JP2019508276A - 超弾性材料を使用した制御された弾力性を有する切削工具アセンブリ - Google Patents

Abstract

本発明は、切削用インサート（１３）を収容するための座面（１２）を伴う工具ヘッド（１１）を含む切削工具アセンブリ（１０）に関する。切削工具アセンブリは、切削工具アセンブリの弾力性を制御し、衝撃力および局在振動を減衰するように提供された超弾性材料（１５）を含む。超弾性材料は層またはコーティングとして、または超弾性材料製の工具部品全体の形で提供されてよい。

Description

本発明は、切削工具とワークピース間の物理的接触を漸進的に構築するため、および金属切削作業中に衝撃力および振動エネルギを吸収するため、およびこうして切削工具の制御された弾力性を提供するために具備される超弾性減衰材料を備えた切削工具アセンブリに関する。

機械加工中の切削力の変動は、ワークピースと接触している切削用インサートのエッジに対する外乱を招く。切削用インサートとワークピースが接触すると、切削力の突然の増大が、衝撃力効果に起因して切削用インサートのエッジに近い部域内に、局所的応力分布および破壊を誘発する。機械加工中、切削用インサートのエッジがワークピースと常に接触している場合、動的切削力の広い周波数範囲が、切削用インサートのエッジを励起し、切削用インサートのエッジに近い領域内に局所的フレーキング（はがれ、flaking）およびスポーリング（剥離、spalling）を誘発する。切削プロセスの開始における衝撃力および広い周波数の動的切削力の両方が、予測不能な工具の不具合に伴う切削用インサートの工具摩耗を加速し、生産コストを増大させる。

特許文献１（米国特許第５７３８４６８号明細書）から、切削用インサートの靭性および切削用インサートの高い破壊強度を保証することが知られている。これはとりわけ、切削用インサートの表面断面形状に一致する接触表面を有し、切削用インサートの切削刃の下部表面から一定の距離のところに配設されるべきシムを用いて切削用インサートを支持することによって達成される。

特許文献２（米国特許出願公開第２０１１／０００８５７６号明細書）では、カーボンピラーを含むコーティングを伴う切削工具を提供する方法が開示されている。例えば、切削工具の動剛性などを増大させるためにコーティングを適用することができる。

機械加工中、切削プロセスとツーリング構造（工具構造、tooling structure）の振動特性は相互作用し、閉ループ系を形成する。閉ループ系は、安定した動作領域と、ツーリング構造の振動振幅が経時的に大きくなる切削深さによって画定される不安定な領域と、を有する。切削工具のオーバーハング長対直径比（Ｌ／Ｄ）が５を上回る条件下では、切削工具の剛性は減少し、安定した領域についての切削深さは減少しほぼゼロに接近し、こうして切削プロセスは、安定した条件下で行なうことができなくなる。長いオーバーハング長で安定した機械加工を行なうためには、ツーリング構造中に振動減衰用解決法を埋込むことが公知であり、これらの解決法は、以下の３つの主要なグループに分けることができる：
・ 振動の運動エネルギを同調質量に伝達する同調質重ダンパ；
・ 振動の潜在的歪みエネルギを熱に変換する臨界接合界面における拘束層減衰；および
・ 振動傾向を弱めるために工具シャンクに対して反作用力を加える圧電アクチュエータ。

これらの解決法は、通常、曲げモードまたは捩れモードのいずれかで標準的に３０００Ｈｚ未満の周波数範囲全体にわたる構造の振動に付随する問題点を解決する。

ツーリング市場の調査から、機械加工のわずか５％未満のケースのみが、直径の５倍長のオーバーハング長を有する切削工具により行なわれていることが明らかになった。Ｌ／Ｄ比が５未満であるより短いオーバーハング長では、機械加工プロセスが通常、工作機械の再生型びびりの観点から見て安定しているものとみなされることから、減衰解決法は通常、不要である。しかしながら、切削用インサートのエッジにおける切削力の変動および動的励起は、ツーリング構造の構成およびオーバーハング長対直径比とは無関係に、当然発生している。

ここに開示されている発明は、ツーリング構造が高い剛性を有するこれらの機械加工のケースに焦点をあてている。従来、このような構造における剛性は過度に高いものであり得る。切削工具の高い剛性の帰結として、金属切削作業中の衝撃力は、大部分の炭化物材料およびセラミックの脆弱な特性に起因して切削刃を破壊することが多い。ここに開示されている発明は、機械加工された部品の精度を保証するのに充分な剛性を維持する一方で工具破壊損傷を削減するために、切削工具アセンブリ内に超弾性特性を伴う制御された弾力性手段を適用している。

