专利名称：：硬化被加工物品的方法
技术领域：
：本发明涉及通过被广泛公知为加工操作的各种工艺来成形与整形材料的领域，特别涉及使加工工艺中成形且整形的金属及其它材料提高次表面硬度，提高压缩残余应力，并降低表面粗糙度，该加工工艺利用结合了低温冷却的弹性处理(springpass),以便在精加工的物品中提供上述改善的机械性质。
背景技术：
：硬度及压缩残余应力是材料应用中的两个重要的标准，其中对于精加工产品的磨损及疲劳性能有着很高的要求。高的表面硬度及次表面硬度会改善产品磨损，同时较大的压缩残余应力会改善对疲劳失效的抵抗力，这两个改善的性质都将延长经精加工的物品的使用寿命。过去，使用预加工及后加工技术(举例来说，喷丸处理、激光喷丸处理、及滚光处理)来既改善硬度又改善压缩残余应力。此外，在抛光操作中使用压力及速度的组合以通过具有最小材料损失或者没有材料损失的表面拉伸及硬化来加工硬化材料。不过，这样的工艺具有受限的应用，并且包含内在的问题。喷丸处理与抛光处理仅可用于某些几何形状，并且这两种处理一般仅限于外部表面，例如外径或平坦表面。此外，喷丸技术与抛光技术需要专用机械，该专用机械需要特别的准备时间，并且增加了制造成本。将低温冷却剂施加于加工表面，已经显示出能改善成形或整形操作期间的表面硬度。不过，该技术表现出在次表面硬度中仅导致有限4的改善。相关的现有技术包括2005年3月25日提交的公开号为2005/211029的美国专利申请。
发明内容在一方面，本发明包含一种对加工表面进行加工的方法。使用定位在不大于-254微米的掠过深度(skimdepth)处的第一切削工具在该加工表面上执行第一加工处理。当该第一加工处理正在执行时，利用低温流体来冷却该加工表面。在另一方面，本发明包含一种通过前段所述的方法所加工的物品，并且该物品的特征表征为下组中的至少一个降低的表面粗糙度、提高的表面硬度、达到150微米深度的提高了的次表面硬度，以及，比未执行第一加工步骤时所获得的表面粗糙度更低的减小的表面粗糙度。在又一方面，本发明包含一种对加工表面进4亍加工的方法。4吏用定位在不大于-12.7微米的掠过深度处的第一切削工具在该加工表面上执行第一加工处理。就在执行该第一加工处理之前，利用低温流体来将该加工表面持续冷却一预定时段。此外，当该第一加工处理正在才丸行的同时，利用该低温流体来冷却该第一切削工具及该加工表面。当联系附图阅读时，下列对本发明优选实施例的详细说明将能获得更好的理解。为了例示本发明的目的，附图描述了目前优选的实施例。不过，应当理解的是，本发明并不限于在附图中所示出的这些精确配置和^/U勾图1为显示了适用于本发明的示例性加工设备的等距视图2为图5的例示性加工设备的截面图3为显示了施加压缩力至一工件的加工工具的示意图4为显示了在比图3所示的加工深度更浅的加工深度处施加压缩力至一工件的加工工具的示意图5为显示了在被加工物品上执行的第一组比较试验的硬度数据的图解；及图6为显示了在被加工物品上执行的第二组比较试验的硬度数据的图解。具体实施例方式本发明包括一种加工方法，该方法通过使由该方法制造的被加工工件或物品提高次表面硬度，提高压缩残余应力，及降低表面粗糙度来改善材料的机械性质。尽管本发明在此以利用切削工具来加工工件的情况进行了详述，但是本领域中的技术人员将会认识到本发明包括更广泛的应用，并且可被用于不同的整形及成形工艺，这些工艺包括但不限于，其它类型的加工、轧制、弯折、沖压、靠模加工、拉拔等等。本发明是一种使用压缩力并结合将低温流体喷洒或喷射在加工工具或加工表面一部分上，或者喷洒/喷射在该加工工具及该加工表面两者之上，从而对工件进行加工的方法。