KR100392755B1 - 자가 추진식 회전 커터를 이용한 재료 보링 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 CV 주철, 회주철 및 다른 재료용 보링 공구(10)는 적어도 하나의 자가 추진식 회전 커터 인서트(15)를 포함한다. 인서트는 카트리지(16) 내에 지지되며, 이 카트리지 내에서 보링 공구 본체(11)에 대하여 제2 축인 자신의 축(27)을 중심으로 회전 가능하다.

Description

자가 추진식 회전 커터를 이용한 재료 보링 {MATERIAL BORING WITH SELF-PROPELLED ROTARY CUTTERS}
금속의 기계 가공(절삭)에 있어서 자가 추진식 회전 커터의 사용은 선반 내에서 공작물이 회전하는 절삭 작업 분야에 공지되어 있다. 또한 이러한 사용은 밀링 작업 분야에서도 알려져 있다.
미국특허 제2,233,724호, 제2,513,811호 및 제4,181,049호는 절삭 작업에서 회전 커터를 사용하는 초기 및 가장 최근의 일례에 해당한다. 미국특허 제3,329,065호는 밀링 작업에서 상기 커터를 사용하는 일례이다.
금속의 기계 가공 분야에서, 자가 추진식 회전 커터는 환형 부품으로서, 적절한 캐리어(carrier)나 공구 본체 내에서 호환이 가능하므로 흔히 "인서트(insert)"라고 불리며 절삭에 사용되는 금속 보다 더 강한 재질로 이루어진다. 이 커터 인서트는 여러 가지 형태로 제공될 수 있지만, 편평한 와셔와 같은 형태가 일반적이며, 그의 단순한 형상으로 인하여 비용을 절감할 수 있기 때문에 자주 선호된다. 커터 인서트는 커터 축을 중심으로 회전용 공구 본체 내에 지지된다. 밀링 공구 본체를 적절하게 설계하여 이 본체가 커터를 회전 가능하게 유지하는 방법이나 절삭용 선반 내에서 회전 공작물에 대하여 커터를 구비한 공구 본체를 적당하게 위치 설정하는 방법 중 어느 한가지 방법에 의해서, 원주 커터 면과 커터 부품의 인접 에지는 절삭이나 밀링하고자 하는 공작물에 대하여 원하는 위치 내에 배치된다. 커터와 공작물 중 어느 한 쪽이 상호 회전하면서 커터가 공작물 내로 삽입되는 절삭 작업 동안 커터와 공작물을 원하는 위치 관계로 유지할 때, 커터와 공작물 사이의 마찰로 인해서 커터를 자신의 축을 중심으로 회전시키게 된다. 이러한 마찰로서는 커터와 공작물 사이의 강제 접촉에 의해 생성된 금속 칩과 커터 사이의 마찰을 들 수 있다. 커터가 자신의 축을 중심으로 회전할 때, 커터 면의 새로운 부분과 에지는 공작물과 절삭 접촉(cutting contact)하면서 이동하지만, 이 접촉으로부터 벗어나 이동하는 에지와 커터 면의 일부는 공작물과 다시 접촉하기 전에 냉각될 수 있다. 이와 유사한 기계 가공 조건하에서 회전 커터는 비회전 커터보다 훨씬 더 차가운 상태로 존재하기 때문에 비회전 커터에 비하여 상당히 긴 사용 수명이 가능하다.
보링 작업에서 자가 추진식 회전 커터를 이용하는 방법에 대한 일부 문헌에도 불구하고 공지된 바와 관련하여, 상기 커터는 실질적으로 절삭 및 밀링 작업에서만 사용된다. 다음의 상세한 설명에서 자가 추진식 회전 커터를 갖는 보링 공구의 일례를 더 완전하게 밝히는 바와 같이, 절삭 및 밀링 작업은 회전 커터 인서트에 힘을 적용하는 방법에 있어서 서로 매우 공통되지만, 보링 작업은 상당히 다른 체계뿐만 아니라 일련의 커터 인서트 삽입 조건과 효과를 나타낸다. 이러한 차이점과 이 차이점의 확실한 이해의 부족으로 인하여 금속 보링 작업에서 자가 추진식 회전 커터를 연속 및 효과적으로 사용함에 있어서 문제가 발생한다.
금속 보링은 드릴링과 다르다. 보링은 대략 원형의 원통 구멍, 공동 또는 통로를 갖는 공작물 내에서 실시되며, 이들의 벽에, 예를 들어 특정 직경과 원하는 표면 다듬질을 갖는 더 정확한 원통 구멍을 제공하기 위하여 기계 가공하는 작업이다. 보링은 상기 목적을 달성하기 위해 이용되는 작업이다. 한편, 일반적으로 원하는 위치에서 구멍, 공동 또는 통로를 갖지 않는 공작물을 가정하면, 드릴링은 상기 구멍, 공동 또는 통로에 특정 직경을 형성하기 위해 사용되는 작업이며, 적절하다면 원하는 표면 다듬질을 실시하기 위해 사용되는 작업이다. 보통, 보어는, 예를 들어 드릴링으로 형성된 구멍보다 훨씬 더 큰 직경 대 길이 비를 갖는다.
금속 보링 작업에서는 가공 조건 면에서 자가 추진식 회전 커터가 사용됨으로서 큰 이득이 될 수 있지만 최근에는 점점 사용되지 않고 있다. 예를 들어, 자동차 산업에서 경차를 사용할 때 연료 효율을 증가시키기 위하여 현저하게 많은 인자들이 요구되며, 이것은 자동차 제조업자에게 전체적으로 엔진 블록을 더 가볍게 할 수 있는 알루미늄, 다른 경량 합금 또는 다른 재료(예를 들어 주철의 특정 형태인 CV 주철)로 제작된 엔진을 생산할 것을 자극하였다. 알루미늄은 가볍고 비교적 저렴하기 때문에 선호된다. 그러나, 알루미늄은, 특히 고온에서, 이 알루미늄이 특별히 그리고 고가로 다른 재료와 합금 되지 않는다면, 내마모성이 알려지지 않고 있다.
자동차 엔진 블록들은 주조 공정에 의해 초기에 성형되고, 그후 드릴링, 탭핑, 밀링, 보링 및 기타 기계 가공 공정을 포함하는 마무리 기계 가공 공정에 의해 성형된다. 캐스트 알루미늄(cast aluminum)이 미가공 상태의 엔진 블록을 성형하기 위해 사용된다면, 이 엔진 내에서 실린더 보어의 벽들은 흔히 고온에서 높은 내마모성을 갖는 금속 슬리브(sleeve)에 의해 한정된다. 실린더 벽은 기계 가공 엔진 블록 내에 삽입된 기계 가공 슬리브에 의해 성형될 수 있으며, 또는 더 바람직하게는 상기 내마모성 재료로 이루어진 일반적인 관형 부품에 의해 성형될 수 있고, 여기서 블록의 주조시 이 관형 부품에 둘러싸여 알루미늄 엔진 블록이 성형된다. 엔진 블록을 성형하는 상황에서, 실린더 인서트를 성형하기 위해 사용되는 바람직한 재료는 CV 주철(compacted graphite iron)이나 "CGI"이다. 그러나, CGI는 기계 가공하는 동안 커터에 의해 회복되어야 하는 고인장과 전단 강도로 인하여 기계 가공이 매우 어렵다. 알려진 바와 같이, 최근에 CGI는 자동차 엔진 블록 생산에서 실린더 인서트 재료로서 사용되지 않는다. 엔진 블록 생산시 주조되며 실린더 보어가 기계 가공되는 가장 일반적인 재료로서는 회주철(주철)이 사용된다.
