專利名稱：具有低溫冷卻的加工方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用加工工具、特別是鉆具或切削工具來加工待加工零件的方法，其中借助由液態(tài)氮和固態(tài)CO2顆粒形成的低溫混合物來有效地冷卻加工區(qū)域，并且本發(fā)明涉及一種用于實(shí)施該方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
在對(duì)金屬零件進(jìn)行加工操作、例如機(jī)械切削或鉆削操作期間，加工區(qū)域或發(fā)熱區(qū)域的摩擦、研磨動(dòng)作和發(fā)熱存在常常需要引入對(duì)被加工的金屬材料的有效潤(rùn)滑和/或冷卻的普遍問題。為此，與被加工區(qū)域或發(fā)熱區(qū)域接觸地施用冷卻和/或潤(rùn)滑化合物，例如典型地水或油，這使得不僅可以或多或少有效地冷卻該區(qū)域，而且可以潤(rùn)滑該區(qū)域，以便延長(zhǎng)加工工具的使用壽命、提高尺寸精度和/或降低被加工物品的表面粗糙度。術(shù)語“冷卻和/或潤(rùn)滑化合物”應(yīng)理解為意味著可以冷卻并可選地潤(rùn)滑所接觸的零件或構(gòu)件、也就是說材料和工具并因此降低所考慮的零件或構(gòu)件的溫度的任何物質(zhì)，例如水或蒸汽、油、氣體等。與冷卻化合物接觸帶來的降溫還可以改善加工參數(shù)并因此增加加工操作的總產(chǎn)量。但是，已證實(shí)常規(guī)的冷卻和/或潤(rùn)滑化合物在某些硬材料、例如不銹鋼的加工期間無法在高加工速率下足夠有效地冷卻這些硬材料，因?yàn)橥ㄟ^工具在這些硬材料上的研磨動(dòng)作所產(chǎn)生的熱量過大，從而不能被這些常規(guī)的化合物有效地吸收。這于是導(dǎo)致工具的使用壽命大幅縮短，事實(shí)上甚至引起材料的過度升溫所導(dǎo)致的加工缺陷。此外，對(duì)于一些應(yīng)用、例如用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的零件的加工而言，由于表面污染的問題而禁止使用任何化學(xué)潤(rùn)滑劑。最后，由于環(huán)境原因，越來越少地使用化學(xué)潤(rùn)滑劑。化學(xué)潤(rùn)滑劑的使用的一種替代方案是干式加工。但是，所產(chǎn)生的熱量的不良去除妨礙了實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率的干式加工。此外，文獻(xiàn)EP-A-35145已提出在加工期間使用由液態(tài)CO2和化學(xué)潤(rùn)滑劑形成的混合物。但是，采用這種混合物并不是很切合實(shí)際。類似地，文獻(xiàn)US-A-3971114提出使用氟利昂12作為冷卻氣體。該方案并不理想，因?yàn)榉旱睦鋮s能力在此同樣有限，而且，氟利昂會(huì)造成環(huán)境問題。就其本身而言，文獻(xiàn)EP-A-1580284提出在加工期間使用液態(tài)氬或液態(tài)氦代替液態(tài)CO2作為潤(rùn)滑和冷卻流體。事實(shí)上，不難理解的是，這種方案由于其產(chǎn)生的顯著成本制約以及其特別是在使用液態(tài)氦的情況下可能帶來的實(shí)施難度而沒有工業(yè)價(jià)值或工業(yè)價(jià)值非常有限。此夕卜，EP-A-1580284及文獻(xiàn) TO-A-9960079、EP-A-2155451 和 EP-A-1775064 也已經(jīng)提出在加工期間使用處于大氣壓力下的液態(tài)氮作為潤(rùn)滑和冷卻流體。這是因?yàn)?，在大氣壓力下，液態(tài)氮的溫度約為-196° C且其制冷作用顯著，這使其成為比所提供的其它氣體明顯更好的方案。舉例而言，如果使用處于大氣壓力下的液態(tài)氮來代替諸如水或油之類的標(biāo)準(zhǔn)潤(rùn)滑齊U，則用來以100m/min的速率切削不銹鋼的涂有碳化鎢的切削工具的使用壽命將提高3至4倍。但是，已知液態(tài)氮在與比其熱、也就是說溫度大于-196° C的零件接觸時(shí)形成發(fā)熱層。零件越熱，發(fā)熱層就越明顯。在機(jī)械加工操作期間這一點(diǎn)特別明顯，因?yàn)橐簯B(tài)氮與待加工零件之間的溫差例如可以在從500° C至1000° C的范圍內(nèi)。