CN103180093A - 具有低温冷却的加工方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用加工工具加工待加工零件的方法，其中通过向易于在零件的加工期间发热的加工区域或加工工具分配液态氮来冷却所述加工区域的至少一部分或所述加工工具的一部分。还将固态CO2颗粒分配到加工区域内。本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备。

Description

具有低温冷却的加工方法和设备
技术领域
本发明涉及一种使用加工工具、特别是钻具或切削工具来加工待加工零件的方法，其中借助由液态氮和固态CO2颗粒形成的低温混合物来有效地冷却加工区域，并且本发明涉及一种用于实施该方法的设备。
背景技术
在对金属零件进行加工操作、例如机械切削或钻削操作期间，加工区域或发热区域的摩擦、研磨动作和发热存在常常需要引入对被加工的金属材料的有效润滑和/或冷却的普遍问题。
为此，与被加工区域或发热区域接触地施用冷却和/或润滑化合物，例如典型地水或油，这使得不仅可以或多或少有效地冷却该区域，而且可以润滑该区域，以便延长加工工具的使用寿命、提高尺寸精度和/或降低被加工物品的表面粗糙度。
术语“冷却和/或润滑化合物”应理解为意味着可以冷却并可选地润滑所接触的零件或构件、也就是说材料和工具并因此降低所考虑的零件或构件的温度的任何物质，例如水或蒸汽、油、气体等。
与冷却化合物接触带来的降温还可以改善加工参数并因此增加加工操作的总产量。
但是，已证实常规的冷却和/或润滑化合物在某些硬材料、例如不锈钢的加工期间无法在高加工速率下足够有效地冷却这些硬材料，因为通过工具在这些硬材料上的研磨动作所产生的热量过大，从而不能被这些常规的化合物有效地吸收。
这于是导致工具的使用寿命大幅缩短，事实上甚至引起材料的过度升温所导致的加工缺陷。
此外，对于一些应用、例如用于医学领域中的零件的加工而言，由于表面污染的问题而禁止使用任何化学润滑剂。
最后，由于环境原因，越来越少地使用化学润滑剂。
化学润滑剂的使用的一种替代方案是干式加工。但是，所产生的热量的不良去除妨碍了实现高产率的干式加工。
此外，文献EP-A-35145已提出在加工期间使用由液态CO2和化学润滑剂形成的混合物。但是，采用这种混合物并不是很切合实际。
类似地，文献US-A-3971114提出使用氟利昂12作为冷却气体。该方案并不理想，因为氟利昂的冷却能力在此同样有限，而且，氟利昂会造成环境问题。
就其本身而言，文献EP-A-1580284提出在加工期间使用液态氩或液态氦代替液态CO2作为润滑和冷却流体。事实上，不难理解的是，这种方案由于其产生的显著成本制约以及其特别是在使用液态氦的情况下可能带来的实施难度而没有工业价值或工业价值非常有限。
此外，EP-A-1580284及文献WO-A-9960079、EP-A-2155451和EP-A-1775064也已经提出在加工期间使用处于大气压力下的液态氮作为润滑和冷却流体。
这是因为，在大气压力下，液态氮的温度约为-196°C且其制冷作用显著，这使其成为比所提供的其它气体明显更好的方案。
举例而言，如果使用处于大气压力下的液态氮来代替诸如水或油之类的标准润滑剂，则用来以100m/min的速率切削不锈钢的涂有碳化钨的切削工具的使用寿命将提高3至4倍。
但是，已知液态氮在与比其热、也就是说温度大于-196°C的零件接触时形成发热层。零件越热，发热层就越明显。
在机械加工操作期间这一点特别明显，因为液态氮与待加工零件之间的温差例如可以在从500°C至1000°C的范围内。
该发热层由形成在液态氮与待加工零件之间的气态氮组成，该气态氮是限制源自液态氮的制冷作用的气态热屏障。
事实上，该较差的制冷作用限制了由加工产生的热量的去除，并且由于冷却和/或润滑因此将更低效，所以事实上限制了总产量。
因此可以理解的是，由于该发热层的存在，液态氮的使用不理想。
此外，文献EP-A-1044762和WO-A-2006/065869公开了与气态形式的氮混合的固态CO2。
此外，EP-A-1580284涉及一种用于通过在工具的表面处喷射液态氮而在工具成形期间改善工具的工作面的方法。
根据该文献，问题在于能否实现在材料的加工操作，特别是诸如碳钢、不锈钢、铝及其合金、或者基于铬和/或镍的合金、或者钛等硬质材料的钻削或切削期间通过液态氮来改善冷却。
