷卻；然后，將試件放置于常溫環(huán)境直至其自然回暖至室溫，對材料進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)；最后，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算材料力學(xué)性能參數(shù)，并與已知的未經(jīng)液氮冷卻的材料性能參數(shù)對比。本發(fā)明采用液氮冷卻噴淋與材料力學(xué)性能測試相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對液氮冷卻材料力學(xué)性能的對比分析；通過采用與液氮冷卻加工工藝相適應(yīng)的噴淋冷卻方法，對比結(jié)果可靠性高；可適于不同材料、不同冷卻狀況下材料力學(xué)性能對比分析。
【專利說明】
一種液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用液氮進(jìn)行低溫(超低溫)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于 低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工的方法。它可以分為兩種應(yīng)用形式:一是直接應(yīng)用，即把液氮像 切削液一樣直接噴射到切削區(qū)；而是間接應(yīng)用，在切削加工中用液氮冷卻刀具或工件。
[0003] 液氮冷卻加工技術(shù)在材料，尤其是難加工材料的制造方面具有極大的優(yōu)勢，不僅 可以延長刀具壽命，而且可以提高加工質(zhì)量與加工效率。在液氮冷卻加工過程中，加工材料 受冷卻介質(zhì)影響，將處于極低的溫度環(huán)境下(_175°C~_196°C)，可能會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能 改變，甚至被"凍壞"。另外，材料零件雖然通過液氮冷卻加工技術(shù)加工，但卻通常需要在常 溫環(huán)境下服役使用。因此，研究液氮冷卻處理后材料力學(xué)性能的變化對于零件的加工及使 用具有重要意義。
[0004] 2014年，大連理工大學(xué)的劉新、武湛君等在《宇航學(xué)報(bào)》發(fā)表的論文《液氮處理對 T700碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料拉-壓疲勞性能的影響》中指出液氮處理會(huì)引起式樣內(nèi)的殘余應(yīng) 力釋放和剩余強(qiáng)度降低;2015年，中南大學(xué)的謝晨輝、黃繼武等在《中國有色金屬學(xué)報(bào)》發(fā)表 的論文《深冷處理對不同碳含量的WC-llCo硬質(zhì)合金纖維組織及性能影響》中指出深冷處理 可提高材料的硬度與抗彎強(qiáng)度。均表明，冷卻加工處理對材料的力學(xué)性能會(huì)造成一定的影 響，但是，由于液氮冷卻加工過程中材料受到的液氮冷卻，并且冷卻介質(zhì)隨刀尖沿被加工表 面移動(dòng)，與深冷處理中材料長時(shí)間完全處于液氮環(huán)境并不完全相同。而對于液氮冷卻加工 技術(shù)中導(dǎo)致的材料力學(xué)性能的變化情況，目前則尚未有過多的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方 法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中液氮冷卻加工工藝中材料力學(xué)性能變化的問題。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所述液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法，包括如下 步驟：
[0007] (1)將液氮噴嘴固定于機(jī)床主軸，并將多個(gè)材料、形狀、尺寸相同的試件用夾具固 定于機(jī)床工作臺(tái)；
[0008] (2)液氮噴嘴采用與加工相適應(yīng)的參數(shù)、路徑對多個(gè)試件進(jìn)行噴淋冷卻；
[0009] (3)將試件放置于常溫環(huán)境直至其自然回暖至室溫，對材料進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)；
[0010] (4)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算材料力學(xué)性能參數(shù)，并與已知的未經(jīng)液氮冷卻的材料性能 參數(shù)對比。
[0011] 具體的，所述方法具體包括如下步驟：
[0012] ⑴準(zhǔn)備就位
