[发明专利]用于调制辅助式加工的刀具夹持器组件和方法

说明书

相关申请的交叉引用 

本专利申请要求于2005年5月3日提交的美国临时申请60/677,437的权益，该临时申请的内容通过引用并入本文中。 

发明背景 

本发明大体上涉及加工装备，且更具体地涉及一种刀具夹持器组件，其能够在加工工艺中提供对切削刀具的受控调制(例如强制移动)，从而以便产生具有纳米结晶的微观结构以及期望的尺寸和形状的切屑。 

切削刀具技术的发展总体上涉及先进的材料和涂层、独特的几何形状及其组合的使用，以延长刀具寿命、减小切削阻力和减少加工排放流。尽管通常没有在刀具与工件的界面之间形成分离或控制机械切屑尺寸的能力，但还是在有关切削刀具方面特别地引入断屑器的几何形状特征，以促进切屑断裂。在钻削期间还通过调制实现切屑断裂，其中钻头以轮转的方式轴向地移动。除实现切屑断裂以外，还已表明调制辅助式钻削改善了钻削性能并减小了对切削液的需求。例如，已表明具有最低限度润滑的调制辅助式深孔钻削(具有长度直径(L/D)比达20的孔纵横比)。这样的研究结果已扩展为表明调制能改善有关金属切削的润滑效能。这样的研究领域可延伸为通过对能量消耗和生态学具有正面影响的工艺控制和创新来提高加工性能并减少加工流出物。 

除以上所述之外，当前工艺状态的加工实践未将调制视作期望参数。通常利用特别设计和组装成用于在加工工艺中应用调制的专用设备进行前述研究，并且相对于机械设计或工业应用中技术的资本成本 存在着经济阻碍。因此，总体的加工工艺设计强调消除或降低通常与对加工工艺的性能有害的不稳定性相联系的振动。 

发明简述 

本发明提供一种用于在加工工艺中有意地引起调制的刀具夹持器组件和方法。根据本发明的优选方面，刀具夹持器组件可用于产生具有纳米微观结构的切屑的工艺，并且尤其可用于可受控地产生具有期望的形状和尺寸的纳米结晶切屑的方法。 

本发明的刀具夹持器组件构造为用于安装在加工设备上的刀具台座中。刀具夹持器组件包括：刀具夹持器本体，其构造为用于固定在加工设备的刀具台座上；刀具夹持器，其安装在刀具夹持器本体上并构造为以便将切削刀具固定到该刀具夹持器上，以及用于在刀具夹持器上施加重叠调制以便使切削刀具相对于刀具夹持器本体并因此相对于加工设备的刀具台座运动的装置。 

本发明的刀具夹持器组件尤其适于在意图利用切削刀具加工坯体以产生具有期望尺寸和形状的切屑的方法中使用。具体而言，刀具夹持器组件适于在切削刀具上施加重叠调制以便使切削刀具相对于被加工的坯体运动，并且在切削刀具与坯体之间的接触点处引起切削刀具与坯体之间的瞬时和周期性的分离，其中切削刀具与坯体之间的每次分离产生切屑。如此以来，切屑的形状和尺寸至少部分地由调制周期决定，并且具体地由切削刀具与被加工的坯体相接合的时间长度决定。根据本发明的优选方面，坯体以如下的方式进行加工：由于切削加工以施加足够大的应变变形的方式进行，故产生基本上由纳米结晶的微观结构所构成的切屑。坯体可由多种材料形成，包括金属、金属合金、金属互化物和陶瓷材料。此外，坯体可具有基本上无纳米微晶体的微观结构，并且甚至可具有单晶微观结构。由切削刀具产生的切屑可呈微粒、条带、丝线、细丝和/或片晶形式。 

以上述方式产生的切屑可(在有粉碎或无粉碎的情况下)固结以形成产品，使得产品基本上为大致或完全由纳米微晶体构成、或者由纳 米微晶体长成的颗粒构成的纳米结晶整体材料。作为备选，切屑可分散在基体材料中，使得产品为作为加强材料的切屑分散在复合材料中。 

本发明的刀具夹持器组件的优选使用是基于如下判定：在合适的条件下通过加工可在材料中形成纳米结晶结构，以产生包括高应变率的非常大的应变变形，诸如大约0.5至大约10的塑性应变和达到10⁶每秒的应变率。认作为能够产生合适的纳米结晶结构的加工工艺包括切削和研磨技术。切削速度看起来不是决定因素，以致如果使用切削刀具进行加工操作，则基本上可使用任何切削速度。因为用于切屑的生产方法为其参数可精确控制的加工操作，故对于给定的材料可精确地并且重复地获得用于切削的期望的纳米结晶微观结构。由本发明的刀具夹持器组件提供的调制辅助能力还能够控制形成用于在各种应用中使用的期望的目视尺寸和形状的纳米结晶切屑。此外，刀具夹持器组件可用于由利用现有技术难于或不可能处理的材料产生纳米结晶固体，例如不能通过多级变形工艺处理的非常硬的材料和不能通过凝结法处理的合金。