KR101334374B1

KR101334374B1 - 치즐 에지를 갖는 절삭 공구

Info

Publication number: KR101334374B1
Application number: KR1020107022485A
Authority: KR
Inventors: 카르틱 샘패쓰; 유에르겐 슈바에게를
Original assignee: 케나메탈 아이엔씨.
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2013-11-29
Also published as: EP2265402B1; JP2011513083A; JP5432929B2; RU2462334C2; RU2010141545A; WO2009114353A2; EP2265402A4; US8061938B2; EP2265402A2; CN101970160B; CA2717339C; BRPI0909074A2; CA2717339A1; KR20100130622A; HUE040599T2; PL2265402T3; MX2010011087A; CN101970160A; US20090226271A1; WO2009114353A3

Abstract

트위스트 드릴은 구멍 진직도(hole straightness)를 최대화하고 공작물 상에서 드릴의 '이동(walking)'을 최소화하도록 80도 내지 100도의 치즐 에지각과 이중 마진을 갖는다. 드릴은 착탈 가능한 팁 몸체를 구비한 모듈화된 것(modular)일 수 있고 또는 단일 구성으로 이루어질 수 있다. 팁 몸체는 소모성이고, 필요에 따라 분리 및 교체될 수 있다.

Description

치즐 에지를 갖는 절삭 공구{Cutting tool with chisel edge}

본 발명은 특유의 방식으로 배향된 치즐 에지를 갖는 트위스트 드릴과 같은 절삭 공구에 관한 것이다.

회주철과 같은 취성 재료의 드릴링에서는 원하는 위치에 "구멍 진직도(hole straightness)"를 갖는 곧은 방향으로 둥근 구멍을 뚫는 것이 중요하다. 드릴링 공정 동안에, 드릴이 목표 위치로부터 멀어져 공작물의 표면을 가로질러 "이동(walk)"하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 또한 드릴이 적절한 목표 위치에 놓일 때에도, 드릴 상의 비대칭 절삭력으로 인해 드릴이 흔들릴 수 있고, 그에 의해 둥글지 않은 구멍, 곧지 않은 구멍, 또는 이들 모두를 형성한다. 1976년 8월 31일에 허여된 미국 특허 제3,977,807호는 제1 마진의 모서리에 대해 치즐 에지각을 형성하는 치즐 에지를 갖는 이중 마진 트위스트 드릴에 관한 것이다. 이 특허에 관한 도 2가 이러한 특징을 도시하고 있지만, 도 2는 사시도이기 때문에 치즐 에지각을 구별하기가 어렵다. 그럼에도 불구하고, 제1 마진의 외경은 마진이 치즐 에지에 접근함에 따라 감소하고, 그 결과로서 일부 드릴 안정성이 희생된다.

2007년 9월 11일에 허여된 미국 특허 제7,267,514호는 파일럿 팁을 구비한 자기중심형 비트 드릴에 관한 것으로, 드릴이 단지 하나의 마진을 갖는다. 이 특허는 도 4에서 필수적으로 치즐 에지를 드릴 마진과 평행하게 만드는 배치를 개시한다. 이는 드릴의 "이동(walking)"을 줄이지만, 드릴이 드릴링 동안 흔들리는 경향이 있기 때문에 구멍 형상과 구멍 진직도에 대하여 동일한 문제점이 존재한다.

더 곧고 더 잘 위치된 구멍을 형성하고 구멍 형성 공정 동안 구멍 내부에서 드릴을 안정화시키는 드릴 설계가 필요하다.

본 발명의 목적은 위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 절삭 공구를 제공하는 것이다.