[0013] 將液氮噴嘴固定于機(jī)床主軸上，同時(shí)將試件①、試件②、試件③、試件④和試件⑤ 放置在支撐夾具上，用第一螺栓壓板組件壓緊所述試件①、試件②、試件③、試件④和試件 ⑤，然后將所述支撐夾具置于機(jī)床工作臺(tái)上，用第二螺栓壓板組件壓緊所述支撐夾具，調(diào)節(jié) 所述液氮噴嘴朝向所述試件①，完成在機(jī)液氮冷卻噴淋的準(zhǔn)備就位；
[0014] (2)液氮噴淋冷卻
[0015] 調(diào)整機(jī)床主軸的高度至所述試件①上方的合適高度，然后參照所述試件①、試件 ②、試件③、試件④和試件⑤的加工工藝，控制所述機(jī)床主軸帶動(dòng)所述液氮噴嘴沿預(yù)先編程 的軌跡以速度v運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過調(diào)節(jié)閥控制液氮以流速q進(jìn)行自動(dòng)噴淋冷卻。為保證所述試 件①、試件②、試件③、試件④和試件⑤液氮冷卻的均勻性，單次液氮噴淋冷卻后將所述試 件①、試件②、試件③、試件④和試件⑤沿Y向旋轉(zhuǎn)一定角度Θ，然后以相同參數(shù)、軌跡重復(fù)噴 淋，共噴淋N次，達(dá)到完全冷卻效果后關(guān)閉所述調(diào)節(jié)閥；
[0016] (3)材料力學(xué)性能測定
[0017] 將所述試件①、試件②、試件③、試件④和試件⑤從所述支撐夾具中取下放置于室 溫環(huán)境，等待所述試件①、試件②、試件③、試件④和試件⑤溫度均恢復(fù)至室溫后，將所述試 件①夾持于拉伸機(jī)中，以恒力F、勻速u進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，至試件①拉斷為止，接著將所述試件 ②夾持與所述拉伸機(jī)中，在相同條件下重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)，直至5組試件都完成拉伸實(shí)驗(yàn)；
[0018] (4)結(jié)果比較分析
[0019] 基于上述拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算液氮冷卻后材料試件的力學(xué)性能參數(shù)，并將所述試 件①、試件②、試件③、試件④和試件⑤的力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均處理，處理后結(jié)果與 相同材料試件未經(jīng)液氮冷卻處理的性能參數(shù)進(jìn)行對比，分析液氮冷卻對材料力學(xué)性能影 響。
[0020] 所述步驟(4)中，所述力學(xué)性能參數(shù)包括斷后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷 面收縮率。
[0021] 本發(fā)明所述方法提出一種液氮冷卻材料力學(xué)性能的對比方法，采用液氮冷卻噴淋 與材料力學(xué)性能測試相結(jié)合的方法，針對未經(jīng)液氮冷卻處理材料與經(jīng)液氮冷卻處理材料分 別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，檢測液氮冷卻前后材料力學(xué)性能的變化，實(shí)現(xiàn)了對液氮冷卻材料力學(xué)性 能的對比分析。本發(fā)明所述方法考慮了材料的加工動(dòng)作特性，通過采用與液氮冷卻加工工 藝相適應(yīng)的噴淋冷卻方法，提出了與液氮冷卻加工運(yùn)動(dòng)相適應(yīng)的噴淋冷卻方法，對比結(jié)果 可靠性高;冷卻過程變量參數(shù)化，可控性強(qiáng);采用液氮噴淋式冷卻代替浸沒式冷卻，環(huán)境壓 力小;在相同噴淋條件下同時(shí)冷卻多個(gè)材料、形狀、尺寸相同的試件，然后對材料力學(xué)性能 測試結(jié)果進(jìn)行平均處理，保證對比結(jié)果的準(zhǔn)確性;噴淋過程可集成于機(jī)床主軸部分，操作簡 單、快速。發(fā)明的方法可適于不同材料、不同冷卻狀況下材料力學(xué)性能對比分析。
【附圖說明】
[0022] 為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合 附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中，
