專利名稱：用于使用受控制的低溫冷卻機(jī)械加工聚合物的設(shè)備和方法
用于使用受控制的低溫冷卻機(jī)械加工聚合物的設(shè)備和方法相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2007年9月21日提交的第60/994，787號美國臨時申請和2007年12 月10日提交的第61/012，653號美國臨時申請的權(quán)益，通過引用視同全文闡述將這兩個申
請結(jié)合于本文中。
通過引用視同全文闡述將2008年8月27日提交的PCT/US08/074506號PCT國際 申請結(jié)合于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用受控制的低溫冷卻來機(jī)械加工聚合物的設(shè)備和方法。背景技術(shù)：
聚合材料的使用在生物醫(yī)學(xué)行業(yè)中日益被接受。許多用于生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品的聚合物 零件(本文中被稱為“生物聚合物”)以小規(guī)模批量和中等規(guī)模批量生產(chǎn)。因此，由于與加 工工具(tooling)相關(guān)聯(lián)的成本，生物聚合物的機(jī)械加工代表替代模制或擠出的成本劃算 的方案。遺憾的是，一些聚合物材料的物理特征、許多生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品中所需的緊密度容限 (tight tolerance)以及與生物聚合物(其將被包埋在人體中)相關(guān)聯(lián)的工藝限制對常規(guī) 機(jī)械加工工藝提出了挑戰(zhàn)。聚合物材料的機(jī)械加工性主要取決于材料性能(玻璃化溫度[Tg]、熔化溫度 [Tm]、分子重量和粘度)以及機(jī)械加工工藝條件(切削速度、切削刃半徑、刀具角度和刀具 表面摩擦特性)。大多數(shù)聚合物的硬度高度依賴于溫度。隨著聚合物冷卻經(jīng)過并低于它們 的Tg，它們的硬度典型地以若干數(shù)量級顯著增加。對于具有在室溫附近或低于室溫的Tg的聚合物(例如，丙烯基疏水共聚物，具有 5°C至20°C的Tg)而言，如果在典型的室溫/室內(nèi)環(huán)境溫度(例如，介于20°C與30°C之間) 機(jī)械加工聚合物，則很難產(chǎn)生平滑、均勻的機(jī)械加工表面。對于具有比室溫高很多的Tg的 聚合物而言，諸如具有110°C至120°C的Tg的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或具有138°C至 149°C的Tg的聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)，也需要改進(jìn)的冷卻技術(shù)。在未充 分冷卻的情況下，機(jī)械加工這種聚合物可導(dǎo)致材料拖尾(smear)，因為機(jī)械加工溫度變得高 于玻璃化溫度。這還可導(dǎo)致增加的毛刺形成、局部熔化和表面波紋。已嘗試通過使用“冰堵(ice-blocking) ”、冷空氣槍和低溫冷卻來降低聚合物的溫 度以增加聚合物的硬度。這些冷卻方法每一個都具有妨礙它們有效的嚴(yán)重缺陷。特別是對 于玻璃化溫度比室溫低很多的聚合物(例如，具有_90°C至_120°C Tg的硅膠)而言，冰堵 和冷空氣槍不能夠?qū)⒕酆衔锢鋮s至足夠低的溫度。例如，用壓縮空氣冷卻在室溫機(jī)械加工 丙烯基疏水坯料導(dǎo)致材料的明顯撕裂，導(dǎo)致不能接受的表面光潔度(參見圖2A)。另外，將 濕氣(moisture)引導(dǎo)到疏水聚合物上和/或在生物聚合物上遺留殘留物的任何冷卻技術(shù) 也會是有問題的。已嘗試在機(jī)械加工工藝期間使用常規(guī)低溫冷卻技術(shù)來冷卻聚合物。這種嘗試，部分由于常規(guī)的低溫冷卻系統(tǒng)不能夠在比低溫流體的蒸發(fā)溫度高很多的溫度提供受控冷卻 而被證實是有問題的。