KR101041312B1 - 원반 형상 공구 - Google Patents

Abstract

둥근 톱(10)은, 본체(11)의 회전 중심으로부터 연장되는 2개의 반경선과 회전 중심을 동심으로 하는 본체 위의 2개의 동심원으로 둘러싸여 형성되는 가상 영역(13)을 둘레 방향에 연속하여 복수 개 형성한다. 2개의 반경선이 이루는 중심각이 90°이하이고, 가상 영역의 수가 4 내지 24개이다. 가상 영역을 형성하는 2개의 동심원의 간격의 중심에 위치하는 중앙 동심원은, 본체의 최대 톱니 바닥 반경을 r로 했을 때, 본체의 회전 중심에 대하여 0.6r~0.8r의 범위에 있다. 연속하여 인접하는 가상 영역의 중복은 0°~12°에 있다. 인접하는 슬릿의 최소 접근 거리가 0.05r이상이다. 각 가상 영역의 2개의 동심원의 간격에 대한 중앙 동심원의 가상 영역 내에 있어서의 원호 길이의 비가 3~6이다.

Description

원반 형상 공구{DISK-LIKE TOOL}

본 발명은, 목재, 목질계 재료, 플라스틱, 철강 재료, 비철 금속 등, 재질에 제한이 없이 가공에 사용되는 둥근 톱 등의 원반 형상 공구에 관한 것으로, 특히 절삭 진동이나 좌굴(挫屈)이 발생하기 어려운 원반 형상 공구에 관한 것이다.

종래, 이러한 종류의 원반 형상 공구로서는, 예를 들면 둥근 톱의 본체에 형성되는 가늘고 긴 구멍인 슬릿(slit)에 대하여 여러 가지의 형상의 것이 제안되어 있다. 예를 들면, 일본국 특공소46-21356호 공보, 일본국 실공평5-18010호 공보, 유럽 특허제0640422A1호 명세서, 서독국 특허 제19648129A1호 명세서에 나타낸 바와 같다. 이와 같은 슬릿을 형성함으로써, 둥근 톱의 임계 회전수가 증대하고, 또 슬릿에 수지를 채움으로써, 소음이나 절단면 품질에 악영향을 미치는 진동이 발생하기 어렵게 되는 것은 알려져 있다. 또한, 임계 회전수라는 것은 둥근 톱에 좌굴을 발생시키는 회전수이고, 일반적으로 둥근 톱은 임계 회전수 미만으로 사용된다. 그러나, 이와 같은 슬릿의 배치 위치와 그 전체 형상이, 둥근 톱의 강성이나 임계 회전수에 어떻게 관계하고, 또한 내구성이나 진동의 억제에 어떻게 영향을 미치는지에 대해서는, 충분히 해명되어있지 않으며, 따라서, 적정한 위치에 적정한 형상의 슬릿이 형성되어 있는지 어떤지가 불명확하였다.

본건 발명자들은, 원반 형상 공구에 형성되는 슬릿의 배치 위치와 그 전체 형상이, 원반 형상 공구의 강성이나 임계 회전수 및 진동에 어떻게 영향을 미치는지에 대하여, 상세한 해석을 행함과 동시에, 해석 결과를 구체적인 실험에 의해 확인함으로써, 그들에 대하여 해명하고, 그 결과에 기초하여 본 발명을 상도(想到)하기에 이른 것이다.

본 발명은, 상기한 문제를 해결하고자 하는 것으로, 슬릿의 배치 위치 및 배치 상태를 구체적으로 특정함으로써, 높은 강성과 임계 회전수를 가지고, 내구성이 높고 절삭 진동이 발생하기 어려운 원반 형상 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 구성상의 특징은, 원반 형상의 본체에, 본체의 회전 중심으로부터 연장되는 2개의 반경선과 회전 중심을 동심으로 하는 본체 위의 2개의 동심원으로 둘러싸여 형성되는 가상 영역을 둘레 방향에 연속하여 복수 개 배치하고, 가상 영역마다 2개의 반경선 및 2개의 동심원의 모두에 접촉하는 슬릿을 1개씩 형성하여 이루어지는 원반 형상 공구에 있어서, 2개의 반경선이 이루는 중심각이 90°이하이고, 가상 영역의 수가 4 내지 24개이며, 가상 영역을 형성하는 2개의 동심원의 간격의 중앙에 위치하는 중앙 동심원은, 본체의 최대 톱니 바닥 반경을 r로 했을 때, 본체의 회전 중심에 대하여 0.6r~0.8r의 범위에 있으며, 연속하여 인접하는 가상 영역의 중복은, 회전 중심을 중심으로 한 중심각이 0°~12°의 범위에 있고, 인접하는 슬릿의 최소 접근 거리가 0.05r이상이며, 각 가상 영역의, 2개의 동심원의 간격에 대한 상기 중앙 동심원의 가상 영역 내에 있어서의 원호 길이의 비가 3~6인 것이다.

