DE69527293T2

DE69527293T2 - Kryogenarbeiten

Info

Publication number: DE69527293T2
Application number: DE69527293T
Authority: DE
Inventors: Y. Hong
Original assignee: EDISON MATERIALS TECHNOLOGY CT
Current assignee: EDISON MATERIALS TECHNOLOGY CT
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2015-08-08
Also published as: US5901623A; WO1996005008A1; AU3323695A; EP0775031A2; DE69527293D1; EP0775031A4; EP0775031B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Tieftemperaturkühlen eines Schneidwerkzeugs, insbesondere auf ein Schneidwerkzeug, das eine Tieftemperaturkühlung an einem Punkt des Werkzeugs liefert, an dem während des Schneidens die höchste Temperatur auftritt, und ein Verfahren hierzu. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Spanbrecher, der einen Kanal zum Kühlen des Werkzeugs umfaßt.
Das Schneiden oder Bearbeiten von Metall ist ein spanbildender Prozeß. Wenn ein Schneidwerkzeug in ein drehendes Werkstück mit einem festen Vorschub eingreift, wird ein Span des Materials mittels des in das Werkstück eindringenden Werkzeugs gebildet. Die Spanbildung umfaßt zwei Mechanismen, die als primäre Deformation und sekundäre Deformation bezeichnet werden. Der Prozeß der primären Deformation ist tatsächlich ein Scherprozeß. Der Span wird aus einem verformbaren Werkstück fragmentiert, verbindet sich selbst jedoch wieder, wobei ein kontinuierlicher Span wie bei AISI 1008 Stahl niedrigen Kohlenstoffgehalts gebildet wird. Wenn die Reibung zwischen dem Span und einer Werkzeugoberfläche die Unterseite des Spans deformiert, findet ein Prozeß in der Reibungszone statt, der als sekundäre Deformation bezeichnet wird. Eine Wärmeerzeugung als Ergebnis dieser Reibung erhöht die Temperatur des Werkzeugs drastisch und konzentriert die Wärme an der Schnittstelle des Spans und der Werkzeugoberfläche. Während der Span über die Werkzeugoberfläche gleitet, steigt die Temperatur weiter, bis der Kontaktdruck zwischen dem Span und dem Werkzeug abfällt. Die höchste Temperatur tritt an einem Punkt entlang der Werkzeugoberfläche, die als Freifläche bzw. Spanfläche bezeichnet wird, jedoch in einem kleinen Abstand von der Schneidkante des Werkzeugs auf, wie in einer beispielhaften Temperaturverteilung der Fig. 1 für ein normales gewöhnliches Bearbeiten gezeigt ist. Der Punkt höchster Temperatur trifft gewöhnlich in einem Abstand von der Werkzeugecke entfernt mit der Fläche zusammen, an der Kraterverschleiß auftritt. Dieser Abstand entspricht ungefähr der undeformierten Spandicke oder dem Vorschub, allgemein einer Strecke von ungefähr 0,25 bis 0,625 mm (0,010 bis 0,025 inches) von der Schneidkante. Aufgrund dieser hohen Temperatur könnte sich das Schneidwerkzeug überhitzen, wodurch die Lebensdauer des Werkzeugs sinken würde und die zum Schneiden der Oberfläche benötigte Kraft steigen würde und die Schneidgenauigkeit sinken würde.
Wenn verformbare Materialien wie Metalle geschnitten werden, verursacht die Hitze eine "Klebrigkeit", welche eine Materialansammlung auf der Kante des Schneidwerkzeugs erzeugt, was auch als "Schweißen" bekannt ist. Gewöhnlich ist dieses Problem mittels des Anwendens eines Schneidfluids oder eines Schneidöls in einer Flut oder einem Nebel direkt auf die Rückseite des Spans, die Seite entgegengesetzt zu dem Schneidwerkzeug, gelöst worden. Dieses diente sowohl als Kühlmittel als auch als Gleitmittel. Diese Schneidfluide führten jedoch zu einem schlechten Geruch, einem Eindringen von Wasser in die Maschinenlager und einer auf den Werkzeugen zurückgelassenen Restoberfläche und gesundheitlichen Problemen. Zusätzlich neigen sie dazu, die Umwelt zu beschädigen und können sogar Gesundheitsgefahren verursachen.
Die Anwendung eines Tieftemperaturfluids zum Kühlen des Metallschneideverfahrens begann bereits in den 1950-ern. Die verwendeten Tieftemperaturfluide waren CO&sub2;, Freon oder "Solvenlene ". Sie wurden allgemein in die Schneidgegend gesprüht oder vor dem Schneiden bei einer Vorkühlung auf das Werkstück angewandt. Dieses Verfahren verbrauchte jedoch exzessive Mengen des Tieftemperaturfluids und hatte keinen schmierenden Effekt. Es ist gezeigt worden, daß es allgemein nicht wünschenswert ist, das Werkstück mittels der Kühlleistung des flüssigen Gases zu kühlen. Im allgemeinen erhöht sich die Festigkeit des Werkstückmaterials, wenn die Temperatur fällt, und das Material wird härter. Daher benötigt das Werkzeug mehr Kraft, um das härtere Material zu schneiden, und das Material wird schwieriger zu bearbeiten.
Zwei bekannte Verfahren, die Tieftemperaturfluide zum Kühlen des Schneidwerkzeugs verwenden, sind in Patenten von Philip und Dudley gezeigt. Wie unten erläutert wird, kühlt keines dieser Verfahren die Fläche des Werkzeugs, wo die höchsten Temperaturen auftreten. Beide kühlen das Innere oder die Rückseite des Werkzeugs.
