KR100597717B1 - 다이아몬드 공구 - Google Patents

다이아몬드 공구 Download PDF

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KR100597717B1
KR100597717B1 KR1020050012458A KR20050012458A KR100597717B1 KR 100597717 B1 KR100597717 B1 KR 100597717B1 KR 1020050012458 A KR1020050012458 A KR 1020050012458A KR 20050012458 A KR20050012458 A KR 20050012458A KR 100597717 B1 KR100597717 B1 KR 100597717B1
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cutting
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particles
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김수광
김종호
박희동
Original Assignee
이화다이아몬드공업 주식회사
제너럴 툴, 인코포레이티드
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    • B28D1/121Circular saw blades

Abstract

본 발명은 세그먼트 타입의 다이아몬드 공구에 관한 것으로서, 다이아몬드공구를 구성하는 절삭팁에 다이아몬드 입자를 적절히 배열시킴으로써 보다 우수한 절삭성능을 가질 뿐만 아니라 절삭작업시 발생하는 미세분진을 보다 줄일 수 있는 다이아몬드 공구를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 다이아몬드 입자들이 피삭재의 절삭시 후행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성되는 절삭홈이 선행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성된 절삭홈들사이에 형성되도록 배열되는 다이아몬드 공구에 있어서,
상기 절삭팁은 평균집중도 보다 높은 고집중도 영역과 평균집중도 보다 낮은 저집중도 영역을 포함하고, 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부중 적어도 하나의 부분에 적어도 하나 이상의 저집중도 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구를 그 요지로 한다.
본 발명에 의하면, 보다 우수한 절삭성능을 가질 뿐만 아니라 절삭작업시 발생하는 미세분진을 보다 줄일 수 있는 다이아몬드 공구를 제공할 수 있다.
다이아몬드 공구, 층, 열, 절삭팁, 절삭홈, 경사각, 음각

Description

다이아몬드 공구{Diamond Tool}
도 1은 절삭팁의 절삭면에 다이아몬드 입자가 무질서하게 분포된 종래의 다이아몬드 공구의 일례도
도 2(a)는 다이아몬드 공구의 절삭팁의 일례도
도 2(b)∼ 도 2(e)는 다이아몬드 공구에 있어서 음각이 부여된 절삭팁의 일례도
도 2(f)∼ (m)는 본 발명에 따라 다이아몬드 입자가 배열되고 음각이 부여된 절삭팁의 일례도
도 3은 다이아몬드 공구용 절삭팁의 절삭면과 수직하게 절단한 면에서의 다이아몬드 배열의 예들을 나타내는 개략도로서,
(a)는 기본단위가 정사각형인 모양으로 배열되는 다이아몬드 입자들의 배열예를 나타내고,
(b)는 기본단위가 정삼각형인 모양으로 배열되는 다이아몬드 입자들의 배열예를 나타내고, 그리고
(c)는 기본단위가 이등변삼각형인 모양으로 배열되는 다이아몬드 입자들의 배열예를 나타냄
도 4는 도 3(a)에서와 같이 기본단위가 정사각형인 모양의 다이아몬드 입자배열의 일례를 나타내는 개략도
도 5는 다이아몬드 공구용 절삭팁의 절삭면과 수직하게 절단된 면에서의 다이아몬드 입자들의 배열을 나타내는 일례도
도 6은 기본단위가 정사각형인 모양의 다이아몬드 입자배열이 경사지도록 되어 있는 다이아몬드 입자배열의 예들을 나타내는 개략도
도 7은 다이아몬드 공구용 절삭팁의 절삭면에 배열된 다이아몬드 입자가 절삭작업시 절삭면에서 노출된 상태를 보여주는 절삭팁의 절삭면의 일례도
도 8은 기본단위가 정사각형인 모양의 다이아몬드 입자배열의 경사각이 5 °및 25°인 다이아몬드 입자 배열의 대칭관계를 나타내는 개략도
도 9는 기본단위가 정삼각형인 모양의 다이아몬드 입자배열이 경사지도록 되어 있는 다이아몬드 입자 배열의 예들을 나타내는 개략도
도 10은 기본단위가 이등변삼각형인 모양의 다이아몬드 입자배열이 경사지도록 되어 있는 다이아몬드 입자배열의 예들을 나타내는 개략도
도 11은 다이아몬드 입자가 직선으로 배열될 경우 경사각이 작아 절삭팁의 끝부분 절삭면에서 다이아몬드 입자가 조밀하게 배열되는 상태를 나타내는 절삭팁의 개략도
도 12는 하나의 절삭팁과 스틸 코어가 결합되어 있는 다이아몬드 공구의 일부를 나타내는 개략도
도 13은 다이아몬드 입자의 배열각도 a 및 b가 정의되어 있는 절삭팁의 개략도
도 14는 본 발명에 부합되는 다이아몬드 공구용 절삭팁을 절삭면과 수직하게 절단한 면에서의 다이아몬드 입자 배열을 나타내는 일례도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
80, 81, 82, 83, 84...절삭팁
801, 811, 821, 831, 841...전방부
802, 812, 822, 832, 842...후방부
801a, 813c, 821a, 833c, 843c, 802a, 822a,..고 집중도 영역
801b, 811b, 821b, 831b, 841b, 802b, 812b, 822b, 832b, 842b...저 집중도 영역
본 발명은 석재, 벽돌, 콘크리트, 아스팔트와 같은 취성이 있는 피삭재를 절단하거나 천공하는데 사용되는 다이아몬드 공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절삭속도를 높이고 미세한 분진을 줄일 수 있는 다이아몬드 공구에 관한 것이다.
