旋转切削工具的间接冷却的制作方法

专利名称：旋转切削工具的间接冷却的制作方法
技术领域：
用于旋转切削工具的工具-碎屑界面的冷却系统使用低温流体对切削刃进行间接冷却和直接冷却，以使得钛合金和其他高级材料能够进行高速加工而同时具有低热传导系数。
背景技术：
多年来，切削流体被用于加工过程中，以便通过将冷却剂直接喷射到切削工具和工件上的加工区域内以提高润滑性。这能够达到减小碎屑和工具之间的摩擦的效果，而接着能够降低工具温度、增加工具寿命和提高零件质量。这些有益效果伴随着某些缺点。在大批量加工操作中，加工成本的至少16%与采购、维修和处理切削流体有关。上述成本不能成为使用这些流体时工作者所面临的健康风险的理由。与切削流体或其喷雾接触可以导致疾病，诸如皮炎和呼吸道疾病。切削流体中的某些添加剂可能致癌。由于上述问题，近年来大批量加工工业已经在推行干式加工以减少和消除切削流体的使用。但是，这种选择增加了化石燃料的消耗和能源成本，因为需要更大型和更强力的机器来处理少量润滑材料。通过消耗了更多的切削工具和需要更多的加工时间，干式加工也提高了单个零件的成本。在加工钛或其他低热传导系数材料时，该问题恶化，因为工具-碎屑界面上产生的热量无法容易地通过材料本身从该界面上带走。另外，干式加工在没有用于新机器的资金的小车间场所中不可行。过去的研究工作和专利集中于切削工具保持器的内部冷却或外部冷却，向加工区域喷射液态氮、使用高压冷却剂和在切削工具刀件之上一体化帽状的利用液态氮冷却的容
ο已经使用热管对切削工具的内部冷却和外部冷却进行了实验测试。已经实现了一定程度的冷却，但是这种设计的热传递效率非常低。可能是由于这种台式系统的工作性能较差，所以无法进行减少切削工具侧翼磨损的测量。还在研究使用冷却剂高压喷射来减少工具磨损。该方法可以有效地降低工具磨损，但是具有若干缺点。第一，所述喷射需要使用消耗电能的大型压缩机的加压冷却剂，这增加了该过程的成本和环境影响。第二，所述喷射需要被应用在切削工具刀件上的特定位置。这需要相对于切削刃对小半径的高压喷射进行精确和可重复的定位。该方法在生产环境中是不可行的，因为快速地管理高压液体喷射相关的管理费用提高了加工时间和成本。 第三，高压喷射要求液体流速比本文公开的冷却系统的流体流速大1至3个数量级。该事实显著地提高了使用高压喷射的成本和环境影响。另一个方法包括在切削工具刀件之上一体化利用液态氮进行冷却的帽状容器，并且已经表明其可以减少工具静止时的车床车削操作的工具磨损。该方法的热传递效率相对低，并要求致冷剂的流速比本发明的设计大2至3个数量级。由于所述容器位于切削工具刀件之上，该装置很难用于生产环境中。为了转位或者改变车床车削中的刀件，操作者需要移除并重新附接处于低温温度的容器。这些操作要求特殊培训，增加了成本，同时提高了操作者的健康风险。由于上述原因，该系统不太可能被用于生产环境，尤其是应用于旋转工具。

发明内容
已经确定的是，向工具-碎屑界面传递低温流体在许多应用中是有用的，所述应用包括钛合金的高速加工、陶瓷基复合材料的高速加工、铝金属基复合材料的高速加工和不使用传统切削流体的对常规材料进行的环境友好型加工。正如此处所使用的，术语致冷剂或冷冻剂(cryogenic)指的是在温度低于110K(-160°C )时沸腾并且被用于获得非常低温度的液体，诸如液态氮(LN2)。在本应用中使用低温流体的主要好处在于将致冷剂汽化时的潜热作为将热量从工具-碎屑界面移除的一种方法。相对于显热传递，任何单相流体产生的热增量都伴随着温度升高；潜热传递使用从饱和液体到蒸汽的等温相变作为一种吸收热量的方法。有效冷却所需的致冷剂的量是加工过程中向工具的热传递速度的函数。与加工操作相关的容积热生成qm可以表述为疒=I丨^^^，其中._和V分别为加工时的应变
σ，
