(57)【要約】【課題】ワークピースの表面における熱機械的負荷を減少させ、白層の悪影響を低減させることが可能な、硬い金属ワークピースを加工するための装置及び方法を提供すること。【解決手段】硬い金属ワークピース（１２）の加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための装置及び方法であって、ワークピース（１２）がワークピースの表面に熱機械的負荷を加える硬い切削工具（１４）により加工されるようになっているように構成する。【選択図】図１Ａ
2007260904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法であって、該ワークピースが該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加える硬い切削工具により加工されるようになっており、該熱機械的負荷を減少させる方法。
【請求項２】
前記ワークピースの表面に接触する前の前記切削工具の最初の温度が第一の温度であり、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を該第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却することによって熱機械的負荷が減少される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記切削工具が外部冷却手段によって冷却される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記冷却手段が少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を具備する請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記冷却手段が少なくとも１つの低温流体を具備する請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該切削力成分を減少させることによって前記熱機械的負荷が減少される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記切削工具のすくい角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少される請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記切削工具を前記冷却手段により冷却することによって、切削工具の硬度が増大され又は切削工具の耐ひび割れ性が高められる請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を具備する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具により加工されるようになっており、該硬い切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該方法が、
切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項１３】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却する方法。
【請求項１４】
前記冷却手段が、低温流体又は約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを具備する請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却手段が、少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を具備する請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を具備する請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する、
各段階を備える方法。
【請求項１９】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該切削力成分を低減する、
各段階を備える方法。
【請求項２０】
前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少され、前記冷却手段が、低温流体又は約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを具備する請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却し、
該切削力成分を低減する、
各段階を備える方法。
【請求項２２】
前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少され、前記冷却手段が、低温流体及び約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを具備する請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却する方法。
【請求項２４】
改良された表面又は改良された性質を特徴とする、請求項２３に記載の方法によって加工されたワークピース。
【請求項２５】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却する方法。
【請求項２６】
改良された表面又は改良された性質を特徴とする、請求項２５に記載の方法によって加工されたワークピース。
【請求項２７】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該切削力成分を減少させる方法。
【請求項２８】
改良された表面又は改良された性質を特徴とする、請求項２７に記載の方法によって加工されたワークピース。
【請求項２９】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該方法が、
切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項３０】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する、
各段階を備える方法。
【請求項３１】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項３２】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項３３】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための装置であって、該ワークピースが該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加える硬い切削工具により加工されるようになっており、該熱機械的負荷を減少するための手段を具備した装置。
【請求項３４】
前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を具備する請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具により加工されるようになっており、該硬い切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該装置が、
切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段と、
該切削力成分を減少させるための手段と、
を具備した装置。
