化學機械加工和表面精加工的製作方法
2023-05-11 00:35:21 2
專利名稱：化學機械加工和表面精加工的製作方法
背景技術：
傳統的機械加工是侵蝕性強的加工。即便是在顯微等級下，由於施加高度集中的力且隨之造成局部高溫峰值，所以，不管多麼小心警惕，這種加工幾乎總是導致冶金學損壞。這種損壞可能包括微裂紋、應力集中點的引入、氧化、相變和有益的殘餘壓應力的降低和顯微硬度的降低。研磨加工例如可以產生足夠多的熱量，以至對硬化工件的表面進行回火，這經常被稱為研磨燒傷，由此降低了工件的磨損疲勞性能和接觸疲勞性能。另外，傳統的機械加工一直產生毛邊和加工線痕。這些殘留的毛邊和加工線痕必須從重要表面上除去，以減小磨損、摩擦、工作溫度、劃傷、接觸疲勞失效(蝕斑)和/或各種動態疲勞失效如彎曲疲勞、扭曲疲勞和軸向疲勞。
除工件的冶金學損壞外，傳統的機械操作在製造精確度極高的工件時還存在著內在限制。如上所述，機械加工涉及藉助工具從工件上主動剪切下金屬，其中工具高速且/或高壓力地移動。因此，工具磨損在該方法中是必然的。但是，保持工件之間的尺寸精確度依賴於保持工具尺寸穩定性的能力。當工件硬度增加到40HRC或更高時，工具磨損變得非常成問題。如齒輪或軸承通常被硬化到55HRC-65HRC或更高。
引導切削工具的機器有自己一套限制高精確度的固有限制條件。驅動工具的機械裝置的某些限制例如包括幾何形狀誤差、進給速度誤差、驅動磨損、振動和滯後。通常，機器體積龐大以保持所需的剛性，從而能精確施加尤其從較硬工件上去除金屬所需的強大的力。由切削負荷引起的顯著的熱變形和結構偏差也可能成為問題，尤其是對精密工件而言。
除加工線痕以外，為實現工具主動切削動作而施加的力也產生了引起顫動的振動。通常，通過多步加工過程來減小顫動和加工線痕。例如，在高質量齒輪的情況下，齒輪必須進行研磨，隨後被搪磨以減小由機加工產生的顫動和加工線痕。如果沒有非常小心，則研磨和搪磨過程可能對工件的臨界接觸面造成嚴重的冶金學損壞。只有通過費事的全面檢查才能保證工件質量。
不能過分重視光滑面精加工的重要性，例如尤其是對金屬與金屬接觸的工件如齒輪、軸承、齒條、機軸和凸輪軸來說，它們經常具有很難去除的機加工線痕或研磨線痕或其它表面缺陷。對這些工件來說，粗糙度可能增大摩擦、噪音、振動、磨損、劃傷、蝕點、剝落、工作溫度並且削弱潤滑性。對承載物件來說，在表面上的加工線痕可能成為承受脈動應力和應變的工件的疲勞斷裂的引發點。結果，人們非常需要消除由傳統加工線痕造成的應力源。
對工件進行表面精加工的一種方法就是通過傳統的多步連續精細研磨、搪磨及精研來機加工表面。獲得a＜2微英寸Ra的研磨麵要求時間、多個步驟和工藝技術狀態。複雜的表面形狀要求昂貴的且非常複雜的機械、昂貴的工具和耗時的維護。除成本以外，這種加工還產生了方向線和引起回火和微裂紋的潛在可能，這會破壞熱處理表面的完整性。如上所述，優質工件需要利用一種技術如硝酸酒精腐蝕對研磨硬化面進行費事的全面檢查。這種方法的另一個缺點是，研磨顆粒被注入表面，由此造成應力源、潤滑劑殘餘和/或磨損。
發明內容
在此描述的發明公開了一種化學機械加工和表面精加工的方法。一活性化學物質與一工件的表面發生反應，從而在工件表面上形成一個柔軟的轉化塗層。轉化塗層不溶於活性化學物質中，從而保護工件的基體金屬不會進一步與活性化學物質發生反應。一個接觸工具藉助相對運動從該工件上除去轉化塗層，從而招致新金屬面進一步與活性化學物質發生反應，這允許轉化塗層重新形成在工件上。
低機械力被用於從工件上除去轉化塗層，其中不超過工件基體金屬的塑性變形、剪切強度、抗拉強度和/或熱軟化溫度。因此，這種化學機械加工方法消除了與傳統機加工有關的回火、微裂紋、應力源和其它冶金學損壞的潛在可能性。因為化學機械加工及表面精加工方法需要很小的力和/或接觸速度來去除轉化塗層，所以與傳統機加工設備相比，顯著縮小了設備的體積、複雜性和成本，同時可以提高機加工精確度。工具磨損由於能夠在更小的切削力、速度和工作溫度下工作而是最小的，或者沒有磨損。這些參數的減小允許工具由非磨蝕性或略有磨蝕性的材料製成，這些材料比工件的基體金屬軟。工具可以是剛性或柔性的，以便適應於工件表面。
