KR100838767B1 - 트위스트 드릴 - Google Patents
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Abstract
트위스트 드릴(10)은 전방의 프랭크 면(14)을 가진 절삭 팁(12), 절삭 팁으로부터 후방으로 연장된 실질적으로 원통형인 공구 동체(16) 및, 섕크(18)를 구비한다. 공구 동체(16)는 그것을 통한 회전축과, 그것의 외측 주위 표면상에 형성되고 전방의 프랭크 면(14)으로 연장된 적어도 하나의 홈(20)을 구비한다. 적어도 하나의 홈(20)은 전방의 프랭크 면(14)으로 개방된 제 1 의 헬리컬 부분(24) 및, 제 1 의 헬리컬 부분의 후방 단부로부터 공구 동체(16)의 후방 부분을 향해 연장된 제 2 의 헬리컬 부분(26)을 구비한다. 제 2 의 헬리컬 부분(26)은 제 1 의 헬리컬 부분(24)의 반대 방향으로 비틀린다.
Description
본 발명은 트위스트 드릴에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 공구 동체의 외측 주위 표면에 헬리컬 홈(flute)을 구비하는 공구 동체를 가짐으로써 절삭 칩(chip)을 원활하게 배출하고 절삭 저항에 대하여 향상된 강직성(rigidity)을 제공하는 트위스트 드릴에 관한 것이다.
종래의 트위스트 드릴은 적어도 하나의 헬리컬 홈과 랜드(land)가 제공된 실린더형 공구 동체를 구비하는데, 홈과 랜드는 전방의 절삭 지점에 대하여 헬리컬 각도를 따른다. 트위스트 드릴의 공구 동체의 후방 단부는 척(chuck)에 고정될 수 있는데, 예를 들면 수공구 또는 드릴 기계의 척에 고정될 수 있다. 드릴의 절삭 끝(point)은 전체적으로 원추 형상으로서, 원추 형상으로부터 한쌍의 직경 방향으로 반대편에 있는 절삭 에지들이 홈을 이룬 랜드들의 선도하는 면(leading faces)들에 의해 형성되는 절삭 에지와, 홈을 이룬 랜드들의 단부 면들을 형성하는 드릴 포인트의 프랭크(flank)를 가진다. 각각의 홈을 이룬 랜드의 외측 주위는 그것의 선도하는 에지에 반경 방향의 돌출부를 가지는데, 돌출부는 랜드, 원통형 랜드 및, 지지용 마진(support margin)으로 다양하게 지칭된다. 이들 2 개의 지지용 마진은 홈을 이룬 랜드의 길이를 따라서 연장된다.
트위스트 드릴의 홈의 디자인은 드릴의 성능에 극히 중요하다. 홈의 디자인은 절삭 작용 동안에 발생되는 칩들을 형성하고, 수용하고, 배출함으로써, 열을 배출하는 트위스트 드릴의 성능을 결정한다.
본 발명에 따르면, 트위스트 드릴이 제공된다. 트위스트 드릴은 전방의 프랭크 면을 가진 절삭 팁(cutting tip), 절삭 팁으로부터 후방으로 연장된 실질적으로 원통형의 공구 동체 및, 섕크(shank)를 구비한다. 공구 동체는 그것을 통한 회전축과, 그것의 외측 주위 표면상에 형성되어 전방의 프랭크 면으로 연장된 적어도 하나의 홈을 구비한다. 적어도 하나의 홈은 전방의 프랭크 면으로 개방된 제 1 의 헬리컬 부분과, 제 1 의 헬리컬 부분의 후방 단부로부터 공구 동체의 후방 부분을 향하여 연장된 제 2 의 헬리컬 부분을 구비한다. 제 2 의 헬리컬 부분은 제 1 의 헬리컬 부분의 반대인 방향으로 비틀린다(twisted). 다른 구현예에서, 트위스트 드릴은 제 3 의 헬리컬 부분을 더 구비한다. 제 3 의 헬리컬 부분은 제 2 의 헬리컬 부분의 반대인 방향으로 비틀린다.