【請求項３７】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための装置であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの冷却剤流れによって冷却するための手段を具備した装置。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの流れが、低温流体又は約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを含んでいる請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記流れが、少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含んでいる請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための装置であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該装置が、
該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含む、少なくとも１つの流れによって冷却するための手段と、
少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含んでいる少なくとも１つの別の流れによって該切削工具を同時に冷却するための手段と、
該切削力成分を低減するための手段と、
を具備した装置。
【請求項４１】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段を具備した装置。
【請求項４２】
改良された表面又は改良された性質を特徴とする、請求項４１に記載の装置によって加工されたワークピース。
【請求項４３】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある流体流れによって冷却するための手段を具備した装置。
【請求項４４】
改良された表面又は改良された性質を特徴とする、請求項４３に記載の装置によって加工されたワークピース。
【請求項４５】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該切削力成分を減少させるための手段を具備した装置。
【請求項４６】
改良された表面又は改良された性質を特徴とする、請求項４５に記載の装置によって加工されたワークピース。
【請求項４７】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該装置が、
切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段と、
該切削力成分を減少させるための手段と、
を具備した装置。
【請求項４８】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該装置が、
最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの流体流れを該加工表面に噴霧するための手段と、
少なくとも１つの別の流体流れを切削工具に同時に噴霧するための手段と、
を具備した装置。
【請求項４９】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該装置が、
最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの流体流れを該加工表面に噴霧するための手段と、
該切削力成分を低減するための手段と、
を具備した装置。
【請求項５０】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該装置が、
最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの流体流れを該加工表面に噴霧するための手段と、
少なくとも１つの別の流体流れを切削工具に同時に噴霧するための手段と、
該切削力成分を低減するための手段と、
を具備した装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、硬い切削工具を用いた切削により（例えば、余分な材料をチップの形で除去してパーツを成形することにより）硬い金属を加工する分野に関し、詳しくは、硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層（例えば、白層）の厚さを減少することと、ワークピースを加工する硬い切削工具の熱機械的負荷による、硬い金属の加工表面における悪影響を軽減することとの一方又は両方の加工方法に関する。
【０００２】
具体的に言うと、本発明は、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属パーツを、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具で加工する機械加工に関する。硬い又は硬化された金属パーツを機械加工することにより、製造サイクルにおける熱処理及び加工段階が減少され、ゆっくりとした仕上げの研磨作用が最小限にされ、製造業にとって大きなコスト節約になる。アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、その他多くの先端材料を含む硬いセラミック切削工具及び工具コーティングの出現によって、外径（ＯＤ）旋削、内径旋削（中ぐり）、溝入れ、突っ切り、面削り、フライス削り、ドリリング、その他多くの切削作用を含む、硬い金属の機械加工が現実に可能になっている。
【背景技術】
【０００３】
硬い金属の加工が広く用いられるのに大きな制約になっているのは、いわゆる「白層」効果という、ワークピースの加工されたままの表面に生ずる微細変化であり、この効果は、加工されたままの表面に切削工具によって加えられる極めて高い熱機械的負荷に応答して生ずる。完全には理解されていないが、耐エッチング性を有する白層からなる熱機械的に変化したワークピース表面は、付随する引っ張り応力、例えば製造されたパーツの疲労強度の低下と、破壊強度の低下と、耐摩耗性の低下とのうち少なくとも１つの理由から、望ましくない（非特許文献１を参照）。
【０００４】
鋭くかつ摩耗していない切削エッジ又は鋭く若しくは摩耗していない切削エッジと、従来通り切削工具に水をベースとする乳化オイルの冷却剤を多量に注ぐこととが、有害な引っ張り応力及び白層を減少させるのに効果があると報告されている（非特許文献２）。従来の多量冷却を用いた高硬度加工が再検討されたが、効果的でないことが判明した（非特許文献３）。さらに、Ａｌ２Ｏ３をベースとする安価な工具の場合、鋭く仕上げられた切削エッジは容易に破壊し、高価なＣＢＮ工具が現在の唯一の選択肢となる。冷却によってエッジ摩耗が加速され、仕上げ−高硬度旋盤加工で用いられるＣＢＮ工具の全体的な寿命が短縮されるので、高硬度加工で冷却剤を使用することは避けるべきであると言われている（非特許文献４）。その他の多くの刊行物及び加工に関する教科書には、安価なＡｌ２Ｏ３工具で冷却剤を使用すると急速に破壊することが示されている。冷却されないＣＢＮ工具を用いて（ドライ旋盤加工）、よく知られている硬化ベアリング鋼５２１００の高硬度旋盤加工の際に切削速度が白層の厚さに及ぼす影響が調べられている（非特許文献５）。その結果によると、切削速度が比較的低いときにのみ、即ち生産速度が低いときにのみ、白層の厚さが許容できるほど薄くなっている。従って、今日の加工技術は、硬くかつ白層を含まないパーツを、迅速にかつ低コストで製作するための解決策をなんら提示していない。
【０００５】
高硬度加工の際にワークピース表面の変化を最小にする装置及び方法、より具体的には、引っ張り応力と変動する表面応力とのうち一方又は両方と、耐エッチング性を有する白層（即ち「白層」の悪影響）をなくすか又は最小にする装置及び方法が望まれている。
【０００６】