본 발명은 대한민국 특허출원 제2001-60680호 및 제2003-55532호에 제시되어 있는 다이아몬드 공구와 관련되는 것이다.
인조 다이아몬드는 1950년대에 발명된 것으로서, 지구상에 존재하는 물질 중 가장 경도가 높은 물질로 알려져 있으며, 이러한 특성에 의하여 절삭, 연삭 공구등에 사용하게 되었다.
특히, 상기 인조 다이아몬드(이하, "다이아몬드"라 칭함)는 화강암, 대리석 등의 석재를 절삭, 연삭하는 석재가공분야 및 콘크리트 구조물을 절삭, 연삭하는 건설업분야에서 널리 이용되게 되었다.
통상, 다이아몬드 공구는 다이아몬드 입자가 분포되어 있는 절삭팁과 이 절삭팁이 고정되어있는 금속 바디(Core)로 구성된다.
도 1에는 세그먼트 타입의 다이아몬드 공구의 일례가 나타나 있다.
도 1에 나타난 바와 같이, 세그먼트 타입의 다이아몬드 공구(1)는 디스크 형태의 금속바디(2)에 고정되어 있는 다수 개의 절삭팁(11)(12)을 포함하고, 각각의 절삭팁(11)(12)에는 다이아몬드 입자(5)들이 무질서하게 분포되어 있다.
다이아몬드 공구를 사용하여 피삭재를 절삭하는 경우 각각의 절삭팁에 분포되어 있는 다이아몬드 입자들 각각이 절삭을 행하게 된다.
그러나, 본 발명자들의 연구 및 실험 결과에 의하면, 도 1에서와 같이, 다이아몬드 입자들이 절삭팁에 무질서하게 분포되어 있는 경우에는 다이아몬드 입자들의 절삭효율이 떨어진다는 것을 확인할 수 있었다.
이는 다이아몬드 입자가 무질서하게 분포되어 있는 절삭팁만 포함하는 다이아몬드 공구는 다음과 같은 비효율이 발생하기 때문이다. 하나는 선행하는 절삭팁에 분포된 다이아몬드 입자들에 의해 형성된 절삭홈들 간의 간격이 다이아몬드의 입자 크기보다 훨씬 커서 후행한 절삭팁이 지나간 뒤에도 절삭홈과 절삭홈 사이에 공간이 남아 피삭재가 완전히 제거되지 못하는 경우이고, 또 다른 경우는 후행하는 절삭팁에 분포된 다이아몬드 입자가 공교롭게도 선행한 절삭팁이 만들어 놓은 절삭홈으로 그냥 지나가서 결국 아무런 일도 하지 못하는 경우이다.
한편, 상기 다이아몬드 입자가 무질서하게 분포되어 있는 절삭팁을 제조하는 방법으로는 다이아몬드 입자를 다른 금속분말과 혼합하여 소결하는 분말야금방법이 널 리 사용되고 있다.
상기와 같이 분말야금법에 의해 절삭팁을 제조하는 경우에는 미세한 다이아몬드 입자와 다른 금속분말을 혼합, 성형, 소결하는 과정에서 입자의 크기, 비중의 차이 등으로 다이아몬드 입자가 금속결합제 사이에 균일하게 분포하지 못하므로 도 1에 나타난 바와 같이 지나치게 많은 입자가 분포되어 있는 절삭면(3)을 제공하거나 또는 지나치게 적게 분포되어 있는 절삭면(4)을 제공하므로써 편석의 문제가 발생하게 된다.
상기와 같이 다이아몬드 입자가 편석되어 분포되는 경우에는 공구의 절삭성능이 더욱 떨어질 뿐만 아니라 공구의 수명이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명자들은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 다이아몬드공구를 구성하는 절삭팁에 다이아몬드 입자를 적절히 배열시킴으로써 우수한 절삭성능을 가질 뿐만 아니라 절삭작업시 발생하는 미세분진을 줄일 수 있는 다이아몬드 공구를 발명하였으며, 이 발명된 다이아몬드 공구는 대한민국 특허출원 제2001-60680호 및 제2003-55532호로 특허출원되었다.