因此，在零件上噴射致冷劑使零件溫度快速降低至比Tg低很多的溫 度，這可導(dǎo)致在機(jī)械加工期間零件的開裂或脆性斷裂。諸如PEEK的聚合物的干法機(jī)械加工可產(chǎn)生大量毛刺。目前，業(yè)內(nèi)去除毛刺的做法 包括耗時的通過刷擦和噴射碾磨劑溶液手工去除的做法。在室溫刷擦通常是無效的，因為 機(jī)械加工工藝通常由于毛刺的小質(zhì)量而遺留下柔軟和易曲的毛刺。噴射碾磨劑溶液由于它 可導(dǎo)致去除材料的微觀特征和/或熔化材料而是有問題的。常規(guī)的低溫冷卻技術(shù)遭受與機(jī) 械加工期間的低溫冷卻相關(guān)聯(lián)的相同的過冷問題。因此，需要一種用于對被機(jī)械加工的聚 合物去除毛刺和膠邊(flashing)的改進(jìn)的工藝。
發(fā)明內(nèi)容在一方面，本發(fā)明包括一種方法，該方法包括使用包括節(jié)流氣體和低溫流體的合 成流體(resultant fliud)將材料的一部分的溫度保持成處于或低于材料的玻璃化溫度， 該合成流體具有實質(zhì)上高于低溫流體的蒸發(fā)溫度的溫度；以及機(jī)械加工材料的該部分，同 時將材料的該部分的溫度保持成處于或低于材料的玻璃化溫度。在另一方面，本發(fā)明包括一種方法，該方法包括將節(jié)流氣體和至少部分處于液相 中的低溫流體結(jié)合以形成合成流體；經(jīng)至少一個噴嘴將合成流體排放到材料的至少一部分 上，當(dāng)合成流體從各該至少一個噴嘴排放時，合成流體包含有不超過10% (以體積計)的液 相低溫流體；機(jī)械加工材料；以及貫穿機(jī)械加工步驟繼續(xù)排放步驟。在再另一方面，本發(fā)明包括一種方法，該方法包括機(jī)械加工材料的一部分；使用 包括節(jié)流氣體和低溫流體的合成流體至少冷卻材料的該部分，使得材料的該部分的溫度在 機(jī)械加工步驟結(jié)束時在第一溫度范圍內(nèi)，該合成流體具有實質(zhì)上高于該低溫流體的蒸發(fā)溫 度的溫度，該第一溫度范圍具有不低于環(huán)境溫度的溫度下限和處于或低于材料的玻璃化溫 度的溫度上限。在再另一方面，本發(fā)明包括一種方法，該方法包括將合成流體排放到被機(jī)械加工 的材料中包含突起的一部分上，該合成流體包括節(jié)流氣體和低溫流體，該低溫流體具有高 于低溫流體的蒸發(fā)溫度的溫度；以及在排放步驟后刷擦被機(jī)械加工的材料的該部分以去除 至少一些突起。

圖1是機(jī)械加工和冷卻系統(tǒng)的第一實施例的示意圖；圖2A是在被冷空氣冷卻的同時被機(jī)械加工而成的鏡頭的照片；圖2B是由與圖2A所示的鏡頭相同的材料制成的鏡頭的照片，該鏡頭在被處于低 溫溫度的溫度受控的合成流體冷卻的同時被機(jī)械加工而成；圖3A是具有形成在其中的干法機(jī)械加工出的狹槽并由PEEK制成的零件的照片；圖3B是由與圖3A所示的零件相同的材料制成的零件的照片，該零件在被處于低 溫溫度的溫度受控的合成流體冷卻的同時被機(jī)械加工而成；圖4是示出了用于在使用處于低溫溫度的溫度受控的合成流體冷卻毛刺后對被 機(jī)械加工的零件進(jìn)行刷擦去毛刺的設(shè)備和工藝的示意圖5A是具有形成在其中的干法機(jī)械加工出的狹槽并由PEEK制成的零件在無任何 冷卻的情況下被刷擦去毛刺后的照片；圖5B是由與圖3A中所示的零件相同的材料制成的零件的照片，該零件在被處于 低溫溫度的溫度受控的合成流體冷卻的同時被機(jī)械加工而成，并在使用處于低溫溫度的溫 受控合成流體冷卻毛刺后被刷擦去毛刺；圖6A是在無任何冷卻的情況下被干法銑削和刷擦去毛刺的由PEEK制成的零件的 照片；圖6B是由與圖3A中所示的零件相同的材料制成的零件的照片，該零件在被處于 低溫溫度的溫度受控的合成流體冷卻的同時被銑削而成，并在使用處于低溫溫度的溫度受 控的合成流體冷卻毛刺后被刷擦去毛刺；圖7是顯示了來自在被機(jī)械加工的零件的十個樣本上執(zhí)行的測試的數(shù)據(jù)的表格，一些零件被干法機(jī)械加工，而其它零件則使用三種不同的合成流體設(shè)定溫度被機(jī)械加工； 以及圖8是顯示了在零件被機(jī)械加工的同時冷卻低Tg材料的一種方法的流程圖。
