KR100565967B1

KR100565967B1 - 레이저를 이용한 ｐｃｄ／ｐｃｂｎ 상면 칩 브레이커 형상가공방법 및 절삭 가공홀더용 인서트

Info

Publication number: KR100565967B1
Application number: KR1020060001173A
Authority: KR
Inventors: 김성환
Original assignee: 주식회사 21세기
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2006-03-29

Abstract

본 발명은 레이저를 이용하여 PCD/PCBN 상면에 칩 브레이커 형상을 가공하는 방법에 있어서, 100 ~ 300 Hz의 펄스반복 주파수, 0.05 ~ 0.15 mS의 펄스폭, 0.1 ~ 0.3 J의 펄스당 에너지, 50 ~ 70 mm/min의 먹임율, 0.01 ~ 0.2 mm의 절삭이동량으로 칩 브레이커 형상을 가공하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 레이저의 가공 조건을 정밀하게 제어하여 PCD 또는 PCBN 상에 칩 브레이커 형상을 가공하여 발생되는 칩을 절단하여 칩 발생에 따른 제반 문제점을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

절삭, 가공, 인서트, 칩 브레이커, 홀더, PCD, PCBN.

Description

레이저를 이용한 ＰＣＤ／ＰＣＢＮ 상면 칩 브레이커 형상 가공방법 및 절삭 가공홀더용 인서트{An Method For Cutting Form of Chip Breaker On PCD/PCBN Using Laser And An Insert For Cutting Head}

도 1은 종래 절삭 가공홀더를 이용하여 소재를 가공하는 공정을 도시한 사용상태도이다.

도 2는 종래 PCD 절삭부가 구비된 인서트의 구조를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명에 사용되는 레이저 장치를 이용하여 PCD/PCBN 상에 칩 브레이커 형상을 형성하는 것을 나타내는 개략도이다.

<주요 도면부호에 관한 설명>

1 : 빔 확대기 2 : 굴절 유니트

3 : 집속광학 배열체 4 : 레이저 빔

10 : 인서트 몸체 20 : 절삭부

30 : 칩 브레이커 100 : 절삭 가공홀더

300 : 가공 모재

본 발명은 레이저를 이용한 PCD/PCBN 상면 칩 브레이커 형상 가공방법 및 절삭 가공홀더용 인서트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저의 가공 조건을 정밀하게 제어하여 고경도의 PCD/PCBN 상에 칩 브레이커 형상을 가공함으로써 PCD/PCBN을 이용하여 모재를 가공할 때 발생하는 칩의 절단을 용이하게 하여 칩의 감김 또는 엉김 현상에 의해 발생되는 문제점을 미연에 방지할 수 있도록 하는 가공홀더용 인서트에 관한 것이다.

모재를 절삭하여 원하는 물건을 생산하는 나사절삭, 절단, 홈가공, 터닝 등의 가공작업 시에는 도 1에 도시된 바와 같이, 가공홀더(100)에 초경 등의 고경도의 인서트(200)를 장착하여 모재(300)를 가공하는 방식이 일반적이다.

각종 가공 작업 시 모재(300)에서 잘려나온 부분은 연속적인 칩(400) 형태로 배출된다. 따라서, 칩(400)이 계속 길게 발생되면 가공 홀더를 감아버려 작업이 중단되거나 모재의 가공면이 손상되는 경우가 자주 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 인서트(200)의 가공면 측에는 소정 각도로 경사각을 갖는 형상의 칩 브레이커(210)가 형성되어 있다. 발생된 칩(400)은 칩 브레이커(210) 공간 내부로 인입되어 일정 길이 이상이 되면 칩 브레이커(210)의 형상에 의해 절단되게 되며, 이에 따라 칩 발생에 의한 문제점이 해결된다.

최근에는 도 2에 도시된 바와 같이, 초경 재질의 인서트(100) 일측에 고경도 의 PCD(Polycrystalline Diamond) 또는 PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 재질의 절삭부(400)를 부착하여 모재(300)를 가공하는 경우가 많다.

