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深冷（Cryogenic）是指利用液体氧、液体氟、液体氦、液体氩等冷却介质达到100K 或120K 以下的低温冷冻技术。
由于液氮（LN2）经济、无污染、不产生化学反应，深冷技术常以液氮作为冷源，利用其相变吸热来获得-196℃的低温环境。某些情况下，高于100K 的低温冷冻技术也被纳入深冷范畴，如以固体或液体二氧化碳作为冷却介质。深冷技术在机械加工中的应用可分为深冷处理（Cryogenic Processing）和深冷加工（Cryogenic Machining）两种。深冷处理是一种扩展的热处理工艺，通过冷却来增强刀具或材料的切削性能，如提高刀具的硬度或改善韧性材料的脆度。深冷加工是指在切削加工过程中通过局部施加冷源，降低切削变形区域的温度，从而达到减少刀具磨损、改善加工表面质量的目的。
深冷加工是一个典型的多学科交叉技术，涉及低温物理学、材料学、热力学、传热学、金属切削原理、测控技术等领域。深冷加工是提高难加工材料切削性能的重要途径，相关的研究和应用已成为学科前沿和热点。
深冷加工的冷却方式
深冷加工的冷却方式分为切削区域冷却法、工件冷却法和刀具冷却法3 种。
（1）切削区域冷却法：将液氮直接喷射到切削区域，达到降低切削区域温度、冷却刀具，提高刀具性能的目的。液氮可以通过外部喷嘴喷射，也可以通过机床主轴和刀具内部的管道传输，从刀片切削刃部的微孔中释放，避免将机床部件、夹具或传感器暴露在低温气体中。
深冷加工现场
（2）工件冷却法：在加工前或加工过程中通过液氮喷雾冷却工件，使韧性材料变得更脆一点，或者使高分子材料的温度低于玻璃化转变温度，从而使材料性能更有利于切削。
（3）刀具冷却法：在加工中不断地冷却刀具，使切削热快速地从刀具上、特别是刀尖处被带走，刀尖始终保持在较低温度。这种方法只冷却刀具，不冷却工件，不影响工件的几何尺寸和力学性能。
深冷加工技术研究现状
深冷加工是一个复杂的多学科耦合过程，涉及几何、材料、传热、化学等变化。目前，难以建立能够完整、精确描述这一过程的解析模型。因此，对深冷加工的研究主要方式是利用Deform 3D、Advantage、Abaqus 等软件行有限元仿真，计算深冷加工过程中的温度、应变、应变率等；或开展实际的切削实验，旨在观察深冷加工对零件质量、表面完整性、刀具磨损等的影响，发现切削性能和切削结果的变化规律，并利用响应曲面法等优化切削参数。
深冷钻削Ti-6Al-4V的温度仿真
深冷加工刀具磨损观测
深冷加工常用的工件材料包括钛合金、镍基合金、奥氏体不锈钢、高速钢等。其中，Ti-6Al-4V 钛合金是双相合金，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，可在400~500℃的温度下长期工作，在500℃以下具有较高的屈服强度、疲劳强度和热稳定性，是航空发动机压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管等零件的常用材料，也是深冷加工研究中的常用材料。
据粗略统计，深冷加工的研究文献中，采用Ti-6Al-4V 工件的占比超过30%，并且常采用碳化钨刀具。有研究表明，采用深冷加工铣削Ti-6Al-4V 钛合金的材料去除率最高可达9500mm3/min，节能88%。Inconel 718 是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，在650℃以下时具有较高强度、韧性和耐腐蚀性，在700℃时具有较高的抗拉强度、疲劳强度、抗蠕变强度和断裂强度，在1000℃时具有高抗氧化性，广泛应用于航空发动机涡轮盘、压气机盘、轴和承力环等受力转动件。
Inconel718 容易加工硬化，使切削加工十分困难，是最难加工的材料之一，相对可切削性仅为45# 钢的6%~20%。约10% 的深冷加工研究采用Inconel718 工件。近几年，随着Inconel 718的广泛应用，这一比例还在迅速上升。研究表明，深加工在高速加工Inconel 718 时效果显著。
近年来，碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）凭借其轻质高强的优势，被越来越广泛地用于航空产品中。而深冷加工技术也被用于提高其切削性能。例如，研究结果表明，深冷加工对减少刀具刃口圆角和外圆角磨损有着深远的影响，也有助于提高表面完整性，但会产生较大的
切削力和扭矩。深冷加工技术可以提高切削芳纶纤维（Aramid Fiber-Reinforced Composites, AFRC）的质量，因此可进一步优化切削深度、进给速度、冷却温度和液氮流量。
在加工方法方面，深冷加工的研究多见于车削，约占到60%。近几年，针对Ti-6Al-4V 和Inconel 718 的铣削、钻削研究逐渐增多。为了改善润滑效果，深冷加工和微量润滑技术融合，可降低切削力50% 以上。通过设计融合深冷加工和微量润滑技术的专用喷嘴，可显著提高刀具的寿命。深冷加工技术也与零件加热技术融合。利用液氮冷却刀具，通过加热软化工件，双管齐下改善切削性能，取得了良好的效果。但是，有研究表明，这种融合也可能恶化工件的导热性能，使刀具磨损加剧。
刀具的内部管道
增材制造是一种难加工材料成形的重要方式。但是，增材制造的零件可能更难于进行精加工或半精加工切削。例如，采用真空电子束熔炼技术成形后，Ti-6Al-4V 零件的可加工性比锻件的可加工性更差。但是，采用深冷加工技术进行半精加时，刀具的粘着磨损明显降低、表面完整性改善、刀具寿命提高，为增材-减材混合加工提供了一个选项。国外一些公司开发出了商业化的深冷加工刀柄、刀具和其他装备，通过内部管道将液氮输送到切削区域，取得了良好的应用效果。但是，刀具内部管道形式也可能影响切削性能。例如，有研究证明，与利用双螺旋管道和单直管道相比，利用双直管道输送低温气体和润滑液可取得更小的切削力、更长的刀具寿命。
采用深冷加工技术制造的大型钛合金飞机结构件
目前，深冷加工技术主要处于实验研究阶段，虽然有些公司致力于深冷加工工艺装备的研发，但大规模的工业化应用还未到来，公开报道的案例还比较少。其中，洛克希德·马丁公司采用深冷加工技术制造F-35 的大型钛合金结构件，使液氮通过主轴和刀具的内部管道直达切削区域。与使用传统的冷却液相比，加工时间从44h 降低到21h，切削效率提高了52%，而刀具使用量并没有增加，零件表面完整性得到提高，白层减少，能耗减少，省去了废弃切削液处置工作，工人的安全性得到提高。据估计，加工成本降低了30%。
摘自《航空制造技术》杂志，原题目：航空难加工材料的深冷加工技术研究进展
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