一种在材料形成和成形过程中改善加工表面的设备和方法

摘要

改善用工具形成或成形的工件的表面光洁度和/或表面完整性的方法和设备在形成或成形工件过程中增加工件表面硬度。形成或成形工件的方法和设备同样在用工具形成或成形工件过程中增加工件表面硬度，从工件制造成品零件或成品的方法和设备也是如此。在一些实施方案中，可将冷冻剂的膨胀射流从喷嘴喷射到工件表面和工具上，其中冷冻剂在喷嘴的下游部分内至少部分分离成凝聚相部分和蒸汽部分。

说明书

技术领域

本发明涉及通过各种方法，包括但不局限于切削(例如，通过除去呈切屑形式的多余材料来成形零件)和其它加工，进行材料形成和成形的领域，并且尤其涉及改善通过这种方法利用低温冷却和其它处理，包括但不局限于热处理、化学处理和机械处理，所形成和成形的金属和其它工程材料(例如聚合物和各种复合材料)的表面光洁度和表面完整性。

背景技术

本文使用的术语“切削”包括但不局限于以下操作：车削、镗削、分割、开槽、刮削、刨削、铣削、钻削和其它产生连续切屑或碎片或片断碎片切屑的操作。术语“切削”不包括：研磨、放电(electro-discharge)加工、或高压喷射腐蚀切削，即产生不确定形状的极细切屑，如屑或粉末，的研磨操作。

本文使用的术语“完整性”是指质量，并且更具体地是指在所处理的加工表面上所需要的残余应力的状态、打磨工具产生的尺寸精度和/或无外来物质(absence of artifact)或常规形成或成形方法导致的其它不希望的表面改变。

制造工业需要更快地生产更多的零件或产品，也就是，更快地生产每一个零件或产品并且不增加每一个零件的成本或不危及(comprising)零件的质量。更具体地，需要改进方法，使生产指定的高质量的零件或产品所需的制造步骤数目和/或程度达到最小，这些制造步骤如软粗磨，一般在热处理之前进行；或精磨和抛光/搪磨，一般接着热处理进行；或清洗步骤，由于被常规的加工流体引起的污染通常在零件、加工工具和工作环境中进行。而且，工业上的兴趣在于除去实现形成或加工处理循环的喷砂、抛光、修边和局部深滚压操作或使这些操作的程度达到最小，在许多金属产品的情况下，使用这些操作以便增加加工表面的完整性或除去在形成或加工过程中产生的有害张应力。也需要改进方法促进形成和加工操作，使资本费用例如达到特定生产目标所需加工工具的数目最小，和/或减少加工成本和与消耗品有关的成本。

美国专利No.5,878,496(Liu等)公开了一种方法，该方法减少加工步骤同时通过常规加工参数包括工具的馈送率和刀尖半径的实验和建模操作生产具有可接收表面光洁度的硬质加工零件。然而该专利没有教导如何提高生产率、增加切削工具寿命、或减小加工表面的粗糙度。

有相当多的现有技术出版物涉及一些低温喷雾或喷射形式以除去清洗操作，实现各种切削工具的生产率，和/或防止加工表面内不希望的微观结构变化。参见例如，WO02/096598A1(Zurecki等人)、WO99/60079(Hong)、美国专利申请号2003/0145694A1(Zurecki等人)和2003/0110781A1(Zurecki等人)、和美国专利号5,901623(Hong)、5,509,335(Emerson)、4,829,859(Yankoff)、3,971,114(Dudley)。然而，这些公开物和本文中讨论的其它现有技术的参考文献均没有解决这些问题，或没有满足本文所讨论的各种需要。

美国专利号5,761,974(Wang等人)公开了使用一种低温热交换器与工件相互接触，该工件与切削工具的刀刃接触，从而通过使用热交换器避免冷冻流体与工件之间的直接接触。美国专利号5,103,701(Lundin等人)公开：当锋利的金刚石切削工具与铁质加工材料接触时，整个工件的低温冷冻可提高工具寿命。这两篇专利教导的方法提高了工具的生产率，但是，第一种方法不能有效地控制加工表面光洁度和完整性，而第二种方法需要大范围调整加工工具，这在大多数工业应用中太昂贵难以接收。

美国专利号5,592,863(Jaskowiak等人)公开一种方法：在加工聚合物工件过程中，使用低温冷却从连续的切屑中产生不连续的切屑。该方法通过冷却切屑，而不是冷却切削工具或聚合物工件，该方法没有提高工具的生产率或工件表面的光洁度和完整性。

美国专利号6,622,570B1(Pervey，III)和美国专利申请号2002/0174528A1(Prevey，III)公开了除去在加工表面上由各种制造操作(例如车削)引起的不希望有的张应力，并且给予所需要的压缩应力的方法。众所周知加工表面的压缩残余应力增强产品零件的疲劳强度和疲劳寿命，同时减少它们对应力腐蚀裂纹的敏感性。对于金属组件的制造者和使用者而言，所增强的耐应力腐蚀裂纹和耐金属腐蚀的其它应力加速形式是无价的。校正残余表面应力分布的关键方法(也就是，增加其压缩成分)包括喷丸加工(shot peening)和激光喷丸加工，众所周知这两种方法均使加工表面光洁度恶化或受损坏，并且如果应用到最大程度，则增加加工粗糙度。在美国专利号6,658,907B2(Inoue等人)和美国专利号6,666,061B2(Heimann)中可以发现这一问题的进一步说明，后者用深滚压处理，另外一种在所制造零件表面上应用的应力调整方法。这四篇专利出版物说明工业上面临的两个关键并且仍然没有解决的问题：(a)在形成或成形步骤之后，经常需要额外的、昂贵的制造步骤调整残余表面应力，和(b)目前，在表面光洁度和应力调整操作过程中所赋予的压缩应力之间权衡。显然，没有满足改善形成、成形和加工方法的需要，该方法应该能同时增强表面光洁度和压缩应力而不需要额外的制造步骤。

还有其他报道：在硬质钢的常规、非冷冻车削过程中，锋利的切削刃改善表面光洁度和/或稍微增强所需要的压缩残余应力，而从工具寿命和生产率观点看，优选圆的或塘磨的刃，使工件表面更加粗糙和/或更少的压缩。J.D.Thiele和S.N.Melkote的Effect of cutting edge geometry and work piece hardness on surfacegeneration in the finish hard turning of AISI 52100 steel，Journal of MaterialsProcessing Technology，94(1999)，第216-226页；和F.Gunnberg，“Surface IntegrityGenerated by Hard Turning，”论文，Dept of Product Development，ChalmersUniversity of Technology，哥德堡，瑞典2003。发现：随着加工材料的硬度增加，塘磨刃的几何形状对加工表面光洁度的影响减少，但是通过在加工操作过程前或过程中调整加工表面硬度来控制表面光洁度和完整性，同时维持可以接收的工具寿命和高的生产率，这一方面没有得出结论。

对于非常相似的加工条件已经报道的实验粗糙度数据也强调了Thiele和Melkote提出的材料硬度作用的不确定性质，这些数据表明只要加工硬度增加，粗糙度就增加。参见T.Ozel，Tsu-Kong Hsu，和E.Zeren，Effects of Cutting EdgeGeometry，Workpiece Hardness，Feed Rate and Cutting Speed on Surface Roughnessand Forces in Finish Turning of Hardened AISI H13 steel，International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology(2003).

