KR100755251B1 - 물질을 형성 및 성형하는 동안에 작업 표면을 향상시키기위한 장치 및 방법 - Google Patents
물질을 형성 및 성형하는 동안에 작업 표면을 향상시키기위한 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
공구를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편의 표면 마무리 및/또는 표면 일체성을 향상시키기 위한 방법 및 장치는 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시킨다. 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 방법 및 장치는 또한 작업편으로부터 마무리된 부품 또는 제품을 제조하기 위한 방법 및 장치에서와 같이, 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시킨다. 일부 실시양태들에서, 한제(cryogen)의 팽창 제트는 노즐로부터 작업편의 표면 및 공구에 분사될 수 있고, 여기에서 한제는 노즐의 다운스트림 부분 내에서 응축상 부분 및 증기 부분으로 적어도 부분적으로 분리된다.
공구, 작업편, 형성, 성형, 표면 마무리, 표면 일체성
Description
본 발명은 후술되는 첨부 도면을 참고로 하여 예시의 방식으로 기술된다:
도 1(1A, 1B 및 1C)은 절삭 공구 및 작업편 표면에 대한 극저온 유체(cryogenic fluid) 충돌의 주요 변수를, 즉 충돌각(α), 전착각(β), 공구 이송속도(f), 절삭 깊이(d), 작업물과 접촉하는 공구 곡률(r), 충돌 면적(A)의 충돌면적 중심과 작업부 표면 간의 거리(L)를 나타내고, 더욱 구체적으로
도 1A는 본 발명의 하나의 실시양태의 측면도를 나타내는 개요도이며, 여기에서 극저온 유체 제트는 충돌각(α)으로 공구 경사면에 충돌하며;
도 1B는 본 발명의 하나의 실시양태의 상단면을 나타내는 개요도이며, 여기에서 극저온 유체 제트는 공구 표면 상에 튄 후, 전착각(β)으로 작업편의 표면에 충돌하고;
도 1C는 본 발명의 하나의 실시양태의 상단면을 나타내는 개요도이며, 여기에서 극저온 유체 제트는 작업편의 작업 표면으로부터 거리 L에서 절삭 공구의 경사면 상에 충돌 지점 A를 형성하고;
도 2(2A 내지 2E)는 자유 또는 한정수용된 노즐을 이용하여 극저온 유체를 공구 및 작업 표면에 충돌시키기 위한 장치 및 방법을 설명하고, 더욱 구체적으로
도 2A는 공기와 같은 주변 대기를 혼입한 자유-팽창 극저온 유체 제트를 이용하는 본 발명의 하나의 실시양태의 측면도를 나타내는 개요도이며;
도 2B는 도 2C에 나타낸 본 발명의 실시양태에서의 노즐의 다운스트림 부분의 측면도를 나타내는 개요도이고;
도 2C는 경사면 위에 위치한, 단면도로 나타낸 본 발명의 돔 모양의 한정수용-제트 노즐을 이용하는 본 발명의 하나의 실시양태의 측면도를 나타내는 개요도이며, 여기에서 극저온 유체 제트는 충돌각(α)으로 경사면에 충돌하고;
도 2D는 경사면 위에 위치한 단면도로 나타낸 본 발명의 둥근 돔 모양의 한정수용-제트 노즐을 이용하는 본 발명의 하나의 실시양태의 상단면을 나타내는 개요도이며, 여기에서 극저온 유체 제트는 전착각(β)으로 작업편의 표면에 충돌하며;
도 2E는 경사 위에 위치한 단면도로 나타낸 본 발명의 직사각형인 돔 모양의 한정수용-제트 노즐을 이용하는 본 발명의 하나의 실시양태의 상단면을 나타내는 개요도이며, 여기에서 극저온 유체 제트는 충돌 면적 A 상에서 경사면과 접촉하고;
도 3은 절삭 삽입 공구의 냉각 속도에 대한 충돌각(α), 공급 압력 및 극저온 유체의 유속의 영향을 나타내는 그래프이고;
도 4는 소결된 상태의 예비경화된 철 분말 야금 작업편을 절삭하는 공구의 수명에 대한 냉각 방법의 영향을 나타내는 그래프이고;
도 5(5A 및 5B)는 예비경화된 52100 급 베아링 스틸의 마무리-터닝 중의 본 발명의 두가지 태양을 설명하고, 더욱 구체적으로
도 5A는 공구 마모에 대한 냉각방법의 영향을 나타내는 그래프이고;
도 5B는 공구의 수명 전반에 걸친 작업 표면의 조도를 나타내는 그래프이고,
도 6은 M50 급 예비경화된 스틸의 표면 내에 또한 아래에 잔류 응력 분포에 대한 마무리-터닝 중에 사용된 냉각 방법의 영향을 나타내는 그래프이다.
본 발명은, 비제한적으로 절삭(예컨대, 과량의 물질을 제거함에 의한 칩 형태의 부품의 성형) 및 기타 유형의 기계가공을 포함하는 각종 공정들에 의해 물질을 형성 및 성형하는 분야에 관한 것으로서, 더욱 특히 극저온 냉각, 및 비제한적으로 열 처리, 화학적 처리 및 기계적 처리를 포함하는 기타 유형의 처리를 이용함으로써 상기 공정들에 의해 형성 및 성형된 금속 및 기타 공학처리 물질(예컨대, 중합체 및 각종 유형의 복합 물질)의 표면 마무리 및 표면 강도를 향상시키는 분야에 관한 것이다.
본원에 사용되는 용어 "절삭(cutting)"은 비제한적으로 하기 작업들을 포함한다: 터닝(turning), 천공(boring), 분할(parting), 그루빙(grooving), 외장(facing), 플래닝(planning), 밀링(milling), 드릴링(drilling), 및 연속적 칩 또는 분획화되거나 구획화된 칩을 생성하기 위한 기타 작업들. 절삭이라는 용어는 연삭(grinding), 방전 기계가공, 또는 고압 제트 부식 절삭, 즉 예컨대 더스트 또는 분말과 같이 모양이 명확히 특정되지 않는 매우 미세한 칩을 생성시키기는 연마 작업을 포함하지 않는다.
본원에 사용된 용어 "일체성"은 품질, 더욱 구체적으로는 가공된 작업 표면에서의 잔류 응력의 원하는 상태, 마모 공구에 의해 영향을 받는 치수 정확성 및/또는 통상적인 형성 또는 성형 공정으로부터 종종 수득되는 표면의 결함 또는 기타 바람직하지 못한 변형의 부재에 관한 것이다.
제조 산업에서는 더 많은 부품 또는 제품을 더 빨리 제조할 필요, 즉 부품별 또는 부품 품질 관련 비용을 증가시키지 않으면서, 각 부품 또는 제품을 더 빨리 제조할 필요가 있다. 더욱 구체적으로는, 전형적으로 열 처리 전에 수행되는 연화 조질화, 또는 통상적으로 열 처리 후에 수행되는 마무리 연삭 및 연마/무광처리, 또는 통상 부품, 기기 공구 상에서 또한 통상적 기계가공 유체에 의해 일어나는 오염으로 인한 작업 환경에서 수행되는 클리닝 단계와 같은, 특정의 양호한 품질의 부품 또는 제품을 제조하는데 필요한 제조 단계들의 수 및/또는 정도를 최소화하는 향상된 방법이 필요하다. 또한, 형성 또는 성형 사이클을 완성하고, 수많은 금속성 제품의 경우에는, 기계적 표면 일체성을 증진시키거나, 성형 또는 기계가공 중에 생성된 해로운 신장 응력을 제거하기 위해 사용되는, 각종 피닝(peening), 버니슁(burnishing), 디버닝(deburning) 및 국소화 딥-롤링(deep-rolling) 작업의 정도를 제거하거나 최소화하는 것이 산업적 관건이다. 또한 형성 및 기계가공 작업을 가속화함, 자본 비용, 예컨대 특정 제조 표적물에 도달하는데 필요한 기기 공구의 수를 최소화하고 그리고/또는 공구세공 및 관련 소모품의 비용을 감소시키기 위한 향상 된 방법이 필요하다.
U.S. 특허 No. 5,878,496 (Liu 등)은 공구 이송속도 및 노우즈 반경을 포함하는 통상적 기계가공 변수들의 실험 및 모델링에 기초한 조작에 의해 수용가능한 표면 마무리를 갖는 경질 작업 부품을 제조하면서, 기계가공 단계들의 수를 감소시키는 방법을 개시한다. 그러나, 이 특허는 생산성의 향상, 절삭 공구 수명의 증가 또는 작업 표면의 조도의 감소를 위한 방법을 교시하고 있지 않다.
클리닝 작업의 제거, 각종 유형의 절삭 공구들의 생산성 증진, 및/또는 기계가공된 표면 내의 바람직하지 못한 미세구조의 변화의 방지를 위한 일부 형태의 극저온 분무 또는 분사의 일부 유형에 관한 종래 기술의 공보들이 비교적 상당량 존재한다. 예를 들어, WO02/096598 A1 (Zurecki 등), W099/60079 (Hong), U.S. 특허 출원 No. 2003/0145694 A1 (Zurecki 등) 및 No. 2003/0110781 A1 (Zurecki 등), 및 U.S. 특허 No. 5,901,623 (Hong), No. 5,509,335 (Emerson), No. 4,829,859 (Yankoff), 및 No. 3,971,114 (Dudley)를 참고한다. 그러나, 이 공보들 또는 다른 종래 기술들 중 그 어느 것도 모두 본원에 논의된 문제점들을 해결하거나 필요를 충족하지 못한다.
U.S. 특허 No. 5,761,974 (Wang 등)은 절삭 공구의 가장자리와 접촉하는 작업편과 접촉된 극저온 열교환기를 사용함으로써, 열교환기의 사용에 의해 극저온 유체와 작업편 간의 직접적 접촉을 피하게 되는 상기 용도를 개시한다. U.S. 특허 No. 5,103,701 (Lundin 등)은 전체 작업편의 극저온 냉동이 날카로운 가장자리를 갖는 다이아몬드 절삭 공구가 철 작업물과 접촉할 때에, 공구 수명의 향상을 가져 올 수 있다는 것을 개시한다. 이 두 특허에 의해 교시되는 방법은 공구 생산성을 향상시키나, 첫번째 방법은, 작업 표면 마무리 및 일체성을 효과적으로 조절할 수 없고, 두번째 방법은 대부분의 산업적 용도들에서 수용할 수 없을 정도로 비싼 광대한 기기 공구 변형을 요한다.
U.S. 특허 No. 5,592,863 (Jaskowiak 등)은 중합체 작업편의 기계가공 중에 형성된 연속적 칩으로부터 비연속적 칩을 제조하기 위해 극저온 냉각을 이용하는 방법을 개시한다. 그 방법은 절삭 공구 또는 중합체 작업편이 아닌 칩을 냉각시킴으로써, 공구 생산성 또는 작업편 표면 마무리 및 일체성을 향상시키지 않는다.
U.S. 특허 No. 6,622,570 B1 (Pervey, III) 및 U.S. 특허 출원 No. 2002/0174528 A1(Prevey, III)은, 각종 제조 작업(예컨대, 터닝)으로부터 수득되는 작업 표면에서의 바람직하지 못한 신장 응력을 제거하고, 원하는 압축 응력을 부여하기 위한 방법을 개시한다. 작업 표면에서의 압축 잔류 응력은, 응력 부식 분해에 대한 감도를 감소시키면서 제품 부품의 피로 강도 및 피로 수명을 증진시키는 것으로 알려져 있다. 응력 부식 분해 및 다른 응력-가속화된 형태의 금속 부식에 대한 증진된 내성이, 금속 성분 제조업자 및 사용자에게 매우 중요하다. 잔류 표면 응력 분포를 수정하기 위한 (즉, 압축 성분을 증가시키는) 핵심방법은 샷피닝 및 레이저 피닝을 포함하며, 이 양자는 모두 최대한 정도로 적용된 경우, 작업 표면 마무리를 열화시키거나 손상시키고, 작업 조도를 증가시키는 것으로 알려져 있다. 이 문제에 대한 추가적 설명이 U.S. 특허 No. 6,658,907 B2 (Inoue 등) 및 U.S. 특허 No. 6,666,061 B2 (Heimann)에 나와 있고, 후자는 딥-롤링, 제조된 부품의 표면에 인가 되는 또 다른 응력 고정 방법을 다루고 있다. 이 4개의 특허 공보들은 하기와 같은 2가지의 중요하나 여전히 해결되지 않은 문제점을 나타낸다: (a) 잔류 표면 응력을 고정하고, 형성 또는 성형 단계에 후속하는 부가적이고 고가인 제조 단계의 빈번한 필요, 및 (b) 응력 고정 작업 중에 부여된 압축 응력과 표면 마무리 간의 현 트레이드-오프. 명백히, 부가적인 제조 단계들을 필요로 하지 않으면서, 표면 마무리 및 압축 응력을 동시에 증진시키는 향상된 형성, 성형 및 기계가공 기술의 만족되지 않은 필요가 있다.