본 발명에 있어서는, 원반 형상 공구로서 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같은 슬릿(14)을 가지는 둥근 톱을 대상으로 하여, 본체(11)의 최대 톱니 바닥 반경을 r로 했을 때의, 가상 영역을 형성하는 2개의 동심원의 간격의 중심에 위치하는 중앙 동심원의 반경 방향 위치에 대하여, 원반 형상 공구의 강성치 R(kgf/mm) 및 임계 회전 수치 min-Ncr(rpm)과의 관계를 컴퓨터에 의한 유한 요소법(FEM) 해석에 의해 구해졌다. FEM 해석 소프트에 대해서는, ANSYS(앤시스 재팬 주식회사 제품)를 사용하였다. 또한, 강성치 R 및 임계 회전 수치의 기준치로서는, 도 8에 나타낸 종래의 본체 내에 슬릿을 가지지 않는 둥근 톱(외주 측에 4개의 슬릿을 가진다)의 값인 강성치 R=0.59kgf/mm, 임계 회전 수치=4430rpm이상으로 하였다. 그 결과, 도 3에 나타낸 바와 같이, 중앙 동심원 위치가 0.6r이상에서, 강성치 R이 기준치보다 높아지고, 0.8r이하에서 임계 회전 수치가 기준치보다 높아졌다. 따라서, 중앙 동심원 위치로서 0.6r~0.8r의 범위인 것이 규정되었다.

다음으로, 각 가상 영역의 2개의 동심원의 간격에 대한 상기 중앙 동심원의 가상 영역 내에 있어서의 원호 길이의 비에 대하여, 중앙 동심원 위치가 0.8r과 0.6r의 경우에 구해졌다. 중앙 동심원 위치가 0.8r의 경우에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 강성치 R은 문제없으나 임계 회전 수치에서는 비(比)가 3이상인 것이 필요하다. 중앙 동심원 위치가 0.6r의 경우에는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 강성치 R은 비가 6이하인 것이 필요하고, 임계 회전 수치에서 문제가 없었다. 그 결과, 동심원의 간격에 대한 원호 길이의 비가 3~6의 범위인 것이 규정되었다.

다음으로, 연속하여 인접하는 가상 영역의 중복 범위가 구해졌다. 중앙 동심원 위치가 0.7r인 경우에는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 강성치 R은 중복각(angle of overlap)이 12°이하이고, 임계 회전 수치에서는 -1°이상이면 문제는 없다. 또한, 중앙 동심원 위치가 0.6r, 0.8r인 경우의 해석 결과도 고려하여, 중복각에 대하여 0°~12°의 범위가 규정되었다.

또한, 2개의 반경선이 이루는 중심각이 90°보다 커지게 되면, 둥근 톱의 강성이 저하하는 것이고, 이것에 의해 가상 영역의 수가 4개이상 필요하게 된다. 또, 가상 영역의 수가 24개보다 많게 되어도, 특성의 변화는 적고, 슬릿 형성의 코스트가 높아진다. 또한, 인접하는 슬릿의 최소 접근 거리가 0.05r, 특정의 가혹한 조건에서는 0.08r보다 작으면, 슬릿 사이가 단락하기 쉽게 되어, 둥근 톱이 파손되기 쉬워질 우려가 있다.

또, 본 발명에 있어서, 복수의 가상 영역을 동일 형상으로 할 수 있다. 복수의 가상 영역 형상을 동일하게 함으로써 둥근 톱의 회전 방향의 대칭성이 확보되어, 생산성이 높아짐과 동시에 시각적인 미감이 높아진다.