因而，即使现有技术提供的内容不相互矛盾，对于以上讨论的工业需要也只是片断的并且不完整的方案，并且说明需要更全面的方法以减少制造步骤和成本同时改善加工面光洁度和完整性。要求简单、全面解决方案的特定领域包括：(a)在利用低温喷射进行加工过程中冷却并硬化切削工具的有效性，优选的是能减少工具磨损和成本、增加生产率、并从制备过程中除去清洗步骤，(b)应用低温喷射使加工过程中产生的加工表面的粗糙度达最小并使压缩应力达最大，以至于不需要额外的抛光步骤，和(c)在切削过程前和过程中进一步改变加工材料的性能，使所加工表面的粗糙度达最小，因而，除去精磨步骤的需要。

希望有一种改善工件表面光洁度和完整性的方法和设备，该方法和设备能满足以上需要，并且解决本文中所讨论的问题。

进一步希望有一种改善工件表面光洁度和完整性的方法和设备，该方法和设备能克服现有技术的困难和缺点以提供更好和更多优点的结果。

还进一步希望有一种形成或成形工件的方法和设备，该方法和设备能克服现有技术的困难和缺点以提供更好和更多优点的结果。

同样希望有一种制造成品零件和产品的方法和设备，该方法和设备能除去现有技术的制造过程和系统中需要的一个或多个步骤或元件。

发明内容

申请人的发明是一种改善用工具形成或成形的工件的表面光洁度和/或完整性的方法和设备。本发明另外一个方面是一种用于形成或成形工件的方法和设备。本发明的另外一个方面是一种从工件制造成品零件和成品的方法和设备。本发明其它方面是由该形成或成形方法和设备形成或成形的工件，和由该制造方法和设备制造的成品零件或成品。本发明也包括将一种冷却剂的膨胀射流喷射到工件表面上的喷嘴。

改善用工具形成或成形的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的方法的第一个实施方案，该工件具有表面硬度，该实施方案包括在用工具形成或成形工件过程中增加工件表面硬度。(“表面光洁度”和“表面完整性”在上述本发明的背景技术部分中和在以下本发明的详细说明部分中定义和讨论)。这种方法的第一个实施方案有几种变化方案。

在一个变化方案中，通过用冷冻流体冷却工具的至少一部分、或工件的至少一部分、或工具的至少一部分和工件的至少一部分，来增加工件表面硬度。在这种变化方案中的改动中，冷冻流体的射流撞击在工具的一部分和工件表面的一部分上。这种改动有几种变化方案。

在该改动的一个变化方案中，冷冻流体的射流以大于约0°并小于约90°的撞击角(α)撞击在工具的一部分上。在另一个变化方案中，冷冻流体的射流以大于约30°并小于约90°的撞击角(α)撞击在工具的一部分上。在还有另一个变化方案中，冷冻流体的射流以大于约0°并小于约180°的散布角(β)撞击在工件的表面上。

改善用工具形成或成形工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的方法的第二个实施方案，该工件具有表面硬度，该实施方案包括在用工具形成或成形工件之前、用工具形成或成形工件的过程中、或用工具形成或成形工件过程之前和过程之中，增加工件表面硬度。在这个实施方案的变化方案中，通过热处理、化学处理和机械处理中的至少一种方法增加工件表面硬度。

改善用切削工具加工的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的方法的第三个实施方案，该工件具有表面硬度，该实施方案包括在用切削工具加工工件过程中增加工件表面硬度，其中通过用冷冻流体冷却切削工具的至少一部分和工件的至少一部分来增加工件表面硬度，并且冷冻流体的射流以大于约0°并小于约90°的撞击角(α)撞击在切削工具的一部分上，而冷冻流体的射流以大于约0°并小于约180°的散布角(β)撞击在工件的表面上。

改善用工具形成或成形的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的方法的第四个实施方案包括多个步骤。第一步是冷冻剂的供应。第二步是在工件附近提供喷嘴。喷嘴包括多个元件。第一个元件是至少一个用于接收冷冻剂流的进口。第二个元件是与所述至少一个进口流体连通的上游部分，该上游部分适合接收至少一部分来自于所述至少一个进口的冷冻剂流。第三个元件是与上游部分流体连通并且用于接收至少一部分来自于上游部分的冷冻剂流的下游部分。第四个元件是与下游部分流体连通并且用于接收并且发射至少一部分来自于下游部分的冷冻剂流的至少一个出口。第三步是将一部分冷冻剂送到喷嘴的所述至少一个进口，其中冷冻剂在喷嘴的下游部分内至少部分分离成凝聚相部分和蒸汽部分。第四步是将凝聚相部分和蒸汽部分的至少一部分膨胀射流从喷嘴的所述至少一个出口喷射到工具和工件表面上。

在第四个实施方案的变化方案中，喷嘴的下游部分具有至少一个分叉壁(diverging wall)和至少一个用于会聚膨胀射流的会聚壁(converging wall)。在该变化方案的改动中，所述至少一个分叉壁具有分叉角，并且所述至少一个会聚壁具有小于分叉角的会聚角。在另外一种改动中，分叉壁对环境大气敞开。

另外一个实施方案是改善用切削工具加工的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的方法。该实施方案包括多个步骤。这个实施方案的前三步与上述方法的第四个实施方案的前三步相同。第四步是将凝聚相部分和蒸汽部分的至少一部分膨胀射流从喷嘴的所述至少一个出口喷射到切削工具和工件表面上，其中喷嘴的下游部分具有至少一个向环境大气敞开的分叉壁和至少一个用于会聚膨胀射流的会聚壁，并且其中该至少一个分叉壁具有分叉角，并且该至少一个会聚壁具有小于分叉角的会聚角。

本发明的另外一个方面是形成或成形一种具有表面硬度的工件的方法。这种方法的第一个实施方案包括多个步骤。第一步是在工件附近提供工具，该工具用于形成或成形工件。第二步是用该工具形成或成形工件。第三步是在用工具形成或成形工件的过程中增加工件表面硬度。

本发明的另外一个方面是通过上述方法所形成或成形的工件，该工件的特征在于具有改善的表面光洁度、改善的表面完整性、或同时具有改善的表面光洁度和改善的表面完整性。本发明的这一个方面有几个变化方案。

在一个变化方案中，工件具有加工表面粗糙度(Ra)，其中该加工表面粗糙度(Ra)等于或小于理论粗糙度下限(Ra-t)，按照Ra-t＝f²/(32r)计算，其中f是切削工具的馈送率，而r是切削工具刀尖半径。

在另外一个变化方案中，工件具有形成或成形的加工表面，该加工表面特征在于具有改善的残余应力，所述改善的残余应力比由形成或成形工件而没有在工件的形成或成形过程中增加工件表面硬度所获得的另外一种残余应力压缩更大、延伸更深、或压缩更大并且延伸更深。

在还有另外一个变化方案中，工件包含具有选自钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、铁(Fe)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)和钒(V)中的至少一种元素的金属合金。

本发明的这一方面还有其它的变化方案。在一个这样的变化方案中，工件的形式选自铸造形式、锻造形式、粉末冶金形式和复合材料形式。在另外一个变化方案中，工件包含至少一种聚合物或至少一种聚合物基的复合材料。在还有一个变化方案中，工件具有形成或成形的加工表面，该加工表面特征在于具有改善的疲劳强度、改善的疲劳寿命、改善的耐应力裂纹性能和改善的耐腐蚀性能中的至少一种。

另外一个实施方案是加工具有表面硬度的工件的方法，包括多个步骤。第一步是在工件附近提供切削工具，切削工具用于成形工件。第二步是用切削工具成形工件。第三步是在用切削工具成形工件的过程中增加工件表面硬度，其中成形的工件特征在于具有改善的表面光洁度，其表面粗糙度(Ra)等于或小于理论粗糙度下限(Ra-t)，按照Ra-t＝f²/(32r)计算，其中f是切削工具的馈送率，而r是切削工具刀尖半径。

本发明的另外一个方面是从具有表面硬度的工件制造成品零件或成品的方法。该方法的一个实施方案包括多个步骤。第一步是在工件附近提供工具，该工具用于形成或成形工件。第二步是用工具形成或成形工件。第三步是在用工具形成或成形工件过程中增加工件表面硬度。第四步是从用工具形成或成形的工件制造成品零件或成品。

在这个方法的一个变化方案中，从工件制造成品零件或成品无需使用由至少一种其它方法制造类似(comparable)成品零件和类似成品所需要的至少一个额外操作，其它方法从具有类似表面硬度的类似工件形成或成形类似成品零件或类似成品而在类似工件的形成或成形过程中没有增加类似工件的类似表面硬度，所述的至少一种额外操作选自研磨、抛光、搪磨、修边、喷丸处理、滚磨、磨光、深滚压、软退火、软机械加工、软成形、软形成和加工零件的清洗。

本发明的另外一个方面是由上述方法制造的成品零件或成品，并且特征在于具有减少了制造成本。所述减少的制造成本小于由至少一种其它方法制造类似成品零件或类似成品所需的高制造成本，该至少一种其它方法形成或成形具有类似表面硬度的类似工件而在类似工件的形成或成形过程中没有增加类似工件的类似表面硬度。

