KR101702828B1 - 사전 결정된 거칠기를 가진 표면을 제조하기 위한 방법 및 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용사법에 의해 재료를 도포하기에 적합한 사전 결정된 기하학의 표면 구조를 가진 예컨대 원통형 표면 (도 10) 을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따르면, 바람직하게는 일정한 기준 치수로 사전 가공된, 예컨대 코팅되어야 하는 기재의 원통형 표면 안에는, 바람직하게는 팔로우-온 공구 (12; 도 1) 로서 형성된 공구를 이용해 홈 횡단면이 점진적으로 최종 치수까지 가공됨으로써 적은 깊이 및 폭의 기하학적으로 결정된 홈 구조 (도 10) 가 제공된다. 상기 표면이 대량 생산으로 균일한 품질을 갖고 제조될 수 있도록, 상기 방법은, 완성된 홈 (52) 의 홈 바닥 폭보다 작은 홈 바닥 폭을 가진 베이스 홈 (52B; 도 10) 이 우선 파짐으로써 홈 구조가 파지도록 형성되어 있다. 후속하여, 홈, 예컨대 상기 베이스 홈의 적어도 하나의 플랭크 (52-1 & 52-2) 는 언더컷된 홈 프로파일을 만들어내기 위해 비절삭 또는 절삭 가공되며, 이때 홈파기에 의해 제조된 상기 홈 구조는 홈 개구부들이 재료 업세팅에 의해 좁아짐으로써 변형된다.

Description

사전 결정된 거칠기를 가진 표면을 제조하기 위한 방법 및 공구 {METHOD AND TOOL FOR PRODUCING A SURFACE HAVING A PREDETERMINED ROUGHNESS}

본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 사전 결정된 거칠기를 가진 표면, 특히 예컨대 용사법 (thermal spraying) 에 의해 재료를 도포하기에 적합한 사전 결정된 기하학의 표면 구조를 가진 원통형 표면을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 이러한 방법을 실행하기 위한 공구, 및 상기 제조방법을 실행하기 위한 장치에 관한 것이다. 즉, 본 발명의 구성 요소들은 호닝 공구 (honing tool) 를 포함한 적합한 콤비네이션 공구 (combination tool), 그의 취급을 위해 형성된 핸들링 장치, 및 정의된 표면 품질 및 기하학의 특정한, 또한 재생 가능한 제조를 위한 기계식 가공 방법이다.

특정한 기술적 문제, 특히 마찰 문제를 해결하기 위해, 지지체 재료의 표면에 재료를 코팅하는 것이 자주 요구되며, 상기 재료는 아주 특정한, 각각의 이용 조건들에 최적으로 맞춰진 특성들을 가진다. 이러한 코팅은 다수의 구성요소가 기계식으로 또는 접착 또는 납땜을 통해 결합되는 해결책들과 비교하여, 접해 있는 재료들의 비교적 큰 접촉표면과 조합되어 아주 콤팩트한 디자인을 가진다는 장점을 가지며, 이로 인해 이러한 유형의 결합 기술은 특히 열적 부하를 많이 받는 구성요소들을 위해 제공된다. 코팅을 통해 매우 좋은 재료결합이 발생되고, 따라서 열 에너지가 특히 잘 배출될 수 있다.

금속 재료 분야에서, 이러한 코팅은 이른바 '용사법' 을 통해 자주 제공되며, 이 경우 이른바 플레임 스프레잉 (flame spraying) 이외에 최근에는 이른바 플라즈마 스프레잉 (plasma spraying) 또는 아크 스프레잉 (arc spraying) 이 자주 이용된다. 이때, 분말 입자 및/또는 철사 입자는 높은 열 및 운동 에너지를 갖고 코팅되어야 하는 기재 (substrate) 의 표면 상에 던져지고 또는 뿌려지며, 그곳에서 온도 배출 후 원하는 도포층을 형성한다.

이른바 구성 다공성, 즉 더 이상 채워질 수 없는 중공 공간들의 퇴적물, 또는 이른바 '오버스프레이 (Overspray)' (이 경우, 용해되지 않은 입자들의 일부는 기재에 부착되지 않고 튀어나온다) 를 저지하기 위해 공정 파라미터들을 정확히 유지하는 것 이외에, 층 부착의 충분히 높은 수준을 달성하기 위해서는, 이 제조방법의 신뢰성 있는 이용을 위해 코팅과 기재 사이의 기계식 클램핑이 중요하다. 이러한 경우, 층이 코팅되어야 하는 전체 표면에 걸쳐 균일하게 기계식으로 맞물리도록, 사전 결정된 기하학의 표면 구조를 가진 기재 표면을 형성하고자 하는 필요성이 존재한다. 이때 기재 표면을 예컨대 모래 제트 또는 물 제트에 의해 거칠게 하거나 및/또는 활성화시키는 것으로는 충분치 않다는 것이 밝혀졌다.

예컨대 실린더 크랭크케이스에 용사법에 의해 도포되는 적합한 코팅이 제공되면, 마모 저항적인, 또는 마찰이 적은 작동면이 생긴다.

