KR100781026B1

KR100781026B1 - 초연마식 가공 공구 및 사용 방법

Info

Publication number: KR100781026B1
Application number: KR1020060022626A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 제이. 슈왈쯔; 다니엘 에프. 그레이디
Original assignee: 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2007-11-29
Also published as: EP1700670A2; JP2006247835A; CN1830624A; KR20060099458A; EP1700670A3; US20060205321A1

Abstract

초연마식 가공 공구는 공작물 연삭용 수단 및 공작물 회전용 수단을 모두 사용하여 초합금 재료 또는 심지어 세라믹 재료로 구성되는 공작물로부터 재료를 효율적 및 비용 효과적으로 제거한다. 연삭용 수단은 회전하는 공작물보다 훨씬 큰 속도에서 회전하여 공작물로부터의 재료의 제거를 용이하게 한다. 공작물은 연삭되어, 직경이나 크기를 감소시키기 위해 재료를 제거하고 형상부를 그 표면에 가공하여 그리고/또는 비연속적인 형상부를 표면에 부여한다.

초연마식 가공, 연삭, 연삭용 수단, 회전용 수단

Description

초연마식 가공 공구 및 사용 방법{SUPER-ABRASIVE MACHINING TOOL AND METHOD OF USE}

도1은 본 발명에 따른 초연마식 가공 공구 및 공작물을 도시한다.

도2는 본 발명에 따른 초연마식 가공 공구 및 공작물의 또다른 실시예를 도시한다.

도3은 본 발명에 따른 초연마식 가공 공구 및 공작물의 또다른 실시예를 도시한다.

다양한 도면의 유사한 참조 번호 및 지정은 유사한 요소를 지시한다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 초연마식 가공공구 12 : 연삭용 수단

14 : 회전용 수단 18 : 공작물

24 : 냉각용 수단 26 : 그릿 재료

본 발명은 초연마식 가공 공구 및 그 사용 방법에 관한 것이다.

반경에서 단순한 또는 복잡한 형태를 갖는 큰 체적의 재료를 제거하는 매우 통상적인 방법은 선삭(turning)이다. 종래의 선삭에 의해 알루미늄 및 강(steel)과 같은 재료에 대한 재료 제거 속도가 수년 동안 성공적으로 감소되어 왔다. 선삭 공정은 대체로 선반(lathe) 또는 유사한 회전 장착부를 적용하여 공작물을 고정하고 회전시키며, 재료를 제거하기 위하여 회전하는 공작물의 표면에 고정 공구가 적용된다. 이러한 공정은 외부 반경에서 평활하고 그 부품의 외면에서의 기하학적 형상부에 의해 단속되지 않는 실린더형 부품과 잘 어울린다. 이 방법은 초합금, 니켈 합금, 티타늄 및 세라믹을 포함하는 다양한 경도의 많은 재료에 대해 효과적이다. 그러나, 이러한 더 단단한 재료인 경우에 공구 마모 및 재료 제거 속도는 재료의 강도에 기초하여 제한된다. 선삭 공정은 니켈 및 티타늄 초합금과 같은 고경도 재료를 가공할 때 공구를 비교적 빨리, 즉 수 분 내에, 마모시킬 수 있다. 결과적으로, 선삭 공정은 공구를 교환할 때 소요되는 셋업 시간 때문에 매우 비용이 많이 들고 비효율적이 된다.

따라서, 훨씬 비용 효과적이며, 효율적인 방식으로 초합금 재료를 가공하는 공정에 대한 필요성이 있다.

하나의 실시예는, 컴퓨터 작동되는 다축 연삭 장치를 포함하면서 가공 중심에 장착된 초연마식 가공 공구이며, 초연마식 재료 코팅을 포함하는 외표면을 포함하며 제1 방향으로 제1 속도에서 회전하는 공작물 연삭용 수단과, 연삭용 수단을 냉각하기 위한 수단과, 장착부를 포함하며 제1 속도보다 낮은 제2 속도에서 제2 방향으로 회전하는 공작물 회전용 수단을 포함한다.

또다른 실시예는, 초연마식으로 공작물을 연삭하기 위한 방법이며, 연삭용 수단과 공작물 냉각용 수단을 포함하는 초연마식 가공 공구에 공작물을 배치하는 단계와, 공작물을 제1 방향으로 제1 속도에서 회전시키는 단계와, 연삭용 수단을 제2 방향으로 제1 속도보다 큰 제2 속도에서 회전시키는 단계와, 연삭용 수단을 사용하여 공작물을 연삭하는 단계와, 연삭되는 공작물을 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 것은 첨부되는 도면과 이하의 설명에 기재될 것이다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 설명 및 도면, 그리고 청구항으로부터 명백할 것이다.

