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KR100612067B1 - 유해한 백색층 효과가 감소된 경질 금속의 기계 가공을위한 장치 및 방법 - Google Patents

유해한 백색층 효과가 감소된 경질 금속의 기계 가공을위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR100612067B1
KR100612067B1 KR1020047012058A KR20047012058A KR100612067B1 KR 100612067 B1 KR100612067 B1 KR 100612067B1 KR 1020047012058 A KR1020047012058 A KR 1020047012058A KR 20047012058 A KR20047012058 A KR 20047012058A KR 100612067 B1 KR100612067 B1 KR 100612067B1
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KR
South Korea
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machined
cutting tool
hard
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workpiece
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KR1020047012058A
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KR20040091009A (ko
Inventor
즈비그뉴 주레키
라나지트 고쉬
존 허버트 프레이
제임스 브라이언 테일러
Original Assignee
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구에의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상의 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명의 방법은 소재의 표면 상의 열역학적 하중을 감소시키는 것을 수반하고, 본 발명의 장치는 소재의 표면 상의 열역학적 하중을 감소시키는 수단을 포함한다.

Description

유해한 백색층 효과가 감소된 경질 금속의 기계 가공을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MACHINING OF HARD METALS WITH REDUCED DETRIMENTAL WHITE LAYER EFFECT}
본 발명은 절삭에 의한 경질 금속 재료(예컨대, 칩 형태로 과잉의 재료 제거에 의한 성형 부재)의 기계 가공의 분야, 보다 구체적으로는 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구의 열역학적 하중으로 인하여 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층(예컨대, 백색층)의 두께를 감소시키고/시키거나 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 유해한 효과를 완화시키는 기계 가공 방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 스케일 C에서 42 로크웰을 초과하는 표면 경도를 특징으로 하는 경질 금속 부재를, 1500 빅커를 초과하는 에지 경도를 특징으로 하는 경질 절삭 공구로 기계 가공하는 것에 관한 것이다. 경질 또는 경화 금속 부재의 기계 가공은 생산 사이클에서 열 처리 및 기계 가공 단계의 감소 및 느린 마무리 분쇄 작동의 정도를 최소화함으로써 제조업에 상당한 비용 절약을 가져온다. 알루미나(Al2O3), 입방체 질화붕소(CBN) 및 많은 다른 진보된 재료를 비롯하여, 경질 세라믹 절삭 공구 및 공구 코팅의 출현으로, 경질 금속의 기계 가공은 실현 가 능하게 되고, 외경(OD) 터닝, 내경 터닝(천공), 홈 가공, 분금, 외장, 제분, 드릴 가공 및 수많은 다른 절삭 공정을 포함한다.
금속 기계 가공의 넓은 용도의 유의적인 제한은 소재의 기계 가공된 표면의 극미한 변형인, 이른바 "백색층" 효과인데, 이 효과는 절삭 공구에 의한 기계 가공된 표면에서 나타나는 매우 높은 열역학적 하중에 따라 생성된다. 완전히 이해되는 것은 아니지만, 내에칭성 백색층을 포함하는 열역학적으로 영향을 받는 소재 표면은 관련된 인장 응력, 예컨대 감소된 내피로성, 낮은 피로 인성 및/또는 생성된 부재의 감소된 내마모성때문에, 바람직하지 않다(B.J. Griffins, White Layer Formation at Machined Surface and Their Relationship to White Layer Formations at Worn Surface, J. of Tribology, April 1985, Vol. 107/165 참조).
성형기 및/또는 마모되지 않은 절삭 에지, 뿐만 아니라 통상적인 수계 유화 오일 냉각제를 가진 절삭 공구의 플러딩은 유해한 인장 응력 및 백색층 감소에 기여하였다고 보고되어 있다(W. Konig, M. Kilnger, and R. Link, Machining Hard Materials with Geometrically Defined Cutting Edges - Field of Applications and Limitations, Annals of CIRP, 1990, Vol. 57, pp. 61-64). 통상의 플러드 냉각을 갖춘 경질 기계 가공은 재조사되었으나, 비효과적인 것으로 밝혀졌다(H.K. Tonshoff and H.G. Wobker, Potential and Limitations of Hard Turning, 1st Int. Machining and Grinding Conf., Sept. 12-14, 1995, Dearborn, MI, SME Technical Paper MR95-215). 더욱이, 예리한 끝의 절삭 에지는 저렴한 Al2O3계 공구의 경우에서 용이하게 파열되므로 현재의 유일한 선택으로서 고가의 CBN이 남아있다. 경질 기계 가공에서 냉각제 사용은 피해야 하는데, 그 이유는 냉각이 에지 마모를 촉진하고, 최종 하드터닝에 사용되는 CBN 공구의 전체 수명을 단축시키기 때문이다(T.J. Broskea, PCBN Tool Failure Mode Analysis, Intertech 2000, Vancouver B.C., Canada, July 17-21, 2000). 수많은 다른 공보 및 기계 가공 교본은 저렴한 Al2O3 공구로 냉각제를 사용하면 급속한 파열을 초래하게 된다고 가리킨다. 비냉각 CBN 공구(건식 터닝)를 사용하여 통상의 경질 베어링 스틸 52100의 하드터닝 중에 백색층 두께에 대한 절삭 속도의 효과가 조사되었다(Y.K. Chou and C.J. Evans, Process Effects on White Layer Formation in Hard Turning, Trans. of NAMRI/SME, Vol. XXVI, 1998, pp. 117-122). 이 결과에 의하면, 절삭 속도를 상대적으로 낮게 해야만 백색층을 허용 가능할 정도로 얇게 만들 수 있다는 것으로, 이러한 낮은 절삭 속도를 생산 속도를 저하시킨다. 따라서, 현재의 기계 가공 기술은 경질의 백색층이 없는 부재를 신속하고 저렴한 비용에서 제조하는 해법을 제공하지 못한다.