제공된 이 매트릭스, 예컨대 스틸 맥트릭스 (steel matrix) 는 이용시 큰 기계적 하중을 받으며, 따라서 충분히 긴 수명을 제공하기 위해서는 코팅을 예컨대 알루미늄 주물 형태의 기재와 단단히 결합시키는 것이 중요하다. 용사법을 위해 특히 적합한, 정의된 좋은 기하학적 파라미터들을 가진 표면이 생기도록 코팅되어야하는 재료의 표면을 가공하는 것이 특히 중요하며, 이때 충분한 결합을 보장하기 위해, 원하는 표면 구조가 가장 적은 살포와 함께 재생 가능하게 제조될 수 있도록 제조 공정이 형성되는 것이 보장되어야 한다.

이 맥락에서, 홈 횡단면을 잇달아 맞물리는 절삭 톱니들을 이용해 최종 치수가 되도록 점진적으로 가공함으로써 예컨대 알루미늄 주물 부품의 기재 표면을 팔로우-온 공구 (follow-on tool) 를 이용해 절삭 가공하는 것이 고려된다. 이러한 유형의 기존 공구들을 이용해, 예컨대 알루미늄 주물의 사전 가공된 원통형 표면 안에 구조를 제공하는 것이 추구되었다. 하지만 실제로 이 구조들이 변함없는 품질 및 형태 정확성을 갖고 기재 안에 제공될 수 없다는 문제가 나타났다. 후속하여 용사법에 의해 도포된 층의 부착은 너무 넓은 영역들에서 변화했다. 즉, 이 방법을 대량 생산을 위해 이용하는 것이 기존에는 가능하지 않았다.

그러므로, 본 발명의 목적은 용사법을 위해 최적으로 준비된 기재 표면의 대량 생산을 위해 이용 가능한, 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 사전 결정된 표면 구조를 가진 예컨대 원통형 표면을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 그 밖의 목적은 상기 방법을 실행하기 위한 공구를 제공하는 것이며, 상기 공구를 이용해, 최적의 방식으로 용사법에 의해 재료를 도포하기 위해 준비되어 있는 기재 표면은 특히 경제적으로, 매우 정밀하게, 그리고 적은 형태변동을 갖고 제조될 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 목적은, 본 발명에 따른 상기 공구를 이용한 방법을 실행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

이 목적들은 청구항 제 1 항의 방법단계들을 통한 방법과 관련하여, 청구항 제 12 항의 특징들에 의한 공구와 관련하여, 청구항 제 25 항의 특징들에 의한 장치와 관련하여 달성된다.

본 발명에 따르면, 기재 표면 안의 홈 구조 (groove structure) 는, 완성된 홈의 홈 바닥 폭보다 작은 홈 바닥 폭을 가진 베이스 홈 (base groove) 이 예컨대 원통형 기재 표면 안에 우선 파지거나 또는 절개되거나, 또는 몰딩됨으로써 제조된다. 후속하여, 이 베이스 홈은, 기재 안에 파져 있는 홈의 적어도 한쪽에서 또는 한 플랭크 (flank) 에서 윤곽이 생기도록 계속 절삭 또는 비절삭 가공되며, 상기 홈은 용사법의 추후 방법단계를 위해 최적으로 준비되어 있다. 바람직하게는, 홈의 적어도 하나의 플랭크는, 표면 안에 제공된 홈들의 언더컷 (undercut), 또는 언더컷 유형의 좁힘 (narrowing) 이 발생됨으로써 가공된다. 홈들의 이 좁힘을 근거로, 기재와 코팅 사이에 극도로 단단한 클램핑 (clamping) 을 제공하는 것이 이루어진다. 홈 구조의 이 단계별 홈파기를 통해, 뒤따라 맞물리게 되는 톱니들 또는 절삭날들에서 변함없는 힘들이 발생하는 것이 보장될 수 있다.

상기 공구는 바람직한 구현형태에서 팔로우-온 공구 (follow-on tool) 로서 형성될 수 있다. 그 밖의 바람직한 구현형태들은 종속항들의 대상이다.

비절삭 또는 절삭 가공으로 파진 홈은, 파진 홈 개구부 (groove opening) 들이 재료 업세팅 (material upsetting) 에 의해 좁아짐으로써 변형되면 특히 유리하다. 바람직한 방식으로, 이 재료 업세팅은 홈 윤곽의 제조와 동시에, 또한 바람직하게는 동일한 공구를 이용해 만들어질 수 있다. 이러한 방식으로, 원통형 표면과, 도포되어야 하는 스프레이층과의 단단한 클램핑을 위한 특히 효과적인 언더컷이 발생한다.

