CN1646259A - 用于切削硬质金属以减小有害白层影响的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种减少由在工件表面施加热机械载荷的硬质切削工具切削的硬质金属工件切削表面上热机械影响层厚度的装置和方法。该方法包括减小工件表面的热机械载荷，并且该装置包括用于减小工件表面热机械载荷的设备。

Description

用于切削硬质金属 以减小有害白层影响的装置和方法
技术领域
本发明涉及利用硬质切削工具切削(例如，通过除去碎片形式的多余材料来使零件成型)硬质金属材料的领域，尤其涉及减少硬质金属工件切削面上热机械影响层(thermomechanically-affected layer)(如白层)和/或减轻硬质金属工件切削面上有害影响的切削方法，所述有害影响是由于硬质切削工具切削工件产生热机械载荷而导致的。
特别是，本发明涉及使用刀刃硬度超过维氏1500的硬质切削工具切削表面硬度在C级标度下超过洛氏42度的硬质金属零件。通过在生产周期中减少热处理和切削步骤，以及将缓慢的精磨操作的程度减至最小，对硬质金属或淬硬金属零件的切削可以为制造业显著节省费用。随着硬质陶瓷切削工具和包括氧化铝(Al2O3)，立方氮化硼(CBN)以及许多其他先进材料的工具涂层的出现，硬质金属的切削已经可行，包括外圆(OD)车削、内圆车削(镗孔)、切槽、切断切削、端面车削、铣削、钻孔以及众多其他切削操作。
硬质金属切削广泛使用的一个显著限制就是所谓的“白层”效应，一种工件切削面上微观变化，该效应是随着切削工具对切削面施加极高的热机械载荷而产生的。尽管还不能完全理解，但是由于相关的拉伸应力，例如使所生产零件的抗疲劳性降低，断裂韧性降低，和/或耐磨性降低，不希望出现含有耐蚀刻白层的热机械影响的工件表面。参考B.J.Griffins的White Layer Formation at Machined Surfaceand Their Relationship to White Layer Formation at WornSurfaces，J.of Tribology 1985年4月Vol.107/165。
已经公开的是锋利和/或没有磨损的刀刃，以及传统的用水基乳化油冷却剂浸没切削工具，均有助于减少有害的拉伸应力和白层。参考W.Konig，M.Klinger和R.Link的Machining Hard Materials withGeometrically Defined Cutting Edges-Field of Applications andLimitations，Annals of CIRP 1990年第57卷，61-64页。用传统的浸没冷却硬质切削已被再次试验但证明是无效的。参考H.K.Tonshoff和H.G.Wobker的Potential and Limitaions of HardTurning，1st Int.Machining and Grinding Conf.，1995年9月12-14日，Dearborn，MI，SME Technical Paper MR95-215。此外，在使用廉价的Al2O3基刀具的情况下，锋利的刀刃容易断裂，剩下昂贵的CBN刀具作为目前唯一的选择。已注意到的是，在硬质切削中应避免使用冷却剂，这是因为冷却加速了刀刃的磨损并缩短了用于精硬车削的CBN工具的整体寿命。参考T.J.Broskea的PCBN Tool Failure ModeAnalysis，Intertech 2000，Vancouver B.C.，Canada，July 17-21，2000。许多其他出版物和切削教科书也都指出对廉价的Al2O3刀具使用冷却剂将导致快速断裂。使用无需冷却的CBN工具(干车削)时，在对普通硬化的轴承钢52100进行硬质切削过程中，已经验证了切削速度对白层厚度的影响。参考Y.K.Chou和C.J.Evans的ProcessEffects on White Layer Formation in Hard Turning，Trans.ofNAMRI/SME，Vol.XXVI，1998，pp117-122。结果显示，只有相对较低的切削速度，即降低生产率，才能保证获得可接受的较薄的白层。因此，目前的切削技术没有在快速切削硬质无白层零件和减少费用方面提供解决方案。
需要获得一种在硬质切削过程中使工件表面变化最小的装置和方法，特别是能够使表面拉伸应力和/或起伏应力以及抗蚀刻白层(即“白层”的有害影响)消除或最小化。
进一步需要获得一种装置和方法，即能生产更好的、使热机械影响层(如“白层”)的有害影响更少的零件，同时能够使生产更快捷、费用更少，使用的工具更廉价。
发明概述
申请人的发明是提供一种用于减少硬质金属工件切削面上热机械影响层厚度的装置和方法，以及一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的装置和方法。本发明的另一方面是提供一种通过使用前述装置和方法切削硬质金属工件的装置和方法。本发明的其他方面是提供使用所述切削装置和方法切削出的工件。
由于被切削的硬质金属工件使用的硬质切削工具会在工件表面施加热机械载荷，因此在减少被切削的硬质金属工件切削表面的热机械影响层厚度的方法中，该方法的第一实施方案包括减少热机械载荷。
该方法的第一实施方案可以具有不同的变型。在其中的一种变型中，硬质金属工件包括含铁合金。在另一变型中，硬质切削工具至少部分地由选自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-金属复合材料、类金刚石不含金属的材料、氧化铝基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化钨基材料和金属陶瓷型材料的材料制造。
