(57)【要約】  少なくとも１つの減衰質量（２４）と、減衰質量（２４）を支持するように配置された少なくとも１つのばね要素（２６）であって、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む少なくとも１つのばね要素（２６）とを備える切削工具（１０）用の質量ダンパ（２２）を提供する。また、減衰質量（２４）を備える切削工具（１０）も提供される。【選択図】図１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの減衰質量（２４）と、
該減衰質量（２４）を支持するように配置され、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む少なくとも１つのばね要素（２６）とを備える切削工具（１０）用の質量ダンパ（２２）。
【請求項２】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、少なくとも２次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有する請求項１に記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項３】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、少なくとも１次元的に、２０ｎｍ以下など、４０ｎｍ以下の構造寸法を有する請求項１または請求項２に記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項４】
前記ばね要素（２６）が、ナノ構造材料の固体片によって構成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項５】
前記減衰質量（２４）が、一端では前記ばね要素（２６）によって支持され、前記減衰質量（２４）が、他端では支持されていない請求項１から請求項４のいずれかに記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項６】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、アモルファスである請求項１から請求項５のいずれかに記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項７】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、複数のタイプの弱い結合を含む請求項６に記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項８】
前記ナノ構造材料の活性エネルギーが、０℃〜６０℃の間の温度帯にある請求項６または請求項７に記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項９】
前記ばね要素（２６）が、接着接続、締りばめ、または圧力ばめによって前記減衰質量（２４）に接続されている請求項１から請求項８のいずれかに記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項１０】
前記ばね要素（２６）が、３Ｍ（登録商標）１１２粘弾性ポリマを含まない請求項１から請求項９のいずれかに記載の質量ダンパ（２２）。
【請求項１１】
工具ボディ（１２）と、
該工具ボディ（１２）に対する前記減衰質量（２４）の振動運動を減衰するように配置された請求項１から請求項１０のいずれかに記載の質量ダンパ（２２）とを備える切削工具（１０）。
【請求項１２】
前記工具ボディ（１２）が、空洞（１４）を備え、
前記減衰質量（２４）が、前記空洞（１４）内に配置されている請求項１１に記載の切削工具（１０）。
【請求項１３】
前記減衰質量（２４）および前記空洞（１４）のそれぞれが、互いに実質的に適合する円錐形状を有する請求項１２に記載の切削工具（１０）。
【請求項１４】
振動数依存の剛性を有する粘性流体（２８）をさらに備え、
該粘性流体（２８）が、前記空洞内に配置されている請求項１２または請求項１３に記載の切削工具（１０）。
【請求項１５】
前記粘性流体（２８）が、少なくとも１次元的に、１ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜２０ｎｍなど、１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む請求項１４に記載の切削工具（１０）。
【請求項１６】
前記粘性流体（２８）が、ナノサイズの充填材を含む請求項１４または請求項１５に記載の切削工具（１０）。
【請求項１７】
前記減衰質量（２４）の共振振動数が、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの振動周波数の範囲で前記工具ボディ（１２）の振動周波数に実質的に合うように、前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が振動数依存の剛性を有する請求項１１から請求項１６のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項１８】
