專利名稱：用于加工帶中斷部的工件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工，特別是涉及一種用于在切削加工帶有中斷部的材料時延長刀具壽命的方法和裝置，例如發(fā)生在用切削鑲塊車削、端銑、鏜孔、銑削和鉆孔的情況下。
背景技術(shù)：
中斷部可以是簡單的空隙或者是對切削有著截然不同阻力的材料各部分。當中斷部存在于材料中時，切削力會因切削刃經(jīng)過間斷部而間歇性地降至最大切削力的一部分，如小于最大切削力的50％(對于中斷部是空隙的情況，切削力將降至零)。在進給平面內(nèi)，中斷部的尺寸相對于切削刃的曲率必須足夠大，從而使得刀具在刀具上的力作用下經(jīng)過中斷部。
由于刀具的沖擊波型環(huán)狀熱負載和機械負載，斷續(xù)切削是一種困難的加工操作。工件中的中斷部充當誘發(fā)鑲塊早期破裂的沖擊應(yīng)力集中部?！巴獠俊睉?yīng)用于切削刀具和/或刀具與工件材料之間大部分接觸區(qū)域的傳統(tǒng)浸沒或噴射冷卻介質(zhì)的使用，導(dǎo)致材料中斷部邊緣的冷卻和硬化，帶來鑲塊上更高的沖擊力，并因此導(dǎo)致加速的刀具磨損和失效，通常為斷裂。由于高溫下進行操作促使了切削刃以及鑲塊其它部位的熱軟化和化學(xué)磨損，冷卻的缺失會縮短切削刀具的壽命。最終結(jié)果是刀具壽命在斷續(xù)切削過程中相對于連續(xù)切削劇烈縮短，無論是否進行冷卻。大多數(shù)斷續(xù)切削操作為干燥運行以避免中斷部邊緣的冷卻和硬化并且低速運行以避免切削刀具的熱軟化。
如這里所用的，術(shù)語“切削”包括但不僅限于下述操作車削、鏜孔、切割、切槽、端銑、刨平和銑削。
相關(guān)的公開包括專利號為2641047、3077802、3571877、3971114、4848198、5237894、5716974、5901623、6652200的美國專利和申請?zhí)枮?002/0189413和2003/0110781的美國專利。存在一種對能夠延長斷續(xù)切削中刀具壽命的方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用切削鑲塊切削帶中斷部的工件的方法，所述切削鑲塊具有切削刃，所述切削鑲塊夾持在刀桿中，所述方法包括以下步驟使所述鑲塊的切削刃接觸所述帶中斷部的工件；將冷卻劑流體引入至少一個所述鑲塊的切削刃附近的通道，以冷卻所述切削刃；沿一個方向從所述至少一條通道排出合成流體，從而使得位于切削刃前面的所述中斷部基本不被合成流體冷卻。
本發(fā)明還提供一種方法，其中在所述引入步驟之后以及所述排出步驟之前是在所述至少一條通道內(nèi)汽化所述冷卻劑流體的至少一部分的步驟。
本發(fā)明還提供一種用于切削工件的裝置，包括刀桿和切削鑲塊，所述切削鑲塊具有切削刃，所述切削鑲塊被夾持在所述刀桿中，所述裝置還包括一條位于切削刃附近的冷卻劑流體通道，用于冷卻所述切削刃。
為了解決切削鑲塊在斷續(xù)切削中壽命縮短的問題，本發(fā)明采用一個冷卻系統(tǒng)，使用一種冷卻劑流體來冷卻切削鑲塊而對即將被加工的工件中斷部的邊緣基本沒有任何熱影響。冷卻劑流體可以是二氧化碳、氦、氮、氬或上述流體的混合物，最好為氮或氬或氮和氬的混合物。冷卻劑流體可以是低溫流體。
本發(fā)明的益處在硬切削、斷續(xù)切削中尤為突出，其中，昂貴的、高斷裂韌性的、超硬材料如多孔立方氮化硼(PCBN)或碳化硅晶須強化氧化鋁(SiCW-Al2O3)由于其在加工操作中壽命的可預(yù)見性而通常作為鑲塊材料的選擇。本發(fā)明的方法和裝置可與這些鑲塊材料一起用于斷續(xù)切削。
