CN1947933A - 成形和形成工作材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种处理工件的方法，它包括(a)提供工具和工件，其中，工件具有初始形状；(b)将工件和工具接触放置，以形成界面，向工具和/或工件施加作用力，且使工具和/或工件移动，以影响工件的初始形状的变化；(c)将润滑剂施加到工具的表面上的任何区域和/或工件的表面上的任何区域，同时工具和工件处于接触中；以及(d)将低温流体施加到工具的表面上的任何区域和/或工件的表面上的任何区域，同时工具和工件处于接触中。

Description

成形和形成工作材料的方法
技术领域
本发明涉及一种处理工件的方法，特别是一种成形和形成工作材料的方法。
背景技术
固体材料的构形可以通过工艺过程得到改变，在该工艺过程中从工件上除去材料，其中工件被分离成多个带有或不带有去除的材料的单件，或者工件的形状在没有显著去除材料的情况下发生改变。示例性的成形过程包括例如机加工/车削、磨削、钻削、攻丝、锯切、铣削和刨削。在这些成形处理过程中，在处理期间从工件上去除材料。在形成处理过程中，工件的形状、厚度、直径或任何其他物理构形在没有任何显著的材料去除的情况下发生改变，或者没有任何显著的材料去除的情况下工件被分离成多个单件。形成过程包括例如挤压、冲压、仿形加工、弯曲、开槽、剪切、拉伸和冲切。这些处理过程中的任何一种可以应用于固体金属或非金属材料。
成形和形成过程的特征在于，工具与工件的强力接触，其中工具使工件变形。在处理过程中，由于工具和工件之间的表面摩擦产生了外部热量，且由于工件材料的变形产生了内部热量。为了防止工具和工件的过热，可以将诸如水-油乳状液的组合的冷却液或润滑剂/冷却液流体施加到工具和/或工件上。冷却液/润滑剂流体的冷却和润滑性质在降低工件磨损和延长工具寿命方面是严格的。冷却和润滑在达到工件的所希望的尺寸、精度和形状方面也是很重要的。冷却液/润滑剂的第二功能可以是冲刷掉切屑和来自工具/工件界面的金属细粒，以防止损伤加工完的表面。可以向冷却液和润滑剂流体中添加各种添加剂和表面活性剂，以增强其性能。在某些应用中，特别是金属加工应用中，使用低温流体提供有效的冷却。
这些处理过程已被很好地开发出来并广泛地使用在各种制造工业中的金属、塑料和其他材料上。在材料的成形和形成的技术被很好地开发出来同时，存在有在成形和形成过程中进一步革新和改进的需求。这一需求是由如下描述并由随后的权利要求书所限定的本发明的
实施例来加以说明的。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种处理工件的方法，它包括(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状；(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；(c)将润滑剂施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中；以及(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
使施加所述润滑剂的任何区域与施加所述低温流体的任何区域不相邻或不重叠，即润滑剂和低温流体可施加在不同的区域。另一方案，可将所述润滑剂在一个时间段施加到至少一部分区域，且在所述时间段之前或之后将所述低温流体可施加到所述至少一部分区域。
所述润滑剂可以是液体，且将所述润滑剂施加到所述工件上的至少一部分选定的区域。可将所述低温流体在一个时间段施加到至少一部分选定的区域，且在所述时间段之前或之后将所述润滑剂施加到所述至少一部分选定的区域。
所述界面的特征可为所述工具的前边缘和所述工具的后边缘，在所述前边缘处，所述工具和所述工件之间形成初始接触，而在所述后边缘处，所述工具和所述工件之间终止接触。所述工件的特征在于，邻近所述工具的所述前边缘的第一工件区域，邻近所述工具的所述后边缘的第二工件区域，邻近所述第一工件区域的第三工件区域，和邻近所述第二工件区域的第四工件区域；以及所述工具的特征在于，邻近所述工具的所述前边缘的第一工具区域，邻近所述工具的所述后边缘的第二工具区域，以及除了所述第一和第二工具的所述工具的任何区域。
在这个实施例中，
(1)可将所述润滑剂施加到所述第一工具区域，而可将所述低温流体施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(2)可将所述润滑剂施加到所述第一工件区域，而可将所述低温流体施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(3)可将所述润滑剂施加到所述第一工件区域和所述第一工具区域，而可将所述低温流体施加到所述第二工件区域和所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(4)可将所述润滑剂施加到所述第一工件区域和所述第一工具区域，而可将所述低温流体施加到所述第三工件区域；或
(5)可将所述润滑剂施加到所述第一和第二工具区域以及所述第一和第二工件区域，而可将所述低温流体施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(6)可将所述润滑剂施加到所述第三工件区域，而可将所述低温流体施加到所述第一工具区域和所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(7)可将所述润滑剂施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域，而可将所述低温流体施加到所述第一和第二工具区域以及所述第一和第二工件区域；或
