CN116806183A - 用于在工件加工区上的协调能量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加工工件。在本发明中，选择一对工件和工具材料，并且利用工具加工工件材料。在加工的同时，存在向工作区、工件和工具触点提供外部、带电气体介质的步骤。气体介质的形成的带电极性取决于所选择的一对工件和工具材料，以协调它们在加工期间在工作区、工件和工具中的产生的内部热能和电荷、焓水平和电化学反应。

Description

用于在工件加工区上的协调能量的方法和设备

技术领域

本发明涉及加工工件。特别地，本发明涉及协调工件加工区上的能量。

背景技术

金属切削工艺的现代目标是提高多种加工操作的生产率。唯一可行的选项是通过提高切削速度来提高生产率。然而，已知的是，这种切削速度的提高产生了提高的切削温度和工具磨损以及其他关键特征。

如今，在金属切削中有一些新的挑战：a)具有高级属性的特种合金的使用的增加以及对已加工零件的质量要求的显著加强、b)与日俱增的全球竞争、c)生态改善的环境要求。因此，全球金属切削行业需要新的解决方案。

发明内容

本发明的目标是提供一种加工工件的替代方式。该目标借助于独立权利要求来实现。从属权利要求说明了本发明的不同实施方式。

一种用于加工工件材料的发明方法包括选择一对工件和工具材料并且利用工具来加工工件材料的步骤。在加工的同时，存在向工作区、工件和工具触点提供外部、带电气体介质的步骤。气体介质的形成的带电极性取决于所选择的一对工件和工具材料，以协调它们在加工期间在工作区、工件和工具中的所产生的内部热能和电荷、焓水平和电化学反应。

附图说明

在下文中，参考附图详细描述了本发明，其中，

图1图示了热能产生的来源，

图2图示了电动势方法的原理，

图3和图4图示了工作区的基本配置，其中气体介质渗透到所有区中，

图5a、图5b、图5c图示了不同的中和机制，

图6图示了中和电流的示例，

图7图示了平均离子密度与输入压力的示例，

图8图示了不同设定压力下的温度，

图9图示了在不同的切削速度的情况下用碳钢的切削测试设定的测试结果的示例，以及

图10至图14图示了不同的切削测试结果。

具体实施方式

数十年来已经用许多不同的理论和模型研究了切削速度、热量产生与工具寿命之间的最知名相关性。所产生的热量、热能分布是主要课题之一，其在工件、切屑和工具中创建温度场。热能产生有三个来源：I.切变和变形区，其中被切削的层逐渐转变为切屑、II.工具-切屑界面，其中切屑在工具前刀面上滑动、以及III.工具-工件界面，其中已加工表面在工具后刀面的小区域上滑动。这些来源示意性地在图1中示出。

最强的热能产生是在切变/变形区引起的，占65％-90％，并且热能的10％-35％是由于工具-切屑和工具-工件界面上的摩擦而产生的。在不同钢的加工中，总热能的大约75％-90％是由于塑性变形而产生的。然而，最高温度典型地是在工具-切屑界面处达到的，在断裂切削刃的前面的温度是通过热平流降低的。

所达到的温度(热能，放热与吸热的平衡)可以由例如电动势(emf)来表征。存在不同的方法和理论，诸如由异种金属的结造成的塞贝克电动势(Seebeck emf)、由电路中的电流流动造成的珀尔帖电动势(Peltier emf)以及由已连接材料中的温度梯度引起的汤姆逊电动势(Thomson emf)。塞贝克电动势取决于结温，这对于由大多数普通金属形成的任何结都是已知的，并且因此，如果所产生的电动势是经过仔细测量的，则异种金属的结可以用于测量温度。表1示出了一些常用材料的热电动势。

注意，参考结在0℃，终端结在100℃

表1

表中呈现了一些常用金属和合金连同铂的热电动势，单位为绝对毫伏。

图2示出了电动势方法的原理。因为工具和工件材料正常是不同的，它们在工具-切屑和工具-工件界面处的触点形成了工具-工件热电偶的热结。该热电偶的分量与机器和卡具绝缘，以消除输出信号中的噪声。该输出信号是电动势电压，被放大并且然后被馈入到插在计算机中的数据采集板以用于进一步分析。