[0023] 圖1為本發(fā)明所述液氮冷卻噴淋設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明所述材料試件拉伸測試設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中附圖標(biāo)記表示為：1-機(jī)床主軸，2-液氮噴嘴，3-機(jī)床工作臺(tái)，4-試件①，5-試件 ②，6-試件③，7-試件④，8-試件⑤，9-支撐夾具，10-第二螺栓壓板組件，11-第一螺栓壓板 組件，12-調(diào)節(jié)閥，13-拉伸機(jī)，LN2-液氮，v-噴淋運(yùn)動(dòng)速度，q-液氮流速，F(xiàn)_拉力，u_拉伸速 度，X、Y、Z-機(jī)床坐標(biāo)系中的X軸、Y軸和Z軸。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明下述實(shí)施例結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，說明氮冷卻 材料力學(xué)性能對比過程。
[0027] 本發(fā)明實(shí)施例所選圓柱形試件材料為1 Cr 18Ni 9Τ i不銹鋼，總長100mm，端部直徑為 15mm，拉伸段直徑為10mm、長度50mm，裝夾面端部表面。采用液氮噴淋方式進(jìn)行工件的液氮 冷卻，基本參數(shù)為:液氮出口流速150L/h，參照工件的加工進(jìn)給方向，液氮噴淋軌跡沿柱形 面母線方向，運(yùn)動(dòng)速度為50mm/min。
[0028] 本實(shí)施例所述的液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法，具體包括如下步驟：
[0029] (1)準(zhǔn)備就位
[0030] 如圖1所示，將液氮噴嘴2固定于機(jī)床主軸1上，5個(gè)相同試件① 4、試件②5、試件③ 6、試件④7和試件⑤8統(tǒng)一放置在支撐夾具9上，并用第一螺栓壓板組11壓緊試件① 4、試件 ②5、試件③6、試件④7和試件⑤8;將支撐夾具9置于機(jī)床工作臺(tái)3上，用第二螺栓壓板組件 10壓緊支撐夾具9，將液氮噴嘴2朝向試件4，完成液氮在機(jī)冷卻噴淋的準(zhǔn)備就位工作。
[0031] (2)液氮噴淋冷卻
[0032]對裝夾后的試件①4、試件②5、試件③6、試件④7和試件⑤8進(jìn)行液氮噴淋冷卻，調(diào) 整機(jī)床主軸1的高度至試件①4上方的10mm高度，以保證液氮的冷卻效果;然后驅(qū)動(dòng)機(jī)床主 軸1帶動(dòng)液氮噴嘴2以50mm/min的速度沿預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)閥12控制液氮以150L/min 的流速進(jìn)行噴淋。為保證試件液氮冷卻的均勻性，試件①4、試件②5、試件③6、試件④7和試 件⑤8單次噴淋冷卻完成后，將所有試件沿Y向旋轉(zhuǎn)120°，再以相同參數(shù)、軌跡重復(fù)噴淋，共 噴淋3次完成試件①4、試件②5、試件③6、試件④7和試件⑤8的液氮均勾冷卻，最后關(guān)閉調(diào) 節(jié)閥12。
[0033] (3)材料力學(xué)性能測定
[0034]冷卻后工件材料的力學(xué)性能測定。將試件①4、試件②5、試件③6、試件④7和試件 ⑤8取出放置于室溫環(huán)境，等待全部試件的溫度恢復(fù)至室溫（20±5°C)，然后取出試件①4， 并裝夾于拉伸機(jī)13。如圖2所示，以拉力1KN、速度10mm/min進(jìn)行材料的拉伸試驗(yàn)，至試件①4 拉斷為止，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。接著將試件②5夾持與拉伸機(jī)13中，在相同條件下重復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)， 直至5組試件全部完成拉伸實(shí)驗(yàn)。
[0035] (4)結(jié)果比較分析
[0036]基于拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算屈服強(qiáng)度~、屈服強(qiáng)度〇b、斷后伸長率δ5、斷面收縮率φ等 力學(xué)性能參數(shù)并進(jìn)行平均，將液氮冷卻后不銹鋼材料的力學(xué)性能參數(shù)與相同材料未經(jīng)液氮 冷卻處理的性能參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。
[0037]表1液氮冷卻后不銹鋼試件力學(xué)性能對比
[0039] 對上述表1進(jìn)行分析可得知針對lCrl8Ni9Ti不銹鋼材料，經(jīng)液氮冷卻后材料力學(xué) 性能變化表現(xiàn)為:屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均有所增加，斷后伸長率與斷面收縮率幾乎不變。
[0040] 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了液氮冷卻材料的力學(xué)性能測試對比，冷卻方法操作簡單、快速、力學(xué) 性能對比結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。
