JP5200005B2 - 振動利用機械加工のための工具ホルダアセンブリおよび振動利用機械加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、概略的には、機械加工装置に関し、より詳細には、ナノ結晶微細構造を有するチップを、所望のサイズおよび形状で製造するための機械加工の間、切削工具に制御された振動（例えば、強制的な変位）をもたらすことができる、工具ホルダアセンブリに関する。

切削工具技術における開発は、先進材料やコーティングの使用、ユニークな形状の採用、これらの組合せに向けられており、これらにより、工具寿命の改善、切削抵抗の低減、加工廃液の低減が図られている。切削工具に対して、特にチップの切断を促進させるために、幾何学的なチップ切断機能が導入されている。ただし、これらの機能においては、工具とワークピースとの界面に離隔を生じさせたり、チップのサイズを制御する性能は備えられたりしていない。ドリル（掘削）中にチップを切断することは、周期的にドリルビットを軸方向に移動させる振動により、達成されている。チップの切断が可能になるばかりでなく、振動を利用したドリリングでは、ドリル性能の改善および切削液の必要量の低減がみられる。例えば、振動を利用する深穴ドリリング（直径に対する長さの比で示される穴のアスペクト比（Ｌ／Ｄ）が最大で２０となる）において、潤滑剤の注入が僅かで済むことが示されている。かかる知見は、振動が金属切削における潤滑効果を改善しうることも示している。このような研究分野では、プロセス制御および技術革新を通じて、加工性能の強化および加工廃液の減少により、エネルギー消費およびエコロジーに対する肯定的な効果がもたらされることが期待されている。

しかしながら、これらを除いては、最先端の加工実務においては、振動は有用な要素とはみなされていない。上述の研究についても、機械加工処理に振動を適用できるように特別に設計および組み立てられた特別の装置を使用してなされており、かかる技術を機械設計および産業用途において利用するためには、経済的な障壁が存在している。このように、一般的な機械加工処理の設計では、振動を除去したり低減させたりすることが強調されており、振動は、機械加工の処理性能に有害な不安定要因とされている。

本発明は、機械加工プロセスにおいて意図的に正弦波振動を生じさせるための工具ホルダアセンブリおよび方法に関する。本発明の好適な態様では、工具ホルダアセンブリは、ナノ結晶微細構造を有するチップを製造するプロセス、特に、かかるチップを所望の形状およびサイズとするために制御しながら製造するプロセスに好適に用いられる。

本発明の工具ホルダアセンブリは、機械加工装置の工具ブロックに取り付けられるようになっている。該工具ホルダアセンブリは、該工具ブロックに固定される工具ホルダ本体と、該工具ホルダ本体に取り付けられ、かつ、切削工具が固定される工具ホルダと、該工具ホルダに正弦波振動を付与する装置とを備えており、該正弦波振動の付与により、前記工具ホルダ本体および前記工具ブロックに対して、前記切削工具を相対的に移動させるようになっている。

本発明の工具ホルダアセンブリは、特に、ボディを切削工具で機械加工して、所望のサイズおよび形状のチップを製造するための方法における使用に好適である。特に、この工具ホルダアセンブリは、前記切削工具に正弦波振動を付与できるように構成されており、該加工されるボディに対して該切削工具を相対的に移動させ、該切削工具と該ボディとの間の接触ポイントにおいて、該切削工具と該ボディとの間に瞬間的かつ周期的な離隔を生じさせ、該切削工具と該ボディとが離隔する毎にチップが得られるようになっている。このように、少なくとも振動の周期により、特に前記切削工具が前記加工されるボディと係合している時間の長さにより、前記チップの形状およびサイズが決定される。本発明の好適な態様では、前記ボディは、十分に大きなひずみ変形が付与されるように機械加工され、ナノ結晶微細構造から本質的になるチップが製造される。前記ボディは、例えば、金属、合金、金属間化合物、セラミック材料などの多様な材料から形成されうる。さらに、前記ボディは、ナノ結晶が本質的に存在しない微細構造、および単結晶微細構造を有していてもよい。前記機械加工により製造されたチップは、粒子、リボン、ワイヤ、フィラメントおよび／またはプレートレットの形状を採り得る。

このように製造されたチップを（粉砕後もしくは粉砕することなく）結合させて製品とするが、この製品は、実質的にナノ結晶モノリシック材料、すなわち、実質的または全体的にナノ結晶またはナノ結晶から成長した結晶粒からなる。あるいは、この製品は、前記チップをマトリックス材料中に分散させて、内部に前記チップが強化材料として分散された複合材料からなる。

本発明の工具ホルダアセンブリの好適な使用は、例えば、約０．５〜１０の塑性ひずみ、および毎秒１０⁶以下のひずみ速度を有する、高歪率を含む、極めて大きなひずみ変形が得られる適切な条件下で機械加工することにより、ナノ結晶構造を材料として形成しうるとの知見に基づいている。適切なナノ結晶構造を製造することが可能な加工プロセスとして、切削および剥離技術がある。切削速度は制限要因ではないため、機械加工に用いられる切削工具に適用されるものであれば、実質的に任意の切断速度を用いることができる。このチップ製造方法において、機械加工のパラメータは正確に制御される必要があるが、チップにおける所望のナノ結晶微細構造は、所定のボディ材料毎に、正確かつ再現可能に得ることが可能である。本発明の工具ホルダアセンブリによりもたらされる正弦波振動の利用により、所望の巨視的サイズおよび様々な用途に用いうる形状を備えるナノ結晶チップを製造することが可能となる。さらに、工具ホルダアセンブリは、従来技術では製造が困難ないしは不可能であった材料、例えば、多段変形プロセスでは処理できない極めて硬質な材料、および凝集法によっては処理できない合金から、ナノ結晶固体を製造するために使用できる。