실험들에서 나타난 바에 따르면, 홈 플랭크 가공의 이 유형은 신뢰성 있게, 공구의 측면들에서 이른바 '응착물' 이 생기지 않도록 하는데, 상기 응착물은 특히 비교적 부드러운 재료, 예컨대 알루미늄의 가공시, 제조되어야 하는 홈 구조의 형태 비정확성에 책임이 있다. 이러한 방식으로, 예컨대 원통형 내부 표면 안에는, 0.18 mm 까지의 홈 바닥 폭, 및 약 0.7 mm 의 홈 피치 (홈 나선 피치) 를 가진 약 0.14 mm 의 깊이를 가진 언더컷된 홈이 변함없는 홈 기하학을 갖고 제조될 수 있었고, 이때 심지어, 도포되어야 하는 재료를 향해 있는 홈의 개구부를 0.12 mm 의 폭까지 제한하는 것이 이루어졌다. 이로써, 용사법에 의한 재료 도포를 위한, 예컨대 플라즈마 스프레잉 (plasma spraying) 를 위한, 또한 아크 스프레잉 (arc sprayig) 을 위한 특히 유리한 전제 조건들이 마련된다.

상기 방법의 특히 바람직한 개선예는 청구항 제 7 항의 대상이다. 이 경우, 가장 간단한 운동학 (kinematics) 을 가진 팔로우-온 공구를 이용해, 그리고 이로써 빠르면서도 경제적으로, 소망하는 표면 구조가 발생될 수 있다.

최종적인 홈 프로파일을 형성하기 위한 본 발명에 따른 단계별 가공은, 기재와 도포되어야 하는 재료 간의 맞물림을 최적화하기 위해, 홈 구조의 표면들, 즉 홈 플랭크들 (groove flanks) 및/또는 홈(들) 의 바닥을 가능한 한 최적화하는 것을 허용한다. 이는 예컨대 가공된 표면에 청구항 제 8 항에 따라 미세구조 (microstructure) 가 제공됨으로써 이루어진다.

상기 방법을 실행하기 위한 본 발명에 따른 공구는, 홈 구조를 파는 예컨대 직육면체 모양의 몰드 (mold) 및 절삭 인서트의 톱니들의 상류에 사전 기계가공 및 안전 톱니가 배치됨으로써 그 탁월함을 나타내며, 상기 사전 기계가공 및 안전 톱니는 뒤따르는 홈 준비 톱니들 또는 몰드 톱니들보다 적은 돌출 치수를 가진다. 그러므로, 상기 사전 기계가공 및 안전 톱니는, 원통형 기재 표면 안으로 가라앉을 때 몰드 및 절삭 플레이트를 안내하고 안정화시키는 데에 이용될 수 있다. 팔로우-온 공구의 톱니들은 이러한 방식으로 보다 높은 정밀성을 갖고, 가공되어야 하는 기재와 맞물린다. 이 이외에, 홈 구조의 이 단계별 홈파기 가공을 통해, 뒤따라 맞물리게 되는 톱니들 또는 절삭날들에서 변함없는 힘들이 발생하는 것이 보장될 수 있다. 이로 인해, 제조되어야 하는 홈 구조의 정확성이 개선될 뿐만 아니라 공구의 매우 작은 톱니들의 하중도 더 잘 제어될 수 있다. 그러므로, 이렇게 구성된 공구가 특히 최소량 윤활 (MQL) 과 관련하여 미세한 톱니부의 영역에서의 상기 기술된 '응착물' 을 갖는 경향이 더 이상 없고, 따라서, 좁게 허용된 기하학을 가진 원하는 미세 홈 구조 (micro groove structure) 를 대량 생산하는 것이 처음으로 이루어진다.

상기 방법 및 상기 공구의 바람직한 개선예들은 종속항들의 대상이다.

원칙적으로, 본 발명에 따른 방법은 코팅되어야 하는 기재의 임의의 표면 형태를 위해 적용될 수 있다. 하지만, 상기 방법의 특히 능률이 좋은 실시형태는 코팅되어야 하는 표면이 원통형 기재 표면에 의해 형성되어 있으면 발생한다. 이 경우, - 나사산 절삭 공구와 유사하게 - 빗 유형으로, 그리고 중복적으로 (redundantly) 잇달아 놓여 있는 상이한 횡단면의 톱니들을 지니고 있는 공구가 이용되고, 상기 톱니들이 동일한 홈을 점진적으로 가공함으로써 원통형 기재 표면 안에 적어도 하나의 나선형 홈 (helical groove) 이 파짐으로써 홈 구조가 제조될 수 있다. 이때, 베이스 홈을 - 청구항 제 4 항에 따라 - 원통형 기재 표면 안에 몰딩하거나 또는 압착하는 것이 유리할 수 있다. 하지만, 이 베이스 홈을 절삭 가공으로 제조하는 것도 역시 가능하다.

상기 기술된 홈 구조는, 용사법을 준비하기 위해 홈들이 매우 작은 깊이 및 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 이에 상응하여 필리그리하게 (filigree), 공구는 홈 구조를 제조하기 위해 형성될 수 있다. 이에 따라 방법이 제 5 항에 따라 개선되면, 홈 구조를 제조하기 위해서는 단 하나의 몰딩 또는 절삭 부품으로 충분하며, 상기 몰딩 또는 절삭 부품은 홈 구조를 만들기 위해 빗 유형으로 배치된 톱니들을 갖추고 있다. 하지만, 표면 안에 멀티 스레드 (multithread) 베이스 홈, 및 언더컷된 홈 횡단면을 가진 다수의 홈을 파는 것도 역시 가능하다. 작업 또는 절삭 공정들이 중복적으로 (redundantly) 실행되기 때문에, 공구 마모에 있어서도 변함없는 홈 기하학이 제조될 수 있다는 특별한 장점이 생긴다.

