KR101114501B1 - 피시디 절삭공구의 제조방법 및 그 피시디 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다결정 다이아몬드(Polycrystalline Diamond) 즉 피시디(PCD)를 팁으로 하는 절삭공구에 관한 것이다.

본 발명은, CD 디스크로부터 PCD층과 기저층으로 이루어진 PCD 팁을 제작하는 단계와, 상기 PCD 팁이 접합될 절삭공구의 네크의 접합부를 V컷하는 단계와, 상기 PCD 팁의 기저층을 상기 네크의 접합부와 형합되도록 V컷하는 단계와, 상기 V컷된 네크의 접합부에 상기 V컷된 PCD 팁의 기저층을 형합시켜 산소-아세틸렌 브레이징 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 PCD 절삭공구의 제조방법 및 이로부터 제조된 PCD 절삭공구를 제공한다.

본 발명에 따르면, PCD 팁과 네크의 브레이징 접합부에 대한 접합강도가 우수하고 수명도 길게 유지될 수 있으며, PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수가 종래에 비해 증가되므로 원가 절감의 효과와 더불어 생산성 향상의 효과를 기대할 수 있다.

PCD, 기저층, 드릴, 엔드밀, PCD 디스크, V컷, 산소-아세틸렌 브레이징

Description

피시디 절삭공구의 제조방법 및 그 피시디 절삭공구{Manufacturing method of PCD cutting tool and the PCD cutting tool}

본 발명은 다결정 다이아몬드(Polycrystalline Diamond) 즉 피시디(PCD)를 팁으로 하는 절삭공구에 관한 것으로서, 특히 PCD층과 기저(substrate)층으로 이루어진 PCD 디스크로부터 PCD 팁을 제작하여 네크에 접합한 피시디 절삭공구의 제조방법 및 그 피시디 절삭공구에 관한 것이다.

본 명세서에서 말하는 절삭공구는 드릴과 엔드밀 등을 포괄하는 명칭으로서, 통상적인 드릴과 엔드밀 등의 절삭공구는 초경합금을 주소재로 하고 있으며, 절삭 대상 재료에 따라 다양한 소재의 팁이 선택적으로 사용되고 있다.

일반적으로 다이아몬드 소재로 이루어진 팁의 경우에는 비철금속 및 광물계 재료를 가공하는 데에는 적합하지만 철계 재료의 가공에는 부적합하며, 초경합금 팁의 경우에는 수명이 짧고, PCBN( Polycrystalline Cubic Boron Nitride) 팁은 광물질 재료의 가공에 부적합하다는 단점이 있다.

최근에 팁의 소재로 각광받고 있는 PCD(Polycrystalline Diamond)는 최고의 경도를 갖는 것으로 알려져 있는데, 인조 다이아몬드 제조 기법으로 고온 가압의 조건에서 소결하여 제조된다. PCD는 화학적인 안정성이 우수하여 특히 비철계 물질과 실리콘 함유 광물질계 소재를 가공하는 데에 매우 적합하며, PCD 엔드밀의 경우 초경합금 엔드밀에 비해 약 20배의 공구 수명을 보이는 예에서도 알 수 있듯이, 획기적인 절삭공구용 기초 소재이다.

PCD 절삭공구는, 팁 부분이 PCD로 구성되고, 나머지 자루(shank) 부분은 초경합금이나 이보다 낮은 강도를 갖는 재질로 이루어진다. 그리고, PCD 팁과 자루 부분은 통상적으로 브레이징에 의해 접합이 된다.

브레이징 접합 타입의 PCD 절삭공구에 있어서, 종래에는 PCD를 직접 네크(neck) 부분에 브레이징하여 제작하기도 하였으나, 근래에는 도 1에 예시된 것처럼 다결정 다이아몬드(Polycrystaline Diamond)의 PCD층(1a)과 주로 티타늄 합금강 등의 기저층(substrate : 1b)이 일정비의 두께로 소결된 소결체인 PCD 디스크로부터 형성된 PCD 팁을 네크와 접합하는 방식으로 제작하고 있는데, 그 까닭은 PCD 팁과 초경합금 재질의 네크가 직접 브레이징되면 접합 강도가 떨어지기 때문에 PCD 팁의 기저층을 네크에 브레이징하게 되는 것이다.