在另一变型中，切削工具在接触工件表面之前最初具有第一温度，并且在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，通过冷却切削工具至低于第一温度的第二温度，以降低热机械载荷。在所述变型的一种变化中，使用一外部冷却方式冷却切削工具。在所述变化的一种改变中，该冷却方式包括至少一种低温流体。在另一种改变中，该冷却方式包括至少一种惰性、无水冷却剂。在又一个改变中，切削工具具有硬度和抗破裂性，使用冷却方式冷却切削工具导致了硬度增加或抗破裂性能的增加。
在所述方法的另一变型中，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，由此通过减少切削力分力可以降低热机械载荷。该变型中还有多种改变。在一个改变中，切削工具具有一倾角(inclination angle)，通过使倾角更倾向于正值来减小切削力分力。(短语“使倾角更倾向于正值”将在本发明的详述部分定义和论述。)在另一改变中，切削工具具有一刀面角(rakeangle)，通过使刀面角更倾向于正值来减小切削力分力。
在减少使用硬质切削工具切削的硬质金属工件切削表面的热机械影响层厚度的方法中，该方法的第二实施方案包括多个步骤。在该实施方案中，切削工具在接触工件表面前最初具有第一温度，然后对工件表面施加热机械载荷，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加。该方法的第一步是在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，冷却切削工具至低于第一温度的第二温度。第二步是减少切削力分力。
在用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的方法中，该热机械载荷是通过使用硬质切削工具切削工件由此形成切削面而施加到工件表面上的，该方法的第一实施方案包括使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面。
该方法的第一实施方案具有多种变型。在一种变型中，冷却方式包括至少一种惰性无水冷却剂。在另一种变型中，冷却方式包括至少一种包含低温流体的流或至少一种温度低于约-75℃的冰粒。在又一变型中，硬质金属工件包括含铁合金。在又一变型中，硬质切削工具至少部分地由选自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-金属复合材料、类金刚石不含金属的材料、氧化铝基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化钨基材料和金属陶瓷型材料的材料制造。
用于减轻有害影响的所述方法的第二实施方案与第一实施方案类似，但还包括同时使用冷却方式冷却切削工具。
用于减轻有害影响的所述方法的第三实施方案与第一实施方案类似，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第三实施方案的方法包括减少切削力的分力。在该实施方案的一个变型中，切削工具具有一倾角，通过使倾角更趋向于正值来减小切削力的分力，并且冷却方式包括至少一种包含低温流体的流或至少一种温度低于约-75℃的冰粒。
用于减轻有害影响的所述方法的第四实施方案与第三实施方案类似，但还包括同时使用冷却方式冷却切削工具。在第四实施方案的一个变型中，切削工具具有一倾角，通过使倾角更趋向于正值来减小切削力的分力，并且冷却方式包括至少一种包含低温流体的流，所述低温流体具有至少一种温度低于约-75℃的冰粒。
本发明的另一方面是提供一种用于切削硬质金属工件的方法。该方法具有多个实施方案。
在用于切削硬质金属工件的方法的第一实施方案中，该实施方案使工件切削面上的热机械影响层厚度减少，利用在接触工件表面之前最初具有第一温度的切削工具来切削工件，硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，该实施方案包括在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，冷却切削工具至低于第一温度的第二温度。
在用于切削硬质金属工件的方法的第二实施方案中，该实施方案使工件切削面上热机械载荷的有害影响减轻，该热机械载荷是通过使用切削工具形成工件的切削面从而施加到工件表面上的，该实施方案包括使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面。
在用于切削硬质金属工件的方法的第三实施方案中，该实施方案使工件切削面上的热机械影响层厚度减少，使用硬质切削工具切削工件，同时该硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该实施方案包括减少切削力的分力。
在用于切削的方法的第四实施方案中，与第一实施方案类似，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第四实施方案包括降低切削力的分力。
用于切削的方法的第五实施方案与第二实施方案类似，但还包括使用冷却方式同时冷却切削工具。
在用于切削方法的第六实施方案中，与第二实施方案类似，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第六实施方案包括减少切削力的分力。