(8)可将所述润滑剂施加到所述第三工件区域，而可将所述低温流体施加到所述第一工具区域和所述第一工件区域。
所述低温流体可选自下列组中，所述组包括氮、氩、二氧化碳以及它们的混合物。所述润滑剂可以是液体润滑剂，且可包括选自下列组中的一种或多种成分，所述组包括植物油、矿物油以及无碳氢化合物的润滑剂。所述润滑剂可以是固体润滑剂，且可选自下列组，所述组包括石蜡、可泵送的油脂以及可流动的非液体材料。
所述工件的表面在接触所述工具之前的特征可为粗糙平均值Ra的初始值。可将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度。所述润滑剂的粘度可在40℃小于约40Cst。有利地，所述润滑剂的粘度可在40℃小于约20Cst。可将所述润滑剂施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域，而可将所述低温流体施加到所述第一和第二工具区域以及所述第一和第二工件区域。可将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间等价厚度。
所述工件可包括金属，其具有小于约50洛氏硬度(Rockwell)C的硬度且可能具有小于约35洛氏硬度(Rockwell)C的硬度。另外，所述工件可包括选自下列组中的材料，所述组包括复合材料、塑料、难熔的材料和陶瓷。处理所述工件的所述方法可选自下列组中的成形和形成过程，所述组包括机加工、车削、磨削、开槽、剪切、挤压、冲压、仿形加工、弯曲、拉伸、钻削、冲切、刨削、攻丝和锯切。
本发明的另一实施例包括一种处理工件的方法，它包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状且特征为粗糙平均值Ra的初始值；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将润滑剂施加到所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中，其中将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
所述润滑剂可以是液体润滑剂，且可包括选自下列组中的一种或多种成分，所述组包括植物油、矿物油以及无碳氢化合物的润滑剂。所述润滑剂的粘度可在40℃小于约40Cst以及可在40℃小于约20Cst。
本发明的另一实施例涉及一种通过方法制成的成形的制品，所述方法包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将润滑剂施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
(e)将所述工件形成为最终的形状，以提供所述成形的制品。
在本发明的又一实施例中，本发明包括一种通过方法制成的成形的制品，所述方法包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状且特征为粗糙平均值Ra的初始值；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将液体润滑剂施加到所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中，其中将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
(e)将所述工件形成为最终的形状，以提供所述成形的制品。
本发明一个相关的实施例包括一种处理工件的设备，它包括：
(a)工具和工件，其中，所述工件具有初始形状；
(b)用于将所述工件和所述工具接触放置以形成界面的装置，用于向所述工具和/或所述工件施加作用力的装置，以及用于使所述工具和/或所述工件移动以影响所述工件的所述初始形状的变化的装置；
(c)适于在所述工具和所述工件处于接触中的同时将润滑剂施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域的润滑剂施加系统；以及
(d)适于在所述工具和所述工件处于接触中的同时将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域低温流体施加系统。
所述设备可选自下列组中的成形和形成系统，所述组包括机加工、车削、磨削、开槽、剪切、挤压、冲压、仿形加工、弯曲、拉伸、钻削、冲切、刨削、攻丝和锯切。
附图说明
图1是工具与工件的一般空间上的关系的示意图；
图2是机加工或车削过程的示意图；
图3是拉拔或挤出过程的示意图；
图4是开缝或剪切过程的示意图；
图5是磨削过程的示意图；
图6是在示例2中生产的经机加工的工件的图片；以及
图7A、7B和7C是在示例2中经机加工生产的切屑的图片。
具体实施方式
本发明的实施例在成形和形成过程中利用润滑剂和低温(或制冷)流体的组合以提供润滑和冷却。这些润滑和冷却功能的利用使得成形和形成过程的性能更好，且减少或消除在常见的处理过程中使用的所消耗的冷却流体的量。润滑剂在环境温度下可以是液体或固体；该润滑剂可以基本上是无水的或可以含水的。在某些实施例中，润滑剂和低温流体可以施加在工具和/工件的不同区域上，使得低温流体和润滑剂的施加的区域是不相邻的或不交叠，即不覆盖任何相同的区域。在其它实施例中，润滑剂在一段时间期间和在这段时间期间之前或在这段时间期间之后施加到在工具或工件上的至少一部分区域，而低温流体可以施加到该区域的至少一部分上。时间期间的适当选择应当使得润滑剂在润滑剂冷冻之前能够刺入和/或充填因表面不平坦部分(或不平度)所形成的微观区域，并应当不会使润滑剂在润滑剂能够刺入和/或充填因表面不平坦部分的形成的微观区域之前冷冻。
