專利名稱：高能切削操作低溫冷卻的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用切削刀具(例如將過多材料切成切屑的切削部件)機(jī)加工部件的領(lǐng)域，具體涉及用低溫冷卻的切削刀具進(jìn)行材料的切削。
背景技術(shù)：
在本申請(qǐng)中已經(jīng)引用許多參考文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)包括在本發(fā)明詳細(xì)說明之后出現(xiàn)的附注文件。這些參考文獻(xiàn)中的各個(gè)文獻(xiàn)的相關(guān)部分已作為參考包含在本文中。
按照本文的用法，術(shù)語“切削”包括但不限于以下操作車削、鏜孔、切斷、開槽、表面刨削、刨平、銑削、鉆孔和其它產(chǎn)生連續(xù)切屑、碎片或者斷片的其它操作。術(shù)語“切削”不包括研磨加工、電火花加工、超聲波加工，或者高壓噴射腐蝕加工，即產(chǎn)生很細(xì)碎末的操作，這些碎末的形狀不確定例如為塵狀或粉末狀。
對(duì)難于加工材料的切削以及高速切削除包含鋅或者聚合物等低熔點(diǎn)材料外的所有各種材料將造成很大能量耗散在切削刀具上。下面表1列出易于和難于機(jī)加工的黑色金屬和有色金屬例子，它們的加工難易性受到組成和機(jī)加工溫度狀態(tài)的影響。單位功率(Pc)大于1馬力/英寸3/分，單位能量(Ec)大于2.7J/mm3和/或者硬度大于30HRC的材料被認(rèn)為是難加工的。對(duì)于熔點(diǎn)高于1400℃的鋼鐵和其它金屬，已證明高速切削是很難的，即使硬度僅為是25HRC。
表1在切削中遇到的硬度、功率、能量和溫度的例子(1)

注1.單位功率切削刀具以1in3/min的速度切削工件所需的功率；2.切削刀具切下1mm3材料消耗的總能量，1.0hp/in3/min＝2.73J/mm3；3.銑削要求的上述單位功率平均值對(duì)于鋒利的高速鋼(HSS)刀具和硬質(zhì)合金(WC-Co)刀具在每轉(zhuǎn)0.005-0.020英寸的進(jìn)給速度范圍內(nèi)進(jìn)行切削是有效的，并除去主軸的有效因素。銑削所需的單位功率平均值可以變化±10％；4.單位功率的值在用鈍刀具或者多個(gè)鈍刀具切削時(shí)，應(yīng)乘以約1.25的因子，該鈍刀具特征在于具有負(fù)傾角的幾何形狀；5.上述計(jì)算的切屑溫度的標(biāo)稱增加是一種估計(jì)值，假定(1)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工件的比熱恒定；(2)工件和刀具沒有能量損失；(3)沿整個(gè)切屑厚度，溫度分布均勻，該厚度包括在所謂二次剪切區(qū)域內(nèi)的切屑/刀具接觸界面。
表1還示出單位功率和能量如何轉(zhuǎn)換成一直與切削刀具接觸的切屑高溫?？梢悦黠@看出，高能材料和切削狀態(tài)要求在最高溫度使用時(shí)硬度保持不變的這種級(jí)別的刀具，即硬度大，但容易脆這種級(jí)別的硬質(zhì)合金(WC-Co)，最好是高級(jí)的非金屬刀具材料，這種材料可以靠犧牲抗裂強(qiáng)度和抗斷韌度得到最大硬度。下面表2簡(jiǎn)要列舉出主要類型刀具材料的典型橫向抗裂強(qiáng)度(TRS)和抗斷韌度(K1c)的數(shù)值。
表2 HSS、硬質(zhì)合金材料和高級(jí)工具材料即陶瓷合金、陶瓷和金剛石的某些特征(2)

與傳統(tǒng)的高速鋼(HSS)和包含更多鈷粘合劑的更具韌性的硬質(zhì)合金相比，高級(jí)非金屬刀具材料是相當(dāng)脆的，即對(duì)應(yīng)力負(fù)載的不均勻性、熱量負(fù)載的不均勻性或者對(duì)冷卻和高溫應(yīng)力沖擊更為敏感。TRS值小于3GPa(3000MPa)和K1c值小于10MPa1/2的刀具被認(rèn)為是很脆的，在高能切削狀態(tài)下容易很快斷裂。切削加工界人士知道，在用這些脆的刀具進(jìn)行切削時(shí)，或者必須避免采用常規(guī)切削流體，或者如果在給定的切削操作中用易脆刀具是可能和可行的，但須極小心地使用完全均勻的溢流方式冷卻刀具、切屑和接觸區(qū)域。
例如，許多出版物和刀具廠商提醒加工操作者注意到，在與常規(guī)切削流體接觸時(shí)，陶瓷刀具壽命縮短的問題。盡管有固有的缺陷例如工件過熱、尺寸精度降低，或者有切屑著火的危險(xiǎn)，但是如果采用硬而脆的刀具，則推薦干切削。在“Applications of Ceramic CuttingTools”(Key Engineering Materials，Vol.138-140(1998)，Chapter1，pp.1-24)論文中，Kennametal的P.K.Mehrotra認(rèn)為“在使用這些工具來加工鋼鐵時(shí)，由于其抗溫度沖擊性能差，不推薦使用冷卻劑。R.C.Dewes和D.K.Aspinwall(“The Use of High Speed Machiningfor the Manufacture of Hardened Steel Dies”(Trans，of NAMRI/SME，Vol.XXIV，1996，pp.21-26))試驗(yàn)了各種氧化物和氮化物刀具，這些刀具包括71％Al2O3-TiC，75％AL2O3-SiCw，50％CBN-AlB2-AlN，50％-TiC-WC-AIN-AlB2，80％CBN-TiC-WC以及95％CBN-Ni/Co。它們發(fā)現(xiàn)，采用溢流式或噴射式方法應(yīng)用常規(guī)冷卻劑將使工具壽命減小95％，除開用須晶增強(qiáng)的氧化鋁，對(duì)于這種氧化鋁壽命縮短約88％。GESuperabrasives的T.J.Broskea等人(MMS Online(www.mmsonline.com./articles))以及其它的地方已經(jīng)公開了類似的測(cè)試結(jié)果，這些結(jié)果顯示，PCBN切削鑲嵌件與冷卻流體接觸時(shí)由于脆裂引起刀具驚人的斷裂。
下面的表3示出在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)各種工件和刀具推薦的典型加工條件。盡管切割深度(DOC)、進(jìn)給速度(F)、切削速度(Vc)和單位功率(Pc)的不同結(jié)合導(dǎo)致或高或低的總功率(P)，但是高能切削操作特有的對(duì)刀具壽命至關(guān)重要數(shù)值是功率通量(Pf)，該功率通量是未形變切屑的橫截面積(DOC和F的乘積)除以P。
表3 在現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)各種切削變量包括工件、工件硬度和刀具推薦的切屑條件例子

表3(續(xù))

注切削功率、功率通量和速度指數(shù)是根據(jù)表1的數(shù)據(jù)計(jì)算的；切削條件的參考文獻(xiàn)為表1中列出的IAMS和ASM；功率通量＝總功率/DOC/F；1馬力/英寸2＝1.15W/mm2。
表3的代表性例子不是窮盡的目錄。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以看出，由許多其它的條件也可能得到類似的規(guī)范。
較高數(shù)值的功率通量表示機(jī)械刀具溫度負(fù)載或者刀具冷卻不均勻性的可能損壞量。只有HSS刀具和某些硬質(zhì)合金刀具可以操作在能忽略這些工藝不均勻性的切削條件下。由于是切削速度和單位功率的乘積，所以功率通量表示給定的一組切削條件是否能導(dǎo)致高能切削狀態(tài)。如果對(duì)于給定的刀具、切削深度和進(jìn)給速度選擇切削速度，該速度大于由工具廠商推薦的切削速度，和/或工件要求單位切削功率超過1馬力/英寸2/min，則總的功率通量值將超過常規(guī)的功率通量值，這種操作可以歸為高能切削。
雖然在高能范圍內(nèi)進(jìn)行切削操作對(duì)機(jī)械工業(yè)具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)刺激性，但這種刺激性受到工具過熱、高功率通量值以及不可能以均勻方式從刀具上除去切削能量的限制，這種均勻方式對(duì)于防止很快斷裂來說是很需要的。所有的刀具包括HSS、硬質(zhì)合金和難溶陶瓷均具有一個(gè)共同點(diǎn)，即刀具的溫度增加時(shí)刀具變軟，并出現(xiàn)局部?jī)?nèi)應(yīng)力(由于熱膨脹，特別是加上有限的導(dǎo)熱性)，如M.E.Trent和P.K.Wright所述(“Metal Cutting”，4thEd.，Butterworth，Boston，Oxford，2000，and the ASM Handbook on“Maching，Ceramic Materials”)。這樣在加工期間使得工件硬度、切削速度和功率通量受到限制。采用常規(guī)的機(jī)加工方法，在工業(yè)上，在滿足上述列舉的其它要求時(shí)不能解決冷卻問題。機(jī)械加工的其它問題包括重要的環(huán)境和健康問題，這些問題與現(xiàn)在加工中所用的常規(guī)切削流體和冷卻劑有關(guān)。例如，通常用作工業(yè)冷卻劑的二氧化碳是一種溫室源。另外，因?yàn)槎趸急瓤諝鉂?，所以它可能造成窒息性問題。另外，二氧化碳還可能造成酸腐蝕，因?yàn)槎趸既菀兹芙庠谒?。氟里昂、氟里昂代用品以及其它一些常用冷卻劑也是一種溫室源和臭氧貧化劑。這些物質(zhì)在與紅熱固體接觸受到加熱時(shí)，也具有爆炸性和/或具有毒性?？赡鼙ǖ钠渌鋮s劑包括碳?xì)浠衔餁怏w和液化氨氣。其中含有氧的冷卻劑例如低溫/液化空氣可能造成切屑著火。
已經(jīng)提出大量的涉及低溫冷卻刀具的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)，包括WO99/60079(Hong)和U.S.Pat.Nos.5,761,974(Wang，等人)，5,901,623(Hong)，3,971,114(Dudley)，5,103,701(Lundin，等人)，6,200,198(Ukai，等人)，5,509,335(Emerson)和4,829,859(Yankoff)。然而在這些文獻(xiàn)中以及前面其它現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)中沒有一個(gè)文獻(xiàn)解決了上述問題，或者滿足上述要求。
美國(guó)專利NO.5761974(Wang等人)公開一種低溫冷卻的蓋形容器，該容器放在切削刀具的頂部，如本文的圖1A(對(duì)應(yīng)于Wang等人)所述。Wang的方法和方式提供一種均勻穩(wěn)定冷卻，只是在切削操作期間如果切削深度和/或進(jìn)給速度改變，則容器要求特別的冷卻方式和須重新配置。這種要求和限制使得成本特別高，在工業(yè)加工環(huán)境中很難接受。
