專利名稱：用于切削硬質(zhì)金屬以減小有害白層影響的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用硬質(zhì)切削工具切削(例如，通過除去碎片形式的多余材料來使零件成型)硬質(zhì)金屬材料的領(lǐng)域，尤其涉及減少硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械影響層(thermomechanically-affected layer)(如白層)和/或減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上有害影響的切削方法，所述有害影響是由于硬質(zhì)切削工具切削工件產(chǎn)生熱機(jī)械載荷而導(dǎo)致的。
特別是，本發(fā)明涉及使用刀刃硬度超過維氏1500的硬質(zhì)切削工具切削表面硬度在C級(jí)標(biāo)度下超過洛氏42度的硬質(zhì)金屬零件。通過在生產(chǎn)周期中減少熱處理和切削步驟，以及將緩慢的精磨操作的程度減至最小，對(duì)硬質(zhì)金屬或淬硬金屬零件的切削可以為制造業(yè)顯著節(jié)省費(fèi)用。隨著硬質(zhì)陶瓷切削工具和包括氧化鋁(Al2O3)，立方氮化硼(CBN)以及許多其他先進(jìn)材料的工具涂層的出現(xiàn)，硬質(zhì)金屬的切削已經(jīng)可行，包括外圓(OD)車削、內(nèi)圓車削(鏜孔)、切槽、切斷切削、端面車削、銑削、鉆孔以及眾多其他切削操作。
硬質(zhì)金屬切削廣泛使用的一個(gè)顯著限制就是所謂的“白層”效應(yīng)，一種工件切削面上微觀變化，該效應(yīng)是隨著切削工具對(duì)切削面施加極高的熱機(jī)械載荷而產(chǎn)生的。盡管還不能完全理解，但是由于相關(guān)的拉伸應(yīng)力，例如使所生產(chǎn)零件的抗疲勞性降低，斷裂韌性降低，和/或耐磨性降低，不希望出現(xiàn)含有耐蝕刻白層的熱機(jī)械影響的工件表面。參考B.J.Griffins的White Layer Formation at Machined Surfaceand Their Relationship to White Layer Formation at WornSurfaces，J.of Tribology 1985年4月Vol.107/165。
已經(jīng)公開的是鋒利和/或沒有磨損的刀刃，以及傳統(tǒng)的用水基乳化油冷卻劑浸沒切削工具，均有助于減少有害的拉伸應(yīng)力和白層。參考W.Konig，M.Klinger和R.Link的Machining Hard Materials withGeometrically Defined Cutting Edges-Field of Applications andLimitations，Annals of CIRP 1990年第57卷，61-64頁。用傳統(tǒng)的浸沒冷卻硬質(zhì)切削已被再次試驗(yàn)但證明是無效的。參考H.K.Tonshoff和H.G.Wobker的Potential and Limitaions of HardTurning，1st Int.Machining and Grinding Conf.，1995年9月12-14日，Dearborn，MI，SME Technical Paper MR95-215。此外，在使用廉價(jià)的Al2O3基刀具的情況下，鋒利的刀刃容易斷裂，剩下昂貴的CBN刀具作為目前唯一的選擇。已注意到的是，在硬質(zhì)切削中應(yīng)避免使用冷卻劑，這是因?yàn)槔鋮s加速了刀刃的磨損并縮短了用于精硬車削的CBN工具的整體壽命。參考T.J.Broskea的PCBN Tool Failure ModeAnalysis，Intertech 2000，Vancouver B.C.，Canada，July 17-21，2000。許多其他出版物和切削教科書也都指出對(duì)廉價(jià)的Al2O3刀具使用冷卻劑將導(dǎo)致快速斷裂。使用無需冷卻的CBN工具(干車削)時(shí)，在對(duì)普通硬化的軸承鋼52100進(jìn)行硬質(zhì)切削過程中，已經(jīng)驗(yàn)證了切削速度對(duì)白層厚度的影響。參考Y.K.Chou和C.J.Evans的ProcessEffects on White Layer Formation in Hard Turning，Trans.ofNAMRI/SME，Vol.XXVI，1998，pp117-122。結(jié)果顯示，只有相對(duì)較低的切削速度，即降低生產(chǎn)率，才能保證獲得可接受的較薄的白層。因此，目前的切削技術(shù)沒有在快速切削硬質(zhì)無白層零件和減少費(fèi)用方面提供解決方案。
需要獲得一種在硬質(zhì)切削過程中使工件表面變化最小的裝置和方法，特別是能夠使表面拉伸應(yīng)力和/或起伏應(yīng)力以及抗蝕刻白層(即“白層”的有害影響)消除或最小化。
進(jìn)一步需要獲得一種裝置和方法，即能生產(chǎn)更好的、使熱機(jī)械影響層(如“白層”)的有害影響更少的零件，同時(shí)能夠使生產(chǎn)更快捷、費(fèi)用更少，使用的工具更廉價(jià)。
發(fā)明概述申請(qǐng)人的發(fā)明是提供一種用于減少硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械影響層厚度的裝置和方法，以及一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的裝置和方法。本發(fā)明的另一方面是提供一種通過使用前述裝置和方法切削硬質(zhì)金屬工件的裝置和方法。本發(fā)明的其他方面是提供使用所述切削裝置和方法切削出的工件。
由于被切削的硬質(zhì)金屬工件使用的硬質(zhì)切削工具會(huì)在工件表面施加熱機(jī)械載荷，因此在減少被切削的硬質(zhì)金屬工件切削表面的熱機(jī)械影響層厚度的方法中，該方法的第一實(shí)施方案包括減少熱機(jī)械載荷。
該方法的第一實(shí)施方案可以具有不同的變型。在其中的一種變型中，硬質(zhì)金屬工件包括含鐵合金。在另一變型中，硬質(zhì)切削工具至少部分地由選自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷復(fù)合材料、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、類金剛石不含金屬的材料、氧化鋁基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化鎢基材料和金屬陶瓷型材料的材料制造。