본 발명은 대한민국 특허출원 제2001-60680호 및 제2003-55532호와 관련되는 것으로서, 다이아몬드공구를 구성하는 절삭팁에 다이아몬드 입자를 적절히 배열시킴으로써 보다 우수한 절삭성능을 가질 뿐만 아니라 절삭작업시 발생하는 미세분진을 보다 줄일 수 있는 다이아몬드 공구를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 다이아몬드 입자가 단층 또는 다층의 판상으로 분포되어 있는 다수개의 절삭팁을 포함하고, 상기 다이아몬드 입자층들은 피삭재의 절삭시 후행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성되는 절삭홈이 선행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성된 절삭홈들사이에 형성되도록 배열되는 다이아몬드 공구에 있어서,
각각의 절삭팁을 2개 이상의 영역으로 구분하여 절삭방향으로 보아 전방부에는 n층의 다이아몬드 입자층이 배열되고 후방부에는 n'층의 다이아몬드 입자층이 배열되고(이때 n'≤n), 그리고 상기 전방부의 각각의 다이아몬드 입자층은 상기 후방부의 다이아몬드 입자층사이에 오도록 배열되고;
상기 전방부의 다이아몬드 입자층이 상기 후방부의 다이아몬드 입자층사이에 오도록 하는 배열이 절삭방향으로 본 측면부에 음각을 부여함으로써 이루어지고; 그리고 상기 절삭팁은 평균집중도 보다 높은 고집중도 영역과 평균집중도 보다 낮은 저집중도 영역을 포함하고, 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부중 적어도 하나의 부분에 적어도 하나 이상의 저집중도 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 절삭작업 과정에서 피삭재와 접하는 절삭면에 다이아몬드를 적절히 배열시켜 각각의 다이아몬드 입자 하나하나가 가장 효용성 있게 사용되도록 하는 다이아몬드 공구에 관한 것이다.
본 발명은 다이아몬드 입자가 단층 또는 다층의 판상으로 분포되어 있는 다수개의 절삭팁을 포함하고, 상기 다이아몬드 입자층들은 피삭재의 절삭시 후행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성되는 절삭홈이 선행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성된 절삭홈들사이에 형성되도록 배열되는 다이아몬드 공구에 바람직하게 적용된다.
본 발명의 다이아몬드 공구는 각각의 절삭팁을 2개 이상의 영역으로 구분하여 절삭방향으로 보아 전방부에는 n층의 다이아몬드 입자층이 배열되고 후방부에는 n'층의 다이아몬드 입자층이 배열되고(이때 n'≤n), 그리고 상기 전방부의 각각의 다이아몬드 입자층은 상기 후방부의 다이아몬드 입자층사이에 오도록 배열되고;
상기 전방부의 다이아몬드 입자층이 상기 후방부의 다이아몬드 입자층사이에 오도록 하는 배열이 절삭방향으로 본 측면부에 음각을 부여함으로써 이루어지고; 그리고 상기 절삭팁은 평균집중도 보다 높은 고집중도 영역과 평균집중도 보다 낮은 저집중도 영역을 포함하고, 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부중 적어도 하나의 부분에 적어도 하나 이상의 저집중도 영역을 포함한다.
상기 절삭팁의 한쪽 측면 또는 양 측면에 음각이 형성되는 것이 바림직하다.
상기 음각은 상기 각각의 측면에 하나 또는 2이상이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 저 집중도 영역은 절삭방향과 수직한 방향으로 수평하게 형성되거나 또는 경사지게 형성될 수 있다.
상기 고 집중도 영역이 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부에 걸쳐 형성될 수도 있다.
또한, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층의 다이아몬드 입자들은 일정한 간격을 두고 배열될 수 있다.
이하, 본 발명을 도면을 통해 보다 상세히 설명한다.
도 2(a)에는 절삭팁을 2개의 영역으로 구분하여 절삭방향으로 본 전방부에는 3층의 다이아몬드 입자층이 배열되고 후방부에는 2층의 다이아몬드 입자층이 배열되어 있는 절삭팁(141)이 나타나 있다.
도 2(a)에 나타난 바와 같이, 상기 후방부의 각각의 다이아몬드 입자층(141d,141e)은 상기 전방부의 다이아몬드 입자층(141a,141b, 141c)사이에 오도록 배열된다.
도 2(b)에는 절삭방향으로 본 전방부(211)와 후방부(212)의 양쪽에 각각 교대로 음각이 형성되어 있는 절삭팁(21)이 나타나 있다.
도 2(b)에 나타난 바와 같이, 절삭팁(21)의 전방부(211)에 3층의 다이아몬드 입자층(211a,211b,211c)이 배열되고 후방부(212)에도 3층의 다이아몬드 입자층(212a,212b, 212c)이 배열되고, 그리고 상기 전방부(211)의 3층의 다이아몬드 입자층(211a,211b,211c)각각은 상기 후방부(212)의 3층의 다이아몬드 입자층 (212a, 212b,212c)사이에 오도록 배열된다.
또한, 도 2(c)에는 절삭팁의 양 측면쪽(절삭방향에서 볼 때 측면쪽)에 교대로 음각을 주되 음각을 가진 부분이 복수개 반복되도록 하여 다이아몬드 입자층이 교대로 배열되는 구간이 2개이상(복수 개)이 되도록 한 절삭팁(22)이 나타나 있다.
도 2(c)에 나타난 바와 같이, 절삭팁(22)의 전방부(221)의 전면부(2211)와 후면부(2212)에 3층의 다이아몬드 입자층(221a,221b,221c) 및 (221d,221e,221f)이 배열되고 후방부(222)의 전면부(2221)와 후면부(2222)에도 3층의 다이아몬드 입자층(221g,221h,221i) 및 (221j,221k,221l)이 배열되며, 상기 3층의 다이아몬드 입자층 (221a,221b,221c) 및 (221g,221h,221i) 각각은 상기 3층의 다이아몬드 입자층(221d,221e,221f) 및 (221j,221k,221l)사이에 오도록 배열된다.
도 2(d) 및 (e)는 다이아몬드 입자들이 측면과 접하도록 배열되어 있는 절삭팁의 예들을 나타내는 것이다.