[0041] 顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實(shí)施方式的限定。對 于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或 變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或 變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將液氮噴嘴固定于機(jī)床主軸，并將多個(gè)材料、形狀、尺寸相同的試件用夾具固定于 機(jī)床工作臺(tái)； (2) 液氮噴嘴采用與加工相適應(yīng)的參數(shù)、路徑對多個(gè)試件進(jìn)行噴淋冷卻； (3) 將試件放置于常溫環(huán)境直至其自然回暖至室溫，對材料進(jìn)行力學(xué)拉伸試驗(yàn)； (4) 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算材料力學(xué)性能參數(shù)，并與已知的未經(jīng)液氮冷卻的材料性能參數(shù) 對比。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法，其特征在于，所述方法具體 包括如下步驟： (1) 準(zhǔn)備就位 將液氮噴嘴(2)固定于機(jī)床主軸（1)上，同時(shí)將試件①(4)、試件②(5)、試件③(6)、試件 ④(7)和試件⑤(8)放置在支撐夾具(9)上，用第一螺栓壓板組件（11)壓緊所述試件①(4)、 試件②(5)、試件③(6)、試件④(7)和試件⑤(8)，然后將所述支撐夾具(9)置于機(jī)床工作臺(tái) (3) 上，用第二螺栓壓板組件（10)壓緊所述支撐夾具(9)，調(diào)節(jié)所述液氮噴嘴(2)朝向所述試 件①(4)，完成在機(jī)液氮冷卻噴淋的準(zhǔn)備就位； (2) 液氮噴淋冷卻 調(diào)整機(jī)床主軸（1)的高度至所述試件①(4)上方的合適高度，然后參照所述試件①(4)、 試件②(5 )、試件③(6 )、試件④(7)和試件⑤(8)的加工工藝，控制所述機(jī)床主軸（1)帶動(dòng)所 述液氮噴嘴(2)沿預(yù)先編程的軌跡以速度v運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過調(diào)節(jié)閥（12)控制液氮以流速q進(jìn) 行自動(dòng)噴淋冷卻。為保證所述試件①(4)、試件②(5)、試件③(6)、試件④(7)和試件⑤(8)液 氮冷卻的均勻性，單次液氮噴淋冷卻后將所述試件①(4)、試件②(5)、試件③(6)、試件④ (7) 和試件⑤(8)沿Y向旋轉(zhuǎn)一定角度Θ，然后以相同參數(shù)、軌跡重復(fù)噴淋，共噴淋N次，達(dá)到完 全冷卻效果后關(guān)閉所述調(diào)節(jié)閥（12); (3) 材料力學(xué)性能測定 將所述試件①(4)、試件②(5)、試件③(6)、試件④(7)和試件⑤(8)從所述支撐夾具(9) 中取下放置于室溫環(huán)境，等待所述試件①(4)、試件②(5)、試件③(6)、試件④(7)和試件⑤ (8) 溫度均恢復(fù)至室溫后，將所述試件①(4)夾持于拉伸機(jī)(13)中，以恒力F、勻速u進(jìn)行拉伸 試驗(yàn)，至試件拉斷為止，接著將所述試件②(5)夾持與所述拉伸機(jī)（13)中，在相同條件下重 復(fù)拉伸實(shí)驗(yàn)，直至5組試件都完成拉伸實(shí)驗(yàn)； (4) 結(jié)果比較分析 基于上述拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算液氮冷卻后材料試件的力學(xué)性能參數(shù)，并將所述試件① (4) 、試件②(5)、試件③(6)、試件④(7)和試件⑤(8)的力學(xué)性能計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均處理，處 理后結(jié)果與相同材料試件未經(jīng)液氮冷卻處理的性能參數(shù)進(jìn)行對比，分析液氮冷卻對材料力 學(xué)性能影響。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的液氮冷卻材料力學(xué)性能對比方法，其特征在于，所述步驟(4) 中，所述力學(xué)性能參數(shù)包括斷后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率。
【文檔編號】G01N3/08GK106092746SQ201610440263
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】李伯豪, 趙海珠
【申請人】李伯豪