更に、熱機械的変化層（即ち「白層」）の悪影響が小さい、よりよいパーツを生産する装置及び方法、及びこのパーツ生産を迅速に、低コストで、安価な工具を用いて、生産する装置及び方法が望まれている。
【０００７】
【非特許文献１】Ｂ．Ｊ．Ｇｒｉｆｆｉｎ，「Ｗｈｉｔｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｔ  Ｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  ｔｏ  Ｗｈｉｔｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ  ａｔ  Ｗｏｒｎ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ」，Ｊ．ｏｆ  Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ，１９８５年４月，Ｖｏｌ．１０７／１６５。
【非特許文献２】Ｗ．Ｋｏｎｉｇ，Ｍ．Ｋｌｉｎｇｅｒ及びＲ．Ｌｉｎｋ，「Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ  Ｈａｒｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｗｉｔｈ  Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｄｅｆｉｎｅｄ  Ｃｕｔｔｉｎｇ  Ｅｄｇｅｓ−Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ」，Ａｎｎａｌｓ  ｏｆ  ＣＩＲＰ，１９９０，Ｖｏｌ．５７，ｐｐ．６１−６４。
【非特許文献３】Ｈ．Ｋ．Ｔｅｎｓｃｈｏｆｆ及びＨ．Ｇ．Ｗｏｂｋｅｒ，「Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ａｎｄ  Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｈａｒｄ  Ｔｕｒｎｉｎｇ」，第１回国際加工研削会議，１９９５年９月１２−１４日，Ｄｅａｒｂｏｒｎ，ＭＩ，ＳＭＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒ  ＭＲ９５−２１５。
【非特許文献４】Ｔ．Ｂｒｏｓｋｅａ，「ＰＣＢＮ  Ｔｏｏｌ  Ｆａｉｌｕｒｅ  Ｍｏｄｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ」，Ｉｎｔｅｒｔｅｃｈ  ２０００，Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ  Ｂ．Ｃ．，Ｃａｎａｄａ，２０００年７月１７−２１日。
【非特許文献５】Ｙ．Ｋ．Ｃｈｏｕ及びＣ．Ｊ．Ｅｖａｎｓ，「Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｎ  Ｗｈｉｔｅ  Ｌａｙｅｒ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｈａｒｄ−Ｔｕｒｎｉｎｇ」，Ｔｒａｎｓ．  ｏｆ  ＮＡＭＲＩ／ＳＭＥ，Ｖｏｌ．ＸＸＶＩ，１９９８，ｐｐ．１１７−１２２。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減らすための装置及び方法と、硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための装置及び方法とにある。本発明の別の観点は、高硬度金属ワークピースを前記装置及び方法を用いて加工するための装置及び方法にある。本発明の他の観点は、前記加工するための装置及び方法によって加工されたワークピースにある。
【０００９】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法であって、該ワークピースが該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加える硬い切削工具により加工されるようになっている方法の第１実施例は、該熱機械的負荷を減少させる段階を含む。
【００１０】
この方法の第１実施例にはいくつかの変形例がある。一変形例では、前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を含む。別の変形例では、前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される。
【００１１】
別の変形例では、前記ワークピースの表面に接触する前の前記切削工具の最初の温度が第一の温度であり、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を該第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却することによって熱機械的負荷が減少される。この変形例の一変更例では、前記切削工具が外部冷却手段によって冷却される。この変更例のさらなる一変更例では、前記冷却手段が少なくとも１つの低温流体を含む。別の変更例では、前記冷却手段が少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含む。更に別の変更例では、前記切削工具を前記冷却手段により冷却することによって、切削工具の硬度が増大され又は切削工具の耐ひび割れ性が高められる。
【００１２】
本方法の別の変形例では、前記熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられ、該切削力成分を減少させることによって前記熱機械的負荷が減少される。この変形例にはいくつかの変更例がある。一変更例では、前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少される。（「傾斜角を正方向に増大させる」という語句は、以下の「発明の詳細な説明」の部分で定義され説明される。）別の変更例では、前記切削工具のすくい角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少される。
【００１３】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法であって、該ワークピースが硬い切削工具により加工されるようになっている方法の第２実施例は、複数の段階を含む。この実施例において、ワークピースの表面に接触する前の切削工具の最初の温度が第一の温度であり、切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる。本方法の第１段階は、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却することにある。第２段階は、該切削力成分を減少させることにある。
【００１４】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっている方法の第１実施例は、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却する段階を含む。
【００１５】
この方法の第１実施例にはいくつかの変形例がある。一変形例では、前記冷却手段が、少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含む。別の変形例では、前記冷却手段が、低温流体又は約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを含む。別の変形例では、前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を含む。別の変形例では、前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される。