또한, 복수의 가상 영역을 동일 형상으로 하는 것에 더하여, 복수의 가상 영역 내에 형성되는 슬릿을 동일 형상으로 할 수 있다. 이와 같이, 복수의 가상 영역 형상이 동일하게 되는 것에 더하여, 각 가상 영역 내에 형성되는 슬릿이 동일 형상으로 됨으로써, 둥근 톱의 회전 방향의 대칭성이 확보되어 생산성, 시각적인 미감이 더욱 향상된다.

본 발명에 의하면, 둥근 톱 등의 원반 형상 공구에 형성하는 슬릿의 배치 위치 및 배치 상태를 구체적으로 특정함으로써, 본체 내에 슬릿을 형성하지 않는 종래의 둥근 톱과 동등이상의 강성과 임계 회전수 특성을 유지하면서, 내구성이 높고, 소음이나 절단면 품질에 악영향을 미치는 진동의 발생을 억제할 수 있다. 또, 복수의 가상 영역 형상이 동일하게 되고, 또한 각 가상 영역 내에 형성되는 슬릿이 동일 형상으로 됨으로써, 원반 형상 공구의 회전 방향의 대칭성이 확보되어, 생산성, 시각적인 미감이 더욱 높아진다.

도 1은 본 발명의 일실시예인 둥근 톱을 나타내는 측면도이다.

도 2는 둥근 톱의 요부를 확대하여 나타내는 일부 확대 측면도이다.

도 3은 동일 둥근 톱의 가상 영역을 형성하는 2개의 동심원의 간격의 중심에 위치하는 중앙 동심원의 반경 방향 위치와, 둥근 톱의 강성치 R(kgf/mm) 및 임계 회전 수치 min-Ncr(rpm)과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 각 가상 영역의 2개의 동심원의 간격에 대한 중앙 동심원의 가상 영역 내에 있어서의 원호 길이(중앙 동심원 위치가 0.8r)의 비와, 둥근 톱의 강성치 R 및 임계 회전 수치 min-Ncr과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5는 각 가상 영역의 2개의 동심원의 간격에 대한 중앙 동심원의 가상 영역 내에 있어서의 원호 길이(중앙 동심원 위치가 0.6r)의 비와, 둥근 톱의 강성치 R 및 임계 회전 수치 min-Ncr과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 연속하여 인접하는 가상 영역의 중복 각도와, 둥근 톱의 강성치 R 및 임계 회전 수치 min-Ncr과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7은 변형예인 둥근 톱을 나타내는 측면도이다.

도 8은 종래예인 둥근 톱을 나타내는 측면도이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은, 동실시예에 관한 알루미늄 절단용의 둥근 톱을 측면도에 의해 나타낸 것이고, 도 2는, 동일 둥근 톱의 요부를 일부 확대 측면도에 의해 확대하여 나타낸 것이다. 둥근 톱(10)은, 원반 형상의 본체(11)와, 본체(11)의 외주의 연속한 등간격의 복수 개소로부터 지름 방향 바깥쪽에 돌출하여 형성된 톱니(12)를 형성하고 있다. 본체(11)는, 중심축 구멍(11a)을 가짐과 동시에, 둘레 방향의 등간격의 6개소에서 톱니 바닥 외주로부터 회전 중심을 향하여 약간 연장되어 내측에서 원호 형상으로 둥글게 된 외주 슬릿(11b)을 가지고 있다. 본체(11)는, 그 회전 중심으로부터 연장되는 2개의 반경선(13a, 13b)과 회전 중심을 동심으로 하는 본체 위의 2개의 동심원(13c, 13d)으로 둘러싸여 형성되는 가상의 범위인 가상 영역(13)을 회전 중심의 주위에 연속하여 14개 형성하고 있다. 각 가상 영역(13) 내에는, 2개의 반경선(13a, 13b) 및 2개의 동심원(13c, 13d)의 모두에 접하는 각 1개의 슬릿(14)이 레이저 가공 등에 의해 형성되어 설치되어 있다.