从具有表面硬度的工件制造成品零件的方法的另外一个实施方案包括多个步骤。第一步是在工件附近提供切削工具，切削工具用于成形工件。第二步是用切削工具成形工件。第三步是在用切削工具成形工件的过程中增加工件表面硬度。第四步是从用切削工具成形的工件制造成品零件，其中从工件制造成品零件无需使用由至少一种其它方法制造类似成品零件所需要的至少一个额外操作，其它方法从具有类似表面硬度的类似工件成形类似成品零件而在类似工件的成形过程中没有增加类似工件的类似表面硬度，所述的至少一种额外操作选自研磨、抛光、搪磨、修边、喷丸处理、滚磨、磨光、深滚压、软退火、软机械加工、软成形、软形成和加工零件的清洗。

改善用工具形成或成形的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的设备的第一个实施方案，该工件具有表面硬度，该实施方案包括在用工具形成或成形工件过程中增加工件表面硬度的装置。这种设备的实施方案有几种变化方案。

在一个变化方案中，通过用冷冻流体冷却工具的至少一部分、或工件的至少一部分，或工具的至少一部分和工件的至少一部分，来增加工件表面硬度。在这个变化方案的改动中，冷冻流体的射流撞击在工具的一部分和工件表面的一部分上。这种改动有几种变化方案。

在这种改动的一个变化方案中，冷冻流体的射流以大于约0°并小于约90°的撞击角(α)撞击在工具的一部分上。在另一个变化方案中，冷冻流体的射流以大于约30°并小于约90°的撞击角(α)撞击在工具的一部分上。在还有另一个变化方案中，冷冻流体的射流以大于约0°并小于约180°的散布角(β)撞击在工件的表面上。

改善用工具形成或成形工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的设备的第二个实施方案，该工件具有表面硬度，该实施方案包括在用工具形成或成形工件之前、用工具形成或成形工件的过程中、或用工具形成或成形工件过程之前和过程之中增加工件表面硬度的装置。在这个实施方案的变化方案中，通过热处理、化学处理和机械处理中的至少一种增加工件表面硬度。

改善用切削工具加工的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的设备的第三个实施方案，该工件具有表面硬度，该实施方案包括在用切削工具加工工件过程中增加工件表面硬度的装置，其中通过用冷冻流体冷却切削工具的至少一部分和工件的至少一部分来增加工件表面硬度，并且冷冻流体的射流以大于约0°并小于约90°的撞击角(α)撞击在切削工具的一部分上，而冷冻流体的射流以大于约0°并小于约180°的散布角(β)撞击在工件的表面上。

改善用工具形成或成形的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的设备的第四个实施方案包括多个元件。第一个元件是冷冻剂的供应。第二个元件是在工件附近的喷嘴。喷嘴包括多个子元件。第一个子元件是用于接收冷冻剂流的至少一个进口。第二个子元件是与所述至少一个进口流体连通的上游部分，该上游部分用于接收至少一部分来自于所述至少一个进口的冷冻剂流。第三个子元件是与上游部分流体连通并且用于接收至少一部分来自于上游部分的冷冻剂流的下游部分。第四个元件是与下游部分流体连通并且用于接收并且发射至少一部分来自于下游部分的冷冻剂流的至少一个出口。该设备的第三个元件是将一部分冷冻剂送到喷嘴的所述至少一个进口的装置，其中冷冻剂在喷嘴的下游部分内至少部分分离成凝聚相部分和蒸汽部分。第四个元件是将凝聚相部分和蒸汽部分的至少一部分膨胀射流从喷嘴的所述至少一个出口喷射到工具和工件表面上的装置。

在第四个实施方案的变化方案中，喷嘴的下游部分具有至少一个分叉壁和至少一个用于会聚膨胀射流的会聚壁。在该变化方案的改动中，所述至少一个分叉壁具有分叉角，并且所述至少一个会聚壁具有小于分叉角的会聚角。在另外一个改动中，分叉壁对环境大气敞开。

另外一个实施方案是改善用切削工具加工的工件的表面光洁度和表面完整性中的至少一种的设备。这个实施方案包括多个元件。前三个元件与上述设备的第四个实施方案的前三个元件相同。第四个元件是将凝聚相部分和蒸汽部分的至少一部分膨胀射流从喷嘴的所述至少一个出口喷射到切削工具和工件表面上的装置，其中喷嘴的下游部分具有至少一个向环境大气敞开的分叉壁和至少一个用于会聚膨胀射流的会聚壁，并且其中该至少一个分叉壁具有分叉角，并且该至少一个会聚壁具有小于分叉角的会聚角。

本发明的另外一个方面是形成或成形一种具有表面硬度的工件的设备。这种设备的第一个实施方案包括多个元件。第一个元件是在工件附近的工具，该工具用于形成或成形工件。第二个元件是用该工具形成或成形工件的装置。第三个元件是在用工具形成或成形工件过程中增加工件表面硬度的装置。

本发明的另外一个方面是通过上述设备所形成或成形的工件，该工件的特征在于具有改善的表面光洁度、改善的表面完整性、或同时具有改善的表面光洁度和改善的表面完整性。本发明这一个方面有几个变化方案。

在一个变化方案中，工件具有加工表面粗糙度(Ra)，其中该加工表面粗糙度(Ra)等于或小于理论粗糙度下限(Ra-t)，按照Ra-t＝f²/(32r)计算，其中f是切削工具的馈送率，而r是切削工具刀尖半径。

在另外一个变化方案中，工件具有形成或成形的加工表面，该加工表面特征在于具有改善的残余应力，所述改善的残余应力比由形成或成形工件而没有在工件的形成或成形过程中使用增加工件表面硬度的装置所获得的另外一种残余应力压缩更大、延伸更深、或压缩更大并且延伸更深。

在还有另外一个变化方案中，工件包含具有选自钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、铁(Fe)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)和钒(V)中的至少一种元素的金属合金。

该工件还有其它的变化方案。在一个这样的变化方案中，至少一部分工件的形式选自铸造形式、锻造形式、粉末冶金形式和复合材料形式。在另外一个变化方案中，工件包含至少一种聚合物或至少一种聚合物基的复合材料。在还有一个变化方案中，工件具有形成或成形的加工表面，该加工表面特征在于具有改善的疲劳强度、改善的疲劳寿命、改善的耐应力裂纹性能和改善的耐腐蚀性能中的至少一种。

另外一个实施方案是加工具有表面硬度的工件的设备，包括多个元件。第一元件是在工件附近的切削工具，切削工具用于成形工件。第二元件是用切削工具成形工件的装置。第三元件是在用切削工具成形工件的过程中增加工件表面硬度的装置，其中成形的工件特征在于具有改善的表面光洁度，其表面粗糙度(Ra)等于或小于理论粗糙度下限(Ra-t)，按照Ra-t＝f²/(32r)计算，其中f是切削工具的馈送率，而r是切削工具刀尖半径。

本发明另外一个方面是从具有表面硬度的工件制造成品零件或成品的设备。该设备的一个实施方案包括多个元件。第一个元件是在工件附近的工具，该工具用于形成或成形工件。第二个元件是用工具形成或成形工件的装置。第三元件是在用工具形成或成形工件过程中增加工件表面硬度的装置。第四元件是由用工具形成或成形的工件制造成品零件或成品的装置。

在这个装置的一个变化方案中，由工件制造成品零件或成品无需使用由至少一种其它设备制造类似成品零件和类似成品所需要的至少一个额外操作，其它设备由具有类似表面硬度的类似工件形成或成形类似成品零件或类似成品而在类似工件的形成或成形过程中没有增加类似工件的类似表面硬度，所述的至少一种额外操作选自研磨、抛光、搪磨、修边、喷丸处理、滚磨、磨光、深滚压、软退火、软机械加工、软成形、软形成和加工零件的清洗。

本发明的另外一个方面是由上述设备制造的成品零件或成品，并且特征在于具有减少的制造成本。所述减少的制造成本小于由至少一种其它设备制造类似成品零件或类似成品所需的高制造成本，该至少一种其它设备形成或成形具有类似表面硬度的类似工件而在类似工件的形成或成形过程中没有增加类似工件的类似表面硬度。