대체로 원통형인 절삭 공구의 팁이 공작물의 내부에 구멍을 형성하기 위해 사용되고, 팁은 중앙축과 절삭 단부를 갖는다. 공구는 절삭 방향으로 회전하도록 설계된다. 팁은 직경상 대향하고 그 사이에 랜드가 있는 두 개의 플루트를 갖는 몸체를 포함하고, 랜드들 각각이 공구의 회전에 의해 리딩 에지와 트레일링 에지로 정의된 한 쌍의 에지를 구비한다. 제1 마진 및 제2 마진이 랜드들 각각 상에서 서로 이격된다. 제1 마진이 리딩 에지에 인접하고, 마진들은 몸체의 전체 길이를 따라 일정한 마진 직경을 갖는다. 절삭 립이 각각의 랜드의 리딩 에지로부터 최내측 단부로 내향 연장된다. 치즐 에지가 각각의 절삭 립의 최내측 단부를 연결한 라인에 의해 정의되고, 중앙축을 따라 바라볼 경우에, 치즐 에지는 랜드의 리딩 에지로부터 치즐 에지의 중심점까지 반경 방향으로 내향 연장된 라인에 대하여 치즐 에지각을 형성한다. 치즐 에지각은 80도 내지 100도이다. 또한, 본 발명은 앞서 기술된 바와 같은 팁을 구비하는 회전 가능한 절삭 공구에 관한 것이다.

도 1은 절삭 공구가 드릴의 생크에 고정된 모듈식 트위스트 드릴의 측면도이다.
도 1a는 도 1에서 A로 표시된 원형 영역의 확대 절개 상세도이다.
도 2는 도 1의 트위스트 드릴의 평면도이다.
도 3은 도 2의 화살표 "3-3"을 따른 측면도이다.
도 4는 도 2의 화살표 "4-4"를 따른 모듈식 트위스트 드릴의 상부 측면도이다.

도 1은 회전 가능한 절삭 공구(10), 일 예로 트위스트 드릴을 도시한다. 절삭 공구(10)는 절삭 단부(20)에 팁(15)을 구비한다. 팁(15)은 팁을 통해 연장된 중앙축(17)을 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 팁(15)은 직경상 대향하는 두 개의 플루트(30A, 30B)를 갖는 팁 몸체(25)를 구비한다. 각각의 플루트(30A, 30B) 사이에서, 절삭 공구(10)의 대략적인 주변부는 랜드들(35A, 35B)이다. 각각의 랜드(35A, 35B)는 팁 몸체 랜드(37A, 37B)와 프롱 랜드(prong land, 39A, 39B)로 이루어진다.

도 1 내지 도 4에 도시된 실시예는 절삭 공구(10)와 생크(12)를 나타내고, 팁 몸체(25)는 생크(12)로부터 착탈 가능하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 팁 몸체(25)가 두 개의 연장 프롱(14A, 14B) 사이에 고정된다.

본 명세서에 기술된 절삭 공구는 절삭 단부(20)로부터 바라볼 경우 대칭이고, 그 결과로서, 이제까지 "B"가 붙은 도면 부호로 참조된 대칭 측이 대칭된다는 이해 하에 절삭 공구(10)의 단지 절반만이 설명될 것이다. 그러므로, "A" 측에 대한 설명이 "B"측에 동일하게 적용될 것이다.

팁 몸체 랜드(37A)는 리딩 에지(40A)와 트레일링 에지(42A)로 정의된 한 쌍의 에지를 갖는다. 회전 가능한 절삭 공구(10)와 이에 결합된 팁 몸체(25)는 화살표 "45"로 나타낸 단일한 회전 방향으로 작동하도록 설계된다. 그 결과로서, 공작물에 접촉하는 팁 몸체 랜드(37A)의 제1 부분이 리딩 에지(40A)로 정의되고, 남은 에지가 트레일링 에지(42A)이다. 팁 몸체 랜드(37A)는 그 위에서 서로 이격된 제1 마진(47A)과 제2 마진(49A)으로 이루어진다. 제1 마진(47A)이 리딩 에지(40A)에 인접하고, 마진들(47A, 49A) 각각은 대향하는 제1 마진(47B) 및 제2 마진(49B)과 함께 외경(4)과 동일한 마진 직경(MD)을 형성한다. 도 2에 도시된 제2 마진(49A)이 트레일링 에지(42A)에 접촉하지만, 제2 마진(49A)이 제1 마진(47A)에 더 가까운 방향으로 트레일링 에지(42A)로부터 이격되는 것도 전적으로 가능하고 용이하게 상상할 수 있다.