Das US-Patent Nr. 3,077,802 von T. B. Philip offenbart Kohlendioxid in der Form einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Schnees zum Kühlen des Inneren eines Schneidwerkzeugs. Dem Kohlendioxid wird ermöglicht, in die Nähe der Schneidkante zu expandieren. Ein Loch ist in der Mitte des Schneidwerkzeugs vorgesehen, und eine Kapillare wird verwendet, um das Kohlendioxid zu transportieren. Kleinere Löcher sind in die Werkzeugoberfläche für das Entweichen von Gasen gebohrt. Jedoch erreicht das Tieftemperaturfluid den Punkt der größten Temperatur in dem Werkzeug nicht, und dies hat sich als unbefriedigend für viel höhere Schneidgeschwindigkeiten erwiesen, die heute verwendet werden.
Das US-Patent Nr. 3,971,114 von G. M. Dudley offenbart ein Tieftemperaturfluid, welches durch das Werkzeug geleitet wird und in einem Strom zwischen der Schneidkante und dem Werkstück während des Schneidens freigesetzt wird. Jedoch werden bei Dudley die Tieftemperaturgase nicht an den Punkt der höchsten Temperatur eingespritzt, und daher ist die Effektivität des Kühlmittels reduziert. Zweitens wird bei Dudley Kohlendioxid an der Grenzfläche zwischen der Schneidkante und dem Werkstück eingespritzt (d. h. an der Rückseite des Werkzeugs). Das Kühlmittel wird allein verwendet, um das Werkzeug von der Seitenoberfläche zu kühlen, die nicht das Gebiet der höchsten Temperatur darstellt, wodurch die Kühlung vergleichsweise uneffektiv gemacht wird. Zusätzlich ist die Werkstoffkühlung nicht wünschenswert, und es wird kein Schmiereffekt von den Verfahren geliefert, wie sie von Dudley oder Philip gezeigt wurden.
Mit dem Fortschritt der Bearbeitungstechnologie ist die Schneidgeschwindigkeit allgemein viel höher als in der Vergangenheit, die Hitzebildung ist größer, und die Schneidtemperatur ist so hoch, daß die Kühlung mittels indirekter Kühlverfahren nach dem Stand der Technik nicht länger effektiv ist, um die hohen Temperaturen zu kühlen. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung liefert eine praktische Lösung für die verbesserte Bearbeitung von Materialien, einschließlich Hochgeschwindigkeitsstahllegierungen, Aluminium, Titan, Stahl niedrigen Kohlenstoffgehalts und Verbundwerkstoffen.
Seit der Einführung von Karbidwerkzeugen und der Verwendung hoher Schneidgeschwindigkeiten haben die oben beschriebenen kontinuierlichen Späne, die bei dem Metallschneiden erzeugt werden, ernsthafte Probleme dargestellt. Bei niedrigeren Schneidgeschwindigkeiten weisen diese Späne gewöhnlich eine natürliche Rollneigung auf und tendieren dazu, brüchig zu sein. Die Schneidgeschwindigkeiten sind jedoch in solch einem Ausmaß gesteigert worden, daß eine Spansteuerung eine Notwendigkeit ist. Bei Dreharbeiten, bei denen das Werkzeug kontinuierlich Metall über längere Zeitspannen entfernt, kann sich ein kontinuierlicher Span mit dem Werkzeug, dem Werkstück oder den Maschinenwerkzeugelementen verwickeln. Dieser Typ des Spans kann für den Bearbeiter gefährlich sein und, falls er nicht ordentlich gesteuert wird, zu einem mechanischen Absplittern der Schneidkante fuhren. Zusätzlich kann das Handhaben von langen, kontinuierlichen Spänen ein großes wirtschaftliches Problem darstellen. Zum Beispiel kann die Handhabungscharakteristik der Späne mittels ihres Festkörperverhältnisses ausgedrückt werden, nämlich dem gesamten von dem Span eingenommenen Volumen geteilt durch das Volumen des massiven Spanmaterials. Ungebrochene kontinuierliche Späne haben ein Festkörperverhältnis von ungefähr 50. Eng gewundene Späne weisen ein Festkörperverhältnis von ungefähr 15 auf. Gut gebrochene Späne besitzen ein Festkörperverhältnis von ungefähr 3. Das von gut gebrochenen Spänen eingenommene Volumen beträgt daher ungefähr ein Siebenzehntel des Volumens ungebrochener Späne, was einen erheblichen Vorteil darstellt, wenn es um die Handhabung und Beseitigung geht.
Wenn Späne gebildet werden, weisen sie lange Kornstrukturen quer zu der Schneidrichtung auf. Während der Span jedoch über die Oberfläche des Werkstücks reibt, wird die Kornstruktur auf der Unterseite gebogen, um einen "langen Schwanz" aufgrund der sekundären Deformation und der Hitzebildung zu bilden, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Diese untere Oberfläche rekristallisiert dann wegen der Kornstruktur und der intensiven Hitze. Diese rekristallisierte Fläche weist eine erhöhte Härte auf, was zu einer erhöhten Festigkeit führt. Wie oben offenbart ist, ist dieses sehr unerwünscht, da es vorteilhaft ist, kleinere, gebrochene Späne zu haben.
Diese Erfindung hat den besonderen Vorteil des Verbesserns des Spanbrechens. Das Verfahren zum Verbessern des Spanbrechens für verformbares Material erfolgt mittels des folgenden Mechanismus: a) des Steigerns der Brüchigkeit des Spanmaterials mittels der Tieftemperaturanwendung des Tieftemperaturkühlmittels, b) des Reduzierens der sekundären Deformation, die an der unteren Oberfläche des Spans auftritt, die über die Werkzeugoberfläche reibt, c) Verringern des langen Schwanzes in der Kornstruktur des Spans, was eine Hauptursache für die Schwierigkeit des Brechens verformbaren Spans darstellt, d) Verhindern des Schweißens oder Rekristallisierens der unteren Schicht des Spans (um das starke Verbinden der Spanstruktur zu vermeiden, was zu der Schwierigkeit des Spanbrechens hinzukommt) mittels der Kälte und Verringerung der sekundären Deformation und e) des Biegens und Kräuselns des Spans vor dem Brechen mittels der Verwendung sowohl eines mechanischen Spanbrechers als auch des Drucks des Tieftemperaturfluids. Dieser kann auftreten, wenn die Flüssigkeit innerhalb einer Düse in ein Gas expandiert.