例えば、フライス加工金属切削プロセスにおいて、切削刃は、切削工具の各回転中、ワークピースの進入時において衝撃力により励起される。衝撃力に起因する破壊破損に対する切削工具の性能を増強するためには、耐摩耗性の削減および磨損による工具寿命の短縮という犠牲を払って、炭化物インサート内により多量の結合剤（例えばコバルト）を添加してその強度を改善しその靭性（破壊抵抗）を増強することが一般的である。ここに開示されている発明は、切削工具アセンブリの弾力性（靱性または破壊抵抗）および剛度の設計を分離している。したがって、炭化物インサートの靱性（破壊強度）は、耐摩損性特性を犠牲にせずに得ることができる。

先行技術の研究においては、切削用インサートの弾力性を調整するために、切削用インサートの下に、作動油チャンバを伴う工具シャンクが提供されていた。（Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ，Ｊ．，Ｂｅｃｋｅ Ｃ．，Ｐａｂｓｔ，Ｒ．，２００８、「切削刃に近接した弾力性および減衰を変動させることによる工具寿命の改善」、Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２，３５７〜３６４）。弾力性は、作動油上に圧縮圧力を加える圧電アクチュエータ上に印加される電圧によって制御された。しかしながら、この研究は実験に基づいたものにすぎず、根本的メカニズムは説明されなかった。ツーリング構造設計は、通常、最高の剛性を目標としており、その剛性は通常、構成材料（ほとんどが鋼または鋳鉄）の線形弾性係数に起因して線形である。ツーリング構造の剛性構造は、切削プロセスの開始における衝撃力のピーク振幅を増大させることから、切削用インサートの工具寿命にとって有害である。高いピーク振幅は、切削用インサート内の最大応力を直接増大させ、これが切削用インサートの破壊を導く可能性がある。構造内の一定の弾力性が、例えばスピンドル内でギヤ式伝動をベルト式伝動に変えることなどにより、衝撃力のピーク振幅の削減を容易にする。ツーリング構造内の剛性の減少は切削用インサートの工具寿命を延長するどころかさらに短縮することから、それは単にツーリング構造の剛性を削減するだけではないことが発見された。

本発明は、ツーリング構造の超弾性特性が衝撃力振幅の削減および切削用インサートの工具寿命の延長を保証するという概念に基づいている。

超弾性特性は、ツーリング構造の剛性が線形でないことを意味する。切削プロセスの開始において、切削点におけるツーリング構造の剛性は、短時間、典型的には１ｍｓ未満の時間、切削プロセス中よりも実質的に低い。その後、ツーリング構造の剛性は、切削用インサートのエッジとワークピースの間の接触が不変である場合、その最大剛性を保持する。概して、ツーリング構造内の超弾性特性は、時間に対する切削力の導関数の振幅（ｄＦ／ｄｔ）を減少させ、これは、切削プロセスの開始において生成される衝撃波エネルギを低減させる。切削用インサートのエッジがワークピースとの完全接触を構築するために利用できる時間枠も同様に、ツーリング構造の超弾性特性によって延長される。このことは図１で例示されている。

最も馴染みのある超弾性材料は、セラミックまたは金属とはかなり異なる挙動を示す天然ゴムである。ゴムの熱的加熱は、大部分の従来の構造材料の場合のような膨張ではなく収縮へとゴムを導く。ゴムバンドの伸張は、内部分子間結合が機械エネルギのわずかな部分しか回復させず、より大きな部分のエネルギを熱として散逸させることから、ゴムバンドの温度を上昇させる。ゴムを伸長させると、ゴムの剛性が漸進的に増大し、こうしてゴムは超弾性特性を有する。ゴムの超弾性特性は、大型分子間の弾性粘性摺動に起因して回復可能である。押込み下での金属に比べたゴムの典型的な挙動は、その超弾性特性および回復可能性を明らかにする。これは、図２に例示されている。