用于切削的方法的第七实施方案与第六实施方案类似，但还包括同时使用冷却方式冷却切削工具。
本发明的另一方面是通过利用上述任一实施方案的切削方法切削的一种工件，其特征在于具有改善的表面或性能。
减少硬质金属工件切削表面热机械影响层厚度的装置的第一实施方案包括用于减少热机械载荷的设备，该硬质金属工件通过使用在工件表面施加热机械载荷的硬质切削工具进行切削。
该装置的第一实施例可以具有不同的变型。在其中的一种变型中，硬质金属工件包括含铁合金。在另一变型中，硬质切削工具至少部分地由选自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-金属复合材料、类金刚石不含金属的材料、氧化铝基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化钨基材料和金属陶瓷型材料的材料制造。
通过使用在接触工件表面之前最初具有第一温度的切削工具以减少被切削的硬质金属工件切削面上热机械影响层厚度的装置的第二实施方案中，硬质切削工具在工件表面施加热机械载荷，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该第二实施方案包括在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，冷却切削工具至低于第一温度的第二温度的设备；以及用于减少切削力分力的设备。
在用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的装置的第一实施方案中，该热机械载荷是通过使用切削工具切削工件由此形成切削面而施加到工件表面上，该实施方案包括使用至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却剂流来冷却切削面的设备。在该实施方案的一个变型中，所述流包括至少一种惰性无水冷却剂。在另一变型中，该至少一种流包括一种低温流体或至少一种温度低于约-75℃的冰粒。
在用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的装置的第二实施方案中，该热机械载荷是通过使用硬质切削工具切削工件由此形成切削面而施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，所述第二实施方案包括使用至少一种流来冷却切削面的设备，其中所述流包含至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的惰性无水冷却剂；和同时通过使用至少另一种包含至少一种惰性无水冷却剂的流来冷却切削工具的设备；以及用于减少切削力分力的设备。
本发明的另一方面是提供一种用于切削硬质金属工件的装置。所述用于切削的装置具有多个实施方案。
在用于切削硬质金属工件的装置的第一实施方案中，该实施方案使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，使用在接触工件表面之前最初具有第一温度的切削工具来切削工件，硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，该实施方案包括在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，将切削工具冷却至低于第一温度的第二温度的设备。
用于切削硬质金属工件的装置的第二实施方案中，该实施方案用于减轻工件切削面上热机械载荷的有害影响，该热机械载荷是通过使用硬质切削工具形成工件的切削表面从而施加到工件表面上的，该实施方案包括使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的流体流来冷却切削面的设备。
用于切削硬质金属工具的装置的第三实施方案中，使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，使用将热机械载荷施加于工件表面的硬质切削工具来切削工件，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该实施方案包括用于减少切削力分力的设备。
在与第一实施方案类似的第四实施方案中，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加。所述第四实施方案包括用于减少切削分力的设备。
用于切削的装置的第五实施方案与第二实施方案类似，但还包括通过至少一种其他流体流同时冷却切削工具的装置，所述冷却方式是用于喷射流体流的设备。
用于切削的装置的第六实施方案与第三实施方案类似，但还包括通过使用至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的流体流来喷射切削面的设备。
用于切削的装置的第七实施方案与第六实施方案类似，但还包括用于同时向切削工具喷射至少一种其他流体流的设备。
本发明的另一方面是通过使用上述任一实施方案的切削装置切削的一种工件，其特征在于所述工件具有改进的表面或改进的性能。
附图简要说明
本发明将结合附图以实施例的方式详细描述，其中
图1A示出了使用实心棒材和圆形切削工具进行外圆硬质车削操作的示意图，以及详细说明如此切削的工件的典型表面下微观结构截面图的图示；
图1B示出了根据本发明实施方案，进行类似于图1A所示的外圆硬质车削操作的示意图；
图2是一图表，示出了使用不同的切削速度、切削工具材料以及冷却条件所进行的8种测试条件下白层厚度的测量结果；