상기 음각이 부여되는 부분의 깊이와 길이 및 개수는 절삭팁의 크기, 다이아몬드의 집중도, 및 다이아몬드의 입자크기에 따라 적절히 변화될 수 있다.
상기한 절삭팁들에서 전면부 및 후면부 구간의 길이가 긴 경우 혹은 다이아몬드 입자층의 집중도가 높을 경우, 그 구간에 있는 다이아몬드 입자들이 각각 제 역할을 감당하지 못하게 되는 경우가 있다.
즉, 절삭작업중 도 2(b)의 다이아몬드 입자층(212a, 212b, 212c)에서 절삭방향으로 앞쪽에 위치하고 있는 다이아몬드 입자들(2121~2123)은 뒤쪽에 위치한 다이아몬드 입자들(2124~2126)에 비하여 더 큰 힘을 받게 되어 앞쪽에 위치한 다이아몬드 입자들(2121~2123)은 심하게 깨지거나 빠지는 반면, 뒤쪽에 위치한 다이아몬드 입자는(2124~2126) 상대적으로 적은 힘을 받기 때문에 폴리싱(polishing)화 될 우려가 있다.
본 발명에 부합되는 바람직한 절삭팁의 예들이 도 2(f)에서 도 2(m)에 제시되어 있다.
도 2(f)에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 상기한 문제점을 개선시키기 위하여 절삭팁(80)이 평균집중도 보다 높은 고집중도 영역(801a)(802a)과 평균집중도 보다 낮은 저 집중도 영역(801b)(802b)을 포함하도록 하고, 그리고 상기 절삭팁 (80)의 전방부(801) 및 후방부(802)중 적어도 하나의 부분에 적어도 하나 이상의 저집중도 영역(801b)(802b)을 갖도록 절삭팁을 형성한다.
상기 절삭팁(80)의 양 측면의 각각에 하나의 음각(80ld)(80rd)이 형성되어 있다.
상기 저 집중도 영역(801b)(802b)은 절삭방향과 수직한 방향으로 수평하게 형성되어 있다.
도 2(g)에는 도 2(f)와 같이 고 집중도 영역과 저 집중도영역을 포함하고, 각각의 측면에 두개의 음각이 형성되어 있는 절삭팁이 제시되어 있다.
도 2(h)에는 고 집중도 영역(813c)과 저 집중도영역(811b)(812b)을 포함하고 있지만, 고 집중도 영역(813c)이 상기 절삭팁의 전방부(811) 및 후방부(812)에 걸쳐 형성되어 있고, 그리고 양 측면의 각각에 하나의 음각(81ld)(81rd)이 형성되어 있는 절삭팁(81)이 제시되어 있다.
상기 저 집중도영역(811b)(812b)은 절삭방향과 수직한 방향으로 수평하게 형성되어 있다.
도 2(i)에는 도 2(h)와 같이 고 집중도 영역과 저 집중도영역을 포함하고, 각각의 측면에 두개의 음각이 형성되어 있는 절삭팁이 제시되어 있다.
도 2(j)에는 고 집중도 영역(843c)과 저 집중도영역(841b)(842b)을 포함하고, 고 집중도 영역(843c)이 절삭팁의 전방부(841) 및 후방부(842)에 걸쳐 형성되어 있고, 양 측면의 각각에 하나의 음각(84ld)(84rd)이 형성되어 있고, 그리고 저 집중도 영역이 절삭방향과 수직한 방향으로 경사지게 형성되어 있는 절삭팁(84)이 제시되어 있다.
도 2(k)에는 도 2(j)와 같이 고 집중도 영역과 저 집중도영역을 포함하고, 각각의 측면에 두개의 음각이 형성되어 있는 절삭팁이 제시되어 있다.
도 2(l)에는 전방부(821) 및 후방부(822)에 고 집중도 영역(821a)(822a)과 저 집중도영역(821b)(822b)을 포함하고, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층(8211)의 다이아몬드 입자(8211a)들이 일정한 간격을 두고 배열되어 있고, 그리고 양 측면의 각각에 하나의 음각이 형성되어 있는 절삭팁(82)이 제시되어 있다.
도 2(m)에는 도 2(l)에서와 같이 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층(8311)의 다이아몬드 입자(8311a)들이 일정한 간격을 두고 배열되어 있고, 그리고 양 측면의 각각에 하나의 음각이 형성되지만, 전방부(831) 및 후방부(832)에 저 집중도 영역(831b)(832b)을 포함하고, 고 집중도 영역(833c)이 상기 절삭팁의 전방부(831) 및 후방부(832)에 걸쳐 형성되어 있는 절삭팁(83)이 제시되어 있다.
상기한 도 2(f)에서 도 2(m)에 제시되어 있는 절삭팁에 있어서 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자를 존재시키지 않을 수도 있다.
본 발명은 상기와 같이 다이아몬드 입자들이 배치된 다이아몬드 공구에 있어서 삽질효과를 보다 극대화시키기 위하여 피삭재의 절삭시 다이아몬드 입자가 절삭팁의 절삭면에 일정한 간격을 가지고 돌출되도록 절삭방향에 평행하고 절삭면과 수직하게 절단된 단면상에서 이 단면의 상부 꼭지점들을 연결하는 선 또는 하부 꼭지점들 을 연결하는 선과 일정한 경사각도(이하, "경사각"이라고도 함)로 경사지게 다이아몬드 입자가 배열되도록 하는 것이 바람직한데, 이에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 부합되는 다이아몬드 공구를 제조하는 방법으로는 다이아몬드 입자를 다른 금속분말과 혼합하여 소결하는 분말야금방법을 들수 있다.
