专利名称：用低温冷却的含氧化物陶瓷切削刀具进行机加工的设备和方法
技术领域：
本发明涉及通过切削(例如，通过以切屑形式除去多余材料来成形零件)对材料进行机加工的领域，更具体地说通过用低温冷却的含有氧化物的陶瓷切削刀具来对材料进行机加工。
背景技术：
如在这里所使用的一样，术语“切削”包括但不限于以下操作车削、镗孔、分割、开槽、端面车削、刨削、铣削、钻孔和其它操作，这些操作产生出连续的切屑或破碎或分段的切屑。术语切削不包括磨削、放电加工、超声波切削或高压喷射腐蚀切削，即产生出非常细小的没有限定形状的切屑例如灰尘或粉末。
如在这里所使用的一样，术语“含氧化物的陶瓷切削刀具”包括由含有氧化物的陶瓷材料和/或任意其它包含至少5wt％氧化物陶瓷相的高级刀具材料制成的切削刀具。
“材料除去速率”，作为机加工生产率的量度是单位时间由刀具除去的材料体积，并且由为操作选择的机加工参数限定。在最常见的切削操作车削的情况中，材料除去速率为切削速度、刀具进给速度和切削深度的乘积。目前的方向是使得能够以更高切削速度、更高进给速度、更大切削深度或者以这些参数的任意组合来进行机加工，从而导致材料除去速率整体升高。或者，目的在于提高切削刀具的使用寿命以便减小刀具更换所花费的停机时间和/或降低磨损用刀具加工的成本。在某些机加工操作中，有时要求只在使材料除去速率恒定或者甚至使之下降的同时提高切削速度，以便改善机加工部件的表面光洁度或者减小切削力和/或部件固定要求。这可以通过相应地降低进给速率或切削深度或者两者都降低来实现。这种操作对于机加工参数的不利影响在于刀具温度显著升高，从而导致其永久磨损和失效。目的在于减小这种不利影响。
由于经济因素，机加工工业关注采用以下方法实现成本降低在不提高磨损刀具和刀具更换成本的情况下提高材料除去速率，从而提高生产率；在不增加磨损刀具和刀具更换成本的条件下提高切削速度；能够车削或磨削硬质零件，这在过去只能通过昂贵的磨削操作来生产；并且采用更干净并且更利于健康的机加工方法来消除与传统切削流体(例如，乳化液)和清洗操作所带来的大量成本。
新的高级切削刀具材料近来已经被开发出并且被商品化以满足这些需求，并且改善了由高速钢(HSS)或碳化钨/钴(WC/Co)制成的传统刀具的性能。与由HSS和WC/Co制成的刀具相比，这些新的刀具明显更硬，但是也更脆并且对于荷载应力和/或热应力冲击敏感。这些高级切削材料中的一些例如氧化物陶瓷和金属陶瓷能够在相对较高的温度下工作。(金属陶瓷为包含有陶瓷和金属相的致密复合材料)。在应用在机加工技术领域中时，术语“金属陶瓷”包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和/或其它更复杂的粘接或渗透有合金的陶瓷颗粒，但是不包括传统的WC/Co“硬质金属”)。但是，氧化物陶瓷的耐磨性能比HSS、WC/Co或其它高级刀具材料更不可预期。在初始的通常可以忽略的陷缺、侧面磨损和/或缺口之后，氧化物陶瓷刀具通常在刀刃区域或鼻部内突然断裂，从而导致机加工停止，并频繁导致工件表面受损。
下表1汇集了一些最常见的切削刀具材料的热机械性能的典型数值。与碳化物、氮化物和基于金刚石的切削刀具相比，基于氧化物陶瓷的刀具显示出在横向断裂强度、断裂韧性和导热性的数值上明显降低，而表现出高危热膨胀系数。这使得氧化物陶瓷刀具易于在机械载荷作用下脆性断裂以及由于在温度梯度中的局部热膨胀而导致破裂。
表1常见切削刀具材料的热机械性能
数据来自“Ceramics and Glasses，Engineered Materials Handbook”，第4卷，ASM Int.，The Materials Information Soc.，1991，“MicrostructuralEffects in Precision Hard Turning”，YK.Chou和C.J，Evans，MED-第4卷，Mfg.Sci.和Engr.，ASME 1996.，以及“Temperature and Wear of CuttingTools in High-speed Machining of Inconel 718 and Ti-6Al-6V-2Sn”，T.Kitagawa等人，Wear202(1997)，Elsevier，第142-148页。
人们认识到，所有传统的冷却剂和切削流体，包括室温水和乳化油以及蒸发冷却雾或油雾、会通过热冲击氧化物陶瓷并且使之断裂。机加工领域清楚认识到在用氧化物陶瓷切削刀具进行机加工时必须避免使用这些切削流体和冷却剂。许多出版物、研究论文和刀具制造商的评论警告机加工操作人员，在与传统切削流体接触情况下或者甚至在这些流体在工件表面上有少量残余的情况下，陶瓷刀具使用寿命大大减小。尽管有许多内在缺陷例如过热工件、尺寸精确度降低并且切屑着火的危险，在采用陶瓷切削刀具时建议进行干燥机加工。