このように、本発明の工具ホルダアセンブリは、チップ、特に、種々のモノリシック製品および複合製品の製造に使用可能なナノ結晶固体を合成するための制御可能かつ低コストの方法に役立つものである。

後述するように、本発明は、工具ホルダアセンブリに係るが、この工具ホルダアセンブリは、加工プロセスへの正弦波振動の付与の効果を示す研究を考慮すれば、特に有用なものである。特に、本件特許出願と同時に係属し、同一譲受人に譲渡された、米国特許出願第１１／３８１，３９２号は、加工プロセスの間に切削工具またはワークピースに付与された正弦波振動により、工具−チップのコンタクトの密着領域において、該工具と材料との間に瞬間的な離隔が生じうることを開示している。正弦波振動が付与される方向に応じて、効果的なチップ形成が実現され、さらに二次的に、切削性能および切削液による潤滑効果の改善が図られる。効果的なチップ形成により、加工されるチップの大きさも調節できるが、このことは、チップのサイズや形状が関係する、チップ管理やプロセスの用途に対して、重要な意味を持つものである。

図４に、本発明に包含される工具ホルダアセンブリ（１０）を示す。アセンブリ（１０）は、従来かつ最先端の機械加工プロセスに対して、切削工具（１２）に直接的に正弦波振動を適用することにより、商品化可能な費用対効果を有しうる方法による、正弦波振動の導入を可能とすることに適している。工具ホルダアセンブリ（１０）は、図示のように、振動の利用可能な旋削（ターニング）および掘削（ドリリング）において使用可能である。切削工具（１２）は、切削インサートとして示されているが、切削工具（１２）として、その他、掘削工具（ドリル）やカットオフ切断工具、突切りバイトなども採り得る。機械加工において正弦波振動を適用するために、工具ホルダアセンブリ（１０）を装着可能な、もしくは装着可能に改良可能であれば、現在または将来の工作機械およびプロセスなどの多様な機械加工プロセスにも、工具ホルダアセンブリ（１０）は適用可能である。切削工具（１２）は、工具ホルダ（１４）を備えており、これによりリニアボールスプラインシャフト（１６）に取り付けられるように図示されているが、ボールスプラインシャフト（１６）を工具ホルダ（１４）と一体の部品として、工具（１２）をリニアボールスプラインシャフト（１６）に直接組み込むように設計してもよい。ボールスプラインシャフト（１６）は、工具ホルダ本体（２０）内に組み込まれているボールスプライン軸受（１８）により支持されている。工具（１２）は従来と同様に使用されるが、本発明では、工具ホルダアセンブリ（１０）は、工具（１２）に局所的に正弦波振動を適用できるようになっている。このため、工具ホルダアセンブリ（１０）は、例えば、圧電機械リニア変換装置、磁歪リニアアクチュエータ、リニアドライブモータなどの、リニアアクチュエータ（２４）を備えており、リニアアクチュエータ（２４）は、工具ホルダ本体（２０）内で、ボールスプラインシャフト（１６）に取り付けられたボールスプライン軸受（１８）に結合されている。アクチュエータ（２４）は、工具（１２）が工具ブロック（２２）により回転させられている際に、工具（１２）に直線振動を付与する。軸受（１８）は、面外力を工具ホルダ本体（２０）に移行させ、アクチュエータ（２４）とボールスプラインシャフト（１６）とのリンクにおけるねじれや曲がりを防止している。

図示のアセンブリ（１０）では、工具（１２）は、軸方向に取り付けられている。工作機械の設計に応じて、工具（１２）を、ワークピースの回転軸に平行に取り付けてもよく（例えば、円筒研削、掘削）、ワークピースの回転軸に直角に取り付けてもよい（例えば、カットオフ研削、横向き研削）。しかしながら、同様のアプローチを、工具の他の方向への正弦波振動を付与することに拡張させることも可能である。さらに、回転具との接続を可能とするアクチュエータ機構を採用するなどの本発明の改良により、回転工具（例えば、複合工作機械（ＭＣ）、ライブドリルなど）においても実施が可能となる。

機械加工中における正弦波振動が付与される方向に応じて、２つの独特な効果が得られる。正弦波振動を工具の送り方向に付与すると、各振動周期における未切断状態のチップ厚さがゼロ（ｈ＝０）となり、チップが効果的に破砕される。このような状態が生ずるには、変調の最大（ピークピーク）振幅が、工具の送り速度よりも大きくなり、振動周波数が適切に制御される、すなわち、振動周波数とワークピースの回転周波数とが十分な条件が満たされる必要がある。切削速度の方向に正弦波振動が付与される場合には、工具とチップの接触面間における離隔は、切削速度がゼロの場合に生じ、振動周波数と振幅の積がワークピースの局所的な接線速度を超える必要がある。いずれの方向に正弦波振動が付与される場合でも、工具とワークピースの接触面間の離隔により、加工中の潤滑効果が改善される。ただし、正弦波振動を送り速度の方向に適用した場合に、チップ形成と形状を制御することができる。また、いずれの場合においても、システムのコンプライアンスの効果により、工具−チップ接触面間における離隔に必要な物理的閾値が決定される。