상기 분발야금방법을 사용하여 절삭팁을 제조하기 위하여 금속분말을 성형할 때 절삭팁의 내부에 다이아몬드를 판상으로 배열하게 되는데, 이때 다이아몬드 배열상태의 예들이 도 3에 나타나 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 다이아몬드를 배열하는 기본단위는 정사각형 모양이 될 수도 있고[도 3(a)], 정삼각형 모양이 될 수도 있고[도 3(b)], 그리고 이등변삼각형 모양이 될 수도 있다[도 3(c)].
물론, 다이아몬드를 배열하는 기본단위는 상기한 모양에 한정되는 것은 아니다.
도 3(a)와 같이 기본단위가 정사각형인 모양으로 다이아몬드 입자를 배열하는 경우에는 절삭팁내에 다이아몬드 입자들의 배열은 도 4와 같이 나타낼 수 있다.
즉, 도 4에 나타나 있는 배열상태는 도 5에서 절삭 팁을 A-A선을 따라 절단한 것이다.
본 발명에서 사용되는 "절삭방향과 평행하고 절삭 면과 수직 하게 절단한 면" 은 도5에서와 같이 절삭 팁을 A-A선을 따라 절단하여 얻어진 단면을 의미하는 것이다.
도 5에서 부호 91은 절삭면을 나타낸다.
도 4에서, 절삭이 이루어지는 절삭팁(90)의 절삭면(91)에서 다이아몬드 입자의 상태를 관찰하면 초기에는 중앙부분의 다이아몬드 입자들(911b)이 절삭에 참여하다가 이 다이아몬드 입자들(911b)이 모두 탈락하면 양쪽 측면 부의 다이아몬드 입자들 (911a, 911c)이 절삭에 참여하게 된다.
절삭작업중에 이러한 과정이 계속적으로 반복해서 나타나는데 이렇게 되면 절삭팁의 절삭면의 모든영역에 다이아몬드가 고루 돌출되지 못하고 한 부분에 몰려서 나타나기 때문에 삽질효과를 100% 기대할 수가 없다.
따라서, 다이아몬드를 배열할 때 일정한 경사각을 주어 다이아몬드 입자들을 배열하는 것이 효과적이다.
도 6에는 정사각형을 기본단위로 경사각에 따른 다이아몬드 입자의 배열상태가 나타나 있다.
도 6에 나타난 바와 같이, 도 6(b)~(f)의 배열이 도 6(a)의 경우보다 절삭면상에서의 다이아몬드 입자간의 적당한 간격(S)을 유지하고 있음을 알 수 있다.
일반적으로, 다이아몬드 쏘 블레이드의 경우 절삭작업 중 절삭면의 다이아몬드 상태는 도 7과 같이 이머징 크리스탈(emerging crystal)(23), 홀 크리스탈(whole crystal)(24), 프랙처 크리스탈(fractured crystal)(25), 풀-아웃 홀(pull-out hole)(26) 등의 여러가지 모양으로 나타나게 된다.
다이아몬드 공구 관련 논문에 따르면 홀 크리스탈 : 프랙처 크리스탈 : 풀-아웃 홀의 비율이 4:4:2인 경우가 가장 효율적인 절삭작업을 한다고 보고되어 있다.
따라서, 절삭팁의 다이아몬드 입자들을 바람직하게는 일정한 경사각, 보다 바람직하게는 5°이상의 경사각을 주어 배열하는 것이 절삭팁의 절삭면에 홀 크리스탈, 프랙처 크리스탈, 풀-아웃 홀의 적절한 조합을 이룰 수 있어 절삭작업에 보다 효과 적이라고 할 수 있다.
도 6에서 정사각형을 기본단위로 한 다이아몬드 입자배열에서는 경사각 45˚를 기준으로 배열의 대칭을 이룬다.
즉, 도 8의 (a)와 (b), (c)와 (d)가 각각 대칭을 이룬다.
도 3의(b) 및 (c)와 같이 정삼각형 및 이등변삼각형을 기본단위로 한 경우는 경사각 30˚및 90˚를 기준으로 각각 대칭을 이룬다.
도 9와 도 10에 각각 정삼각형 및 이등변삼각형을 기본단위로 한 경우에 대한 경사각에 따른 배열상태와 대칭관계가 나타나 있다.
도 4에서 상기한 바와 같이 다이아몬드 입자간 간격이 좁고 동일한 돌출높이를 갖게 되는 경우에는 절단작업시 절단면에서 다이아몬드 입자간의 간격이 좁은 영역이 부분적으로 나타나므로 삽질효과가 100% 일어날 수 없어 보다 우수한 절삭성을 기대할 수 없다.
실제 절삭팁의 절삭면은 유한 반경을 가지고 있기 때문에 다이아몬드 입자가 직선으로 배열될 경우 절삭팁의 끝부분은 어느 정도 경사에서는 도 11의 E 부분과 같이 절삭면에서 다이아몬드 입자가 조밀하게 배열될 수 있다.
