KR100645000B1 - 3개의 커팅에지가 있는 드릴유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 드릴(1)을 구비하고, 냉각채널(2)이 있으며, 상기 드릴의 상기 냉각채널로 냉각유체를 공급하는 장치를 구비한 드릴유닛에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 드릴(1)은 3개의 날(3, 4, 5)을 포함하고, 그 중 제1날(3)은 상기 드릴의 원주로부터 그것의 중심으로 연장되는 한편, 상기 제2 및 제3날(4, 5)은 상기 드릴의 원주로부터 안쪽으로 연장되지만 그것의 중심에 도달하지 않는다. 또한, 상기 냉각채널은 상기 드릴의 중심에서 축선방향으로 연장되고, 상기 중심과 상기 제2 및 제3날(4, 5)의 종단점 사이의 공간에서 형성되도록 상기 냉각채널이 상기 드릴의 비트 포인트에서 굴절된다. 냉각유체용 공급장치는 고압하에서 상기 유체를 공급하기 위해서 적용된다.

Description

3개의 커팅에지가 있는 드릴유닛{DRILL UNIT WITH THREE CUTTING EDGES}

본 발명은 냉각채널을 가진 드릴 및 상기 드릴의 냉각채널로 냉각유체를 공급하는 장치를 구비한 드릴유닛에 관한 것이다.

엔지니어링 산업은 항상 생산성 증가 및 품질개선을 목표로 하고 있다. 엔지니어링 산업내에서 가장 어려운 작업 중의 하나를 구성하는 구멍절삭작업에서 상기한 바를 달성하기 위하여, 누구든 통상적으로는 상기 방법에서 더 높은 생산성을 획득하기 위하여 드릴의 커팅 데이타(cutting data)를 증가시키려는 목표를 가진다. 또한, 더 높은 절삭속도는 버(burr) 형성이 감소하기 때문에 더 잘 마무리된(fnished) 표면을 제공한다. 하지만, 절삭속도의 증가에 따른 문제점은, 특히 금속의 드릴가공시에, 기계가공에서 생기는 고온으로 상기 드릴 모서리가 쉽게 마모된다는 점이다. 상기 마모를 줄이기 위하여, 최근에는 드릴내에 형성된 냉각채널에 의하여 냉각액이 공급된다. 이러한 드릴의 예시는 미국특허 제5,173,014호에 도시되어 있으며, 상기 예시는 2개의 완비된 날(teeth), 즉 2개의 원주 작용날(working teeth) 및 2개의 냉각채널을 가진 드릴을 개시하고 있다. 다수의 날을 사용함으로써, 드릴에는 더욱 유리한 동력의 분배(power distribution)가 얻어지고, 드릴의 정밀도를 높인다. 미국특허 제5,174,691호는 중앙의 냉각채널을 가지는 긴 드릴을 도시하고 있으며, 상기 채널에는 2개의 개구부가 갖춰져 있다. 긴 드릴가공 구멍에서 칩 운반을 양호하게 하기 위하여, 대략 5500kPa의 압력하에서 냉각액이 공급된다.

또한, 종래의 드릴가공법을 사용해서는, 요구되는 엄격한 공차를 가지는 구멍을 얻기는 어렵다고 알려져 왔으며, 높은 축선방향의 힘이 요구된다는 사실 때문에 드릴의 이송이 종종 제한되어야만 한다. 양호한 공차를 제공하고 낮은 축선방향의 힘을 필요로 하는 이용가능한 방법은 건 드릴가공(gun drilling)이다. 하지만, 상기 방법에서는, 상기 드릴의 양호한 제어와 적은 이송이 요구되며, 제작속도를 느리게 한다. 이들 요건들이 종종 상기 방법을 사용하는 것을 불가능하게 하지만, 전통적인 드릴가공이 브로치(broach)에 의한 후처리(after-treatment)와 함께 사용된다. 더구나, 많은 경우에 리머가공(reamed)되어야만 한다.