ゴムの超弾性特性を可能にする主要な要因は、典型的に１００ｎｍ未満の寸法を有するその大型長鎖分子のサイズにある。ゴム様の材料中の小さな分子サイズと共に、１００ｎｍ未満の複合材中の結晶サイズまたは結晶粒も同様に、材料の超弾性特性を可能にする。寸法が１００ｎｍ未満のナノ構造を伴う複合材も同様に超弾性挙動および回復可能性を示すことが発見されている（Ｆｕら、２０１６年、「高出力インパルスマグネトロンスパッタリングにより被着されたナノ構造複合材コーティングを伴う高動剛性機械構造」、Ｃａｒｂｏｎ９８，２４〜３３）。

超弾性特性は、高い歪み（典型的には５％超）で弾性特性を維持する材料の挙動を意味する。特に押込み試験において、超弾性材料は大部分がその表面くぼみを回復し、表面くぼみ部域の測定で表面硬度を測定するのを困難にする。

大部分の材料が、着実に増大する負荷条件下で、「弾性変形」、「可塑変形」そして次に「破壊」を受ける。例えば鋼材料は、０．０５％未満の歪みで可塑変形状態に入る。一方天然ゴムは、可塑変形領域に入ることなくより大きな規模まで変形でき、弾性挙動を維持しながら５０％の歪みを容易に超えることができる。したがって、ゴム中になんらかの可塑変形挙動を観察することが稀であることから、我々は通常ゴムを「超弾性」材料と呼ぶ。

「弾性」材料の剛性はほぼ一定であるが、超弾性材料は、大きな幾何学的変形に起因して非線形である剛性特性を示す。同じ外部負荷で、超弾性特性を有する構成要素は、より緩慢に反応し変形する。より長い衝撃時間（数分の１秒以内）は、脆弱な材料にとって有害である高い周波数における振動エネルギの励起を回避する。

ゴムの超弾性特性は、外部負荷にさらされている間互いに絡み合い摺動し合う長鎖分子および結晶粒に起因する。絡み合いおよび摺動挙動は可逆的である、すなわち、物体は、外部負荷が除去されている間、その原初の幾何形状を回復する。

ゴムは同様に、高い内部粒界表面積（内部結晶粒界表面積）対体積比を作り出すナノメートルサイズの結晶粒に起因して粘弾性特性も示し、これは、振動エネルギの散逸能力に有利に作用する。しかしながら、材料が「超弾性」特性および「粘弾性」特性を示すための要件は、特に結晶粒サイズに関して異なるものである。

粘弾性特性には、結晶粒サイズが厳密に２０ｎｍ未満であることが求められ、一方、超弾性特性は、１００ｎｍ超のより大きな結晶粒サイズでも得ることができる。

ゴムは、切削用インサートの利用分野のために好適でない。シムの利用分野におけるゴムの主たる制約条件は、金属切削プロセス中の温度変動である。例えばＫＵＳ，Ａｂｄｉｌら、「金属切削における温度分布の熱電対および赤外線センサベースの測定」、Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１５，１５．１：１２７４〜９１を参照のこと。

切削用インサートの下側、激しい高温が発生する切削ゾーンまで２〜３ｍｍのところに、シムが設置される。詳細には、シムが位置する領域内では、温度は摂氏９０度、またそれよりも高く上昇し得る。天然ゴムについては、弾性係数は、温度が摂氏２０度から９０度まで上昇した場合、一ケタ分減少する。減衰特性も同様に摂氏２０度から摂氏９０度までの温度上昇につれて減少する。

温度上昇に伴う弾性係数の実質的な低下により、切削用インサート保持構造の剛性は失われ、インサートは、締め付けを喪失し、機械加工中に破壊された状態となる。

天然ゴムおよびポリマが好適でない別の理由は、それらの弾性係数が低いことに起因する。切削用インサートの垂直方向における剛性は、以下のように計算可能である。

既定の剛性ｋで、体積弾性率Ｋが高くなればなるほど、部品の厚みｔは大きくなり得る。ポリマおよびゴムの弾性係数は通常１００ｋＰａであり、これに対して、金属の弾性係数は１００ＧＰａである。こうして、シムがゴム製である場合、同じ剛性を有するためには、シムの厚みを１，０００，０００で除す必要がある。シムの厚みは約３ｍｍであり、これはすなわち、ポリマの厚みは３ｎｍでしかあり得ないことを意味しており、これは不可能である。さらに、弾力性機能性は同様に、回復可能な弾性流を可能にするため、層の厚みおよび体積に依存する。一定の体積が無ければ、物体は弾力性特性を全く示さない。

