CN100475439C - 高能切削操作低温冷却的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

低温流体喷射流可以用在一种装置和一种方法中，以便在高能切削条件例如高速切削、硬工件切削、难加工工件切削以及它们的组合切削条件下，从远处冷却加工工件的切削刀具。该装置和方法采用低温流体的自由膨胀喷射流，该喷射流的脉动周期时间小于或等于约10s。这种装置和方法增加了加工部件和切屑的洁净度，增加了硬而脆刀具的切削效率，该刀具包括(但不限于)不应当用常规流体冷却的那些刀具。

Description

高能切削操作低温冷却的装置和方法
技术领域
本发明涉及用切削刀具(例如将过多材料切成切屑的切削部件)机加工部件的领域，具体涉及用低温冷却的切削刀具进行材料的切削。
背景技术
在本申请中已经引用许多参考文献，这些文献包括在本发明详细说明之后出现的附注文件。这些参考文献中的各个文献的相关部分已作为参考包含在本文中。
按照本文的用法，术语“切削”包括但不限于以下操作：车削、镗孔、切断、开槽、表面刨削、刨平、铣削、钻孔和其它产生连续切屑、碎片或者断片的其它操作。术语“切削”不包括：研磨加工、电火花加工、超声波加工，或者高压喷射腐蚀加工，即产生很细碎末的操作，这些碎末的形状不确定例如为尘状或粉末状。
对难于加工材料的切削以及高速切削除包含锌或者聚合物等低熔点材料外的所有各种材料将造成很大能量耗散在切削刀具上。下面表1列出易于和难于机加工的黑色金属和有色金属例子，它们的加工难易性受到组成和机加工温度状态的影响。单位功率(PC)大于1马力/英寸3/分，单位能量(EC)大于2.7J/mm3和/或者硬度大于30HRC的材料被认为是难加工的。对于熔点高于1400℃的钢铁和其它金属，已证明高速切削是很难的，即使硬度仅为是25HRC。
表1：在切削中遇到的硬度、功率、能量和温度的例子(1)
  材料   硬度   单位功率(hp/in<sup>3</sup>/min)   单位能量(G/mm<sup>3</sup>)   理论密度(g/cm<sup>3</sup>)   理论比热(cal/(g/*K))   工件/切屑温度的标称增加(°K或℃)
  镁   40-90HB   0.13-0.17   0.36-0.46
  低强度铝合金6061-T6铝合金2024-T4铝合金   30-150HB   0.200.350.46   0.550.961.26   2.72.72.7   0.210.210.21   230400520
  软铜合金70Cu-30Zn黄铜铜和较硬的铜合金   10-80HRB80-100HB   0.500.590.70-0.80   1.371.611.91-2.18   8.98.9   0.090.09   400580
  钢：AISI1020碳钢AISI1020碳钢碳钢、合金钢和工具钢，各种不同的硬度值 150-175HB176-200HB35-40HRC40-50HRC50-55HRC55-58HRC 0.580.671.151.201.602.75 1.581.833.143.284.377.51 7.87.87.87.87.87.8 0.110.110.110.110.110.11 440500870900约1200＞1500
  不锈钢、熟铁和铸铁，各种硬度值的淀析硬化不锈钢   135-275HB30-45HRC150-450HB   1.051.121.12   2.873.063.06
  软品级的铸铁、灰口铁、球墨铸铁和延性品级的铁   110-190HB190-320HB   0.551.12   1.503.06
  钛合金   250-375HB   1.0-1.9   2.73-5.18   4.4   0.12   1186至＞1600
  镍基超合金   200-360HB   2.0   5.46   8.9   0.11   ＞1350
  铌合金   217HB   1.4   3.82
  钼   230HB   1.6   4.37   10.2   0.06   1710
  钽   210HB   2.25   6.14
  钨   320HB   2.3   6.28   19.2   0.03   2440
注：
1.单位功率：切削刀具以1in3/min的速度切削工件所需的功率；
2.切削刀具切下1mm3材料消耗的总能量，1.0hp/in3/min＝2.73J/mm3；
3.铣削要求的上述单位功率平均值对于锋利的高速钢(HSS)刀具和硬质合金(WC-Co)刀具在每转0.005-0.020英寸的进给速度范围内进行切削是有效的，并除去主轴的有效因素。铣削所需的单位功率平均值可以变化±10％；
4.单位功率的值在用钝刀具或者多个钝刀具切削时，应乘以约1.25的因子，该钝刀具特征在于具有负倾角的几何形状；
5.上述计算的切屑温度的标称增加是一种估计值，假定：(1)在整个温度范围内工件的比热恒定；(2)工件和刀具没有能量损失；(3)沿整个切屑厚度，温度分布均匀，该厚度包括在所谓二次剪切区域内的切屑/刀具接触界面。
表1还示出单位功率和能量如何转换成一直与切削刀具接触的切屑高温。可以明显看出，高能材料和切削状态要求在最高温度使用时硬度保持不变的这种级别的刀具，即硬度大，但容易脆这种级别的硬质合金(WC-Co)，最好是高级的非金属刀具材料，这种材料可以靠牺牲抗裂强度和抗断韧度得到最大硬度。下面表2简要列举出主要类型刀具材料的典型横向抗裂强度(TRS)和抗断韧度(K1c)的数值。
表2HSS、硬质合金材料和高级工具材料即陶瓷合金、陶瓷和金刚石的某些特征(2)
  刀具材料   横向抗裂强度(MPa)   抗断韧度(K<sub>1c</sub>)(MPam<sup>1/</sup>)<sup>2</sup>
  Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   500-700   2.5-4.5
  Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-TiC   600-850   3.5-4.5
  Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-1％ZrO<sub>2</sub>   700-900   5-8
  Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-SiC   550-750   4.5-8
  SiAlON   700-900   4.5-6.5
  Si<sub>3</sub>N<sub>4</sub>   100-1000   1.5-8
  SiC   550-860   4.6
  多晶CBN(PCBN)   800-1100   4-6.5
  多晶金刚石(PCD)   390-1550   6-8
  TiC-TiN-WC-TaC-Ni-Co-Mo(C7-C8/C3-C4级)   1360   8.5
  97WC-3Co(具有合金添加物)   1590   9
  71WC-12.5TiC-12TaC-4.5Co   1380
  84WC-16Co(直接烧结的硬质合金级)   3380   10-13.5
  高速钢M42(CPM级)   4000
与传统的高速钢(HSS)和包含更多钴粘合剂的更具韧性的硬质合金相比，高级非金属刀具材料是相当脆的，即对应力负载的不均匀性、热量负载的不均匀性或者对冷却和高温应力冲击更为敏感。TRS值小于3GPa(3000MPa)和K1c值小于10MPa1/2的刀具被认为是很脆的，在高能切削状态下容易很快断裂。切削加工界人士知道，在用这些脆的刀具进行切削时，或者必须避免采用常规切削流体，或者如果在给定的切削操作中用易脆刀具是可能和可行的，但须极小心地使用完全均匀的溢流方式冷却刀具、切屑和接触区域。