PCD는 초경 기판 상에 다이아몬드 분말과 코발트를 놓고 초고온 및 초고압으로 소결시켜 만든 것으로서 경도(Hardness)가 약 6000Kg/mm²로써 최고 경도를 가진 절삭 공구재이며, 고경도 특성에 따라 절삭 속도가 증가하여 절삭 시간이 단축되며, 초경 재질에 비해 훨씬 미세한 입도의 분말로 소결 합금되어 가공면의 조도가 우수하고 치수 정밀도가 우수한 장점으로 인해 알루미늄, 황동, 청동 등의 비철금속 가공 소재로서 많이 사용되고 있다.

PCBN은 CBN(Cubic Boron Nitride)과 코발트를 초경기판 위에 놓고, 초고온 및 초고압상태에서 소결시켜 만든 것으로서, 경도(Hardness)가 약 3500Kg/mm²로써 PCD 다음의 경도를 가진 절삭 공구재이며, 고경도 특성에 따라 절삭 속도가 증가하여 절삭 시간이 단축되며, 초경 재질에 비해 훨씬 미세한 입도의 분말로 소결 합금되어 가공면의 조도가 우수하고 치수 정밀도가 우수한 장점으로 인해 주철합금, 칠드 주철(Chilled cast iron) 등의 열처리 강의 가공에 많이 사용되고 있다.

PCD 및 PCBN은 상술한 바와 같이 기타 소재에 비해 경도가 월등히 높아 초경 재질에서와 같은 칩 브레이커(210)를 형성하는 것이 불가능한 것으로 알려져 있다. 따라서, PCD 또는 PCBN 재질의 절삭부(500)가 장착된 인서트(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 칩 브레이커를 형성하지 않은 평탄한 형상의 절삭부(500)를 장착하여 사용하고 있다.

그러나, 이러한 칩 브레이커를 형성하지 않은 절삭부(400)에 의해 모재(300)를 가공할 경우 칩(210)의 절단이 불가능해지므로 상술한 바와 같이 칩(400)이 계속 길게 발생되면 가공 홀더를 감아버려 작업이 중단되거나 모재의 가공면이 손상되는 경우가 자주 발생하고 있어 심각한 문제점으로 대두되고 있다.

따라서, 상기와 같은 종래 PCD 또는 PCBN 재질의 절삭부가 장착된 인서트를 이용한 절삭 가공의 문제점을 해결할 수 있는 절삭 공구에 대한 요구가 높아지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 레이저의 가공 조건을 정밀하게 제어하여 PCD 또는 PCBN 상에 칩 브레이커 형상을 가공하여 발생되는 칩을 절단하여 칩 발생에 따른 제반 문제점을 미연에 방지할 수 있도록 하는 레이저를 이용한 PCD/PCBN 상면 칩 브레이커 형상 가공방법 및 절삭 가공홀더용 인서트를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 레이저를 이용하여 PCD 상면에 칩 브레이커 형상을 가공하는 방법에 있어서, 100 ~ 300 Hz의 펄스반복 주파수, 0.05 ~ 0.15 mS의 펄스폭, 0.1 ~ 0.3 J의 펄스당 에너지, 50 ~ 70 mm/min의 먹임율, 0.01 ~ 0.2 mm의 절삭이동량으로 칩 브레이커 형상을 가공하 는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PCD 상의 칩 브레이커 형상 가공방법이 제공된다.