본 발명은 초연마식 가공 공구 및 그 사용 방법에 관한 것이다. 초연마식 가공 공구는 공작물 연삭용 수단 및 공작물 회전용 수단을 사용하여 초합금 재료 또는 심지어 세라믹 재료로 구성되는 공작물로부터 재료를 효율적 및 비용 효과적으로 제거한다. 대체로, 공작물은 공구 내에 장착되고 예를 들어, 시계방향으로 회전하며, 연삭용 수단은 동일한 또는 반대 방향으로 회전하고 회전하는 공작물과 접한다. 연삭용 수단은 회전하는 공작물보다 훨씬 큰 속도에서 회전하여 공작물로부터의 재료의 제거를 용이하게 한다. 공작물은 연삭될 수 있어서, 직경이나 크기를 감소시키기 위해 재료를 제거하고 형상부를 그 표면에 가공하며 그리고 또는 비연속적인 형상부를 그 표면에 부여한다. 공작물이 대체로 원형, 예를 들어, 원, 타원, 장방형 등을 포함하지만, 공작물은 공작물의 표면상에 하나 이상의 비연속적 또는 연속적 형상부 또는 평활한 외표면을 갖는 다른 기하학적 그리고 비기하학적 형상부를 포함할 수 있다.

대체로 도1 내지 도3을 참조하면, 초연마식 가공 공구가 부분적으로 도시된다. 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 컴퓨터 작동되는 다축 연삭 또는 밀링(milling) 기계를 포함하면서 가공 중심에 초연마식 가공 공구가 장착될 수 있다. 초연마식 가공 공구는 공작물의 바람직한 형태 및/또는 공작물의 표면상의 바람직한 형상부를 제공하도록 미리 프로그램된 컴퓨터 작동되는 기계 중심에 의해 이동될 수 있다.

도1을 참조하면, 초연마식 가공 공구(10)는 기부와 연삭용 수단(12) 및 회전용 수단(14)을 지지하기 위한 적어도 두 개의 부재를 포함하면서 가공 중심에 장착될 수 있다. 회전용 수단(14)은 축(40)과 공작물(18)이 양호하게는 상부에 배치되는 장착부(16)를 포함할 수 있다. 회전용 수단(14)은 시계방향 또는 반시계방향(36)으로 회전할 수 있다. 회전용 수단(12)은 시계방향 또는 반시계 방향(38)으로 또한 회전할 수도 있고, 회전용 수단(14)과 같은 방향 또는 반대 방향으로 회전할 수 있다. 작동하는 동안 연삭용 수단(12)은 공작물 표면(22) 상의 한 점(20)과 접한다. 냉각용 수단(24)은 연삭용 수단(12) 및 공작물(18)에 또한 근접하도록 배치될 수 있다. 냉각용 수단(24), 예를 들어 냉각 노즐은 물, 오일 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 냉각 유체를 연삭용 수단(12)의 적용 전 또는 적용 중에 부여할 수 있다.

연삭용 수단(12)은 표면적의 대부분, 양호하게는 그 표면적의 70% 내지 75%에 가해진 그릿 재료(26, grit material)인 초연마재 코팅을 갖는 외표면을 포함하는 임의의 연삭 공구를 포함할 수 있다. 양호하게는, 그릿 재료(26)는 도금된 붕 소 질화물 입방체, 유리화된 붕소 질화물 입방체, 다이아몬드, 합성 다이아몬드, 전술한 초연마식재를 포함하는 화합물 등으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 초합금재로부터 형성된다. 연삭용 수단을 코팅하는 초연마재 재료(26)는 절개의 깊이 및 경표면 마무리에 따라 40/45 내지 325/400의 범위인 연마 크기를 가질 수 있다. 그릿 재료(26)는 전기 도금, 유리화 공정, 전술한 방법을 포함하는 조합 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 당해 기술분야에 공지된 임의의 적합한 기술을 사용하여 표면적에 가해질 수 있다.