베이스 홈 및/또는 완성된 홈 구조를 파는 방법단계 (절삭 및 변형 작업들) 가 부분 단계들로 분할되면, 공구의 톱니들에 작용하는 힘들은 보다 잘 제어될 수 있다. 그러므로, 작업 또는 절삭 공정들이 중복적으로 실행되기 때문에, 공구 마모에 있어서도 변함없는 홈 기하학이 제조될 수 있다는 특별한 장점이 생긴다.

용사법에 의한 재료의 후속 도포를 위해 최적의 구조를 가진 특히 바람직한 기재 표면은 청구항 제 9 항에 따른 방법의 개선과 함께 발생한다. 몰딩 (molding) 을 통해, 즉 홈 구조가 제공되어야 하는 기재 표면 안에서의 기재의 변위 (displacement) 를 통해 중간 홈 (intermediate groove) 이 발생하며, 상기 중간 홈은 기재와 용사법에 의해 도포되어야 하는 재료 사이의 접촉 표면을 커지게 한다. 이 이외에, 홈의 오목부들 사이의 기재 재료의 변위는, 스프레이층이 특히 효과적으로, 또한 집중적으로 기재 재료와 클램핑될 수 있도록 홈 개구부가 충분히 좁아지도록 한다.

상기 공구는 순수한 몰드 (mold), 절삭 공구 또는 호닝 공구 (honing tool) 로서 형성되어 있을 수 있으며, 또는 여러 가지 가공 형태 - 예컨대 절삭과 몰딩 또는 호닝과 몰딩 또는 절삭과 호닝 - 를 조합하는 공구로서 형성되어 있을 수도 있다. 호닝 공구, 예컨대 혼 (hone) 의 공구 구성을 방사상으로 조절 가능한 공구 인서트들과 함께 절삭날의 포지셔닝을 위한 확장 콘 (expanding cone) 의 도움하에 이용하는 것이 또한 유리할 수 있다. 호닝 공구로서의 구현형태에서, 바람직하게는 둘레에 걸쳐 균일하게 분배된 다수의 절삭날 부품, 예컨대 호닝 스트립 (honing strip) 이 사용되며, 상기 호닝 스트립은 연마 매체, 즉 연마 입자를 위한 지지체로 쓰이고, 상기 연마 입자는 바람직하게는 다이아몬드 (PCD) 또는 보론 나이트라이드 또는 비교 가능하게 형태 안정적인 다른 재료들에 의해 형성되어 있다. 이 경우, 결합제 (세라믹, 금속성 또는 합성수지) 로부터 돌출하는 연마 입자는 사전 결정된 기하학을 추가적으로 가지며, 상기 기하학은 사전 결정된 방식으로 호닝 스트립의 축방향 길이에 걸쳐 변경되고, 따라서 호닝 스트립과 기재 간의 상대-회전 운동에 축방향 피드 운동 (feed motion) 을 맞추면서, 상기 정의된 홈 구조의 상기 기술된 단계별 홈파기가 가능하다.

변형에 따르면, 호닝 스트립을 기재 표면과 관련한 축방향 상대 운동 동안 방사상 인피드 운동 (infeed motion) 을 겪도록 할 수 있고, 따라서 호닝 스트립의 앞서가는 섹션에 의해 제공된 홈들은 점차 완전한 깊이까지 연마된다.

즉, 호닝 공구의 본보기에 따른 공구 구성과 함께, 홈들은 보다 가파러지고, 그것들은 - 호닝 공구의 일반적으로 제공된 왕복 운동으로 인해 - 교차할 수도 있다. 연마 입자들의 하류에, 사전 결정된, 호닝 과정시의 운동학에 맞춰진 위치 관계에서 변위 융기부를 배치하도록 호닝 스트립을 형성하는 것도 원칙적으로 가능하며, 따라서 청구항 제 3 항과 관련하여 설명된 언더컷과 유사한 홈 좁힘 (groove narrowing) 은 재료 변위 (material displacement) 에 의해 수행될 수 있다.

실험들에서 밝혀진 바와 따르면, 용사법으로 도포된 층의 좋은, 또한 지속적인 부착을 위한 가장 중요한 파라미터는 층과 기재 간의 기계식 클램핑이다. 청구항 제 9 항에 따른 방법의 개선을 통해 또는 청구항 제 16 항에 따른 공구의 개선을 통해, 이 기계식 맞물림 자체는, 기재 표면 안에 제공된 홈의 적어도 하나의 플랭크가 단지 약하게 언더컷되어 있거나 또는 전혀 언더컷되어 있지 않으면 보장될 수 있다.