미가공 엔진 블록 캐스팅으로부터 마무리 기계 가공 자동차 엔진 블록의 생산에서는 이송 라인(transfer line)이 널리 사용된다. 이 이송 라인은 일련의 기계 가공 스테이션(machining station)을 포함하며, 이 스테이션을 통하여 엔진 블록이 일괄적으로 통과할 뿐만 아니라 이 스테이션에서 한 가지 이상의 특정 기계 가공 공정이 블록 캐스팅 내에서 실시된다. 오늘날의 이송 라인은 고도의 자동화가 이루어져 있다. 수동이나 로봇 또는 다른 메커니즘에 의해 이송 라인의 한쪽 단부에서 미가공 블록 캐스팅이 탑재되고, 이 이송 라인의 다른 쪽 단부에서 유사한 방식으로 마무리 기계 가공 블록이 하역된다. 이송 라인의 단부들 사이에서 일반적으로 블록들은 사람의 손과 접촉하지 않는다. 이송 라인들은 수 개의 기계 가공 스테이션에서 낡거나 무딘 금속 절삭 부품을 교체할 필요가 거의 없다는 점에서 가장 효율적으로 기능 한다. 이전에는, 엔진 블록들이 자동 기계 가공 이송 라인에서 취급될 때, 실린더 보링 작업이 일반적인 것은 아니지만 자주 전체 이송 라인 속도와 효율을 제한하는 작업이었다. 그 이유는 금속 절삭 부품들이 공구 내에 고정될 때 비교적 자주 보링 공구들을 교체할 필요가 있으며, 이 보링 공구들이 고온에서 연속적으로 사용되기 때문에 사용 수명이 짧기 때문이다. 요즘에는 일반적으로 자동 이송 라인에서 두 개의 연속 실린더 보링 스테이션이 사용되며, 이 스테이션에서는 거칠고 반 다듬질 상태의 보링이 각각 실시된 후에 실린더 호닝 스테이션(horning station)으로 전달된다. 따라서, 엔진 블록의 실린더 보링은 자동차 산업에서 까다로운 문제이다.
상술한 바와 같이, 경량 자동차 엔진의 제조를 위해서, 다른 무엇보다도 금속 보링 작업에서 자가 추진식 회전 커터의 잇점을 이용한 자동 이송 라인의 절대적인 필요성이 오랫동안 존재하였다. 또한, 자동차 제조 산업에서 유용한 본 발명의 형태는 금속 보링 공정을 실시하는 다른 산업에서도 유용하다.
본 발명은 공구 본체 내에 탑재된 자가 추진식 회전 커터를 이용하여 금속 및 다른 가공성 재료를 보링 가공하는 것에 관한 것이다.
도 1은 자신의 상단 단부에 지지된 자가 추진식 회전 커터를 가진 보링 공구의 측면도.
도 2는 보링 공구의 평면도.
도 3은 회전 커터 인서트 및 장착부의 다른 구성품이 부분적으로 도시된, 3개가 도 1 및 도 2에 도시된 공구의 구성품인 회전 커터 장착부 베이스의 정면도.
도 4는 도 3의 선 4-4를 따라 절취된 장착부 베이스의 정면도.
도 5는 본체 내에 커터 장착부가 없는 보링 공구 본체의 부분 정면도.
도 6은 공구 본체의 평면도,
도 7은 후방 장착부 로크부재의 평면도.
도 8은 후방 장착부 로크부재의 정면도.
도 9는 전방 장착부 로크부재의 평면도.
도 10은 전방 장착부 로크부재의 정면도.
도 11 내지 도 15는 도 1 및 도 2에 도시된 보링 공구의 설계, 및 본 발명에 따른 다른 보링 공구 및 커터 장착부에 관한 소정의 변수 사이의 관계를 나타낸 그래프. 도 11 내지 도 15 각각에 있어서, 가로 좌표(수평축)은 범위 -20도(원점) 내지 0도를 통하여 1도씩 증분된 축방향 경사각이며, 상기 그래프에서 등고선은 범위 β= 0도 내지 β= -20도를 통하여 1도씩 증분된 반경방향 경사각 값이다. 도 11 내지 도 15의 세로 좌표(수직축)은 다음과 같다:
도 11: 파운드로 나타낸 접선방향 절삭력
도 12: 파운드로 나타낸 반경방향 절삭력
도 13: 파운드로 나타낸 축방향 절삭력
도 14: 파운트-인치로 나타낸 인서트의 토크.
도 15: 분당 회전수로 나타낸 인서트 속도.
모든 경우에서, 절삭 속도는 분당 2641 표면 피트(분당 805M), 커트의 깊이는 0.0157인치(0.40mm), 및 공급 속도는 투스당 0.006인치(.15mm)이다. 투스는 공구의 절삭 에지이다. 투스당 공급 속도는 공구의 절삭 에지 개수로 나누어진 회전당 전체적인 공구 전진 속도이다.
본 발명은 전술한 필요성을 바람직하게 해소할 수 있다. 특히 공구의 절삭 면 및 에지가 자가 추진식 회전 커터 인서트의 면 및 에지인 금속 기계 가공 용도의 보링 공구를 제공함으로써 달성된다. 인서트는 보링이 관련된 이송 속도 및 커터면 속도로 진행되기 때문에 인서트를 절삭면 및 에지를 적절하게 냉각시키는데 충분한 원하는 속도로 정확한 방향으로 회전시킬 수 있는 위치의 보링 공구 본체에 지지된다.
일반적으로, 본 발명의 구조체 형태는 보링 도중에 1차 축을 중심으로 회전가능하고 이를 따라 전진 가능한 본체를 가진 보링 공구이다. 공구 본체는 본체에 장착된 회전식 둥근 커터를 지지하여 1차 축에 대하여 고정된 2차 축을 중심으로 회전시킨다. 커팅부재, 즉 커터는 절삭면과 경계되는 원형의 커팅 에지를 가진다. 일반적으로 절삭면은 공구 본체의 보링 회전방향, 즉 공구가 제품의 천공에 사용될 때 공구가 제품에 대하여 전진하는 방향을 향하여 대면한다. 1차 축과 2차 축의 관계는 1차 축으로부터 반경방향의 절삭 에지의 최대로 이격된 지점에 위치된 절삭 지점에서, 절삭면이 1차 축에 대하여 반경방향 및 축방향 경사각을 가지도록 형성된다. 반경방향 및 축방향 경사각은 커터가 공구를 사용하여 보링하는 도중에 적어도 미리 정한 토크로 2차 축을 중심으로 회전하도록 형성된다.