대체로, 연삭용 수단(12)은 초연마식 코팅을 갖는 외표면을 포함하는 임의의 연삭 공구를 포함할 수 있다. 양호하게는, 연삭용 수단(12)은 도1에 나타난 것과 같이 당업자에게 알려져 있는 연삭 휠, 퀼(quill) 또는 작은 휠 등을 포함한다. 연삭용 수단(12)은 도1에 도시된 바와 같이 공작물(18)의 재료를 제거하고 지름 및 궁극적으로 크기를 감소시키기 위해서 같이 공작물(18)의 한 접점(20)에서 공작물(18)을 예를 들어 그 주연을 따라 연삭할 수 있다. 다르게는, 도2에 도시된 바와 같이 형상부를 부여하기 위해서 연삭용 수단(12)도 그 길이방향 축(30)이 공작물(18)의 표면에 대하여 일정각도 α로 또한 배향될 수 있다. 예를 들어, 연삭용 수단(12)의 길이 방향 축(30)은 접점(20)이 공작물의 주연면보다는 외표면을 따라 존재할 수 있도록 공작물(18)의 축(32)에 대하여 일정각도로 정렬될 수 있다. 다르게는, 연삭용 공구는 외표면 상에 하나 이상의 비연속 형상부를 갖는 연삭 공구를 포함할 수 있다. 도시를 위한 목적으로, 연삭용 수단(12)은 도3에 도시되는 바와 같이 형상 외표면(42) 상에 배치되는 초연마식 코팅을 갖는 휠이 될 수 있다. 그 릿 재료(26)를 갖는 이러한 형상 외표면(42)은, 단속적인 비연속 형상부(44)를 공작물(46)에 생성하기 위하여, 공작물(46)의 기존의 비연속적 형상부로부터 재료를 제거하기 위하여, 공작물(46)의 표면에 비연속적인 형상부 또는 다른 형상부를 부여하기 위하여, 이러한 적용예들의 조합의 조합을 위하여 사용될 수 있다. 이러한 비연속적인 형상부(44)는 예를 들어, 도3에 도시된 바와 같은 치형(teeth)을 형성하도록 그루브, 채널 등과 같은 임의의 형상부 및/또는 사각형, 직사각형, U자형 등의 모양을 포함할 수 있다.

작동 중에, 공작물을 초연마식으로 가공하기 위한 방법은, 초연마식 가공공구를 제공하는 단계와 공작물 표면과 연삭용 수단의 초연마식 코팅 또는 연삭 표면 사이에 하나 이상의 접점이 있도록 공작물의 표면 측에 대하여 공구를 배향하는 단계를 대체로 포함한다. 공작물은 제1 방향으로 제1 속도에서, 양호하게는 시계방향 또는 반시계 방향으로 약 200 내지 20,000의 분당 표면 피트(surface feet per minute," sfm")(1.016m/s 내지 10.16m/s)의 범위에서 가공 공구에 의해 회전된다. 연삭용 수단도 제2 방향으로 제2 속도에서 양호하게는 공작물의 방향과 반대 방향으로 약 500 내지 120,000의 분당 표면 피트(2.54m/s 내지 609.6m/s)의 범위 내에서 가공 공구에 의해 역시 회전된다. 공작물 회전용 수단 대 연삭용 수단의 속도비는 500 sfm(2.54m/s) 대 10,000 sfm(50.8m/s)일 것이다. 본 명세서에 기술된 초연마식 가공 공구의 사용 방법은, 그 자체의 운동에 반대되는 방향으로 더 큰 속도에서 공작물을 연삭함에 의해 예를 들어, 선삭과 같은 종래 방법들보다 재료를 더 놓은 효율 및 더 짧은 시간 주기에서 제거한다. 본 명세서에 고려된 임의의 방법 및 연삭 공구를 적용하는 동안, 재료가 제거되는 동안 임의의 적합한 냉각제 및/또는 윤활제가 연삭용 수단 및 공작물의 표면에 가해질 수 있다.

본 발명은 본 명세서에 기술되고 도시되는 도면에 제한되지 않는데, 도면은 본 발명을 실시하기 위한 최적 모드의 단지 도시적인 것으로 간주되어야 하며 형태, 크기, 부분의 배열 및 작동의 사소한 부분의 변형은 허용될 수 있다. 본 발명은 오히려 청구항에 의하여 정의된 사상 및 범주 내의 이러한 모든 변형을 내포하기 위한 것이다.

본 명세서에 기술된 초연마식 가공 공구 및 방법은 가공되는 공작물에 손상을 야기하는 것을 피하기 위한 낮은 부하와 더 큰 속도로 재료가 제거되는 것을 허용한다. 초연마식 가공 공구는 열이 매우 빨리 소산될 수 있는 것을 또한 허용하며, 따라서 공작물의 미세구조 내에 만곡 입자(bent grain) 또는 백층(white layer)의 형성을 피하도록 도와주고 더 나은 표면 마무리를 제공한다. 또한, 초연마식 가공 공구는 선삭 공정에 사용된 공구에 대한 시간(amount of minutes)과 비교하여 잠재적으로 수백 시간인 증가된 공구 수명을 갖는다. 본 발명의 초연마식 가공 공구는 현재의 선삭 공정보다 빠르게 재료를 또한 제거할 수 있고 따라서 경제적으로 장점이 있다. 본 명세서에 기술된 초연마식 가공 공구 및 방법의 또다른 장점은 세라믹 재료에 대한 잠재적인 적용뿐만 아니라 초합금, 니켈 합금 및 티타늄 합금에 대한 적용이며, 이는 이러한 재료들의 경도와 종래의 선삭 공정으로 이러한 초합금을 가공하는데 요구되는 비용과 시간 때문이다.