該發(fā)熱層由形成在液態(tài)氮與待加工零件之間的氣態(tài)氮組成，該氣態(tài)氮是限制源自液態(tài)氮的制冷作用的氣態(tài)熱屏障。事實(shí)上，該較差的制冷作用限制了由加工產(chǎn)生的熱量的去除，并且由于冷卻和/或潤(rùn)滑因此將更低效，所以事實(shí)上限制了總產(chǎn)量。因此可以理解的是，由于該發(fā)熱層的存在，液態(tài)氮的使用不理想。此外，文獻(xiàn)EP-A-1044762和W0-A-2006/065869公開了與氣態(tài)形式的氮混合的固態(tài) co2。此外，EP-A-1580284涉及一種用于通過在工具的表面處噴射液態(tài)氮而在工具成形期間改善工具的工作面的方法。根據(jù)該文獻(xiàn)，問題在于能否實(shí)現(xiàn)在材料的加工操作，特別是諸如碳鋼、不銹鋼、鋁及其合金、或者基于鉻和/或鎳的合金、或者鈦等硬質(zhì)材料的鉆削或切削期間通過液態(tài)氮來改善冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提供的方案是一種使用加工工具來加工待加工零件的方法，其中在所述零件的加工期間會(huì)變得過熱的加工區(qū)域的至少一部分或所述加工工具的至少一部分通過在所述加工區(qū)域或工具處分配液態(tài)氮來冷卻，該方法的特征在于，此外，在加工區(qū)域內(nèi)分配固體形式的CO2顆粒。換言之，根據(jù)本發(fā)明，提出憑借以下方法來執(zhí)行加工區(qū)域和/或加工工具、也就是說在加工期間變得過熱的構(gòu)件的冷卻:使加工區(qū)域和可選地工具本身與混合有處于液態(tài)的低溫流體、也就是說液態(tài)氮(其溫度典型地為-196° C的量級(jí))的固體顆粒接觸，以便破壞全部或一部分能夠通過液態(tài)氮的蒸發(fā)以產(chǎn)生與熱構(gòu)件接觸的氣態(tài)氮所形成的發(fā)熱層，并因此與單獨(dú)使用液態(tài)氮相比顯著地改善了加工區(qū)域的冷卻和/或潤(rùn)滑。應(yīng)注意的是，在本發(fā)明的上下文中:-術(shù)語“分配”視為完全等同于術(shù)語“噴射”、“傳送”或“輸送”。-術(shù)語“加工區(qū)域”和“過熱區(qū)域”在不互相加以區(qū)分的情況下使用，表示待加工零件的會(huì)由于加工本身而過熱的區(qū)域。-液態(tài)氮是處于液化狀態(tài)下、也就是說在大氣壓力(Iatm)下典型地處于從-190° C至-200° C的量級(jí)的溫度下、特別是處于-196° C的溫度下的氮(化學(xué)式:N2)。液態(tài)氮的純度典型地為按體積計(jì)至少99%，也就是說不排除氮可能包括不可避免的雜質(zhì)。-固體形式的CO2顆粒是二氧化碳的晶體，通常稱為“干冰”。視情況而定，本發(fā)明的方法可以包括以下特性中的一個(gè)或多個(gè):-使固體形式的CO2顆粒與液態(tài)氮混合，-分配固體形式的CO2顆粒，-分配由液態(tài)氮和按重量計(jì)10%至70%的固體形式的CO2顆粒形成的冷卻射流，-使由液態(tài)氮和固體顆粒形成的冷卻射流處于介于Ibar與400bar之間的壓力下，-與分配同時(shí)或恰在分配前現(xiàn)場(chǎng)/就地執(zhí)行液態(tài)氮和固體顆粒的混合，-經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)分配噴嘴分配液態(tài)氮和固體顆粒，-所述加工為鉆削或切削，-待加工零件由金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料或塑料材料形成，-待加工零件由選自碳鋼、鋁及其合金、不銹鋼、鎳和/或鉻的合金、以及鈦和鈦合金的金屬材料形成。此外，本發(fā)明還涉及一種加工設(shè)備，該加工設(shè)備包括加工工具和與冷卻流體源流體接觸的至少一個(gè)分配噴嘴，其特征在于，所述冷卻流體源能夠供給所述噴嘴并被設(shè)計(jì)成為所述噴嘴供給由液態(tài)氮和固態(tài)CO2顆粒形成的混合物。