便宜、普通和/或復(fù)合有碳化鈦或碳—氮微粒的氧化鋁鑲塊(Al2O3-TiC和Al2O3-TiCN)，被行內(nèi)人員稱為“陶瓷刀具”、“氧化鋁刀具”或“黑色陶瓷”，由于它們的低斷裂韌性和因此帶來的不可預(yù)知的突變失效，它們通常不能用于硬切削、斷續(xù)切削?！疤沾设倝K”、“氧化鋁鑲塊”和“黑色陶瓷”是含氧化物陶瓷鑲塊，典型地包含至少5％重量的氧化物陶瓷相。采用本發(fā)明的方法和裝置，這些便宜的氧化鋁鑲塊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以在斷續(xù)切削操作中應(yīng)用且可以在一些方面比那種昂貴的PCBN和/或SiCW-Al2O3鑲塊用于傳統(tǒng)方法時做得更好，如降低加工時間和刀具成本方面。本發(fā)明實現(xiàn)了一種用于斷續(xù)切削操作的有效的冷卻方法。任何商業(yè)可用的切削刀具鑲塊可被用在本發(fā)明中，用于加工硬化的或柔軟的工件。切削刀具鑲塊包括由低斷裂韌性阻抗材料制成的相對便宜的氧化鋁、無涂覆或涂覆碳化物的刀具鑲塊或其它任何標準刀具鑲塊，以及那些由PCBN、SiCW-Al2O3、Si3N4和/或鉆石制成的更昂貴的鑲塊。
本發(fā)明是一種用帶切削刃的切削鑲塊來切削帶中斷部的工件的方法，其中切削鑲塊夾持在刀桿并可選地被刀墊支承。冷卻劑流體穿過管道被引入到位于切削刃附近的冷卻通道。冷卻通道可定位于切削刃的下面、后面或下、后兩面。“后面”意指切削鑲塊后部的方向?！跋旅妗币庵盖邢麒倝K底部的方向。冷卻通道可位于切削鑲塊內(nèi)、切削鑲塊和刀墊之間、切削鑲塊內(nèi)、刀墊和刀桿之間、刀桿內(nèi)或這些位置的結(jié)合?？焖僖苿拥睦鋮s劑流體液霧或液滴沖擊切削刃附近的冷卻通道壁表面，其中液霧或液滴部分汽化。本申請中使用的加工技術(shù)術(shù)語是加工技術(shù)領(lǐng)域中標準的，在眾多主題參考中有所描述，如“金屬切削”，第四版，E.M.Trent和P.K.Wright，Butterworth Heinemann出版，波士頓，牛津，第10、12、15和18頁。


圖1至8顯示了本發(fā)明裝置的幾個實施例，這些裝置用在本發(fā)明的方法中，相同的項目具有相同的附圖標記。圖9和10為顯示關(guān)于本發(fā)明的實驗數(shù)據(jù)的圖表。
圖1為從本發(fā)明一個實施例的側(cè)面觀察的剖面視圖，顯示了位于鄰接切削鑲塊的鑲塊支承刀墊內(nèi)的冷卻通道，并且其中冷卻劑通過貫穿刀桿底部的管道供給。
圖2為沿圖1中直線B-B’剖開的穿過圖1所示裝置的刀墊和冷卻通道的剖面視圖。
圖3為從本發(fā)明另一實施例的側(cè)面觀察的剖面視圖，顯示了刀墊中的冷卻通道。該圖顯示了具有銅焊PCBN刀尖的合成鑲塊。
圖4為從本發(fā)明另一實施例的側(cè)面觀察的剖面視圖，顯示了位于刀桿內(nèi)并鄰接刀墊的冷卻通道，其中冷卻劑通過貫穿刀桿背部的通道供給。
圖5為從本發(fā)明另一實施例的側(cè)面觀察的剖面視圖，顯示了位于刀桿內(nèi)的冷卻通道。
圖6為從本發(fā)明另一實施例的側(cè)面觀察的剖面視圖，顯示了位于切削鑲塊內(nèi)的冷卻通道。
圖7為從本發(fā)明另一實施例的側(cè)面觀察的剖面視圖，顯示了位于刀桿內(nèi)鄰接無刀墊切削鑲塊的冷卻通道。
圖8為本發(fā)明另一實施例的剖面視圖，安裝有用于銑刀、沖頭或鉆頭的鑲塊的旋轉(zhuǎn)或固定切削刀具。
圖9為顯示本發(fā)明對刀具壽命的影響的圖表。