【００１６】
悪影響を軽減するための方法の第２実施例は、第１実施例と類似するが、該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する段階をも含む。
【００１７】
第１実施例と類似する、悪影響を軽減するための方法の第３実施例では、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる。この方法は第３実施例において、該切削力成分を低減する段階を含む。この実施例の変形例では、前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少され、前記冷却手段が、低温流体又は約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを含んでいる。
【００１８】
悪影響を軽減するための方法の第４実施例は、第３実施例と類似するが、該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する段階を含む。第４実施例の一変形例では、前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少され、前記冷却手段が、低温流体及び約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを含んでいる。
【００１９】
本発明の別の観点は、硬い金属ワークピースを加工するための方法にある。この方法にはいくつかの実施例がある。
【００２０】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっている方法の第１実施例は、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却する段階を含む。
【００２１】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられる方法の第２実施例は、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却する段階を含む。
【００２２】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる方法の第３実施例は、該切削力成分を減少させる段階を含む。
【００２３】
第１実施例と類似する加工方法の第４実施例では、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる。第４実施例は、該切削力成分を減少させる段階を含む。
【００２４】
加工方法の第５実施例は、第２実施例と類似するが、該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する段階を含む。
【００２５】
第２実施例と類似する加工方法の第６実施例では、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる。第６実施例は、該切削力成分を減少させる段階を含む。
【００２６】
加工方法の第７実施例は、第６実施例と類似するが、該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する段階を含む。
【００２７】
本発明の別の観点は、改良された表面又は改良された性質を特徴とする、前記実施例のうちのいずれかの加工方法によって加工されたワークピースにある。
【００２８】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための装置であって、該ワークピースが該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加える硬い切削工具により加工されるようになっている装置の第１実施例は、該熱機械的負荷を減少するための手段を含む。
【００２９】
この装置の第１実施例にはいくつかの変形例がある。一変形例では、前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を含む。別の変形例では、前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される。
【００３０】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さを減少させるための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具により加工されるようになっており、該硬い切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる該装置の第２実施例が、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段と、該切削力成分を減少させるための手段と、を含む。
【００３１】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための装置であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっている装置の第１実施例は、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの冷却剤流れによって冷却するための手段を含む。この実施例の一変形例では、前記流れが、少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含んでいる。別の変形例では、前記少なくとも１つの流れが、低温流体又は約−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを含んでいる。
【００３２】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための装置であって、該熱機械的負荷が硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる装置の第２実施例が、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含む、少なくとも１つの流れによって冷却するための手段と、少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含んでいる少なくとも１つの別の流れによって該切削工具を同時に冷却するための手段と、該切削力成分を低減するための手段と、を含む。
【００３３】
本発明の別の観点は、硬い金属ワークピースを加工する装置にある。この加工装置にはいくつかの実施例がある。
【００３４】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっている装置の第１実施例は、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段を含む。
【００３５】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられる装置の第２実施例は、該加工表面を、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある流体流れによって冷却するための手段を含む。
【００３６】
ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少される、硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる装置の第３実施例は、該切削力成分を減少させるための手段を含む。
【００３７】
第１実施例に類似する第４実施例では、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる。第４実施例は、該切削力成分を減少させるための手段を含む。