在本发明中，术语“低温流体”意指在低于大约-100℃温度的气体、液体、固体颗粒或其任何混合物。用于在本发明的实施例中的示例性低温流体可以例如包括氮、氩、碳、二氧化物或其混合物。一种润滑剂定义为各种油性液体和/或油脂性固体中的任何一种，当其被施加到处于可移动接触中的部件上时其能降低摩擦、热和磨损。该润滑剂可以基本上是无水的或可以含水的。
术语“施加”、“施加的”或“已施加的”在用于低温流体时意指当工件和工具处于接触时溅射或喷射或者在其他方面引导流体接触和冷却工具和/或工件的任何外表面。术语“施加”、“施加的”或“已施加的”在用于液体润滑剂时意指溅射、喷射、冲刷、喷雾或者在其他方面引导润滑剂接触工具或工件的表面并刺入和/或充填因工具和/或工件的表面上的不平坦部分所形成的微观区域。术语“施加”、“施加的”或“已施加的”在用于固体润滑剂时意指按压、擦抹、涂抹或者在其他方面引导固体润滑剂接触工具或工件的表面并刺入和/或充填因工具和/或工件的表面上的不平坦部分所形成的微观区域。
术语“表面”在参照工具和/或工件使用时意指工具或工件的任何外表面。术语“区域”在参照工具或工件使用时是指工具或工件的任何外表面上的区域(或部位)。
不确定限定词“一个”和“一种”在此间使用时意指在应用于本说明书和权利要求中描述的本发明的实施例的任何特征时为一个或多个。“一个”和“一种”的使用并不限制指单一特征的含义，除非对这种限制进行具体地说明。带有上述限定词和不带有上述限定词的名词或名词短语表示一个特定的具体特征或多个特定的具体特征，以及可以根据使用其的上下文的内容具有单个或多个的含义。形容词“任何”意指任何数量中的任意一个、一些或全部。放置在第一实体和第二实体之间的术语“和/或”意指(1)第一实体，(2)第二实体和(3)第一实体与第二实体两者中的一个。
图1图示出工具相对工件的一般空间上的关系的示意性视图。工具1和工件2以强制接触的形式设置，以形成界面3。工具和/或工件被移动，以实现工件的形状上的变化。为了图示的目的，在工具和工件中的任一个或两者能够移动的同时，工件相对于工具的相对移动通过工件2上的示意性箭头来表示。界面3以工具前边缘4和后边缘5为特征，在前边缘4处，在工具和工件之间形成初始接触，而在后边缘5处，终止工具和工件之间的接触。
工件可具有这样的特征，邻近该工具的前边缘的第一区域4w、邻近该工具的后边缘的第二区域5w、邻近第一区域4w的第三区域6和邻近第二区域5w的第四区域7。在工件上的第一区域4w是一个邻近工具前边缘4的小区域，而第二区域5w是一个邻近工具后边缘5的小区域。该工具可具有这样的特征，邻近工具前边缘4的第一区域4t、邻近工具后边缘5的第二区域5t和工具的除了第一和第二区域4t和5t的任何其余的区域或各区域8。在工具上的第一区域4t是一个邻近工具前边缘4的小区域，而第二区域5t是一个邻近工具后边缘5的小区域。
润滑剂可施加到工具的表面上的任何区域和/或工件的表面上的任何区域，而低温流体可施加到工具的表面上的任何区域和/或工件的表面上的任何区域，同时该工件和该工具处于接触中。
对于每个成形和形成过程，可以选择一种用于施加低温流体和润滑剂的特定的位置组合。许多种用于施加低温流体和润滑剂的示例性的位置组合在表1中给出。这些组合仅仅是说明性的，且由此可以构想出用于其他成形和形成应用的其他组合。
                        表1
         用于施加润滑剂和低温流体的示例性的位置
                    (参照图1的位置)
  实施例   低温流体   润滑剂   典型的过程应用
  1   8   4t   机加工/车削；铣削
  2   8   4w   机加工/车削；铣削
  3   8+5w   4t+4w   机加工/车削；铣削
  4   6   4t+4w   机加工/车削；铣削
  5   8   4t+4w+5t+5w   机加工/车削；铣削
  6   8+4t   6   机加工/车削；铣削
  7   4t+4w+5t+5w   8   磨削；铣削；钻削
  8   4t+4w   6   机加工/车削
图2的示例性视图中示出了机加工/车削的过程，以图示本发明的示例性实施例。在该处理过程中，工具201在界面203处被压靠在旋转的工件202上，如同本技术领域通常所实施的那样，以去除车削或切屑材料202a。界面203由工具前边缘204和工具后边缘205界定出，工件202的特征在于，邻近该工具的前边缘的第一区域204w、邻近该工具的后边缘的第二区域205w、邻近第一区域204w的第三区域206和邻近第二区域205w的第四区域207。在工件上的第一区域204w是一个邻近工具前边缘204的小区域，而第二区域205w是一个在工具上的邻近工具后边缘205的小区域。该工具可具有这样的特征，邻近工具前边缘204的第一区域204t、邻近工具后边缘205的第二区域205t和工具的除了区域204t和205t的任何其余的区域或各区域208。在工具上的第一区域204t是一个邻近工具前边缘204的小区域，而第二区域205t是一个邻近工具后边缘205的小区域。
表1中的实施例1-6和8描述了在图1中可施加低温流体和润滑剂的位置的各种实施例。在图2的一个示例中，在工具201上低温流体施加在位置208处，而润滑剂施加在位置204t处。在第二示例中，在工具201上低温流体施加在位置208处，而润滑剂施加在位置204w处。在第三示例中，低温流体施加在位置208和205w处，而润滑剂施加在位置204w和204t处。在第四示例中，低温流体施加在位置208处，而润滑剂施加在位置204w、204t。在第五示例中，低温流体施加在位置208处，而润滑剂施加在位置204w、204t、205w和205t处。在第六示例中，低温流体施加在位置208和204t处，而润滑剂施加在位置206。在最后的示例中，低温流体施加在位置204t和204w处，而润滑剂施加在位置206处。