前記ばね要素（２６）の剛性が、前記切削工具（１０）の振動周波数の２乗に比例する請求項１１から請求項１７のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、質量ダンパに関する。特に、切削工具用の質量ダンパ、および質量ダンパを備える切削工具が提供される。
【背景技術】
【０００２】
一般的には、切削工具は、片持ち構造として実現され、その剛性は、直径に対する張り出し長さの比が大きくなるにつれて実質的に低下する。金属の被加工物を切削工具で加工する際、切削は、切削工具に対して周期的な力を発生させ、振動が生じる。加工プロセス時の切削工具の振動は、いくつかの理由で望ましくない。被加工物の表面が破壊されることや切削工具が壊れることがあり、加工プロセスが失敗することなどがある。
【０００３】
切削工具の振動を抑制するための既知の解決策の１つは、減衰質量を備える同調質量ダンパを設けて、切削工具の振動エネルギーを追加された減衰質量に伝えることである。それにより、切削工具の代わりに追加された減衰質量が振動し、切削工具は作業中に安定を保つことができる。
【０００４】
質量ダンパが効率的に機能するためには、質量ダンパの共振振動数を、振動している切削工具の振動周波数に合わせることが重要である。このため、いくつかの切削工具質量ダンパは、質量ダンパの共振振動数を調節または調整させるために同調機構を備えている。さらに、いくつかの従来技術の切削工具は、切削工具の振動周波数を測定し、測定された振動周波数に対応してばね要素の剛性を調節するための複雑なメカトロニクス部品を備えている。
【０００５】
特許文献１には、加工工具中ぐり棒ボディ組立体が開示されている。この組立体は、中央に穴がある円形の中ぐり棒ボディと、リング状の粘弾性吸収要素と、円筒状ダンパ質量と、同調機構とを備えている。
【０００６】
特許文献２には、加工作業用の中ぐり棒が開示されている。中ぐり棒は内部チャンバを有し、内部チャンバ内で、振動減衰質量が軸方向各端部で弾性緩衝部材によって支持されている。振動調節ピストンは、工具ホルダとともに直線的に動くことができ、減衰を調節するように質量と係合する。
【０００７】
従来技術の切削工具に必要な調整プロセスは、最終使用者にとって複雑である。さらに、誤った調整は、加工時に工具および／または被加工物に費用のかかる損傷をもたらすことがある。正しい調整をするためにプロのサービス技術者を呼ぶことは、ほとんどの最終使用者にとっては費用がかかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第３４４７４０２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１６０６７７８７号明細書
【発明の概要】
【０００９】
本開示の目的の１つは、自動的に自己同調する切削工具用の質量ダンパを提供することである。
【００１０】
本開示のさらなる目的は、時間の経過にわたって信頼性の高い効率的な振動減衰を提供する切削工具用の質量ダンパを提供することである。
【００１１】
また、本開示のさらなる目的は、（切削工具に対して）比較的大きな体積の減衰質量の使用、および／または比較的コンパクトで剛性の高い切削工具の使用を可能にする質量ダンパを提供することである。
【００１２】
また、本開示のさらなる目的は、単純で、安価な、および／または信頼性の高い構造の切削工具用の質量ダンパを提供することである。
【００１３】
また、本開示のさらなる目的は、前述の目的のうちの１つ、複数、またはすべてを解決する質量ダンパを備える切削工具を提供することである。
【００１４】
本発明の一態様によれば、少なくとも１つの減衰質量と、減衰質量を支持するように配置され、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む少なくとも１つのばね要素とを備える切削工具用の質量ダンパが提供される。
【００１５】
本開示全体を通して、ナノ構造の構造寸法は、代わりに粒子サイズと呼ぶこともある。少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するばね要素のナノ構造は、ばね要素の振動周波数に依存する剛性を与える。それによって、質量ダンパに自己同調機能を実現することができる。質量ダンパは、それによって、自己同調質量ダンパを構成する。
【００１６】
広範な材料が、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を有することができる。一例としては、高分子材料、熱硬化性樹脂などの樹脂（硬化プロセス前の樹脂）、ナノセルロース、金属、およびグラフェンが含まれる。少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料のさらなる一例としては、ナノ粒子（例えばカーボンナノ粒子など）、ナノ繊維（例えばカーボンナノチューブ）、およびナノフレーク（例えばグラフェンナノフレーク）でドープされた様々な材料が含まれる。例えば、ポリマはこれらのドーパントでドープすることができる。本開示によるナノ構造材料は架橋されてもよいし、されなくてもよい。
