代替传统的冷却润滑剂，在此描述的化学机械加工和表面精加工 方法采用能够与金属工件表面发生反应的水基或有机基活性化学物 质，常见的金属是铁、钛、镍、铬、钴、钨及其合金。活性化学物质 首先被输入成形、定尺和/或表面精加工的设备中，从而与工件的基体 金属发生反应并由此形成一个柔软的转化涂层。转化涂层不溶于活性 化学物质中，从而保护工件的基体金属不会进一步与活性化学物质发 生反应。转化涂层可以包括如金属氧化物、金属磷酸盐、金属草酸盐、 金属硫酸盐或金属铬酸盐。
在转化涂层形成后是在工具与工件之间有相对运动的适当的工具 接触。相对运动可以通过使工具横越固定工件的运动、使工件横越固 定工具的运动或使工具和工件同时运动而产生。转化涂层被工具擦除， 由此在工件上露出新金属，因而允许在暴露金属上重新形成转化涂层。 金属去除速度与活性化学物质和金属反应以形成转化涂层的速度成比 例。该反应速度可通过提高温度和使用化学促进剂来提高。当反应速 度提高时，金属去除速度将受到转化涂层去除速度的控制。这种擦除 和重新形成的作业反复进行，直到完成所需的表面精加工和/或成形和 /或定尺为止。没有发生冶金学损坏。机加工工具需要很小的力即可去 除转化涂层，因此，与传统机加工相比，显著减小了机器的体积、复 杂性和成本，而同时可以提高机加工的精确度。
在本发明的实施例中，工具和工件的相对运动和接触力小于工件 的塑性变形、剪切强度和/或抗拉强度，所以在工件上没有产生热软化 温度。在某些实施例中，工具与工件的接触使金属以1.0微英寸的理 论分解能力从工件上被除去。因为工具施加在工件上的力比较小，所 以工具磨损被最小化和/或被消除。这种化学机械加工方法本身适应于 非常受控制的金属去除速度，并且可以在成形和/或定尺的同时进行工 件的表面精加工。
当使用这种化学机械加工和表面精加工方法时，在工件表面上形 成一转化涂层，它比工件的基体金属软。任何可以在工件表面上形成 这种化学转化涂层的活性化学物质都在本发明的考虑范围内。虽然， 在基体金属上产生的转化涂层所显示出的特性对本方法的成功实践是 重要的，但活性化学物质成分却不是的。在转让给REM化学有限公司 的US4818333中描述了这样的转化涂层，其内容在此作为参考被引入。
活性化学物质最好能够在工作条件下快速有效地产生基体金属的 柔软转化涂层。转化涂层必须还基本上不溶于活性化学物质中并且保 护基体金属不会进一步反应，由此保证金属去除主要通过擦除和重新 形成而不是通过溶解来发生。
活性化学物质也可以包括催化剂、促进剂、氧化剂并且在某些情 况下还包括抑制剂和/或润湿剂。应该注意的是，添加成分的数量可以 在没有不利作用的情况下超过溶解极限。从保持供给活性成分以便在 工作过程中补充活性化学物质的观点出发，含有不溶成分是有益的。
更具体地说，根据所涉及的金属基体，活性化学物质通常包括磷 酸盐或磷酸、草酸盐或草酸、氨基磺酸盐或氨基磺酸、硫酸盐或硫酸、 铬酸盐或铬酸或它们的混合物。另外，已知的催化剂或促进剂可以添 加到活性化学物质中，例如(但不局限于)磷酸硒、磷酸锌、磷酸铜、 磷酸锰、磷酸镁和磷酸铁，以及无机和有机的氧化剂，例如(但不局 限于)过硫酸盐、过氧化物、间-硝基苯、氯酸盐、亚氯酸盐、硝酸盐 和亚硝酸盐。
本发明所用的活性化学物质可以被稀释或分散。稀释剂或分散剂 通常大多是水，但也可以是其它材料，例如(但不局限于)石蜡油、 有机液、硅酮油、合成油和其它的油、油脂或润滑油。也期望在某些 条件下最好用其中水非常少的高浓酸如硫酸、甲磺酸或磷酸来产生转 化涂层。此外，必要时，油或润滑剂可被用作稀释剂或分散剂。这在 例如硫酸与矿物油一起使用时是必要的，因为硫酸会被分散到而不是 溶解到矿物油中。