본 발명은 상술된 결점으로 인한 곤란을 겪지 않으며, 구멍의 품질을 떨어뜨리지 않고 또한 드릴의 긴 수명을 가지고 높은 생산성을 허용하는 드릴유닛을 얻는 것에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 냉각채널을 구비한 드릴 및 상기 드릴의 냉각채널로 냉각유체를 공급하는 장치를 구비한 드릴유닛에 의하여 달성되고, 상기 드릴은 3개의 날을 포함하며, 그 중 제1날은 드릴 원주로부터 그 중심으로 연장되는 한편, 제2 및 제3날은 드릴의 원주로부터 안쪽으로 연장되지만 그것의 중심에 도달하지 않으며, 상기 냉각채널은 드릴의 중심에서 축선방향으로 연장되며, 고압하에서 유체를 공급하기 위한 냉각유체용 공급장치가 적용될 뿐만 아니라, 중심과 제2 및 제3날의 종단점 사이의 공간에서 나오도록 드릴의 비트 포인트(bit point)에서 편향되는 것을 특징으로 한다. 3개의 날을 가진 드릴을 만듦으로써, 구멍의 중심에서는 날 중 하나만 작용하기 때문에, 작은 축선방향의 이송력만이 요구되는 동시에 드릴가공된 구멍의 엄격한 공차와 함께 높은 생산성을 얻는 것이 가능해진다. 고압하에서 냉각매질을 공급함으로써, 더욱 효과적인 냉각이 얻어지며, 상기 냉각은 드릴의 마모를 적게하고 기계가공된 재료내의 조직변화(structural changes)에 대한 위험도를 더 낮춘다. 동시에, 칩의 정체(chip stopping), 공구 파손 및 구멍 표면상의 손상에 대한 위험도를 감소시키면서 칩운반을 촉진시킨다. 냉각채널이 실질적으로 드릴의 중심으로 연장됨에 따라서, 최대의 드릴 강성(rigidity)이 얻어진다.

바람직한 실시예에서, 공급되는 냉각유체의 압력은 3000kPa보다 더 높고, 날은 드릴의 원주에 걸쳐 불균일하게 분포되며, 이것에 의하여 제1날과 제2 및 제3날 사이의 원주방향으로 본 각도는 각각 110° 및 200°이다. 또한, 부분적으로 원뿔형인 슬롯이 3개의 날 사이의 드릴코어내에 형성되며, 상기 슬롯은 드릴의 중심을 향하여 연장된다. 부분적으로 원뿔형인 슬롯은 원뿔형 그라인딩 공구로 이루어진 같은 모양의 공구를 사용하여 형성되는 것이 바람직하며, 드릴코어의 기계가공에서 모선(generatrix)은 드릴 축에 대하여 적어도 30°의 각도를 형성한다.

2개의 날이 그 내부에 연장되도록 허용되는 상황에 비하여 회전 중심으로 연장된 날이 단지 하나를 가지는 경우의 가장 현저한 차이점은 끌(chisel) 에지의 성가신 점과 절삭보다는 파내는(ploughs), 네거티브 커팅 형태(geometry)를 완전히(100%) 해결한다는 점이다. 어떠한 치즐 에지도 존재하지 않는다는 사실 때문에, 파워 픽쳐(power picture)는 구멍의 길이방향으로 더욱 까다로운 세부작업시에 탄성을 줄이도록 변화되어, 더 좋은 공차(tolerance)를 얻게 된다.

큰 치즐 에지를 가지는 드릴에서 구멍의 중심에서의 구멍의 직경의 20%는 축선방향 힘의 80%를 담당한다. 축선방향 힘의 감소의 작은 부분은 높은 커팅유체의 압력으로 회복될 수 있다.

기하학적 관점으로부터 클리어런스 각이 중심까지 연장되는 두 개의 또는 몇 개의 날을 가지는 드릴상에서 충분히 커질 수 없는 경우에는, 중심으로 연장되는 날을 단지 하나만 가짐으로써 상기 문제가 상당히 더 잘 해결될 수 있다는 것이 상기 구조(geometry)로부터 분명해진다. 이는 클리어런스 각이 중심에서 가지는 부정적인 충격을 제거하기 위하여 행해진다.

우리의 판단에 따르면 미국특허 제5,173,014호에 따른 본 발명은 축선 방향(way)에서의 큰 이송파워(feeding power)가 문제를 해결할 수 없었으며, 상기 문제는 하나의 날만을 가지는 경우보다 중심으로 연장되는 날들을 가지는 경우에 의한 결과였다. 중심으로 연장되는 단지 하나의 날은 중심에서 양의(positive) 커팅 각도를 얻을 수 있게 한다.

부가적인 측면은 불리한 파워 픽쳐로 인하여 완성된 구멍에 좀 더 양호한 원통도(cylindricity)를 가져오는 원과 일치하는 4개의 점을 얻는 것이 3개의 점보다는 상당히 더 어렵다는 점이며, 본 사례에서는 자체적으로 발생되는 비틀림 진동에 대한 위험성을 줄일 수 있는 가능성이 존재한다. 또한, 4개의 날을 가지는 드릴은 칩 공간이 작아져서 칩 문제를 증가시키게 한다.

