專利名稱：高速機(jī)加工的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如鏇、銑、磨、加工螺紋、鉆孔及開槽等金屬加工，特別涉及以延長的嵌置件壽命高速進(jìn)行上述金屬加工的方法及裝置。
大多數(shù)機(jī)加工藉包括一臺架及一個或數(shù)個切割嵌置件的切割工具進(jìn)行。每一嵌置件具有一個頂表面，其頂端為一個或多個切割邊緣。工具臺架設(shè)有一承窩，切割嵌置件被夾定于承窩內(nèi)。嵌置件的前方或切割邊緣接觸工件而自工件除去成薄片形狀的物料。一薄片包含多個大致長方形薄物料段，當(dāng)被嵌置件自工件分下時，這些物料段沿力平面互相滑動。形成一薄片的這些薄物料段互相剪切運(yùn)動產(chǎn)生大量熱。這一熱量連同嵌置件的切割邊緣接合工件所產(chǎn)生的熱量能達(dá)1500-2000°F。
現(xiàn)有技術(shù)中的機(jī)加工所用工具臺的切割嵌置件的損壞原因?yàn)?，切割嵌置件與工件間的刮磨及稱為坑洞現(xiàn)象(Gratering)的問題?？佣船F(xiàn)象系自形成薄片所發(fā)生的大量熱及薄片與切割嵌置件的摩擦接觸產(chǎn)生。
當(dāng)形成薄片的物料被剪離工件時，薄片沿嵌置件的至少一部份顯露表面移動。由于此項(xiàng)摩擦接觸及形成薄片產(chǎn)生的大量熱，嵌置件頂部的物料被除去而形成“坑洞”。如果坑洞加深，當(dāng)與工件接觸時，整個嵌置件即沿其切割邊緣及各面破裂。近年來，由于發(fā)展及大量使用硬合金鋼、高強(qiáng)度塑料及高抗拉強(qiáng)度纖維涂加剛性結(jié)合料如環(huán)氧樹脂(epoxy)所形成的復(fù)合物料，坑洞現(xiàn)象已成為一特殊問題。
以往試圖避免由于與工件刮磨所引起的坑洞現(xiàn)象及磨損的方法僅輕度增加工具壽命及效率。現(xiàn)有技術(shù)的一種方法為，用高強(qiáng)度物料如碳化鎢制作嵌置件。雖極堅硬，但碳化鎢質(zhì)脆及易碎裂而導(dǎo)致過早損壞。為改善嵌置件之潤滑性能，已經(jīng)采用例如硬化或合金化陶磁物料制作切割嵌置件。此外，已經(jīng)發(fā)展用于切割嵌置件的多種低摩擦涂料，以減低切割嵌置件與工件間的摩擦。
除用于制作切割嵌置物的改進(jìn)物料及涂料外，已經(jīng)試圖籍減低“切割區(qū)”(即嵌置件的切割邊緣，嵌置件-工件界面及工件上剪除物料形成薄片的區(qū)域)中溫度而增加工具壽命。
現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施的一種冷卻方法為淹沒式冷卻，系將一股低壓冷卻液噴灑向切割區(qū)。一般來說，位于切割工具及工件上方數(shù)吋的一噴嘴導(dǎo)引一股低壓冷卻液趨向工件、工具臺、切割嵌置件及所產(chǎn)生的薄片頂部。
淹沒式冷卻的主要問題是不能有效地實(shí)際到達(dá)切割區(qū)。接觸切割嵌置件顯露頂部表面的薄片底面，嵌置件的切割邊緣及工件的剪除物料區(qū)域不被自工具臺上方導(dǎo)引至薄片頂部表面的低壓冷卻液流冷卻。這一情況系因工作區(qū)中的熱極強(qiáng)，以致產(chǎn)生使冷卻液遠(yuǎn)在能流近嵌置件切割邊緣之前汽化的熱障。
現(xiàn)有技術(shù)中已嘗試改善上述淹沒式冷卻技術(shù)的數(shù)種方法。例如，將載送冷卻液的噴嘴的排出孔配置成較接近嵌置件與工件和/或制成工具臺的一整體部份，以便較直接在切割區(qū)射出冷卻液。見例如美國專利1，695，955號，3，323，195號及3，364，800號。除將噴嘴配置成較接近嵌置件及工件外，冷卻液流以比一般淹沒式冷卻高的壓力射出，以便沖破在切割區(qū)中所發(fā)展的熱障。見專利2，653，517號。
用于各種切割作業(yè)的其他工具臺已經(jīng)設(shè)計成包含冷卻輸送通路，以導(dǎo)引冷卻液流過嵌置件的顯露頂部表面至與工件接觸的切割邊緣。這類設(shè)計中，向切割區(qū)噴灑冷卻液的分立導(dǎo)管或噴嘴被省略，使切割工具較靈巧。這種設(shè)計的例子示于美國專利4，302，135號，4，072，438號，3，176，330號，3，002，140號，2，360，385號及西德專利3，004，166號。
上述各專利所揭示的裝置的一共同問題為，環(huán)境溫度下的油-水或人工混合物形式的冷卻液被導(dǎo)引通過嵌置件頂部趨向切割區(qū)，但不具足以穿過包圍切割區(qū)熱障的速度。結(jié)果，冷卻液在汽化之前不能到達(dá)切割嵌置件與工件間的界面和/或工件的形成薄片區(qū)域。在這種狀況下，切割區(qū)的熱不被消散而不能防止坑洞現(xiàn)象。此外，這種不能從切割區(qū)除去熱的情況產(chǎn)生嵌置件的熱切割邊緣與被冷卻液冷卻的嵌置件后方部份間的大溫度差而致嵌置件熱損壞。