该压缩力与同时发生的低温冷却的组合(后文中称之为弹性处理)，使该工件提高了硬度，提高了压缩残余应力，并降低了表面粗糙度。由该弹性处理所提供的改善性质，将提高耐磨损性及疲劳性能，并且还改善了被加工工件的表面外观。用于本文时，术语"加工"、"机械处理"或"加工处理"包括但不限于，包括了车削、镗削、切断、切槽、刮平、刨削、铣削、钻削、及其它产生连续切屑或者破碎/断片切屑的操作的成形或整形操作。用于本文时，术语"切削工具，，表示在利用该切削工具执行加工处理时相对于刀架保持于固定位置的刀具。具有能枢转或转动的工件咬合面的工具，例如传统的抛光工具，并不被认为是用于本申请目的的"切削工具"。用于本文时，该术语"掠过深度"应该被理解为意指加工刀具的深度设定。在本申请中，将掠过深度测量值表示为负数，并且是从工件表面的最外部分测量。例如，就刀具而言，-254微米的掠过深度意指该刀具定位于工件表面最外面部分之下的254孩￡米处。为本申请的目的，"不小于"特定值的掠过深度的叙述，应该被理解为意指该掠过深度不会比该具体值更浅。反过来说，"不大于，'特定值的掠过深度的叙述，应该被理解为意指该掠过深度不会比该具体值更深。举例来说，-254微米的掠过深度可被认为比-127微米的掠过深度更大。用于本文时，利用低温流体冷却的步骤应该广义地解释为包括排放低温流体至表面(以液体、蒸气和/或液体-蒸气相的方式)的任何公知手段，其包括喷洒、喷射、导向、流动或飞濺等。措辞"低温冷却"、"低温冷却剂，，或"低温流体，，包括沸点低于-70°(3的任何流体。这可包括，但不限于，液化气体形式的氮(LIN)、氩(LAR)、氦(LHe)及二氧化碳(LC02)或这些气体混合物的液化气体。该^氐温流体可以呈液体、蒸气(气态)和/或液体-蒸气相，并且该j氐温流体可具有固体微粒，也可不具有固体微粒。通常，该等低温流体为液体，或混合了液体-蒸气相的流体。本发明包含在工件上执行非常浅的加工处理(在此称之为"弹性处理")，同时，施加冷冻剂(例如，LIN)至该刀具及工件(后文称之为M氐温弹性处理")。优选地，该冷冻剂以公开号为2005/211029的美国专利申请所述的方式(在此称之为"Zurecki工艺，，)施加。此外，优选将该冷冻剂导向该工件与该刀具接触的区域(后文称之为"工具接触区")、正好在该工具4妄触区上游的区域、以及正好在该接触区下游的区域。此外，该弹性处理优选在执行精加工处理之后再在该工件上冲丸行，这是为了使该工件表面事先就已经较平滑。典型的精加工处理具有-0.005英寸至-0.015英寸(-127微米至-381微米)的掠过深度，而弹性处理通常在明显更浅的掠过深度处执行。本文中将更详细地描述，在精加工处理之后执行低温弹性处理来降低工件表面粗糙度且同时提高表面硬度及次表面硬度。此外，该表面的冷加工提高了该工件内的压缩残余应力，其使经精加工的物品产生改善了的磨损及疲劳性能。参照图1及图2,显示了用于实行本发明的示例性加工设备。该设备包括被支撑在机床,(未显示)内的工件ll。将可拆装地固定在刀架20内的车刀IO(也称为刀具或切削刀具)设定在期望的掠过深度处(分别参见图3中的Dl及图4中的D2)。当工件11以图1及图2所示的箭头所示的方向运动时，调整刀架20以提供加工处理。刀架20为刀具转塔(未显示)的一部分，该刀具转塔通常包括不止一个的刀架。设置包括喷嘴21的低温喷洒设备，以将低温流体22的喷射物或喷洒物输送至该车刀10上，输送至正好在该刀具10上游的工件表面部分23a,以及输送至正好在该刀具10下游的工件11表面部分23b。