例如，许多出版物和刀具厂商提醒加工操作者注意到，在与常规切削流体接触时，陶瓷刀具寿命缩短的问题。尽管有固有的缺陷例如工件过热、尺寸精度降低，或者有切屑着火的危险，但是如果采用硬而脆的刀具，则推荐干切削。在“Applications of Ceramic CuttingTools”(Key Engineering Materials，Vol.138-140(1998)，Chapter1，pp.1-24)论文中，Kennametal的P.K.Mehrotra认为：“在使用这些工具来加工钢铁时，由于其抗温度冲击性能差，不推荐使用冷却剂。R.C.Dewes和D.K.Aspinwall(“The Use of High Speed Machining forthe Manufacture of Hardened Steel Dies”(Trans，of NAMRI/SME，Vol.XXIV，1996，pp.21-26))试验了各种氧化物和氮化物刀具，这些刀具包括：71％Al2O3-TiC，75％AL2O3-SiCw，50％CBN-AlB2-AlN，50％-TiC-WC-AIN-AlB2，80％CBN-TiC-WC以及95％CBN-Ni/Co。它们发现，采用溢流式或喷射式方法应用常规冷却剂将使工具寿命减小95％，除开用须晶增强的氧化铝，对于这种氧化铝寿命缩短约88％。GESuperabrasives  的T.J.Broskea等人(MMS Online(www.mmsonline.com./articles))以及其它的地方已经公开了类似的测试结果，这些结果显示，PCBN切削镶嵌件与冷却流体接触时由于脆裂引起刀具惊人的断裂。
下面的表3示出在现有技术中对各种工件和刀具推荐的典型加工条件。尽管切割深度(DOC)、进给速度(F)、切削速度(Vc)和单位功率(Pc)的不同结合导致或高或低的总功率(P)，但是高能切削操作特有的对刀具寿命至关重要数值是功率通量(Pf)，该功率通量是未形变切屑的横截面积(DOC和F的乘积)除以P。
Figure C0282240600121
Figure C0282240600131
表3的代表性例子不是穷尽的目录。本领域普通技术人员可以看出，由许多其它的条件也可能得到类似的规范。
较高数值的功率通量表示机械刀具温度负载或者刀具冷却不均匀性的可能损坏量。只有HSS刀具和某些硬质合金刀具可以操作在能忽略这些工艺不均匀性的切削条件下。由于是切削速度和单位功率的乘积，所以功率通量表示给定的一组切削条件是否能导致高能切削状态。如果对于给定的刀具、切削深度和进给速度选择切削速度，该速度大于由工具厂商推荐的切削速度，和/或工件要求单位切削功率超过1马力/英寸2/min，则总的功率通量值将超过常规的功率通量值，这种操作可以归为高能切削。
虽然在高能范围内进行切削操作对机械工业具有很强的经济刺激性，但这种刺激性受到工具过热、高功率通量值以及不可能以均匀方式从刀具上除去切削能量的限制，这种均匀方式对于防止很快断裂来说是很需要的。所有的刀具包括HSS、硬质合金和难溶陶瓷均具有一个共同点，即刀具的温度增加时刀具变软，并出现局部内应力(由于热膨胀，特别是加上有限的导热性)，如M.E.Trent和P.K.Wright所述(“Metal Cutting”，4th Ed.，Butterworth，Boston，Oxford，2000，and the ASM Handbook on  “Maching，Ceramic Materials”)。这样在加工期间使得工件硬度、切削速度和功率通量受到限制。采用常规的机加工方法，在工业上，在满足上述列举的其它要求时不能解决冷却问题。机械加工的其它问题包括重要的环境和健康问题，这些问题与现在加工中所用的常规切削流体和冷却剂有关。例如，通常用作工业冷却剂的二氧化碳是一种温室源。另外，因为二氧化碳比空气浓，所以它可能造成窒息性问题。另外，二氧化碳还可能造成酸腐蚀，因为二氧化碳容易溶解在水中。氟里昂、氟里昂代用品以及其它一些常用冷却剂也是一种温室源和臭氧贫化剂。这些物质在与红热固体接触受到加热时，也具有爆炸性和/或具有毒性。可能爆炸的其它冷却剂包括碳氢化合物气体和液化氨气。其中含有氧的冷却剂例如低温/液化空气可能造成切屑着火。
已经提出大量的涉及低温冷却刀具的现有技术文献，包括：WO99/60079(Hong)和U.S.Pat.Nos.：5,761,974(Wang，等人)，5,901,623(Hong)，3,971,114(Dudley)，5,103,701(Lundin，等人)，6,200,198(Ukai，等人)，5,509,335(Emerson)和4,829,859(Yankoff)。然而在这些文献中以及前面其它现有技术参考文献中没有一个文献解决了上述问题，或者满足上述要求。
美国专利NO.5761974(Wang等人)公开一种低温冷却的盖形容器，该容器放在切削刀具的顶部，如本文的图1A(对应于Wang等人)所述。Wang的方法和方式提供一种均匀稳定冷却，只是在切削操作期间如果切削深度和/或进给速度改变，则容器要求特别的冷却方式和须重新配置。这种要求和限制使得成本特别高，在工业加工环境中很难接受。
美国专利NO.901623(Hong)公开一种低温流体喷射流的切屑破碎法，该切屑靠近倾斜面，以便在切屑从工件上切削下来后使该切屑沿该倾斜面升高。见本文的图1B和1C(对应于Hong的图3和7B)。Hong的方法不能对整个切削刀具进行均匀冷却，在高能切削操作中采用硬而脆的刀具这种冷却是需要的。另外，Hong的破碎切屑的喷嘴要求特殊的切削方式和须重新配置，如果在切削期间切削深度和/或进给速度改变的话。这种要求和限制使得成本特别高，在工业机械加工环境中是不能接受的。
美国专利NO.3971114(Dudley)公开一种低温冷却剂刀具的装置和方法，在这种方法中，在刀具的内部形成通道，使该内部通道绝热，冷却气流以精确的角度喷到刀具刃口和工件之间的界面上，使得从工件上切削下来的切屑不会影响气流。见本文的图1D和1E(对应于Dudlley的图2和3A)。这种方法不能对用在高能切削操作中的硬而脆的切削刀具进行要求的均匀冷却。另外，它需要形式复杂的专用冷却装置。这种要求使得成本很高，在工业上的机加工环境中是不能接受的。
美国专利NO.5103701(Lundin等人)公开一种方法和装置，该方法和装置可采用金刚石加工与金刚石切削刀具产生有害反应的材料，在这种加工中，切削刀具和工具均冷却到低温，该方法和装置均要求显著改变机床和工件的处理，其中某些改变成本特别高，在工业机加工环境中是不能接受的。
美国专利NO.6200198(Ukai等人)公开一种在非燃烧气氛中切削金属和非金属材料的方法，其中将稍微冷却的氮气和氧气混合物或者氮气和空气的混合物吹到在刀具和工件之间的接触区域，这种方法在高能切削操作中的效果是令人怀疑的，因为所用的气体不是低温冷却气体。众所周知，气体喷射流能够很快的从周围环境吸入温度高的空气，这意味着喷射气流在刀具表面上的温度基本上与周围空气的温度相同。
美国专利NO.5509535(Emerson)公开一种低温加工系统，该系统包括气密的大气室，该大气室密封整个切削刀具和工件控制机构，并使低温流体射到由工件夹具固定的工件上。在高能切削操作中，这种方法的效果是令人怀疑的，由于低温冷却该工具，使得工件切削起来更难。这种方法在不大改动整个切削刀具和工件固定装置时是不可行的，这种改动将使成本特别高，在工业机加工环境中是不能接受的。
美国专利NO.4829859(Yankoff)公开一种高压系统，将常规流体和冷二氧化碳脉冲式混合，并喷射到工具、工件和切屑上。虽然可以很有效地破碎长的切屑，但是该系统产生有毒流体的气雾，这种气雾对于环境和健康是不能接收的。该高压操作系统的投资和操作成本是相当高的，在机加工环境中是不能接受的。其高压的脉冲喷射流经常混有固体粒子，可能影响在高能切削操作中的硬而脆刀具的寿命。
WO99/60079A2(Hong)公开一种低温铣刀，该铣刀包括转动传输管和靠近该刀刃的喷嘴，并可以连续暴露于从工件上擦除下来的切屑中。除开刀具寿命和系统的维修成本而外，在机加工中应用这种方法需要投入很大的资金来重新改造现有的机加工设备，有一些在现在的制造环境中是不需要的，并且是不能接受的。
因此，需要一种冷却切削刀具包括硬而脆刀具的装置和方法，该方法可以改进功率通量值超过刀具厂家、刀具供应商以及在机械加工工业中公认技术权威推荐的常规机加工操作的通用功率通量值的这种切削操作中的刀具寿命。