現(xiàn)有技術(shù)未能有效減低切割區(qū)溫度的情況產(chǎn)生機(jī)加工的多項(xiàng)缺點(diǎn)及限制。如前文所討論，高溫度導(dǎo)致嵌置件損壞。這一點(diǎn)在數(shù)方面直接影響生產(chǎn)速度。為減低溫度，機(jī)床必須以減低生產(chǎn)力的較低速度及減少的切割深度與進(jìn)給率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。如果速度增加，因嵌置件必須時常更換，機(jī)床的停機(jī)的時間增加。嵌置件進(jìn)行切割的時間愈少，既定機(jī)床生產(chǎn)力愈低。因此，從生產(chǎn)力受一直遠(yuǎn)落于機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)速度之后的切割嵌置件的性能及有效壽命的限制。
目前機(jī)加工的另一嚴(yán)重問題涉及從切割嵌置件、工具臺架及安裝工件與工具臺架的卡盤區(qū)域分裂及取除薄片。如果形成連續(xù)長度的薄薄片，薄片趨向纏繞在工具臺架或卡盤上，這一情況幾乎必定導(dǎo)致工具損壞或至少需定期中止機(jī)加工，以清除區(qū)域中壓緊及纏繞的薄片。這一點(diǎn)對全部機(jī)加工設(shè)計成完全自動化的通用性制造系統(tǒng)特別不利。通用性制造系統(tǒng)設(shè)計成不需人力協(xié)助運(yùn)轉(zhuǎn)，如果工人必須定期清除壓緊或纏繞的薄片時，其效率大受限制。
目前解決取除及分裂薄片的方法限于在切割嵌置件中的薄片分裂槽的各種設(shè)計。薄片分裂槽自嵌置件的顯露頂部表面向內(nèi)延伸，并與切割邊緣成間隔。薄片分裂槽接合被切割邊緣自工作物剪下的薄片，然后將薄片自嵌置件之顯露表面向上轉(zhuǎn)動或彎曲，以使薄片斷裂。
雖然某些薄片分裂槽設(shè)計在某些應(yīng)用中已達(dá)到可接受的性能，但機(jī)加工的各種變化如不同物料、機(jī)器型式、切割深度、進(jìn)給率及速度使一種薄片分裂槽設(shè)計實(shí)際不可能對所有應(yīng)用均有效。這一點(diǎn)可由現(xiàn)有的眾多薄片分裂槽設(shè)計證明。即使有適宜的切割嵌置件存在，選擇適于特定機(jī)加工應(yīng)用的切割嵌置件也是很困難并且一直存在的一個問題。
因此，本發(fā)明的目的為，提供機(jī)加工方法及裝置，其中自工件取除物料區(qū)域的溫度被減低，增加切割嵌置件的壽命，消除形成長條薄片，容許機(jī)加工以極高速度進(jìn)行，在工件產(chǎn)生良好光制表面與表面完整性，及降低機(jī)床切割工件的馬力需求。
這些目的籍一種機(jī)加工方法達(dá)到，目前一個優(yōu)先實(shí)施例中，這種方法適用于包括制有切割邊緣的切割嵌置件的傳統(tǒng)式工具臺架。方法包括導(dǎo)引含有低溫固相流體顆粒物如冰粒的一股高速度水流至安裝在工具臺架內(nèi)的嵌置件的切割邊緣。使嵌置件的切割邊緣在初期切割階段接觸工件而開始從工件剪除物料，這一過程產(chǎn)生熱。自工件剪除物料所產(chǎn)生的熱從工件轉(zhuǎn)移到低溫冰粒，將冰粒從固相轉(zhuǎn)變成汽相。在汽化過程中，冰粒發(fā)生爆發(fā)性體積膨脹，因而產(chǎn)生不需要嵌置件的任何進(jìn)一步協(xié)助而從工件剪除物料，并且也使被取除物料斷裂或破碎成小顆粒的力。
本發(fā)明的目前優(yōu)先實(shí)施例中，實(shí)施上述方法的裝置包括具有一排出口及一入口的例如不銹鋼管的一導(dǎo)管。入口連接于來自一水源的一輸送管，水源包括一高壓泵，高壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)由電腦或其他閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制。導(dǎo)管安裝在工具臺架上或鄰近工具臺架，使排出口對準(zhǔn)嵌置件的切割邊緣。一分支管路在導(dǎo)管的入口與出口之間連接于導(dǎo)管，此分支管路與一高壓液態(tài)二氧化碳塔相通。
電腦控制水泵，使一股脈動水流經(jīng)入口進(jìn)入導(dǎo)管，較佳速度為每秒約1，000呎。泵供應(yīng)的水流的脈沖為，以規(guī)律間隔提供的湧壓(pressuresurges)，使水流壓力從約5，000psi的峰值變化成約2，000psi或更低的槽或谷。一般液態(tài)二氧化碳從主導(dǎo)管頂部的塔以低于脈沖水流的峰值壓力但大于湧壓間的谷中壓力的大致恒定壓力，經(jīng)分支管路導(dǎo)入。結(jié)果，液態(tài)二氧化碳流與處于湧壓間較低壓力谷的脈動水流合并或混合。處于湧壓間的谷中的水流壓力小于保持液態(tài)二氧化碳成液相所需的壓力，因此液態(tài)二氧化碳在排出孔上游的主導(dǎo)管內(nèi)汽化。