도 12에는 하나의 절삭팁과 스틸 코어가 결합되어 있는 다이아몬드 공구의 일부가 도시되어 있다.
도 12에는 절삭팁(460)의 절삭면(462)에서 이 절삭면(462)의 중심과 절삭팁의 끝점을 이은 직선(463)이 그 절삭면상에 있을 때 그 직선(463)과 절삭면(462)의 중심으로부터 스틸 코어(steel core)(461)의 중심까지의 직선(464)이 이루는 각 α가 나 타나 있다.
실제적으로 절삭에 참여하는 다이아몬드 입자들은 절삭면(462)에 걸치게 되므로 각 α가 도 13과 같이 정의되는 각 a 또는 각 b와 같지 않도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 α는 스틸 코어(461)의 외경치수, 절삭팁(460)의 길이 등에 따라서 달라질 수 있으므로 다이아몬드 배열시 경사각은 α가 a 또는 b와 같지 않은 범위내에서 설정하는 것이 바람직하다.
도 11은 각 α가 각 a 또는 각 b와 같게 되는 경우로서, 이러한 경우에는 도 11에 나타난 바와 같이, 절삭면에서 다이아몬드 간의 간격이 좁아져서 국부적인 영역(E)에서만 다이아몬드 입자가 돌출되어 삽질효과를 100% 내지 못한다.
이와 같이, 본 발명에서는 삽질효과를 보다 향상시키기 위하여 절삭방향에 평행하고 절삭면과 수직하게 절단된 단면상에서 이 단면의 상부 꼭지점들을 연결하는 선 또는 하부 꼭지점들을 연결하는 선과 일정한 경사각도로 경사지도록, 다시 말하면, 도 12에서 정의되는 각 α가 도 13과 같이 정의되는 각 a 또는 각 b와 같지 않도록 다이아몬드 입자가 배열되어야 한다.
상기와 같이 다이아몬드 입자들을 배열함으로써 피삭재의 절삭시 다이아몬드 입자들이 일정한 간격을 두고 절삭면상에 항상 노출되어 있게 됨으로써 삽질효과를 보다 향상시키고 결과적으로 절삭효과를 보다 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에서도 상기한 기술사상이 적용될 수 있다.
도 14에는 본 발명에 부합되는 절삭팁을 도 5에서와 같이 절단한 경우 절삭팁내에서의 다이아몬드 입자들의 배열의 예들이 제시되어 있다.
도 14에 나타난 바와 같이 절삭면의 전방부 및 후방부에 각각 고집중도 영역과 저집중도 영역을 형성하는 바람직한 방법으로는 도 6에 나타난 바와 같이 다이아몬드 입자들을 일정한 경사각을 주어 배열한 후, 고집중도 영역의 다이아몬드 입자들을 제외한 저집중도 영역의 다이아몬드 입자를 제거하는 방법을 들수 있다.
이 때 절삭팁에 배열되는 다이아몬드 입자 수를 동일하게 하는 경우에는 고집중도 영역의 다이아몬드 입자간의 간격이 더 좁아질 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 도 14에 나타난 바와 같이 절삭방향에 평행하고 절삭면과 수직하게 절단된 단면상에서 이 단면의 상부 꼭지점들을 연결하는 선 또는 하부 꼭지점들을 연결하는 선과 일정한 경사각도로 경사지게 다이아몬드 입자를 배열하여 피삭재의 절삭시 다이아몬드 입자가 절삭팁의 절삭면에 일정한 간격을 두고 돌출되도록 하는 것이 바람직하다.
도 14에는 기본단위가 사각형인 다이아몬드 입자 배열의 예가 제시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 정삼각형 및 이등변삼각형등을 기본단위로 하는 다이아몬드 입자 배열도 가능함은 물론이다.
또한, 본 발명은 다수개의 절삭팁으로 이루어져 있는 코어비트에도 적용될 수 있다.
본 발명에서는 다이아몬드 입자가 무질서하게 배열된 절삭팁을 일부 배치하여 공구를 제조할 수도 있다.
이 경우에는 절삭효율이 종래의 공구에 비해서는 우수하나 다이아몬드 입자가 무질서하게 배열된 절삭팁을 배치하지 않은 공구에 비해서는 절삭효율이 다소 떨어지게 된다.
또한, 본 발명에서는 절삭팁 측면부의 조기마모를 방지하기 위하여 내마모성이 높은 필러를 선택하여 절삭팁의 측면부에 적절한 형태로 분포시킬 수 있다.
본 발명에 따라 공구의 수명을 더욱 연장시키기 위하여 금속결합제에 필러(filler)(경도가 높은 연마재)를 첨가시켜 금속결합제의 내마모성을 증가시키는 것이 바람직하다.
이 때 사용되는 필러로서는 SiC, WC, BN, Al2O3, 다이아몬드 등과 같은 내마모성이 있는 입자로서 단독 또는 2종 이상을 복합하여 사용할 수 있다.
필러로 사용되는 재료는 측면부의 마모방지를 위해서 첨가된 것이므로, 필러로 다이아몬드를 사용할 경우, 측면부에 필러로 첨가된 다이아몬드의 집중도는 절삭을 목적으로 중앙부에 들어간 다이아몬드의 집중도보다 낮은 집중도를 가져야 한다.
