TW200533461A - An apparatus and method for improving work surface during forming and shaping of materials - Google Patents

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200533461 、 九、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明涉及通過各種方法，包括但不侷限於切削（例 如，通過除去呈切屑形式的多餘材料來成形零件）和其他 加工’進行材料形成和成形的領域，並且尤其涉及改盖、甬 過這種方法利用低溫冷卻和其他處理，包括但不偈限於熱 處理、化學處理和機械處理，所形成和成形的金屬和其他 工程材料（例如聚合物和各種複合材料）的表面光潔度和 # 表面完整性。 先前技術 本文使用的術語“切削”包括但不侷限於以下操作： 車削、搪孔、分割、開槽、刮削、刨削、銑削、鑽削和其 他產生連續切屑或碎片或片斷碎片切屑的操作。術語“切 削”不包括：研磨、放電（electro-discharge)加工、或高 壓喷射腐餘切削’即產生不確定形狀的極細切屑，如層或 粉末，的研磨操作。 本文使用的術語‘完整性”是指品質，並且更具體地 是指在所處理的加工表面上所需要的殘餘應力的狀態、打 磨工具產生的尺寸精度和/或無外來物質（absence 〇f artifact)或常規形成或成形方法導致的其他不希望的表面 改變。 製造工業需要更快地生產更多的零件或產品，也就 是，更快地生產每一個零件或產品並且不增加每一個零件 5 200533461 的成本或不危及零件的品質。更具體地，需要改進方法， 使生產指定的高品質的 負的零件或產品所需的製造步驟數 /或程度達到最小，土古此制4 ^σ 之前進行m ”驟如軟粗磨，一般在熱處理 :刖進仃’或精磨和拋光/搪磨，—般接著熱處理進行；或 ’月洗步驟’由於被常規的加工流體引起的污染通常在零 件、加工卫具和工作環境中進行。而且，卫業上的興趣在 於除去實現形成或加卫處理循環的喷砂、拋光、修邊和局 部深滚壓操作或使這些操作的程度達到最小，在許多金屬 產品的情況下，使用這些操作以便增加加工表面的完整性 或除去在形成或加工過程中產生的有害張應力。也需要改 進方法促進形成和加工操作，使資本費用例如達到特定生 產目標所需加工卫具的數目最小，和/或減少加卫成本和與 消耗品有關的成本。 美國專利N〇.5,878,496 (Liu等）公開了一種方法，該方 法減少加工步驟同時通過常規加工參數包括工具的饋送率 和刀尖半徑的實驗和建模操作生產具有可接收表面光潔度 的硬質加工零件。然而該專利沒有教導如何提高生產率、 增加切削工具哥命、或減小加工表面的粗輪度。 有相當多的現有技術出版物涉及一些低溫喷霧或噴射 形式以除去清洗操作，實現各種切削工具的生產率，和/或 防止加工表面内不希望的微觀結構變化。參見例如， WO02/096598A1 ( Zurecki 等人）、W099/60079 ( Hong)、 美國專利申請號2003/0145694A1 ( Zurecki等人）和 2003/0110781A1 ( Zurecki 等人）、和美國專利號 5,901623 6 200533461 (Hong)、5,509,335 (Emerson)、4,829,859 (Yankoff)、 -3,971，114(Dudiey)。然而，這些公開物和本文中討論的其 他現有技術的參考文獻均沒有解決這些問題，或沒有滿足 本文所討論的各種需要。 美國專利號5,761，974 (Wang等人）公開了使用一種低 溫熱交換器與工件相互接觸，該工件與切削工具的刀刃接 觸，從而通過使用熱交換器避免冷凍流體與工件之間的直 接接觸。美國專利號5，103,701 (Lundin等人）公開··當鋒利 _ 的金剛石切削工具與鐵質加工材料接觸時，整個工件的低 溫冷凍可提高工具壽命。這兩篇專利教導的方法提高了工 具的生產率，但是，第一種方法不能有效地控制加工表面 光潔度和完整性，而第二種方法需要大範圍調整加工工 具，這在大多數工業應用中太昂貴難以接收。 美國專利號5,592,863 (Jaskowiak等人）公開一種方 法·在加工聚合物工件過程中，使用低溫冷卻從連續的切 _ 屑中產生不連績的切屑。該方法通過冷卻切屑，而不是冷 卻切削工具或聚合物工件，該方法沒有提高工具的生產率 或工件表面的光潔度和完整性。 美國專利號6,622,570B1 ( Pervey，III )和美國專利申 睛號2002/0 174528A1 ( prevey，in )公開了除去在加工表 面上由各種製造操作（例如車削）引起的不希望有的張應 力’並且給予所需要的壓縮應力的方法。眾所周知加工表 面的壓縮殘餘應力增強產品零件的疲勞強度和疲勞壽命， 同時減少它們對應力腐蝕裂紋的敏感性。對於金屬元件的 7 200533461 製造者和使用者而言，所增強的耐應力腐蝕裂紋和耐金屬 腐蝕的其他應力加速形式是無價的。校正殘餘表面應力分 佈的關鍵方法（也就是，增加其壓縮成分）包括珠擊加工 (shotpeening)和鐳射珠擊加工，眾所周知這兩種方法均 使加工表面光潔度惡化或受損壞，並且如果應用到最大程 度，則增加加工粗糙度。在美國專利號6,658,9〇7B2 專人）和美國專利號6,666,061B2 (Heimann)中可以發現這 一問題的進一步說明，後者用深滚壓處理，另外一種在所 馨製造零件表面上應用的應力調整方法。這四篇專利出版物 說明工業上面臨的兩個關鍵並且仍然沒有解決的問題：（a ) 在形成或成形步驟之後，經常需要額外的、昂貴的製造步 驟調整殘餘表面應力，和（b )目前，在表面光潔度和應力 調整操作過程中所賦予的壓縮應力之間權衡。顯然，沒有 滿足改善形成、成形和加工方法的需要，該方法應該能同 時增強表面光潔度和壓縮應力而不需要額外的製造步驟。 • 還有其他報導：在硬質鋼的常規、非冷凍車削過程中， 鋒利的切削刃改善表面光潔度和/或稍微增強所需要的壓 縮殘餘應力，而從工具壽命和生產率觀點看，優選圓的或 塘磨的刃，使工件表面更加粗糙和/或更少的壓縮。J.D. Thiele 和 S.N. Melkote ^ Effect of cutting edge geometry and work piece hardness on surface generation in the finish hard turning of AISI 52100 steel，Journal of Materials Processing Technology, 94 (1999)，第 2 1 6-226 頁；和 F· Gunnberg, ^Surface Integrity Generated by Hard Turning^ 8 200533461 論文，Dept of Product Development，Chalmers University of • Techn〇l〇gy，哥德堡，瑞典2003。發現：隨著加工材料的 硬度增加，塘磨刃的幾何形狀對加工表面光潔度的影響減 >，但疋通過在加工操作過程前或過程中調整加工表面硬 度來控制表面光潔度和完整性，同時維持可以接收的工具 壽命和高的生產率，這一方面沒有得出結論。 對於非常相似的加工條件已經報導的實驗粗糙度數據 也強調了 Thiele和Melkote提出的材料硬度作用的不確定 籲性質，這些資料表明只要加工硬度增加，粗縫度就增加。 參見 T· Ozel，Tsu-Kong Hsu，和 E. Zeren，五价价

Edge Geometryf Workpiece Hardness. Feed Rate and Cutting Speed on Surface Roughness and Forces in Finish Turning of Hardened AISI HI 3 steel, International Journal of Advanced

Manufacturing TechnologyOnm) 因而，即使現有技術提供的内容不相互矛盾，對於以 籲上討論的工業需要也只是片斷的並且不完整的方案，並且 說明需要更全面的方法以減少製造步驟和成本同時改善加 工面光潔度和完整性。要求簡單、全面解決方案的特定領 域包括：（a)在利用低溫喷射進行加工過程中冷卻並硬化 切削工具的有效性，優選的是能減少工具磨損和成本、增 加生產率、並從製備過程中除去清洗步驟，（b)應用低溫 喷射使加工過程中產生的加工表面的粗糙度達最小並使壓 縮應力達最大，以至於不需要額外的拋光步驟，和（c)在 切削過程前和過程中進一步改變加工材料的性能，使所加 9 200533461 工表面的粗糙度達最小，因而，除去精磨步驟的需要。 希望有一種改善工件表面光潔度和完整性的方法和設 備’該方法和設備能滿足以上需要，並且解決本文中所討 論的問題。 進步希望有一種改善工件表面光潔度和完整性的方 T和設備m和設備能克服現有技術的困難和缺點以 提供更好和更多優點的結果。 還進步希望有一種形成或成形工件的方法和設備， 該方法和豸備能克服現有技術的困難和缺點讀供更好和 更多優點的結果。 同樣希望有種製造成品零件和產品的方法和設備， 該方法和设備能除去現有技術的製造過程和系、统中需要的 一個或多個步驟或元件。 發明内容 申請人的發明是一種改善用工具形成或成形的工件的 表面光潔度和/或完整性的方法和設備。本發明另外一個方 面是一種用於形成或成形工件的方法和設備。本發明的另 外一個方面是一種從工件製造成品零件和成品的方法和設 備。本發明其他方面是由該形成或成形方法和設備形成或 成形的工件，和由該製造方法和設備製造的成品零件或成 品。本發明也包括將一種冷凍劑的膨脹射流噴射到工件表 面上的喷嘴。 改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度和表面完 10 200533461 整性中的至少一種的方法的楚 床的第一個實施方案，該工件具有 表面硬度，該實施方案包杠, 、 匕括在用工具形成或成形工件過程 中增加工件表面硬度。（“表面光潔度，，和“表面完整性， 在上述本發明的背景技術部分中和在以下本發明的詳細說 明部分中定義和討論）。這稽太 ^ ^ u 、種方法的第一個實施方案有幾種 變化方案。