短い工具オーバーハング長対直径比を有する切削工具には通常、再生型工具びびりの問題は無い。しかしながら、動的外力の変動はなお、ツーリング構造を励起し、ツーリング構造構成要素に対して強制振動を誘発する。特に、切削用インサートのエッジに近い領域において、高周波数励起は、局所的なフレーキングおよびスポーリング効果の形で切削用インサートのエッジの摩耗を加速する。

米国特許第５７３８４６８号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０００８５７６号明細書

Ｆｌｅｉｓｃｈｅｒ，Ｊ．，Ｂｅｃｋｅ Ｃ．，Ｐａｂｓｔ，Ｒ．，２００８、「切削刃に近接した弾力性および減衰を変動させることによる工具寿命の改善」、Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２，３５７〜３６４ Ｆｕら、２０１６年、「高出力インパルスマグネトロンスパッタリングにより被着されたナノ構造複合材コーティングを伴う高動剛性機械構造」、Ｃａｒｂｏｎ９８，２４〜３３ ＫＵＳ，Ａｂｄｉｌら、「金属切削における温度分布の熱電対および赤外線センサベースの測定」、Ｓｅｎｓｏｒｓ，２０１５，１５．１：１２７４〜９１

衝撃力抵抗の改善を用いて、切削用インサートの工具寿命を延長することが、開示された発明の１つの目的である。開示された発明のさらなる目的は、局所的フレーキングおよびスポーリング現象を無くするために高い減衰性能を用いて切削用インサートの工具寿命を延長することにある。本発明は、フライス加工、旋削加工、削孔、ブローチ加工、ギヤホビングなどを含む広範囲の切削工具に関する。衝撃力に耐え最小限の剛性要件を有する他の機械的製品も同様に、本発明に係る超弾性で高動剛性のダンパを有するタイプの設計から恩恵を受ける可能性がある。

本発明は、切削用インサートを収容するための座面を伴う工具ヘッドを含む切削工具アセンブリに関する。切削工具アセンブリはさらに、切削工具アセンブリの動作中に生成される振動を減衰するために提供される超弾性材料を含む。減衰は、切削工具の弾力性が制御されているという点で達成されており、具体的には超弾性材料は、衝撃力および局在振動を減衰するために提供される。

本明細書中で説明されているように、超弾性材料は、切削工具とワークピースの間の完全な物理的接触を構築する過渡的なプロセスに関しては特に効率が良く、こうして摩耗を削減し切削用インサートの有効運用時間を延長することが証明されている。

具体的な一実施形態において、超弾性材料は、座面と切削用インサート間の弾力層として提供される。超弾性材料は制御された剛性を有し、特に内部結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子の１つの寸法が実質的に２００ｎｍ未満である場合、高い振動減衰特性を示す。

別の具体的実施形態においては、座面と切削用インサートの間にシムが配設され、超弾性材料層は、シムと切削用インサートの間に提供されている。

さらに別の具体的実施形態において、超弾性材料層は、シムおよび／または切削用インサートに対する表面コーティングとして提供されている。

別の具体的実施形態において、切削工具アセンブリはさらに工具シャンクおよび工具クランプを含み、工具クランプは工具シャンクを保持するように配設され、工具シャンクは工具ヘッドを支持し、工具シャンクと工具クランプの間に超弾性材料層が提供されている。

超弾性材料層は、別個の部品として提供されてよい。

超弾性材料は好ましくは、切削工具構造の剛性を保証するため、０．１ＧＰａ〜５５０ＧＰａの間の弾性係数を有していなければならない。

超弾性材料は、好ましくは２００ｎｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満、さらには１０ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴うナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子で大部分が構成されているポリマ、複合材、金属および金属合金を含む群に含まれている。

本発明の具体的な一実施形態において、切削用インサートは超弾性材料製であり、別の具体的実施形態において、シムは超弾性材料製である。

本発明はさらに、切削用インサートを収容するための座面を伴う工具ヘッドを含む切削工具アセンブリ内で使用するためのシムにおいて、座面と切削用インサートの間に配設されるために提供され、座面（１２）の形状および切削用インサート（１３）の形状に対応する平坦な形状を有するシムであって、座面または切削用インサートのいずれかに面するその少なくとも１つの平坦な面の上に超弾性材料層が具備されているシムに関する。