还需要提供一种冷却这种切削刀具的装置和方法，这种方法可以增加工件的切削速度和/或提高生产率，这二者均受到切削刀具、镶嵌件和刀尖的寿命(和成本)的限制。
还需要提供一种用于切削工件的装置和方法，这种方法可利用低温冷却剂来冷却切削刀具，以此来提高车间的安全性和改善环境状况，由此可以去除常规乳剂化切削流体和/或油雾。
还需要提供一种切削工件的装置和方法，这种方法可以通过尽量降低切屑着火、燃烧和/或切屑蒸发烟雾等的危险性来提高安全性和车间的环境状态，而同时采用环境上可以接受的安全无毒的和清洁的冷却切削刀具的方法。
还需要提供一种用于切削加工的装置和方法，这种方法由于不需要对常规乳剂化切屑流体所必需的工件部分、工作地点和/或机器进行清洁工作和/或消除油雾的工作，从而可降低生产成本。
还需要提供一种用于切削加工的装置和方法，这种方法可以确保有效切削这样的工件，例如制药设备或粉末冶金部件，这些工件不允许产生常规乳化切削流体和/或油雾，因为这些工件具有开放的微孔隙。
还需要提供一种冷却切削刀具的装置和方法、在切削期间控制切削刀具冷却的装置和方法以及用于切削工件的装置和方法，这些装置和方法可以克服现有技术面临的困难和缺点，从而可以得到更好和更多的有利结果。
发明内容
本申请人的发明是一种用于冷却切削刀具的装置和方法、一种用于在切削操作期间控制切削刀具冷却的装置和方法以及一种用于冷却工件的装置和方法。本发明的另一方面是一种采用冷却切削刀具的装置和方法和/或控制切削刀具冷却的装置和方法利用切削刀具切削工件的一种装置和方法。本发明的其它方面是由这种切削装置和方法加工的工件以及从工件上切削下来的可回收利用的切屑，该切屑是这种切削装置和方法的副产品。
本发明提供一种冷却切削刀具的方法，包括以下步骤：输送低温流体；在切削刀具加工工件的同时将低温流体的自由膨胀稳定喷射流从喷嘴射到该切削刀具上；其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
本发明还提供一种在通过切削刀具正在加工工件的同时冷却工件的方法，包括以下步骤：输送低温流体；在通过切削工具正在加工工件的同时将该低温流体的自由膨胀稳定喷射流从喷嘴射到工件上，其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
本发明还提供一种在切削刀具正在加工工件的同时冷却具有切削刀刃的切削刀具的方法，包括以下步骤：输送低温流体；配置喷嘴，该喷嘴适合于喷射低温流体喷射流，上述喷嘴具有至少一个排放点，该排放点与该切削刀刃隔开的距离大于或等于0.1英寸并且小于3.0英寸；以及在切削刀具正在加工工件的同时将从排放点喷出的低温流体自由膨胀稳定喷射流喷射到该切削刀具，其中，该低温流体在排放点的温度为负150℃，并且所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
本发明还提供一种在切削刀具正在加工工件的同时冷却切削刀具的装置，包括：输送低温流体的装置；在切削刀具正在加工工件的同时将该低温流体的自由膨胀稳定喷射流射到该切削工具的装置，其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
本发明还提供一种在通过切削工件正在加工工件的同时冷却工件的装置，包括：输送低温流体的装置；在通过切削工件正在加工工件的同时将该低温流体的自由膨胀稳定喷射流射到工件上的装置，其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
本发明还提供一种在切屑刀具正在加工工件的同时冷却切削刀具的装置，该切削刀具具有切削刀刃，该装置包括：输送低温流体的装置；喷嘴，该喷嘴适合于喷射低温流体喷射流，上述喷嘴具有至少一个排放点，该排放点与该切削刀刃分开的距离大于或等于0.1英寸并且小于3.0英寸；在切屑刀具正在加工工件的同时将从排放点喷出的低温流体自由膨胀稳定喷射流射在切削刀具上的装置，其中，该低温流体的温度在该排放点为负150℃，并且，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
本发明的另一方面是一种用切削刀具加工工件的装置，采用一种控制切削刀具冷却的方法，如第一实施例控制冷却装置中所用的方法。其它方面是工件和可回收的切屑，该工件由这种切削装置切削，其特征在于，表面得以改善，而该切屑是从工件上切削下来的，可作为副产品，该切屑的特征在于纯度得到改善。
附图说明
下面参考附图用例子说明本发明，这些附图是：
图1A～1E示出在切削或机加工操作中用于低温冷却的各种现有技术装置；
图2A是示意图，示出本发明的一个实施例；
图2B是用在切削操作中的本发明一个实施例的示意图；
图2C是示意图，示出用在铣削操作中的本发明的一个实施例；
图3A是曲线图，示出在高能切削不锈钢440C期间，在时间过程中的刀具前端温度变化；
图3B是曲线图，示出在高能切削Ti-6A1-4V ELI期间，刀具前端和刀具后棱在时间过程中的温度变化；
图3C是曲线图，示出在高能切削不锈钢440C期间，低温流体脉动周期和刀具前端温度之间的相关关系；
图3D是曲线图，示出铣刀的RPM对射到切削镶嵌件上脉动低温流体冲击流量的影响；
图4是曲线图，示出在高能切削Ti-6A1-4V时刀具的寿命和温度关系；
图5A是曲线图，示出用在切削速度为300英尺/min的高能切削操作中陶瓷复合刀具的寿命；
图5B是曲线图，示出切削速度为300英尺/min和400英尺/min的高能切削操作中陶瓷复合刀具的寿命；
图6是曲线图，示出在某些操作条件下，脉动低温流体喷射流对立方晶系氮化硼寿命的影响；
图7是曲线图，示出本发明对切屑化学成分的影响，该切屑是切削Ti-6A1-4V的切屑。
具体实施方式
本发明解决了机加工工业中基本的没有解决的问题，即可以更快地生产清洁的部件，而且加工成本低，改进了在制造操作中的环境和卫生。降低制造成本一个重要因素是用更好的性能成本比更好的切削操作代替慢的研磨操作，对难以加工的部件进行加工。机加工工业需要改进对难切削工件的加工方法。另一个重要的但经常忽视的因素是加工成本和改动常规工艺。机加工工业需要改进的加工工艺，这种改进还可以尽量减小对现有设备和工艺所作的改动量。
本发明是一种采用低温流体的自由膨胀(不受约束的)稳定喷射流冷却切削刀具、镶嵌件、尖端、刀刃、刀片或刀头的装置和方法，在这些切削刀具、镶嵌件、尖头、刀刃、刀片等任何一种可以是固定的或运动的(例如相对于工件转动)。低温流体喷射流可以是单相气体、单相液体或两相混合物的低温流体喷射流，最好是液态氮、气态氮、液态氩、气态氩和/或它们的混合物喷射流。然而本领域普通技术人员可以看出，可以用其它的低温流体、低温气体和固体粒子的混合物作低温流体。
自由膨胀的或不受约束的喷射流是经喷嘴从高压膨胀到不受限制的环境和空间中的低温流体流。由于速度、密度和温度的差别，所形成的剪切力和混合涡流造成吸入环境空气例如环境空气。从位于一个平面例如倾斜面或位于该平面上面的喷嘴喷出的喷射流是自由膨胀的喷射流，但是在两个或多个固定平面之间膨胀的喷射流不是自由膨胀喷射流，因为边界膜的附着效应显著增强，这样便显著地降低了周围大气的吸入。(该倾斜面是切削刀具的靠近切削刀刃的表面，该表面引导切屑移离工件，在图2所示的实施例中，该倾斜表面是靠近切削刀刃的切削刀具表面，该表面引导切屑86的流动。该倾斜表面可以是完全平的、斜切的平面，或可以是更复杂的三维几何结构，这种结构由用模制法形成，或加上一个板形成，以便更有效地引导切屑和/或控制切屑的断开。)
喷射自由膨胀喷射流的喷嘴可以用管形成，该管结束于该倾斜面，或该面的后面，或该面的上面。另外，该喷嘴还可以形成为通道的形式，该通道形成在固定镶嵌件的夹具80中，该夹具将切削刀具固定在刀具架82中的后端，如图2A所示。该喷嘴可以由任何固定的或可调节的机械部件的任何组件构成，固定在镶嵌件的夹具上或刀具架上，该夹具或刀具架上钻有孔，以便在离斜面要求的距离射出低温流体，射到该倾斜面的切割刀刃上。图2B示出一个固定在刀具架上的角度可调的例子，该喷嘴的出口是圆形的，或是垂直扁平的，或是水平扁平的，汇聚的、直线的、或发散的。对于喷嘴没有任何的特别限制，只要喷嘴能够沿要求的方向在要求的距离向刀具喷出自由膨胀的低温流体喷射流，同时又与切屑分开。