P.K.Mehrotra of Kennametal在“Applications of Ceramic CuttingTools”，Key Engineering Materials，第138-140卷(1998)，第1章，第1-24页中教导了“在将这些陶瓷刀具用于机加工钢材料时由于其较低的耐热冲击性所以不建议使用冷却剂”。R.Edwards说明“这种陶瓷[Al2O3-ZrO2白色陶瓷]具有较低的导热性，这使得它容易受到热冲击，因此应该避免使用冷却剂”，“Cutting Tools”，The Institute ofMaterials，1993，第20页。根据D’errico等人，“当采用冷却剂时，氧化铝、氧化铝/氧化锆和氧化铝/TiC刀具除了一个之外都容易由于高热膨胀系数所导致的有限热冲击能力而可能具有差性能”，“Performanceof Ceramic Cutting Tools in Turning Operations”，第17卷，#2，1997。1995ASM手册增加了“对于使用冷挤压Al2O3基陶瓷而言不建议使用水或油冷却剂，因为它们可能造成嵌入件断裂。如果使用碳化物加工刀具来对用冷却剂冷却的零件进行加工并且采用冷挤压氧化物基陶瓷计划进行随后操作，应该将残余冷却剂吹离零件”，ASM SpecialtyHandbook，“Tool Materials”，1995，第73页。R.C.Dewes和D.K.Aspinwall(“The Use of High Speed Machining for the Manufacture ofHardened Steel Dies”，Trans.of NAMRI/SME，第XXIV卷，1996，第21-26页)对一些氧化物和氮化物刀具进行实验，它们包括71％ Al2O3-TiC(混合氧化铝)、75％Al2O3-SiC(线体加强氧化铝)、50％CBN-AlB2-AlN，50％-TiC-WC-AlN-AlB2，80％CBN-TiC-WC以及95％CBN-Ni/Co。他们发现使用通过注水或喷射方法施加的传统冷却流体导致除了线体加强氧化铝其使用寿命降低了大约88％之外其它刀具使用寿命降低95％以上。
氧化物陶瓷具有一件事情与所有其它切削刀具材料相同一随着其温度上升，它们软化、弱化并且形成局部内应力(由于导热性有限所频繁出现的热膨胀)，这最终导致限制了切削速度、材料除去速率和/或所加工的工件硬度。E.M.Trent和P.K.Wright在“Metal Cutting”，4thEd.，Butterworth，Boston，Oxford，2000以及在ASM Handbook on“Machining，Ceramic Materials”中完整披露了刀具材料的这个共同特性。
因此，机加工业所面临的一个问题在于不能对氧化物陶瓷切削刀具采用传统的冷却方法，即在进一步提高切削速度、材料除去速率和/或所机加工材料的硬度上的热机械限制。
机加工业所面临的其它问题包括由目前在工业中使用的传统切削流体和冷却剂带来的显著的环境和与健康相关的问题。例如，普遍使用的冷却剂二氧化碳(CO2)是温室效应的制造者。还有，由于CO2密度高于空气，所以它具有潜在的窒息问题。另外，CO2由于可以溶解在水中所以还可能引起酸性腐蚀。一些其它普遍使用的冷却剂氟利昂和氟利昂替代物也是温室效应的制造者和臭氧消耗者。这些物质当与赤热固体接触而受热时还是爆炸性的和/或有毒的。会爆炸的其它冷却剂包括烃类气体和液氨。冷却剂例如其中含有氧的低温/液化空气会导致切屑着火。
有相当数量的现有技术专利涉及低温冷却切削刀具，这些专利包括美国专利Nos.5761974(Wang等人)、5901623(Hong)、3971114(Dudley)、5103701(Lundin等人)、5509335(Emerson)、4829859(Yankoff)、5592863(Joskowiak等人)以及WO99/60079(Hong)。但是，这些专利或在这里所述的其它现有技术参考文献都没有解决上述问题或者满足下面所述的要求。
要求具有一种设备和方法，它使得机加工操作人员能够提高机加工速度和/或材料除去速率且不会缩短由含氧化物的陶瓷材料和/或任意其它含有相当多氧化物陶瓷相的高级刀具材料制成的刀具的使用寿命。
还要求具有一种改进设备和方法，用于冷却和强化由表明容易由于脆性断裂而磨损和失效的材料制成的切削刀具，以便在不降低切削刀具的使用寿命的情况下提高切削速度。
还要求具有一种设备和方法，它们提高了受切削刀具的使用寿命(和成本)限制的材料切削速度和/或生产率。