在-個變化方案中，通過用冷康流體冷卻工具的至少 4刀、或工件的至少一部分、或工具的至少一部分和工 件的至夕邻为’來增加工件表面硬度。在這種變化方案 中的改動中，冷凍流體的射流撞擊在工具的一部分和工件 表面的一部分上。這種改動有幾種變化方案。 在該改動的一個變化方案中，冷凍流體的射流以大於 約0。並小於約90。的撞擊角（α)撞擊在工具的一部分上。 在另一個變化方案中，冷凍流體的射流以大於約3〇。並小於 約90。的撞擊角（α)撞擊在工具的一部分上。在還有另一 個變化方案中，冷凍流體的射流以大於約〇。並小於約丄8〇。 的散佈角（β)撞擊在工件的表面上。 改善用工具形成或成形工件的表面光潔度和表面完整 性中的至少一種的方法的第二個實施方案，該工件具有表 面硬度，該實施方案包括在用工具形成或成形工件之前、 用工具形成或成形工件的過程中、或用工具形成或成形工 件過程之前和過程之中’增加工件表面硬度。在這個實施 方案的變化方案中，通過熱處理、化學處理和機械處理中 的至少一種方法增加工件表面硬度。 11 200533461 改善用切削工具加工的工件的表面光潔度和表面完整 性中的至少一種的方法的第三個實施方案，該工件具有表 面硬度，該實施方案包括在用切削工具加工工件過程中增 加工件表面硬度，其中通過用冷凍流體冷卻切削工具的至 少一部分和工件的至少一部分來增加工件表面硬度，並且 冷凍流體的射流以大於約〇。並小於約90。的撞擊角（α)撞 擊在切削工具的一部分上，而冷凍流體的射流以大於約〇。 並小於約180。的散佈角（β)撞擊在工件的表面上。 改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度和表面完 整性中的至少一種的方法的第四個實施方案包括多個步 驟。第一步是冷凍劑的供應。第二步是在工件附近提供喷 嘴。喷嘴包括多個元件。第一個元件是至少一個用於接收 冷凍劑流的進口。第二個元件是與所述至少一個進口流體 連通的上游部分，該上游部分適合接收至少一部分來自於 所述至少一個進口的冷凍劑流。第三個元件是與上游部分 流體連通並且用於接收至少一部分來自於上游部分的冷凍 劑流的下游部分。第四個元件是與下游部分流體連通並且 用於接收並且發射至少一部分來自於下游部分的冷凍劑流 的至ν個ih 〇。第。步是將一部分冷;東劑送到喷嘴的所 述至v個進口，其中冷凍劑在喷嘴的下游部分内至少部 分分離成凝聚相部分和蒸汽部分。第四步是將凝聚相部； 和蒸心P刀的至少—部分膨脹射流從喷嘴的所述至少一個 出口喷射到工具和工件表面上。 在第四個實施方案的變化方案中’喷嘴的下游部分具 12 200533461 有至少一個分散壁（diverging wall )和至少一個用於收斂 月？/膳射机的收斂壁（c〇nverging waii)。在該變化方案的改動 中’所述至少一個分散壁具有分散角，並且所述至少一個 收敛J具有小於分散角的收敛角。在另外一種改動中，分 散壁對環境大氣敞開。 另外一個實施方案是改善用切削工具 面光潔度和表面完整性中的至少一種的方法。該實施方案 包括多個步騾。這個實施方案的前三步與上述方法的第四 個實施方案的前三步相同。第四步是將凝聚相部分和蒸汽 邛刀的至少一部分膨脹射流從喷嘴的所述至少一個出口喷 射到切削工具和工件表面上，其中喷嘴的下游部分具有至 v個向％ 3兄大氣敞開的分散壁和至少一個用於收斂膨脹 射机的收斂壁’並且其中該至少一個分散壁具有分散角， 並且該至少一個收斂壁具有小於分散角的收斂角。 本發月的另外一個方面是形成或成形一種具有表面硬 、牛的方法這種方法的第一個實施方案包括多個步 \第步疋在工件附近提供工具，該工具用於形成或成 形工件。第二步是用該工具形成或成形工件。第三步是在 用工具形成或成敎件的過程中增加卫件表面硬度。 本發明的另外一個方面是通過上述方法所形成或成形 =件^工件的特徵在於具有改善的表^潔度、改善 面完整性。本發明的這：個：。的表面光潔度和改善的表 個方面有幾個變化方案。 在一個變化方案中，工 件具有加工表面粗糙度（Ra )， 13 200533461 八中$力工表面粗糙度（Ra)等於或小於理論粗糙度下限 (Ra t)知照Ra_t = f2《32〇計算，其中^是切削工具的 饋送率，而r是切削工具刀尖半徑。 在另外一個變化方案中，工件具有形成或成形的加工 表面，該加工表面特徵在於具有改善的殘餘應力，所述改 口的殘餘應力比由形成或成形工件而沒有在工件的形成或 成形過程中增加工件表面硬度所獲得的另外一種殘餘應力 壓縮更大、延伸更深、或壓縮更大並且延伸更深。 在還有另外一個變化方案中，工件包含具有選自鈷 (C〇)、鉻（Cr)、錮（Mo)、鎳（Ni)、鐵（Fe)、鶬（W)、 ()飲（Ti)、组（Ta)、銳（Nb)和飢（V)中的至 少一種元素的金屬合金。 本發明的這一方面還有其他的變化方案。在一個這樣 的變化方案中，工件的形式選自鑄造形式、鍛造形式、粉 末冶金形式和複合材料形式。在另外一個變化方案中工 件包含至少一種聚合物或至少一種聚合物基的複合材料。 在還有一個變化方案中，工件具有形成或成形的加工表 面，該加工表面特徵在於具有改善的疲勞強度、改善的疲 勞壽命、改善的耐應力裂紋性能和改善的耐腐蝕性能中的 至少一種。 另外一個實施方案是加工具有表面硬度的工件的方 法，包括多個步驟。第一步是在工件附近提供切削工具， 切削工具用於成形工件。第二步是用切削工具成形工件。 第一步疋在用切削工具成形工件的過程中增加工件表面硬 200533461 度，其中成形的工件特徵在於具有改善的表面光潔度，其 表面粗糙度（Ra )等於或小於理論粗糙度下限（Ra_t )，按 照Ra-t = f2/(32r)計算，其中f是切削工具的饋送率，而 Γ是切削工具刀尖半彳空。

本發明的另外一個方面是從具有表面硬度的工件製造 成品零件或成品的方法。該方法的一個實施方案包括多個 步驟。第一步是在工件附近提供工具，該工具用於形成或 成形工件。第二步是用工具形成或成形工件。第三步是在 用工具形成或成形工件過程中增加工件表面硬度。第四步 是從用工具形成或成形的工件製造成品零件或成品。 在這個方法的一個變化方案中，從工件製造成品零件 或成品無需使用由至少一種其他方法製造類似 (C〇mparable)成品零件和類似成品所需要的至少一個額 外操作纟他方法從具有類似表面硬度的類似工件形成或 成形類似成xm零件或類似成品而在類似工件的形成或成形 類似表面硬度，所述的至少一 、搪磨、修邊、輕敲處理、滾 、軟機械加工、軟成形、軟形 過程中沒有增加類似工件的 種額外操作選自研磨、拋光 磨、磨光、深滾壓、軟退火 成和加工零件的清洗。 、本發明的另外一個方面是由上述方法製造的成品零件 =口口，並且特徵在於具有減少了製造成本。所述減少的 製k成本J、於由至少一種其他方法製造類似成品零件或類 似成品所需的高製造成本，該至少―種其他方法形成或成 形具有類似表面硬度的類似工件而在類似工件的形成或成 15 200533461 形過程中沒有增加類似工件的類似表面硬度。 ’ 從具有表面硬度的工件製造成品零件的方法的另外一 個實施方案包括多個步驟。第一步是在工件附近提供切削 工具，切削工具用於成形工件。第二步是用切削工具成形 工件。第三步是在用切削工具成形工件的過程中增加工件 表面硬度。第四步是從用切削工具成形的工件製造成品零 件，其中從工件製造成品零件無需使用由至少一種其他方 法製造類似成品零件所需要的至少一個額外操作，其他方 鲁法從具有類似表面硬度的類似工件成形類似成品零件而在 類似工件的成形過程中沒有增加類似工件的類似表面硬 度，所述的至少一種額外操作選自研磨、拋光、搪磨、修 邊、輕敲處理、滾磨、磨光、深滾壓、軟退火、軟機械加 工、軟成形、軟形成和加工零件的清洗。 改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度和表面完 整性中的至少一種的設備的第一個實施方案，該工件具有 #表面硬度，該實施方案包括在用工具形成或成形工件過程 中增加工件表面硬度的裝置。這種設備的實施方案有幾種 變化方案。 在一個變化方案中，通過用冷凍流體冷卻工具的至少 -部分、或工件的至少一部分，或工具的至少一部分和工 件的至>、口P刀’來增加工件表面硬度。在這個變化方案 的改動中，冷洗流體的射流撞擊在工具的一部分和工件表 面的口 P刀上。這種改動有幾種變化方案。 在坟種改動的一個變化方案中，冷凍流體的射流以大 16 200533461 於約0。並小於約90。的撞擊角（α)撞擊在工具的一部分上。 在另一個變化方案中，冷凍流體的射流以大於約。並小於 約90。的撞擊角（α)撞擊在工具的一部分上。在還有另一 個變化方案中’冷凍流體的射流以大於約〇。並小於約丨8〇。 的散佈角（β )撞擊在工件的表面上。 改善用工具形成或成形工件的表面光潔度和表面完整 性中的至少一種的設備的第二個實施方案，該工件具有表 面硬度，該實施方案包括在用工具形成或成形工件之前、 用工具形成或成形工件的過程中、或用工具形成或成形工 件過程之前和過程之中增加工件表面硬度的裝置。在這個 實施方案的變化方案中，通過熱處理、化學處理和機械處 理中的至少一種增加工件表面硬度。 改善用切削工具加工的工件的表面光潔度和表面完整 性中的至少一種的設備的第三個實施方案，該工件具有表 面硬度，該實施方案包括在用切削工具加工工件過程中增 加工件表面硬度的裝置，其中通過用冷凍流體冷卻切削工 具的至少一部分和工件的至少一部分來增加工件表面硬 度’並且冷凍流體的射流以大於約〇。並小於約9〇。的撞擊 角（〇0撞擊在切削工具的一部分上，而冷凍流體的射流以 大於約0。並小於約180。的散佈角（β)撞擊在工件的表面 上。 改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度和表面+ 整性中的至少一種的設備的第四個實施方案包括多個元 件。第一個元件是冷凍劑的供應。第二個元件是在工件附 17 200533461 近的噴嘴。喷嘴包括多個子元件。第一個子元件是用於接 收冷象劑流的至少-個進口。第二個子元件是與所述至少 -個進口流體連通的上游部分，該上游部分用於接收至少 邓刀來自於所述至少一個進口的冷凍劑流。第三個子元 件是與上游部分流體連通並且用於接收至少一部分來自於 上游部分的冷束劑流的下游部分。第四個元件是與下游部 分流體連通並且用於接收並且發射至少_部分來自於下游 部分的冷凍劑流的至少一個出口。該設備的第三個元件是 將一部分冷康劑送到噴嘴的所述至少 中冷束劑在喷嘴的下游部分内至少部分分離成凝聚相料 和蒸汽部分。第四個元件是將凝聚相部分和蒸汽部分的至 夕β刀膨脹射流從噴嘴的所述至少一個出口喷射到工具 和工件表面上的裝置。 〃 在第四個實施方案的變化方案中，喷嘴的下游部分具 ^個刀散壁和至少一個用於收敛膨脹射流的收斂 ^在該變化方案的改動中，所述至少—個分散壁具有分 散角，並且所述至少_個你Μ ^個收斂壁具有小於分散角的收斂 角。在另外-個改動中，分散壁對環社氣敵開。 另外個實施方案是改善用切削卫具加卫的工件的表 :光潔度和表面完整性中的至少一種的設備。這個實施方 ά括夕個兀件。前三個元件與上述設備的第四個實施方 f的前三個元件相同。第四個元件是將凝聚相部分和蒸汽 分的至少—部分膨脹射流從喷嘴的所述至少-個出口喷 射到切削工具和工#矣& μ & # $ # i , ' 件表面上的袭置，其中喷嘴的下游部分 18 200533461 具有至少一個向環境大氣敞開的分散壁和至少一個用於收 斂膨脹射流的收斂壁，並且其中該至少一個分散壁具有分 散角，並且該至少一個收斂壁具有小於分散角的收斂角。 本發明的另外一個方面是形成或成形一種具有表面硬 度的工件的設備。這種設備的第一個實施方案包括多個元 件。第一個元件是在工件附近的工具，該工具用於形成或 成形工件。第二個元件是用該工具形成或成形工件的裝 置。第三個元件是在用工具形成或成形工件過程中增加工 件表面硬度的裝置。 本發明的另外一個方面是通過上述設備所形成或成形 的工件，該工件的特徵在於具有改善的表面光潔度、改善 的表面70整性、或同時具有改善的表面光潔度和改善的表 面几整性。本發明這一個方面有幾個變化方案。 在一個變化方案中，工件具有加工表面粗糙度（Ra)， (Ra-t)，按照 Ra_t= f2/(32r)計算， 送率，而r是切削工具刀尖半徑。 其中該加工表面粗糙度（Ra)等於或小於理論粗糙度下限 其中f是切削工具的饋 表面，該加工矣；蛀娜士 # P·丄 面’該加工表面倍傲太认目士 ........ 工件具有形成或成形的加工