圧電機械変換装置／アクチュエータおよび磁歪変換装置／アクチュエータの技術により、旋盤の加工条件を考慮した範囲内で、必要とされる大きさの振動および周波数応答を供給しうる。圧電性ジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）を用いた圧電機械変換は、一般的に、比較的低い周波数範囲（例えば、約５ｋＨｚ）において、より高い振幅能力（例えば、約０．１５０ｍｍ）で作用する。一方、Ｔｅｒｆｅｎｏｌ−Ｄを用いた磁歪アクチュエータは、より高い周波数範囲（例えば、約３０ｋＨｚ）において、より低い振幅（例えば、約０．００５ｍｍ）で作用する。通常は、両タイプの技術とも、一般的な機械加工の条件に関する要求を満たすものである。特定の機械加工プロセスまたは所望の振動の方向に応じて、いずれのタイプのアクチュエータが必要とされるかについては、予測可能である。工具の送り速度の方向に振動を付与する場合には、より高い振幅のアクチュエータ（すなわち、圧電変換装置）がより適切であると考えられるし、一方で、切削速度の方向に変調を付与する場合には、より高い周波数のアクチュエータ（すわなち、磁歪タイプ）を使用することができる。しかしながら、両タイプのアクチュエータ技術とも、ねじり荷重や曲げ荷重には耐えられないので、図示の工具ホルダアセンブリ（１０）では、機械的なリンク（リニアボールスプライン軸受（１８））を備えるようにして、これらの荷重をアクチュエータ（２４）から遮断している。圧電機械アクチュエータおよび磁歪アクチュエータの技術に加えて、リニアモータ技術における技術革新の進展により、動作制御性の改善が図られ、切削工具（１２）に局所的に振動を付与するさらなる手段が提供される可能性がある。

切削工具（１２）を局所的に振動を付与して動作させるので、大きな機械要素（例えば、工具ブロック（２０））に振動を付与した場合に生ずる好ましくない慣性効果は排除されることになる。また、振動付与のために必要とされるベースマシーンの設計変更のためのコストが回避されるので、機械加工の分野において、正弦波振動を利用した機械加工技術の採用が低コストで可能となる。このように、工具ホルダアセンブリ（１０）の顕著な効果は、工作機械における大きな要素（例えば、加工滑斜面、駆動部、タレット、ワークの保持機構など）と比較して、振動が付与される要素としては小さい質量で済むことである。切削工具（１２）に局所的に振動を付与できるため、より大きな機械要素の質量の慣性による、好ましくない動的な力の発生を回避することができる。工具ホルダアセンブリ（１０）は、ベースマシーンを振動付与用に設計し直すためのコストと比較して、極めて低いコストしか要求されないので、製造業界に対して、本流の機械加工に対して、この技術を比較的低コストで導入することを可能とする。このように、新規であれ既存であれ、工作機械および加工プロセスを、工具ホルダアセンブリ（１０）に適合させたり、適合するように改良すれば、正弦波振動を利用した機械加工を導入できる。

最先端の機械工作システムの基本設計において、振動利用能力を組み込むための他の技術も入手可能である。これらの技術には、リニア駆動技術または高速機械工具スライドエレメントにおける最近の進歩が含まれる。現在、スピード、精度および再現性への要求が高まっており、その結果、リニア駆動技術が機械工具に適用されるようになっている。しかしながら、関連する特有の振動利用能力の利用については注目がなされていなかった。米国、アイオワ州、エームズにあるエトリーマ・プロダクツ・インク（Etrema Products, Inc.）から、旋削しながらバレル形状を形成するための旋盤加工用途における、磁歪アクチュエータ技術に基づいた、アクティブ機械加工システム（ＡＭＳ）が現在市販されている。このシステムは、振動を利用した機械加工用に改良可能性を有している。しかしながら、その装置の大きさに起因して、適用可能な範囲が制限される。同様に、米国、マサチューセッツ州、オーバーンにあるポリテックピーアイ，インク（Polytec PI, Inc. (Physik Instrumente)）は、圧電変換技術を利用した旋盤用の特注の高速工具サーボスライドを設計および市販しており、これは、送り速度を上昇させ、もしくは、サーボモータ装置に代替しうるものである。これらの入手可能な工具スライドシステムを改良し、機械工加工プロセスに振動を適用できるようにすることは可能であるが、高コストであり、また設計のカスタマイズが必要となるため、制限的である。