还要求具有一种机加工材料和/或零件的设备和方法，这些材料和/或零件不能承受在与切削刀具的热刀刃接触时产生出的高温。
还要求具有一种用于机加工工件的设备和方法，它们通过减小了切屑着火、燃烧和/或切屑蒸汽发散的危险从而改善了在工作地方处的安全性和环境条件，同时采用环保、安全、无毒且清洁的方法来冷却切削刀具。
还要求具有一种用于机加工工件的设备和方法，它们克服了现有技术的困难和缺点，从而提供了更好且更有利的结果。
发明内容
申请人发现，如果在机加工期间用低温流体冷却脆性的且对热冲击敏感的含有氧化物的陶瓷切削刀具，则切削刀具的寿命提高，并且以更高速度和/或以更高材料除去速率进行切削变得容易实现并且经济合算。这个结果对于申请人而言是令人惊讶的并且是没有想到的，并且对于其他本领域普通技术人员也是令人惊讶的并且是没有想到的。在现有技术中还没有披露对于含有氧化物的陶瓷切削刀具的这种理想的结果。实际上，如上所述，现有技术已经落后于申请人的发明。
申请人的发明是一种用于机加工工件的设备和方法。本发明的另一个方面是由这种设备和方法机加工出的工件。本发明的另一个方面是一种适用于在设备中进行低温冷却的含有氧化物的陶瓷切削刀具，用来对位于其附近的工件进行机加工。
用于机加工工件的设备的第一实施方案包括位于工件附近的含有氧化物的陶瓷切削刀具；以及用于低温冷却含有氧化物的陶瓷切削刀具的工具。
该设备的第一实施方案具有许多变型。在一个变型中，含有氧化物的陶瓷切削刀具含有至少5wt％的氧化物陶瓷相。在另一个变型中，至少一部分切削刀具在工件接触该切削刀具时结霜。
在该设备的一个优选实施方案中，用于低温冷却含氧化物的陶瓷切削刀具的工具是低温流体。优选的是，低温流体选自液氮、气态氮、液氩、气态氩以及其混合物。
该设备的优选实施方案存在几个变型。在一个变型中，至少一部分低温流体为两相流体。在另一个变型中，切削刀具具有一切削刃，并且用于低温冷却该切削刀具的工具包括将一部分低温流体输送给切削刀具的装置，所述输送装置具有至少一个排放点，它们与切削刃间隔开大于或等于大约0.150英寸并且小于大约3.0英寸的距离。
在该设备的最优选实施方案中，以低温射流的形式将至少一部分低温流体输送给含有氧化物的陶瓷切削刀具。在该实施方案的一个变型中，切削刀具具有一前刀面，并且至少一部分低温射流冲击在至少一部分前刀面上。在另一个变型中，至少一部分低温射流其温度低于大约负159摄氏度(-150℃)。
用于机加工工件的设备的另一个实施方案包括位于工件附近的氧化物基陶瓷切削刀具；低温流体供应源；以及用于以从与切削刀具间隔开的位置排放出的低温射流的形式将一部分低温流体供应提供给氧化物基陶瓷切削刀具的装置。
本发明的另一个方面在于由如在上述实施方案中任一个一样的设备机加工出的工件，并且其特征在于具有改进的表面。
用于机加工工件的方法的第一实施方案包括多个步骤。第一步骤在于在工件附近设置一含有氧化物的陶瓷切削刀具。第二步骤在于低温冷却所述含氧化物的陶瓷切削刀具。
本方法的第一实施方案具有几个变型。在一个变型中，至少一部分切削刀具在工件接触切削刀具时结霜。在另一个变型中，含有氧化物的切削刀具包含至少大约5wt％的氧化物陶瓷相。
在该方法的优选实施方案中，通过低温流体来对含氧化物的陶瓷切削刀具进行低温冷却。优选的是，低温流体选自液氮、气态氮、液氩、气态氩及其混合物。
该方法的优选实施方案具有几个变型。在一个变型中，输送给切削刀具的至少一部分低温流体为两相流体。在另一个变型中，切削刀具具有一切削刃，并且用于将部分低温流体输送给切削刀具的装置具有至少一个与切削刃间隔开大于或等于0.150英寸并且小于大约3.0英寸的距离的排放位置。
在该方法的最优选实施方案中，以低温射流的形式将至少一部分低温流体输送给含氧化物的陶瓷切削刀具。在该实施方案的一个变型中，至少一部分低温射流其温度低于大约负150摄氏度(-150℃)。
用于机加工工件的方法的另一个实施方案包括多个步骤。第一步骤是在工件附近设置一氧化物基陶瓷切削刀具。第二步骤是提供低温流体供应。第三步骤是以从与切削刀具间隔开的位置排放出的低温射流的形式将一部分低温流体供应输送给氧化物基陶瓷切削刀具。
本发明的另一个方面在于通过如上述任一个实施方案一样的方法机加工出并且其特征在于具有改进的表面的工件。
下面将参照附图以实施例的方式对本发明进行说明，其中图1为本发明一个实施方案的示意图；并且图2A和2B为本发明的可选实施方案的示意图。
具体实施例方式