任何可以如上所述地去除柔软转化涂层以便露出新金属面而又没 有超过工件的塑性变形、剪切强度和/或抗拉强度并且不会在工件上产 生热软化温度的工具都在本发明的考虑范围内。虽然工具特性对成功 去除转化涂层是重要的，但工具设计结构不是。在某些情况下，工具 可以是工件的配合面或类似结构。如工件可以包括齿轮，而工具可以 包括一啮合齿轮或类似件。在另一例子中，工件可以包括轴承座圈， 而工具可以包括许多啮合的轴承滚珠或滚子或类似物。
根据本发明，工具可以是刚性或柔性的。例如，如果工件是齿轮 的齿根圆角，则工具可以是略有磨蚀性的刚性圆柱体，其大小使它可 以接触所有的所需凹面，以便除去机加工线痕和/或磨削线痕和/或喷 丸硬化图形。在另一例子中，如果工件是管的内表面，则形状与工件 相符的可弯曲和/或可膨胀的工具可通过去除成形线或焊缝来改善表面 光洁度。
在一个实施例中，工具不与活性化学物质反应，因为在工具上没 有形成用化学引发的转化涂层。可以制成该工具的不反应材料可以是 木头、纸、布、陶瓷、塑料、聚合物、人造橡胶和金属，但是，可以 使用任何不与活性化学物质反应的材料。例如，如果工件是齿轮，则 工具可以是一个被设计成在与反应性工件啮合工作时能赋予所需成形 和/或表面精加工特性的非反应性啮合齿轮。
这种化学机械加工和表面精加工方法有许多优势。此方法实现了 能够制造出高精确度工件的良好受控制的金属去除速度。可以用约1.0 微英寸分解能力去除金属。该方法也具有同时进行成形和/或定尺和/ 或表面精加工的能力，从而减少了总加工步骤数。因为只要给予很少 的力即可实现金属去除，所以可以使用体积更小、更简单且更便宜的 机器来引导工具。工具速度也比传统机加工所需的速度低得多并且明 显降低了工具的成本和磨损。
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 面积。此方法实际上也消除了毛边、加工线痕、颤动、塑性变形和其 它的工件表面缺陷。本方法的一个进一步优势是冷却且无烧伤的机加 工方法，它造成了很小或没有造成应力或冶金学损坏如氧化、相变、 应力源和硬度变化。通常，在金属热软化温度下或低于此温度下来实 施此方法。低温也可能有助于消除精密工件的热变形。另外，在更低 的工具压力下，结构偏差是最小的，这对于最小化和/或消除精密工件 的结构变形和类似变形是特别重要的。最后，极大提高了机加工方法 的精确度。
在本发明的另一实施例中，可以完成金属对金属接触面的就地的 成形和/或定尺和/或表面精加工。这是如此完成的，即通过把含有或 没有细磨料的活性化学物质添加到组合装置中，从而转化涂层形成在 工件和工具的各反应金属面上。首先，该装置可以在低负荷下运行， 然后可以逐渐增加到满负荷状态。只在临界接触面上去掉转化涂层， 在该面上进行摩擦、滚压、滑动等以便露出用于进一步反应的新金属 面。化学机械加工和表面精加工将只发生在临界接触面上，以便消除 凹凸不平，这最终导致无线痕或几乎无线痕的表面。必要时，可以继 续加工，以便获得配合工件的超光洁表面和/或按照其理想几何形状来 最终成形和/或定尺。因此，每个配合面将有理想的匹配接触面积。原 地加工可以通过调整活性化学物质特性、加工时间和温度、接触负荷 和接触速度来精度高度受控制地修正配合件的微小尺寸或形状误差。
表面精加工或超精加工也有其它优势，如可以精加工整体组件如 变速箱的所有临界接触面，这显著降低精加工每个独立件的成本。一 旦该方法被最优化，则表面精加工的再现性极高，并且在制造厂环境 中易于完成，因此没有必要进行全面的最后检查。该方法可以在室内 或室外进行并且可以通过去除配合件的微小尺寸/形状误差而同时完成 组装机件的最终成形和/或定尺。在齿轮和轴承的应用中，例如，此方 法减小了磨合期、磨损、划伤、工作温度、摩擦、振动和噪音。
