KR100683943B1

KR100683943B1 - 복합재료를 이용한 정밀가공용 공구

Info

Publication number: KR100683943B1
Application number: KR1020040087222A
Authority: KR
Inventors: 김상곤
Original assignee: 비젼이노텍(주)
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2007-02-15
Also published as: KR20060038072A; WO2006046789A1

Abstract

본 발명은 분리가능한 커팅헤드를 구비하는 원형 내주면 정밀가공용 공구에 관한 것으로서, 복합재료를 사용하여 고속 가공이 가능하고 원하는 형상으로의 가공이 용이하며 제조 가격이 상대적으로 저렴한 절삭공구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 공구는 대체로 원형인 단면을 갖고 가늘고 긴 형상인 몸체와, 몸체의 일단부에 분리가능하게 연결되고, 상기 공작물의 원형 내주면을 가공하기 위한 1개 이상의 커터가 교환가능하게 설치된 커팅 헤드를 포함한다. 몸체는 복합재료로 이루어지고 대체로 원통형이며 길이방향으로 관통하는 중공부를 갖는 복합재료부와, 금속재질로 이루어지고 상기 복합재료부의 외주면을 둘러싸는 파이프 형상의 덮개부를 구비한다.

정밀가공용 공구, 복합재료, 커팅헤드, 분리가능

Description

복합재료를 이용한 정밀가공용 공구{PRECISION MACHINING TOOL USING COMPOSITE MATERIAL}

도 1은 본 발명에 따른 정밀가공용 공구의 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 공구의 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 공구의 복합재료부를 도시한 도면이다.

도 4는 도 3에 표시된 A-A선에 따른 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 공구의 커팅 헤드와 헤드 어댑터를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 공구 10: 몸체

12: 복합재료부 13: 중공부

14: 덮개부 16: 심재

20: 커팅 헤드 22: 커터

24: 돌기부 26: 위치결정용 핀

30: 헤드 어댑터 32: 삽입구멍

40: LS 나사 50: 생크

본 발명은 복합재료를 이용한 정밀가공용 공구에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 복합재료로 이루어진 몸체 및 이와 분리가능하고 외주면에 1개 이상의 커터가 배치되는 커팅헤드를 구비하는, 예를 들어, 리머와 같은, 정밀가공용 공구에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 엔진의 실린더 헤드 캠 홀 가공 등을 위하여 길이 대 직경비(L/D)가 큰 리밍바가 사용되고 있다. 리밍바의 한 형태는 길이가 가늘고 긴 형태이며, 선단부에 1개 이상의 커터가 배치되는 헤드부를 구비한다.

이러한 리밍바의 소재로서 공구강을 사용하는 경우, 정적 강성과 감쇠비가 낮아서 L/D를 크게 하면 채터링이 발생하기 때문에 대개 이를 5이상 크게 할 수 없으며, 이를 높이기 위해서 공구의 외주면 등에 별도의 부품을 부착하는 경우에는, 공구의 직경이 증가하여 가공가능한 형상에 한계가 있다. 또한, 공구강의 비강성이 낮아서 리밍바의 고유진동수가 상대적으로 작기 때문에 낮은 회전속도로 작업하여야 하며, 이에 따라 작업 속도가 늦어진다.

