專利名稱：生產(chǎn)納米晶碎片的方法
生產(chǎn)納米晶碎片的方法 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考本申請(qǐng)要求2005年5月3日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) No.60/677,248的權(quán)益，并為2004年1月30日提交的共同待審美國(guó)專 利申請(qǐng)No.10/707,999的部分繼續(xù)專利申請(qǐng)，美國(guó)專利申請(qǐng) No.10/707,999為要求2000年10月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) No.60/244，087的權(quán)益的美國(guó)專利6,706,324的分案申請(qǐng)。本文引入這 些在先申請(qǐng)的內(nèi)容作為參考。
背景技術(shù)：
本發(fā)明 一般涉及生產(chǎn)具有納米晶微結(jié)構(gòu)的材料和制品的 方法，更具體地，涉及通過(guò)機(jī)械加工和然后使用納米晶材料形成產(chǎn)品 來(lái)生產(chǎn)這樣的材料和制品的方法。通過(guò)施加非常大的塑性應(yīng)變使金屬合金變形可獲得巨大 益處。這些中最主要的是微結(jié)構(gòu)細(xì)化和增強(qiáng)的機(jī)械和物理性質(zhì)。目前 特別關(guān)注的是使用"嚴(yán)格"塑性變形(SPD, "severe" plastic deformation) 產(chǎn)生具有超細(xì)晶粒微結(jié)構(gòu)(UFG, ultra-fine grained microstmctures)的本 體固體(bulk solids)，尤其是具有特征在于晶體中排列的其原子的公稱 尺寸小于1孩i米的納米晶結(jié)構(gòu)(NS， nanocrystalline structures)。纟內(nèi)米晶 固體變得引人關(guān)注是因?yàn)樗鼈兯坪蹙哂杏行У难有?、可成形性和耐?紋擴(kuò)展性，并具有令人感興趣的化學(xué)、光、磁和電性質(zhì)。納米晶固體 還似乎對(duì)輻射和機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)與微晶材料(公稱尺寸為1微米至小 于1毫米的晶體)有相當(dāng)大不同，并且它們的反應(yīng)可通過(guò)改變晶體尺寸 變化。通過(guò)固結(jié)納米晶粉末制備的材料還表現(xiàn)出具有在常規(guī)材料中一 般不存在的增強(qiáng)屬性。因此，納米晶材料被認(rèn)為具有用于工業(yè)應(yīng)用的 相當(dāng)大潛力，只要它們能以成本節(jié)約的方式制造即可。多階段變形處理是研究由非常大的應(yīng)變變形產(chǎn)生的微結(jié) 構(gòu)變化的最廣泛使用的試驗(yàn)方法之一。值得注意的例子包括軋制、拉 伸和等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE, equal channel angular extrusion)這類技 術(shù)。在這種方法中，通過(guò)多個(gè)階段中變形的累積施加在試樣中施加非
4常大的塑性應(yīng)變(4或更多個(gè)真實(shí)塑性應(yīng)變)，每個(gè)變形階段中的有效 應(yīng)變?yōu)榇蠹s1。使用多階段變形處理已在各種延性金屬和合金中證明 微和納米結(jié)晶結(jié)構(gòu)的形成。但是，這類處理技術(shù)存在明顯限制和缺陷。 明顯限制是不能在非常強(qiáng)硬材料如工具鋼中誘導(dǎo)大應(yīng)變。其它限制包 括不能在單個(gè)變形階段中施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的應(yīng)變、變形場(chǎng)的相當(dāng)大不 確定性以及對(duì)變形場(chǎng)重要變量如應(yīng)變、溫度、應(yīng)變率和相變的最小控 制，這些重要變量被預(yù)期對(duì)微結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)形成有主要影響。最廣泛使用的合成納米晶金屬的技術(shù)是從氣相冷凝金屬 原子。在這種技術(shù)中，通過(guò)加熱來(lái)蒸發(fā)金屬，然后通過(guò)暴露于惰性氣 體如氦氣或氬氣冷卻蒸發(fā)的原子以防止化學(xué)反應(yīng)，于是能保持金屬的 純度。冷卻的原子凝結(jié)成尺寸一般在l-200nm范圍內(nèi)的單晶簇。陶瓷 納米晶的產(chǎn)生是類似的，除了使蒸發(fā)的金屬原子在允許它們凝結(jié)前與 合適的氣體例如在氧化物陶瓷情況下為氧氣反應(yīng)。得到的晶體可被壓 實(shí)并燒結(jié)形成制品，通常在比相同材料的微晶粉末所需溫度低的燒結(jié) 溫度下。盡管適合對(duì)粒度良好控制地制造粉末和小的壓實(shí)樣品，但凝 結(jié)方法目前對(duì)于除實(shí)驗(yàn)外的大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)不實(shí)用。