圖10為顯示不同鑲塊和操作條件下刀具壽命的圖表。
具體實施例方式
圖1和2顯示了適用于實現(xiàn)本發(fā)明之方法的裝置或切削刀具1的一個實施例的兩個視圖。裝置1包括一個用于支承切削鑲塊12和可選刀墊13的刀桿15，該刀墊位于切削鑲塊12下面。雖然是可選的，但是通常會使用刀墊。鑲塊12和刀墊13可用本領(lǐng)域已知的任何合適的裝置如螺釘或夾具夾持在適當?shù)奈恢?，圖中顯示它們被夾具17夾持在適當?shù)奈恢谩Ｓ糜诮佑|和切削工件(未示出)的切削刃14位于切削鑲塊12的主后刀面23和前傾面27的交線處。切削鑲塊的背側(cè)29位于主后刀面23的相對側(cè)。前傾面27是切削鑲塊12的表面(且可以是切削刀具的表面)，鄰接于引導(dǎo)切屑(采用加工處理從工件上去除的工件碎片)脫離工件的切削刃14。前傾面27可以是完全平整的、倒角的或者具有由模制或附加板制成的更復(fù)雜的三維形狀，以控制加工中切屑的流動和/或切屑的斷裂。裝置1被設(shè)計成與包括車床、銑床等在內(nèi)的加工設(shè)備結(jié)合使用。
刀墊13的形狀成形成冷卻通道16，圖示其鄰接切削鑲塊12?？蛇x地，一條諸如管件或其它管道的通道可被插入到刀墊13和/或切削鑲塊12和/或刀桿15內(nèi)并處于在它們內(nèi)提供的空間中用作冷卻劑流體通道。刀墊可被預(yù)成形或加工成合適的形狀。冷卻通道16在其與通道16流體連通的入口18處和在其中冷卻流體離開通道16的其出口10處是開放的。最好通道16不包含任何多孔材料。入口18流體連通冷卻通道16和諸如噴嘴或節(jié)流孔的可選節(jié)流部19。節(jié)流部19可(a)幫助計量冷卻流體，(b)通過提供顯著的壓降，確保冷卻流體穿過節(jié)流部19上游的通道時更穩(wěn)定的流動，(c)通過誘導(dǎo)瑞利不穩(wěn)定性，增強液相分裂為液霧，(d)用壓降來促進輸入冷卻流體的汽化霧化，壓降會降低沸點并在液體內(nèi)產(chǎn)生水蒸氣泡并因此使液體破裂分開，(e)另外在低壓區(qū)域內(nèi)，由于下游低溫液體的低沸點，通過加大溫度差異來增強對已冷卻表面的熱量去除。節(jié)流部可充當變壓裝置。如圖1中所示，在冷卻劑流體最終流經(jīng)接觸容積部32之前，節(jié)流部19和通道16的至少一部分在垂直于鑲塊12底部21的方向上引導(dǎo)輸入的冷卻劑流體，在本實施例中該接觸容積部32是作為通道16一部分的碟形容納腔32(在可選實施例中，接觸容積部可配設(shè)有任何能夠增大冷卻劑和刀桿的部件之間熱傳遞的形狀，如具有肋片的通道?？蛇x地，如果希望的話，接觸容積部可維持與通道相同的尺寸)。如圖所示，碟形接觸容積部32定位成在通道16內(nèi)平行并接觸于鑲塊12的底部。在穿過節(jié)流部19之后，冷卻劑流體沖擊鑲塊12的底部21，使冷卻劑流體分裂為液霧或液滴，從而有助于突破在底表面21上可能形成的水汽層并因此增強熱傳遞。冷卻流體的分裂可通過在通道壁上降壓沸騰來實現(xiàn)，或通過流體穿過節(jié)流部19時的表面(瑞利)不穩(wěn)定性來實現(xiàn)。通道16中的節(jié)流部19被顯示位于裝置1中。節(jié)流部19可定位于刀桿15內(nèi)、刀墊13內(nèi)或鑲塊12內(nèi)或位于刀桿15和刀墊13之間、鑲塊12和刀桿15之間或鑲塊12和刀墊13之間。節(jié)流部19可在通道16內(nèi)提供壓降?？蛇x地或額外地，通道16可通過將形狀設(shè)計成使壓力從入口18到出口10沿通道16降低而作為變壓裝置。