本发明涉及一种设备和方法，它们采用对由含氧化物陶瓷材料制成的切削刀具的前刀面和剩余部分进行低温冷却和/或冷冻，已知这些刀具容易在机加工操作期间由于脆性断裂而失效。在优选的实施方案中，将低温流体直接喷射在含氧化物的陶瓷切削刀具的表面上，但是在本发明的范围内也可以采用其它方式对含氧化物的陶瓷切削刀具进行低温冷却。在最优选的实施方案中，将温度大约为负150摄氏度(-150℃)或更低的低温流体射流直接喷射在切削刀具的前刀面上。因此，申请人已经对在正常室温大气环境中进行的切削操作研究出以下对策以配合实际机加工条件的低温冷却量(1)低温流体冷却操作应该在切削工具或切削嵌入件表面上具有一些白霜覆层的条件下进行以获得本发明的全部优点；(2)如果霜线形成在切削操作期间向后朝着切削刀具的另一个端部运动的切削刃附近，则冷却效果降低，从而表示需要提高低温流体的流速和/或压力；(3)如果正好位于切削刃下面的切屑或工作面为鲜红色，或者看起来好像要熔化或燃烧，则必须提高低温流体的流速和/或压力；
(4)如果刀尖或在前刀面上的切屑接触区域的周边为樱红色，则不必提高低温流体的流速和/或压力除非在该刀具上的霜冻覆层开始缩小；(5)如果刀尖或在前刀面上的切屑接触区域的周边为深红色，则必须提高低温流体的流速和/或压力而不考虑在刀具表面上霜冻覆层的状况；并且(6)如果在受控氛围腔室中或者在不用形成白色霜覆层就可以实现本发明的优点的真空中在非常低的湿度条件下进行机加工，则要采用除了对策(1)-(5)以外的对策。
用于冷却切削刀具的设备和方法通过采用清洁的冷却剂并且降低切屑着火、操作人员烧伤和/或发出有毒切屑气体的危险从而改善了在工作位置处的环境条件和安全性，并且通过采用没有任何温室效应和臭氧消耗危险的冷却剂从而减小了环境问题。
除了直接喷射低温流体之外，在本发明的范围内还可以采用其它将低温流体施加到含氧化物陶瓷刀具上的方法，例如没有使用低温流体对这些切削刀具进行低温冷却的其它方法。这些方法包括但不限于(1)封闭循环的低温小型制冷机，利用来自高压气体的Joule-Thompson膨胀产生的冷却能量；(2)首先由W.F.Giauque和P.Debye在1926年提出的磁热效应制冷机；(3)级联热电元件；以及(4)某些固体的激光束制冷。由于这些和类似方法需要通过导热刀夹或辅助激冷板来对切削刀具进行间接冷却，所以这些方法尤其在更艰巨的切削操作和/或更大的切削刀具的情况下比本发明的优选方法更复杂并且更昂贵。
图1显示出本发明的一优选实施方案，其中将一低温流体射流引导在含氧化物的陶瓷切削刀具表面处。该设备10包括用在车削操作中的普通刀夹12和支撑着切削嵌入件16的普通碳化物定刀片14。在图1中示意性地显示出将低温流体20直接冲击在切削嵌入件的表面上的冲击点18。冲击流体沿着径向方向从冲击点喷溅出。切削嵌入件16由含氧化物陶瓷材料制成。该设备的其它部件包括用在某些类型的用刀具加工中的嵌入件固定夹具22(非必要部件)和薄管道，它用于将低温流体输送给低温流体喷嘴组件26以便通过在喷嘴组件中的喷口28使射流朝着切削嵌入件引导。在图1中所示的喷嘴组件为用刀具加工的几何形状可调节的外接部件。也可以采用其它固定几何形状的喷嘴来实施本发明。
图2A和2B为本发明所教导的设备50的两个可选实施方案的示意图。参照图2A，通过螺栓58或其它紧固机构将夹具16安装在刀夹54上。由碳化物定刀片或其它材料支撑含氧化物的陶瓷切削嵌入件52。低温流体流过输送管道60并且经过穿过夹具形成喷嘴的孔62。低温流体射流64从喷嘴喷射到切削嵌入件上。在操作的最优选模式中，扩散的射流终止在切削嵌入件的表面处。或者，可以使得射流进一步扩散以到达从工件70切下来的切屑72以及该切屑周围的工件表面和刀具/工件接触区域。该工件以相对切削速度Vc在切削嵌入件上运动。如下面所述一样，在图2A和2B中所示的实施方案在穿过夹具以形成喷嘴的孔62的结构上和在排放点的位置上不同。
在图2A和2B中所示的实施方案减小了需要在标准机加工工具配置上作出改变以实施本发明的程度。将低温流体喷射喷嘴结合进金属夹具56中，该夹具通常用于将切削嵌入件52固定在工作位置中，这些切削嵌入件在该情况中由含有氧化物的陶瓷材料制成。该夹具可以钻有孔以如在图2A中所示一样排放流体，并且排放点位于切削嵌入件的表面附近。或者，如在图2B中所示一样，孔62可以从位于切削嵌入件的表面上方的排放点喷射低温流体。在这两种结构中，喷嘴的出口和夹具的前部位于远离在切削期间从工件70切下来的切屑72的位置处，并且不会与切屑连续接触，并且不会参与切屑断裂操作。
为了完全有效，低温流体20在排放点处必须足够冷(即，低于大约-150℃或-238°F)，该排放点在如图1所示的优选实施方案中是喷嘴的终端。低温流体优选选自如下材料液氮、液氮和其蒸汽的双相混合物或者更温暖的氮气、液氮的低温蒸汽、冷却至低于大约-150℃的更温暖氮气、液氩、液氩和其蒸汽的双相混合物或者更温暖的氩气、液氩的低温蒸汽、冷却至低于大约-150℃的更温暖氩气或者上述材料的组合物。但是，本领域普通技术人员将认识到，可以采用液体、气体和固体颗粒的其它低温混合物作为低温流体。