측면부에 필러로 첨가된 다이아몬드는 절삭을 목적으로 중앙부에 들어간 다이아몬드의 집중도의 10-60%정도의 낮은 집중도를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 다이아몬드 공구를 제조하는 방법의 일례는 다음과 같다.
스프레이식 접착제를 절삭팁 형상으로 자른 금속망위에 도포하고 그 위에 일정한 간격으로 레이저가공에 의해 타공된 금속지그를 올려놓고 미세한 다이아몬드 입자를 뿌린다. 이때 구멍 한 개에 다이아몬드 입자가 한 개씩 들어가게 한다. 금속지그를 분리하면 금속망위에 다이아몬드 입자가 일정하게 배열된 금속망을 얻게 된다. 이것을 금속결합제와 함께 냉간성형 하고 소결하여 절삭팁을 제조한다.
이 때 하나의 절삭팁을 두 개 이상의 영역으로 구분하여 제작하는 경우에는 성형 혹은 소결 시에 양각을 가진 상하 몰드를 사용하여 제작할 수 있으나 소결을 통한 방법이 좀 더 바람직하다. 이 방법은 다이아몬드 공구업계에서 널리 사용하고 있는 방법이다.
상기한 본 발명의 다이아몬드 공구의 제조방법은 하나의 바람직한 예에 불과하며, 특별히 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 부합되는 다이아몬드 공구를 사용하여 피삭재를 절삭시 절삭메카니즘에 대하여 설명한다.
도 2(f)에 나타난 바와 같이, 절삭팁(80)에 음각을 부여함으로써 전방부(801)에 위치한 다이아몬드 입자층들이 후방부(802)에 위치한 다이아몬드 입자층들 사이에 오도록 배열하여 절삭작업 시 전방부에 형성된 다이아몬드 입자층들에 의해 피삭재에 형성된 절삭홈의 인접한 곳에 후방부에 위치한 다이아몬드 입자층들이 절삭홈을 형성하게 하여 삽질효과를 보다 향상시키고 다이아몬드 공구의 절삭능력을 향상시키는 효과를 가져온다. 피삭재를 대립(大粒)으로 절삭할 수 있어 절삭작업 시 발생하는 미세분진도 최소화 할 수 있다.
또한 전방부 및 후방부에 각각 고집중도 영역과 저집중도 영역을 형성하여 줌으로써 절삭작업 시 각각의 다이아몬드 입자가 동일한 힘을 받고 일할 수 있도록 하여 줄 뿐만 아니라, 도 12에서 정의되는 각 α가 도 13과 같이 정의되는 각 a 또는 b와 같지 않도록 다이아몬드 입자를 배열시킴으로써 피삭재의 절삭 시 다이아몬드 입자들이 일정한 간격을 두고 절삭면상에 항상 노출되어 있게 됨으로써 삽질효과를 보다 향상시키고 결과적으로 절삭효과를 보다 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
하기 표 1과 같이 도 2(d)와 같이 내부에 3층으로 다이아몬드를 규칙배열하고 외부에는 내부에 삽입된 다이아몬드와 동일한 종류와 크기의 다이아몬드를 필러로 삽입한 절삭팁의 양쪽에 교대로 음각을 주어 배열한 쏘블레이드(비교예), 도 2(f)와 같이 본 발명에 따라 고 집중도 영역과 저 집중도 영역(다이아몬드 입자가 존재하지 않음)을 갖는 절삭팁으로 제작한 쏘블레이드(발명예) 및 다이아몬드 입자를 규칙배열시키지 않고 무질서하게 혼합하여 다이아몬드 입자를 분포시킨 쏘블레이드(종래예)를 제작한 후, 절삭시험을 행하여 절삭성능과 수명성능을 조사하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 및 발명예에 있어서 절삭면과 수직하게 규칙배열된 다이아몬드층의 경사각은 25˚로 하였다.
이때 절삭팁의 다이아몬드 층의 두께는 다이아몬드 평균 입자 크기인 0.4mm였고, 다이아몬드 층간의 간격은 0.3mm 되게 배열하였다.
이때 사용한 금속결합제로는 Co-Fe-Ni계 합금을 사용하였으며, 다이아몬드는 미국 GE사의 MBS 955를 사용하였고, 소결은 핫 프레스(Hot press) 방식으로 소결온도 860℃, 소결시간 5분의 조건으로 행하였다.
상기 방법으로 제조한 세그먼트를 레이저 용접으로 14 inch 코어(core)에 부착하여 절입 35mm로 콘크리트 절삭시험을 행하였다.
이 때 사용한 기계는 EDCO(사)의 엔진구동형 절삭시험기로 5.5HP이다.
절삭팁의 측면에는 마모방지를 위해서 내부에 규칙배열한 다이아몬드와 동일한 다이아몬드를 사용하였으며 내부에 들어간 다이아몬드 집중도 보다 30%의 낮은 집중도로 다이아몬드를 필러(filler)로 첨가하였다.