마진 직경(50)이 팁 몸체(25)의 전체 길이를 따라 연장되며 실질적으로 일정하다. 특히, 트위스트 드릴 설계에서는 드릴의 절삭 단부가 절삭 단부 뒤의 영역보다 약간 더 큰 외경을 갖는 것이 표준적이다. 일 예로서, 트위스트 드릴은 절삭 단부로부터 떨어져 있는 드릴 외경보다 대략 0.05밀리미터 더 큰 절삭 단부 외경을 가질 수 있고, 그에 의해 절삭 단부 뒤의 간극을 제공한다. 이러한 측면에서, 마진 직경(50)이 팁 몸체(25)의 전체 길이를 따라 연장되고 실질적으로 일정하다.

도 2와 관련하여, 마진 직경(MD)은 팁 몸체(25)뿐만 아니라 생크(12)에서도 가장 큰 직경이고 팁 몸체(25)의 주변부의 남은 부분들과 프롱들(14)은 마진 직경(MD)보다 더 작은 직경을 갖는다는 것을 이해해야 한다.

절삭 립(55A)이 팁 몸체 랜드(37A)의 리딩 에지(40A)로부터 최내측 단부(57A)로 내향 연장된다.

치즐 에지(60)는 각각의 절삭 립(55A, 55B)의 최내측 단부(57A, 57B)를 연결하는 라인(63)에 의해 정의된다.

치즐 에지(60)가 절삭 립(55A)과 절삭 립(55B) 모두에 의해 정의되고, 그런 이유 때문에, 팁 몸체(25)의 대칭과 연관된 두 개의 부분으로 나타내지 않는다는 것을 이해해야 한다.

중앙축(17)을 따라 바라본 경우에, 치즐 에지(60)는 랜드(35B)의 리딩 에지(40B)로부터 치즐 에지(63)의 중심점(67)까지 반경 방향으로 내향 연장된 라인(65B)에 대해 치즐 에지각(A)을 형성한다. 치즐 에지각(A)은 80도 내지 100도이고, 바람직하게는 대략 90도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 치즐 에지(60)는 만곡된 단부들(70A, 70B)에 대체로 곧은 중앙부(69)가 있는 "S"자 형상을 갖는다. 예를 들어, 치즐 에지(60)의 곧은 중앙부(69)는 12밀리미터 내지 13밀리미터의 외경을 갖는 드릴에 대해 0.25밀리미터의 길이를 갖는다.

도 2에 도시된 바와 같이, 치즐 에지(60)는 만곡된 단부들(70A, 70B)을 갖는 절삭 립들(55A, 55B)로 변화된다. 이러한 만곡된 단부들(70A, 70B)은 12밀리미터 내지 32밀리미터의 외경에 대해 0.4밀리미터 내지 1.5밀리미터의 반경을 갖는다.

개쉬(gash; 75A)(도 3)가 플루트(30A)로부터 치즐 에지(60)로 상향 연장되고, 일 실시예에서 치즐 에지(60)에 2도 내지 10도의 양의 경사각을 정의한다.

마진 직경(MD)보다 더 작은 대향하는 리세스들(78A, 78B) 간의 간극 직경(CD)에 의해 정의된 리세스(78A)가 제1 마진(47A)과 제2 마진(49A) 사이에 있다.