具體實施方式接下來的詳細(xì)描述僅提供優(yōu)選的示例性實施例，且并非意圖限制本發(fā)明的范圍、 實用性或構(gòu)造。相反，接下來對優(yōu)選的示例性實施例的詳細(xì)描述將提供能夠使本領(lǐng)域技術(shù) 人員實施本發(fā)明的優(yōu)選的示例性實施例的描述。應(yīng)該理解的是，可在元件的功能和設(shè)置中 作出各種改變而不脫離如所附權(quán)利要求中所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。為了幫助描述本發(fā)明，方向術(shù)語可用于本說明書和權(quán)利要求中以描述本發(fā)明的各 部分(例如，上、下、左、右等)。這些方向術(shù)語的意圖只是協(xié)助描述本發(fā)明和主張本發(fā)明的 權(quán)利，并非意圖以任何方式限制本發(fā)明。另外，說明書中結(jié)合附圖引入的參考標(biāo)號可在一個 或多個隨后的圖中重復(fù)而未在說明書中另外說明以提供用于其它特征的上下文。在附圖 中，截面圖中的交叉陰影線表示多微孔材料，而截面圖中的影線表示非多微孔材料。在本說明書中，與本發(fā)明的超過一個的公開實施例共用的元件在圖中使用因數(shù)相 差100的參考標(biāo)號表示。例如，低溫傳送系統(tǒng)的第一實施例在說明書和圖1中以參考標(biāo)號 20表示，而低溫傳送系統(tǒng)的第二實施例在說明書和圖2中以參考標(biāo)號120表示。另外，關(guān)于 一個實施例在說明書中討述的元件可由其中出現(xiàn)了該元件的其它實施例中的參考標(biāo)號表 示，但在說明書可不被單獨(dú)提到。如文中所用的，術(shù)語“低溫流體”意指溫度低于-70°C的液體、氣體或混合相流體。 低溫流體的實例包括液態(tài)氮(LIN)、液態(tài)氧(LOX)、液態(tài)氬(LAR)、液態(tài)二氧化碳和加壓、混 合相致冷劑(例如，LIN和氣態(tài)氮的混合物)。如文中所用的，術(shù)語“噴嘴”意指用于排放流體的一個或多個開口。噴嘴的實例包 括單個圓形開口、一排開口和細(xì)長狹槽。如所附權(quán)利要求中所用的，術(shù)語“機(jī)械加工”應(yīng)當(dāng)理解為包括所有類型的機(jī)械加工 操作，包括但不限于車削(turning)、鉆孔、銑削、成形、刨削、拉削、鋸切、拋光、碾磨和刷擦。如文中所用的，術(shù)語“低Tg材料”應(yīng)當(dāng)理解為意味著具有低于30°C的玻璃化溫度 的材料。
如文中所用的，術(shù)語“突起”應(yīng)當(dāng)理解為意味著從材料的所機(jī)械加工的表面突出的 廢料的部片(Piece)，其是機(jī)械加工工藝的結(jié)果并在機(jī)械加工路線(machine pass)結(jié)束后 保持附連于材料。突起的實例包括但不限于毛刺、膠邊和碎屑。許多有機(jī)材料在一定溫度范圍(通常為5至15°C的范圍)從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化到玻璃 態(tài)。因此，可將這種材料的“玻璃化溫度”更準(zhǔn)確地描述為玻璃化溫度范圍。因此，對本申 請來說，被描述為“處于或低于”材料的玻璃化溫度的溫度應(yīng)當(dāng)理解為不高于該材料的玻璃 化溫度范圍的上限。例如，如果將具有5°C至20°C的Tg的材料描述為保持在“處于或低于” 玻璃化溫度的溫度，則應(yīng)當(dāng)理解為將材料保持在不高于20°C的溫度。參照圖1，顯示了機(jī)械加工和冷卻系統(tǒng)10的一個實施例。系統(tǒng)10包括用于機(jī)械加 工聚合物鏡頭14的車床12和用于在機(jī)械加工期間冷卻鏡頭14的冷卻劑傳送系統(tǒng)20。如 常規(guī)那樣，車床12包括將鏡頭14保持到位的卡盤16和用來在鏡頭14被卡盤16旋轉(zhuǎn)時機(jī) 械加工鏡頭14的表面的刀具18。刀具18可沿著卡盤16的旋轉(zhuǎn)軸線(圖1中從左至右水 平延伸)移動，以允許刀具18在鏡頭14上機(jī)械加工所希望的形狀的表面。