从具有表面硬度的工件制造成品零件的设备的另外一个实施方案包括多个元件。第一个元件是在工件附近的切削工具，切削工具用于成形工件。第二个元件是用切削工具成形工件的装置。第三个元件是在用切削工具成形工件的过程中增加工件表面硬度的装置。第四个元件是从用切削工具形成或成形的工件制造成品零件的装置，其中从工件制造成品零件无需使用由至少一种其它设备制造类似成品零件所需要的至少一个额外操作，其它设备从具有类似表面硬度的类似工件成形类似成品零件而在类似工件的成形过程中没有增加类似工件的类似表面硬度，所述的至少一种额外操作选自研磨、抛光、搪磨、修边、喷丸处理、滚磨、磨光、深滚压、软退火、软机械加工、软成形、软形成和加工零件的清洗。

本发明的另外一个方面是将冷冻剂的膨胀射流喷射到工件上的喷嘴。喷嘴的第一个实施方案包括多个元件。第一个元件是用于接收冷冻剂流的至少一个进口。第二个元件是与所述至少一个进口流体连通的上游部分，该上游部分用于接收至少一部分来自于所述至少一个进口的冷冻剂流。第三个元件是与上游部分流体连通并且用于接收至少一部分来自于上游部分的冷冻剂流的下游部分。第四个元件是与下游部分流体连通并且用于接收并且发射至少一部分来自于下游部分的冷冻剂流的至少一个出口。第五个元件是在喷嘴的下游部分内将冷冻剂至少部分分离成凝聚相部分和蒸汽部分的装置。

喷嘴的第二个实施方案除了包括一个用于限制冷冻剂的膨胀射流的内部膨胀室以外与第一个实施方案相似，其中喷嘴用于夹住具有工具前刀面表面的切削工具。

本发明第一个实施方案具有几个变化方案。在一个变化方案中，喷嘴的下游部分具有至少一个分叉壁和至少一个用于会聚冷冻剂的膨胀射流的会聚壁。在该变化方案的改动中，所述至少一个分叉壁具有分叉角，并且所述至少一个会聚壁具有小于分叉角的会聚角。在另外一种改动中，分叉壁对环境大气敞开。

另外一个实施方案是将冷冻剂的膨胀射流喷射到工件表面上的喷嘴。这个实施方案包括多个元件。这个实施方案的前五个元件与喷嘴的第一个实施方案的前五个元件相同。第六个元件是用于限制冷冻剂的膨胀射流的内部膨胀室，其中喷嘴的下游部分具有至少一个向环境大气敞开的分叉壁和至少一个适合会聚冷冻剂膨胀射流的会聚壁，并且其中分叉壁具有分叉角并且会聚壁具有小于分叉角的会聚角。其中喷嘴用于夹住具有工具前刀面表面的切削工具。

附图说明

本发明将结合附图通过举例方法进行说明，其中：

图1(1A、1B和1C)表示冷冻流体撞击在切削工具和工件表面上的主要参数：撞击角(α)、散布角(β)、工具馈送率(f)、切割深度(d)、与加工材料接触的工具曲率半径(r)、撞击面积(A)和撞击面积中心到加工零件表面之间的距离(L)，并且更具体地说，

图1A是说明本发明一个实施方案的侧视图的示意图，其中冷冻流体射流以撞击角(α)撞击在工具前刀面表面；

图1B是说明本发明一个实施方案的俯视图的示意图，其中冷冻流体射流溅在工具表面然后以散布角(β)撞击在工件表面；

图1C是说明本发明一个实施方案的俯视图的示意图，其中冷冻流体射流在与工件加工表面相距L处的切削工具的前刀面表面上形成撞击点A；

图2(2A-2E)说明使用自由射流和限制射流的喷嘴将冷冻流体射流撞击在工具和加工表面上的设备和方法，并且更具体地说，

图2A是说明本发明实施方案中使用一种夹带有环境大气如空气的自由膨胀的冷冻流体的侧视图的示意图；

图2B是说明图2C所述的本发明实施方案的喷嘴下游部分的侧视图的示意图；

图2C是说明使用本发明的拱顶形的、限制射流的喷嘴的本发明实施方案的侧视图的示意图，其中该喷嘴以横截面显示，位于前刀面表面上，其中冷冻流体射流以撞击角(α)撞击在前刀面表面上；

图2D是说明使用本发明的圆形的、拱顶形的、限制射流的喷嘴的本发明实施方案的俯视图的示意图，其中该喷嘴以横截面显示，位于前刀面表面上，其中冷冻流体射流以散布角(β)撞击在工件表面上；

图2E是说明使用本发明的矩形的、拱顶形的、限制射流的喷嘴的本发明实施方案的俯视图的示意图，其中该喷嘴以横截面显示，位于前刀面表面上，其中冷冻流体射流以撞击面积A接触前刀面表面；

图3是表示冷冻流体的撞击角(α)、供应压力和流速对镶入式截坯刀工具冷却速度的影响图；

图4是表示冷却方法对切削烧结和预硬化铁基粉末冶金工件的工具寿命的影响图；

图5(5A和5B)说明本发明在预硬化的轴承钢52100级的精车削过程中的两个方面，并且更具体地说，

图5A表示冷却方法对工具磨损的影响图；

图5B表示在整个工具寿命中加工表面粗糙度的图；

图6表示在精车削过程中使用的冷却方法对预硬化钢M50级的表面的残余应力分布的影响图。

具体实施方式

本发明包括一种用于通过增加加工材料的硬度改善加工材料的表面光洁度、或减少表面粗糙度，和改善表面完整性、或增加压缩残余表面应力的方法和设备。尽管本文中只讨论有关用切削工具加工加工材料的内容，但是本领域普通技术人员可以认识到本发明有更宽广的应用，并且可以应用于许多其它形成和成形方法，包括但不局限于其它类型的加工、滚压、弯曲、冲压、压型、拉伸等。

可以在加工和其它成形操作之前通过合适的热处理、化学处理、或加工处理使加工材料硬化，包括但不局限于相变硬化，例如马氏体钢的淬火回火、低温淬火处理，如由J.Y.Huang等人举的例子(Microstructure of cryogenic treated M2tool steel，Materials science and Engineering，A339，2003，第241-244页)、扩散渗碳、渗氮、碳氮共渗、烘焙、老化、激光上光、焊弧(GTAW)凝固硬化、聚合物交联和紫外光固化、通过喷丸加工或滚压进行的加工硬化、锻造、冷挤压和拉伸、冷压、密实化或冲制，及其组合，以及为加工材料的类型选择的其它通常使用的处理。应该理解：在创造性成形步骤之前可立即进行多种这些加工表面硬化操作，例如在精切削或形成工具接触加工表面之前，在相同的工件装置中、在相同的加工系统中、或在相同的自动连续生产线上进行。能在成形工具之前容易地采用的硬化操作的实例是由Kumar等人(US6,454,877B1)教导的在含碳的气流中进行的表面感应硬化和激光处理。

可以使加工材料与液态、气态或固态的冷冻剂接触实现冷冻冷却。优选的惰性冷冻流体在1大气压力下沸腾的温度比水的凝固点低的多，其包括液态氮、液态氩、液态二氧化碳和液态氦。然而，本领域普通技术人员可认识到：其它液态、气态和固态颗粒的冷冻混合物也能用作冷冻剂。

优选的冷冻冷却方法应该是高度定位并产生短暂的硬化效果。通过冷冻流体的喷射或喷雾，不需要冷冻整个工件，冷冻整个工件是昂贵的并且不实用。当希望使成品比加工所使用的原料更硬时，可以使用本发明的硬化表面处理技术，而如果希望在加工之后保留初始材料硬度，则可以使用冷冻冷却方法。同样，在加工操作之前通过表面处理，以及在加工操作过程中通过冷冻冷却，使加工材料硬化，以便使所加工零件的表面光洁度和表面完整性达最大。

本发明的另外一个方面是将冷冻流体喷射到切削工具、或另外一种成形或形成工具和工件表面上的优化方法，该方法通过试差法进行开发以满足某些冷却和加工材料硬化要求同时使工具寿命最大化，从而增加制造生产率并减少制造成本，包括冷冻剂消耗的成本。同样，开发了新型的低温喷嘴，用于加工。因而，本发明包括一种清洁、成本效率高、加速的制造方法，其改善了所加工零件的表面光洁度和表面完整性(即使当零件是坚硬的)并且允许用户省略多个制造步骤。