PCD 팁을 네크에 브레이징하는 형태는 버트 조인트 타입(butt joint type)이 대표적인데, 도 2a에 도시된 것처럼 일(一)자형이나, 도 2b에 도시된 것처럼 요철형이 주로 사용되고 있다. 그런데, 일자형 브레이징 접합을 하는 경우에는 브레이징부(2a)의 접합력이 약하다는 문제점이 있고, 요철형 브레이징 접합을 하는 경우 에는 엔드밀을 예로 들면 엔드밀의 가공특성상 엔드밀의 날보다 브레이징부(2b)의 네크가 작아야 하는데 요철형 접합 구조로는 불가능하다는 문제가 있다.

PCD 팁과 네크의 브레이징 방법으로는 진공 브레이징과 고주파 브레이징이 사용되고 있는데, 진공 브레이징과 고주파 브레이징 모두 페이스트(paste)를 용가재로 사용하기 때문에 브레이징된 부위의 접합강도가 약하다는 치명적인 문제가 있을 뿐만 아니라, 브레이징 접합 부위의 위치를 정확하게 잡기가 어렵고, 온도 조절을 균일하게 하기가 매우 어렵다는 문제가 있다.

한편, PCD 팁을 네크에 브레이징하는 또 다른 형태로서 임플란트 조인트 타입(implant joint type)이 있는데, 이것은 도 3에 예시된 것처럼 네크 부위(3a)에 깊은 홈을 형성하고, 이 홈에 PCD 팁(3b)을 삽입한 뒤 브레이징하는 것이다. 그러나, 임플란트 조인트 타입에서는 네크 부위(3a)의 홈에 PCD 팁(3b)을 일직선으로 정확하게 삽입하기가 쉽지 않기 때문에 만일 조금이라도 기울어지게 삽입된 상태로 접합이 되었을 경우에는 절삭공구의 성능이 저하될 우려가 있을 뿐만 아니라, 브레이징 접합 자체도 매우 어렵다는 문제가 있다. 또한, PCD층과 기저층으로 이루어진 PCD 디스크로부터 와이어 커팅 방전가공에 의해 낱개의 PCD 팁을 제작할 때, 기저층의 두께가 두껍기 때문에 가공시간이 오래 걸려 생산성이 떨어질 뿐 아니라 제품 가격도 상승하게 되는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 그 목적은, PCD 팁과 네크의 브레이징 접합 부위에 대한 접합강도가 우수하고 수명도 길게 유지될 수 있는 피시디 절삭공구의 제조방법 및 그 피시디 절삭공구를 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, PCD 디스크로부터 PCD층과 기저층으로 이루어진 PCD 팁을 제작하는 단계와, 상기 PCD 팁이 접합될 절삭공구의 네크의 접합부를 V컷하는 단계와, 상기 PCD 팁의 기저층을 상기 네크의 접합부와 형합되도록 V컷하는 단계와, 상기 V컷된 네크의 접합부에 상기 V컷된 PCD 팁의 기저층을 형합시켜 산소-아세틸렌 브레이징 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시디 절삭공구의 제조방법을 제공한다.

상기 제조방법에 있어서, 상기 PCD층과 기저층을 1:1.5～2의 두께비로 형성할 수 있으며, 상기 V컷을 내각이 80～120°가 되도록 형성할 수 있다.

또, 본 발명은 상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 피시디 절삭공구를 제공한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, PCD 팁과 네크의 브레이징 접합부에 대한 접합강도가 우수하고 수명도 길게 유지되는 PCD 절삭공구를 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수가 종래에 비해 증가되고, PCD 팁의 두께가 종래의 임플란트 조인트 타입 등에 비해 현저히 작아지므로 원가 절감의 효과와 더불어 생산성 향상의 효과를 기대할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 4는 본 발명에서 제공하는 PCD 절삭공구의 실시예를 나타낸 도면으로서, 그 제조방법은 다음과 같은 단계에 따른다.