液態(tài)二氧化碳汽化作用對水流有兩種效應(yīng)。首先，轉(zhuǎn)變液態(tài)二氧化碳成汽態(tài)所需的汽化熱減低水流溫度至水結(jié)晶成固相，亦即形成小冰粒的程度。在主導(dǎo)管內(nèi)形成的冰粒流形成一溫度梯度，冰粒溫度從與分支管連接的主導(dǎo)管上方部份沿與主導(dǎo)管的軸線成直交的一線或平面到主導(dǎo)管的下方部份而逐漸增加。在液態(tài)二氧化碳被導(dǎo)入并直接接觸水流的主導(dǎo)管頂部，所形成冰粒的溫度迅速降低至約-100至-200°F的范圍。然后冰粒的溫度逐漸增加，從液態(tài)二氧化碳移向主導(dǎo)管的另一側(cè)，故沿主導(dǎo)管底部形成的冰粒具有約0°F的溫度。
汽化過程中，液態(tài)二氧化碳進(jìn)行對水流也有影響的大幅度體積膨脹。因徑向膨脹受導(dǎo)管壁限制及沿導(dǎo)管的向上游運(yùn)動被高速度水流阻擋，此項(xiàng)體積膨脹產(chǎn)生的力被向外導(dǎo)引通過導(dǎo)管的排出口。結(jié)果，在導(dǎo)管內(nèi)形成的大部份冰粒流被加速并從導(dǎo)管排出口射出，最好是每秒約2，000呎量級的速度。
就多種物料及機(jī)加工狀況而言，估計切割區(qū)(亦即物料被剪離工件之區(qū)域)的溫度為2，000°F量級值或較高。高速低溫冰粒流自導(dǎo)管排出口射向此切割區(qū)，故-100至-200°F的極低溫度顆粒位于嵌置件的切割邊緣及頂部表面上方，約0°F的較高溫度顆粒通過嵌置件的頂部表面。約-200°F溫度的冰粒因此突然爆露于高達(dá)2，000°F的切割區(qū)的熱，及約0°F溫度的冰粒曝露于切割邊緣。結(jié)果，極低溫度冰粒從固相轉(zhuǎn)變成汽相時，產(chǎn)生爆發(fā)性汽化作用，同時切割嵌置件及工具臺架顯露于僅約0°F溫度的顆粒而受到保護(hù)，因這一溫度未冷至足以導(dǎo)致嵌置件或工具臺架的熱損壞。
汽化作用一方面使熱從工件傳出，將0°至-200°F溫度范圍的冰粒轉(zhuǎn)變成蒸汽。由于導(dǎo)至切割區(qū)的冰粒的極冷溫度，為使冰粒汽化，從工件剪除物料所產(chǎn)生的大部份熱被取離工件。結(jié)果，高溫所致的損壞如坑洞現(xiàn)象被減少，并且切割嵌置件的有效壽命增加。
另一方面，低溫冰粒流也有助于延長嵌置件壽命。目前認(rèn)為至少一部份低溫冰粒在嵌置件的切割邊緣區(qū)從固相轉(zhuǎn)變成液-氣相流。此液-氣流被導(dǎo)引在嵌置件的切割邊緣與工件之間而形成防止切割邊緣接觸工件的一薄膜，切割邊緣僅在開始切割階段接觸工件。如下文所討論，除開始切割階段外，從工件剪除物料并非籍嵌置件與工件的接觸達(dá)到，而是籍汽化冰粒流所產(chǎn)生的膨脹氣體的力達(dá)到。
這一液障也保證嵌置件不發(fā)生因接觸工件稱為“抖動現(xiàn)象”(“chattering”)問題所致的磨損。抖動現(xiàn)象為當(dāng)工件或工具臺架被機(jī)床旋轉(zhuǎn)時，工件與工具臺架的相對運(yùn)動所產(chǎn)生。由于抖動發(fā)生于工件與嵌置件間的位置，能使嵌置件過早損壞，而形成于工件與嵌置件間的液障或薄膜減小此項(xiàng)沖擊力，因此減少由于抖動所引起的嵌置件損壞。
另一方面，導(dǎo)引高速低溫冰粒至切割區(qū)內(nèi)也與從工件本身取除物料的工作有關(guān)。極低溫度冰粒由固相突然轉(zhuǎn)變成汽相時，產(chǎn)生冰粒流的爆發(fā)性體積膨脹。這一體積膨脹所產(chǎn)生的力有效于數(shù)方面。
開始切割階段中，嵌置件的切割邊緣接觸工件并開始從工件剪除物料而產(chǎn)生熱。然后冰粒流的最冷或頂部在嵌置件切割邊緣上方被導(dǎo)至物料被剪離工件的位置。在此處汽化的冰粒的爆發(fā)性體積膨脹產(chǎn)生與被嵌置件初步剪離的物料接觸的一個力而將物料從工件除去。繼續(xù)切割時，相信膨脹氣體的力此后在微小或無嵌置件的協(xié)助下會提供從工件剪除物料所需的全部力。
此一情況具有幾個優(yōu)點(diǎn)。第一，能保持切割的精密公差，因?yàn)閺墓ぜ舫锪蠒r，嵌置件必須施加的力即使需要也極小。此外，就大多數(shù)機(jī)加工作業(yè)而言，不論被機(jī)加工物料的種類如何，以工件為準(zhǔn)前移工具臺架所需的能量或馬力均大輻度減小。這一點(diǎn)是因?yàn)榍吨眉皇┘訌墓ぜ舫锪纤璧牧?，因此需要較小馬力沿徑向向內(nèi)和/或沿工件縱向移動嵌置件進(jìn)行切割。