기타 문헌들은 경질의 스틸의 통상적인 비-극저온 터닝 중에, 날카로운 절삭 가장자리가 표면 마무리를 향상시키고 그리고/또는 다소 원하는 압축 잔류 응력을 증진시키며, 한편 공구-수명 및 생산성의 측면에서 바람직한 라운딩 또는 무광처리된 가장자리가 작업편 표면을 더 조질하게 하고/또는 덜 압축되게 한다는 것을 보고하였다. J.D. Thiele 및 S.N. Melkote, AISI 52100 스틸의 마무리 경질 터닝에 있어서 표면 발생에 대한 절삭 가장자리 기하학적 구조 및 작업편 경도의 영향(Effect of cutting edge geometry and workpiece hardness on surface generation in the finish hard turning of AISI 52100 steel), Journal of Materials Processing Technology, 94 (1999) 216-226; 및 F. Gunnberg,"경질 터닝에 의해 발생된 표면 일체성(Surface Integrity Generated by Hard Turning)," Thesis, Dept. of Product Development, Chalmers University of Technology(스웨덴, 고테보르그), 2003. 작업 표면 마무리에 대한 무광처리된 가장자리 기하학적 구조의 영향은 작업물의 경도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 관찰되었으나, 수용가능한 공구 수명 및 높은 생산성을 유지하면서 기계가공 전 또는 중에 작업 표면 경도를 변경함으로써 표면 마무리 및 일체성을 조절하는 예측에 대해서는 결론을 이끌어내지 못했다.
또한, 매우 유사한 기계가공 조건에 대해 보고되었던 실험적 조도 데이터는, 작업 경도가 증가할 때마다 조도가 증가한다는 것을 보여주는 Thiele 및 Melkote에 의해 제시된 물질 경도 효과의 가설적인 성질을 강조하였다. 이에 대해, T. Ozel, Tsu-Kong Hsu, 및 E. Zeren, 경화된 AISI H13 스틸의 마무리 터닝에 있어 표면 조도 및 힘에 대한 절삭 가장자리 기하학적 구조, 작업편 경도, 이송속도 및 절삭 속도의 영향(Effects of Edge Geometry, Workpiece Hardness, Feed Rate and Cutting Speed on Surface Roughness and Forces in Finish Turning of Hardened AISI H13 Steel), International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2003)를 참고한다.
이에 따라, 종래 기술은 상기 논의된 산업적 필요에 대해 부인하는 것은 아니어도 단지 부분적이고 불완전한 해결책만을 제공하며, 작업 표면 마무리 및 일체성을 향상시키면서 제조 단계 수 및 비용을 감소시키기 위한 더욱 종합적인 방법이 필요하다는 것을 입증한다. 단일의 종합적 해결책을 필요로 하는 특정 영역은, 공구 마모 및 비용을 감소시키고, 생산율을 증가시키며, 제조 공정에서 클리닝 단계를 제거하는 성능의 면에서 바람직한, 극저온 분사를 이용하는 기계가공 중에 절삭 공구의 냉각 및 경화의 효능성, (b) 부가적 마무리 단계를 필요로 하지 않도록 기계가공 중에 작업 표면의 조도를 최소화하고 압축 응력을 최대화하기 위한 극저온 분사의 적용, 및 (c) 기계가공된 표면 조도를 최소화하고, 이로써 마무리 연삭 단계를 필요로 하지 않는, 절삭하기 전 및 절삭하는 동안에 작업물 성질의 추가적 변형을 포함한다.
상기 필요를 충족하고, 여기에서 논의된 문제점을 해결하는 작업편의 표면 마무리 및 일체성을 향상시키기 위한 방법 및 장치가 요망된다.
또한, 더욱 양호하고 더욱 유리한 결과를 제공하기 위해 종래 기술의 난점 및 결점을 극복하는, 작업편의 표면 마무리 및 일체성을 향상시키기 위한 방법 및 장치를 가지는 것이 요망된다.
또한, 더욱 양호하고 더욱 유리한 결과를 제공하기 위해 종래 기술의 난점 및 결점을 극복하는, 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 방법 및 장치를 가지는 것이 요망된다.
또한, 종래 기술의 제조 공정 및 시스템에서 필요하였던 하나 이상의 단계 및 요소를 제거하는 마무리된 부품 및 제품을 제조하기 위한 방법 및 장치를 가지는 것도 요망된다.
발명의 개요
본 출원인의 발명은, 공구를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편의 표면 마무리 및/또는 표면 일체성을 향상시키기 위한 방법 및 장치이다. 본 발명의 또 다른 하나의 측면은 작업편을 형성 또는 성형하는 방법 및 장치이다. 본 발명의 또 다른 하나의 측면은 작업편으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 방법 및 장치이다. 본 발명의 다른 측면은 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 방법 및 장치에 의해 형성 또는 성형된 작업편, 및 제조를 위한 방법 또는 장치에 의해 마무리된 부품 또는 마무리된 제품이다. 본 발명은 또한 작업편의 표면에 한제(cryogen)의 팽창 제트를 분사하기 위한 노즐을 포함한다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된, 표면 경도를 갖는 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법의 첫번째 실시양태는, 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것을 포함한다("표면 마무리" 및 "표면 일체성" 은 발명의 배경기술 및 후술되는 단락인 발명의 상세한 설명에서 정의되고 논의된다). 이 방법의 첫번째 실시양태에는 수가지 변형들이 있다.
한 변형에서, 작업편의 표면 경도는, 공구의 일부분 이상, 또는 작업편의 일부분 이상, 또는 공구의 일부분 이상과 작업편의 일부분 이상을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 증가된다. 이 변형의 하나의 변형양태에서, 극저온 유체의 제트는 공구의 일부분 및 작업편의 표면의 일부분에 충돌한다. 이 변형양태에는 수가지 변형들이 있다.
그 변형양태의 하나의 변형에서, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 90°이하의 충돌각(α)으로 공구의 부분에 충돌한다. 또 다른 변형에서, 극저온 유체의 제트는 약 30°이상 및 약 90°이하의 충돌각(α)으로 공구의 부분에 충돌한다. 또 다른 하나의 변형에서, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 180°이하의 전착각(β)으로 작업편의 표면에 충돌한다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법의 두번째 실시양태는, 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하기 전에, 또는 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에, 또는 작업편을 형성 또는 성형하기 전과 작업편을 형성 또는 성형하는 중의 양자 기간 모두에 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것을 포함한다. 이 실시양태의 하나의 변형에서, 작업편의 표면 경도는 열 처리, 화학적 처리 및 기계적 처리 중 하나 이상에 의해 증가된다.
절삭 공구를 이용하여 기계가공된, 표면 강도를 갖는 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법의 세번째 실시양태는, 절삭 공구를 이용하여 작업편을 기계가공하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것을 포함하며, 여기에서 작업편의 표면 경도는 절삭 공구의 일부분 이상 및 작업편의 일부분 이상을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 증가되고, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 90°이하의 충돌각(α)으로 절삭 공구의 일부분에 충돌하고, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 180°이하의 전착각(β)으로 작업편의 표면에 충돌한다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법의 네번째 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 첫번째 단계는, 한제의 공급을 제공하는 것이다. 두번째 단계는 작업편에 인접한 노즐을 제공하는 것이다. 노즐은 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구이다. 두번째 요소는 하나 이상 의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분이다. 세번째 요소는 업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분이다. 네번째 요소는 다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구이다. 세번째 단계는 노즐의 하나 이상의 입구에 한제의 일부분을 전달하여, 거기에서 한제는 노즐의 다운스트림 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리된다. 네번째 단계는 노즐의 하나 이상의 출구로부터 공구 및 작업편의 표면으로 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트의 일부분 이상을 분사하는 것이다.
네번째 실시양태의 하나의 변형에서, 노즐의 다운스트림 부분은 하나 이상의 발산벽, 및 팽창 제트 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽을 가진다. 그 변형의 하나의 변형양태에서, 하나 이상의 발산벽은 발산각을 가지고, 하나 이상의 수렴벽은 발산각보다 작은 수렴각을 가진다. 다른 하나의 변형양태에서, 발산벽은 주변 대기에 개방된다.
다른 하나의 실시양태는 절삭 공구를 이용하여 기계가공된 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법이다. 이 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 이 실시양태의 첫번째 세 단계들은 상기 논의된 방법의 네번째 실시양태의 첫번째 세 단계들과 동일하다. 네번째 단계는 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트의 일부분 이상을 노즐의 하나 이상 출구로부터 절삭 공구 및 작업편의 표면에 분사하는 것이며, 여기에서 노즐의 다운스트림 부분은 주변 대기에 개방된 하나 이상의 발산벽, 및 팽창 제트 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽을 가지고, 또한 하나 이상의 발산벽은 발산각을 가지고, 하나 이상의 수렴벽은 발산각보다 작은 수렴각을 가진다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 표면 경도를 갖는 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 방법이다. 이 방법의 첫번째 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 첫번째 단계는 작업편에 인접하고, 작업편을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구를 제공하는 것이다. 두번째 단계는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 것이다. 세번째 단계는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 상기 방법에 의해 형성 또는 성형되고, 향상된 표면 마무리 또는 향상된 표면 일체성, 또는 향상된 표면 마무리 및 향상된 표면 일체성의 양자 모두를 특징으로 하는 작업편이다. 본 발명의 이 측면에는 수가지 변형들이 있다.
한 변형에서, 작업편은 Ra-t=f2/(32r) (여기에서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경임)로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 가진다.
다른 하나의 변형에서, 작업편은, 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키지 않으면서 작업편을 형성 또는 성형함으로써 수득되는 또 다른 잔류 응력보다 더한 압축성, 더 깊은 신장, 또는 더한 압축성 및 더 깊은 신장의 양자 모두를 갖는 향상된 잔류 응력을 특징으로 하는 형성 또는 성형된 작업 표면을 가진다.
다른 하나의 변형에서, 작업편은 코발트(Co), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 갖는 하나 이상의 금속성 합금을 함유한다.
본 발명의 이러한 태양의 다른 변형들도 있다. 그러한 변형에서는, 작업편이 캐스트 형태, 단련 형태, 분말 야금 형태 및 복합 형태로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 형태이다. 다른 하나의 변형에서, 작업편은 하나 이상의 중합체 또는 하나 이상의 중합체-기재의 복합체를 함유한다. 다른 하나의 변형에서, 작업편은 향상된 피로 강도, 향상된 피로 수명, 향상된 응력-분해 내성 및 향상된 내부식성 중 하나 이상을 특징으로 하는 형성 또는 성형된 작업 표면을 가진다.
표면 경도를 갖는 작업편을 기계가공하기 위한 방법인, 다른 하나의 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 첫번째 단계는 작업편에 인접하고, 작업편을 성형하도록 적합화된 절삭 공구를 제공하는 것이다. 두번째 단계는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하는 것이다. 세번째 단계는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하면서 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것이며, 여기에서 성형된 작업편은 Ra-t=f2/(32r) (여기에서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경임) 로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 갖는 향상된 표면 마무리를 특징으로 한다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 표면 경도를 갖는 작업편으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 방법이다. 이 방법의 하나의 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 첫번째 단계는 작업편에 인접하고, 작업편을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구를 제공하는 것이다. 두번째 단계는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 것이다. 세번째 단계는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것이다. 네번째 단계는 공구를 이용하여 성형 또는 형성된 작업편으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제공하는 것이다.
이 방법의 하나의 변형에서, 마무리된 부품 또는 마무리된 제품은, 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 방법이 형성 또는 성형하는 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 방법이 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 이용하지 않으면서 작업편으로부터 제조되고, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택된다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 상기 방법에 의해 제조되고, 감소된 제조 비 용을 특징으로 하는 마무리된 부품 또는 마무리된 제품이며, 상기 감소된 제조 비용은 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 하나 이상의 다른 방법에 의해 제조된 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품의 보다 높은 제조 비용보다 작다.
표면 경도를 갖는 작업편으로부터 마무리된 부품을 제조하기 위한 방법의 다른 하나의 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 첫번째 단계는 작업편에 인접하고, 작업편을 성형하도록 적합화된 절삭 공구를 제공하는 것이다. 두번째 단계는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하는 것이다. 세번째 단계는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키는 것이다. 네번째 단계는 절삭 공구를 이용하여 성형된 작업편으로부터 마무리된 부품을 제조하는 것이며, 여기에서 마무리된 부품은 동등한 작업편을 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 방법이 성형하는 동등한 마무리된 부품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 방법이 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 이용하지 않으면서 작업편으로부터 제조되며, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택된다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된, 표면 경도를 갖는 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치의 첫번째 실시양태는, 공구 를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함한다. 이 장치의 첫번째 실시양태에는 수가지 변형들이 있다.
하나의 변형에서, 작업편의 표면 경도는 공구의 일부분 이상 또는 작업편의 일부분 이상, 및 공구의 일부분 이상 및 작업편의 일부분 이상을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 증가된다. 이 변형의 하나의 변형양태에서, 극저온 유체의 제트는 공구의 일부분 및 작업편 표면의 일부분에 충돌한다. 이 변형양태에는 수가지 변형들이 있다.