在另一變型中，切削工具在接觸工件表面之前最初具有第一溫度，并且在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，通過冷卻切削工具至低于第一溫度的第二溫度，以降低熱機(jī)械載荷。在所述變型的一種變化中，使用一外部冷卻方式冷卻切削工具。在所述變化的一種改變中，該冷卻方式包括至少一種低溫流體。在另一種改變中，該冷卻方式包括至少一種惰性、無水冷卻劑。在又一個(gè)改變中，切削工具具有硬度和抗破裂性，使用冷卻方式冷卻切削工具導(dǎo)致了硬度增加或抗破裂性能的增加。
在所述方法的另一變型中，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，由此通過減少切削力分力可以降低熱機(jī)械載荷。該變型中還有多種改變。在一個(gè)改變中，切削工具具有一傾角(inclination angle)，通過使傾角更傾向于正值來減小切削力分力。(短語“使傾角更傾向于正值”將在本發(fā)明的詳述部分定義和論述。)在另一改變中，切削工具具有一刀面角(rakeangle)，通過使刀面角更傾向于正值來減小切削力分力。
在減少使用硬質(zhì)切削工具切削的硬質(zhì)金屬工件切削表面的熱機(jī)械影響層厚度的方法中，該方法的第二實(shí)施方案包括多個(gè)步驟。在該實(shí)施方案中，切削工具在接觸工件表面前最初具有第一溫度，然后對(duì)工件表面施加熱機(jī)械載荷，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加。該方法的第一步是在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，冷卻切削工具至低于第一溫度的第二溫度。第二步是減少切削力分力。
在用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的方法中，該熱機(jī)械載荷是通過使用硬質(zhì)切削工具切削工件由此形成切削面而施加到工件表面上的，該方法的第一實(shí)施方案包括使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面。
該方法的第一實(shí)施方案具有多種變型。在一種變型中，冷卻方式包括至少一種惰性無水冷卻劑。在另一種變型中，冷卻方式包括至少一種包含低溫流體的流或至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。在又一變型中，硬質(zhì)金屬工件包括含鐵合金。在又一變型中，硬質(zhì)切削工具至少部分地由選自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷復(fù)合材料、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、類金剛石不含金屬的材料、氧化鋁基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化鎢基材料和金屬陶瓷型材料的材料制造。
用于減輕有害影響的所述方法的第二實(shí)施方案與第一實(shí)施方案類似，但還包括同時(shí)使用冷卻方式冷卻切削工具。
用于減輕有害影響的所述方法的第三實(shí)施方案與第一實(shí)施方案類似，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第三實(shí)施方案的方法包括減少切削力的分力。在該實(shí)施方案的一個(gè)變型中，切削工具具有一傾角，通過使傾角更趨向于正值來減小切削力的分力，并且冷卻方式包括至少一種包含低溫流體的流或至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。
用于減輕有害影響的所述方法的第四實(shí)施方案與第三實(shí)施方案類似，但還包括同時(shí)使用冷卻方式冷卻切削工具。在第四實(shí)施方案的一個(gè)變型中，切削工具具有一傾角，通過使傾角更趨向于正值來減小切削力的分力，并且冷卻方式包括至少一種包含低溫流體的流，所述低溫流體具有至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。
本發(fā)明的另一方面是提供一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法。該方法具有多個(gè)實(shí)施方案。
在用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法的第一實(shí)施方案中，該實(shí)施方案使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減少，利用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的切削工具來切削工件，硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，該實(shí)施方案包括在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，冷卻切削工具至低于第一溫度的第二溫度。
在用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法的第二實(shí)施方案中，該實(shí)施方案使工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響減輕，該熱機(jī)械載荷是通過使用切削工具形成工件的切削面從而施加到工件表面上的，該實(shí)施方案包括使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面。
在用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法的第三實(shí)施方案中，該實(shí)施方案使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減少，使用硬質(zhì)切削工具切削工件，同時(shí)該硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該實(shí)施方案包括減少切削力的分力。
在用于切削的方法的第四實(shí)施方案中，與第一實(shí)施方案類似，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第四實(shí)施方案包括降低切削力的分力。
用于切削的方法的第五實(shí)施方案與第二實(shí)施方案類似，但還包括使用冷卻方式同時(shí)冷卻切削工具。