경질 기계 가공 중에 소재 표면의 변화를 최소화시키는, 보다 구체적으로는 인장 및/또는 요철 표면 응력 및 내에칭성 백색층(즉, "백색층"의 유해 효과)을 제거 또는 최소화하는 장치 및 방법을 갖는 것이 요망되고 있다.
또한, 열역학적으로 영향을 받는 층(예컨대, "백색층")의 유해한 효과가 적은 더 나은 부재를 생성하고, 보다 저렴한 공구를 사용하여 보다 저렴한 비용으로 보다 신속하게 수행하는 장치 및 방법을 갖는 것이 요망되고 있다.
발명의 개시
본 출원인의 발명은 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치 및 방법, 그리고 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면 내 열역학적 하중의 유해한 효과를 완화시키는 장치 및 방법이다. 본 발명의 다른 양태는 상기 장치 및 방법을 사용하여 경질 금속 소재를 기계 가공하는 장치 및 방법이다. 본 발명의 다른 양태는 기계 가공 장치 및 방법에 의해 기계 가공된 소재이다.
소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 방법의 제1 구체예는 열역학적 하중을 감소시키는 것을 포함한다.
그 방법의 제1 구체예에는 몇 가지 변형이 있다. 한 가지 변형예에서, 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함한다. 다른 변형예에서, 경질 절삭 공구는 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료의 적어도 일부로 이루어진다.
또 다른 변형예에서, 절삭 공구는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가지며, 열역학적 하중은 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전에, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시킴으로써 감소된다. 이 변형예의 변형에서, 절삭 공구는 외부 냉각 수단에 의해 냉각된다. 이 변형예의 한 가지 변형에서, 냉각 수단은 1 이상의 초저온 유체를 포함한다. 다른 변형에서, 다른 변형에서 냉각 수단은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 포함한다. 또 다른 변형에서, 절삭 공구는 경도 및 크래킹 내성을 가지며, 냉각 수단으로 절삭 공구를 냉각하면 경도가 증가되거나, 또는 크래킹 내성이 증가된다.
상기 방법의 다른 변형예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되며, 열역학적 하중은 절삭력의 성분을 감소시킴으로써 감소된다. 이 변형예에는 몇 가지 변형이 있다. 한 가지 변형에서, 절삭 공구는 기울기(inclination)각을 가지며, 절삭력의 성분은 기울기각을 보다 양이 되도록 함으로써 감소된다(어구 "기울기각을 보다 양이 되도록"은 하기 발명의 상세한 설명 섹션에 정의되고 논의된다). 다른 변형에서, 절삭 도구는 경사(rake)각을 가지며, 절삭력의 성분은 경사각을 보다 양이 되도록 한다.
경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는 방법의 제2 구체예는 다단계를 포함한다. 이 구체예에서, 절삭 공구는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가지며, 열역학적 하중은 소재의 표면 상에 미치고, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 상기 방법의 제1 단계는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전에, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 것이다. 제2 단계는 절삭력의 성분을 감소시키는 것이다.
경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서, 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미쳐서, 기계 가공된 표면을 형성하게되는 열역학적 하중의 유해한 효과를 완화시키는 방법의 제1 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 것을 포함한다.
상기 방법의 제1 구체예에는 몇 가지 변형이 있다. 한 가지 변형예에서, 냉각 수단은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 포함한다. 다른 변형예에서, 냉각 수단은 초저온 유체를 함유하는 1 이상의 스트림 또는 온도가 약 -75℃인 얼음 입자를 포함한다. 다른 변형에서, 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함한다. 다른 변형에서, 경질 절삭 공구는 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료의 적어도 일부로 이루어진다.
유해 효과의 완화 방법의 제2 구체예는 제1 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.
제1 구체예와 유사한, 유해 효과의 완화 방법의 제3 구체예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 이 제3 구체예에서의 방법은 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다. 절삭 공구가 기울기각을 가진, 이 구체예의 변형예에서, 절삭력의 성분은 기울기각을 보다 양이 되게 함으로써 감소되며, 냉각 수단은 온도가 약 -75℃인 초 저온 유체 또는 1 이상의 얼음 입자를 함유하는 1 이상의 스트림을 포함한다.
유해 효과의 완화 방법의 제4 구체예는 제3 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다. 절삭 공구가 기울기각을 가진, 제4 구체예의 변형예에서, 절삭력의 성분은 기울기각을 보다 양이 되게 흠올서 감소되고, 냉각 수단은 초저온 유체를 함유하는 1 이상의 스트림을 온도가 -75℃ 미만인 1 이상의 얼음 입자와 함께 포함한다.
소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키고, 상기 소재가 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구로 기계 가공되며, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 부과하는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법의 제1 구체예는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전이나, 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.
열역학적 하중의 유해 효과가 소재의 기계 가공된 표면에서 완화되고, 상기 열역학적 하중이 소재의 기계 가공된 면을 형성하는 경질 절단 공구에 의해 소재의 표면에 미치는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법의 제2 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃인 냉각 수단에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 것을 포함한다.
소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키고, 상기 소재가 경질 절삭 공구로 기계 가공되며, 경질 절삭 공구가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부가 절삭력 의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법의 제3 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다.