이제부터 본 발명은 첨부된 도면을 참조로 하여 기술될 것이다, 여기서,

도 1은 본 발명에 따른 드릴유닛의 바람직한 실시예의 밑에서 본 건 드릴의 도면,

도 2는 도 1의 건 드릴의 비트 포인트의 측면도, 및

도 3 및 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 하프 트위스트 비트(half twist bit)의, 각각 도 1 및 도 2와 동일한 도면이다.

도 1 및 도 2에는, 본 발명의 바람직한 제1실시예에서 드릴(1)의 가장 아랫부분이 도시되어 있고, 상기 드릴은 도시되지 않은 드릴유닛에 연결되며, 상기 드릴유닛은 고압하에서 냉각액을 실질적으로 중심 축선방향으로 흐르는 드릴(1)내의 냉각채널(2)로 공급하는 장치를 포함한다.

드릴(1)은 3개의 날(3, 4, 5)을 가지며, 그 중 제1날(3)만이 드릴 원주로부터 중심까지의 전체 경로에 연장된다. 날 4와 5는 중심이 앞의 소정의 거리에서 끝나며, 그들의 내측 끝단은 중심으로부터 같은 거리에 위치해 있다. 날(3, 4, 5)의 각각의 에지(6, 7, 8) 모두는 원주로부터 중심을 향하여 반경방향으로 연장되며, 에지 6과 7, 7과 8, 8과 6 사이의 각도는 각각 140°, 110° 및 110°이다. 상기 에지(6, 7, 8) 모두는 하나의 내측부와 하나의 외측부를 가지고 있으며, 이것에 의해서 드릴의 중심과 가장 가까운 내측부는 드릴의 축선과 큰 각도를 형성하는 한편, 외측부는 더 작은 예각(a more acute angle)을 형성한다. 상술된 바와 같이, 날(3)은 드릴중심까지의 전체 경로에 연장되는 내측부를 가지는 에지(6)를 구비한다. 날(4, 5)은 상기 형상에 의해서 실질적으로 주변에서 작용할 것이다.

날(4, 5)이 드릴의 중심까지 연장되지 않기 때문에, 이들은 날(3)보다 힘에 의한 영향을 적게 받으며, 이는 드릴가공시에 바람직스러운 동력의 분포를 얻기 위해서 날이 드릴의 원주 주위에 불균일하게 분포되어야 한다는 것을 의미한다. 또한, 드릴의 중심을 향하여 연장되는 날(3)의 내측부는 공작물의 재질(material)에 따라 전체 동력에 대하여 다르게 기여한다. 따라서, 중심을 향하여 연장되는 날(3)과 다른 2개의 날 사이의 각도는 각각 135-145°, 105-115° 및 215-225° 사이에서 서로 다를 수 있다.

날(3, 4, 5)은 드릴(1)을 따라 축선방향으로 연장되는 스파(spar)(9, 10, 11)로 각각 전환된다. 스파(9, 10, 11)에는 각각 마진 스트립(margin strip)(12, 13, 14)이 제공된다. 또한 드릴의 비트 포인트에서 드릴코어에는 슬롯(15, 16, 17)이 제공되며, 상기 슬롯은 코어의 주위로부터 드릴의 중심으로 각각의 인접한 날 사이에서 연장된다. 이들 슬롯은 원뿔형 몸체에 의하여 얻어지며, 이로 인하여 모든 슬롯을 위하여 동일한 원뿔형 몸체가 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 슬롯은 상기 원뿔형 몸체의 외표면부(section of envelope surface)와 동일한 형태를 가진다. 본 설명에서, 이 형태는 "부분적인 원뿔 형태"를 나타낸다. 상기 원뿔형 몸체의 원뿔 각도는 60°보다 더 큰 것이 바람직하며, 드릴 코어의 작업에서 그것의 모선이 드릴 축선에 대해 적어도 30°의 각도를 형성하는 방식으로 상기 원뿔형 몸체가 배향되는(directed) 것이 바람직하다. 원뿔형 몸체는 날(4, 5)의 내측에지부가 드릴 중심으로부터 의도된 거리에서 끝나도록 사용되는 것 또한 바람직하다.

냉각채널(2)은 날(3, 4)의 내측부 사이의 공간에서 생성되며(emerge), 따라서, 드릴의 비트 포인트에서 드릴의 축선으로 경사져있다. 냉각채널이 실질적으로 드릴의 축선을 따라 연장됨에 따라, 최대의 드릴(1)강성이 얻어진다.