랜드(35A)와 치즐 에지(60) 사이의 영역은 일반적으로 측면(80A)으로 지칭된다. 전형적으로, 측면(80A)이 랜드(35A)를 만나 에지를 형성한다. 그러나, 강도와 내구성을 개선하고 주철과 같은 취성 재료의 출구 상의 블로아웃/브레이크아웃(blowout/breakout)을 최소화하기 위해, 챔퍼(82A)가 랜드(35A)와 측면(80A) 사이에 도입될 수 있다. 챔퍼(82A)는 중앙축(17)에 대해 70도 내지 90도의 챔퍼각(CA)(도 4)을 형성할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 절삭 공구는 팁(15)을 수용하는 생크(12)를 구비한 모듈식 트위스트 드릴이다. 그러나, 팁 몸체(25)가 생크(12)의 일체형 부품인 것도 가능하고 용이하게 상상할 수 있고, 그로 인해 일체형 드릴을 제공한다.

나선형 플루트들을 갖는 트위스트 드릴이 이제까지 설명되었음을 또한 주목해야 한다. 본 발명은 또한 곧은 플루트들을 갖는 트위스트 드릴에도 적용될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 팁(15)은 상이한 기술을 이용하여 생크(12)의 프롱들(14A, 14B) 내부에 고정될 수 있다. 본 명세서에 도시된 실시예에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 절삭 단부(20)에 대향하는 팁 몸체는 생크(12) 내부에서 내측 견부(109)와 접촉하는 헤드(107)를 구비한 대응하는 볼트(105)와 맞물리기 위해 중앙축(17)을 따라 형성된 나사산 보어(85)이다. 팁(15)을 생크(12)에 탄력 있게 죄는 프롱들(14)을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 팁(15)을 생크(12)에 고정하기 위한 다른 배치들이 공작 기계 분야의 숙련자들에 의해 알려짐은 물론이다.

팁(15) 영역 내의 생크(12) 구조는 팁(15)이 생크(12) 내부에 장착된 경우에 생크(12)의 프로파일이 팁(15)의 프로파일과 일치하게 하기 위한 것이고, 따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 결합된 부분이 연속 표면을 갖는 단일 부분으로 보인다.

절삭 공구(10)는 생크(12)의 길이를 따라 형성되고 생크의 베이스(13)에서 냉각수를 공급받는 냉각수 유로들(110)을 구비할 수 있음을 주목해야 한다. 또한, 도시된 바와 같이, 생크(12)는 절삭 공구(10)에 회전을 부과하기 위해 사용된 스핀들(미도시)에 고정되는 탱(tang; 11)을 구비한다. 생크(12)는 드릴 제조의 분야에서 숙련자들에게 알려진 다수의 상이한 방법 중 임의의 방법에 의해 스핀들에 고정될 수 있다.

팁 몸체(15)는 텅스텐, 탄화 티탄, 또는 TiC-TiN과 같은 초경합금으로 형성될 수 있다. 일반적으로, 팁 몸체(15)는 당해 기술분야에 잘 알려진 다수의 내화성 코팅된 초경합금 재료들 중 하나와 같은 단단한 내마모성 재료로 형성될 수 있다. 탄화물 공구와 연관된 비용으로 인해, 가능함에도 불구하고, 팁 몸체(25)와 생크(12) 모두가 탄화물 재료로 구성될 법하지는 않고, 팁 몸체(25)가 탄화물 재료로 구성되고 생크(12)가 공작 기계 강으로 구성되는 것이 더 있을법한 일이다.

본 발명에 따른 절삭 공구 설계는 다른 절삭 공구에 비해 탁월한 결과를 제공한다. 구멍 진직도와 관련하여, 125밀리미터의 깊이를 갖는 막힌 구멍(blind holes)을 뚫기 위해 12.5밀리미터의 직경, 140도의 포인트각, 30도의 비틀림각을 갖는 모듈식 트위스트 드릴을 이용하여 테스트가 수행되었다. 공작물은 회주철품 40이고 드릴이 분당 198밀리미터, 회전당 0.35밀리미터의 속도로 진행했다. 또한, 냉각수가 드릴 생크의 내측 통로를 통해 공작물로 도입되었다.

이러한 상황에서 하기 결과들이 얻어졌다.