본 발명의 다른 실시예는 보링 공구에 유용한 둥근 회전식 커터용 커팅부재 장착부이다. 공구는 보링 도중에 공구 축을 중심으로 회전가능하고 이를 따라 전진 가능한 본체를 가진다. 장착부는 베이스 및 커터 축을 중심으로 회전하도록 베이스에 의하여 회전 가능하게 지지된 환형의 회전식 커터를 포함한다. 커터는 커터 축으로부터 대체로 반경방향으로 연장되는 면 및 상기 면과 경계되는 외주 절삭 에지를 가진다. 장착부는 장착부가 공구 본체에 본체와 소정의 관계로 견고하게 연결 가능한 구조체를 포함한다. 상기 관계는 커터 표면이 본체의 축을 중심으로 공구 본체의 보링 회전방향을 향하여 개방되는 관계이다. 또한, 상기 관계는 커터의 절삭표면이 부재 상의 절삭 위치의 공구 축에 대하여 미리 정한 축방향 및 반경방향 경사각을 가진 관계이다. 커터의 절삭 위치는 공구 축으로부터 절삭 에지가 최대로 이격된 위치이다. 반경방향 및 축방향 경사각은 커터가 공구의 보링 동작 시 미리 정한 토크로 커터 축을 중심으로 미리 정한 방향으로 회전하는 값을 가진다.본 발명의 다른 실시예는 자가 추진식 회전 커터를 사용하여 소정의 재료로 된 제품에 소정의 직경을 가진 구멍을 기계 가공하는 방법을 제공한다. 이 방법은 가공재의 성질을 참고하여, 커터의 절삭 속도, 절삭 깊이 및 축방향 이송 속도에 대한 동작값을 먼저 결정하는 단계를 포함한다. 이 동작값에 대하여 커터의 접선에 대한 축방향 및 반경방향 경사각, 반경방향 및 축방향 절삭력, 커터의 각속도 및 토크의 관계를 설정한다. 그리고 커터의 회전축에 대한 원하는 방향으로의 최대 토크를 얻기 위한 커터의 축방향 및 반경방향 경사각을 특정한다. 그리고 특정한 커터의 경사각에서의 커터의 베어링력을 설정한다.공구 회전축으로부터 반경방향으로 상기 특정 직경의 절반만큼 이격된 절삭 지점에서 상기 특정한 축방향 및 반경방향 경사각을 가지는 회전 커터를 탑재한 회전 가능한 보링 공구를 구비한 후, 이 보링 공구를, 상기 결정된 절삭 속도 및 축방향 이송 속도를 생성하는 각속도로 동작시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 보링 공구(10)의 측면도이다. 공구의 본체(11)는 보링 장치나 머시닝 센터(도시하지 않음)의 회전 스핀들 내에 장착되는 스핀들 단부(12)와 베이스(13)를 가지고 있다. 만일 센터에서 수행되는 서로 다른 가공 작업 사이에 공구를 자동으로 교환하는 장치를 가진 머시닝 센터에서 이러한 공구가 사용되고 있다면, 공구의 베이스(13)는 머시닝 센터의 공구 취급 기구 내에 수납, 결합 및 인덱싱될 수 있는 형상으로 이루어진다. 예를 들면, 도 1에 도시된 공구의 베이스(13) 형태는 ABS 80 표준에 따른 공구 생크 형태 및 가공 공구 스핀들 설계 사양에 일치한다. 공구의 본체는 반대편에 보링 단부(14)를 가지고 있다. 일반적으로, 공구(10)의 보링 단부(14)는 공구를 사용하여 금속 보링 작업하는 동안 공구의 하측단에 위치한다. 보링 작업 시, 보링 공구는 금속 제품(예를 들면, 자동차 엔진 블록)에 있는 실질적으로 둥근 원통 구멍 또는 함몰부의 벽을 (절삭)가공하여, 금속 부재 내에 위치한 보링 공구의 기하학적 형태에 따라 결정되는 특정 직경을 가진 진원통형 벽면을 형성한다.
공구(10)의 보링 단부(14)에는 3개의 회전 커터 부재(15)가 회전가능하게 탑재되어 있다. 이 회전 커터 부재는 본 명세서에서 커터 또는 커팅 부재라고도 하며 일반적으로 기계 가공 산업 분야에서는 인서트(insert)로 알려져 있다. 회전 커터 부재(15)는 공구를 사용하여 보링하는 동안 자신과 맞물릴 금속보다 훨씬 단단한 재료로 형성된다. 바람직한 커터 재료로는 질화 실리콘, 세라믹 재료가 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공구(10)는 각각의 커터를 카트리지 형태의 각기 다른 커터 부재 장착부(16)에 장착하고 있다. 각각의 카트리지는 공구 본체 내로의 삽입 및 제거가 용이하다. 따라서, 커터가 닳으면 효과적인 교환이 용이하고, 다른 카트리지로의 대체가 용이하여 상이한 직경의 구멍을 가공하는 데에도 유용하다. 커터 카트리지(16)는 동일한 것이 바람직하다. 도시된 형태의 커터 카트리지는 본 명세서에서 참조하고 있는 미합중국 특허 제4,477,211호에 기재된 바와 실질적으로 일치한다. 각 카트리지는 고정자 샤프트(24)(도 3 및 도 4에 도시함)에 장착된 클램프 너트(21), 베이스(18)(또는 고정자라고도 함)와 회전자(19), 커터 인서트(15), 그리고 칩 디플렉터(20)를 포함한다. 여기에는 도시되어 있지 않으나 미합중국 특허 제4,477,211호를 참조하면, 회전자는 스러스트 베어링, 니들 베어링 및 볼 베어링을 통하여 고정자 샤프트에 결합되는 것이 바람직함을 알 수 있다. 상기 베어링은 고정자와 회전자 사이에 위치하여 회전자를 고정자 상에 회전 가능하게 장착시키고, 보링 작업 도중에 커터 인서트를 통해 회전자에 가해진 고정자 축방향 부하를 전달한다. 고정자 샤프트는 커터 인서트가 그 주위를 회전하는 축을 형성한다. 클램프 너트는 나사산(25)(도 3 및 도 4 참조)을 통하여 고정자 샤프트에 연결된다. 이 나사산(25)은 샤프트의 대단부로부터 일정거리만큼 떨어져서 샤프트의 단부에 형성되어 있다. 나사산(25)은 보링 도중에 고정자 샤프트를 중심으로 회전하는 커터 인서트의 방향과 반대 방향으로 나사산이 형성되는 것이 바람직하다. 공구(10)에서 인서트(15)는 나사산이 있는 샤프트 단부로부터 샤프트 축을 따라갈 때 고정자 샤프트를 중심으로 시계방향(즉, 오른쪽 방향)으로 회전하므로 나사산(24)은 왼나사산을 갖는다.
커터 카트리지 고정자(18)는 공구 본체(11)에 장착 및 탈착이 용이하며, 고정자 축(27)이 공구 본체의 중앙 축(28)에 대하여 공구 본체 내 소정의 고정 위치에 있도록 한다. 이와 같은 구조적 특징을 가진 바람직한 세트는 나사산(25)에 대향하는 고정자 면에 형성된 리브형 메일(male) 더브테일 연결부(22)를 포함한다. 메일 더브테일 연결부(22)는 공구 본체의 각기 다른 리세스(17)의 후방에 형성된 그루브형 피메일(female) 더브테일 연결부(23)(도 2 참조)와 맞물린다. 각 피메일 더브테일 연결부의 중앙선은 공구 축(28)과 평행한 것이 전형적이며 바람직하다. 그러나 메일 더브테일 연결부(22)의 중앙선은, 대부분의 경우, 고정자 샤프트 축(27)과 직각이 아니라 이 축에 대하여 각도 r만큼 경사져 있다. 앞서 설명한 것처럼, 이 각도는 공구 본체에 탑재된 각 커터 인서트에 대하여 축방향 경사각 α를 이룬다. 이 점은 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 고정자를 더브테일 연결부(22, 23)를 통해 공구에 장착할 때 공구 축(28)쪽으로 향하는 고정자의 측면에서 바라 본 카트리지 고정자의 도면이다. 고정자에 회전자(19), 커터 인서트(15), 칩 디플렉터(20) 및 클램프 너트(21)가 점유한 위치를 도 3에 쇄선으로 나타낸다.
도 3의 선 4-4를 따라 자른 카트리지 고정자(18)를 나타낸 도 4를 보면, 메일 더브테일 연결부가 고정자 축(27)에 중심이 맞추어지지 않고, 도 3에 도시된 고정자의 측면으로 상기 축에서 횡방향으로 벗어나 있다. 이러한 오프셋(offset)으로 인하여 각 더브테일 그루브(23)가 리세스(17) 근방의 공구 본체의 원주로부터 충분하게 내측으로 위치된 지점의 공구 본체에 형성되어, 고정자 베이스가 공구 본체에 견고하게 연결될 뿐만 아니라 고정자 샤프트가 공구 축(28)으로부터 비교적 멀리 떨어지게 함으로써 커터 인서트(15)의 직경이 공구(10)를 사용하여 보링하는 도중에 절단되는 구멍의 직경과 일치되도록 유지될 수 있다. 메일 더브테일 리브(22)가 축(27)으로부터 오프셋됨으로써 고정자 샤프트의 나사산을 가진 최첨단부에 견고한 구조적 특성을 제공하여 샤프트 단부가 도 1 및 도 2에 도시되고 후술하는 바와 같이 공구 본체에 효과적으로 클램프될 수 있도록 한다.