【００３８】
加工装置の第５実施例は第２実施例に類似するが、少なくとも１つの別の流体流れによって切削工具を同時に冷却するための手段を含み、該冷却するための手段が、流体流れを噴霧するための手段である。
【００３９】
加工装置の第６実施例は第３実施例に類似するが、最初の温度が約−２５０℃から約＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの流体流れを該加工表面に噴霧するための手段を含む。
【００４０】
加工装置の第７実施例は第６実施例に類似するが、少なくとも１つの別の流体流れを切削工具に同時に噴霧するための手段を含む。
【００４１】
本発明の別の観点は、改良された表面又は改良された性質を特徴とする、前記実施例のうちのいずれかの加工装置によって加工されたワークピースにある。
【００４２】
以下では、添付図面を参照しながら、例をあげて本発明を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明は、硬い切削工具による硬い金属ワークピースの加工であって、熱機械的に変化した層即ち熱機械的変化層の厚さを減らし又はこの層をなくすと共に、ＣＢＮ工具材料及びより安価なＡｌ２Ｏ３、カーバイド、サーメット、又はその他の硬工具材料を用いて過剰な白層を生ずることなくより高速で切削できるようにする方法を用いた加工に関する。この熱機械的変化層には白層が含まれるがそれだけに限定されない。以下で用いられる「白層」という用語は全てのタイプの「熱機械的変化層」を指し、これには表面引っ張り応力（例えば、耐疲労性、破壊靱性、及び耐摩耗性のうち少なくとも一つの低下）に関連するものが含まれるがそれだけに限定されない。
【００４４】
本発明によれば、切削工具によって加工表面に作用される熱機械的負荷は、以下に述べる３つの技術（Ａ、Ｂ、Ｃ）の１つ又は組み合わせを用いることによって減少される。
【００４５】
Ａ．正確に狙いをつけた、不活性でかつ水分を含まない冷却剤のジェット又はスプレーでもって切削工具を冷却し、熱い工具界面からワークピースへ移動する熱が減少するようにし、最も好ましくは工具がワークピース表面のヒートシンクとなるようにすること。
【００４６】
工具冷却用ジェットの温度は＋２５℃と−２５０℃との間で変更してもよく、より低温の低温ジェット温度が好ましい。このようなジェットで冷却された工具は被加工パーツ表面を冷却する。さらに、硬加工テスト時に見られるように、従来の加工技術の教示とは対照的に、不活性でかつ水分を含まない冷却ジェットを用いることによって、Ａｌ２Ｏ３，ＣＢＮ、その他の硬い切削工具の寿命が延長され、従って切削力がより小さく白層がより薄い、より鋭い切削エッジを用いることが可能になる。
【００４７】
Ｂ．成型されたまま又は加工されたままのワークピース表面を、技術Ａと同じタイプの直接噴射冷却ジェット又はスプレーでもって冷却すること。
【００４８】
観察によれば、加工されたままのワークピース表面を冷却することによって、被加工材料への熱の貫入深さが小さくなり、その結果、望ましくない材料変態の程度が小さくなるようである。技術Ｂの表面冷却ジェットを技術Ａの工具冷却ジェットと別個にしてもよく、または工具と表面との両方が同時に冷却されるように単一ジェットを指向させるようにしてもよい。当業者には、技術Ａおよび技術Ｂの複数の冷却ジェット又はスプレーを本発明に従って使用できることが理解されるであろう。
【００４９】
Ｃ．加工されたままのワークピース表面に直角な方向の切削力成分を低減すること。
【００５０】
テスト中に観察されるように、加工されたままのワークピース表面に直角な方向の切削力成分は、表面に進入して白層を発生させる熱流束の大きな源であるようである。直角方向の力が半径方向の力である、最も頻繁に行われるＯＤ硬旋削作用の場合、工具の傾斜角を正方向により大きくすることによって、表面に進入する熱機械的負荷が小さくなる。直角方向の力が送り力である直交切削の場合、正方向により大きなすくい角が重要になる。最も一般的な切削の場合、傾斜角とすくい角との両方が、現在の硬加工作用で用いられている通常の負値よりも正方向に大きくされる。傾斜角およびすくい角が正方向に増大すると、硬切削工具の寿命が短くなるので、硬加工時に工具寿命を高める技術Ａと組み合わされて実施される場合には、これらの角度値を増加させるのが最も有利である。
【００５１】
図１Ａは、ワークピース１２としての中実棒材と、（ＣＴと記された切削インサートを備えた）丸い切削工具１４とを含むＯＤ硬旋削作用を、工具のすくい面の頂部側から見た概略図である。この図をＸ−Ｚ平面図と称することにする。切削工具によってワークピースに加えられる必要のある主切削力の、Ｘ−Ｚ平面に投射したものは、ＦＸＺｆｅｅｄ又は送り力及びＦＸＺｒａｄｉａｌ又は半径方向力と記され、ここで送り力は半径方向力よりも小さい。ワークピースの加工されたままの表面における、熱機械的変化層１６の位置が図１Ａに示されている。図の右側の詳細図は、３，０００倍から１２，０００倍の拡大範囲でもって走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察可能な、加工されたままのワークピースの典型的な表面下微細構造の断面図を示している。ＯＳは硬旋削中に切削工具と直接接触していた外側表面を、ＷＬは白層を、ＤＬは黒層を、ＢＭは棒材の親構造又は変化しない構造を表すベース金属を、それぞれ表している。
【００５２】
スケールＣのロックウエル硬度６１まで硬化され硬加工された、よく知られているベアリング鋼グレードＡＩＳＩ５２１００（１重量％Ｃ及び１．５重量％Ｃｒ）について行われたＳＥＭ観察によれば、白層（ＷＬ）は球状炭化物が広く分散したエッチングされにくい材料からなる薄い帯である。その下に拡がる黒層（ＤＬ）は白層よりも厚く、より多くのかつより大きな炭化物と、針状及びラッチ状のマルテンサイトを示唆する微細構造とを含んでいる。熱機械的変化層は、白層（ＷＬ）と黒層（ＤＬ）との両方を含むが、さらに深くベース金属内にまで拡がっており、簡単な顕微鏡的方法では測定できない。従って、熱機械的変化層の厚さの評価は通常、（１）よいコントラストの白層（ＷＬ）の顕微鏡測定を、（２）加工されたままの表面よりも下の材料の機械的性質の追加の測定、例えば残留応力及び微小硬度測定と組み合わせて行われる。
【００５３】
図１Ｂは、切削工具１４及びワークピース１２（棒材）の同じＸ−Ｚ平面図を示しているが、図１Ａにおけるような表面下の微細構造の断面詳細図を含んでいない。点ＣＪＸＺ１及びＣＪＸＺ２は、低温ジェット放出オリフィス（図示せず）の好ましい位置をＸ−Ｚ平面に投影したものであり、これらオリフィスは冷却ジェット（１８，２０）を、切削工具のすくい部と、ワークピースの加工されたままの表面と、選択任意にはすくい面及び切削工具とワークピースとの接触領域の直下方の、切削工具とワークピース表面との間の間隙ギャップに指向させる。従って、低温ジェットの衝突点は切削工具と、加工されたままのワークピース表面領域とに限定される。切削工具上流の棒材を冷却しないことが重要である。というのは、このような冷却によって、切削に必要な機械的エネルギが大きくなり、即ち冷却の効果が打ち消され、同時に切削工具の寿命が短縮される。図１Ｂに示されるように、ＣＪＸＺ１からのジェットを、Ｙ軸に沿うすくい部の上方においてより高く又はより低く位置決めしてジェットが接触長さに沿ったすくい面のみに衝突するようにしてもよい。これは、前述の方法Ａを表すものである。或いは、すくい部と切削工具下流の加工されたままの表面との両方にＣＪＸＺ１からのジェットをスプレーするようにしてもよい。この代替的手法は技術Ａ及びＢを組み合わせたものである。技術Ｂに従って作動させるために、ＣＪＸＺ２からのジェットをＹ及びＺ軸に沿いつつ切削工具の後方又は下に位置決めするようにしてもよい。ＣＪＸＺ１のジェットからのスプレー１８が加工表面を冷却するのに十分に効果的であれば、ＣＪＸＺ２からのジェットを省略することもできる。技術Ａ、Ｂ、及びＣの有効性を評価するために行われた比較テストの結果が表１にまとめられており、そこにはテストの条件も詳しく示されている。