美國(guó)專利NO.901623(Hong)公開一種低溫流體噴射流的切屑破碎法，該切屑靠近傾斜面，以便在切屑從工件上切削下來后使該切屑沿該傾斜面升高。見本文的圖1B和1C(對(duì)應(yīng)于Hong的圖3和7B)。Hong的方法不能對(duì)整個(gè)切削刀具進(jìn)行均勻冷卻，在高能切削操作中采用硬而脆的刀具這種冷卻是需要的。另外，Hong的破碎切屑的噴嘴要求特殊的切削方式和須重新配置，如果在切削期間切削深度和/或進(jìn)給速度改變的話。這種要求和限制使得成本特別高，在工業(yè)機(jī)械加工環(huán)境中是不能接受的。
美國(guó)專利NO.3971114(Dudley)公開一種低溫冷卻劑刀具的裝置和方法，在這種方法中，在刀具的內(nèi)部形成通道，使該內(nèi)部通道絕熱，冷卻氣流以精確的角度噴到刀具刃口和工件之間的界面上，使得從工件上切削下來的切屑不會(huì)影響氣流。見本文的圖1D和1E(對(duì)應(yīng)于Dudlley的圖2和3A)。這種方法不能對(duì)用在高能切削操作中的硬而脆的切削刀具進(jìn)行要求的均勻冷卻。另外，它需要形式復(fù)雜的專用冷卻裝置。這種要求使得成本很高，在工業(yè)上的機(jī)加工環(huán)境中是不能接受的。
美國(guó)專利NO.5103701(Lundin等人)公開一種方法和裝置，該方法和裝置可采用金剛石加工與金剛石切削刀具產(chǎn)生有害反應(yīng)的材料，在這種加工中，切削刀具和工具均冷卻到低溫，該方法和裝置均要求顯著改變機(jī)床和工件的處理，其中某些改變成本特別高，在工業(yè)機(jī)加工環(huán)境中是不能接受的。
美國(guó)專利NO.6200198(Ukai等人)公開一種在非燃燒氣氛中切削金屬和非金屬材料的方法，其中將稍微冷卻的氮?dú)夂脱鯕饣旌衔锘蛘叩獨(dú)夂涂諝獾幕旌衔锎档皆诘毒吆凸ぜg的接觸區(qū)域，這種方法在高能切削操作中的效果是令人懷疑的，因?yàn)樗玫臍怏w不是低溫冷卻氣體。眾所周知，氣體噴射流能夠很快的從周圍環(huán)境吸入溫度高的空氣，這意味著噴射氣流在刀具表面上的溫度基本上與周圍空氣的溫度相同。
美國(guó)專利NO.5509535(Emerson)公開一種低溫加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括氣密的大氣室，該大氣室密封整個(gè)切削刀具和工件控制機(jī)構(gòu)，并使低溫流體射到由工件夾具固定的工件上。在高能切削操作中，這種方法的效果是令人懷疑的，由于低溫冷卻該工具，使得工件切削起來更難。這種方法在不大改動(dòng)整個(gè)切削刀具和工件固定裝置時(shí)是不可行的，這種改動(dòng)將使成本特別高，在工業(yè)機(jī)加工環(huán)境中是不能接受的。
美國(guó)專利NO.4829859(Yankoff)公開一種高壓系統(tǒng)，將常規(guī)流體和冷二氧化碳脈沖式混合，并噴射到工具、工件和切屑上。雖然可以很有效地破碎長(zhǎng)的切屑，但是該系統(tǒng)產(chǎn)生有毒流體的氣霧，這種氣霧對(duì)于環(huán)境和健康是不能接收的。該高壓操作系統(tǒng)的投資和操作成本是相當(dāng)高的，在機(jī)加工環(huán)境中是不能接受的。其高壓的脈沖噴射流經(jīng)常混有固體粒子，可能影響在高能切削操作中的硬而脆刀具的壽命。
WO99/60079A2(Hong)公開一種低溫銑刀，該銑刀包括轉(zhuǎn)動(dòng)傳輸管和靠近該刀刃的噴嘴，并可以連續(xù)暴露于從工件上擦除下來的切屑中。除開刀具壽命和系統(tǒng)的維修成本而外，在機(jī)加工中應(yīng)用這種方法需要投入很大的資金來重新改造現(xiàn)有的機(jī)加工設(shè)備，有一些在現(xiàn)在的制造環(huán)境中是不需要的，并且是不能接受的。
因此，需要一種冷卻切削刀具包括硬而脆刀具的裝置和方法，該方法可以改進(jìn)功率通量值超過刀具廠家、刀具供應(yīng)商以及在機(jī)械加工工業(yè)中公認(rèn)技術(shù)權(quán)威推薦的常規(guī)機(jī)加工操作的通用功率通量值的這種切削操作中的刀具壽命。
還需要提供一種冷卻這種切削刀具的裝置和方法，這種方法可以增加工件的切削速度和/或提高生產(chǎn)率，這二者均受到切削刀具、鑲嵌件和刀尖的壽命(和成本)的限制。
還需要提供一種用于切削工件的裝置和方法，這種方法可利用低溫冷卻劑來冷卻切削刀具，以此來提高車間的安全性和改善環(huán)境狀況，由此可以去除常規(guī)乳劑化切削流體和/或油霧。
還需要提供一種切削工件的裝置和方法，這種方法可以通過盡量降低切屑著火、燃燒和/或切屑蒸發(fā)煙霧等的危險(xiǎn)性來提高安全性和車間的環(huán)境狀態(tài)，而同時(shí)采用環(huán)境上可以接受的安全無毒的和清潔的冷卻切削刀具的方法。
還需要提供一種用于切削加工的裝置和方法，這種方法由于不需要對(duì)常規(guī)乳劑化切屑流體所必需的工件部分、工作地點(diǎn)和/或機(jī)器進(jìn)行清潔工作和/或消除油霧的工作，從而可降低生產(chǎn)成本。
還需要提供一種用于切削加工的裝置和方法，這種方法可以確保有效切削這樣的工件，例如制藥設(shè)備或粉末冶金部件，這些工件不允許產(chǎn)生常規(guī)乳化切削流體和/或油霧，因?yàn)檫@些工件具有開放的微孔隙。
還需要提供一種冷卻切削刀具的裝置和方法、在切削期間控制切削刀具冷卻的裝置和方法以及用于切削工件的裝置和方法，這些裝置和方法可以克服現(xiàn)有技術(shù)面臨的困難和缺點(diǎn)，從而可以得到更好和更多的有利結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)人的發(fā)明是一種用于冷卻切削刀具的裝置和方法、一種用于在切削操作期間控制切削刀具冷卻的裝置和方法以及一種用于冷卻工件的裝置和方法。本發(fā)明的另一方面是一種采用冷卻切削刀具的裝置和方法和/或控制切削刀具冷卻的裝置和方法利用切削刀具切削工件的一種裝置和方法。本發(fā)明的其它方面是由這種切削裝置和方法加工的工件以及從工件上切削下來的可回收利用的切屑，該切屑是這種切削裝置和方法的副產(chǎn)品。
用于冷卻切削刀具的方法其第一實(shí)施例包括多個(gè)步驟，第一步驟是輸送低溫流體。第二步驟是將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具上(“自由膨脹穩(wěn)定噴射氣流”在本發(fā)明以下面的詳細(xì)說明中進(jìn)行定義和說明)。
冷卻方法的第一實(shí)施例有各種變型。在一種變型中，切削工具用于高能形成切屑和工件切削操作。最好從一組低溫流體中選出至少部分低溫流體，該組低溫流體包括液態(tài)氮，氣態(tài)氮、液態(tài)氬、氣態(tài)氬和它們的混合物。在另一種變型中，低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流至少一部分的溫度低于約-150℃。在另一種變型中，低溫流體的至少一部分的自由膨脹穩(wěn)定噴射流基本上具有均勻的質(zhì)量流量，該質(zhì)量流量大于或等于約0.5磅/min，并低于或等于約5.0磅/min。在另一變型中，低溫流體的至少一部分自由膨脹穩(wěn)定噴射流其基本上為均勻的質(zhì)量流量，其流動(dòng)脈動(dòng)周期小于或者等于約10s。在另一變型中，該切削刀具具有傾斜面，低溫流體的至少部分自由膨脹穩(wěn)定噴射流射在該傾斜面的至少一部分上。在另一變型例中，切削刀具的至少一部分其橫向抗斷強(qiáng)度(TRS)小于約3000MPa。在另一變型例中，切削刀具具有切削刃，用于將低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具的裝置具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與切削刀刃分開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸。在此變型的一種變體中，在該至少一個(gè)排放點(diǎn)射出期間或正要射出之前，低溫流體的至少一部分其壓力大于或等于約25psig(磅/英寸2，下同)，小于或等于約250psig。
在冷卻切削刀具方法的另一實(shí)施例中，有若干步驟，在這種切削方法中，切削刀具具有切削刀刃。第一步驟是輸送低溫流體。第二步驟是形成噴嘴，該噴嘴適合于射出低溫流體的噴射流。該噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與切削刀刃隔開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸。第三步驟是將從排放點(diǎn)噴出的低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具上，其中低溫流體的溫度在排放點(diǎn)約為-150℃。
本發(fā)明的另一方面是采用冷卻切削刀具的方法，如冷卻切削刀具的第一實(shí)施例方法用切削刀具加工工件的方法。其它方面是工件和可重新回收利用的切屑，前者采用這種加工方法進(jìn)行加工，其特征在于表面得以改善，后者是從工件上切屑下來的，可作為用于加工工件的這種方法的副產(chǎn)品，該可回收的切屑其純度得到改進(jìn)。
用于冷卻工件的方法包括多個(gè)步驟。第一步驟是輸送低溫流體。第二步驟是將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到工件上。
在切削操作中用于控制切削刀具冷卻的方法其第一實(shí)施例包括許多步驟。第一步驟是輸送低溫流體。第二步驟是將低溫流體流射到切削刀具上。第三步驟是將射到切削刀具上的低溫流體流調(diào)節(jié)到基本上均勻的質(zhì)量流量，由此可以在基本上整個(gè)切削操作期間，在環(huán)境相對(duì)濕度約在30-75％和環(huán)境溫度約在10～25℃之間的氣氛中，使霜層保持在至少一部分切削刀具上。在此實(shí)施例的一種變型中，該切削刀具用在高能切屑形成和工件切削操作中。
切削操作期間控制切削刀具冷卻方法的另一實(shí)施例包括多個(gè)步驟。第一步驟是輸送低溫流體。第二步驟是提供一種噴嘴，該噴嘴適合于噴射低溫流體流，該噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與切削刀具隔開一定距離。第三步驟是將該排放點(diǎn)噴出的低溫流體流射到切削刀具上。第四步驟是將射到切削刀具的低溫流體流調(diào)節(jié)到基本上均勻的質(zhì)量流量，該質(zhì)量流量大于或等于約0.5磅/min，小于或等于約5.0磅/min，該質(zhì)量流量的流動(dòng)脈動(dòng)周期小于或等于約10s，由此可以在環(huán)境相對(duì)濕度約在30～75％而環(huán)境溫度約在10～25℃的大氣中，在基本上整個(gè)的切削操作期間，使霜層保持在至少一部分切削刀具上。