날(3)이 드릴의 중심으로 연장됨에 따라, 드릴(1)은 치즐 에지를 가지지 않으며, 이로 인하여 소위 종래의 2중 커팅드릴의 치즐 에지에서 나타나는 플라우 영향(plough effect)이 제거되고, 구멍의 끝단에서 기계가공된 재료의 소성변형을 고도로 줄여준다. 이로 인하여 구멍의 끝단에서는 약간의 버(burr)만이 발생하고, 드릴관통부에는 기계가공된 재료의 작은 돌출부만이 나타난다. 드릴의 중심에서 작용하는 2개의 날을 가지는 드릴과 비교하면, 한 회전 당 동일한 이송에서 본 발명에 따른 드릴의 이송 동력이 더 적게 요구된다. 원주에서 작용하는 날(4, 5)은 단지 하나의 날이 사용된 경우보다 더 큰 체적의 절삭을 하는데 기여하며, 작업이 끝나는 동안 드릴이 회전의 안정적인(steady) 중심을 가지도록 3개의 날 사이에서 동력의 균형 얻게 한다. 또한, 날(4, 5)은 마무리 드릴가공 후의 여러 경우에 이들의 후처리를 하지 않고도 구멍 표면의 양호한 품질을 제공하는데 기여한다. 드릴(1)이 3개의 마진 스트립에 의하여 동력의 균형 및 양호한 스티어링(steering)을 가지고 작용하므로, 작동중에 드릴의 진동이 덜 발생하며, 드릴가공된 구멍의 편심(eccentricity)에 대한 위험성이 감소한다. 본 발명에 따른 드릴이 작동할 때, 단지 작은 축선방향의 이송파워이 요구된다는 사실로 인하여 긴 드릴의 편향(deflectionn)에 의한 편심의 우려는 줄어든다.

효과적인 방법, 즉, 높은 속력과 이송속도로 상술된 드릴을 가동시킬 수 있도록 하는 전제조건은 고압하에서 냉각매질이 공급되는 것이다. 상기 목적을 위하여, 드릴(1)이 지지되는 드릴가공기계 또는 드릴가공공구 등에는 고압하에서 냉각채널(2)로 냉각매질을 공급하는 장치가 제공된다. 예를 들어, 상기 장치는 냉각매질, 예를 들어 QUAKER, USA의 커팅 유체 유상액(cutting fluid emulsion) KFL 360 BIO를 탱크로부터 펌핑하는 펌프, 예를 들어, PARKER, USA의 기어-구동펌프로 구성될 수 있다. 상기 펌프는 적어도 K*D²의 변위를 가지며, 여기서 K=0.15 l/min이고 D=드릴 직경이며, 냉각매질의 압력은 적어도 3000kPa이어야 한다. 펌프로부터 드릴내의 회전 냉각채널까지의 고정라인(stationary line) 사이의 전이부(transition)가 스위블(swivel), 바람직하게는 독일 WTO의 스위블에 의해서 제공된다. 본 발명에 따른 드릴유닛을 포함하는 드릴가공기계 또는 드릴가공공구 등의 기타 구성요소는 종래의 형식이고 더욱 세부적으로 접근하여 기술될 필요가 없다. 드릴(1)은 본 발명에 다른 고압설비가 제공되는 모든 형태의 드릴공구 등에서 사용될 수 있다. 기타 사항에서 드릴공구의 성형 자체는 본 발명의 일부를 구성하지 않으며, 따라서, 도면에 도시될 필요가 없다.

냉각액의 공급시에 최대로 연장되는 에지의 바깥쪽 모서리에 증기막(steam film)이 형성되며, 상기 바깥쪽 모서리는 최고속으로 가동하는 날의 부분을 구성한다. 상기 막은 둘러싸는 냉각액으로부터 에지를 격리시키며, 그 곳으로부터 열을 처분하기에 더욱 어렵게 만든다. 고압하에서 냉각액을 공급함으로써, 증기막의 범위뿐만 아니라 두께도 상당히 줄어들며, 열의 처분이 상당히 촉진된다. 이로 인하여 에지의 온도는 낮게 유지되어 특히 바깥쪽 모서리에서 주목할만큼 마모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 기계가공된 재료의 조직변형(structural transformations)의 위험성을 더욱 낮출 수 있다. 예를 들어, 마진 스트립에서 용접에 의한 덧살오름(building-ups)에 대한 우려가 상당히 줄어든다. 드릴의 냉각 이외에, 냉각매질은 마진 스트립에 양호한 윤활을 제공하여 상기 마진 스트립과 구멍 사이의 마찰을 작아지도록 한다.