【００１７】
本開示全体を通して、ナノ構造は、原子または分子レベルなどｎｍのスケール（例えば１ｍの１０億分の１）で観察された材料微細構造と呼ばれることもある。この用途のために、「ナノ構造」は典型的には、小さい寸法が、約１ナノメートルより大きいが典型的には実質的に約１００ｎｍより小さい構造を指す。ばね要素のナノ構造は、室温（２０℃）または典型的な加工環境温度（例えば０℃〜６０℃）において、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有することができる。本開示によるばね要素のナノ構造材料は、合成手法、例えば、ミキシング（例えば熱硬化性樹脂にナノ粒子を添加）およびブレンディング（例えば熱硬化性樹脂と高分子材料をミキシングしてから加熱して、互いに分離することができない物質の十分分散された混合物を得る）、化学蒸着（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）または分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｂｅａｍ  ｅｐｉｔａｘｙ）を含むトップダウンパターン化手法によって作製することができる。
【００１８】
ばね要素のナノ構造材料は、少なくとも２次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有することができる。これに代えて、またはこれに加えて、ばね要素のナノ構造材料は、２次元または３次元など、少なくとも１次元的に、２０ｎｍ以下など、４０ｎｍ以下の構造寸法を有することができる。ばね要素は、ナノ構造材料の固体片によって構成することができる。
【００１９】
ナノ構造の大きさの確認は、走査型電子顕微鏡法、透過型電子顕微鏡法、およびＸ線回折法によって行うことができる。Ｘ線回折法は、Ｘ線回折パターンの散乱を測定して粒子サイズを決定する。
【００２０】
減衰質量は、減衰質量の一端または側のみでばね要素によって支持されてもよく、減衰質量は他端または反対側の側では支持されなくてもよい。これは、減衰質量の長さが比較的短いときに適することがある。減衰質量は、減衰質量の一端で１つのばね要素のみによって、例えばナノ構造材料の固体片によって構成された１つのばね要素のみによって支持されていてもよい。あるいは、減衰質量は、減衰質量の一端のみで２つ以上のばね要素によって支持されてもよい。この場合、ばね要素は積み重ねられて配置されていてもよい。
【００２１】
さらなる代替として、ばね要素は、切削工具の軸線に沿って、少なくとも１つの位置で、減衰質量の外面（すなわち、減衰質量の両端間）に配置されていてもよい。例えば、減衰質量の円筒状の外面に溝を形成してもよく、ばね要素は、工具ボディの空洞面と接触して溝に配置される。
【００２２】
本開示全体を通して、ナノ構造材料はアモルファスであってもよい。ナノ構造材料は、例えば、複数のタイプの弱い結合、例えばファンデルワールス結合を含むことができる。これに代えて、またはこれに加えて、ナノ構造材料合の活性エネルギーは０℃〜６０℃の間の温度帯にあってもよい。０℃〜６０℃の間の温度帯または温度範囲は、典型的な加工環境の温度範囲を構成することがある。
【００２３】
ばね要素は、接着接続、締りばめ、または圧入などの圧力ばめによって減衰質量に接続されてもよい。ばね要素のナノ構造材料は、（例えば、粘着性材料を含む、またはそれによって構成された）自己接着性であってもよい。この場合、ナノ構造材料は、いかなる追加の接着剤も使用せずに減衰質量に接着することができる。いくつかの用途では、ナノ構造材料は、ナノ構造材料自体によって接着接続をするために加熱される必要がない。あるいは、追加の接着剤を塗布して接着接続することができる。一変形によれば、本開示のばね要素は、３Ｍ（登録商標）１１２粘弾性ポリマを含まない。
【００２４】
さらなる態様によれば、工具ボディと、工具ボディに対する減衰質量の振動運動を減衰するように配置された、本開示による質量ダンパとを備える切削工具が提供される。切削工具は、金属の切削工具によって構成されていてもよい。切削工具は、これに代えて、加工工具と呼ばれることもある。本開示による減衰質量の振動運動は、半径方向の振動および捩り振動が支配的である。
【００２５】
切削工具は静止していてもよいし、回転可能であってもよい。いずれの場合も、被加工物に対する回転を生じさせて被加工物を加工することができる。
【００２６】
工具ボディは空洞を備えていてもよく、減衰質量は空洞内に配置されていてもよい。あるいは、減衰質量は、切削工具の外側に配置されていてもよい。
【００２７】
さらなる一例では、切削工具は複数の空洞と、空洞のそれぞれに配置された少なくとも１つの減衰質量とを備えていてもよい。例えば、複数の切削インサートを有する切削工具（例えばフライス工具）では、切削工具は、切削インサートのそれぞれの下に配置された複数の空洞を備え、少なくとも１つの減衰質量がこれらの空洞に配置されていてもよい。
【００２８】
減衰質量および空洞のそれぞれは、互いに実質的に適合する円錐形状を有していてもよい。減衰質量および空洞の円錐形状はそれぞれ、切削工具の基部に向かって細くなり、切削工具の切削ヘッドから先細になっていてもよい。減衰質量の円錐形状は、工具ボディの断面二次モーメントが、切削力の荷重点までの既定の距離を有する位置において大きくなるので、工具ボディの剛性を上げる。