하나의 변형양태에서, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 90°이하의 충돌각(α)으로 공구의 부분에 충돌한다. 다른 하나의 변형에서, 극저온 유체의 제트가 약 30°이상 및 약 90°이하의 충돌각(α)으로 공구의 부분에 충돌한다. 다른 하나의 변형에서, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 180°이하의 전착각(β)으로 작업편의 표면에 충돌한다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된, 표면 경도를 갖는 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치의 두번째 실시양태는, 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하기 전에, 또는 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에, 또는 작업편을 형성 또는 성형하기 전과 작업편을 형성 또는 성형하는 중의 양 기간 모두에 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함한다. 이 실시양태의 하나의 변형에서, 작업편의 표면 경도는 열 처리, 화학적 처리 및 기계적 처리 중 하나 이상에 의해 증가된다.
절삭 공구를 이용하여 기계가공된, 표면 경도를 갖는 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치의 세번째 실시양태는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 기계가공하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함하며, 여기에서 작업편의 표면 경도는 절삭 공구의 일부분 및 작업편 표면의 일부분을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 증가되고, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 90°이하의 충돌각(α)으로 절삭 공구의 일부분에 충돌하고, 극저온 유체의 제트는 약 0°이상 및 약 180°이하의 전착각(β)으로 작업편의 표면에 충돌한다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치의 네번째 실시양태는 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 한제의 공급이다. 두번째 요소는 작업편에 인접한 노즐이다. 노즐은 다수의 하위 요소들을 포함한다. 첫번째 하위 요소는 한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구이다. 두번째 하위 요소는 하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분이다. 세번째 하위 요소는 업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분이다. 네번째 하위 요소는 다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구이다. 장치의 세번째 요소는 한제의 일부분을 노즐의 하나 이상 입구에 전달하기 위한 수단이며, 여기에서 한제는 노즐의 다운스트림 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리된다. 네번째 요소는 노즐의 하나 이상 의 출구로부터 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트의 일부분 이상을 공구 및 작업편의 표면에 분사하기 위한 수단이다.
네번째 실시양태의 하나의 변형에서, 노즐의 다운스트림 부분은 하나 이상의 발산벽, 및 팽창 제트 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽을 가진다. 이 변형의 하나의 변형양태에서, 하나 이상의 발산벽은 발산각을 가지고, 하나 이상의 수렴벽은 발산각보다 작은 수렴각을 가진다. 다른 하나의 변형양태에서, 발산벽은 주변 대기에 개방된다.
다른 하나의 실시양태는 절삭 공구를 이용하여 기계가공된 작업편의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치이다. 이 실시양태는 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 3가지 요소는 상기 논의된 네번째 실시양태의 첫번째 3가지 요소와 동일하다. 네번째 요소는 네번째 요소는 노즐의 하나 이상의 출구로부터 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트의 일부분 이상을 절삭 공구 및 작업편의 표면에 분사하기 위한 수단이며, 여기에서 노즐의 다운스트림 부분이 주변 대기에 개방된 하나 이상의 발산벽, 및 팽창 제트 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽을 가지며, 하나 이상의 발산벽은 발산각을 가지고, 하나 이상의 수렴벽은 발산각보다 작은 수렴각을 가진다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 표면 경도를 갖는 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 장치이다. 이 장치의 첫번째 실시양태는 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 작업편에 인접하고, 작업편을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구이다. 두번째 요소는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 수단이다. 세번 째 요소는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단이다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 상기 장치에 의해 형성 또는 성형되고, 향상된 표면 마무리, 향상된 표면 일체성, 또는 향상된 표면 마무리와 향상된 표면 일체성의 양자 모두를 특징으로 하는 작업편이다. 본 발명의 이 측면에는 수가지 변형들이 있다.
한 변형에서, 작업편은 Ra-t=f2/(32r) (여기에서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경임)로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 가진다.
다른 하나의 변형에서, 작업편은, 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 사용하지 않으면서 작업편을 형성 또는 성형함으로써 수득되는 또 다른 잔류 응력보다 더한 압축성, 더 깊은 신장, 또는 더한 압축성 및 더 깊은 신장의 양자 모두를 갖는 향상된 잔류 응력을 특징으로 하는 형성 또는 성형된 작업 표면을 가진다.
다른 하나의 변형에서, 작업편은 코발트(Co), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 티탄(Ti), 탄탈(Ta), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 갖는 하나 이상의 금속성 합금을 함유한다.
작업편의 또 다른 변형들도 있다. 그러한 변형에서, 작업편의 일부분 이상이 캐스트 형태, 단련 형태, 분말 야금 형태 및 복합 형태로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 형태이다. 다른 하나의 변형에서, 작업편은 하나 이상의 중합체 또는 하나 이상의 중합체-기재의 복합체를 함유한다. 다른 하나의 변형에서, 작업편은 향상된 피로 강도, 향상된 피로 수명, 향상된 응력-분해 내성 및 향상된 내부식성 중 하나 이상을 특징으로 하는 형성 또는 성형된 작업 표면을 가진다.
다른 하나의 실시양태로서, 표면 경도를 갖는 작업편을 기계가공하기 위한 장치는 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 작업편에 인접하고, 작업편을 성형하도록 적합화된 절삭 공구이다. 두번째 요소는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하기 위한 수단이다. 세번째 요소는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하면서 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단이며, 여기에서 작업편의 모양은 Ra-t=f2/(32r) (여기에서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경임)로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 갖는 향상된 표면 마무리를 특징으로 한다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 표면 경도를 갖는 작업편으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 장치이다. 이 장치의 하나의 실시양태는 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 작업편에 인접하고, 작업편을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구이다. 두번째 요소는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 수단이다. 세번째 요소는 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하면서 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단이다. 네번째 요소는 공구 를 이용하여 성형 또는 형성된 작업편으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 수단이다.
이 장치의 하나의 변형에서, 마무리된 부품 또는 마무리된 제품은, 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 장치가 형성 또는 성형하는 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 장치가 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 이용하지 않으면서 작업편으로부터 제조되고, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택된다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 상기 장치에 의해 제조되고, 감소된 제조 비용을 특징으로 하는 마무리된 부품 또는 마무리된 제품이며, 상기 감소된 제조 비용은 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 하나 이상의 다른 장치에 의해 제조된 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품의 보다 높은 제조 비용보다 작다.
표면 경도를 갖는 작업편으로부터 마무리된 부품을 제조하기 위한 장치의 다른 하나의 실시양태는 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 작업편에 인접하고, 작업편을 성형하도록 적합화된 절삭 공구이다. 두번째 요소는 절삭 공구를 이용하여 작업편을 성형하기 위한 수단이다. 세번째 요소는 절삭 공구를 이용하여 작 업편을 성형하면서 작업편의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단이다. 네번째 요소는 절삭 공구를 이용하여 성형된 작업편으로부터 마무리된 부품을 제조하기 위한 수단이며, 여기에서 마무리된 부품은 동등한 작업편을 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 장치가 성형하는 동등한 마무리된 부품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 장치가 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 사용하지 않으면서 작업편으로부터 제조되고, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택된다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 한제의 팽창 제트를 작업편의 표면에 분사하기 위한 노즐이다. 노즐의 첫번째 실시양태는 노즐 다수의 요소들을 포함한다. 첫번째 요소는 한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구이다. 두번째 요소는 하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분이다. 세번째 요소는 업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분이다. 네번째 요소는 다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구이다. 다섯번째 요소는 한제를 노즐의 다운스트림 부분 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리시키기 위한 수단이다.
노즐의 두번째 실시양태는 첫번째 실시양태와 유사하나, 한제의 팽창 제트를 한정수용하도록 적합화된 내부 팽창 체임버를 포함하며, 여기에서 노즐은 공구 경사면을 갖는 절삭 공구를 클램핑하도록 적합화된다.
본 발명의 첫번째 실시양태에는 수가지 변형들이 있다. 하나의 변형에서, 노즐의 다운스트림 부분은 하나 이상의 발산벽, 및 한제의 팽창 제트 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽을 가진다. 그 변형의 하나의 변형양태에서, 발산벽은 발산각을 가지고, 수렴벽은 발산각보다 작은 수렴각을 가진다. 다른 하나의 변형양태에서, 발산벽은 주변 대기에 개방된다.
다른 하나의 실시양태는 작업편의 표면에 한제의 팽창 제트를 분사시키기 위한 노즐이다. 이 실시양태는 다수의 단계들을 포함한다. 이 실시양태의 첫번째 5가지 요소는 노즐의 첫번째 실시양태의 첫번째 5가지 요소들과 동일하다. 여섯번째 요소는 한제의 팽창 제트를 한정수용하도록 적합화된 내부 팽창 체임버를 포함하며, 여기에서 노즐의 다운스트림 부분은 주변 대기에 개방된 하나 이상의 발산벽, 및 한제의 팽창 제트 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽을 가지며, 발산벽은 발산각을 가지고, 수렴벽은 발산각보다 작은 수렴각을 가지며, 노즐은 공구 경사면을 갖는 절삭 공구를 클램핑하도록 적합화된다.
본 발명은 표면 마무리를 향상시키거나 표면 조도를 감소시키고, 작업물의 표면 일체성을 향상시키거나, 작업물의 경도를 증가시킴으로써 압축 잔류 표면 응력을 증가시키기 위한 방법 및 장치를 포함한다. 본 발명이 절삭 공구를 이용하여 작업물을 기계가공하는 것에 관한 영역에서 본원에 논의되나, 당업자는 본 발명이 더 광범위한 용도를 가지며, 다른 유형의 기계가공, 롤링, 벤딩, 스탬핑, 프로파일링, 드로잉 등을 비제한적으로 포함하는 다른 많은 성형 및 형성 공정들에서 사용될 수 있음을 인지할 것이다.
작업물은, 적당한 열 처리, 화학적 처리 또는 기계적 처리(이는, 예컨대 마텐자이트성 스틸의 급냉(quenching)-템퍼링, J.Y. Huang 등(극저온 처리된 M2 공구 스틸의 미세구조(Microstructure of cryogenic treated M2 tool steel), Materials Science and Engineering, A339, 2003, pp. 241-244)에 의해 예시된 바와 같은 극저온 급냉 처리와 같은 변형 경화, 확산 침탄, 질화, 침탄질화, 베이킹, 에이징, 레이저 글레이징, 용접아크(GTAW) 고화 경화, 중합체 가교결합 및 자외선 경화, 샷-피닝 또는 롤링을 통한 작업 경화, 단조, 냉압출 및 드로잉, 냉프레싱, 조밀화 또는 코이닝, 및 이들의 조합을 비제한적으로 포함함), 및 작업물의 유형에 따라 선택되는 통상적으로 사용되는 처리들에 의해, 기계가공 및 다른 성형 작업들 전에 경화될 수 있다. 이 작업 표면 경화 작업들 중 많은 작업들이 본 발명의 성형 단계 직전에, 예컨대 동일한 작업편 셋업, 동일한 제조 시스템, 또는 동일한 자동화 전달 라인에서, 작업 표면과 마무리-절삭 또는 형성 공구가 접촉되기 직전에 수행될 수 있음을 이해하여야 한다. 성형 공구 전에 용이하게 채택될 수 있는 경화 작업의 하나의 예가, Kumar 등 (US 6,454,877 B1)에 의해 교시된 바와 같은 탄소를 함유하는 기체 스트림 내에서의 표면의 유도 경화 및 레이저 처리이다.
극저온 냉각은 액체, 증기 또는 고체상에서 작업물을 한제와 접촉시킴으로써 달성될 수 있다. 1 대기압에서 물의 빙점보다 훨씬 낮은 온도에서 모두 비등하는 바람직한 불활성 극저온 액체는 액체 질소, 액체 아르곤, 액체 이산화탄소 및 액체 헬륨을 포함한다. 그러나, 당업자는 액체, 기체, 및 기체 입자들의 다른 극저온 혼합물이 한제로서 사용될 수 있음을 인지할 것이다.
바람직한 극저온 냉각 방법은 매우 국소화되어야 하며, 수명이 짧은 경화 효과를 생성시켜야 한다. 극저온 유체를 분사 또는 분무함으로써, 비용이 많이 들고 비실용적인 공정인 전체 작업편을 동결시켜야 할 필요가 없다. 최종 생성물을 기계가공에 사용되는 공급원료보다 더 경질이 되도록 하는 것이 요망되는 때에는 본 발명의 경화 표면 처리 기술을 이용할 수 있고, 한편 기계가공 후에 초기 물질 경도를 유지하는 것이 요망되는 경우에는 극저온 냉각 기술을 이용할 수 있다. 또한, 작업물은, 기계가공된 부품의 표면 마무리 및 표면 일체성을 최대화하기 위해, 표면 처리에 의한 기계가공 작업 이전에 또한 극저온 냉각에 의한 기계가공 작업중에 경화될 수 있다.
본 발명의 다른 하나의 측면은 절삭 공구, 또는 또 다른 성형 또는 형성 공구, 및 작업편 표면에 극저온 유체를 분사하는 최적화 방법이며, 이 방법은 공구 수명을 최대화하고, 이로써 제조 생산성을 증가시키고, 소비 냉각제의 비용을 포함하는 제조 비용을 절감함과 동시에, 특정한 냉각 및 작업물 경화 요건을 충족하기 위한 시행착오에 의해 개발되었다. 또한, 기계가공을 위한 새로운 유형의 극저온 노즐이 개발되었다. 이에 따라, 본 발명은 가공된 부품(심지어 그 부품이 경질인 경우에도)의 표면 마무리 및 표면 일체성을 향상시키고, 사용자가 다수의 제조 단 계들을 생략할 수 있도록 하는, 깨끗하고, 비용 효과적이며, 가속화된 제조 방법을 포함한다.