如圖2所示，冷卻通道16具有出口10，該出口通過只對刀墊13進行諸如加工、切削或鏜孔的成形工藝來形成，或者在其中插入管件或其它管道來形成。出口10形成為引導(dǎo)冷卻液離開工件或至少離開將在短時間內(nèi)被加工的工件表面，也就是說，離開工件表面，尤其是離開切削刃前面的中斷部邊緣。
如圖2所示，通道在刀桿15和刀墊13的內(nèi)部，而且由冷卻流體獲得的冷卻直接接觸切削鑲塊12；然而在冷卻流體和鑲塊12的切削刃14之間仍有間接接觸。使冷卻劑流體進入刀桿15的入口18位于刀桿15的底部35，且入口18和其中冷卻液流動的方向垂直于鑲塊12的底部21。
刀墊13可由本領(lǐng)域中已知的任何合適材料制成，例如碳化鎢—鈷(WC-Co)、工具鋼或高速鋼(HSS)。刀桿15也由本領(lǐng)域中已知的任何合適材料制成。
圖3顯示了一個實施例，其中冷卻通道16封閉于刀墊13中。通道16也在刀桿內(nèi)部。如同圖1和2所示的實施例，出口10被形成于側(cè)面從而引導(dǎo)任何冷卻劑離開即將由裝置1進行加工的工件表面。
圖4顯示了一個實施例，其中冷卻通道16位于刀桿15中并鄰接刀墊13。圖4顯示了冷卻通道16的可選配置。通道16平行于鑲塊的底部21并部分地由墊片13的底部43界定(向著該底部開口)。通道16的入口18定位于刀桿15的背側(cè)44。冷卻劑流動于通道16中并接觸刀墊13的底部43。
圖5顯示了本發(fā)明裝置1的一個實施例，其中冷卻通道16位于刀桿15中。在圖5所示的實施例中，由冷卻劑流體提供的冷卻將間接地給予刀墊13、間接地給予切削刀具12，且間接地給予切削刃14。
圖6顯示了一個實施例，其中冷卻通道16至少部分地位于切削鑲塊12內(nèi)。在該裝置中，冷卻通道16定位在切削刃14附近、前傾面27之下。切削鑲塊制作成其內(nèi)部帶有冷卻通道16。與切削鑲塊12相對在刀墊13或刀桿15中制出冷卻通道16可能存在的優(yōu)點在于刀墊13和刀桿15通?？膳c許多種標準切削鑲塊12一起使用；因此不要求使用專用、開槽或空心鑲塊。然而，冷卻通道16位于鑲塊12中的優(yōu)勢是使切削刃14和通道16的冷卻劑流體浸潤壁之間的距離最小化，這能保證最佳冷卻效果。盡管冷卻劑流體非常接近切削刃14，冷卻仍然是間接的。直接冷卻可通過噴射或別的方式進行，使冷卻劑流體直接接觸切削刃14的外表面。
圖7顯示了一個實施例，其中未使用刀墊。冷卻通道16顯示處于刀桿15內(nèi)部并鄰接于切削鑲塊。除了去掉刀墊之外，圖7中所示的實施例與圖1和2所示的相同。
圖8顯示了本發(fā)明的一個裝置，是一個安裝有用作銑刀、沖頭或鉆頭的鑲塊的旋轉(zhuǎn)或固定切削刀具。裝置11包括支承切削鑲塊12和可選刀墊13的刀桿15，該刀墊位于刀桿15和切削鑲塊12之間。用于接觸和切削工件的切削刃14被示出為切削鑲塊12的一部分。帶有用于冷卻劑流體流動的入口18的通道16被顯示出提供冷卻劑流體和切削鑲塊12的一個表面之間的直接接觸，該表面與切削鑲塊12的切削刃14相對。冷卻通道16具有出口10，該出口通過設(shè)計刀墊13和刀桿15的形狀來提供出口10而成。出口10被形成為引導(dǎo)流出的冷卻劑離開即將被加工(切削)的工件表面。
在本發(fā)明的任何實施例的可選變形中，流出的冷卻劑流體可在已加工的工件表面上被引導(dǎo)，而不在即將被加工的表面上。在這種變形中，流出的冷卻劑流體可理想地幫助從刀具下面去除斷裂的切屑，并且還可理想地防止殘余拉伸應(yīng)力在已加工表面的發(fā)展。