图2A示出本发明的优选实施例装置70，在这种装置中，低温流体的自由膨胀喷射流射到切削刀具尖头74的表面上。低温流体流过输送管76和镗孔78，该镗孔穿过夹具80，形成喷嘴。该夹具由固定机构(未示出)固定于刀具架82。该低温流体喷射流从喷嘴膨胀到切削镶嵌件84的尖端74。在最优选的操作模式中，该自由膨胀喷射流结束于切削镶嵌件尖端的表面。或者，还可以使自由膨胀喷射流进一步膨胀，以便达到从工件射出的切屑86，以及达到在该切屑和刀具/工件接触区域附近的工件表面。
图2A所示的实施例可以尽量减少为实施本发明在标准机加工设备上所需要的改动量。低温流体喷射喷嘴形成在通常用来将切削镶嵌件84固定在加工位置的金属夹具80中，该切削镶嵌件可以由易碎的材料构成。喷嘴的出口和在切削期间从工件88射出的切屑86隔开一定距离，该夹具前部不会连续地接触切屑，而且也不参与切屑的断裂操作。
图2A示出工件88的转动(用RPM表示)方向90、切削深度(DOC)92、进给速度(F＝未形变的切屑厚度)94和切削功率96。
图2B和2C示出在切削和铣削操作中喷射流的最佳模式，低温流体的喷射流72直接喷在目标刀具上。对于切削操作(图2B)，低温流体进入输送管76，从喷嘴组件98中喷出，该组件是角度可调的喷嘴。低温流体的自由膨胀稳定喷射流从喷嘴组件喷射到切削刀具镶嵌件84的刀具头部上。从喷嘴喷到刀具头部的喷射流的轴向长度100是本发明的一个重要特征，如下面说明的。箭头102表示由喷射流夹带的环境空气。
在图2C所示的铣削操作中，低温流体72的自由膨胀稳定喷射流从输送管76端部的喷嘴射出。该喷嘴和刀具104之间的距离必须小于3英寸。箭头102表示夹带的环境空气。当工件88沿箭头108所示的方向运动时，该工具沿箭头106所示的方向转动。该图示出由铣削工艺形成的切削深度92、切削宽度110和切屑86’。
最好采用低温氮气流体和/或氩气流体(液相或气相)，因为这些流体是环境上可以接受的惰性无毒非腐蚀性流体。并且可以在喷嘴的出口具有相当低的温度，从而可以冷冻远距离的目标例如切削刀具，即使这种流体在一段距离以外喷射在该目标上也是如此。液态氮、液态氩或若干其它低温流体的沸点可以随其喷射压力按比例增减，因而如果膨胀到一个大气压的环境中，则可以达到以下的最低温度。
液态N2＝-196℃＝-320°F
液态Ar＝-186℃＝-302°F
液态CO2＝-79℃＝-110°F(升华温度)
含氯氟烃的氟利昂-12 CCL2F2＝-30℃＝-22°F
膨胀的喷射流趋向于夹带大量的环境气体，例如在典型的切削操作中夹带大量室温空气。夹带大量室温空气造成从喷嘴出口喷出的低温喷射流在相当短的距离内冷却能力的显著下降。美国专利NO.5738281(Zurecki等人)公开一种可尽量降低等温气体喷射流或预热气体喷射流中夹带空气的方法。然而该专利没有谈到自由膨胀的低温喷射流，这种喷射流在与温度高的环境气体混合时趋向于在径向和轴向两个方向膨胀。
本申请人已经发现，如果低温流体从距离0.1～3.0英寸以外喷射到作为目标的刀具表面，并且在喷嘴出口的出口温度小于-150℃，其流量至少为0.5磅/min，则射到刀具表面的低温流体喷射流其温度相当低，并且在高能切削条件下可能增加刀具的寿命。本申请人还发现如果低温流体喷射流的流量超过5.0磅/min(37.8g/s)，则低温流体喷射流在切削区域内的过分扩散将对工件造成有害预冷却作用，并正好在切削刀刃的上游造成暂时的工件硬化作用，从而导致刀具寿命的降低。本发明还确定，为有效冷却刀具，所需的最小喷射压力为25psig(1.7个大气压)。利用储存和处理低温氮气和氩气的规模效益，可以得到最大压力(250psig)，即最普通的和最有经济效益的大气瓶储存这些低温气体可以达到230psig的压力，并且如果低温压力超过250psig(17个大气压)，则可以快速地放出高温压缩的膨胀的低温气体。本申请人已经认识到，为了满足机加工工业的经济性需求，应当采用其压力为自身蒸气压力的大“散装”气瓶中低温流体来低温冷却高能切削操作中的刀具，本申请人已经优化了最大喷射压力不超过250psig的刀具冷却方法。该喷射压力是在低温流体喷射喷嘴的入口侧测量的压力。
低温流体的自由膨胀喷射流应当射到切削刀具的倾斜的头部切削刀刃，以尽量增大冷却效果。如果在给定的切削操作中，因为考虑到工件或刀具的几何结构需要采用多个低温喷射流，则具有最高流量的主要低温喷射流应当射到倾斜的头部切削刀刃上。本申请人已经意外地发现，低温流体喷射流射在倾斜表面上时，该喷射流在高能切削操作中不会引起硬而脆的刀具破裂、碎裂或断开。按照本申请人方法冷却的高级的非金属刀具以及硬而脆的刀具(其横向抗裂强度低于3GPa或抗断韧度低于10Mpam0.5)，其寿命大于在高能切削条件下干燥切削的同样类型工具的寿命。这种发现与现有技术的说明相反。
尽管得到意外结果(与现有技术相比得到显著改进)的真正原因还不清楚，但很可能是，这些结果可能是各种因素合成的。由于没有受到任何特殊理论的约束，本申请人认为这些因素包括(但不限于)：(1)整个切削刀具的低温硬化；(2)在整个刀具内热膨胀应力降低；(3)由于边界膜效应和Leidenfrost现象而在工具表面上造成温度梯度的降低。边界膜是喷射条件可控的半静止的暂态膜，该膜可“软化”受冷却表面的低温冷却效果，并“平均”冲击冷却表面的温度分布。在所有液体射在温度高于该液体沸点的目标表面上时，Leidenforst现象均会在一定程度上发生。液滴在热表面的上面便沸腾，因此热表面受到蒸气层的屏蔽。在低温流体的情况下，特别是如果温度低于-150℃，则所有表面均是热的，这意味着通常的低温流体喷射流均在其蒸气边界膜上滑动，而不直接射在刀具上，这样便使得受冷冲击的刀具表面的温度分布更为平缓，并且可以解释本申请人的自由膨胀低温流体喷射流可以有效提高易脆刀具寿命的原因。在油基或水基切削流体的情况下，其沸点显著高于室温，因此仅在刀具表面上离切屑接触区域外缘很近的距离上才发生沸腾。当切屑在切削期间改变方向或切削工具突然停止切削时，这种常规流体便扩散到突然露出的最热的表面区域上，在此区域中，该流体爆裂式地沸腾，放出蒸气、微滴和压力波。在很多参考文献(3)中已经说明，随喷射流体和目标表面之间温差的变化(流体动力学不稳定性)以及喷嘴取向和流动状态的显著影响沸腾过程的边界膜厚度、Leidenfrost现象将发生突然变化。本申请人认为，在上述低温流体喷射条件的范围内实施的方法有利于形成所需的薄边界膜和/或Leidenfrost效应，这种薄膜和效应本身又可以防止在冷却时易碎刀具的破裂，并提高高能切削操作的刀具寿命。
如图2B和2C所示，本中请人的方法和自由膨胀喷射流冷却的条件可以克服低温机加工现有技术的基本缺点。因为本申请人的喷嘴正好配置在切屑形成区域和工件/刀具接触区域的后面，所以在给定的操作期间很容易改变送馈速度、切削深度和其它切削条件，而不需要调节喷嘴的位置或者喷嘴没有受到损坏的危险。因此，在机加工工业中可以以最小的成本实施本发明，本发明不具任何爆炸性，而且操作灵活。这种灵活性是由于喷嘴不固定在切削镶嵌件上，或者不取决于任何特殊的镶嵌件几何尺寸。用自由膨胀喷射流体有效进行刀具冷却的关键问题是，应在0.5～5.0磅/min的范围内调节低温流体流量，在25～250psig的范围内调节输送压力，以便将低温流体的冷却能力从远处喷嘴的喷口输送到倾斜表面上。
本申请人已经发现，时间平均低温流体流量只在切削刀具壁在整个切削操作期间起霜时才是充分的，而不管大量切削能量即热量是否经高温切屑接触区域进入刀具。如果在切削期间，在靠近切削刀刃和侧壁与倾斜壁的接触区域形成向刀具另一端移动的霜线，则低温冷却效果降低，表示需要增加时间平均流量和/或增加高温流体压力。应注意到，在优选条件下，在低温流体即不含水分的氮气和/或氩气直接冲击的位置不一定会出现霜层。因此，一部分倾斜面和/或侧壁表面可能没有霜层，因为这些表面受到快速膨胀和无水分冷却流体的不断冲刷。
不需要进行刀具霜层控制的条件是，在湿度很低的条件下进行切削操作，例如在可控气氛的气室中或在真空中进行切削操作，在此时不形成霜层也可以达到本发明的优点。进行刀具霜层控制的正常气氛条件是相对湿度为55±20％，温度为20±5℃。进行霜层控制的最小水份量至少在温度为10℃时是相对湿度为30％。
