一种液氮冷却材料力学性能对比方法
【专利摘要】本发明属于材料加工领域，涉及一种液氮冷却材料力学性能对比方法。该方法中，首先，将液氮喷嘴固定于机床主轴，并将多个材料、形状、尺寸相同的试件用夹具固定于机床工作台；接着，液氮喷嘴采用与加工相适应的参数、路径对多个试件进行喷淋冷却；然后，将试件放置于常温环境直至其自然回暖至室温，对材料进行力学拉伸试验；最后，基于实验结果计算材料力学性能参数，并与已知的未经液氮冷却的材料性能参数对比。本发明采用液氮冷却喷淋与材料力学性能测试相结合的方法，实现了对液氮冷却材料力学性能的对比分析；通过采用与液氮冷却加工工艺相适应的喷淋冷却方法，对比结果可靠性高；可适于不同材料、不同冷却状况下材料力学性能对比分析。
【专利说明】
一种液氮冷却材料力学性能对比方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料加工技术领域，涉及一种液氮冷却材料力学性能对比方法。
【背景技术】
[0002] 利用液氮进行低温(超低温)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削区处于 低温冷却状态进行切削加工的方法。它可以分为两种应用形式:一是直接应用，即把液氮像 切削液一样直接喷射到切削区；而是间接应用，在切削加工中用液氮冷却刀具或工件。
[0003] 液氮冷却加工技术在材料，尤其是难加工材料的制造方面具有极大的优势，不仅 可以延长刀具寿命，而且可以提高加工质量与加工效率。在液氮冷却加工过程中，加工材料 受冷却介质影响，将处于极低的温度环境下(_175°C~_196°C)，可能会导致材料力学性能 改变，甚至被"冻坏"。另外，材料零件虽然通过液氮冷却加工技术加工，但却通常需要在常 温环境下服役使用。因此，研究液氮冷却处理后材料力学性能的变化对于零件的加工及使 用具有重要意义。
[0004] 2014年，大连理工大学的刘新、武湛君等在《宇航学报》发表的论文《液氮处理对 T700碳纤维/环氧复合材料拉-压疲劳性能的影响》中指出液氮处理会引起式样内的残余应 力释放和剩余强度降低;2015年，中南大学的谢晨辉、黄继武等在《中国有色金属学报》发表 的论文《深冷处理对不同碳含量的WC-llCo硬质合金纤维组织及性能影响》中指出深冷处理 可提高材料的硬度与抗弯强度。均表明，冷却加工处理对材料的力学性能会造成一定的影 响，但是，由于液氮冷却加工过程中材料受到的液氮冷却，并且冷却介质随刀尖沿被加工表 面移动，与深冷处理中材料长时间完全处于液氮环境并不完全相同。而对于液氮冷却加工 技术中导致的材料力学性能的变化情况，目前则尚未有过多的研究。
【发明内容】
[0005] 为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种液氮冷却材料力学性能对比方 法，以解决现有技术中液氮冷却加工工艺中材料力学性能变化的问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所述液氮冷却材料力学性能对比方法，包括如下 步骤：
[0007] (1)将液氮喷嘴固定于机床主轴，并将多个材料、形状、尺寸相同的试件用夹具固 定于机床工作台；
[0008] (2)液氮喷嘴采用与加工相适应的参数、路径对多个试件进行喷淋冷却；
[0009] (3)将试件放置于常温环境直至其自然回暖至室温，对材料进行力学拉伸试验；
[0010] (4)基于实验结果计算材料力学性能参数，并与已知的未经液氮冷却的材料性能 参数对比。
[0011] 具体的，所述方法具体包括如下步骤：
[0012] ⑴准备就位
[0013] 将液氮喷嘴固定于机床主轴上，同时将试件①、试件②、试件③、试件④和试件⑤ 放置在支撑夹具上，用第一螺栓压板组件压紧所述试件①、试件②、试件③、试件④和试件 ⑤，然后将所述支撑夹具置于机床工作台上，用第二螺栓压板组件压紧所述支撑夹具，调节 所述液氮喷嘴朝向所述试件①，完成在机液氮冷却喷淋的准备就位；
[0014] (2)液氮喷淋冷却
[0015] 调整机床主轴的高度至所述试件①上方的合适高度，然后参照所述试件①、试件 ②、试件③、试件④和试件⑤的加工工艺，控制所述机床主轴带动所述液氮喷嘴沿预先编程 的轨迹以速度v运动，同时通过调节阀控制液氮以流速q进行自动喷淋冷却。为保证所述试 件①、试件②、试件③、试件④和试件⑤液氮冷却的均匀性，单次液氮喷淋冷却后将所述试 件①、试件②、试件③、试件④和试件⑤沿Y向旋转一定角度Θ，然后以相同参数、轨迹重复喷 淋，共喷淋N次，达到完全冷却效果后关闭所述调节阀；