在某些應用場合中，可以完全取消機加工設備，其中，在相對運動中並承受負載的配磨工件起到從它們的對置接觸面上去掉轉化塗層的工具的作用。本發明本身能夠適應非常受控制的金屬去除速度，並且恰好能夠進行工件的表面精加工，如果需要，它可以與工件的成形和/或定尺同時地進行表面精加工。如本文所用的，「表面精加工」表示從工件表面上去掉金屬，以減小粗糙度、波度、加工痕跡和裂紋。「定尺」表示從工件表面上均勻去除金屬以使其符合適當尺寸。「成形」表示從工件表面上有差異地去除金屬以使其符合適當的形狀。「成形」包括鑽、鋸、鏜、切削、銑、車削、磨削、刨削等。
圖1表示一個用於例2、3的Falex Corporation FLC LubricityTester的例子。
圖2表示另一個用於例4、5的Falex Corporation FLC LubricityTester的例子。
具體實施例方式
代替傳統的冷卻潤滑劑，在此描述的化學機械加工和表面精加工方法採用能夠與金屬工件表面發生反應的水基或有機基活性化學物質，常見的金屬是鐵、鈦、鎳、鉻、鈷、鎢及其合金。活性化學物質首先被輸入成形、定尺和/或表面精加工的設備中，從而與工件的基體金屬發生反應並由此形成一個柔軟的轉化塗層。轉化塗層不溶於活性化學物質中，從而保護工件的基體金屬不會進一步與活性化學物質發生反應。轉化塗層可以包括如金屬氧化物、金屬磷酸鹽、金屬草酸鹽、金屬硫酸鹽或金屬鉻酸鹽。
在轉化塗層形成後是在工具與工件之間有相對運動的適當的工具接觸。相對運動可以通過使工具橫越固定工件的運動、使工件橫越固定工具的運動或使工具和工件同時運動而產生。轉化塗層被工具擦除，由此在工件上露出新金屬，因而允許在暴露金屬上重新形成轉化塗層。金屬去除速度與活性化學物質和金屬反應以形成轉化塗層的速度成比例。該反應速度可通過提高溫度和使用化學促進劑來提高。當反應速度提高時，金屬去除速度將受到轉化塗層去除速度的控制。這種擦除和重新形成的作業反覆進行，直到完成所需的表面精加工和/或成形和/或定尺為止。沒有發生冶金學損壞。機加工工具需要很小的力即可去除轉化塗層，因此，與傳統機加工相比，顯著減小了機器的體積、複雜性和成本，而同時可以提高機加工的精確度。
在本發明的實施例中，工具和工件的相對運動和接觸力小於工件的塑性變形、剪切強度和/或抗拉強度，所以在工件上沒有產生熱軟化溫度。在某些實施例中，工具與工件的接觸使金屬以1.0微英寸的理論分解能力從工件上被除去。因為工具施加在工件上的力比較小，所以工具磨損被最小化和/或被消除。這種化學機械加工方法本身適應於非常受控制的金屬去除速度，並且可以在成形和/或定尺的同時進行工件的表面精加工。
當使用這種化學機械加工和表面精加工方法時，在工件表面上形成一轉化塗層，它比工件的基體金屬軟。任何可以在工件表面上形成這種化學轉化塗層的活性化學物質都在本發明的考慮範圍內。雖然，在基體金屬上產生的轉化塗層所顯示出的特性對本方法的成功實踐是重要的，但活性化學物質成分卻不是的。在轉讓給REM化學有限公司的US4818333中描述了這樣的轉化塗層，其內容在此作為參考被引入。
活性化學物質最好能夠在工作條件下快速有效地產生基體金屬的柔軟轉化塗層。轉化塗層必須還基本上不溶於活性化學物質中並且保護基體金屬不會進一步反應，由此保證金屬去除主要通過擦除和重新形成而不是通過溶解來發生。
活性化學物質也可以包括催化劑、促進劑、氧化劑並且在某些情況下還包括抑制劑和/或潤溼劑。應該注意的是，添加成分的數量可以在沒有不利作用的情況下超過溶解極限。從保持供給活性成分以便在工作過程中補充活性化學物質的觀點出發，含有不溶成分是有益的。
更具體地說，根據所涉及的金屬基體，活性化學物質通常包括磷酸鹽或磷酸、草酸鹽或草酸、氨基磺酸鹽或氨基磺酸、硫酸鹽或硫酸、鉻酸鹽或鉻酸或它們的混合物。另外，已知的催化劑或促進劑可以添加到活性化學物質中，例如(但不局限於)磷酸硒、磷酸鋅、磷酸銅、磷酸錳、磷酸鎂和磷酸鐵，以及無機和有機的氧化劑，例如(但不局限於)過硫酸鹽、過氧化物、間-硝基苯、氯酸鹽、亞氯酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽。