发明内容
本发明所提供的方案是一种使用加工工具来加工待加工零件的方法，其中在所述零件的加工期间会变得过热的加工区域的至少一部分或所述加工工具的至少一部分通过在所述加工区域或工具处分配液态氮来冷却，该方法的特征在于，此外，在加工区域内分配固体形式的CO2颗粒。
换言之，根据本发明，提出凭借以下方法来执行加工区域和/或加工工具、也就是说在加工期间变得过热的构件的冷却：使加工区域和可选地工具本身与混合有处于液态的低温流体、也就是说液态氮（其温度典型地为-196°C的量级）的固体颗粒接触，以便破坏全部或一部分能够通过液态氮的蒸发以产生与热构件接触的气态氮所形成的发热层，并因此与单独使用液态氮相比显著地改善了加工区域的冷却和/或润滑。
应注意的是，在本发明的上下文中：
-术语“分配”视为完全等同于术语“喷射”、“传送”或“输送”。
-术语“加工区域”和“过热区域”在不互相加以区分的情况下使用，表示待加工零件的会由于加工本身而过热的区域。
-液态氮是处于液化状态下、也就是说在大气压力（1atm）下典型地处于从-190°C至-200°C的量级的温度下、特别是处于-196°C的温度下的氮（化学式：N2）。液态氮的纯度典型地为按体积计至少99%，也就是说不排除氮可能包括不可避免的杂质。
-固体形式的CO2颗粒是二氧化碳的晶体，通常称为“干冰”。
视情况而定，本发明的方法可以包括以下特性中的一个或多个：
-使固体形式的CO2颗粒与液态氮混合，
-分配固体形式的CO2颗粒，
-分配由液态氮和按重量计10%至70%的固体形式的CO2颗粒形成的冷却射流，
-使由液态氮和固体颗粒形成的冷却射流处于介于1bar与400bar之间的压力下，
-与分配同时或恰在分配前现场/就地执行液态氮和固体颗粒的混合，
-经由一个或多个分配喷嘴分配液态氮和固体颗粒，
-所述加工为钻削或切削，
-待加工零件由金属材料、陶瓷材料、复合材料或塑料材料形成，
-待加工零件由选自碳钢、铝及其合金、不锈钢、镍和/或铬的合金、以及钛和钛合金的金属材料形成。
此外，本发明还涉及一种加工设备，该加工设备包括加工工具和与冷却流体源流体接触的至少一个分配喷嘴，其特征在于，所述冷却流体源能够供给所述喷嘴并被设计成为所述喷嘴供给由液态氮和固态CO2颗粒形成的混合物。
附图说明
现将参照附图更详细地描述本发明，在附图中：
-图1示出本发明的第一实施例，以及
-图2示出本发明的第二实施例。
具体实施方式
图1示出本发明的加工方法的第一实施例。
如图所示，待加工零件2、例如金属零件或塑料零件接受借助于加工工具1、例如旋转或振荡工具如铣刀进行的加工操作，例如钻削、切削或其它操作。
在整个加工过程中，由工具1加工的零件2的区域或范围5由于发生在工具1与零件2之间的研磨动作等而经受过热。
为了消除该过热，通过在所述加工区域5处和可选地还在工具1处分配液态氮来冷却会过热的全部或一部分加工区域5。
在该第一实施例中，将由混合有固体形式的CO2颗粒混合的液态氮形成的单股射流6——典型地为包括按重量计从10%至70%的固体形式、也就是说干冰形式的CO2颗粒的液态氮的混合物——输送到加工区域5。
该液态氮/固态CO2混合物现场产生，要么在输送单股射流6的分配喷嘴3中产生，要么在所述喷嘴3的上游产生，例如在一方面连接到固态CO2源且另一方面连接到液态氮源的混合腔室中产生。
图2示出本发明的第二实施例，该实施例与图1的实施例相似，但其中液态氮和固态CO2颗粒的喷射使用两个喷嘴3和4进行，例如在本例中竖直地布置的第一喷嘴3和水平地布置的第二喷嘴4。
在该第二实施例中，两个喷嘴3和4都可分配液态氮/固态CO2混合物。
可替代地，喷嘴3和4中的一个可以分配液态氮且另一个可以分配固态CO2颗粒，液态氮与固态CO2颗粒的混合在待冷却的加工区域5内现场进行。
还可设想借助两个喷嘴3和4中的一个来分配液态氮/固态CO2混合物并使用另一个喷嘴仅分配液态氮或固体形式的CO2。
一般而言，所使用的CO2颗粒在低温、也就是说典型地在低于-150°C的温度下呈固态，但只要它们的温度超过约-78°C就变成气态，因此更不用说在环境温度下。
具体而言，CO2在-196°C（这是液态氮的温度）下具有0.05W/（m.K）的量级的导热率，因此明显大于气态氮在相同温度下的导热率，即0.0145W/(m.K)。