고압의 냉각매질이 가지는 또 다른 중요한 이점은 드릴의 비트 포인트로부터 스파(9, 10, 11) 사이의 공간으로, 또한 이들 공간을 따른 칩처리가 명백히 개선된다는 점이다. 이것에 의하여, 칩의 정체, 공구 파손 및 구멍 표면의 손상에 대한 위험성이 실질적으로 줄어든다.

도 3 및 도 4는 각각 도 1 및 도 2와 동일한 형태의, 본 발명의 제2실시예에 따른 하프 트위스트 비트(18)의 도면을 도시하고 있다. 마찬가지로, 이 드릴은 3개의 에지(22, 23, 24)를 가지는 날(19, 20, 21)을 구비한다. 날(19)의 에지(22)만이 드릴의 중심에서 작용하며, 중심까지 도달하여 있다. 날(20, 21)의 에지(23, 24)는 드릴의 중심에 도달하기 전에 끝나며, 슬롯(25, 26)은 이들 에지의 내측 끝단부와 드릴의 중심 사이에 연장된다. 도 4에는 도시되지 않은 냉각채널이 드릴 코어의 중심에서 중앙으로 연장되며, 드릴의 중심측에 상기 냉각채널이 형성되도록 드릴의 비트 포인트에서 편향되는(deflected) 제1실시예의 드릴에서와 마찬가지 방식으로 되어 있다. 도 3에는 냉각채널(27)의 오리피스가 도시되어 있다. 날(19, 20, 21)은 나선형 스파로 전환되며, 그 중 날(19)의 스파(28)가 그것의 마진 스트립(29)과 함께 도시되어 있다.

드릴(1)에서와 동일한 방식으로 드릴가공시 동력의 균형이 이루어지는 방식으로 드릴(18)의 에지가 형성된다. 드릴(18)은 드릴(1)과 마찬가지로 동일한 이점 및 양호한 특성을 보여준다. 드릴의 재료로는 경질금속이 바람직하지만, 고속도강(High Speed Steel; HSS)과 같은 기타 재료 또한 사용될 수 있다. 샤프트는 드릴의 비트 포인트와는 다른 재료로 형성되는 것도 가능할 수 있다.

물론, 상술된 드릴유닛은 특히 에지의 기하학적 형상과 관련하여 본 발명의 기술적 이해범위 내에서 수정될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항의 내용에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (7)

1. 드릴(1)을 구비하고, 냉각채널(2)이 있으며, 상기 드릴의 상기 냉각채널로 냉각유체를 공급하는 장치를 구비한 드릴유닛에 있어서,

   상기 드릴(1)은 3개의 날(3, 4, 5)을 포함하고, 그 중 제1날(3)은 상기 드릴의 원주로부터 그것의 중심으로 연장되는 한편, 상기 제2 및 제3날(4, 5)은 상기 드릴의 원주로부터 안쪽으로 연장되지만 그것의 중심에 도달하지 않으며, 상기 냉각채널이 상기 드릴의 중심에서 축선방향으로 연장되고, 상기 중심과 상기 제2 및 제3날(4, 5)의 상기 종단점 사이의 공간에서 형성되도록 상기 냉각채널이 상기 드릴의 비트 포인트에서 편향되며, 상기 냉각유체용 공급 장치는 고압하에서 상기 유체를 공급하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 드릴유닛.
2. 제1항에 있어서,

   상기 공급된 냉각유체의 압력은 3000kPa을 초과하는 것을 특징으로 하는 드릴유닛.
3. 제2항에 있어서,

   상기 날(3, 4, 5)은 상기 드릴의 원주 주위에 불균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 드릴유닛.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1날(3)과 상기 제2날(4) 및 상기 제3날(5) 사이의 원주에 관한 각각의 각도는, 각각 135° 내지 145°, 105° 내지 115° 및 215° 내지 225°사이에서 변화하는 것을 특징으로 하는 드릴유닛.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1날(3)과 상기 제2날(4) 및 상기 제3날(5) 사이의 원주에 관한 상기 각도는, 각각 110° 및 200°인 것을 특징으로 하는 드릴유닛.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   부분 원뿔형 슬롯(15, 16, 17)은 상기 3개의 날(3, 4, 5) 사이의 드릴 코어내에 형성되며, 상기 슬롯은 상기 드릴의 상기 중심을 향하여 연장되는 것을 특징으로 하는 드릴유닛.
7. 제6항에 있어서,

   상기 부분 원뿔형 슬롯(15, 16, 17)은 원뿔형 그라인딩 공구로 구성되는 같은 모양의 공구로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 드릴 코어의 기계가공시 그것의 모선은 상기 드릴의 축선에 대하여 적어도 30°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 드릴유닛.

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