【００２９】
空洞および減衰質量の断面は円形とは限らない。例えば、断面は四角形でもよい。
【００３０】
切削工具は、振動数依存の剛性を有する粘性流体をさらに備えていてもよく、粘性流体は、空洞内に配置されていてもよい。それによって、粘性流体は質量ダンパの一部分を構成することができる。粘性流体は、少なくとも１次元的に、１ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜２０ｎｍなど、１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含んでいてもよい。これに代えて、またはこれに加えて、粘性流体は、ナノサイズの充填材を含んでいてもよい。
【００３１】
ばね要素のナノ構造材料は、減衰質量の共振振動数が、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、２００Ｈｚ〜６００Ｈｚなど、４０００Ｈｚまでの振動周波数範囲で工具ボディの振動周波数に実質的に合うように、または合うように振動数依存の剛性を有していてもよい。これに関して、実質的に合うということは、完璧に合うことともに、１０％まで、５％まで、１％までなど、２０％までの共振振動数と振動周波数との間の差を包含する。ばね要素の剛性は、切削工具の振動周波数の２乗に比例してもよい。
【００３２】
本開示のさらなる詳細、利点、および態様は、図面と併せて以下の実施形態から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１ａ】切削工具の概略斜視図である。
【図１ｂ】図１ａの切削工具の概略分解斜視図である。
【図２】さらなる切削工具の概略断面図である。
【図３】さらなる切削工具の概略断面図である。
【図４】さらなる切削工具の概略断面図である。
【図５ａ】３次元のナノ構造を有するナノ構造材料の概略図である。
【図５ｂ】２次元のナノ構造を有するナノ構造材料の概略図である。
【図６ａ】２つのばね要素によって支持された減衰質量を備える質量ダンパの概略図である。
【図６ｂ】１つのばね要素のみによって支持された減衰質量を備える質量ダンパの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下では、切削工具用の質量ダンパ、および質量ダンパを備える切削工具の一実施形態について説明する。同じまたは類似の構造的特徴部を示すために同じ参照符号を使用する。
【００３５】
図１ａは、切削工具１０の概略斜視図であり、図１ｂは、図１ａの切削工具１０の概略分解斜視図である。図１ａおよび図１ｂをまとめて参照すると、切削工具１０は、空洞１４を有する工具ボディ１２と、カッタ１８を保持する切削ヘッド１６と、アダプタ２０とを備えている。アダプタ２０は、切削ヘッド１６を工具ボディ１２に強固に接続する働きをする。アダプタ２０は、冷却剤を切削ヘッド１６に出し入れするための冷却剤通路（図示せず）をさらに備えている。
【００３６】
切削工具１０は、質量ダンパ２２をさらに備えている。本実施形態に係る質量ダンパ２２は、１つの減衰質量２４と、減衰質量２４を支持するための１つのばね要素２６とを備えている。減衰質量２４は、例えば、タングステン材料製であってもよい。図１ａおよび図１ｂの一例では、減衰質量２４は、工具ボディ１２の空洞１４内に配置されるように構成されている。減衰質量２４は、ばね要素２６によって工具ボディ１２に対して変位可能に支持される。減衰質量２４は、ばね要素２６の変形に対して空洞内１４で（切削工具１０の長手方向軸線に関して）半径方向および／または回転方向に変位することができる。ばね要素２６は、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む。本実施形態では、ばね要素２６は、減衰質量２４とアダプタ２０との間に保持されている。さらに、本実施形態のばね要素２６は自己接着性があり、それによって、減衰質量２４およびアダプタ２０に接着する。あるいは、減衰質量２４は、ばね要素２６によって工具ボディ１２の外側に接続されていてもよい。
【００３７】
本実施形態では、ばね要素２６は環状で、実質的に平坦であり、例えば、ばね要素２６の直径は、ばね要素２６の厚さの少なくとも３０倍である。しかしながら、対称形、例えばＯリング形状、例えば半径方向の伸長部が変化する非対称形、およびアモルファスナノ構造材料を含むばね要素２６を含むばね要素２６の代替の形状も可能である。ばね要素２６の厚さは、例えば約１ｍｍとすることができる。
【００３８】
ばね要素２６は、工具ボディ１２に対する減衰質量２４の唯一の支持体を構成する。したがって、図１ｂでは、減衰質量２４は右端で支持されていない。本実施形態では、ばね要素２６は、切削ヘッド１６の方を向く減衰質量２４の端部に設けられている。しかしながら、ばね要素２６は、この代わりに、減衰質量２４の反対側の端部に設けられていてもよい。図１ａおよび図１ｂには、減衰質量２４の一端にばね要素２６が１つだけ設けられているが、その代わりに、いくつかのばね要素２６を積み重ねたものを減衰質量２４のこの端部に設けてもよい。