在申请人使用本发明精车削金属、复合材料和聚合物加工材料的过程中进行各种观察和发现。在下文中讨论这些观察和发现。

压缩液氮(LIN)冷却剂、或其它液态冷冻冷却剂利用对准工具前刀面表面的喷嘴膨胀成1大气压力的射流，导致比用压缩LIN接触工具前刀面表面更有效的工具冷却效果。尽管对于造成这种效果的精确冷却机理不清楚，申请人认为：可用撞击工具的减压液滴的温度更低来解释。在1大气压压力下LIN的正常温度为-320°F，而压缩到120磅/平方英寸的LIN的温度为-275°F(也就是高45°F)。申请人观察到：当工具表面被快速移动的在不高于1个大气压压力下的LIN射流和喷雾撞击时，对工具的冷却更有效。

图1A说明本发明一个实施方案的侧视图，其中在1大气压压力下，快速移动的冷冻流体射流20撞击在工具前刀面表面14上。该构件包括切削工具12(或镶入式截坯刀)、工具前刀面表面14、工具把柄16、发出射流20的管状喷嘴18和工件22。尽管最优选的方法是冷却工具前刀面表面14，但冷却其它工具表面，如工具的大部分和小部分或后侧面，同样落在本发明的范围内。

工具前刀面表面14是切削工具12(或镶入式截坯刀)的表面，它延伸到切削刃的后面并且仍然与从工件22切离的切屑保持接触。(前刀面表面是切削刃附近的切削工具表面，它控制切屑离开工件的流动，前刀面表面可以是完全平坦的、刻槽的、或具有通过模制或添加板形成的更复杂的、三维外形，以增强控制切屑流动和/或切屑的断裂)。

本文中使用的术语“切削工具”和“镶入式截坯刀”是可互换的。镶入式截坯刀是由硬质材料如WC-Co、CBN、Al₂O₃、或Si₃N₄制造的带指示盘的、可代替的切削工具，具有切削刃和前刀面表面，并且安装在合适的工具把柄上。

图1B和1C是图1A所示实施方案的一些特征，在下文中讨论这些特征。图1A到1C中的箭头表示工件22的旋转方向、工具切割深度(d)、工具馈送率(f)和冷冻流体向喷嘴18的供应。

图1C表示标记为A的喷雾撞击面积。在工具前刀面表面14上增加喷雾撞击面积(A)导致改善切削工具12的冷却。然而，如果射流20穿过空气，则增加前刀面表面和喷嘴18的出口之间的距离来增加喷雾撞击面积反而降低冷却效率。申请人认为：除了质量流量密度或撞击密度下降以外，所观察到的效果是空气夹带进入膨胀射和冷冻的小滴经过过多的飞行沸腾造成的。

将位于工具前刀面表面14法线平面中的射流撞击角(α)从0°(切线方向)增加到90°(法线方向)导致明显改善切削工具12的冷却，因此，导致更长的工具寿命或更快的切削能力和/或能切削更硬的加工零件，切削更硬的加工零件产生更多热量。图1A表示相对于切削工具12的底部的撞击角(α)、工具把柄16、工件22和管状喷射喷嘴18。对于有效切削硬质或硬化的工件必须使用大的撞击角(α)，并且角度的效果与工件硬度成比例。

增加位于工具前刀面表面14的平面中的射流散布角(β)导致减小加工表面粗糙度。图1B和1C说明相对于圆形切削工具12的底部的射流散布角(β)、工具把柄16、工件22和管状喷射喷嘴18。图1C所示的在工具前刀面表面的碰撞点或喷雾撞击面积A和加工表面之间的距离L不重要，因为，飞溅的射流夹带的空气比以上讨论的自由射流更少。重要的是：散布角(β)足够使飞溅的射流到达至少切削工具和工件之间的接触的整个长度。接触长度为图1C中所示的点b1和b2之间。在圆形工具或工具在圆角的曲率上切削的情况下，这在精加工(finishing)操作中经常遇到，接触长度b1-b2可以从图1B到1C所示的切割深度(d)、工具半径(r)和工具馈送率(f)利用以下方程计算：

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不希望受任何特别理论的束缚，申请人认为：足够大的散布角(β)对加工表面光洁度的惊人的、理想的效果显然与加工表面急剧冷却和硬化、细小部分的急剧冷却和硬化、加工材料切屑的尾端和切削工具后缘的初始几何形状的保持有关，该几何形状控制表面光洁度，但是如果没有有效的冷冻冷却会磨损更快。

增加散布角(β)导致改善加工表面光洁度的程度与加工材料的初始硬度成反比。这与撞击角(α)对工具寿命的影响相反，撞击角(α)对工具寿命的影响与加工材料的初始硬度成正比。可理解地，不同形状的工具(例如多边形工具)也能用于根据本发明的加工操作，并且形成撞击角(α)和散布角(β)理想的数值。

只有当膨胀、冷冻流体射流至少部分限制在目标前刀面表面上时，或多或少精确控制撞击角(α)和散布角(β)才是实际的。这是因为从简单的、无限制的喷嘴射出的自由膨胀的、无约束的冷冻射流在从高的供应压力到大气压压力减压时有放射状地加宽或成枝状喷出(bush-out)的趋势，这些喷嘴例如管状和/或会聚的、或甚至是更精确射流、会聚-分叉、具有圆形或多边形横截面的喷嘴。放射成枝状的程度强烈依赖于进入喷嘴的冷冻流的温度和相组成(汽相含量)。由于冷冻流的温度和相组成难以避免波动，有益的是使用这样的喷嘴，在喷嘴中膨胀的射流至少部分受限制。这样改进的喷嘴同样使沸腾的冷冻流体和工具前刀面表面之间的表面接触面积或喷雾撞击面积(A)最大化，并且防止压力在沸腾区域积聚，也就是，维持在基本上1大气压压力。

图2B-2E表示本发明使用限制性射流喷嘴32的实施方案。为了防止冷冻流体射流放射成枝状(bushing)和夹带热的环境空气(一般对于由简单喷嘴产生的自由膨胀的射流，如图2A所示)，本发明的喷嘴32(图2B-2E所示)使冷冻流体在拱顶形30内从高的供应压力膨胀到大气压压力，拱顶形位于工具前刀面表面14正上方。

图2B说明流体射流限制的原则。在喷嘴32的下游部分内进行膨胀和减压过程中，冷冻射流分离成气相部分和凝聚相部分，凝聚相部分一般为液流，如图2B所示。在一些情况下，凝聚相部分可包括精细的冰粒或冷冻的冰凌，如在膨胀冷二氧化碳(CO₂)气体或液体的情况。由于较高的密度和惯性，凝聚相部分设法沿着原始轴连续膨胀而不偏斜并且沿着会聚壁34连续膨胀。会聚壁相对于原始轴的会聚角36，如图2B所示，必须小于分叉壁42的分叉角40，以确保所需要的流体减压和射流膨胀。

典型地，会聚壁34的初始角可以在0°到60°之间变化，但是在下游位置处会聚壁的曲率可增加，并且会聚壁最终的会聚角36相对于初始轴可以大到90°。正是这种会聚壁的最终会聚角确定了射流撞击角(α)和工具冷却效果。越陡峭越好。

典型地，分叉角40相对于初始轴可在30°到175°之间变化，取决于其它喷嘴设计因素，限制条件是分叉角总是比会聚角36大。这样选择壁角度的最终结果是能从凝聚相部分(例如液体)分离气相部分，并且使凝聚相部分在所需方向所需角度下膨胀。该结果相当重要，因为所分离的凝聚相部分(例如液体)在冷却方面明显比气相部分更有效。

图2C说明根据上述原则设计的限制喷嘴32的操作，并指出冷冻剂在位于工具前刀面表面14正上方的拱顶形30或喷嘴腔内从高的供应压力膨胀到大气压(1atm)压力。拱形等的下缘和前刀面表面之间的间隙足以防止拱顶形内不希望有的压力积聚。拱顶形下缘的前侧，与工件22相对，可以切开或开槽，以便在最需要的方向射出主要部分的冷冻剂。选择一个或多个前槽的形状和大小以获得所需的散布角(β)值。可以选择拱顶形的高度和内部曲率以产生所需要的射流撞击角(α)。而且，可通过扩大拱顶形的底部尺寸方便地使喷雾撞击面积或接触面积(A)最大化。