凝結(jié)方法的特別 限制性方面是不能形成合金的納米晶材料，因?yàn)閺臍庀嚯y以控制材料 組成。凝結(jié)方法的另一個(gè)限制性方面在于由于產(chǎn)生的納米尺寸顆粒而 更難以獲得高的未燒結(jié)密度(green densities)。被探索的合成納米晶的 其它方法包括氣溶膠、溶膠-凝膠、高能量球磨和水熱法。但是，這些 技術(shù)不能以實(shí)際應(yīng)用可接受的成本生產(chǎn)納米晶材料。從上文可看出，如果更加可控和優(yōu)選低成本方法可用于合 成用在產(chǎn)品制造中的納米晶固體，則是理想的。如果這類方法能生產(chǎn) 各種材料包括難以或不能使用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)加工的非常硬材料和合金 的納米晶固體，則將是理想的。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明提供一種生產(chǎn)包含納米晶微結(jié)構(gòu)的制品的方法，尤 其涉及一種可控地生產(chǎn)具有所需形狀和尺寸的納米晶碎片的方法。該方法通常需要用切削工具機(jī)械加工物體生產(chǎn)具有納米 晶微結(jié)構(gòu)的多晶碎片。特別地，以生產(chǎn)基本(essentially)由納米晶組成 的碎片的方式機(jī)械加工物體，而生產(chǎn)基本由納米晶組成的碎片是由于機(jī)械加工操作以施加足夠大的應(yīng)變變形的方式進(jìn)行。物體可由各種材
料形成，包括金屬、金屬合金、金屬間化物(intermetallics)和陶瓷材料。 此外，物體可具有基本不含納米晶的微結(jié)構(gòu)，并甚至可具有單晶微結(jié) 構(gòu)。通過(guò)機(jī)械加工操作生產(chǎn)的碎片可為顆粒(particulates)、帶(ribbons)、 線(wires)、絲(filaments)和/或片(platelets)的形式。該方法還需要在切削工具上施加疊加調(diào)制(superimposed modulation)以便相對(duì)于正一皮機(jī)械加工的物體移動(dòng)切削工具和造成切削 工具和物體在切削工具和物體之間接觸點(diǎn)處的瞬間和定期分離，其中
切削工具和物體之間的每次分離都產(chǎn)生碎片。按照這種方式，碎片的 形狀和尺寸至少部分由調(diào)制(modulation)循環(huán)確定，尤其是由切削工具 與正祐:才幾才成加工的物體嚙合(engaged)的時(shí)間長(zhǎng)度確定。
粉碎)形成產(chǎn)品，從而/^品基本上;基。本或全部由納米晶或由納米;曰生 長(zhǎng)的晶粒組成的納米晶整體材料?；蛘撸蓪⑺槠稚⒃诨|(zhì)材料中， 從而產(chǎn)品為碎片作為增強(qiáng)材料被分散的復(fù)合材料。另 一種替代方案是 通過(guò)使碎片變形和/或從碎片中除去材料而完全由單一碎片形成整體制品。本發(fā)明的上述方面基于以下確定情況，即可通過(guò)在合適條 件下機(jī)械加工來(lái)產(chǎn)生非常大的應(yīng)變變形，包括高應(yīng)變率(strain rates) 如約0.5到約10的塑性應(yīng)變和高達(dá)至106/秒的應(yīng)變率，在材料中形成 納米晶結(jié)構(gòu)。被認(rèn)為能產(chǎn)生合適納米晶結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工方法包括切削 和研磨技術(shù)。切削速度似乎不是決定性的，使得如果使用切削工具執(zhí) 行機(jī)械加工操作的話，可使用基本上任何切削速度。由于碎片的生產(chǎn) 方法為參數(shù)可被精確控制的機(jī)械加工操作，因此對(duì)于給定物體材料， 可精確和反復(fù)地得到碎片所需納米晶微結(jié)構(gòu)。此外，本發(fā)明的調(diào)制輔 助機(jī)械加工步驟能控制地生產(chǎn)用在各種應(yīng)用中的具有各種晶粒尺寸 和宏觀形狀的碎片?？衫帽景l(fā)明對(duì)正被機(jī)械加工制品有最小影響地 實(shí)現(xiàn)納米晶碎片的生產(chǎn)，從而可作為現(xiàn)有制造操作的有用副產(chǎn)物來(lái)生 產(chǎn)納米晶碎片。鑒于上述內(nèi)容，本發(fā)明提供一種合成可用于生產(chǎn)整體和復(fù) 合產(chǎn)品的納米晶固體的可控和低成本方法。本發(fā)明的方法還能夠由使 用現(xiàn)有技術(shù)難以或不能加工的材料如用多階段變形處理不能加工的非常硬的材料和用凝結(jié)方法不能加工的合金生產(chǎn)納米晶固體。從下面的詳細(xì)描述中將更好地理解本發(fā)明的其它目的和 優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示意地表示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案用切削工具機(jī) 械加工物體生產(chǎn)納米晶碎片的方法。