본 출원인이 본 발명을 이용하는 동안에, 금속성, 복합성 및 중합체 작업물의 마무리 터닝에 대한 각종 관찰 및 발견들이 이루어졌다. 이 관찰 및 발견 중 일부는 이하 논의된다.
공구 경사면을 표적으로 하는 노즐을 이용하여 압축된 액체 질소(LIN) 냉각제, 또는 다른 액체 극저온 냉각제를 1-대기압 제트로 팽창시키면, 그 공구 경사면을 압축된 LIN과 접촉시키는 것보다 더욱 효과적인 공구 냉각이 초래된다. 이 효과를 가져오는 정확한 냉각 메커니즘은 명확하지 않으나, 본 출원인은 그것은 공구에 부딪히는 감압된 액체 소적의 보다 낮은 온도에 의해 설명될 수 있을 것으로 사료한다. 1-대기압에서의 LIN의 정상 온도는 -320℉이고, 120 psig로 압축된 LIN의 온도는 -275℉(즉, 45℉ 더 높음)이다. 본 출원인은, 공구 표면이 1-대기압 이하의 압력에서 LIN의 고속 이동 제트 또는 분무에 의해 부딪히게 될 때, 공구의 냉각이 가장 효과적이라는 것을 관찰하였다.
도 1A는 고속 이동 극저온 유체 제트 20가 1-대기압에서 공구 경사면 14에 충돌하는, 본 발명의 하나의 실시양태의 측면을 보여준다. 구성요소는 절삭 공구 12(또는 절삭 삽입부), 공구 경사면 14, 공구 홀더 16, 제트 20을 방출시키는 관형 노즐 18 및 작업편 22를 포함한다. 공구 경사면 14의 냉각이 가장 바람직한 방법일지라도, 주요 및 비주요 측부 또는 후연 측부와 같은 다른 공구 표면의 냉각도 또한 본 발명의 범주 내에 포함된다.
공구 경사면 14는 절삭 가장자리를 초과하여 연장되어, 작업편 22로부터 전단되어 나온 물질 칩과 접촉된 상태로 유지되는 절삭 공구 12(또는 절삭 삽입부)의 표면이다(경사면은 작업편으로부터 떨어져 나온 칩의 흐름을 지휘하는 절삭 가장자리 부근의 절삭 공구 표면이다. 경사면은 완전히 평평하거나, 면취형일 수 있거나, 성형 또는 플레이트의 첨가에 의해 제조된 더욱 복잡한 3차원 표면형상외형을 가져, 증진된 콘트롤 칩 흐름 및/또는 칩 브레이킹을 제공할 수 있다).
본원에 사용된 용어 "절삭 공구" 및 "절삭 삽입부"는 상호교환적이다. 절삭 삽입부는 절삭 가장자리 및 경사면을 갖고, 적당한 공구 홀더에 장착된, 경질의 물질, 예컨대 WC-Co, CBN, Al2O3 또는 Si3N4로 된 지시가능한 대체성 절삭 공구이다.
도 1B 및 1C는 이하 논의되는 특성을 갖는, 도 1A 에 나와 있는 실시양태의 특정한 특성을 설명한다. 도 1A 내지 1C에서의 화살표는, 작업편 22의 회전 방향,절삭의 공구 깊이(d), 이송속도(f), 및 극저온 유체의 노즐 18로의 공급을 보여준다.
도 1C는 A로 표시되는 분무 임팩트 면적을 보여준다. 공구 경사면 14에 대한 분무 임팩트 면적(A)의 증가는, 절삭 공구 12의 향상된 냉각을 가져온다. 그러나, 분무 임팩트 면적을 증가시기키기 위해 노즐 18의 출구와 경사면 간의 거리를 증가시키면, 제트 20이 공기를 통해 이동할 경우에 냉각 효율을 감소시킨다. 본 출원인은 매스-플럭스 밀도 또는 임팩트 밀도의 강하에 부가하여, 관찰된 결과는 팽창 제트로의 공기의 혼입 및 극저온 소적의 과다 인-플라이트(in-flight) 비등으로부터 초래된다고 사료한다.
0°(접선 방향)에서 90°(법선 방향)로의 공구 경사면 14에 대해 수직인 평면에서의 제트 충돌각(α)의 증가는, 절삭 공구 12의 상당히 향상된 냉각을 초래하고, 이에 따라 더 긴 공구 수명, 또는 더 많은 열을 발생시키는 더 빠른 절삭 및/또는 더 경질인 작업 부품의 절삭 성능이 초래된다. 도 1A는 절삭 공구 12, 공구 홀더 16, 작업편 22 및 관형 분사 노즐 18의 배경에 대한 충돌각(α)을 보여준다. 경질이거나 경화된 작업편의 효과적인 절삭을 위해서는 큰 충돌각(α)이 필요하고, 각의 효과는 작업편의 경도에 비례한다.
공구 경사면 14의 평면에서의 제트 전착각(β)의 증가는 작업 표면의 조도를 감소시킨다. 도 1B 및 1C는 둥근 절삭 공구 12, 공구 홀더 16, 작업편 22 및 관형 분사 노즐 18의 배경에 대한 제트 전착각(β)을 설명한다. 도 1C에 나와 있는 공구 경사면 및 작업 표면 상의 충돌 지점 또는 분무 임팩트 면적 A간의 거리 L은, 튀긴 제트가 상기 논의된 자유 제트보다 더 적은 공기를 혼입하고 있기 때문에, 결정적이지 않다. 결정적인 것은, 전착각(β)이 튀긴 제트가 적어도, 절삭 공구와 작업편 간의 접촉의 전체 길이에 도달하는데 충분하다는 것이다. 도 1C에 나와 있는 바와 같이, 접촉 길이는 b1 점과 b2 점에서 연장된다. 마무리 작업에서 빈번하게 겪게 되는, 둥근 코너의 곡률상의 둥근 공구 또는 공구 절삭의 경우, 접촉 길이 b1 - b2는, 하기 방정식을 이용하여, 도 1B 및 1C에 나와 있는 절삭 깊이(d), 공구 반경(r) 및 공구 이송속도(f)로부터 계산될 수 있다:
어떠한 특별한 이론에 의해서도 국한되지 않고자 하면서, 본 출원인은 작업 표면 마무리에 대한, 충분히 큰 전착각(β)의 놀라운 원하는 영향이 분명히 작업 표면의 칠링 및 경화, 작업물 칩의 얇은 후연 말단의 칠링 및 경화, 및 효율적인 극저온 냉각없이 표면 마무리를 조절하나 더 빨리 마모되는 절삭 공구의 후연 가장자리의 원래의 기하학적 구조의 보존과 관계있다고 사료한다.
증가하는 전착각(β)에 기인하는 작업 표면 마무리의 향상 정도는 작업물의 초기 경도에 반비례한다. 이는 작업물의 초기 경도에 정비례하는, 공구 수명에 대한 충돌각(α)의 영향과 대조적이다. 이로써 이해할 수 있는 바, 상이하게 성형된 공구(예컨대, 다각형 공구)가 또한 본 발명에 따른 기계가공 작업에서 사용될 수 있고, 충돌각(α) 및 전착각(β)의 원하는 값을 형성할 수 있다.
충돌각(α) 및 전착각(β)의 다소 정확한 조절은, 팽창하는 극저온 유체 제트가 표적 경사면 위에 적어도 부분적으로 한정수용되는 경우에서만 실용적이다. 이는, 단순한 비한정수용된 노즐, 예컨대 관형 및/또는 수렴 노즐 또는 둥글거나 다각형인 단면을 갖는 더욱 더 정확히 분사하는 수렴-발산 노즐로부터 방출되는, 자유 팽창하는 비제한 극저온 제트가 상승된 공급 압력에서 대기압으로 감압될 때 방사상으로 광대화, 즉 "부시-아웃(bush-out)"되는 경향이 있다. 방사상 부싱(bushing)의 정도는 노즐에 들어가는 극저온 스트림의 온도 및 상 조성(증기상 함 량)에 매우 의존적이다. 극저온 스트림의 온도 및 상 조성은 변동을 피하기 어렵기 때문에, 팽창 제트가 적어도 부분적으로 한정수용되는 노즐을 사용하는 것이 유익하다. 그러한 향상된 노즐은 또한, 비등하는 극저온 유체와 공구 경사면 사이의 표면 접촉 면적 또는 분무 임팩트 면적(A)을 최대화하고, 그 비등하는 면적에 대한 압력 증강을 막아야, 즉 본질적으로 1-대기압을 유지하여야 한다.
도 2B 내지 2E는 한정수용된 제트 노즐 32을 이용한 본 발명의 하나의 실시양태를 보여준다. 극저온 유체 제트의 방사상 부싱, 및 (도 2A에서와 같은 단순 노즐에 의해 생성된 자유-팽창 제트에 있어 전형적인) 따뜻한 주변 공기의 혼입을 막기 위해, 본 발명의 (도 2B 내지 2E 에 나와 있는) 노즐 32는 공구 경사면 14의 바로 위에 위치한 돔 30 내부에서 극저온 유체를 상승된 공급 압력에서 대기압으로 팽창한다.
도 2B는 유체 제트 한정수용의 원리를 설명한다. 도 2B에 나와 있는 바와 같이, 노즐 32의 다운스트림 부분 내부에서의 팽창 및 감압 동안 극저온 제트는 증기 부분, 및 전형적으로 액체 스트림인 응축상 부분으로 분리된다. 일부의 경우들에서, 응축상 부분은 팽창하는 냉 이산화탄소(C02) 기체 또는 액체의 경우에서와 같이 미세한 얼음 입자들 또는 극저온 슬러시를 포함할 수 있다. 보다 높은 밀도 및 불활성으로 인해, 응축상 부분이 원래의 축을 따라 팽창을 계속하려고 하나, 반사되어 수렴벽 34를 따라 팽창을 계속한다. 원래의 축에 대한 수렴벽의 수렴각 36은 도 2B에 나와 있는 바와 같이, 원하는 유체 감압 및 제트 팽창을 확실히 하기 위해서 발산벽 42의 발산각 40 이하이어야 한다.
전형적으로, 수렴벽 34의 초기 각은 0°내지 60°에서 변화할 수 있으나, 수렴벽의 곡률은 어느 정도의 거리의 다운스트림에서 증가할 수 있고, 원래의 축에 대한 수렴벽의 최종 수렴각 36은 90°정도 클 수 있다. 제트 충돌각(α) 및 공구 냉각 효과를 결정하는 것이, 이 최종 수렴각이다. 각이 급할수록, 더 좋다.
전형적으로, 발산각 40은 발산각이 수렴각 36보다 항상 크다는 제한 조건 하에서, 다른 노즐 설계 고려사항들에 따라 원래의 축에 대해 30°내지 175°에서 변화할 수 있다. 그렇게 선택된 벽 각의 순 결과는, 응축상 부분(예컨대, 액체)으로부터 증기 부분을 분리하고, 원하는 방향으로 또한, 원하는 각에서 응축상 부분을 팽창시키는 성능이다. 그 결과는, 분리된 응축상 부분(예컨대, 액체)이 증기 부분보다 냉각에 있어 상당히 더 효과적이기 때문에 매우 중요하다.
도 2C는 상술한 원리에 따라 설계된 한정수용 노즐 32의 작업을 설명하고, 돔 30, 또는 공구 경사면 14의 바로 위에 위치한 노즐의 공동 내부에서의, 상승된 공급압력에서 대기압(1 atm)으로의 한제의 팽창을 가리킨다. 돔의 바닥 가장자리와 경사면 간의 간격은 돔 내부에서의 원하지 않는 압력 증강을 막기 위해 충분하다. 작업편 22와 마주하는 돔의 바닥 가장자리의 전면은 가장 원하는 방향으로 한제의 주요 부분을 분출시키기 위해 홈이 새겨지거나 패일 수 있다. 앞의 홈 또는 홈들의 모양 및 크기는 전착각(β)의 원하는 값을 수득하기 위해 선택될 수 있다. 돔의 높이 및 내부 곡률은 원하는 제트 충돌각(α)을 생성시키기 위해 선택될 수 있다. 또한, 분무 임팩트 면적 또는 접촉 면적(A)은 돔의 기저부의 크기를 확대함으로써 편 리하게 최대화될 수 있다.
액체-기재의 극저온 스트림을 분사할 때, 돔 30 내부에서의 압축된 한제의 팽창은 실질적으로 더 차가운 액체 및 증기상을 생성시킨다. 액체상은 실질적으로 더 높은 밀도로 인해, 업스트림에 위치한 제한 오리피스의 배향에 의해 지정되는 원래의 방향으로 팽창을 계속하고, 돔의 내부 벽 상에 반사되어진다. 결과적으로, 액체상은 돔의 곡률에 대한 접선에서와 동일한 각으로 공구 경사면 14 상에 충돌한다. 이에 따라, 충돌각(α)은 돔의 곡률 및 상승에 의해 용이하게 설정될 수 있고, 이에 따라 가령 30°또는 심지어는 80°보다 급한 충돌각(α)을 만들어내는 것이 어렵지 않다.