切削用インサートの利用分野については、シム上の表面コーティングにより提供される超弾性特性は、超弾性材料の弾力性挙動に起因して切削刃が切削力の漸進的な増加を経験することを保証する。超弾性特性の無いものについては、切削刃は切削力の突然の増加を経験し、これが、脆弱な炭化タングステン材料にとって有害である高周波数振動エネルギを励起する。

本発明はさらに、前記切削用インサートを収容するための座面を伴う工具ヘッドを含む切削工具アセンブリ（１０）内で使用するための切削用インサートにおいて、座面またはこの座面と切削用インサートの間に配設されたシムの形状に対応する形状を有する切削用インサートであって、その少なくとも１つの面の上に超弾性材料層が具備され、この面は座面またはシムに面するように配設され、こうして、超弾性材料層が切削用インサートと支持表面の間に減衰効果を提供するようになっている、切削用インサートに関する。

本発明の他の特徴は、以下の詳細な説明から明らかになる。

本発明に係るさまざまな実施形態および実施例について、ここで、添付図面を参照しながら説明する。

機械加工中の切削力変動の図表である。 圧縮および押込み負荷下の超弾性材料を例示する図表である。 本発明の具体的一実施形態に係る切削工具アセンブリを示す。 図３の切削工具アセンブリを詳細図で示す。 図３の切削工具アセンブリの詳細な分解組立図を示す。 本発明の一変形実施形態に係る切削工具アセンブリの断面図である。 図５中の切削工具アセンブリの分解組立図である。

以下では、本発明の具体的実施形態について詳細に説明する。本発明は、旋削加工、削孔、機械加工またはフライス加工などのために使用される切削工具アセンブリ１０に関する。切削工具アセンブリ１０は、工具カセットなどの中に固定されるように配設された工具シャンク１６を含む。超弾性ダンパ１８が工具シャンク１６の周囲に配設されてよい。工具シャンク１６は工具ヘッド１１に連結される。工具ヘッド１１および工具シャンク１６は、互いに固定的にまたは解除可能な形で連結されていてよい。工具ヘッド１１は同様に、工具シャンクを含まない切削工具アセンブリの一部であってもよく、このような配設は、図中には示されていないものの、同様に本発明の一部である。

工具ヘッド１１は、切削用インサート１３が配設されるようになっている少なくとも１つの座面１２を含む。切削用インサート１３は、例えば多数の切削刃２１を伴う多角形状といった対称な形状を有していてよい。こうして、切削用インサート１３は、新しい切削用インサートと交換されるまで、何回でも回転されて再利用され得る。切削用インサート１３は同様に、類似の頂部および底部表面を有し、こうしてこの切削用インサートを逆転させてその使用回数を倍増させることができる。切削用インサート１３は座面１２内に直接配設されてよいが、座面１２と切削用インサート１３の間に配設されるシム１４により支持されていることが最も多い。シム１４は切削用インサート１３を支持し、座面１２を摩耗から保護する。シム１４および切削用インサート１３は両方共、使い捨てである。

図示された実施形態において、切削用インサート１３およびシム１４は、締め付けネジ２０を用いて工具ヘッド１１に取付けられる。他の締結または係止メカニズムも同様に利用可能であり、当業者にとって公知である。さらに、図示された実施形態において、切削用インサート１３は突出部２４を含み、これらの突出部は、シム１４との関係において、そして究極的には工具ヘッド１１との関係において切削用インサート１３を正しく位置付けするためにシム１４内の対応する切欠き２７内に収容されるように配設されている。

本発明の具体的実施形態によると、切削用インサート１３とシム１４の間に超弾性ダンパ１５が配設される。しかしながら、超弾性ダンパ１５は、切削用インサート１３とシム１４の間、またはシム１４と座面１２との間に提供され得る。超弾性ダンパ１５は、開示された発明において切削工具アセンブリ内の別個の構成要素であるか、または表面コーティング層として構成要素内に一体化され得る。超弾性ダンパ１５は同様に、切削用インサート１３の頂部および底部表面の両方に適用され得る。これは、切削用インサートのどの面が上であるか下であるかとは無関係に切削用インサート１３の近傍に常に減衰層が存在することを保証するため、類似の頂部および底部表面を備えた切削用インサート１３用として有用である。