该设备还包括接收来自供料管线24的冷冻剂进入流(优选为液态冷冻剂，例如LIN)的喷嘴21。喷嘴21优选附接至刀架20，或与刀架20的行进同步，使得在加工处理期间该冷冻剂的连续流被导引至该车刀IO及该工件11的部分23a、23b上。此外，优选在开始低温弹性处理之前，将刀架移至适当位置以进行加工处理，并且开始喷射低温流体至工件上持续一预定时段(例如，5秒)。该"预冷却"步骤降低整个工件(以及该切削工具)的温度，其造成该经精加工的产品比未执行"预冷却"步骤时具有提高的硬度及提高的压缩残余应力。图3及图4是显示了两种不同的弹性处理配置例子的示意性图示。在图3及图4中，工件11、111各自相对于刀具0、100的运动方向是这些图形中各自包括的箭头所示的方向。为了简化图3及图4，只显示了工件ll、lll及刀具lO、110。省略了所有其它特征。此外，为了有助于直观化，在图3及闺4中夸大了工件11、lll各自表面上的峰12、112及谷13、3，以及刀具IO、IOO的几何形状。在图3中，为了弹性处理而将刀具IO设定在较深的掠过深度DI处，相对于工件表面约-0.005英寸(-127微米)。如该图所示，刀具IO被设定的掠过深度Dl是从具有分别被夸大的峰12及谷13所限定的表面粗糙度的工件表面来测量。呈气体(蒸气)、或液体、或气体与液体的混合物形式的LIN流(图5及图6)被喷洒或喷射在刀具IO及邻近的加工表面上以提供低温冷却。在该实施例中，刀具10具有正倾角(相对于线90，线90垂直于工件表面17)、较大的刃口半径30及较大的刀鼻半径(未显示)。当刀具10经过工件11时，位于工件11表面17上的峰12(由精加工处理所引起)中的工件材料被向下及向侧面压缩至谷13中。在该实施例中，该弹性处理会产生小切屑16,这主要是由于较深的掠过深度D1及使用了正倾角的缘故。图4中显示了不同的刀具设置及掠过深度。在图4中，使用了相对于工件111表面117为大约-0.0005英寸(-12.7微米)或更小的掠过深度D2。此外，刀具IIO设定在负倾角处(相对于线190,线190垂直于工件表面117),并且比图4所示的刀具IO具有更小的刃口半径130及刀鼻半径(未显示)。8如上文解释的，该低温弹性处理的目的之一在于经由压缩工件表面的峰，并且将这些峰"推"入谷中，从而使该工件表面平滑且硬化。尽管在弹性处理的期间小量的工件被切削掉是可接受的，但是优选使工件材料的切削减至最少。尽管该低温弹性处理可接受的掠过深度可在-0.0001英寸至-0.010'英寸(-2.5微米至-254微米)的范围内，但是优选范围介于-0.0003英寸至-0.005英寸(-7.62至-127微米)之间，而且更优选地，介于-0.0003英寸至-0.0005英寸(-7.62微米至-12.7微米)之间。像掠过深度、刀具倾角、刀鼻及刃口半径这样的切削变量及刀具变量必须适当地选择，以针对表面精加工、表面和次表面硬度及压缩残余应力产生最理想的效果。切削深度与刃口半径的比可作为选择适当的刀具几何形状参数及切削参数的粗略指导。0.5至25的比例为可接受的范围，然而优选为3至10的比例。因为低温弹性处理可使用切削工具(该切削工具可使用与传统加工处理相同类型的刀架)来执行，所以该弹性处理可使用与其它针对该工件的加工处理(包括精加工处理)相同的机械刀具(刀具转塔)来执行。与现有的硬化技术，例如喷九处理、激光喷丸处理及滚光处理相比，这导致降低的加工时间及成本。在使用了本发明的加工材料上所进行的比较试验表明，在精加工面粗糙度Jl时提高表面i次表面硬度。'图5为显示了显微硬度值(Vickers标度)的图解，其绘出了三个不同的精加工加工处理。所有的三个试验中，工件为不锈钢。