在用于切削方法的第六實(shí)施方案中，與第二實(shí)施方案類似，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第六實(shí)施方案包括減少切削力的分力。
用于切削的方法的第七實(shí)施方案與第六實(shí)施方案類似，但還包括同時(shí)使用冷卻方式冷卻切削工具。
本發(fā)明的另一方面是通過利用上述任一實(shí)施方案的切削方法切削的一種工件，其特征在于具有改善的表面或性能。
減少硬質(zhì)金屬工件切削表面熱機(jī)械影響層厚度的裝置的第一實(shí)施方案包括用于減少熱機(jī)械載荷的設(shè)備，該硬質(zhì)金屬工件通過使用在工件表面施加熱機(jī)械載荷的硬質(zhì)切削工具進(jìn)行切削。
該裝置的第一實(shí)施例可以具有不同的變型。在其中的一種變型中，硬質(zhì)金屬工件包括含鐵合金。在另一變型中，硬質(zhì)切削工具至少部分地由選自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷復(fù)合材料、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、類金剛石不含金屬的材料、氧化鋁基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化鎢基材料和金屬陶瓷型材料的材料制造。
通過使用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的切削工具以減少被切削的硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械影響層厚度的裝置的第二實(shí)施方案中，硬質(zhì)切削工具在工件表面施加熱機(jī)械載荷，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該第二實(shí)施方案包括在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，冷卻切削工具至低于第一溫度的第二溫度的設(shè)備；以及用于減少切削力分力的設(shè)備。
在用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的裝置的第一實(shí)施方案中，該熱機(jī)械載荷是通過使用切削工具切削工件由此形成切削面而施加到工件表面上，該實(shí)施方案包括使用至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻劑流來冷卻切削面的設(shè)備。在該實(shí)施方案的一個(gè)變型中，所述流包括至少一種惰性無水冷卻劑。在另一變型中，該至少一種流包括一種低溫流體或至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。
在用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的裝置的第二實(shí)施方案中，該熱機(jī)械載荷是通過使用硬質(zhì)切削工具切削工件由此形成切削面而施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，所述第二實(shí)施方案包括使用至少一種流來冷卻切削面的設(shè)備，其中所述流包含至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的惰性無水冷卻劑；和同時(shí)通過使用至少另一種包含至少一種惰性無水冷卻劑的流來冷卻切削工具的設(shè)備；以及用于減少切削力分力的設(shè)備。
本發(fā)明的另一方面是提供一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置。所述用于切削的裝置具有多個(gè)實(shí)施方案。
在用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置的第一實(shí)施方案中，該實(shí)施方案使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，使用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的切削工具來切削工件，硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，該實(shí)施方案包括在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，將切削工具冷卻至低于第一溫度的第二溫度的設(shè)備。
用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置的第二實(shí)施方案中，該實(shí)施方案用于減輕工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響，該熱機(jī)械載荷是通過使用硬質(zhì)切削工具形成工件的切削表面從而施加到工件表面上的，該實(shí)施方案包括使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的流體流來冷卻切削面的設(shè)備。
用于切削硬質(zhì)金屬工具的裝置的第三實(shí)施方案中，使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，使用將熱機(jī)械載荷施加于工件表面的硬質(zhì)切削工具來切削工件，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該實(shí)施方案包括用于減少切削力分力的設(shè)備。
在與第一實(shí)施方案類似的第四實(shí)施方案中，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第四實(shí)施方案包括用于減少切削分力的設(shè)備。
用于切削的裝置的第五實(shí)施方案與第二實(shí)施方案類似，但還包括通過至少一種其他流體流同時(shí)冷卻切削工具的裝置，所述冷卻方式是用于噴射流體流的設(shè)備。
用于切削的裝置的第六實(shí)施方案與第三實(shí)施方案類似，但還包括通過使用至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的流體流來噴射切削面的設(shè)備。
用于切削的裝置的第七實(shí)施方案與第六實(shí)施方案類似，但還包括用于同時(shí)向切削工具噴射至少一種其他流體流的設(shè)備。