本発明の特に好適な態様では、工具ホルダアセンブリ（１０）は、正弦波振動利用機械加工によりナノ結晶チップを直接的に製造する方法に好適に使用される。かかるナノ結晶チップは、例えば、金属、合金、金属間化合物、およびセラミックス材料を含むバルク材料から直接製造される。アセンブリ（１０）は、特に、ステンレス鋼、析出硬化鋼、チタン材料、タンタル材料などの加工困難な金属や合金に対する、深穴ドリリング加工における使用に好適である。アセンブリ（１０）を使用して加工されるバルク材料は、ナノ結晶が実質的に存在しない微細構造を有するものでもよい。過酷なひずみを与える塑性変形（ＳＰＤ）を生じさせる機械加工条件を選択することにより、ナノ結晶微細構造を有するチップが得られる。一方、工具ホルダアセンブリ（１０）を通じて加工工程で付与される振動条件により、ナノ結晶チップのサイズおよび形状が制御され、数ｎｍから数ｍｍの長さのチップの製造が可能となる。本発明の正弦波振動を利用した機械加工プロセスを用いることにより、チップ形態、サイズおよび形状が制御可能なナノ結晶チップが直接製造されるので、二次的な粉砕工程を追加する必要がない。正弦波振動の制御により、等軸の粒子、リボン、ワイヤ、フィラメントおよびプレートレットを含むサイズおよび形状を有するナノ結晶チップの製造が可能となる。本明細書中、「チップ」の用語は、機械加工によって製造可能ないかなる形状をも実質的に包含するものとして用いられる。

本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，７０６，３２４号において、機械加工によるチップ形成時の高いひずみ変形により、金属および合金の微粒化ならびにナノ結晶微細構造の生成がもたらされるという知見に基づいた、ナノ結晶材料の大規模製造のための機械加工技術についての開示がある。チップせん断面において発生する変形を図１に示す。図１は、Ｖ字形圧子（工具）によってワークピースの表面を機械加工している状態を示す。大きなひずみ変形によって分離された材料、すなわちチップが、すくい面として知られる工具の表面上をスライドする。工具のすくい面とワーク表面に対する法線との間の角度は、すくい角（α）として知られている。ワークピースを貫通するＶ字形の先端が刃先である。工具とワークピースとの間の干渉量は、変形前のチップの切込み厚さ（ｔ_o）であり、工具とワークピースとの間の相対速度が切削速度（Ｖ_c）となる。工具の刃先が切断速度の方向に対して垂直となり、切断幅が刃先長さおよびｔ_oと比較して小さくなる場合に、平面ひずみ変形状態が広がる。この状態は、機械加工の実験的研究および理論的研究にとって好ましい構造であると考えられる。

図１におけるチップ形成は、せん断面と呼ばれる平面に沿って、せん断が集中することにより生じるとみられ、チップ形成の間、このせん断面にせん断ひずみ（γ）が付与される。せん断ひずみ（γ）は、次の式１により推定可能である。

γ＝ｃｏｓ α ／ｓｉｎφｃｏｓ（φ−α） （式１）
ここで、せん断角（φ）は、ｔ_oおよびｔ_cの既知関数である。

有効ミーゼスひずみ（ε）は、以下の式２を用いて予測することが可能である。

ε＝γ／（３）^1/2 （式２）

式１は、すくい角（α）を高い正値から高い負値に変化させることにより（図１を参照）、せん断ひずみ（γ）を幅広い範囲にわたって変化させることが可能であることを示している。さらに、前記工具−チップ界面における摩擦も、せん断角φへの影響を介して、せん断ひずみ（γ）へ影響を与える。

上述のように、また前記文献において報告されているように、幅広いせん断面温度にわたって、適切な機械加工条件により、約０．５〜１０の範囲の有効塑性ひずみ、および毎秒１０⁶以下のひずみ速度を生じさせることができる。これらの数値範囲は、典型的な高歪塑性変形プロセスにおいて実現可能な数値範囲よりも実質的に広い。切断深さ（ｔ_o）、すくい角（α）および切断速度（Ｖ_c）などの機械加工の幾何学的パラメータは、鍛造または押出における金型の作用と類似した形で、せん断変形に影響を与える。チップのせん断面（変形ゾーン）に沿った有効塑性ひずみは、工具のすくい角を変更することにより約０．５〜１０の範囲内で意図的に変化させることができ、工具とチップとの間の摩擦を変更することにより、より小さな範囲で変化させることができる。せん断面への平均せん断および法線応力は、工具の幾何学的パラメータを、Ｖ_cおよびｔ_oなどの加工パラメータと共に変更することにより、変化させることが可能である。なお、これらの応力値は、力の測定から得られる。最後に、変形ゾーンの温度は、切断速度を変更することにより、意図的に変化させることができる。例えば、極めて低い速度（約０．５ｍｍ／ｓ）で切断を行うことにより、極めて大きなひずみ変形を達成しつつ、温度を周囲温度よりもわずかに高い温度に維持できる。一方、切断速度を例えば約１〜２ｍ／ｓまで増加させることにより、チップ中での相変態（例えば、マルテンサイト変態、溶融）の発生が期待され得る温度を実現可能である。工具のコーティング、工具−チップ界面の低周波振動、および、工具とチップとの界面に潤滑剤が常時存在するように注油することの組合せにより、工具−チップ界面に沿った摩擦を３以下の摩擦係数だけ変更させうることが、実証されている。（上述した他のパラメータおよび条件と同様に）摩擦を機械加工において制御することは、他の高歪塑性変形プロセスにおいては不可能である。要するに、変形ゾーンにおける温度、応力、ひずみ、ひずみ速度および速度場は、利用可能な力学モデルを用いて十分に推定でき、また直接的な測定によっても得ることができる。このように、極めて大きなひずみ変形の条件を、意図的に幅広い範囲で（すなわち、他の高歪塑性変形プロセスにおいて現在得られる範囲を超えた範囲で）付与および変更することが可能である。

