KR100383715B1 - 초경연마제몸체를구비한금속절삭인서트및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 금속 절삭 인서트는 종축을 갖는 기판과, 종방향으로 이격된 위치들에서 그 기판에 접합된 초경 연마제 몸체를 형성하도록 소결 조작을 수행함으로써 제조된다. 기판 및 초경 몸체는 양 측면 상에 초경 몸체부를 구비한 인서트를 형성하도록 축의 수직 방향으로 슬라이스된다.

Description

초경 연마제 몸체를 구비한 금속 절삭 인서트 및 그 제조 방법{METAL CUTTING INSERTS HAVING SUPERHARD ABRASIVE BODIES AND METHODS OF MAKING SAME}

미국 특허 제4,866,885호에는 금속 절삭 인서트를 제조하는 기술이 개시되어 있으며, 상기 특허에서는 얕은 리세스들이 기판의 외주로부터 내측으로 이격된 위치들에서 초경 합금 기판의 표면 내에 형성되어 있다. 각각의 리세스는 PCD 또는 PCBN과 같은 경질 연마제 입자들로 충전된다. 기판 및 연마제 입자들은 그 다음에 고온 고압 상태에서 소결 조작을 받게 되고, 여기서 연마제 입자들은 상호 소결되어 초경 합금체로 접합된다. 기판은 그 다음에 초경 합금 기판 및 초경 합금 기판 상에 위치한 연마제 절삭체를 구비한 다수 모서리 절삭 인서트를 제조하기 위해 평행하게 연장된 선들을 따라 절단된다. 그러한 제조의 단점은 인서트가 단지 한 측면에 연마제 몸체를 구비한다는 것이다. 그러한 몸체를 다른 측면에 제공하기 위해, 부가적인 리세스들이 그 다른 측면에 형성되어 초경 연마제 재료로 충전되야 한다. 또한, 와이어 커팅의 부가적인 단계를 포함한다.

그러므로, 절삭 모서리(corner)마다의 비용을 감소시키고 공정 단계의 수 및 전체 제조 비용을 과도하게 증가시킴 없이 인서트 상에 연마제 몸체의 수를 증가시키는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 예를 들어 다결정 큐빅 붕소 질소화물(즉, polycrystalline cubic boron nitride, PCBN) 또는 다결정 다이아몬드(즉, polycrystalline diamond, PCD)와 같이 초경(superhard) 연마제로 형성된 절삭 날을 갖는 금속 절삭 인서트와, 그 제조 방법에 관한 것이다.

PCD로 형성된 절삭 날을 갖는 금속 절삭 인서트는 대개 황동, 마그네슘 및 알루미늄 등과 같은 비철 합금의 기계 가공을 위해 이용되며, 반면에 PCBN으로 형성된 절삭 날을 갖는 인서트는 대개 주철 및 경화 강 등의 기계 가공을 위해 이용된다. 인서트는 2가지의 상이한 방식으로 제조된다. 즉, (i) 고온 및 고압 하에서 PCBN 또는 PCD 재료를 최종 인서트 형상으로 마무리 형성된 고체로 소결시키는 방식과, (ii) 고온 및 고압 하에서 PCBN 또는 PCD 층을, 그로부터 더 작은 단일 부품(칩)들이 절단되는 기판[대개 초경 합금(cemented carbide) 디스크]에 접합시키는 방식으로 제조된다. 이러한 칩들은 그 다음에 일반 초경 합금 인서트로 납땜되고 마무리 크기로 연마된다. 인서트들은 제품이 마무리되기 전에 거쳐야 하는 많은 단계들로 인해 제조하는 데 상대적으로 비용이 많이 든다. 또한, 일반적으로 인서트 마다 단지 하나 또는 두개의 초경질 모서리만이 이용 가능하다.

도1 내지 도5는 본 발명의 제1 실시예에 의한 금속 절삭 인서트를 형성하는데 포함되는 단계들을 도시하고, 도6 내지 도11은 본 발명의 제2 실시예에 의한 금속 절삭 인서트를 형성하는 데 포함되는 단계들을 도시한다.

도1은 제1 실시예에 이용되는 기판의 사시도이다.

도2는 수직으로 교대로 배열된 기판 층을 한정하도록 기판 층의 일부분이 제거된 도1의 기판을 도시한 도면이다.

도2A는 도2의 상부 부분을 도시한 측면도이다.