Ein anderes Problem, auf das man beim gewöhnlichen Bearbeiten von weichen, klebrigen, verformbaren Materialien stößt, besteht darin, daß die Reibung zwischen dem Span und dem Werkzeug so groß wird, daß das Spanmaterial sich selbst mit der Werkzeugoberfläche verschweißt. Die Gegenwart dieses geschweißten Materials erhöht die Reibung weiter, und diese Reibung führt zu einem lagenweisen Aufbau von Spanmaterial. Der sich ergebende Materialstapel wird als Aufbaukante bezeichnet. Die Aufbaukante fährt häufig fort zu wachsen und dann abzubrechen, wenn sie instabil wird, und die abgebrochenen Stücke werden von der Unterseite des Spans und der neuen Werkstückoberfläche weggetragen. Die resultierende Werkstückoberfläche ist rauh. Tatsächlich stellt die Bildung einer Aufbaukante beim Metallschneiden einen Hauptfaktor dar, der die Oberflächenbeschaffenheit beeinflußt, und kann einen erheblichen Einfluß auf ein vorzeitiges Versagen des Schneidwerkzeugs und den Verschleiß des Schneidwerkzeugs haben. Dieser tritt auf, weil sich der Aufbau auf der Werkzeugoberfläche ansammeln wird und das Werkzeug ziehen wird, wodurch ein Auseinanderfallen des Werkzeugs aufgrund der zwei unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der zwei Metalle verursacht wird.
Die Erfindung verhindert jedoch die Bildung der Aufbaukante automatisch mittels des Einspritzen des superkalten Tiefkühlfluids auf das Schneidspitzengebiet. Dieses verringert die Adhäsion des Spanmaterials an der Werkzeugspitze, welches die Temperatur in der Schneidzone senkt und das Schweißphänomen verhindert. Darüber hinaus kann die Erfindung die mögliche Aufbaukante mit dem Tieftemperaturstrahl reinigen und entfernen. Weil die Aufbaukante der Hauptgrund für eine schlechte Oberflächenqualität ist, verbessert das Verfahren der Erfindung indirekt die Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Oberfläche. Daher ist ein Zweck der Erfindung, ein Schneidwerkzeug zur Verfügung zu stellen, das flüssigen Stickstoff oder andere verflüssigte Gase so nahe wie möglich auf das Gebiet des Schneidwerkzeugs, das von der höchsten Hitze betroffen ist, nicht auf das Werkstück, durch eine Düse zwischen den Span und die Werkzeugoberfläche einspritzt. Dieses liefert ein Fluidkissen, das die Reibung des Spanreibens auf der Werkzeugoberfläche verringert und die beteiligte Schneidkraft als auch die Schleifabnutzung verringert. Darüber hinaus wird der Spanbrecher zum leichten Anheben des Spans verwendet, so daß das Kühlmittel zu dem Gebiet höchster Temperatur durchdringen kann und die Kontaktlänge des Spans auf der Werkzeugsfläche reduzieren kann. Dieses wird das Durchdringen des Kühlmittels in die Schneidzone verbessern. Somit wird die Reibung zwischen dem Span und der Werkzeugfläche stark verringert und daher die Hitze aufgrund der Reibungsverformung stark reduziert.
Die Druckschrift DE-A-30 04 166, die den nächsten Stand der Technik darstellt, offenbart eine Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mit einem Schneidwerkzeug, das eine Spanfläche und eine Flankenfläche und eine Düse zum Richten eines Kühlmittels auf die Spanfläche und unter die Späne aufweist, die von dem Werkstück geschnitten worden sind (vgl. die Obersätze der Ansprüche 1 und 17).
Die Druckschrift US-A4535212 offenbart ein Metallbearbeitungswerkzeug, bei dem ein Schneideinsatz, der Schneidkanten liefert, einen getrennt ausgebildeten, seiner Spanfläche überlagerten Spanbrecher aufweist. Das Kühlmittel wird in die Metallbearbeitungsregion der Schneidkante von Fluidauslaßausgängen geliefert, die mittels Fluiddurchgängen versorgt werden, die mit einer Kammer in Verbindung stehen, die zwischen dem Schneideinsatz und dem Spanbrecher mittels einer Vertiefung in dem letzteren abgegrenzt ist.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Schneiden eines Werkzeugs mit einem Schneidwerkzeug, welches eine Spanfläche und eine Flankenfläche aufweist, einem zur Spanfläche benachbarten Spanbrecher, einer Düse zum Leiten einer Kühlflüssigkeit auf die Spanfläche und unter vom Werkstück abgeschnittene Späne geschaffen, gekennzeichnet durch eine vakuumummantelte Leitung zum Zuführen der Kühlflüssigkeit zu der Düse.