圖2和3為通過(guò)本發(fā)明的調(diào)制輔助機(jī)械加工技術(shù)生產(chǎn)的納 米晶碎片的掃描圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供一種通過(guò)調(diào)制的機(jī)械加工直接生產(chǎn)納米晶碎 片的方法。直接由本體材料(bulk material),包括金屬、金屬合金、金 屬間化物(intermetallics)和陶f(shuō):制造碎片。此外，本體材料可具有基本 不含納米晶的微結(jié)構(gòu)。選擇機(jī)械加工條件以引發(fā)導(dǎo)致具有納米晶微結(jié) 構(gòu)的碎片形成的嚴(yán)格塑性變形，同時(shí)在機(jī)械加工操作上疊加調(diào)制條件 以控制納米晶碎片的尺寸和形狀，這提供了碎片長(zhǎng)度在幾納米到幾毫 米范圍內(nèi)的可能性。由于可通過(guò)本發(fā)明的調(diào)制的機(jī)械加工方法直接生 產(chǎn)可控的形貌、尺寸和形狀的納米晶碎片，因此消除了對(duì)額外的輔助 粉碎步驟的需要。利用受控的調(diào)制，可以生產(chǎn)具有一定尺寸和形狀的 納米晶碎片，包括等軸顆粒(叫ui-axial particulates),帶(ribbons)、線 (wires)、絲(filaments)和片(platelets)。因此，術(shù)語(yǔ)"碎片"在本文中用于 包括可通過(guò)機(jī)械加工操作生產(chǎn)的基本上任何的形式。普通轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利6,706,324公開了用于納米晶材料大 規(guī)模生產(chǎn)的機(jī)械加工技術(shù)，該技術(shù)基于以下斷言，即機(jī)械加工中碎片 形成期間的高應(yīng)變變形導(dǎo)致金屬和合金中明顯晶粒細(xì)化和納米晶微 結(jié)構(gòu)形成。在碎片剪切面(shearplane)中出現(xiàn)的變形可根據(jù)圖l看到， 其表示利用楔形壓頭(工具)的工件表面的機(jī)械加工。由于大的應(yīng)變變 形被除去的材料即碎片在稱為傾面(rake face)的工具表面上滑動(dòng)。工具 的傾面和工作表面法線之間的角稱為傾角(rake angle)(a)。穿透工件的 楔的邊緣為切削邊緣(cutting edge)。工具和工件之間的過(guò)盈量 (interference amount)為切口的未變形碎片厚度深度(to),工具和工件之
7間的相對(duì)速度為切削速度(VC)。當(dāng)工具切削邊緣垂直于切削速度并且 切口寬度相比于切削邊緣長(zhǎng)度和to是小的時(shí)候，平面應(yīng)變變形狀態(tài)占 主導(dǎo)，其被認(rèn)為是機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)和理論研究的優(yōu)選構(gòu)造。觀察到圖1中的碎片形成是因沿稱為剪切面的面的集中 剪切而發(fā)生，其中在碎片形成期間施加剪切應(yīng)變Cy)。可由下面的方程 (l)估計(jì)剪切應(yīng)變
Y = cos a / sin <j> cos (方程1)
其中剪切面角(O)為to和tc的已知函數(shù)?？墒褂梅匠?預(yù)測(cè)有效 Von Mises應(yīng)變(e):
s-y/(3f (方程2>
方程(l)表明，通過(guò)改變傾角(a)從大的正值到大的負(fù)值，可在寬范 圍內(nèi)改變剪切應(yīng)變(力(見圖1)。另外，工具-碎片界面處的摩擦也通過(guò) 它對(duì)剪切面角O的影響來(lái)影響剪切應(yīng)變(力。鑒于上述內(nèi)容，并如文獻(xiàn)中所才艮道，利用合適的機(jī)械加工 條件如寬的剪切面溫度范圍，可產(chǎn)生在約0.5到約10范圍內(nèi)的有效塑 性應(yīng)變和達(dá)到106/秒的應(yīng)變率。值的這些范圍顯著地大于在典型嚴(yán)格 塑性變形過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)的范圍。機(jī)械加工的幾何參數(shù)如切口深度(to)、 傾角(a)和切削速度(vc)以類似于鍛造或擠出中的模的作用的方式影響 剪切變形。通過(guò)改變工具傾角可在約0.5到約10的范圍內(nèi)系統(tǒng)地改變 碎片中沿剪切面(變形區(qū)域)的有效塑性應(yīng)變，并通過(guò)改變工具和碎片 之間的摩擦，至更小的程度。通過(guò)改變工具幾何參數(shù)連同過(guò)程參數(shù)如 Vc和to可改變剪切面上的平均剪切和法向應(yīng)力，同時(shí)可由力的測(cè)量得 到這些應(yīng)力的值。最后，通過(guò)改變切削速度可系統(tǒng)地改變變形區(qū)域中 的溫度。例如，通過(guò)在非常低的速度(約0.5 mm/s)下切削，可保持溫 度或多或少地(marginally)超過(guò)環(huán)境溫度同時(shí)實(shí)現(xiàn)非常大的應(yīng)變變形。 或者，可通過(guò)增加切削速度至更高值例如約1到約2m/s來(lái)實(shí)現(xiàn)可期 望在碎片中發(fā)生相變(例如馬氏體相變，熔化)的溫度。此外，使用工 具涂料、工具-碎片界面的低頻調(diào)制和確保潤(rùn)滑劑總是存在于工具和碎