本申请人还提出一种诊断技术，该技术用于控制按本发明执行的高能切削操作，包括在刀具-工件界面上观察动态外观，这种动态外观在工具磨损情况或者切削条件改变时在特定操作中可能发生变化。首先，如果切屑或者仅位于切削刃下面的工件发白红色或者出现熔化或者燃烧时，则需要增加冷却流体的流量和/或压力。第二，如果工具前端或者在倾斜表面上的切屑接触区域的边缘形成鲜红色时，则不需要增加冷却流体的流量和/或压力，除非在刀具上的霜层开始收缩。第三，如果刀具的前端或者在倾斜面上的切屑接触区域的外周形成很强的白红色时，则应当增加冷却流体的流量和/或压力，而不管在刀具表面上霜层的状态如何。在工件/刀具接触区域上局部温度的偶然增加可能表示工件的几何结构或者组份发生变化，并可以容易地使其急剧降温，方法是在0.5～5.0磅/min范围内增加低温流体的流量，增加到这样的流量，在此流量下不仅使刀具表面而且使整个接触区域都受到低温流体直接冲击的冷却。
按照上述方式低温冷却切削刀具可以保证结果得到改善。令本申请人感到意外的是，低温流体冷却方法可以提高易脆切削刀具在切削操作期间的抗断裂性，可以提高在高能切削操作中所用工具的寿命，可以使得切削工件的表面得以改善，得到镜面光亮式的切屑，以及实现一种可行的低成本作业方法，这种方法是基于在切削操作期间目视观察刀具前端的霜层。这些改进的结果是令申请人意想不到的，而且也是本领域普通技术人员意想不到的。
输送压缩低温流体和射出低温流体的自由膨胀喷射流的一个基本技术问题是这种流动容易产生脉动和沸腾而不稳定，特别是流量低于1.1磅/min时，这种流量与本申请人方法所需要的低范围流量相重叠。因为这种脉动式流动问题可能在很大程度上限制低温流体在工业上的应用，所以已经提出许多效果明显或不太明显的稳定流动系统，这些系统包括低温局部冷却到低于平衡蒸气温度，然后放出在传输管中形成的蒸气。
这种流动稳定系统的一些最新的例子公开在美国专利NO.5392608(Lee)、5123250(Maric)、4716738(Tatge)、4510760(Wieland)和4296610(Davis)。Zurecki和Harriott在其论文“IndustrialSystems for Cost Effective Machining of Metals Using anEnvironmentally Friendly Liquid nitrogen Coolant”(AerospaceManufacturing Technology Conference，June2-4，1998，Long Beach，CA，Session MP5C，Maching and Machining Processes-Coolants andProcess Safety，Paper No.981865)和由Zurecki等人在其论文“DryMach ining of Metals With Liquid Nitrogen”(the 3rdInternationalMachining&Grinding’99Conference and Exposition，October 4-7，Cincinnati，Ohio，1999)中提出一种在机加工和切削加工中稳定低流量低温流体的方法。因为上述系统其成本和复杂性不同，所以重要的是要确定高能切削操作中低温流体流稳定系统的关键特征。
本申请人已经发现，脉动流的周期对于低温流体喷射流有效自由膨胀和在高能条件下有效工具冷却是重要的。
图3A示出在高能切削不锈钢(牌号440C)期间，硬质WC-Co切削镶嵌件温度的变化，用三种方法切削：不用冷却剂即干切削、用常规乳剂化溢流式冷却以及用本发明的液态氮冷却。这种高能切削的切削深度为0.025英寸，进给速度为0.010英寸/转，采用以下的硬质合金镶嵌刀具：CNMG-432，涂有PVD，I SO M01～M20(K01-K20)，工业编码C-3。在切削刀具开始切削之前即接触工件和形成切屑之前几秒钟便喷射低温流体。这种“降温”时间对于预先将大多数的刀具或者镶嵌件急冷到实施本发明所要求的低温是充分的。用在此种实验中的低温流体利用稍微局部过冷的方法进行稳定，得到的喷射流是稳定的，具有不易察觉到的脉动间隔或者流量幅度的变化。
根据高能切削操作的切削刀具的低温流体冷却实验，大于平均时间流量25％的喷射流脉动幅度均可以容易地检测到。而且对于冷却作用是明显的。幅度小于时间平均流量25％的喷射流实际上可以认为是稳定喷射流。图3A所示的温度是用微热电偶头测出的，该头位于切削刃后面1.41mm，倾斜面下面1.41mm的地方，放在紧靠切削刀刃的镶嵌件头部内。在图3A所示的所有三种切削操作中，在切削开始和热量从该刀刃散发出来到达该热电偶头之间的时间延迟是1～2s。在经过这一段迟延以后，温度稳定在其自身特有的反映刀具冷却效果的温度：对于液态氮喷射流冷却为-200°F(-200°F＝-129℃)；对于常规的溢流式冷却为+150°F(+150°F＝+65℃)；而对于干切削则大于+300°F(+3000°F＝+149℃)。在干燥切削情况下，温度的不断攀升反映出热量的积累和切削工具的磨损，从而导致进入刀具的切削功率通量增加。
图3B示出高能切削Ti-6A1-4V ELI期间，镶嵌件(邻接切削刀刃)前端头部温度和镶嵌件后棱温度随时间的变化。在图3B中所用的镶嵌件类型与图3A所用类型相同，但是切削条件是功率更大，而且用于冷却的液氮流量小于本申请人方法中要求的流量。在这种情况下(图3B中)，高能切削的切削深度为0.120英寸、进给速度为0.010英寸/转，而切削速度为230英尺/min。从开始切削几秒钟后，在镶嵌件上的霜层便收缩，并从其壁上开始完全消失，同时前端头被加热到发射红光的温度。欠缺的冷却和热量的不平衡导致这种镶嵌件很快地磨损。
图3C示出图3A中温度曲线起始不稳定部分的放大图。具体是，图3C示出低温流体脉动周期和高能切削不锈钢(牌号440C)时刀具刀头温度之间的相关关系。在此图中，示出两种不同的脉动流量曲线，从而示出在切削操作前几秒钟期间内频率和相移对镶嵌件冷却的影响。如果低温流体脉动周期时间与前端头部加热的1～2s延迟相比较短，则镶嵌件“不能感觉”到这种脉动，其表现是，好象是该镶嵌件受到冲击在刀具上的流量为时间平均流量的稳定喷射流的冷却。如果低温流体脉动周期时间比1～2s的迟延时间更长，则镶嵌件将会暂时地发生冷却不足或者过冷，这取决于喷射流振幅和时延间隔开始之间的相移。前者造成前端头部温度突然危险地升高，这样便使得温度陡升，如图3B所示，并造成刀具的快速磨损。因为使喷射流的脉动相位与时延间隔同步在工业上的切削条件下是不实际的，同时也难于实现，所以最好的实用方法是采用完全没有脉动的低温流体喷射流，或者采用已经充分稳定的喷射流，使其脉动的周期时间短于给定刀具的起始时延迟。
下面的表4详细列出在测试图3A、3B和3C中曲线时所用的高能切削条件。
Figure C0282240600281
Figure C0282240600291
图3D示出在转动刀具情况下，如图3B所示铣刀的情况下用脉动喷射流冷却的影响。具体是，图3D示出铣刀的RPM对射到切削镶嵌件的脉动低温流体冲击流量的影响，条件是：低温流体喷射周期时间为8.0s，铣刀的转速为60r/min，在喷射流和铣刀之间的相移为0.4弧度，平均喷射流流量为3.0磅/min，喷射流流量偏差为+/-50％，平均冲击流量为1.5磅/min。因为切削铣刀操作在高转速，转动频率范围在1Hz～700Hz，所以约8s的喷射流脉动周期时间(0.125Hz)被切成短的部分，这些部分对于转动切削刃是“看不见的”，事实上，工具的行为好象它受到这种低温流体喷射流的冷却，这种喷射流以其原来的低频率脉动，但是由于叠加在脉动喷射流上的低的时间平均流速上的每分钟转数的作用，喷射流以减小的流量冲击刀具。这种低温流体冲击流量的降低可以通过增加喷嘴的喷射流平均射出流量得到补偿。此例子的实用性是，不用调节流量便可以补偿过分长的喷射流脉动周期时间。根据现有的数据，本发明人认为，存在喷射流脉动周期时间(或频率)的极限值，慢于该极限值脉动的非稳定低温流体将不能对低温高能切削操作进行有效的冷却，而不管时间平均流量如何。