예 1. 60도의 치즐 에지각을 갖는 단일 마진 드릴이 0.15밀리미터의 구멍 진직도를 달성했다.

예 2. 90도의 치즐 에지각을 갖는 단일 마진 드릴이 0.13밀리미터의 구멍 진직도를 달성했다.

예 3. 60도의 치즐 에지각을 갖는 이중 마진 드릴이 0.11밀리미터의 구멍 진직도를 달성했다.

예 4. 본 발명과 일치하는 90도의 치즐 에지각을 갖는 이중 마진 드릴이 0.04밀리미터의 구멍 진직도를 달성했다. 이러한 예상치 못한 결과들이 본 발명에 따른 설계의 우월함을 보여준다.

또한, 치즐 에지각은 공작물을 따른 드릴의 "이동(walking)"을 최소화하는데 도움이 된다. 특히, 60도의 치즐 에지각을 갖는 드릴에 대하여, 목표 위치에 상대적인 위치 오차가 0.0042밀리미터인 반면에, 90도의 치즐 에지각을 갖는 드릴을 이용한 위치 오차는 0.003밀리미터였다.

이에 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 드릴은 다른 설계들에 비하여 예상치 못한 탁월한 결과를 제공했다.

본 명세서에 개시된 드릴 설계의 결과로서, 드릴 공정 동안에, 치즐 에지에 의해 형성된 힘은 동일한 방향/라인을 따라 마진들 상에서 구멍 벽의 반력과 마주친다. 이는 드릴 상의 힘 또는 모멘트의 불균형을 최소화하고, 그로 인해 드릴의 이동 성향을 줄이고 구멍 진직도와 정확한 구멍 위치 지정을 보장한다. 이러한 드릴의 특성은 구멍 진직도를 유지하는 것이 어렵기로 유명한 회주철과 같은 이종 재료에 있어서 매우 유리하다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 치즐 에지각은 이중 마진과 협력하여 훨씬 탁월한 구멍 진직도를 제공하고, 제2 마진들이 모든 라인 밖의(out-of-line) 힘들의 균형을 이루는 작용을 한다. 앞서 기술된 예들에 도시된 바와 같이, 치즐 에지각이 60도 내지 90도로 변화될 때 이중 마진 드릴을 이용한 경우 구멍 진직도가 50% 개선된다. 또한, 60도의 치즐 에지각을 갖는 드릴을 이용한 것과 대조적으로 90도의 치즐 에지각을 갖는 드릴을 이용한 경우에, 구멍 위치 오차가 약 25%만큼 감소된다.

본 발명의 특정한 실시예들이 상세히 기술되었지만, 본 개시의 전체 내용을 고려하여 이러한 상세에 대한 다양한 변형과 대안이 전개될 수 있다는 것이 당해 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이다. 본 명세서에 기술될 당시의 바람직한 실시예들은 단지 설명의 의도이고, 첨부된 청구 범위 전체와 그에 대한 임의의 및 모든 등가물을 포함하는 본 발명의 범주를 제한하려는 의도가 아니다.