本發明所用的活性化學物質可以被稀釋或分散。稀釋劑或分散劑通常大多是水，但也可以是其它材料，例如(但不局限於)石蠟油、有機液、矽酮油、合成油和其它的油、油脂或潤滑油。也期望在某些條件下最好用其中水非常少的高濃酸如硫酸、甲磺酸或磷酸來產生轉化塗層。此外，必要時，油或潤滑劑可被用作稀釋劑或分散劑。這在例如硫酸與礦物油一起使用時是必要的，因為硫酸會被分散到而不是溶解到礦物油中。
任何可以如上所述地去除柔軟轉化塗層以便露出新金屬面而又沒有超過工件的塑性變形、剪切強度和/或抗拉強度並且不會在工件上產生熱軟化溫度的工具都在本發明的考慮範圍內。雖然工具特性對成功去除轉化塗層是重要的，但工具設計結構不是。在某些情況下，工具可以是工件的配合面或類似結構。如工件可以包括齒輪，而工具可以包括一嚙合齒輪或類似件。在另一例子中，工件可以包括軸承座圈，而工具可以包括許多嚙合的軸承滾珠或滾子或類似物。
根據本發明，工具可以是剛性或柔性的。例如，如果工件是齒輪的齒根圓角，則工具可以是略有磨蝕性的剛性圓柱體，其大小使它可以接觸所有的所需凹面，以便除去機加工線痕和/或磨削線痕和/或噴丸硬化圖形。在另一例子中，如果工件是管的內表面，則形狀與工件相符的可彎曲和/或可膨脹的工具可通過去除成形線或焊縫來改善表面光潔度。
在一個實施例中，工具不與活性化學物質反應，因為在工具上沒有形成用化學引發的轉化塗層。可以製成該工具的不反應材料可以是木頭、紙、布、陶瓷、塑料、聚合物、人造橡膠和金屬，但是，可以使用任何不與活性化學物質反應的材料。例如，如果工件是齒輪，則工具可以是一個被設計成在與反應性工件嚙合工作時能賦予所需成形和/或表面精加工特性的非反應性嚙合齒輪。
這種化學機械加工和表面精加工方法有許多優勢。此方法實現了能夠製造出高精確度工件的良好受控制的金屬去除速度。可以用約1.0微英寸分解能力去除金屬。該方法也具有同時進行成形和/或定尺和/或表面精加工的能力，從而減少了總加工步驟數。因為只要給予很少的力即可實現金屬去除，所以可以使用體積更小、更簡單且更便宜的機器來引導工具。工具速度也比傳統機加工所需的速度低得多並且明顯降低了工具的成本和磨損。
此外，一次就可以成形和/或定尺和/或表面精加工出更大的加工面積。此方法實際上也消除了毛邊、加工線痕、顫動、塑性變形和其它的工件表面缺陷。本方法的一個進一步優勢是冷卻且無燒傷的機加工方法，它造成了很小或沒有造成應力或冶金學損壞如氧化、相變、應力源和硬度變化。通常，在金屬熱軟化溫度下或低於此溫度下來實施此方法。低溫也可能有助於消除精密工件的熱變形。另外，在更低的工具壓力下，結構偏差是最小的，這對於最小化和/或消除精密工件的結構變形和類似變形是特別重要的。最後，極大提高了機加工方法的精確度。
在本發明的另一實施例中，可以完成金屬對金屬接觸面的就地的成形和/或定尺和/或表面精加工。這是如此完成的，即通過把含有或沒有細磨料的活性化學物質添加到組合裝置中，從而轉化塗層形成在工件和工具的各反應金屬面上。首先，該裝置可以在低負荷下運行，然後可以逐漸增加到滿負荷狀態。只在臨界接觸面上去掉轉化塗層，在該面上進行摩擦、滾壓、滑動等以便露出用於進一步反應的新金屬面。化學機械加工和表面精加工將只發生在臨界接觸面上，以便消除凹凸不平，這最終導致無線痕或幾乎無線痕的表面。必要時，可以繼續加工，以便獲得配合工件的超光潔表面和/或按照其理想幾何形狀來最終成形和/或定尺。因此，每個配合面將有理想的匹配接觸面積。原地加工可以通過調整活性化學物質特性、加工時間和溫度、接觸負荷和接觸速度來精度高度受控制地修正配合件的微小尺寸或形狀誤差。
表面精加工或超精加工也有其它優勢，如可以精加工整體組件如變速箱的所有臨界接觸面，這顯著降低精加工每個獨立件的成本。一旦該方法被最優化，則表面精加工的再現性極高，並且在製造廠環境中易於完成，因此沒有必要進行全面的最後檢查。該方法可以在室內或室外進行並且可以通過去除配合件的微小尺寸/形狀誤差而同時完成組裝機件的最終成形和/或定尺。在齒輪和軸承的應用中，例如，此方法減小了磨合期、磨損、劃傷、工作溫度、摩擦、振動和噪音。