Claims

컴퓨터 작동되는 다축 연삭 장치를 포함하면서 가공 중심에 장착된 초연마식 가공 공구이며,

초연마재 재료 코팅, 제1 원통형 부분 및 제2 원통형 부분을 구비하는 외표면을 포함하고, 상기 제1 원통형 부분은 상기 제2 원통형 부분의 제2 직경보다 작은 제1 직경을 가지며, 제1 방향으로 제1 속도에서 회전하는 공작물 연삭용 수단과,

연삭용 수단을 냉각하기 위한 수단과,

장착부를 포함하며 제1 속도보다 낮은 제2 속도에서 제2 방향으로 회전하는 공작물 회전용 수단을 포함하는 공구.
제1항에 있어서, 연삭용 수단은 연삭 공구를 포함하는 공구.
제2항에 있어서, 연삭 공구는 연삭되는 공작물의 표면에 형상부를 부여할 수 있는 형상 외표면을 포함하는 공구.
제2항에 있어서, 연삭 공구는 휠, 퀼(quill) 그리고 하나 이상의 전술한 연삭 공구를 포함하는 조합체로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 공구.
제2항에 있어서, 연삭 공구는 공작물에 일정 각도로 위치되는 공구.
제1항에 있어서, 연삭되는 공작물은 대체로 원형을 포함하는 공구.
제1항에 있어서, 냉각용 수단은 냉각 유체를 부여할 수 있는 냉각 노즐인 공구.
제1항에 있어서, 제1 방향은 시계방향 또는 반시계 방향이고, 제2 방향은 제1 방향과 동등하거나 반대인 공구.
공작물을 초연마식으로 연삭하기 위한 방법이며,

제1 직경을 갖는 제1 원통형 부분과 제2 직경을 갖는 제2 원통형 부분을 포함하며 상기 제1 직경은 상기 제2 직경보다 작은 연삭용 수단과 공작물 냉각용 수단을 포함하는 초연마식 가공 공구에 공작물을 배치하는 단계와,

공작물을 제1 방향으로 제1 속도에서 회전시키는 단계와,

연삭용 수단을 제2 방향으로 제1 속도보다 큰 제2 속도에서 회전시키는 단계와,

연삭용 수단을 사용하여 공작물을 연삭하는 단계와,

연삭되는 공작물을 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 공작물의 주연을 따라 접점에서 연삭함으로써 상기 공작물을 형상화하는 단계를 더 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 제1 방향은 시계방향 또는 반시계 방향이고, 제2 방향은 제1 방향과 동등하거나 반대인 방법.
제9항에 있어서, 제1 속도는 분당 약 200 내지 2000 표면 피트(1.016m/s 내지 10.16m/s)인 방법.
제9항에 있어서, 제2 속도는 약 500 내지 120,000 표면 피트(2.54m/s 내지 609.6m/s)인 방법.
제9항에 있어서, 냉각용 수단은 냉각 유체를 부여할 수 있는 냉각 노즐인 방법.
제9항에 있어서, 공작물은 대체로 원형을 포함하는 방법.
제9항에 있어서, 초연마식 가공 공구는 초연마재 코팅을 구비하는 외표면을 포함하고 제1 방향으로 제1 속도에서 회전하는 공작물 연삭용 수단과,

연삭용 수단을 냉각하기 위한 수단과,

장착부를 포함하며 제2 방향으로 제1 속도보다 낮은 제2 속도에서 회전하는 공작물 회전용 수단을 포함하는 방법.
제16항에 있어서, 연삭용 수단은 연삭되는 공작물의 표면상의 한 점에서 일정 각도로 접하는 연삭 공구를 포함하는 방법.
제16항에 있어서, 연삭용 수단은 연삭되는 공작물의 표면상의 한 점에서 주연방향으로 접하는 연삭 공구를 포함하는 방법.
제16항에 있어서, 연삭용 수단은 연삭되는 공작물의 표면에 형상부를 부여할 수 있는 형상 외표면을 구비하는 방법.