加工基于许多技术。然而，总有材料相关原子、分子和离子被涉及到，其中，工件与工具之间的机电、摩擦电、电化学过程都是积极参与的。在加工过程中，特别是在金属切削中，工件典型地正在失去电子。在原子水平下，切削工件致使电过程发生，其中价电子随着切削工具向前推动而离开工件材料的原子，从而在工件中形成了带电区，该带电区削弱了工件强度并且最终使它们作为切削切屑被去除。这种类型的过程是在变形区中实现的，在变形区中，产生了热能的大部分。原子正在工具附近失去电子并且形成正电势(阳离子)，这要求特定电离能级，这是给材料充电所需要的。这种充电过程在材料切削中是关键的，并且在工件中的离子之间的所得的排斥力致使它们从工件材料中去除。在不同的材料中已经表征了其特定电离能级。因此，变形区的这一区可以被称为电离区。

这种电离过程在金属切削中是关键的，以便继续这种重复充电。所要求的电离能级取决于所利用的一对材料、工件和工具，它们主要限定所要求的电离能、去除或添加原子电子的力。在金属切削的情况下，原子典型地正在失去电子。取决于电化学过程，它可以是放热的或吸热的，其中热能被释放或吸收。

电化学反应的必要条件是反应分量的原子、分子和离子与材料表面的碰撞。当切削金属时，原子、分子和离子处于类气体状态，并且金属表面处于弹塑性阶段，它们之间的电化学活性反应是可能的。直接和逆向电化学反应水平的差异越小，需要的能量活化(电离能)就越少。因此，重要的是优化电化学反应的平衡(也就是放热和吸热平衡)，以最小化所要求的活化能，该活化能对于切削力、热分布、弹性和塑性变形具有直接影响。

在工件和工具之间的接触表面上出现快速变化的电势。因此，上述热电偶现象可以分为两个分量：一个常数和另一个变量。恒定分量取决于热电张力，并且可变分量表征来自具有摩擦的正在接触的表面的热电过程。热电电流大于热电子电流，并且由于这个原因，经常在测量切削工具刃的平均温度时使用热电电流(参考塞贝克)，并且对热电子电流的研究较少。一些现有技术解决方案通过在工具插入件上馈送电压电平

并且在切削区上造成极性效应来利用外部电源。这种解决方案对加工有一定的影响。然而，这种办法不适合在实际的工业机械中使用，因为向工业机械供电的挑战造成大量令人不安的电干扰。还呈现了在金属切削中利用电离空气的另一种办法，其中呈现了基本试验。然而，没有公开极性与所选择的工件和工具材料之间的关键事实，这是热电子电流、内部电荷控制、中和以及离子键合的核心课题。因此，缺乏对提供可靠的功能方法以控制和优化加工中的机电和电化学相关反应的理解。

基于以上对加工和切削中的活化能和内部电荷(热电子、热电等)的描述，以及用普通金属加工液来提高加工速度的挑战等，本发明可以提供新水平的加工成果。这种机电和电化学发明基于协调材料加工和切削活化能以及接触表面上的内部电荷和材料表面上的摩擦电能的方法，以便随着切削速度的提高和表面粗糙度的改进，使所产生的内部热能、焓水平、切削力和工具磨损最小化。这种协调方法基于到工作区、工件和工具触点的所产生和所优化的外部、带电气体介质(通量)，其中气体介质的所形成的带电极性取决于所选择的一对工件和工具材料，以协调它们在加工期间的所产生的内部热能和电荷、焓水平以及电化学反应。带电气体介质是电离通量的流，其中产生基于阴离子或阳离子的离子，以便同时组合和协调工作区材料的电荷和电化学反应。所选择的一对材料需要具有所优化的气体介质(通量)，以便协调工作区上的阳离子和阳极极性以及焓水平。气体介质可以基于具有更多阴离子或阳离子或其组合的电离空气通量，从而具有正或负极性或双极性，取决于所选择的一对工件和工具材料。此外，取决于所选择的一对工件和工具材料，可以利用其他气体介质，比如氩气、氮气或其他，以便实现用于工作区协调的优选离子电荷。通过使用所述电离介质，所要求的电离能被最小化。

本发明也适用于导电的、金属的、隔离的和涂覆的、甚至非导电的、非金属的材料，其中高静电荷被涉及到并且可以通过离子中和以及/或者复合来协调。带电气体介质可以渗透到所有工作区和所有表面中，包括工具，从而具有对表面能、电子和原子排斥力、表面氧化和离子键或晶格形成等的影响，该工具可以由工具架、工具、工具插入件以及其他加工工具组成。