本發(fā)明的另一方面是通過使用上述任一實(shí)施方案的切削裝置切削的一種工件，其特征在于所述工件具有改進(jìn)的表面或改進(jìn)的性能。
附圖簡(jiǎn)要說明本發(fā)明將結(jié)合附圖以實(shí)施例的方式詳細(xì)描述，其中

圖1A示出了使用實(shí)心棒材和圓形切削工具進(jìn)行外圓硬質(zhì)車削操作的示意圖，以及詳細(xì)說明如此切削的工件的典型表面下微觀結(jié)構(gòu)截面圖的圖示；圖1B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案，進(jìn)行類似于圖1A所示的外圓硬質(zhì)車削操作的示意圖；圖2是一圖表，示出了使用不同的切削速度、切削工具材料以及冷卻條件所進(jìn)行的8種測(cè)試條件下白層厚度的測(cè)量結(jié)果；圖3A示出了以700英尺/分鐘的速率，在不同切削工具材料和冷卻條件下硬質(zhì)車削所產(chǎn)生的表面下硬度變化的圖；圖3B所示圖表顯示了圖3A所示的四類樣品的殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果；圖4A示出了傳統(tǒng)硬質(zhì)車削方法的示意圖，其中傾角A-O-B是負(fù)值；圖4B示出了本發(fā)明實(shí)施方案的示意圖，其中傾角從圖4A所示負(fù)值增加到圖4B所示的正值B-O-C；以及圖4C示出了本發(fā)明另一實(shí)施方案的示意圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及通過硬質(zhì)切削工具使用一種方法切削硬質(zhì)金屬工件，所述方法能夠消除或減少包括但不局限于白層的熱機(jī)械影響層厚度，以及使用CBN工具材料、較廉價(jià)的Al2O3、碳化物、金屬陶瓷或其他硬質(zhì)工具材料高速切削而不產(chǎn)生多余的白層。在下文，術(shù)語“白層”指所有類型的“熱機(jī)械影響層”，包括但不局限于那些與表面拉伸應(yīng)力(例如，低疲勞強(qiáng)度，低斷裂韌性，和/或低耐磨性)相關(guān)的層。
根據(jù)本發(fā)明，通過如下所述一種或三種工藝(A，B，C)的結(jié)合，減少由切削工具施加于切削面上的熱機(jī)械載荷。
A通過精確對(duì)準(zhǔn)噴射或噴霧惰性無水冷卻劑冷卻切削工具，以便減少?gòu)臒岬牡毒呓缑鎮(zhèn)魉偷焦ぜ臒崃?，最?yōu)選使刀具成為用于工件表面的受熱器。
冷卻刀具噴嘴的溫度可以在+25℃至-250℃之間變化，優(yōu)選較低的低溫噴射溫度。用這種噴嘴冷卻刀具可以使切削零件的表面冷卻。此外，正如在硬質(zhì)切削試驗(yàn)中所觀察到的，與傳統(tǒng)切削工藝教導(dǎo)的不同，使用惰性無水冷卻噴霧能夠延長(zhǎng)Al2O3，CBN和其他硬質(zhì)切削工具的壽命，并且因此允許使用更鋒利的刀刃以產(chǎn)生較低的切削力和較薄的白層。
B使用與工藝A相同類型的正向碰撞冷卻噴射或噴霧冷卻所形成或所切削的工件表面。
基于觀察，似乎冷卻所切削工件表面降低進(jìn)入切削材料的熱滲透深度，并且由此減小了不希望有的材料變換的程度。工藝B的表面冷卻噴嘴可以與工藝A的刀具冷卻噴嘴分離；或者只用一個(gè)噴嘴，使其同時(shí)冷卻刀具和表面。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到，可以根據(jù)本發(fā)明使用工藝A和工藝B中的多個(gè)冷卻噴嘴或噴霧器。
C減少切削力在垂直于所切削工件表面的方向上的分力。
正如試驗(yàn)中觀察到的，切削力在垂直于所切削工件表面的方向上的分力看起來是進(jìn)入表面的熱流量和產(chǎn)生白層的重要來源。在經(jīng)常使用的外圓硬質(zhì)車削操作的情況下，其中法向力為徑向力，更趨向于正值的刀具傾角使得進(jìn)入表面的熱機(jī)械載荷減少。在垂直切削的情況下，法向力為進(jìn)刀力，具有更趨向于正值的刀面角將更加重要。在大多數(shù)普通切削的情況下，傾角和刀面角均比傳統(tǒng)的目前用于硬質(zhì)切削操作所使用的負(fù)值更趨向于正值。由于硬質(zhì)切削工具的壽命與正的傾角或刀面角成反比，所以如果結(jié)合工藝A實(shí)施，增大這些角度值是最有利的，其在硬質(zhì)切削過程中也能夠延長(zhǎng)工具的壽命。
圖1A是外圓硬質(zhì)車削操作的示意圖，包括一實(shí)心棒材即工件12以及一從工具刀面頂側(cè)觀察到的圓形切削工具14(帶有標(biāo)識(shí)為CT的切削刀片)。該視圖稱為X-Z平面視圖。通過切削工具施加于工件上的主切削力在X-Z上的投影表示為FXZ進(jìn)給或進(jìn)刀力，以及FXZ徑向或徑向力，其中進(jìn)刀力小于徑向力。所述工件切削面上熱機(jī)械影響層16的位置如圖1A所示。右圖詳細(xì)示出了所述切削工件的典型表面下微觀結(jié)構(gòu)的橫截面視圖，該圖可在放大倍數(shù)為3000至12000倍的掃描電鏡(SEM)下觀察到。將使用如下標(biāo)記OS-在硬質(zhì)車削過程中直接與切削工具接觸的外表面，WL-白層，DL-暗層，以及BM-基底金屬，其代表棒材原始的或未受影響的結(jié)構(gòu)。
基于對(duì)一普通軸承鋼即AISI52100(含1重量％的C和1.5重量％的Cr)進(jìn)行的SEM檢測(cè)，該鋼已被硬化到C級(jí)的洛氏硬度61并硬質(zhì)切削，白層(WL)是具有廣泛彌散分布的球狀碳化物的較差的蝕刻材料薄帶。下面的暗層(DL)比白層厚，且包含較多較大的碳化物顆粒，同時(shí)微觀特征顯示出具有馬氏體針和馬氏體銷。熱機(jī)械影響層不但包括白層(WL)和暗層(DL)，還向基底金屬延伸更深，且不能用簡(jiǎn)單顯微方法測(cè)量。因此，對(duì)熱機(jī)械影響層厚度的測(cè)定通?；?1)顯微測(cè)量具有良好對(duì)比性的白層(WL)，結(jié)合(2)對(duì)切削面下部材料機(jī)械性能的附加測(cè)量，如殘余應(yīng)力和顯微硬度的測(cè)量。