고정자 축(27)의 위치를 공구 축(28)에 대하여 고정시킬 수 있는 고정자 고조부를 이루는 다른 형상으로는, 고정자가 공구 본체에 장착될 때 나사산(25)을 형성하는 샤프트 부분에 형성된 편평한 두 개의 면(30, 31)이 있다. 이들 면은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 이들 면은 도 9 및 도 10에 도시되며 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 전방 클램프 도그 부재(33)와 맞물린다. 고정자 샤프트 단부면(30)은 샤프트 축(27)과 평행하며 더브테일 리브(22)의 길이 방향과 평행하게 되는 것이 바람직하다. 고정자 내의 자신의 위치는 공구 본체 카트리지 리세스(17)의 형상에 맞추어 결정되므로, 카트리지가 더브테일 연결부를 거쳐 리세스에 장착될 때, 면(30)이 리세스(17)의 편평한 면(34)에 맞대어 위치된다. 면(31)은 면(30)과 웨지형으로 경사져 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 면(31)은 완전 조립된 보링 공구의 대응하는 전방 도그 부재의 후방(공구(10)의 보링 회전 방향에 대하여) 텅 연장부(35)에 의하여 결합된다. 전방 클램프 도그 부재는 연장부(35)가 이로부터 반경방향으로 뻗어 있는 실질적으로 튜브형의 본체(36)를 가지고, 연장부가 본체(36)의 길이 방향으로 뻗는 정도는 본체의 한쪽 단부로부터의 본체 길이보다 짧다. 탭 구멍(37)이 도그 본체(36)에 축방향으로 형성된다.
조립된 보링 공구(10)에서, 전방 클램프 도그부재는 공구 본체의 리세스 면(34)에 형성된 캐버티(39) 내에 수용된다. 예를 들어 도 5와 같다. 캐버티(39)내에 위치한 도그부재는 회전할 수 없다. 캐버티(39)의 연장부(35)는 대응하는 커터 인서트 카트리지의 면(31)과 일치되도록 형성된다. 전방 클램프 도그부재는 스크류(도시하지 않음)에 의하여 공구 본체에 고정되며, 도그 연장부의 내측 면(40)이 고정자 단부면(31)과 결합되어 고정자 샤프트의 단부가 리세스(17) 내의 공구 본체에 맞대어 클램프된다. 클램프 도그(33)를 캐버티(39) 내에 고정시키는데 사용된 스크류가 공구 본체를 캐버티 저면의 본체에 형성된 탭 구멍(41) 내에 결합시킨다.
커터 인서트 카트리지(16)의 공구 본체(11)내에서의 올바른 위치는 공구 본체에 형성된 구멍(44)에 삽입되는 위치 결정 핀(43)(도 1 참조)에 의하여 정해진다. 이 구멍(44)은 이와 대응하는 더브테일 그루브(23)를 가로지른다. 이 핀은 카트리지가 더브테일 그루브를 통해 공구 본체 내에 삽입될 때, 더브테일용 위치 결정 스토퍼로 작용한다. 즉, 이 핀(43)은 도 3의 우측 하단 모서리 부분에 도시된 리브의 끝에서 더브테일 리브의 끝과 결합한다. 공구 본체의 더브테일 그루브(23)는 공구 회전 축(28)과 평행하게, 또는 실질적으로 평행하게 뻗어 있기 때문에, 카트리지 더브테일 리브와 핀(43)의 결합체는 카트리지가 공구 본체 내에서 공구 축(28)을 따라 이동하는 범위를 제한한다. 이 범위는 카트리지 내의 더브테일의 길이에 의하여 정해지며, 이에 따라 공구 축(28)에 대한 카트리지의 절삭 지점(55)의 위치를 설정하게 된다. 전술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 공구 본체 내의 특정 위치결정 핀(43)의 위치 및 대응하는 카트리지 더브테일 리브의 유효 길이 중 어느 하나 또는 양자 모두를 조정함으로써 대응하는 커터 인서트 절삭 지점의 공구(10)에 지지된 다른 커터 인서트의 절삭 지점에 대한 엇갈림(axial stagger)을 설정할 수 있다.
카트리지의 더브테일 리브는 후방 클램프 도그부재(46)의 작용에 의하여 공구 본체에 클램프된다. 이 후방 클램프 도그부재는 각기 다른 전방 클램프 도그부재(33)와 실질적으로 유사하지만 그 연장부 하측면(47)이 인접하는 카트리지 더브테일 리브의 경사진 측벽에 맞대어 일치되도록 경사져 있다. 각각의 후방 클램프 도그부재는 각각의 카트리지 리세스의 뒤에 위치한 공구 본체의 외측면에 형성된 캐버티(48)에 수용되어 있다. 각각의 도그부재(46)는 도그부재 및 공구 본체와 전방 클램프 도그부재에 대하여 전술한 방식으로 맞물린 스크류(도시되지 않음)에 의하여 자신의 캐버티 내에 지지된다.
공구 본체(11)의 보링 단부(14)는 중앙에 리세스(50)를 가진다. 리세스(50)는 인접하는 카트리지 리세스(17)와 부분적으로 연통하고 공구(10)를 사용하여 보링하는 도중에 발생된 금속 칩을 수용할 수 있다.
각종 형태의 커팅 인서트가 본 발명에 따른 보링 공구에 사용될 수 있지만, 공구(10)는 둥근 원통형 외주면(52), 및 전방 절삭 또는 경사면(53)을 포함하며 커터 축 또는 공구 축(28)과 동일선상인 1차 축에 대하여 2차 축으로 칭해질 수 있는 대응하는 카트리지 축(27)과 직각인 편평하고 평행인 주면을 가진 환형의 둥근 인서트를 사용하도록 배열된다. 커팅 인서트(15)는 이러한 인서트이다. 인서트 외주면(52)과 절삭면(53)이 교차하는 원형 라인이 인서트의 절삭 에지(54)를 형성한다. 공구 축(28)으로부터 가장 멀리 이격된 절삭 에지(54) 상의 포인트(55)는, 보링 공구가 보링 도중에 회전 및 축방향으로 전진할 때 인서트에 의하여 천공된 원통형 면의 직경을 정하는 포인트이기 때문에, 보링 도중에 인서트의 이상적인 절삭 지점이 된다.