优选的是，在含氧化物的陶瓷切削刀具开始进行切削即接触工件并且形成切屑之前，打开低温流体射流至少10至20秒。这种“冷却”足以将最通常的含氧化物陶瓷刀具或嵌入件预先冷却至实施本发明所需要的低温。但是，在刀具接触工件时或者甚至在几秒之后打开低温流体也是可以接受的。人们观察到，低温流体冷却效果与切削刀具暴露于高温的持续时间成反比，即低温冷却循环越完整，在干燥切削条件上所期望的在刀具寿命中的改进就越明显。在刀具完成切削接触即形成切屑的同时可以切断低温流体流。
有效的是，直接喷射在前刀面处的低温流体20必须冲击在整个前刀面区域上或者在位于刀刃侧面上的整个前刀面面积的至少20％上。(前刀面是位于将切屑流引导离开工件的切削刃附近的切削刀具表面。在图1所示的实施方案中，前刀面是切削嵌入件16的顶面。该前刀面可以是完全平坦的、斜面，或者可以是通过模制或添加板而形成的更复杂的三维形态以便提供加强控制的切屑流和/或切屑断开)。与其形态无关，前刀面面积的20％是确保由含有氧化物的陶瓷材料制成的整个切削刀具或切削嵌入件16变成低温并且在温度上相对均匀的最小冲击表面面积。通过这种方法来进行低温冲击冷却，在切屑接触区域下的切削刀具材料内的微小热点变得更小，并且由低温冷材料吞没。因此，整个切削刀具或者切削嵌入件变得更硬并且更坚固，并且由于其热膨胀减小，所以内应力降低。切削嵌入件在切削期间变得更耐断裂的这个事实是没有想到的发明或者发现，这不能从现有技术中预想到。
在优选实施方案中，采用位于前刀面处、后面或上方的“外部”喷嘴将低温流体20直接排放在切削刀具的前刀面处，但是喷嘴从来不以与从刀刃中切下来的切屑直接连续接触或者与之相邻的方式靠近切削刃。喷嘴开口(排放点)和切削刃之间的直线距离为至少大约0.150英寸(3.8mm)但是不大于大约3.0英寸(76mm)。排放或喷射距离的这个范围对于正确操作而言是重要的，因为(1)如果排放距离较短，则从外部喷嘴扩展开的低温流体射流在切削刃侧面上将不能直接冲击在整个前刀面面积的至少20％上；并且(2)如果排放距离较长，则从周围环境夹杂进扩展的低温射流中的温暖大气将使整个射流温度上升至高于-150℃，由此使整个冲击冷却效果变小。
外部喷嘴可以由终止在前刀面处、上方或后面的管道制成。或者，它可以做成为在嵌入件固定夹具22中钻出的通道形式，该夹具将切削刀具固定在位于刀夹12内的后端上。它也可以由做成为安装在嵌入件固定夹具或刀夹上的任意装置形成，在嵌入件固定夹具或刀夹上已经钻有用来从一定距离处在前刀面上并且朝着切削刃排放低温流体20的通道。喷嘴出口可以是垂直或水平会聚、笔直或扩散的圆形或扁形。在本发明中对喷嘴没有任何特别限制，只要该喷嘴从所要求的距离处沿着所要求的方向同时远离切屑将低温流体喷射在前刀面处。在某些切削操作中，尤其在切削深度和进刀速率非常低例如分别为0.020英寸(0.51mm)和0.004英寸/转(0.1mm/转)的情况下，多喷嘴系统可能是有利的。当刀尖和/或切削刃如此在边上“浸没”在工件材料中时，除了前刀面之外为侧面和/或间隙壁提供冷却有时是有帮助的。
本发明基于可能对已知容易在切削操作期间由于脆性断裂而失效的由含氧化物陶瓷材料制成的切削刀具的前刀面和剩余部分进行完全低温冷却或冷冻。为此，必须将足够的低温流体喷射在切削刀具处以使切削刀具在整个切削操作期间即使足够量切削热通过热切屑接触区域进入切削刀具也保持霜冻。如果霜线在切削期间形成在位于侧壁和前刀面上的切削刃和接触区域附近，它朝着切削刀具的另一个端部向后移动，则低温冷却效果降低，从而表明需要提高低温流体的流速和/或压力。在切削刀具或切削嵌入件表面上没有一些白霜覆层的情况下进行的任何刀具低温冷却操作将不会获得本发明所实现的全部益处。如果在非常低的湿度条件下在受控气体腔室中或者在不会形成白霜覆层就能够实现这些益处的真空中进行机加工的话这是个例外情况。在优选的条件下，不希望在低温流体20优选是氮或氩的无水分产品的直接冲击点18内部形成任何霜覆层。因此，由于通过迅速膨胀的且无水分的低温流体进行连续冲洗，所以一部分前刀面和/或侧壁表面可能没有霜。
根据本发明用于进行切削的另一个重要分析方法是观察在切削刀具/工具界面-切屑、刀尖和正好位于切削刃下面的工件表面处的动态效应。首先，如果正好在切削刃下面的切屑或工作面为鲜红色或者看起来好象要熔化或者燃烧，则必须提高低温流体20的流速和/或压力。第二，如果刀尖或者在前刀面上的切屑接触区域的周边为樱红色，则不必提高低温流体的流速和/或压力，除非在刀具上的结霜覆层开始收缩。第三，如果刀尖或在前刀面上的切屑接触区域的周边为深红色，必须提高低温流体的流速和/或压力，而不考虑在刀具表面上的结霜覆层的状况。在工件/切削刀具接触区域处发热的偶然增加可能表示工作材料的几何形状或组分不均匀，并且在直接冲击模式中可以很容易通过提高低温流体到冷却整个接触区域而不仅仅是刀具表面的位置的流速来进行冷却。根据上面的准则进行的切削刀具低温冷却操作将提供改善的结果。当然，其它更完善的分析方法可以包括但不限于使用热电偶、红外传感器、热敏涂层等。