切削工具アセンブリ１０は通常、最小限の剛性要件を有する。このことから、適用される超弾性ダンパ１５は、前記最小限の剛性要件に少なくとも匹敵するかまたは最小限の要件よりも高い剛性を有していなければならない、ということになる。ゴムまたはポリマなどの低い弾性係数を有する材料でできた超弾性ダンパ１５についてこの剛性要件を満たすためには、超弾性ダンパの厚みは、その剛性特性を保証するように実質的に削減される必要がある。

このような超弾性材料、例えばゴムおよびポリマは、通常、低いトライボロジ性能を有する。したがってこのような材料については、好ましくは、表面の完全性を保護し超弾性ダンパ１５のトライボロジ性能を改善するために、表面シールド１９が適用される。表面シールド１９は、切削用インサート１３およびシム１４と同じ適応可能な表面断面形状を伴う幾何形状へと切断された薄いシートメタルであり得る。図３および４ａ〜ｂに示された実施形態において、超弾性ダンパ１５および表面シールド１９は両方共、切削用インサート１３およびシム１４の断面形状と整合する共通の幾何形状を有する薄いシート層として提供される。したがって、超弾性ダンパ１５および表面シールドは、それぞれ、切削用インサート１３の突出部２７がシム１４内の切欠き２７に進入できるように適応された切抜き部２６および２７を有する。さらに、全ての部品は、締め付けネジ２０の通過を可能にするための中央貫通孔２２を含む。切削用インサート１３の貫通孔２２は、締め付けネジ２０の頭部が沈み込んで切削用インサート１３を正しく位置付けできるようにするための面取り２３を含む。

超弾性材料１５および表面シールド１９は両方共、プラズマ溶射およびプラズマコーティング技術などの他の手段によるコーティング層として構成されていてよい。本発明はこのようなコーティングの適用方法に関するものではなく、このようなコーティングを含む物品に関するものである。コーティング方法はそれ自体、特許文献２（米国特許出願公開第２０１１／０００８５７６号明細書）および欧州特許出願公開第２４３４５２５号明細書に記載されている。

超弾性ダンパ１５は、２００ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴うナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子で大部分が構成されているポリマ、複合材、金属および金属合金を含む群に含まれるタイプの超弾性材料の複合層を形成する、プラズマコーティング技術による表面コーティングであり得る。好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの内部構造寸法は１００ｎｍ未満であり、さらに好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの内部構造寸法は、１０ｎｍ未満である。

弾性係数として表現される材料の剛性は好ましくは、切削工具アセンブリの剛性を保証するため、０．１ＧＰａから最高５５０ＧＰａまでである。超弾性材料で作られた構成要素は、典型的に１μｍあたり数ニュートンの範囲内の切削工具剛性の最低要件に匹敵する剛性を保証しなければならない。超弾性材料の弾性係数が低ければ低いほど、構成要素の剛性を保証するために必要な構成要素の厚みは薄くなる。構成要素の外部表面積は、超弾性材料が適用されることになる切削工具の幾何学的寸法によって制限される。超弾性材料で作られた構成要素の内部粒界表面積は、構成要素とナノサイズの結晶粒または長鎖分子の直径の間の寸法比に正比例する。例えば、構成要素は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍの寸法を有していてよく、ナノサイズの結晶粒の寸法は５ｎｍであってよい。このような場合において、構成要素の外部表面積はわずか２４０ｍｍ²であるが、内部表面積は６×１０⁷ｍｍ²であり、こうして２．５×１０⁵の比が導かれる。

超弾性材料の弾性係数が高くなればなるほど、構成要素の厚みは切削工具の剛性要件を超えることなく高くなり得、内部粒界表面積は、厚みに正比例し、ナノサイズの結晶粒の寸法に反比例する。

ナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは分子の寸法は、典型的に２００ｎｍ未満、好ましくは１０ｎｍ未満であり、材料は好ましくは複合構造で作られる。

超弾性材料は、コーティング層としてか、または組立て可能な独立部品として表面に追加され得る。例えば、このような部品は、高速圧密によって提供されてよく、これにより、密なナノ構造の複合材を達成することができる。シムまたは切削用インサート自体を、高速圧密によって圧密されたこのような複合材で製造することができる。

概して、ナノサイズの内包物は移動し拡散して凝集し層結晶を形成することから、類似の材料の生産プロセスは、低いプロセス温度および短いプロセス時間を有することが求められる。プラズマコーティングプロセスは、プロセス温度は低いがプロセス時間は長い。高速圧密は、低プロセス温度と短いプロセス時間を同時に有し、より高い可能性を秘めている。