当喷射基于液体的冷冻流时，在拱顶形30内的压缩冷冻剂的膨胀产生显著更冷的液体和气相。由于明显较高的密度，液相被位于上游的收缩孔定位在原始方向连续膨胀，并且转向拱顶形内壁。因此，液相以与拱顶形曲率的切线的角度相同的角度撞击在工具前刀面表面14上。因而，撞击角(α)可以方便地通过拱顶形的曲率和高度设置，并且使撞击角(α)比所说的30°、或甚至80°更陡峭，因此不困难。

当冷冻流体的液体部分在拱顶形30的内部曲率上膨胀并且通过前槽离开拱顶形，气相(密度比液体低)被压回工具前刀面表面14以及拱顶形的下缘和前刀面表面之间的间隙。本发明的喷嘴32本质上是离心式相分离设备，它对切削工具最热的部分射出最冷的液相，并且通过拱顶形的底侧除去冷的气相。

图2D和2E表示本发明喷嘴32的两种可能结构的俯视图，其中拱顶形30的前部可用球面曲率、或平直曲线壁终止，以产生对液态冷冻流体或多或少的限制。位于上游的收缩孔形状可以相应于拱顶形前部的形状：对于球形曲线拱顶形为圆形，对于平直曲线拱顶形为狭缝形状。

本发明喷嘴32适合真实的车床加工环境，其中从所加工表面上展开的切屑倾向于在常规的冷却剂喷嘴前部纠缠、碰撞或堵塞。喷嘴的紧凑设计允许将它固定在维持镶入式截坯刀的常规夹具的尾部，或喷嘴的背面缚上固定螺栓，使它同时成为镶入式夹具和冷却剂喷嘴。

申请人观察到：在切削工具的有效寿命内增加加工材料硬度会减小所加工表面的加工粗糙度，这是所希望的，但是这往往会缩短切削工具的有效寿命，这是不希望的。表面粗糙度是表面光洁度最流行的测量方法，并且希望在精加工操作中使表面光洁度最大化或使粗糙度最小化。当在车削中的表面粗糙度减小到研磨操作中典型的下限值时，有可能省略研磨步骤，并且缩短整个制造过程，从而产生显著的节约。制造工业面临的挑战是改善表面光洁度而不降低切削工具的寿命，因为降低切削工具寿命导致增加生产成本和不良的产品率。如果冷冻流体撞击角(α)足够陡峭，则在切削硬质材料过程中工具寿命短的问题可以减少。

增加表面光洁度(例如减小粗糙度)和表面完整性(例如增加可压缩应力)的加工表面硬化可以是永久的或暂时的，只要在材料表面是冷却的时候维持表面硬化，并且只要在加工操作过程中表面硬化有效。加工表面的永久的预硬化包括热处理、扩散渗碳、渗氮、聚合物交联等。如申请人观察的：如果相同的加工材料在加工之前通过永久性处理硬化，则产生更好的表面光洁度。这是一个不包括增加散布角(β)而改善表面光洁度的备用方法。

然而，预硬化加工材料与在加工过程中利用在足够大的散布角(β)下喷射冷冻剂进行额外的硬化相互结合经常导致进一步改善表面光洁度。申请人观察到：如果在已经预硬化的加工材料上(例如通过淬火和回火或渗碳进行硬化的钢)使用冷冻急剧冷却，则所加工的表面粗糙度落在常规计算的理论粗糙度(Ra-t)极限的右侧，并且如果切削工具尾端形状正确，则所加工的表面粗糙度甚至落在常规的极限(Ra-t)之下。

在车削中理想的数学平均表面粗糙度(AA)或常规的Ra-t极限通常从工具馈送率(f)和工具刀尖半径(r)利用以下方程计算：

$>>>R>>a>->t>>>=>>>f>2>>>32>r>>>>s>$

从C.Feng，An Experimental Study of the Impact of Turning Parameters onSurface Roughness，论文No.2036，2001年Industrial Engineering ResearchConference of the Institute of Industrial Engineers(2001)的会议录。

尽管该计算方法被广泛接收，但这种计算方法仅仅是近似的，因为车削工具的工具几何形状和馈送率只允许精确计算最大的峰-谷粗糙度(Rt)，而Rt/Ra-t＝m是对一般的车削条件进行的简单估计。即使申请人在精车削中的实验工作表明比例(m)可以在3.6到7.8之间变化(参见C.Feng)，在本文中申请人使用表达式Ra-t和m＝4作为车削中的理想数学平均表面粗糙度的标准极限(AA)

$>>>R>t>>=>>>f>2>>>8>r>>>>s>和R$_a-t＝R_t/m

在申请人使用本发明精车削金属、复合材料和聚合物加工材料的过程中的各种观察和发现可以综合成以下五个定性的方程，其中：Ra-所加工表面的数学平均表面粗糙度、H-在切削操作过程中加工材料的硬度、t-切削工具的寿命、α-喷嘴控制的冷冻射流撞击角、A喷嘴控制的被沸腾的冷冻流体冲击的工具前刀面表面的面积，H₀-加工材料的初始硬度、ΔH_p-由任选的预硬化步骤导致的加工材料硬度的增加量、β-喷嘴控制的冷冻射流散布角、f-在切削过程中工具馈送率、r-工具刀尖半径、Ra-t-圆形切削刃的理论粗糙度极限、n和m-可以从样品的加工测试中确定的大于零的常数、和符号“～”是指成比例。

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因此

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实施例1：

在各种流速和供应压力下评估冷冻射流撞击角(α)对冷却镶入式截坯刀的效果。使用两个如图2A所示的简单的、管状喷嘴喷射液氮(LIN)冷却剂。使喷嘴的内部末端形成会聚-分叉(CD)、Laval型流体通道，它能使膨胀的冷冻流体比直壁或只有会聚的流体通道更加精确地集中。第一CD喷嘴咽喉的最窄部分的直径是0.019英寸，而第二个CD喷嘴的直径是0.025英寸。在供应压力为120磅/平方英寸时，较小的喷嘴喷射1.1磅/分钟的LIN，而较大的喷嘴喷射1.8磅/分钟的LIN。用较大的喷嘴在减小的供应压力60磅/平方英寸下进行额外的试验，表明膨胀流体更受限制或分枝(bushy)更少，并且流速为1.2磅/分钟LIN。

由每一个喷嘴产生的LIN射流对准一般在精加工操作中使用的镶入式截坯刀的前刀面：由相对非导电的Al₂O₃-TiN陶瓷复合材料制造的CNGA/CNMG-432(ISO)。在每一个喷嘴的出口与前刀面表面之间的轴线距离保持为常数0.5英寸。在每一种喷射条件下评估两个撞击角(α)：40°和85°。将微型热电偶放置在镶入处正下方、切削刀尖下，以便在LIN喷射的前两分钟监测温度从室温的变化。绘于图3的测试结果表明：陡峭射流撞击角(α＝85°)对于快速有效冷却镶入式截坯刀是最重要的因素。在膨胀过程中射流成枝状(bushing)的影响不重要但是不能忽略—更多限制，60磅/平方英寸的射流比120磅/平方英寸的射流更有效。最令人吃惊的是，发现LIN流速的影响是三个因素中最不重要的，这说明最节省成本的冷冻流体射流冷却方法必须优化撞击角(α)和其限制而不是简单地使流速最大化。

在精车削操作中用其它常用的镶入式截坯刀重新测试：由导热立方型氮化硼(CBN)切削刃铜焊到导电WC-Co碳化物把柄上所制造的CNGA/CNMG-432。在陡峭射流撞击角(α＝85°)下，发现冷却速率与非导电陶瓷插入物相同；CBN/WC-Co的冷却速率只是比以前和在较低的撞击角(α＝40°)下有所提高。因此，再次发现控制射流撞击角(α)对于冷却切削工具的刀尖是重要的，这对于硬质加工材料的有效和快速切削是必须的。