10. 절삭 공구 15. 팁
17. 중앙축 20. 절삭 단부
25. 팁 몸체 35A.35B. 랜드

Claims

중앙축과 절삭 단부를 갖고 절삭 방향으로 회전하도록 설계된, 공작물의 내부에 구멍을 형성하기 위해 사용되는 원통형인 절삭 공구의 팁으로서,
a) 직경상 대향하고 그 사이에 랜드가 있는 두 개의 플루트를 갖는 몸체로, 랜드들 각각이 공구의 회전에 의해 리딩 에지와 트레일링 에지로 정의된 한 쌍의 에지를 구비하는 몸체와;
b) 랜드들 각각에서 서로 이격되고 몸체의 전체 길이를 따라 마진 직경을 갖는 제1 마진 및 제2 마진으로, 제1 마진이 리딩 에지에 인접하는 제1 마진 및 제2 마진과;
c) 각각의 랜드의 리딩 에지로부터 최내측 단부로 내향 연장되는 절삭 립과;
d) 각각의 절삭 립의 최내측 단부를 연결한 라인에 의해 정의되는 치즐 에지(chisel edge)를 포함하고,
e) 중앙축을 따라 바라볼 경우에, 치즐 에지는 랜드의 리딩 에지로부터 치즐 에지의 중심점까지 반경 방향으로 내향 연장된 라인에 대하여 치즐 에지각을 형성하고;
f) 치즐 에지각은 80도 내지 100도인, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 치즐 에지각은 90도인, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 치즐 에지는 곧은 중앙부와 만곡된 단부들을 갖는 "S"자형으로 이루어진, 절삭 공구의 팁.
제3항에 있어서, 치즐 에지의 곧은 중앙부는 12밀리미터 내지 13밀리미터의 외경을 갖는 드릴에 대해 0.25밀리미터의 길이를 갖는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 치즐 에지는 만곡된 단부들을 가지는 절삭 립들로 변화되고, 만곡된 단부들은 12밀리미터 내지 32밀리미터의 외경에 대해 0.4밀리미터 내지 1.5밀리미터의 반경을 갖는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 개쉬(gash)는 플루트(flute)로부터 치즐 에지로 상향 연장되고 치즐 에지에 양의 경사각을 정의하는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 마진들 사이의 리세스(recess)는 마진 직경(MD)보다 더 작은 간극 직경에 의해 정의되는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 제1 마진은 랜드 상에서 리딩 에지(leading edge)에 인접하고, 제2 마진은 랜드 상에서 트레일링 에지(trailing edge)에 인접하는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 제1 마진은 랜드 상에서 리딩 에지에 인접하고, 제2 마진은 제1 마진에 더 가까운 방향으로 트레일링 에지로부터 이격되는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 측면(flank)은 랜드와 치즐 에지 사이에서 연장되고, 챔퍼(chamfer)가 랜드와 측면 사이에 있는, 절삭 공구의 팁.
제10항에 있어서, 챔퍼는 중앙축에 대해 70도 내지 90도의 각을 형성하는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 플루트들은 나선형(helical)인, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 팁을 수용하는 단부를 갖는 생크(shank)를 구비한 트위스트 드릴을 더 포함하는, 절삭 공구의 팁.
제1항에 있어서, 몸체는 공구 생크(tool shank)의 대응하는 볼트와 맞물리도록 중앙축을 따라 나사산 보어(threaded bore)를 갖는, 절삭 공구의 팁.
절삭 단부에 팁을 구비한 회전 가능한 절삭 공구로서, 팁은
a) 직경상 대향하고 그 사이에 랜드가 있는 두 개의 플루트를 갖는 몸체로, 랜드들 각각이 공구의 회전에 의해 리딩 에지와 트레일링 에지로 정의된 한 쌍의 에지를 구비하는 몸체와;
b) 랜드들 각각에서 서로 이격되고 몸체의 전체 길이를 따라 일정한 마진 직경을 갖는 제1 마진 및 제2 마진으로, 제1 마진이 리딩 에지에 인접하는 제1 마진 및 제2 마진과;
c) 각각의 랜드의 리딩 에지로부터 최내측 단부로 내향 연장되는 절삭 립(cutting lip)과;
d) 각각의 절삭 립의 최내측 단부를 연결한 라인에 의해 정의되는 치즐 에지를 포함하고,
e) 중앙축을 따라 바라볼 경우에, 치즐 에지는 랜드의 리딩 에지로부터 치즐 에지의 중심점까지 반경 방향으로 내향 연장된 라인에 대하여 치즐 에지각을 형성하고;
f) 치즐 에지각은 80도 내지 100도인, 절삭 공구.
제15항에 있어서, 공구는 생크를 구비하고, 팁 몸체는 생크로부터 착탈 가능한, 절삭 공구.
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제15항에 있어서, 팁 몸체는 공구 생크의 일체형 부품인, 절삭 공구.