【００３９】
従来技術の切削工具では、質量は通常、中ぐり棒内などにおいて、ばね要素によって両端で支持されている（特許文献２参照）。同調機構の必要性により、質量は、工具ボディから絶縁するために少なくとも２つのばね要素を必要とする。対照的に、本開示による質量ダンパ２２では、同調機構が除去されるので、減衰質量２４は、その端部の一方だけでばね要素２６に支持されてもよい。
【００４０】
減衰される切削工具１０を設計するとき、切削工具１０は、最適の剛性および最適の減衰を有するべきである。特許文献２の中ぐり棒などの典型的な従来技術の片持ち切削工具では、切削工具の剛性を上げようとすることと減衰質量を大きくしようとすることは矛盾する。より大きな減衰質量は、より長く剛性のより低い切削工具を必要とする。
【００４１】
しかしながら、本実施形態に係る質量ダンパ２２の高い剛性によって、減衰質量２４の運動振幅が小さくなり、減衰質量２４と工具ボディ１２との間の衝突が回避される。例えば、工具ボディ１２の外径が２０ｍｍで長さが２００ｍｍの場合、従来技術の減衰質量の長さは４０ｍｍになることがある。
【００４２】
減衰質量２４を一端のみから支持することによって、減衰質量２４に対して軸方向に４ｍｍの空間を得ることができる。したがって、本実施形態に係る質量ダンパ２２では、固有振動数を保ちながら、減衰質量２４を４ｍｍ長くする、例えば１０％重くすることができ、ばね要素２６の剛性を１０％上げることができる。質量ダンパ２２が同じエネルギー量で振動しているとき、ばね要素２６の剛性が１０％上がると、減衰質量２４の振動振幅は５％下がる。減衰質量２４の振動振幅が５％下がると、同じ設計の下では、空洞１４の表面仕上げに対する要件が下がり、それによって、製造コストが下がる。
【００４３】
さらに、減衰質量２４の一端のみで少なくとも１つのばね要素２６によって減衰質量２４を支持することによって、空洞１４内の軸方向の空間が「空く」。この軸方向の空間は、例えば４ｍｍになり得る。それによって、例えば、空洞１４の軸方向深さを４ｍｍ減らすことによって、空洞１４全体の容積を減らすことができる。それによって、工具ボディ１２の剛性を上げることができる。同じ減衰効率であるが剛性がより高い工具ボディ１２では、切削工具１０の振動振幅はさらに低減されて加工プロセスに恩恵をもたらす。
【００４４】
しかしながら、図１ａおよび図１ｂによる減衰質量２４は、その代わりに、減衰質量２４が２つの端部で少なくとも１つのばね要素２６によって支持されるように、減衰質量２４の各端部に設けられた少なくとも１つのばね要素２６を備えていてもよい。これは、減衰質量２４の長さが比較的長いときに適していることがある。
【００４５】
図２は、さらなる切削工具１０の概略断面図である。図１ａおよび図１ｂに対する違いを主に説明する。
【００４６】
図２の切削工具１０は、円錐の減衰質量２４および実質的にそれに適合する円錐の空洞１４を備える。減衰質量２４と空洞１４との間の半径方向の隙間は実質的に一様である。減衰質量２４および空洞１４の円錐形は、切削工具１０のカッタ端部（図２の左）から先細になり、切削工具１０の支持端（図２の右）に向かって細くなる。減衰質量２４、および工具ボディ１２の空洞１４の円錐形により、工具ボディ１２は、完全に円筒の減衰質量および完全に円筒の空洞の場合に比べて高い剛性を有する。工具ボディ１２の剛性が高くなると、切削工具１０の振動周波数が上がり、それによって、質量ダンパ２２は、質量ダンパ２２の固有振動数または共振振動数を切削工具１０に合わせるために、より小さな減衰質量２４を使用することができる。工具ボディ１２の剛性が上がると、切削工具１０の振動振幅が小さくなり、それは加工作業に好都合である。
【００４７】
さらに、図２の質量ダンパ２２は、減衰質量２４の各端部に１つのばね要素２６を備えている。２つのばね要素２６は空洞１４内で減衰質量２４を支持し、空洞１４内での減衰質量２４の半径方向および／または回転方向の動きを可能にする。図２では、減衰質量２４の各端部に１つだけばね要素２６が設けられているが、それに代えて、いくつかのばね要素２６を積み重ねたものを減衰質量２４の各端部に設けてもよい。また、図２のばね要素２６はそれぞれ、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む。
【００４８】
図３は、さらなる切削工具１０の概略断面図である。図１ａ、図１ｂ、および図２に対する違いを主に説明する。
【００４９】
図３の切削工具１０は、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含むばね要素２６によって各端部で支持された円筒の減衰質量２４を備える。減衰質量２４と工具ボディ１２との間の空洞１４は、粘性グリースまたは粘性流体２８で満たされている。また、粘性流体２８は振動数依存の剛性を有する。分子の大きさと粘性流体２８内部の弱いタイプの結合は、対象の振動数範囲、典型的には１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間での剛性の変化を決定することに寄与する。粘性流体２８の構造寸法は、振動数依存の剛性の特性を与えるために、５ｎｍ〜１００ｎｍの間など、１ｎｍ〜１００ｎｍの間であり、それは、５ｎｍ〜２０ｎｍの間が好ましい。粘性流体２８の弱い内部結合は、Ｃ−Ｈ間、Ｈ−Ｏ間、Ｈ−Ｈ間などのファンデルワールス結合の形態である。粘性流体２８は、その代わりに、またはそれに加えて、ナノ構造および弱い結合を導入するために、ナノサイズの充填材（例えば、粒子、繊維、および／またはフレーク）を含む。粒子充填材の特定の一例としては、金属粒子、セラミック粒子、およびポリマ粒子が含まれる。また、図２の円錐の空洞１４は粘性流体２８で満たされていてもよい。