在示出的大部分實施例中，出口10將用過的冷卻液排出到切削刃14的側(cè)邊?？蛇x地，用過的冷卻液的出口可位于刀桿15的底部(迫使流體形成U形彎曲)或在任何方向上，雖然最好基本所有，如果不是所有，用過的冷卻液都被引導(dǎo)脫離即將被加工的工件表面(切削刃前面)。切削刃前面的材料是那些將在當前加工道次(pass)或接下來的幾個加工道次中被切削的材料。切削刃后面的材料是那些在之前或當前加工道次中已經(jīng)被切削的材料。另外，用過的冷卻液的出口最好距冷卻劑流體已經(jīng)穿過通道的接觸容積部的位置有著短的距離，否則會通過直接接觸切削鑲塊、刀墊或刀具的其它部分而對切削刃的溫度產(chǎn)生影響。
該裝置的特定實施例可用帶少量修改的標準零件制成。對于圖1和2中所示的實施例，不需要對切削刀具12進行修改，并只對刀桿15少量修改來提供冷卻劑通道16。刀墊13可由加工或其它方式成形，以形成至少一條冷卻通道16和用于將用過的冷卻液排出通道16之外的出口10。
為了實現(xiàn)降壓溫度降低以及使切削刃14和通道16的冷卻壁之間的溫度差別最大化，出口的整個橫截面面積應(yīng)該大于節(jié)流部19的橫截面。節(jié)流部和出口之間的相對尺寸，(a)幫助計量冷卻流體，(b)通過保持提升的壓力上游，確保冷卻劑流體(如低溫流體)經(jīng)過管道上游時更穩(wěn)定的流動，(c)通過誘導(dǎo)冷卻劑流體中的瑞利不穩(wěn)定性，促使液相分裂為液霧，(d)通過壓力降低來促進輸入冷卻液的汽化霧化，該壓降會降低沸點并在冷卻劑流體的液體內(nèi)部產(chǎn)生水蒸氣泡從而使液體破裂分開，(e)另外，在低壓區(qū)域，由于冷卻劑流體下游液體(如低溫液體)的低沸點，通過加大溫差來增強已冷卻表面的熱量去除。
為了本次公開的目的，當由于切削刃經(jīng)過中斷部而使切削力間歇地降到切削力最大值的50％以下(在間斷部為空隙的情況下，切削力將降至零)時，中斷部被定義為存在于工件材料中。在進給平面內(nèi)，中斷部的尺寸相對于切削刃的曲率必須足夠大，從而使得刀具在刀具的力作用下經(jīng)過中斷部。帶中斷部的材料例子包括開槽棒條、非圓滾子、帶鍵槽或孔的環(huán)、齒輪、用于發(fā)動機組的諸如鑄鐵和鋁合金的合成零件、區(qū)別性特征在于大的硅晶體分布在共晶鋁一硅陣列中的過共晶鋁硅合金、硬化強化的粒子或內(nèi)含物的尺寸在進給平面內(nèi)相當于或大于切削刀具曲率半徑的金屬和非金屬合成材料、多孔粉末冶金零件、小孔由聚合體材料進行填充的多孔粉末冶金零件以及特定等級的工具鋼，其中它們的一次碳化物尺寸非常大，在進給平面內(nèi)相當于或超過切削刀具的曲率半徑。本發(fā)明范圍內(nèi)的斷續(xù)切削的另一例子是偏心車削不規(guī)則形狀的工件，其中刀具在材料內(nèi)的接合參數(shù)，即切入深度或進給速度或二者皆有，在每次旋轉(zhuǎn)過程中都會變動。
該方法還包括將包含液氮的冷卻劑流體引入至少一條位于鑲塊切削刃附近的冷卻通道的步驟，該冷卻通道可接近或接觸鑲塊的底部。冷卻通道可處于切削刃附近的一個或多個位置，可在刀桿內(nèi)部并且在前傾面的下面。通道和/或通道的接觸容積部可位于(a)切削鑲塊和刀墊之間，(b)切削鑲塊和刀桿之間，(c)刀墊和刀桿之間，(d)切削鑲塊內(nèi)，(e)刀墊內(nèi)，以及(f)刀桿內(nèi)。
冷卻劑流體可為稍微過冷的冷卻劑流體(例如液氮)或最好是冷卻劑流體(例如液氮和氣體氮)的一種飽和的兩相混合物。當其穿過可選節(jié)流部時，稍微過冷的冷卻劑流體(例如液氮)將分裂為氣體形式的液霧或液滴。節(jié)流部試圖霧化液體冷卻劑(例如氮)以形成液霧或液滴。一種液體和氣體冷卻劑(例如氮)的兩相混合物將已經(jīng)包括液霧或液滴。液體分裂為液霧或液滴可由在通道壁上減壓沸騰來實現(xiàn)，或由液體因穿過噴嘴和節(jié)流孔而產(chǎn)生的表面(瑞利)不穩(wěn)定性來實現(xiàn)。液霧或液滴沖擊冷卻通道的壁以提高熱傳遞。