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren des Tieftemperaturbearbeitens eines metallenen Werkstücks mit folgenden Schritten geschaffen: Liefern eines Schneidwerkzeugs mit einer Spanfläche, einer Flankenfläche und einem Spanbrecher; Berühren des Werkstücks mit dem Schneidwerkzeug; Bilden eines Spans mittels des Eindringens des Schneidwerkzeugs in das Werkstück; Anheben des Spans, der mittels des Schneideschrittes von dem Werkstück gebildet ist, mit dem Spanbrecher; und Leiten eines Kühlmittels durch eine Düse zwischen den Spanbrecher und die Schneidfläche, um das Werkstück zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zu der Düse mittels einer vakuumummantelten Leitung geliefert wird.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Spanbrechervorrichtung mit einer oberen Fläche, einer unteren Fläche, wenigstens einer angewinkelten Seitenfläche zum Biegen eines Spans eines bearbeiteten Werkstücks über seinen Brechpunkt, einem von der oberen Fläche zu einer Kreuzungslinie der unteren Fläche und der angewinkelten Seitenfläche ausgebildeten Durchgangsloch zum Weiterleiten einer Tieftemperaturflüssigkeit oder gekühlter Luft, um die Spanbrechervorrichtung zu kühlen, und zum Einspritzen der Tieftemperaturflüssigkeit oder der gekühlten Luft unter den Span des bearbeiteten Werkstücks geschaffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Tieftemperaturflüssigkeit oder die gekühlte Luft zu dem Durchgangsloch mittels einer vakuumummantelten Leitung geliefert wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Temperaturverteilung während des gewöhnlichen Metallschneidens;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Werkzeughalters, des Spanbrechers und der Tieftemperaturfluidleitung;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht der Erfindung;
Fig. 5 eine alternative erfindungsgemäße Düse;
Fig. 6 eine weitere alternative erfindungsgemäße Düse;
Fig. 7 eine alternative erfindungsgemäße Düse;
Fig. 8 eine alternative Ausführungsform, die einen Werkzeugeinsatz mit einem eingebauten Spanbrecher und einer nahe der Schneidkante ausgebildeten Düse zeigt;
Fig. 9 eine erfindungsgemäße Tieftemperaturzulieferleitung;
Fig. 10 eine Mikrostruktur eines Spans.
Die Erfindung zielt darauf ab, daß kälteste verflüssigte Tieftemperaturgas so nahe wie möglich auf das Gebiet eines Werkzeugs, das von der größten Hitze betroffen ist, mittels einer Düse zu lenken. Darüber hinaus wird ein Spanbrecher verwendet, der den Span leicht anhebt, so daß das Kühlmittel zu dem Gebiet der höchsten Temperatur durchdringen kann. Das Tieftemperaturfluid absorbiert die Hitze, wodurch es effektiv das Schneidwerkzeug kühlt. Zusätzlich hebt der Gasdruck den Span an und reduziert die Hitzebildung, die durch die Reibung zwischen dem Span und dem Werkzeug oder der Spanfläche verursacht wird. Mit dieser Erfindung wird das verflüssigte Gas durch eine Düse ausgestoßen und direkt in die Schneidzone zwischen den Span und die Werkzeugfläche eingespritzt.
Die Düse der Erfindung ist konstruiert, um ein verflüssigtes Gas zwischen den Spanbrecher und die Spanfläche des Werkzeugeinsatzes zu liefern, womit ein effektiver Weg zum Zuliefern verflüssigten Gases oder anderer geeigneter Kühlmittel zu der Schneidzone an, oder sehr nahe an, den Punkt der höchsten Temperatur entlang der Werkzeugoberfläche für die effektivste Entfernung der Hitzeerzeugung geschaffen wird, die während des Bearbeitungsverfahrens auftritt. Mittels des Lenkens des verflüssigten Gases direkt auf die Oberfläche der Werkzeugfläche, eher als auf das zu schneidende Material, verstärkt es die Härte des Werkzeugs, und die Werkzeugfläche wird verschleißbeständiger, was zu einer längeren Werkzeuglebensdauer führt.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die Hauptdüse 12 mittels eines Kanals zwischen der Werkzeugfläche 16 des Schneidwerkzeugs 14 und dem Spanbrecher 18 ausgebildet. Eine Flüssigkeit-Gas-Umwandlung findet in der Düse statt. Das verflüssigte Gas wird mit einem natürlichen Druck der Versorgungsquelle des flüssigen Gases auf das kleine Gebiet 20 der Schneidwerkzeugspitze und des neugebildeten Spans 22 durch die Düse ausgeströmt. Das Gas wird mit einem hohen Druck ausgestoßen. Zum Beispiel beträgt der normale Tankdruck flüssigen Stickstoffs 2,42 MPa (340 psi) vergleichen mit dem Atmosphärendruck von 104,6 kPa (14,7 psi). Der Gasdruck könnte ebenso über den normalen Tankdruck erhöht werden. Zusätzlich zu dem verflüssigten Stickstoff können andere verflüssigte Gase verwendet werden. Diese umfassen zum Beispiel verflüssigtes Kohlendioxid, verflüssigtes Argon oder gekühlte Luft.
Das Absorbieren enormer Hitze, der hohe Druck und der ultrakalte Gasstrahl scheinen ein Gaskissen zwischen dem sich bildenden Span und der Werkzeugfläche zu bilden, um die Reibung zwischen den beiden zu verringern. Währenddessen steigert die kalte Temperatur die Festigkeit und Härte des Schneidwerkzeugs und erhöht die Brüchigkeit des Spans zum leichten Brechen. Die Tieftemperaturnatur des verflüssigten Gases entfernt die Hitze bei dem Schneidverfahren aufgrund der kürzest möglichen Hitzeaustauschentfernung und der größten erzielbaren Temperaturdifferenz effektiv. Da die Hitzeerzeugung beim Schneiden und das Kühlen mit dem Tieftemperaturfluid nur örtlich begrenzt auftreten und örtlich begrenzt in einer kleinen Region der Werkzeugspitze ausgeglichen werden, unterhält das Verfahren eine konstante Werkstücktemperatur und weist die Vorteile des Vermeidens thermischer Verformung des Werkstücks und des Aufrechterhaltens der Genauigkeit des Schneidens auf.