도3은 기판이 용기 내에 배치되고(일점쇄선으로 도시됨) 기판의 리세스들이 경질 연마제 재료로 충전된 상태를 도시한 도2의 측면도이다.

도3A는 도3의 선 3A-3A를 따라 도시한 측면도이다.

도4는 제품이 슬라이스되는 평면을 도시하고 고온/고압 단계를 거치는 연마제 재료 및 기판을 도시한 사시도이다.

도5는 도4에 도시된 슬라이스 조작에 의한 절삭 인서트를 도시한 사시도이다.

도6은 제2 실시예의 기판 층의 한 형태로 이용되는 디스크의 평면도이다.

도7은 기판 층의 또 다른 형태로 이용되는 디스크의 평면도이다.

도8은 도6 및 도7의 디스크들이 배치되고 도6의 디스크에 의해 형성된 공간이 초경 연마제 재료로 충전된 소결 용기를 통해 취한 단면도이다.

도9는 소결 단계가 적용되고 기판이 인서트를 형성하도록 슬라이스된 평면을 도시한 소결된 기판의 측면도이다.

도10은 슬라이스 단계가 적용된 소결된 기판의 사시도이다.

도11은 도10의 소결된 기판을 기계 가공하여 제조된 인서트의 사시도이다.

본 발명은 금속 절삭 인서트의 제조 방법에 관한 것으로서, 종축을 갖는 기판과 종방향으로 이격된 위치들에서 기판에 접합된 초경 연마제 몸체를 형성하도록 고온 및 고압 처리를 수행하는 단계와, 종방향으로 이격된 위치들에서 기판 및 초경 연마제 몸체를 슬라이스(slice)하는 단계를 포함한다. 슬라이스 단계는 종방향으로 이격된 측면들과 그 측면들의 각각 상에 배치된 종방향으로 이격된 초경 몸체부들로 구성된 적어도 하나의 인서트를 형성하도록 종방향 축의 횡방향으로 수행된다.

양호하게는, 기판은 인서트에 각각의 측면 상의 2개 이상의 초경 연마제 몸체부가 형성되도록 각각의 종방향 위치에서 2개 이상의 초경 몸체를 구비한다.

기판은 다수 모서리로 구성될 수 있고, 초경 연마제 몸체는 각각의 모서리에 배치된다.

고온 고압 처리 단계는 한 쌍의 제2 층 사이에 위치한 제1 층을 포함하는 복수의 종방향 인접 층들로 구성된 기판 배열부 상에서 수행된다. 제2 층들의 각각은 적어도 하나의 리세스를 포함하고, 상기 리세스는 제2 층의 외주 모서리 내에 형성되고 각각의 제2 층의 전체 두께로 연장되어 있다. 각각의 리세스는 초경 연마제 입자들을 갖는 재료로 충전된 갭을 형성한다. 기판 배열부의 층들은 단일 부품의 구성으로 형성될 수 있고, 또는 하나가 다른 하나 상에 배치되는 개별 부품들의 구성으로 형성될 수 있다.

본 발명의 목적 및 이점들은 동일 참조 부호가 동일 요소들을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 양호한 실시예들의 다음의 상세한 설명으로 명백해진다.

도1에서는, 초경 합금과 같은 기판 재료의 정사각형 블록을 형성할 때의 블랭크 또는 기판(10)이 도시된다. 도2, 도2A 및 도2B에 도시된 바와 같이, 기판의 일부분들은 교호하는 제1 및 제2 기판 층(12, 14)으로 구성된 기판 배열부(10A)를 형성하도록 기계 가공된다. 제1 층(12)들은 정사각형이고 제2 층(14)들은 원통형상이며, 각각의 제2 층의 외주는 4개의 위치(16)에서 제1 층들의 외주에 대해 만입되어 있다.

도3 및 도3A에 도시된 바와 같이 기판이 용기(18) 내에 배치될 때, 4개의 리세스(16)는 PCD 또는 PCBN과 같이 초경 연마제 입자들을 갖는 재료(20)로 충전되기에 적합한 각각의 공간을 형성한다. 재료(20)는 공간과 동일한 형상의 분말 또는 미리 프레스된 그린 디스크(green disk)들의 형태일 수 있다.

그 다음에, 용기 및 그 내용물들이 종래의 소결 (고온/고압) 단계로 처리되고, 여기서 각각의 공간에서의 연마제 입자들은 함께 소결되어 각각의 제2 층(14)과 그와 대항하는 제1 층(12)에 접합된 초경 몸체를 형성한다.