제1 구체예와 유사한, 기계 가공 방법의 제4 구체예에서, 열역학적 성분의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 제4 구체에는 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다.
기계 가공 방법의 제5 구체예는 제2 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.
제2 구체예와 유사한, 기계 가공 방법의 제6 구체예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 제6 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 것을 포함한다.
기계 가공 방법의 제7 구체예는 제6 구체예와 유사하지만, 냉각 수단에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 상기 구체예 중 임의의 것과 같은 기계 가공 방법에 의해 기계 가공된 소재이고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 한다.
소재의 표면 상에 열역학적 하중이 미치는 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치의 제1 구체예는 열역학적 하중을 감소시키는 수단을 포함한다.
상기 장치의 제1 구체예에는 몇 가지 변형예가 있다. 한 가지 변형에서, 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함한다. 다른 변형예에서, 경질 절삭 공구는 세 라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료의 적어도 일부로 이루어진다.
소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치로서, 상기 경질 절삭 공구가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주고, 상기 성분이 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는 제2 구체예는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전이나, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 수단; 및 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.
경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 장치로서, 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면 상에 미치고, 이로써 기계 가공된 표면을 형성하는 제1 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각제의 1 이상의 스트림에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단을 포함한다. 이 구체예의 한 가지 변형예에서, 상기 스트림은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유한다. 다른 변형예에서, 상기 1 이상의 스트림은 초저온 유체 또는 온도가 약 -75℃ 미만인 얼음 입자를 함유한다.
경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 장치로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고, 이로써 기계 가공된 표면이 형성되며, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는 제2 구체예는 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃ 범위인 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유하는 1 이상의 스트림에 의해 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단; 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유하는 1 이상의 다른 스트림에 의해 동시에 절삭 공구를 냉각시키는 수단; 및 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 경질 금속 소재를 기계 가공하는 장치이다. 기계 가공 장치에는 몇 가지 구체예가 있다.
소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재가 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절단 공구에 의해 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 제1 구체예는 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전이나, 또는 소재가 기계 가공되는 도중에 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 절삭 공구를 냉각시키는 수단을 포함한다.
열역학적 하중의 유해 효과를 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 결질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재가 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 줌으로써 기계 가공되고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부가 절삭력의 성분이며, 상기 성분이 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가되는 제3 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.
제1 구체예와 유사한 제4 구체예에서, 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭 력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 인가된다. 제4 구체예는 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함한다.
기계 가공 장치의 제5 구체예는 제2 구체예와 유사하지만, 1 이상의 다른 유체 스트림으로 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 수단을 포함하며, 상기 냉각 수단은 유체의 스트림을 분무하는 수단이다.
기계 가공 장치의 제6 구체예는 제3 구체예와 유사하지만 초기 온도가 약 -250℃ 내지 약 +25℃ 범위인 유체의 1 이상의 스트림으로 기계 가공된 표면을 분무하는 수단을 포함한다.
기계 가공 장치의 제7 구체예는 제6 구체예와 유사하지만, 절삭 공구 상에 1 이상의 다른 유체 스트림을 동시에 분무하는 수단을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 상기 구체예 중 임의의 것에서와 같은 기계 가공 장치에 의해 기계 가공된 소재이고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 한다.
본 발명을 첨부 도면을 참고로 실시예에 의해 설명하고자 한다.
도 1a는 중실 바스톡 및 원형 절삭 공구를 이용한 OD 하드터닝을 예시하는 개략도 및 기계 가공되는 소재의 전형적인 표면하 미세구조의 단면도를 상세하는 개략 대표도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 것과 유사한 OD-하드터닝 조작으로 사용된 본 발명의 구체예를 예시하는 개략 다이아그램이다.
도 2는 상이한 절삭 속도, 절삭 공구 재료 및 냉각 조건을 사용한 8 가지 테 스트 조건에 대한 백색층 두께의 측정을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 700 피트/분의 절삭 속도에서 상이한 절삭 공구 재료 및 냉각 조건을 이용한 하드터닝의 결과로서 표면하 경도를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 바와 같은 샘플의 4 가지 형태에 대한 잔류 응력 측정의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 기울기각 A-O-B가 음인 하드터닝의 종래 방법을 예시하는 개략 다이아그램이다.
도 4b는 기울기각이 도 4a에 도시된 음의 값으로부터 도 4b에 도시된 양의 값 B-O-C로 증가되는, 본 발명의 구체예를 예시하는 개략 다이아그램이다.
도 4c는 본 발명의 다른 구체예를 예시하는 개략 다이아그램이다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 한정하는 것은 아니지만 열역학적으로 영향받은 층을 제거하거나 또는 그 두께를 감소시키고, CBN 공구 재료, 뿐만 아니라 덜 고가의 Al2O3, 탄화물, 도성 합금 또는 기타 경질 공구 재료를 사용하여 과잉의 백색층없이 고속에서 절삭을 할 수 있는 방법을 사용하여 경질 절삭 공구로 경질 금속 소재를 기계 가공하는 것을 포함한다. 이하에 사용되는 용어 "백색층"은, 한정하는 것은 아니지만 표면 인장 응력과 관련된 것(예컨대, 감소된 내피로성, 저 파열 인성 및/또는 감소된 내마모성)을 비롯한 모든 유형의 "열역학적으로 영향을 받는 층"을 의미한다.
본 발명에 따르면, 기계 가공된 표면에서 절삭 공구에 의해 제공되는 열역학 적 하중은 하기 논의되는 세 가지 기술(A, B, C) 중 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 감소된다.