【００５４】
【表１】
2007260904.tif 000003
【００５５】
【表２】
2007260904.tif 000004
【００５６】
図２は、８つのテスト条件で白層の厚さをＳＥＭによって測定した結果を示している。この結果から、より鋭く伝導度がより高いＣＢＮ工具で生ずる白層が、Ａｌ２Ｏ３工具で生ずる白層よりも薄くなる傾向にあることがわかる。工具がより鋭くなると切削力の直角方向成分が小さくなること、及び工具材料の伝導度がより高くなると工具温度が低くなることは、我々の技術Ａ及びＣに合致している。しかし、白層の厚さを減らすのに最も重要な因子は、技術Ａ及びＢに従って用いられた冷却ジェットであった。この冷却ジェットは、用いられた工具及び切削速度に関わりなく、白層を約４０％減少させることができた。最も重要でかつ驚くべき知見は、ジェット冷却されたＡｌ２Ｏ３工具で生ずる白層が、従来の仕方で（即ちドライに）使用されるＣＢＮ工具により生ずる白層よりも著しく薄いということである。さらに、約２１３メートル／分（７００フィート／分）においてＡｌ２Ｏ３工具によって生ずる白層は、ドライのＣＢＮ工具で約１２２メートル／分（４００フィート／分）において生ずる白層よりも薄い。このように、本発明によって、硬加工オペレータがよりよいパーツをより速く、より安い工具コストで生産することが可能になる。
【００５７】
図３Ａは、ＣＢＮ及びＡｌ２Ｏ３工具による約２１３メートル／分（７００フィート／分）という切削速度における、硬旋削の結果としての表面下の硬度変化を示している。従来のドライ硬旋削の後の、加工されたままの表面下の最初の１５マイクロメートル内に観測されるワークピース材料の望ましくない軟化は、低温冷却ジェットを本発明の技術Ａ及びＢに従って用いることによって、防ぐことができる。
【００５８】
図３Ｂは、図３Ａと同じ４タイプのサンプルについての残留応力の測定結果をプロットしたものである。Ａｌ２Ｏ３の場合、低温ジェットによる冷却によって、従来のドライ硬旋削で生ずる急激な引っ張り応力がなくなる。ＣＢＮの場合、低温ジェットによって、表面下応力の圧縮性がわずかに高められ、Ａｌ２Ｏ３の場合と同様に、深さによる応力の変動が平坦になる。図３Ａ及び３Ｂはどちらも、本発明の技術Ａ及びＢが、硬い加工表面の機械的性質に予期されない改善をもたらすことを示している。
【００５９】
図１ＢがＯＤ硬旋削のＸ−Ｚ平面図を示すように、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、同じ作用を、しかし棒材又はワークピース１２の面及び切削インサート（ＣＴ）の側面を示すＸ−Ｙ平面で示している。図４Ａは、傾斜角ＡＯＢが負値である従来の硬旋削の方法を示す。加工作用に抗するワーク材料の反作用力をＸ−Ｙ平面上に投影したものであるＲＸＹｍａｃｈは、いくらか単純化すると同一のＸ−Ｙ平面に投影された２つの力、即ち接線方向反作用切削力ＲＸＹｔａｎと、半径方向反作用力ＲＸＹｒａｄとの和として表すことができる。半径方向反作用力はゼロよりも大きく、通常、接線方向の力又は送り力（Ｚ軸方向に沿って延びる）よりも大きく、ある硬旋削では接線方向の力と送り力とを組み合わせたものよりも大きい。この半径方向反作用力とバランスさせるために、切削工具によってワークピース表面に加えられる半径方向の力ＦＸＹｒａｄも等しく大きくなければならない。このため、切削工具により大きな熱機械的負荷がワークピース表面に加えられると共に、厚い白層の形成が助長される。
【００６０】
図４Ｂは、傾斜角ＢＯＣが図４Ａにおける最初の（ＡＯＢで表される）負値から新たな正値に増加するように、（図４Ａの）従来の切削幾何形状を変更したものを示しており、その結果、半径方向反作用力ＲＸＹｒａｄの方向が逆転される。実際、増加された又は正方向により大きい傾斜角によって、切削工具の要求半径方向力がゼロ又はゼロよりも小さい値にまで減少され、その結果、ワークピース表面における熱機械的変化層が減少する。切削幾何形状のこの変更は本発明の技術Ｃを表している。この技術は硬い面切削や硬い二次元切削にまで拡張され、これらにおいて、実効すくい角を従来用いられている負方向の角度よりも正方向にすると、ワークピース表面での熱機械的負荷が減少し、熱機械的変化層がより薄くなる。
【００６１】
増大された傾斜角及びすくい角のうち一方又は両方によって、硬い加工で用いられる典型的には脆い切削エッジ周りに、引っ張り応力が生ずる可能性がある。ドライ切削条件を教示する従来技術では、この引っ張り応力によって工具の早期破損するおそれがある。しかし、すでに見たように、硬い加工の間、少なくとも１つの冷却ジェット又はスプレーを切削工具のすくい部に向け、使用される冷却液が不活性で水分を含まず、好ましくは低温工学的なものであれば、破損は頻繁でなくなり工具寿命は延びる。（「不活性」という用語は、冷却液が硬い金属と反応せず、硬い金属又は硬い切削工具の機械的性質を劣化させないということを意味する。）
【００６２】
図４Ｃは、図１ＢにおいてＸ−Ｚ平面上に示されるジェットに対応する２つの冷却ジェットをＸ−Ｙ平面上に投射したものＣＪＸＹ１及びＣＪＸＹ２を示している。図４Ｃに示されるように、硬切削の間にＣＪ１、又はＣＪ１及びＣＪ２が冷却材を噴霧している場合には、技術Ｃを適用するのが生産及びコストの観点から最も有利である。
【００６３】
本発明は、硬加工の間に切削工具がワークピース材料表面に加える熱機械的負荷を減らすことによって、ワークピースの加工されたままの表面の、有害な白層及びその他の熱機械的変化層を最小にする。上述したように、本発明は３つの技術（Ａ、Ｂ、Ｃ）を含み、それらは別々に用いることも、互いに組み合わせて（ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、ＡＢＣ）用いることもできる。
【００６４】
本発明は、ここではいくつかの具体的な実施形態に関して図示され説明されたが、図示された細部に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲内において、本発明の精神から逸脱することなく、細部にさまざまな変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１Ａ】中実棒材および丸い切削工具を用いたＯＤ硬旋削作用を説明する概略図と、加工されたままのワークピースの典型的な表面下微細構造の断面を示す細部の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されるＯＤ硬旋削作用に類似のＯＤ硬旋削作用に用いられている本発明の実施例を示す概略図である。
【図２】互いに異なる切削速度、切削工具材料及び冷却条件を用いた８つのテスト条件についての白層の測定値を示すグラフである。
【図３Ａ】約２１３メートル／分（７００フィート／分）の切削速度で、互いに異なる切削工具材料及び冷却条件における硬旋削の結果としての表面下硬度の変化を示すグラフである。
【図３Ｂ】図３Ａに示された４タイプのサンプルについての残留応力測定の結果を示すグラフである。
【図４Ａ】傾斜角ＡＯＢが負値である、従来の硬旋削方法を示す概略図である。
【図４Ｂ】傾斜角を図４Ａに示される負値から図４Ｂに示される正値ＢＯＣに増大されている、本発明の実施例を示す概略図である。
【図４Ｃ】本発明の別の実施例を示す概略図である。
【図１Ａ】
2007260904.tif 000005
【図１Ｂ】
2007260904.tif 000006
【図２】
2007260904.tif 000007
【図３Ａ】
2007260904.tif 000008
【図３Ｂ】
2007260904.tif 000009
【図４Ａ】
2007260904.tif 000010
【図４Ｂ】
2007260904.tif 000011
【図４Ｃ】