그 이후에, 소결된 기판 배열물은 용기로부터 제거되고, 도4에 도시된 바와 같이 각각의 제2 층(14)을 제2 층의 평면과 평행한 방향으로[즉, 기판의 종축(L)에 수직 방향으로] 분할하는 평면(P)을 따라 개개의 인서트를 형성하도록 슬라이스된다. 따라서, 초경 몸체(20)의 각각은 상부 및 하부 몸체 반부(20A, 20B)로 분할되고, 제2 층의 각각은 상부 및 하부 층 반부(14A, 14B)로 분할된다(도4 참조). EDM 전선에 의해 수행될 수 있는 슬라이스 조작 다음에, 복수의 인서트(24)들이 제공되고, 그 인서트들의 각각은 제1 층(12), 하나의 제2 층의 반부(14A)[그와 관련된 4개의 연마제 몸체 반부(20A)를 구비함] 및 다른 하나의 제2 층의 반부(14B)[그와 관련된 4개의 연마제 몸체 반부(20B)를 구비함]로 구성된다. 따라서, 인서트의 각각의 측면은 제1 층(12)에 의해 지지되는 4개의 초경 몸체를 구비한다.

각각의 측면 상에 선택된 수의 호형 몸체들을 구비한 임의의 필요한 형상의 인서트들이 본 발명에 의해 형성될 수 있음을 이해하게 된다. 연마제 몸체들 및 그 위치의 수는 제조되어야 하는 인서트의 유형에 따라 선택될 수 있다. 인서트마다 연마제 모서리들의 수를 최대화하기 위해, 가능한 한 많은 수의 연마제 몸체들을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

연마제 몸체들 자체는 마무리 가공된 인서트의 절삭 작업이 본질적으로 연마제 몸체에 의해 수행되는 한은 임의의 형상일 수 있고 인서트 상의 어느 곳에서도 위치될 수 있다. 모서리들에 위치한 연마제 몸체들이 그 모서리들에 대해 대칭적일지라도, 몸체들은 그 대신에 비대칭적으로 배치될 수 있다. 동일한 또는 상이한 형상들의 연마제 몸체들이 동일한 인서트 상에 제공될 수도 있다. 연마제 몸체들은 원한다면 기판에 접합된 후에 (예를 들어, 연삭에 의해) 재성형될 수 있다.

연마제 재료(20)는 양호하게는 본 기술 분야에서 공지된 바와 같이 양호하게는 티탄인 주기표 IVa족 내지 VIa족의 금속들의 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 산화물, 붕소화물과 같은 다른 경질 및 내연마제 성분들과 혼합된 PCD 또는 PCBN 입자들로 구성된다. MN90의 조성이 이용될 수 있다. 조립체는 미국 특허 제4,991,467호 및 제5,115,697호(상기 특허의 개시 내용은 본문에서 참조로서 포함됨)에 개시된 바와 같이, 고압 재료를 제조하기 위한 종래의 고온 고압 처리를 받는다.

초경 합금 기판은 제조된 인서트에 의해 수행되는 절삭 작업에 본질적으로 포함되지 않으므로, PCD 또는 PCBN 연마제에 양호한 접합성을 제공하고 연삭이 용이하며 저렴한 성분 및 적합한 파열 저항성을 갖도록 그 조성이 선택된다. 양호하게는, 10 내지 20 중량%, 보다 바람직하게는 약 15 내지 17%의 Co를 갖는 WC-Co 초경 합금이 이용된다. 특히 16% 등급에서 양호한 결과가 얻어졌다. 초경 합금 대신에, 티탄을 기초로 한 탄화질화물을(소위, 서어멧)이 이용될 수 있다. 본 발명에 의한 인서트에는 종래의 PVD 또는 CVD 방법에 의해 양호하게 도포된 내연마제 박층이 제공될 수 있다. CVD 코팅은 일반적으로 약 950 내지 1000℃에서 석출되고, PVD 코팅은 양호하게는 티타늄원과 질소 대기를 이용하여 약 500℃에서 석출된 TiN 층이다. 이러한 기술에 의해 제조된 PVD-층은 압축 잔여 응력을 갖는다.