率、材料流动应力和应变材料(已知为主剪切区域的)的容积。常数ψ表示作为显热而散发的变形能的分数。对于金属而言，该常数的值为0.8或更高。主剪切区域产生的能量可以被表示为加工后的最终碎屑的热量或者被传递到工具的热量。流到工具的热量的分数是工具几何形状、材料、加工条件和其他变量的函数。已建立的方法(分析的和计算的)被用于估计传递到工具上的每个切削刃的最大热传递率qt。在加工高级材料的大多数情况下， 热传递率的最大值为每切削刃200瓦。在大气压力下，液态氮(LN2)的蒸汽的潜热约为180 焦/克。这表明如果液态氮能够被传递到切削刃的附近，则只需要0. 07L/min(或1. Igram/ sec)的ΙΛ来驱散每个切削刃的热能。当温度差为IOK时，移除相同量的热量需要大约10 倍流速的气态氮(GN2)。因此，使用I^2可以最小化整体的冷却剂流量需求。致冷剂从固定源传递出，在到达工具之前经过真空绝缘管和其他安装在机床心轴内的金属构件。致冷剂离开所述源和流向工具时处于饱和状态。饱和状态的意思是当致冷剂流动时给致冷剂输入热量将导致一部分液体汽化成蒸汽。位于工具本身上游的元件的关键要素就是最小化从环境传递给致冷剂的热传递，也已知为至致冷剂的热损失。所述热损失永远不能为零；因此，在离开所述源头之后的流动已知为两相流，其中液体和气体同时存在。最小化至致冷剂的热损失可以使两相流中的液体分数最大化，从而提高切削刃的潜热传递的量，同时降低有效冷却所需的总流速。致冷剂被传递到位于旋转工具保持器内加工的通道，以便于从切削刃有效地移除热量。致冷剂通过这些通道行进到在切削元件的后表面上形成的腔内，使得在元件的切削刃附近能够有效冷却。由于致冷剂的总流速较低(小于0. 08升/分/切削刃)，该流体可以被安全地从刀件背面的腔排放到大气中，因此不需要专门的冷却剂回收设备和通风设备。 基于目前的估计，潜热传递达到0. 07L/min/切削刃，而吸收上游热损失达到0. lL/min/切削刃。因此，进入切削刃的两相流的蒸汽质量约为0. 13。需要使用高流速致冷剂(> IL/ min)及与其相关的通风需求是与现有技术相关的显著的局限性。在上述讨论中，术语致冷剂被用于描述通过工具的冷却剂流。对于此处所描述的系统，术语致冷剂应被理解为两相流。本发明被设计用于与标准的立铣刀和其他旋转切削工具一起使用；因此，它可以容易地与现有的制造操作一体成形。


图1是立铣刀和切削工具刀件的工作端的详细视图。图2示出了图1所示的刀件的后面。图3示出了具有直接和间接致冷剂冷却的工具-碎屑界面的立铣刀。图4示出了图3中移除了刀件之后的立铣刀。图5和图6分别是带有接收致冷剂的腔的刀件的后视图和正视图。图7是带有腔的刀件的后视图，所述腔具有一体成形的翅片。图8是示出了使用不同的工具润滑技术和冷却技术的表面速度对工具寿命的影响的曲线图。图9是示出了旋转工具的工具寿命的曲线图。
具体实施例方式图1示出了大体由附图标记10来表示的旋转切削工具，如立铣刀，的端部。刀件 12可通过螺钉13被固定到工具主体11的端部的凹口 14内。刀件12具有环绕该刀件的角部的切削刃15。尽管具有用于接收多个刀件的凹口的立铣刀在现有技术中是公知的，示出的特定铣刀具有用于接收两个刀件12的两个凹口 14，且两个刀件设置成彼此为180度。 同样，本领域还公知的是有凹槽的立铣刀不具有刀件，而是具有一体形成的用于切削铜焊到或以其它方式附接到切削件主体的工件或切削元件的凹槽。那些在加工领域内本领域技术人员应当理解，本文所描述的间接冷却系统可以被应用于任何带有一体形成的或附接的切削刃或带有刀件的旋转工具。如图1所示，刀件12是通过将致冷剂应用到下文所述的刀件的后面而间接冷却的。致冷剂通过所述心轴或者通过旋转冷却剂保持器(未示出)被传递给旋转切削工具10，所述旋转冷却剂保持器与安装有立铣刀10的工具保持器接合。