此方法的一个实施例是两个啮合齿轮。活性化学物质可以被注入 到第一啮合齿轮上，在第一啮合齿轮上形成转化涂层，同时在第二啮 合齿轮上形成转化涂层。两个啮合齿轮通过相对运动而相互接触，这 同时去掉了齿轮上的转化涂层。因此，这两个齿轮都易于进一步与活 性化学物质发生反应，从而转化涂层可以重新在齿轮上形成并去除， 直到两个齿轮具有预期表面特性如表面光洁度、成形、尺寸及其组合。 在一个实施例中，这两个齿轮位于一变速箱内，其中在变速箱工作期 间内发生了这两个齿轮之间的接触。
在另一实施例中提供一轴承座圈和许多匹配滚子。活性化学物质 被注入轴承座圈内，同时在轴承座圈和滚子上形成转化涂层。轴承座 圈和匹配的滚子通过相对运动而接触，这同时去掉了轴承座圈和匹配 滚子的转化涂层。因此轴承座圈和匹配滚子易于进一步与活性化学物 质发生反应，从而转化涂层可以重新形成并被去除，直到轴承座圈和 匹配滚子具有预期表面特性如表面光洁读、成形、尺寸及其组合。
例1-就地的表面精加工
标称尺寸为3.5×1×1/2英寸的且硬度为43-45HRC的两个类似的 SAE 4140碳钢被用作试样。过去，用180粒度的湿/干金刚砂砂纸沿纵 向机械抛光各试样的3×1/2英寸。试样1的最初Ra和Rmax分别为10.0 微英寸和98.4微英寸。试样2的最初Ra和Rmax分别为17.6微英寸和167 微英寸。
试样2被放置在60克/升草酸和20克/升间-硝基苯磺酸钠的溶液 中，其传统的机械抛光面朝上。然后，试样1的传统机械抛光面被放 置成垂直地接触试样2的传统机械抛光面。试样2保持在固定位置上， 而用手前后画圆地移动试样1，以模仿临界接触面的滑动。只施加非常 小的压力。这样持续大约10分钟。试样1在金属对金属接触面处的最 终Ra和Rmax分别为1.71微英寸和27.6微英寸。试样2在金属对金属 接触面处的最终Ra和Rmax分别为1.95微英寸和45.4微英寸。
如例1所示，通过用适当的活性化学物质弄湿表面并且轻微擦除 它们，可以表面精加工甚至是超精加工和/或定尺和/或成形两个由硬 化金属制成的匹配工件。在本发明的这个实施例中，不需要研磨、高 温或高压。只在金属与金属接触之处成形和/或定尺和/或表面精加工 该表面。
当一变速箱内有两个或两个以上的齿轮啮合时，可以类似于例1 所方式地成形和/或定尺和/或精加工它们的齿腹。这可以如通过在施 加较小负荷到输出轴上时使变速箱的输入轴转动来完成。通过使新鲜 的活性化学物质不断在齿轮面上流动，或通过把活性化学物质成批添 加到齿轮应被打湿的变速箱内，可以弄湿齿轮齿的接触区。齿接触面 将会变得更光滑并且齿廓将被成形为理想的齿轮形状。
同样，当在非常小的负荷下运行时，通过把活性化学物质添加到 工件中，可以成形、定尺和/或表面精加工轴承。没有发生如传统机加 工中所发生的冶金学损坏，在传统机加工中，使用了产生局部高温的 剂料或力，从而导致了应力源或回火，引起了由摩擦、磨损、划擦、 接触疲劳和动态疲劳而产生的早期工件失效。
本发明不局限于轴承或齿轮，而是可以被用于任何会从表面精加 工和/或定尺和/或成形中受益的硬金属对金属的接触中。一步成形和/ 或定尺和/或精加工的能力提高了各种工件的生产效率。
例2-借助略有磨蚀性的工具的传统机械加工基线
借助略有磨蚀性的(600粒度)湿/干金刚砂砂纸和作为冷却润滑 油的重量为SAE30的无去垢剂机油，按传统方式机械加工一个钢号为 SAE52100、硬度为HRC57-63(部分#001-502-001P)的Falex Corporation FLC润滑实验环。
在外环面的一硬塑料模(Facsimile)使一个600粒度的湿/干金 刚砂砂纸压于其上时，Falex Corporation FLC Lubricity Tester以 设定转速旋转该环。Falex提供的0-150英尺磅的且重力作用于其上的 Sears Craftsman扭矩手柄是唯一用到传统机械研磨加工中的负荷。该 环在整个实验期间局部浸没在SAE30重的无去垢剂机油内。图1示出 了该实验装置。
