用低温冷却的含氧化物陶瓷切削刀具进行机加工的设备和方法技术

一种用于机加工工件的方法和设备，包括使用低温冷却的含氧化物的陶瓷切削刀具。该方法涉及在切削操作期间对切削刀具进行低温冷却，该冷却导致切削刀具的耐磨性和耐断裂性提高。优选的实施方案涉及将低温流体直接喷射在切削刀具处。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过切削(例如，通过以切屑形式除去多余材料来成形零件)对材料进行机加工的领域，更具体地说通过用低温冷却的含有氧化物的陶瓷切削刀具来对材料进行机加工。
技术介绍
如在这里所使用的一样，术语“切削”包括但不限于以下操作车削、镗孔、分割、开槽、端面车削、刨削、铣削、钻孔和其它操作，这些操作产生出连续的切屑或破碎或分段的切屑。术语切削不包括磨削、放电加工、超声波切削或高压喷射腐蚀切削，即产生出非常细小的没有限定形状的切屑例如灰尘或粉末。如在这里所使用的一样，术语“含氧化物的陶瓷切削刀具”包括由含有氧化物的陶瓷材料和/或任意其它包含至少5wt％氧化物陶瓷相的高级刀具材料制成的切削刀具。“材料除去速率”，作为机加工生产率的量度是单位时间由刀具除去的材料体积，并且由为操作选择的机加工参数限定。在最常见的切削操作车削的情况中，材料除去速率为切削速度、刀具进给速度和切削深度的乘积。目前的方向是使得能够以更高切削速度、更高进给速度、更大切削深度或者以这些参数的任意组合来进行机加工，从而导致材料除去速率整体升高。或者，目的在于提高切削刀具的使用寿命以便减小刀具更换所花费的停机时间和/或降低磨损用刀具加工的成本。在某些机加工操作中，有时要求只在使材料除去速率恒定或者甚至使之下降的同时提高切削速度，以便改善机加工部件的表面光洁度或者减小切削力和/或部件固定要求。这可以通过相应地降低进给速率或切削深度或者两者都降低来实现。这种操作对于机加工参数的不利影响在于刀具温度显著升高，从而导致其永久磨损和失效。目的在于减小这种不利影响。由于经济因素，机加工工业关注采用以下方法实现成本降低在不提高磨损刀具和刀具更换成本的情况下提高材料除去速率，从而提高生产率；在不增加磨损刀具和刀具更换成本的条件下提高切削速度；能够车削或磨削硬质零件，这在过去只能通过昂贵的磨削操作来生产；并且采用更干净并且更利于健康的机加工方法来消除与传统切削流体(例如，乳化液)和清洗操作所带来的大量成本。新的高级切削刀具材料近来已经被开发出并且被商品化以满足这些需求，并且改善了由高速钢(HSS)或碳化钨/钴(WC/Co)制成的传统刀具的性能。与由HSS和WC/Co制成的刀具相比，这些新的刀具明显更硬，但是也更脆并且对于荷载应力和/或热应力冲击敏感。这些高级切削材料中的一些例如氧化物陶瓷和金属陶瓷能够在相对较高的温度下工作。(金属陶瓷为包含有陶瓷和金属相的致密复合材料)。在应用在机加工
中时，术语“金属陶瓷”包括碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和/或其它更复杂的粘接或渗透有合金的陶瓷颗粒，但是不包括传统的WC/Co“硬质金属”)。但是，氧化物陶瓷的耐磨性能比HSS、WC/Co或其它高级刀具材料更不可预期。在初始的通常可以忽略的陷缺、侧面磨损和/或缺口之后，氧化物陶瓷刀具通常在刀刃区域或鼻部内突然断裂，从而导致机加工停止，并频繁导致工件表面受损。下表1汇集了一些最常见的切削刀具材料的热机械性能的典型数值。与碳化物、氮化物和基于金刚石的切削刀具相比，基于氧化物陶瓷的刀具显示出在横向断裂强度、断裂韧性和导热性的数值上明显降低，而表现出高危热膨胀系数。这使得氧化物陶瓷刀具易于在机械载荷作用下脆性断裂以及由于在温度梯度中的局部热膨胀而导致破裂。表1常见切削刀具材料的热机械性能 数据来自“Ceramics and Glasses，Engineered Materials Handbook”，第4卷，ASM Int.，The Materials Information Soc.，1991，“MicrostructuralEffects in Precision Hard Turning”，YK.Chou和C.J，Evans，MED-第4卷，Mfg.Sci.