【００５０】
図４は、さらなる切削工具１０の概略断面図である。図１ａ、図１ｂ、図２、および図３に対する違いを主に説明する。
【００５１】
図４の切削工具１０は、各端部で面取りされた減衰質量２４を備えている。代替案として、端部の一方のみを面取りしてもよい。減衰質量２４の各面取り部は、ばね要素２６と接触している。したがって、減衰質量２４とばね要素２６との間の接触形状は直線形状に限定されるものではなく、図４による面取りされた接触形状も使用することができる。
【００５２】
図５ａおよび図５ｂはそれぞれ、３次元的および２次元的なナノ構造を有するナノ構造材料の概略図である。図５ａでは、構造寸法は３次元的に約２０ｎｍである。図５ｂでは、ナノ構造材料は、２次元的に２０ｎｍより小さい構造寸法の長鎖分子を含む。図５ｂでは、長鎖分子は絡み合っている。鎖の厚さは１つの分子の厚さに相当する。
【００５３】
ゴム、エラストマ、鋼、およびセラミックなどのほとんどの工業材料は、２０Ｈｚ〜４０００Ｈｚの間の振動数範囲においてほとんど一定の剛性を有する。しかしながら、記憶合金などのいくつかの材料の剛性は、材料が相変化（例えば、再重合および再結晶）を受けているときに温度に敏感になる。材料の剛性が温度に敏感になる挙動は、材料内部の構造寸法が、４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下など、１００ｎｍ以下に小さくなる相変態によって引き起こされる。
【００５４】
温度に敏感な機械的特性を有する材料が振動数変化にも敏感であることは時間温度重ね合わせ理論によって説明される。このような材料は、温度が上がると剛性が下がり、温度が下がると剛性が上がる。質量ダンパ２２の自己同調効果を与えるために、この特性によってこのような材料は少なくとも１つのばね要素２６のためのよい選択肢になる。
【００５５】
粘弾性材料は、上述の振動数依存の剛性の特性を有するとは限らない。ゴムおよびエラストマなどの典型的な粘弾性材料は、約２０℃の室温で１００ｎｍ〜１０００ｎｍの間の公称構造寸法を有し、著しい振動数依存の機械的特性を示さない。構造寸法が少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以下のナノ構造を有する材料は、振動数依存の機械的剛性を提供する。切削工具の用途に対しては、ナノ構造材料は、工業的な加工作業環境の温度（例えば０℃〜６０℃）および／または室温（例えば約２０℃）で１００ｎｍ以下の構造寸法のナノ構造を有するべきである。
【００５６】
材料のナノ構造が２０ｎｍ以下など１００ｎｍ以下の寸法を有するとき、ナノサイズの粒子は、分子間の弱い結合を有する大きな粒界を形成する。これらの弱い結合は温度に敏感である。わずかな温度上昇が粒界の結合の活性エネルギーに打ち勝つための熱エネルギーを供給する。時間温度重ね合わせ理論によれば、励起振動数の低下（時間の増大）は温度の上昇と同じ効果を有する。
【００５７】
本実施形態におけるナノ構造材料はアモルファス材料によって構成されてもよい。このようなアモルファス材料では、材料の剛性は、典型的な加工環境の温度範囲など、広い温度帯にわたって徐々に変化する。さらに、本実施形態におけるナノ構造材料は、互いに絡み合った長鎖分子（分子の断面がナノサイズ）を有するナノ構造を有していてもよい。このような材料の一例としては、熱硬化性樹脂およびナノセルロースが含まれる。熱硬化性樹脂などの、本開示によるナノ構造材料は、Ｈ−Ｈファンデルワールス結合、Ｈ−Ｃファンデルワールス結合、Ｏ−Ｈファンデルワールス結合など、異なる温度で活性エネルギーに打ち勝つ複数のタイプの弱い結合（分子間および原子間ファンデルワールス結合）があるので、０℃〜６０℃の間の温度範囲で剛性を９０％下げることができる。温度とともに剛性が徐々に変化することは、振動数とともに剛性が徐々に変化することを示し、すなわち、自己同調質量ダンパ用途に対して好ましい振動数依存の剛性を示す、すなわち、そのことに相当する。
【００５８】
ゴムもまた温度依存の剛性を有することができ、ゴムの剛性は典型的には、対象の加工作業環境ではない−５０℃〜０℃の間の温度帯で急激に変化する。これは、弱い結合の活性エネルギーが−５０℃〜０℃の間の温度帯にあることを意味している。さらに、ゴムの、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間の振動数範囲での剛性の変化の範囲は自己同調機能を達成するには狭すぎる。
【００５９】
さらに、対象の振動数範囲で材料の剛性を安定させるために、ナノ構造の粒子、繊維、および／またはフレークを充填材として使用して、材料（例えば熱硬化性樹脂またはナノセルロース材料）に混ぜることができる。このような充填材の一例としては、ナノ構造ポリマ粒子（例えば粉砕された熱可塑性ポリマまたはエラストマ）、ナノ構造繊維（例えばカーボンナノチューブ）、およびナノ構造フレーク（例えばグラフェン）が含まれる。