超弾性材料がプラズマコーティングによって提供される場合、基材は典型的には、ただし非限定的に、炭化タングステン、炭化ケイ素、任意の炭化物材料または鋼である。

例えば、シム１４または切削用インサート１３のいずれかは、超弾性材料で作られていてよい。一例は、超弾性特性を有する固体へと凝縮され変換されるように高速固着を用いて一緒に圧密されたナノサイズの含浸物と混合された炭化タングステン粉末でシム１４または切削用インサート１３を構築することである。炭化タングステン粉末は、同様に、圧密または高速焼結プロセスに先立ってボールミル粉砕プロセスによりナノサイズまで粉砕されることもできる。

図５および６には、工具シャンク１６と工具アダプタ１７の間に超弾性ダンパ１８が提供されている変形実施形態が示されている。図３および４ａ〜ｂに示された実施形態と同様に、工具シャンク１６と工具アダプタ１７の間に配設された別個の層として、または工具シャンク１６または工具アダプタ１７のいずれかの上のコーティングとして超弾性ダンパ１８を配設してよい。別の実施形態において、工具シャンク１６は、超弾性材料で作られる。

ここで、図１を参照して、超弾性材料の特性について説明する。超弾性ダンパは、典型的に１０００Ｎ未満の切削力の衝撃下で非線形である剛性を有する。図１に例示されているように、切削用インサートがワークピースと完全かつ安定した接触を構築するまで、切削プロセスの開始において突然の切削力増加が存在する。超弾性ダンパは、非線形剛性特性を有し、その剛性は、小さい押込み力振幅において比較的低い。切削プロセスの開始段階の間の小さい切削力振幅における剛性の削減に伴って、超弾性ダンパは、切削用インサートが切削力と同じ方向に移動し切削プロセスの開始の時間枠を引き伸ばすためのクッションとして機能する。切削力増分の勾配は、超弾性ダンパに起因して削減され、切削力の突然の増加により及ぼされる衝撃波はさほど有害でなくなる。その帰結として、切削用インサートの切削刃に沿った局所破壊は抑制され、工具寿命は改善される。

超弾性材料は、ゴム、ポリマ、複合材、金属、セラミックまたは合金製であり得る。超可塑性材料となる基準は、内部結晶粒サイズが少なくとも１つの寸法において２００ｎｍ未満であるということである。典型的に、これには、２００ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴う結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子を含む材料が含まれる。好ましい実施形態において、前記内部構造寸法は、１００ｎｍ未満、さらには１０ｎｍ未満である。

材料内部の小さいサイズの結晶粒は、圧縮または引張応力下で、粒界に沿って回復可能な粘弾性流を示す。回復可能な粘弾性流は、材料の弾性係数を変化させることから、超弾性特性を可能にする。負荷の機械的エネルギの実質的な量が、回復可能な粘弾性流に起因して瞬時に熱エネルギに変換される。

切削用インサートの切削刃とワークピースの間に完全な接触が確立された後、超弾性ダンパ内で使用される超弾性材料の剛性は、切削力の増大に起因して増大し、図１に示された切削プロセスの終了段階まで同じものであり続ける。金属切削プロセスは、広い周波数帯域にわたって切削工具および機械構造を励起する振動エネルギを及ぼす。超弾性材料は、典型的に１０ｎｍ未満というその小さな結晶粒サイズに起因して、大きな内部粒界表面を有し、粒界表面は、振動エネルギ伝達のためのインピーダンスとして機能する。粒界は、粒界内の転位または原子の拡散により、振動歪みエネルギを熱エネルギへと変換する。各結晶粒または長鎖分子内部の最大許容転位数は、２０ｎｍ未満の結晶粒サイズ縮小と共に減少することから、２０ｎｍ未満の結晶粒サイズの縮小と共に、粒界は、転位を遮断する代りに転位の拡散を促す。超弾性材料はこうして振動減衰を行ない、フレーキングおよびスポーリングの観点から見た励起された振動エネルギの有害な効果を無くし、切削刃の表面完全性を改善する。エンドユーザーにとっての直接的メリットは、信頼性の高い予測可能な機械加工プロセス、金属切削プロセスの適正に制御されたエネルギ消費量、および工具寿命の延長に起因する生産コストの削減である。