슬릿(14)은, 2개의 반경선이 이루는 회전 중심을 중심으로 한 중심각이 대략 34°이고, 또한 중심각을 3분할한 회전 전방 측으로부터 보아 연속한 앞쪽 작은 지름부(14a), 중앙 경사부(14b), 뒤쪽 큰 지름부(14c)의 3개의 부분으로 나뉘어져 있다. 앞쪽 작은 지름부(14a)의 반경은 대략 0.64r이고, 뒤쪽 큰 지름부(14c)의 반경은 대략 0.76r이다. 여기서, r은 본체(11)의 최대 톱니 바닥 반경, 즉 본체 중심으로부터 톱니(12)의 밑둥치까지의 반경을 나타낸다. 중앙 경사부(14b)는, 앞쪽 작은 지름부(14a) 및 뒤쪽 큰 지름부(14c) 사이에 경사지게 배치되고, 앞쪽 작은 지름부(14a) 및 뒤쪽 큰 지름부(14c)와의 경계인 연결 부분이 원호 형상으로 되어 있다. 이것에 의해, 가상 영역(13)을 형성하는 2개의 동심원(13c, 13d)의 간격의 중심에 위치하는 중앙 동심원(13e)의 반경 방향 위치(반경 위치)는, 0.7r로 되어 있다.

또, 연속하여 인접하는 가상 영역(13)의 중복은, 회전 중심을 중심으로 한 중심각(θs)이 대략 8.29°이다. 또, 인접하는 슬릿(14)의 최소 접근 거리는, 대략 0.1r이다. 또한, 각 가상 영역(13)의 2개의 동심원의 간격 0.12r에 대한 중앙 동심원(13e)의 가상 영역(13) 내에 있어서의 원호 길이 0.415r의 비(슬릿 종횡비)가 대략 3.46이다.

상기 구성의 실시예에 있어서는, 둥근 톱(10)에 형성하는 슬릿(14)의 배치 위치 및 배치 상태를 상기 구체적인 수치 범위에서 규정한 것에 의해, 본체 내에 슬릿을 형성하지않는 종래의 둥근 톱과 동등이상의 강성과 임계 회전수 특성을 유지하면서, 내구성을 높이고, 소음이나 절단면 품질에 악영향을 미치는 진동의 발생을 억제할 수 있다. 또, 복수의 가상 영역(13)의 형상이 동일하게 되는 것에 더하여, 각 가상 영역(13) 내에 형성되는 슬릿(14)이 동일 형상으로 됨으로써, 둥근 톱(10)의 회전 방향의 대칭성이 확보되어 생산성, 시각적인 미감이 더욱 향상된다. 단, 복수의 가상 영역 형상이 동일한 것은 반드시 필요하지 않고, 또, 슬릿한 형상이 동일한 것도 필수는 아니다.

다음으로, 상기 실시예의 변형예에 대하여 설명한다.

변형예에 관한 둥근 톱(20)은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 원반 형상의 본체(21)의 외주에, 연속한 1 피치(pitch)의 등간격으로 배열된 4개의 톱니(22)와, 이로부터 1.5 피치 어긋난 톱니(23)가 세트로 이루어져, 복수 개소로부터 지름 방향 바깥쪽에 돌출하여 형성되어 있다. 등간격의 복수의 톱니(22)의 개수에 대해서는, 4개가 가장 바람직하나, 3개 혹은 5개로 있어도 좋다. 본체(21)에 형성된 슬릿(24) 및 가상 영역(도시생략)의 구성에 대해서는, 상기 실시예의 슬릿(14) 및 가상 영역(13)과 동일하다.

변형예의 둥근 톱(20)에 있어서는, 소정의 슬릿(24)을 형성함으로써, 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있고, 또한 동일 피치의 복수의 톱니(22)에 피치가 어긋난 톱니(23)를 1개 포함시킴으로써, 강관(steel pipe) 등의 금속제 파이프의 절단에 매우 유효하다는 것이 명확하게 되었다.

다음으로, 상기 실시예 및 변형예의 구체적 실험예에 대하여 설명한다.