본 발명의 다른 특징들과 그로부터 유도된 장점들이 첨부된 도면을 참조하여 이루어진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 드릴의 사시도이다.
도 2 는 도 1 의 드릴에 대한 측면도이다.
도 3 은 도 1 의 드릴에 대한 단부의 도면이다.
도면을 참조하면, 동일한 참조 번호들은 동일한 요소들을 나타내며, 본 발명에 따른 트위스트 드릴(10)이 도시되어 있다. 트위스트 드릴은 3 개의 주요 부분을 구비한다. 트위스트 드릴의 제 1 부분은 전방의 프랭크 면(14)을 구비하는 절삭 팁(12)의 지점이다. 절삭 팁(12)은 소재를 절삭하여 구멍을 형성한다. 트위스트 드릴(10)의 제 1 부분에 근접하여 공구 동체(16)를 구비하는 제 2 부분이 있다. 공구 동체(16)는 절삭 팁(12)으로부터 후방으로 연장된다. 트위스트 드릴(10)의 제 3 부분은 트위스트 드릴의 섕크(18) 또는 견고한 부분으로서 홈(flute)을 가지지 않는다.
트위스트 드릴(10)의 지점 또는 절삭 팁(12)은 대부분의 그 어떤 적절한 형태라도 취할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 비록 본 발명에서는 제거 가능한 인서트 절삭 팁에 의해 형성된 절삭 끝 기하 형상을 가지는 트위스트 드릴(10)의 형태로 도시되지 않았을지라도, 트위스트 드릴은 금속 또는 초경합금과 당해 기술 분야에 공지된 유사한 것으로 형성된 입체의(solid) 트위스트 드릴로서 형성될 수도 있다.
본 발명을 도시하기 위한 목적으로서, 절삭 팁(12)은 교환 가능한 절삭 팁으로서 도시되어 있다. 교환 가능 절삭 팁에 대한 보다 상세한 설명을 위하여, 특허 출원 PCT/EP03/01526 "교환 가능 절삭 인서트를 구비한 회전 절삭 공구(Rotary Cutting Tool Comprising an Exchangeble Cutting Insert)를 참조할 수 있으며, 이것은 본원에 참조로서 포함된다. 당해 기술 분야에 공지된 소재 재료와 드릴 조건 들에 따라서, 수용 가능한 절삭 비율을 달성하도록 다양한 절삭 팁의 형상이 설계되고 선택될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 예시적인 구현예들에서 이용될 수도 있는 다른 절삭 팁(12)의 형상들은 분리된 끝(split point), 말려 있는 노취의 끝, 단일 각도의 끝, 이중 각도의 끝, 감소되는 경사의 끝, 헬리컬 끝, 다면체의 끝, 만곡된 에지의 끝 및, 그와 유사한 것을 포함한다. 바람직한 구현예에서, 절삭 팁(12)의 형상은 S 형상의 치즐 에지(chisel edge)이다.
트위스트 드릴(10)의 끝(point) 또는 절삭 팁(12)은 공구 동체(16)에 작동 가능하게 부착된다. 공구 동체(16)는 강철로 제작될 수 있는데, 예를 들면, 이전에 설명된 바와 같이 초경합금이나 또는 고속도강으로 제작될 수 있다. 공구 동체(16)는 적어도 하나의 헬리컬 홈(20)과 랜드(22)를 구비한다. 바람직한 구현예에서, 한쌍의 헬리컬 홈(20)들은 공구 동체(16)의 주위 외측 표면에 형성된다.
트위스트 드릴(10)의 홈(20)의 디자인은 드릴의 성능에 극히 중요하다는 점이 이해될 것이다. 홈(20)의 디자인은 절삭 작용 동안에 발생되는 칩들을 형성하고, 수용하고 그리고 배출함으로써 열을 배출하는 트위스트 드릴(10)의 성능을 결정한다.