2007260904.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成19年8月10日(2007.8.10)
【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】
Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースの加工されたままの表面の上方及びその下方の、白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法であって、該ワークピースが該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加える、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により加工されるようになっており、かつ
該方法が、下記の工程：
前記硬い切削工具によって前記硬い金属ワークピースの表面に加えられる熱機械的負荷を減少させること
を含み、かつ、その際、この熱機械的負荷を減少させる工程が、下記の技術の１つ又は少なくとも２つの組み合わせ：
（ａ）第１の、正確に狙いをつけた、不活性で、水分を含まず、かつ最初の温度が＋２５℃〜−２５０℃の範囲である冷却剤のジェット又はスプレーでもって前記硬い切削工具を冷却すること、
（ｂ）前記硬い金属ワークピースの加工されたままの表面を、前記第１の正確に狙いをつけたジェット又はスプレー、及び第２の、正確に狙いをつけた、不活性で水分を含まない冷却剤又はその他の、不活性で、水分を含まず、かつ最初の温度が＋２５℃〜−２５０℃の範囲である冷却剤のジェット又はスプレーの少なくとも一方でもって冷却すること、及び
（ｃ）前記熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、その切削力成分が前記硬い金属ワークピースの加工されたままの表面に直角な方向に加えられるときに、前記硬い金属ワークピースの加工されたままの表面に直角な方向の切削力成分を低減すること、
を含むことを特徴とする熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法。
【請求項２】
第１及び第２の、不活性で水分を含まない冷却剤又はその他の不活性で水分を含まない冷却剤のジェット又はスプレーの少なくとも１つが、低温流体又は−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを具備する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記硬い切削工具が硬度及び耐ひび割れ性を有しており、かつ前記切削工具を前記第１の、正確に狙いをつけた、不活性で水分を含まない冷却剤のジェット又はスプレーにより冷却することによって、切削工具の硬度が増大され又は切削工具の耐ひび割れ性が高められる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記硬い金属ワークピースが鉄を含有する合金を具備する請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースの加工されたままの表面の上方及びその下方の、白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層の厚さを減少させるための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により加工されるようになっており、該硬い切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる方法において、該方法が、
前記硬い切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが前記硬い切削工具によって加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項７】
Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっている方法において、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する、
各段階を備える方法。
【請求項８】
Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための方法であって、該熱機械的負荷が、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる方法において、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却し、
該切削力成分を低減する、
各段階を備える方法。
【請求項９】
前記硬い切削工具が傾斜角を備え、前記切削工具の傾斜角を正方向に増大させることによって前記切削力成分が減少され、前記冷却手段が、低温流体及び−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを具備する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層の厚さが減少される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却することを含む方法。
【請求項１１】
加工された硬い金属ワークピースであって、該金属ワークピースが、硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少され、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっている方法であって、該方法が、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却することを含む、硬い金属ワークピースを加工する方法によって加工されたものであり、かつ該金属ワークピースが、
ドライ切削によって加工された、その他の表面残留引張応力値、その他の表面残留圧縮応力値、その他の熱機械的変化層のその他の厚さ及びその他の微小硬度をもったその他の硬い金属ワークピースのその他の加工表面と比較したとき、より小さい表面残留引張応力値、より大きい表面残留圧縮応力値、より薄い熱機械的変化層厚さ及びより大きな微小硬度のうちの少なくとも１つを有する加工表面を備えている、加工された金属ワークピース。
【請求項１２】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層の厚さが減少される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる方法において、該方法が、
切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項１３】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられる方法において、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却する、
各段階を備える方法。
【請求項１４】
ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための方法であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる方法において、該方法が、
該加工表面を、最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある冷却手段によって冷却し、
該冷却手段によって該切削工具を同時に冷却し、
該切削力成分を減少させる、
各段階を備える方法。
【請求項１５】
Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピース（１２）の加工されたままの表面の上方及びその下方の、白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層（１６）の厚さを減少させるための装置であって、該ワークピースが該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加える、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具（１４）により加工されるようになっており、硬い切削工具（１４）によって硬い金属ワークピース（１２）の表面に熱機械的負荷が加えられようになっており、該装置が、
硬い切削工具（１４）によって硬い金属ワークピース（１２）の表面に加えられる熱機械的負荷を減少するための手段〔（ＣＪ１及び／又はＣＪ２）及び／又は（ＣＴのＢ−Ｏ−Ｃ）〕
を具備しており、かつ、その際、この熱機械的負荷を減少するための手段が、下記の手段の１つ又は少なくとも２つの組み合わせ：
（ａ）第１の、正確に狙いをつけた、不活性で、水分を含まず、かつ最初の温度が＋２５℃〜−２５０℃の範囲である冷却剤のジェット又はスプレー（１８）でもって硬い切削工具（１４）を冷却する手段（ＣＪ１）、
（ｂ）硬い金属ワークピース（１２）の加工されたままの表面を、第１の正確に狙いをつけたジェット又はスプレー（１８）、及び第２の、正確に狙いをつけた、不活性で水分を含まない冷却剤又はその他の、不活性で、水分を含まず、かつ最初の温度が＋２５℃〜−２５０℃の範囲である冷却剤のジェット又はスプレー（２０）の少なくとも一方でもって冷却する手段（ＣＪ１及び／又はＣＪ２）、及び
（ｃ）熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、その切削力成分が硬い金属ワークピース（１２）の加工されたままの表面に直角な方向に加えられるときに、硬い金属ワークピース（１２）の加工されたままの表面に直角な方向の切削力成分を低減する手段（ＣＴのＢ−Ｏ−Ｃ）、
を含むことを特徴とする熱機械的変化層の厚さを減少させるための装置。
【請求項１６】
第１及び第２の、正確に狙いをつけた、不活性で水分を含まない冷却剤又はその他の不活性で水分を含まない冷却剤のジェット又はスプレー（１８，２０）の少なくとも１つが、低温流体又は−７５℃よりも低温の少なくとも１つの氷粒子を含む少なくとも１つの流れを具備する請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記硬い切削工具は少なくとも一部が、セラミック化合物、セラミック−セラミック複合材料、セラミック−金属複合材料、ダイアモンド状で金属を含まない材料、アルミナをベースとするセラミック、立方晶窒化ホウ素をベースとするセラミック材料、炭化タングステンをベースとする材料、及びサーメットタイプの材料を含む群から選択される材料から形成される請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
硬い切削工具（１４）が硬度及び耐ひび割れ性を有しており、かつこの硬い前記切削工具（１４）を前記第１の、正確に狙いをつけたジェット又はスプレーにより冷却することによって、切削工具の硬度が増大され又は切削工具の耐ひび割れ性が高められる請求項１５に記載の装置。
【請求項１９】
Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響を軽減するための装置であって、該熱機械的負荷が、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該硬い切削工具が該ワークピースを加工して加工表面を形成するようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる装置において、該装置が、
該加工表面を、最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含む、少なくとも１つの流れによって冷却するための手段と、
少なくとも１つの不活性でかつ水分を含まない冷却剤を含んでいる少なくとも１つの別の流れによって該切削工具を同時に冷却するための手段と、
該切削力成分を低減するための手段と、
を具備した装置。
【請求項２０】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層の厚さが減少される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段を具備した装置。
【請求項２１】
加工された硬い金属ワークピースであって、該金属ワークピースが、硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における熱機械的変化層の厚さが減少され、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっている装置であって、該装置が、切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却する手段を含む、硬い金属ワークピースを加工する装置によって加工されたものであり、かつ該金属ワークピースが、
ドライ切削によって加工された、その他の表面残留引張応力値、その他の表面残留圧縮応力値、その他の熱機械的変化層のその他の厚さ及びその他の微小硬度をもったその他の硬い金属ワークピースのその他の加工表面と比較したとき、より小さい表面残留引張応力値、より大きい表面残留圧縮応力値、より薄い熱機械的変化層厚さ及びより大きな微小硬度のうちの少なくとも１つを有する加工表面を備えている、加工された金属ワークピース。
【請求項２２】
硬い金属ワークピースの加工されたままの表面における白層（ＷＬ）及び黒層（ＢＬ）を含む熱機械的変化層の厚さが減少される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該ワークピースが、該ワークピースの表面に接触する前の最初の温度が第一の温度である、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具によって加工され、該切削工具が該ワークピースの表面に熱機械的負荷を加えるようになっており、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる装置において、該装置が、
切削工具がワークピースの表面に接触する前に又はワークピースが加工されている間に、切削工具を第一の温度よりも低い第二の温度まで冷却するための手段と、
該切削力成分を減少させるための手段と、
を具備した装置。
【請求項２３】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられる装置において、該装置が、
最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの流体流れを該加工表面に噴霧するための手段と、
少なくとも１つの別の流体流れを切削工具に同時に噴霧するための手段と、
を具備した装置。
【請求項２４】
硬い金属ワークピースの加工表面における熱機械的負荷の悪影響が軽減される、Ｃスケールのロックウエル硬度で表面硬度が４２を超える硬い金属ワークピースを加工するための装置であって、該熱機械的負荷が該ワークピースの加工表面を形成する、エッジ硬度がビッカース硬度で１５００を超える硬い切削工具により該ワークピースの表面に加えられ、該熱機械的負荷の少なくとも一部が切削力の一成分であり、該成分がワークピースの表面に直角方向に加えられる装置において、該装置が、
最初の温度が−２５０℃から＋２５℃の範囲にある少なくとも１つの流体流れを該加工表面に噴霧するための手段と、
少なくとも１つの別の流体流れを切削工具に同時に噴霧するための手段と、
該切削力成分を低減するための手段と、
を具備した装置。