附圖1B同樣示出了切削工具14和工件12(棒材)的X-Z平面視圖，但不包括附圖1A中的表面下微觀結(jié)構(gòu)的橫截面圖。點(diǎn)CJXZ1和CJXZ2是低溫噴射——排出孔(未示出)優(yōu)選位置在X-Z面的投影，所述低溫噴射——排出孔將冷卻噴射流(18，20)對(duì)準(zhǔn)于切削工具的刀面、所述工件的切削面、任選地進(jìn)入位于切削工具和工件表面之間的間隙、恰好位于刀面以及切削工具——工件的接觸區(qū)域下部。因此，低溫噴射沖擊被限制在切削工具和工件切削面區(qū)域。重要的是不能在切削工具的上流冷卻棒材，因?yàn)檫@種冷卻增加了切削所需的機(jī)械能，即消除了冷卻效果且同時(shí)縮短了切削工具的壽命。如附圖1B所示，CJXZ1噴嘴可以在刀面上沿Y軸設(shè)置得高或低些，并且可以只沖擊沿接觸面長(zhǎng)度的刀面。這代表了如上所述的工藝A。或者，CJXZ1噴嘴也可以同時(shí)噴射切削工具的刀面和切削工具下流的切削面。這一可選方法結(jié)合了工藝A和B。CJXZ2噴嘴可以沿Y和Z軸，設(shè)置在切削工具的下面或后面，以便按照工藝B操作。如果從CJXZ1噴嘴噴射的射流18能足夠有效地冷卻切削面，則也可以省去CJXZ2噴嘴。進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)以測(cè)定工藝A、B和C效用的結(jié)果被總結(jié)在詳述試驗(yàn)條件的表1中。
表1



圖2示出了在8個(gè)試驗(yàn)條件下使用SEM測(cè)量白層厚度的結(jié)果。結(jié)果顯示更加鋒利且導(dǎo)熱性更強(qiáng)的CBN工具與Al2O3工具相比，傾向于產(chǎn)生較薄的白層。使用鋒利的工具導(dǎo)致了切削力法向分力的減小，并且使用導(dǎo)熱性更好的工具材料使得刀具溫度降低，這與我們的工藝A和C是相符的。但是，減少白層厚度最重要的因素是根據(jù)工藝A和B使用冷卻噴射，在不考慮使用工具和切削速度的情況下，它能夠減少大約40％的白層。最重要和最令人吃驚的發(fā)現(xiàn)是在噴射冷卻下使用Al2O3工具產(chǎn)生的白層，明顯比在傳統(tǒng)操作方法(即干切削)下使用CBN工具所產(chǎn)生的白層薄得多。此外，使用Al2O3工具在700英尺/分鐘的速度下產(chǎn)生的白層比使用CBN工具在400英尺/分鐘的速度下干切削產(chǎn)生的白層薄。因此，本發(fā)明能夠使硬質(zhì)切削的操作者更快地生產(chǎn)更好的零件，同時(shí)只花費(fèi)較低的刀具成本。
圖3A示出了使用CBN和Al2O3刀具以700英尺/分鐘的速度硬質(zhì)車削導(dǎo)致的表面下硬度的變化。當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的工藝A和B使用低溫冷卻噴射時(shí)，避免了傳統(tǒng)干式硬質(zhì)車削后在切削面下最初的15微米內(nèi)觀察到的不希望的工件材料的軟化。
圖3B繪出了與圖3A相同的4種樣品殘余應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果。在使用Al2O3的情況下，低溫噴射冷卻消除了傳統(tǒng)干式硬質(zhì)車削導(dǎo)致的大梯度的拉伸應(yīng)力。在使用CBN的情況下，低溫噴射使表面下應(yīng)力表現(xiàn)稍微壓縮，并且與使用Al2O3的情況相同，能夠使應(yīng)力隨深度的波動(dòng)平緩。圖3A和3B都示出了本發(fā)明的工藝A和B為硬質(zhì)切削表面的機(jī)械性能帶來了意想不到的改善。
與圖1B所示外圓硬質(zhì)車削的X-Z平面視圖一樣，圖4A，4B和4C示出了同樣的操作，但在X-Y平面上示出棒材或工件12端面的剖面圖以及切削刀片(CT)的側(cè)視圖。圖4A示出了傳統(tǒng)的硬質(zhì)車削方法，其中傾角A-O-B是負(fù)值。阻礙切削操作的工件—材料的反作用力在X-Y平面的投影即RXY裝配(match)，能夠以某種程度簡(jiǎn)化的形式示出，即表現(xiàn)為投影在相同X-Y平面上的兩個(gè)力的合力切向反作用切削力RXY切向和徑向反作用力RXY徑向的合力。所述徑向反作用力大于零，通常大于切向力或進(jìn)刀力(沿Z軸方向延伸)，并且在一些硬質(zhì)車削的情況下還大于切向力和進(jìn)刀力的合力。為了平衡徑向反作用力，通過切削刀具施加在工件表面的徑向力FXY徑向必須同樣大，由此導(dǎo)致由切削工具施加到工件表面的高熱機(jī)械載荷，并由此形成了較厚的白層。
圖4B示出了對(duì)傳統(tǒng)切削幾何(圖4A)的改進(jìn)，即傾角B-O-C從圖4A中最初的負(fù)值(由A-O-B表示)增加為新的正值，從而導(dǎo)致徑向反作用力RXY徑向的方向反向。實(shí)際上，增大或使傾角更傾向于正值可以使切削工具所需的徑向力減小至零或小于零，從而導(dǎo)致工件表面熱機(jī)械影響層減小。這一切削幾何的改進(jìn)體現(xiàn)了本發(fā)明的工藝C。這一工藝可以擴(kuò)展到硬質(zhì)端面切削和硬質(zhì)垂直切削操作中，其中如果有效刀面角比傳統(tǒng)采用的負(fù)角更趨向于正值，那么施加在工件表面的熱機(jī)械載荷就會(huì)減小，并且熱機(jī)械影響層也會(huì)變薄。
增加的傾角和/或刀面角可以在用于硬質(zhì)切削中的典型脆性刀具的刀刃周圍產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。在傳統(tǒng)工藝所使用的干切削的條件下，這樣的拉伸應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致刀具過早損壞。正如所觀察到的，在硬質(zhì)切削過程中，當(dāng)至少一種冷卻射流或噴霧對(duì)準(zhǔn)切削工具的刀面時(shí)，損壞頻率就會(huì)降低且工具壽命得以延長(zhǎng)，其中使用的冷卻液為惰性無水的且優(yōu)選低溫冷卻流體。(術(shù)語“惰性”指冷卻流體不會(huì)與硬質(zhì)金屬反應(yīng)并且不會(huì)降低硬質(zhì)金屬或硬質(zhì)切削工具的機(jī)械性能。)圖4C示出了與圖1B X-Z平面視圖中所示噴嘴相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)冷卻噴嘴CJXY1和CYXY2在X-Y平面的投影。如圖4C所示，在硬質(zhì)切削過程中當(dāng)CJ1或CJ1和CJ2一同噴射冷卻劑時(shí)，從產(chǎn)品和成本的立場(chǎng)看，實(shí)施工藝C是最具有優(yōu)勢(shì)的。
在硬質(zhì)切削過程中，本發(fā)明通過降低在硬質(zhì)切削過程中由切削工具施加在工件材料表面上的熱機(jī)械載荷，可以使切削工件表面的有害白層和其他熱機(jī)械影響層最少化。如上所述，本發(fā)明包括的3個(gè)工藝(A，B，C)，其可以單獨(dú)使用或組合使用(AB，AC，BC，ABC)。