본 발명의 제2 실시예가 도6 내지 도11을 참조하여 설명된다. 실시예는 소결 공정을 거친 기판이 응력 파열을 초래할 수 있는 모서리를 갖지 않는다는 점에서 도1 내지 도5의 실시예보다 더 바람직할 수 있다. 또한, 기판 층은 단편 구성이 아니고, 도6 및 도7에 각각 도시된 개개의 디스크(40, 50)에 의해 형성된다. 기판 층(40, 50)은 층(40)이 그 외주에 형성된 4개의 리세스(42)를 구비한 점을 제외하고는 대체로 동일한 크기 및 형상의 원형 디스크이다.

층(40, 50)은 리세스(42)가 공간(62)을 형성하도록 교대 방식으로 용기(60) 내에 위치된다(도8 참조). 공간(62)은 PCD 또는 PCBN과 같은 초경 연마제 입자들을 갖는 재료(64)로 충전된다. 재료는 분말 또는 미리 프레스된 그린 블랭크 형태일 수 있다.

종래의 고온/고압 단계를 적용한 후에, 연마제 입자들은 함께 소결되어 초경 몸체들을 형성하는 데, 상기 초경 몸체들은 종방향으로 분리 이격되고, 즉 부재의 종축(L)에 평행하게 분리 이격되고(도9 참조), 관련된 제2 층(40) 및 인접한 제1 층(50)에 접합되어 있다. 또한, 제1 및 제2 층들은 상호 일체로 접합되어 일체식 기판(65)을 형성한다(도9 참조). 그 다음에 일체식 구조물은 예를 들어 EDM 와이어에 의해 기판 층의 최초 평면과 평행하게(즉, 일체식 구성의 종축 L'에 수직으로) 배열된 평면(P')을 따라 슬라이스된다. 평면(P')은 제2 층(40)에 의해 미리 한정된 구성의 영역을 양분하도록 배향된다. 그렇게 함으로써, 초경 몸체(64)는 도9에 도시된 바와 같이 몸체 반부(64A, 64B)로 양분된다.

슬라이스 조작 후에, (i) 기판(65)[이전의 제1 층(50) 및 2개의 이전의 제2 층(40)의 반부로 구성됨], (ii) 인서트의 한 측면 상의 2개의 초경 몸체(64B)의 반부, (iii) 인서트의 다른 측면 상의 2개의 초경 몸체(64A)로 구성된 인서트(66)가 제공된다.

그 다음에, 인서트는 도11에 도시된 다수-모서리의 인서트(72)를 형성하도록 라인(70)을 따라 기계 가공된다. 초경 몸체(64A, 64B)는 절삭 조작에 이용될 때에, 기판의 일부분에 의해 하부로부터 지지된다.

각각의 측면 상에 선택된 수의 초연마제 몸체를 갖고 임의의 바람직한 크기 및 형상을 갖는 인서트들이 도6 내지 도11에 관련하여 설명된 실시예에 따라 제조될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면 인서트에 대한 연마제 모서리의 비율을 최대화하여 간단한방식으로 인서트를 형성할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명이 그 양호한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙련된 사람은 첨부된 청구 범위에 한정된 본 발명의 정신 및 범주로부터 벗어남이 없이도 특별히 설명되지 않은 부가예, 제거예, 개조예 및 대체예가 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (20)

1. 금속 절삭 인서트의 제조 방법에 있어서,

   A) 종축을 갖는 기판과, 종방향으로 이격된 위치들에서 기판에 접합된 초경 연마제 몸체들을 형성하도록 고온 고압 조작을 수행하는 단계와,

   B) 종방향으로 이격된 측면들과 각 측면들에 배치된 종방향으로 이격된 초경 몸체부들로 구성된 적어도 하나의 인서트를 형성하도록, 종방향으로 이격된 위치들에서 종축의 횡방향으로 상기 기판 및 초경 연마제 몸체들을 슬라이스하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 초경 몸체는 PCD인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 초경 몸체는 PCBN인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 단계 A에서, 인서트에서 그 각각의 측면 상에 2개 이상의 초경 연마제 몸체부들이 형성되도록, 각각의 종방향 위치에서 2개 이상의 초경 몸체를 갖는 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 단계 A에서, 원형 기판을 형성하고, 인서트를 다수 모서리 형상으로 기계 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 인서트는 PVD 코팅층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 인서트는 CVD 코팅층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 각각의 측면 상에 초경 절삭 날을 구비한 금속 절삭 인서트의 제조 방법에 있어서,