下面的图3和图4呈现了具有气体介质的工作区的基本配置，气体介质渗透到所有区和表面中，以通过电荷交换和离子键合来协调加工和切削能量。另一幅图示出了工具和工件材料上的基本温度分布(由在切削区中的能量转换所释放的热量)，其中呈现了初级(i)、二级(ii)和三级(iii)协调器区。此外，取决于一对材料，协调可以进一步影响工具和工件表面。主要的协调器区在工件和工具界面上；因此，就弹塑性变形及其必要的热产生(参考塑性变形)而言，初级协调器区不具有对内部切变和变形区的负面影响。此外，它具有对工具磨损的相互作用的积极影响，诸如塑性变形、质地改变、氧化、由于所表征的离子中和、复合或键合引起的电化学反应，取决于所选择的一对工件和工具材料。切削区中包围工件和工具的带电气体介质使金属中的电子以这样的方式重新分布，使得介质的电荷总是朝向金属表面被吸引，并且在固体表面与介质之间相互作用。除了由于消失波引起的标准吸引相互作用之外，还有由于传播切伦科夫波引起的排斥相互作用。每当处理电荷分布时，都需要考虑这一根本电动力学。

当电离原子被投射到固体表面时，形成了受激固体-原子系统。离子中和过程是受激固体-原子系统去激发自身的过程。

金属表面由费米(Fermi)能级(εF，电子在金属中的电化学势)和真空能级(εvac，电子在真空中静止时的能量，φ＝功函数)来表示。

可以发生不同的中和(去激发)机制：

I)共振中和：金属带中的电子从表面隧穿到离子的激发态，该激发态与表面态(图5a)一起能量退化。

II)俄歇(Auger)中和：金属带中的一个电子从表面隧穿到离子的更紧密束缚态。能量通过发射第二(俄歇)电子(图5b)或光子(图5c)而守恒。

俄歇电子在金属表面中，并且如果能量平衡是正的，则它可以在真空能级以上被激发。

这些过程很重要，因为它们在二次电子发射现象、气体放电现象以及表面电离机制中起作用。上述过程中涉及的电子跃迁几乎与入射粒子的动能无关，但受其激发势能的支配。

通过关于切削区处的电流与切削刃磨损之间的关系的实验研究，发现当工件在阳极(正极)并且切削工具在阴极(负极)时，切削“热电流”越高，其对磨损强度的影响越大。电流的方向取决于所选择的一对工件和工具材料。在一种情况下，外部电流以一定电压水平直接施加在工具上，错误的极性造成工具磨损比正常切削设定增加。因此，非常重要的是理解所选择的材料和极性，以便优化具有正确极性的带电气体介质。

离子在电场中的运动构成了电流，其密度取决于空气中的离子的数量以及它们远离或朝向电场的来源移动的速率。电流密度与电场之间的关系被称为空气的电导率。该电导率可以随极性而变化。如果物体带电，则围绕它建立了电场。场强度将从点到点变化，但总是与电荷成比例。如果物体被两种极性的空气离子包围，则由极性与其电荷相反的离子携带的电流将朝向该物体流动。这种中和电流既与物体上的电荷成比例，也与包围空气的相关电导率成比例。当用基本碳化钨工具(工具插入件)切削钢工件时，该中和电流是用非常灵敏的吉时利(Keithley)测量装置来测量的。在图6中，在具有电离气体介质的情况下，测得平均电流水平为0.75mA，并且共振范围为0.1mA-1.6mA。采样记录时间为65秒。电离气体介质的参数和极性可以通过使用上述电动势测试设定来测量和优化。

用于电离气体介质的主要参数是极性、温度、电离通量的压力、平均离子密度与输入压力。在图7和图8中，呈现了温度与压力以及离子密度与压力的一些基本值。要求高密度的离子，以便具有对切削区的任何影响。介质温度可以是正的或负的，典型地是冷的温度，因为介质温度将支持切削区上的电流水平。

在来自带电气体的包围空气中的场造成中和电流I–，这也是总电荷的衰减或中和速率：

其中；

并且时间常数τ+为：

对于给定的离子环境，方程给出了由负电荷的空气离子进行的中和的速率，作为电荷的几何和介电位置的函数。类似的对称方程也适用于正电荷的中和。

本发明用几种加工方法和材料进行了测试。利用了典型的方法来验证测试结果。一些基本方法是通过机械、化学和视觉的工具磨损分析，诸如后刀面和前刀面磨损。加工表面粗糙度也是一种典型的方法。另一种新方法是声发射(AE)测量，该AE测量能够显示材料塑性变形、工具磨损、切屑形成等。这是利用在线方法测量协调切削能量的影响的有趣方法。这种具有准确力控制系统的新方法可以被利用于不同对材料的气体介质优化。热能也可以通过电动势方法测量，但也可以从力控制结果中导出。