따라서, 종래에는 리밍바의 소재로서 텅스텐 카바이드 합금이나 헤비메탈과 같은 정적 강성과 감쇠비가 큰 금속재료를 사용하여 왔다. 예를 들어, 텅스텐 카바이드 합금은 정적 강성과 감쇠가 공구강에 비하여 크기 때문에 L/D가 8인 경우까지 채터 현상없이 가공이 가능하다. 그러나, 이들 소재는 공구강에 비하여 비강성의 증가가 크지 않아서 작아서 고속 가공에 한계가 있으며, 소재의 경도가 커서 공구의 제작이 어렵기 때문에 공구를 원하는 형상으로 만들기 어렵다는 문제점이 있다. 더욱이, 소재의 비중이 크기 때문에 공구가 무거워져 이를 지지하기 위한 가공장치도 대형화되며, 소재가 고가여서 이를 제조하고 사용하는 데에 비용이 증가한다. 한편, 리밍바를 사용하다가 커터 등을 교체하는 경우에, 커터날의 정렬 상태 등을 재설정하여야 하는데, 종래의 리밍바는 장착용 바와 헤드가 일체형이기 때문에, 헤드를 분리하여 설정하는 경우와 비교하여 세팅장비의 크기가 커지고 세팅작업이 번거롭다는 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 감쇠비와 비강성이 크고 비중이 작은 복합재료를 사용하여, 고속 가공이 가능하고 원하는 형상으로 공구를 제조하는 것이 용이하며 무게가 가볍고 제조 가격이 상대적으로 저렴한 절삭공구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 공구의 정밀도는 유지하면서 커팅 헤드와 몸체를 분리시킬 수 있도록 구성하여, 재설정 작업 등에서 커팅 헤드만을 사용하여 커터 등의 설정 작업을 수행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 공작물의 원형 내주면을 정밀 가공하기 위한 공구로서, 대체로 원형인 단면을 갖고 가늘고 긴 형상인 몸체, 및, 상기 몸체의 일단부에 분리가능하게 연결되고, 상기 공작물의 원형 내주면을 가공하기 위한 1개 이상의 커터가 교환가능하게 설치된 커팅 헤드를 포함하며, 상기 몸체는 복합재료로 이루어지고 대체로 원통형이며 길이방향으로 관통하는 중공부를 갖는 복합재료부와, 금속재질로 이루어지고 상기 복합재료부의 외주면을 둘러싸는 파이프 형상의 덮개부를 구비하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공구의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 공구의 분해 사시도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 공구(1)는 가늘고 긴 형상인 몸체(10)와, 이 몸체의 일단부에 분리가능하게 연결되는 커팅 헤드(20)를 포함한다. 몸체(10)는 대체로 원형인 단면을 가지며 복합재료로 이루어진 복합재료부(12)와 금속재질로 이루어지고 복합재료부(12)의 외주면을 둘러싸는 덮개부(14)를 구비하고 있다. 복합재료부(12)에는 이를 길이방향으로 관통하는 중공부(13)가 마련되어 있다(도 3 참조). 커팅 헤드(20)에는 공작물의 원형 내주면을 가공하기 위한 커터(22)가 1개 이상 배치된다. 바람직하게는, 커터(22)가 교환가능하다.

복합재료부(12)는 섬유강화 복합재료로 이루어져 있으며, 특히, 피치 계열의 고강성 탄소섬유 에폭시 복합재료로 이루어지는 것이 좋다. 고강성 탄소섬유 에폭시 복합재료는, 예를 들어, 정적 강성이 텅스텐 카바이드 합금의 정적 강성과 비교하여 70% 정도인 값을 갖지만, 감쇠비와 비강성은 텅스텐 카바이드 합금의 대략 10배 정도의 값을 갖는다. 덮개부(14)는 금속재질, 예를 들어, 강철로 이루어져 있으며, 복합재료부(12)의 외주면을 둘러싸는 파이프 형상을 갖는다. 덮개부(14)는 상대적으로 강성이 작은 복합재료부(12)의 표면을 보호하고, 공구(1)의 강성을 증가시킨다.

이 실시예에서는 복합재료로서 대한민국, 서울 소재의 에스케이 케미컬사가 판매하는 피치 계열 고강성 탄소섬유 에폭시 복합재료인 URN 300을 사용하였다. 아래 표 1은 이 실시예에서 사용된 복합재료의 물리적 특성을 나타낸다.

종방향	영률(GPa)	382
종방향	강도(MPa)	1500
횡방향	영률(GPa)	5.1
횡방향	강도(MPa)	24
평면내 전단 변형 (In-plane shear)	영률(GPa)	5.53
평면내 전단 변형 (In-plane shear)	강도(MPa)	49
프와송 비	ν	0.29
밀도	ρ(㎏/㎥)	1755
감쇠비	ζ	0.0207

위 재료의 비강성은 대략 21.8×10⁶m 정도의 값을 갖는다. 텅스텐 카바이드 합금의 영률은, 예를 들어, 460 GPa 정도이고 감쇠비는 2.2×10^-3 정도이며 비강성은 대략 3.3×10⁶m 이다. 따라서, 복합재료의 정적 강성은 텅스텐 카바이드 합금에 비하여 70% 정도로 감소하지만, 감쇠비는 약 10배 정도이고 비강성은 약 7배 정도인 값을 갖는다. 따라서, 텅스텐 카바이드로 이루어진 종래의 공구에 비하여 공구의 고유진동수가 증가하기 때문에, 고속에서도 채터 현상 없이 공작물을 가공할 수 있다. 이에 반하여, 텅스텐 카바이드 합금의 밀도는 약 14000 ㎏/㎥인 것에 비하여 복합재료의 밀도는 위 표 1로부터 알 수 있듯이 약 1/90의 값인 1755 ㎏/㎥에 불과하다. 따라서, 공구(1)의 무게가 감소하므로 공구를 장착하는 가공장치의 부담이 줄어들고 가공장치의 크기를 작게 할 수 있다. 나아가, 복합재료의 강성이 텅스텐 카바이드 합금보다 작기 때문에, 공구(1)를 원하는 형상으로 가공하기가 용이하다는 이점이 있다.