자가 추진식 회전(회전식) 커터 인서트를 사용하는 금속 절삭 공구에 있어서의 특정하고도 중요한 기하학적 관계를 특정하기 위하여 "축방향 경사" 및 "반경방향 경사"라는 용어를 사용하였다. 축방향 경사라는 것은 커터 축이 가공품측에 대하여 갖는 음의 각이다. 즉, 보링 공구측에서 보면, 공구가 축방향으로 전진하는 방향과 가공품측 사이의 음의 각도를 가리킨다. 축방향 경사는 공구 축으로부터 반경방향의 라인 상에 위치된 시점(視點)으로부터 값을 구하므로 반경방향 경사의 효과는 무시된다. 축방향 경사는 공구 축이 절삭 면(55) 상의 절삭 지점(55) 위치의 절삭 면의 평면과 도 3에 도시된 각도 r와 동일한 값인 도 1에 도시된 각도 α를 만드는 각도로 측정된다. 반경방향 경사는 공구의 보링 단부를 바라 본 공구 축 상의 시점으로부터 값을 구하므로 축방향 경사의 효과는 무시된다. 반경방향 경사는 공구 축으로부터 절삭 지점(하나의 각도 한계)를 통하는 반경(56)과 공구 축을 포함하고 커터 인서트 회전축, 즉 커터 축(다른 하나의 각도)과 직각(반경방향 경사 시점으로부터 볼 때)인 평면(57) 사이에 포함된 각도로 측정된다. 반경방향 경사는 커터 축과 직각을 이루는 면에서 공구의 회전 방향 측으로 절삭 지점까지 측정한 음의 각을 말한다. 커터 축은 반경방향 경사각의 제2 한계를 정한다. 공구(10)에서 음수의 값인 반경방향 경사각 β가 도 2에 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 절삭 공구 내에서 이동하는 절삭 에지 및 면을 가지는 금속 절삭 공구의 뚜렷한 장점은 상기 에지 및 면 이 공구 내에 고정된 공구에 비하여 비교 가능한 기계 가공 조건, 특히 금속, 커터 깊이, 제품의 금속에 대한 이동에서의 공급속도 및 공구의 속도 조건하에서 수명이 훨씬 길다는 것이다. 이러한 긴 수명은 공구의 절삭 에지 및 면의 이동 및 이들 상이한 부분이 제품과 주기적으로 절삭 결합되고 결합해제될 때 상기 에지 및 면의 냉각에 의하여 제공된다. 상기 절삭 에지 및 면은 제품으로부터 금속을 가장 효과적으로 제거하기 위하여, 이들은 제품에 대하여 정확한 방향 및 가끔-경쟁적인 실제와 일치되는 속도로 이동해야 하며, 너무 느리면 불필요하게 가열되고 너무 빠르면 다른 문제가 생긴다. 따라서, 자가 추진식 회전 커터 인서트를 가진 기계 가공 공구를 최적으로 설계하는 데는 서로가 잘 이해되지 않는 복잡한 방식으로 관련된 수많은 변형예를 포함하는 것으로 이해하고 있다. 최적의 형태를 가진 설계가 달성될 수 있는 경우, 상기 설계를 공구 및 그 구성품이 실제 기계 가공 조건하에서 하용가능한 시간에 대하여 지탱(즉, 함께 유지)될 수 있는 충분한 구조적 강도를 가지는 적합한 크기의 절삭 공구에 실현하는 것은 불가능할 수 있다. 따라서, 상용으로 허용가능한 회전 인서트 금속 절삭 공구의 설계는 실제 경험을 기초로 하여 제조된 절충적이며 대안이 되는 예이다.
커팅 인서트 회전은 칩이 인서트의 절삭면을 가로질러 흐르는 기계 가공 처리 시 발생된 인서트와 칩 사이의 마찰에 의하여 발생되는 것으로 알려져 있다. 각각의 개별 기계 가공 상태에서, 인서트의 축방향 경사각 및 반경방향 경사각에 의하여 회전된다. 금속 절삭될 때, 3개의 직교하는 절삭력이 발생된다. 공구(10)와 같은 보링 공구에 있어서, 인서트에 가해진 절삭력은 인서트의 절삭 지점에 가해질 때 이상적일 수 있다. 이들 힘은 공구 축(예를 들면, 축(28))과 평행인 방향으로 인서트 상에 작용하는 축방향 힘, 공구의 반경과 일치되는 방향으로 인서트 상에 작용하는 반경방향 힘, 및 인서트 절삭 지점의 반경방향 및 축방향 힘 양자 모두와 직각인 접선방향 힘이다. 이들 힘은 공구의 실제 구조에 수용되어야 하고, 이들은 원하는 방향(인서트를 자신의 축을 중심으로 회전시키는 방향) 및 원하는 크기로 인서트에 가해질 토크를 일으켜야 한다. 인서트 토크 크기는 자신의 장착 베어링 본래의 마찰을 극복하고 원하는 속도로 회전시키기 위하여 인서트 성능에 중요하다.
자가 추진식 회전 커터 인서트에 가해진 토크는 인서트 축방향 경사각, 반경방향 경사각, 보링 공구의 경사 속도(즉, 분 당 회전), 인서트 절삭 지점에서의 보링 공구의 반경, 커팅 인서트의 반경, 인서트 절삭면과 보링 도중에 발생되는 칩 사이의 마찰 계수, 인서트에 의하여 만들어진 커트의 깊이, 및 보링 공구의 축방향 공급 속도를 포함하는 복잡한 변수 세트의 함수이다. 관련된 다른 요소는 자신의 절삭 지점에서 인서트에 가해진 축방향, 반경방향, 및 접선방향 힘이 있다. 이들 힘은 인서트 경사각 뿐만 아니라 천공될 금속 성질에도 관련되며, CV 주철을 잘 절단하는 보링 공구는 알루미늄 등을 절단하는데 사용될 때는 잘 작용하지 않거나 또는 전혀 작용하지 않을 수 있다. 기계 가공 처리 시 지지되는 제품 재료 성질은 인장 강도(tensile strength), 전단 강도(shear strength), 경도(hardness), 가단성(melleability) 및 연성(ductility)을 포함한다.
종래 기술에서는, 일반적으로, 회전식 커팅 인서트의 반경방향 경사각을 증가시키면 자신의 회전축을 중심으로 하는 인서트의 속도 및 인서트의 열분산이 증가하는 것으로 제안하였다. 상기 제안은 밀링 및 터닝 기계 가공 작업에서는 유효할 수 있으나, 보링 작업에서는 옳지 않다. 특히, 인서트 절삭 지점의 공구 본체에 대한 위치는, 절삭력이 인서트 상에 작용하는 방식과 같이, 상이하고, 특정의 경우에는 보링의 반경방향 경사각의 증가로 인하여 인서트가 회전하지 않거나 또는 회전방향으로 역전될 수 있다는 점을 경험을 통해 알았다. 보링 및 아마도 다른 작업에서, 축방향 및 반경방향 경사각이 인서트 회전에 영향을 미치고, 일반적으로 축방향 경사각이 반경방향 경사각보다 약 2배인 점을 알았다. 축방향 경사각을 5도 변경시킴으로써 인서트 경사 속도 및 토크 발생이 반경방향 경사각이 5도 변경되는 바와 같이 2배의 영향을 미친다.
작업가능한 회전식 인서트 보링 공구 설계가 발생된 토크를 최대로 할 수 있는 것으로 알 수 있지만, 이렇게 함으로써 실질적으로 심각한 어려움이 일어날 수 있다. 토크가 증가되면, 인서트를 공구 본체에 장착하는 베어링 상의 반응 힘 중 일부가 증가하게 되어 공구의 수명을 단축시킨다. 또한, 공구 본체에 일어나는 실제적인 압박감을 고려할 필요가 있다. 공구 본체 구조체의 얇은 단면은 이들이 인서트 카트리지를 공구 본체 내에 고정되게 클램프하는 능력을 제한하고, 본체 내에 고응력 영역을 발생시키기 때문에 회피된다. 상기 상황 양자 모두가 공구의 안정성 및 보링 처리 자체에 영향을 미친다.
첨부 도면에 도시된 전술한 공구(10)는 CV 주철에 구멍을 기계 가공하도록 설계된다. 공구는 직경 3.13인치(79.5mm) 및 상기 직경 절반의 자신의 절삭 지점에 반경, 즉 인서트가 공구 본체에 장착될 때 반경방향 엇갈림이 없는 반경을 가진 구멍을 형성한다. 또한, 공구(10)의 인서트는 이들이 공구에 장착될 때 축방향 엇갈림이 없고, 즉 모든 인서트의 접촉 포인트가 공구축(28)과 직각인 평면에 위치된다. 커팅 인서트의 직경은 1.062인치(26.97mm)이다. 설계 스핀들 속도는 절삭 속도 2641 SFM(피트/분((805M/분)을 내는 3200 rpm이다. 커트의 설계 깊이는 0.0157인치(0.40mm)이다. 설계 공급 속도는 0.006인치/투스(0.15mm/투스)이다. 투스는 공구의 절삭 에지이다. 투스 당 공급 속도가 공구의 절삭 에지 개수에 의하여 분할된 회전 당 전체적인 공구 전진 속도이다. 공구(10)의 각 인서트는 절삭 에지를 형성한다.