このように、米国特許第６，７０６，３２４号により、他のプロセスと比較して、より広範囲の材料について、かつ、より低コストで、ナノ結晶構造を製造するための基礎が提供されている。米国特許第６，７０６，３２４号は、二次的な粉砕（例えば、ボールミル粉砕、摩擦粉砕、ジェットミル粉砕）により、所望の形状およびサイズを有するチップを製造可能であると開示しているが、本発明の工具ホルダアセンブリ（１０）を採用する振動技術では、所望の形状およびサイズのチップを機械加工により直接製造する。より詳細には、機械加工時における工具送り方向に適切な振動条件が、工具ホルダアセンブリ（１０）を通じて適用されると、切断前のチップ厚さは各振動周期においてゼロに等しくなり、これにより、前記チップが効果的に破断される。上述の通り、これらの条件が発生するのは、振動の最大振幅が工具送り速度よりも大きく、かつ、振動周波数が適切に制御される場合、すなわち、振動周波数およびワークピースの回転数が十分な条件を満たす場合である。このように、機械加工技術によるナノ結晶材料の製造を適切な振動技術と組み合わせることにより、所定のサイズおよび形状のナノ結晶チップを製造することが可能になる。これに対して、二次的な粉砕プロセスでは、チップの最終的なサイズおよび形状について制御が制限されるか、制御不可能である。すなわち、本発明による正弦波振動を利用した機械加工によるナノ結晶チップの製造は、製造プロセスの制御および性能において極めて有利である。

一例として、図２および図３に、振動を利用した直交旋削で、０°のすくい角工具により製造された、６０６１−Ｔ６ナノ結晶アルミニウムチップの顕微鏡写真を示す。概して、これらのチップは、典型的な粒子サイズが約７５ｎｍの等軸粒子である。図２の粒子は、その体積は実質的に同一（約６．２５×１０^-5ｍｍ³）であるが、等軸、ニードルおよびプレートレットと、それぞれの形状が異なっている。図３の微粒子も、体積が同一の粒子（約１６８．８×１０^-5ｍｍ³）であるが、この場合も、等軸、ニードルおよびプレートレットと、それぞれの形状が異なっている。これらの粒子は、円筒旋削加工において異なる直径の棒を用いて製造されたものである。ワークピースの回転速度、切削深さ、および振動周波数と振幅について、振動を利用した機械加工プロセスの数学的モデルに基づいて、変化させている。機械加工時にもたらされた微粒化の結果、これらのチップは、オリジナルのバルク材料よりも最高で５０％高い硬度である、約１５０ＨＶを示している。このようなナノ結晶チップは、粉末冶金（ＰＭ）プロセスによって構成材または構造体とすることもできるし、あるいは、金属とポリマーのマトリックス複合体における重要な成分として機能させることもできる。

ナノ結晶チップの振動を利用した機械加工は、同一の基本的アプローチにより、少量の実験的要求から大量の産業用途まで合わせてスケーリングすることが可能である。例えば、粒子形態のチップの製造において生産速度を向上させるためには、動的応答によって制限される振動周波数を増加させることで補完される材料の切削速度を増加させることと、チップ製造速度を比例的に増加させるように設計されている多エッジの切削工具を使用することにより、達成可能である。

ここで、円筒型の直交旋削に準拠して、本発明の振動を利用した機械加工プロセスの基礎について、より詳細に説明する。この円筒型の直交旋削において、切削工具は、機械加工されるワークピースの軸（旋回スピンドルの軸と一致する）に対して平行に移動し、ワークピースの外周から材料の層を分離させる。横送りの表面仕上げ、カットオフ研削、その他の機械加工プロセス（例えば、掘削、フライス、研削）において、振動の適用には同様のアプローチがとられることを、当業者は十分に理解できるものといえる。

この例において、切削速度ｖ_cは、以下の式に基づいて、ワークピースの直径および回転速度によって定義される。

Ｖ_c＝２Πｒｆ_w

定常状態において、所定時間ｔにおける切削工具の工具位置ｚ_oは、以下のようになる。

ｚ_o＝ｖ_fｔ
ここで、ｖ_fは、振動なしの送り速度（例えば、ｍｍ／秒）であり、ｔは時間（秒）である。

円筒旋削中において、工具の軸方向送り速度ｖ_fは、以下の方程式により、送り速度ａによって定義される。

ｖ_f＝ａｆ_w
ここで、ｖ_fは、振動なしの送り速度（例えば、ｍｍ／分）であり、ａは、１回転当たりの軸方向送り速度（例えば、ｍｍ／１回転）であり、ｆ_wはワークピースの回転数（回転／秒）である。

未切断のチップ厚さｈは、任意の時間ｔにおいて、送り速度および使用される工具の刃先数についての定数機能である。刃先が「ｎ」個である工具の場合、その式はｈ（ｔ）＝ａ／ｎ＝定数となる。