令申请人惊讶且没有想到的是，它们的低温流体冷却方法导致含氧化物的陶瓷切削刀具的机加工性能明显加强和提高，这些刀具在干燥的机加工条件下通常容易由于脆性断裂而磨损和失效并且在与传统室温切削流体或其残余物接触时容易突然断裂。如在下面的实施例中所示一样，本发明导致生产率提高大约98％至大约182％并且刀具寿命提高大约250％。这些改进结果令申请人惊讶并且没有想到，并且将令本领域其它普通技术人员惊讶和没有想到。
虽然相对于现有技术提供相当大改进的令人惊讶且不可想象的结果的确切原因还不清楚，但是看起来这些结果可能是由于多种因素的组合。在不希望受到任何具体理论的约束的情况下，申请人相信这些因素包括但不限于(1)整个切削刀具材料的低温硬化；(2)在整个切削刀具内的热膨胀-被动应力减小；并且最没有想到的是(3)由于边界薄膜效应和/或Leidenfrost现象而导致在切削刀具表面处的热梯度降低。边界薄膜是喷射条件受控的、半不活泼的透明薄膜，它“减轻了”低温冷却效应并且“减缓了”在冲击冷却表面处的热剖面。Leidenfrost现象在喷射在目标表面处的所有液体其温度高于该液体沸点的情况下在更大或更小程度上出现。液滴在热表面上方沸腾，或者该热表面由一层蒸汽屏蔽。在低温液体得情况中，尤其在比-150℃更冷的情况下，所有切削刀具表面都是热的，这意味着通常的低温液体射流在其蒸汽边界薄膜上滑动而不会直接润湿刀具。这使得经低温射流冷却的切削刀具表面的热剖面更加平滑。在油基或水基切削流体的情况中，由于其沸点明显高于室温，所以沸腾只在离切削刀具表面处的切屑接触区域周边距离非常近的位置处出现。当切屑在切削期间改变了方向，或者该刀具出现了突然切削中断时，这种传统的流体在突然暴露出的最热刀具表面区域上面扩散，在那里它爆发性沸腾，从而释放出蒸汽、微液滴和压力波。申请人相信他们发明的优选方法促进了薄边界膜和/或Leidenfrost效应的形成，这防止了含氧化物的陶瓷切削刀具断裂，这些刀具在与普通室温切削流体接触时会突然断裂。
实施例在下面的实施例中使用了以下术语f以英寸/转或ipr(mm/转)为单位的进刀速率doc以英寸(mm)为单位的切削深度
U以英尺/分钟或SFM(m/分钟)为单位的切削速度MRR以立方英寸/分钟(cm3/分钟)为单位的材料除去速率实施例1对在量度C上为64洛氏硬度(64HRc)的硬化锻钢进行粗加工在该操作中，采用0.5英寸(12.7mm)的圆形陶瓷刀具嵌入件(Al2O3-TiC/黑陶瓷)来对硬化锻钢零件进行粗加工，并且在干燥和低温冷却过程之间对结果进行比较。机加工参数如下fDRY＝0.005ipr(0.13mm/转)fCRYO＝0.007ipr(0.18mm/转)doc＝0.150英寸(3.8mm)UDRY＝348SFM(106m/分钟)UCRYO＝700SFM(213m/分钟)采用对切削刀具进行低温冷却，从而实现了在切削速度上的明显提高，这反过来有助于提高材料除去速率。用于干燥切削的MRR为3.1英寸3/分钟(50.8cm3/分钟)，而对于低温冷却切削而言，MRR为8.8英寸3/分钟(144.2cm3/分钟)，由此导致生产率提高大约182％。随后进行许多尝试来提高在干燥切削操作中的切削速度、进刀速率和MRR以便接近低温流体的性能水平。所有这些尝试都导致陶瓷嵌入件迅速断裂和突然失效。
还观察到，尽管提高了切削速度、进刀速率和MRR，但是在低温流体情况下机加工出的锻钢零件的表面特别干净、没有被氧化并且光亮，从而对由普通切削方法得到的表面状况提供了显著改进。还观察到根据这种低温流体方法机加工出的锻钢零件的尺寸精确度例如锥度得到了改进。
实施例2对硬化锻钢(64HRc)进行精加工在该操作中，使用0.5英寸(12.7mm)圆形陶瓷刀具对相同零件(实施例1)进行精车削，并且对在干燥和低温冷却过程之间的结果进行比较。机加工参数如下fDRY＝0.006ipr(0.13mm/转)fCRYO＝0.010ipr(0.25mm/转)doc＝0.070英寸(1.78mm)UDRY＝434SFM(132m/分钟)
UCRYO＝693SFM(211m/分钟)采用对切削刀具进行低温冷却，从而实现了在切削速度上的明显提高，这反过来有助于提高材料除去速率。用于干燥切削的MRR为2.2英寸3/分钟(36cm3/分钟)，而对于低温冷却切削而言，MRR为5.8英寸3/分钟(95cm3/分钟)，由此导致生产率提高大约166％。