本發(fā)明的另一方面是用切削刀具加工工件的方法，采用如控制冷卻方法第一實(shí)施例中的控制冷卻切削刀具的方法。其它方面是工件和可回收的切屑，前者用這種切削方法加工，其特征在于表面得以改善，后者從工件上切削下來，可作為這種切削方法的副產(chǎn)品，該切屑的純度得到改善。
用于冷卻切削刀具的第一實(shí)施例裝置包括低溫流體的輸送裝置；將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具上的裝置。
第一實(shí)施例冷卻裝置有各種變型。在一種變型中，該切削刀具用在高能切屑形成和工件切削操作中。至少一部分低溫流體最好選自一組流體，該組流體包括液態(tài)氮、氣態(tài)氮、液態(tài)氬、氣態(tài)氬和它們的混合物。在另一變型中，至少一部分低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流其溫度低于約-150℃。在另一變型中，至少一部分低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流具有基本上均勻的質(zhì)量流量，該流量大于或等于約0.5磅/min，和小于或等于約5.0磅/min。在另一變型中，至少一部分低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流具有基本上均勻的質(zhì)量流量，該質(zhì)量流量的流動(dòng)脈動(dòng)周期小于或等于約10s。在另一變型中，切削刀具具有傾斜面，至少一部分低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流射在該傾斜面的至少一部分上。在另一變型中，切削刀具的至少一部分其橫向抗斷強(qiáng)度(TRS)值小于約3000MPa。在另一變型中，該切削刀具具有切削刀刃，將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具的裝置具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與該切削刀刃隔開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸。在這種變型的一種變體中，在從該至少一個(gè)排放點(diǎn)噴射期間或在要噴射之前，至少一部分低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流其壓力大于或等于約25psig，小于或等于約250psig。
在冷卻切削刀具的另一實(shí)施例裝置中有若干部件，在這種裝置中，切削刀具具有切削刀刃。第一部件是低溫流體的輸送裝置。第二部件是噴嘴，該噴嘴適合于噴射低溫流體的噴射流。該噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與切削刀刃隔開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸。第三部件是用于將排放點(diǎn)射出的低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具的裝置，其中該低溫流體的溫度在排放點(diǎn)約為-150℃。
本發(fā)明的另一方面是一種用切削刀具加工工件的裝置，采用如第一實(shí)施例裝置中的用于冷卻切削刀具的裝置。其它方面是工件和可回收的切屑，前者采用切削裝置進(jìn)行切削，其特征在于表面得以改善，后者是從工件上切削下來的，可作為副產(chǎn)品，該可回收切屑的特征在于純度得到改善。
用于冷卻工件的裝置包括低溫流體的輸送裝置；用于將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到工件的裝置。
在切削操作期間，控制切削刀具冷卻的第一實(shí)施例裝置包括若干部件。第一部件是輸送低溫流體的輸送裝置。第二部件是將低溫流體流射到切削刀具上的裝置。第三部件是一種裝置，這種裝置將射到切削刀具上的低溫流體流調(diào)節(jié)到基本上均勻的質(zhì)量流量，由此可以在環(huán)境相對(duì)濕度約為30～75％而環(huán)境溫度約在10～25℃的大氣中，在基本上整個(gè)切削操作期間，使霜層保持在該切削刀具的至少一部分上。在此實(shí)施例的一種變體中，該切削刀具用在高能切屑形成和工件的切削操作中。
在切削操作期間，控制切削刀具冷卻的另一實(shí)施例裝置包括若干部件。第一部件是低溫流體的輸送裝置。第二部件是噴嘴，該噴嘴適合于噴射低溫流體流。該噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與切削刀具分開一定距離。第三部件是一種用于將該排放點(diǎn)噴出的低溫流體流射到該切削刀具上的裝置。第四部件是一種裝置，該裝置用于將射到切削刀具上的低溫流體流調(diào)節(jié)到基本上均勻的質(zhì)量流量，該質(zhì)量流量大于或等于約0.5磅/min，小于或等于約5.0磅/min，該質(zhì)量流量的流動(dòng)脈動(dòng)周期小于或等于約10s，由此在環(huán)境相對(duì)濕度約為30～75％而環(huán)境溫度約在10～25℃的大氣中，在基本上整個(gè)切削操作期間，使霜層保持在切削刀具的至少一部分上。
本發(fā)明的另一方面是一種用切削刀具加工工件的裝置，采用一種控制切削刀具冷卻的方法，如第一實(shí)施例控制冷卻裝置中所用的方法。其它方面是工件和可回收的切屑，該工件由這種切削裝置切削，其特征在于，表面得以改善，而該切屑是從工件上切削下來的，可作為副產(chǎn)品，該切屑的特征在于純度得到改善。


下面參考附圖用例子說明本發(fā)明，這些附圖是圖1A～1E示出在切削或機(jī)加工操作中用于低溫冷卻的各種現(xiàn)有技術(shù)裝置；圖2A是示意圖，示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖2B是用在切削操作中的本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2C是示意圖，示出用在銑削操作中的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；圖3A是曲線圖，示出在高能切削不銹鋼440C期間，在時(shí)間過程中的刀具前端溫度變化；圖3B是曲線圖，示出在高能切削Ti-6Al-4V ELI期間，刀具前端和刀具后棱在時(shí)間過程中的溫度變化；圖3C是曲線圖，示出在高能切削不銹鋼440C期間，低溫流體脈動(dòng)周期和刀具前端溫度之間的相關(guān)關(guān)系；圖3D是曲線圖，示出銑刀的RPM對(duì)射到切削鑲嵌件上脈動(dòng)低溫流體沖擊流量的影響；圖4是曲線圖，示出在高能切削Ti-6Al-4V時(shí)刀具的壽命和溫度關(guān)系；圖5A是曲線圖，示出用在切削速度為300英尺/min的高能切削操作中陶瓷復(fù)合刀具的壽命；圖5B是曲線圖，示出切削速度為300英尺/min和400英尺/min的高能切削操作中陶瓷復(fù)合刀具的壽命；圖6是曲線圖，示出在某些操作條件下，脈動(dòng)低溫流體噴射流對(duì)立方晶系氮化硼壽命的影響；圖7是曲線圖，示出本發(fā)明對(duì)切屑化學(xué)成分的影響，該切屑是切削Ti-6Al-4V的切屑。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明解決了機(jī)加工工業(yè)中基本的沒有解決的問題，即可以更快地生產(chǎn)清潔的部件，而且加工成本低，改進(jìn)了在制造操作中的環(huán)境和衛(wèi)生。降低制造成本一個(gè)重要因素是用更好的性能成本比更好的切削操作代替慢的研磨操作，對(duì)難以加工的部件進(jìn)行加工。機(jī)加工工業(yè)需要改進(jìn)對(duì)難切削工件的加工方法。另一個(gè)重要的但經(jīng)常忽視的因素是加工成本和改動(dòng)常規(guī)工藝。機(jī)加工工業(yè)需要改進(jìn)的加工工藝，這種改進(jìn)還可以盡量減小對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和工藝所作的改動(dòng)量。
本發(fā)明是一種采用低溫流體的自由膨脹(不受約束的)穩(wěn)定噴射流冷卻切削刀具、鑲嵌件、尖端、刀刃、刀片或刀頭的裝置和方法，在這些切削刀具、鑲嵌件、尖頭、刀刃、刀片等任何一種可以是固定的或運(yùn)動(dòng)的(例如相對(duì)于工件轉(zhuǎn)動(dòng))。低溫流體噴射流可以是單相氣體、單相液體或兩相混合物的低溫流體噴射流，最好是液態(tài)氮、氣態(tài)氮、液態(tài)氬、氣態(tài)氬和/或它們的混合物噴射流。然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以看出，可以用其它的低溫流體、低溫氣體和固體粒子的混合物作低溫流體。
自由膨脹的或不受約束的噴射流是經(jīng)噴嘴從高壓膨脹到不受限制的環(huán)境和空間中的低溫流體流。由于速度、密度和溫度的差別，所形成的剪切力和混合渦流造成吸入環(huán)境空氣例如環(huán)境空氣。從位于一個(gè)平面例如傾斜面或位于該平面上面的噴嘴噴出的噴射流是自由膨脹的噴射流，但是在兩個(gè)或多個(gè)固定平面之間膨脹的噴射流不是自由膨脹噴射流，因?yàn)檫吔缒さ母街?yīng)顯著增強(qiáng)，這樣便顯著地降低了周圍大氣的吸入。(該傾斜面是切削刀具的靠近切削刀刃的表面，該表面引導(dǎo)切屑移離工件，在圖2所示的實(shí)施例中，該傾斜表面是靠近切削刀刃的切削刀具表面，該表面引導(dǎo)切屑86的流動(dòng)。該傾斜表面可以是完全平的、斜切的平面，或可以是更復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由用模制法形成，或加上一個(gè)板形成，以便更有效地引導(dǎo)切屑和/或控制切屑的斷開。)噴射自由膨脹噴射流的噴嘴可以用管形成，該管結(jié)束于該傾斜面，或該面的后面，或該面的上面。另外，該噴嘴還可以形成為通道的形式，該通道形成在固定鑲嵌件的夾具80中，該夾具將切削刀具固定在刀具架82中的后端，如圖2A所示。該噴嘴可以由任何固定的或可調(diào)節(jié)的機(jī)械部件的任何組件構(gòu)成，固定在鑲嵌件的夾具上或刀具架上，該夾具或刀具架上鉆有孔，以便在離斜面要求的距離射出低溫流體，射到該傾斜面的切割刀刃上。圖2B示出一個(gè)固定在刀具架上的角度可調(diào)的例子，該噴嘴的出口是圓形的，或是垂直扁平的，或是水平扁平的，匯聚的、直線的、或發(fā)散的。對(duì)于噴嘴沒有任何的特別限制，只要噴嘴能夠沿要求的方向在要求的距離向刀具噴出自由膨脹的低溫流體噴射流，同時(shí)又與切屑分開。