实施例2：

将铁、石墨、铜和镍粉末预混以获得FN-0208(MPIF类)组合物(0.8-0.9％C、0.8％Ni、2.0％Cu、余量Fe，均是基于重量计)，压成粉末冶金(P/M)圆盘，并且烧结获得两个不同密度水平：6.67g/cm³(6.67Mg/m³)，‘低密度’材料，14.5％的孔隙率，和7.20g/cm³(7.20Mg/m³)，‘高密度’材料，7.7％的孔隙率。每一种密度的一半圆盘随后通过使用常规步骤进行热处理硬化，以获得高的表观硬度—在低密度材料的情况下至少为30HRC，而在高密度材料的情况下至少为40HRC。

如此制备的P/M圆盘的表面加工在20kW的CNC车床上进行，恒速操作，使用如下参数：(1)切削速度-1,000英尺/分钟(305米/分钟或5.08米/秒)；(2)馈送率-0.007英寸/转(0.178毫米/转)；和(3)切削深度-0.008英寸(0.203毫米)。使用“低含量”、市售的、未涂覆的PCBN镶入式截坯刀，具有2个切削刃的BN250(通常，铜焊尖端类型)。镶入部分和刀刃的几何形状如下：CNMA-433、0.005英寸的刃背宽(0.127毫米宽的斜面)，-20°的倒角。镶入部分固定在最常用类型的钢工具把柄上，特征为-5°的前刀面和-5°的倾角。在加工过程中使用切削流体冷却的最常规的方法，包括冲洗(flooding)镶入部分和P/M圆盘。在水中的9体积％乳化油用作流体以20磅/平方英寸(1.38巴)的供应压力经过管道冲洗镶入部分。

使用由Taylor Hobson公司提供的数学、Ra粗糙度仪Surtonic10评估所加工的P/M圆盘的表面光洁度。材料硬度用常规微型硬度计测量Vicker scale(kG/mm²)。结果汇于下表1。表面粗糙度的降低(也就是表面光洁度随着硬度的增加而改善)是显然的，并且说明在加工之前的热机械表面硬化对于超精加工是有效的措施。

表1

P/M材料条件  表观硬度    HV真实(颗粒)硬    度，HV粗糙度，Ra，微    英寸烧结/软圆盘低密度    99    186    44烧结/软圆盘高密度    127    189    43热处理/硬化圆盘，低密度    306    567    11热处理/硬化圆盘，高密度    399    569    8

实施例3：

来自于实施例2的烧结的、软P/M圆盘利用液氮(LIN)冷冻射流冷却并用图2C和2D所示的具有内部膨胀室的工具夹喷嘴进行表面加工。在LIN质量流速为1.8磅/分钟、供应压力为100磅/平方英寸(6.89巴)下，喷嘴产生的射流以等于45°的撞击角(α)撞击在前刀面上，并以等于90°的散布角(β)散布到各侧。使用节省成本的、市售的、Al₂O₃-TiC基、TiN涂覆(PVD)的、细粒的黑色陶瓷镶入式截坯刀，它有四个(4)切削刃，并且几何形状说明如下：CNGA-433、0.008英寸刃背(0.200毫米宽的斜面)、-25°倒角。除了不同的镶入部分和冷却方法外，所有其它条件均与实施例2相同。

表2比较了用冲洗和LIN加工的圆盘的加工表面粗糙度，和在平均工具侧面磨损(V_b-ave)达到数值为0.30毫米之前的切削刃的寿命。清楚表明：加工材料和切削工具的LIN冷却和硬化导致明显改善的表面光洁度以及工具寿命。

图4比较了用于切削软的和预硬化零件的工具的寿命。工具寿命通常随着材料硬度的增加而缩短，但是在加工硬质工件过程中LIN冷却的工具的寿命仍然比在加工软零件的过程使用常规的水冲洗冷却的工具的寿命长。因而，从制造过程中完全省略软加工的步骤，然后硬化加工表面，并使用LIN冷却进行精车削，是节约成本的。

表2

P/M材料条件冷却方法  粗糙度，Ra，微英寸    切削刃寿命切削的P/M圆盘数目烧结/软圆盘，低密度  冲洗    44    92烧结/软圆盘，低密度  LIN    24    337烧结/软圆盘，高密度  冲洗    43    94烧结/软圆盘，高密度  LIN    23    499

实施例4：

冷冻射流散布角(β)对表面光洁度的影响用加工材料硬度和塑性的函数进行评估。具有平均硬度为44HRC的医用钴-铬合金、ASTM F型(Co-Cr-Mo-Ni-Fe-Si-W-Al-Ti)被用作中间硬度的稍微粘性的加工材料进行试验。通用的轴承钢，52100(1％C-1.5％Cr-0.35％Mn-0.20％Si-余量Fe)通过淬火和低温回火进行热处理到硬度为60HRC，作为硬质加工材料。两种材料均用20kW的CNC车床进行切削，恒速操作并且使用相同类型的市售镶入式截坯刀和工具把柄：便宜的、市售的、Al₂O₃-TiC基、TiN涂覆(PVD)、细粒的黑色陶瓷镶入式截坯刀CNGA-432、0.004英寸削角、-20°倒角、和-5°的前刀面/-5°的倾角工具把柄。每一加工材料的加工参数是不同的，如表3所示。

在加工两种加工材料过程中，使用两类工具夹具/内部膨胀室的喷嘴：第一，如图2D所示，散布角(β)为90°，第二，如图2E所示，散布角(β)为25°。对于两种喷嘴，射流撞击角(α)相同并等于45°。向每一个喷嘴提供压力为100磅/平方英寸的LIN，并且每一个喷嘴每分钟喷雾1.8磅LIN。

如前面的实施例，使用由Taylor Hobson公司提供的平均数学、Ra粗糙度仪Surtonic10检验所加工零件的表面光洁度。形成的加工表面粗糙度Ra，也称为AA或CLA粗糙度，与从以下标准方程估算的理论表面粗糙度极限Ra-t进行比较：Ra-t＝f²/(8mr)，其中：f-工具的馈送率、r-工具刀尖半径、和m-粗糙度转换常数，对于本发明的表面光洁度切削操作而言假定为3.9。以下表3的结果表明：(1)大的冷冻射流散布角(β)改善加工表面光洁度，但它的效果与加工材料的硬度成反比；(2)当使用理论粗糙度极限Ra-t评估光洁度时，越硬的和/或预硬化的加工材料产生更好的表面光洁度，1/Ra；和(3)预硬化加工材料和在切削过程中应用冷冻冷却剂的硬化效果相互结合能产生加工表面粗糙度水平低于常规可接收的理论粗糙度极限，Ra-t。

表3

  加工材料  Co-Cr合金    52100轴承钢  表面硬度  44HRC    60HRC  切削速度  900英尺/分钟    650英尺/分钟  馈送率  0.002英寸/转    0.004英寸/转  切削深度  0.005英寸    0.008英寸  理论粗糙度极限，Ra-t  4.1微英寸    16.4微英寸  使用的冷冻喷嘴的散布角β  90°    25°    90°  25°  测量的粗糙度Ra，微英寸  7.6    12.0    8.0  8.3  测量的粗糙度Ra，计为理论  粗糙度极限，Ra-t的百分数  185％    293％    49％  51％

当与列于表4中的工业标准粗糙度水平比较时，可以充分正确评价表3所示的利用LIN硬化、以及在车削过程中LIN硬化与热硬化结合产生的低粗糙度水平。因而，申请人的切削方法改善加工表面光洁度到可以省略常规研磨和精研操作的程度，并且大大降低生产精成品零件的成本。

表4

    加工表面光洁度的分类(ASM Handbook Desk Edition，2001)分类      粗糙度，R产生光洁度的典型方法生产的近似  相对成本  Mm  μm超精加工  0.10  4研磨、微细磨、精研    40抛光  0.20  8研磨、细磨、精研    35研磨  0.40  16研磨、精研    25修光  0.80  32研磨、铣削    18精细  1.60  63铣削、研磨、铰削、拉削    13半精细  3.2  125研磨、拉削、铣削、车削    9中级  6.3  250成型、铣削、车削    6半粗糙  12.5  500铣削、车削    4粗糙  25  1000车削    2清除  50  2000车削    1