在硬质WC-6Co硬质合金镶嵌件的前部切削部分中达到稳定状态所需的1～2s的时间间隔，如图3A和3B所示，与J.Lin等人的实验结果和测定数值是一致的(“Estition of Cutting Temperature in HighSpeed Machining”，Trans.of the ASME，Vol.114，July 1992，pp.289-296)，该值是低温流体有效冷却特别是冷却高能切削操作中较硬硬质合金刀具所需的极限脉冲周期时间。因为该值随刀具材料的热扩散而变化，所以本申请人对各种最好用在高能切削操作中的硬而脆的刀具计算了该值，见下面表5。
表5根据WC-Co镶嵌件的测试数据计算的在刀具倾斜表面上达到稳定态温度所需的时间(4)
t＝L2ρCpλ-1，其中t为与压在切削刀具倾斜面上未形变切屑隔开距离L的位置达到稳定态温度的时间；ρ为刀具的密度；Cp为刀具的比热；λ为刀具的热导率。
Figure C0282240600311
已经发现，由于与硬质合金刀具相比扩散率相当低，所以AL2O3基和低量PCBN刀具从切削刀刃传出的热量低至2.5～5倍。因此，对于图3A所示的1～2秒长的时延，AL2O3的时延将为5～10秒。这与陶瓷镶嵌件的A.Kabala的计算值一致(“Heat Transfer in CuttingInserts”，Experimental Stress Analysis 201，the 39th InternationalConf.，June 4-6，2001，Tabor，Czech Republic)，并将最大脉动周期的极限值设定为10秒。因为在高能切削操作中很高的功率通量(Pf)经接触区域进入切削刀具，如表3和表4所示，所以在超过10秒极限脉动周期时间的工具冷却的起伏将导致刀具的过早损坏。因此，只要脉动幅度超过时间平均流量的25％，便应当在从气瓶传送到喷嘴时，充分稳定用在高能切削中的自由膨胀低温流体喷射流，以便达到周期时间小于10秒的脉动。
例子
图4示出用硬质WC-Co镶嵌件高能铣削Ti-6Al-4V期间，镶嵌件温度和侧面磨损的演变。在切削速度为750英尺/min时，切削深度是0.030，而进给速度为0.008英寸/转，所用的镶嵌件与图4A所用的相同。按照本发明的低温氮喷射流冷却的工具，其寿命比用常规乳剂化溢流式冷却剂冷却的工具寿命长4倍。
图5A示出在高能切削操作中，切削A2号钢时，陶瓷复合刀具(Al2O3-SiCw)的寿命，切削速度为300英尺/min，切削深度为0.020英寸，进给速度为0.005英寸/转，而切除速率为0.36英寸3/min。用三种标准评估刀具寿命：最大的侧面磨损(Vbmax＝0.6mm)，最大的侧面(或者DOC槽)磨损(Vbmax＝0.7mm)；尺寸切削误差，该尺寸误差产生大于要求的0.004英寸(0.1mm)的部件尺寸误差。应用四种不同的切削方法：(1)常规乳剂溢流冷却；(2)常规干燥切削；(3)用本发明的低温气体喷射流冷却；(4)用本发明的低温液体喷射流冷却。对于(1)、(3)和(4)的条件如下：(1)均匀流出的完全溢流的常规切削流体，10％的浓度；(3)稳定的非脉动气相低温喷射流，流量为1.8磅/min，喷嘴的喷射温度为-150℃在7.8个大气压(115psig)下喷出；(4)包含少量蒸气的稳定非脉动液相低温喷射流，总流量为0.9磅/min，喷嘴的射出温度为-172℃在8.1个大气压(120psig)喷出。结果表明，本发明的低温流体冷却与两种常规方法相比，可以延长刀具寿命。
图5B示出在同一种实验中(与图5A相同)，在两种切削速度即300英尺/min(材料切除速度为0.36英寸3/min)和400英尺/min(材料切除速度为0.48英寸3/min)时同一种刀具的寿命，其中以分钟表示的寿命是一个综合值，是按照上面图5A所示三个标准测量的平均寿命值。另外，在两种切削速度下，在这种硬件铣削实验下，本发明的低温流体冷却可以提高刀具寿命。
图6示出在用PCDN量低(BN-300)的头部铜焊的镶嵌刀具硬加工铣削A2号钢期间，侧面磨损和刀刃破裂的演变，其切削速度为500英尺/min，切削深度为0.20英寸，进给速率为0.004英寸/转，而切除速率为0.48英寸3/min。比较三种切削条件：(1)干燥铣削；(2)低温流体喷射流冷却的铣削，其中该喷射流不是充分稳定的，在6秒的频率脉动；(3)低温流体喷射流冷却的铣削，其中该喷射流完全稳定，没有任何脉动性或流动不稳定性。对于(2)和(3)的条件如下：(2)含有大量体积蒸气的液相低温喷射流，总的流量为2.0磅/min，在10.2个大气压(150psig)下喷出，喷嘴喷射温度为-169℃；(3)含有少量体积蒸气的液相低温喷射流，总流量为2.0磅/min，在10.2个大气压(150psig)下喷出，喷嘴喷射温度为-169℃。在此实验中，采用最大侧面磨损(Vbmax＝-0.6mm)的ISO刀具寿命标准。对于常规的干燥切削，刀刃的寿命最短，用脉动喷射流的寿命较长，而用稳定的非脉动喷射流寿命最长。
先前说明的表4详细列出测试图4～6中曲线所用的刀刃切削条件，并将该切削速度和功率通量与实验用镶嵌件厂商推荐的相应值进行比较。
用在这种实验中的铣刀是3/4英寸(19.05mm)直径的45°螺旋形的五刃槽的高性能硬质合金(WC-Co)端铣刀，为Niagara Cupter公司(http://www.ni agaracutter.com/techinfo)制造的S545号铣刀，以便在切削钛合金和其它难于切削的材料时达到最大的金属除去率。对于这种刀具，推荐的切削速度和进给速度分别是90～160英尺/min(27.4～48.8m/min)和0.002英寸/齿(0.05mm/齿)。为了采用乳剂化的切削流体(含有“可溶性”润滑剂的水)用这种铣刀进行常规铣削操作，可以选用以下加速切削条件：铣削速度为178英尺/min，转速为907r/m，每齿的进给速度为0.003英寸，台面的移动速度为13.6英寸/min，铣削宽度为0.080英寸，铣削的轴向深度为1.000英寸，材料的切除速率为1.09英寸3/min。在这些切削条件下，在除去硬度为36HRC的Ti-6Al-4V工件的13.1英寸3以后，所有五个铣刀的刀刃最终被磨损。
在比较测试中，在压力80psig下喷出的时间平均流量为2磅/min的液态氮射向该铣刀，远处喷嘴的出口和端铣刃槽棱角之间的距离为0.5英寸，如图3B所示。结果，该喷射流均喷射到铣刀的所有五个刃槽和倾斜面上。开始时，喷射流经绝热管以不稳定状态流出饱和的液态氮钢瓶。该喷射流的脉动周期约为15秒。在此脉动周期期间，低流量约为0.75磅/min，而高流量为3.25磅/min。已经观测到，这种铣刀至少在开始一分钟的时间，在没有由低温流体喷射流冲击的刀具表面上没有出现白的霜层，但是一旦形成霜层以后，该霜层是不稳定的，时而出现，时而消失，跟随着喷射流的脉动周期，但有一定时间迟延。用这种非稳定喷射流冷却的用上述条件测试的工具寿命与用常规方法冷却的工具寿命差不多。
在另一比较测试中，利用上游的液氮过冷系统稳定液氮流量，使得不能够用目视法看到任何的喷射流脉动。采用逐渐增加的切削速度重复铣削操作。已经观察到，在整个操作期间霜层是稳定的。当切削速度、台面进给速度、转速以及材料切除率比常规乳剂化溢流冷却切削流体所用的值增加60％时，刀具不会由在切去同样体积13.1英寸3之后受到任何可看出的磨损。用在这种稳定喷射流切削实验中的切削速度(Vc)比由刀具厂商推荐的中间切削速度高2.3倍。所用功率通量比用刀具厂商推荐的中间切削速度和最大进给速度算出的功率通量大1.5倍。用稳定低温流体流得到的材料切去率或者生产率比用厂商推荐条件得到的最大材料切去率大3.4倍。
本申请人发现，如上述例子中说明的(图3～6和表4)，采用自由膨胀的稳定低温流体喷射流来冷却刀具/工件接触区域总是可以得到表面很清洁的光亮的工件和在切削操作期间产生的切屑。工件和切屑的表面比用常规乳剂溢流式冷却得到的表面更清洁，更意外的是，该表面表现出比常规干燥切削得到的表面明亮得多。
对高能切削Ti-6Al-4V切削期间产生的金属切屑，进行了元素化学分析，结果示于图7。对于这种高能切削的切削条件是：切削速度Vc为260英尺/min；进给速度F为0.010英尺/转；切削深度DOC为0.100英寸。除干燥切削而外，收集了乳剂溢流式冷却剂即用乳剂溢流式冷却剂(Hangsterfers S-506CF，13％)冷却切削的结果，以及用液氮的自由膨胀稳定喷射流冷却切削操作的结果，该稳定喷射流以2.6磅/min的流量射在切削镶嵌件上。这些结果列表于下面，并示于图7。