圖2A示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例裝置70，在這種裝置中，低溫流體的自由膨脹噴射流射到切削刀具尖頭74的表面上。低溫流體流過輸送管76和鏜孔78，該鏜孔穿過夾具80，形成噴嘴。該夾具由固定機(jī)構(gòu)(未示出)固定于刀具架82。該低溫流體噴射流從噴嘴膨脹到切削鑲嵌件84的尖端74。在最優(yōu)選的操作模式中，該自由膨脹噴射流結(jié)束于切削鑲嵌件尖端的表面?；蛘?，還可以使自由膨脹噴射流進(jìn)一步膨脹，以便達(dá)到從工件射出的切屑86，以及達(dá)到在該切屑和刀具/工件接觸區(qū)域附近的工件表面。
圖2A所示的實(shí)施例可以盡量減少為實(shí)施本發(fā)明在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)加工設(shè)備上所需要的改動(dòng)量。低溫流體噴射噴嘴形成在通常用來將切削鑲嵌件84固定在加工位置的金屬夾具80中，該切削鑲嵌件可以由易碎的材料構(gòu)成。噴嘴的出口和在切削期間從工件88射出的切屑86隔開一定距離，該夾具前部不會(huì)連續(xù)地接觸切屑，而且也不參與切屑的斷裂操作。
圖2A示出工件88的轉(zhuǎn)動(dòng)(用RPM表示)方向90、切削深度(DOC)92、進(jìn)給速度(F＝未形變的切屑厚度)94和切削功率96。
圖2B和2C示出在切削和銑削操作中噴射流的最佳模式，低溫流體的噴射流72直接噴在目標(biāo)刀具上。對(duì)于切削操作(圖2B)，低溫流體進(jìn)入輸送管76，從噴嘴組件98中噴出，該組件是角度可調(diào)的噴嘴。低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流從噴嘴組件噴射到切削刀具鑲嵌件84的刀具頭部上。從噴嘴噴到刀具頭部的噴射流的軸向長(zhǎng)度100是本發(fā)明的一個(gè)重要特征，如下面說明的。箭頭102表示由噴射流夾帶的環(huán)境空氣。
在圖2C所示的銑削操作中，低溫流體72的自由膨脹穩(wěn)定噴射流從輸送管76端部的噴嘴射出。該噴嘴和刀具104之間的距離必須小于3英寸。箭頭102表示夾帶的環(huán)境空氣。當(dāng)工件88沿箭頭108所示的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，該工具沿箭頭106所示的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。該圖示出由銑削工藝形成的切削深度92、切削寬度110和切屑86’。
最好采用低溫氮?dú)饬黧w和/或氬氣流體(液相或氣相)，因?yàn)檫@些流體是環(huán)境上可以接受的惰性無毒非腐蝕性流體。并且可以在噴嘴的出口具有相當(dāng)?shù)偷臏囟?，從而可以冷凍遠(yuǎn)距離的目標(biāo)例如切削刀具，即使這種流體在一段距離以外噴射在該目標(biāo)上也是如此。液態(tài)氮、液態(tài)氬或若干其它低溫流體的沸點(diǎn)可以隨其噴射壓力按比例增減，因而如果膨脹到一個(gè)大氣壓的環(huán)境中，則可以達(dá)到以下的最低溫度。
液態(tài)N2＝-196℃＝-320°F液態(tài)Ar＝-186℃＝-302°F液態(tài)CO2＝-79℃＝-110°F(升華溫度)含氯氟烴的氟利昂-12 CCL2F2＝-30℃＝-22°F膨脹的噴射流趨向于夾帶大量的環(huán)境氣體，例如在典型的切削操作中夾帶大量室溫空氣。夾帶大量室溫空氣造成從噴嘴出口噴出的低溫噴射流在相當(dāng)短的距離內(nèi)冷卻能力的顯著下降。美國(guó)專利NO.5738281(Zurecki等人)公開一種可盡量降低等溫氣體噴射流或預(yù)熱氣體噴射流中夾帶空氣的方法。然而該專利沒有談到自由膨脹的低溫噴射流，這種噴射流在與溫度高的環(huán)境氣體混合時(shí)趨向于在徑向和軸向兩個(gè)方向膨脹。
本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果低溫流體從距離0.1～3.0英寸以外噴射到作為目標(biāo)的刀具表面，并且在噴嘴出口的出口溫度小于-150℃，其流量至少為0.5磅/min，則射到刀具表面的低溫流體噴射流其溫度相當(dāng)?shù)?，并且在高能切削條件下可能增加刀具的壽命。本申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)如果低溫流體噴射流的流量超過5.0磅/min(37.8g/s)，則低溫流體噴射流在切削區(qū)域內(nèi)的過分?jǐn)U散將對(duì)工件造成有害預(yù)冷卻作用，并正好在切削刀刃的上游造成暫時(shí)的工件硬化作用，從而導(dǎo)致刀具壽命的降低。本發(fā)明還確定，為有效冷卻刀具，所需的最小噴射壓力為25psig(1.7個(gè)大氣壓)。利用儲(chǔ)存和處理低溫氮?dú)夂蜌鍤獾囊?guī)模效益，可以得到最大壓力(250psig)，即最普通的和最有經(jīng)濟(jì)效益的大氣瓶?jī)?chǔ)存這些低溫氣體可以達(dá)到230psig的壓力，并且如果低溫壓力超過250psig(17個(gè)大氣壓)，則可以快速地放出高溫壓縮的膨脹的低溫氣體。本申請(qǐng)人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，為了滿足機(jī)加工工業(yè)的經(jīng)濟(jì)性需求，應(yīng)當(dāng)采用其壓力為自身蒸氣壓力的大“散裝”氣瓶中低溫流體來低溫冷卻高能切削操作中的刀具，本申請(qǐng)人已經(jīng)優(yōu)化了最大噴射壓力不超過250psig的刀具冷卻方法。該噴射壓力是在低溫流體噴射噴嘴的入口側(cè)測(cè)量的壓力。
低溫流體的自由膨脹噴射流應(yīng)當(dāng)射到切削刀具的傾斜的頭部切削刀刃，以盡量增大冷卻效果。如果在給定的切削操作中，因?yàn)榭紤]到工件或刀具的幾何結(jié)構(gòu)需要采用多個(gè)低溫噴射流，則具有最高流量的主要低溫噴射流應(yīng)當(dāng)射到傾斜的頭部切削刀刃上。本申請(qǐng)人已經(jīng)意外地發(fā)現(xiàn)，低溫流體噴射流射在傾斜表面上時(shí)，該噴射流在高能切削操作中不會(huì)引起硬而脆的刀具破裂、碎裂或斷開。按照本申請(qǐng)人方法冷卻的高級(jí)的非金屬刀具以及硬而脆的刀具(其橫向抗裂強(qiáng)度低于3GPa或抗斷韌度低于10Mpam0.5)，其壽命大于在高能切削條件下干燥切削的同樣類型工具的壽命。這種發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)的說明相反。
盡管得到意外結(jié)果(與現(xiàn)有技術(shù)相比得到顯著改進(jìn))的真正原因還不清楚，但很可能是，這些結(jié)果可能是各種因素合成的。由于沒有受到任何特殊理論的約束，本申請(qǐng)人認(rèn)為這些因素包括(但不限于)(1)整個(gè)切削刀具的低溫硬化；(2)在整個(gè)刀具內(nèi)熱膨脹應(yīng)力降低；(3)由于邊界膜效應(yīng)和Leidenfrost現(xiàn)象而在工具表面上造成溫度梯度的降低。邊界膜是噴射條件可控的半靜止的暫態(tài)膜，該膜可“軟化”受冷卻表面的低溫冷卻效果，并“平均”沖擊冷卻表面的溫度分布。在所有液體射在溫度高于該液體沸點(diǎn)的目標(biāo)表面上時(shí)，Leidenforst現(xiàn)象均會(huì)在一定程度上發(fā)生。液滴在熱表面的上面便沸騰，因此熱表面受到蒸氣層的屏蔽。在低溫流體的情況下，特別是如果溫度低于-150℃，則所有表面均是熱的，這意味著通常的低溫流體噴射流均在其蒸氣邊界膜上滑動(dòng)，而不直接射在刀具上，這樣便使得受冷沖擊的刀具表面的溫度分布更為平緩，并且可以解釋本申請(qǐng)人的自由膨脹低溫流體噴射流可以有效提高易脆刀具壽命的原因。在油基或水基切削流體的情況下，其沸點(diǎn)顯著高于室溫，因此僅在刀具表面上離切屑接觸區(qū)域外緣很近的距離上才發(fā)生沸騰。當(dāng)切屑在切削期間改變方向或切削工具突然停止切削時(shí)，這種常規(guī)流體便擴(kuò)散到突然露出的最熱的表面區(qū)域上，在此區(qū)域中，該流體爆裂式地沸騰，放出蒸氣、微滴和壓力波。在很多參考文獻(xiàn)(3)中已經(jīng)說明，隨噴射流體和目標(biāo)表面之間溫差的變化(流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性)以及噴嘴取向和流動(dòng)狀態(tài)的顯著影響沸騰過程的邊界膜厚度、Leidenfrost現(xiàn)象將發(fā)生突然變化。本申請(qǐng)人認(rèn)為，在上述低溫流體噴射條件的范圍內(nèi)實(shí)施的方法有利于形成所需的薄邊界膜和/或Leidenfrost效應(yīng)，這種薄膜和效應(yīng)本身又可以防止在冷卻時(shí)易碎刀具的破裂，并提高高能切削操作的刀具壽命。
如圖2B和2C所示，本申請(qǐng)人的方法和自由膨脹噴射流冷卻的條件可以克服低溫機(jī)加工現(xiàn)有技術(shù)的基本缺點(diǎn)。因?yàn)楸旧暾?qǐng)人的噴嘴正好配置在切屑形成區(qū)域和工件/刀具接觸區(qū)域的后面，所以在給定的操作期間很容易改變送饋速度、切削深度和其它切削條件，而不需要調(diào)節(jié)噴嘴的位置或者噴嘴沒有受到損壞的危險(xiǎn)。因此，在機(jī)加工工業(yè)中可以以最小的成本實(shí)施本發(fā)明，本發(fā)明不具任何爆炸性，而且操作靈活。這種靈活性是由于噴嘴不固定在切削鑲嵌件上，或者不取決于任何特殊的鑲嵌件幾何尺寸。用自由膨脹噴射流體有效進(jìn)行刀具冷卻的關(guān)鍵問題是，應(yīng)在0.5～5.0磅/min的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)低溫流體流量，在25～250psig的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸送壓力，以便將低溫流體的冷卻能力從遠(yuǎn)處噴嘴的噴口輸送到傾斜表面上。
本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，時(shí)間平均低溫流體流量只在切削刀具壁在整個(gè)切削操作期間起霜時(shí)才是充分的，而不管大量切削能量即熱量是否經(jīng)高溫切屑接觸區(qū)域進(jìn)入刀具。如果在切削期間，在靠近切削刀刃和側(cè)壁與傾斜壁的接觸區(qū)域形成向刀具另一端移動(dòng)的霜線，則低溫冷卻效果降低，表示需要增加時(shí)間平均流量和/或增加高溫流體壓力。應(yīng)注意到，在優(yōu)選條件下，在低溫流體即不含水分的氮?dú)夂?或氬氣直接沖擊的位置不一定會(huì)出現(xiàn)霜層。因此，一部分傾斜面和/或側(cè)壁表面可能沒有霜層，因?yàn)檫@些表面受到快速膨脹和無水分冷卻流體的不斷沖刷。