实施例5：

工具磨损和冷却方法对表面光洁度的影响评估如图5所示。除了在更高的温度下回火以降低平均表面硬度到54HRC之外，加工材料是与实施例3相同的52100轴承钢。切削速度从650英尺/分钟增加到750英尺/分钟，但是馈送率、切削深度、理论粗糙度极限(Ra-t)、加工、和LIN供应方法与实施例4中在52100材料上使用的相同。LIN射流撞击角(α)和散布角(β)分别为45°和25°。使用如实施例2中的冲洗方法进行类似的冲洗加工。结果显示：即使LIN冷却的工具的侧面磨损小于冲洗的工具的侧面磨损，LIN加工的材料的表面粗糙度比冲洗冷却的情况更低。由LIN冷却的镶入部分的强度保护切削刃，并且LIN低角度的散布足够改善硬质加工材料的表面光洁度。而且使用LIN的实际粗糙度落在理论极限Ra-t之下。图5A和5B表明：仅仅是侧面磨损和工具刀尖变平不能解释LIN降低粗糙度的效果。表5在相同的撞击角(α)和散布角(β)下将由LIN射流加工的较硬的钢(见实施例4)的表面光洁度与较软的钢(见图5B)进行比较。较硬的52100表面在稍微低的切削速度下加工，比其它的更光滑，表明切削刃附近的微塑性流加工材料和切屑的不同。这是额外的证据，证明在切削过程中的LIN射流冷却、以及加工表面的预硬化是控制表面粗糙度的有效手段。

表5

加工表面硬度  60HRC  54HRC切削速度  650英尺/分钟  750英尺/分钟测量的粗糙度，Ra，微英寸  8.3  11测量的粗糙度，Ra，计为理论粗糙度极限，Ra-t的百分数  51％  67％

实施例6：

25体积％玻璃填充的尼龙复合材料样品、以及由聚丙烯、高密度聚乙烯(HDPE)、生(cast)丙烯酸和乙缩醛均聚物Delrin^制造的普通(Plain)聚合物样品被制备用于使用本发明的LIN表面硬化方法进行的抛光端铣削(end-milling)和通孔钻孔测试。(Delrin^是E.I.Du Pont De Nemours and Company的注册商标)。从距离为0.5英寸处利用简单的、但是精确喷射的、终端具有CD孔的管状喷嘴将LIN射流以陡峭的撞击角(α)75°撞击在工具加工表面接触区或其周围。在通孔钻孔的情况下，第二股LIN射流撞击在钻头的出口侧的加工材料表面上。结果显示：LIN硬化明显减少一般在加工过程中的聚合物表面上形成的纤维毛刺(burrs)。在通孔钻孔的情况下，同样通过使在钻头錾子的前部进入出口壁处的材料的塑性断裂最小化除去出口侧的毛刺。当与常规的干法加工步骤比较时，整体加工表面的改善特别重要。所观察到的改进能使加工操作省略后续的清除毛刺步骤并且不需要常规的、污染聚合物零件表面的润滑冲洗冷却和额外的清洗步骤。

实施例7：

在合金钢环的外径、最终的硬质车削过程中，评估冷冻冷却对加工表面完整性，更具体地对残余应力分布，的效果。该环是由淬火并回火到硬度为63HRC的M50级钢(0.85％C-4.1％Cr-4.2％Mo-1％V-余量Fe，基于重量)制造的。所使用的车床和工具把柄与实施例2-5中的相同。所有下述测试的整个过程中使用一种工具馈送率0.003英寸/转。

第一个测试，测试A，使用如实施例2中详细描述的常规冲洗冷却，并使用昂贵的、市售的、CBN镶入式截坯刀CNGA-432 KB5625。测试A中选择的工具、冷却方法和切削速度是最典型的、标准的工业加工条件，这些条件是近年来通过试差法并用来针对所生成的残余应力优化工具寿命(例如工具成本和生产率)而发展起来的，残余应力应该是高度压缩的，但当工具磨损或速度更高时，可以变得更加可伸展。接着的三个测试，B、C和D使用如实施例4中详细描述的便宜的、Al₂O₃-TiC基镶入式截坯刀。测试B-D选择的切削速度比常规测试高3.7倍，其中切削速度相应于生产率，测试A表示常规测试。

表6是所有四个测试中使用的关键条件和冷却方法。每一个使用LIN作为冷却介质的冷冻测试以及限制射流喷嘴类型在图2E中表示。在该喷嘴中的限制孔的形状为矩形，尺寸为(0.08±0.010)英寸×(0.025±0.010)英寸。撞击角(α)比较陡峭(65°)而散布角(β)窄(25°)，以便使工具加工接触弧整个长度上的工具冷却效果达最大。在测试C和D中通过同时使用第二个喷嘴对加工材料进行额外的冷却和硬化，第二个喷嘴是具有限制孔(咽喉)直径为0.035±0.005英寸的简单CD喷嘴。第二喷嘴对准镶入部分前刀面和接触长度尾端的切削刃，也就是，由第一个限制射流喷嘴形成的LIN射流的轴下游。

使用标准X射线衍射方法测量在目前条件下所加工的环的残余应力，该方法是基于晶格间距的变化，如G.Totten等人编的“Handbook of Residual Stress andDeformation of Steel”所述，ASM International，Ohio，2002，第112-113页。使用重复、步进式X射线测量和电蚀刻所测试的材料的薄层的额外步骤，以便确定材料表面以下较深处的应力分布。在制造工业中通常使用的步进式步骤，由E.Brinks等人描述在出版物“Residual Stresses-Measurement and Causes inMachining Processes”中，Annals of the CIRP，卷31/2/1982，第491-510页。残余应力分布的X射线测量结果绘于图6。

表6

  测试 切削速度(英  尺/分钟)切削深度  (英寸)  冷却方法  所使用的冷冻喷嘴类型    备注  A    350  0.010  28磅/平方英寸背  压冲洗的乳液  无加工产生低的热量输入  B    1300  0.010  100磅/平方英寸  背压射出的LIN  图2E所示的限制射流喷嘴加工产生高的热量输入  C    1300  0.015  100磅/平方英寸  背压射出的LIN  使用两个喷嘴：[1]图2E所  示的限制射流喷嘴和[2]图  2A所示的CD喷嘴加工产生最高的热量输入  D    1300  0.010  100磅/平方英寸  背压射出的LIN  使用两个喷嘴：[1]图2E所  示的限制射流喷嘴和[2]图  2A所示CD喷嘴加工产生高的热量输入

图表说明：在所有四种情况下残余应力是压缩的，但是使用冷冻冷却使表面压缩的程度和深度明显增加到压缩应力能渗透所处理的材料。测试C和测试D获得最佳效果，它们均使用最冷和最硬、双喷嘴布置。测试C导致压缩应力比测试D稍微低些，因为其切削深度高50％，也就是，进入材料的热量、或材料软化的程度更高。通过维持加工表面和工具材料冷却和硬化，所公开的冷冻方法和设备能使用比较便宜的工具，该工具能比常规的、CBN工具更快地切削并更有效率地工作。而且，尽管增加切削速度，所公开的冷冻方法增加压缩残余应力(也就是表面完整性)，因而减少对额外的下游操作的需要，下游操作如张应力表面的抛光、喷丸处理、滚光、磨光、深滚压和常规用于在所加工和形成的零件上恢复压缩应力的类似制造步骤。

本发明产生加工表面，特征在于获得改善的表面光洁度和表面完整性而不缩短切削工具的寿命。这使制造工业省略一些上游和/或下游制造步骤，例如软粗磨、研磨/抛光、喷丸处理、磨光和修边。同样，当本发明在冷冻加工中使用时，允许用户省略清洗步骤。总言之，本发明具有更快生产零件、单位成本更低并且使用更少资金的能力。

本领域普通技术人员应该认识到：本发明在许多工业部门包括机械、采矿、能源、交通、电气、电子、光学和医疗用品和设备制造中能改善产品质量并减少生产成本。根据本发明能够制造的部件的实例包括金属板、带、挤压件、成形件和冲压件、冲压工具、冲模、模具、钻头、辊子、轴、轴承、轴衬、锭子、环、圆筒、阀、紧固件、连接件、轮、齿轮、刀刃、量规和其它测量仪器、电极、吸热设备、微芯片包、溅射靶、掩模、激光镜和其它光学部件、医用植入物和仪器、以及各种器件、尺寸精确一致的塑性和复合部件。

尽管本文参考一些特定的实施方案进行了说明和描述，然而本发明并不受所示细节的限制。而是，在权利要求书的等同方案的范围内在细节上可以做各种修改，而不脱离本发明的精神。