도 11 내지 도 15의 그래프는 공구(10) 설계와 관련된 3 가지 변수 사이의 관계를 나타낸다. 각각의 경우, 절삭 속도, 커트의 깊이 및 공급 속도의 동시 변수는 전술한 값에 대하여 일정하다. 도 11은 파운드로 나타낸 접선 절삭력(세로 좌표)과 1°씩 증분되는 범위 β= 0° 내지 β= -20°의 반경방향 경사각의 상이한 값에 대한 축방향 경사각 α(가로 좌표) 사이의 관계를 나타낸다. 도 12는 파운드로 나타낸 반경방향 절삭력(세로 좌표)과 동일 범위(및 동일 증분)의 상기 각도를 통한 축방향(가로 좌표) 및 반경방향(등고선) 경사각 사이의 관계를 나타낸다. 도 13은 파운드로 나타낸 축방향 절삭력(세로 좌표)과 동일 범위의 반경방향 경사각을 통한 상기 축방향(가로 좌표) 및 반경방향(등고선) 경사각 사이의 관계를 나타낸다. 도 14는 파운드-인치로 나타낸 인서트 토크(세로 좌표)의 동일 범위(및 증분량)의 축방향(가로 좌표) 및 반경방향(등고선) 경사각에 대한 관계를 나타낸다. 도 15는 인서트 속도(RPM)의 동일 범위(및 증분량)의 축방향(세로 좌표) 및 반경방향(등고선) 경사각에 대한 관계를 나타낸다. 천공될 재료는 CV 주철이다. 도 11 내지 도 15의 데이터를 사용하고, 유한 요소 분석법을 사용하여 베어링 공구 구조체의 제한 요소와 베어링의 힘을 평가함으로써, 축방향 경사각를 -15도로 반경방향 경사각을 -7.5도로 설정할 수 있었다. 상기한 각도를 설정하기 위하여 인서트 토크를 최대로 하는 경사각 조합을 결정하고, 각도 조합에 대한 3 가지 절삭력을 분석하였으며, 공구 본체 및 인서트 장착부의 제한 요소를 고려하여 확인하였다. 당업자라면, 도 11 내지 도 15에 기재된 사항들을 통하여, 상기한 내용이 본질적으로 상호간에 영향을 미치긴 하지만, 이를 산출하는 게 그리 번거롭지 않으며, 따라서 보리 공구 설계를 용이하게 할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.
작용력을 모의 실험하기 위한 모델(force simulation model)을 사용하여 커트 인서트의 경사각을 결정할 수도 있다. 이러한 모델로부터 경사 각도별로 절삭력, 인서트의 토크 및 인서트 회전 속도를 얻을 수 있다. 도 11 내지 도 15는 이러한 모델을 사용하여 경사 각도별로 얻은 값이다. 상기한 변수 사이의 관계 모두가 직선이 아님을 유의할 필요가 있다.
또한, 당업자라면 다른 가공재나 작업 조건하에서도 앞서 설명한 방식으로 보링 공구를 사용할 수 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 당업자는 전술하고 첨부 도면에 도시된 공구와 상이한 보링 공구 구조체가 적용가능함을 용이하게 이해할 것이다. 예를 들면, 도 3의 각도 r와 도 1의 각도 α(축방향 경사각)는 공구 축(28)과 평행하게 위치된 더브테일 연결부(22, 23)의 평면에서 동일한 값을 가지며, 공구 축과 더브테일 평면이 상이한 관계로 동일 값 α에 대하여 상이한 값 r이 될 수 있으며, 도 4를 참조하면, 카트리지 샤프트 축(27)이 더브테일 평면에 대하여 수직이 아닌(직각이 아닌) 관계까지도 가능해진다. 또한, 더브테일 연결부 외의 연결부는 커팅 인서트 장착 카트리지를 공구 본체에 연결하는데 사용될 수 있다. 커팅 인서트는 보링 공구 본체에 직접 장착될 수 있지만, 카트리지를 사용할 때보다는 덜 편리하다. 사용 중에 인서트가 그 주위를 회전하는 축은 공구 본체에 의하여 고정되게 형성 또는 지지될 수 있고, 커팅 인서트는 적절한 베어링을 통해 상기 축 상에 릴리스가능하게 장착될 수 있다.
또한, 전술한 설명으로부터, 당업자 특히 이송 라인의 설계 및 조작, 스핀들-공구 일치 및 장착 배치, 및 상이한 성질의 금속의 기계 가공에 경험이 많은 숙련자는 본 발명에 따른 보링 공구의 인서트가, 공구에 장착될 때, 그 접촉 포인트의 축방향 및 반경방향 엇갈림 중 어느 하나 또는 양자 모두를 가질 수 있다는 점을 이해할 것이다. 축방향 엇갈림을 가진 공구는 커터 인서트의 접촉 포인트들이 공구 축(28)을 따라 측정할 때 약간 떨어져 있다. 반경방향 엇갈림을 가진 공구는 커터 인서트 접촉 포인트들이 공구 축(28)으로부터 서로 다른 반경을 갖고 있다. 반경방향 및/또는 축방향 엇갈림은 공구를 장착 스핀들 상에 장착(스핀들을 베어링 및 장착부 상에 장착)하고, 공구와 구동 스핀들 연결부의 안정성 및 동축성을 확보하거나 개선시켜서, 보링 도중에 공구의 덜컹거림(chatter)을 감소시킬 수 있다.
커터 인서트가 전체적인 공구 축에 대하여 축방향 및 반경방향 엇갈림이 없는 보링 공구는 좌우 대칭이라고 할 수 있는 공구이다. 전술한 좌우 대칭형 공구(10)의 종래 시험에서, 스핀들 베어링이 매우 심하게 닳고 느슨해짐을 알았다. 상기 시험은 자동차 엔진 블록을 기계 가공하는 이송 라인의 보링 스테이션에서 행하였고, 보링 스테이션의 스핀들 축은 실질적으로 수평이었다. 스핀들은 ABS 80 표준 및 형태에 부합되는 장착 생크를 가진 공구를 수용하도록 설계되었다. 이러한 형태의 공구 생크는 강성이 적당하지 않고, 이로써 공구가 스핀들과의 연결부에서 느슨해진 것처럼 작동되어 공구의 작업이 앙호하지 않았다. 이 공구에 대하여 커터 인서트의 공구 내 위치를 조정하여 공구 본체의 인서트에 0.050인치의 반경방향 엇갈림 및 0.020인치의 축방향 엇갈림을 만들었다. 여기서의 엇갈림은 인접하는 인서트 사이에서 측정하였다. 이러한 변형으로 인하여 각 인서트는 보링 가공 중에 보다 심한 부하를 받게 되며, 이러한 인서트 부하의 증가로 인하여 공구에도 보다 심한 부하가 가해져서, 본 발명의 장점으로 언급한 바 있는 주물 내에서의 공구의 덜컹거림을 감소시킬 수 있음을 확인하였다. ABS 80 리니어(테이퍼되지 않음) 공구 생크 설계 표준은 이송 라인 및 머시닝 센터에 사용되는 공지의 테이퍼된 공구 생크 설계 표준인 ISO-50 및 HSK-100에 비하여 약하다는 점을 상기한 시험을 통하여 알았다. HSK-100 설계 표준에 따른 생크를 가진 공구가 바람직하다. ABS 80 생크 형태를 가진 공구를 사용하는 경우, 이러한 공구는 수직 또는 실질적으로 수직한 1차 축(28)으로 사용하는 것이 최선이라는 점도 알 수 있었다.