덮개부(14)는 대략 소정의 두께를 갖는 파이프 형상으로 이루어져 있으며 복합재료부의 외주면을 덮는다. 덮개부(14)는 1개의 요소로 이루어지거나, 2개 이상의 요소로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서는 덮개부(14)가 2개의 요소로 이루어져 있다. 이는 공구(1)의 제조시 복합재료부(12)와 덮개부(14)의 결합을 용이하게 하기 위한 것이다. 본 실시예에서 덮개부(14)의 소재로서는 강철이 사용되었다. 강철은 복합재료에 비하여 비강성과 감쇠비가 낮기 때문에 덮개부(14)의 두께가 증가함에 따라 공구(1)의 고유진동수가 감소하여 공구의 최대 가공속도가 작아진다. 따라서, 덮개부(14)는 가능한 한 작은 두께를 갖는 것이 좋다. 실험에 따르면, 덮개부(14)의 두께는 공구(1)의 비강성보다는 감쇠비에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

덮개부(14)의 외주면에는 1개 이상의 안내 패드가 설치될 수 있다. 안내 패드는 공구(1)가 가공작업을 하는 동안 공작물의 가공면과 접촉하여 공구(1)를 지지하는 역할을 한다. 예를 들어, 안내 패드의 표면은 공작물 표면과의 마찰을 줄이기 위하여 다이아몬드와 같은 소재로 코팅된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 복합재료부(12)의 중공부(13)에는 심재(16)가 배치되는 것이 좋다. 이 실시예에서, 심재(16)는 강철로 이루어진 원통형 봉재의 형상을 갖는다. 심재(16)의 소재인 강철은 복합재료에 비하여 비강성이 상대적으로 낮기 때문에, 심재(16)의 직경이 증가하면 공구(1)의 고유진동수가 감소한다. 고유 진동수가 감소하는 경향은 심재(16) 직경의 제곱에 관계하므로 심재(16)의 직경이 작은 경우는 공구(1)의 고유진동수에 거의 변화가 없으나 심재(16)의 직경이 점차 커지게 되면 공구(1)의 고유진동수는 급격하게 감소한다. 한편, 강철에 비하여 상대적으로 가격이 높은 복합재료의 사용량을 줄이고, 복합재료부(10)의 제조시 복합재료의 적층을 용이하게 하기 위해서는 심재(16)의 직경이 커야 한다. 따라서, 심재(16)의 직경은 공구(1)의 고유진동수에 크게 영양을 주지 않는 범위 내에서 가장 큰 값으로 결정하는 것이 좋다.

바람직하게는, 복합재료부(12)와 덮개부(14) 사이에 접착층(도시되지 않음)이 배치된다. 접착층(18)은 접착제로 이루어져 복합재료부(12)와 덮개부(14)를 결합시키는 기능을 갖는다. 접착제로는 점탄성 성질을 갖는 것을 사용하는 것이 좋다. 점탄성을 갖는 재료가 탄성체 사이에 존재하게 되면 구속 감쇠 효과가 발생하여 구조물의 소재가 갖는 감쇠(material damping)에 비하여 큰 구조적 감쇠(structural damping)를 갖게 된다. 즉, 본 발명에서와 같이, 탄성체인 복합재료부(12)와 덮개부(14)가 점탄성 성질을 갖는 접착층을 매개로 하여 결합되는 경우, 공구(1)의 감쇠비는 복합재료만을 사용한 경우에 비하여 오히려 증가한다. 이 실시예에서, 접착제로는 에폭시 접착제가 사용되었다. 접착층은 복합재료부(12)의 외주면에 에폭시 접착제를 도포하고, 접착제가 도포된 복합재료부(12)를 덮개부(14)의 내부로 삽입한 후, 고온에서 경화시킴으로써 형성된다. 실험에 따르면, 접착층의 두께가 소정의 크기, 예를 들어, 0.1 mm 이하일 때 공구의 고유진동수와 감쇠비가 모두 증가하였다. 또한, 접착제를 고온에서 경화시키는 경우 접착 두께가 일정한 두께 이하인 경우에 가장 우수한 접착 강도를 갖는다. 따라서, 접착층이 갖는 이러한 특성을 고려하여 접착층의 두께를 결정한다.