在图3的示意性视图中表示出拉伸的处理过程，以图示出本发明的示意性实施例。在这一处理过程中，工件302被引导通过模具301，如同本技术领域通常所实施的那样，以减小工件的直径。界面303由工具前边缘304和工具后边缘305界定出，工件302的特征在于，邻近该工具的前边缘的第一区域304w、邻近该工具的后边缘的第二区域305w、邻近第一区域304w的第三区域306和邻近第二区域305w的第四区域307。该模具可具有这样的特征，邻近工具前边缘304的第一区域304t、邻近工具后边缘305的第二区域305t和工具的除了区域304t和305t的任何其余的区域或各区域308。在工具上的第一区域304t是一个邻近工具前边缘304的小区域，而第二区域305t是一个工具上的邻近工具后边缘305的小区域。在工件上的第一区域304w是一个邻近工具前边缘304的小区域，而第二区域205w是一个工件上的邻近工具后边缘305的小区域。
在涉及图3的实施例中，润滑剂可施加在工件上的例如位置306处，而低温流体可施加在工具上的位置308处，且可选地施加在工件上的位置307处。
在图4的示意性视图中表示出开缝或剪切的处理过程，以图示出本发明的另一实施例。在这一处理过程中，在此从侧视图中可以看到，工件402被引导通过切割轮401，如同本技术领域通常所实施的那样，以将送进的工件切割成两件。切割轮和工件之间的界面以及工具的前边缘和后边缘在图4中被隐藏起来，但可以看到其他特征。工件402的特征在于，邻近该工具的前边缘的第一区域404w、邻近该工具的后边缘的第二区域405w、邻近第一区域404w的第三区域406和邻近第二区域405w的第四区域207。该工具可具有这样的特征，邻近工具前边缘的第一区域404t、邻近工具后边缘的第二区域405t和工具轮的除了区域404t和405t的任何其余的区域或各区域408。在工件上的第一区域404w是一个邻近工具前边缘的小区域，而第二区域405w是一个工件上的邻近工具后边缘的小区域。在工具上的第一区域404t是一个邻近工具前边缘的小区域，而第二区域405t是一个邻近工具后边缘的小区域。
在涉及图4的实施例中，润滑剂可在位置404w处施加到工件上，而低温流体可在位置405t和/或404t处施加到工具上。
在图5的示意性视图中表示出磨削的处理过程，以图示出本发明的又一示例性实施例。在这一处理过程中，工件502被引导经过磨削轮501，如同本技术领域通常所实施的那样，以从工件502的进给端的顶表面去除材料。界面503由工具前边缘504和工具后边缘505界定出。工件502的特征在于，邻近该工具的前边缘的第一区域504w、邻近该工具的后边缘的第二区域505w、邻近第一区域504w的第三区域506、和邻近第二区域505w的第四区域507。该工具可具有这样的特征，邻近工具前边缘的第一区域504t、邻近工具后边缘的第二区域505t、和工具轮的除了区域504t和605t的任何其余的区域或各区域508。在工具上的第一区域504t是一个邻近工具前边缘504的小区域，而第二区域505t是一个在工具上的邻近工具后边缘505的小区域。在工件上的第一区域504w是一个邻近工具前边缘504的小区域，而第二区域505w是一个在工件上的邻近工具后边缘505的小区域。
在涉及图5的实施例中，低温流体可施加到区域504t和或504w处，且可选地也可施加到区域505t和或505w处。润滑剂在这种情况下可以是固体润滑剂，例如固体石蜡，其可施加到工具轮上的区域508的任何部分上。
低温流体可通过溅射、喷射或者在其他方面引导该低温流体施加到所希望的表面上，以接触工具的表面并对其冷却。可使用任何本技术领域内已知的任何方法，且在美国专利文件No.6513336B2、6564682B1、和6675622B2和专利申请公开文件No.2004237542A1、20050211029A1、20050016337A1、20050011201A1和20040154443A1中描述了示例性的方法，这些专利的内容全部结合于此作为参考。
在润滑剂施加到工件和/或工具上的同时，润滑剂应当以最少的量施加，这些量足以湿润或刺入工件表面和/或工具表面并充填表面上的不平坦部分之间的区域。有利地润滑剂可按一定量施加，这些量足以在工件上形成一层，该层的具有包括(本数在内)约0.1至约10倍于粗糙平均值Ra的初始值的等值厚度。粗糙平均值Ra是在表现沿一个平行于表面方向的中间线测量的峰和谷距离的平均值特征的度量衡和拓扑学领域内的一个标准表面参数。粗糙平均值Ra的标准定义例如由ISO4287/1-1997和ASME B46.1-2002给出。
由于在工件和/或工具的表面上的层充填由表面不平坦部分形成的区域，该层在微观水平上厚度发生改变。为了确定所施加的润滑剂的量，在前面使用了术语“等值厚度”，其指的是一个假想的层，该层具有实质上平行于工具和/或工件表面的平行表面并具有限定为粗糙平均值Ra的某些多个初始值的基本上恒定的厚度。然而施加到一个工件上的润滑剂的实际量或体积由等值厚度和施加润滑剂的区域来确定。每单位时间施加到一个工件和/或工具上的润滑剂的实际量或体积由等值厚度和每单位时间施加润滑剂的区域来确定。
液体润滑剂(即在环境温度下为液体)可以通过任何已知的溅射、喷射、冲刷(或灌入)、喷雾、滴落或者在其他方面引导润滑剂接触工具或工件的表面并刺入和/或充填因表面不平坦部分形成的微观区域。液体润滑剂应具有足够低的粘性和足够低的润湿角度，以便该润滑剂可迅速地刺入并充填由工件的表面不平坦部分所形成的微观区域。该液体润滑剂可具有在40℃小于约40Cst的粘性，且可能在40℃小于约20Cst的平均粘性。在工件上的润滑剂的润湿角度可在零度和约90度之间的范围内，且最为有利地是在零度和约60之间的范围内。