通道17形成在立铣刀10内以向凹口 14上的出口 18传递冷却剂，使得所述冷却剂可以被传递给刀件12的后面16。排气出口 19形成于刀件12的前面，以允许汽化后的致冷剂(气体)被排放到大气中。图2示出了图1中的刀件12的背面。诸如通过放电加工(EDM)或其他加工方法使得腔21形成于所述刀件与切削刃15相反的后面16上。腔21在后面16上的定位将致冷剂传递到刀件的切削刃15的附近。腔21在刀件内形成的增大的表面面积增加了刀件与从出口 18传递给腔的致冷剂之间的热传递。排气端口 22形成在腔21内，腔21与刀件的前面所示的排气出口 19连通。在使用中，在刀件12位于工具的凹口 14上的合适位置时，致冷剂通过通道17被传递到出口 18，并经由出口 18进入形成于刀件后面的腔21。致冷剂将热量从刀件移除，热量移除最明显的是在所述刀件的切削刃15附近，此处正好相邻于致冷剂进入腔21时的出口 18。汽化了的致冷剂(气体)通过刀件前面的排气端口 22从腔21排出。与使用传统的流速为每分钟15升的冷却剂的泛流冷却相比，在使用液态氮的情况下，每个切削刃所需的冷却剂流大约为0. 08L/min。图3和图4是立铣刀25的可替代实施例的细节图，其示出了通过使用直接冷却和间接冷却两者的切削工具冷却。立铣刀25具有三个凹口 32，用于接收三个刀件沈。致冷剂从合适的源通过立铣刀25内的内部绝缘通道27流向所述工具的切削刀片，在该处该流分开以形成直接冷却通道观和间接冷却通道四。仅示出了刀件沈中的一个的冷却通道， 其他刀件沈设有类似的通道。直接冷却通道观终止于立铣刀上的喷射开口 31，该喷射开口与刀件26隔开并且将致冷剂流35直接喷射到工具-碎屑界面上。间接冷却通道四将冷却剂流导引到定位在工具凹口 32内的出口 33，以将所述冷却剂导引到前文结合图1和图 2所述的刀件沈的后表面。图5和图6分别示出了刀件36的后面39和前面43，所述刀件36具有两个切削刃 37，每次只使用其中的一个。刀件36具有形成于其后表面39内的两个大致矩形的腔38。 每个腔38都定位在刀件36上以紧密相邻于切削刃37，从而最大化施加到刀件后面的致冷剂的冷却效果。排气端口 41形成于所述刀件的后面39上的每个腔38内，所述腔通向图6 所示的刀件前面43上的排气出口 42以将变暖的致冷剂从腔38排放到大气中。图7示出了刀件45的可替代形式，其中形成在刀件后面47内的每个腔46均包括一体形成的翅片48。翅片48提高了致冷剂和刀件45之间的表面面积接触，以进一步提高了从刀件到致冷剂的热传递。每个腔46均包括排气端口(未示出)以允许致冷剂通过形成于刀件前面的排气出口被排放到大气中。测试结果使用带有现有技术泛流冷却的旋转切削工具以及使用图1和图2示出的带有使用间接冷却系统的刀件12的旋转切削工具来进行加工。每个切削工具配置被用于在钛测试块上顺次地加工四个槽。测试后，移除刀件12并检查工具磨损情况。测量侧翼磨损痕迹的平均程度，并使用0. 3mm的磨损工业标准作为更换工具之前能够容忍的磨损量来预测工具寿命。该测试显示与泛流冷却的刀件相比，图1和图2所示的间接冷却的刀件的工具寿命提高了 478% ο
表1.表面速度为200ft/min的铁加工实验的工具磨损结果间接切削工具冷却泛流糊切削深度=0.125英寸切削深度=0.125英寸~0.16L/min 的 LN215L/min的冷却剂工具寿命=18.5 M中工具寿务3.2侧 针对图3和图4所示的实施例，带有间接冷却的旋转工具的工具寿命测试结果被标绘在图8中。该测试是使用图3所示的三刀件一英寸立铣刀切割出0. 0625英寸深1. 0英寸宽的切口来进行的。所述图片示出了在表面速度接近200ft/min时，与使用常规的泛流冷却的工具要求的标准的合成冷却剂的达15升/分相比，流速为0. 