A. 고온 공구 계면으로부터 소재로 전달되는 열이 감소되고, 바람직하게는 공구가 소재 표면에 대해 열 싱크가 되도록 불활성 무수 냉각제의 정확하게 지향된 제트 또는 분무를 사용하는 절삭 공구의 냉각.
공구 냉각 제트의 온도는 +25℃와 -250℃ 사이에서 달라질 수 있으며, 더 낮은 초저온 제트 온도가 바람직하다. 그러한 제트로 냉각된 공구는 기계 가공된 부재의 표면을 더 차갑게 한다. 또한, 경질 기계 가공 테스트 중에 관찰되는 바와 같이, 통상의 기계 가공 기술과는 대조적으로 불활성이고 물을 함유하지 않는 냉각 제트를 사용하면 Al2O3, CBN 및 기타 경질 절삭 공구의 수명을 향상시키고, 더 낮은 절삭력과 더 얇은 백색층을 발생하는 더 예리한 절삭 에지를 사용할 수 있게 한다.
B. 기술 A에서와 동일한 유형의 직접 충돌 냉각 제트 또는 분무를 이용한 형성 또는 기계 가공되는 소재 표면의 냉각
관찰을 토대로, 기계 가공되는 소재 표면을 냉각하면 기계 가공된 재료로의 열 투과 깊이, 그리고 따라서 바람직하지 않은 재료 변형 정도가 감소되는 것으로 나타났다. 기술 B의 표면 냉각 제트는 기술 A의 공구 냉각 제트와 별개일 수 있거나; 또는 단지 단일 제트가 공구와 표면을 동시에 냉각시키는 방식으로 지향될 수 있다. 당업자라면, 기술 A 및 기술 B의 다중 냉각 제트 또는 분무가 본 발명에 따라 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
C. 기계 가공되는 소재 표면에 법선인 방향으로 절삭력 성분 감소
테스트 중에 관찰되는 바와 같이, 기계 가공되는 소재에 법선인 절삭력 성분은 표면에 들어가고 백색층을 발생하는 열 플럭스의 심각한 공급원인 것으로 나타났다. 법선력이 반경방향력인, 가장 흔히 실시되는 OD-하드터닝 조작의 경우에서, 보다 양의 공구 기울기각은 표면에 진입하는 열역학적 하중을 감소시킨다. 법선력이 공급력인 직교 절삭의 경우, 보다 양의 경사각이 보다 중요할 것이다. 가장 일반적인 절삭의 경우에서, 기울기각과 경사각은 현재의 경질 기계 가공 조작에서 사용되는 통상적인 음의 값보다 더 양성이 되게 한다. 경질 절삭 공구의 수명이 양의 기울기각 및 경사각과 반비례하기 때문에, 이러한 각의 값의 증가는 기술 A와 조합하여 실시한다면 가장 유리한데, 이 또한 경질 기계 가공 중에 공구 수명을 향상시킨다.
도 1a는 경사면의 상면으로부터 보았을 때 소재(12)로서 중실 바스톡과 원형 절삭 공구(14)(CT로 표기한 절삭 인서트를 갖춤)를 수반하는 OD-하드터닝 조작의 개략 다이아그램이다. 이 도면은 X-Z 평면도라고 한다. 절삭 공구에 의해 소재에 적용되어야 하는 주 절삭력의 X-Z 투사는 FXZ 공급 또는 공급력, 그리고 FXZ 반경 또는 반경방향력으로 표기하며, 여기서 공급력은 반경방향력보다 적다. 소재의 기계 가공되는 표면 상의 열역학적으로 영향을 받는 층(16)의 위치는 도 1a에 도시되어 있다. 도면의 우측에 있는 상세도는 3,000 내지 12,000 배 범위의 배율을 이용한 주사 전자 현미경(SEM) 하에 관찰할 수 있는 기계 가공되는 소재의 통상적인 표면하 미세구조의 단면도이다. 다음 기호를 사용한다: OS - 하드터닝 중에 절삭 공구와 직접 접촉한 외면, WL - 백색층, DL - 암층 및 BM - 바스톡의 모구조 또는 영향받지 않은 구조를 나타내는 기부 금속.
스케일 C 상에서 로크웰 61로 경화되고, 경질 기계 가공된 통상의 베어링 스틸 등급, AISI 52100(1 중량% C 및 1.5 중량% Cr), 에 대해 수행된 SEM 조사를 토대로, 백색층(WL)은 넓게 분산된 구형 탄화물을 가진 불량하게 에칭된 재료의 얇은 띠이다. 하도 암층(DL)은 백색층보다 두껍고, 보다 많고 큰 탄화물 입자를 함유할 뿐만 아니라, 미세양태는 마르텐사이트 침상 및 래치를 시사한다. 열역학적으로 영향을 받는 층은 백색층(WL)과 암층(DL)을 포함하지만, 기부 금속까지 더 깊이 연장할 수 있으며, 간단한 현미경법을 사용하여서는 측정할 수 없다. 따라서, 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께의 평가는 (1) 잘 대비되는 백색층(WL)의 현미경 측정과 (2) 기계 가공하고자 하는 표면 아래의 재료의 기계 특성의 측정, 예컨대 잔류 응력 및 마이크로경도 측정의 조합을 토대로 한다.