   A) 각각의 제2 층이 외주 모서리 내에 형성되고 각각의 제2 층의 전체 두께로 연장된 적어도 하나의 리세스를 구비하고, 각각의 리세스는 용기 내에 공간을 형성하며, 한 쌍의 제2 층들 사이에 위치한 제1 층을 포함하는 복수의 기판 층들로 구성된 기판 배열부를 용기 내에 위치시키는 단계와,

   B) 상기 공간들을 초경 연마제 입자들을 갖는 재료로 충전하는 단계와,

   C) 각각의 공간 내의 상기 초경 입자들이 상기 제1 층 및 상기 제2 층에 접합된 초경 몸체로 함께 소결되도록, 용기를 고온 고압 상태에 두는 단계와,

   D) 각각의 제2 층이 상기 인서트의 한 측면을 형성하고 각각의 초경 몸체의 일부분에 의해 형성된 초경 절삭 날을 포함하도록, 상기 제1 층과 각각의 제2 층의 일부분과 각각의 초경 몸체의 일부분으로 구성된 인서트를 형성하기 위해 상기 기판 배열부를 각각의 제2 층을 통과하는 라인들을 따라 그 평면과 평행한 방향으로슬라이스하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 단계 A는 제1 층 및 제2 층이 단일 부품의 구성으로 이루어진 기판 배열부를 상기 용기 내에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 제2 층은 원통형상이고, 상기 제1 층은 다각형상인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제8항에 있어서, 단계 A는 제1 층 및 제2 층이 개개의 단일 부품들로 구성된 기판 배열부를 상기 용기 내에 위치시키는 단계를 포함하고, 단계 C는 상기 제2 층들이 상기 제1 층에 접합되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제8항에 있어서, 단계 A는 부가적인 교대식 제1 층 및 제2 층을 포함하는 기판 배열부를 상기 용기 내에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제8항에 있어서, 단계 A는 상기 제1 기판 및 제2 기판이 원형 디스크인 기판 배열부를 상기 용기 내에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제8항에 있어서, 단계 D는 상기 제2 층을 중심을 통해 슬라이스하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제8항에 있어서, 단계 B는 상기 공간을 분말 형태의 상기 재료로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제8항에 있어서, 단계 B는 상기 공간을 미리 프레스된 그린 디스크들로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제8항에 있어서, 단계 A는 초경 합금으로 형성된 기판 배열부를 상기 용기 내에 위치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제8항에 있어서, 단계 B는 상기 공간을 PCD로 구성된 초경 연마제 입자들을 갖는 재료로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제8항에 있어서, 단계 B는 상기 공간을 PCBN으로 구성된 초경 연마제 입자들을 갖는 재료로 충전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 각각의 측면 상에 초경 절삭 날을 구비한 다수 모서리의 금속 절삭 인서트를 제조하는 방법에 있어서,

    A) 각각의 제2 층이 제1 층과 중첩 관계로 배열된 외주 내의 적어도 2개의 리세스를 구비하고, 각각의 리세스는 용기 내에 공간을 형성하며, 복수의 원형 제2 층들과 교대로 배열된 원형 제1 층을 포함하는 복수의 기판 층들로 구성된 기판 배열부를 상기 용기 내에 위치시키는 단계와,

    B) 상기 공간들을 초경 연마제 입자들을 갖는 재료로 충전하는 단계와,

    C) 각각의 공간 내의 상기 초경 입자들이 상기 각각의 제2 층 및 상기 제1 층에 접합된 초경 몸체로 함께 소결되도록, 상기 용기를 고온 고압 상태에 두는 단계와,

    D) 상기 제1 층의 반부, 상기 제2 층들의 반부들 및 상기 초경 몸체들의 반부들로 구성됨에 의해, 각각의 제2 층에 의해 형성된 2개의 측면을 포함하고 각각의 측면들이 상기 초경 몸체들의 반부들에 의해 형성된 초경 절삭 날들을 포함하는 인서트를 형성하도록, 상기 기판 배열부를 각각의 제2 층들의 중심을 통과하는 라인들을 따라 그 평면과 평행한 방향으로 슬라이스하는 단계와,

    E) 상기 초경 몸체들의 반부들이 상기 인서트의 각각의 측면 상의 각각의 모서리에 배치되어 있는 다수 모서리 형상으로 상기 인서트를 기계 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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