切削プロセスの終了段階において、超弾性ダンパは、弾性変形の回復および削減された切削力での剛性の削減に起因して切削力減分勾配（ｄＦ／ｄｔ）を削減するように再び機能する。切削力減分勾配の削減により、切削プロセスによって及ぼされる衝撃波エネルギの有害性は削減される。

以上では、具体的実施形態を参照しながら、本発明について説明してきた。しかしながら、本発明はこれらの実施形態のいずれかに限定されず、以下のクレームの範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (8)

1. 切削用インサート（１３）を収容するための座面（１２）を伴う工具ヘッド（１１）を含む切削工具アセンブリ（１０）において、
   振動を減衰させるために提供された超弾性材料（１５、１８）をさらに含み、前記超弾性材料は、２００ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴うナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子で大部分が構成されているポリマ、複合材、金属および金属合金を含む群に含まれており、前記超弾性材料が０．１ＧＰａ〜５５０ＧＰａの弾性係数を有し、超弾性材料層（１５）は、前記切削用インサート（１３）に対する、および／または前記座面（１２）と前記切削用インサート（１３）との間に配設されたシム（１４）に対する、表面コーティングとして提供されていること、を特徴とする切削工具アセンブリ（１０）。
2. 前記超弾性材料（１５）が、前記座面（１２）と前記切削用インサート（１３）との間の減衰層として提供されている、請求項１に記載の切削工具アセンブリ（１０）。
3. 前記座面（１２）と前記切削用インサート（１３）との間にシム（１４）が配設され、前記超弾性材料層（１５）は前記シム（１４）と前記切削用インサート（１３）との間に提供されている、請求項１に記載の切削工具アセンブリ（１０）。
4. 前記座面（１２）と前記切削用インサート（１３）との間にシム（１４）が配設され、前記超弾性材料層（１５）は前記座面（１２）と前記シム（１４）との間に提供されている、請求項１または３に記載の切削工具アセンブリ（１０）。
5. 切削工具アセンブリ（１０）がさらに工具シャンク（１６）および工具クランプ（１７）を含み、前記工具クランプ（１７）が前記工具シャンク（１６）を保持するように配設され、前記工具シャンク（１６）は前記工具ヘッド（１１）を支持し、前記工具シャンク（１６）と前記工具クランプ（１７）との間に超弾性材料層（１８）が提供されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の切削工具アセンブリ（１０）。
6. 前記超弾性材料は、１０ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴うナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子で大部分が構成されているポリマ、複合材、金属および金属合金を含む群に含まれている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の切削工具アセンブリ（１０）。
7. 切削用インサート（１３）を収容するための座面（１２）を伴う工具ヘッド（１１）を含む切削工具アセンブリ（１０）内で使用するためのシム（１４）において、
   前記座面（１２）と前記切削用インサート（１３）との間に配設されるために提供され、前記座面（１２）の形状および前記切削用インサート（１３）の形状に対応する平坦な形状を有する、シム（１４）であって、
   前記シムには前記座面（１２）または前記切削用インサート（１３）のいずれかに面するその少なくとも１つの平坦な面の上に超弾性材料層が具備されており、超弾性材料が、２００ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴うナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子で大部分が構成されているポリマ、複合材、金属および金属合金を含む群に含まれており、前記超弾性材料が０．１ＧＰａ〜５５０ＧＰａの弾性係数を有している、シム（１４）。
8. 切削用インサート（１３）を収容するための座面（１２）を伴う工具ヘッド（１１）を含む切削工具アセンブリ（１０）内で使用するための、前記切削用インサート（１３）において、
   前記座面（１２）の形状、または該座面（１２）と前記切削用インサート（１３）との間に配設されたシム（１４）の形状、に対応する形状を有する切削用インサート（１３）であって、
   前記切削用インサート（１３）には、その少なくとも１つの面の上に超弾性材料層が提供され、この面は前記座面またはシム（１４）に面するように配設され、その結果、前記超弾性材料層は前記切削用インサート（１３）と支持表面との間に減衰効果を提供するようになっており、超弾性材料は、２００ｎｍ未満である少なくとも１つの内部構造寸法を伴うナノサイズの結晶粒、原子クラスタまたは長鎖分子で大部分が構成されているポリマ、複合材、金属および金属合金を含む群に含まれており、前記超弾性材料が０．１ＧＰａ〜５５０ＧＰａの弾性係数を有している、切削用インサート（１３）。

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