상기에서 레이저 시스템은 0.8 ~ 1.3 mm의 노즐 유극, 2 ~ 4 배의 빔 확대율, 0.6 ~ 1.0mm의 노즐 내경 및 2 ~ 4 mm의 개구 내경을 갖도록 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일측면에 따르면, 레이저를 이용하여 PCBN 상면에 칩 브레이커 형상을 가공하는 방법에 있어서, 100 ~ 300 Hz의 펄스반복 주파수, 0.05 ~ 0.15 mS의 펄스폭, 0.1 ~ 0.3 J의 펄스당 에너지, 50 ~ 70 mm/min의 먹임율, 0.01 ~ 0.2 mm의 절삭이동량으로 칩 브레이커 형상을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PCBN 상의 칩 브레이커 형상 가공방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 일측에 안착면이 형성된 인서트 몸체, 및 상기 인서트 몸체의 안착면에 부착된 PCD 또는 PCBN 재질의 절삭부를 포함하되, 상기 절삭부의 상면 일측에는 레이저를 이용하여 소정 각도로 테이핑 가공된 칩 브레이커 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 절삭 가공홀더용 인서트가 제공된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 3에 도시된 것과 같은 본 발명의 전형적인 실시예에 따라, 10.06μm의 파장을 갖는 Nd:YAG 레이저에 의해 발광된 레이저 빔(4)이 레이저의 커플링-아웃 미러(coupling-out mirror)에서 레이저 빔의 직경에 비해 대략 2 ~ 4 배수(바람직하게는 3배수)만큼 확대되는 방식으로 빔 확대기(beam expander)(1)에 의해 확대된다. 확대된 레이저 빔은 두개 이상의 가동 미러(도시되지 않음)를 포함하는 굴절 유니트(deflection unit)(2)에 의해 대략 90°로 굴절된다. 그 후, 굴절된 레이저 빔은 가공 대상(10)으로 지향되는 방식으로 텔레센트릭 집속 광학 배열체(telecentric focusing optical arrangement)(3)에 의해 집속된다. 굴절 유니트(2)의 두개의 미러는 레이저 빔(4)이 짧은시간 내에 가공 대상(10) 표면의 미리 예정된 영역 내의 소정의 요구되는 위치에 지향될 수 있는 방식으로 장착될 수 있다.

가공 대상(10)은 초경 몸체(11) 상에 PCD 또는 PCBN 재질의 절삭부(20)가 형성된 것으로서, 레이저 빔(4)을 이용하여 절삭부(20) 상에 칩 브레이커(30)의 형상이 형성된다.

본 발명에 따른 레이저 빔(4)은 100 ~ 300 Hz의 펄스반복 주파수, 0.05 ~ 0.15 mS의 펄스폭, 0.1 ~ 0.3 J의 펄스당 에너지, 50 ~ 70 mm/min의 먹임율 및 0.01 ~ 0.2 mm의 절삭이동량의 조건에서 칩 브레이커(30)의 형상의 가공한다.

한편 레이저 시스템 사양은 2 ~ 4배의 빔 확대율, 0.6 ~ 1.0mm의 노즐 내경, 2 ~ 4 mm의 개구 내경, 0.8 ~ 1.3 mm의 노즐 유극을 갖는다.

도 3의 확대도에 도시된 바와 같이, 칩 브레이커(30)는 칩의 절단이 용이하도록 소정의 경사각을 갖도록 형성되어야 하며, 이를 위해서는 특히 빔 확대율, 노즐 유극, 먹임율 및 절삭이동량 등의 조건이 중요하다.

빔 확대율은 레이저 빔(4)을 가공대상(10) 상의 정확한 위치에 초점이 맺히도록 배율을 조절하는 것으로서 다수의 실험 결과 빔 확대율이 2 ~ 4배(바람직하게는 3배)일 때 원하는 칩 브레이커(30)의 형상이 얻어짐을 알 수 있었다.

노즐 유극은 노즐과 가공대상(10) 간의 거리로서 0.8mm 이하이면 레이저 빔(4)과 가공대상(10) 간의 거리가 너무 가까워지므로 가공면의 조도가 저하되는 문제점이 있고, 1.3 mm 이상이면 레이저 빔(4)과 가공대상(10) 간의 거리가 너무 멀어서 충분한 가공이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

먹임율(feed rate)은 소재의 가공방향을 x축으로 볼 때, 레이저 빔이 x축을 따라 이동하는 속도로서 50 mm/min 이하이면 레이저 빔이 한 지점에 조사되는 시간이 길어져 원하는 깊이 이상으로 절삭되는 문제점이 있으며, 70 mm/min 이상이면 충분한 레이저 빔의 조사가 이루어지지 못하여 가공이 제대로 되지 않는 문제점이 있다.

절삭이동량은 x축을 따라 레이저가 이동한 후 연속적 가공을 위해 y축으로 이동하는 거리를 나타내는 것으로서, 이동량이 0.01mm 이하이면 동일한 지점이 중복 가공되어 가공면이 계단형에 가까운 형상으로 가공되며, 이동량이 0.2 mm 이상이면 가공면의 조도가 매우 낮아 매끄러운 경사면을 갖지 못하는 문제점이 있다.