冷卻劑傳送系統(tǒng)20可操作地構(gòu)造成將合成流體32 (在大多數(shù)情形中為節(jié)流氣體 和低溫流體的混合物)排放到鏡頭14上。為了能夠控制合成流體的溫度，本實施例的冷卻 劑傳送系統(tǒng)20優(yōu)選與2008年8月27日提交的PCT/US08/074506號PCT國際申請中所述的 低溫冷卻劑傳送系統(tǒng)大致等同，通過引用將該申請結(jié)合于本文中。相應(yīng)地，冷卻劑傳送系統(tǒng) 20包括致冷劑源、節(jié)流氣體控制和傳送組件、低溫流體傳送組件以及冷卻劑排放組件。在本 實施例中，致冷劑源為容納液態(tài)致冷劑(在本實施例中為液態(tài)氮)的單罐24。低溫流體傳 送組件優(yōu)選包括同軸或三軸傳送管線并且冷卻劑排放組件包括兩個噴嘴22a、22b。控制盒 30收容可編程邏輯控制器(PLC)以及節(jié)流氣體控制、傳送組件和低溫流體傳送組件的其它 構(gòu)件，如PCT/US08/074506號PCT國際申請中所述的。噴嘴22a、22b定位并定向成將合成流體32排放到鏡頭14上，并優(yōu)選地引導(dǎo)至將 被刀具18機(jī)械加工的鏡頭14的部分。在備選實施例中，可使用任何數(shù)量的噴嘴。然而，優(yōu) 選的是，噴嘴22a、22b提供貫穿鏡頭14中將被機(jī)械加工的部分的相對均勻的冷卻程度。另 夕卜，優(yōu)選的是，至少一個噴嘴沿刀具18的移動方向噴射合成流體32，使得當(dāng)鏡頭14的形狀 在機(jī)械加工工藝期間改變時到達(dá)鏡頭14的合成流體32的量的改變被降低。還優(yōu)選的是，冷卻劑傳送系統(tǒng)20以產(chǎn)生小量或不產(chǎn)生以液相與鏡頭14的表面接 觸的低溫流體的方式操作。為了防止液相低溫流體與鏡頭14接觸，優(yōu)選地當(dāng)合成流體32 離開噴嘴22a、22b中任一個時以在合成流體32中產(chǎn)生不超過10% (以體積計)液相部分 的方式操作冷卻劑傳送系統(tǒng)20。更優(yōu)選而言，冷卻劑傳送系統(tǒng)20以所有液相低溫流體在離 開噴嘴22a、22b中任一個之前就蒸發(fā)了的方式操作。這可通過將節(jié)流氣體流速保持在足以 確保這種蒸發(fā)的水平來完成。用于控制節(jié)流氣體流速的機(jī)構(gòu)在PCT/US08/074506號PCT國 際申請中完全公開。在使用利用液態(tài)氮作為低溫流體的冷卻劑傳送系統(tǒng)20的原型執(zhí)行的測試中，可 實現(xiàn)低至-272° F/-169°C的合成流體溫度而沒有任何明顯的液相低溫流體從噴嘴22a、 22b排放?；谶@些測試，可實現(xiàn)低至-310° F/-190°C的合成流體溫度而只伴隨小量液相 低溫流體或沒有液相低溫流體接觸鏡頭14的表面。如本文中將更詳細(xì)地描述的，按照本發(fā)明，可有利地實現(xiàn)冷卻劑傳送系統(tǒng)20，以在機(jī)械加工工藝期間和機(jī)械加工工藝結(jié)束時均提供對被機(jī)械加工的零件的溫度的改進(jìn)的控 制。在機(jī)械加工鏡頭14之前，確定用于鏡頭14的被機(jī)械加工的部分的希望的溫度范 圍。希望的溫度范圍是在此范圍鏡頭14的機(jī)械加工將產(chǎn)生平滑、均勻的機(jī)械加工表面(參 見圖2B)的溫度范圍。已經(jīng)確定的是，對于大多數(shù)材料而言，希望的溫度范圍的上限(溫 度)不高于被機(jī)械加工的材料的玻璃化溫度，并且更優(yōu)選為比被機(jī)械加工的材料的玻璃化 溫度低至少20至30度。當(dāng)在(或稍低于)玻璃化溫度進(jìn)行機(jī)械加工時許多材料將產(chǎn)生平 滑的機(jī)械加工表面，但該表面將由于缺乏表面下的硬度而成波紋狀(不均勻)。