图3A示出了以700英尺/分钟的速率，在不同切削工具材料和冷却条件下硬质车削所产生的表面下硬度变化的图；
图3B所示图表显示了图3A所示的四类样品的残余应力的测量结果；
图4A示出了传统硬质车削方法的示意图，其中倾角A-O-B是负值；
图4B示出了本发明实施方案的示意图，其中倾角从图4A所示负值增加到图4B所示的正值B-O-C；以及
图4C示出了本发明另一实施方案的示意图。
发明详述
本发明涉及通过硬质切削工具使用一种方法切削硬质金属工件，所述方法能够消除或减少包括但不局限于白层的热机械影响层厚度，以及使用CBN工具材料、较廉价的Al2O3、碳化物、金属陶瓷或其他硬质工具材料高速切削而不产生多余的白层。在下文，术语“白层”指所有类型的“热机械影响层”，包括但不局限于那些与表面拉伸应力(例如，低疲劳强度，低断裂韧性，和/或低耐磨性)相关的层。
根据本发明，通过如下所述一种或三种工艺(A，B，C)的结合，减少由切削工具施加于切削面上的热机械载荷。
A通过精确对准喷射或喷雾惰性无水冷却剂冷却切削工具，以便减少从热的刀具界面传送到工件的热量，最优选使刀具成为用于工件表面的受热器。
冷却刀具喷嘴的温度可以在+25℃至-250℃之间变化，优选较低的低温喷射温度。用这种喷嘴冷却刀具可以使切削零件的表面冷却。此外，正如在硬质切削试验中所观察到的，与传统切削工艺教导的不同，使用惰性无水冷却喷雾能够延长Al2O3，CBN和其他硬质切削工具的寿命，并且因此允许使用更锋利的刀刃以产生较低的切削力和较薄的白层。
B使用与工艺A相同类型的正向碰撞冷却喷射或喷雾冷却所形成或所切削的工件表面。
基于观察，似乎冷却所切削工件表面降低进入切削材料的热渗透深度，并且由此减小了不希望有的材料变换的程度。工艺B的表面冷却喷嘴可以与工艺A的刀具冷却喷嘴分离；或者只用一个喷嘴，使其同时冷却刀具和表面。本领域技术人员能够认识到，可以根据本发明使用工艺A和工艺B中的多个冷却喷嘴或喷雾器。
C减少切削力在垂直于所切削工件表面的方向上的分力。
正如试验中观察到的，切削力在垂直于所切削工件表面的方向上的分力看起来是进入表面的热流量和产生白层的重要来源。在经常使用的外圆硬质车削操作的情况下，其中法向力为径向力，更趋向于正值的刀具倾角使得进入表面的热机械载荷减少。在垂直切削的情况下，法向力为进刀力，具有更趋向于正值的刀面角将更加重要。在大多数普通切削的情况下，倾角和刀面角均比传统的目前用于硬质切削操作所使用的负值更趋向于正值。由于硬质切削工具的寿命与正的倾角或刀面角成反比，所以如果结合工艺A实施，增大这些角度值是最有利的，其在硬质切削过程中也能够延长工具的寿命。
图1A是外圆硬质车削操作的示意图，包括一实心棒材即工件12以及一从工具刀面顶侧观察到的圆形切削工具14(带有标识为CT的切削刀片)。该视图称为X-Z平面视图。通过切削工具施加于工件上的主切削力在X-Z上的投影表示为FXZ进给或进刀力，以及FXZ径向或径向力，其中进刀力小于径向力。所述工件切削面上热机械影响层16的位置如图1A所示。右图详细示出了所述切削工件的典型表面下微观结构的横截面视图，该图可在放大倍数为3000至12000倍的扫描电镜(SEM)下观察到。将使用如下标记：OS-在硬质车削过程中直接与切削工具接触的外表面，WL-白层，DL-暗层，以及BM-基底金属，其代表棒材原始的或未受影响的结构。
基于对一普通轴承钢即AISI52100(含1重量％的C和1.5重量％的Cr)进行的SEM检测，该钢已被硬化到C级的洛氏硬度61并硬质切削，白层(WL)是具有广泛弥散分布的球状碳化物的较差的蚀刻材料薄带。下面的暗层(DL)比白层厚，且包含较多较大的碳化物颗粒，同时微观特征显示出具有马氏体针和马氏体销。热机械影响层不但包括白层(WL)和暗层(DL)，还向基底金属延伸更深，且不能用简单显微方法测量。因此，对热机械影响层厚度的测定通常基于(1)显微测量具有良好对比性的白层(WL)，结合(2)对切削面下部材料机械性能的附加测量，如残余应力和显微硬度的测量。
附图1B同样示出了切削工具14和工件12(棒材)的X-Z平面视图，但不包括附图1A中的表面下微观结构的横截面图。点CJXZ1和CJXZ2是低温喷射——排出孔(未示出)优选位置在X-Z面的投影，所述低温喷射——排出孔将冷却喷射流(18，20)对准于切削工具的刀面、所述工件的切削面、任选地进入位于切削工具和工件表面之间的间隙、恰好位于刀面以及切削工具——工件的接触区域下部。因此，低温喷射冲击被限制在切削工具和工件切削面区域。重要的是不能在切削工具的上流冷却棒材，因为这种冷却增加了切削所需的机械能，即消除了冷却效果且同时缩短了切削工具的寿命。如附图1B所示，CJXZ1喷嘴可以在刀面上沿Y轴设置得高或低些，并且可以只冲击沿接触面长度的刀面。这代表了如上所述的工艺A。或者，CJXZ1喷嘴也可以同时喷射切削工具的刀面和切削工具下流的切削面。这一可选方法结合了工艺A和B。CJXZ2喷嘴可以沿Y和Z轴，设置在切削工具的下面或后面，以便按照工艺B操作。如果从CJXZ1喷嘴喷射的射流18能足够有效地冷却切削面，则也可以省去CJXZ2喷嘴。进行对比试验以测定工艺A、B和C效用的结果被总结在详述试验条件的表1中。
                                        表1
切削工具系统 切削刀片 CBN，“低含量PCBN”型 Al2O3基陶瓷型，Al2O3-TiCN组合物
刀片的名称和描述： BNC80，4NC-CNMA432，4刀刃，PVD-TiN涂覆 KY4400，CNGA432，4刀刃，PVD-TiN涂覆