먼저, 전술한 도 1에서 설명되었던 PCD 디스크를 이용하여 PCD 팁(11)을 제작한다. 상기 PCD 디스크는 PCD층(11a)과 기저층(substrate : 11b)이 일정한 두께비로 소결된 소결체로서, PCD층(11a)은 다결정 다이아몬드(Polycrystalline Diamond)로 이루어져 있고, 기저층(11b)은 주로 티타늄 합금강과 같은 소재로 이루 어져 있다. 본 발명에서 PCD층(11a)과 기저층(11b)의 두께비를 1:1.5～2로 하였는데, PCD층(11a)과 기저층(11b)의 두께비가 1:1.5보다 작거나 기저층(11b)이 없는 경우에는 PCD팁을 절삭공구의 네크(neck)에 브레이징할 때 브레이징 열이 PCD층(11a)을 가열하게 되어 PCD가 열에 의한 손상을 입게 된다. 또, PCD층(11a)과 기저층(11b)의 두께비가 1:2보다 클 경우에는 PCD 디스크를 제작하는 비용이 상승하기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 PCD 디스크를 와이어 커팅(wire cutting) 방전가공에 의해 낱개의 PCD 팁(11)으로 제조한다.

다음으로, 위와 같이 제조된 PCD팁(11)을 절삭공구의 네크(12)에 접합하기 위하여, PCD 팁(11)이 접합될 절삭공구의 네크(12)의 접합부(12a)를 V컷한다. 그리고, PCD 팁(11)의 기저층(11b)을 상기 네크(12)의 접합부(12a)와 형합되도록 V컷한다. 이때, 네크의 접합부(12a)와 PCD 팁 기저층(11b)의 V컷은, 그 내각(θ)이 80～120°가 되도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 내각(θ)이 80°보다 작은 경우에는 V컷하기가 어려울 뿐만 아니라 접합 부위의 강도가 떨어지게 되고, 120°보다 큰 경우에도 접합 부위의 강도가 저하된다.

이어서, V컷된 네크(12)의 접합부(12a)에 V컷된 PCD 팁(11)의 기저층(11b)을 형합시켜 산소-아세틸렌 브레이징으로 접합한다. 진공 브레이징이나 고주파 브레이징을 할 경우에는 밀폐된 공간에서 작업이 이루어지기 때문에 용가재를 페이스트로 사용할 수밖에 없는 한계가 있지만, 산소-아세틸렌 브레이징을 하면 용가재를 페이스트가 아닌 은납봉으로 사용할 수 있어 접합 강도면에서 페이스트 용가재에 비해 월등하게 향상된다. 즉, 페이스트는 플럭스에 용가재가 분말 형태로 첨가된 것으로 서, 용가재의 밀도가 낮기 때문에 은납봉 자체를 용가재로 사용하는 경우에 비해 접합 강도가 낮아지게 된다. 또, 진공 브레이징이나 고주파 브레이징은 밀폐된 공간에서 열을 가하여 접합을 하기 때문에 은납봉을 직접 용가재로 사용할 수가 없다.

이와 같이, 본 발명에서는 네크(12)의 접합부(12a) 및 PCD 팁(11)의 기저층(11b)이 V자형으로 커팅되어 산소-아세틸렌 브레이징되기 때문에, 종래에 일자형이나 요철형으로 컷팅되어 진공 브레이징 또는 고주파 브레이징에 의해 접합되는 경우에 비해 접합부의 강도가 크게 향상되고 안정적인 접합이 이루어지는 효과를 볼 수 있다.

앞에서도 언급한 바와 같이, 산소-아세틸렌으로 브레이징하는 경우에는 은납봉을 용가재로 사용할 수 있어 접합 부위의 강도를 향상시킬 수 있고, 정확한 위치에 브레이징이 가능하게 되며, 680℃ 내외의 온도 조절이 용이하다는 장점이 있다.