在加工前后，在分析天平上清洁、干燥并称重实验环以确定去除 金属量。
实验环在加工前重22.0951克。在460RPM下加工1小时后，重 22.0934克。每小时损失0.0017克，这合8.9微英寸的尺寸变化。
例3-借助略有磨蚀性工具的化学机械加工
使用略有磨蚀性的(600粒度)湿/干金刚砂砂纸和作为用于产生 转化涂层的活性化学物质的保持为6.25体积％的FERROMIL，以传统方 式机械加工一个钢号为SAE52100、硬度为HRC57-63(部分#001-502- 001P)的Falex Corporation FLC润滑实验环。
在外环面的一硬塑料模(Facsimile)使一个600粒度的湿/干金 刚砂砂纸压于其上时，Fa1ex Corporation FLC Lubricity Tester以 设定转速旋转该环。Falex提供的0-150英尺磅的且重力作用于其上的 Sears Craftsman扭矩手柄是唯一用到化学机械方法中的负荷。该环在 室温下局部浸没在以6.5毫升/分流过容器的FERROMILFML-575中。
参见图1的实验装置图。
在加工前后，在分析天平上清洁、干燥并称重该实验环，以确定 去除的金属量。
实验环在加工前重22.1827克。在460RPM下加工1小时后，重 22.1550克。每小时损失0.0277克，这合145.6微英寸的尺寸变化。 这些结果显示出金属去除速度是例2的16倍。
例2和3显示了，对硬工件的化学机械加工大大提高了金属去除 速度。因此，可以使用略有磨蚀性的工具和活性化学物质来成形和/或 定尺和/或表面精加工硬化的金属工件。工件的硬度并不重要，只要活 性化学物质与表面发生反应即可。实际上，不管金属有多硬，金属去 除速度大概保持一样。与此成鲜明对比的是，在传统机加工(如磨削、 搪磨、抛光等)中，当工件硬度增大到60HRC或更大时，工具磨损加 剧，而金属去除速度减小。
本发明实施例的例2、3表明了，可以用略有磨蚀性的工具来成形 和/或定尺和/或表面精加工很硬的金属表面。这可以被用来如成形和/ 或定尺和/或表面精加工齿轮齿廓。在这种情况下，如一个略有磨蚀性 的小型旋转和/或振动工具被放置成使它与不断被适当的活性化学物质 打湿的齿轮的齿腹接触。这将去除机加工线痕和/或研磨线痕并且用来 使齿成形为理想的齿轮形状。这显著延长了遇到弯曲疲劳、划伤和其 它故障的齿轮的使用寿命，同时减小了齿轮噪音并允许增大的工作功 率密度。
本发明不局限于齿轮，而是可以被用于任何会从表面精加工和/或 定尺寸和/或成形中受益的硬金属表面中。一步成形和表面精加工的能 力将提高各种工件的制造效率。
例4-借助非磨蚀性塑料工具的传统机械研磨基线
使用REMFBC-50(用来防止工具快速生锈和热降解的肥皂混合物， 但不能产生转化涂层)来精加工一个钢号为SAE4620、硬度为HRC58-63 (部分S-25)的Falex Corporation FLC润滑实验环。
在一个固定的FERROMILMedia#NA(没有任何磨料颗粒的纯塑 料(聚酯树脂))接触外环时，Falex Corporation FLC Lubricity Tester 以设定转速旋转该环。该塑料介质被成形为环的轮廓，以提供适当的 表面接触。Falex提供的0-150英尺磅的且重力作用于其上的Sears Craftsman扭矩手柄是唯一用到传统机械方法的负荷。环局部浸没在以 6.5毫升/分流过容器的REMFBC-50中。参见图2的实验装置图。
在加工前后，在分析天平上清洁、干燥并称重该实验环，以确定 去除的金属量。