供应商/刀具制造商： Sumitomo Kennametal
刀刃倒角，测量值： 25°+/-3° 25°+/-3°
倒角宽度，测量值： 0.00325英寸 0.00425英寸
刀片的刀夹： MCLNL-164C，Kennametal MCLNL-164C，Kennametal
刀夹角 -5°刀面角和-5°倾角 -5°刀面角和-5°倾角
切削参数 切削速度英尺/分钟 400和700 400和700
进刀速度  英寸/转，参考下面的注释(1) 0.004 0.004
切削深度  英寸 0.015 0.015
切削(进给)方向 径向(沿X轴)，端面 径向(沿X轴)，端面
冷却条件 两种冷却方法： (1)干切削(无冷却)，以及(2)根据工艺A和B，使CJXZ1喷嘴对准刀具刀面和切削面 (1)干切削(无冷却)，以及(2)根据工艺A和B，使CJXZ1喷嘴对准刀具刀面和切削面
用于上述冷却方法(2)的冷却介质 沸点为-197℃的低温液氮以2相流的形式喷射冲击刀面和切削面 沸点为-197℃的低温液氮以2相流的形式喷射冲击刀面和切削面
工件材料 AISI52100轴承钢，含重量百分比为1.0％的碳，1.5％的铬 油淬火并低温回火至61HRC+/-1HRC 油淬火并低温回火至61HRC+/-1HRC
白层检测条件     在对工件切削表面取样以进行白层检测之前，用新的刀刃切削下的工件材料的体积，参考下面的注释(2) 1.06立方英寸 1.06立方英寸
    检测白层之前在切削工件材料过程中中断的次数 8 8
    用于测定白层的经过转变的切削工件样本的表面粗糙度范围 Ra＝15-20微英寸/英寸 Ra＝15-30微英寸/英寸
    残余应力的测量方法 使用直径为1mm的钻头钻一增量孔，伸长仪，三向应变计 使用直径为1mm的钻头钻一增量孔，伸长仪，三向应变计
    用于图像评估和显微硬度测量的金相切削方向 垂直于工件切削表面且在径向方向(沿X轴) 垂直于切削工件表面且在径向方向(沿X轴)
    显微硬度测量方法-努氏，施加100G载荷15秒 压入型硬度(profillinghardness)，为用刃形压头在工件切削表面下的深度的函数 压入型硬度，为用刃形压头在工件切削表面下的深度的函数
    使用蚀刻剂使白层显影，并与工件切削表面的横截面金相试样比较 将硝酸酒精溶液-含5％硝酸的乙醇敷在试样表面10秒 将硝酸酒精溶液-含5％硝酸的乙醇敷在试样表面10秒
注释 (1)因为进刀速度大于使用的CBN刀具的倒角宽度，所以CBN刀具的有效刀面角较大，即比Al2O3刀具的有效刀面角更趋向于正值或更锋利些。因此，使用的CBN刀片在端面车削过程中相对于Al2O3刀片产生了较低的法向力，根据工艺C，所述Al2O3刀片在切削工件表面产生了较低的热机械载荷，即一较薄的包括白层的热机械影响表面。影响白层的第二个因素是刀具和工件接触区域的温度。低PCBN工具的热导率稍高于Al2O3-TiCN工具的热导率，这意味着前一情况中接触区域的温度更低。(2)对切削工件表面取样之前，使用刀刃切掉初始材料体积的过程再现了典型工业上硬切削的条件，其中大多数零件是通过使用稍微磨损的刀刃生产出来的。
图2示出了在8个试验条件下使用SEM测量白层厚度的结果。结果显示更加锋利且导热性更强的CBN工具与Al2O3工具相比，倾向于产生较薄的白层。使用锋利的工具导致了切削力法向分力的减小，并且使用导热性更好的工具材料使得刀具温度降低，这与我们的工艺A和C是相符的。但是，减少白层厚度最重要的因素是根据工艺A和B使用冷却喷射，在不考虑使用工具和切削速度的情况下，它能够减少大约40％的白层。最重要和最令人吃惊的发现是在喷射冷却下使用Al2O3工具产生的白层，明显比在传统操作方法(即干切削)下使用CBN工具所产生的白层薄得多。此外，使用Al2O3工具在700英尺/分钟的速度下产生的白层比使用CBN工具在400英尺/分钟的速度下干切削产生的白层薄。因此，本发明能够使硬质切削的操作者更快地生产更好的零件，同时只花费较低的刀具成本。
图3A示出了使用CBN和Al2O3刀具以700英尺/分钟的速度硬质车削导致的表面下硬度的变化。当根据本发明的工艺A和B使用低温冷却喷射时，避免了传统干式硬质车削后在切削面下最初的15微米内观察到的不希望的工件材料的软化。
图3B绘出了与图3A相同的4种样品残余应力的测量结果。在使用Al2O3的情况下，低温喷射冷却消除了传统干式硬质车削导致的大梯度的拉伸应力。在使用CBN的情况下，低温喷射使表面下应力表现稍微压缩，并且与使用Al2O3的情况相同，能够使应力随深度的波动平缓。图3A和3B都示出了本发明的工艺A和B为硬质切削表面的机械性能带来了意想不到的改善。
与图1B所示外圆硬质车削的X-Z平面视图一样，图4A，4B和4C示出了同样的操作，但在X-Y平面上示出棒材或工件12端面的剖面图以及切削刀片(CT)的侧视图。图4A示出了传统的硬质车削方法，其中倾角A-O-B是负值。阻碍切削操作的工件—材料的反作用力在X-Y平面的投影即RXY装配(match)，能够以某种程度简化的形式示出，即表现为投影在相同X-Y平面上的两个力的合力：切向反作用切削力RXY切向和径向反作用力RXY径向的合力。所述径向反作用力大于零，通常大于切向力或进刀力(沿Z轴方向延伸)，并且在一些硬质车削的情况下还大于切向力和进刀力的合力。为了平衡径向反作用力，通过切削刀具施加在工件表面的径向力FXY径向必须同样大，由此导致由切削工具施加到工件表面的高热机械载荷，并由此形成了较厚的白层。