Der Hochdruckstrahl hilft, den Span zu brechen und wegzublasen. Falls nötig, kann ein zweiter Tieftemperaturstrahl 24, wie in Fig. 2 zu sehen ist, zwischen der Werkzeugflankenoberfläche 28 und dem Werkstück 26 gebildet werden, um die Flankenabnutzungsrate zu verringern und das Material vor dem nächsten Schneiddurchgang vorzukühlen. Dies ist vorteilhaft, da sowohl die Spanfläche 16 als auch die Flankenfläche 28 während des Schneidens schnell abnutzen.
Die Düse der Erfindung wird mittels verschiedener Verfahren gebildet. Sie kann teilweise mittels eines Lochs gebildet sein, welches in dem Spanbrecher mittels der Verwendung elektrostatischer Erosionsbearbeitung (EDM) gebildet ist, so daß drei Seiten der Düse durch den Spanbrecher abgegrenzt sind und die vierte Seite von dem Werkzeug abgegrenzt wird, oder die Düse kann in dem Spanbrecher angrenzend an die Schneidkante 16 des Werkzeugs vorgeformt sein, wo das Metallschneiden stattfindet, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Die Düse kann ferner mittels eines Kanals gebildet sein, der zwischen dem Schneidwerkzeug und einem angrenzendem Werkzeugteil gelassen wird, wie in Fig. 8 zu sehen ist. Da das Tieftemperaturfluid nur zu dem Gebiet zugeführt wird, wo das Schneiden tatsächlich auftritt, gibt es keine Verschwendung der Kühlleistung an unnötigen oder unerwünschten Orten. In den meisten Fällen kühlt der flüssige Stickstoff oder das andere Tieftemperaturfluid nur das Schneidwerkzeug. Daher ist der Stickstoffverbrauch sehr klein und sehr ökonomisch. Zusätzlich wird das verflüssigte Tieftemperaturgas natürlich recycelt, da die verwendeten Gase aus der Atmosphäre gewonnen wurden. Dies ermöglicht die Kühlung des Punkts der höchsten Temperatur und verhindert die Verschwendung des verflüssigten Gases.
Der Spanbrecher 18 kann ein Zusatztyp, wie in Fig. 3 bis 5 gezeigt ist, oder ein integraler Typ auf dem Werkzeugeinsatz sein, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Der integrale Spanbrecher weist eine eingebaute Erhöhung oder ein Graben auf, um als Spanbrecher auf der oberen und/oder unteren Oberfläche des Schneidwerkzeugs zu wirken. Die Düse 12 kann auf dem Werkzeugeinsatz oder auf dem Spanbrecher oder auf einem zusätzlichen Anhang ausgebildet sein, der zu der Schneidkante benachbart ist, wie hierin beschrieben werden wird.
Die Durchflußrate des Gases durch die Düse kann auf drei Arten gesteuert werden. Das Steuerventil der Gasleitung, den Fluß aus dem Tank und die Größe der Öffnung der Düse. Eine anpaßbare Düse kann verwendet werden, die selbstregulierend ist. In diesem Fall ist das für die Düse verwendete Material aus einem temperaturempfindlichen Material hergestellt. Wenn das Material kalt ist, wird das Loch kleiner und weniger Gas wird freigegeben. Wenn die Düse wärmer ist, wird das Loch aufgrund der thermischen Ausdehnung größer, und mehr Gas kann strömen.
Aus dem Blickwinkel des Hitzeaustauschers wird die meiste Hitze, die während des Bearbeitens angesammelt wird, von den Spänen davongetragen. Etwa 10%-15% der verbrauchten Leistung beim Metallschneiden wird auf das Werkzeug übertragen. Das Werkstück absorbiert eine minimale Menge, ungefähr 2%. Für eine 30 PS-Drehmaschine variiert der Leistungsverbrauch des Metallschneidens von Anwendung zu Anwendung abhängig von der Temperatur, der Reibung und anderen Gesichtspunkten. Im allgemeinen wird jedoch eine größere Menge PS-Zahl benötigt, falls das Material schwerer zu schneiden ist. Daher wird eine größere Menge flüssigen Stickstoffs benötigt, um die gesteigerte Hitze zu absorbieren, die während des Schneidens erzeugt wird. Für einen Leistungsverbrauch von ungefähr 3,73 bis 11,19 kW (5- 15 PS) deuten die Berechnungen des Erfinders darauf hin, daß das Kühlsystem ungefähr 0,37 bis 1,12 kJ/s der Hitze ausgleichen sollte. Der flüssige Stickstoff, der benötigt wird, um diesen Grad der Kühlung zu bewirken, beträgt theoretisch ungefähr 0,9 bis 2,7 g/s (ungefähr 0,01 bis 0,06 Gallons pro Minute). Der typische Stickstoffverbrauch der Erfindung beträgt ungefähr 0,47 bis 1,04 Liter (0,125 bis 0,275 Gallons) pro Minute. Es wurde herausgefunden, daß diese Flußrate ausreichend ist, um die Werkzeuglebensdauer zu verdoppeln und die Effektivität des Spanbrechens zu steigern. Dieser Stickstoffverbrauch ist gegenwärtig äquivalent zu $ 2,09 bis $ 4,60 pro Stunde, was niedriger als die gewöhnlichen Kühlmittelkosten ist.