본 발명에 따라서, 트위스트 드릴(10)의 홈(20)은 제 1 의 헬리컬 부분(24)과 제 2 의 헬리컬 부분(26)을 구비한다. 제 1 의 헬리컬 부분(24)은 절삭 팁(12)의 전방 플랭크 면(14)으로 개방되고 제 2 의 헬리컬 부분(26)을 향하여 나선형의 각도(helix angle)로 비틀린다. 제 1 헬리컬 부분(24)의 나선형 각도(θA)는 절삭 팁(12)으로부터 공구 동체(16)로의 길이에 걸쳐 있는 부분(A)에서 공구 동체의 홈의 부분위에서 변화될 수 있거나 또는 실질적으로 일정할 수 있다.
트위스트 드릴(10)이 하나 또는 그 이상의 냉각제 구멍(11)들을 구비하는 경우에, 절삭 팁의 회전 위치와 제 1 헬리컬 부분(12)의 길이는 냉각제 구멍 출구의 위치에 기초하여 조절될 수 있는데, 이것이 바람직스럽게는 절삭 작용 동안에 냉각제와 윤활제의 최적의 전달을 보장하기 위하여 절삭 에지와 정렬된다.
바람직한 구현예에 있어서, 용이한 칩의 형성과 절삭 영역으로부터의 칩의 운반을 보장하기 위하여, 제 1 의 헬리컬 부분(24)은 공구 동체의 중앙 축(28)에 대하여 양의 나선 각도(θA)(즉, 레이크 각도(rake angle))에 위치된다. 헬리컬 부분(24)의 나선 각도(θA)는 약 0 도 내지 40 도 이며, 바람직스럽게는 약 30 도 이다. 제 1 의 헬리컬 부분(24)은 음의 나선 각도로 위치될 수도 있다. 여기에서 이용되는 양의 나선 각도 및, 음의 나선 각도라는 용어는 공구 동체 중심 축(28)에 대한 나선의 회전 방향을 지칭하는 것이다. 양의 나선 각도는 절삭 에지를 감소시키는 반면에, 음의 나선 각도는 그것을 증가시킨다.
제 2 의 헬리컬 부분(26)은 제 1 의 헬리컬 부분(24)으로부터 반대 방향으로 비틀린다. 제 2 의 헬리컬 부분(26)은 기호 "B"로 표시된 바와 같이 제 1 의 헬리컬 부분(24)의 후방으로부터 도 2에서 기호 "C"로 표시된 끝을 향해 연장된다.
제 2 의 헬리컬 부분 나선형 각도(θB)는 제 1 의 헬리컬 부분(θA)으로부터 반대 방향으로 비틀리는데, 이는 절삭 끝의 치즐 에지(chisel edge,30)가 가장 약 한 자체 중심(self-centering)의 특성을 제공하는 각도를 향하여 트위스트 드릴(10)의 가장 단단한 단면적이 배향되도록 하는 목적을 위한 것이다. 이러한 각도는 절삭 끝의 치즐 에지 각도(30)와 근사하다. 절삭 끝의 치즐 에지 각도는 절삭 끝의 절삭 조건들을 최적화시키도록 선택된다. 불행하게도, 절삭 끝의 치즐 에지 각도는 가장 약한 방향으로서 알려져 있는데, 이는 절삭 끝의 치즐 에지가 블레이드(blade)로서 작용하여, 트위스트 드릴과 소재의 최초 접촉이 발생할 때 절삭하는 동안에 블레이드 위에서 끝이 "미끄러져서" 트위스트 드릴 공구 동체의 편향을 야기할 수 있기 때문이다. 바람직한 구현예에서, S 형상의 절삭 끝의 치즐 에지(30)가 가장 약한 자체 중심 특성을 제공하는 각도는 치즐 에지의 세로 방향의 길이에 평행하다.
반대 방향으로 비틀리는 제 2 의 헬리컬 부분(26)은 치즐 에지(30)를 따라서 트위스트 드릴의 공구 동체(16)의 단단함을 증가시켜서, 드릴의 편향을 감소시키고 그리고 보다 곧고 정확한 구멍의 형성을 가능하게 하는 것으로 믿어진다.