不需要進(jìn)行刀具霜層控制的條件是，在濕度很低的條件下進(jìn)行切削操作，例如在可控氣氛的氣室中或在真空中進(jìn)行切削操作，在此時(shí)不形成霜層也可以達(dá)到本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)行刀具霜層控制的正常氣氛條件是相對(duì)濕度為55±20％，溫度為20±5℃。進(jìn)行霜層控制的最小水份量至少在溫度為10℃時(shí)是相對(duì)濕度為30％。
本申請(qǐng)人還提出一種診斷技術(shù)，該技術(shù)用于控制按本發(fā)明執(zhí)行的高能切削操作，包括在刀具-工件界面上觀察動(dòng)態(tài)外觀，這種動(dòng)態(tài)外觀在工具磨損情況或者切削條件改變時(shí)在特定操作中可能發(fā)生變化。首先，如果切屑或者僅位于切削刃下面的工件發(fā)白紅色或者出現(xiàn)熔化或者燃燒時(shí)，則需要增加冷卻流體的流量和/或壓力。第二，如果工具前端或者在傾斜表面上的切屑接觸區(qū)域的邊緣形成鮮紅色時(shí)，則不需要增加冷卻流體的流量和/或壓力，除非在刀具上的霜層開始收縮。第三，如果刀具的前端或者在傾斜面上的切屑接觸區(qū)域的外周形成很強(qiáng)的白紅色時(shí)，則應(yīng)當(dāng)增加冷卻流體的流量和/或壓力，而不管在刀具表面上霜層的狀態(tài)如何。在工件/刀具接觸區(qū)域上局部溫度的偶然增加可能表示工件的幾何結(jié)構(gòu)或者組份發(fā)生變化，并可以容易地使其急劇降溫，方法是在0.5～5.0磅/min范圍內(nèi)增加低溫流體的流量，增加到這樣的流量，在此流量下不僅使刀具表面而且使整個(gè)接觸區(qū)域都受到低溫流體直接沖擊的冷卻。
按照上述方式低溫冷卻切削刀具可以保證結(jié)果得到改善。令本申請(qǐng)人感到意外的是，低溫流體冷卻方法可以提高易脆切削刀具在切削操作期間的抗斷裂性，可以提高在高能切削操作中所用工具的壽命，可以使得切削工件的表面得以改善，得到鏡面光亮式的切屑，以及實(shí)現(xiàn)一種可行的低成本作業(yè)方法，這種方法是基于在切削操作期間目視觀察刀具前端的霜層。這些改進(jìn)的結(jié)果是令申請(qǐng)人意想不到的，而且也是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員意想不到的。
輸送壓縮低溫流體和射出低溫流體的自由膨脹噴射流的一個(gè)基本技術(shù)問題是這種流動(dòng)容易產(chǎn)生脈動(dòng)和沸騰而不穩(wěn)定，特別是流量低于1.1磅/min時(shí)，這種流量與本申請(qǐng)人方法所需要的低范圍流量相重疊。因?yàn)檫@種脈動(dòng)式流動(dòng)問題可能在很大程度上限制低溫流體在工業(yè)上的應(yīng)用，所以已經(jīng)提出許多效果明顯或不太明顯的穩(wěn)定流動(dòng)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)包括低溫局部冷卻到低于平衡蒸氣溫度，然后放出在傳輸管中形成的蒸氣。
這種流動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)的一些最新的例子公開在美國(guó)專利NO.5392608(Lee)、5123250(Maric)、4716738(Tatge)、4510760(Wieland)和4296610(Davis)。Zurecki和Harriott在其論文“IndustrialSystems for Cost Effective Machining of Metals Using anEnvironmentally Friendly Liquid nitrogen Coolant”(AerospaceManufacturing Technology Conference，June2-4，1998，Long Beach，CA，Session MP5C，Maching and Machining Processes-Coolants andProcess Safety，Paper No.981865)和由Zurecki等人在其論文“DryMachining of Metals With Liquid Nitrogen”(the 3rdInternationalMachining & Grinding’99 Conference and Exposition，October 4-7，Cincinnati，Ohio，1999)中提出一種在機(jī)加工和切削加工中穩(wěn)定低流量低溫流體的方法。因?yàn)樯鲜鱿到y(tǒng)其成本和復(fù)雜性不同，所以重要的是要確定高能切削操作中低溫流體流穩(wěn)定系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。
本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，脈動(dòng)流的周期對(duì)于低溫流體噴射流有效自由膨脹和在高能條件下有效工具冷卻是重要的。
圖3A示出在高能切削不銹鋼(牌號(hào)440C)期間，硬質(zhì)WC-Co切削鑲嵌件溫度的變化，用三種方法切削不用冷卻劑即干切削、用常規(guī)乳劑化溢流式冷卻以及用本發(fā)明的液態(tài)氮冷卻。這種高能切削的切削深度為0.025英寸，進(jìn)給速度為0.010英寸/轉(zhuǎn)，采用以下的硬質(zhì)合金鑲嵌刀具CNMG-432，涂有PVD，ISO M01～M20(K01-K20)，工業(yè)編碼C-3。在切削刀具開始切削之前即接觸工件和形成切屑之前幾秒鐘便噴射低溫流體。這種“降溫”時(shí)間對(duì)于預(yù)先將大多數(shù)的刀具或者鑲嵌件急冷到實(shí)施本發(fā)明所要求的低溫是充分的。用在此種實(shí)驗(yàn)中的低溫流體利用稍微局部過冷的方法進(jìn)行穩(wěn)定，得到的噴射流是穩(wěn)定的，具有不易察覺到的脈動(dòng)間隔或者流量幅度的變化。
根據(jù)高能切削操作的切削刀具的低溫流體冷卻實(shí)驗(yàn)，大于平均時(shí)間流量25％的噴射流脈動(dòng)幅度均可以容易地檢測(cè)到。而且對(duì)于冷卻作用是明顯的。幅度小于時(shí)間平均流量25％的噴射流實(shí)際上可以認(rèn)為是穩(wěn)定噴射流。圖3A所示的溫度是用微熱電偶頭測(cè)出的，該頭位于切削刃后面1.41mm，傾斜面下面1.41mm的地方，放在緊靠切削刀刃的鑲嵌件頭部?jī)?nèi)。在圖3A所示的所有三種切削操作中，在切削開始和熱量從該刀刃散發(fā)出來到達(dá)該熱電偶頭之間的時(shí)間延遲是1～2s。在經(jīng)過這一段遲延以后，溫度穩(wěn)定在其自身特有的反映刀具冷卻效果的溫度對(duì)于液態(tài)氮噴射流冷卻為-200°F(-200°F＝-129℃)；對(duì)于常規(guī)的溢流式冷卻為+150°F(+150°F＝+65℃)；而對(duì)于干切削則大于+300°F(+3000°F＝+149℃)。在干燥切削情況下，溫度的不斷攀升反映出熱量的積累和切削工具的磨損，從而導(dǎo)致進(jìn)入刀具的切削功率通量增加。
圖3B示出高能切削Ti-6Al-4V ELI期間，鑲嵌件(鄰接切削刀刃)前端頭部溫度和鑲嵌件后棱溫度隨時(shí)間的變化。在圖3B中所用的鑲嵌件類型與圖3A所用類型相同，但是切削條件是功率更大，而且用于冷卻的液氮流量小于本申請(qǐng)人方法中要求的流量。在這種情況下(圖3B中)，高能切削的切削深度為0.120英寸、進(jìn)給速度為0.010英寸/轉(zhuǎn)，而切削速度為230英尺/min。從開始切削幾秒鐘后，在鑲嵌件上的霜層便收縮，并從其壁上開始完全消失，同時(shí)前端頭被加熱到發(fā)射紅光的溫度。欠缺的冷卻和熱量的不平衡導(dǎo)致這種鑲嵌件很快地磨損。
圖3C示出圖3A中溫度曲線起始不穩(wěn)定部分的放大圖。具體是，圖3C示出低溫流體脈動(dòng)周期和高能切削不銹鋼(牌號(hào)440C)時(shí)刀具刀頭溫度之間的相關(guān)關(guān)系。在此圖中，示出兩種不同的脈動(dòng)流量曲線，從而示出在切削操作前幾秒鐘期間內(nèi)頻率和相移對(duì)鑲嵌件冷卻的影響。如果低溫流體脈動(dòng)周期時(shí)間與前端頭部加熱的1～2s延遲相比較短，則鑲嵌件“不能感覺”到這種脈動(dòng)，其表現(xiàn)是，好象是該鑲嵌件受到?jīng)_擊在刀具上的流量為時(shí)間平均流量的穩(wěn)定噴射流的冷卻。如果低溫流體脈動(dòng)周期時(shí)間比1～2s的遲延時(shí)間更長(zhǎng)，則鑲嵌件將會(huì)暫時(shí)地發(fā)生冷卻不足或者過冷，這取決于噴射流振幅和時(shí)延間隔開始之間的相移。前者造成前端頭部溫度突然危險(xiǎn)地升高，這樣便使得溫度陡升，如圖3B所示，并造成刀具的快速磨損。因?yàn)槭箛娚淞鞯拿}動(dòng)相位與時(shí)延間隔同步在工業(yè)上的切削條件下是不實(shí)際的，同時(shí)也難于實(shí)現(xiàn)，所以最好的實(shí)用方法是采用完全沒有脈動(dòng)的低溫流體噴射流，或者采用已經(jīng)充分穩(wěn)定的噴射流，使其脈動(dòng)的周期時(shí)間短于給定刀具的起始時(shí)延遲。
下面的表4詳細(xì)列出在測(cè)試圖3A、3B和3C中曲線時(shí)所用的高能切削條件。
表4在測(cè)試?yán)又星邢鳁l件

表4(續(xù))

注切削功率、功率通量和速度指數(shù)是用表1的數(shù)據(jù)計(jì)算的；切削條件的參考文獻(xiàn)為SANDVIK COROMANT和SUMITOMO；功率通量＝總功率/DOC/F。
圖3D示出在轉(zhuǎn)動(dòng)刀具情況下，如圖3B所示銑刀的情況下用脈動(dòng)噴射流冷卻的影響。具體是，圖3D示出銑刀的RPM對(duì)射到切削鑲嵌件的脈動(dòng)低溫流體沖擊流量的影響，條件是低溫流體噴射周期時(shí)間為8.0s，銑刀的轉(zhuǎn)速為60r/min，在噴射流和銑刀之間的相移為0.4弧度，平均噴射流流量為3.0磅/min，噴射流流量偏差為+/-50％，平均沖擊流量為1.5磅/min。因?yàn)榍邢縻姷恫僮髟诟咿D(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍在1Hz～700Hz，所以約8s的噴射流脈動(dòng)周期時(shí)間(0.125Hz)被切成短的部分，這些部分對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)切削刃是“看不見的”，事實(shí)上，工具的行為好象它受到這種低溫流體噴射流的冷卻，這種噴射流以其原來的低頻率脈動(dòng)，但是由于疊加在脈動(dòng)噴射流上的低的時(shí)間平均流速上的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)的作用，噴射流以減小的流量沖擊刀具。這種低溫流體沖擊流量的降低可以通過增加噴嘴的噴射流平均射出流量得到補(bǔ)償。此例子的實(shí)用性是，不用調(diào)節(jié)流量便可以補(bǔ)償過分長(zhǎng)的噴射流脈動(dòng)周期時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，本發(fā)明人認(rèn)為，存在噴射流脈動(dòng)周期時(shí)間(或頻率)的極限值，慢于該極限值脈動(dòng)的非穩(wěn)定低溫流體將不能對(duì)低溫高能切削操作進(jìn)行有效的冷卻，而不管時(shí)間平均流量如何。