극저온 유체의 액체 부분은 돔 30의 내부 곡률에 따라 팽창하고, 앞의 홈을 통해 돔을 떠나며, 한편 (액체보다 훨씬 더 밀도가 낮은) 증기는 공구 경사면 14로 다시 뒤로 밀려, 돔의 바닥과 경사 사이에 간격이 있다. 본 발명의 노즐 32는 본질적으로 절삭 공구의 가장 뜨거운 부분쪽으로 가장 차가운 액체상을 분출하고, 돔의 기저부의 측면을 통해 차가운 증기를 제거하는, 원심 상분리장치이다.
도 2D 및 2E는 본 발명의 노즐 32의 2가지 가능한 형태의 상단면을 보여주며, 여기에서 돔30의 앞 부분은 구형 곡률 또는 평평하게 굽은 벽으로 종결되어, 액체 극저온 유체의 다소 한정된 스트림을 생성시킬 수 있다. 돔의 앞 부분의 모양에 상응하는 것은, 구형으로 굽은 돔에서는 둥글고 평평한 벽의 굽은 돔에서는 슬릿 모양인 업스트림에서의 제한 오리피스의 모양일 수 있다.
본 발명의 노즐 32는, 기계가공된 작업 표면에서 나오는 칩이 통상적인 냉각 제 노즐의 앞에서 얽히거나, 그 노즐과 충돌하거나 교착하는 경향이 있다. 노즐이 컴팩트 설계는 절삭 삽입부를 고착하는 통상적인 클램프의 말단에 그것을 탑재하거나, 노즐의 뒤 말단에 홀딩 볼트를 부착시킬 수 있도록 하여, 그것이 삽입 클램프 및 냉각제 노즐로 동시에 된다.
본 출원인은, 작업물 경도의 증가는 바람직하게도 절삭 공구의 유용한 수명 동안 기계가공된 상태의 작업 표면의 조도를 감소시키나, 바람직하지 못하게도 표면인 절삭 공구의 유용한 수명을 단축시키는 경향이 있음을 관찰하였다. 표면 조도는 표면 마무리의 가장 보편적인 측정이고, 마무리 작업에서 표면 마무리를 최대화하거나 조도를 최소화하는 것이 요망된다. 터닝 시의 표면 조도가 연삭 작업에서 통상적인 낮은 값으로 감소될 때, 연삭 단계를 생략하여 전체 제조 공정을 단축함으로써 실질적인 절감이 생길 수 있다. 제조산업에서 직면하는 도전적인 과제는, 감소된 절삭 공구 수명이 증가되는 생산 비용과 불량한 생산율을 초래하기 때문에, 절삭 공구 수명을 감소시키지 않으면서 표면 마무리를 향상시키는 것이다. 극저온 유체 충돌각(α)이 충분히 가파를 경우, 절삭 경질의 작업물을 절삭하는 동안의 짧은 공구 수명의 문제가 감소된다.
표면 마무리를 증진시키고(즉, 조도를 감소시키고), 표면 일체성을 증진시키는(즉, 압축 응력을 증가시키는) 작업 표면의 경화는, 물질 표면이 기계가공 작업 중에만 차고 효과적인 하나의 지속된다. 이는 영구적 또는 일시적일 수 있고, 이는 작업 표면의 영구적 예비경화는 열-처리, 확산 침탄, 질화, 중합체 가교 등을 포함할 수 있다. 본 출원인이 관찰한 대로, 동일한 작업물은 기계가공 전의 영구적 처 리에 의해 경화되는 경우, 더욱 양호한 표면 마무리를 생성시킨다. 이는 전착각(β)을 증가시키는 것을 포함하지 않는, 표면 마무리를 향상시키는 대안적 방법이다.
그러나, 충분히 큰 전착각(β)으로 분무된 한제를 이용하여 기계가공하는 동안의 작업물의 예비경화 및 그것의 부가적 경화의 조합은 종종 표면 마무리의 추가적 향상을 초래한다. 본 출원인은 이미 예비경화된 작업물(예컨대, 급냉 및 템퍼링 또는 침탄에 의해 경화된 스틸)에 대해 극저온 칠링을 이용하는 경우, 기계가공된 상태의 표면 조도가 통상적으로 계산되는 이론적 조도(Ra-t)의 한계치로 바로 떨어지고, 절삭 공구의 후연 가장자리의 기하학적 구조가 올바른 경우, 기계가공된 상태의 표면 조도가 심지어 통상적 한계치(Ra-t) 미만로 떨어진다는 것을 관찰하였다.
터닝에 있어서의 이상적인 산술 평균 표면 조도(AA) 또는 통상적 Ra-t 한계치는, C. Feng의 표면 조도에 대한 터닝 변수의 영향에 관한 실험적 연구(An Experimental Study of the Impact of Turning Parameters on Surface Roughness), 논문 번호 제2036호, Proceedings of the 2001 Industrial Engineering Research Conference of the Institute of industrial Engineers (2001) 출처의 하기와 같은, 공구 이송속도(f) 및 공구 노우즈 반경(r)로부터 주로 계산된다:
이 계산은 광범위하게 수용되나, 터닝 공구의 공구 기하학적 구조 및 이송속 도가 단지 최대 피크-투-밸리(peak-to-valley) 조도(Rt)의 정확한 계산만을 허용하고, Rt/Ra-t의 비 = m 은 단순히 전형적인 터닝 조건에 대한 평가이기 때문에, 대략적일 뿐이다. 마무리 터닝에 대한 본 출원인의 실험적 연구는 그 비(m)가 3.6 내지 7.8에서 변화할 수 있음을 보여준다하더라도(per C. Feng), 본 출원인은 터닝에 있어서 이상적 산술 평균 표면 조도(AA)에 대한 기준 한계치로서 여기에서 Ra-t 및 m = 4에 대한 표현을 사용한다.
금속성, 복합성 및 중합체 작업물의 마무리 터닝에 대한 본 출원인의 연구 중에 이루어진 관찰 및 발견은 하기 5가지 정성적 방정식에서 통합될 수 있고, 여기에서 Ra은 기계가공된 표면의 산술 평균 표면 조도이고, H는 절삭 작업 중의 작업물의 경도이며, t는 절삭 공구의 수명이고, α는 노즐-조절 극저온 제트의 충돌각이고, A는 비등 극저온 유체에 의해 부딪치는 공구 경사면의 노즐-조절 면적이며, H0은 작업물의 초기 경도이며 ΔHp는 임의적 예비경화 단계의 결과에 따른 작업물 경도의 증가값이며, β는 노즐-조절 극저온 제트의 전착각이며, f는 절삭 중의 공구 이송속도이고, r은 공구 노우즈 반경, Ra-t는 둥근 절삭 가장자리에 대한 이론적 조도 한계치이고, n 및 m 은 시편에 대한 기계가공 시험으로부터 구해질 수 있는 0 이상의 상수이며, 표시 "~"는 비례를 의미한다.
실시예 1:
각종 유속 및 공급 압력에 대해, 절삭 삽입부의 냉각에 대한 극저온 제트 충돌각(α)의 영향을 평가하였다. 액체 질소(LIN) 냉각제를 도 2A에 나와 있는 것과 같은 2개의 단순한 관형 노즐을 이용하여 분사하였다. 곧은 벽 또는 수렴만의 유체 통과보다 더욱 정확히 팽창 극저온 제트를 집중시킬 수 있는 수렴-발산의(CD), 라발(Laval)-형 유체성 통과를 형성하도록, 노즐의 내부 종결을 성형하였다. 첫번째 CD 노즐의 목의 가장 좁은 구획은 직경 0.019 인치이었고, 두번째 CD 노즐은 직경 0.025 인치였다. 120 psig의 공급 압력에서, 보다 작은 노즐은 1.1 lbs/분의 LIN를 분사하였고, 보다 큰 노즐은 1.8 lbs/분의 LIN을 분사하였다. 60 psig의 감소된 공 급 압력에서 보다 큰 노즐을 이용한 부가적 시험은, 팽창 제트가 더욱 한정수용되거나 덜 부시적이며, 그것의 유속이 1.2 lbs/분의 LIN임을 보여주었다.
각 노즐에 의해 생성된 LIN 제트는 전형적으로 마무리 작업에서 사용되는 절삭 삽입부의 경사를 표적으로 하였다: 비교적 비전도성인 Al2O3-TiCN 세라믹 복합 물질로 된 CNGA/CNMG-432(ISO). 각 노즐의 출구와 경사면 간의 축 거리는 0.5 인치로 일정하게 유지되었다. 2 개의 충돌각(α) 을 각 분사 조건에 대해 평가하였다:40°및 85°. 마이크로-열전쌍을 절삭 노우즈 아래에서, 삽입부 바로 아래에 두어, 실온으로부터의 LIN 분사의 첫번째 2분간의 온도 변화를 탐지하였다. 도 3에 그래프로 표시된 시험 결과는, 급한 제트 충돌각(a=85°)이 절삭 삽입부의 급속하고도 효과적인 냉각을 위해 가장 중요한 인자임을 보여준다. 팽창 중의 제트 부싱의 영향은 덜 중요하나 무시할 수는 없으며, 더욱 한정수용된, 60-psig 제트는 120-psig 제트보더 더 효과적이었다. 가장 놀랍게도, LIN 유속의 영향은 3가지 인자들 중 가장 덜 중요한 것으로 나타났으며, 이는 가장 비용-효과적인 극저온 유체 제트 냉각 방법은 단순히 유속을 최대화하는 것이 아니라, 충돌각(α) 및 그것의 한정수용을 최적화한다는 것을 가리킨다.
마무리 터닝 작업에서 사용되는 다른 보편적인 절삭 삽입부를 이용하여 시험을 반복하였다: 전도성 WC-Co 탄화물 홀더에 접합된 열전도성 입방형 질화붕소(CBN) 절삭 노우즈로 된 CNGA/CNMG-432. 급한 제트 충돌각(α=85°)에서, 냉각 속도는 비전도성 세라믹 삽입부에서와 동일한 것으로 나타났고; CBN/WC-Co 냉각 속도 는 이전보다 또한 단지 낮은 충돌각(α=40°)에서 단지 다소 높았다. 이에 따라, 제트 충돌각(α)의 조절은 경질 작업물의 효과적이고 급속한 절삭에 필요한 절삭 공구의 노우즈의 냉각에 효과적인 것으로 다시 한번 밝혀졌다.
실시예 2:
철, 흑연, 구리 및 니켈 분말을 예비혼합하여, FN-0208(MPIF 류) 조성물 (0.8 내지 0.9% C, 0.8% Ni, 2.0% Cu, 밸런스량 Fe, 이는 모두 중량 기준임)을 수득하였고, 이를 분말야금 (P/M) 디스크로 압축하고 소결하여, 2가지 상이한 밀도 수준을 달성하였다: 6.67 g/cm3 (6.67 Mg/m3), '저밀도' 물질, 14.5% 다공도 분획, 및 7.20 g/cm3 (7.20 Mg/m3), '고밀도' 물질, 7.7% 다공도 분획. 각 밀도군으로부터의 디스크의 절반을 계속하여 고도의 겉보기 경도를 달성하기 위한 통상적 절차를 이용하여 열처리함으로써 케이스 경화시켰다 - 저밀도 물질의 경우에는 30 HRC 이상, 또한 고밀도 물질의 경우에서는 40 HRC 이상.
이렇게 제조된 P/M 디스크의 표면 기계가공을 하기 변수들을 이용하여, 20 kW CNC 선반, 일정한 속도 작업으로 수행하였다: (1) 절삭 속도 1,000 ft/분 (305 m/분, 즉 5.08 m/초); (2) 이송속도 - 0.007 인치/rev. (0.178 mm/rev.); 및 (3) 절삭 깊이 - 0.008 인치 (0.203 mm). 2개의 절삭 가장자리(보편적인 접합된 팁형)을 갖는 BN250 급의 "저함량"의 시중 입수가능한 언더코팅된 PCBN 절삭 삽입부를 이용하였다. 삽입부 및 가장자리 기하학적 구조는 다음과 같았다: CNMA-433, 0.005-인치 랜드부 폭 (0.127 mm 폭 면접이대), -20°면접이대 각. 삽입부를 -5° 경사 및 -5°기울기 각을 특징으로 하는, 가장 통상적으로 이용되는 유형의 스틸 공구 홀더에 장착하였다. 절삭 유체 냉각의 가장 통상적인 방법을, 삽입부 및 P/M 디스크의 플러딩(flooding)을 포함하는 기계가공 중에 사용하였다. 사용된 유체, 즉 9 vol%의 수중유 유화액을 20 psig (1.38 bar) 공급 압력으로부터 튜빙(tubing)을 통해 삽입부 쪽으로 플러딩시켰다.