在另外一個變化方案中，工

I件包含具有選自敍 19 200533461 (Co)、絡（Cr)、翻（M0)、鎳（Ni)、鐵（Fe)、鎢（w)、 铭（Al)、鈥（Ti)、钽（Ta)、鈮（Nb)和釩（v)中的至 少一種元素的金屬合金。 該工件還有其他的變化方案。在一個這樣的變化方案 中，至少一部分工件的形式選自鑄造形式、鍛造形式、粉 末冶金形式和複合材料形式。在另外一個變化方案中，工 件包含至少一種聚合物或至少一種聚合物基的複合材料。 在還有一個變化方案中，工件具有形成或成形的加工表 面，該加工表面特徵在於具有改善的疲勞強度、改善的疲 勞哥命、改善的耐應力裂紋性能和改善的耐腐蝕性能中的 至少一種。 另外一個實施方案是加工具有表面硬度的工件的設 備，包括多個元件。第一元件是在工件附近的切削工具， 切削工具用於成形工件。第二元件是用切削工具成形工件 的裝置。第三元件是在用切削工具成形工件的過程中增加 工件表面硬度的裝置，其中成形的工件特徵在於具有改善 的表面光潔度，其表面粗糙度（Ra)等於或小於理論粗糙 度下限（Ra_t)，按照Ra_t = f2/(32r)計算，其中f是切削 工具的饋送率，而r是切削工具刀尖半徑。 本發明另外一個方面是從具有表面硬度的工件製造成 品零件或成品的設備。該設備的一個實施方案包括多個元 件。第一個元件是在工件附近的工具，該工具用於形成或 成形工件。第二個元件是用工具形成或成形工件的裝置。 第三元件是在用工具形成或成形工件過程中增加工件表面 20 200533461 硬度的裝置。第四元件是由用工具形成或成形的工件製造 成品零件或成品的裝置。 在這個裝置的一個變化方案中，由工件製造成品零件 或成品無需使用由至少一種其他設備製造類似成品零件和 類似成品所需要的至少一個額外操作，其他設備由具有類 似表面硬度的類似工件形成或成形類似成品零件或類似成 品而在類似工件的形成或成形過程中沒有增加類似工件的 類似表面硬度，所述的至少一種額外操作選自研磨、拋光、 籲搪磨、修邊、輕敲處理、滾磨、磨光、深滾壓、軟退火、 軟機械加工、軟成形、軟形成和加工零件的清洗。 本發明的另外一個方面是由上述設備製造的成品零件 或成品，並且特徵在於具有減少的製造成本。所述減少的 製造成本小於由至少一種其他設備製造類似成品零件或類 似成品所需的高製造成本，該至少一種其他設備形成或成 形具有類似表面硬度的類似工件而在類似工件的形成或成 籲形過程中沒有增加類似工件的類似表面硬度。 從具有表面硬度的工件製造成品零件的設備的另外— 一個元件是在工件附近的切

品零件所需要的至少一個額外操作， 其他設備從具有類似 個實施方案包括多個元件。第一 削工具，切削工具用於成形工件 具成形工件的裝置。第三個元件 21 200533461 表面硬度的類似工·件成形類似成品零件而在類似工件的成 形過程中沒有增加類似工件的類似表面硬度，所述的至少 一種額外操作選自研磨、拋光、搪磨、修邊、輕敲處理、 滾磨、磨光、深滾壓、軟退火、軟機械加工、軟成形、軟 形成和加工零件的清洗。 本發明的另外一個方面是將冷凍劑的膨脹射流喷射到 工件上的嘴嘴。喷嘴的第一個實施方案包括多個元件。第 個元件疋用於接收冷束劑流的至少一個進口。第二個元 件是與所述至少一個進口流體連通的上游部分，該上游部 刀用於接收至少一部分來自於所述至少一個進口的冷凍劑 机。第二個元件是與上游部分流體連通並且用於接收至少 部分來自於上游部分的冷凍劑流的下游部分。第四個元 件疋與下游部分流體連通並且用於接收並且發射至少一部 刀來自於下游部分的冷束劑流的至少一個出口。第五個元 件是在喷嘴的下游部分内將冷凍劑至少部分分離成凝聚相 部分和蒸汽部分的裝置。 噴嘴的第二個實施方案除了包括一個用於限制冷凍劑 的膨脹射流的内部膨脹室以外與第一個實施方案相似，其 中噴嘴用於夾住具有工具前刀面表面的切削工具。 本發明第一個實施方案具有幾個變化方案。在一個變 化方案中，噴嘴的下游部分具有至少一個分散壁和至少一 個用於收斂冷凍劑的膨脹射流的收斂壁。在該變化方案的 改動中，所述至少一個分散壁具有分散角，並且所述至少 個收斂壁具有小於分散角的收斂角。在另外一種改動 22 200533461 中，分散壁對環境大氣敞開。 另外一個實施方案是將冷凍劑的膨脹射流喷射到工件 表面上的喷嘴。這個實施方案包括多個元件。這個實施方 案的刖五個元件與喷嘴的第一個實施方案的前五個元件相 同。第六個兀件是用於限制冷凍劑的膨脹射流的内部膨脹 至’其中喷嘴的下游部分具有至少一個向環境大氣敞開的 刀散壁和至少一個適合收斂冷凍劑膨脹射流的收斂壁，並 且其中分散壁具有分散角並且收斂壁具有小於分散角的收 斂角。其中噴嘴用於夾住具有工具前刀面表面的切削工具。 實施方式 本發明包括一種用於通過增加加工材料的硬度改善加 工材料的表面光潔度、或減少表面粗糙度，和改善表面完 整性、或增加壓縮殘餘表面應力的方法和設備。儘管本文 中只討論有關用切削工具加工加工材料的内容，但是本領 域普通技術人員可以認識到本發明有更寬廣的應用，並且 了以應用于許多其他形成和成形方法，包括但不侷限於其 他類型的加工、滾壓、彎曲、模鍛、壓型、拉伸等。 可以在加工和其他成形操作之前通過合適的熱處理、 化學處理、或加工處理使加工材料硬化，包括但不侷限於 相變硬化，例如馬氏體鋼的淬火回火、低溫淬火處理，如 由J· Y. Huang等人舉的例子（〇/ treated M2 tool steel, Materials science and Engineering A33 9, 2003，第241-244頁）、擴散滲碳、滲氮、碳氮共滲、 23 200533461 烘焙、老化、鐳射上光、焊弧（GTAW)凝固硬化、聚合物交 聯和紫外光固化、通過輕敲加工或滾壓進行的加工硬化、 鍛造、冷擠壓和拉伸、冷壓、密實化或沖製，及其組合， 以及為加工材料的類型選擇的其他通常使用的處理。應該 理解.在創造性成形步驟之前可立即進行多種這些加工表

面硬化操作，例如在精切削或形成工具接觸加工表面之 前’在相同的工件裝置中、在相同的加工系統中、或在相 同的自動連續生產線上進行。能在成形工具之前容易地採 用的硬化操作的實例是由Kumar等人（US6 454 877bi)教 導的在含碳的氣流中進行的表面感應硬化和鐳射處理。 可以使加工材料與液態、氣態或固態的冷凍劑接觸實 現冷凍冷卻。優選的惰性冷凍流體在工大氣壓力下沸騰的 溫度比水的凝固點低的多，丨包括液態氮、㈣氬、液態 二氧化碳和液態氦。然而，本領域普通技術人員可認識到： 其他液態、氣態和m態顆粒的冷;東混合物也能用作冷柬劑。 優選的冷凍冷卻方法應該是高度定位並產生短暫的硬 化效果。通過冷;東流體的喷射或噴霧，不需要冷珠整個工 件’冷柬整個工件是昂貴的並且不實用。當希望使成品比 加工所使用的原料更硬時，可以使用本發明的硬化表面處 里技術@如果希望在加工之後保留初始材料硬度則可 以使用冷以卻方法。同樣，在加卫操作之前通過表面處 理’以及在加工操作過程中通過冷束冷卻，使加卫材料硬 化，以便使所加玉零件的表面光潔度和表面完整性達最大。 本毛月的另外一個方面是將冷;東流體喷射到切削工 24 200533461 具、或另外-種成形或形成工具和工件表面上的優化方 法，該方法通過試差法進行開發以滿足某些冷卻和加工材 料硬化要求同時使工具壽命最大化，從而增加製造生產率 並減少製造成本，包括冷凍劑消耗的成本。同樣，開發了 新型的低溫喷嘴，用於加工。因而，本發明包括一種清潔、 成本效率高、加速的製造方法，其改善了所加工零件的表 面光潔度和表面完整性（即使當零件是堅硬的）並且允許 用戶省略多個製造步驟。 在申請人使用本發明精車削金屬、複合材料和聚合物 加工材料的過程中進行各種觀察和發現。在下文中討論這 些觀察和發現。 壓縮液氮（LIN )冷凍劑、或其他液態冷凍冷凍劑利用 對準工具前刀面表面的噴嘴膨脹成丨大氣壓力的射流，導 致比用壓縮LIN接觸工具前刀面表面更有效的工具冷卻效 果。儘管對於造成這種效果的精確冷卻機理不清楚，申請 人涊為·可用撞擊工具的減壓液滴的溫度更低來解釋。在 1大氣壓壓力下LIN的正常溫度為_32〇C)F，而壓縮到12〇 磅/平方英寸的LIN的溫度為_275〇F (也就是高45吓）。申 請人觀察到：當工具表面被快速移動的在不高於丨個大氣 壓壓力下的LIN射流和噴霧撞擊時，對工具的冷卻更有效。 圖1A說明本發明一個實施方案的側視圖，其中在i 大氣壓壓力下，快速移動的冷凍流體射流2〇撞擊在工具前 刀面表面14上。該構件包括切削工具12 (或鑲入式截坯 刀）、工具前刀面表面14、工具把柄16、發出射流2〇的管 25 200533461 狀喷嘴18和工件22。儘管最優選的方法是冷卻工具前刀 面表面14 ’但冷卻其他工具表面，如工具的大部分和小部 分或後側面，同樣落在本發明的範圍内。 工具前刀面表面14是切削工具12 (或鑲入式截坯刀） 的表面，它延伸到切削刃的後面並且仍然與從工件22切離 的切屑保持接觸。（前刀面表面是切削刃附近的切削工具表 面’它控制切屑離開工件的流動，前刀面表面可以是完全 平坦的、刻槽的、或具有通過模制或添加板形成的更複雜 的、三維外形，以增強控制切屑流動和/或切屑的斷裂）。 本文中使用的術語“切削工具”和“鑲入式截坯刀” 是可互換的。鑲入式截坯刀是由硬質材料如wc_c〇、cbn、