在硬質(zhì)WC-6Co硬質(zhì)合金鑲嵌件的前部切削部分中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的1～2s的時(shí)間間隔，如圖3A和3B所示，與J.Lin等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測(cè)定數(shù)值是一致的(“Estimation of Cutting Temperature inHigh Speed Machining”，Trans.of the ASME，Vol.114，July 1992，pp.289-296)，該值是低溫流體有效冷卻特別是冷卻高能切削操作中較硬硬質(zhì)合金刀具所需的極限脈沖周期時(shí)間。因?yàn)樵撝惦S刀具材料的熱擴(kuò)散而變化，所以本申請(qǐng)人對(duì)各種最好用在高能切削操作中的硬而脆的刀具計(jì)算了該值，見下面表5。
表5根據(jù)WC-Co鑲嵌件的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算的在刀具傾斜表面上達(dá)到穩(wěn)定態(tài)溫度所需的時(shí)間(4)t＝L2ρCpλ-1，其中t為與壓在切削刀具傾斜面上未形變切屑隔開距離L的位置達(dá)到穩(wěn)定態(tài)溫度的時(shí)間；ρ為刀具的密度；Cp為刀具的比熱；λ為刀具的熱導(dǎo)率。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于與硬質(zhì)合金刀具相比擴(kuò)散率相當(dāng)?shù)?，所以AL2O3基和低量PCBN刀具從切削刀刃傳出的熱量低至2.5～5倍。因此，對(duì)于圖3A所示的1～2秒長(zhǎng)的時(shí)延，AL2O3的時(shí)延將為5～10秒。這與陶瓷鑲嵌件的A.Kabala的計(jì)算值一致(“Heat Transfer in CuttingInserts”，Experimental Stress Analysis 201，the 39thInternational Conf.，June 4-6，2001，Tabor，Czech Republic)，并將最大脈動(dòng)周期的極限值設(shè)定為10秒。因?yàn)樵诟吣芮邢鞑僮髦泻芨叩墓β释?Pf)經(jīng)接觸區(qū)域進(jìn)入切削刀具，如表3和表4所示，所以在超過10秒極限脈動(dòng)周期時(shí)間的工具冷卻的起伏將導(dǎo)致刀具的過早損壞。因此，只要脈動(dòng)幅度超過時(shí)間平均流量的25％，便應(yīng)當(dāng)在從氣瓶傳送到噴嘴時(shí)，充分穩(wěn)定用在高能切削中的自由膨脹低溫流體噴射流，以便達(dá)到周期時(shí)間小于10秒的脈動(dòng)。
例子圖4示出用硬質(zhì)WC-Co鑲嵌件高能銑削Ti-6Al-4V期間，鑲嵌件溫度和側(cè)面磨損的演變。在切削速度為750英尺/min時(shí)，切削深度是0.030，而進(jìn)給速度為0.008英寸/轉(zhuǎn)，所用的鑲嵌件與圖4A所用的相同。按照本發(fā)明的低溫氮噴射流冷卻的工具，其壽命比用常規(guī)乳劑化溢流式冷卻劑冷卻的工具壽命長(zhǎng)4倍。
圖5A示出在高能切削操作中，切削A2號(hào)鋼時(shí)，陶瓷復(fù)合刀具(Al2O3-SiCw)的壽命，切削速度為300英尺/min，切削深度為0.020英寸，進(jìn)給速度為0.005英寸/轉(zhuǎn)，而切除速率為0.36英寸3/min。用三種標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估刀具壽命最大的側(cè)面磨損(Vbmax＝0.6mm)，最大的側(cè)面(或者DOC槽)磨損(Vbmax＝0.7mm)；尺寸切削誤差，該尺寸誤差產(chǎn)生大于要求的0.004英寸(0.1mm)的部件尺寸誤差。應(yīng)用四種不同的切削方法(1)常規(guī)乳劑溢流冷卻；(2)常規(guī)干燥切削；(3)用本發(fā)明的低溫氣體噴射流冷卻；(4)用本發(fā)明的低溫液體噴射流冷卻。對(duì)于(1)、(3)和(4)的條件如下(1)均勻流出的完全溢流的常規(guī)切削流體，10％的濃度；(3)穩(wěn)定的非脈動(dòng)氣相低溫噴射流，流量為1.8磅/min，噴嘴的噴射溫度為-150℃在7.8個(gè)大氣壓(115psig)下噴出；(4)包含少量蒸氣的穩(wěn)定非脈動(dòng)液相低溫噴射流，總流量為0.9磅/min，噴嘴的射出溫度為-172℃在8.1個(gè)大氣壓(120psig)噴出。結(jié)果表明，本發(fā)明的低溫流體冷卻與兩種常規(guī)方法相比，可以延長(zhǎng)刀具壽命。
圖5B示出在同一種實(shí)驗(yàn)中(與圖5A相同)，在兩種切削速度即300英尺/min(材料切除速度為0.36英寸3/min)和400英尺/min(材料切除速度為0.48英寸3/min)時(shí)同一種刀具的壽命，其中以分鐘表示的壽命是一個(gè)綜合值，是按照上面圖5A所示三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的平均壽命值。另外，在兩種切削速度下，在這種硬件銑削實(shí)驗(yàn)下，本發(fā)明的低溫流體冷卻可以提高刀具壽命。
圖6示出在用PCDN量低(BN-300)的頭部銅焊的鑲嵌刀具硬加工銑削A2號(hào)鋼期間，側(cè)面磨損和刀刃破裂的演變，其切削速度為500英尺/min，切削深度為0.20英寸，進(jìn)給速率為0.004英寸/轉(zhuǎn)，而切除速率為0.48英寸3/min。比較三種切削條件(1)干燥銑削；(2)低溫流體噴射流冷卻的銑削，其中該噴射流不是充分穩(wěn)定的，在6秒的頻率脈動(dòng)；(3)低溫流體噴射流冷卻的銑削，其中該噴射流完全穩(wěn)定，沒有任何脈動(dòng)性或流動(dòng)不穩(wěn)定性。對(duì)于(2)和(3)的條件如下(2)含有大量體積蒸氣的液相低溫噴射流，總的流量為2.0磅/min，在10.2個(gè)大氣壓(150psig)下噴出，噴嘴噴射溫度為-169℃；(3)含有少量體積蒸氣的液相低溫噴射流，總流量為2.0磅/min，在10.2個(gè)大氣壓(150psig)下噴出，噴嘴噴射溫度為-169℃。在此實(shí)驗(yàn)中，采用最大側(cè)面磨損(Vbmax＝0.6mm)的ISO刀具壽命標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于常規(guī)的干燥切削，刀刃的壽命最短，用脈動(dòng)噴射流的壽命較長(zhǎng)，而用穩(wěn)定的非脈動(dòng)噴射流壽命最長(zhǎng)。
先前說明的表4詳細(xì)列出測(cè)試圖4～6中曲線所用的刀刃切削條件，并將該切削速度和功率通量與實(shí)驗(yàn)用鑲嵌件廠商推薦的相應(yīng)值進(jìn)行比較。
用在這種實(shí)驗(yàn)中的銑刀是3/4英寸(19.05mm)直徑的45°螺旋形的五刃槽的高性能硬質(zhì)合金(WC-Co)端銑刀，為Niagara Cupter公司(http//www.niagaracutter.com/techinfo)制造的S545號(hào)銑刀，以便在切削鈦合金和其它難于切削的材料時(shí)達(dá)到最大的金屬除去率。對(duì)于這種刀具，推薦的切削速度和進(jìn)給速度分別是90～160英尺/min(27.4～48.8m/min)和0.002英寸/齒(0.05mm/齒)。為了采用乳劑化的切削流體(含有“可溶性”潤(rùn)滑劑的水)用這種銑刀進(jìn)行常規(guī)銑削操作，可以選用以下加速切削條件銑削速度為178英尺/min，轉(zhuǎn)速為907r/m，每齒的進(jìn)給速度為0.003英寸，臺(tái)面的移動(dòng)速度為13.6英寸/min，銑削寬度為0.080英寸，銑削的軸向深度為1.000英寸，材料的切除速率為1.09英寸3/min。在這些切削條件下，在除去硬度為36HRC的Ti-6Al-4V工件的13.1英寸3以后，所有五個(gè)銑刀的刀刃最終被磨損。
在比較測(cè)試中，在壓力80psig下噴出的時(shí)間平均流量為2磅/min的液態(tài)氮射向該銑刀，遠(yuǎn)處噴嘴的出口和端銑刃槽棱角之間的距離為0.5英寸，如圖3B所示。結(jié)果，該噴射流均噴射到銑刀的所有五個(gè)刃槽和傾斜面上。開始時(shí)，噴射流經(jīng)絕熱管以不穩(wěn)定狀態(tài)流出飽和的液態(tài)氮鋼瓶。該噴射流的脈動(dòng)周期約為15秒。在此脈動(dòng)周期期間，低流量約為0.75磅/min，而高流量為3.25磅/min。已經(jīng)觀測(cè)到，這種銑刀至少在開始一分鐘的時(shí)間，在沒有由低溫流體噴射流沖擊的刀具表面上沒有出現(xiàn)白的霜層，但是一旦形成霜層以后，該霜層是不穩(wěn)定的，時(shí)而出現(xiàn)，時(shí)而消失，跟隨著噴射流的脈動(dòng)周期，但有一定時(shí)間遲延。用這種非穩(wěn)定噴射流冷卻的用上述條件測(cè)試的工具壽命與用常規(guī)方法冷卻的工具壽命差不多。
在另一比較測(cè)試中，利用上游的液氮過冷系統(tǒng)穩(wěn)定液氮流量，使得不能夠用目視法看到任何的噴射流脈動(dòng)。采用逐漸增加的切削速度重復(fù)銑削操作。已經(jīng)觀察到，在整個(gè)操作期間霜層是穩(wěn)定的。當(dāng)切削速度、臺(tái)面進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速以及材料切除率比常規(guī)乳劑化溢流冷卻切削流體所用的值增加60％時(shí)，刀具不會(huì)由在切去同樣體積13.1英寸3之后受到任何可看出的磨損。用在這種穩(wěn)定噴射流切削實(shí)驗(yàn)中的切削速度(Vc)比由刀具廠商推薦的中間切削速度高2.3倍。所用功率通量比用刀具廠商推薦的中間切削速度和最大進(jìn)給速度算出的功率通量大1.5倍。用穩(wěn)定低溫流體流得到的材料切去率或者生產(chǎn)率比用廠商推薦條件得到的最大材料切去率大3.4倍。