冰粒的爆發(fā)性體積膨脹對從工件除下的物料的形狀也具有重大影響。不論待切割物料的種類如何，例如金屬、塑料、復(fù)合物等，均不形成機(jī)加工作業(yè)中一般所了解意義的“薄片”?，F(xiàn)有技術(shù)中，薄片為類似木刨花的薄物料段，能具有小于一吋至一連續(xù)長度范圍之長度。加于從工件剪除的物料的爆發(fā)力消除“薄片”并在分子級(moleculerlevel)分裂物料而形成小?；蚣?xì)粒。消除薄片是對現(xiàn)有技術(shù)的一項(xiàng)重大改進(jìn)，而且對完全自動化通用性加工系統(tǒng)特別有利。
本發(fā)明裝置的一種替代性實(shí)施例中，工具臺架設(shè)有一承窩，承窩接納嵌置件而使嵌置件的頂部表面顯露，嵌置件被一夾固定于承窩內(nèi)，夾沿嵌置件的顯露頂部表面延伸到與其切割邊緣成間隔之一點(diǎn)。最好，夾被螺釘或其他裝置以可拆除方式固定于工具臺架。
這一實(shí)施例中，夾中設(shè)有傳送水的一主通路，主通路終止成位于嵌置件頂部表面上的一排出孔。夾中設(shè)有輸送液態(tài)二氧化碳的第二通路，第二通路在排出孔上游的一點(diǎn)與主通路相交。形成包含低溫冰粒的高速流及導(dǎo)引高速流至嵌置件切割邊緣的方法與前文所述相同。
下面參照


，將進(jìn)一步明瞭本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，操作及優(yōu)點(diǎn)。
圖1為其中采用本發(fā)明的機(jī)加工裝置的具有一個切割嵌置件的工具臺架的部份透視圖。
圖2為圖1所示裝置的放大側(cè)視圖。
圖3為圖2一部份的局部斷面放大側(cè)視圖。
圖4為顯示脈動水流與恒定壓力液態(tài)二氧化碳流合并的示意圖。
圖5為本發(fā)明裝置的另一種可替代實(shí)施例。
參見附圖，圖中顯示處于在工件12上進(jìn)行切割位置的鏇制作業(yè)用的標(biāo)準(zhǔn)工具臺架10。工件12安裝在機(jī)床(未示)的卡盤上，機(jī)床使工件12按圖1中箭頭所示方向旋轉(zhuǎn)。工具臺架10包括設(shè)有承窩16的支承桿14。承窩16接納切割嵌置件18，嵌置件具有終止成切割邊緣22的顯露頂部表面20。嵌置件18被U形夾24夾定于承窩16內(nèi)，夾24系由螺釘26以可拆除式安裝于工具臺架10的支承桿14上。
如圖1及2所示，工具臺架10以工件12為標(biāo)準(zhǔn)置于產(chǎn)生既定切割深度“D”的位置。為清晰起見，圖中的切割深度D被夸大顯示。進(jìn)給率以工件12每旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時，工具臺架10沿工件12縱向前移的吋計距離“d”表示。工件12可由各種不同物料制成，例如金屬、塑料、復(fù)合物及其他物料。
參見圖1及2，圖中顯示機(jī)加工裝置目前的優(yōu)先實(shí)施例。機(jī)加工裝置26包括具有在一端的入口32及在另一端的排出口34的主導(dǎo)管30。最好，主導(dǎo)管30是不銹鋼或其他防銹物料制成的管。主導(dǎo)管30的入口32連接于來自泵38的輸送管路36，泵連接于概略示于40處的水源。輸送管路36的直徑約為主導(dǎo)管30的二倍，并向內(nèi)斜縮而形成與主導(dǎo)管30的入口32連接的頸部42。
泵38的運(yùn)轉(zhuǎn)由圖1中概略示于44處的電腦或其他閉環(huán)反饋裝置控制。電腦44控制泵38，使每分鐘約1至10克速率的脈動水流46通過輸送管路36至主導(dǎo)管30的入口32。水在進(jìn)入較小直徑主導(dǎo)管30時，斜縮頸部42加速至以每秒約1，000呎為宜的速度。如圖4所示，泵38所供應(yīng)的水流46中的脈沖為成規(guī)律間隔的湧壓，使水流46的壓力自約5，000psi的峰值48變化至約2，000psi或更低的槽或谷50。
不銹鋼或其他防銹物料制成的管的分支導(dǎo)管52在入口32與排出口34之間連接于主導(dǎo)管30的頂部。分支導(dǎo)管52與概略示于54處的加壓至約800psi的液態(tài)二氧化碳塔相通。塔54泵送一股液態(tài)二氧化碳58(以虛線示于圖4)，以水流46流量的約10-20%的流量及恒定壓力通過支導(dǎo)管52。
如圖4所示，液態(tài)二氧化碳流58以低于在峰值48的脈動水流46的最高壓力但大于水流46在谷50或低壓區(qū)的壓力的一壓力，射入主導(dǎo)管30。這一壓力容許液態(tài)二氧化碳流58與高速流過主導(dǎo)管30的水流46合并或混合。相信水流46與二氧化碳流58如圖3所概略顯示的，沿主導(dǎo)管30內(nèi)的混合或交織區(qū)58而合并。
目前的優(yōu)先實(shí)施例中，水流46在谷50的壓力小于保持液態(tài)二氧化碳流58成液相所需的壓力。結(jié)果，液態(tài)二氧化碳在導(dǎo)管30內(nèi)進(jìn)行需要能量的汽化作用。這一能量以主要取自水流46及小部份取自主導(dǎo)管30的壁及周圍空氣的熱的形式供應(yīng)。