此方法的一個實施例是兩個嚙合齒輪。活性化學物質可以被注入到第一嚙合齒輪上，在第一嚙合齒輪上形成轉化塗層，同時在第二嚙合齒輪上形成轉化塗層。兩個嚙合齒輪通過相對運動而相互接觸，這同時去掉了齒輪上的轉化塗層。因此，這兩個齒輪都易於進一步與活性化學物質發生反應，從而轉化塗層可以重新在齒輪上形成並去除，直到兩個齒輪具有預期表面特性如表面光潔度、成形、尺寸及其組合。在一個實施例中，這兩個齒輪位於一變速箱內，其中在變速箱工作期間內發生了這兩個齒輪之間的接觸。
在另一實施例中提供一軸承座圈和許多匹配滾子。活性化學物質被注入軸承座圈內，同時在軸承座圈和滾子上形成轉化塗層。軸承座圈和匹配的滾子通過相對運動而接觸，這同時去掉了軸承座圈和匹配滾子的轉化塗層。因此軸承座圈和匹配滾子易於進一步與活性化學物質發生反應，從而轉化塗層可以重新形成並被去除，直到軸承座圈和匹配滾子具有預期表面特性如表面光潔讀、成形、尺寸及其組合。
例1-就地的表面精加工標稱尺寸為3.5×1×1/2英寸的且硬度為43-45HRC的兩個類似的SAE 4140碳鋼被用作試樣。過去，用180粒度的溼/幹金剛砂砂紙沿縱向機械拋光各試樣的3×1/2英寸。試樣1的最初Ra和Rmax分別為10.0微英寸和98.4微英寸。試樣2的最初Ra和Rmax分別為17.6微英寸和167微英寸。
試樣2被放置在60克/升草酸和20克/升間-硝基苯磺酸鈉的溶液中，其傳統的機械拋光面朝上。然後，試樣1的傳統機械拋光面被放置成垂直地接觸試樣2的傳統機械拋光面。試樣2保持在固定位置上，而用手前後畫圓地移動試樣1，以模仿臨界接觸面的滑動。只施加非常小的壓力。這樣持續大約10分鐘。試樣1在金屬對金屬接觸面處的最終Ra和Rmax分別為1.71微英寸和27.6微英寸。試樣2在金屬對金屬接觸面處的最終Ra和Rmax分別為1.95微英寸和45.4微英寸。
如例1所示，通過用適當的活性化學物質弄溼表面並且輕微擦除它們，可以表面精加工甚至是超精加工和/或定尺和/或成形兩個由硬化金屬製成的匹配工件。在本發明的這個實施例中，不需要研磨、高溫或高壓。只在金屬與金屬接觸之處成形和/或定尺和/或表面精加工該表面。
當一變速箱內有兩個或兩個以上的齒輪嚙合時，可以類似於例1所方式地成形和/或定尺和/或精加工它們的齒腹。這可以如通過在施加較小負荷到輸出軸上時使變速箱的輸入軸轉動來完成。通過使新鮮的活性化學物質不斷在齒輪面上流動，或通過把活性化學物質成批添加到齒輪應被打溼的變速箱內，可以弄溼齒輪齒的接觸區。齒接觸面將會變得更光滑並且齒廓將被成形為理想的齒輪形狀。
同樣，當在非常小的負荷下運行時，通過把活性化學物質添加到工件中，可以成形、定尺和/或表面精加工軸承。沒有發生如傳統機加工中所發生的冶金學損壞，在傳統機加工中，使用了產生局部高溫的劑料或力，從而導致了應力源或回火，引起了由摩擦、磨損、劃擦、接觸疲勞和動態疲勞而產生的早期工件失效。
本發明不局限於軸承或齒輪，而是可以被用於任何會從表面精加工和/或定尺和/或成形中受益的硬金屬對金屬的接觸中。一步成形和/或定尺和/或精加工的能力提高了各種工件的生產效率。
例2-藉助略有磨蝕性的工具的傳統機械加工基線藉助略有磨蝕性的(600粒度)溼/幹金剛砂砂紙和作為冷卻潤滑油的重量為SAE30的無去垢劑機油，按傳統方式機械加工一個鋼號為SAE52100、硬度為HRC57-63(部分#001-502-001P)的Falex CorporationFLC潤滑實驗環。
在外環面的一硬塑料模(Facsimile)使一個600粒度的溼/幹金剛砂砂紙壓於其上時，Falex Corporation FLC Lubricity Tester以設定轉速旋轉該環。Falex提供的0-150英尺磅的且重力作用於其上的Sears Craftsman扭矩手柄是唯一用到傳統機械研磨加工中的負荷。該環在整個實驗期間局部浸沒在SAE30重的無去垢劑機油內。圖1示出了該實驗裝置。
在加工前後，在分析天平上清潔、乾燥並稱重實驗環以確定去除金屬量。