상기 방법을 실행하기 위한 공구의 개선은, 공구, 그리고 특히 이용되는 직육면체 모양의 몰드 및 절삭 플레이트가 특히 큰 전체 공구 경로 (total tool path) 를 얻는 것을 보장한다. 예컨대 - 청구항 제 15 항에 따라 - 바람직하게는 이웃한 다수의 형태부여 절삭 또는 압착 톱니들이 제공되어 있으면 (상기 톱니들을 이용해, 형성되어야 하는, 예컨대 언더컷된 홈의 여러 가지 플랭크들이 잇달아 가공될 수 있다), 개별 톱니들에서의 보다 적은 절단력, 그리고 이로써 공구의 보다 긴 수명이 발생한다.

청구항 제 16 항의 개선과 함께, 공구는 절삭 공구 및 몰드 (mold) 가 된다. 변위 톱니 (displacement tooth) 의 적합한 형태를 통해, 즉 변위 톱니가 사전 결정된 길이에 걸쳐 안전 톱니에 상응하는 돌출 치수를 가짐으로써, 둥근 (rounded) 상승부에 의해 변위된 재료는 절삭된 홈쪽으로 강제적으로 변위되고, 이로 인해, 도포되어야 하는 재료를 향해 있는 홈 개구부는 추가적으로 좁아진다. 변위 톱니의 돌출 치수, 그리고 이로써 안전 톱니의 돌출 치수는 바람직하게는, 몰드 및 절삭 플레이트가 좁은 헐거운 끼워맞춤 (loose fit) 또는 약간의 압력 끼워맞춤 (press fit) 을 이용해, 준비된 보어 안으로, 즉 준비된 기재 보어 안으로 도입될 수 있도록 치수화되어 있다. 바람직하게는, 안전 톱니는, 적어도 하나의 홈 사전 기계가공 톱니 또는 적어도 하나의 몰드 톱니 (예컨대 도브테일 톱니) 의 폭의 몇 배와 일치하는 폭을 가진다. 이러한 방식으로, 몰드 및 절삭 플레이트의 안내, 그리고 이로써 공구의 작업 정확성이 더욱 개선된다.

위에서 이미 언급한 바와 같이, 정확히 사전 결정된 기하학을 가진 홈 구조의 제조시에는, 몰드 및 절삭 플레이트의 긴 전체 공구 경로 (total tool path) 후에도 톱니들 사이에서의 제어되지 않은 기재-침전물, 즉 이른바 '응착물' 이 발생되지 않도록 홈 또는 홈들을 가장 높은 정확성을 갖고 제공하는 것이 중요하다 (상기 응착물은 특히 비교적 부드러운 재료, 예컨대 알루미늄의 가공시, 형성된 홈 기하학의 보다 큰 변동 및 형태 편차를 초래할 수 있다). 특히 청구항 제 21 항 및 제 22 항에 따른 공구 구성을 갖고 신뢰성 있게, 홈 구조를 대량으로 균일한 품질을 갖고 공구의 큰 전체 공구 경로 (total tool path) 를 보장하면서 제조할 수 있음이 밝혀졌다.

절삭 인서트가 청구항 제 22 항에 따라 복합 부품 (composite part) 에 의해 형성되어 있으면 (상기 복합 부품에 있어서 예컨대 다결정질 다이아몬드 (PCD) 로 만들어진 경질 재료 (hard material) 플레이트는 지지 부품, 바람직하게는 경질 금속 지지체 상에 안착한다), 톱니들은 매우 필리그리하게 (filigree) 가능한 한 가장 큰 정확성을 갖고 형성될 수 있고, 따라서, 특히 가장 작은 칩 (chip) 부피 또는 칩 횡단면이 나타나는 곳에 최적의 절삭 비율이 생긴다. 그럼에도 불구하고, 공구는 가장 많이 하중을 받는데, 왜냐하면 경질 재료 또는 PCD 플레이트를 지지하는 지지체 또는 경질 금속 지지체는 공구에게 필요한 안전성, 강성 및 탄성을 주기 때문이다. 바람직하게는, 톱니들은 복합 플레이트 안으로 침식된다 (eroded). 이러한 방식으로, 몰드 톱니들을 경질 금속 지지체와 PCD 플레이트 사이의 이음매 (joint) 에 걸쳐 무단으로 (stepless) 형성하는 것이 문제 없이 이루어진다.

청구항 제 23 항 및/또는 청구항 제 24 항에 따른 개선과 함께, 몰드 톱니들의 바람직한 정밀 조정 가능성이 생기고, 이로 인해, 매우 정밀하게 제조된 톱니들의 하중들을 가능한 한 균일하게 유지하는 것이 이루어진다.