【００６０】
典型的な加工環境内で加熱された後に、ナノ構造材料は流体相に変化するとは限らない。ナノ構造材料は、再重合プロセスを受けて、上昇した温度で、異なる剛性で安定した化合物を形成することができる。より高温、例えば１２０℃以上の温度に加熱された後、ナノ構造材料の再重合は不可逆性になり得て、ナノ構造材料は振動数依存の剛性の特性を失う。少なくとも１つの寸法が２０ｎｍ以下など１００ｎｍ以下のナノ構造を有する材料は、典型的な加工温度で粒界の結合強度によって制御された振動数依存の剛性を有する。このようなナノ構造材料を有する１つまたは複数のばね要素２６を備える質量ダンパ２２は、切削工具１０の振動周波数が上がるとばね要素２６の剛性が上がるので自己同調機能を有する。本開示によるばね要素２６のナノ構造材料は、１方向、２方向、または３方向に４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下など、１００ｎｍ以下の構造寸法を有することができる。本開示による質量ダンパ２２は、それによって、振動周波数を測定してから、測定された振動周波数に基づいてばね要素の剛性を調節する、切削工具ホルダの複雑なメカトロニクス部品を不要にする。
【００６１】
最大の減衰効率を得るために、質量ダンパ２２の固有振動数ｆｎを切削工具１０の振動周波数ｆｔに合わせることが重要である。質量ダンパ２２の固有振動数ｆｎは工具１０の振動周波数ｆｔに合わせるべきであり、それは次のように表すことができる。
【数１】
2021509363.tif 000003
ここで、ｋは、ばね要素２６の剛性、ｍは、減衰質量２４の質量である。ばね要素２６の剛性ｋは、例えば、使用されている形状および材料に依存する。
【００６２】
切削工具１０の振動周波数が下がると、ばね要素２６の剛性は下がる。その結果、質量ダンパ２２の固有振動数が下がって切削工具１０の振動数変化に合う。逆に、切削工具１０の振動周波数が上がると、ばね要素２６の剛性は上がり、質量ダンパ２２の固有振動数が上がって切削工具１０の振動数変化に合う。質量ダンパ２２のこの自己同調効果は、例えば、振動周波数が時間とともに変動する場合、および振動周波数が異なる機械で異なる場合、加工工具産業にとっては非常に役立つ。質量ダンパ２２の自己同調特性によって、従来技術の切削工具では必要な複雑な同調プロセスが除去される。
【００６３】
式（１）を変形することによって、ばね要素２６の剛性ｋは、次のように表すことができる。
【数２】
2021509363.tif 000004
減衰質量２４の質量ｍは通常固定項である。したがって、ばね要素２６の剛性は切削工具１０の振動周波数ｆｔに依存する。ばね要素２６の剛性は、切削工具１０の振動周波数の２乗に比例して変化し得る。振動数依存の剛性は、様々な振動数帯で生じ得る。バイトおよびフライス工具では、振動数は典型的には、１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間で変化する。したがって、ばね要素２６の材料の剛性は、振動数の変化の全範囲をカバーするために１００倍変化する必要がある。金属切削用途では、振動周波数の変化は典型的にはより小さい。例えば、振動周波数が２００Ｈｚから６００Ｈｚの間で変化する場合、ばね要素２６の材料の剛性は、完全に同調させるためには対象振動数帯で９倍変化する必要がある。
【００６４】
図６ａは、２つのばね要素２６によって支持された減衰質量２４を備える質量ダンパ２２の概略図であり、図６ｂは、１つのばね要素２６のみによって支持された減衰質量２４を備える質量ダンパ２２の概略図である。
【００６５】
図６ａの質量ダンパ２２の剛性ｋｍｄ１は次のように表すことができる。
【数３】
2021509363.tif 000005
ここで、Ｘは減衰質量２４の変位振幅、Ｆは減衰質量２４にかかる力、Ｇは各ばね要素２６のせん断係数、ｔ１は各ばね要素２６の厚さ、Ａは各ばね要素２６の（厚さに垂直の）断面積である。
【００６６】
図６ｂの質量ダンパ２２の剛性ｋｍｄ２は次のように表すことができる。
【数４】
2021509363.tif 000006
ここで、Ｘは減衰質量２４の変位振幅、Ｆは減衰質量２４にかかる力、Ｇはばね要素２６のせん断係数、ｔ２はばね要素２６の厚さ、Ａはばね要素２６の（厚さに垂直の）断面積である。
【００６７】
図６ａおよび図６ｂそれぞれの質量ダンパ２２の剛性が等しい場合、それは次のことを意味する。
【数５】
2021509363.tif 000007
したがって、減衰質量２４を減衰質量２４の一端のみで支持することによって、ばね要素２６の厚さをさらに薄くすることができて、より長い減衰質量２４および／またはより短い（より剛性の高い）工具ボディ１２が可能になる。
【００６８】
例示的な実施形態を参照して本開示を説明したが、本発明は上述したものに限定されないことを理解できる。例えば、部品の寸法は必要に応じて変えることができることが理解される。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定され得ることが意図されている。