工件材料Ti-6Al-4V 氮 氧 碳 氢
  干燥切削   0.041％   0.180％   0.039％   0.0037％
  液氮冷却的切削   0.037％   0.170％   0.033％   0.0049％
  乳剂溢流式冷却切削   0.040％   0.190％   0.063％   0.0096％
在低温流体冷却切削操作期间产生的切屑吸收少量氮气、氧气、碳和氢气杂质；干燥切削操作是第二；常规的乳剂溢流式切削操作是第三，也是污染最大的方法，有趣的是，在液态氮冷却切削情况下，吸收的氮气量小于干燥切削和常规乳剂溢流式切削吸收的氮气量，利用刀具-工件接触区域温度低得多的事实可以解释这一点。
这些结果显示出，在低温流体切削期间产生的切屑和常规切削方法的情况相比更容易回收利用。这在加工工业中是一种经济效应显著的优点，特别是在加工价格贵的容易起反应的钛、钽和超合金工件时，因为这些材料的提纯是极为困难的，成本很高。更为重要的是，收集的切屑其污染较低表示工件相应受到较低污染。从以下观点看，这是希望有的：(1)部件的应力分布；(2)抗腐蚀性；(3)后机械加工性能。众所周知，氧浓度、碳浓度和氢浓度低的金属部件的表面在使用期间更抗疲劳破裂，不太容易碎裂，而且更抗腐蚀性。因此，采用本发明人的自由膨胀稳定低温流体喷射流冷却方法可以对机加工工业带来两种另外的经济优点，即提高了所生产部件的特性，并可产生更有价值的可回收的切屑。
本申请人已经发现，如果切削刀具的镶嵌件用从远处喷嘴喷出的自由膨胀低温流体喷射流冷却，该喷嘴与冷却区域隔开一定距离，则这种喷射流的固有的流动不稳定性或者脉动将意外地与切削工艺相互作用，影响操作期间镶嵌件的冷却，并降低其寿命。为了尽量减少这一问题，本发明人已经建立和优化了低温流体喷射流速和稳定条件。这些发现和创新技术中没有一个是现有技术提出的。
为了在要求的机加工条件下提高刀具的寿命，可按照上述方法稳定自由膨胀的低温流体喷射流，本申请人设法用这种稳定的喷射流来冷却优先用在高能切削操作中的硬而脆的刀具，这种高能切削操作例如为高速切削操作、硬工件的切削操作或者难加工材料的切削操作。未料到的是，远距离的稳定喷射流冷却提高了刀具寿命，即使对于为防止刀具脆裂按照现有技术和机加工文献不应当用常规冷却剂冷却的那些刀具也能提高寿命。
虽然在本文中已经参照某些特定的实施例进行例示性说明，但是本发明预定不限于所示的细节。相反，可以在权利要求书的范围和等价范围内在细节上进行各种改型，而不违背本发明的精神。
附注：
(1)引用和计算所用数据取自：“Machining Data Handbook，”3rdEdition，Vol.2，Machinability Data Center，Institute of AdvancedManufacturing Sciences，Inc.，1980，p.17-10；ASM Handbook，9thEd，Vol.16，“Machining，”1995，p.15；“Application of Metal CuttingTheory，”F.E.Gorczyca，Industrial Press，New York，1987；“Analysis of Material Removal Processes，”W.R.Devries，SpringerTexts in Mechanical Eng.，Springer-Veriag，1992。
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(3)“Leidenfrost现象”：F.L.Curzon，Am.J.Phys.，46(8)，Aug.1978，pp.825-828；“A boiling heat transfer paradox”，G.G.Lavalle et al.，Am.J.Phys.，vol.60，No.7，July 1992，pp.593-597；“Cooling by immersion in liquidnitrogen”，T.W.Listerman et al.，Am.J.Phys.，54(6)，June 1986，pp.554-558；“An Analytical Method to Determine the Liquid Film ThicknessProduced by Gas Atomized Sprays”，J.Yang et al.，J.of HeatTransfer，Feb.1996，Vol.118，pp.255-258；“Optimizing and Predicting Critical Heat Flux inSpray Cooling of a Square Surface”，I.Mudawar and K.A.Estes，J.of Heat Transfer，Aug.1996，Vol.118，pp.672-679；“Film BoilingUnder Impinging Cryogenic Jet”，R.F.Barron and R.S.Stanley；Advances in Cryogenic Engineering，Vol.39，Ed.P.Kittel，PlenumPress，New York，1994，pp.1769-1777。
(4)引用数据取自：“Ceramics and Glasses，EngineeredMaterials Handbook，”Vol.4，ASM Int.，The MaterialsInformationSoc.，1991；“CRC Materials Sci.&Engineering Handbook，”2ndEdition，CRC Press，1994，Edited by J.F.Shackelford et al.；“Analysis of Material Removal Process，”W.R.DeVries，SpringerTests  in Mechanical  Engineering，Springer-Verlag 1992；“Transport Phenomena，“R.R.Bird et al.，John Wiley&Sons，1996；“Numerical and Experimental Simulation for CuttingTemperature  Estimation using 3-dimensional Inverse HeatConduction Technique，”F.R.S.Lima et al；“Inverse ProblemsinEngineering.Theory and Practice，”3rd Int.Conf.on InverseProblems in Engineering，June 13-18，1999，Port Ludlow WA，USA；Kennametal’s网页：http:www.Kennametal.com/metalworking/htmlspecialty/properties％20chart.pdf。

Claims (36)

1.一种冷却切削刀具的方法，包括以下步骤：
输送低温流体；
在切削刀具正在加工工件的同时将低温流体的自由膨胀稳定喷射流从喷嘴射到该切削刀具上；