이하, 본 발명의 다수의 실시예를 개략적인 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1 은, 용사법에 의해 재료를 도포하기 위해 준비된 사전 결정된 기하학의 표면 구조를 가진 원통형 내부 표면을 제조하기 위한 공구의 제 1 실시형태의 측면도;
도 2 는 도 1 에서의 'II' 에 따른 도 1 에 따른 공구의 정면도;
도 3 은 표면 구조를 발생시키기 위한 절삭 인서트를 갖추고 있는 인덱서블 인서트의 'III-III' 에 따른 단면을 크게 확대한 도면;
도 4 는 도 3 에서의 'IV' 에 따른 인덱서블 인서트의 평면도;
도 5 는 도 4 에 따른 실시형태의 절삭 인서트의 평면도를 크게 확대한 도면;
도 6 은 도 5 에서의 'VI-VI' 에 따른 단면;
도 7 은 도 5 에서의 'VII-VII' 에 따른 단면;
도 8 은 도 5 에서의 'VIII-VIII' 에 따른 단면;
도 9 은 변형된 절삭 인서트를 가진 인덱서블 인서트의 그 밖의 실시형태의, 도 3 과 유사한 도면;
도 10 은 상기 기술된 공구로 제조될 수 있는 기재 표면 구조의 부분 단면을 크게 확대한 도면이다.

하기에서는 공구가 기술되며, 상기 공구를 이용해, 기재의 원통형 내부 표면, 특히 실린더 크랭크케이스 (cylinder crankcase) 안의, 일정한 기준 치수에 따라 준비된 또는 사전 가공된 보어 (bore) 는, 대량 생산으로 용사법에 의해 층이 도포될 수 있도록 가공될 수 있다. 이른바 용사법에 의한 이러한 재료 도포를 통해, 예컨대 강철로 만들어진 부시 (bush) 가 소량의 다른 원소들과 함께, 즉 저장된 옥시드 스킨 (oxide skin) 및 매우 미세한 포어들 (pores) 을 가진 매트릭스 (matrix) 의 형태로 생긴다. 그 후, 이 층의 완성된 치수는 약 0.1 내지 0.2 mm 이고, 이 층의 호닝 (honing) 후 매우 미세한 포어들 (pores) 을 가진 매우 평탄한 표면이 생긴다.

용사법에 의해 도포된 재료가 기재, 즉 알루미늄 주물-재료 상에 잘 부착되도록 하기 위해서는, 용사법에 의해 도포된 재료층과 알루미늄 주물 간의 맞물림이 전체 기재 표면에 걸쳐 재생 가능하게, 또한 균일하게 좋은 품질을 갖고 실현되도록 기재에 매우 특별한 표면을 제공하는 것이 필요하다. 알루미늄 주물-기재의 원통형 내부 표면은 예컨대 내연기관의 실린더 슬리브의 제조의 경우 약 130 mm 의 축방향 길이를 가지며, 이때 실린더의 극단적으로 좁은 기하 공차 및 표면 거칠기가 유지되어야만 한다. 본 발명에 따른 공구는 이미 매우 정밀하게 사전 가공된 원통형 기재 표면 안으로, 사전 결정된 기하학을 가진 적어도 하나의 나선형 홈 (helical groove) 을 파도록 설계되어 있으며, 이는 하기에서 보다 상세히 설명된다.

전체 공구가 도 1 에 참조부호 12 로 표시되어 있다. 상기 전체 공구는 중공 섕크 테이퍼 (hollow shank taper, HSK) 를 가진 클램핑 섕크 (14) 를 가지며, 상기 클램핑 섕크에는 본체 (16) 가 이어져 있다. 공구 (12) 의 축은 18 로 표시되어 있으며, 공구 (12) 가 극단적으로 강성적인, 형태 안정적인 공구임을 도면으로부터 알 수 있고, 이는 알루미늄 주물의 원통형 내부 표면이 사전 결정된 원통 형태의 정확성을 갖고 가공될 수 있는 전제 조건이다.

20 으로 표시되어 있는 포켓 (pocket) 안에는 공구 카세트 (tool cassette, 22) 가 안착하고, 상기 공구 카세트는 본질적으로 직육면체 형태를 가지며, 클램핑 나사 (24) 를 이용해, 포켓 (20) 의 서로 비스듬히 놓여 있는 내부표면들에 대해 클램핑될 수 있다. 참조 부호 26 은 편심핀 (eccentric pin) 들을 표시하며, 상기 편심핀들은, 축 (18) 과 관련하여 카세트 (22) 를 정렬하기 위해 적합한 공구들, 예컨대 중공 육각 렌치 (hollow hexagon wrench) 를 이용해 비틀려질 수 있다. 그러므로, 공구 카세트 (22) 의 이러한 유형의 정밀 조정이 가능하도록, 클램핑 나사 (24) 가 유극 (play) 을 갖고, 또한 포켓 (20) 의 두 밀착표면들에 대해 비스듬히 상기 카세트 안의 상응하는 보어 (bore) 를 관통하는 것이 당연하다.

참조 부호 28 은 세트 스크루 (setscrew) 를 표시하고 있으며, 상기 세트 스트루는 - 상세히 도시되어 있지 않은 - 포켓 (20) 의 안착면 (30) 에 지지되고, 따라서 카세트 (22) 는 포켓 (20) 의 방사상 안쪽에 놓인 지지면에 밀착하면서 축 (18) 에 대해 평행인 평면에서 선회 가능하다.