제 2 헬리컬 부분(26)의 나선 각도(θB)는 지점(B)로부터 지점(C)으로의 길이에 걸쳐서 변화될 수 있거나 또는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 제 2 헬리컬 부분의 최대 길이는 최대 약 7D(여기에서 D 는 팁의 절삭 직경이다)의 범위로 설정된다. 제 2 헬리컬 부분(26)의 나선형 각도(θB)는 약 1 내지 약 30 도의 범위일 수 있으며, 바람직스럽게는 지점(B)으로부터 지점(C)으로 약 3 도이다. 바람직한 구현예에서, 제 2 의 헬리컬 부분(26)은 음의 나선형 각도에 위치된다.
트위스트 드릴(10)은 제 3 의 헬리컬 부분(32)을 구비할 수 있다. 제 3 의 헬리컬 부분(32)은 제 2 의 헬리컬 부분(26)의 반대인 방향으로 비틀린다. 바람직한 구현예에서, 제 3 의 헬리컬 부분(32)은 양의 나선 각도로 위치된다.
제 3 의 헬리컬 부분(32)은 기호 "C"에 의해 표시된 바와 같은 제 2 의 헬리컬 부분(26)의 후방으로부터 도 2에서 기호 "D" 로 표시된 트위스트 드릴(10)의 섕크(18)로 연장된다. 제 3 의 헬리컬 부분(32)의 나선형 각도(θC)는 지점(C)으로부터 지점(D)으로의 길이에 걸쳐서 변화될 수 있거나 또는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
제 3 의 헬리컬 부분(32)은, 제 3 의 헬리컬 부분을 포함하지 않는 트위스트 드릴에 의해 필요로 하는 것보다 토크, 추력 및 마력을 낮추는 것으로 밝혀졌다. 제 3 의 헬리컬 부분(32)은 칩의 배출 과정에서 장점을 제공하는 것으로 믿어진다. 그 어떤 하나의 이론에 의해 한정되지 않으면서, 제 3 의 헬리컬 부분(32)이 압출 나사와 유사하게 기능하여 칩들을 절삭되고 있는 구멍들의 밖으로 밀어내는 것으로 믿어진다. 제 3 의 헬리컬 부분(32)의 효과는 깊은 구멍을 드릴 가공하는 조건에서 특히 유리한 것으로 믿어진다.
제 3 의 헬리컬 부분(32)의 나선 각도(θC)는 그것의 길이를 따라서 지점(C)으로부터 지점(D) 까지, 약 0 내지 약 40 도의 범위일 수 있으며, 바람직스럽게는 약 5 도의 범위일 수 있다.
트위스트 드릴(10)의 웹(34)의 두께는 대부분의 그 어떤 적절한 디자인일 수 있다. 예를 들면, 웹(34)의 두께는 실질적으로 트위스트 드릴(10)의 길이를 따라서 실질적으로 일정할 수 있거나, 트위스트 드릴의 길이를 따라서 테이퍼지거나, 또는 그것의 조합일 수 있다. 바람직한 구현예에 있어서, 공구 동체(16)의 후방 단부를 향한 홈(20)의 깊이는 공구 동체의 전방 단부를 향하는 홈의 깊이 보다 크게 됨으로써, 절삭물 또는 칩들과 트위스트 드릴에 의한 가공 구멍의 내측 벽과 홈 사이의 접촉이 효과적으로 방지될 수 있고, 칩들의 원활한 배출이 보장될 수 있다. 가장 바람직한 구현예에 있어서, 제 1 헬리컬 부분(24)을 따른 커터 비트(cutter bit)의 웹 두께는 제 2 헬리컬 부분(26)을 따른 웹 두께 보다 크고 제 3 헬리컬 부분(32)을 따른 웹 두께보다 크다.
여기에 설명된 바와 같은 트위스트 드릴(10)이 제 1 의 헬리컬 부분(24), 제 2 의 헬리컬 부분(26) 및, 대안으로서 제 3 의 헬리컬 부분(32)을 구비할지라도, 부가적인 부분들이 여기에 설명된 것의 범위를 넘어서 트위스트 드릴에 부가될 수도 있다는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 제 4 의 헬리컬 부분이 트위스트 드릴에 부가될 수 있다.
본 발명은 다음의 예를 고려함으로써 더욱 명확해질 것이며, 다음의 예는 본 발명의 순수한 예로서 의도된 것이다.