在本发明的内容中（图1和图2），固态CO2除了其分解形成在液态氮与零件2的表面之间的界面处的发热层的用途外，还具有热桥作用并吸热，从而还可以冷却加工区域。
此外，由于CO2的低磨耗效果，其不会形成必须再处理的二次浪费，也不会损害或干扰加工过程本身。
优选地，干冰形式的CO2和液态氮的预混物在喷射到加工区域5之前制造。在这些条件下，固态CO2颗粒被冷却到大约-196°C，也就是说液态氮本身的温度。
试验表明，通过将由被加热至20°C的温度的钢制成的块件浸入液态氮中来冷却至-190°C的量级的给定温度所需的冷却时间比为了使用由液态氮和按重量计30%的CO2形成的混合物获得相同冷却所需的冷却时间多50%。
因此，不难理解使用干冰/液态氮混合物作为用于加工的冷却/润滑流体的优点。
具体而言，通过这些试验，证明固态CO2颗粒将大幅地限制与待冷却的零件接触的液态氮所形成的发热层的效应，这改善了热传递。
根据本发明的液态氮/固态CO2混合物必须包括多于按重量计10%的CO2，以便获得CO2的显著效果，并且最多包括按重量计70%的CO2，以便保持混合物的与喷射过程相容的粘度。
液态氮/固态CO2低温混合物的流可以竖直地喷射，如图1所示，但也可水平地或沿介于水平位置与竖直位置之间的给定角度喷射。对于不同情况，最适合于给定加工的喷射角度可以根据特别是零件和/或工具的构型、所获得的冷却效力等凭经验容易地确定。
待加工和冷却的零件2可以由含铁或非含铁金属材料例如不锈钢、钛或其合金之一形成，或者由基于铬或镍的合金例如铬镍铁合金形成，或者由非金属材料特别是塑性聚合物材料、例如具有高延展性能的类型的塑料（PPS、PI、PAI等）形成，或者由陶瓷形成。
优选地，加工区域5被冷却，但也可以借助液态氮/固态CO2混合物来同时冷却工具1本身的全部或一部分。

Claims (11)

1.一种使用加工工具（1）来加工待加工零件（2）的方法，其中在所述零件（2）的加工期间会变得过热的加工区域（5）的至少一部分或所述加工工具（1）的至少一部分通过在所述加工区域（5）和/或所述工具（1）处分配液态氮来冷却，其特征在于，此外，至少在所述加工区域（5）中分配固体形式的CO2颗粒。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述固体形式的CO2颗粒与所述液态氮混合。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，分配固体形式的CO2颗粒。
4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，分配由液态氮和按重量计10%至70%的固体形式的CO2颗粒形成的冷却射流。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由液态氮和固体颗粒形成的所述冷却射流处于介于1bar与400bar之间的压力下。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，与分配同时或恰在分配前现场执行液态氮和固体颗粒的混合。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，经由一个或多个分配喷嘴（3，4）分配所述液态氮和所述固体颗粒。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加工是钻削、切削、铣削或车削。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述待加工零件（2）由金属材料、塑料材料、复合材料或陶瓷材料形成。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述待加工零件（2）由选自碳钢、铝及其合金、不锈钢、镍和/或铬的合金、以及钛和钛合金的金属材料形成。
11.一种加工设备，所述加工设备包括加工工具（1）和与冷却流体源流体接触的至少一个分配喷嘴（3，4），其特征在于，所述冷却流体源能够供给所述喷嘴（3，4）并被设计成为所述喷嘴（3，4）供给由液态氮和固态CO2颗粒形成的混合物。
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