振動は、時間の一般関数であり得るが、送り速度方向における強制高調波振動には、本例のアプローチが考慮され、ｆ_mは、サイクル／秒（Ｈｚ）における振動周波数である。正弦波振動ｚ（ｔ）＝Ａｃｏｓ（２Πｆ_mｔ）が、送り速度方向において工具に適用されると、工具位置は時間に伴い周期的に変化し、未切断のチップ厚さは時間の関数となる。先述した事項に基づけば、任意の時間ｔにおいて、工具位置は、工具の瞬間的位置ｚ（ｔ）と先行サイクルにおける工具の相対位置ｚ（ｔ−Ｔ）との間の差である（ここで、Ｔは、ワークピースの回転によって定義される１サイクル期間である）。次に、瞬間的な未切断のチップ厚さｈは、以下のように定義される。

ｈ(t)＝ｚ_o＋ｚ(t)−ｚ(t-T)

正弦波振動の場合、時間の関数としての未切断チップ厚さの一般的形態および工具刃先数ｎは、以下のようになる。

ｈ(t)＝ｚ_o／n＋ｚ(t)−ｚ(t-T/n)
ｈ(t)＝ｖ_fT／n＋2A｛cos［Πｆ_m(2t-T/n)］sin［Π（ｆ_m／n）T］｝
ｈ(t)＝a/n＋2A［cos(２Πｆ_mｔ−Π(ｆ_m／n）ｆ_w）］［sin（Π（ｆ_m／n）／ｆ_w）］
ここで、ｆ_wは、ワークピースの回転速度（回転／秒）であり、Ｔは、ワークピースの１回転期間＝２Π／ω_w＝１／ｆ_wであり、ｎは、切削工具エッジ数であり、ｖ_fは、振動なしの送り速度（ｍｍ／秒）であり、ｆ_mは、サイクル／秒（Ｈｚ）における振動周波数（ω_m＝２Πｆ_mｒａｄ／秒））であり、Ａは、振動の振幅の１／２（ｍｍ）であり、ｔは、時間（秒）である。

個々の粒子の形成が発生するのは、各振動周期において未切断チップ厚さ（ｈ）の値がｈ＝０になるときである。ｈ＝０のときの時間は、数値的に解かれる。未切断チップ厚さの関数関係から、振動周波数および刃先数のワークピース回転数に対する比（ｆ_m／ｎ）／ｆ_wは、ゼロまたは偶数整数になってはならない。その理由は、前記式においてｈ（ｔ）についてｎが偶数整数の倍数であると、一定値ｈ（ｔ）＝ｖ_fＴ＝ｖ_f／ｆ_wとなるからである（こうした条件は、未切断チップ厚さ、サイクルあたりの工具位置の相対的変化に対して、振動が効果を及ぼさないことを意味し、その後の時間ｔにおける切断は、先行サイクルｔ−Ｔにおける切断と同様の経路をとる）。円筒直交旋削の場合、刃先数（ｎ）は１（単一ポイント旋削）であり、ゼロチップ厚さの十分条件は、振動振幅２Ａが、ｖ_f／ｆ_w以上である「ａ」以上となり、かつ、比ｆ_m／ｆ_wが、１／２の奇数整数の倍数となることである。これらの条件は、接触の密着領域における工具とチップ界面との間の離隔を発生させるのに数学的に十分な条件であるが、システムのコンプライアンス（例えば、工具剛性、ワークピース剛性）の物理的効果により、ｈ＝０を達成するのに必要な振幅２Ａの実際の大きさが増加し、チップが効果的に破断される。さらに、一連の実数値における比ｆ_m／ｆ_wが、振幅２Ａの値に応じて、個々のチップ粒子の形成をもたらすことができる点は、重要である。

ｈ＝０についての時間値の前記数値解から、チップ形成周波数特性および絶対チップ長さを決定することができる。これらの時間に基づいたチップ形成についての特性は、振動振幅、振動周波数および前記ワークピースの回転数に関連するが、固有の式は扱いやすくない。しかし、振動を伴う切断時間の長さは、ｈ＝０の場合の連続時間値の数値解から決定することができる。振動を利用した機械加工によるチップ制御は、機械加工のチップ管理における材料の取扱いに大きな影響を与え、チップのサイズおよび／または形状が問題となる用途に関しても重要な役割を果たす。通常、所定の切断条件について、チップ形成周波数は、ワークピースの回転数に対する振動周波数の比に比例する。次に、ワークピースの１回転サイクルにつき切断されるチップ数は、以下の式によって得られる。

ｆ_CB＝ｆ_m／ｆ_w
ここで、ｆ_CBは、ワークピース１回転毎のチップの切断頻度（切断／１回転）である。

チップ長さは、ワークピースの回転速度を低減させるか、または振動周波数を増加させることにより、短くすることができる。材料の総容量除去率は、振動によって変化しないため、振動周期毎に除去される容量からチップ形状を判断することができる。各振動周期における切断の継続時間および相対切断速度から、チップのおおよその長さＬを判断することができる。チップの実際の形状（および長さ）は、振動の間に工具が貫通する実際の経路距離と、切断によるひずみ効果との間の複雑な関係から得られる。

Ｌ≒２Πｆ_wＴ_CB
ここで、Ｔ_CBは、１振動周期の切断継続時間（ｈ＝０の場合の数値解による時間値）であり、Ｌは、おおよそのチップ長さ（ｍｍ）であり、ｆ_wは、ワークピースの回転数（回転／秒）である。