[0016] (3)材料力学性能测定
[0017] 将所述试件①、试件②、试件③、试件④和试件⑤从所述支撑夹具中取下放置于室 温环境，等待所述试件①、试件②、试件③、试件④和试件⑤温度均恢复至室温后，将所述试 件①夹持于拉伸机中，以恒力F、匀速u进行拉伸试验，至试件①拉断为止，接着将所述试件 ②夹持与所述拉伸机中，在相同条件下重复拉伸实验，直至5组试件都完成拉伸实验；
[0018] (4)结果比较分析
[0019] 基于上述拉伸实验结果，计算液氮冷却后材料试件的力学性能参数，并将所述试 件①、试件②、试件③、试件④和试件⑤的力学性能计算结果进行平均处理，处理后结果与 相同材料试件未经液氮冷却处理的性能参数进行对比，分析液氮冷却对材料力学性能影 响。
[0020] 所述步骤(4)中，所述力学性能参数包括断后屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断 面收缩率。
[0021] 本发明所述方法提出一种液氮冷却材料力学性能的对比方法，采用液氮冷却喷淋 与材料力学性能测试相结合的方法，针对未经液氮冷却处理材料与经液氮冷却处理材料分 别进行拉伸试验，检测液氮冷却前后材料力学性能的变化，实现了对液氮冷却材料力学性 能的对比分析。本发明所述方法考虑了材料的加工动作特性，通过采用与液氮冷却加工工 艺相适应的喷淋冷却方法，提出了与液氮冷却加工运动相适应的喷淋冷却方法，对比结果 可靠性高;冷却过程变量参数化，可控性强;采用液氮喷淋式冷却代替浸没式冷却，环境压 力小;在相同喷淋条件下同时冷却多个材料、形状、尺寸相同的试件，然后对材料力学性能 测试结果进行平均处理，保证对比结果的准确性;喷淋过程可集成于机床主轴部分，操作简 单、快速。发明的方法可适于不同材料、不同冷却状况下材料力学性能对比分析。
【附图说明】
[0022] 为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合 附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
[0023] 图1为本发明所述液氮冷却喷淋设备结构示意图；
[0024] 图2为本发明所述材料试件拉伸测试设备结构示意图；
[0025]图中附图标记表示为：1-机床主轴，2-液氮喷嘴，3-机床工作台，4-试件①，5-试件 ②，6-试件③，7-试件④，8-试件⑤，9-支撑夹具，10-第二螺栓压板组件，11-第一螺栓压板 组件，12-调节阀，13-拉伸机，LN2-液氮，v-喷淋运动速度，q-液氮流速，F_拉力，u_拉伸速 度，X、Y、Z-机床坐标系中的X轴、Y轴和Z轴。
【具体实施方式】
[0026]本发明下述实施例结合附图和技术方案详细说明本发明的实施方式，说明氮冷却 材料力学性能对比过程。
[0027] 本发明实施例所选圆柱形试件材料为1 Cr 18Ni 9Τ i不锈钢，总长100mm，端部直径为 15mm，拉伸段直径为10mm、长度50mm，装夹面端部表面。采用液氮喷淋方式进行工件的液氮 冷却，基本参数为:液氮出口流速150L/h，参照工件的加工进给方向，液氮喷淋轨迹沿柱形 面母线方向，运动速度为50mm/min。
[0028] 本实施例所述的液氮冷却材料力学性能对比方法，具体包括如下步骤：
[0029] (1)准备就位
[0030] 如图1所示，将液氮喷嘴2固定于机床主轴1上，5个相同试件① 4、试件②5、试件③ 6、试件④7和试件⑤8统一放置在支撑夹具9上，并用第一螺栓压板组11压紧试件① 4、试件 ②5、试件③6、试件④7和试件⑤8;将支撑夹具9置于机床工作台3上，用第二螺栓压板组件 10压紧支撑夹具9，将液氮喷嘴2朝向试件4，完成液氮在机冷却喷淋的准备就位工作。
[0031] (2)液氮喷淋冷却
[0032]对装夹后的试件①4、试件②5、试件③6、试件④7和试件⑤8进行液氮喷淋冷却，调 整机床主轴1的高度至试件①4上方的10mm高度，以保证液氮的冷却效果;然后驱动机床主 轴1带动液氮喷嘴2以50mm/min的速度沿预设轨迹运动，同时调节阀12控制液氮以150L/min 的流速进行喷淋。为保证试件液氮冷却的均匀性，试件①4、试件②5、试件③6、试件④7和试 件⑤8单次喷淋冷却完成后，将所有试件沿Y向旋转120°，再以相同参数、轨迹重复喷淋，共 喷淋3次完成试件①4、试件②5、试件③6、试件④7和试件⑤8的液氮均勾冷却，最后关闭调 节阀12。
[0033] (3)材料力学性能测定