도 1b는 절삭 공구(14)와 소재(12)(바스톡)의 동일한 X-Z 도면을 나타내지만, 도 1a에서와 같이 표면하 미세구조의 단면 상세도는 포함하지 않는다. 지점 CJXZ1 및 CJXZ2는 절삭 공구의 경사에서, 소재의 기계 가공되는 표면에서, 그리고 임의로 경사 표면과 절삭 공구-소재 접촉 영역 바로 아래의 절삭 공구와 소재 표면 사이의 유극 갭으로 냉각 제트(18, 20)를 지향하는 냉간 제트 방출 오리피스(도시 하지 않음)의 바람직한 위치의 X-X 면 투사이다. 따라서, 냉간 제트 충격은 절삭 공구와 기계 가공되는 소재 표면적으로 한정된다. 절삭 공구의 바스톡 상류를 냉각시키지 않는 것이 중요한데, 그 이유는 그러한 냉각이 절삭에 요구되는 기계 에너지를 증가, 즉 냉각 효과를 말소하고, 동시에 절삭 공구의 수명을 단축시키기 때문이다. 도 1b에 나타낸 바와 같이, CJXZ1 제트는 Y 축을 따라 경사 위에서 위 아래로 위치될 수 있으며, 접촉 길이를 따라 경사면에만 영향을 미칠 수 있다. 이는 상기 논의된 기술 A를 대표한다. 대안으로, CJXZ1 제트는 절삭 공구의 경사 및 기계 가공되는 표면 하류에 분무될 수 있다. 이 대안적인 접근법은 기술 A 및 B를 조합한다. CJXZ2 제트는 Y 및 Z 축을 따라 절삭 공구 뒤 또는 아래에 위치하여 기술 B에 따라 작업할 수 있다. CJXZ2 제트는 CJXZ1 제트로부터의 분무(18)가 기계 가공된 표면을 냉각하는 데 충분히 효과적인 경우에도 제거될 수 있다. 기술 A, B 및 C의 효과를 평가하기 위하여 수행되는 비교 테스트의 결과는 표 1에 요약하며, 테스트 조건을 상세히 설명하였다.
절삭 공구 시스템 절삭 인서트 CBN, "저함량 PCBN"형 Al2O3계 세라믹형 Al2O3-TiCN 조성물
인서트 상표 및 설명 BCN80, 4NC-CNMA432, 4 커팅 에지, PVD-TiN 코팅됨 KY4400, CNGA432, 4 커팅 에지, PVD-TiN 코팅됨
공급자/공구 제조자 스미토모 케나메탈
에지 모따기부 각, 측정 25°+/- 3° 25°+/- 3°
모따기부 폭, 측정 0.00325 인치 0.00425 인치
절삭 인서트용 공구 홀더 MCLNL-164C, 케나메탈 MCLNL-164C, 케나메탈
공구 홀더 각 -5°경사각 및 -5°기울기각 -5°경사각 및 -5°기울기각
절삭 매개변수 절삭 속도 (ft/분) 400 및 700 400 및 700
공급속도(인치/회전) 하기 주(1) 참조 0.004 0.004
컷 깊이(인치) 0.015 0.015
절삭(공급) 방향 반경(X축을 따름), 대면 반경(X축을 따름), 대면
냉각 조건 두 가지 냉각 방법 (1) 건식(냉각없음) 및 (2) CJXZ1 제트를 기술 A 및 B에 따라 공구 경사 및 기계 가공되는 표면에 방출함 (1) 건식(냉각없음) 및 (2) CJXZ1 제트를 기술 A 및 B에 따라 공구 경사 및 기계 가공되는 표면에 방출함
상기 경우(2)에 대한 냉매 -197℃에서 비등하는 2상 유체 형태로 경사 및 기계 가공되는 표면에 충돌하는 초저온 액체 질소 제트 -197℃에서 비등하는 2상 유체 형태로 경사 및 기계 가공되는 표면에 충돌하는 초저온 액체 질소 제트
소재 재료 AISI 52100 베어링 스틸, 1.0 중량% 탄소, 1.5 중량% 크롬 오일 켄칭 및 61 HRC +/-1 HRC로 저 템퍼링됨 오일 켄칭 및 61 HRC +/-1 HRC로 저 템퍼링됨
백색층 조사 조건 백색층의 조사를 위해 기계 가공되는 표면 샘플을 취하기 전에 새로운 절삭 에지에 의해 제거된 소재 재료 부피, 하기 주 (2) 참조 1.06 입방 인치 1.06 입방 인치
백색층 조사 전 소재 재료 절삭 중의 간섭의 수 8 8
백색층 평가를 위해 전달된 기계 가공되는 소재 표면 샘플의 표면 거칠기 범위 Ra = 15-20 마이크로인치/인치 Ra = 15-30 마이크로인치/인치

잔류 응력 측정 방법 1 mm 직경의 드릴을 갖춘 증분 홀 드릴링, 신장계 로제트 1 mm 직경의 드릴을 갖춘 증분 홀 드릴링, 신장계 로제트
이미지 평가 및 마이크로경도 측정을 위한 금속조직 컷의 방향 기계 가공되는 소재 표면에 직각이고, 반경방향(X축을 따름)임 기계 가공되는 소재 표면에 직각이고, 반경방향(X축을 따름)임
마이크로경도 측정 방법 - 크누프, 100 G 하중을 15 초 동안 적용함 블레이드형 만입기로 기계 가공되는 소재 표면 하 깊이의 함수로서 측면 경도 블레이드형 만입기로 기계 가공되는 소재 표면 하 깊이의 함수로서 측면 경도
기계 가공되는 소재 표면의 단면 금속조직 샘플 상의 백색층 콘트라스트를 발생하는 데 사용되는 에칭제 에탄올 중의 Nital-5% HNO3를 10 초 동안 샘플 표면에 적용함 에탄올 중의 Nital-5% HNO3를 10 초 동안 샘플 표면에 적용함
주 (1) 공급 속도가 사용된 CBN 공구의 모따기부 폭보다 더 크기때문에, CBN 공구의 유효 경사각은 Al2O3 공구의 유효 경사각보다 더 큰, 즉 보다 양 또는 보다 예리하였다. 따라서, 사용된 CBN 인서트는 면 절삭 중에 Al2O3 인서트보다 더 낮은 법선력을 발생하였으며, 기술 C에 따르면 기계 가공되는 표면에서 열역학적 하중이 더 낮았는데, 즉 백색층을 비롯한 열역학적으로 영향을 받는 표면이 더 얇았다. 백색층에 영향을 미치는 제2 인자는 공구 작업 접촉 영역의 온도이다. 저-PCBN 공구의 열 전도도는 Al2O3-TiCN 공구의 것보다 다소 높았는데, 이는 접촉 영역이 전자의 경우에서 더 차갑다는 것을 의미하는 것이다. (2) 기계 가공되는 소재 표면 샘플을 취하기 전 절삭 에지로 초기 재료 부피를 제거하는 절차는 통상의 공업용 경질 기계 가공 조건을 따랐으며, 여기서 대부분의 부재는 다소 마모된 절삭 에지를 사용하여 생성하였다.