实验环在加工前重22.3125克。在460RPM下加工3小时后，重 22.3120克。总共损失0.0005克或每小时损失0.00017克，这合0.9 微英寸/小时的尺寸变化。
这个实例表明，在没有使用活性化学物质的情况下，通过非磨蚀 性塑料在加工硬化钢面上去除的金属量不多。
例5-有无研磨塑料工具的化学机械加工
使用FERROMILVII Aero-700来精加工一个钢号为SAE4620的Falex Corporation FLC润滑实验环。
在一个固定的FERROMILMedia#NA(没有任何磨料颗粒的纯塑 料(聚酯树脂))接触外环时，Falex Corporation FLC Lubricity Tester 以设定转速旋转该环。塑料介质被成形为环形以提供适当的表面接触。 环局部浸没在12.5体积％的以6.5毫升/分流过容器的FERROMVII Aero-700中。参见图2的实验装置图。
在加工前后，在分析天平上清洁、干燥并称重该实验环，以确定 去除的金属量。
该实验环在加工前重22.1059克。在460RPM下加工3小时后重 22.0808克。总共损失0.0251克或每小时损失0.00837克，这合44.0 微英寸/小时的尺寸变化。这表示比使用比基体金属软的非磨蚀性工具 的例4的金属去除速度要大49倍，因此，不会超过基体金属的塑性变 形、剪切强度或抗拉强度。
例4、5表明，即使使用非磨蚀性塑料，也可以从硬化钢中去除相 当多的金属。在使用活性化学物质的情况下，由塑料形成的工具则可 以用来成形和/或定尺和/或表面精加工硬化的钢面。由硬化材料形成 的工具具有大大延长的使用寿命是合理的，因为它们不必经受强力或 经历局部高温。该工具将保留比较久，因为它可以通过施加只去除软 转化涂层所需的力即可去除金属。
另外，这两个例子表明，可以用比传统机加工中所用的那些机器 要小的机器来完成从非常硬的表面去除金属，因为只需要施加较小的 力。在更小的工具压力下产生的尤其是关于精密工件的最小结构偏差 和较低温度将会最小化和/或消除结构变形并提高机加工的精确度。因 为金属去除速度是44.0微英寸/小时，所以很明显，机加工可以具有 达到1.0微英寸的非常高的金属去除分解能力。
例6-化学机械表面精加工
化学机械表面精加工一齿轮齿的齿根圆角区，以去除轴向研磨线 痕。用缠有600粒度的湿/干金刚砂纸的、粗0.067英寸的高速钢丝的 一截形成工具。工具转速约为80RPM。用非常轻的压力使该工具保持压 在齿轮齿的齿根圆角区(Webster，AISI8620渗碳钢，17齿齿轮，8直 径齿距和25°压力角，倒角半径约0.0469英寸)。60克/升草酸和20 克/升间-硝基苯磺酸钠溶液被逐滴(1-2滴/10秒)注入接触面。这进 行15分钟。一旦表面精加工进行了10分钟后，就更换金刚砂砂纸。
放大10倍来检查表面精加工的工件，结果，多数表面没有轴向研 磨线痕且光滑平整，只有一、两个表面存在着轴向研磨线痕。这表明， 使用化学机械表面精加工，可以表面精加工临界凹面，同时保持非常 紧的尺寸允许公差。此外，通过较简单的化学机械表面精加工，可以 去除齿轮齿根圆角区的机加工线痕和/或研磨线痕。由于使用略有磨蚀 性的工具而产生的任何线痕都与轴向研磨线痕垂直。因此，显著降低 了齿的弯曲疲劳，从而延长了齿轮的使用寿命。
本发明不局限于齿轮，而是可以被用于任何经历动态疲劳的硬金 属面。一步成形和表面精加工的能力将会提高各种工件的制造效率。
尽管以优选实施例的形式描述了本发明的装置和方法，但显然， 本领域技术人员可以不脱离本发明的概念和范围地将各种改动用所述 的方法上。所有这样的相似的并对本领域技术人员来说是显而易见的 改进和等同替换应被认为是在如后续权利要求书所述的本发明范围和 概念中。