參見圖3，汽化中液態(tài)二氧化碳與水流46間的熱轉(zhuǎn)移先在導(dǎo)入液態(tài)二氧化碳的分支導(dǎo)管52下的接近水流46的頂部處發(fā)生。在脫離導(dǎo)管30的排出口34之前，水在此位置由液相轉(zhuǎn)變成固相，形成具有估計在約-100至-200°F范圍內(nèi)溫度的微小冰結(jié)晶體或微粒。水流46的其余部份與液態(tài)二氧化碳間的熱轉(zhuǎn)移隨移離分支導(dǎo)管52的距離而逐漸減少，故接近主導(dǎo)管30底部的水被轉(zhuǎn)變成具有估計約0°F溫度之冰粒60。因此，主導(dǎo)管30內(nèi)形成的冰粒60中產(chǎn)生一溫度梯度，冰粒60的溫度自接近主導(dǎo)管30底部的約0°F減至最接近分支導(dǎo)管52之主導(dǎo)管30頂部的約-200°F。
液態(tài)二氧化碳在主導(dǎo)管30內(nèi)轉(zhuǎn)變成汽相也增加冰粒60的速度。自液態(tài)轉(zhuǎn)變成汽相時，液態(tài)二氧化碳在主導(dǎo)管30內(nèi)進(jìn)行突然爆發(fā)性體積膨脹。二氧化碳?xì)獾膹较蚺蛎洷恢鲗?dǎo)管30的壁阻止，高速水流阻止二氧化碳?xì)庠谥鲗?dǎo)管30內(nèi)向上游運(yùn)動。膨脹中汽化二氧化碳的唯一不受限制的路徑向下通過開敞排出口34。結(jié)果，一相當(dāng)大的力加于形成在主導(dǎo)管30內(nèi)的冰粒60，此力將冰粒加速并成每秒約2，000呎速度的冰粒流63自排出口34射出。如圖3所示，自排出口34射出的一較小部份的冰粒流63也包含二氧化碳?xì)?1。
為完成討論的目的，物料被剪離工件12的位置以“初割區(qū)”62指示。物料自工件12剪離時產(chǎn)生大量熱。視嵌置件的進(jìn)給率、速度、型式及工件的材料等因數(shù)而定，切割區(qū)中的熱能達(dá)2，000°F或更高。
如圖1及2所示，主導(dǎo)管30的排出口34直接對準(zhǔn)切割區(qū)62。排出口34與嵌置件18的切割邊緣22間的距離無臨界性，但認(rèn)為此項(xiàng)間隔在大多數(shù)應(yīng)用中為約1吋。因此，含有冰粒60的水流63以每秒約2，000呎的速度及自約0°F至約-200°F的溫度梯度從排出口34射向高溫切割區(qū)62及嵌置件18的切割邊緣22。
開始在工件12上切割時，使嵌置件18的切割邊緣22初期接觸工件12，以從工件剪除物料，這將在工件12產(chǎn)生大量熱，至少部份熱轉(zhuǎn)移至嵌置件18。然后，高速極低溫冰粒60被射向工件12及嵌置件18，使溫度約-200°F的最冷冰粒60集中在從工件12剪除物料的嵌置件18的頂部表面20及切割邊緣22上方的區(qū)域，及約0°F的較高溫度冰粒60集中在嵌置件18的頂部表面20及切割邊緣22。曝露于切割區(qū)62中極高溫度時，包括在頂部的最冷冰粒60的大部份冰粒立即由固相被轉(zhuǎn)變成汽相。這將需要主要來自工件12及小部份來自切割開始時的嵌置件18的熱形式的能量。結(jié)果，完成大幅度冷卻嵌置件18及工件12而大幅增加嵌置件18的有效壽命。
約0°F的較高溫度冰粒60集中在通過嵌置件18的頂部表面20的冰粒流的下方向部份的情況，有利于防止嵌置件18和/或臺架14的熱損壞。嵌置件遭受自一端至另一端的極端溫度差時，用于制作嵌置件的碳化鎢及其他物料能發(fā)生熱損壞。如前文所述，嵌置件18的切割邊緣22在開始切割階段接觸工件12并由于從工件12剪離的物料的熱轉(zhuǎn)移而變熱。如果極低溫度冰粒60如-200°F溫度的最冷冰粒接觸嵌置件18，切割邊緣22與嵌置件18的其余部份間的溫度差將產(chǎn)生能使嵌置件18破碎的熱沖擊。將約0°F的較高溫度冰粒60集中在冰粒流的與嵌置件18接觸的底部，以防止嵌置件18的熱損壞。
另一方面，本發(fā)明的方法及裝置也保證嵌置件不發(fā)生損壞及磨損。目前認(rèn)為在冰粒60汽化過程中，至少一部份冰粒60在嵌置件切割邊緣22的區(qū)域中從冰結(jié)晶體被轉(zhuǎn)變成液-氣相。此液-氣流被導(dǎo)引在嵌置件切割邊緣22與工件12之間而形成一薄膜64，除在開始切割階段外，薄膜64防止切割邊緣22接觸工件12。這一情況進(jìn)一步保護(hù)嵌置件18并大幅度增加其有效壽命。
目前認(rèn)為除在開始切割階段外，從工件12剪除物料并非藉嵌置件18接觸工件12而完成，而是藉由固體轉(zhuǎn)變成蒸汽的冰粒60的體積膨脹完成。開始時，藉嵌置件切割邊緣抵觸工件12而開始切割，以便從工件剪除物料并產(chǎn)生熱。然后導(dǎo)引冰粒60至切割區(qū)50，冰粒被開始切割階段所產(chǎn)生的熱汽化。冰粒60成汽相的猛烈體積膨脹所產(chǎn)生的力沖擊嵌置件18上方的工件12，并在嵌置件18與工件12間無接觸的情況下從工件剪除物料。此一情況也產(chǎn)生熱，熱被轉(zhuǎn)移至連續(xù)流中的后繼冰粒60。