現(xiàn)將參照附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中:-圖1示出本發(fā)明的第一實(shí)施例，以及-圖2示出本發(fā)明的第二實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1示出本發(fā)明的加工方法的第一實(shí)施例。如圖所示，待加工零件2、例如金屬零件或塑料零件接受借助于加工工具1、例如旋轉(zhuǎn)或振蕩工具如銑刀進(jìn)行的加工操作，例如鉆削、切削或其它操作。在整個(gè)加工過程中，由工具I加工的零件2的區(qū)域或范圍5由于發(fā)生在工具I與零件2之間的研磨動(dòng)作等而經(jīng)受過熱。為了消除該過熱，通過在所述加工區(qū)域5處和可選地還在工具I處分配液態(tài)氮來冷卻會(huì)過熱的全部或一部分加工區(qū)域5。在該第一實(shí)施例中，將由混合有固體形式的CO2顆?；旌系囊簯B(tài)氮形成的單股射流6—典型地為包括按重量計(jì)從10%至70%的固體形式、也就是說干冰形式的CO2顆粒的液態(tài)氮的混合物一輸送到加工區(qū)域5。該液態(tài)氮/固態(tài)CO2混合物現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生，要么在輸送單股射流6的分配噴嘴3中產(chǎn)生，要么在所述噴嘴3的上游產(chǎn)生，例如在一方面連接到固態(tài)CO2源且另一方面連接到液態(tài)氮源的混合腔室中產(chǎn)生。圖2示出本發(fā)明的第二實(shí)施例，該實(shí)施例與圖1的實(shí)施例相似，但其中液態(tài)氮和固態(tài)CO2顆粒的噴射使用兩個(gè)噴嘴3和4進(jìn)行，例如在本例中豎直地布置的第一噴嘴3和水平地布置的第二噴嘴4。
在該第二實(shí)施例中，兩個(gè)噴嘴3和4都可分配液態(tài)氮/固態(tài)CO2混合物?？商娲?，噴嘴3和4中的一個(gè)可以分配液態(tài)氮且另一個(gè)可以分配固態(tài)CO2顆粒，液態(tài)氮與固態(tài)CO2顆粒的混合在待冷卻的加工區(qū)域5內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。還可設(shè)想借助兩個(gè)噴嘴3和4中的一個(gè)來分配液態(tài)氮/固態(tài)CO2混合物并使用另一個(gè)噴嘴僅分配液態(tài)氮或固體形式的co2。一般而言，所使用的CO2顆粒在低溫、也就是說典型地在低于-150° C的溫度下呈固態(tài)，但只要它們的溫度超過約-78。C就變成氣態(tài)，因此更不用說在環(huán)境溫度下。具體而言，CO2在-196° C (這是液態(tài)氮的溫度)下具有0.05W/ (m.K)的量級(jí)的導(dǎo)熱率，因此明顯大于氣態(tài)氮在相同溫度下的導(dǎo)熱率，即0.0145ff/(m.K)。在本發(fā)明的內(nèi)容中(圖1和圖2)，固態(tài)CO2除了其分解形成在液態(tài)氮與零件2的表面之間的界面處的發(fā)熱層的用途外，還具有熱橋作用并吸熱，從而還可以冷卻加工區(qū)域。此外，由于CO2的低磨耗效果，其不會(huì)形成必須再處理的二次浪費(fèi)，也不會(huì)損害或干擾加工過程本身。優(yōu)選地，干冰形式的CO2和液態(tài)氮的預(yù)混物在噴射到加工區(qū)域5之前制造。在這些條件下，固態(tài)CO2顆粒被冷卻到大約-196° C，也就是說液態(tài)氮本身的溫度。試驗(yàn)表明，通過將由被加熱至20° C的溫度的鋼制成的塊件浸入液態(tài)氮中來冷卻至-190° C的量級(jí)的給定溫度所需的冷卻時(shí)間比為了使用由液態(tài)氮和按重量計(jì)30%的CO2形成的混合物獲得相同冷卻所需的冷卻時(shí)間多50%。因此，不難理解使用干冰/液態(tài)氮混合物作為用于加工的冷卻/潤(rùn)滑流體的優(yōu)點(diǎn)。具體而言，通過這些試驗(yàn)，證明固態(tài)CO2顆粒將大幅地限制與待冷卻的零件接觸的液態(tài)氮所形成的發(fā)熱層的效應(yīng)，這改善了熱傳遞。根據(jù)本發(fā)明的液態(tài)氮/固態(tài)CO2混合物必須包括多于按重量計(jì)10%的CO2,以便獲得CO2的顯著效果，并且最多包括按重量計(jì)70%的CO2,以便保持混合物的與噴射過程相容的粘度。