关于粗加工、精加工及弹性处理，以大约-20度的倾角使用0.5英寸(1.27厘米)的圓的立方体氮化硼(CBN)刀具。在第一个试验样品中，最终加工步骤为传统的或"干式，，精加工处理(在图5中标示为"不用LIN的MF"的线)，测得约707^Hv的表面硬度。次表面硬度分布范围处于在约-0.0005英寸(-12.7微米)深度处的约704^Hv与在约-0.0045英寸(-114.3微米)深度处的约654^Hv之间。在第二个试验样品中，.最终加工步骤为根据上述Zurecki工艺将LIN喷洒在刀具及邻近工件表面上的精加工处理(在图5图中标示为"利用LIN的MF")。如预期的，在该精加工处理期间使用LIN会将表面硬度改善至约808pHv。不过，在该精加工处理中加入LIN在次表面硬度改善方面导致非常小量的提高，并且因此几乎没有对压缩残余应力的改善，而对压缩残余应力的改善会提高疲劳性能。该LIN精加工处理的次表面硬度分布范围处于在-12.7微米深度处的约808^Hv至在-114.3微米深度处的约677pHv之间。在第三个试验样品中，最终加工步骤为在-0.0003英寸的掠过深度处执行的低温弹性处理(在图5中标示为"LIN弹性处理")。所用的切削工具与该精加工处理工具相同，但是就在开始该弹性处理之前利用低温喷射流冷却该部件大约5秒。该试验的结果显示出约813nHv的表面硬度(其与利用LIN的精加工处理所获得的结果类似)。不过，使用该低温弹性处理将实现次表面硬度显著的改善，无论是与干式精加工处理还是与LIN精加工处理所达到的结果相比都是如此。举例来说，在-0.0015英寸(-38,1微米)的深度处，该低温弹性处理将提供约806fiHv的次表面硬度，与LIN精加工处理的741^Hv相比，改善了约8.8%。在-0.0025英寸(-63.5微米)的深度处，该低温弹性处理提供769nHv的次表面硬度，与该LIN精加工处理的684^Hv相比，改善了约12.4%。根据这些试验，低温弹性处理在达到至少150微米的深度处都提供了提高的次表面硬度。.除了提供上述的改善硬度及压缩残余应力性质，使用低温弹性处理作为最终的加工步骤将降低表面粗糙度。参照下文所示的表1,与干式或LIN精加工处理为最终加工步骤的工件相比，使用该低温弹性处理导致减小的表面粗糙度。使用四个不同探针角度来测量试验样品的粗糙度，从这些粗糙度算出平均值。该"LIN弹性处理，，样品的平均表面粗糙度为4.3微英寸，证明其相比于"利用UN的MF，，处理的样品具有41%的改善，以及相比于"不用LIN的MF，，处理的样品具有75%的改善。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图6中显示了额外的比较性次表面硬度试验的结果。在这些试验中，工件为TriballoyT400,所有其它的刀具参数与用于上述试验的刀具参数相同。与有关上述并在图5中所示的试验一样，在精加工处理之后执行低温弹性处理的工件部分显示出比执行了LIN精加工处理的工件部分具有明显更高的次表面硬度。本领域技术人员会明白，上述本发明的实施例可进行改变，而不会悖离本发明广义的发明构思。因此，要理解的是，本发明并不受限于所公开的具体实施例。权利要求1.一种对加工表面进行加工的方法，所述方法包含使用定位于不大于-254微米的掠过深度处的第一切削工具在加工表面的至少一部分上执行第一加工处理；以及当所述第一加工处理正在执行时，利用低温流体来冷却所述加工表面的至少一部分。2.如权利要求l所迷的方法，进一步包含在执行所述第一加工处理之前，使用定位于大于-254微米的掠过深度处的第二切削工具在所述加工表面的至少一部分上执行第二加工处理。