시험품으로서, 실시예의 알루미늄재 절단용의 시험품 1과, 변형예의 강관 절단용의 시험품 2를 준비하였다. 시험품 1은, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 슬릿 구성을 가지는 ①~③의 3종류의 사양(외경 × 톱니 두께 × 본체 두께 × 중심 구멍 지름 × 톱니 수)의 톱날로, 외주로부터 회전 중심에 10mm 연장된 외주 슬릿을 6개 가지고 있다. 절단 조건은, 각 톱날에 대하여 다른 회전수 N 및 이송 속도 F로 되어 있다. 피삭재는 알루미늄 압출형재 A6063이다.

시험품 2는, 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 슬릿 구성을 가지는 ①, ②의 2종류 사양(외경 × 톱니 두께 × 본체 두께 × 중심 구멍 지름 × 톱니 수)의 톱날로, 외주 슬릿을 가지고 있지 않다. 절단 조건은, 공통의 회전수 N 및 이송 속도 F로 되어 있다. 피삭재는, 각종 강제 파이프 STKM13C, 15A, 15B이다.

시험의 결과, 시험품 1, 2 모두 도 8에 나타낸 종래의 둥근 톱에 비하여, 내구성이 약 1.5배로 높아져 있다. 즉, 시험품이, 종래품에 비하여, 강성 및 임계 회전수가 높아진 것에 의한 결과이다. 또, 임계 회전수가 향상됨으로써, 종래품에 비하여 절삭시의 진동의 발생이 억제되고, 그에 수반하여 소음이 억제됨과 동시에 절삭면의 가공 정도도 높아지게 된다.

또한, 상기 실시예에 있어서, 둥근 톱의 톱니 바닥은 균일하게 되어 있으나, 톱니 바닥이 불균일하게 있어도 좋고, 그 경우에 r의 값은 최대 톱니 바닥 반경이 사용된다. 또, 상기 실시예에 있어서, 둥근 톱에 형성하는 슬릿의 특정에 의해, 강성 및 임계 회전수를 적정하게 유지하면서, 진동의 발생을 억제하도록 한 것이나, 이와 같은 슬릿 특정 조건에 대해서는, 둥근 톱에 한정하는 것이 아니고, 다른 원반 형상의 회전 절삭 공구, 예를 들면 원형 절단 숫돌, 원형 슬릿터 나이프(slitter knife) 등에 대하여서도 동일하게 적용된다.

본 발명은, 원반 형상 공구에 형성되는 슬릿의 배치 위치와 그 전체 형상이 규정되고, 원반 형상 공구의 강성이나 임계 회전수가 높아져서 진동의 발생이 억제됨으로써, 원반 형상 공구의 설계 등에 있어서 매우 유용하다.

Claims (3)

1. 원반 형상의 본체에, 이 본체의 회전 중심으로부터 연장되는 2개의 반경선과 이 회전 중심을 동심으로 하는 이 본체 위의 2개의 동심원으로 둘러싸여 형성되는 가상 영역을 둘레 방향에 연속하여 복수 개 배치하고, 이 가상 영역마다 상기 2개의 반경선 및 2개의 동심원의 모두에 접촉하는 슬릿을 1개씩 형성하여 이루어지는 원반 형상 공구에 있어서,

   상기 2개의 반경선이 이루는 중심각이 90°이하이고,

   상기 가상 영역의 수가 4~24개이며,

   이 가상 영역을 형성하는 2개의 동심원의 간격의 중앙에 위치하는 중앙 동심원은, 상기 본체의 최대 톱니 바닥 반경을 r로 했을 때, 이 본체의 회전 중심에 대하여 0.6r~0.8r의 범위에 있고,

   연속하여 인접하는 상기 가상 영역의 중복은, 상기 회전 중심을 중심으로 한 중심각이 0°~12°의 범위에 있으며,

   인접하는 상기 슬릿의 최소 접근 거리가 0.05r이상이고,

   상기 각 가상 영역의, 2개의 동심원의 간격에 대한 상기 중앙 동심원의 이 가상 영역 내에 있어서의 원호 길이의 비가 3~6인

   것을 특징으로 하는 원반 형상 공구.
2. 제 1항에 있어서,

   복수의 상기 가상 영역이 동일 형상인 것을 특징으로 하는 원반 형상 공구.
3. 제 2항에 있어서,

   복수의 상기 가상 영역 내에 형성되는 상기 슬릿이 동일 형상인 것을 특징으로 하는 원반 형상 공구.

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