希望的溫度范圍將因材料而不同并且還可因其它機(jī)械加工條件而不同，例如，諸 如切削深度、切削速度和環(huán)境溫度。另外，實際上，鏡頭14的溫度(為了確定和監(jiān)控希望的 溫度范圍的目的)將是鏡頭14中將在機(jī)械加工工藝期間被切削的部分的表面溫度。在本 實施例中，鏡頭14為具有介于_5°C與15°C之間的玻璃化溫度的丙烯基疏水材料。已確定 鏡頭14中待機(jī)械加工的部分的希望的溫度范圍介于-40°C與-30°C之間。還已確定的是，為了實現(xiàn)鏡頭14的希望的溫度范圍，合成流體32的設(shè)定溫度通 常將明顯低于希望的溫度范圍，通常在低于被機(jī)械加工的部分的希望的溫度范圍的大約 100°C的數(shù)量級上。優(yōu)選地使用通過任何合適的溫度測量裝置(例如，諸如紅外線傳感器或 熱電偶)對鏡頭14的表面的溫度測量結(jié)果確定合成流體32的適當(dāng)?shù)脑O(shè)定溫度，該適當(dāng)?shù)?設(shè)定溫度將在機(jī)械加工期間將鏡頭14保持在希望的溫度范圍內(nèi)。合成流體32的適當(dāng)?shù)脑O(shè) 定溫度可提前確定和設(shè)定(例如，對于相同材料的重復(fù)機(jī)械加工而言)，或可通過將合適的 溫度反饋裝置與PLC相連并對PLC進(jìn)行編程以調(diào)節(jié)合成流體32的設(shè)定溫度，從而將鏡頭14 的溫度保持在希望的溫度范圍內(nèi)。冷卻劑傳送系統(tǒng)20設(shè)定并保持合成流體32的設(shè)定溫度的方式在PCT/ US08/074506號PCT國際申請中公開，如上所述，通過引用將該申請結(jié)合于本文中。冷卻劑 傳送系統(tǒng)20在某些操作條件下能夠?qū)⒑铣闪黧w32的溫度保持在設(shè)定溫度的5°C以內(nèi)，而在 幾乎所有通常的操作條件下保持在設(shè)定溫度的10°C以內(nèi)。圖8顯示了按照本發(fā)明的一種機(jī)械加工鏡頭14(或另一種低Tg材料)的方法的 流程圖。首先，接合卡盤16使得鏡頭14開始旋轉(zhuǎn)(步驟210)。然后，開始將處于設(shè)定溫度 的合成流體32排放到鏡頭14上(步驟212)并繼續(xù)到鏡頭14的表面被冷卻至處于希望的 溫度范圍以內(nèi)為止(步驟214)。這可通過使用監(jiān)控鏡頭14的溫度并連接到PLC(如果需要 其也可調(diào)節(jié)設(shè)定溫度)的傳感器來完成，或通過在已預(yù)先確定的時間段排放處于設(shè)定溫度 的合成流體32以使鏡頭14處于希望的溫度范圍內(nèi)來完成。一旦鏡頭14在希望的溫度范 圍內(nèi)，就開始(使用刀具18)機(jī)械加工鏡頭14(步驟216)。合成流體32的排放在機(jī)械加工 步驟216期間繼續(xù)。當(dāng)完成機(jī)械加工時(步驟218)，停止合成流體32的排放(步驟220) 并且可從卡盤16去除鏡頭14。冷卻劑傳送系統(tǒng)20還可有利地被用來改善具有高于室溫的玻璃化溫度的材料 (文中稱為“高Tg材料”)的機(jī)械加工性能。機(jī)械加工工藝產(chǎn)生的摩擦熱可將被機(jī)械加工的 零件的溫度升高到玻璃化溫度以上，在機(jī)械加工工藝期間這可導(dǎo)致局部熔化(導(dǎo)致拖尾) 和增加毛刺產(chǎn)生。本發(fā)明的冷卻劑傳送系統(tǒng)20的受控的低溫冷卻能力可用來將被機(jī)械加 工的材料的溫度保持在比高Tg材料的玻璃化溫度低很多，這已被顯示可用以改善被機(jī)械加工的高Tg材料的性能。例如，PEEK(具有138°C至149°C的玻璃化溫度)的常規(guī)干法機(jī)械加工產(chǎn)生明顯的 毛刺量(參見圖3A)。如圖3B中所示，當(dāng)執(zhí)行圖3A中所示的相同機(jī)械加工路線，同時通過 來自冷卻劑傳送系統(tǒng)20的合成流體32冷卻材料中被機(jī)械加工的部分時形成明顯更少的毛 刺。