또한, 카세트 (22) 를, 카세트 (22) 의 전면 (32) 과 밀착 접촉되어 있고 본질적으로 방사상으로 본체 (16) 안으로 밀어 넣어지거나 또는 나사결합될 수 있는 조정 볼트 (도시되어 있지 않음) 를 이용해 축방향에서 조정 가능하게, 바람직하게는 정밀하게 조정 가능하게 유지할 수 있다.

공구 카세트 (22) 는 인덱서블 인서트 (indexable insert, 34) 를 지니고 있으며, 상기 인덱서블 인서트는 상기 인덱서블 인서트의 관통부 (35) 와 상호 작용하는 중앙 고정나사 (36) 를 이용해 공구 카세트 (22) 에 탈착 가능하게 고정되어 있다.

인덱서블 인서트 (34) 는 적절한 지지 재료, 예컨대 강철, 특히 공구용 강철로 구성된다. 상기 인덱서블 인서트는, 공구축 (18) 에 대해 평행으로, 그러므로 가공되어야 하는 원통형 기재 표면에 대해 평행으로 정렬될 수 있는 측면 모서리 (38) 에 절삭 인서트 (40) 를 지니고 있고, 상기 절삭 인서트는 본질적으로 인덱서블 인서트 (34) 의 전체 길이에 걸쳐 연장된다. 상세 내용을 설명하기 위해, 하기에서는 도 3 및 도 4 를 참조한다:

인덱서블 인서트 (34) 가 측면 모서리 (38) 의 영역에, 서로 직각으로 있는 2 개의 표면 (42, 44) 에 의해 형성된 리세스 (recess) 를 갖는 것을 알아볼 수 있고, 상기 리세스 안으로 - 바람직하게는 경납땜을 통해 - 절삭 인서트 (40) 는 본질적으로 정사각형 횡단면을 가진 직육면체 형태로 단단히 삽입되어 있다. 도 3 및 도 4 는 절삭 인서트를 가진 인덱서블 인서트를 크게 확대하여 보이고 있다. 하지만, 인덱서블 인서트 (34) 는 단지 약 4 mm 의 두께 (D 34) 및 약 9.5 mm 의 모서리 길이를 가지는 것을 도면으로부터 알아볼 수 있다. 이에 상응하여, 약 1.1 mm 의 모서리 길이를 가진 절삭 인서트 (40) 의 횡단면은 작다.

절삭 인서트는 각기둥 모양 또는 직육면체 모양 블록의 형태를 가지며, 절삭 인서트 (40) 는 복합 부품으로서 형성되어 있으며, 이 경우 다결정질 다이아몬드 (PCD) 로 만들어진 절삭 플레이트 (48) 는 경질 금속 지지체 (46) 상에 단단히 안착한다. 부품들 (46, 48) 간의 결합은 경납땜을 이용해 수행된다. 경질 금속 지지체 (46) 와 절삭 플레이트 (48) 또는 PCD 절삭 플레이트 (48) 사이의 평평한 이음매는 참조부호 50 으로 표시되어 있다.

PCD 절삭 플레이트 (48) 가 경질 금속 지지체 (46) 의 모서리 길이보다 치수 (K) 만큼 짧은 것을 특히 도 4 에 따른 도면으로부터 알아볼 수 있고, 이로 인해 비교적 부서지기 쉬운 PCD 절삭 플레이트 (48) 에서의 손상 위험을 없앨 수 있다. 도 4 에서 PCD 절삭 플레이트는 음영선으로 암시되어 있다.

이 이외에, 절삭 인서트 (40) 가 극단적으로 필리그리한 (filigree) 톱니부를 갖추고 있는 것을 알아볼 수 있으며, 상기 톱니부는 예컨대 임의의 지름, 예컨대 내연기관 실린더의 보어 지름을 가진 알루미늄 주물의 원통형 표면 안으로, 정확히 미리 정해져 있는 기하학을 가진 홈 구조 (groove structure) 를 파는 것을 가능하게 한다. 이때, 적어도 하나의 홈이 생겨야 하며, 상기 홈은 나사산과 유사하게 원통형 기재 표면의 전체 축방향 길이에 걸쳐 연장되고, 예컨대 0.15 mm 미만의 깊이 (T, 도 10 참조) 및 최대 0.2 mm 의 자릿수에서의 폭 (B) 을 가진다. 홈 (52) (도 10 참조) 의 피치 (pitch, S) 는 약 0.5 내지 0.8 mm 이다.