下图展示了利用Imatra 520圆钢棒的不同切削试验结果。后刀面磨损在乳化液方法和本发明方法之间进行了比较，其中本发明方法展现了较低的工具磨损。通过本发明还改进了机器表面粗糙度。利用声发射(AE)测量了RMS信号以比较不同切削方法之间的摩擦值。与其他干式切削方法相比，本发明方法实现了较低的摩擦信号和非常稳定的结果。

下表2呈现了在不同的切削速度的情况下用碳钢的一些切削测试设定。冷却剂与生态冷却(Eco Cooling)(气体介质)进行了比较。切削之后的工件表面的Ra值处于较好水平。

碳钢

表2

图9示出了在该切削测试中的一些工具磨损结果。左侧具有带生态冷却(气体介质)的工具插入件，并且右侧具有带传统冷却剂的工具插入件。可以认识到明显的不同，传统冷却剂的使用导致比带电气体介质高得多的工具磨损。有许多类似改进的证据，气体介质可以实现相同或更好的切削质量并且改进工具寿命。

因此，本发明涉及一种用于加工工件材料的方法，该方法包括以下步骤：选择一对工件和工具材料；用工具加工工件材料；以及在加工的同时，向工作区提供加压的、冷却的电离气体介质的流，其中，气体介质的电离水平和极性取决于所选择的一对工件和工具材料，以在加工期间协调它们在工作区、工件和工具中的所产生的内部热能和电荷、焓水平和电化学反应。

在该方法和设备中，气体介质的电离水平和极性可以是受控的。

此外，在该方法和设备中，在一对的选择中的工具选择可以包括工具形状和工具材料的选择。

像电动势、内部电荷(电流、电势、电场)、AE和其他现有测量的测量可以用在该方法和设备中，以便优化根据本发明的性能。

本发明具有在几种不同的加工方法中实现和利用它的能力，铣削、钻孔、切削等，包括CNC和其他加工中心。将该基本发明应用于多种加工工艺没有限制。

从上文中清楚明白的是，本发明不限于本文中描述的实施方式，而是可以在独立权利要求的范围内利用许多其他不同的实施方式来实现。

Claims (17)

1.一种用于加工工件材料的方法，所述方法包括：

-选择一对工件和工具材料，

-利用所述工具加工所述工件材料；

其特征在于，并且在加工的同时：

-向工作区、工件和工具触点提供外部、带电气体介质；其中，气体介质的形成的带电极性取决于所选择的一对工件和工具材料，以协调所选择的一对工件和工具材料在加工期间在所述工作区、工件和工具中的所产生的内部热能和电荷、焓水平和电化学反应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带电气体介质是电离通量的流。

3.根据权利要求1和2所述的方法，其中，电离通量是空气、氮气、氩气或其他气体介质，取决于所选择的一对工件和工具材料。

4.根据权利要求1至3所述的方法，其中，所述带电气体介质具有低于或高于0℃的温度，取决于所选择的一对工件和工具材料。

5.根据权利要求1和2所述的方法，其中，电离通量是由电晕AC/DC或阿尔法电离、碰撞或光电离或静电喷涂产生的。

6.根据权利要求1和2所述的方法，其中，所述气体介质具有正极性或负极性或双极性，取决于所选择的一对工件和工具材料。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带电气体介质通过在所述工作区、工件和工具材料上的离子中和、复合和离子键合来协调内部热能和电荷、焓水平

8.根据权利要求1和7所述的方法，其中，通过带电气体介质的协调是在不同的区中形成的；初级、二级和三级协调器区以及工件和工具表面

9.根据权利要求1所述的方法，其中，从导电的或非导电的或组合的组中选择一对工件和工具材料。

10.根据权利要求1和8所述的方法，其中，选择一对工件和工具材料是部分或完全隔离或涂覆的。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，在一对材料的选择中的工具选择包括工具形状和工具材料的选择。

12.根据权利要求1和11所述的方法，其中，工具由工具架、工具、工具插入件和其他加工工具组成

13.根据权利要求1和2所述的方法，其中，电离通量是利用参数的组并根据参数的相互作用来优化的，参数诸如极性、温度、电离通量的压力、平均离子密度与输入压力、温度与输入压力。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述带电气体介质的电离水平和极性是受控的。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在一对的选择中的工具选择包括工具形状和工具材料的选择。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在方法优化中使用电动势、内部电荷(电流、电势、电场)、AE和/或其他现有测量。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，所述带电气体介质利用增加的切削速度和改进的表面粗糙度使切削力和工具磨损最小化。