기계가공된 P/M 디스크의 표면 마무리를 테일러 홉슨사(Taylor Hobson, Ltd.)로부터 시중 입수가능한 산술적 Ra-조도측정기 Surtonic 10을 이용하여 평가하였다. 물질 경도를 통상적인 마이크로경도 측정기를 이용하여, 비커스 단위(Vickers scale)(kG/mm2)로 측정하였다. 결과가 이하 표 1에 나와 있다. 표면 조도의 감소(즉, 경도 증가에 따른 표면 마무리의 향상)는 명백히 분명하고, 기계가공 전의 열-기계적 표면 경화가 초마무리를 위한 효과적인 방법임을 보여준다.
| P/M 물질 조건: | 겉보기 경도 HV | 진(true)(입자) 경도 HV | 조도, Ra(마이크로인치) |
| 소결된 상태/연질 디스크, 저밀도 | 99 | 186 | 44 |
| 소결된 상태/연질 디스크, 고밀도 | 127 | 189 | 43 |
| 열처리/경화 디스크, 저밀도 | 306 | 567 | 11 |
| 열처리/경화 디스크, 고밀도 | 399 | 569 | 8 |
실시예 3:
실시예 2로부터의 소결된 상태의 연질 P/M 디스크를, 액체 질소 (LIN) 극저온 제트 냉각, 및 도 2C 및 2D에 나와 있는 것과 같은 내부 팽창 체임버를 갖는 공구-클램핑 노즐을 이용하여 표면 기계가공하였다. 1.8 lbs/분의 LIN 질량 유속 및 100 psig(6.89 바)의 공급 압력에서, 노즐은 45°의 충돌각(α)으로 경사면에서 충돌하고, 90°의 전착각(β)으로 측면에 전착하는 제트를 생성시켰다. 비용-효과적인 시중 입수가능한 Al2O3-TiC 기재의 TiN-코팅된(PVD), 미세-그레인의 흑색 세라믹 절삭 삽입부로서, 4개의 절삭 가장자리 및 하기와 같은 기하학적 구조를 갖는 절삭 삽입부를 사용하였다: CNGA-433, 0.008-인치 랜드부(0.200 mm 폭 면접이대), -25°의 면접이대 각. 상이한 삽입부 및 냉각 방법과 별도로, 모든 다른 조건들은 실시예 2에서와 동일하였다.
도 2는 평균 공구 여유면 마모(Vb-ave)가 0.30 mm의 값에 도달하기 전에, 플러드 및 LIN 기계가공된 디스크의 기계가공된 상태의 표면조도 및 절삭 가장자리의 수명을 비교한다. 작업물 및 절삭 공구의 LIN 냉각 및 경화는 공구 수명뿐만 아니라, 표면 마무리의 실질적 향상을 초래한다는 것이 밝혀졌다.
도 4는 연질의 예비경화된 부품의 절삭에 관련된 공구의 수명을 비교한다. 공구의 수명은 일반적으로 물질 경도가 증가함에 따라 더 짧으나, 경질의 부품을 기계가공하는 동안 LIN-냉각된 공구의 수명은 통상적으로 경질의 부품을 기계가공하는 동안 플러드-냉각된 공구의 수명보다 더욱 길다. 이에 따라, 제조 공정으로부터의 연화 기계가공 단계를 완전히 생략한 후, 작업 표면을 경화시키고, LIN 냉각을 이용하여 마무리 터닝을 수행하는 것이 비용-효과적이다.
| P/M 물질 조건: | 냉각 방법 | 조도, Ra(마이크로인치) | 절삭 가장자리 수명 (P/M 디스크 절삭의 수) |
| 소결된 상태/연질 디스크, 저밀도 | 플러드 | 44 | 92 |
| 소결된 상태/연질 디스크, 저밀도 | LIN | 24 | 337 |
| 소결된 상태/연질 디스크, 고밀도 | 플러드 | 43 | 94 |
| 소결된 상태/연질 디스크, 고밀도 | LIN | 23 | 499 |
실시예 4:
표면 마무리에 대한 극저온 제트 전착각(β)의 영향을 작업물 경도 및 가소성의 함수로서 평가하였다. 의료용 코발트-크롬 합금, 즉 평균 경도 44 HRC를 갖는ASTM F-형 (Co-Cr-Mo-Ni-Fe-Si-W-Al-Ti)을 중간-경도의, 다소 고무질인 기계가공 물질로서 시험하기 위해 선택하였다. 보편적인 베아링 스틸, 즉 52100(1% C- 1.5% Cr-0.35% Mn-0.20% Si-적량 Fe)을, 경질 작업물들의 군을 나타내도록 60 HRC의 경도를 위해 급냉 및 저온 템버링함으로써 열-처리하였다. 양 물질 모두를 20 kW CNC 선반, 일정한 속도 작업, 및 동일한 유형의 시중 입수가능한 절삭 삽입부 및 공구 홀더를 이용하여 절삭하였다: 저렴한, 시중 입수가능한 Al2O3-TiC 기재의, TiN-코팅된(PVD), 미세 그레인의 흑색 세라믹 삽입부 CNGA-432, 0.004-인치 면접이대, -20°면접이대 각, 및 -5°경사/-5°기울기 각 공구 홀더. 기계가공 변수는 표 3에 나와 있는 바와 같이, 각 작업물에 따라 상이하였다.
2가지 유형의 공구-클램핑/내부 팽창 팽창 체임버 노즐을 2가지 작업물의 기계가공 중에 사용하였다: 첫번째는 도 2D에 나와 있으며, 90°의 전착각(β)을 가지고; 두번째는 도 2E에 나와 있고, 25°의 전착각(β) 을 가짐. 제트 충돌각(α)은 양 노즐 모두에 대해 동일하게 45°이었다. 각 노즐에 100 psig의 압력에서 LIN으로 공급하였고, 각기 분당 1.8 lbs의 LIN를 분무하였다.
이전 실시예들에서와 같이, 기계가공된 부품의 표면 마무리를 테일러 홉슨사로부터 시중 입수가능한 평균 산술적 Ra-조도측정기 Surtonic 10을 이용하여 조사하였다. AA 또는 CLA 조도로도 알려져 있는 수득된 작업 표면 조도 Ra를, 하기 기준 방정식으로부터 평가되는 이론적 표면 조도 한계치 Ra-t와 비교하였다: Ra-t=f2/(8mr) (여기에서, f는 공구 이송속도이고, r은 공구 노우즈 반경이며, m은 본 표면 마무리 절삭 작업을 위해 3.9로 추정되는 조도 전환 상수임). 하기 표 3의 결과는, (1) 큰 극저온 제트 전착각 β가 작업 표면 마무리를 향상시키나, 그 효과는 작업물 경도와 반비례하고; (2) 더 경질이고/이거나 예비경화된 작업물은 마무리를 이론적 조도 한계치 Ra-t를 이용하여 평가할 때, 보다 양호한 표면 마무리 1/Ra를 생성시키며, (3) 예비경화된 작업물과 절삭 중에 적용된 극저온 냉각제의 경화 효과의 조합은, 통상적으로 수용되는 이론적 조도 한계치 Ra-t 이하인 작업 표면 조도를 생성시킬 수 있다는 것을 보여준다.
| 작업물 | Co-Cr 합금 | 52100 베아링 스틸 | ||
| 표면 경도 | 44 HRC | 60 HRC | ||
| 절삭 속도 | 900 ft/분 | 650 ft/분 | ||
| 이송 속도 | 0.002 인치/rev. | 0.004 인치/rev. | ||
| 절삭 깊이 | 0.005 인치 | 0.008 인치 | ||
| 이론적 조도 한계치 Ra-t | 4.1 마이크로인치 | 16.4 마이크로인치 | ||
| 사용된 극저온 노즐의 전착각 β | 90° | 25° | 90° | 25° |
| 측정 조도 Ra(마이크로인치) | 7.6 | 12.0 | 8.0 | 8.3 |
| 이론적 조도 한계치 Ra-t의 퍼센트로서의 측정 조도 Ra | 185% | 293% | 49% | 51% |
표 3에 나와 있고, LIN-경화를 이용하여 생긴 낮은 조도 수준, 및 터닝 작업 중에 LIN-경화와 조합된 열 예비경화는, 이하 표 4에 나와 있는 산업적 표준 조도 수준과 비교시에 충분히 평가될 수 있을 것이다. 이에 따라, 본 출원인의 절삭 방법은 통상적인 연삭 및 래핑 작업이 제거될 수 있고, 미세한-마무리 부품의 제조 비용이 매우 감소되는 지점까지 작업 표면 마무리를 향상시킨다.
| 기계가공된 표면 마무리의 분류 (ASM 편람 데스크 에디션, 2001) | ||||
| 분류 | 조도 R | 마무리 생성을 위한 전형적 방법 | 대략적인 상대적 제조 비용 | |
| Mm | μin | |||
| 초(super) 마무리 | 0.10 | 4 | 연삭, 마이크로무광처리, 래핑 | 40 |
| 연마 | 0.20 | 8 | 연삭, 무광처리, 래핑 | 35 |
| 연삭 | 0.40 | 16 | 연삭, 래핑 | 25 |
| 평탄 | 0.80 | 32 | 연삭, 밀링 | 18 |
| 미세 | 1.60 | 63 | 밀링, 연삭, 리밍(reaming), 브로칭(broaching) | 13 |
| 반미세 | 3.2 | 125 | 연삭, 브로칭, 밀링, 터닝 | 9 |
| 중간 | 6.3 | 250 | 성형, 밀링, 터닝 | 6 |
| 반조질 | 12.5 | 500 | 밀링, 터닝 | 4 |
| 조질 | 25 | 1000 | 터닝 | 2 |
| 클린업 | 50 | 2000 | 터닝 | 1 |
실시예 5:
도 5에 나와 있는 바와 같이, 표면 마무리에 대한 공구 마모 및 냉각 방법의 영향을 평가하였다. 작업물은 실시예 3에서와 동일한 52100 베아링 스틸이었으나, 보다 높은 온도에서 템퍼링을 행하여 평균 표면 경도를 54 HRC로 감소시켰다. 절삭 속도가 650 ft/분에서 750 ft/분으로 증가하였으나, 이송속도, 절삭 깊이, 이론적 조도 한계치 (Ra-t), 툴링 및 LIN 공급 방법은 실시예 4에서 52100 물질에 대해 사용된 것들과 동일하였다. LIN 제트 충돌각(α) 및 전착각(β)는 각기 45°및 25°였다. 비교를 위한 플러드 기계가공 운용은 실시예 2에서와 같이 플러딩 방법을 사용하였다. 결과는, LIN 냉각된 공구의 여유면 마모가 플러딩된 공구의 여유면 마모보다 낮을지라도, LIN 기계가공된 물질의 표면 조도는 플러드 냉각의 경우에서보다 낮다는 것을 보여준다. LIN에 의한 삽입부 냉각의 강도는 절삭 가장자리를 보존하고, LIN의 낮은 각의 전착은 경질의 작업물의 표면 마무리를 향상시키기 위해 충분하다. 또한, LIN를 이용한 실제 조도는 이론적 한계치 Ra-t 이하이다. 도 5A 및 5B는, 여유면 마모 또는 공구의 노우즈 평면화 단독으로는 LIN를 이용한 낮은 조도 효과를 설명할 수 없다는 것을 보여준다. 표 5는 동일한 충돌각(α) 및 전착각(β)으로 LIN 분사하여 기계가공된 보다 경질인 스틸(실시예 4 참고) 및 보다 연질인 스틸(도 5B 참고)의 표면 마무리를 비교한다. 다소 보다 낮은 절삭 속도에서 기계가공된 보다 경질인 52100 표면은 다른 하나보다 더 매끄럽고, 이는 절삭 가장자리 주변의 칩 및 마이크로-소성의 유동 작업물 간의 차이를 가리킨다. 이는 절삭 중의 LIN 제트-냉각 및 작업 표면 예비경화가 표면 조도를 조절하기 위한 효과적 수단임을 부가적으로 입증하는 것이다.
| 작업 표면 경도 | 60 HRC | 54 HRC |
| 절삭 속도 | 650 ft/분 | 750 ft/분 |
| 측정 조도 Ra (마이크로인치) | 8.3 | 11 |
| 이론적 조도 한계치 Ra-t의 퍼센트로서의 측정 조도 Ra | 51% | 67% |
실시예 6:
25 vol% 유리 충전 나일론 복합체의 샘플, 및 폴리프로필렌, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 캐스트 아크릴 및 아세탈 동종중합체 Delrin
로 된 플레인 중합체의 샘플을, 본 발명의 LIN 표면 경화 방법을 이용하는 마무리 말단-밀링 및 쓰루-홀 드릴링 시험을 위해 제조되어 있다(Delrin
은 이 아이 듀퐁 드 네모아 앤드 컴퍼니(E.I. Du Pont De Nemours and Company)의 등록상표이다). LIN 제트를, 단순하나 정확히 분사하는, CD 오리피스로 종결되는 관형 노즐을 이용하여, 0.5 인치 거리로부터 75°의 급한 충돌각(α)으로 공구 작업 표면 접촉 구역에서 또한 그 구역 부근에 충돌시켰다. 쓰루-홀 드릴링의 경우, LIN의 두번째 제트를 드릴 비트의 출구측 상의 작업물 표면에 충돌시켰다. 결과는, LIN-경화가 기계가공 중의 이 중합체들의 표면 상에 전형적으로 형성되는 날카로운 버(bur)를 상당히 감소시켰음을 보여주었다. 출구측 불순물을 또한 쓰루-홀 드릴링의 경우, 출구 벽에 접근하는 드릴정 앞에서 물질의 가소성 파열을 최소화함으로써 제거하였다. 전반적 기계가공된 표면의 향상은 통상적인 건조 기계가공 공정에 비해 특히 상당하였다. 관찰된 향상은, 기계가공 작업자가 후속하는 디버링 단계를 생략할 수 있도록 하고, 또한 중합체성 부분의 표면을 오염시켜 부가적인 클리닝 단계를 필요로 하는 통상적인 윤활 플러드 냉각의 필요를 제거할 수 있도록 한다.