當(dāng)切割連續(xù)進(jìn)行時，認(rèn)為膨脹氣體此后即提供從工件12剪除物料所需的全部力。此一情況大幅減低使支持臺架14的機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)而沿工件12以既定進(jìn)給率及切割深度前移嵌置件18所需的能量或馬力。也達(dá)成工件的表面良好完整及光潔性能，因?qū)胫鲗?dǎo)管30內(nèi)的水流46及液態(tài)二氧化碳流38的速度及流量受精確控制，故在一次生產(chǎn)加工過程中藉自其中形成的冰粒60的汽化作用所產(chǎn)生的切割深度恒定并可重復(fù)。
與冰粒60汽化產(chǎn)生的蒸氣及二氧化碳?xì)庀啾?，微?xì)冰粒60所占體積微不足道。由于冰粒60與切割區(qū)50間的極端溫度差，及冰粒60導(dǎo)入切割區(qū)50的高速度，故冰粒60由固體轉(zhuǎn)變成汽相的體積膨脹為突然爆發(fā)性。
冰粒60的猛烈體積膨脹產(chǎn)生的力也影響從工件12取下的物料的形狀。事實(shí)上，物料被膨脹氣體的力破裂或吹散而形成物料微粒或小粒66。參見圖1。此外，相信為使冰粒60汽化而從工件12及剪除物料取出的熱也有助于形成小粒66。相信這點(diǎn)是因工件12的突然冷卻作用導(dǎo)致物料變脆或物料的原子結(jié)構(gòu)在分子階層分離，故當(dāng)被膨脹氣體的力沖擊時，物料分裂成小粒66。傳統(tǒng)意義的“薄片”，亦即從工件12剪除的長薄物料段，不在本發(fā)明的方法中產(chǎn)生。結(jié)果為實(shí)質(zhì)上無薄片的機(jī)加工作業(yè)。
參見圖5，圖中示有本發(fā)明的一種可替代實(shí)施例。這種實(shí)施例中，夾68用于前述工具臺架10。夾68被螺釘70固定于工具臺架10的支承桿14，并抵靠嵌置件18的一部份顯露頂部表面20而將嵌置件夾定于承窩16內(nèi)。夾68設(shè)有主內(nèi)部通路72，內(nèi)部通路具有入口74及在嵌置件18的顯露頂部表面20的位于夾68的前緣78的排出孔76。主內(nèi)部通路72的入口74連接于輸送管路80，輸送管路如前文所說明的連接于泵38及控制器44。
夾68設(shè)在入口74與排出孔76之間連接于主內(nèi)部通路72的分支內(nèi)部通路82。分支內(nèi)部通路82由管路83連接于概略示于84處的加壓液態(tài)二氧化碳塔。來自分支內(nèi)部通路82的液態(tài)二氧化碳與主內(nèi)部通路72內(nèi)的水流在夾68內(nèi)以前文說明的實(shí)施例的相同方式合并而產(chǎn)生含有冰粒的水流(未示)。主內(nèi)部通路72的排出孔76導(dǎo)引所產(chǎn)生的冰粒趨向嵌置件18的切割邊緣22而產(chǎn)生如前文所說明的相同效果。
雖然本發(fā)明已參照優(yōu)先實(shí)施例予以說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會明瞭，可進(jìn)行各種變化及可用相當(dāng)元件代替所示的元件而不脫離本發(fā)明的范圍。此外，可進(jìn)行多種修改，以使本發(fā)明適應(yīng)特定情況或材料而不脫離本發(fā)明的范圍。
例如，前文說明的機(jī)加工方法及裝置采用水與液態(tài)二氧化碳合并而形成包含固相流體微粒(亦即冰結(jié)晶體)的高速低溫流。水及液態(tài)二氧化碳以外的流體也能用以實(shí)施本發(fā)明。此外，主導(dǎo)管30可如圖1及2所示安裝成鄰近工具臺架10，或如圖5所示制成整體夾68。主導(dǎo)管30的形狀沒有什么嚴(yán)格要求，除管狀外，可包括具有傳送固相低溫流體微粒趨向切割區(qū)的通路的任何結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的特定實(shí)施例，本發(fā)明包括屬于權(quán)利要求書范圍內(nèi)的全部實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種對工件進(jìn)行機(jī)加工的方法包括使工件接觸一嵌置件的切割邊緣，從工件剪除物料，工件產(chǎn)生熱；導(dǎo)引含有固相流體微粒的高速低溫流體流趨向嵌置件的切割邊緣及工件，以冷卻工件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中包括下述步驟使固相低溫流體微粒在曝露于從工件剪除物料所產(chǎn)生的熱時轉(zhuǎn)變成蒸汽，并且固相的流體微粒進(jìn)行形成蒸汽的迅速體積膨脹。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括下述步驟用蒸汽沖擊工件而從工件剪除物料。