片之間界面處的潤(rùn)滑的組合證實(shí)了改變沿工具-碎片界面的摩擦高達(dá) 3倍的能力。在機(jī)械加工操作中可控制摩擦(以及上面討論的其它參數(shù) 和條件)的程度在其它嚴(yán)格塑性變形過(guò)程中是不可能的?？傊墒褂?br> 8可用的機(jī)械學(xué)模型很好估計(jì)或通過(guò)直接測(cè)量得到變形區(qū)域中的溫度、 應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和速度場(chǎng)。因此，可在寬范圍內(nèi)施加和系統(tǒng)地改
變非常大的應(yīng)變變形條件，該范圍超過(guò)了 (over and beyond)目前其它嚴(yán) 格塑性變形過(guò)程中可得到的范圍。鑒于上述內(nèi)容，美國(guó)專利6,706,324提供了與其它方法相 比在更寬的材料組中并以更低的成本生產(chǎn)納米晶結(jié)構(gòu)的原理(basis)。 例如，用+5度傾角工具由6061-T6鋁原料機(jī)械加工的碎片被生產(chǎn)具有 一般晶粒尺寸為約75nm的一般等軸晶粒。由于機(jī)械加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn) 的晶粒細(xì)化，碎片表現(xiàn)出約150HV的硬度，其比原始本體原料(bulk stock)硬高達(dá)50%。這類納米晶碎片可通過(guò)粉末冶金(PM)工藝結(jié)合 (consolidated)成部件或結(jié)構(gòu)或用作金屬和聚合物基質(zhì)復(fù)合材料中的重 要成分。盡管美國(guó)專利6,706,324公開了可通過(guò)輔助粉碎(例如球磨、 碾磨、噴射研磨等)生產(chǎn)具有所需形狀和尺寸的碎片，但本發(fā)明的調(diào)制 技術(shù)直接通過(guò)機(jī)械加工過(guò)程生產(chǎn)具有所需形狀和尺寸的碎片。更特別
則未切削的碎片厚度在每個(gè)調(diào)制循環(huán)中等于零，有效地破碎了碎片。 當(dāng)調(diào)制峰間(peak-to-peak)振幅大于工具進(jìn)給率(feedrate)并且調(diào)制頻率 被恰當(dāng)控制時(shí)出現(xiàn)這些條件，即調(diào)制頻率和工件旋轉(zhuǎn)頻率滿足充分條 件(sufficient conditions)。因而，通過(guò)利用機(jī)械加工生產(chǎn)納米晶材料和 調(diào)制機(jī)械加工技術(shù)的結(jié)合，可通過(guò)龐大母體材料的調(diào)制機(jī)械加工生產(chǎn) 具有特定尺寸和形狀的納米晶碎片。盡管美國(guó)專利6,706,324公開了 將納米晶碎片轉(zhuǎn)變成用于PM處理和其它結(jié)合過(guò)程中的較小碎片形式 的輔助粉碎過(guò)程，但粉碎過(guò)程僅僅提供受限的最終碎片尺寸和形狀或 不能控制最終碎片尺寸和形狀。因此，按照本發(fā)明通過(guò)調(diào)制輔助機(jī)械 加工生產(chǎn)納米晶碎片在生產(chǎn)過(guò)程控制和能力方面提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的調(diào)制輔助機(jī)械加工技術(shù)^皮認(rèn)為能在本體金屬 (bulk metal)和金屬合金中誘發(fā)足夠高的塑性應(yīng)變變形以產(chǎn)生長(zhǎng)度尺 寸為幾納米到幾毫米的納米晶碎片。例如，圖2和3為用O(零)度傾 角工具在正交調(diào)制輔助車削(turning)操作中產(chǎn)生的6061-T6納米晶鋁 碎片的顯微照片。碎片通常具有典型晶粒尺寸為約75nm的等軸晶粒。 圖2中的顆粒在體積上基本相同(約6.25 x io-5mm3)，但形狀不同，包 括等軸、針(needle)和片(platelet)。圖3中的顆粒也為相同體積的顆粒
9(約168.8 x io_5mm3)，同樣形狀不同，包括等軸、針和片。在圓柱形 車削操作中使用不同尺寸直徑的棒來(lái)生產(chǎn)這些顆粒。根據(jù)調(diào)制輔助機(jī) 械加工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型改變工件旋轉(zhuǎn)速度、切口深度以及調(diào)制頻率和 振幅。由于機(jī)械加工期間實(shí)現(xiàn)的晶粒細(xì)化，碎片表現(xiàn)出約150HV的 硬度，其比原始本體原料硬高達(dá)50%。這類納米晶碎片可通過(guò)粉末冶 金(PM)工藝結(jié)合成部件或結(jié)構(gòu)或用作金屬和聚合物基質(zhì)復(fù)合材料中 的重要成分。利用相同的基本方法可將納米晶碎片的調(diào)制輔助機(jī)械加 工從小容量實(shí)驗(yàn)室需求擴(kuò)大到大容量工業(yè)需求。