實驗環在加工前重22.0951克。在460RPM下加工1小時後，重22.0934克。每小時損失0.0017克，這合8.9微英寸的尺寸變化。
例3-藉助略有磨蝕性工具的化學機械加工使用略有磨蝕性的(600粒度)溼/幹金剛砂砂紙和作為用於產生轉化塗層的活性化學物質的保持為6.25體積％的FERROMIL，以傳統方式機械加工一個鋼號為SAE52100、硬度為HRC57-63(部分#001-502-001P)的Falex Corporation FLC潤滑實驗環。
在外環面的一硬塑料模(Facsimile)使一個600粒度的溼/幹金剛砂砂紙壓於其上時，Fa1ex Corporation FLC Lubricity Tester以設定轉速旋轉該環。Falex提供的0-150英尺磅的且重力作用於其上的Sears Craftsman扭矩手柄是唯一用到化學機械方法中的負荷。該環在室溫下局部浸沒在以6.5毫升/分流過容器的FERROMILFML-575中。
參見圖1的實驗裝置圖。
在加工前後，在分析天平上清潔、乾燥並稱重該實驗環，以確定去除的金屬量。
實驗環在加工前重22.1827克。在460RPM下加工1小時後，重22.1550克。每小時損失0.0277克，這合145.6微英寸的尺寸變化。這些結果顯示出金屬去除速度是例2的16倍。
例2和3顯示了，對硬工件的化學機械加工大大提高了金屬去除速度。因此，可以使用略有磨蝕性的工具和活性化學物質來成形和/或定尺和/或表面精加工硬化的金屬工件。工件的硬度並不重要，只要活性化學物質與表面發生反應即可。實際上，不管金屬有多硬，金屬去除速度大概保持一樣。與此成鮮明對比的是，在傳統機加工(如磨削、搪磨、拋光等)中，當工件硬度增大到60HRC或更大時，工具磨損加劇，而金屬去除速度減小。
本發明實施例的例2、3表明了，可以用略有磨蝕性的工具來成形和/或定尺和/或表面精加工很硬的金屬表面。這可以被用來如成形和/或定尺和/或表面精加工齒輪齒廓。在這種情況下，如一個略有磨蝕性的小型旋轉和/或振動工具被放置成使它與不斷被適當的活性化學物質打溼的齒輪的齒腹接觸。這將去除機加工線痕和/或研磨線痕並且用來使齒成形為理想的齒輪形狀。這顯著延長了遇到彎曲疲勞、劃傷和其它故障的齒輪的使用壽命，同時減小了齒輪噪音並允許增大的工作功率密度。
本發明不局限於齒輪，而是可以被用於任何會從表面精加工和/或定尺寸和/或成形中受益的硬金屬表面中。一步成形和表面精加工的能力將提高各種工件的製造效率。
例4-藉助非磨蝕性塑料工具的傳統機械研磨基線使用REMFBC-50(用來防止工具快速生鏽和熱降解的肥皂混合物，但不能產生轉化塗層)來精加工一個鋼號為SAE4620、硬度為HRC58-63(部分S-25)的Falex Corporation FLC潤滑實驗環。
在一個固定的FERROMILMedia#NA(沒有任何磨料顆粒的純塑料(聚酯樹脂))接觸外環時，Falex Corporation FLC Lubricity Tester以設定轉速旋轉該環。該塑料介質被成形為環的輪廓，以提供適當的表面接觸。Falex提供的0-150英尺磅的且重力作用於其上的SearsCraftsman扭矩手柄是唯一用到傳統機械方法的負荷。環局部浸沒在以6.5毫升/分流過容器的REMFBC-50中。參見圖2的實驗裝置圖。
在加工前後，在分析天平上清潔、乾燥並稱重該實驗環，以確定去除的金屬量。
實驗環在加工前重22.3125克。在460RPM下加工3小時後，重22.3120克。總共損失0.0005克或每小時損失0.00017克，這合0.9微英寸/小時的尺寸變化。
這個實例表明，在沒有使用活性化學物質的情況下，通過非磨蝕性塑料在加工硬化鋼面上去除的金屬量不多。
例5-有無研磨塑料工具的化學機械加工使用FERROMILVII Aero-700來精加工一個鋼號為SAE4620的FalexCorporation FLC潤滑實驗環。