본 발명에 따른 다른 보링 공구에 대한 다른 시험에서 CGI 및 회주철 엔진 블록의 실린더를 보링하는 데에 있어서 성능이 상당히 향상되었음이 입증되었다. 3개의 축방향 및 반경방향으로 엇물린 자가 추진식 회전 커터 인서트를 가진 공구는 가장 하측의 가장 내측 인서트에서 유효 직경이 3.139인치(79.73mm), 축방향의 중간 인서트에서 유효 직경 3.219인치(81.76mm), 및 상측의 가장 외측 인서트에서 유효 직경 3.299인치(83.8mm), 즉 .040인치(1mm)의 균일 반경방향 엇갈림을 가졌다. 상기 공구는 CGI 실린더 재료를 종래의 보링 공구를 사용하면 25초가 소요되는데 비하여 3.4초에 천공가능하고, 천공된 실린더 선형은 보다 정확하고 보어 표면 마무리가 잘 되었다. 상기의 결과는 ISO-50 및 HSK-100 생크 형태를 가지는 공구로 실시되었다.
전술한 시험은 냉매 통로가 각각의 실린더 구멍의 길이를 따라 중간 위치의 주조물 내에 배치된 엔진 블록 주조물을 사용하여 실시하였다. 종래의 보링 공구를 사용하여 이 주조물을 보링 가공하는 경우, 보링 공구의 부하로 인하여 실린더 벽의 냉매 통로의 영역이 외측으로 변형되었다가 이러한 부하가 없을 때 다시 돌아왔다. 보링된 표면의 직경은 자신의 단부보다 중앙이 작은, 즉 모래 시계 모양으로 변형되었다. 본 발명의 보링 공구를 사용했을 경우, 가공된 보링 표면에서는 이러한 모래 시계 모양이 현저하게 감소되었다.
전술한 시험 및 다른 시험으로부터, 이송 라인 상의 두 개의 보링 스테이션에서 이전에 실행되었던 CGI 및 회주철 자동차 엔진 블록의 실린더 보링 작업은 본 발명에 따른 보링 공구를 사용하여 하나의 스테이션에서 실행될 수 있음을 알았다. 또한, 본 발명에 따른 보링 공구으로 보링된 표면은 매우 매끈하게 되어 자동차 엔진 블록 기계 가동 이송 라인의 후속하는 연마 스테이션에서 얻어진 결과를 개선시킨다는 점을 알았다.
본 발명에 따른 보링 공구에서 커터 인서트의 축방향 엇갈림을 원하는 경우, 전체적인 엇갈림(최하측 인서트와 최상측 인서트의 접촉 포인트 사이의 공구 축을 따른 거리)은 최상측 인서트가 구멍 위치의 다단부에 도달하기 전에 최하측 인서트가 구멍 위치 하측의 제품 부분과 원하지 않는 접촉이 확보되도록 형성되어야 한다.
커터 인서트는 본 발명에 따른 보링 공구의 바람직한 형태의 인서트(15)와 상이한 형태를 가질 수 있다. 인서트의 외주면 및 절삭면은 편의 또는 소망에 따라 둥근 원통형이나 편평한 것 이외의 다른 것으로 형성할 수도 있다. 보링 공구를 회전축의 위치를 조정할 수 있는 커팅 인서트가 장착된 보링 바 형태로 하여, 인서트의 축방향 및 반경방향 경사각과 인서트 절삭 지점에서의 보링 바의 유효 반경을 가공재별로 서로 다른 직경으로 다양화할 수 있다. 또한, 본 발명은 인서트의 축방향 및 반경방향 엇갈림 중 어느 하나 또는 양자 모두를 얻도록 인서트 위치를 조정할 수 있는 기능을 가진 보링 공구를 포함한다. 소정의 보링 공구의 인서트 및 인서트 카트리지 구조체 모두를 호환 가능하고 대용 가능하도록 만드는 것이 바람직하지만 반드시 이렇게 할 필요는 없다.
또한, 당업자는 전술한 설명 및 첨부 도면이 본 발명의 바람직한 실시예를 형성하는 보링 공구에 가장 직접적으로 관련된 것임을 이해할 것이다. 당업자는 상기 설명 및 첨부 도면이 본 발명의 구조체 및 절차에 의하여 구현될 수 있는 이들 형태 및 방식 모두에 한정되는 것이 아니고, 이들 구조체 및 절차를 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지로 변형 및 변경할 수 있다는 점을 이해할 것이다.

Claims (34)

  1. 보링 가공 동안에 1차 축을 중심으로 회전하면서 전진가능한 본체 및
    상기 본체에 탑재되어 있으며, 상기 1차 축에 대해서 일정 각도를 이루는 2차 축을 중심으로 회전하는 둥근 회전 커터
    를 포함하고,
    상기 회전 커터는 상기 본체의 보링 진행 방향 측을 따라서 절삭면과 경계를 이루는 원형의 절삭 에지를 가지고,
    상기 1차 축으로부터 반경 방향으로 가장 멀리 떨어져 있는 회전 커터의 절삭 지점에서, 상기 절삭면은 상기 1차 축에 대하여 반경 방향 및 축방향의 경사각을 가지고,
    상기 절삭면의 반경 방향 및 축 방향 경사각은 상기 회전 커터가 적어도 미리 정한 회전력으로 상기 2차 축 둘레로 미리 정한 방향으로 회전할 수 있도록 서로에 대하여 경사져 있는
    보링 공구.
  2. 제1항에서,
    상기 커터가 편평한 절삭면 및 원통형의 원주면을 가지는 보링 공구.
  3. 제1항에서,
    상기 반경방향 및 축방향 경사각이 음수인 보링 공구.
  4. 제3항에서,
    상기 축방향 경사각 값이 상기 반경방향 경사각 값보다 2배의 음수인 보링 공구.
  5. 제1항에서,
    상기 커터가, 상기 공구 본체에 대하여 특정의 위치 및 특정의 관계로 상기 공구 본체에 릴리즈가능하게 연결된 장착부에 회전가능하게 탑재되어 있는 보링 공구.
  6. 제5항에서,
    상기 축방향 및 반경방향 경사각이 음수이고, 상기 축방향 경사각이 상기 반경방향 경사각보다 2배의 음수인 보링 공구.
  7. 제5항에서,
    상기 공구 본체와 장착부 사이에서 상기 장착부가 상기 특정의 위치 및 특정의 관계에 놓이도록 상기 장착부를 고정시키는 클램프 수단을 포함하는 보링 공구.
  8. 제7항에서,
    상기 장착부는 상기 커터가 주위를 회전가능한 샤프트를 형성하고, 상기 클램프 수단은 상기 커터에 근접한 샤프트의 단부에 맞물리는 보링 공구.
  9. 제5항에서,
    상기 장착부와 상기 공구 본체 사이에 형성되는 더브테일 연결부를 포함하는 보링 공구.
  10. 제9항에서,
    상기 장착부의 더브테일 연결부의 중앙선이 상기 장착부에 의하여 형성된 샤프트의 축으로부터 횡방향으로 오프셋(offset)되어 있는 보링 공구.
  11. 제10항에서,
    상기 장착부 샤프트의 축으로부터 상기 장착부 더브테일 연결부가 오프셋되는 방향이, 상기 장착부를 상기 공구 본체에 연결할 때 상기 장착부 샤프트를 상기 더브테일 연결부로부터 외측으로 배치시키는 방향인 보링 공구.
  12. 제9항에서,
    상기 공구 본체는 상기 장착부가 상기 더브테일 연결부를 따라 이동하는 것을 제한하는 위치에서 공구 본체의 더브테일 연결부와 결합되는 위치 설정 부재를 포함하는 보링 공구.