图4B示出了对传统切削几何(图4A)的改进，即倾角B-O-C从图4A中最初的负值(由A-O-B表示)增加为新的正值，从而导致径向反作用力RXY径向的方向反向。实际上，增大或使倾角更倾向于正值可以使切削工具所需的径向力减小至零或小于零，从而导致工件表面热机械影响层减小。这一切削几何的改进体现了本发明的工艺C。这一工艺可以扩展到硬质端面切削和硬质垂直切削操作中，其中如果有效刀面角比传统采用的负角更趋向于正值，那么施加在工件表面的热机械载荷就会减小，并且热机械影响层也会变薄。
增加的倾角和/或刀面角可以在用于硬质切削中的典型脆性刀具的刀刃周围产生拉伸应力。在传统工艺所使用的干切削的条件下，这样的拉伸应力会导致刀具过早损坏。正如所观察到的，在硬质切削过程中，当至少一种冷却射流或喷雾对准切削工具的刀面时，损坏频率就会降低且工具寿命得以延长，其中使用的冷却液为惰性无水的且优选低温冷却流体。(术语“惰性”指冷却流体不会与硬质金属反应并且不会降低硬质金属或硬质切削工具的机械性能。)
图4C示出了与图1B X-Z平面视图中所示喷嘴相对应的两个冷却喷嘴CJXY1和CYXY2在X-Y平面的投影。如图4C所示，在硬质切削过程中当CJ1或CJ1和CJ2一同喷射冷却剂时，从产品和成本的立场看，实施工艺C是最具有优势的。
在硬质切削过程中，本发明通过降低在硬质切削过程中由切削工具施加在工件材料表面上的热机械载荷，可以使切削工件表面的有害白层和其他热机械影响层最少化。如上所述，本发明包括的3个工艺(A，B，C)，其可以单独使用或组合使用(AB，AC，BC，ABC)。
尽管在这里结合特定实施方案进行了说明和描述，但本发明并不局限于所示的细节。相反，在与权利要求等同范围的细节内和不脱离本发明实质的情况下，可以进行各种修改。

Claims (50)

1.一种减少硬质金属工件切削表面上热机械影响层厚度的方法，该硬质金属工件由在工件表面施加热机械载荷的硬质切削工具切削，该方法包括降低热机械载荷。
2.一种如权利要求1所述的方法，其中与工件表面接触前，切削工具最初具有第一温度，并且在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，通过将切削工具冷却至低于第一温度的第二温度来降低热机械载荷。
3.一种如权利要求2所述的方法，其中使用外部冷却方式冷却该切削工具。
4.一种如权利要求3所述的方法，其中所述冷却方式包括至少一种惰性无水冷却剂。
5.一种如权利要求3所述的方法，其中所述冷却方式包括至少一种低温流体。
6.一种如权利要求1所述的方法，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，并且其中通过减小切削力分力来降低热机械载荷。
7.一种如权利要求6所述的方法，其中该切削工具具有一倾角，并且其中通过使该倾角更趋向于正值来减小切削力的分力。
8.一种如权利要求6所述的方法，其中该切削工具具有一刀面角，并且其中通过使该刀面角更趋向于正值来减小切削力的分力。
9.一种如权利要求4所述的方法，其中该切削工具具有一硬度和抗破裂性，并且其中使用冷却方式冷却切削工具导致硬度增大或抗破裂性增强。
10.一种如权利要求1所述的方法，其中所述硬质金属工件包括含铁合金。
11.一种如权利要求1所述的方法，其中所述硬质切削工具至少部分由选自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-金属复合材料、类金刚石不含金属的材料、氧化铝基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化钨基材料和金属陶瓷型材料的材料制造。
12.一种减小由在接触工件表面之前最初具有第一温度的硬质切削工具切削的硬质金属工件切削面上热机械影响层厚度的方法，其中该硬质切削工具在工件表面施加热机械载荷，至少部分所述热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括如下步骤：
在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，冷却切削工具至低于第一温度的第二温度；以及
减少切削力分力。
13.一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的方法，其中该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该方法包括使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面。
14.一种如权利要求13所述的方法，其中所述冷却方式包括至少一种包含低温流体的流或至少一种温度低于约-75℃的冰粒。
15.一种如权利要求13所述的方法，其中所述冷却方式包括至少一种惰性无水冷却剂。
16.一种如权利要求13所述的方法，其中该硬质金属工件包括含铁合金。
17.一种如权利要求13所述的方法，其中所述硬质切削工具至少部分由选自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-金属复合材料、类金刚石不含金属的材料、氧化铝基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化钨基材料和金属陶瓷型材料的材料制造。
18.一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的方法，其中该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该方法包括如下步骤：