Al2〇3、或SisN4製造的帶指示盤的、可代替的切削工具， 具有切削刃和前刀面表面，並且安裝在合適的工具把柄上。 圖1B和1C疋圖ία所示實施方案的一些特徵，在下 f中討論這些特徵。圖1入到lc中的箭頭表示工件U的 疋轉方向、工具切割深度⑷、工具饋送率（和冷束流 體向噴嘴1 8的供應。 圖1C表示標記為a的喷霧撞擊面積。在工具前刀面 表面14上增加噴霧撞擊面積（A)導致改善切削工具12 的冷郃。然而，如果射流20穿過空氣，則增加前刀面表面 1ΐ嘴J8的出口之間的距離來增加喷霧撞擊面積反而降 -、ρ效率申叫人認為：除了品質流量密度或撞擊密度 :降以外’所觀察到的效果是空氣夾帶進入膨脹射和冷凍 的小滴經過過多的飛行沸騰造成的。 '束 26 200533461 將位於工具前刀面表面14法線平面中的射流撞擊角 (α )從0° (切線方向）增加到90。（法線方向）導致明顯 改善切削工具12的冷卻，因此，導致更長的工具壽命或更 快的切削能力和/或能切削更硬的加工零件，切削更硬的加 工零件產生更多熱量。圖1Α表示相對於切削工具12的底 部的撞擊角（α)、工具把柄16、工件22和管狀噴射喷嘴 1 8。對於有效切削硬質或硬化的工件必須使用大的撞擊角 (α )，並且角度的效果與工件硬度成比例。 增加位於工具前刀面表面14的平面中的射流散佈角 (β )導致減小加工表面粗糙度。圖1Β和1 c說明相對於 圓形切削工具12的底部的射流散佈角（β )、工具把柄J 6、 工件22和管狀喷射喷嘴18。圖ic所示的在工具前刀面表 面的碰撞點或喷霧撞擊面積A和加工表面之間的距離L不 重要’因為’飛濺的射流夾帶的空氣比以上討論的自由射 流更少。重要的是：散佈角（β)足夠使飛濺的射流到達至 少切削工具和工件之間的接觸的整個長度。接觸長度為圖 ic中所示的點bl和b2之間。在圓形工具或工具在圓角的 曲率上切削的情況下，這在精加工（finishing)操作中經 常遇到，接觸長度bl_b2可以從圖}3到lc所示的切割深 度（d)、工具半徑（r)和工具饋送率（f)利用以下方程 blb2 180 nccJ^d , λ/4〆 一/2 «cos — --ha cos -- r 2r 足夠大 不希望受任何特別理論的束缚，申請人認為： 27 200533461 的散佈角（β)對加工表面光潔度的驚人的、理想的效果顯 然與加工表面急劇冷卻和硬化、細小部分的急劇冷卻和硬 化、加工材料切屑的尾端和切削工具後緣的初始幾何形狀 的保持有關，該幾何形狀控制表面光潔度，但是如果沒有 有效的冷象冷卻會磨損更快。 增加散佈角（β)導致改善加工表面光潔度的程度與加 工材料的初始硬度成反比。這與撞擊角（α)對工具壽命的 影響相反，撞擊角（α)對工具壽命的影響與加工材料的初 籲始硬度成正比。可理解地，不同形狀的工具（例如多邊形 工具）也能用於根據本發明的加工操作，並且形成撞擊角 (α)和散佈角（β)理想的數偉。 只有當膨脹、冷凍流體射流至少部分限制在目標前刀 面表面上時，或多或少精確控制撞擊角（ot)和散佈角（β) 才是實際的。這是因為從簡單的、無限制的喷嘴射出的自 由膨脹的、無約束的冷凍射流在從高的供應壓力到大氣壓 壓力減壓時有放射狀地加寬或成枝狀喷出（bush_〇ut )的趨 _ 勢，這些喷嘴例如管狀和/或收斂的、或甚至是更精確射 流、收斂-分散、具有圓形或多邊形橫截面的喷嘴。放射成 枝狀的程度強烈依賴於進入喷嘴的冷凍流的溫度和相組成 (汽相含量）。由於冷凍流的溫度和相組成難以避免波動， 有益的是使用這樣的喷嘴，在喷嘴中膨脹的射流至少部分 受限制。這樣改進的喷嘴同樣使沸騰的冷凍流體和工具前 刀面表面之間的表面接觸面積或喷霧撞擊面積（A)最大 化，並且防止壓力在沸騰區域積聚，也就是，維持在基本 28 200533461 上1大氣壓壓力。 ^ 圖2B-2E表示本發明使用限制性射流喷嘴32的實施方 案。為了防止冷束流體射流放射成枝狀（bushing )和夾帶 熱的環境空氣（一般對於由簡單噴嘴產生的自由膨脹的射 流，如圖2A所示），本發明的喷嘴32 (圖2B-2E所示）使 冷凍流體在拱頂形30内從高的供應壓力膨脹到大氣壓壓 力’拱頂形位於工具前刀面表面14正上方。 圖2B說明流體射流限制的原則。在喷嘴32的下游部 _ 分内進行膨脹和減壓過程中，冷凍射流分離成氣相部分和 凝聚相部分，凝聚相部分一般為液流，如圖2B所示。在一 些情況下，凝聚相部分可包括精細的冰粒或冷凍的冰浚， 如在膨脹冷二氧化碳（co2)氣體或液體的情況。由於較高 的密度和慣性，凝聚相部分設法沿著原始軸連續膨脹而不 偏斜並且沿著收斂壁34連續膨脹。收斂壁相對於原始軸的 收傲角36,如圖2B所示，必須小於分散壁42的分散角4〇, 鲁以破保所需要的流體減壓和射流膨脹。 典型地’收斂壁34的初始角可以在〇。到6〇。之間變 化，但疋在下游位置處收斂壁的曲率可增加，並且收斂壁 最終的收斂角36相對於初始轴可以大到9〇。。正是這種收 斂壁的最終收敛肖確定了射流撞擊肖（^ )和王具冷卻效 果。越陡峭越好。 ^ /、型地刀政角40相對於初始軸可在3〇。到175〇之間 化取决於其他噴嘴設計因素，限制條件是分散角總是 比收斂角36大。适樣選擇壁角度的最終結果是能從凝聚相 29 200533461 部分（例如液體）分離氣相部分，並且使凝聚相部分在所 需方向所需角度下膨脹。該結果相當重要，因為所分離的 凝聚相邛 >(例如液體）在冷卻方面明顯比氣相部分更有 效。 圖2C說明根據上述原則設計的限制喷嘴“的操作， 並指出冷凍劑在位於工具前刀面表面14正上方的拱頂形 3〇或噴嘴腔内從高的供應壓力膨脹到大氣壓（_)壓力。 拱形等的下緣和前刀面表面之間的間隙足以防止拱頂形内 不希望有的壓力積聚。拱頂形下緣的前側，與工件22相 對，可以切開或開槽，以便在最需要的方向射出主要部分 的冷凍劑。選擇一個或多個前槽的形狀和大小以獲得所需 的散佈角（β)值。可以選擇拱頂形的高度和内部曲率以產 生所需要的射流撞擊角（α)。而且，可通過擴大拱頂形的 底部尺寸方便地使喷霧撞擊面積或接觸面積（Α)最大化。 當喷射基於液體的冷凍流時，在拱頂形3()内的壓縮冷 /東劑的膨脹產生顯著更冷的液體和氣相。由於明顯較高的 密度，液相被位於上游的收縮孔定位在原始方向連續膨 脹，並且轉向拱頂形内壁。因此，液相以與拱頂形曲率的 切線的角度相同的角度撞擊在工具前刀面表面14上。因 而，撞擊角（α )可以方便地通過拱頂形的曲率和高度設置， 並且使撞擊角（α)比所說的30。、或甚至80。更陡靖，因 此不困難。 。冷;東流體的液體部分在供頂形3 〇的内部曲率上膨 脹並且通過前槽離開拱頂形，氣相（密度比液體低）被壓 200533461 回工具前刀面表面14以及拱頂形的下緣和前刀面表面之 :的間隙。本發明的喷嘴32本質上是離心式相分離設備， 匕對切削工具最熱的部分射出最冷的液相，並且通過棋頂 形的底側除去冷的氣相。 圖2D和^表示本發明噴嘴32的兩種可能結構的俯 視圖，其中梹頂形30的前部可用球面曲率、或平直曲線壁 、’、止，以產生對液態冷凍流體或多或少的限制。位於上游 的收縮孔形狀可以相應於拱頂形前部的形狀：對於球形曲 線拱頂形為圓形，對於平直曲線拱頂形為狹縫形狀。 本發明喷嘴32適合真實的車床加工環境，其中從所加 工表面上展開的切屑傾向於在常規的冷凍劑噴嘴前部糾 纏、碰撞或堵塞。噴嘴的緊湊設計允許將它固定在維持镶 入式截坯刀的常規夾具的尾部，或喷嘴的背面缚上固定螺 栓，使它同時成為鑲入式夾具和冷凍劑噴嘴。 申請人觀察到：在切削工具的有效壽命内增加加工材 • 料硬度會減小所加工表面的加工粗糙度，這是所希望的， 但是這往往會縮短切削工具的有效壽命，這是不希望的。 表面粗糙度是表面光潔度最流行的測量方法，並且希望在 精加工操作中使表面光潔度最大化或使粗糙度最小化。當 在車削中的表面粗糙度減小到研磨操作中典型的下限值 時，有可能省略研磨·步驟，並且縮短整個製造過程，從而 產生顯著的節約。製造工業面臨的挑戰是改善表面光潔度 而不降低切削工具的壽命，因為降低切削工具壽命導致增 加生產成本和不良的產品率。如果冷凍流體撞擊角（α)足 31 200533461 夠陡峭， 減少。 則在切削硬質材料過程中 工具奇命短的問題可以

曰加表面光潔度（例如減小粗糙度）和表面完整性( 如增加可壓縮應力）的加工表面硬化可以是永久的或暫 的’只要在材料表面是冷卻㈣候維持表面硬化，並且 例 時 只 要在加工操作過程中表面硬化有效。加工表面的永久的預 硬化包括熱處理、擴散渗碳、滲氮、聚合物交聯等。如申 請人觀察的：如果相同的加工材料在加工之前通過永久性 處理硬化’則產生更好的表面光潔度。這是—個不包括增 加散佈角（β)而改善表面光潔度的備用方法。 而，預硬化加工材料與在加工過程中利用在足夠大 的散佈角（ β)下喷射冷凍劑進行額外的硬化相互結合經常 導致進-步改善表面光潔度。申請人觀察到：如果在已經 預硬化的加工材料上（例如通過淬火和回火或滲碳進行硬 化的鋼）冑用冷;東急劇冷卻，則所加卫的表面粗糙度落在 常規計算的理論粗糙度（Ra_t)㉟限的右側，並且如果切 削工具尾端形狀正確，則所加工的表面粗糙度甚至落在常 規的極限（Ra_t)之下。 在車削中理想的數學平均表面粗糙度（AA)或常規的 Ra-t極限通常從工具饋送率⑺和工具刀尖半徑⑴利 用以下方程計算：