当液体润滑剂和低温流体连续地施加到该工件或工具的共同表面上时，该润滑剂应当以液体状态到达该表面并刺入、湿润且在液体冷冻之前充填由表面不平坦部分所形成的微观区域。这可以以几个示例性方式中的一种方式来实现。在一个实施例中，润滑剂可以在环境温度下施加到一个区域，且在一段充足的时间之后，由该润滑剂湿润并刺入因表面不平坦部分所形成的微观区域，将低温流体施加到该区域的至少一部分上。随后，低温流体的施加将冷却该表面并冷冻先前施加的润滑剂。在另一实施例中，该润滑剂施加到在该表面上预先冷却的区域上，以在该液体冷冻之前刺入并充填由表面不平坦部分所形成的微观区域。在又一实施例中，该润滑剂和低温流体可施加到不同的区域上，使得施加润滑剂的该区域通过从该区域到施加低温流体的位置的传导进行间接地冷却。其他实施例也是可能的，其中一些润滑剂或全部润滑剂在接触工具或工件之前不被冷冻，但在一些实施例中，润滑剂有利地冷冻在工件的表面上和/或工具的表面上。
可以使用任何适合的液体润滑剂，该液体润滑剂可以基本上是无水的或另外可以包含水。一种液体润滑剂是在约-40℃到约+40℃范围内的温度下为液体的润滑剂。油-水乳状液可以用作本发明实施例中的润滑剂。任何市场上可买到的切削油或切削流体可用来提供该润滑剂。用来在本发明实施例中使用的示例性液体润滑剂可以包括例如植物油、矿物油和无碳氢化合物的润滑剂，诸如包含硼酸或六边形氮化硼(hexagonal boron nitride)。可在本发明实施例中使用的无碳氢化合物的润滑剂是由LuBoron LLC of Charlottesville，VA，USA销售的LuBoronTM。
固体润滑剂(例如，石蜡、可泵送的油脂或其它可流动但非液体的材料)可用来替代(或除此之外)液体润滑剂。一种固体润滑剂是在环境温度或以下，即在低于约40℃的温度下为固体的润滑剂。某些固体润滑剂可以在40℃以上的温度保持为固体。固体润滑剂典型地通过按压、擦抹、涂抹或者在其他方面引导固体润滑剂接触工具或工件的表面并刺入和/或充填由不平坦部分所形成的微观区域。施加固体润滑剂的表面的区域可以如上描述的用于液体润滑剂的相同方式冷却。在大部分实施例中，固体润滑剂在该区域冷却之前施加。
如上所述的各实施例可以应用到示例性的成形和形成过程，该成形和形成过程例如包括机加工、车削、磨削、开槽、剪切、挤压、冲压、仿形加工、弯曲、拉伸、钻削、冲切、刨削、攻丝和锯切。在此没有列出的其他成形和形成过程也可以适用于本发明的实施例的应用。
上述过程中的任何一种可以与本发明的实施例一起使用，以成形或形成工件，这些工件由纯金属、金属合金、非金属、复合材料、塑料、难熔材料、陶瓷和其他可加工的材料制成。复合材料是组合物或物理状态混合物，它们包含选自下列组中的两种或多种材料，该材料组包括纯金属、金属合金、非金属、复合材料、塑料、难熔材料和陶瓷。各种各样的材料可利用本发明实施例成形或形成，但任何对于由选定的处理过程和工具材料进行的适当的加工属于太软或太硬的材料不适用于在此描述的实施例。根据本发明的实施例的润滑剂和低温流体的示例性组合可有利地应用于具有一定硬度的工件材料，该硬度小于约50洛氏硬度(Rockwell)C，且特别地小于约35洛氏硬度C。在此硬度范围内的材料的成形和形成特别适用于润滑剂和低温流体的组合利用。
在一系列的研发本发明的各种实施例的试验中，已发现如果施加到工具表面上的液体润滑剂的粘度太高，在与工件材料接触期间润滑剂不能快速刺入，以足以润滑由存在于工具表面上的不平坦部分所形成的微观区域。相信，这样会导致下列现象中的一种或多种情况：(1)机加工过程的重复的简短咬住(seizure)；(2)在工具/工件的界面突然释放极大的热量；以及(3)工件表面的划伤。每次突然咬住导致降低润滑剂的粘性的温度峰值，使得润滑剂再次重新充填表面不平坦部分并恢复顺畅的加工过程。这样一种间断加工模式导致不可接受的短期的工具寿命和在工件上的低质量表面。在一个实施例中，其中推动固体润滑剂抵靠转动工具的表面，由于在微观程度上工具表面的不平坦部分切割该润滑的固体且由表面不平坦部分所形成的微观区域变得由润滑剂来充填，不会发生润滑剂粘性的问题。
液体润滑剂的湿润性质决定了液滴在基底表面上扩散和充填由表面上的不平坦部分所形成的微观区域的能力。这一特征在于，给定的润滑剂在给定的材料的表面上的润湿角度。润湿角度越小，湿润性越好。例如0度润湿角度对应于表面的完全湿润，而180度润湿角度对应于表面的无湿润。对于工具的有效润滑，最小的润湿角度是所希望的。湿润的程度取决于基底表面的性质，以及润滑剂的性质；湿润例如WC-Co工具材料的表面的液体不可以湿润氧化陶瓷、氮化物或钻石工具材料的表面。因此，对于最低表面能量的选择，大多数希望在包含液相润滑剂的低温微润滑应用中使用低粘性的油。
对于常用的水基乳化冲刷冷却液相对低粘性纯润滑剂所测量的润湿角度表明低粘性纯润滑剂在湿润不同工具材料表面方面更有效。在表2中表示出用于常用的乳化冷却液和纯润滑剂
                     表2
     对于在工具表面上的油-水乳状液和纯润滑剂的
             在各种程度中的润湿角度
  工具→  多晶钻石(PCD)   WC-Co
  冷却液或润滑剂↓
  Hangsterfer’s冷却液(水中含6％油的乳状液)  30   60
  Hangsterfer’s冷却液(水中含12％油的乳状液)  60   90
  Coolube 2210纯油  0   0