由于將熱量從切削刃傳導(dǎo)出去的鑲塊和可選刀墊的熱慣性，冷卻劑(例如液氮)供應(yīng)中微小的流動和壓力脈動是可以接受的，例如5秒周期，直到開始加工工件并冷卻鑲塊開始后冷卻劑的流動到達穩(wěn)定狀態(tài)。本發(fā)明的方法和裝置可在采用傳統(tǒng)的干切削或浸沒方法進行斷續(xù)切削(加工)時改善刀具壽命。
本發(fā)明也可用于加工非斷續(xù)工件。本發(fā)明也可用于加工非斷續(xù)工件。將本發(fā)明的方法和裝置用于非斷續(xù)工件是有益的，對于切屑會阻塞將冷卻劑外部浸沒或噴射提供到鑲塊和/或工件上的噴嘴的情況，或者2)冷卻劑外部浸沒或噴射無法冷卻接下來會增強切痕深度的切屑的時候。對于非斷續(xù)切削，本發(fā)明的方法缺少在切削刃和工件上的液氮噴射，如申請?zhí)枮?002/0189413的美國專利中教導(dǎo)的那樣，在此引入作為參考。
在至少一個可為接觸容積部的冷卻通道中，液體冷卻劑(如氮)的至少一部分被蒸發(fā)以產(chǎn)生包括氣體和液體冷卻劑的合成流體。由于通道的小尺寸，不是所有的液體冷卻劑都會蒸發(fā)。當冷卻劑(如液氮)完全蒸發(fā)時得不到充分冷卻。
合適的冷卻劑流速可由目測確定。冷卻劑的流速通過操縱供給壓力和低溫冷卻度數(shù)中的至少一個進行調(diào)節(jié)。當在10處排出的被稱為合成流體的用過的冷卻劑合成流體是清澈的時，那指示出冷卻通道中無蒸發(fā)作用，且冷卻劑流速過高或冷卻劑(例如低溫)供應(yīng)系統(tǒng)中的冷卻劑受到了過冷的低溫冷卻。如果在10處排出的用過的冷卻劑(合成流體)是發(fā)白的液體/氣體混合物，說明冷卻通道中存在蒸發(fā)作用且冷卻劑的流速是令人滿意的。如果在10處排出的用過的冷卻劑沒有液相，流速可能太低。為了確保滿意的流速條件，可使用擋水板。在10處排出的合成流體沖擊金屬擋水板。如果操作一會兒之后流體冷卻劑(例如制冷劑)集聚在板上并滴下，流速是滿意的。一旦合適的冷卻劑(低溫冷卻劑或液體CO2)流速確定，切削刀具即可用于加工。
本發(fā)明的另一步驟是在一個基本離開工件的方向上排出用過的冷卻劑，從而使得中斷部的邊緣基本不被用過的冷卻劑冷卻(用過的冷卻劑可在壓力下排向空氣或者排向一個用于在其它地方回收再利用的收集容器，如果希望的話)。這會防止材料中斷部邊緣的硬化，這種硬化會導(dǎo)致鑲塊上的高沖擊力，并因此導(dǎo)致刀具的加速損傷和破壞，通常以斷裂的方式破壞。處理制冷劑在已加工工件表面上的流動通常是可以接受的。實際上，這有時有利于切屑殘余應(yīng)力的去除，如在銑削或可分度的插入式鉆削(indexible insert drilling)中。
下述實驗例被提供用來描述本發(fā)明而非限制其范圍。
例1使用干燥而未冷卻的陶瓷鑲塊和使用冷卻的陶瓷鑲塊進行的斷續(xù)切削圖9顯示了相對于切削時間的相對便宜的氧化鋁刀具的側(cè)面損傷，所稱黑色陶瓷(Al2O3)鑲塊分別在干切削條件下，以及采用本發(fā)明液氮(LIN)冷卻條件下進行，其中后者的冷卻通道如圖1所示位于刀墊中。工件材料為52100軸承鋼(熱處理硬化到50-56HRc)。工件中的中斷部為一個3/16”切口。切口的深度為0.007”，進給速度為0.005”每轉(zhuǎn)，以及速度是每分鐘1300表面切削英尺，典型的硬切削工業(yè)條件。干切削的側(cè)面損傷明顯高于用根據(jù)本發(fā)明的LIN進行冷卻時的情況。在干切削條件下，鑲塊在操作大約2.25分鐘內(nèi)碎裂，而在LIN冷卻條件下，鑲塊在大約4.5分鐘內(nèi)碎裂。采用根據(jù)本發(fā)明的冷卻方法，刀具壽命延長了大約100％。