R a-t =/1 32r 從 Feng, An Experimental Study of the Impact of 32 200533461

Turning Parameters on Surface Roughness，論文 Ν〇·2036， 2001 年 Industrial Engineering Research Conference of the Institute of Industrial Engineers (2001)的會議錄。 儘管該計算方法被廣泛接收，但這種計算方法僅僅是 近似的’因為車削工具的工具幾何形狀和饋送率只允許精 確計算最大的峰-穀粗糙度（Rt )，而Rt/Ra_t = m是對一 般的車削條件進行的簡單估計。即使申請人在精車削中的 實驗工作表明比例（ηι)可以在3 ·6到7.8之間變化（參見 C· Feng)，在本文中申請人使用運算式Ra_t和m= 4作為 車削中的理想數學平均表面粗糙度的標準極限（Aa ) f2 在申請人使用本發明精車削金屬、複合材料和聚合物 加工材料的過程中的各種觀察和發現可以綜合成以下五個 定性的方程，其中：Ra—所加工表面的數學平均表面粗糙 度、H—在切削操作過程中加工材料的硬度、t一切削工具 的壽命、α—喷嘴控制的冷凍射流撞擊角、a噴嘴控制的被 沸騰的冷凍流體衝擊的工具前刀面表面的面積，—加工 材料的初始硬度、△% —由任選的預硬化步驟導致的加工材 料硬度的增加量、β—喷嘴控制的冷凍射流散佈角、f一在 切削過程中工具饋送率、卜工具刀炎半徑、以·卜圓形切 削刃的理論粗糙度極限、m—可以從樣品的加工測試中 確定的大於零的常數、和符號“〜，，是指成比例。 33 200533461

mrH 和

A 和 H 〜HQ +AHp +η· β Η0+ΑΗΡ m-r /2

Hq + AHp + n · β hq+ahp 和

a· A

Hq 4- AH p + n. β h0+ahp 實施例1 : 在各種流速和供應壓力下評估冷凍射流撞擊角（α)對 冷卻鑲入式截坯刀的效果。使用兩個如圖2A所示的簡單 的、管狀喷嘴噴射液氮（LIN)冷凍劑。使喷嘴的内部末端 形成收斂-分散（CD)、Laval型流體通道，它能使膨脹的 冷凍流體比直壁或只有收斂的流體通道更加精確地集中。 第一 CD喷嘴咽喉的最窄部分的直徑是〇 〇19英寸，而第二 個CD噴嘴的直徑是〇 〇25英寸。在供應壓力為12〇磅/平 方英寸時，較小的喷嘴喷射hl磅/分鐘的UN，而較大的 喷嘴喷射1·8磅/分鐘的LIN。用較大的噴嘴在減小的供應 壓力60磅/平方英寸下進行額外的試驗，表明膨脹流體更 又限制或分枝（bushy)更少，並且流速為12磅/分鐘UN。 由每一個噴嘴產生的UN射流對準一般在精加工操作 中使用的鑲入式截坯刀的前刀面：由相對非導電的 34 200533461

Al203-TiN 陶瓷複合材料製造的 CNGA/CNMG-432 ( ISO )。 在每一個噴嘴的出口與前刀面表面之間的軸線距離保持為 常數0.5英寸。在每一種噴射條件下評估兩個撞擊角（α ): 40°和85。。將微型熱電偶放置在鑲入處正下方、切削刀尖 下，以便在LIN喷射的前兩分鐘監測溫度從室溫的變化。 繪於圖3的測試結果表明：陡a*肖射流撞擊角（α = 8 5。）對 於快速有效冷卻鑲入式截坯刀是最重要的因素。在膨脹過 程中射流成枝狀（bushing )的影響不重要但是不能忽略— ® 更多限制，60磅/平方英寸的射流比12〇镑/平方英寸的射 流更有效。最令人吃驚的是，發現LIN流速的影響是三個 因素中最不重要的，這說明最節省成本的冷凍流體射流冷 卻方法必須優化擭擊角（α )和其限制而不是簡單地使流速 最大化。 在精車削操作中用其他常用的鑲入式截坯刀重新測 試：由導熱立方型氮化硼（CBN)切削刃銅焊到導電wc_c〇 φ 碳化物把柄上所製造的CNGA/CNMG-432。在陡峭射流撞 擊角（α= 85。）下，發現冷卻速率與非導電陶瓷插入物相 同；CBN/WC-Co的冷卻速率只是比以前和在較低的撞擊角 (α=40。）下有所提高。因此，再次發現控制射流撞擊角 (α)對於冷卻切削工具的刀尖是重要的，這對於硬質加工 材料的有效和快速切削是必須的。 實施例2 : 將鐵、石墨、銅和鎳粉末預混以獲得FN_〇2〇8 (mpif 35 200533461 類）組合物（〇·8_0·9% C、〇.8%Ni、2.0% Cu、餘量 Fe，均 疋基於重1計），壓成粉末冶金（P/M )圓盤，並且燒結獲 V兩個不同岔度水準：6 67g/cm3( 6 67Mg/m3 )， ‘低密度， 材料，14.5% 的孔隙率，和 7 2〇g/cm3 ( 7.2〇Mg/m3 )， ‘高 也度材料，7·7%的孔隙率。每一種密度的一半圓盤隨後 通過使用常規步驟進行熱處理硬化，以獲得高的表觀硬度 一在低密度材料的情況下至少為30HRC，而在高密度材料 的情況下至少為4〇HRc。 如此製備的Ρ/Μ圓盤的表面加工在20kW的CNC車床 上進仃，恒速操作，使用如下參數：（1 )切削速度一1，〇〇〇 英尺/为鐘（305米/分鐘或5 〇8米/秒）；（2)饋送率一 〇 〇〇7 英寸/轉（0.178毫米/轉）；和（3)切削深度—〇〇〇8英寸 (〇·203毫米）。使用“低含量，，、市售的、未塗覆的PCBN 鑲入式截坯刀，具有2個切削刃的BN25〇 (通常，銅焊尖 端類型）。鑲入部分和刀刃的幾何形狀如下：cNMA_433、 0.005英寸的刃背t (0127毫米寬的斜面），_2〇。的倒角。 鑲入部分固定在最常用類型的鋼工具把柄上，特徵為丨。的 前刀面和-5。的傾角。在加工過程中使用切削流體冷卻的最 常規的方法，包括沖洗（flGGding)鑲人部分和p/M圓盤。 在水中的9體積％乳化油用作流體以2〇磅/平方英寸（1 3 8 巴）的供應壓力經過管道沖洗鑲入部分。 使用由Taylor Hobson公司提供的數學、以粗糙度儀 SurtoniclO評估所加工的p/M圓盤的表面光潔&。材料硬 度用常規微型硬度計測量vickerscale (kG/mm2)。結果匯 36 200533461 於下表1 °表面粗糙度的降低（也就是表面光潔度隨著硬 又的、曰加而改善）是顯然的，並且說明在加工之前的熱機 械表面硬化對於超精加工是有效的措施。 表1

實施例3 :

來自於實施例2的燒結的、軟P/M圓盤利用液氮（UN ) 冷凍射流冷卻並用圖20：和2D所示的具有内部膨脹室的工 具夾喷嘴進行表面加工。在LIN品質流速為18磅/分鐘、 供應壓力為100碎/平方英寸（6·89巴）下，喷嘴產生的射 流以等於45。的撞擊角（α)撞擊在前刀面上，並以等於9〇c 的散佈角（β)散佈到各側。使用節省成本的、市售的、 Al&TiC基、TiN塗覆（PVD)的、細粒的黑色陶瓷鑲入 式截坯刀，它有四個（4)切削刃，並且幾何形狀說明如下： CNGA-433、0.008英寸刃背（〇·2〇〇毫米寬的斜面）、_25〇 倒角。除了不同的鑲入部分和冷卻方法外，所有其他條件 37 200533461 均與實施例2相同。 表2比較了用沖洗和LIN加工的圓盤的加工表面粗糙 度，和在平均工具側面磨損（Vb_ave)達到數值為0.30毫米 之前的切削刃的壽命。清楚表明：加工材料和切削工具的 LIN冷卻和硬化導致明顯改善的表面光潔度以及工具壽 命0 圖4比較了用於切削軟的和預硬化零件的工具的壽 命。工具壽命通常隨著材料硬度的增加而縮短，但是在加 鲁 工硬質工件過程中LIN冷卻的工具的壽命仍然比在加工軟 零件的過程使用常規的水沖洗冷卻的工具的壽命長。因 而，從製造過程中完全省略軟加工的步驟，然後硬化加工 表面，並使用LIN冷卻進行精車削，是節約成本的。 表2 P/Μ材料條件 冷卻方法 粗糖度， Ra，微英寸 切削刃壽命 切削的P/Μ圓盤數目 燒結/軟圓盤，低密度 沖洗 44 92 燒結/軟圓盤，低密度 LIN 24 337 燒結/軟圓盤，高密度 沖洗 43 94 燒結/軟圓盤，高密度 LIN 23 499 實施例4 : 冷凍射流散佈角（β )對表面光潔度的影響用加工材料 硬度和塑性的函數進行評估。具有平均硬度為44HRC的醫 用鈷-鉻合金、ASTM F 型（Co-Cr_Mo-Ni-Fe，Si-W-Al-Ti) 38 200533461 被用作中間硬度的稍微粘性的加工材料進行試驗。通用的 軸承鋼，52100( 2〇%Si_餘量 通過淬火和低溫回火進行熱處理到硬度為6〇hrc，作為硬 質加工材料。兩種材料均用20kW的CNC車床進行切削， 恒速操作並且使用相同類型的市售鑲入式截坯刀和工具把 柄：便宜的、市售的、Al2〇3_Tic基、TiN塗覆（pvD)、細 粒的黑色陶瓷鑲入式截坯刀CNGA-432、〇 〇〇4英寸削角、 -20。倒角、和_5。的前刀面/_5。的傾角工具把柄。每一加工材 料的加工參數是不同的，如表3所示。 在加工兩種加工材料過程中，使用兩類工具夾具/内部 膨脹室的噴嘴：第一，如圖2D所示，散佈角（p)為9〇。， 第二，如圖2E所示，散佈角（β)為25。。對於兩種噴嘴， 射流撞擊角（〇〇相同並等於45。。向每一個噴嘴提供壓力 為100磅/平方英寸的LIN，並且每一個噴嘴每分鐘噴霧^ 8 磅 LIN。 *