実際のチップの長さは、振動の振幅および周波数の条件により生ずる、工具のワークピース内への浸入度に応じることとなる。数学モデルにおいて、振動条件を修正することで、チップの長さを直接的に制御でき、ワークピースの形状に制約されない範囲で、任意のチップ長さが得られるということは、注目すべきである。

正弦波振動ｚ（ｔ）＝Ａｃｏｓ（２Πｆ_mｔ）が送り速度方向において工具に適用される機械加工において、瞬間的な未切断チップの厚さであるｈは、所定の工具送り速度の定常関数にとどまり、ｈ＝ｚ_o＝ｖ_fｔ＝ａ＝所定の定数となる。未切断チップの厚さが変化しない一方、瞬間的な工具の位置および切削速度Ｖ_cは、時間と共に周期的に変化する。定常状態で、振動がない場合における、工具のワークピースに対する相対的な周方向の位置は、次式により与えられる。

ｃ（ｔ）＝２Πｒｆ_wｔ
ここで、ｒは、ワークピースの半径（例えば、ｍｍ）である。

切削速度の方向に振動が付与されると、振動を伴う切削速度（Ｖ_cm，ｍｍ／秒）は、次式のようになる。

Ｖ_cm＝２Πｒｆ_w−２Πｆ_mＡｓｉｎ（２Πｆ_mｔ）
Ｖ_cm＝Ｖ_c−２Πｆ_mＡｓｉｎ（２Πｆ_mｔ）
ここで、ｖ_cは、振動を伴わない場合の切削速度（ｍｍ／秒）であり、ｆ_mは、振動周波数（サイクル／秒，Ｈｚ）であり、ｆ_wは、ワークピースの回転周波数（回転／秒，Ｈｚ）である。Ａは、振動の最大（ピーク−ピーク）振幅の１／２であり、ｔは、時間（秒）である。

ｆ_mＡの積がｖ_c／２Π以上（あるいは、ｆ_mＡがｒｆ_w以上）となると、瞬間的な切削速度ｖ_cmは、各振動周期の間、ゼロとなり、工具−チップ間の接触の密着領域において、離隔に必要な条件がもたらされる。瞬間的な離隔により、潤滑剤が工具−チップの界面に浸入できるので、機械加工の間の潤滑性が向上し、さらに切削性能も向上することになる。ｆ_mＡがｖ_c／２Π以上となる条件は、工具−チップのコンタクトの密着領域における界面間の離隔を生じさせるに十分である。しかしながら、送り速度の方向に振動を付与する場合には、システムのコンプライアンス（例えば、工具剛性、ワークピース剛性など）を補償するために、切削速度ｖ_cmを０以下とするために必要とされるｆ_mＡの大きさは、Ｖ_c／２Πよりもわずかに大きくなる。

一般的な旋盤による円筒研削の場合の条件は、送り速度ａは、約０．１５０ｍｍ／１回転であり、ワークピースの回転周波数ｆ_wは、約２５００ｒｐｍであり、振動なしの送り速度ｖ_fは、ｖ_f＝０．１５０ｍｍ×２５００ｒｐｍ／（６０秒／分）＝６．２５ｍｍ／秒となる。送り速度の方向に振動を付与する場合、チップの切断には、振動の振幅２Ａは、２Ａ≧ａ≧０．１５０ｍｍ（ｈ＝０）となる必要がある。同様の切削条件で、切削速度の方向に振動を付与する場合、ω_mＡ≧ｖ_f／２Πω_mＡ＞約０．９７が有効となり、２Ａ＝０．０１０ｍｍという所定の振動振幅が、周波数ｆ_mが１１．６ｋＨｚにおいて、工具とチップの接触に離隔を生じさせる（ｖ_cmを０以下とする）ためには必要となる。方向の相対的な相違および振動条件の相対的な成分により、チップの形成ないしは分離が起きることが重要である。

このように、本発明の工具ホルダアセンブリ（１０）は、振動利用の機械加工に適用される現存の装置の不備を解消するものである。磁歪アクチュエータもしくは圧電機械アクチュエータのようなアクチュエータ技術を、リニアボールスプライン軸受と共に利用することにより、工具ホルダアセンブリ（１０）は、チップのサイズおよび形状を制御しうる方法により、切削工具を強制的に移動させうる機械的なインターフェースを提供する。リニアボールスプライン軸受は、アクチュエータからのねじり荷重を遮断し、荷重のかかった面外を支持し、同時に、ほとんど摩擦なく振動方向における動作を可能とする。振動は切削工具および切削工具を直接指示する部品に局所的に付与されるので、大きな機械要素に振動を付与することによる望ましくない動的効果が回避される。工具ホルダアセンブリ（１０）は、比較的低コストで振動技術を、ターニングやドリリングといった本流の機械加工プロセスに導入させうるので、ベースマシーンの設計や適合させるための特注の部品の必要性がなくなり、コスト面の問題が避けられる。工具ホルダアセンブリ（１０）は、その他に高いコストがかかり、特別な設計を要する機械要素を必要とすることなく、既存の工作機械に適用可能である。さらに、工具ホルダアセンブリ（１０）により、潤滑がより効率的となり、加工性能が改善されることから、必要なエネルギーの低減も図られる。工具とチップの界面の局所的な離隔により、潤滑効果が改善されるので、（水や化学品などの）加工廃液の量を低減できるので、機械加工におけるエコロジーにも肯定的な効果をもたらすことができる。