本申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，如上述例子中說明的(圖3～6和表4)，采用自由膨脹的穩(wěn)定低溫流體噴射流來冷卻刀具/工件接觸區(qū)域總是可以得到表面很清潔的光亮的工件和在切削操作期間產(chǎn)生的切屑。工件和切屑的表面比用常規(guī)乳劑溢流式冷卻得到的表面更清潔，更意外的是，該表面表現(xiàn)出比常規(guī)干燥切削得到的表面明亮得多。
對(duì)高能切削Ti-6Al-4V切削期間產(chǎn)生的金屬切屑，進(jìn)行了元素化學(xué)分析，結(jié)果示于圖7。對(duì)于這種高能切削的切削條件是切削速度Vc為260英尺/min；進(jìn)給速度F為0.010英尺/轉(zhuǎn)；切削深度DOC為0.100英寸。除干燥切削而外，收集了乳劑溢流式冷卻劑即用乳劑溢流式冷卻劑(Hangsterfers S-506CF，13％)冷卻切削的結(jié)果，以及用液氮的自由膨脹穩(wěn)定噴射流冷卻切削操作的結(jié)果，該穩(wěn)定噴射流以2.6磅/min的流量射在切削鑲嵌件上。這些結(jié)果列表于下面，并示于圖7。

在低溫流體冷卻切削操作期間產(chǎn)生的切屑吸收少量氮?dú)狻⒀鯕?、碳和氫氣雜質(zhì)；干燥切削操作是第二；常規(guī)的乳劑溢流式切削操作是第三，也是污染最大的方法，有趣的是，在液態(tài)氮冷卻切削情況下，吸收的氮?dú)饬啃∮诟稍锴邢骱统Ｒ?guī)乳劑溢流式切削吸收的氮?dú)饬?，利用刀?工件接觸區(qū)域溫度低得多的事實(shí)可以解釋這一點(diǎn)。
這些結(jié)果顯示出，在低溫流體切削期間產(chǎn)生的切屑和常規(guī)切削方法的情況相比更容易回收利用。這在加工工業(yè)中是一種經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著的優(yōu)點(diǎn)，特別是在加工價(jià)格貴的容易起反應(yīng)的鈦、鉭和超合金工件時(shí)，因?yàn)檫@些材料的提純是極為困難的，成本很高。更為重要的是，收集的切屑其污染較低表示工件相應(yīng)受到較低污染。從以下觀點(diǎn)看，這是希望有的(1)部件的應(yīng)力分布；(2)抗腐蝕性；(3)后機(jī)械加工性能。眾所周知，氧濃度、碳濃度和氫濃度低的金屬部件的表面在使用期間更抗疲勞破裂，不太容易碎裂，而且更抗腐蝕性。因此，采用本發(fā)明人的自由膨脹穩(wěn)定低溫流體噴射流冷卻方法可以對(duì)機(jī)加工工業(yè)帶來兩種另外的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)，即提高了所生產(chǎn)部件的特性，并可產(chǎn)生更有價(jià)值的可回收的切屑。
本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果切削刀具的鑲嵌件用從遠(yuǎn)處噴嘴噴出的自由膨脹低溫流體噴射流冷卻，該噴嘴與冷卻區(qū)域隔開一定距離，則這種噴射流的固有的流動(dòng)不穩(wěn)定性或者脈動(dòng)將意外地與切削工藝相互作用，影響操作期間鑲嵌件的冷卻，并降低其壽命。為了盡量減少這一問題，本發(fā)明人已經(jīng)建立和優(yōu)化了低溫流體噴射流速和穩(wěn)定條件。這些發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新技術(shù)中沒有一個(gè)是現(xiàn)有技術(shù)提出的。
為了在要求的機(jī)加工條件下提高刀具的壽命，可按照上述方法穩(wěn)定自由膨脹的低溫流體噴射流，本申請(qǐng)人設(shè)法用這種穩(wěn)定的噴射流來冷卻優(yōu)先用在高能切削操作中的硬而脆的刀具，這種高能切削操作例如為高速切削操作、硬工件的切削操作或者難加工材料的切削操作。未料到的是，遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定噴射流冷卻提高了刀具壽命，即使對(duì)于為防止刀具脆裂按照現(xiàn)有技術(shù)和機(jī)加工文獻(xiàn)不應(yīng)當(dāng)用常規(guī)冷卻劑冷卻的那些刀具也能提高壽命。
雖然在本文中已經(jīng)參照某些特定的實(shí)施例進(jìn)行例示性說明，但是本發(fā)明預(yù)定不限于所示的細(xì)節(jié)。相反，可以在權(quán)利要求書的范圍和等價(jià)范圍內(nèi)在細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改型，而不違背本發(fā)明的精神。
附注(1)引用和計(jì)算所用數(shù)據(jù)取自“Machining Data Handbook，”3rdEdition，Vol.2，Machinability Data Center，Institute ofAdvanced Manufacturing Sciences，Inc.，1980，p.17-10；ASMHandbook，9thEd，Vol.16，“Machining，”1995，p.15；“Applicationof Metal Cutting Theory，”F.E.Gorczyca，Industrial Press，New York，1987；“Analysis of Material Removal Processes，”W.R.Devries，Springer Texts in Mechanical Eng.，Springer-Veriag，1992。
(2)引用數(shù)據(jù)取自“Ceramics and Glasses，EngineeredMaterials Handbook，”Vol.4，ASM Int.，The Materials InformationSoc.，1991；ASM Specially Handbook，“Tool Materials，“Ed.J.R.Davis，1998；“Microstructural Effects in Precision HardTurning，”Y.K.Chou and C.J.Evans，MED-Vol.4，Mfg.Sci.a andEngr.，ASME 1996；“Temperature and wear of cutting in high-speedmachining of Inconel 710 and Ti6Al6V-2Sn，“T.Kitagawa，et al.，Wear 202(1997)，Elsevier，pp.142-148。
(3)“Leidenfrost現(xiàn)象”F.L.Curzon，Am.J.Phys.，46(8)，Aug.1978，pp.825-828；“A boiling heat transfef paradox”，G.G.Lavalle et al.，Am.J.Phys.，vol.60，No.7，July 1992，pp.593-597；“Cooling by immersion in liquid nitrogen”，T.W.Listerman et al.，Am.J.Phys.，54(6)，June 1986，pp.554-558；“An Analytical Method to Determine the Liquid Film ThicknessProduced by Gas Atomized Sprays”，J.Yang et al.，J.of HeatTransfer，F(xiàn)eb.1996，Vol.118，pp.255-258；“Optimizing and Predicting Critical Heat Flux inSpray Cooling of a Square Surface”，I.Mudawar and K.A.Estes，J.of Heat Transfer，Aug.1996，Vol.118，pp.672-679；“Film BoilingUnder Impinging Cryogenic Jet”，R.F.Barron and R.S.Stanley；Advances in Cryogenic Engineering，Vol.39，Ed.P.Kittel，PlenumPress，New York，1994，pp.1769-1777。
(4)引用數(shù)據(jù)取自“Ceramics and Glasses，EngineeredMaterials Handbook，”Vol.4，ASM Int.，The Materials InformationSoc.，1991；“CRC Materials Sci.& Engineering Handbook，”2ndEdition，CRC Press，1994，Edited by J.F.Shackelford et al.；“Analysis of Material Removal Process，”W.R.DeVries，SpringerTests in Mechanical Engineering，Springer-Verlag 1992；“Transport Phenomena，“R.R.Bird et al.，John Wiley & Sons，1996；“Numerical and Experimental Simulation for CuttingTemperature Estimation using 3-dimensional Inverse HeatConduction Technique，”F.R.S.Lima et al；“Inverse Problems inEngineering.Theory and Practice，”3rdInt.Conf.on InverseProblems in Engineering，June 13-18，1999，Port Ludlow WA，USA；Kennametal’s網(wǎng)頁httpwww.Kennametal.com/metalworking/htmlspecialty/properties％20 chart.pdf。
權(quán)利要求