如前面的實施例，使用由TaylorHobs〇n公司提供的平 均數學、Ra粗糙度儀Surtonicl〇檢驗所加工零件的表面光 潔度。形成的加工表面粗糙度Ra，也稱為AA或cla粗糙 度，與從以下標準方程估算的理論表面粗糙度極限尺心谁 行比較：Ra-t = f2/(8mr)，其中：f_工具的績送率、卜 工具刀尖半徑、和m—粗糙度轉換常數，對於本發明的表 面光潔度切削操作而言假定為3.9。以下表3的結果表明： (1)大的冷凍射流散佈角（β)改善加工表面光潔度，但 它的效果與加工材料的硬度成反比；（2)當使用理論粗糙 39 200533461 度極限Ra-t評估光潔度時，越硬的和/或預硬化的加工材料 產生更好的表面光潔度，Ι/Ra ;和（3 )預硬化加工材料和 在切削過程中應用冷凍冷凍劑的硬化效果相互結合能產生 加工表面粗糙度水準低於常規可接收的理論粗糙度極限， Ra-t 0 表3 加工材料 Co-Cr合金 52100軸承鋼 表面硬度 44HRC 60HRC 切削速度 900英尺/分鐘 650英尺/分鐘 饋送率 0.002英寸/轉 0.004英寸/轉 切削深度 0.005英寸 0.008英寸 理論粗链度極限，Ra-t 4.1微英寸 16.4微英寸 使用的冷凍噴嘴的散佈角β 90° 25° 90° 25° 測量的粗糙度Ra，微英寸 7.6 12.0 8.0 8.3 測量的粗链度Ra 5計為理論 粗糙度極限，Ra-t的百分數 185% 293% 49% 51% 當與列於表4中的工業標準粗糙度水準比較時，可以 充分正確評償表3所示的利用LIN硬化、以及在車削過程 中LIN硬化與熱硬化結合產生的低粗糙度水準。因而，申 請人的切削方法改善加工表面光潔度到可以省略常規研磨 和精研操作的程度，並且大大降低生產精成品零件的成本。 200533461 表4 加工表面光潔度的分類（ASMHandbooKDeskEdition，2001) 分類 粗縫度，R 產生光潔度的典型方法 生產的近 Mm μίη 似相對成 本 超精加工 0.10 4 研磨、微細磨、精研 40 拋光 0.20 8 研磨、細磨、精研 35 研磨 0.40 16 研磨、精研 25 修光 0.80 32 研磨、銳削 18 精細 1.60 63 銑削、研磨、鉸削、拉削 13 半精細 3.2 125 研磨、拉削、銑削、車削 9 中級 6.3 250 成型、銑削、車削 6 半粗糙 12.5 500 銑削、車削 4 25 1000 車削 2 清除 50 2000 車削 1 實施例5 : 工具磨損和冷卻方法對表面光潔度的影響評估如圖5 # 所示。除了在更高的溫度下回火以降低平均表面硬度到 54HRC之外，加工材料是與實施例3相同的52100軸承鋼。 切削速度從650英尺/分鐘增加到750英尺/分鐘，但是饋送 率、切削深度、理論粗糙度極限（Ra-t)、加工、和LIN供 應方法與實施例4中在52100材料上使用的相同。LIN射 流撞擊角（oc)和散佈角（β)分別為45。和25。。使用如實 施例2中的沖洗方法進行類似的沖洗加工。結果顯示：即 使LIN冷卻的工具的側面磨損小於沖洗的工具的側面磨 41 200533461 損，LIN加工的材料的表面粗糙度比沖洗冷卻的情況更 低。由LIN冷卻的鑲入部分的強度保護切削刃，並且LIN 低角度的散佈足夠改善硬質加工材料的表面光潔度。而且 使用LIN的實際粗糙度落在理論極限Ra-t之下。圖5A和 5B表明：僅僅是側面磨損和工具刀尖變平不能解釋LIN降 低粗糙度的效果。表5在相同的撞擊角（α)和散佈角（β) 下將由LIN射流加工的較硬的鋼（見實施例4 )的表面光 潔度與較軟的鋼（見圖5B )進行比較。較硬的52100表面 ® 在稍微低的切削速度下加工，比其他的更光滑，表明切削 刃附近的微塑性流加工材料和切屑的不同。這是額外的證 據，證明在切削過程中的LIN射流冷卻、以及加工表面的 預硬化是控制表面粗糍:度的有效手段。 表5 加工表面硬度 60HRC 54HRC 切削速度 650英尺/分鐘 750英尺/分鐘 測量的粗糖度，Ra，微英寸 8.3 11 測量的粗糙度，Ra，計為理論粗 糙度極限，Ra-t的百分數 51% 61% 實施例6 : 25體積％玻璃填充的尼龍複合材料樣品、以及由聚丙 烯、高密度聚乙烯（HDPE )、生（cast)丙烯酸和乙縮醛均 聚物Delrin®製造的普通（Plain )聚合物樣品被製備用於使 用本發明的LIN表面硬化方法進行的拋光端銑削 42 200533461 (end-milling)和通孔鑽孔測試。（Delrin® 是£1 Du p〇nt De Nemours and Company的注冊商標）。從距離為〇 5英寸 處利用簡單的、但是精確喷射的、終端具有CD孔的管狀 噴嘴將LIN射流以陡峭的撞擊角（〇〇 75。撞擊在工具加工 表面接觸區或其周圍。在通孔鑽孔的情況下，第二股 射流撞擊在鑽頭的出口側的加工材料表面上。結果顯示： LIN硬化明顯減少一般在加工過程中的聚合物表面上形成 的纖維毛刺（burrs)。在通孔鑽孔的情況下，同樣通過使在 •鑽頭鏨子的前部進入出口壁處的材料的塑性斷裂最小化除 去出口側的毛刺。當與常規的幹法加工步驟比較時，整體 加工表面的改善特別重要。所觀察到的改進能使加工操作 省略後續的清除毛刺步驟並且不需要常規的、污染聚合物 零件表面的肩滑沖洗冷卻和額外的清洗步驟。 實施例7 : 在合金鋼環的外徑 '最終的硬質車削過程中，評估^ 凍冷卻對加工表面完整性，更具體地對殘餘應力分佈，合 效果。該環是由淬火並回火到硬度為6贿的M5〇級銦 (0.85%(：-4.1%(：卜4.2%]^〇-1%乂-餘量1^，基於重量）| 造的。所使用的車床和工呈扣知彻杳 ，、把柄與實施例2-5中的相同。 所有下述測試的整個過程中传用_插τ θ μ，十 Υ便用種工具饋送率0.003赛 寸/轉。 第一個測試，測試A，佶用如杳# μ 丄， 便用如實知例2中詳細描述合 常規沖洗冷卻，並使用昂眚的、古隹α Ρ貝的市售的、CBN鑲入式截矣 43 200533461 刀CNGA-43 2 KB5625。測試A中選擇的工具、冷卻方法和 切削速度是最典型的、標準的工業加工條件，這些條件是 近年來通過試差法並用來針對所生成的殘餘應力優化工具 可〒（例如工具成本和生產率）而發展起來的，殘餘應力 應该是高度壓縮的，但當工具磨損或速度更高時，可以變 得更加可伸展。接著的三個測試，B、C和D使用如實施例 4中詳細描述的便宜的、Al2〇3_Tic基鑲入式截坯刀。測試 B-D選擇的切削速度比常規測試高3 ·7倍，其中切削速度相 應於生產率，測試Α表示常規測試。 表6是所有四個測試中使用的關鍵條件和冷卻方法。 每一個使用LIN作為冷卻介質的冷凍測試以及限制射流喷 嘴類型在圖2E中表示。在該喷嘴中的限制孔的形狀為矩 形’尺寸為（0·08±0·010)英寸 X (〇·〇25±0_010)英寸。撞 擊角（α)比較陡峭（65。）而散佈角（β)窄（25。），以便 使工具加工接觸弧整個長度上的工具冷卻效果達最大。在 馨 測试C和D中通過同時使用第二個喷嘴對加工材料進行額 外的冷卻和硬化，第二個喷嘴是具有限制孔（咽喉）直徑 為0.035±0.005英寸的簡單CD喷嘴。第二喷嘴對準鑲入部 分前刀面和接觸長度尾端的切削刃，也就是，由第一個限 制射流喷嘴形成的LIN射流的軸下游。 使用標準X射線衍射方法測量在目前條件下所加工的 環的殘餘應力，該方法是基於晶格間距的變化，如G. Totten 等人編的 “ Handbook of Residual Stress and Deformation of

Steel” 所述，ASM International，Ohio，2002，第 11 2_ 11 3 200533461 頁。使用重複、步進式x射線測量和電蝕刻所測試的材料 的薄層的額外步驟，以便確定材料表面以下較深處的應力 分佈。在製造工業中通常使用的步進式步驟，由E. Brinks 等人描述在出版物 “ Residual Stresses-Measurement and Causes in Machining Processes” 中，Annals of the CIRP，卷 3 1/2/19 82，第491-5 10頁。殘餘應力分佈的X射線測量結 果繪於圖6。

表6 測 試 切削速度 (英尺/分 鐘） 切削深度 (英寸） 冷卻方法 所使用的冷凍喷嘴類型 備註 A 350 0.010 28碎/平方英 無 加工產生 寸背壓沖洗 低的熱量 的乳液 輸入 B 1300 0.010 100碎/平方 圖2E所示的限制射流喷嘴 加工產生 英寸背壓射 局的熱量 出的LIN 輸入 C 1300 0.015 100磅/平方 使用兩個喷嘴：[1]圖2E所 加工產生 英寸背壓射 示的限制射流喷嘴和[2]圖 最高的熱 出的LIN 2A所示的CD喷嘴 量輸入 D 1300 0.010 100碎/平方 使用兩個喷嘴：[1]圖2E所 加工產生 英寸背壓射 示的限制射流喷嘴和[2]圖 南的熱量 出的UN 2A所示CD噴嘴 輸入 圖表說明··在所有四種情況下殘餘應力是壓縮的，但 是使用冷凍冷卻使表面壓縮的程度和深度明顯增加到壓縮 45 200533461 .應力能渗透所處理的材料。測試α測試d獲得最佳效 果，它們均使用最冷和最硬、雙喷嘴佈置。測試c導致壓 ，應力比測試D稍微低些，因為其切削深度高5〇%，也就 是’進入材料的熱量、或材料軟化的程度更高。通過維持 加工表面和工具材料冷卻和硬化，所公開的冷束方法和設 備能使用比較便宜的工具，該工具能比常規的、CBN工具 更决地切削並更有效率地工作。而且，儘管增加切削速度， _所公開的冷;東方法增加壓縮殘餘應力（也就是表面完整 性）’因而減少對額外的下游操作的需要，下游操作如張應 力表面的抛光、輕敲處理、滚光、磨光、深滾壓和常規用 於在所加工和形成的零件上恢復壓縮應力的類似製造步 驟。 本發明產生加工表面，特徵在於獲得改善的表面光潔 度和表面完整性而不縮短切削工具的壽命。這使製造工業 η 二上游和/或下游製造步驟，例如軟粗磨、研磨/拋 • 光、輕敲處理、磨光和修邊。同樣，當本發明在冷凍加工 中使用時，允許用戶省略清洗步驟。總言之，本發明具有 更快生產零件、單位成本更低並且使用更少資金的能力。 本領域普通技術人員應該認識到：本發明在許多工業 部門包括機械、採礦、能源、交通、電氣、電子、光學和 醫療用品和設備製造中能改善產品品質並減少生產成本。 根據本發明能夠製造的部件的實例包括金屬板、帶、擠壓 件、成形件和模鍛件、模鍛工具、沖模、模具、鑽頭、輥 、軸、軸承、軸襯、錠子、環、圓筒、閥、緊固件、連 46 200533461 接件、輪、齒輪、刀刀、量規和其他測量儀器、電極、吸 熱設備、微晶片包、濺射把、模罩、鍾射鏡和其他光學部 件、醫用植入物和儀器、以及各種器件、尺寸精確 塑性和複合部件。 儘管本文參考一些特定的實施方案進行了說明和描 述，然而本發明並不受所示細節的限制。而是，在權利要 求書的等同方案的範圍内在細節上可以做各種修改，而不 脫離本發明的精神。 圖式簡單說明 本發明將結合附圖通過舉例方法進行說明，其中： 圖（ΙΑ 1B和1C)表示冷凍流體撞擊在切削工具和 工件表面上的主要參數：撞擊角“)、散佈角（β)、工具 饋达率（f)、切割深度⑷、與加工材料接觸的工具曲率 半徑⑴、撞擊面積（A)和撞擊面積中心到加工零件表面 之間的距離⑴，並且更具體地說， 圖1A是說明本發明一個實施方案的側視圖的示意 ::其中冷凉流體射流以撞擊角（α)揸擊在工具前刀面表 面， 圖⑺是說明本發明一個實施方案的俯視圖的示意 :，其中冷凉流體射流減在工具表面然後以散佈角…撞 擊在工件表面； 圖1C疋祝明本發明_個實施方案的俯視圖的示意 圖，其中冷凍流體射流在與工件加工表面相距[處的切削 47 200533461 工具的前刀面表面上形成撞擊點A ; 圖2 ( 2 A_2E )說明使用自ώ如冷 射/瓜和限制射流的噴嘴 冷凍流體射流撞擊在工具和加I 、守 表面上的設備和方法，並 且更具體地說， 中使用一種夾帶有環境 的側視圖的示意圖； 圖2 A是說明本發明實施方案 大氣如空氣的自由膨脹的冷凍流體 明實施方案的噴嘴下游