상기에서 개구 내경은 레이저 램프(미도시)에서 방출된 레이저 빔(4)이 엔드 미러(미도시)에 의해 반사되어 소정 내경의 개구를 통과되어 외부로 방출되는 구조에서 상기 개구의 내경을 의미한다.

상기 조건 외의 레이저 빔(4)의 에너지 및 각 파라미터 값은 몇달간의 반복적 실험의 결과로 얻어진 것으로서, 레이저의 특성상 미세한 파라미터 값의 변화에 따라 가공 결과가 현저하게 차이가 나므로 상기 파라미터 값에 있어서의 수치의 범위는 임계적 의의보다는 실험적인 결과로 받아들여야 할 부분인 것으로 생각된다.

본 발명에 사용된 레이저 장치는 YAG 레이저 타입이 사용되었으며, 본 실시예에 따라 PCD 상에 칩 브레이커(30)의 가공 시에 사용된 레이저 장치의 시스템 사양 및 레이저 파라미터를 나타내면 하기와 표1 및 표2와 같다.

Machine	DML80FC
Laser type	KLS 246
Outlet/Rear view Mirror	046
Mirror Position	190/380
Cavity	046
Aperture	4.0
Beam Expander	3x
Working Head	BAK 4
Objective	30 ~ 200
Nozzle(mm)	0.8
Nozzle Distance	1.0
Defocus	-1.6

Frequency(Hz)	218
Pulse Duration(ms)	0.1
Lamp Voltage(V)	380
Pulse Power(W)	1720
Pulse Energy(J)	0.172
Feed Rate(mm/min)	60
interleaving time(s)	0.5

PCBN의 경우 PCD에 비해 경도가 다소 낮으므로 레이저 빔(4)의 에너지 값이 PCD에 비해 약간 낮은 값의 레이저 빔(4)을 조사하여 가공하며, PCBN의 경우에도 상기에서 언급한 레이저 시스템 및 파라미터 값의 범위에 속하는 조건에서 가공할 경우 원하는 칩 브레이커(30)의 형상이 얻어짐을 알 수 있었다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims

레이저를 이용하여 PCD 상면에 칩 브레이커 형상을 가공하는 방법에 있어서,

100 ~ 300 Hz의 펄스반복 주파수,

0.05 ~ 0.15 mS의 펄스폭,

0.1 ~ 0.3 J의 펄스당 에너지,

50 ~ 70 mm/min의 먹임율,

0.01 ~ 0.2 mm의 절삭이동량으로 칩 브레이커 형상을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PCD 상의 칩 브레이커 형상 가공방법.
제 1 항에 있어서,

0.8 ~ 1.3 mm의 노즐 유극,

2 ~ 4 배의 빔 확대율,

0.6 ~ 1.0mm의 노즐 내경 및

2 ~ 4 mm의 개구 내경을 갖도록 레이저 시스템이 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PCD 상의 칩 브레이커 형상 가공방법.
레이저를 이용하여 PCBN 상면에 칩 브레이커 형상을 가공하는 방법에 있어서,

100 ~ 300 Hz의 펄스반복 주파수,

0.05 ~ 0.15 mS의 펄스폭,

0.1 ~ 0.3 J의 펄스당 에너지,

50 ~ 70 mm/min의 먹임율,

0.01 ~ 0.2 mm의 절삭이동량으로 칩 브레이커 형상을 가공하는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PCBN 상의 칩 브레이커 형상 가공방법.
제 3 항에 있어서,

0.8 ~ 1.3 mm의 노즐 유극,

2 ~ 4 배의 빔 확대율,

0.6 ~ 1.0mm의 노즐 내경 및

2 ~ 4 mm의 개구 내경을 갖도록 파라미터가 설정되는 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 PCBN 상의 칩 브레이커 가공방법.
절삭 가공홀더용 인서트에 있어서,

일측에 안착면이 형성된 인서트 몸체; 및

상기 인서트 몸체의 안착면에 부착된 PCD 또는 PCBN 재질의 절삭부를 포함하되,

상기 절삭부의 상면 일측에는 레이저를 이용하여 소정 각도로 테이핑 가공된 칩 브레이커 영역이 형성된 것을 특징으로 하는 절삭 가공홀더용 인서트.