随后进行许多尝试来提高在干燥切削操作中的切削速度、进刀速率和MRR以便接近低温流体的性能水平。所有这些尝试都导致陶瓷嵌入件迅速断裂和突然失效。
还观察到，尽管提高了切削速度、进刀速率和MRR，但是在低温流体情况下机加工出的锻钢零件的表面特别干净、没有被氧化并且光亮，从而对由普通切削方法得到的表面状况提供了显著改进。还观察到根据这种低温流体方法机加工出的锻钢零件的尺寸精确度得到了改进。
实施例3对铸钢(48-52HRC)进行粗加工在该操作中，使用LNU 6688(ISO)陶瓷刀具嵌入件来对铸钢零件主体进行粗车削，并且对在干燥和低温冷却过程之间的结果进行比较。干燥和低温冷却过程的机加工参数如下f＝0.011ipr(0.28mm)doc＝0.330英寸(8.38mm)U＝424SFM(129m/分钟)对于干燥切削而言刀具寿命为20分钟，而对于低温冷却切削而言的刀具寿命为70分钟，从而导致刀具寿命提高250％。还观察到，在低温流体情况下机加工出的铸钢零件的表面特别干净、没有被氧化并且光亮，从而对由普通切削方法得到的表面状况提供了显著改进。还观察到根据这种低温流体方法机加工出的铸钢零件的尺寸精确度例如锥度得到了改进。
实施例4对锻钢(48-52HRC)进行精加工在该操作中，使用1英寸(25.4mm)圆形陶瓷刀具嵌入件(Al2O3-TiC/黑陶瓷)来对锻钢零件主体进行粗车削，并且对在干燥和低温冷却过程之间的结果进行比较。机加工参数如下f＝0.020ipr(0.51mm/转)doc＝0.017英寸(0.43mm)UDRY＝259SFM(79m/分钟)UCRYO＝583SFM(178m/分钟)采用对切削刀具进行低温冷却，从而实现了在切削速度上的明显提高，这反过来有助于提高材料除去速率。用于干燥切削的MRR为1.2英寸3/分钟(18cm3/分钟)，而对于低温冷却切削而言，MRR为2.4英寸3/分钟(39cm3/分钟)，由此导致生产率提高大约118％。
随后进行许多尝试来提高在干燥切削操作中的切削速度以便接近低温流体的性能水平。所有这些尝试都导致陶瓷嵌入件迅速断裂和突然失效。
还观察到，尽管提高了切削速度和MRR，但是在低温流体情况下机加工出的锻钢零件的表面特别干净、没有被氧化并且光亮，从而对由普通切削方法得到的表面状况提供了显著改进。还观察到根据这种低温流体方法机加工出的锻钢零件的尺寸精确度得到了改进。
实施例5对83CrMo135钢进行粗加工在该操作中，使用LNU 6688陶瓷刀具嵌入件(Al2O3-ZrO2/白陶瓷)来对83CrMo135钢零件进行粗车削，并且对在干燥和低温冷却过程之间的结果进行比较。机加工参数如下f＝0.0157ipr(0.4mm/转)doc＝0.060英寸(1.52mm)UDRY＝512SFM(156m/分钟)UCRYO＝1020SFM(311m/分钟)
采用对切削刀具进行低温冷却，从而实现了在切削速度上的明显提高，这反过来有助于提高材料除去速率。用于干燥切削的MRR为5.8英寸3/分钟(95cm3/分钟)，而对于低温冷却切削而言，MRR为11.5英寸3/分钟(188cm3/分钟)，由此导致生产率提高大约98％。
随后进行许多尝试来提高在干燥切削操作中的切削速度和MRR以便接近低温流体的性能水平。所有这些尝试都导致陶瓷嵌入件迅速断裂和突然失效。
还观察到，尽管提高了切削速度和MRR，但是在低温流体情况下机加工出的83CrMo135零件的表面特别干净、没有被氧化并且光亮，从而对由普通切削方法得到的表面状况提供了显著改进。根据这种低温流体方法机加工出的83CrMo135钢零件的尺寸精确度得到了改进。
实施例6对9310渗碳钢支撑板(60HRC)进行车削和端面车削在该操作中，采用两种不同的含氧化物陶瓷刀具嵌入件来对支撑板进行车削和端面车削，并且在干燥和低温冷却过程之间对结果进行比较。采用各种进刀速度、切削速度和深度来对该部件进行精加工。采用切削刀具的低温冷却，从而实现了在切削速度上的显著提高，这反过来有助于降低该部件的周期时间。将采用干燥切削的75分钟的正常周期时间降低至采用低温冷却切削的28分钟，由此导致生产率提高大约168％。
随后采用传统工艺进行许多尝试来缩短周期时间以便接近低温流体的性能水平。所有这些尝试都导致陶瓷嵌入件迅速断裂和突然失效。
还观察到，尽管切削速度快多了，但是在低温流体情况下机加工出的9310渗碳钢支撑板的表面特别干净、没有被氧化并且光亮，从而对由普通切削方法得到的表面状况提供了显著改进。还观察到，根据这种低温流体方法机加工出的支撑板的尺寸精确度得到了改进。
虽然在这里对某些具体实施方案进行说明和描述，但是本发明并不打算限制于所示的细节上。在权利要求的等同方案的范围内并且在不脱离本发明的精神的情况下可以在细节上作出许多改变。
权利要求