还观察到，如果液相润滑剂的粘性足够低，加工过程会按预期地顺畅，但工具会趋向于逐渐加热，这就会导致工具软化、损失抗磨损性且工具的寿命缩短或切割速度受到限制。还进一步观察到。当采用最少量的低粘性润滑剂时(即足以充填由工具表面的不平坦部分形成的微观区域的量)，以及在工具同时被低温流体冷却，方式为该低温流体只在润滑剂已刺入工具表面的不平坦部分后接触该工具表面上的润滑剂膜时，加工过程在整个成形或形成操作期间保持顺畅和无咬住。此外，即使采用加工速度高于没有最少润滑剂和低温流体的应用的可能的加工速度，也能够增强工具的寿命。
下面的示例说明了本发明的实施例，但并不是将本发明限制于在此描述的任何具体细节。
                     示例1
精车削过程是在5英寸直径的铝棒上实施的，表面的切割速度为每分钟4500英尺(SFM)，进给速率为0.010英寸/转，且旋转速度为3500RPM。坯料的初始粗糙平均值Ra是120微英寸(3微米)。采用低粘性植物油(Coolube 2210)，以利用一定的流速润滑低温冷却的切削工具，使得在工作表面上的润滑剂膜的标称厚度0.1倍于初始粗糙平均值Ra。工作表面区域(S)生产率推算出：
                  S＝π(d)(n)(f)
其中d是以英寸为单位的坯料直径，n是单位为RPM的旋转速度，而f是以英寸/转为单位的进给速率。S计算出：
S＝(3.14)(5)(3500)(0.01)＝550英寸2/分钟(in2/min)
 ＝21.3米2/小时(m2/hr)
润滑剂沉积百分比效率是50％，而部分效率(fractionalefficiency)，e，是0.5。润滑剂流速，q，为工作表面区域生产率S与标称润滑剂膜厚度，t，的倍数关系除以部分润滑剂沉积效率
q＝(St)/e＝(21.3)(3)(0.1)/0.5＝12.8毫升/小时(ml/hr)
对于在工作表面上1.0倍的初始粗糙平均值Ra的润滑剂膜的标称厚度，润滑剂流速为128毫升/小时(ml/hr)。对于在工作表面上10倍的初始粗糙平均值Ra的润滑剂膜的标称厚度，润滑剂流速为1280毫升/小时(ml/hr)。
                          示例2
对10英寸直径的铝AL6061的坯料进行加工，其切割速度为5000SFM，进给速率为0.010英寸/转，且切割深度为0.040英寸。利用0.5英寸的圆形常见碳化物工具嵌入件加工坯料的第一部分，采用常见的油/水乳化冲刷过程。用多晶钻石工具加工坯料的第二部分，只采用液体氮射流冷却。利用多晶钻石工具加工坯料的第三部分，采用UNIST低粘性植物油薄雾(UNIST，Inc.，Grand Rapids，MI，USA)和施加到坯料上的液体氮射流。
图6是最终加工成的工件的图片，表示出从左到右的第一部分、第二部分和第三部分。利用碳化物工具嵌入件并采用常见的油/水乳化冲刷加工的在左侧的表面表示出在加工期间由切屑产生的划痕。只采用液体氮冷却加工的中间表面表示出由于缺少润滑在完成的工作表面的显著的污斑。利用多晶钻石工具、润滑剂和液体氮加工的在右侧的表面是无任何材料污斑和切屑划痕的。由在图6中的左侧表面、中间表面和右侧表面的加工所产生的切屑的图片分别表示在图7A、7B和7C中。采用结合低温冷却液的低粘性润滑剂的过程的有利的效果也通过图7C中的所得到的紧密盘绕的切屑的外观图示出。不存在有通过这一过程(见图6的右侧表面)所产生的在工作表面上的可见到的污斑。
                     示例3
实施表面磨削试验，使用60号粗砂三氧化二铝(#60-gritAL2O3)磨轮，其为7英寸直径×1/2英寸厚度，在每次试验磨削通过ALSL 1020碳钢工件棒之后修整的钻石，4.5英寸长度×1/2英寸厚度，其在550℃热滚轧并在H2中均匀释放应力并在磨削期间保持平直度。芯轴旋转速度为3450rpm，工作台速度(进给速率)是16.75英寸/分钟(inch/minute)。这两个设定在整个试验中保持恒定。在转换之后，表面速度为10.2米/秒(m/s)，并取0.001英寸(单位)磨削深度，特定材料去除速率为0.180米2/秒(mm2/s)。利用所描述的条件进行下列试验：
(1)在无冷却或润滑的空气中干燥；
(2)打开磨轮和工件的冲刷冷却水；
(3)将单一液体氮射流(6磅/分钟(lbs/min))引向区域5t和5w(见图5)；
(4)在磨轮与工件接触之前在约270度的点处将石蜡润滑棒压靠到磨轮上；
(5)在磨轮与工件接触之前在约270度的点处将石蜡润滑棒压靠到磨轮上并且使单一液体氮射流(1.3磅/分钟(lbs/min))指向与工件接触的磨轮的前边缘并紧密接触区域5t和5w(见图5)；
(6)(i)在磨轮与工件接触之前在约270度的点处将石蜡润滑棒压靠到磨轮上之后(ii)在磨轮与工件接触之前在约270度的点处将石蜡润滑棒压靠到磨轮上并且使单一液体氮射流(1.3磅/分钟(lbs/min))指向与工件接触的磨轮的前边缘并紧密接触区域5t和5w(见图5)；
(7)在环境条件下将采用UNIST低粘性植物油薄雾(UNIST，Inc.，Grand Rapids，MI，USA)的两喷嘴UNIST形成薄雾的单元引向区域5t和5w(见图5)；
(8)在环境条件下将采用UNIST低粘性植物油薄雾(UNIST，Inc.，Grand Rapids，MI，USA)的两喷嘴UNIST制薄雾的单元引向区域5t和5w(见图5)，单一液体氮射流以1.2磅/分钟(lbs/min)从1/8英寸管上的喷嘴喷射出来，其中液体氮喷嘴位于该两个UNIST喷嘴之间且略在其后面，并指向与工件接触的磨轮的前边缘。
在此使用的UNIST制薄雾是常见的市场上可买到的用于磨削和其他金属加工应用的最少量润滑剂(MQL)单元的多种类型中的一种
表3列出了所有条件以及这些试验的结果。