도 2는 8 가지 테스트 조건에 대한 백색층 두께의 SEM 측정 결과를 보여준다. 이 결과는 더 예리하고 더 전도성인 CBN 공구가 Al2O3 공구에 의해 생성된 것보다 더 얇은 백색층을 생성하는 경향이 있음을 보여준다. 더 예리한 공구로 들어오는 절삭력의 법선 성분의 감소 및 보다 전도성인 공구 재료를 이용한 공구 온도의 감소는 본 발명자들의 기술 A 및 B와 일치한다. 그러나, 백색층 두께 감소에서 가장 중요한 인자는 기술 A 및 B에 따라 적용되는 냉각 제트이며, 이는 사용되는 공구 및 절삭 속도와 무관하게 백색층을 약 40% 감소시킬 수 있다. 가장 중요하고 놀 라운 발견은 제트 냉각된 Al2O3 공구로 생성된 백색층이 종래 방식(즉, 건조)으로 작동된 CBN 공구에 의해 생성된 백색층보다 유의적으로 더 얇다는 것이다. 더욱이, 700 피트/분에서 Al2O3 공구로 생성된 백색층은 400 피트/분에서 건조 CBN 공구로 생성된 백색층보다 더 얇다. 따라서, 본 발명은 경질 기계 가공자로 하여금 더 빠르게, 그리고 더 저렴한 공구 비용으로 더 나은 부재를 생성할 수 있게 한다.
도 3a는 700 피트/분의 절삭 속도에서 CBN 및 Al2O3 공구를 이용한 하드터닝의 결과로서 표면하 경도의 변화를 보여준다. 종래의 건식 하드터닝 후 기계 가공되는 표면 하에서 첫번째 15 마이크로미터 내에서 관찰되는 소재 재료의 바람직하지 않은 연화는 초저온 냉각 제트가 본 발명의 기술 A 및 B에 따라 사용될 경우에 방지된다.
도 3b는 도 3a에서와 같이 네 가지 유형의 샘플에 대한 잔류 응력 측정의 결과를 도시한다. Al2O3의 경우, 초저온 냉각은 통상의 건식 하드터닝으로부터 결과하는 경사 인장 응력을 제거한다. CBN의 경우, 초저온제트는 표면하 응력을 약간 더 압축시키고, Al2O3의 경우에서와 같이 깊이에 따른 응력의 변동을 고르게 한다. 도 3a와 도 3b는 본 발명의 기술 A 및 B가 경질 기계 가공된 표면의 기계적 특성의 예상치 못한 개선을 가져옴을 보여준다.
도 1b는 OD-하드터닝의 X-Z 평면도를 나타내고, 도 4a, 4b 및 4c는 동일하지만 바스톡 또는 소재(12)의 면과 절삭 인서트(CT)의 면의 단면을 보여주는 X-Y 면 에서의 작동을 보여준다. 도 4a는 기울기각 A-O-B가 음인 하드터닝의 통상적인 방법을 나타낸다. 기계 가공 조작에 저항하는 작업 재료 반작용력, Rxymach의 X-Y 투사는 동일면 X-Y 상에 투사되는 두 가지 힘, 즉 탄젠트 반작용 절삭력, Rxytan 및 반경방향 반작용력, Rxyrad의 합계로서 다소 단일화되어 제공된다. 반경방향 반작용력은 영(0)보다 크고, 통상적으로 탄젠트 또는 공급력(Z 축을 따라 연장함)보다 크며, 일부 하드터닝 경우에서, 조합된 탄젠트 및 공급력보다 크다. 반경 반작용력을 균형맞추기 위하여, 절삭 공구에 의해 소재 표면에 적용되는 반경방향력, Fxzrad는 동일하게 커야하는데, 이는 고 열역학적 하중이 절삭 공구에 의해 소재 표면에 적용되게 하고, 두꺼운 백색층을 형성시킨다.