  13. 제12항에서,
    상기 공구 본체의 더브테일 연결부는 더브테일 그루브를 형성하고, 상기 위치 설정 부재는 상기 본체로부터 상기 더브테일 그루브까지 뻗어 있는 핀을 포함하는 보링 공구.
  14. 제9항에서,
    상기 더브테일 연결부는 상기 공구 본체의 1차 축과 실질적으로 평행한 보링 공구.
  15. 보링 가공 동안에 공구 축을 따라 회전하면서 전진가능한 본체를 가진 보링 공구에 사용되는 둥근 회전 커터 탑재 장치로서,
    베이스,
    커터 축으로부터 실질적으로 반경방향으로 뻗어 있는 절삭면 및 상기 절삭면의 경계를 이루는 원주상의 절삭 에지를 가지고, 상기 베이스에 탑재되어 상기 커터 축을 중심으로 회전하는 환형의 커터, 그리고
    상기 절삭 면이 공구의 회전 방향을 따라서 개방되도록 상기 본체의 미리 정한 위치에 연결되는 구조부
    를 포함하고,
    상기 절삭 면은 상기 공구 축으로부터 가장 멀리 떨어진 절삭 지점에서 상기 공구 축에 대하여 축방향 및 반경방향 경사각을 가지고,
    상기 축방향 및 반경방향 경사각은 상기 공구의 보링 가공 동안 미리 정한 토크량으로 미리 정한 방향으로 상기 커터 축을 중심으로 커터를 회전시키는 값을 가지는
    커터 탑재 장치.
  16. 제15항에서,
    상기 절삭 면이 편평한 커터 탑재 장치.
  17. 제15항에서,
    상기 커터는 상기 절삭 면과 함께 절삭 에지를 형성하는 둥근 원통형 원주 에지를 가지는 커터 탑재 장치.
  18. 제15항에서,
    상기 축방향 및 반경방향 경사각이 음수인 커터 탑재 장치.
  19. 제18항에서,
    상기 축방향 경사각이 상기 반경방향 경사각보다 2배의 음수인 커터 탑재 장치.
  20. 제15항에서,
    상기 커터가 주위를 회전할 수 있는 샤프트를 포함하고, 상기 구조부는 상기 샤프트를 상기 공구 본체에 고정시키기 위하여 상기 커터에 근접한 샤프트 상에 형성된 면을 포함하는 커터 탑재 장치.
  21. 제20항에서,
    상기 구조부는 그 일부에 더브테일 연결부를 포함하는 커터 탑재 장치.
  22. 제21항에서,
    상기 더브테일 연결부가 상기 장착부의 커터 축으로부터 횡방향으로 오프셋되어 있는 커터 탑재 장치.
  23. 자가 추진식 회전 커터로 가공품에 특정 직경의 구멍을 보링 가공하는 방법으로서,
    가공재의 성질을 참고하여, 커터의 절삭 속도, 절삭 깊이 및 축방향 이송 속도에 대한 동작값을 결정하는 단계,
    상기 동작값에 대하여 커터의 접선에 대한 축방향 및 반경방향 경사각, 반경방향 및 축방향 절삭력, 커터의 각속도 및 토크의 관계를 설정하는 단계,
    커터의 회전축에 대한 원하는 방향으로의 최대 토크를 얻기 위한 커터의 축방향 및 반경방향 경사각을 특정하는 단계,
    상기 특정한 커터의 경사각에서의 커터의 베어링력을 설정하는 단계,
    공구 회전축으로부터 반경방향으로 상기 특정 직경의 절반만큼 이격된 절삭 지점에서 상기 특정한 축방향 및 반경방향 경사각을 가지는 회전 커터를 탑재한 회전 가능한 보링 공구를 구비하는 단계, 그리고
    상기 보링 공구를, 상기 결정된 절삭 속도 및 축방향 이송 속도를 생성하는 각속도로 동작시키는 단계
    를 포함하는 보링 가공 방법.
  24. 제23항에서,
    상기 가공재의 재질이 CV 주철이고, 상기 축방향 및 반경방향 경사각이 음수인 보링 가공 방법.
  25. 제24항에서,
    상기 축방향 경사각이 상기 반경방향 경사각보다 2배의 음수인 보링 가공 방법.
  26. 제23항에서,
    상기 공구를 구비하는 단계는 공구 본체에 탑재된 커터가 상기 특정한 경사각으로 이루어져 있는지 확인하는 단계를 더 포함하는 보링 가공 방법.
  27. 제23항에서,
    작용력을 모의 실험하기 위한 모델(force simulation model)을 개발하고 상기 모델을 사용하여 상기 커터의 경사각을 특정하는 단계를 포함하는 보링 가공 방법.
  28. 보링 가공 동안에 1차 축을 중심으로 회전하면서 전진가능한 본체 및
    상기 본체에 각각 탑재되어 있으며, 상기 1차 축에 대해서 일정 각도를 이루는 각각의 2차 축을 중심으로 회전하는 둥근 회전 커터
    를 포함하고,
    상기 각 회전 커터는 상기 본체의 보링 진행 방향 측을 따라서 절삭면과 경계를 이루는 원형의 절삭 에지를 가지고,
    상기 1차 축으로부터 반경 방향으로 가장 멀리 떨어져 있는 각 회전 커터의 절삭 지점에서, 상기 절삭면은 상기 1차 축에 대하여 반경 방향 및 축방향의 경사각을 가지고,
    상기 절삭면의 반경 방향 및 축 방향 경사각은 상기 회전 커터가 상기 2차 축 둘레로 미리 정한 방향으로 회전할 수 있도록 서로에 대하여 경사져 있고,
    공구 내의 각 회전 커터의 절삭 지점의 위치들은 상기 1차 축에 대하여 동일한 위치 및 동일한 반경에 있지 않은
    보링 공구.
  29. 제28항에서,
    상기 각 회전 커터 상의 절삭 지점이 상기 1차 축에 대하여 동일한 위치 및 동일한 반경에 있지 않은 공구 내에 위치하는 보링 공구.
  30. 제28항에서,
    상기 각 회전 커터의 절삭 지점이 상기 1차 축을 따라서 각각 떨어져 있는 보링 공구.
  31. 제30항에서,
    인접하는 회전 커터의 절삭 지점 사이의 상기 1차 축을 따른 간격이 실질적으로 균일한 보링 공구.
  32. 제28항에서,
    상기 각 회전 커터의 절삭 지점이 상기 1차 축으로부터 각기 다른 반경 거리를 가지는 보링 공구.
  33. 제32항에서,
    인접하는 회전 커터의 절삭 지점 사이의 상기 1차 축으로부터 반경 간격이 실질적으로 균일한 보링 공구.
  34. 보링 가공 동안에 1차 축을 중심으로 회전하면서 전진가능한 본체 및
    상기 본체에 각각 탑재되어 있으며, 상기 1차 축에 대해서 일정 각도를 이루는 각각의 2차 축을 중심으로 회전하는 둥근 회전 커터
    를 포함하고,
    상기 각 회전 커터는 상기 본체의 보링 진행 방향 측을 따라서 절삭면과 경계를 이루는 원형의 절삭 에지를 가지고,
    상기 1차 축으로부터 반경 방향으로 가장 멀리 떨어져 있는 각 회전 커터의 절삭 지점에서, 상기 절삭면은 상기 1차 축에 대하여 반경 방향 및 축방향의 경사각을 가지고,
    상기 절삭면의 반경 방향 및 축 방향 경사각은 상기 회전 커터가 상기 2차 축 둘레로 미리 정한 방향으로 회전할 수 있도록 서로에 대하여 경사져 있고,
    공구 내의 각 회전 커터의 절삭 지점의 위치들은 상기 1차 축에 대하여 축방향 또는 반경 방향 중 적어도 하나의 방향으로 서로에 대하여 엇갈려 있는
    보링 공구.
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