盡管在這里結(jié)合特定實(shí)施方案進(jìn)行了說明和描述，但本發(fā)明并不局限于所示的細(xì)節(jié)。相反，在與權(quán)利要求等同范圍的細(xì)節(jié)內(nèi)和不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的情況下，可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種減少硬質(zhì)金屬工件切削表面上熱機(jī)械影響層厚度的方法，該硬質(zhì)金屬工件由在工件表面施加熱機(jī)械載荷的硬質(zhì)切削工具切削，該方法包括降低熱機(jī)械載荷。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中與工件表面接觸前，切削工具最初具有第一溫度，并且在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，通過將切削工具冷卻至低于第一溫度的第二溫度來降低熱機(jī)械載荷。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其中使用外部冷卻方式冷卻該切削工具。
4.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述冷卻方式包括至少一種惰性無水冷卻劑。
5.一種如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述冷卻方式包括至少一種低溫流體。
6.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，并且其中通過減小切削力分力來降低熱機(jī)械載荷。
7.一種如權(quán)利要求6所述的方法，其中該切削工具具有一傾角，并且其中通過使該傾角更趨向于正值來減小切削力的分力。
8.一種如權(quán)利要求6所述的方法，其中該切削工具具有一刀面角，并且其中通過使該刀面角更趨向于正值來減小切削力的分力。
9.一種如權(quán)利要求4所述的方法，其中該切削工具具有一硬度和抗破裂性，并且其中使用冷卻方式冷卻切削工具導(dǎo)致硬度增大或抗破裂性增強(qiáng)。
10.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述硬質(zhì)金屬工件包括含鐵合金。
11.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述硬質(zhì)切削工具至少部分由選自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷復(fù)合材料、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、類金剛石不含金屬的材料、氧化鋁基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化鎢基材料和金屬陶瓷型材料的材料制造。
12.一種減小由在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的硬質(zhì)切削工具切削的硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械影響層厚度的方法，其中該硬質(zhì)切削工具在工件表面施加熱機(jī)械載荷，至少部分所述熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括如下步驟在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，冷卻切削工具至低于第一溫度的第二溫度；以及減少切削力分力。
13.一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的方法，其中該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該方法包括使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面。
14.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述冷卻方式包括至少一種包含低溫流體的流或至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。
15.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述冷卻方式包括至少一種惰性無水冷卻劑。
16.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中該硬質(zhì)金屬工件包括含鐵合金。
17.一種如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述硬質(zhì)切削工具至少部分由選自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷復(fù)合材料、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、類金剛石不含金屬的材料、氧化鋁基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化鎢基材料和金屬陶瓷型材料的材料制造。
18.一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的方法，其中該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該方法包括如下步驟使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面；以及同時(shí)使用該冷卻方式冷卻切削工具。
19.一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的方法，其中該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括如下步驟使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面；以及減少切削力分力。
20.一種如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述切削工具具有一傾角，并且其中通過使該傾角更趨向于正值來減小切削力的分力，并且所述冷卻方式包括至少一種包含低溫流體的流或至少一種溫度低于約約-75℃的冰粒。
21.一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的方法，其中該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括如下步驟使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面；和同時(shí)使用該冷卻方式冷卻切削工具；以及減少切削力分力。