4.一種對工件進(jìn)行機(jī)加工的方法包括使工件接觸一嵌置件的切割邊緣而從工件剪除物料，工件產(chǎn)生熱;導(dǎo)引含有固相流體微粒的高速低溫流體流趨向嵌置件的切割邊緣及工件，以冷卻工件;使固相的低溫流體微粒在曝露于從工件剪除物料所產(chǎn)生的熱時轉(zhuǎn)變成蒸汽，固相的流體微粒進(jìn)行形成蒸汽的迅速體積膨脹;用蒸汽沖擊工件而自工件剪除物料。
5.一種機(jī)加工方法包括使工件與一嵌置件的切割邊緣接觸，從而初步從工件剪除物料及產(chǎn)生熱;合并一種液體及一種液相加壓流體，而形成含有固體相低溫流體微粒的液流;導(dǎo)引含有固相低溫流體微粒的高速液流趨向嵌置件的切割邊緣及工件，以冷卻工件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中合并液體與液相加壓流體的步驟還包括在低于保持加壓流體成液相所需壓力的一壓力下合并液體與液相加壓流體，加壓流體汽化而將液體轉(zhuǎn)變成固相的低溫流體微粒。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中合并液體與液相加壓流體的步驟進(jìn)一步包括以迅速交替的高壓及低壓泵送液體而形成脈動液流;合并液相加壓流體與脈動液流，脈動液流內(nèi)的低壓區(qū)具有少于保持加壓流體成液相所需的壓力，加壓流體汽化而將脈動液流轉(zhuǎn)變成固相的低溫流體微粒。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，進(jìn)一步包括下述步驟使固相的低溫流體微粒在曝露于從工件剪除物料所產(chǎn)生的熱時轉(zhuǎn)變成蒸汽，固體相的流體微粒進(jìn)行形成蒸汽的迅速體積膨脹。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，進(jìn)一步包括下述步驟用蒸汽沖擊工件而從工件剪除物料。
10.一種對工件進(jìn)行機(jī)加工的方法包括傳送一股高速水流通過具有一排出口的導(dǎo)管;在排出口上游的導(dǎo)管內(nèi)合并液態(tài)二氧化碳與水流;液態(tài)二氧化碳在接觸水流時轉(zhuǎn)變成汽相而在導(dǎo)管內(nèi)形成低溫冰粒;使工件與一嵌置件的切割邊緣接觸而從工件剪除物料及產(chǎn)生熱;自導(dǎo)管的排出口排出高速低溫冰粒趨向嵌置件的切割邊緣及工件;低溫冰粒在曝露于從工件剪除物料所產(chǎn)生的熱時轉(zhuǎn)變成蒸氣及二氧化碳?xì)?，低溫冰粒形成蒸氣及二氧化碳?xì)鈺r進(jìn)行迅速體積膨脹;用蒸氣及二氧化碳?xì)鉀_擊工件而從工件剪除物料及將剪除的物料分裂成小粒。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中傳送一股高速水流通過導(dǎo)管的步驟包括以迅速交替的高壓及低壓泵送水流而形成一股脈動水流。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中合并液態(tài)二氧化碳與水流的步驟包括導(dǎo)引恒定壓力的液態(tài)二氧化碳至導(dǎo)管內(nèi)與脈動水流合并，低壓脈動水流的壓力少于保持液態(tài)二氧化碳成液相所需的壓力，液態(tài)二氧化碳在導(dǎo)管內(nèi)汽化。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中轉(zhuǎn)變液態(tài)二氧化碳成汽相的步驟進(jìn)一步包括藉二氧化碳從液態(tài)轉(zhuǎn)變成汽相的體積膨脹作用將形成于導(dǎo)管內(nèi)的冰粒加速。
14.適于用一嵌置件對工件進(jìn)行機(jī)加工的裝置，嵌置件具有與工件接觸并從工件剪除物料而產(chǎn)生熱的一切割邊緣，該裝置包括具有傳送一股高速液流的一通路的裝置，通路設(shè)有一排出孔;在排出孔上游連接于通路的裝置，以傳送一種液相加壓流體至通路內(nèi)與高速液流合并;通路內(nèi)的壓力小于保持加壓流體成液相所需的壓力，加壓流體在通路內(nèi)被汽化并在汽化過程中將高速液流轉(zhuǎn)變成含有固相低溫流體微粒的液流，以便經(jīng)通路的排出孔射向嵌置件的切割邊緣及工件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中具有傳送一股高速液流的通路的裝置為，設(shè)有一入口及限定了排出孔的一出口的一根管子。