例如，在顆粒形式的 碎片的生產(chǎn)中，通過(guò)增加的材料除去速度與增加的受動(dòng)態(tài)響應(yīng)所限的 調(diào)制頻率互補(bǔ)并使用被設(shè)計(jì)按比例增加碎片生產(chǎn)率的多邊切削工具， 可實(shí)現(xiàn)增加的生產(chǎn)率?，F(xiàn)在將結(jié)合圓柱形正交車削操作更詳細(xì)地描述本發(fā)明的 調(diào)制輔助機(jī)械加工方法的原理(basis)，其中切削工具平行于正被機(jī)械 加工的工件的軸(與旋轉(zhuǎn)桿(turning spindle)的軸重合)行進(jìn)以從工件圓 周除去一層材料。本領(lǐng)域那些技術(shù)人員能認(rèn)識(shí)到，在橫向端面切削 (facing)和切斷車削操作以及其它機(jī)械加工過(guò)程(例如鉆孔(drilling)、銑 磨(milling)、研磨(grinding)等)中施加調(diào)制時(shí)，將遵循類似的途徑。在本例子中，按照下面的方程由工件直徑和旋轉(zhuǎn)速度定義 切削速度ve: vc=2nrfw
穩(wěn)態(tài)下給定時(shí)間t時(shí)切削工具的工具位置z。為
其中Vf為沒(méi)有調(diào)制時(shí)的進(jìn)給速度(例如mm/s), t為時(shí)間(秒)。 按照下面的方程用進(jìn)給率(feedrate), a,定義工具在圓柱形車削期 間的軸向進(jìn)給速度vf:
v, -afw
其中vf為沒(méi)有調(diào)制時(shí)的進(jìn)給速度(例如mm/min), a為每轉(zhuǎn)的軸向 進(jìn)給率(例如mm/轉(zhuǎn))，fw為工件旋轉(zhuǎn)頻率(轉(zhuǎn)數(shù)/秒)。任意時(shí)間t時(shí)的 未切削碎片厚度h為進(jìn)給率和所用工具的切削邊數(shù)的常數(shù)函數(shù)。對(duì)于 具有"n"個(gè)切削邊的工具，表達(dá)式為h(t) = a/n=常數(shù)。
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盡管調(diào)制可能為時(shí)間的一般函數(shù)(geneml function),但進(jìn) 給速度方向上的強(qiáng)迫諧振調(diào)制(harmonic modulation)被考慮用于本例 子的方法，fm為以循環(huán)數(shù)/秒(Hz)表示的調(diào)制頻率。如果在進(jìn)給速度方 向上施加正弦調(diào)制z(t)=A COS(27lfmt)到工具上，則工具位置隨時(shí)間周期 性地變化，未切削碎片厚度為時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)早期報(bào)道，在任意時(shí) 間t時(shí)，工具位置為工具的瞬時(shí)位置z(t)和前面循環(huán)中工具的相對(duì)位 置z(t-T)之間的差(其中T為由工件旋轉(zhuǎn)限定的一個(gè)循環(huán)周期)。于是， 瞬時(shí)未切削碎片厚度h被定義為；
<formula>formula see original document page 11</formula>
對(duì)于正弦調(diào)制，未切削碎片厚度作為時(shí)間和工具切削邊數(shù)n的函
數(shù)的一般形式為
<formula>formula see original document page 11</formula>
其中fw為工件旋轉(zhuǎn)速度(轉(zhuǎn)數(shù)/秒)，T為工件一次旋轉(zhuǎn)的周期 =27c/cow=l/fw， n為切削工具邊數(shù)，Vf為沒(méi)有調(diào)制時(shí)的進(jìn)給速度(mm/s)， fm為以循環(huán)數(shù)/秒(Hz)表示的調(diào)制頻率(ODm=27ifm rad/s), A為調(diào)制峰間 振幅的一半(mm)， t為時(shí)間(s)。當(dāng)未切削碎片厚度(h)在每次調(diào)制循環(huán)期間達(dá)到h=0的值 時(shí)，出現(xiàn)單獨(dú)顆粒的形成。用數(shù)值方法求解h=0的時(shí)間值。由未切削 碎片厚度的函數(shù)關(guān)系，調(diào)制頻率和切削邊數(shù)對(duì)工件旋轉(zhuǎn)頻率的比 (fm/n)/fw必須不為零或偶數(shù)，因?yàn)榕紨?shù)乘以h(t)表達(dá)式中的n得到 h(t)=vfT=vf/fw的常數(shù)值(這些條件暗示調(diào)制對(duì)未切削碎片厚度沒(méi)有影 響；每個(gè)循環(huán)中工具位置的相對(duì)變化和時(shí)間t時(shí)的隨后切口遵循與前 面循環(huán)t-T中切口相同的路徑)。在圓柱形正交車削情況下，切削邊數(shù) (n)為l(單點(diǎn)車削)，零碎片厚度的充分條件是調(diào)制振幅2A大于或等于 "a"，其大于或等于vf/fw，并且比例fm/fw必須為1/2的奇數(shù)倍數(shù)。盡 管這些條件為導(dǎo)致接觸密切區(qū)域處工具-碎片界面之間分離的數(shù)學(xué)充 分條件，但系統(tǒng)順應(yīng)性(例如工具硬度、工件硬度)的物理影響將增加 實(shí)現(xiàn)h=0所需的振幅2A的實(shí)際大小并有效破碎碎片。此外，重要的 是注意實(shí)際值集合中fm / fw的比會(huì)導(dǎo)致獨(dú)立碎片顆粒的形成，這取決于 4展幅2A的值。