                                      表3
                              用于示例3的试验结果概要
  试验编号                                         观察
  工件和工件表面   磨削切割有限的深度，在工件上首先观察燃烧痕迹             其它
  1   磨削深度只在0.0005英寸(0.0127毫米)以下可接受   0.0010英寸(0.0254毫米)   氧化的灰尘状切屑、火花
  2   磨削深度只在0.0070英寸(0.1778毫米)以下可接受   0.0070英寸(0.1778毫米)   粉末切屑，飞溅，地面上迅速氧化
  3   磨削深度只在0.0040英寸(0.1016毫米)以下可接受   0.0040英寸(0.1016毫米)   粉末状切屑
  4   熔化、喷溅、渗透磨轮孔道   整个范围不可接受   不可接受的燃烧气味、黑色云雾
  5   在磨轮上的冻结的石蜡膜的堆积   ＞0.0050英寸(＞0.1270毫米)；没有燃烧痕迹   清洁、美容过程；粉末状切屑
  6   石蜡深入渗透到磨轮中   ＞0.0040英寸(＞0.1016毫米)；没有燃烧痕迹   热石蜡气味；粉末状切屑
  7   磨削深度只在0.0030英寸(0.0762毫米)以下可接受   0.0030英寸(0.0762毫米)；强烈的燃烧点   浓黑油雾云，燃烧油气味、火花、大的/海绵状的金属屑
  8   磨削深度只在0.0050英寸(0.1270毫米)以下可接受   0.0050英寸(0.1270毫米)；   微小油雾、无烟云，无燃烧油气味、无火花、油滴较好地粘在工件和磨轮上，卷曲的金属切屑

Claims (29)

1.一种处理工件的方法，它包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将润滑剂施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使施加所述润滑剂的任何区域与施加所述低温流体的任何区域不相邻或不重叠。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述润滑剂在一个时间段施加到至少一部分区域，且在所述时间段之前或之后将所述低温流体施加到所述至少一部分区域。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是液体，且将所述润滑剂施加到所述工件上的至少一部分选定的区域。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述低温流体在一个时间段施加到至少一部分选定的区域，且在所述时间段之前或之后将所述润滑剂施加到所述至少一部分选定的区域。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述界面的特征为所述工具的前边缘和所述工具的后边缘，在所述前边缘处，所述工具和所述工件之间形成初始接触，而在所述后边缘处，所述工具和所述工件之间终止接触。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，
(a)所述工件的特征在于，邻近所述工具的所述前边缘的第一工件区域，邻近所述工具的所述后边缘的第二工件区域，邻近所述第一工件区域的第三工件区域，和邻近所述第二工件区域的第四工件区域；以及
(b)所述工具的特征在于，邻近所述工具的所述前边缘的第一工具区域，邻近所述工具的所述后边缘的第二工具区域，以及除了所述第一和第二工具的所述工具的任何区域。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，
(1)将所述润滑剂施加到所述第一工具区域，而将所述低温流体施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(2)将所述润滑剂施加到所述第一工件区域，而将所述低温流体施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(3)将所述润滑剂施加到所述第一工件区域和所述第一工具区域，而将所述低温流体施加到所述第二工件区域和所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(4)将所述润滑剂施加到所述第一工件区域和所述第一工具区域，而将所述低温流体施加到所述第三工件区域；或
(5)将所述润滑剂施加到所述第一和第二工具区域以及所述第一和第二工件区域，而将所述低温流体施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(6)将所述润滑剂施加到所述第三工件区域，而将所述低温流体施加到所述第一工具区域和所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域；或
(7)将所述润滑剂施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域，而将所述低温流体施加到所述第一和第二工具区域以及所述第一和第二工件区域；或