圖2B是說明圖2C所述的本發 部分的侧視圖的示意圖； 圖2C是說明使用本發明的拱頂形的、限制射流的噴嘴 的本發明實施方案的側視圖的示意圖，其中該喷嘴以橫載 面顯不’位於前刀面表面上，其中冷凍流體射流以撞擊角 (α)撞擊在前刀面表面上； 长圖2:0是說明使用本發明的圓形的、拱頂形的、限制射 7的噴嘴的本發明實施方案的俯視圖的示意圖，其中該噴 嘴以k截面顯示，位於前刀面表面上，其中冷凍流體射流 以散佈角（β)撞擊在工件表面上； 圖2Ε是說明使用本發明的矩形的、拱頂形的、限制射 机的噴嘴的本發明實施方案的俯視圖的示意圖，其中該噴 嘴Μ橫截面顯示，位於前刀面表面上，其中冷凍流體射流 以撞擊面積Α接觸前刀面表面； 圖3是表示冷凍流體的撞擊角（^ 供應壓力和流速 對镶入式截这刀工具冷卻速度的影響圖； 圖4是表示冷卻方法對切削燒結和預硬化鐵基粉末冶 金工件的工具壽命的影響圖·， 48 200533461 圖5 ( 5A和5B )說明本發明在預硬化的軸承鋼52100 級的精車削過程中的兩個方面，並且更具體地說， 圖5A表示冷卻方法對工具磨損的影響圖； 圖5B表示在整個工具壽命中加工表面粗糙度的圖； 圖6表示在精車削過程中使用的冷卻方法對預硬化鋼 M50級的表面的殘餘應力分佈的影塑圖。

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Claims (1)

1. 200533461 十、申請專利範圍： 1、一種改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度和 表面完整性中的至少一種的方法，該工件具有表面硬度， 該方法包括在用工具形成或成形工件過程中增加工件表面 硬度。 2、如申請專利範圍第丨項的方法，其中通過用冷凍流 體冷卻工具的至少一部分、或工件的至少一部分、或工具 的至少一部分和工件的至少一部分來増加工件表面硬度。 一3、如中請專利範圍第2項的方法，其中冷;東流體的射 才里擊在工具的一部分和工件表面的一部分上 ^ 4、如中請專利範圍第3項的方法，其中冷束流體的射 流以大於0。並小於9〇。的撞擊角（α)撞擊在工具的一部分 古5、如申請專利範圍第3項的方法，其中冷束流體的射 流以大於30。並小於9〇。的撞擊角（α)撞擊在工具的一部 分上。 ^ 。 、6、如中請專利範圍第3項的方法，其中冷;東流體的射 流以大於0。並小於18〇。的散佈角（β)撞擊在工件的表面 上。 50 200533461 7' —種改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度和 表面完整性中的至少一種的方法，該工件具有表面硬度， 該方法包括在用工具形成或成形工件之前、用工具形成或 成形工件的過程中、或用工具形成或成形工件過程之前和 過程之中，增加工件表面硬度。 8、 如申請專利範圍第7項的方法，其中通過熱處理、 化學處理和機械處理中的至少一種增加工件表面硬度。 9、 一種改善用切削工具加工的工件的表面光潔度和表 面完整性中的至少一種的方法，該工件具有表面硬度，該 方法包括在用切削工具加工工件過程中增加工件表面硬 度’其中通過用冷束流體冷卻切削工具的至少一部分和工 件的至少一部分來增加工件表面硬度，並且冷凍流體的射 φ 流以大於0。並小於9〇。的撞擊角（α )撞擊在切削工具的一 部分上，而冷凍流體的射流以大於〇。並小於18〇。的散佈角 (β)撞擊在工件的表面上。 10、 一種改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度 和表面完整性中的至少一種的方法，其包括步驟： 提供冷凍劑的供應； 在工件附近提供喷嘴，噴嘴包括： 用於接收冷凍劑流的至少一個進口； 51 200533461 與所述至少_如、& 分用於接收至少一:=體連通的上游部分’該上游部 流； β刀來自於所述至少一個進口的冷凍劑 /、上游部分流體連通並且用於接收至 上游部分的冷來劑流的下游部分；和 刀來自於 /、下游邛分流體連通並且用於接收並且發射至少〜 分來自於下游部分的冷編的至少一個出口；〜部 將一部分冷束劑送到喷嘴的所述至少一個進口 =劑在喷嘴的下游部分内至少部分分離成凝聚= 蒸汽部分；和 丨刀和 相部分和蒸汽部分的至少一部分膨腺 嘴的所述至少—個出口喷射到工具和工件表面上。噴 部八1!有7請專利範圍第10項的方法，其中喷嘴的下游 =壁 個分散壁和至少-個心收斂膨脹射流的 12、如申請專利範圍第UJS的方法，其中所述至少一 個分散壁具有分散角，並且所述至少—個收敛壁具有小於 分散角的收斂角。 ' 其中分散壁對環 13、如申請專利範圍第丨〗項的方法 境大氣敞開。 52 200533461 14、 一種改善用切削工具加工的工件的表面光潔度和 表面完整性中的至少一種的方法，其包括步驟： 提供冷凍劑的供應； 在工件附近提供喷嘴，喷嘴包括： 用於接收冷凍劑流的至少一個進口； 與所述至少一個進口流體連通的上游部分，該上游部 分用於接收至少一部分來自於所述至少一個進口的冷;東劑 流； 與上游部分流體連通並且用於接收至少一部分來自於 上游部分的冷凍劑流的下游部分；和 與下游部分流體連通並且適合接收並且發射至少一部 分來自於下游部分的冷凍劑流的至少一個出口； 將一部分冷凍劑送到喷嘴的所述至少一個進口，其中 冷凍劑在喷嘴的下游部分内至少部分分離成凝聚相部=和 蒸Α部分；和 籲 冑凝聚相部分和蒸汽部分的至少一部分膨服射流從喷 嘴的所述至少一 j固出口噴射到切削工具和工件表面上， 八其中喷嘴的下游部分具有至少一個向環境大氣敞開的 分散壁和至少一個用於收斂膨脹射流的收斂壁，並且其中 該至少一個分散壁具有分散角，並且該至少一個收斂壁具 有小於分散角的收斂角。 15、 一種形成或成形具有表面硬度的工件的方法，盆 包括步驟： 〃 53 200533461 在工件附近提供工具，該工具用於形成或成形工件； 用該工具形成或成形工件；和 在用工具形成或成形工件過程中增加工件表面硬度。 、-種通過如中請專利範圍第15項的方法形成或成 形的工件，特徵在於具有改善的表面光潔度、改善的表面 完整性、或改善的表面光潔度和改善的表面完整性。 17、 如申請專利範圍第16項的工件，所述工件具有加 工表面粗糙度（Ra)’其中該加工表面粗糙度（Ra)等於或 小於理論粗糙度下限（Ra_t)，按照Ra_t = f2/(32r)計算， 其中f疋切削工具的饋送率，而r是切削工具刀尖半徑。 18、 如申請專利範圍第16項的工件，其中工件具有形 成或成形的加工表面，該加工表面特徵在於具有改善的殘 餘應力，所述改善的殘餘應力比由形成或成形工件而沒有 在工件的形成或成形過程中增加工件表面硬度所獲得的另 外一種殘餘應力壓縮更大、延伸更深、或壓縮更大並且延 伸更深。 19、 如申請專利範圍第16項的工件，其中工件包含具 有選自鈷（Co)、鉻（Cr)、鉬（Mo)、鎳（Ni)、鐵（Fe)、 鎢（W)、鋁（A1)和鈦（ή)所組成群中的至少一種元素 的至少一種金屬合金。 54 200533461 20、 如申請專利範圍第16項的工件，其中至少一部分 工件的形式選自鑄造形式、鍛造形式、粉末冶金形式和複 合材料形式所組成群。 21、 如申請專利範圍第16項的工件，其中工件包含至 少一種聚合物或至少一種聚合物基的複合材料。 » 22如申明專利範圍第16項的工件，其中工件具有形 成或成形的加工表面，該加工表面特徵在於具有改善的疲 勞強度、改善的疲勞壽命、改善的耐應力裂紋性能和改善 的耐腐蝕性能中的至少一種。 23、 一種加工具有表面硬度的工件的方法，其包括步 驟： _ 在工件附近提供切削工具，切削工具用於成形工件； 用切削工具成形工件；和 在用切削工具成形工件的過程中增加工件表面硬度， 其中成形的工件特徵在於具有改善的表面光潔度，其加工 表面粗縫度（Ra )等於或小於理論粗縫度下限（)，按 照Ra-t = f'(32r)計算，其中f是切削工具的饋送率，而 r是切削工具刀尖半徑。 24、 一種從具有表面硬度的工件製造成品零件或成品 55 200533461 的方法，其包括步驟： 在工件附近提供工具，該工具用於形成或成形工件； 用工具形成或成形工件； 在用工具形成或成形工件過程中增加工件表面硬度； 和 從用工具形成或成形的工件製造成品零件或成品。 25、 如申請專利範圍第24項的方法，其中從工件製造 成品零件或成品無需使用由至少一種其他方法製造類似成 品零件和類似成品所需要的至少一個額外操作，該其他方 法從具有類似表面硬度的類似工件形成或成形類似成品零 件或類似成品而在類似工件的形成或成形過程中沒有增加 類似工件的類似表面硬度，所述的至少一種額外操作選自 研磨、拋光、搪磨、修邊、輕敲處理、滾磨、磨光、深滾 壓、軟退火、軟機械加工、軟成形、軟形成和加工零件的 清洗所組成群。 26、 如申請專利範圍第24項的方法製造的成品零件或 成品，並且特徵在於具有減少的製造成本，所述減少的製 造成本小於由至少一種其他方法製造類似成品零件或類似 成品的高製造成本，該至少一種其他方法形成或成形具有 類似表面硬度的類似工件而在類似工件的形成或成形過程 中沒有增加類似工件的類似表面硬度。 56 200533461 27、一種從具有表面硬度的工件製造成品零件的方 法，其包括步驟： 在工件附近提供切削工具，切削工具用於成形工件； 用切削工具成形工件； 在用切削工具成形工件的過程中增加工件表面硬度； 以及 從用切削工具成形的工件製造成品零件， 其中從工件製造成品零件無需使用由至少一種其他方 •法製造類似成品零件所需要的至少一個額外操作，該其他 方法從具有類似表面硬度的類似工件成形類似成品零件而 在類似工件的成形過程中沒有增加類似工件的類似表面硬 度，所述的至少一種額外操作選自研磨、拋光、搪磨、修 邊、輕敲處理、滾磨、磨光、深滾壓、軟退火、軟機械加 工、軟成形、軟形成和加工零件的清洗所組成群。 • 28 種改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度 和表面兀整性中的至少一種的言免備，該工件具有表面硬 又/又備包括在用工具形成或成形工件過程中增加工件 表面硬度的裝置。 29如申％專利範圍第28項的設備，其中通過用冷象 流體冷卻工具的至少一部分、或工件的至少-部分，或工 具的至少一冑分和工件的至少一冑分來增加工件表面硬 度0 57 200533461 其中冷凍流體的 部分上。 ’其中冷凍流體的 才里擊在工具的一部 30、如申請專利範圍第29項的設備 射流撞擊在工具的一部分和工件表面的 31、如申請專利範圍第30項的設備 射流以大於0。並小於90。的撞擊角（α) 分上。 32、如中請專㈣圍第％項的設備，其中冷束流體的 射流以大於30。並小於9〇。的撞擊角（α)揸擊在工具的一 部分上。 /、 33、如中請專利範圍第3G項的設備，其中冷;東流體的 射流以大於0。並小於18〇。的散佈角（p)撞擊在工件的表 面上。 34、-種改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度 和表面完整性中的至少一種的設#，該工件具有表面硬 度’該設備包括在用工具形成或成形工件之前、用工具形 成或成形工件的過程中、或用工具形成或成形工件過程之 前和過程之中增加工件表面硬度的裝置。 35如申請專利範圍第34項的設備，其中通過熱處 理、化學處理和機械處理中的至少一種增加工件表面硬度。 58 200533461 3 6、一種改善用切削工具加工的工件的表面光潔度和 表面完整性中的至少一種的設備，該工件具有表面硬度， 該設備包括在用切削工具加工工件過程中增加工件表面硬 度的裝置’其中通過用冷束流體冷卻切削工具的至少一部 分和工件的至少一部分來增加工件表面硬度，並且冷珠流 體的射流以大於0。並小於90。的撞擊角（α)撞擊在切削工 具的一部分上，而冷凍流體的射流以大於〇。並小於18〇。的 _ 散佈角（β)撞擊在工件的表面上。 37、一種改善用工具形成或成形的工件的表面光潔度 和表面完整性中的至少一種的設備，其包括： 冷凍劑的供應； 在工件附近的喷嘴，噴嘴具有： 用於接收冷柬劑流的至少一個進口； φ 與所述至少一個進口流體連通的上游部分，該上游部 分用於接收至少一部分來自於所述至少一個進口的冷凍劑 流； 與上游部分流體連通並且用於接收至少一部分來自於 上游部分的冷凍劑流的下游部分；和 、 與下游部分流體連通並且用於接收並且發射至少一部 分來自於下游部分的冷凍劑流的至少一個出口； 將一部分冷凍劑送到喷嘴的所述至少一個進口的裝 置〃中冷凍劑在噴嘴的下游部分内至少部分分離成凝聚 59 200533461 相部分和蒸汽部分；和 將凝聚相部分和蒸汽部分 嘴的所述至少一個出口喷射到 的至少一部分膨脹射流從噴 工具和工件表面上的裝置。 立38、如申請專利範圍第37項的設備其中喷嘴的下游 P刀八有至v個分散壁和至少一個用於收斂膨脹射流的 收敛壁。