Das flüssige Stickstoff kann aus einer zentralen Versorgungsleitung oder einem transportablen Behälter oder Dewar kommen. Die Flußrate kann angepaßt werden, indem der Tank- oder Leitungsdruck reguliert wird, indem die Düsenabmessung verändert wird oder indem ein Ventil angepaßt wird. Zum Beispiel führt eine Düse mit einer Öffnung von 0,0125 bis 0,03 mm² (0,0005-0,0012 square inches), einer Zulieferleitungslänge von 2,4 Metern (8 feet) und einem Quellendruck des flüssigen Stickstoffs von 1,42 bis 2,42 Mpa (200-300 psi) zu einer typischen Flußrate von 0,455 bis 1,421 Liter (0,120 - 0,375 Gallons) pro Minute. Diese wird abhängig von den Materialien, dem Schneidwerkzeug, der Schneidgeschwindigkeit, dem Schneidvorschub und der Schneidtiefe variieren.
Der konstante Fluß des flüssigen Stickstoffs ist wichtig, weil andernfalls die Thermospannung aufgrund der Unstetigkeit des Heiz/Kühlzyklus die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzen kann. Um flüssigen Stickstoff zu dem Schneidpunkt mit der oben erwähnten kleinen Flußrate, vorzugsweise weniger als 0,95 Liter (0,25 Gallons) pro Minute, zuzuführen, wird eine spezielle vakuumummantelte Zulieferleitung verwendet, die in Fig. 9 dargestellt ist, um den Fluß beständig zu halten. Diese Zulieferleitung ist in eine Drehbank oder eine Drehmaschine eingebaut. Die Zuführleitung 44 ist mittels eines inneren Edelstahlrohrs 92 für den Stickstofffluß errichtet und innerhalb eines flexiblen Edelstahlschlauchs 94 angeordnet, der mittels Teflonabstandshaltern 96 auf Abstand gehalten wird. Die Abstandshalter sind so konstruiert, daß eine minimale Berührfläche mit dem Rohr für eine Hitzeübertragung besteht. Der Raum zwischen dem inneren Rohr und dem äußeren Schlauch ist auf einen Druck von etwa 10&supmin;&sup6; bis 10&supmin;&sup4; torr evakuiert, um die Konvektion und die Leitung der Hitzeübertragung zu minimieren. Der Durchmesser der Leitung kann zum Beispiel 4,68, 3,125 oder 1,562 mm (3/16, 1/8 oder 1/16 inch) betragen. Je kleiner der Durchmesser des Rohrs ist, desto kleiner ist die für eine Hitzeübertragung verfügbare Fläche. Jedoch darf der Widerstand nicht so groß werden, daß er den Fluß des Tieftemperaturfluids blockiert.
Fig. 3 und 4 stellen ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Schneidwerkzeug dar. Ein Karbidwerkzeugeinsatz 30 ruht auf einem Abstandshalter 32 und einem Werkzeughalter 34 in der Schneidemaschine. Der mechanische Zusatz- bzw. Zufügespanbrecher 36 ist mit einem Durchgangsloch 41 von dem Zentrum seiner oberen Oberfläche 29 zu seiner unteren Oberfläche 31 versehen. Dann ist ein Kanal am Fuß des Durchgangslochs 41 an der unteren Oberfläche des Spanbrechers 36 gebildet. Wenn der Spanbrecher 36 mittels eines Befestigungselements 38 niedergeklemmt wird, bilden der Kanal 42 und die obere Oberfläche des Einsatzes 30 eine Düse 12. Diese Düse 12 ist auf die Schneidkante gerichtet, wo der Span 22 gebildet wird. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Span 22 von dem Spanbrecher 36 angehoben, und der flüssige Stickstoff oder das andere Tieftemperaturfluid kann zwischen den Span und die Werkzeugoberfläche zum effektiven Kühlen und Schmieren eingespritzt werden. Die Düse kann sich in einer Linie mit dem Spanfluß befinden, falls das Werkstückmaterial dazu neigt, gewundene Späne zu erzeugen, wie zum Beispiel bei Titan. Alternativ kann die Düse leicht versetzt, aber immer noch auf die Schneidkante gerichtet sein, wie in Fig. 7, so daß der Span von dem Spanbrecher gebrochen wird, jedoch die Spanbildung nicht die Düse blockieren wird und den Fluß des Tieftemperaturfluids nicht behindern wird. Dies tritt bei weicheren, verformbareren Materialien wie zum Beispiel AISI 1008 auf, bei denen das Material unter die Werkzeugfläche kriechen wird und eine in einer Linie ausgerichtete Düse versperren wird. Der flüssige Stickstoff wird aus einer vakuumummantelten Leitung 44 zugeführt, welche das Befestigungsmittel 38 verbindet. Der flüssige Stickstoff fließt zu dem Loch 41 in dem Spanbrecher 36 durch das innere Loch 51 des Befestigungsmittels und dann zu der Düse 12. Das Befestigungsmittel 38 wird mittels einer Schraube 46 auf dem Werkzeughalter 34 niedergehalten. Vorzugsweise beträgt der Abstand der Düse zu der Schneidkante ungefähr 0,5 bis 1,25 mm (0,020-0,050 inches). Der Ort des Spanbrechers/der Düse ist kritisch für die Lebensdauer des Werkzeugs.
Die Anordnung und die Gestaltung der Erfindung kann variieren, um sich an verschiedene Werkzeuge mit verschiedenen Werkstückmaterialien und Schneidbedingungen anzupassen und immer noch dieselben Vorteile zu erreichen. Zum Beispiel stellt Fig. 5 dar, daß die Düse 12 sich auffächern kann, wie zum Beispiel in der 3-Kanal-Ausführung gezeigt ist. Darüber hinaus können die Düsenkanälen in dem Werkzeugeinsatz 30 anstatt in dem Spanbrecher 36 ausgebildet sein, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Beim Bearbeiten eines hochverformbaren Materials, wie zum Beispiel Stahl 1008 niedrigen Kohlenstoffgehalts, kann die Düse 12 angeordnet sein, um das Tieftemperaturfluid von der Seite des Spanbrechers 36 abzugeben, wie in Fig. 7 gezeigt ist. In solchen Fällen wird der Span immer noch von einem Blockierungsspanbrecher angehoben, um dem flüssigen Stickstoff zu helfen, zwischen den Span und die Werkzeugfläche einzudringen. Bei einer Vorrichtung mit einem mit einem eingebauten Spanbrecher 37 ausgebildeten Einsatz 48, wie in Fig. 8, kann die Düse 12 von der oberen Oberfläche des Einsatzes 50 und einem Düsenstück 54 gebildet werden. Das Fluid kann dann zu den Seiten des Spans gerichtet sein, wie in Fig. 8 gezeigt ist.