(8)将所述润滑剂施加到所述第三工件区域，而将所述低温流体施加到所述第一工具区域和所述第一工件区域。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温流体选自下列组中，所述组包括氮、氩、二氧化碳以及它们的混合物。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是液体润滑剂，且包括选自下列组中的一种或多种成分，所述组包括植物油、矿物油以及无碳氢化合物的润滑剂。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述工件的表面在接触所述工具之前的特征为粗糙平均值Ra的初始值。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度。
13.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，所述润滑剂的粘度为在40℃小于约40Cst。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，所述润滑剂的粘度为在40℃小于约20Cst。
15.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是固体润滑剂，且选自下列组，所述组包括石蜡、可泵送的油脂以及可流动的非液体材料。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述润滑剂施加到所述工具上的除了所述第一和第二工具区域的任何区域，而将所述低温流体施加到所述第一和第二工具区域以及所述第一和第二工件区域。
17.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度。
18.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件包括金属，且具有小于约50洛氏硬度(Rockwell)C的硬度。
19.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，所述工件包括金属，且具有小于约35洛氏硬度(Rockwell)C的硬度。
20.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工件包括选自下列组中的材料，所述组包括复合材料、塑料、难熔的材料和陶瓷。
21.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，处理所述工件的所述方法选自下列组中的成形和形成过程，所述组包括机加工、车削、磨削、开槽、剪切、挤压、冲压、仿形加工、弯曲、拉伸、钻削、冲切、刨削、攻丝和锯切。
22.一种处理工件的方法，它包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状且特征为粗糙平均值Ra的初始值；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将润滑剂施加到所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中，其中将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是液体润滑剂，且包括选自下列组中的一种或多种成分，所述组包括植物油、矿物油以及无碳氢化合物的润滑剂。
24.按照权利要求23所述的方法，其特征在于，所述润滑剂的粘度为在40℃小于约40Cst。
25.按照权利要求23所述的方法，其特征在于，所述润滑剂的粘度为在40℃小于约20Cst。
26.一种通过方法制成的成形的制品，所述方法包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将润滑剂施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
(e)将所述工件形成为最终的形状，以提供所述成形的制品。
27.一种通过方法制成的成形的制品，所述方法包括：
(a)提供工具和工件，其中，所述工件具有初始形状且特征为粗糙平均值Ra的初始值；
(b)将所述工件和所述工具接触放置，以形成界面，向所述工具和/或所述工件施加作用力，且使所述工具和/或所述工件移动，以影响所述工件的所述初始形状的变化；
(c)将液体润滑剂施加到所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中，其中将所述润滑剂以一定的层施加到所述工件上，所述层具有在约0.1和约10倍于粗糙平均值Ra的初始值(包括本值)之间的等价厚度；以及
(d)将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域，同时所述工具和所述工件处于接触中。
(e)将所述工件形成为最终的形状，以提供所述成形的制品。
28.一种处理工件的设备，它包括：
(a)工具和工件，其中，所述工件具有初始形状；
(b)用于将所述工件和所述工具接触放置以形成界面的装置，用于向所述工具和/或所述工件施加作用力的装置，以及用于使所述工具和/或所述工件移动以影响所述工件的所述初始形状的变化的装置；
(c)适于在所述工具和所述工件处于接触中的同时将润滑剂施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域的润滑剂施加系统；以及
(d)适于在所述工具和所述工件处于接触中的同时将低温流体施加到所述工具的表面上的任何区域和/或所述工件的表面上的任何区域低温流体施加系统。
29.按照权利要求28所述的设备，其特征在于，所述设备选自下列组中的成形和形成系统，所述组包括机加工、车削、磨削、开槽、剪切、挤压、冲压、仿形加工、弯曲、拉伸、钻削、冲切、刨削、攻丝和锯切。
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