使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面；以及
同时使用该冷却方式冷却切削工具。
19.一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的方法，其中该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括如下步骤：
使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面；以及
减少切削力分力。
20.一种如权利要求19所述的方法，其中所述切削工具具有一倾角，并且其中通过使该倾角更趋向于正值来减小切削力的分力，并且所述冷却方式包括至少一种包含低温流体的流或至少一种温度低于约约-75℃的冰粒。
21.一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的方法，其中该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括如下步骤：
使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面；和
同时使用该冷却方式冷却切削工具；以及
减少切削力分力。
22.一种如权利要求21所述的方法，其中所述切削工具具有一倾角，并且其中通过使该倾角更趋向于正值来减小切削力的分力，并且所述冷却方式包括至少一种包含低温流体的流，其中所述低温流体含有至少一种温度低于约-75℃的冰粒。
23.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，利用在接触工件表面之前最初具有第一温度的硬质切削工具来切削工件，该硬质切削工具将热机械载荷施加于该工件表面，该方法包括在该切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，冷却该切削工具至低于第一温度的第二温度。
24.一种用如权利要求23所述的方法切削的工件，其特征在于该工件具有改善的表面或性能。
25.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上热机械载荷的有害影响减轻，该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该方法包括使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面。
26.一种用如权利要求25所述的方法切削的工件，其特征在于该工件具有改善的表面或性能。
27.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，该工件用硬质切削工具切削，该硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括降低切削力的分力。
28.一种用如权利要求27所述的方法切削的工件，其特征在于该工件具有改善的表面或性能。
29.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，利用在接触工件表面之前最初具有第一温度的硬质切削工具来切削工件，该硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括如下步骤：
在该切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，冷却该切削工具至低于第一温度的第二温度；以及
减少切削力分力。
30.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上热机械载荷的有害影响减轻，该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该方法包括如下步骤：
使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面；以及
同时使用该冷却方式冷却切削工具。
31.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上热机械载荷的有害影响减轻，该热机械载荷是由形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括如下步骤：
使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面；以及
减少切削力分力。
32.一种用于切削硬质金属工件的方法，借此使工件切削面上热机械载荷的有害影响减轻，该热机械载荷是由形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该方法包括如下步骤：
使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却方式冷却切削面；
同时使用该冷却方式冷却切削工具；以及
减少切削力分力。
33.一种减少硬质金属工件切削表面上热机械影响层厚度的装置，该硬质金属工件由在工件表面施加热机械载荷的硬质切削工具切削，该装置包括用于减少热机械载荷的设备。
34.一种如权利要求33所述的装置，其中所述硬质金属工件包括含铁合金。
35.一种如权利要求33所述的装置，其中所述硬质切削工具至少部分由选自陶瓷化合物、陶瓷-陶瓷复合材料、陶瓷-金属复合材料、类金刚石不含金属的材料、氧化铝基陶瓷、立方氮化硼基陶瓷材料、碳化钨基材料和金属陶瓷型材料的材料制造。