其特征在于，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该切削刀具具有切削刀刃；将低温流体的自由膨胀稳定喷射流射到切削刀具的装置具有至少一个排放点，该排放点与该切削刀刃分开的距离大于或者等于0.1英寸并且小于3.0英寸。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该低温流体的自由膨胀稳定喷射流的至少一部分其温度低于负150℃。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在从该至少一个排放点喷出期间或者正要喷出之前，该低温流体的至少一部分其压力大于或者等于25psig并且小于或等于250psig。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该低温流体的自由膨胀稳定喷射流的至少一部分具有均匀的质量流量，该流量大于或等于0.5磅/分钟并且小于或等于5.0磅/分钟。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该低温流体的自由膨胀稳定喷射流的至少一部分具有大致均匀的质量流量，该喷射流的流动脉动周期时间小于或等于10秒。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该切削刀具具有倾斜面，该低温流体的至少一部分自由膨胀稳定喷射流射在该倾斜面的至少一部分上。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一部分低温流体从一组流体中选出，该组流体包括液态氮、气态氮、液态氩、气态氩和它们的混合物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该切削刀具的至少一部分其横向抗裂强度的值小于3000MPa。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该切削刀具用在高能形成切屑操作和工件切削操作中。
11.一种用切削刀具加工工件的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1所述的冷却切削刀具。
12.一种如权利要求11所述的方法加工的工件，其特征在于，所述工件具有比通过采用干燥切削或乳剂溢流冷却加工出的其他工件的加工表面更清洁和更闪亮得多的加工表面。
13.作为权利要求11所述方法副产品的可回收切屑，其特征在于，所述可回收切屑比利用干燥切削或乳剂溢流冷却加工的其他方法副产品获得的其他可回收切屑具有更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
14.一种在通过切削刀具正在加工工件的同时冷却工件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
输送低温流体；
在通过切削刀具正在加工工件的同时将该低温流体的自由膨胀稳定喷射流从喷嘴射到工件上，
其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，该切削刀具用在高能切屑形成操作和切削工件操作中。
16.一种用权利要求14所述方法加工的工件，其特征在于，所述工件比通过干燥切削或乳剂溢流冷却加工出的其他工件的加工表面具有更清洁和更闪亮得多的加工表面兼且更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
17.作为如权利要求14所述方法副产品得到的可回收切屑，其特征在于，所述可回收切屑比利用干燥切削或乳剂溢流冷却加工的其他方法副产品所获得的其他可回收切屑具有更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
18.一种在切削刀具正在加工工件的同时冷却具有切削刀刃的切削刀具的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
输送低温流体；
配置喷嘴，该喷嘴适合于喷射低温流体喷射流，上述喷嘴具有至少一个排放点，该排放点与该切削刀刃隔开的距离大于或等于0.1英寸并且小于3.0英寸；以及
在切削刀具正在加工工件的同时将从排放点喷出的低温流体自由膨胀稳定喷射流喷射到该切削刀具，
其中，该低温流体在排放点的温度为负150℃，并且所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
19.一种在切削刀具正在加工工件的同时冷却切削刀具的装置，其特征在于，所述装置包括：
输送低温流体的装置；
在切削刀具正在加工工件的同时将该低温流体的自由膨胀稳定喷射流射到该切削刀具的装置，
其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该切削刀具具有切削刀刃；将低温流体自由膨胀稳定喷射流射到切削刀具的装置具有至少一个排放点，该排放点与该切削刀刃分开的距离大于或等于0.1英寸并且小于3.0英寸。
21.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该低温流体的自由膨胀稳定喷射流的至少一部分其温度低于负150℃。
22.如权利要求20所述的装置，其特征在于，在从该至少一个排放点喷射期间或者正要喷射之前，低温流体的自由膨胀稳定喷射流的至少一部分其压力大于或等于25psig并且小于或等于250psig。
23.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该低温流体自由膨胀稳定喷射流的至少一部分具有基本上均匀的质量流量，该质量流量大于或等于0.5磅/分钟并且小于或等于5.0磅/分钟。
24.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该低温流体的自由膨胀稳定喷射流的至少一部分具有基本上均匀的质量流量，该质量流量的流动脉冲周期时间小于或等于10秒。
25.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该切削刀具具有倾斜面，该低温流体自由膨胀稳定喷射流的至少一部分射在该倾斜面的至少一部分上。
26.如权利要求19所述的装置，其特征在于，至少部分低温流体在一组流体中选出，该组流体包括液态氮、气态氮、液态氩、气态氩和它们的混合物。
27.如权利要求19所述的装置，其特征在于，切削刀具的至少一部分其横向抗裂强度的值小于3000MPa。
28.如权利要求19所述的装置，其特征在于，该切削刀具用在高能形成切屑操作和工件切削操作上。
29.一种采用切削刀具加工工件的装置，其特征在于，所述所述装置加工时采用如权利要求19所述冷却切削刀具。
30.一种采用如权利要求29所述装置加工的工件，其特征在于，所述工件比通过干燥切削或乳剂溢流冷却加工出的其他工件的加工表面具有更清洁和更闪亮得多的加工表面兼且更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
31.一种采用如权利要求29所述装置从工件上切取下来的可回收切屑，其特征在于，所述可回收切屑比利用干燥切削或乳剂溢流冷却加工的其他方法副产品获得的其他可回收切屑具有更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
32.一种在通过切削工件正在加工工件的同时冷却工件的装置，其特征在于，所述装置包括：
输送低温流体的装置；
在通过切削刀具正在加工工件的同时将该低温流体的自由膨胀稳定喷射流射到工件上的装置，
其中，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
33.一种如权利要求32的装置，其特征在于，该切削刀具用在高能形成切屑操作和工件切削操作中。
34.一种用权利要求32所述装置加工的工件，其特征在于，所述工件比通过干燥切削或乳剂溢流冷却加工出的其他工件的加工表面具有更清洁和更闪亮得多的加工表面兼且更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
35.采用权利要求32所述的装置从工件上切削下来的可回收的切屑，其特征在于，所述可回收切屑比利用干燥切削或乳剂溢流冷却加工的其他方法副产品获得的其他可回收切屑具有更低程度的至少一种氮、氧、碳或氢污染。
36.一种在切屑刀具正在加工工件的同时冷却切削刀具的装置，该切削刀具具有切削刀刃，该装置包括：
输送低温流体的装置；
喷嘴，该喷嘴适合于喷射低温流体喷射流，上述喷嘴具有至少一个排放点，该排放点与该切削刀刃分开的距离大于或等于0.1英寸并且小于3.0英寸；
在切屑刀具正在加工工件的同时将从排放点喷出的低温流体自由膨胀稳定喷射流射在切削刀具上的装置，
其特征在于，该低温流体的温度在该排放点为负150℃，并且，所述自由膨胀稳定喷射流从第一压力膨胀进入处于第二压力的不受限制的环境或开放的空间，第一压力大于第二压力。
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