在一個固定的FERROMILMedia#NA(沒有任何磨料顆粒的純塑料(聚酯樹脂))接觸外環時，Falex Corporation FLC Lubricity Tester以設定轉速旋轉該環。塑料介質被成形為環形以提供適當的表面接觸。環局部浸沒在12.5體積％的以6.5毫升/分流過容器的FERROMVIIAero-700中。參見圖2的實驗裝置圖。
在加工前後，在分析天平上清潔、乾燥並稱重該實驗環，以確定去除的金屬量。
該實驗環在加工前重22.1059克。在460RPM下加工3小時後重22.0808克。總共損失0.0251克或每小時損失0.00837克，這合44.0微英寸/小時的尺寸變化。這表示比使用比基體金屬軟的非磨蝕性工具的例4的金屬去除速度要大49倍，因此，不會超過基體金屬的塑性變形、剪切強度或抗拉強度。
例4、5表明，即使使用非磨蝕性塑料，也可以從硬化鋼中去除相當多的金屬。在使用活性化學物質的情況下，由塑料形成的工具則可以用來成形和/或定尺和/或表面精加工硬化的鋼面。由硬化材料形成的工具具有大大延長的使用壽命是合理的，因為它們不必經受強力或經曆局部高溫。該工具將保留比較久，因為它可以通過施加只去除軟轉化塗層所需的力即可去除金屬。
另外，這兩個例子表明，可以用比傳統機加工中所用的那些機器要小的機器來完成從非常硬的表面去除金屬，因為只需要施加較小的力。在更小的工具壓力下產生的尤其是關於精密工件的最小結構偏差和較低溫度將會最小化和/或消除結構變形並提高機加工的精確度。因為金屬去除速度是44.0微英寸/小時，所以很明顯，機加工可以具有達到1.0微英寸的非常高的金屬去除分解能力。
例6-化學機械錶面精加工化學機械錶面精加工一齒輪齒的齒根圓角區，以去除軸向研磨線痕。用纏有600粒度的溼/幹金剛砂紙的、粗0.067英寸的高速鋼絲的一截形成工具。工具轉速約為80RPM。用非常輕的壓力使該工具保持壓在齒輪齒的齒根圓角區(Webster，AISI8620滲碳鋼，17齒齒輪，8直徑齒距和25°壓力角，倒角半徑約0.0469英寸)。60克/升草酸和20克/升間-硝基苯磺酸鈉溶液被逐滴(1-2滴/10秒)注入接觸面。這進行15分鐘。一旦表面精加工進行了10分鐘後，就更換金剛砂砂紙。
放大10倍來檢查表面精加工的工件，結果，多數表面沒有軸向研磨線痕且光滑平整，只有一、兩個表面存在著軸向研磨線痕。這表明，使用化學機械錶面精加工，可以表面精加工臨界凹面，同時保持非常緊的尺寸允許公差。此外，通過較簡單的化學機械錶面精加工，可以去除齒輪齒根圓角區的機加工線痕和/或研磨線痕。由於使用略有磨蝕性的工具而產生的任何線痕都與軸向研磨線痕垂直。因此，顯著降低了齒的彎曲疲勞，從而延長了齒輪的使用壽命。
本發明不局限於齒輪，而是可以被用於任何經歷動態疲勞的硬金屬面。一步成形和表面精加工的能力將會提高各種工件的製造效率。
儘管以優選實施例的形式描述了本發明的裝置和方法，但顯然，本領域技術人員可以不脫離本發明的概念和範圍地將各種改動用所述的方法上。所有這樣的相似的並對本領域技術人員來說是顯而易見的改進和等同替換應被認為是在如後續權利要求書所述的本發明範圍和概念中。
權利要求
1.一種方法，它包括a.提供一工具；b.把一活性化學物質輸入到一工件之上，所述活性化學物質能夠與所述工件發生反應，從而在所述工件上形成一個轉化塗層，所述轉化塗層不溶於所述活性化學物質中，因而所述轉化塗層保護所述工件不會進一步發生反應；和c.通過它們之間的相對運動而使該工具接觸該工件，直到達到所述工件的預期表面特性為止；其中，該工具與所述工件之間的接觸從所述工件上去掉了該轉化塗層，結果招致該工件進一步與所述活性化學物質發生反應，結果，該轉化塗層可以再次形成在該工件上。
2.如權利要求1所述的方法，其中，該工件的表面特性選自表面精加工、成形、定尺及其組合。
3.如權利要求1所述的方法，其中，該活性化學物質是水基或有機基物質。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述活性化學物質包括活性成分，它選自磷酸鹽、磷酸、草酸鹽、草酸、氨基磺酸鹽、氨基磺酸、硫酸鹽、硫酸、鉻酸鹽或鉻酸及其混合物。
5.如權利要求1所述的方法，其中，該活性化學物質是濃酸。