23升/分(对于三个切削刃而言，约为0. 08L/min/切削刃)的带有具有间接冷却的刀件的工具的工具寿命的增加与结合上述表1中给出的工具磨损结果所示的工具寿命的增加相似。与常规的冷却剂相比，该性能的改进通过使得切削速度能够提高而不减少工具寿命而直接降低了加工成本。 该结果显示了刀件的切削刃附近的局部热阻的重要性。在没有表面增强特征的情况下，通过如图2或图5所示的在刀件上加工简单的腔可以大幅地提高工具寿命。加工零件的表面粗糙度、硬度和残余应力是根据用于工具寿命测试的槽形钛样品来测量的。关于表面粗糙度，该测试表明与图1所示的实施例相对应的致冷剂流速为 0. 16L/min (对于两个刃而言，约为0. 08L/min/切削刃)的切削工具在加工表面粗糙度方面至少与流速为15升/分的常规冷却剂流的泛流冷却的性能相等。可以认为，事实上使用间接刀件冷却的切削工具可以在切削速率较高时提高加工零件的表面条件。表面硬度是在加工槽的几何中心处使用洛氏硬度计测量的。对于所有测试的加工表面，洛氏C硬度约低于原生的无应力材料3RC个单位。这表明所产生的硬度与切削工具冷却方法之间没有关联。因此，间接刀件冷却的切削工具对于工件材料的材料微结构没有不可预期的影响。利用X射线衍射测量残余应力分布。残余应力是疲劳寿命的指示。使用间接刀件冷却的切削工具的结果显示与常规的泛流冷却相比，间接冷却对于加工零件表面附近的残余应力分布或者零件的疲劳寿命没有消极影响。对钛测试块进行加工，以表明图3和图4所示的实施例的有效性。在轧延退火 (mill anneal)的标定为2. 75X8X 21英寸的Ti6A14V块上进行加工，其中使用垂直的CNC 加工中心加工两个平行的深凹口。每个凹口的尺寸为2. 5X3. 55 X 20. 6英寸。该测试的目的是为表明间接冷却工具的性能并制造钛疲劳测试样品。钛块的外侧的所有六个侧面都被切削了。在证明期间，在更换刀件之前使用间接冷却工具进行160分钟(经过(passes) 20 次，每次8分钟)来进行加工。与之相比，当使用泛流冷却的标准工具进行加工时，在刀件被磨损(0. 3mm侧翼磨损)到与间接冷却时的刀件相同磨损程度之前进行了 46分钟(经过了 21，每次2. 2分钟)的加工。这表明刀件的间接冷却使工具寿命比常规的泛流冷却剂和标准刀件的寿命增加了几乎3. 5倍。疲劳测试结果证实了使用间接刀件冷却方法加工的试样的疲劳测试结果与使用常规泛流冷却加工的试样的疲劳强度相同。图9显示，图3所示的使用间接冷却系统的旋转工具的工具寿命比使用常规泛流冷却的工具寿命长约600%。工具寿命是依据到达0. 3mm平均侧翼磨损之前的加工时间量计算的。所述0. 3mm侧翼磨损的测量与ANSI/ASMEB94. 55M-1985(1995年重申)的第七部分一致，该部分限定了工业接受的工具寿命标准和工具磨损测量。图9是使用泛流冷却的标准刀件和使用间接冷却系统的更改刀件的平均侧翼磨损相对于切削时间的曲线图。图9显示，使用间接冷却系统的更改刀件比使用标准泛流冷却剂的未更改的刀件的磨损小。在泛流冷却剂刀件达到其0.3-mm侧翼磨损寿命极限的时间点(大约3分钟)时，使用简单的方腔刀件的间接冷却系统具有0.05-mm侧翼磨损。使用带有简易方腔刀件的间接冷却系统的进一步加工显示，9分钟后间接冷却刀件仅达到了 0. 3-mm侧翼磨损寿命极限的一半。加工钛合金的间接切削工具冷却系统方法基本上降低了切削工具的温度，从而显著提高了加工速度。所述间接切削工具冷却系统大幅地改善了钛部件的销路，因此提高了钛在其他应用上的使用。本设计涉及钛在高速加工中最需要冷却的位置，即，切削刃。这样做，上述的间接冷却降低了切削工具的温度，而不必冷却正在加工的零件。该最终结果显著地提高了加工速度，其大幅地降低了加工成本。虽然已经描述了本发明，本领域技术人员将能够想到各种替代和更改，所述替代和更改将在所附的权利要求限定的本发明范围内。