   39、如中請專利範圍第38項的設備，其中所述至少— 個刀散壁具有分散角’並且所述至少—個收斂壁具有小於 分散角的收斂角。 、 4〇、如申請專利範圍第38項的設備，其中分散壁對環 境大氣敞開。 、一種改善用切削工具加工的工件的表面光潔度和 表面完整性中的至少一種的設備，其包括： 冷凍劑的供應； 在工件附近的喷嘴，喷嘴具有： 用於接收冷凍劑流的至少一個進口； 與所述至少一個進口流體連通的上游部分，該上游部 分用於接收至少一部分來自於所述至少一個進口的冷凍劑 流； 與上游部分流體連通並且用於接收至少一部分來自於 200533461 上游部分的冷;東劑流的下游部分；和 與下游部分流體連通並且用於接收並且發射至少 刀來自於下游部分的冷凍劑流的至少一個出口； ，將—部分冷来劑送到嘴嘴的所述至少一個進口的裝 二：：：凍劑在噴嘴的下游部分内至少部分分離成凝聚 相邛刀和療汽部分；和 將减聚相部分和基卞 …/飞口P刀的至少一部分膨脹射流從噴 嘴的所述至少—你山 1 貝 口噴射到切削工具和工件表面上的裝 置， :中噴嘴的下游部分具有至少一個向環境大氣敞開的 刀月和至少一個用於收數膨脹射流的收斂壁，並且其中 “至夕自&散壁具有分散角，1且該至少-個收斂壁具 有小於分散角的收斂角。 /、 $成或成形一種具有表面硬度的工 _備，其包括·· 在工件附近的工具，該工具用於形成或成形工件； 用該工具形成或成形工件的裝置；和 在用工具形《或成形工件過矛呈中增加工件表面硬度的 裝置。 、43通過如申請專利範圍第42項的設備所形成或成形 的工件忒工件的特徵在於具有改善的表面光潔度、改善 、表面το整H、或改善的表面光潔度和改善的表面完整性。 61 200533461 44、 如申請專利範圍第43項的工件，所述工件具有加 工表面粗糙度（Ra)’其中該加工表面粗糙度（Ra)等於或 小於理論粗糙度下限（Ra-t)，按照Ra_t = f2/(32r)計算， 其中f是切削工具的饋送率，而r是切削工具刀尖半徑。 45、 如申請專利範圍第43項的工件，其中工件具有形 成或成形的加，該加工表面特徵在於具有改善的殘 餘應力，所述改善的殘餘應力比由形成或成形工件而沒有 在工件的形成或成形過程中使用增加工件表面硬度的裝置 所獲得的另外一種殘餘應力壓縮更大、延伸更深、或壓縮 更大並且延伸更深。 46、 如申請專利範圍第43項的工件，其中工件包含具 有選自鈷（Co)、鉻（Cr)、鉬（M〇)、鎳（Ni)、鐵（Fe)、 鎢（w)、鋁（A1)和鈦（Ti)所組成群中的至少一種元素 的至少一種金屬合金。 47、 如申請專利範圍第43項的工件，其中至少一部分 件的开>/式選自鎢造形式、鍛造形式、粉末冶金形式和複 合材料形式所組成群。 48、 如申請專利範圍第43項的工件，其中工件包含奚 少一種聚合物或至少一種聚合物基的複合材料。 62 200533461 49、如申請專利範圍第43項的工件，其中工件具有形 成或成形的加工表面，該加工表面特徵在於具有改善的疲 勞強度、改善的疲勞哥命、改善的耐應力裂紋性能和改善 的财腐钱性能中的至少一種。 5〇、一種加工一種具有表面硬度工件的設備，其包括·· 在工件附近的切削工具，切削工具用於成形工件； 用切削工具成形工件的裝置；和 在用切削工具成形工件的過程中增加工件表面硬度的 裝置，其中成形的工件特徵在於具有改善的表面光潔度， 其加工表面粗糙度（Ra )等於或小於理論粗糙度下限 (Ra_t)，按照Ra-t = f2/(32r)計算，其中f是切削工具的 饋送率，而r是切削工具刀尖半徑。 51、一種從具有表面硬度的工件製造成品零件或成品 的設備，其包括： 在工件附近的工具，該工具用於形成或成形工件； 用工具形成或成形工件的裝置； 在用工具形成或成形工件過程中增加工件表面硬度的 裝置；和 從用工具形&或成开》的工#製造成品零件《纟品的裝 置 63 200533461 52、 如申請專利範圍第5 1頊的設備，其中從工件製造 成品零件或成品無需使用由至少一種其他設備製造類似成 品零件和類似成品所需要的至少一個額外操作，該其他設 備從具有類似表面硬度的類似工件形成或成形類似成品零 件或類似成品而在類似工件的形成或成形過程中沒有增加 類似工件的類似表面硬度，所述的至少一種額外操作選自 研磨、拋光、搪磨、修邊、輕敲處理、滾磨、磨光、深滾 壓、軟退火、軟機械加工、軟成形、軟形成和加工零件的 清洗所組成群。 53、 由如申請專利範圍第5 1項的設備製造的成品零件 或成品，並且特徵在於具有減少的製造成本，所述減少的 製造成本小於由至少一種其他設備製造類似成品零件或類 似成品的高製造成本，該至少一種其他設備形成或成形具 有類似表面硬度的類似工件品而在類似工件的形成或成开》 過程中沒有增加類似工件的類似表面硬度。 54、 一種從具有表面硬度的工件製造成品零件的設 備，其包括： 在工件附近的切削工具’切削工具用於成形工件； 用切削工具成形工件的裝置； 在用切削工具成形工件的過程中增加工件表面硬度的 裝置；和 從用切削工具成形的工件製造成品零件的襄置， 64 200533461 其中從工件製造成品零件無需使用由至少一種其他設 備製造類似成品零件所需要的至少一個額外操作，該其他 設備從具有類似表面硬度的類似工件成形類似成品零件而 在類似工件的成形過程中沒有增加類似工件的類似表面硬 度，所述的至少一種額外操作選自研磨、拋光、搪磨、修 邊、輕敲處理、滾磨、磨光、深滾壓、軟退火、軟機械加 工、軟成形、軟形成和加工零件的清洗所組成群。 ® 55、一種將冷凍劑的膨脹射流喷射到工件的表面上的 喷嘴，其包括： 用於接收冷凍劑流的至少一個進口； 與所述至少一個進口流體連通的上游部分，該上游部 分用於接收至少一部分來自於所述至少一個進口的冷;東劑 流， 與上游部分流體連通並且用於接收至少一部分來自於 φ 上游部分的冷凍劑流的下游部分； 與下游部分流體連通並且用於接收並且發射至少一部 刀來自於下游部分的冷凍劑流的至少一個出口；和 在噴嘴的下游部分内將冷凍劑至少部分分離成凝聚相 部分和蒸汽部分的裝置。 6如申請專利範圍第55項的噴嘴，進一步包括用於 限制冷凍劑的膨脹射流的内部膨脹室，其中喷嘴用於夾住 具有工具前刀面表面的切削工具。 65 200533461 57、如申請專利範圍第55項的喷嘴，其中喷嘴的下游 部分具有至少一個分散壁和至少一個用於收斂冷凍劑的膨 脹射流的收斂壁。 58、 如申請專利範圍第57項的喷嘴，其中分散壁具有 分散角’並且收斂壁具有小於分散角的收斂角。 59、 如申請專利範圍第57項的喷嘴，其中分散壁對環 土見大氣敵開。 、一種將冷凍劑膨脹射流噴射到工件表面上的噴 嘴，其包括： 用於接收冷凍劑流的至少一個進口； 、與所述至少—個進口流體連通的上游部分，該上游部 •:用於接收至少_部分來自於所述至少—個進口的冷康劑 與上游部分流體連通並且用於接收至少一部分來自於 上游部分的冷凍劑流的下游部分； ； 與下游部分流體連通並且用於接收並且發射至少 刀來自於下游部分的冷柬劑流的至少一個出口； W 部分下游部分内將冷束劑至少部分分離成凝聚相 条A部分的裳置；和 於限制冷凍劑的膨脹射流的内部膨脹室， 66 200533461 其中喷嘴的下游部分具有至少一個向環境大氣敞開的 分散壁和至少一個用於收斂冷凍劑膨脹射流的收斂壁，以 及 其中分散壁具有分散角，並且收斂壁具有小於分散角 的收斂角， 其中喷嘴用於夾住具有工具前刀面表面的切削工具。

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