液態(tài)氮/固態(tài)CO2低溫混合物的流可以豎直地噴射，如圖1所示，但也可水平地或沿介于水平位置與豎直位置之間的給定角度噴射。對(duì)于不同情況，最適合于給定加工的噴射角度可以根據(jù)特別是零件和/或工具的構(gòu)型、所獲得的冷卻效力等憑經(jīng)驗(yàn)容易地確定。待加工和冷卻的零件2可以由含鐵或非含鐵金屬材料例如不銹鋼、鈦或其合金之一形成，或者由基于鉻或鎳的合金例如鉻鎳鐵合金形成，或者由非金屬材料特別是塑性聚合物材料、例如具有高延展性能的類型的塑料(PPS、P1、PAI等)形成，或者由陶瓷形成。優(yōu)選地，加工區(qū)域5被冷卻，但也可以借助液態(tài)氮/固態(tài)CO2混合物來同時(shí)冷卻工具I本身的全部或一部分。
權(quán)利要求
1.一種使用加工工具(I)來加工待加工零件(2)的方法，其中在所述零件(2)的加工期間會(huì)變得過熱的加工區(qū)域(5)的至少一部分或所述加工工具(I)的至少一部分通過在所述加工區(qū)域(5 )和/或所述工具(I)處分配液態(tài)氮來冷卻，其特征在于，此外，至少在所述加工區(qū)域(5)中分配固體形式的CO2顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使所述固體形式的CO2顆粒與所述液態(tài)氮混口 ο
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，分配固體形式的CO2顆粒。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，分配由液態(tài)氮和按重量計(jì)10%至70%的固體形式的CO2顆粒形成的冷卻射流。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，由液態(tài)氮和固體顆粒形成的所述冷卻射流處于介于Ibar與400bar之間的壓力下。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，與分配同時(shí)或恰在分配前現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行液態(tài)氮和固體顆粒的混合。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)分配噴嘴(3，4)分配所述液態(tài)氮和所述固體顆粒。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述加工是鉆削、切削、銑削或車削。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述待加工零件(2)由金屬材料、塑料材料、復(fù)合材料或陶瓷材料形成。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述待加工零件(2)由選自碳鋼、鋁及其合金、不銹鋼、鎳和/或鉻的合金、以及鈦和鈦合金的金屬材料形成。
11.一種加工設(shè)備，所述加工設(shè)備包括加工工具(I)和與冷卻流體源流體接觸的至少一個(gè)分配噴嘴(3，4)，其特征在于，所述冷卻流體源能夠供給所述噴嘴(3，4)并被設(shè)計(jì)成為所述噴嘴(3，4)供給由液態(tài)氮和固態(tài)CO2顆粒形成的混合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用加工工具加工待加工零件的方法，其中通過向易于在零件的加工期間發(fā)熱的加工區(qū)域或加工工具分配液態(tài)氮來冷卻所述加工區(qū)域的至少一部分或所述加工工具的一部分。還將固態(tài)CO2顆粒分配到加工區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施所述方法的設(shè)備。
文檔編號(hào)B23Q11/10GK103180093SQ201180050828
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者J·坎塔爾, F·里查德, F·羅特曼, C·特魯朔 申請(qǐng)人:喬治洛德方法研究和開發(fā)液化空氣有限公司