36.一种减少由在接触工件表面之前最初具有第一温度的硬质切削工具切削的硬质金属工件切削面上热机械影响层厚度的装置，该硬质切削工具在工件表面施加热机械载荷，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该装置包括：
在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，将切削工具冷却至低于第一温度的第二温度的设备；以及
用于降低切削力分力的设备。
37.一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的装置，该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该装置包括用至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的冷却剂流来冷却切削面的设备。
38.一种如权利要求37所述的装置，其中所述至少一种流包含一种低温流体或至少一种温度低于约-75℃的冰粒。
39.一种如权利要求37所述的装置，其中所述流包含至少一种惰性无水冷却剂。
40.一种用于减轻硬质金属工件切削面上热机械载荷的有害影响的装置，该热机械载荷是由切削工件由此形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该装置包括：
使用至少一种流来冷却切削面的设备，其中所述流包含至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的惰性无水冷却剂；
通过使用至少另一种包含至少一种惰性无水冷却剂的流来同时冷却切削工具的设备；以及
用于减少切削力分力的设备。
41.一种用于切削硬质金属工件的装置，借此使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，使用在接触工件表面之前最初具有第一温度的硬质切削工具来切削工件，该硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，该装置包括在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，将切削工具冷却至低于第一温度的第二温度的设备。
42.一种使用权利要求41所述的装置切削的工件，其特征在于所述工件具有改善的表面和性能。
43.一种用于切削硬质金属工件的装置，借此减轻工件切削面上热机械载荷的有害影响，该热机械载荷是由形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该装置包括使用起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的流体流来冷却切削面的设备。
44.一种使用权利要求43所述的装置切削的工件，其特征在于所述工件具有改善的表面和性能。
45.一种用于切削硬质金属工具的装置，借此使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，使用将热机械载荷施加于工件表面的硬质切削工具来切削工件，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该装置包括用于降低切削力分力的设备。
46.一种使用权利要求45所述的装置切削的工件，其特征在于所述工件具有改善的表面和性能。
47.一种用于切削硬质金属工件的装置，借此使工件切削面上的热机械影响层厚度减小，使用在接触工件表面之前最初具有第一温度的硬质切削工具来切削工件，该硬质切削工具将热机械载荷施加于工件表面，至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，所述装置包括：
在切削工具接触工件表面之前或当工件被切削时，将切削工具冷却至低于第一温度的第二温度的设备；以及
用于降低切削力分力的设备。
48.一种用于切削硬质金属工件的装置，借此减轻工件切削面上热机械载荷的有害影响，该热机械载荷是由形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，该装置包括：
使用至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的流体流来喷射切削面的设备；以及
用于同时向切削工具喷射至少一种其他流体流的设备。
49.一种用于切削硬质金属工件的装置，借此减轻工件切削面上热机械载荷的有害影响，该热机械载荷是由形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该装置包括：
使用至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的流体流来喷射切削面的设备；以及
用于减少切削力分力的设备。
50.一种用于切削硬质金属工件的装置，借此减轻工件切削面上热机械载荷的有害影响，该热机械载荷是由形成切削面的硬质切削工具施加到工件表面上的，其中至少部分热机械载荷是切削力的分力，该分力沿垂直于工件表面的方向被施加，该装置包括：
使用至少一种起始温度在约-250℃至约+25℃范围内的流体流来喷射切削面的设备；
用于同时向切削工具喷射至少一种其他流体流的设备；以及
用于减少切削力分力的设备。
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