실시예 7:
작업 표면 일체성, 가장 구체적으로는 잔류 응력 분포에 대한 극저온 냉각의 영향을, 합금 스틸 링의 외경 마무리 경질 터닝 중에 평가하였다. 링은, 급냉하여 63 HRC 경도로 템퍼링한 M50 급 스틸(0.85% C-4.1% Cr-4.2% Mo-1% V-적량 Fe, 중량 기준)으로 제조되어 있다. 사용된 선반 및 공구 홀더는 실시예 2 내지 5에서와 동일하였다. 0.003 인치/rev.의 하나의 공구 이송속도를 이하 기술되는 모든 시험 운용 전반에서 사용하였다.
첫번째 시험인 시험 A는 실시예 2에서 상세하게 설명된 바와 같은, 통상적인 플러드 냉각, 및 사용 비용이 높고 시중 입수가능한 CBN 절삭 삽입부CNGA 432 KB5625를 이용하였다. 시험 A를 위해 선택된 공구, 냉각 방법 및 절삭 속도는, 최근 수년간 시행착오를 통해 개발되어 왔고, 이상적으로 매우 압축성을 가지나 공구가 마모되거나 속도가 더 높아질 때에는 더욱 신장성을 갖게 될 수 있는 수득된 잔류 응력에 대한 공구 수명(즉, 공구 비용 및 생산성)을 최적화하기 위해 채택되어온, 가장 전형적인 표준 산업적 기계가공 조건을 나타낸다. 다음 3가지 시험, 즉 B, C 및 D는 실시예 4에 상세하게 설명된 저비용의 Al2O3-TiC-기재의 절삭 삽입부를 사용하였다. 시험 B 내지 D를 위해 선택된, 생산율에 상응하는 절삭 속도는 시험 A에 의해 나타내어지는 통상적인 것보다 3.7배 더 컸다.
표 6은 4가지 모든 시험들을 위해 이용된 핵심 조건 및 냉각 방법을 제시한다. 각 극저온 시험은 냉각 매체로서 LIN을 사용하였고, 도 2E에 나와 있는 한정수용 제트 노즐 유형을 사용하였다. 그 노즐 내에 있는 한정수용 오리피스의 모양은 직사각형이었고, 크기는 0.080 인치×0.025 인치±0.010 인치였다. 공구-작업 접촉 아크의 전체 길이에 대한 공구 냉각 효과를 최대화하기 위해서는, 충돌각(α)은 비교적 급했고(65°), 전착각(β)은 좁았다(25°). 두번째 노즐, 즉 0.035 인치 ±0.005 인치의 제한 오리피스(목) 직경을 갖는 단순 CD 노즐을 동시에 사용함으로써, 작업물의 부가적 냉각 및 경화가 시험 C 및 D에 제공되었다. 두번째 노즐은 접촉 길이의 후연측 상의 절삭 가장자리 및 삽입부의 경사, 즉 1차 한정수용 제트 노즐에 의해 형성된 LIN 제트의 축의 단지 다운스트림을 표적으로 하였다.
"스틸의 잔류 응력 및 변형에 관한 편람(Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel)", G. Totten 등 저, ASM 인터내셔널, 미국 오하이오, 2002년, 제112~113면에 기재된 바와 같은 격자 공간 간격의 변화에 기초하는 표준 X-선 회절법을 이용하여 제시된 조건 하에서 기계가공된 링에 대해 잔류 응력을 측정하였다. 반복되는 단계적 X-선 측정 및 피험물 박막의 전기에칭의 부가적 절차를 사용하여, 물질 표면 아래에 더 깊은 응력 분포를 특정하였다. 제조 산업에서 통상 사용되는 단계적 절차는, E. Brinks 등의 발간물 "기계가공 공정에서의 잔류 응력-측정 및 원인(Residual Stresses - Measurement and Causes in Machining Processes)", Annals of the CIRP, Vol. 31/2/1982, 제491~510면에 기재되었다. 잔류 응력 분포의 X-선 측정 결과가 도 6에 플로팅되어 있다.
| 시험 | 절삭 속도(ft/분) | 절삭 깊이 (인치) | 냉각 방법 | 사용된 극저온 노즐 유형(들) | 비고 |
| A | 350 | 0.010 | 28 psig 후압으로부터 플러딩된 유화액 | 없음 | 기계가공에 의해 발생된 낮은 열 유입량 |
| B | 1300 | 0.010 | 100 psig 후압으로부터 분산된 LIN | 도 2E에 나와 있는 한정수용 제트 노즐 | 기계가공에 의해 발생된 높은 열 유입량 |
| C | 1300 | 0.015 | 100 psig 후압으로부터 분사된 LIN | 2가지 노즐이 사용됨: [1] 도 2E에 나와 있는 한정수용 제트 노즐, 및 [2] 도 2A에 나와 있는 CD 노즐 | 기계가공에 의해 발생된 최고의 열 유입량 |
| D | 1300 | 0.010 | 100 psig 후압으로부터 분산된 LIN | 2가지 노즐이 사용됨: [1] 도 2E에 나와 있는 한정수용 제트 노즐, 및 [2] 도 2A에 나와 있는 CD 노즐 | 기계가공에 의해 발생된 높은 열 유입량 |
플롯은, 잔류 응력이 4가지 모든 경우들에서 압축성을 가지거나, 극저온 냉각의 사용이 표면 압축 정도, 및 압축 응력이 가공된 물질에 통과할 수 있는 깊이를 상당히 증가시킴을 보여준다. 가장 많은 냉각 및 경화, 이중 노즐 배치를 이용하는 시험 C 및 시험 D에서 최적의 결과가 얻어진다. 시험 C는 시험 D보다 약간 덜한 압축 응력을 초래하는데, 그 이유는 그것의 절삭 깊이가 50% 더 높기 때문이며, 이는 즉 물질에 들어가는 열의 양, 또는 물질 연화 정도가 더 높음을 가리킨다. 작업 표면 및 공구 물질을 차갑고 경질로 유지시킴으로써, 개시된 극저온 방법 및 장치는 통상적인 CBN 공구보다 더욱 빨리 절삭할 수 있고, 더 생산적으로 작동할 수 있는 보다 저렴한 공구의 사용을 가능하게 한다. 또한, 증가된 절삭 속도에도 불구하고, 개시된 극저온 방법은 압축 잔류 응력(즉, 표면 일체성)을 증진시키고, 이에 따라, 신장-응력이 인가된 표면의 연마, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥-롤링, 및 기계가공 및 형성된 부품에서 압축 응력을 회복하는데 통상적으로 사용되는 유사 제조 단계들과 같은 부가적 다운스트림 작업들의 필요가 감소된다.
본 발명은 절삭 공구의 수명을 단축시키지 않으면서 달성되는 향상된 표면 마무리 및 표면 일체성을 특징으로 하는 작업 표면을 생성시킨다. 이는 제조 산업이 일부 업스트림 및/또는 다운스트림 제조 단계, 예컨대 연화 조질화, 및 연삭, 연마, 피닝, 버니슁 및 디버링을 생략할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 극저온 기계가공에 사용될 때, 사용자가 클리닝 단계를 생략할 수 있도록 한다. 요약컨대, 본 발명은 보다 낮은 단위 비용으로 자본을 덜 이용하여 더 빨리 부품을 생산할 새로운 가능성을 제공한다.
당업자는, 본 발명이 기계업, 광업, 에너지, 운송, 전기, 전자, 광학 및 의료 구성요소 및 장비의 제조업자를 포함하는 수많은 산업적 구획들에서 제품 품질의 향상 및 제조 비용의 감소를 가능하게 한다는 것을 인지하여야 한다. 본 발명에 따라 제조될 수 있는 구성요소의 예들은 금속 시이트, 스트립, 압출, 프로파일링된 모양 및 스탬핑, 스탬핑 공구, 다이, 몰드, 드릴, 롤, 샤프트, 베아링, 부싱, 스핀들, 링, 실린더, 밸브, 패스너, 피팅, 휠, 기어, 블레이드, 및 게이지 및 기타 측정 기구, 전극, 열-싱크, 마이크로칩 패키징, 스퍼터링 타겟, 마스크, 레이저 미러 및 기타 구성요소들, 의료용 임플란트 및 기기, 또한 다양한, 치수정확한 가소성 및 복합성 구성요소들을 포함한다.
본 발명은 일부 특정한 실시양태들을 참고로 본원에서 설명되고 기술되어 짐에도 불구하고, 본 발명은 나타내어진 상세내용에 국한되지 않도록 하며, 청구범위의 동등 범주 및 범위 내에서, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한, 각종 변형이 이루어질 수 있다.
공구를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편의 표면 마무리 및/또는 표면 일체성을 향상시키기 위한 본 발명의 방법 및 장치, 및 작업편을 형성 또는 성형하기 위한 본 발명의 방법 및 장치는, 공구를 이용하여 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편의 표면 경도를 증가시킨다.
Claims (52)
- 공구(12)를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법으로서, 공구(12)를 이용하여 표면 경도를 갖는 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 것을 포함하는 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 공구(12)의 일부분 및 작업편(22)의 표면의 일부분에 충돌하는 것인 방법.
- 제3항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 0°이상 그리고 90°이하의 충돌각(α)으로 공구(12)의 부분에 충돌하는 방법.
- 제3항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 30°이상 및 90°이하의 충돌각(α)으로 공구(12)의 부분에 충돌하는 방법.
- 제3항에 있어서, 극저온 유체(20)의 제트가 0°이상 및 180°이하의 전착각(β)으로 작업편(22)의 표면에 충돌하는 방법.
- 공구(12)를 이용하여 형성 또는 성형된, 표면 경도를 갖는 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법으로서, 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 전, 또는 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안, 또는 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 전과 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 중의 양 기간 모두에 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 것을 포함하며, 또 상기 표면경도 증가단계는 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 수행되는 것인 방법.
- 제7항에 있어서, 작업편(22)의 표면 경도가 열 처리, 화학적 처리 및 기계적 처리 중 하나 이상에 의해 상기 작업편(22)의 형성 또는 성형 이전에 증가되는 것인 방법.
- 절삭 공구(12)를 이용하여 기계가공된, 표면 강도를 갖는 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법으로서, 절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 기계가공하는 동안에 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 것을 포함하고, 작업편(22)의 표면 경도가 절삭 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 증가되고, 극저온 유체의 제트(20)가 0°이상 및 90°이하의 충돌각(α)으로 절삭 공구(12)의 일부분에 충돌하고, 극저온 유체(20)의 제트가 0°이상 및 180°이하의 전착각(β)으로 작업편(22)의 표면에 충돌하는 것인 방법.
- 공구(12)를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법으로서,한제(cryogen)의 공급을 제공하는 단계;작업편(22)에 인접한 노즐(18)로서,한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구,하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분,업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분, 및다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구를 갖는 노즐(18)을 제공하는 단계;노즐(18)의 하나 이상의 입구에 한제의 일부분을 전달하는 단계로서, 한제가 노즐(18)의 다운스트림 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리되는 단계; 및노즐(18)의 하나 이상의 출구로부터 공구(12) 및 작업편(22)의 표면으로 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트(20)의 일부분 이상을 분사하는 단계들을 포함하는 방법.
- 제10항에 있어서, 노즐(18)의 다운스트림 부분이 하나 이상의 발산벽(42), 및 팽창 제트(20) 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽(34)을 가지는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 하나 이상의 발산벽(42)이 발산각(40)을 가지고, 하나 이상의 수렴벽(34)이 발산각보다 작은 수렴각(36)을 가지는 것인 방법.
- 제11항에 있어서, 발산벽(42)이 주변 대기에 개방된 방법.