參照圖4，冷卻劑傳送系統(tǒng)120的受控的低溫冷卻能力還可有利地用來去除在主 機(jī)械加工工藝(即，切削、鏜孔、銑削等)結(jié)束時保留下的任何毛刺、膠邊、碎屑或其它不希 望有的突起。簡單起見，僅顯示了致冷劑傳送管線126和噴嘴122。應(yīng)當(dāng)理解的是，冷卻劑 傳送系統(tǒng)120還包括與第一實施例的冷卻劑傳送系統(tǒng)20相同的構(gòu)件。具有位于其上的毛刺134a、134b、134c的被機(jī)械加工的零件114示于圖4中。噴嘴122用來將合成流體噴射到毛刺134a、134b、134c上，這硬化了毛刺134a、134b、134c并 使它們更脆。然后使刷具136通過被機(jī)械加工的零件114的表面，其去除毛刺134a、134b、 134c。任選地，噴嘴122還可構(gòu)造成將一些合成流體132排放到刷具136上，其使刷具136 變硬。由于毛刺134a、134b、134c相對于被機(jī)械加工的零件的其余部分的小截面形狀，將毛 刺134a、134b、134c的溫度降低至希望的溫度范圍所需的冷卻量明顯低于所需的冷卻量。(既在機(jī)械加工期間，又在去毛刺期間)使用本發(fā)明的受控的低溫冷卻方法制成 的聚合物零件的表面質(zhì)量的改善在圖5A至6B中是顯而易見的。圖5A顯示了在其中干法 機(jī)械加工出(即，在沒有低溫冷卻的情況下)狹槽后的(由PEEK制成)的零件，并且該零 件已使用常規(guī)刷擦去毛刺技術(shù)進(jìn)行了去毛刺。圖5B顯示了在其中機(jī)械加工出相同狹槽同 時使用本發(fā)明的受控的低溫冷卻方法冷卻后的由相同材料制成的零件，并且該零件已通過 在使用處于-230° F/-146°C的溫度的合成流體低溫冷卻表面后刷擦零件的表面而被去毛 刺。盡管圖5A中所示的零件依然具有若干附連的毛刺并且顯示了沿著狹槽邊緣的一些不 規(guī)則性，但圖5B中所示的零件不具有毛刺并具有更均勻的狹槽邊緣。類似地，圖6A顯示了在不使用低溫冷卻被銑削而成并使用常規(guī)刷擦去毛刺技術(shù) 去毛刺后(由PEEK制成)的零件。圖6B顯示了在其中銑削相同圖案同時使用本發(fā)明的受 控制的低溫冷卻方法冷卻后的由相同材料制成的零件，并且該零件在低溫冷卻表面后已通 過刷擦零件表面而被去毛刺。盡管圖6A中所示的零件依然具有若干附連的毛刺，但圖6B 中所示的零件不具有毛刺。即使是在其中材料的整體溫度在機(jī)械加工工藝期間不超過其玻璃化溫度的應(yīng)用 中，低溫傳送系統(tǒng)的受控的低溫冷卻能力還可有利地用于提供對高Tg材料溫度的更大控 制的目的。由于摩擦熱和保留在加工工具構(gòu)件中的熱，大多數(shù)被機(jī)械加工的零件的溫度在 機(jī)械加工工藝期間升高，通常比環(huán)境溫度高很多。即使在其中這種升高的溫度未超過材料 的玻璃化溫度的情形中，它們也可不利地影響精度和效率。溫度升高可使得在機(jī)械加工工 藝結(jié)束時被機(jī)械加工的零件難于處理和/或測量——直到零件已冷卻為止。另外，在其中 使用同一刀具連續(xù)機(jī)械加工多個零件的機(jī)械加工工藝中，被機(jī)械加工的零件中溫度升高的 量可能增加。這可導(dǎo)致當(dāng)被機(jī)械加工的零件回到環(huán)境溫度時其尺寸的不希望有的變化。被機(jī)械加工的零件的溫度升高的影響和冷卻這種零件的益處的實例顯示在圖7 中。圖7是顯示了與由PEEK制成的零件相關(guān)的數(shù)據(jù)的表格，該零件以每分鐘650表面 英尺(每分鐘198表面米)的轉(zhuǎn)速和每轉(zhuǎn)0. 004英寸(0. 12厘米)的進(jìn)給速度被機(jī)械加工。環(huán)境溫度為約21°C并且允許各零件在被測量之前冷卻至環(huán)境溫度。樣本1至3 在機(jī)械加工工藝期間在未被冷卻的情況下被機(jī)械加工。樣本4至6在機(jī)械加工期間被 處于-260° F(-162°C)的設(shè)定溫度的合成流體冷卻。