和Engr.，ASME 1996.，以及“Temperature and Wear of CuttingTools in High-speed Machining of Inconel 718 and Ti-6Al-6V-2Sn”，T.Kitagawa等人，Wear202(1997)，Elsevier，第142-148页。人们认识到，所有传统的冷却剂和切削流体，包括室温水和乳化油以及蒸发冷却雾或油雾、会通过热冲击氧化物陶瓷并且使之断裂。机加工领域清楚认识到在用氧化物陶瓷切削刀具进行机加工时必须避免使用这些切削流体和冷却剂。许多出版物、研究论文和刀具制造商的评论警告机加工操作人员，在与传统切削流体接触情况下或者甚至在这些流体在工件表面上有少量残余的情况下，陶瓷刀具使用寿命大大减小。尽管有许多内在缺陷例如过热工件、尺寸精确度降低并且切屑着火的危险，在采用陶瓷切削刀具时建议进行干燥机加工。P.K.Mehrotra of Kennametal在“Applications of Ceramic CuttingTools”，Key Engineering Materials，第138-140卷(1998)，第1章，第1-24页中教导了“在将这些陶瓷刀具用于机加工钢材料时由于其较低的耐热冲击性所以不建议使用冷却剂”。R.Edwards说明“这种陶瓷具有较低的导热性，这使得它容易受到热冲击，因此应该避免使用冷却剂”，“Cutting Tools”，The Institute ofMaterials，1993，第20页。根据D’errico等人，“当采用冷却剂时，氧化铝、氧化铝/氧化锆和氧化铝/TiC刀具除了一个之外都容易由于高热膨胀系数所导致的有限热冲击能力而可能具有差性能”，“Performanceof Ceramic Cutting Tools in Turning Operations”，第17卷，#2，1997。1995ASM手册增加了“对于使用冷挤压Al2O3基陶瓷而言不建议使用水或油冷却剂，因为它们可能造成嵌入件断裂。如果使用碳化物加工刀具来对用冷却剂冷却的零件进行加工并且采用冷挤压氧化物基陶瓷计划进行随后操作，应该将残余冷却剂吹离零件”，ASM SpecialtyHandbook，“Tool Materials”，1995，第73页。R.C.Dewes和D.K.Aspinwall(“The Use of High Speed Machining for the Manufacture ofHardened Steel Dies”，Trans.of NAMRI/SME，第XXIV卷，1996，第21-26页)对一些氧化物和氮化物刀具进行实验，它们包括71％ Al2O3-TiC(混合氧化铝)、75％Al2O3-SiC(线体加强氧化铝)、50％CBN-AlB2-AlN，50％-TiC-WC-AlN-AlB2，80％CBN-TiC-WC以及95％CBN-Ni/Co。他们发现使用通过注水或喷射方法施加的传统冷却流体导致除了线体加强氧化铝其使用寿命降低了大约88％之外其它刀具使用寿命降低95％以上。氧化物陶瓷具有一件事情与所有其它切削刀具材料相同一随着其温度上升，它们软化、弱化并且形成局部内应力(由于导热性有限所频繁出现的热膨胀)，这最终导致限制了切削速度、材料除去速率和/或所加工的工件硬度。E.M.T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于机加工工件的设备，它包括：　　　　位于所述工件附近的一个含氧化物的陶瓷切削刀具；以及　　　　用于低温冷却所述含氧化物的陶瓷切削刀具的装置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：兹比格纽祖莱基，罗伯特布鲁斯斯旺，布鲁斯爱德华斯奈德，约翰赫伯特弗雷，菲利普伯顿小朱厄尔，拉纳吉特高希，詹姆斯布赖恩泰勒，
申请(专利权)人：气体与化学产品公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]