시편No. 집중도 (cts/cc) 절삭지수 (㎠/min) 절삭비교 (%) 수명지수 (㎡/mm) 수명비교 (%)
비교예 0.8 754.42 125 5.70 117
발명예 0.8 793.22 132 5.88 121
종래예 0.8 601.40 100 4.86 100
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 발명예의 경우가 비교예 및 종래방법에 따라 제작한 종래예에 비하여 절상성능 및 수명성능에 있어서 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 하나의 절삭팁에 음각을 부여함으로써 전방부에 위치한 다이아몬드 입자층들이 후방부에 위치한 다이아몬드 입자층들 사이에 오도록 배열하여 절삭작업 시 전방부에 형성된 다이아몬드 입자층들에 의해 피삭재에 형성된 절삭홈의 인접한 곳에 후방부에 위치한 다이아몬드 입자층들이 절삭홈을 형성하게 하여 삽질효과를 보다 향상시키고 다이아몬드 공구의 절삭능력을 향상시키는 효과가 있는 것이다.
또한 전방부 및 후방부에 각각 고집중도 영역과 저집중도 영역을 형성하여 줌으로 써 절삭작업 시 각각의 다이아몬드 입자가 동일한 힘을 받고 일할 수 있도록 하여 주는 효과가 있는 것이다.
더욱이, 본 발명은 상기한 효과에 더하여 피삭재의 절삭 시 다이아몬드 입자가 절삭팁의 절삭면에 일정한 간격을 가지고 돌출되도록 함으로써 삽질효과를 보다 극대화 시켜 절삭성이 보다 향상됨과 동시에 미세분진 발생량을 최소화 시킬 수 있는 다이아몬드 공구를 제공하는 효과가 있다.

Claims (28)

  1. 다이아몬드 입자가 단층 또는 다층의 판상으로 분포되어 있는 다수개의 절삭팁을 포함하고, 상기 다이아몬드 입자층들은 피삭재의 절삭시 후행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성되는 절삭홈이 선행하는 다이아몬드 층들에 의해 피삭재에 형성된 절삭홈들사이에 형성되도록 배열되는 다이아몬드 공구에 있어서,
    각각의 절삭팁을 2개 이상의 영역으로 구분하여 절삭방향으로 보아 전방부에는 n층의 다이아몬드 입자층이 배열되고 후방부에는 n'층의 다이아몬드 입자층이 배열되고(이때 n'≤n), 그리고 상기 전방부의 각각의 다이아몬드 입자층은 상기 후방부의 다이아몬드 입자층사이에 오도록 배열되고;
    상기 전방부의 다이아몬드 입자층이 상기 후방부의 다이아몬드 입자층사이에 오도록 하는 배열이 절삭방향으로 본 측면부에 음각을 부여함으로써 이루어지고; 그리고 상기 절삭팁은 평균집중도 보다 높은 고집중도 영역과 평균집중도 보다 낮은 저집중도 영역을 포함하고, 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부중 적어도 하나의 부분에 적어도 하나 이상의 저집중도 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  2. 제1항에 있어서, 상기 절삭팁의 한쪽 측면 또는 양 측면에 음각이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  3. 제2항에 있어서, 상기 각각의 측면에 하나 또는 2이상의 음각이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  4. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 저 집중도 영역이 절삭방향과 수직한 방향으로 수평하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  5. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 저 집중도 영역이 절삭방향과 수직한 방향으로 경사지게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  6. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고 집중도 영역이 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  7. 제4항에 있어서, 상기 고 집중도 영역이 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  8. 제5항에 있어서, 상기 고 집중도 영역이 상기 절삭팁의 전방부 및 후방부에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  9. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층의 다이아몬드 입자들은 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  10. 제4항에 있어서, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층의 다이아몬드 입자들은 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  11. 제5항에 있어서, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층의 다이아몬드 입자들은 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  12. 제6항에 있어서, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층의 다이아몬드 입자들은 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  13. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 절삭팁의 적어도 하나의 측면부에 위치되는 다이아몬드 입자층의 다이아몬드 입자들은 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  14. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  15. 제4항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  16. 제5항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  17. 제6항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  18. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  19. 제9항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  20. 제10항에서 제12항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  21. 제13항에 있어서, 상기 저 집중도 영역에는 다이아몬드 입자들이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  22. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 절삭방향에 평행하고 절삭면과 수직하게 절단된 단면상에서 이 단면의 상부 꼭지점들을 연결하는 선 또는 하부 꼭지점들을 연결하는 선과 일정한 각도로 경사지게 배열되어 피삭재의 절삭시 다이아몬드 입자가 절삭팁의 절삭면에 일정한 간격을 가지고 돌출되도록 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  23. 제22항에 있어서, 상기 경사각이 15∼45°인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  24. 제1항 내지 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 선행하는 각 다이아몬드 입자층과 입자층의 간격은 후행하는 다이아몬드 입자층의 두께보다 작거나 같도록 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  25. 제1항 내지 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 다이아몬드 입자가 판상의 층으로 배열된 절삭팁과 함께 다이아몬드 입자가 무질서하게 분포된 절삭팁도 단수 또는 다수개 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  26. 제1항에서 제3항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭팁의 측면부위에 필러가 분포 되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  27. 제26항에 있어서, 필러가 SiC, WC, BN, Al2O3 및 다이아몬드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종이상인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
  28. 제27항에 있어서, 필러가 다이아몬드이고 필러로 첨가된 다이아몬드의 집중도가 절삭을 목적으로 하는 다이아몬드의 집중도의 10-60%정도인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구
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