樣本7至8在機(jī)械加工期間被處 于-150° F(-101°C )的設(shè)定溫度的合成流體冷卻。樣本9至10在機(jī)械加工期間被處 于-50° F(-46°C)的設(shè)定溫度的合成流體冷卻。 測試結(jié)果顯示，在機(jī)械加工工藝期間被冷卻的樣本(樣本4至10)，其將各零件的 溫度保持在比無冷卻的情況下更接近環(huán)境溫度，展現(xiàn)出比未被冷卻的零件(樣本1至3)更 小的尺寸變化。還值得一提的是，樣本1(其在機(jī)械加工后達(dá)到105° F/45°C的溫度)與樣 本6(其在機(jī)械加工后僅達(dá)到55° F/13°C的溫度)之間出現(xiàn)0.001英尺的尺寸差。這說明 如果當(dāng)使用同一刀具連續(xù)機(jī)械加工多個零件時允許被機(jī)械加工的零件的溫度上升則可出 現(xiàn)尺寸變化。當(dāng)機(jī)械加工高Tg材料時，優(yōu)選地將高Tg材料在機(jī)械加工期間的溫度保持在介于 機(jī)械加工環(huán)境的環(huán)境溫度與高Tg材料的玻璃化溫度之間的溫度范圍內(nèi)。該溫度范圍的上 限還優(yōu)選為可在不具備保護(hù)性裝備的情況下處理被機(jī)械加工的零件的溫度(例如，不高于 100° F/38°C)。在大多數(shù)情形中，將高Tg材料冷卻到室溫以下將不損害被機(jī)械加工的零 件的質(zhì)量，然而，這種額外的冷卻將增加冷卻成本并且將提供即使有也很小的額外益處。由此，已根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例和備選實施例公開了本發(fā)明。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可從本發(fā)明的教導(dǎo)想到各種改變、改型和變型而不脫離本發(fā)明的預(yù)期精神和范圍?？?預(yù)期的是，本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
一種方法，包括使用包括節(jié)流氣體和低溫流體的合成流體將材料的一部分的溫度保持成處于或低于所述材料的玻璃化溫度，所述合成流體具有實質(zhì)上高于所述低溫流體的蒸發(fā)溫度的溫度；以及機(jī)械加工所述材料的所述部分，同時將所述材料的所述部分的溫度保持成處于或低于所述材料的玻璃化溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述機(jī)械加工步驟之前，使用所述合成流體將所述材料的被機(jī)械加工的部分冷卻至 第一溫度，所述第一溫度處于或低于所述材料的玻璃化溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述機(jī)械加工步驟包括機(jī)械加工具有低 于30°C的玻璃化溫度的材料的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持步驟包括保持材料的一部分的 溫度，所述材料包括生物聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述機(jī)械加工步驟包括刷擦所述材料以去除 位于所述材料上的突起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持步驟還包括使用噴嘴以在所述 合成流體接觸所述材料之前導(dǎo)致所述低溫流體的任何液相部分蒸發(fā)的方式將所述合成流 體排放到所述材料上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持步驟還包括從至少一個噴嘴排 放所述合成流體，當(dāng)所述合成流體從所述至少一個噴嘴排放時，合成流體包含以體積計不 超過10%的液相。