例2使用干燥且浸沒的PCBN鑲塊和使用冷卻的陶瓷鑲塊進行的斷續(xù)切削圖10呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)顯示出相對于中斷部數(shù)目的切削鑲塊前端損傷，分別在使用相對昂貴的多晶立方氮化硼(PCBN)鑲塊經(jīng)歷干燥和乳狀液浸沒切削，以及使用便宜的氧化鋁鑲塊(ZC4)采用本發(fā)明的LIN冷卻進行切削(前端是切削刀具的一部分，在圖1中指示為34)的條件下進行。PCBN鑲塊通常被推薦用于斷續(xù)加工操作。切口深度為0.007”，進給速度為0.005”每轉(zhuǎn)，速度是每分鐘900表面切削英尺，典型的硬切削工業(yè)條件。工件材料與例1中相同。工件的中斷部為3/16”的切口。PCBN鑲塊在干燥使用時相對于用諸如傳統(tǒng)乳料、潤滑切削液的乳狀液浸沒，具有更長的刀具壽命，這表明中斷部邊緣的冷卻對刀具壽命有著負面影響。根據(jù)本發(fā)明冷卻的陶瓷鑲塊在同等切削條件下具有明顯長于PCBN/干燥和PCBN/浸沒的刀具壽命。這一測試說明，采用根據(jù)本發(fā)明的冷卻，便宜的氧化鋁基陶瓷鑲塊可具有比PCBN鑲塊更長的刀具壽命，雖然陶瓷鑲塊具有比PCBN鑲塊更低的斷裂韌性。
本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合一些實施例進行了說明。其它實施例對本發(fā)明普通技術(shù)人員而言是顯而易見的，也包括本發(fā)明要求保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用切削鑲塊切削具有中斷部的工件的方法，所述切削鑲塊具有切削刃，所述切削鑲塊夾持在刀桿中，所述方法包括以下步驟使所述鑲塊的切削刃接觸所述工件；將冷卻劑流體引入至少一條處于所述鑲塊的切削刃附近的通道內(nèi)以冷卻所述切削刃；且沿一個方向從所述至少一條通道排出合成流體，從而使得切削刃前面的所述中斷部基本不被合成流體冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述引入步驟之后在所述排出步驟之前是在所述至少一條通道內(nèi)汽化所述冷卻劑流體的至少一部分的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對于所述引入步驟，所述至少一條通道位于至少一個位置，該位置是從由切削鑲塊和刀桿之間、切削鑲塊內(nèi)、刀桿內(nèi)組成的組中選取的。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述刀桿還包括刀墊，且對于所述引入步驟，所述至少一條通道位于至少一個位置，所述位置是從由切削鑲塊和刀墊之間、刀墊和刀桿之間、刀墊內(nèi)組成的組中選取的。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述排出步驟中所述合成流體包括氣體冷卻劑和液體冷卻劑。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述冷卻劑流體是從由氮、二氧化碳、氬和它們的混合物組成的組中選取的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述冷卻劑流體是低溫流體。