1.一種冷卻切削刀具的方法，包括以下步驟輸送低溫流體；將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到該切削刀具上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該切削刀具具有切削刀刃；將低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具的裝置具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與該切削刀刃分開的距離大于或者等于約0.1英寸，小于約3.0英寸。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分其溫度低于約-150℃。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在從該至少一個(gè)排放點(diǎn)噴出期間或者正要噴出之前，該低溫流體的至少一部分其壓力大于或者等于約25psig，小于或等于約250psig。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分具有大致均勻的質(zhì)量流量，該流量大于或等于約0.5磅/分鐘，小于或等于約5.0磅/分鐘。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分具有大致均勻的質(zhì)量流量，該噴射流的流動(dòng)脈動(dòng)周期時(shí)間小于或等于約10秒。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該切削刀具具有傾斜面，該低溫流體的至少一部分自由膨脹穩(wěn)定噴射流射在該傾斜面的至少一部分上。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從一組流體中選出至少一部分低溫流體，該組流體包括液態(tài)氮、氣態(tài)氮、液態(tài)氬、氣態(tài)氬和它們的混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該切削刀具的至少一部分其橫向抗裂強(qiáng)度(TRS)的值小于約3000MPa。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該切削工具用在高能形成切屑操作和工件切削操作中。
11.一種用切削刀具加工工件的方法，采用如權(quán)利要求1所述的冷卻切削刀具的方法。
12.一種如權(quán)利要求11所述的方法加工的工件，該工件的特征在于，表面得到改善。
13.作為權(quán)利要求11所述方法副產(chǎn)品的可回收切屑，該切屑的特征在于純度得到提高。
14.一種冷卻工件的方法，包括以下步驟輸送低溫流體；將該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到工件上。
15.一種在切削操作期間控制切削刀具冷卻的方法，包括以下步驟輸送低溫流體；將該低溫流體流噴射到切削刀具上；在基本上穩(wěn)定的質(zhì)量流量下調(diào)節(jié)射到切削刀具上的低溫流體流，由此在基本上整個(gè)切削操作期間，在至少一部分切削刀具上保持霜層，這種切削是在環(huán)境相對(duì)濕度約30～75％和環(huán)境溫度約10～25℃的氣氛中進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該切削刀具用在高能切屑形成操作和切削工件操作中。
17.一種用切削刀具加工工件的方法，采用如權(quán)利要求15所述的控制該切削刀具冷卻的方法。
18.一種用權(quán)利要求17所述方法加工的工件，該工件的特征在于表面得到改進(jìn)。
19.作為如權(quán)利要求17所述方法的副產(chǎn)品得到的可回收切屑，該切屑的特征在于純度得到改進(jìn)。
20.一種冷卻具有切削刀刃的切削刀具的方法，包括以下步驟輸送低溫流體；配置噴嘴，該噴嘴適合于噴射低溫流體噴射流，上述噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與該切削刀刃隔開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸；以及將從排放點(diǎn)噴出的低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流噴射到該切削刀具，其中，該低溫流體在排放點(diǎn)的溫度約為-150℃。
21.一種控制切削操作期間切削刀具冷卻的方法，包括以下步驟輸送低溫流體；配置噴嘴，該噴嘴噴射低溫流體流，上述噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與該切削刀具分開一定距離；將排放點(diǎn)噴出的低溫流體流射到該切削刀具上；在基本上均勻的質(zhì)量流量下調(diào)節(jié)噴射到切削刀具的低溫流體，該流量大于或等于約0.5磅/分鐘，小于或等于約5.0磅/分鐘，該噴射流的流動(dòng)脈沖周期時(shí)間小于或等于約10秒，由此可以在基本上整個(gè)切削操作期間，在至少一部分切削刀具上保持霜層，這種切削操作是在環(huán)境相對(duì)濕度約為30～75％和環(huán)境溫度為約10～25℃的氣氛中進(jìn)行的。
22.一種冷卻切削刀具的裝置，包括輸送低溫流體的裝置；將該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到該切削工具的裝置。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該切削刀具具有切削刀刃；將低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到切削刀具的裝置具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與該切削刀刃分開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分其溫度低于約-150℃。
25.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，在從該至少一個(gè)排放點(diǎn)噴射期間或者正要噴射之前，低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分其壓力大于或等于約25psig，小于或等于約250psig。
26.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分具有基本上均勻的質(zhì)量流量，該質(zhì)量流量大于或等于約0.5磅分鐘，小于或等于5.0磅/分鐘。
27.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分具有基本上均勻的質(zhì)量流量，該質(zhì)量流量的流動(dòng)脈沖周期時(shí)間小于或等于約10秒。
28.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該切削刀具具有傾斜面，該低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流的至少一部分射在該傾斜面的至少一部分上。
29.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，在一組流體中選出至少部分低溫流體，該組流體包括液態(tài)氮、氣態(tài)氮、液態(tài)氬、氣態(tài)氬和它們的混合物。
30.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，切削刀具的至少一部分其橫向抗裂強(qiáng)度(TRS)的值小于約3000MPa。
31.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，該切削刀具用在高能形成切屑操作和工件切削操作上。
32.一種采用切削刀具加工工件的裝置，加工時(shí)采用如權(quán)利要求22所述冷卻切削刀具的裝置。
33.一種采用如權(quán)利要求32所述裝置加工的工件，該工件的特征在于表面得到改進(jìn)。
34.一種采用如權(quán)利要求32所述裝置從工件上切取下來的可回收切屑，該切屑的特征在于純度得到提高。
35.一種冷卻工件的裝置，包括輸送低溫流體的裝置；將該低溫流體的自由膨脹穩(wěn)定噴射流射到工件上的裝置。
36.一種控制切削操作期間切削刀具冷卻的裝置，包括輸送低溫流體的裝置；將低溫流體流射到該切削刀具的裝置；在基本上均勻的質(zhì)量流量下調(diào)節(jié)射到切削刀具的低溫流體流的裝置，由此基本上在整個(gè)切削操作期間，在該切削刀具的至少一部分上保持霜層，該切削操作在環(huán)境相對(duì)濕度為約30～75％和環(huán)境溫度約為10～25℃的氣氛中進(jìn)行。
37.一種如權(quán)利要求36的裝置，該切削刀具用在高能形成切屑操作和工件切削操作中。
38.一種用切削刀具加工工件的裝置，加工時(shí)采用如權(quán)利要求36所述的控制切削刀具冷卻的方法。
39.一種用權(quán)利要求38所述裝置加工的工件，該工件的特征在于，表面得到改進(jìn)。
40.采用權(quán)利要求38所述的裝置從工件上切削下來的可回收的切屑，該切屑的特征在于純度提高。
41.一種冷卻切削刀具的裝置，該切削刀具具有切削刀刃，該裝置包括輸送低溫流體的裝置；噴嘴，該噴嘴適合于噴射低溫流體噴射流，上述噴嘴具有至少一個(gè)排放點(diǎn)，該排放點(diǎn)與該切削刀刃分開的距離大于或等于約0.1英寸，小于約3.0英寸；將從排放點(diǎn)噴出的低溫流體自由膨脹穩(wěn)定噴射流射在切削刀具上的裝置，其特征在于，該低溫流體的溫度在該排放點(diǎn)約為-150℃。
42.一種在切削操作期間控制切削刀具冷卻的裝置，包括輸送低溫流體的裝置；噴嘴，該噴嘴適合于噴射低溫流體流，上述噴嘴具有至少一個(gè)與切削刀具隔開一定距離的排放點(diǎn)；用于將該排放點(diǎn)射出的低溫流體流射到該切削刀具上的裝置；在基本上均勻質(zhì)量流量下調(diào)節(jié)射到切削刀具上的低溫流體流的裝置，該流量大于或等于約0.5磅/分鐘，小于或等于約5.0磅/分鐘，該噴射流的脈動(dòng)周期時(shí)間小于或等于約10秒，由此可以在環(huán)境相對(duì)濕度約為30～75％和環(huán)境溫度約為10～25℃的氣氛中進(jìn)行的基本上整個(gè)切削操作期間，在該切削刀具的至少一部分上保持霜層。
全文摘要
低溫流體噴射流可以用在一種裝置和一種方法中，以便在高能切削條件例如高速切削、硬工件切削、難加工工件切削以及它們的組合切削條件下，從遠(yuǎn)處冷卻加工工件的切削刀具。該裝置和方法采用低溫流體的自由膨脹噴射流，該噴射流的脈動(dòng)周期時(shí)間小于或等于約10s。這種裝置和方法增加了加工部件和切屑的潔凈度，增加了硬而脆刀具的切削效率，該刀具包括(但不限于)不應(yīng)當(dāng)用常規(guī)流體冷卻的那些刀具。
文檔編號(hào)B23Q17/24GK1703302SQ02822406
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2002年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月13日
發(fā)明者Z·祖雷基, R·B·斯旺, J·H·弗雷, G·M·哈里奧特, 章曉光 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司