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述保持步驟還包括保持材料的一部分的溫度低于所述材料的玻璃化溫度至少20°C ；以及所述機(jī)械加工步驟還包括機(jī)械加工所述材料的所述部分，同時保持所述材料的所述部 分的溫度低于所述材料的玻璃化溫度至少20°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述保持步驟還包括使用包括節(jié)流氣體 和低溫流體的合成流體保持材料的一部分的溫度低于所述材料的玻璃化溫度，所述合成流 體具有被保持在設(shè)定溫度的10°c以內(nèi)的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述保持步驟還包括使用包括節(jié)流氣體 和低溫流體的合成流體保持材料的一部分的溫度低于所述材料的玻璃化溫度，所述低溫流 體具有實質(zhì)上低于所述設(shè)定溫度的蒸發(fā)溫度。
11.一種方法，包括將節(jié)流氣體和至少部分為液相的低溫流體結(jié)合以形成合成流體；經(jīng)至少一個噴嘴將合成流體排放到材料的至少一部分上，當(dāng)所述合成流體從各所述至 少一個噴嘴排放時，合成流體包含以體積計不超過10%的液相低溫流體；機(jī)械加工所述材料；以及貫穿所述機(jī)械加工步驟繼續(xù)所述排放步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述方法，其特征在于，所述排放步驟還包括使所述合成流體經(jīng)至少一個噴嘴排放到材料的至少一部分上，所述合成流體以處于設(shè)定溫度的10°c以內(nèi)的溫 度排放，所述設(shè)定溫度高于所述低溫流體的蒸發(fā)溫度。
13.一種方法，包括機(jī)械加工材料的一部分；使用包括節(jié)流氣體和低溫流體的合成流體至少冷卻所述材料的所述部分，使得所述材 料的所述部分的溫度在所述機(jī)械加工步驟結(jié)束時在第一溫度范圍內(nèi)，所述合成流體具有實 質(zhì)上高于所述低溫流體的蒸發(fā)溫度的溫度，所述第一溫度范圍具有不低于環(huán)境溫度的溫度 下限和處于或低于所述材料的玻璃化溫度的溫度上限。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其特征在于，所述冷卻步驟包括使用包括節(jié)流氣體和低 溫流體的合成流體至少冷卻所述材料的所述部分，使得所述材料的所述部分的溫度在所述 機(jī)械加工步驟結(jié)束時在第一溫度范圍內(nèi)，所述合成流體具有高于所述低溫流體的蒸發(fā)溫度 的溫度，所述第一溫度范圍具有不低于環(huán)境溫度的溫度下限和不高于100°C的溫度上限。
15.一種方法，包括將合成流體排放到被機(jī)械加工的材料中包含突起的一部分上，所述合成流體包括節(jié)流 氣體和低溫流體，所述低溫流體具有高于所述低溫流體的蒸發(fā)溫度的溫度；以及在所述排放步驟后刷擦所述被機(jī)械加工的材料的所述部分以去除至少一些所述突起。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法和設(shè)備，其用于將包含節(jié)流氣體和低溫流體的合成流體(32)的溫度受控的流排放到材料(14)上，以在機(jī)械加工期間將材料的溫度保持在希望的溫度范圍內(nèi)并低于材料的玻璃化溫度。還公開了一種設(shè)備和方法，其用于通過將合成流體(132)的溫度受控的流排放到被機(jī)械加工的材料(114)上以硬化毛刺(134a)而對被機(jī)械加工的材料進(jìn)行去毛刺或去膠邊，然后刷擦材料(114)以去除變硬的毛刺(143a)。
文檔編號B26D3/00GK101868329SQ200880117462
公開日2010年10月20日 申請日期2008年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者D·J·吉布森, J·A·諾普夫, K·J·賈爾迪尼爾, R·戈什, T·梅布拉圖 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司