6.如權利要求5所述的方法，其中，該濃酸是硫酸、甲磺酸或磷酸。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述活性化學物質包括催化劑或促進劑，它選自磷酸硒、磷酸鋅、磷酸銅、磷酸錳、磷酸鎂和磷酸鐵。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述活性化學物質包括無機或有機的氧化劑，它選自過硫酸鹽、過氧化物、間-硝基苯、氯酸鹽、亞氯酸鹽、硝酸鹽和亞硝酸鹽及其化合物。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述活性化學物質和稀釋劑或分散劑一起被注入該工件之上。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述稀釋劑或分散劑選自水、有機液體、石蠟油、矽酮油、合成油和其它的油、潤滑油或油脂及其化合物。
11.如權利要求1所述的方法，其中，所述工件由金屬構成。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述轉化塗層包括一化合物，它選自金屬氧化物、金屬磷酸鹽、金屬草酸鹽、金屬硫酸鹽、金屬氨基磺酸鹽和金屬鉻酸鹽。
13.如權利要求11所述的方法，其中，所述金屬選自鐵、鈦、鎳、鉻、鈷、鎢、鈾及其合金。
14.如權利要求1所述的方法，其中，該工件與該工具之間的相對運動是由於該工具橫越固定不動的該工件造成的。
15.如權利要求1所述的方法，其中，所述工件與工具之間的所述相對運動是由於該工件橫穿固定的工具所造成的。
16.如權利要求1所述的方法，其中，在該工件和該工具之間的相對運動是由同時移動都不固定的該工具和該工件而造成的。
17.如權利要求1所述的方法，其中，該工具是非磨蝕性的。
18.如權利要求1所述的方法，其中，該工具略有磨蝕性。
19.如權利要求1所述的方法，其中，該工具是剛性的。
20.如權利要求1所述的方法，其中，該工具是柔性的，以便符合所述工件。
21.如權利要求1所述的方法，其中，該工具是該工件的一個配合面或類似結構。
22.如權利要求21所述的方法，其中，該工具由非反應性材料構成，從而在所述工具上未形成一個轉化塗層。
23.如權利要求22所述的方法，其中，該非反應性材料選自木頭、紙、布、陶瓷、塑料、聚合物、人造橡膠和金屬。
24.如權利要求21所述的方法，其中，該工具對所述活性化學物質起反應，從而在所述工具上形成一個第二轉化塗層。
25.如權利要求24所述的方法，它進一步包括繼續該加工過程，直到達到所述工具的理想表面特性。
26.如權利要求25所述的方法，其中，所述工具的表面特性選自表面精加工、成形、定尺及其組合。
27.如權利要求1所述的方法，其中，所述工件包括齒輪的齒根圓角，其中該工具從該齒輪齒根圓角上去掉表面缺陷，所述表面缺陷選自加工線痕、研磨線痕、噴丸硬化印及其組合。
28.如權利要求1所述的方法，其中，所述工件包括齒輪，所述工具包括嚙合齒輪或類似物。
29.如權利要求28所述的方法，其中，所述工具對所述活性化學物質起反應，從而在所述工具上形成一個第二轉化塗層。
30.如權利要求29所述的方法，它進一步包括繼續所述加工過程，直到達到所述工具的理想表面特性。
31.如權利要求30所述的方法，其中，所述工具的表面特性選自表面精加工、成形、定尺及其組合。
32.如權利要求1所述的方法，其中，所述工件包括軸承座圈，所述工具包括許多匹配的軸承滾珠或滾子或類似物。
33.如權利要求32所述的方法，其中，所述工具對所述活性化學物質發生反應，從而在所述工具上形成一個第二轉化塗層。
34.如權利要求33所述的方法，其中，它進一步包括繼續所述加工過程，直到獲得所述工具的理想表面特性。
35.如權利要求34所述的方法，其特徵在於，所述工具的表面特性選自表面精加工、成形、定尺及其組合。
36.如權利要求1所述的方法，其中，該工件和該工具被裝配在一外殼內。
37.如權利要求1所述的方法，它在一個低於所述工件的熱軟化溫度的溫度下進行。