【図１ａ】
2021509363.tif 000008
【図１ｂ】
2021509363.tif 000009
【図２】
2021509363.tif 000010
【図３】
2021509363.tif 000011
【図４】
2021509363.tif 000012
【図５ａ】
2021509363.tif 000013
【図５ｂ】
2021509363.tif 000014
【図６ａ】
2021509363.tif 000015
【図６ｂ】
2021509363.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月27日(2020.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具（１０）であって、
工具ボディ（１２）と、
質量ダンパ（２２）とを備え、
該質量ダンパ（２２）が、
少なくとも１つの減衰質量（２４）と、
該減衰質量（２４）を支持するように配置された少なくとも１つのばね要素（２６）とを備え、
前記減衰質量（２４）が、該減衰質量（２４）の一端または該減衰質量（２４）の各端部で１つのばね要素（２６）のみによって支持され、
該ばね要素（２６）が、少なくとも１次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含み、
前記減衰質量（２４）の共振振動数が、２００Ｈｚ〜６００Ｈｚの振動周波数の範囲で前記工具ボディ（１２）の振動周波数に実質的に合うように、前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が振動数依存の剛性を有する切削工具（１０）。
【請求項２】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、少なくとも２次元的に１００ｎｍ以下の構造寸法を有する請求項１に記載の切削工具（１０）。
【請求項３】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、少なくとも１次元的に２０ｎｍ以下など、４０ｎｍ以下の構造寸法を有する請求項１または請求項２に記載の切削工具（１０）。
【請求項４】
前記ばね要素（２６）が、ナノ構造材料の固体片によって構成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項５】
前記減衰質量（２４）が、一端では前記ばね要素（２６）によって支持され、前記減衰質量（２４）が、他端では支持されていない請求項１から請求項４のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項６】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、アモルファスである請求項１から請求項５のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項７】
前記ばね要素（２６）の前記ナノ構造材料が、複数のタイプの弱い結合を含む請求項６に記載の切削工具（１０）。
【請求項８】
前記ナノ構造材料の活性エネルギーが、０℃〜６０℃の間の温度帯にある請求項６または請求項７に記載の切削工具（１０）。
【請求項９】
前記ばね要素（２６）が、接着接続、締りばめ、または圧力ばめによって前記減衰質量（２４）に接続されている請求項１から請求項８のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項１０】
前記ばね要素（２６）が、３Ｍ（登録商標）１１２粘弾性ポリマを含まない請求項１から請求項９のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項１１】
前記工具ボディ（１２）が、空洞（１４）を備え、
前記減衰質量（２４）が、前記空洞（１４）内に配置されている請求項１から請求項１０のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【請求項１２】
前記減衰質量（２４）および前記空洞（１４）のそれぞれが、互いに実質的に適合する円錐形状を有する請求項１１に記載の切削工具（１０）。
【請求項１３】
振動数依存の剛性を有する粘性流体（２８）をさらに備え、
該粘性流体（２８）が、前記空洞内に配置されている請求項１１または請求項１２に記載の切削工具（１０）。
【請求項１４】
前記粘性流体（２８）が、少なくとも１次元的に、１ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜１００ｎｍ、５ｎｍ〜２０ｎｍなど、１００ｎｍ以下の構造寸法を有するナノ構造材料を含む請求項１３に記載の切削工具（１０）。
【請求項１５】
前記粘性流体（２８）が、ナノサイズの充填材を含む請求項１３または請求項１４に記載の切削工具（１０）。
【請求項１６】
前記ばね要素（２６）の剛性が、前記切削工具（１０）の振動周波数の２乗に比例する請求項１から請求項１５のいずれかに記載の切削工具（１０）。
【国際調査報告】
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