이 실시예에서, 복합재료부(12)는 외주 방향으로 직경이 다른 부분보다 크고 대체로 환형인 돌출부(19)들을 구비한다. 이들 돌출부(19)는 복합재료부(12)의 길이 방향을 따라 소정의 간격을 두고 배치된다. 도 4에는 돌출부(19)의 횡방향 단면이 도시되어 있다. 접착제를 복합재료부(12)의 외주면에 도포한 후, 이를 덮개부(14)의 내부로 삽입하는 경우, 돌출부(19)는 경화되지 않은 상태의 접착제가 밀려서 덮개부(14)의 외부로 빠져나오는 것을 방지한다. 돌출부(19)의 최대 직경은 덮개부(14)의 내경보다 작은 것이 좋다. 이러한 구성에 의하여, 돌출부(19)와 덮개부(14) 사이의 공간을 통하여 접착제가 이동할 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 공구(1)의 커팅 헤드(20)와 헤드 어댑터(30)가 도시되어 있다. 헤드 어댑터(30)는 내부의 구조를 보이기 위하여 부분단면도로 도시되었다. 이 실시예에서, 커팅 헤드(20)는 헤드 어댑터(30)를 매개로 하여 공구의 몸체(10)와 연결된다. 헤드 어댑터(30)는 금속 재질로 이루어지는 것이 좋으며, 몸체(10)의 일단에 삽입되어 커팅 헤드(20)와 맞물려 이를 몸체에 결합시킨다.

커팅 헤드(20)는 금속 재질로 이루어지는 것이 좋으며, 그 외주면에는 1개 이상의 커터(22)가 배치되어 있다. 커터(22)는 공작물의 표면을 가공하기 위한 에지를 가지며, 클램프(24)와 같은 수단에 의하여 커팅 헤드(20)에 고정된다. 커팅 헤드(20)의 일측 단부면에는 외주면이 테이퍼지고 그 중심축이 커팅 헤드(20)의 중심축과 일치하도록 배치된 돌기부(24)가 마련되어 있다. 이 실시예에서, 돌기부(24)는 대체로 원뿔대의 형상을 갖는다. 또한, 커팅 헤드(20)의 동일한 단부면에는 커팅 헤드(20)의 중심축에서 오프셋된 위치에 위치결정용 핀(26)이 배치되어 있다. 이에 대응하여, 헤드 어댑터(30)의 일측에는 커팅 헤드(20)의 돌기부(24)의 테이퍼진 외주면과 대응하는 내주면을 갖고 중심축이 몸체(10)의 중심축과 실질적으로 일치하는 삽입구멍(32)과, 위치결정용 핀(26)이 삽입되는 구멍(34)이 마련되어 있다. 이러한 구성에 의하여, 커팅 헤드(20)의 돌기부(24)와 위치결정용 핀(26)이 헤드 어댑터(30)의 삽입구멍(32)과 구멍(34)에 각각 삽입되는 경우, 커팅 헤드(20)의 중심축은 몸체(10)의 중심축과 실질적으로 일치하게 된다. 이로써, 공구(1)의 진직성이 보장된다. 위치결정용 핀(26)은 몸체(10)에 대한 커터 헤드(20)의 각방향 위치를 결정한다.

커팅 헤드(20)와 헤드 어댑터(30)는, 예를 들어, 엘에스(LS) 나사(40)로 연결될 수 있다. LS 나사(40)는 원통형으로서 외주면의 대략 절반에는 왼나사가 가공되어 있고 나머지 절반에는 오른나사가 가공되어 있다. LS 나사(40)의 일측은 커팅 헤드(20)의 돌기부(24)에 삽입되며, 타측은 헤드 어댑터(30)에 마련된 구멍에 삽입된다.