22.一種如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述切削工具具有一傾角，并且其中通過使該傾角更趨向于正值來減小切削力的分力，并且所述冷卻方式包括至少一種包含低溫流體的流，其中所述低溫流體含有至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。
23.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，利用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的硬質(zhì)切削工具來切削工件，該硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于該工件表面，該方法包括在該切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，冷卻該切削工具至低于第一溫度的第二溫度。
24.一種用如權(quán)利要求23所述的方法切削的工件，其特征在于該工件具有改善的表面或性能。
25.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響減輕，該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該方法包括使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面。
26.一種用如權(quán)利要求25所述的方法切削的工件，其特征在于該工件具有改善的表面或性能。
27.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，該工件用硬質(zhì)切削工具切削，該硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括降低切削力的分力。
28.一種用如權(quán)利要求27所述的方法切削的工件，其特征在于該工件具有改善的表面或性能。
29.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，利用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的硬質(zhì)切削工具來切削工件，該硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括如下步驟在該切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，冷卻該切削工具至低于第一溫度的第二溫度；以及減少切削力分力。
30.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響減輕，該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該方法包括如下步驟使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面；以及同時(shí)使用該冷卻方式冷卻切削工具。
31.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響減輕，該熱機(jī)械載荷是由形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括如下步驟使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面；以及減少切削力分力。
32.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的方法，借此使工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響減輕，該熱機(jī)械載荷是由形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該方法包括如下步驟使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻方式冷卻切削面；同時(shí)使用該冷卻方式冷卻切削工具；以及減少切削力分力。
33.一種減少硬質(zhì)金屬工件切削表面上熱機(jī)械影響層厚度的裝置，該硬質(zhì)金屬工件由在工件表面施加熱機(jī)械載荷的硬質(zhì)切削工具切削，該裝置包括用于減少熱機(jī)械載荷的設(shè)備。
34.一種如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述硬質(zhì)金屬工件包括含鐵合金。
35.一種如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述硬質(zhì)切削工具至少部分由選自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷復(fù)合材料、陶瓷-金屬?gòu)?fù)合材料、類金剛石不含金屬的材料、氧化鋁基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化鎢基材料和金屬陶瓷型材料的材料制造。
36.一種減少由在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的硬質(zhì)切削工具切削的硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械影響層厚度的裝置，該硬質(zhì)切削工具在工件表面施加熱機(jī)械載荷，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該裝置包括在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，將切削工具冷卻至低于第一溫度的第二溫度的設(shè)備；以及用于降低切削力分力的設(shè)備。
37.一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的裝置，該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該裝置包括用至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的冷卻劑流來冷卻切削面的設(shè)備。