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述引入步驟之前是冷卻劑流體流經(jīng)所述至少一條通道內(nèi)的節(jié)流部的步驟。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中冷卻劑流體在引入步驟比在排出步驟處于更高的壓力下。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鑲塊包括含氧化物陶瓷。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述鑲塊包括多晶立方氮化硼(PCBN)或碳化硅晶須強化氧化鋁(SiCW-Al2O3)。
12.用于切削工件的裝置，包括刀桿和切削鑲塊，所述切削鑲塊具有切削刃，所述切削鑲塊被夾持在所述刀桿中，所述裝置還包括一條處于所述切削刃附近的冷卻劑流體通道，用于間接冷卻所述切削刃。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述通道位于至少一個位置，該位置是從由切削鑲塊與刀桿之間、切削鑲塊內(nèi)、刀桿內(nèi)組成的組中選取的。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述刀桿還包括刀墊，所述通道位于至少一個位置，該位置從由切削鑲塊和刀墊之間、刀墊和刀桿之間、刀墊內(nèi)組成的組中選取的。
15.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述通道包括位于所述通道內(nèi)的降壓裝置，從而使得所述冷卻劑流體將在通道內(nèi)經(jīng)歷至少局部相變。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述降壓裝置是節(jié)流部。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述通道包括入口和出口，且所述降壓裝置是出口直徑大于所述入口直徑。
18.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述鑲塊包括含氧化物陶瓷。
19.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述鑲塊包括多晶立方氮化硼(PCBN)或碳化硅晶須強化氧化鋁(SiCW-Al2O3)。
20.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述冷卻劑流體從由氮、二氧化碳、氬和它們的混合物組成的組中選取的。
全文摘要
本發(fā)明是一種方法和裝置，用于采用一個帶切削刃的切削鑲塊來切削具有中斷部的工件，其中切削鑲塊夾持在刀桿中且可選地被刀墊支承?？砂旱睦鋮s劑穿過管道被引入到位于切削刃附近的冷卻通道。冷卻通道可位于切削刃的下面、后面或下后兩面。冷卻劑在切削刃附近沖擊冷卻通道壁表面，在那里部分汽化從而冷卻切削鑲塊。
文檔編號B23B27/16GK1768989SQ20051011999
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月16日
發(fā)明者R·格霍斯, Z·祖雷基, L·M·格里姆 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司