38.如權利要求1所述的方法，其中，所述工具是非磨蝕性的並且它在一個小於該工件的塑性變形的力下與所述工件接觸。
39.如權利要求1所述的方法，其中，所述工具是非磨蝕性的並且它在一個小於所述工件的剪切強度的力下與所述工件接觸。
40.如權利要求1所述的方法，其中，所述工具是非磨蝕性的並且它在一個小於所述工件的抗拉強度的力下與所述工件接觸。
41.如權利要求1所述的方法，其中，該工具與該工件的接觸造成材料以1.0微英寸的理論分解能力從該工件上被去掉。
42.一種方法，它包括a.提供一個第一嚙合齒輪；b.將一活性化學物質注入到所述第一嚙合齒輪之上，所述活性化學物質能夠與所述第一嚙合齒輪發生反應，從而在所述嚙合齒輪上形成一個第一轉化塗層，所述第一轉化塗層不溶於所述活性化學物質中，從而所述第一轉化塗層保護所述第一嚙合齒輪不會進一步發生反應；c.提供一個第二嚙合齒輪，其中所述活性化學物質能夠與所述第二嚙合齒輪發生反應，從而在該第二嚙合齒輪上形成一個第二轉化塗層，所述第二轉化塗層不溶於所述活性化學物質內，從而所述第二轉化塗層保護所述第二嚙合齒輪不會進一步反應；並且d.通過它們之間的相對運動使所述的第一和第二嚙合齒輪彼此接觸，直到達到所述的第一和第二嚙合齒輪的理想表面特性為止；其中，在所述的第一和第二嚙合齒輪之間的接觸同時分別從所述第一和第二嚙合齒輪之上去除了所述的第一和第二轉化塗層，從而招致所述的第一和第二嚙合齒輪與所述活性化學物質進一步發生反應，結果，所述的第一和第二轉化塗層可以分別再次形成在所述的第一和第二嚙合齒輪上。
43.如權利要求42所述的方法，其中，所述的第一和第二嚙合齒輪的表面特性選自表面精加工、成形、定尺寸及其組合。
44.如權利要求42所述的方法，其中，所述的第一和第二嚙合齒輪位於一個變速箱內，其中在所述變速箱的工作期間內發生所述第一和第二嚙合齒輪之間的所述接觸。
45.一種方法，它包括a.提供一個匹配的齒輪座圈；b.把一活性化學物質注入到所述匹配的齒輪座圈之上，所述活性化學物質能夠與所述的匹配的齒輪座圈發生反應，從而在所述的匹配的齒輪座圈上形成一個第一轉化塗層，所述第一轉化塗層不溶於所述活性化學物質內，因而，所述第一轉化塗層保護所述匹配的齒輪座圈不會進一步反應；c.提供許多個匹配滾子，所述活性化學物質能夠與所述的匹配滾子發生反應，從而在所述的匹配滾子上形成一個第二轉化塗層，所述第二轉化塗層不溶於所述活性化學物質，因而，所述第二轉化塗層保護所述匹配滾子不會進一步反應；並且d.通過它們之間的相對運動，使所述匹配的軸承座圈與所述滾子接觸，直到達到所述滾子和所述匹配的軸承座圈的理想表面特性為止；其中，在所述匹配的軸承座圈和所述匹配滾子之間的所述接觸同時從所述匹配的軸承座圈和所述匹配滾子去掉所述的第一和第二轉化塗層，從而招致所述匹配的軸承座圈和所述匹配滾子與所述活性化學物質進一步發生反應，結果，所述第一和第二轉化塗層可以分別再次形成在所述匹配的軸承座圈和所述匹配滾子上。
46.如權利要求45所述的方法，其中，所述匹配的軸承座圈和所述匹配滾子的表面特性選自表面精加工、成形、定尺寸及其組合。
全文摘要
在此描述的發明公開了一種化學機械加工和表面精加工方法。在一工件的表面形成了一轉化塗層，並且通過該工件與工具之間的相對運動來去除它，從而暴露了該工件以進一步與該活性化學物質發生反應。使用較低的機械力，從而不超過該工件的塑性變形、剪切強度、抗拉強度和/或熱降解溫度。因為該化學機械加工和表面精加工方法需要很少的力和/或接觸速度即可去除該轉化塗層，所以設備的體積、複雜性和成本可以被明顯減小，同時提高了加工精確度。本發明本身導致非常受控的金屬去除速度，並且可以簡單地表面精加工該工件，或必要時，可以在表面精加工該工件的同時進行成形和/或定尺。
文檔編號B23F19/00GK1491146SQ02804767
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月7日 優先權日2001年2月8日
發明者M·D·米肖德, G·斯羅卡, L·W·溫克爾曼, M D 米肖德, 溫克爾曼, 蘅 申請人:雷姆技術公司