38.一種如權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述至少一種流包含一種低溫流體或至少一種溫度低于約-75℃的冰粒。
39.一種如權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述流包含至少一種惰性無水冷卻劑。
40.一種用于減輕硬質(zhì)金屬工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響的裝置，該熱機(jī)械載荷是由切削工件由此形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該裝置包括使用至少一種流來冷卻切削面的設(shè)備，其中所述流包含至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的惰性無水冷卻劑；通過使用至少另一種包含至少一種惰性無水冷卻劑的流來同時(shí)冷卻切削工具的設(shè)備；以及用于減少切削力分力的設(shè)備。
41.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置，借此使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，使用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的硬質(zhì)切削工具來切削工件，該硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，該裝置包括在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，將切削工具冷卻至低于第一溫度的第二溫度的設(shè)備。
42.一種使用權(quán)利要求41所述的裝置切削的工件，其特征在于所述工件具有改善的表面和性能。
43.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置，借此減輕工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響，該熱機(jī)械載荷是由形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該裝置包括使用起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的流體流來冷卻切削面的設(shè)備。
44.一種使用權(quán)利要求43所述的裝置切削的工件，其特征在于所述工件具有改善的表面和性能。
45.一種用于切削硬質(zhì)金屬工具的裝置，借此使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，使用將熱機(jī)械載荷施加于工件表面的硬質(zhì)切削工具來切削工件，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該裝置包括用于降低切削力分力的設(shè)備。
46.一種使用權(quán)利要求45所述的裝置切削的工件，其特征在于所述工件具有改善的表面和性能。
47.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置，借此使工件切削面上的熱機(jī)械影響層厚度減小，使用在接觸工件表面之前最初具有第一溫度的硬質(zhì)切削工具來切削工件，該硬質(zhì)切削工具將熱機(jī)械載荷施加于工件表面，至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，所述裝置包括在切削工具接觸工件表面之前或當(dāng)工件被切削時(shí)，將切削工具冷卻至低于第一溫度的第二溫度的設(shè)備；以及用于降低切削力分力的設(shè)備。
48.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置，借此減輕工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響，該熱機(jī)械載荷是由形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，該裝置包括使用至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的流體流來噴射切削面的設(shè)備；以及用于同時(shí)向切削工具噴射至少一種其他流體流的設(shè)備。
49.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置，借此減輕工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響，該熱機(jī)械載荷是由形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該裝置包括使用至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的流體流來噴射切削面的設(shè)備；以及用于減少切削力分力的設(shè)備。
50.一種用于切削硬質(zhì)金屬工件的裝置，借此減輕工件切削面上熱機(jī)械載荷的有害影響，該熱機(jī)械載荷是由形成切削面的硬質(zhì)切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分熱機(jī)械載荷是切削力的分力，該分力沿垂直于工件表面的方向被施加，該裝置包括使用至少一種起始溫度在約-250℃至約+25℃范圍內(nèi)的流體流來噴射切削面的設(shè)備；用于同時(shí)向切削工具噴射至少一種其他流體流的設(shè)備；以及用于減少切削力分力的設(shè)備。
全文摘要
公開了一種減少由在工件表面施加熱機(jī)械載荷的硬質(zhì)切削工具切削的硬質(zhì)金屬工件切削表面上熱機(jī)械影響層厚度的裝置和方法。該方法包括減小工件表面的熱機(jī)械載荷，并且該裝置包括用于減小工件表面熱機(jī)械載荷的設(shè)備。
文檔編號(hào)B23B1/00GK1646259SQ03807752
公開日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2003年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月4日
發(fā)明者Z·祖雷基, R·格霍斯, J·H·弗雷, J·B·泰勒 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司