從h=0的時(shí)間值的數(shù)值解可以確定碎片形成頻率和絕對(duì)
碎片長(zhǎng)度的特征。碎片形成的這些基于時(shí)間的屬性與調(diào)制振幅、調(diào)制 頻率和工件旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)，但獨(dú)特的表達(dá)式不易處理。但是，可由h=0
時(shí)的序列時(shí)間值(sequential time value)的數(shù)值解確定具有調(diào)制的切削 的持續(xù)時(shí)間。通過(guò)調(diào)制輔助機(jī)械加工控制碎片可顯著影響機(jī)械加工碎 片管理中的材料處理或在碎片尺寸和/或形狀相關(guān)的應(yīng)用中起重要作 用。通常，對(duì)于給定的切削條件集合，碎片形成頻率與調(diào)制頻率對(duì)工 件旋轉(zhuǎn)頻率的比值成比例。于是，每次工件旋轉(zhuǎn)循環(huán)中破碎的碎片數(shù) 目通過(guò)下式給出
其中fCB為每次工件旋轉(zhuǎn)破碎碎片的頻率(破碎數(shù)/轉(zhuǎn))?？赏ㄟ^(guò)降 低工件旋轉(zhuǎn)速度或增加調(diào)制頻率來(lái)減小碎片長(zhǎng)度。由于體積材料除去
的總速率(total rate)不因調(diào)制變化，因此每個(gè)調(diào)制循環(huán)除去的體積可用 于評(píng)價(jià)碎片形狀?？捎擅總€(gè)調(diào)制循環(huán)中切削進(jìn)行的持續(xù)時(shí)間和相對(duì)切 削速度估計(jì)碎片的合適長(zhǎng)度L。碎片的實(shí)際形狀(和長(zhǎng)度)源于調(diào)制期 間工具穿透的實(shí)際路徑距離和因切削引起的應(yīng)變作用之間的復(fù)雜關(guān) 系。
L 2rrfwTCB
其中TCB為一個(gè)調(diào)制循環(huán)的切削持續(xù)時(shí)間(11=0時(shí)的數(shù)值解時(shí)間 值)，L為合適的碎片長(zhǎng)度(mm)， fw為工件旋轉(zhuǎn)頻率(轉(zhuǎn)數(shù)/秒)。下面的例子說(shuō)明用于直接生產(chǎn)納米晶碎片的調(diào)制輔助機(jī) 械加工條件。工件半徑(r)為約6.35mm，切削條件指定為切口徑向深 度為約0.050mm、進(jìn)給率(a)為約0.015mm/轉(zhuǎn)，工件的旋轉(zhuǎn)頻率(fj為 約40rpm。調(diào)制振幅必須滿足有效碎片形成的充分條件，即2A大于 或等于"a", "a"大于或等于vf/fw。在這種情況下，用制動(dòng)器(actuator) 規(guī)定2A=0.045mm的振幅(0.045大于0.015)，此時(shí)稍微大于必需振幅 將補(bǔ)償系統(tǒng)順應(yīng)性。選擇調(diào)制頻率為99Hz的奇數(shù)，以便避免fm/fw偶
數(shù)倍的可能性(注意，調(diào)制對(duì)工件旋轉(zhuǎn)頻率fjfw的任何奇數(shù)倍都是可
接受的，選擇99Hz作為例子；此外，fjfw的任何實(shí)際值都可導(dǎo)致碎 片形成，取決于振幅和h(t)的數(shù)值解)。得到的碎片(顆粒)為矩形棱柱形狀。得到的碎片尺寸依賴于由于切削引起的應(yīng)變。通常，切口的規(guī)定深度、工件旋轉(zhuǎn)速度和調(diào) 制條件是影響碎片形狀的主要因素。對(duì)于給定工件半徑，碎片長(zhǎng)度的 估計(jì)值為工件旋轉(zhuǎn)頻率、時(shí)間和切削條件的函數(shù)。在這個(gè)例子中，碎
片形成發(fā)生在TCB=0.0053秒處，估計(jì)的碎片長(zhǎng)度(根據(jù)L-27ifwTCB = 2兀(6.35) (40/60) (0.0053) = 0.141mm。重要的是注意，在數(shù)學(xué)模型中，可通過(guò)改變調(diào)制條件直接 控制碎片長(zhǎng)度，并且在工件幾何形狀的限制內(nèi)可得到基本上任何碎片 長(zhǎng)度。為了生產(chǎn)機(jī)械加工碎片，如上面例子中的顆粒，建議應(yīng)局 部施加調(diào)制到切削工具上。技術(shù)可用于在現(xiàn)有技術(shù)機(jī)床系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè) 計(jì)中結(jié)合調(diào)制能力。這些包括在線性驅(qū)動(dòng)技術(shù)或高速機(jī)床滑動(dòng)元件中 的最新進(jìn)展。目前，在機(jī)床中應(yīng)用線性驅(qū)動(dòng)是對(duì)速度、精確度和重復(fù) 性的日益增加的要求的結(jié)果。