예 1
+ 30 도의 나선형 제 1 부분, - 3 도의 역 나선형 제 2 부분 및, + 5 도의 나선형 제 3 부분을 구비하는 트위스트 드릴(샘플 1)이, + 30 도의 나선형 제 1 부분과 - 3 도의 역 나선형 제 2 부분을 구비하는 트위스트 드릴(샘플 2)에 대하여 시험되었다.
각각의 드릴의 직경은 16 mm 이었고 절삭 팁 재료는 Kennametal Inc.에서 판매하는 초경합금 등급 KC7315 였다. 각각의 드릴의 절삭 단부는 동일의 S- 형상 드릴 포인트(drill point)이었다.
실험 조건
드릴된 구멍의 수: 6
절삭 속도 = 80 m/min
이송 비율 = 0.45 mm/rev
구멍 깊이 = 80 mm
절삭되는 재료 : 내부 냉각제 @ 200 PSI를 이용하는 4140 강(200 브리넬 경도).
Kistler 9272 기계 가공 검력계(dynamometer)가 토크와 추력을 측정하도록 이용되었다. 검력계는 절삭 공정에 근접한 힘을 측정하며 드릴하는 동안에 스핀들 토크와 추력을 측정할 수 있게 한다. 시험 결과들은 아래의 표 1 에 도시되어 있다.
표 1
16 mm 트위스트 드릴 | ||||
홈 | 이송(ipr) | 평균 토크(in.-lbs) | 평균 추력(lbs) | 평균 마력(HP) |
샘플 1 | 0.45 | 302.3 | 807.2 | 7.62 |
샘플 2 | 0.45 | 316.4 | 836.6 | 7.79 |
표 1 에 도시된 바와 같이, 높은 토크, 추력 및 마력의 표시가 제 3 헬리컬 부분이 없는 트위스트 드릴에서 관찰되었다. 제 3 의 헬리컬 부분은 실질적으로 동 일한 드릴 조건들 하에서 제 3 의 헬리컬 부분을 구비하는 트위스트 드릴과 비교했을 때 약 4.5 퍼센트의 감소된 토크의 향상, 약 3.5 % 의 감소된 추력의 향상 및, 약 2.2 퍼센트의 감소된 평균 마력의 향상을 제공하였다.
예 2
3 개의 트위스트 드릴들이 한정 요소 분석(Finite Element Analysis;FEA)을 받았다. 트위스트 드릴들의 직경은 8 mm 이었으며 공구 동체의 길이는 40 mm 이었다. 각각의 트위스트 드릴의 절삭 단부 형상은 S 형상의 드릴 끝이었다.
샘플 1 의 트위스트 드릴은 + 30 도의 나선형 제 1 부분과 0 도의 나선형 제 2 부분을 구비하였고, 샘플 2 는 + 30 도의 나선형 제 1 부분과 - 3 도의 역 나선형 제 2 부분과 0 도의 나선형 제 3 부분을 구비하였으며, 샘플 3 의 트위스트 드릴은 + 30 도의 나선형 제 1 부분, - 3 도의 역 나선형 제 2 부분 및, + 5 도의 나선형 제 3 부분을 구비하였다.
50 뉴톤의 힘이 치즐 에지의 세로 길이와 정렬된 방향으로 적용되었다. 트위스트 드릴의 절삭 팁의 결과적인 변위는 FEA 분석을 통해서 측정되었다.
표 2
샘플 1 | 샘플 2 | 샘플 3 | |
결과적인 변위(mm) | 0.349 | 0.317 | 0.329 |
표 2 에 도시된 바와 같이, 샘플 2 의 트위스트 드릴의 제 2 헬리컬 부분은, 역 나선형 제 2 부분(샘플 1)을 구비하지 않는 트위스트 드릴에 비교하면 약 9.2 퍼센트로 S 형상 치즐 에지를 따라서 트위스트 드릴의 공구 동체의 단단함의 강 도(strength of stiffness)를 증가시킨다. 더욱이, 역 나선형 제 2 부분과 제 3 부분을 구비하는 트위스트 드릴(샘플 3)은 제 2 또는 제 3 역 나선형 부분을 구비하지 않는 트위스트 드릴(샘플 1)에 비교하여 약 5.7 퍼센트로 증가된 단단함을 가진다.
