晶狀體低溫車削加工的核心工作過程可分為工件預處理、低溫環(huán)境構建、切削參數(shù)設定、低溫切削執(zhí)行、加工質(zhì)量檢測五個關鍵階段，其核心目標是通過低溫環(huán)境改善材料切削性能，同時控制加工精度與表面質(zhì)量。

一、工件預處理：

低溫脆性處理  

將工件（如金屬、陶瓷或晶體材料）冷卻至-20℃至-150℃，利用低溫誘導材料脆性。

典型方法：  

液氮浸泡：將工件浸入液氮罐中至少10分鐘，待液氮停止劇烈汽化（白煙減少）后取出，確保工件整體溫度均勻。  

電子冷凍卡盤：利用半導體溫差制冷原理，通過一級電堆（-30℃）或二級電堆（-70℃）直接冷卻工件，同時用特殊液膜冰將工件冰凍固定在卡盤上，實現(xiàn)夾固與冷卻一體化。  

工件固定與定位  

將預冷后的工件迅速固定在機床卡盤或工作臺上，避免溫度回升導致脆性消失。  

對于精密加工（如晶體材料），需使用高精度夾具，并調(diào)整工件軸向（Z軸）和徑向（X軸）位置，確保切削點與刀具對齊。  

二、晶狀體低溫車削加工低溫環(huán)境的構建： 

冷卻介質(zhì)選擇  

液氮：純度需達99.999%，通過液氮泵抽取并經(jīng)細小金屬圓管噴射至切削區(qū)，實現(xiàn)-196℃的極低溫冷卻。  

低溫氣體：如壓縮空氣或氮氣經(jīng)制冷系統(tǒng)降溫至-40℃至-80℃，通過噴嘴噴射至切削界面，適用于對液氮敏感的材料。  

低溫液體混合：將液氮注入酒精中可獲得-90℃低溫液體，適用于浸液冷卻法。  

冷卻方式分類  

外冷式：僅冷卻工件或刀具表面，內(nèi)部溫度仍較高，適用于粗加工。  

內(nèi)冷式：通過刀具內(nèi)孔或工件內(nèi)部通道輸送低溫流體，使整個切削區(qū)溫度均勻，切削效果更優(yōu)，適用于精加工。  

連續(xù)冷卻：對整個工件或切削區(qū)持續(xù)冷卻，冷卻效果好但能耗較高。  

間斷冷卻：僅在切削時局部冷卻，適用于對溫度敏感的材料。  

溫度控制與反饋  

利用溫度傳感器實時監(jiān)測切削區(qū)溫度，通過反饋控制器調(diào)節(jié)低溫流體噴射量，維持目標溫度（如-50℃）。  

當前饋控制器檢測到加工系統(tǒng)輸入功率變化時，自動調(diào)整流量以補償溫度波動。  

三、切削參數(shù)設定：

機床與刀具選擇  

機床：選用精密臥式車床，主軸轉(zhuǎn)速范圍25-1600r/min，進給量0.05-1.50mm/r，滿足低溫切削的動態(tài)需求。  

刀具：優(yōu)先選用內(nèi)冷刀具（如內(nèi)冷鉆頭、銑刀），確保低溫流體直接到達切削界面。對于晶體材料，需使用金剛石刀具以減少亞表面損傷。  

切削參數(shù)優(yōu)化  

切削速度：低溫下材料脆性增加，可適當提高切削速度（如200-500m/min）以減少切削力，但需避免速度過高導致溫度回升。  

進給量：根據(jù)材料硬度調(diào)整，通常為0.05-0.2mm/r，以平衡切削效率與表面粗糙度。  

背吃刀量：精密加工時控制在0.1-1.0mm，避免過大切削力導致工件變形或刀具破損。  

四、低溫切削執(zhí)行：

低溫流體噴射  

啟動機床后，打開液氮罐或低溫氣體閥門，將冷卻介質(zhì)通過噴嘴對準切削變形區(qū)（如車刀前刀面與切屑接觸位置）。  

噴射角度通常為30°-45°，距離切削點10-30mm，確保冷卻介質(zhì)均勻覆蓋切削界面。  

切削過程監(jiān)控  

實時觀察切削力、切削溫度及切屑形態(tài)，調(diào)整冷卻流量或切削參數(shù)以優(yōu)化加工效果。  

對于晶體材料，需嚴格控制切削振動，避免亞表面裂紋或位錯缺陷。  

排屑與清潔  

低溫流體沖刷切削區(qū)，促進切屑排出，防止二次切削。  

加工完成后，用酒精或去離子水清洗工件表面，去除殘留冷卻介質(zhì)。  

五、加工質(zhì)量檢測：

表面粗糙度檢測  

使用輪廓儀或原子力顯微鏡（AFM）測量表面粗糙度（Ra值），低溫切削通常可將Ra值降低至0.8μm以下。  

微觀結(jié)構分析  

通過掃描電子顯微鏡（SEM）或透射電子顯微鏡（TEM）觀察已加工表面微觀結(jié)構，評估晶粒細化、加工硬化層厚度及殘余應力分布。  

典型結(jié)果：超低溫切削可細化表面晶粒尺寸，降低加工硬化層厚度，同時增大表面殘余壓應力，提高疲勞壽命。  

性能測試  

對加工后的工件進行硬度測試、疲勞試驗或光學性能檢測（如晶體透光率），驗證低溫切削對材料性能的改善效果。