但是，重點(diǎn)不在開發(fā)相關(guān)的固有調(diào)制能 力上。Etrema Products, Inc. (Ames, Iowa, USA)目前銷售基于車床機(jī)械 力口工應(yīng)用中的磁卩艮性制動(dòng)器(magnetorestrictive actuator)技術(shù)的Active Machining Systems(AMS，主動(dòng)機(jī)械加工系統(tǒng))來(lái)形成桶成型同時(shí)車 削。這種系統(tǒng)可潛在地被改進(jìn)用于調(diào)制輔助機(jī)械加工。但是，設(shè)備的 尺寸限制了潛在的機(jī)械加工應(yīng)用。類似地，Polytec PI, Inc. (Physik Instmmente， Auburn, Massachusetts, USA)設(shè)計(jì)并銷售用于車床機(jī)械力口 工應(yīng)用的定制快速工具伺服滑動(dòng)件，其使用增加滑動(dòng)速度的壓電轉(zhuǎn)換 器技術(shù)或伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)理的替代方案。盡管提到的兩種商業(yè)工具滑動(dòng) 系統(tǒng)都可能潛在地被改進(jìn)而適于在機(jī)械加工過(guò)程中的調(diào)制，但它們受
較高成本和定制設(shè)計(jì)要求所限制。鑒于上述內(nèi)容，通過(guò)調(diào)制的機(jī)械加工直接生產(chǎn)納米晶碎片 創(chuàng)造了基本上(virtually)任何金屬或金屬合金可被直接機(jī)械加工成具 有所需尺寸和形狀的納米晶碎片的加工途徑。生產(chǎn)納米晶碎片的益處 包括產(chǎn)生具有優(yōu)異機(jī)械和物理性能的材料，同時(shí)避免在通常與基材最 終用途或機(jī)械加工性有關(guān)的金屬或金屬合金本體材料上的昂貴初級(jí) 加工操作(例如，溶液處理、時(shí)效硬化、退火、熱處理)。利用本發(fā)明， 可通過(guò)施加調(diào)制和切削條件的各種形式控制碎片的尺寸和形狀。
在沒(méi)有當(dāng)嘗試使用常規(guī)粉碎方法如球磨、碾磨、噴射研磨等粉碎 納米晶碎片時(shí)遇到的限制的情況下，實(shí)現(xiàn)這種能力。這類限制包括延
13性材料的固有局限、不能產(chǎn)生碎片的特定尺寸和/或形狀以及由于受限
能力導(dǎo)致的固有可縮放性(scalability)缺乏。此外，本發(fā)明的調(diào)制機(jī)械加工技術(shù)具有超過(guò)用于生產(chǎn)納米 晶顆粒的常規(guī)技術(shù)如氣相凝結(jié)和高能球磨的優(yōu)點(diǎn)。例如，本發(fā)明的調(diào) 制機(jī)械加工技術(shù)能在基本上任何金屬或金屬合金中形成納米晶碎片， 而目前的凝結(jié)方法尤其在金屬合金的生產(chǎn)中受到限制。與為了生產(chǎn)納 米晶碎片而要求明顯較大能量輸入的氣相凝結(jié)或高能球磨相比，本發(fā) 明的調(diào)制機(jī)械加工技術(shù)在由延性材料生產(chǎn)納米晶碎片時(shí)尤其能量有 效。除了省略納米晶碎片的輔助粉碎加工(例如束的破碎、擊 碎或通過(guò)高能球磨或碾磨粉碎)的能力外，本發(fā)明還提供實(shí)現(xiàn)改善的碎 片尺寸分布的能力。其它有利方面包括使方法適應(yīng)現(xiàn)有或新的計(jì)算機(jī) 數(shù)值控制的(CNC)機(jī)械加工資本(capital)的能力、最小的碎片生產(chǎn)廠房 面積要求和與現(xiàn)有技術(shù)間歇方法相對(duì)的連續(xù)方法，從而提供了更快的 產(chǎn)品轉(zhuǎn)換、更大的靈活性和對(duì)變化的市場(chǎng)需求更快的反應(yīng)。盡管根據(jù)具體實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但顯然，本領(lǐng)域技 術(shù)人員可采用其它形式。因此，本發(fā)明的范圍僅僅由下面的權(quán)利要求 限定。
1權(quán)利要求
1. 一種機(jī)械加工物體產(chǎn)生碎片的方法，方法包括在切削工具上施加疊加調(diào)制的步驟，以便相對(duì)于正用切削工具進(jìn)行機(jī)械加工的物體移動(dòng)切削工具和造成在切削工具和物體之間接觸點(diǎn)處的切削工具和物體之間的瞬時(shí)且周期性分離，其中切削工具和物體之間的每次分離都產(chǎn)生碎片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過(guò)施加步驟產(chǎn)生的碎片完全由納米晶微結(jié)構(gòu)組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中碎片具有選自片、針、絲、纖維、線和等軸顆粒的形狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中疊加調(diào)制步驟具有被控制以確定由此產(chǎn)生的碎片的形狀和尺寸的參數(shù)，包括振幅和頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺寸在長(zhǎng)度上小于1厘米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺寸在長(zhǎng)度上小于1毫米。