1.一种用于机加工工件的设备，它包括位于所述工件附近的一个含氧化物的陶瓷切削刀具；以及用于低温冷却所述含氧化物的陶瓷切削刀具的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述用于低温冷却所述含氧化物的陶瓷切削刀具的装置包括一种低温流体。
3.如权利要求2所述的设备，其中至少一部分低温流体以低温射流的形式被输送给所述含氧化物的陶瓷切削刀具。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述切削刀具具有一前刀面，并且至少一部分低温射流冲击在至少一部分前刀面上。
5.如权利要求2所述的设备，其中至少一部分低温流体是一种两相流体。
6.如权利要求2所述的设备，其中所述低温流体选自液氮、气态氮、液氩、气态氩以及它们的混合物。
7.如权利要求3所述的设备，其中至少一部分低温射流其温度低于约-150℃。
8.如权利要求2所述的设备，其中所述切削刀具具有一切削刃，并且所述用于低温冷却所述切削刀具的装置包括用于将至少一部分低温流体输送给切削刀具的部件，所述输送部件具有至少一个排放点，这些排放点离切削刃的距离大于或等于约0.150英寸并且小于大约3.0英寸。
9.如权利要求1所述的设备，其中至少一部分切削刀具在工件接触该切削刀具时结霜。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述含氧化物的陶瓷切削刀具包含至少5wt％的氧化物陶瓷相。
11.一种机加工工件的设备，它包括位于所述工件附近的一个氧化物基陶瓷切削刀具；低温流体供应源；以及用于以从远离切削刀具的位置喷射出的低温射流的形式将一部分供应的低温流体输送给所述氧化物基陶瓷切削刀具的装置。
12.一种含氧化物的陶瓷切削刀具，适用于在对位于该含氧化物的陶瓷切削刀具附近的工件进行机加工的设备中进行低温冷却。
13.一种通过如在权利要求1中所述的设备加工出的工件，其特征在于具有改进的表面和尺寸精确度。
14.一种机加工工件的方法，它包括以下步骤在工件附近设置一个含氧化物的陶瓷切削刀具；并且低温冷却所述含氧化物的陶瓷切削刀具。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述含氧化物的陶瓷切削刀具通过低温流体进行低温冷却。
16.如权利要求15所述的方法，其中至少一部分低温流体以低温射流的形式被输送给所述含氧化物的陶瓷切削刀具。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述切削刀具具有一前刀面，并且至少一部分低温射流冲击在所述前刀面的至少一部分上。
18.如权利要求15所述的方法，其中输送给所述切削刀具的至少一部分低温流体是一种两相流体。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述低温流体选自液氮、气态氮、液氩、气态氩以及它们的混合物。
20.如权利要求16所述的方法，其中至少一部分低温射流其温度低于大约负150摄氏度(-150℃)。
21.如权利要求15所述的方法，其中所述切削刀具具有一切削刃，并且其中用于将一部分低温流体输送给切削刀具的装置具有至少一个排放点，该排放点离切削刃的距离为大于等于约0.150英寸并且小于约3.0英寸。
22.如权利要求14所述的方法，其中至少一部分切削刀具在所述工件接触该切削刀具时结霜。
23.如权利要求14所述的方法，其中所述含氧化物切削刀具包含至少5wt％的氧化物陶瓷相。
25.一种机加工工件的方法，它包括以下步骤在所述工件附近设置一个氧化物基陶瓷切削刀具；设置一低温流体供应源；并且以从远离切削刀具的位置喷射出的低温射流的形式将一部分供应的低温流体输送给所述氧化物基陶瓷切削刀具。
25.一种通过如权利要求14所述的方法机加工出的工件，其特征在于具有改进的表面和尺寸精确度。
全文摘要
一种用于机加工工件的方法和设备，包括使用低温冷却的含氧化物的陶瓷切削刀具。该方法涉及在切削操作期间对切削刀具进行低温冷却，该冷却导致切削刀具的耐磨性和耐断裂性提高。优选的实施方案涉及将低温流体直接喷射在切削刀具处。
文档编号B23Q11/10GK1512928SQ02810934
公开日2004年7月14日 申请日期2002年5月23日 优先权日2001年5月31日
发明者兹比格纽·祖莱基, 罗伯特·布鲁斯·斯旺, 布鲁斯·爱德华·斯奈德, 约翰·赫伯特·弗雷, 菲利普·伯顿·小朱厄尔, 拉纳吉特·高希, 詹姆斯·布赖恩·泰勒, 伯顿 小朱厄尔, 布赖恩 泰勒, 布鲁斯 斯旺, 爱德华 斯奈德, 兹比格纽 祖莱基, 特 高希, 赫伯特 弗雷 申请人:气体与化学产品公司