超低溫加工用液氮穩定傳輸射流調控系統*

孔繁澤，楊子健，王永青，劉 闊

(大連理工大學機械工程學院，大連 116024)

0 引言

在航空航天等制造業重點領域中，鈦合金、高溫合金以及纖維增強復合材料因其耐磨耐蝕、力學性能優異的特點被廣泛應用于飛機、火箭等產品的核心部件和關鍵部位上[1]，然而這些材料高韌、高粘、傳熱性能差，采用常規冷卻加工方法費時、費錢、費力。

超低溫冷卻加工是一種以液氮作為冷卻介質的加工方法，在一些難加工材料的加工中具有延長刀具壽命、提高加工效率、提高表面加工質量等優勢[2]，得到國內外學者的廣泛關注。液氮溫度極低，大氣壓下僅有-196 ℃，是冷卻效果極佳的介質，然而液氮氣化潛熱低，極易與管壁換熱形成氣液兩相流，一方面兩相流流動不穩定甚至產生密度波振蕩現象[3]，導致流量波動劇烈，流量過大則對工件冷卻過度，影響加工效果，流量過小則冷卻效能不足，導致表面燒蝕、刀具過早磨損，另一方面射流干度也對加工區域換熱效果有巨大影響，干度越高則液氮比例越小，冷卻效果越差。因此液氮的射流狀態調節是超低溫冷卻加工的關鍵問題之一，需要盡量減小射流干度的同時調節射流流量。

目前，國內外學者對液氮管路內傳輸特性以及低損耗傳輸方法進行了研究。SHAEFFER等[4]對液氮管路冷卻過程進行了研究，結果表明高雷諾數下的連續流具有最快的冷卻時間，低雷諾數下的連續流動具有最佳的冷卻效率；LYE等[5]對不同流量下的VIP板和聚氨酯泡沫保冷管道進行了數值模擬，發現保冷層均能起到良好的隔熱作用，且采用大流量更容易保持住管道沿程低溫狀態；……