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺寸在長(zhǎng)度上小于0.1毫米。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺寸在長(zhǎng)度上小于0.01毫米。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺寸在長(zhǎng)度上小于0.001毫米。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中物體是固定的，切削工具圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，疊加調(diào)制包括沿其軸移動(dòng)切削工具。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中物體圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，疊加調(diào)制包括平行于物體的軸移動(dòng)切削工具。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中物體圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，疊加調(diào)制包括橫向于物體的軸移動(dòng)切削工具。
13. —種機(jī)械加工物體產(chǎn)生碎片的方法，方法包括施加疊加調(diào)制的步驟，該步驟造成切削工具和正用切削工具進(jìn)行機(jī)械加工的物體之間的相對(duì)移動(dòng)和造成在切削工具和物體之間 -接觸點(diǎn)處的切削工具和物體之間的瞬時(shí)且周期性分離，其中切削工具和物體之間的每次分離都產(chǎn)生基本由納米晶微結(jié)構(gòu)組成的碎片，和其中疊加調(diào)制步驟具有被 控制以確定由此產(chǎn)生的碎片的形狀和尺寸的參數(shù)，包括振幅和頻率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺 寸在長(zhǎng)度上小于1厘米。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺 寸在長(zhǎng)度上小于1毫米。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺 寸在長(zhǎng)度上小于0.1毫米。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中施加疊加調(diào)制以限制碎片尺 寸在長(zhǎng)度上小于0.01毫米。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中物體是固定的，切削工具圍 繞其軸旋轉(zhuǎn)，疊加調(diào)制包括沿其軸移動(dòng)切削工具。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中物體圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，疊加調(diào) 制包括平行于物體的軸移動(dòng)切削工具。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中物體圍繞其軸旋轉(zhuǎn)，疊加調(diào) 制包括橫向于物體的軸移動(dòng)切削工具。
全文摘要
生產(chǎn)包含納米晶微結(jié)構(gòu)的制品的方法，尤其是可控地生產(chǎn)具有所需形狀和尺寸的納米晶碎片的方法。方法一般需要用切削工具機(jī)械加工物體產(chǎn)生具有納米晶微結(jié)構(gòu)的多晶碎片，同時(shí)在切削工具上疊加調(diào)制以便相對(duì)于正被機(jī)械加工的物體移動(dòng)切削工具和造成在切削工具和物體之間接觸點(diǎn)處的切削工具和物體之間的瞬時(shí)且周期性分離，其中切削工具和物體之間的每次分離都產(chǎn)生碎片。按照這種方式，碎片的形狀和尺寸至少部分由調(diào)制循環(huán)確定，尤其是切削工具的時(shí)間長(zhǎng)度與正被機(jī)械加工的物體銜接。
文檔編號(hào)B23B29/12GK101484262SQ200780025316
公開日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2007年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月3日
發(fā)明者J·B·曼, M·R·尚卡, S·錢德拉塞卡, W·D·坎普頓, W·莫斯科索 申請(qǐng)人:普渡研究基金會(huì)