여기에서 언급된 문헌과 특허들 및 특허 출원은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명이 그것의 특정한 구현예들과 관련하여 특정하게 설명되었지만, 이것은 예시적인 것으로서 제한적인 것이 아니며, 첨부된 청구항들의 범위는 선행 기술이 허용하는 바와 같은 정도로 넓게 해석되어야 한다.
본 발명은 소재를 드릴 가공하는데 이용되는 드릴로서 이용될 수 있다.
Claims (22)
- 전방의 플랭크 면을 구비하는 절삭 팁, 절삭 팁으로부터 후방으로 연장된 실질적으로 원통형인 공구 동체 및, 섕크(shank)를 구비하는 트위스트 드릴로서,공구 동체는, 공구 동체를 통한 회전 축을 가지고 공구 동체의 외측 주위 표면상에 형성되어 전방의 플랭크 면으로 연장된 적어도 하나의 홈을 구비하며;적어도 하나의 홈은 전방의 플랭크 면으로 개방된 제 1 헬리컬 부분과, 제 1 헬리컬 부분의 후방 단부로부터 공구 동체의 후방 부분을 향하여 연장된 제 2 헬리컬 부분을 구비하고, 제 2 헬리컬 부분은 제 1 헬리컬 부분의 반대인 방향으로 비틀리는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,제 1 헬리컬 부분은 양의 나선으로 위치되는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,절삭 팁은 교환 가능한 절삭 팁인, 트위스트 드릴
- 제 1 항에 있어서,절삭 팁은 S-형상의 치즐 에지(chiesel edge)를 구비하는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,공구 동체는 강철로 제작되는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,공구 동체는 초경합금으로 제작되는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,공구 동체는 공구 동체의 주위 외측 표면에 형성된 한쌍의 헬리컬 홈들을 구비하는, 트위스트 드릴.
- 제 7 항에 있어서,제 1 헬리컬 부분의 나선형 각도는 절삭 팁으로부터 공구 동체로 일정하게 공구 동체의 홈들의 일부에서 유지되는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,트위스트 드릴은 적어도 하나의 냉각제 구멍을 구비하는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,제 1 헬리컬 부분의 나선형 각도는 0 도 내지 40 도인, 트위스트 드릴.
- 제 10 항에 있어서,제 1 헬리컬 부분의 나선형 각도는 30 도인, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,제 2 헬리컬 부분의 나선형 각도는 1 도 내지 30 도인, 트위스트 드릴.
- 제 12 항에 있어서,제 2 헬리컬 부분의 나선형 각도는 3 도인, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,제 2 헬리컬 부분의 후방으로부터 연장된 제 3 헬리컬 부분을 더 구비하는, 트위스트 드릴.
- 제 14 항에 있어서,제 3 헬리컬 부분은 제 2 헬리컬 부분의 반대인 방향으로 비틀리는, 트위스트 드릴.
- 제 15 항에 있어서,제 3 헬리컬 부분은 제 2 헬리컬 부분의 후방으로부터 드릴의 섕크로 연장되는, 트위스트 드릴.
- 제 14 항에 있어서,제 3 헬리컬 부분의 나선형 각도는 일정한, 트위스트 드릴.
- 제 14 항에 있어서,제 3 헬리컬 부분의 나선형 각도는 0 도 내지 40 도인, 트위스트 드릴.
- 제 14 항에 있어서,제 3 헬리컬 부분의 나선형 각도는 5 도인, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,트위스트 드릴은 트위스트 드릴의 길이를 따라서 일정한 웹 두께(web thickness)를 가지는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,트위스트 드릴은 트위스트 드릴의 길이를 따라서 테이퍼진 웹 두께를 가지는, 트위스트 드릴.
- 제 1 항에 있어서,트위스트 드릴은 트위스트 드릴의 세로 길이를 따라서 변화하는 웹 두께를 가지는, 트위스트 드릴.
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