3.如权利要求2所述的方法，其中，执行所述第二加工处理包含使用定位于不小于-381微米的掠过深度处的所述第二切削工具在所述加工表面的至少一部分上4丸4亍所述第二加工处理。4.如权利要求1所述的方法，其中，执行所述第一加工处理包含使用定位于不大于-127微米的掠过深度处的所述第一切削工具在所述加工表面的至少一部分上4丸行所述第一加工处理。5.如权利要求1所述的方法，其中，'执行所述第一加工处理包含使用定位于不大于-12.7微米的掠过深度处的所述第一切削工具在所述加工表面的至少一部分上执4于所述第一加工处理。6.如权利要求l所述的方法，进一步包含在才丸行所述第一加工处理之前，利用所述j氐温流体来冷却所述加工表面的至少一部分一预定时段。7.如权利要求l所述的方法，进一步包含当所述第一加工处理正在执行时，利用所迷低温流体来冷却所述第一切削工具。8.如权利要求l所述的方法，进一步包含当所述第二加工处理正在执行时，利用所迷低温流体来冷却所述第二切削工具。9.如权利要求l所述的方法，进一步包含在所述第一加工处理期间，使所述第一切削工具保持在第一刀架中，所述第一刀架被附接至第一刀具转塔；以及在所述第二加工处理期间，使所述第二切削工具保持在第二刀架中，所述第二刀架被附接至第二刀具转塔。10.如权利要求1所述的方法，其中，使用具有不小于0.038厘米的刀鼻半径的第一切削工具来执行所述第一加工处理。11.如权利要求1所述的方法，其中，使用具有不小于2.5微米的刃口半径的第一切削工具来执行所述第一加工处理。12.如权利要求l所述的方法，其中，所述第一切削工具具有刃口半径，并且在执行所述第一加工处理时所处的掠过深度介于所述刃口半径的0.5倍与25倍之间。13.如权利要求l所述的方法，其中，所述第一切削工具具有刃口半径，并且在执行所述第一加工处理时所处的掠过深度介于所述刃口半径的3倍与10倍之间。14.如权利要求l所迷的方法，其中，利用处于负倾角的第一切削工具来执行所述第一加工处理。15.如权利要求1所述的方法，其中，所述冷却步骤进一步包含在所述第一加工处理期间使用固定于第一刀架的喷嘴将所述低温流体喷在所述第一切削工具及所述加工表面的至少一部分上，在所述第一加工处理期间所述第一刀架还保持住所述第一切削工具。16.如权利要求l所述的方法，进一步包含执行所述第一加工处理而不从所述加工表面的至少一部分产生任何切屑。17.—种通过权利要求1所述的方法所加工的物品，其特征在于下组中的至少一个降低的表面粗糙度、提高的表面硬度、提高的达到15(H敖米深度的次表面硬度、以及比未执行所述第一加工步骤时所获得的表面粗糙度更低的减小的表面粗糙度。18.—种对加工表面进4于加工的方法，所述方法包含使用定位于不大于-12.7微米的掠过深度处的第一切削工具在工件表面的至少一部分上执行第一加工处理；就在执行所述第一加工处理之前，利用低温流体来冷却所述加工表面一预定时段；当所述第一加工处理正在4丸行时，利用所述^f氐温流体来冷却所述第一切削工具及所述加工表面的至少一部分。全文摘要一种加工方法及由该方法所制造的物品，该方法经由使用切削工具执行非常浅的加工处理，并且结合施加低温流体至加工表面及该切削工具上，以改善加工表面的机械性质，压缩力及低温冷却的组合将提高硬度，提高压缩残余应力，并且降低该被制造物品的表面粗糙度。文档编号B26D7/14GK101674922SQ200880015030公开日2010年3月17日申请日期2008年5月6日优先权日2007年5月7日发明者D·J·吉布森,R·戈什申请人:气体产品与化学公司