[0034]冷却后工件材料的力学性能测定。将试件①4、试件②5、试件③6、试件④7和试件 ⑤8取出放置于室温环境，等待全部试件的温度恢复至室温（20±5°C)，然后取出试件①4， 并装夹于拉伸机13。如图2所示，以拉力1KN、速度10mm/min进行材料的拉伸试验，至试件①4 拉断为止，记录实验结果。接着将试件②5夹持与拉伸机13中，在相同条件下重复拉伸实验， 直至5组试件全部完成拉伸实验。
[0035] (4)结果比较分析
[0036]基于拉伸实验结果，计算屈服强度~、屈服强度〇b、断后伸长率δ5、断面收缩率φ等 力学性能参数并进行平均，将液氮冷却后不锈钢材料的力学性能参数与相同材料未经液氮 冷却处理的性能参数进行对比，结果如表1所示。
[0037]表1液氮冷却后不锈钢试件力学性能对比
[0039] 对上述表1进行分析可得知针对lCrl8Ni9Ti不锈钢材料，经液氮冷却后材料力学 性能变化表现为:屈服强度与抗拉强度均有所增加，断后伸长率与断面收缩率几乎不变。
[0040] 本发明实现了液氮冷却材料的力学性能测试对比，冷却方法操作简单、快速、力学 性能对比结果准确、可靠。
[0041] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或 变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【主权项】
1. 一种液氮冷却材料力学性能对比方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将液氮喷嘴固定于机床主轴，并将多个材料、形状、尺寸相同的试件用夹具固定于 机床工作台； (2) 液氮喷嘴采用与加工相适应的参数、路径对多个试件进行喷淋冷却； (3) 将试件放置于常温环境直至其自然回暖至室温，对材料进行力学拉伸试验； (4) 基于实验结果计算材料力学性能参数，并与已知的未经液氮冷却的材料性能参数 对比。2. 根据权利要求1所述的液氮冷却材料力学性能对比方法，其特征在于，所述方法具体 包括如下步骤： (1) 准备就位 将液氮喷嘴(2)固定于机床主轴（1)上，同时将试件①(4)、试件②(5)、试件③(6)、试件 ④(7)和试件⑤(8)放置在支撑夹具(9)上，用第一螺栓压板组件（11)压紧所述试件①(4)、 试件②(5)、试件③(6)、试件④(7)和试件⑤(8)，然后将所述支撑夹具(9)置于机床工作台 (3) 上，用第二螺栓压板组件（10)压紧所述支撑夹具(9)，调节所述液氮喷嘴(2)朝向所述试 件①(4)，完成在机液氮冷却喷淋的准备就位； (2) 液氮喷淋冷却 调整机床主轴（1)的高度至所述试件①(4)上方的合适高度，然后参照所述试件①(4)、 试件②(5 )、试件③(6 )、试件④(7)和试件⑤(8)的加工工艺，控制所述机床主轴（1)带动所 述液氮喷嘴(2)沿预先编程的轨迹以速度v运动，同时通过调节阀（12)控制液氮以流速q进 行自动喷淋冷却。为保证所述试件①(4)、试件②(5)、试件③(6)、试件④(7)和试件⑤(8)液 氮冷却的均匀性，单次液氮喷淋冷却后将所述试件①(4)、试件②(5)、试件③(6)、试件④ (7) 和试件⑤(8)沿Y向旋转一定角度Θ，然后以相同参数、轨迹重复喷淋，共喷淋N次，达到完 全冷却效果后关闭所述调节阀（12); (3) 材料力学性能测定 将所述试件①(4)、试件②(5)、试件③(6)、试件④(7)和试件⑤(8)从所述支撑夹具(9) 中取下放置于室温环境，等待所述试件①(4)、试件②(5)、试件③(6)、试件④(7)和试件⑤ (8) 温度均恢复至室温后，将所述试件①(4)夹持于拉伸机(13)中，以恒力F、匀速u进行拉伸 试验，至试件拉断为止，接着将所述试件②(5)夹持与所述拉伸机（13)中，在相同条件下重 复拉伸实验，直至5组试件都完成拉伸实验； (4) 结果比较分析 基于上述拉伸实验结果，计算液氮冷却后材料试件的力学性能参数，并将所述试件① (4) 、试件②(5)、试件③(6)、试件④(7)和试件⑤(8)的力学性能计算结果进行平均处理，处 理后结果与相同材料试件未经液氮冷却处理的性能参数进行对比，分析液氮冷却对材料力 学性能影响。3. 根据权利要求2所述的液氮冷却材料力学性能对比方法，其特征在于，所述步骤(4) 中，所述力学性能参数包括断后屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率。
【文档编号】G01N3/08GK106092746SQ201610440263
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】李伯豪, 赵海珠
【申请人】李伯豪