特定の実施形態について本発明を説明してきたが、当業者であれば、その他の実施形態も適用可能である。従って、本発明の外延は、特許請求の範囲のみによって画定される。

本発明の一実施形態に係る、切削工具を用いてボディを機械加工して、ナノ結晶チップを製造するプロセスを示す概略図である。 本発明に係る正弦波振動を利用した機械加工技術によって製造されたナノ結晶チップの走査像である。 本発明に係る正弦波振動を利用した機械加工技術によって製造されたナノ結晶チップの走査画像である。 本発明の振動を利用した機械加工技術において使用される工具ホルダアセンブリを示す概略図である。

Claims (10)

1. 機械加工装置の工具ブロックに取り付ける工具ホルダアセンブリであって、
   前記機械加工装置の前記工具ブロックに固定される、工具ホルダ本体と、
   該工具ホルダ本体に取り付けられ、切削工具を固定する、工具ホルダと、
   リニアアクチュエータを備え、前記工具ホルダに正弦波振動を付与し、前記切削工具を工具ホルダ本体ならびに前記機械加工装置の前記工具ブロックに対して動かす、手段と、
   前記工具ホルダに加えられるねじり荷重および曲げ荷重を前記リニアアクチュエータから遮断する、該工具ホルダと該リニアアクチュエータとの間の機械的なリンクと、
   を備える工具ホルダアセンブリ。
2. 前記正弦波振動を付与する手段が、前記切削工具を該切削工具により加工されるボディに対して動かすことができ、これにより、該切削工具と該ボディの間の接触の密着領域において、該切削工具と該ボディとの間に瞬間的かつ周期的な離隔を生じさせるようになっている、請求項１に記載の工具ホルダアセンブリ。
3. 前記工具ホルダ本体は、前記工具ブロックに共通軸を有するように取り付けられるとともに、該工具ホルダ本体は、該共通軸の周りを回転し、前記正弦波振動を付与する手段により付与された正弦波振動が、前記切削工具を、前記工具ホルダ本体および前記工具ブロックの共通軸に沿って動かすことを含む、請求項１に記載の工具ホルダアセンブリ。
4. 前記工具ホルダ本体は、前記工具ブロックに共通軸を有するように取り付けられ、前記正弦波振動を付与する手段により付与された正弦波振動が、前記切削工具を、前記工具ホルダ本体および前記工具ブロックの共通軸に平行に動かすことを含む、請求項１に記載の工具ホルダアセンブリ。
5. 前記工具ホルダが、前記切削工具が取り付けられるシャフトを備え、前記工具ホルダ本体内には、該シャフトが受け入れられ、該シャフトと共通軸を有するようになっている中空部が備えられ、前記機械的なリンクが、前記共通軸に対して平行な、前記シャフトと前記工具ホルダ本体の間における動きを許容するボールスプライン軸受であり、前記リニアアクチュエータが、前記工具ホルダ本体に対して、前記共通軸に平行に、前記シャフトを双方向に作動させる、請求項１に記載の工具ホルダアセンブリ。
6. 機械加工装置の工具ブロックに固定される工具ホルダ本体と、該工具ホルダ本体に取り付けられ、切削工具を固定する工具ホルダと、リニアアクチュエータと、前記工具ホルダに加えられるねじり荷重および曲げ荷重を前記リニアアクチュエータから遮断する、該工具ホルダと該リニアアクチュエータとの間の機械的なリンクと、を備えた工具ホルダアセンブリを、前記機械加工装置の前記工具ブロックに取り付け、
   前記切削工具によりボディを加工しつつ、前記リニアアクチュエータにより、前記工具ホルダに正弦波振動を付与することにより、前記切削工具を、前記工具ホルダ本体ならびに前記機械加工装置の前記工具ブロックに対して動かす、
   ステップを有するボディの加工方法。
7. 前記正弦波振動を付与するステップが、前記切削工具を該切削工具により加工される前記ボディに対して動かし、これにより、該切削工具と該ボディの間の接触の密着領域において、該切削工具と該ボディとの間に瞬間的かつ周期的な離隔を生じさせることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記工具ホルダ本体が、前記工具ブロックに共通軸を有するように取り付けられるとともに、該工具ホルダ本体が該共通軸の周りを回転し、前記正弦波振動が、前記工具ホルダ本体と前記工具ブロックの共通軸に沿った前記切削工具の動きを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記工具ホルダ本体が、前記工具ブロックに共通軸を有するように取り付けられ、前記正弦波振動が、前記工具ホルダ本体と前記工具ブロックの共通軸に平行な前記切削工具の動きを含む、請求項６に記載の方法。
10. 前記正弦波振動は、前記工具ホルダ本体内に設けられた、該シャフトと共通軸を有する中空部に受け入れられ、かつ、前記切削工具が取り付けられるシャフトに付与され、前記機械的なリンクが、前記シャフトと前記工具ホルダの間に存在し、前記共通軸に対して平行な、前記シャフトと前記工具ホルダ本体の間における動きを許容するボールスプライン軸受であり、前記シャフトが、前記工具ホルダ本体に対して、前記共通軸に平行に、前記リニアアクチュエータにより、双方向に作動させられる、請求項６に記載の方法。

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