몸체(10)와 커팅 헤드(20)를 포함하는 공구(1)는 생크(50)를 매개로 하여 가공장치에 연결된다. 도 1에는 생크(50)와 결합된 상태의 공구(1)가 도시되어 있다. 공구(1)가 고속으로 공작물의 표면을 가공하는 경우 상당한 열이 발생한다. 이러한 열은 복합재료와 접착제의 물성을 열화시킬 수 있다. 따라서, 이 실시예에서는 공구(1)의 내부에 냉각제가 이동할 수 있는 통로를 마련하였다. 이 통로는 생크(50)에 마련된 통로와 연통되어 가공장치로부터 냉각제를 공급받으며, 헤드 어댑터(30)에 마련된 통로를 통하여 커팅 헤드(20)로 공급된다. 커팅 헤드(20)에는 헤드 어댑 터(30)의 통로와 연통되는 냉각제 통로가 구비되어 있으며, 이 냉각제 통로로부터 커팅 헤드(20)의 외주면을 향하여 복수개의 분지 통로가 마련되어 있다. 본 실시예에서, 커팅 헤드(20)와 헤드 어댑터(30)를 연결하는 LS 나사에는 그 중심축을 따라 냉각제가 이동할 수 있도록 중공 통로가 마련되어 있다. 분지 통로는 커터(22)에 인접하는 외주면까지 연장되어 공작물의 가공시 커터(22)의 에지와 공작물의 표면 사이에 공급될 수 있다. 몸체(10)의 중공부에 심재(18)가 배치되는 경우, 냉각제의 이동 통로는 심재(18)의 중심축을 따라 형성될 수 있다. 심재(18)의 내부에 유체가 존재하는 경우, 상대적으로 금속 소재의 양이 줄어들기 때문에 공구(1)의 감쇠비가 증가하게 된다.

감쇠비와 비강성이 크고 비중이 작은 복합재료를 사용하여, 고속 가공이 가능하고 원하는 형상으로 공구를 가공하는 것이 용이하며 무게가 가볍고 제조 가격이 상대적으로 저렴한 절삭공구를 제공할 수 있다. 또한, 공구의 정밀도는 유지하면서 커팅 헤드와 몸체를 분리시킬 수 있도록 구성하여, 재설정 작업 등에서 커팅 헤드만을 사용하여 커터 등의 설정 작업을 수행할 수 있다.

Claims

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공작물의 원형 내주면을 정밀 가공하기 위한 공구로서,

원형인 단면을 갖고 가늘고 긴 형상인 몸체로서, 복합재료로 이루어지고 원통형이며 길이방향으로 관통하는 중공부를 갖는 복합재료부와, 금속재질로 이루어지고 상기 복합재료부의 외주면을 둘러싸는 파이프 형상의 덮개부를 구비하는 몸체;

상기 몸체의 일단부에 분리가능하게 연결되고, 상기 공작물의 원형 내주면을 가공하기 위한 1개 이상의 커터가 교환가능하게 설치된 커팅 헤드; 및

상기 몸체의 복합재료부의 일단부에 설치되어 상기 커팅 헤드를 수용하며 금속재질로 이루어진 헤드 어댑터

를 포함하며,

상기 커팅 헤드의 일측 단부에는 외주면이 테이퍼지고 그 중심축이 커팅 헤드의 중심축과 실질적으로 일치하는 원뿔대 형상의 돌기부가 마련되고, 상기 헤드 어댑터는 상기 돌기부의 테이퍼진 외주면과 대응하는 내주면을 갖고 그 중심축이 상기 몸체의 중심축과 실질적으로 일치하는 삽입구멍을 구비하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.
청구항 3에 있어서,

상기 커팅 헤드의 일측 단부에는 위치결정용 핀이 마련되고, 상기 헤드 어댑터에는 상기 위치결정용 핀이 삽입되는 구멍이 구비되며, 상기 위치결정용 핀은 상기 커팅 헤드의 중심축에서 오프셋된 위치에서 상기 커팅 헤드의 일측 단부에 배치되는 것을 특징으로 하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.
청구항 3에 있어서,

상기 복합재료부와 덮개부 사이에 배치되어 양자를 결합시키는 접착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.
청구항 5에 있어서,

상기 복합재료부의 외경은 그 전체 길이방향에 걸쳐 상기 덮개부의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.
청구항 5 또는 6에 있어서,

상기 복합재료부는 외주방향으로의 직경이 다른 부분보다 크고 대체로 환형인 돌출부를 2개 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.
청구항 3에 있어서,

상기 복합재료부의 중공부에 배치되어 상기 복합재료부와 결합되고 길이방향으로 연장되는 중공 통로를 구비하는 금속재질의 심재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.
청구항 8에 있어서,

상기 커팅 헤드는 상기 심재의 중공 통로와 연통되는 내부 통로와, 이 내부 통로로부터 상기 커팅 헤드의 각 커터가 배치된 외주면 근처까지 연장되는 1개 이상의 분지 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 원형 내주면 정밀 가공용 공구.