도 4b는 기울기각 B-O-C가 도 4a에서 초기 음의 값(A-O-B로 표시됨)에서 새로운 양의 값으로 증가함에 따른 종래의 절삭 기하구조(도 4a)의 변형을 제공하며, 반경방향 반작용력 Rxyrad의 방향을 역전시킨다. 사실상, 증가되거나 보다 양의 기울기각은 절삭 공구의 요구되는 반경방향력을 영 또는 영하로 감소되어 소재 표면에서 열역학적으로 영향을 받은 층을 감소시킨다. 절삭 기하구조의 이러한 변형은 본 발명의 기술 C를 나타낸다. 이 기술은 경질 외장 및 경질 직교 절삭 공정으로 연장될 수 있으며, 여기서 유효 경사각은 통상적으로 사용되는 음의 각보다 더 양이 되게 하여, 소재 표면에서의 열역학적 하중이 감소되고, 열역학적으로 영향을 받는 층은 더 얇아진다.
증가된 기울기 및/또는 경사각은 경질 기계 가공에 사용되는 통상적으로 취성인 공구의 절삭 에지 주위에 인장 응력을 생성할 수 있다. 그러한 인장 응력은 건식 절삭 조건을 교시하는 통상의 기술의 경우에서 조기 공구 파손을 초래할 수 있다. 관찰된 바와 같이, 1 이상의 냉각 제트 또는 분무가 경질 기계 가공 중에 절삭 공구의 경사로 향하고, 사용되는 냉각 유체가 불활성 무수, 바람직하게는 초저온인 경우 파손은 덜 빈번하고, 공구 수명은 연장된다(용어 "불활성"은 냉각 유체가 경질 금속과 반응하지 않고, 경질 금속 또는 경질 절삭 공구의 기계적 특성을 악화시키지 않는 것을 의미한다).
도 4c는 X-Z 평면도에서 도 1b에 도시된 제트에 해당하는 두 개의 냉각 제트, CJxy1 및 CJxy2의 X-Y 면 투사를 나타낸다. 기술 C의 적용은 CJ1 또는 대안으로 CJ1과 CJ2가 도 4c에 도시된 바와 같이 경질 절삭 중에 분무 냉각제인 경우에 생산 및 비용 관점으로부터 가장 유리하다.
본 발명은 경질 기계 가공 중에 소재 재료 표면 상에서 절삭 공구에 의해 제공되는 열역학적 하중을 감소시킴으로써 기계 가공되는 소재 내 유해한 백색층 또는 다른 열역학적으로 영향을 받는 층을 최소화시킨다. 상기 논의된 바와 같이, 본 발명은 세 가지 기술(A, B, C)을 포함하며, 별도로 또는 조합하여(AB, AC, BC, ABC) 사용할 수 있다.
본 명세서에서 특정 구체예를 참고로 설명하고 예시하였지만, 그럼에도 불구하고 본 발명은 나타낸 상세한 설명만으로 한정하고자 하는 것은 아니다. 오히려, 다양한 변형이 청구 범위의 균등물 범위 및 범주 내에서, 그리고 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 상세한 설명에서 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (50)

  1. 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 방법으로서, 상기 열역학적 하중을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절삭 공구는 소재의 표면을 접촉하기 전에 제1 온도를 가지며, 상기 열역학적 하중은 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 소재를 기계 가공하는 도중에 절삭 공구를 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시킴으로써 감소되는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 절삭 공구는 외부 냉각 수단에 의해 냉각되는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 냉각 수단은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 포함하는 것인 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 냉각 수단은 1 이상의 초저온 유체를 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되며, 상기 열역학적 하중은 상기 절삭력의 성분을 감소시킴으로써 감소되는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 절삭 공구는 기울기각(inclination angle)을 가지며, 상기 기울기각을 증가시킴으로써 상기 절삭력의 성분이 감소되는 것인 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 절삭 공구는 경사각(rake angle)을 가지며, 상기 경사각을 증가시킴으로써 상기 절삭력의 성분이 감소되는 것인 방법.
  9. 제4항에 있어서, 상기 절삭 공구는 경도 및 크래킹 내성을 가지며, 상기 절삭 공구를 상기 냉각제 수단으로 냉각시키면 경도가 증가되거나, 또는 크래킹 내성이 증가되는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함하는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 경질 절삭 공구는 적어도 부분적으로 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미 나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성(陶性) 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료로 이루어지는 것인 방법.
  12. 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 방법으로서, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    상기 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 상기 절삭 공구를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  13. 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 방법으로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미침으로써 상기 기계 가공된 표면을 형성하고, 초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 냉각 수단은 온도가 -75℃ 미만인 초저온 유체 또는 1 이상의 얼음 입자를 함유하는 1 이상의 스트림을 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 냉각 수단은 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 포함하는 것인 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함하는 것인 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 경질 절삭 공구는 적어도 부분적으로 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료로 이루어지는 것인 방법.
  18. 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 방법으로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미침으로써 상기 기계 가공된 표면을 형성하고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계; 및
    상기 냉각 수단에 의해 상기 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  19. 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 방법으로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미침으로써 상기 기계 가공된 표면을 형성하고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 절삭 공구는 기울기각을 가지고, 상기 절삭력의 성분은 상기 기울기각을 보다 양이 되도록 함으로써 감소되며, 상기 냉각 수단은 온도가 -75℃ 미만인 초저온 유체 또는 1 이상의 얼음 입자를 함유하는 1 이상의 스트림을 포함하는 것인 방법.
  21. 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 방법으로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미침으로써 상기 기계 가공된 표면을 형성하고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각 수단에 의해 상기 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 단계; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 절삭 공구는 기울기각을 가지고, 상기 절삭력의 성분은 상기 기울기각을 보다 양이 되도록 함으로써 감소되며, 상기 냉각 수단은 온도가 -75℃ 미만인, 초저온 유체와 1 이상의 얼음 입자를 함유하는 1 이상의 스트림을 포함하는 것인 방법.