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中傳送液相流體的裝置為具有一入口及連接于通路的一出口的一根管子。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中液相加壓流體為液態(tài)二氧化碳。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中傳送高壓液流的裝置為第一導(dǎo)管，第一導(dǎo)管具有外壁、一內(nèi)部通路及一排出孔。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其中傳送液相加壓流體的裝置為第二導(dǎo)管，第二導(dǎo)管具有連接于第一導(dǎo)管外壁的一出口，液相加壓流體經(jīng)第二導(dǎo)管導(dǎo)入第一導(dǎo)管內(nèi)與高速液流合并，加壓流體汽化作用所形成的固相低溫流體微粒的溫度從在第二導(dǎo)管出口處的約-200°F沿與第一導(dǎo)管的外壁成直交的一平面增加至距第二導(dǎo)管出口最遠(yuǎn)位置的約0°F。
20.適于用一嵌置件對工件進(jìn)行機(jī)加工的裝置，嵌置件具有與工件接觸并從工件剪除物料而產(chǎn)生熱的一切割邊緣，裝置包括具有傳送一股高速液流的一通路的裝置，通路設(shè)有一排出孔;連接于通路入口的裝置，以傳送一種高速液流經(jīng)入口進(jìn)入通路;在排出孔上游連接于通路的裝置，以傳送一種液相加壓流體至通路內(nèi)與高速液流合并;通路內(nèi)的壓力小于保持加壓流體成液相所需的壓力，加壓流體在通路內(nèi)被汽化及在汽化過程中將高速液流轉(zhuǎn)變成含有固相低溫流體微粒的微流，以便經(jīng)通路的排出孔射向嵌置件的切割邊緣及工件。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中傳送高速液流的裝置包置連接于液體源的一個泵;操縱泵的控制裝置，以迅速交替的高壓及低壓泵送液體而形成一股脈動液流。
22.適于用一嵌置件從工件以小粒形式取除物料的裝置，嵌置件具有與工件接觸及初期從工件剪除物料而產(chǎn)生熱的一切割邊緣，裝置包括具有傳送一股高速液流的一通路的裝置，通路設(shè)有一排出孔;在排出孔上游連接于通路的裝置，以傳送一種液相加壓流體至通路內(nèi)與高速液流合并;通路內(nèi)的壓力小于保持加壓流體成液相所需的壓力，加壓流體在通路內(nèi)被汽化及在汽化過程中將高速液流轉(zhuǎn)變成含有固相低溫流體微粒的液流;固相低溫流體微粒從通路排出孔被導(dǎo)向嵌置件切割邊緣及工件，固相低溫流體微粒在曝露于從工件剪除物料所產(chǎn)生的熱時被轉(zhuǎn)變成蒸汽，蒸汽從工件剪除物料并將剪除的物料分裂成小粒。
23.用具有一頂部表面的一嵌置件對工件進(jìn)行機(jī)加工的裝置，嵌置件頂部表面終止成接觸工件并從其上取除物料的一切割邊緣，裝置包括設(shè)有接納嵌置件而使其頂部表面顯露的形成為一個座的一個臺架;安裝于臺架的位于嵌置件的顯露頂部表面的一夾，以將嵌置件固定于座內(nèi);夾設(shè)有傳送一種高速液流的第一內(nèi)部通路，第一內(nèi)部通路具有位于嵌置件的顯露頂部表面上的一排出孔;夾設(shè)有在排出孔上游連接于第一內(nèi)部通路的第二內(nèi)部通路，第二內(nèi)部通路傳送液相的一種加壓流體進(jìn)入第一內(nèi)部通路與高速液流合并;第一內(nèi)部通路內(nèi)的壓力小于保持加壓流體成液相所需的壓力，加壓流體在第一內(nèi)部通路內(nèi)被汽化，及在汽化過程中將高速液流轉(zhuǎn)變成含有固相低溫流體微粒的液流，以便經(jīng)第一內(nèi)部通路的排出孔射向嵌置件切割邊緣及工件。
全文摘要
用一嵌置件機(jī)加工工件的方法及裝置，其中例如一管的主導(dǎo)管傳送一股高速水流趨向設(shè)在主導(dǎo)管的一排出孔。連接于液態(tài)二氧化碳來源的一分支管在排出孔上游連接于主導(dǎo)管，并將液態(tài)二氧化碳導(dǎo)入主導(dǎo)管與高速水流合并。主導(dǎo)管內(nèi)的壓力少于保持二氧化碳成液態(tài)所需的壓力，導(dǎo)致液態(tài)二氧化碳汽化并將水流轉(zhuǎn)變成含有低溫度冰粒的高速水流。冰粒自主導(dǎo)管的排出孔射向嵌置件并被轉(zhuǎn)變成蒸汽，蒸汽沖擊工件而自工件剪下成小粒狀物料。
文檔編號B24C1/04GK1031498SQ87105860
公開日1989年3月8日 申請日期1987年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1986年8月29日
發(fā)明者格拉德·K·洋科夫 申請人:尤蒂康系統(tǒng)公司