- 절삭 공구(12)를 이용하여 기계가공된 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 방법으로서,한제의 공급을 제공하는 단계;작업편(22)에 인접한 노즐(18)로서,한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구,하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분,업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분,다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구를 갖는 노즐(18)을 제공하는 단계;노즐(18)의 하나 이상의 입구에 한제의 일부분을 전달하는 단계로서, 한제가 노즐(18)의 다운스트림 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리되는 단계; 및노즐(18)의 하나 이상의 출구로부터 공구(12) 및 작업편(22)의 표면으로 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트(20)의 일부분 이상을 분사하는 단계들을 포함하고, 노즐(18)의 다운스트림 부분이 주변 대기에 개방된 하나 이상의 발산벽(42), 및 팽창 제트(20) 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽(34)을 가지고, 하나 이상의 발산벽(42)은 발산각(40)을 가지고, 하나 이상의 수렴벽(34)은 발산각보다 작은 수렴각(36)을 가지는 것인 방법.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 위한 방법으로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구(12)를 제공하는 단계;공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 단계; 및공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 단계들을 포함하는 방법.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)을 기계가공하기 위한 방법으로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 성형하도록 적합화된 절삭 공구(12)를 제공하는 단계;절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하는 단계; 및절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하면서 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 단계로서, 여기서 성형된 작업편(22)은 Ra-t=f2/(32r)로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 갖는 향상된 표면 마무리를 특징으로 하며, 여기서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경인 단계들을 포함하는 방법.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 방법으로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구(12)를 제공하는 단계;공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 단계;공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 단계; 및공구(12)를 이용하여 성형 또는 형성된 작업편(22)으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하는 단계들을 포함하는 방법.
- 제17항에 있어서, 마무리된 부품 또는 마무리된 제품이, 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 방법이 형성 또는 성형하는 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 방법이 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 이용하지 않으면서 작업편으로부터 제조되고, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 방법.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)으로부터 마무리된 부품을 제조하기 위한 방법으로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 성형하도록 적합화된 절삭 공구(12)를 제공하는 단계;절삭 공(12)구를 이용하여 작업편(22)을 성형하는 단계;절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하는 동안에 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 단계; 및절삭 공구(12)를 이용하여 성형된 작업편(22)으로부터 마무리된 부품을 제조하는 단계로서,여기서 마무리된 부품은 동등한 작업편을 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 방법이 성형하는 동등한 마무리된 부품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 방법이 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 이용하지 않으면서 작업편(22)으로부터 제조되며, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택되는 단계들을 포함하는 방법.
- 공구(12)를 이용하여 형성 또는 성형된, 표면 경도를 갖는 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치로서, 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함하는 장치.
- 제20항에 있어서, 공구(12)의 일부분 이상 또는 작업편(22)의 일부분 이상, 및 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 작업편(22)의 표면 경도가 증가되는 것인 장치.
- 제21항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 공구(12)의 일부분 및 작업편 (22) 표면의 일부분에 충돌하는 것인 장치.
- 제22항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 0°이상 및 90°이하의 충돌각(α)으로 공구(12)의 부분에 충돌하는 것인 장치.
- 제22항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 30°이상 및 90°이하의 충돌각(α)으로 공구(12)의 부분에 충돌하는 것인 장치.
- 제22항에 있어서, 극저온 유체의 제트(20)가 0°이상 및 180°이하의 전착각(β)으로 작업편(22)의 표면에 충돌하는 것인 장치.
- 공구(12)를 이용하여 형성 또는 성형된, 표면 경도를 갖는 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치로서, 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 전에, 또는 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안에, 또는 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 전과 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 중의 양 기간 모두에 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함하며, 또 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키는 상기 수단은 상기 작업편(22) 또는 상기 작업편(22)과 상기 공구(12)에 극저온체(cryogen)를 분사하기 위한 수단을 포함하는 것인 장치.
- 제26항에 있어서, 작업편(22)의 표면 경도가 열 처리, 화학적 처리 및 기계적 처리 중 하나 이상에 의해 증가되는 것인 장치.
- 절삭 공구(12)를 이용하여 기계가공된, 표면 경도를 갖는 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치로서, 절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 기계 가공하는 동안에 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함하며, 작업편(22)의 표면 경도가 절삭 공구(12)의 일부분 및 작업편(22)의 일부분을 극저온 유체로 냉각시킴으로써 증가되고, 극저온 유체의 제트(20)가 0°이상 및 90°이하의 충돌각(α)으로 절삭 공구(12)의 일부분에 충돌하고, 극저온 유체의 제트(20)가 0°이상 및 180°이하의 전착각(β)으로 작업편(22)의 표면에 충돌하는 장치.
- 공구(12)를 이용하여 형성 또는 성형된 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치로서,한제의 공급;작업편(22)에 인접한 노즐(18)로서,한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구,하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분,업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분,다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구를 갖는 노즐(18);한제의 일부분을 노즐(18)의 하나 이상 입구에 전달하기 위한 수단으로서, 한제가 노즐의 다운스트림 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리되는 수단; 및노즐(18)의 하나 이상의 출구로부터 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트(20)의 일부분 이상을 공구(12) 및 작업편(22)의 표면에 분사하기 위한 수단을 포함하는 장치.
- 제29항에 있어서, 노즐(18)의 다운스트림 부분이 하나 이상의 발산벽(42), 및 팽창 제트(20) 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽(34)을 가지는 것인 장치.
- 제30항에 있어서, 하나 이상의 발산벽(42)은 발산각(40)을 가지고, 하나 이상의 수렴벽(34)은 발산각보다 작은 수렴각(36)을 가지는 것인 장치.
- 제30항에 있어서, 발산벽(42)이 주변 대기에 개방된 장치.
- 절삭 공구(12)를 이용하여 기계가공된 작업편(22)의 표면 마무리 및 표면 일체성 중 하나 이상을 향상시키기 위한 장치로서,한제의 공급;작업편(22)에 인접한 노즐(18)로서,한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구,하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분,업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분,다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구를 갖는 노즐(18);한제의 일부분을 노즐(18)의 하나 이상 입구에 전달하기 위한 수단으로서, 한제가 노즐의 다운스트림 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리되는 수단; 및노즐의 하나 이상의 출구로부터 응축상 부분 및 증기 부분의 팽창 제트의 일부분 이상을 절삭 공구(12) 및 작업편(22)의 표면에 분사하기 위한 수단을 포함하고, 노즐(18)의 다운스트림 부분이 주변 대기에 개방된 하나 이상의 발산벽(42), 및 팽창 제트(20) 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽(34)을 가지며, 하나 이상의 발산벽(42)이 발산각(40)을 가지고, 하나 이상의 수렴벽(34)이 발산각보다 작은 수렴각(36)을 가지는 것인 장치.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 위한 장치로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 형성 또는 성형화하도록 적합화된 공구(12);공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 위한 수단; 및공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 포함하는 장치.
- 제15항 또는 제34항에 따른 장치에 의해 형성 또는 성형되고, 향상된 표면 마무리 또는 향상된 표면 일체성, 또는 향상된 표면 마무리 및 향상된 표면 일체성의 양자 모두를 특징으로 하는 작업편(22).
- 제35항에 있어서, Ra-t=f2/(32r)로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 가지는 작업편(22)으로서, 여기서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경인 작업편.
- 제35항에 있어서, 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안에 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단을 사용하지 않으면서 작업편(22)을 형성 또는 성형함으로써 수득되는 또 다른 잔류 응력보다 더한 압축성, 더 깊은 신장, 또는 더한 압축성 및 더 깊은 신장의 양자 모두를 갖는 향상된 잔류 응력을 특징으로 하는 형성 또는 성형된 작업 표면을 가지는 작업편(22).
- 제35항에 있어서, 코발트(Co), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 철(Fe), 텅스텐(W), 알루미늄(Al) 및 티탄(Ti)으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 갖는 하나 이상의 금속성 합금을 함유하는 작업편(22).
- 제35항에 있어서, 작업편(22)의 일부분 이상이 캐스트 형태, 단련 형태, 분말 야금 형태 및 복합 형태로 구성된 군으로부터 선택된 하나의 형태인 작업편.
- 제35항에 있어서, 하나 이상의 중합체 또는 하나 이상의 중합체-기재의 복합체를 함유하는 작업편(22).
- 제35항에 있어서, 향상된 피로 강도, 향상된 피로 수명, 향상된 응력-분해 내성 및 향상된 내부식성 중 하나 이상을 특징으로 하는 형성 또는 성형된 작업 표면을 가지는 작업편(22).
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)을 기계가공하기 위한 장치로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 성형하도록 적합화된 절삭 공구(12);절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하기 위한 수단;절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하면서 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단으로서, 작업편(22)의 모양이 Ra-t=f2/(32r) (여기에서, f는 절삭 공구 이송속도이고, r은 절삭 공구 노우즈 반경임)로 계산되는 이론적 조도 하한치(Ra-t) 이하인 작업 표면 조도(Ra)를 갖는 향상된 표면 마무리를 특징으로 하는 수단을 포함하는 장치.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 장치로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 형성 또는 성형하도록 적합화된 공구(12);공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하기 위한 수단;공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 형성 또는 성형하는 동안 작업편(22)의 일부분 이상, 또는 공구(12)의 일부분 이상 및 작업편(22)의 일부분 이상을 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시킴으로써 표면 경도를 증가시키기 위한 수단; 및공구(12)를 이용하여 성형 또는 형성된 작업편(22)으로부터 마무리된 부품 또는 마무리된 제품을 제조하기 위한 수단을 포함하는 장치.
- 제43항에 있어서, 마무리된 부품 또는 마무리된 제품이, 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편으로부터 다른 장치가 형성 또는 성형하는 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 장치가 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 이용하지 않으면서 작업편(22)으로부터 제조되고, 상기 하나 이상의 부가적 작업은 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택되는 장치.
- 제17항 또는 제43항에 따른 장치에 의해 제조되고, 감소된 제조 비용을 특징 으로 하는 마무리된 부품 또는 마무리된 제품으로서, 상기 감소된 제조 비용이 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편을 형성 또는 성형하는 하나 이상의 다른 장치에 의해 제조된 동등한 마무리된 부품 또는 동등한 마무리된 제품을 위한 보다 높은 제조 비용보다 작은 마무리된 부품 또는 마무리된 제품.
- 표면 경도를 갖는 작업편(22)으로부터 마무리된 부품을 제조하기 위한 장치로서,작업편(22)에 인접하고, 작업편(22)을 성형하도록 적합화된 절삭 공구(12);절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하기 위한 수단절삭 공구(12)를 이용하여 작업편(22)을 성형하면서 작업편(22)의 표면 경도를 증가시키기 위한 수단;절삭 공구(12)를 이용하여 성형된 작업편(22)으로부터 마무리된 부품을 제조하기 위한 수단으로서,마무리된 부품이 동등한 작업편을 성형하는 동안에 동등한 작업편의 동등한 표면 경도를 증가시키지 않으면서, 동등한 표면 경도를 갖는 동등한 작업편을 다른 장치가 성형하는 동등한 마무리된 부품을 제조하기 위한 하나 이상의 다른 장치가 필요로 하는 하나 이상의 부가적 작업을 사용하지 않으면서 작업편(22)으로부터 제조되며, 상기 하나 이상의 부가적 작업이 연삭, 연마, 무광처리, 디버링, 피닝, 텀블링, 버니슁, 딥 롤링, 연화 어닐링, 연화 기계가공, 연화 성형, 연화 형성 및 작업 부품 클리닝으로 구성된 군으로부터 선택되는 수단을 포함하는 장치.
- 한제의 팽창 제트(20)를 작업편(22)의 표면에 분사하기 위한 노즐(18)로서,한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구;하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분;업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분;다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구; 및한제를 노즐의 다운스트림 부분 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리시키기 위한 수단을 포함하는 노즐(18).
- 제47항에 있어서, 한제의 팽창 제트(20)를 한정수용하도록 적합화된 내부 팽창 체임버를 추가로 포함하며, 공구 경사면(14)을 갖는 절삭 공구(12)를 클램핑하도록 적합화된 노즐(18).
- 제47항에 있어서, 노즐(18)의 다운스트림 부분이 하나 이상의 발산벽(42), 및 한제의 팽창 제트(20) 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽(34)을 가지는 노즐.
- 제49항에 있어서, 발산벽(42)은 발산각(40)을 가지고, 수렴벽(34)은 발산각보다 작은 수렴각(36)을 가지는 노즐.
- 제49항에 있어서, 발산벽(42)이 주변 대기에 개방된 노즐.
- 작업편(22)의 표면에 한제의 팽창 제트(20)를 분사시키기 위한 노즐(18)로서,한제의 흐름을 수용하도록 적합화된 하나 이상의 입구;하나 이상의 입구와 유체 교통하고, 하나 이상의 입구로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 업스트림 부분;업스트림 부분과 유체 교통하고, 업스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하도록 적합화된 다운스트림 부분;다운스트림 부분과 유체 교통하고, 다운스트림 부분으로부터 한제의 흐름의 일부분 이상을 수용하고 전달하도록 적합화된 하나 이상의 출구;한제를 노즐(18)의 다운스트림 부분 내에서 적어도 부분적으로 응축상 부분 및 증기 부분으로 분리시키기 위한 수단; 및한제의 팽창 제트(20)를 한정수용하도록 적합화된 내부 팽창 체임버를 포함하고,노즐(18)의 다운스트림 부분이 주변 대기에 개방된 하나 이상의 발산벽(42), 및 한제의 팽창 제트(20) 상에 수렴하도록 적합화된 하나 이상의 수렴벽(34)을 가지며,발산벽(42)은 발산각(40)을 가지고, 수렴벽(34)은 발산각보다 작은 수렴각(36)을 가지며,노즐(18)이 공구 경사면(14)을 갖는 절삭 공구(12)를 클램핑하도록 적합화된 노즐(18).
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