V컷된 접합 부위에 대한 산소-아세틸렌 브레이징의 경우에는 동일한 크기의 PCD 디스크로부터 제작할 수 있는 PCD 팁의 수량도 종래에 비해 증가하게 되어 원가 절감에도 크게 기여할 수 있다. 즉, 네크와 PCD 팁의 접합 부위를 요철형으로 브레이징하는 종래의 경우에는 브레이징 후에 PCD 팁을 상당부분 연마하여야 하는 후속공정이 따르기 때문에, 연마공정 이전의 PCD 팁의 크기를 최종 크기보다 2배 정도 더 크게 제작하여야 한다. 따라서, 동일한 크기의 PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수가 적을 수 밖에 없고, PCD 디스크의 가격이 고가임을 고려하면 본 발명에 따른 제조방법이 매우 경제적임을 알 수 있다.

예를 들어, 직경 60mm인 PCD 디스크를 이용하여 PCD 팁을 제조할 때, PCD 팁과 네크의 접합부위가 일자형인 경우에는 직경과 상관없이 120개 정도의 PCD 팁이 제작될 수 있고, PCD 팁과 네크의 접합부위가 요철형인 경우에는 PCD 팁의 직경에 따라 120～400개 정도의 PCD 팁이 제작될 수 있다. 이에 비해, 본 발명과 같이 PCD 팁과 네크의 접합부위가 V컷된 형태인 경우에는 PCD 팁의 직경에 따라 120～1000개 정도의 PCD 팁이 제작될 수 있다. PCD 디스크의 직경이 동일한 경우를 가정할 때 하나의 PCD 디스크로부터 제작될 수 있는 PCD 팁의 개수는, 본 발명과 같이 V컷 형태의 브레이징 접합시 일자형 브레이징 접합에 비해 800% 이상, 요철형 브레이징 접합에 비해 200% 이상 증가된 효과를 볼 수 있다. 이는 일자형이나 요철형 브레이징 접합의 경우에는 진공 브레이징 또는 고주파 브레이징을 하기 때문에, 본 발명과 같은 V컷된 브레이징 접합부에 산소-아세틸렌 브레이징에 비해 후가공의 양이 많아지기 때문이다.

따라서, 본 발명과 같이 PCD 팁과 네크의 접합부를 V컷 형태로 제작하고 산소-아세틸렌 브레이징을 하는 경우는, PCD 팁과 네크의 접합부를 일자형 또는 요철형으로 하여 진공 브레이징이나 고주파 브레이징을 하는 종래에 비해 원가 절감의 효과가 월등함을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 PCD 팁의 제작에 소요되는 PCD 디스크를 나타낸 사시도이다.

도 2a는 종래에 PCD 팁을 네크에 일자형으로 브레이징 접합한 예를 나타낸 도면이다.

도 2b는 종래에 PCD 팁을 네크에 요철형으로 브레이징 접합한 예를 나타낸 도면이다.

도 3은 종래에 PCD 팁을 네크에 임플란트 조인트한 절삭공구의 예를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따라 PCD 팁과 네크의 접합부를 V컷하고 산소-아세틸렌 브레이징한 절삭공구의 예를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : PCD 팁 11a : PCD층

11b : 기저층 12 : 네크

12a : 접합부

Claims (4)

1. PCD 디스크로부터 PCD층과 기저층으로 이루어짐은 물론 상기 PCD층과 기저층은 1:1.5～2의 두께비로 형성되도록 PCD 팁을 제작하는 단계;

   상기 PCD 팁이 접합될 절삭공구의 네크의 접합부를 내각이 80～120°가 되도록 V컷하는 단계;

   상기 네크의 접합부와 형합되도록 상기 PCD 팁의 기저층을 내각이 80～120°가 되도록 V컷하는 단계;

   상기 V컷된 네크의 접합부에 상기 V컷된 PCD 팁의 기저층을 형합시키도록 은납봉을 사용하는 산소-아세틸렌 브레이징 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 피시디 절삭공구의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항의 제조방법에 의해 제조된 피시디 절삭공구.

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