  23. 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 소재는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구로 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주며, 상기 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 상기 절삭 공구를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  24. 제23항의 방법에 의해 기계 가공되고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 하는 소재.
  25. 열역학적 하중의 유해 효과를 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면 상에 미치고, 초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  26. 제25항의 방법에 의해 기계 가공되고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 하는 소재.
  27. 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 소재는 경질 절삭 공구로 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주며, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되며, 상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
  28. 제27항의 방법에 의해 기계 가공되고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징 으로 하는 소재.
  29. 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 소재는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구로 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주며, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    상기 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 상기 절삭 공구를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시키는 단계; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  30. 열역학적 하중의 유해 효과를 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계; 및
    상기 냉각 수단에 의해 상기 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  31. 열역학적 하중의 유해 효과를 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  32. 열역학적 하중의 유해 효과를 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 방법으로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각 수단에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각 수단에 의해 상기 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 단계; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 단계
    를 포함하는 것인 방법.
  33. 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향을 받는 층의 두께를 감소시키는 장치로서, 상기 열역학적 하중을 감소시키는 수단을 포함하는 것인 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 경질 금속 소재는 철 함유 합금을 포함하는 것인 장치.
  35. 제33항에 있어서, 상기 경질 금속 공구는 적어도 부분적으로 세라믹 화합물; 세라믹-세라믹 복합체; 세라믹-금속 복합체; 다이아몬드 유사 무금속 재료; 알루미나계 세라믹; 입방체 질화붕소계 세라믹 재료; 탄화텅스텐계 재료; 및 도성 합금형 재료로 구성된 군 중에서 선택되는 재료로 이루어지는 것인 장치.
  36. 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구에 의해 기계 가공하고자 하는 경질 금속 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는 장치로서, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    상기 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 상기 절삭 공구를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시키는 수단; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 수단
    을 포함하는 것인 장치.
  37. 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 장치로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미침으로써 상기 기계 가공된 표면을 형성하고, 초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 냉각제의 1 이상의 스트림에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단을 포함하는 것인 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 1 이상의 스트림은 온도가 -75℃ 미만인 초저온 유체 또는 1 이상의 얼음 입자를 함유하는 것인 장치.
  39. 제37항에 있어서, 상기 스트림은 1 이상의 불활성 무수 냉각제인 것인 장치.
  40. 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 열역학적 하중의 유해 효과를 완화시키는 장치로서, 상기 열역학적 하중이 소재를 기계 가공하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미침으로써 상기 기계 가공된 표면을 형성하고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유하는 1 이상의 스트림에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단;
    1 이상의 불활성 무수 냉각제를 함유하는 1 이상의 다른 스트림에 의해 상기 절삭 공구를 동시에 냉각시키는 수단; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 수단
    을 포함하는 것인 장치.
  41. 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구로 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주며, 상기 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 상기 절삭 공구를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시키는 수단을 포함하는 것인 장치.
  42. 제41항의 장치에 의해 기계 가공되고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 하는 소재.
  43. 열역학적 하중의 유해 효과를 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면 상에 미치고, 초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 유체의 스트림에 의해 상기 기계 가공된 표면을 냉각시키는 수단을 포함하는 것인 장치.
  44. 제43항의 장치에 의해 기계 가공되고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 하는 소재.
  45. 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주는 경질 절삭 공구로 기계 가공되고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되며, 상기 절삭력의 성분을 감소시키는 수단을 포함하는 것인 장치.
  46. 제45항의 장치에 의해 기계 가공되고, 개선된 표면 또는 개선된 특성을 특징으로 하는 소재.
  47. 소재의 기계 가공되는 표면 상에서 열역학적으로 영향받은 층의 두께를 감소시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 소재는 소재의 표면을 접촉하기 전에 초기에 제1 온도를 가진 경질 절삭 공구로 기계 가공되고, 상기 경질 절삭 공구는 소재의 표면 상에 열역학적 하중을 주며, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이고, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    상기 절삭 공구가 소재의 표면을 접촉하기 전 또는 상기 소재가 기계 가공되는 도중에 상기 절삭 공구를 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각시키는 수단; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 수단
    을 포함하는 것인 장치.
  48. 열역학적 하중의 유해 효과를 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 유체의 1 이상의 스트림으로 상기 기계 가공된 표면에 분무하는 수단; 및
    상기 절삭 공구 상에 상기 유체의 1 이상의 다른 스트림을 동시에 분무하는 수단
    을 포함하는 것인 장치.
  49. 열역학적 하중의 유해 효과를 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 유체의 1 이상의 스트림으로 상기 기계 가공된 표면에 분무하는 수단; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 수단
    을 포함하는 것인 장치.
  50. 열역학적 하중의 유해 효과를 경질 금속 소재의 기계 가공된 표면에서 완화시키는, 경질 금속 소재의 기계 가공 장치로서, 상기 열역학적 하중은 소재의 기계 가공된 표면을 형성하는 경질 절삭 공구에 의해 소재의 표면에 미치고, 상기 열역학적 하중의 적어도 일부는 절삭력의 성분이며, 상기 성분은 소재의 표면에 법선인 방향으로 적용되고,
    초기 온도가 -250℃ 내지 +25℃ 범위인 유체의 1 이상의 스트림으로 상기 기계 가공된 표면을 분무하는 수단;
    상기 유체의 1 이상의 다른 스트림을 상기 절삭 공구 상에 동시에 분무하는 수단; 및
    상기 절삭력의 성분을 감소시키는 수단
    을 포함하는 것인 장치.
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