Die Vorteile beim Nutzen der Erfindung umfassen die Verringerung des Werkzeugverschleißes, die Verringerung der Werkzeugkosten und die Steigerung der Lebensdauer des Werkstücks, wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt ist. Tabelle 1 zeigt die prozentual verlängerte Lebensdauer des Werkzeugs bei Verwendung der Erfindung im Vergleich zu einer konventionellen Bearbeitung der folgenden Stahl- und Titanlegierungen. Tabelle 1
Andere mit der Verwendung der Erfindung erreichte Vorteile umfassen eine Steigerung der Schneidgeschwindigkeit, eine Verringerung der Herstellungszeit und eine Verringerung der Herstellungskosten, als auch eine Verringerung der Reibungskraft, ein Ansteigen der Schneideffizienz und eine Verringerung des Leistungsverbrauchs. Eine Verbesserung der Arbeitsoberflächenqualität, eine Beseitigung von Verbrennungen und chemischen Beschädigungen durch ein Schneidöl und die Verringerung der Oberflächenrauheit, die durch das Zusammenbrechen der Aufbaukante verursacht wird, kommen zu den Vorteilen hinzu. Zusätzlich liefert die Erfindung eine Verringerung der Werkstückverformung, der Abmessungsänderungen bei Präzisionsmaschinen als auch eine Verbesserung des Spanbrechens und Entfernens, des Aufrechterhaltens eines sauberen Betriebs ohne eine Umweltgefahr und sorgt dafür, daß keine Notwendigkeit besteht, das Werkstück nach dem Schneiden zu reinigen.
Zusammenfassend wird das Verfahren zum Verlängern der Lebensdauer des Schneidwerkzeug mit Hilfe einer Kombination der folgenden Mechanismen erreicht: a) Verringern der Schleifabnutzung mittels einer Verwendung eines Schmierfilms, der von dem Tieftemperaturfluid geliefert wird, b) Verringern der Schleifabnutzung mittels des Steigerns der Härte der Werkzeugsfläche aufgrund der Tieftemperatur gekühlten Temperatur, c) Verringern der Adhäsionsabnutzung mittels des Reduzierens der Aufbaukante und d) Verringern der Diffusionsabnutzung mittels der Verwendung niederer Temperaturen, weil die chemische/atomare Diffusionsrate eine exponentielle Funktion der Temperatur ist.
Nachdem die Erfindung detailliert und mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ergibt sich, daß Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mit einem Schneidwerkzeug (14, 30, 48), welches eine Spanfläche (16, 29) und eine Flankenfläche (28) aufweist; einem zur Spanfläche benachbarten Spanbrecher (18, 36, 37); einer Düse (12) zum Leiten einer Kühlflüssigkeit auf die Spanfläche und unter vom Werkstück abgeschnittene Spane (22), gekennzeichnet durch eine vakuumummantelte Leitung (44) zum Zuführen der Kühlflüssigkeit zu der Düse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (18, 36, 37) die beim Schneiden des Werkstücks gebildeten Spane (22) über ihren Brechpunkt hinaus biegt und die Kontaktlänge der Spane (22) auf der Spanfläche (16, 29) des Schneidwerkzeugs verringert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (37) integral mit dem Schneidwerkzeug (48) ausgebildet ist, und die Vorrichtung einen dem Schneidwerkzeug (48) überlagerten, an die Spanfläche und den Spanbrecher (37) angrenzenden Werkzeugeinsatz umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) mittels eines Kanals zwischen der Spanfläche des Schneidwerkzeugs und dem Spanbrecher gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse mittels eines Kanals an der Grenzfläche des Spanbrechers (37) und des Werkzeugeinsatzes (54) gebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (36) unabhängig von dem Schneidwerkzeug (30) ist, und die Düse (12) zumindest teilweise mittels eines Kanals (41) durch den Spanbrecher gebildet ist und das Kühlmittel zwischen den Spanbrecher (36) und die Spanfäche des Schneidwerkzeugs (30) leitet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Düsenstück (54), so daß die Düse (12) zwischen dem Düsenstück (54) und dem Spanbrecher (37) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kanal (24), welcher sich auf der Flankenfläche (28) des Schneidwerkzeugs (14) öffnet, um ein Tieftemperaturkühlmittel zwischen die Flankenfläche (28) und das Werkstück (26) zu leiten, um die Abnutzungsrate der Flanke zu reduzieren und um das Werkstück (26) für den darauffolgenden Schneidearbeitsgang vorzukühlen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (36) eine Zusatzvorrichtung für das Schneidwerkzeug (30) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (18, 37) integraler Bestandteil des Schneidwerkzeugs (14, 48) ist.

1. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) das Kühlmittel in der Richtung, in der der Span geschnitten wird, leitet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) das Kühlmittel versetzt zu der Richtung, in der der Span (22) geschnitten wird, leitet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) mehrere Kammern versorgt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) angeordnet ist, um die Tieftemperaturflüssigkeit an der Seite des Spans (22) auszugeben.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) in mehrere Düsen unterteilt ist, die angeordnet sind, um die Tieftemperaturflüssigkeit an mehreren Punkten auf die Spanfläche auszugeben.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) mittels der Ausnutzung der thermischen Ausdehnungseigenschaften des Materials selbstregulierend ausgebildet ist.

17. Verfahren zum Zerspanen eines metallenen Werkstücks (26), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

Liefern eines Schneidwerkzeugs (14, 30, 48) mit einer Spanfläche (16, 29), einer Flankenfläche (28) und einem Spanbrecher (18, 36, 37);

Berühren des Werkstücks mit dem Schneidwerkzeug;

Bilden eines Spans (22) mittels des Eindringens des Schneidwerkzeugs (14, 30, 48) in das Werkstück;

Anheben des Spans (22), der mittels des Schneideschrittes von dem Werkstück gebildet ist, mit dem Spanbrecher (18, 36, 37); und

Leiten eines Kühlmittels durch eine Düse (12) zwischen den Spanbrecher (18, 34, 37) und die Spanfläche (16, 29), um das Werkzeug zu kühlen,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zu der Düse mittels einer vakuumummantelten Leitung (44) geliefert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) mittels eines Kanals zwischen der Spanfläche des Schneidwerkzeugs und dem Spanbrecher gebildet ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse mittels eines Kanals an der Grenzfläche des Spanbrechers und des Werkzeugeinsatzes gebildet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (36) unabhängig von dem Schneidwerkzeug (30) ist, und die Düse (12) mittels eines Kanals (41) durch den Spanbrecher (36) gebildet ist und das Kühlmittel zwischen den Spanbrecher (36) und die Spanfläche des Schneidwerkzeugs leitet.

21. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (36) eine Zusatzvorrichtung für das Schneidwerkzeug (30) ist.

22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanbrecher (37) integraler Bestandteil des Schneidwerkzeugs (48) ist.

23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) das Kühlmittel in einer Richtung, in der der Span (22) geschnitten ist, leitet, wenn das Werkstück (26) ausreichend fest ist, daß es spiralförmige Spane (22) ausbildet.

24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) das Kühlmittel versetzt zu der Richtung leitet, in der der Span geschnitten wird, so daß der Span auf den Spanbrecher (36) trifft, aber nicht den Fluß der Tieftemperaturflüssigkeit behindert, wenn das Werkstück verformbar ist.

25. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (12) mehrere Kammern versorgt.

26. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Leiten des Kühlmittels das Kühlmittel auf die Seite des Spans leitet.

27. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Leiten des Kühlmittels das Kühlmittel auf mehrere Punkte auf der Spanfläche aus mehreren Düsen leitet, welche von der Düse abgeteilt sind.

28. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel natürlich wieder aufgearbeitet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mit Normaldruck von einer verflüssigten Gasquelle abgeschieden wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 17, 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel eine Tieftemperaturflüssigkeit ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Spanbrecher mit:

einer oberen Fläche;

einer unteren Fläche, welche mit der Spanfläche ineinander greift;

wenigstens einer angewinkelten Seitenfläche, um einen Span, welcher von dem Werkstück mittels des Schneidwerkzeugs abgeschnitten ist, über seinen Brechpunkt zu biegen;

einem von der oberen Fläche zu einer Kreuzungslinie der unteren Fläche und der angewinkelten Seitenfläche ausgebildeten Durchgangsloch (41) zum Weiterleiten einer Tieftemperaturflüssigkeit oder gekühlter Luft, um die Spanbrechervorrichtung zu kühlen, und zum Einspritzen der Tieftemperaturflüssigkeit oder der gekühlten Luft unter den Span (22), wobei die Tieftemperaturflüssigkeit oder die gekühlte Luft zu dem Durchgangsloch (41) mittels der vakuumummantelten Leitung (44) geliefert wird.