权利要求
1.一种用于具有工具主体和切削元件的旋转工具的间接冷却系统，该系统包括 至少一个位于所述工具主体上用于安装所述切削元件的特定区域；位于所述工具主体内的用于引导冷却剂的间接通道，所述冷却剂的温度低于所述切削元件的后面的环境温度；和形成于所述切削元件的所述后面的腔，其用于接收来自所述通道的所述冷却剂；由此所述腔内的所述冷却剂冷却所述切削元件。
2.如权利要求1所述的间接冷却系统，进一步包括位于所述腔内的排气端口，和接合至位于所述切削元件的面上的所述排气端口的排气出口，由此流进所述腔的冷却剂可以通过所述排气出口排出到大气中。
3.如权利要求2所述的间接冷却系统，进一步包括形成于所述腔内的翅片，由此所述翅片提高了从所述切削元件到所述冷却剂的热能传递。
4.如权利要求2所述的间接冷却系统，进一步包括组成所述冷却剂的致冷剂。
5.如权利要求4所述的间接冷却系统，由此当加工工件所使用的流速小于加工相同工件时合成冷却剂所需的流速的2%时，冷却剂可以降低所述切削元件的温度。
6.如权利要求4所述的间接冷却系统，其中所述冷却剂使用所述致冷剂的汽化的潜热来从所述切削元件移除热量。
7.如权利要求4所述的间接冷却系统，进一步包括位于所述工具主体上用于在所述刀件上喷射冷却剂的开口 ；和位于所述工具主体内用于向所述开口引导冷却剂的直接冷却通道，由此所述切削元件是通过被喷射到所述元件上的冷却剂和应用到所述元件的后面的冷却剂而冷却的。
8.如权利要求4所述的间接冷却系统，其中所述切削工具元件是切削工具刀件。
9.如权利要求4所述的间接冷却系统，其中所述切削工具元件通过铜焊或其他方式被永久固定到所述工具主体。
10.如权利要求4所述的间接冷却系统，其中所述切削工具元件与所述工具主体是一体成形的。
11.如权利要求8所述的间接冷却系统，进一步包括至少两个形成在所述工具主体上用于接收刀件的凹口和安装到每个凹口内的刀件，每个凹口都具有用于向所述刀件的后面引导冷却剂的间接冷却通道，由此所述工具主体内的每个所述刀件都是通过间接冷却来冷却的。
12.如权利要求11所述的间接冷却系统，进一步包括至少两个安装到所述工具主体上的与所述刀件间隔的喷口 ；和与每个所述喷口开口接合的用于向所述喷口开口供应冷却剂的直接冷却通道，由此所述喷口开口将冷却剂喷射到所述刀件上以直接冷却所述刀件，而所述刀件则是通过供应到所述刀件的所述后面的所述腔的冷却剂而间接冷却的。
13.如权利要求4所述的间接冷却系统，其中每个切削刃的所述冷却剂的流速为0.8L/mirio
14.如权利要求13所述的装置，其中所述冷却剂使用所述致冷剂的所述汽化的所述潜热来从所述元件移除热量。
全文摘要
一种用于旋转切削工具的间接冷却系统，该系统使用传递到形成在切削元件后表面上的腔的低温冷却剂在所述元件的切削刃附近提供冷却。由于工作流体的总流速较低(小于0.08升/分/切削刃)，该流体可以安全地从所述腔排放到大气中，因此不需要专门的冷却剂回收设备和通风设备。所述腔可形成有翅片以提高切削元件和冷却剂之间的热传递，而冷却剂可额外地被直接喷射到元件的外表面以冷却工具-碎屑界面。在不使用传统切削流体的情况下，所述间接冷却系统可被用于难以加工的金属和复合材料以及加工常规材料。
文档编号B23B27/16GK102427906SQ201080018033
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月21日 优先权日2009年4月22日
发明者C·H·帕索, E·E·小阿基鲍德, J·C·罗兹, J·K·桑德斯, M·P·戴 申请人:克雷雷有限公司