도 10 에 따른 기하학을 가진 이 홈 (52) 을 제조하기 위해, 절삭 인서트 (40) 는 특별한 톱니부를 갖추고 있으며, 상기 톱니부는 하기에서 도 5 내지 도 8 을 참조로 보다 상세히 설명된다:

도 5 내지 도 8 은 절삭 인서트 (40) 의 평면도 및 단면들을 크게 확대하여 보이고 있다. 절삭 인서트 (40) 의 전체 길이 (L) 는 약 9 내지 10 mm 이다. 절삭 인서트 (40) 의 폭 (B40) 은 전체 높이 (H40) 와 마찬가지로 약 1 mm 이다. PCD 절삭 플레이트 (48) 는 단지 약 0.3 내지 0.4 mm 의 두께 (H48) 를 가지며, 반면 경질 금속 지지체 (46) 는 0.6 과 0.7 mm 사이의 두께 (H46) 를 가지는 것을 도 6 내지 도 8 로부터 알아볼 수 있다. 참조 부호 54-1 내지 54-10 으로 표시된 톱니들은 바람직하게는 절삭 인서트 (40) 의 측면 표면 안으로 그의 전체 길이에 걸쳐 다음과 같은 기하학을 갖고 침식되어 있다:

축방향으로 앞쪽에 배치된 단부 영역에는 우선 안전 톱니 (security tooth, 54-1) 가 위치하고, 상기 안전 톱니는 치수 (V54-1) 만큼 톱니 뿌리로부터 돌출한다. 치수 (V54-1) 는, 조정이 끝난 공구 카세트 (22) 에 있어서 안전 톱니 (54-1) 의 톱니끝 (tooth tip) 이 본질적으로 실린더 작동면 지름 상에, 즉 코팅되어야 하는 기재의 사전 가공된 안지름 상에 놓여 있도록 선택되어 있다. 치수 (B54-1) 를 가진 상기 안전 톱니의 폭은 약 0.3 mm 이다.

안전 톱니 (54-1) 에 이웃하여, 각각 나선 피치 (S) 의 간격을 두고 2 개의 사전 기계가공 톱니들 (premachining teeth, 54-2, 54-3) 이 뒤따른다. 사전 기계가공 톱니 (54-2) 는 훨씬 더 가는 톱니 횡단면을 가지며, 하지만 상기 톱니 횡단면은 보다 큰 돌출 치수 (V54-2) 를 갖고 절삭 인서트 (40) 의 모서리로부터 멀리 연장된다. 다른 말로 하자면, 제 1 사전 기계가공 톱니 (54-2) 는 사전 가공된 기재 표면 안으로 사전 결정된 치수 만큼 가라앉고, 베이스 홈 (base groove) 을 발생시키며, 상기 베이스 홈은 도 10 에 일점쇄선 (52B) 으로 암시되어 있다.

하지만, 제 1 사전 기계가공 톱니 (54-2) 의 형태는, 톱니끝의 폭 (B54-2) 이 완성된 홈 (52, 도 10 참조) 의 폭 (B) 보다 작도록 되어 있다. 돌출 치수 (V54-2) 도, 상기 돌출 치수가 홈 (52) 의 완성된 윤곽의 지름 (DF) 에 아직 도달하지 않도록 선택되어 있다. 우선 제 2 사전 기계가공 톱니 (54-3) 를 이용해 상기 베이스 홈은 완전한 깊이 (T, 도 10 참조) 까지 절삭되며, 하지만 홈의 폭은 본질적으로 제 1 사전 기계가공 톱니 (54-2) 의 치수 (B54-2) 로 유지된다.

제조되어야 하는 홈 (52) 의 피치 (S) 만큼 각각 옮겨져 이른바 몰드 톱니들이 뒤따르며, 상기 몰드 톱니들은 이하 '도브테일 톱니들 (dovetail teeth, 54-4 내지 54-7) 이라고 불리운다. 하지만, 이 몰드 톱니들이, 기재 안으로의 가라앉음시 언더컷된 홈을 발생시키는 플랭크 (flank) 를 강제적으로 가져야 필요가 없다는 것이 강조되어야 한다. 상기 몰드 톱니들은 절삭 가공 뿐만 아니라 비절삭 가공으로도 작업할 수 있다.

도시되어 있는 실시예에서, 도브테일 톱니 (54-4 내지 54-7) 들은 미리 형성된 상기 베이스 홈을 홈 바닥의 영역에서 점진적으로 최종 치수 (B, 도 10 참조) 까지 확대시킨다. 이때, 도브테일 톱니 (54-4 및 54-5) 들은 언더컷된 홈 형태가 되도록 홈의 한 플랭크 (flank) 를 형성하고, 즉 절삭하며, 반면 뒤따르는 도브테일 톱니 (54-6 및 54-7) 들은 절삭 가공을 실행함으로써 홈의 다른 플랭크를 형성한다. 마지막 도브테일 톱니 (54-7) 의 맞물림과 함께, 도 10 에 따른 윤곽을 가진, 즉 깊이 (T), 및 치수 (B) 를 가진 홈 바닥에서의 폭을 가진 언더컷된 홈 (52) 이 존재한다. 절삭 대신에 비절삭 성형도 상기 몰드 톱니들에 의해 수행될 수 있다.

다시 홈 피치 (S) 만큼 옮겨져, 마지막 몰드 톱니 또는 도브테일 톱니 (54-7) 에는 이른바 러프닝 톱니 (roughening tooth, 54-8) 가 뒤따르며, 상기 러프닝 톱니는 그의 톱니끝을 이용해 물결모양, 즉 100 분의 1 mm 범위에서의 정의된 홈 깊이를 가진 거친 부분 (roughened part, 56) 을 발생시킨다.

러프닝 톱니 (54-8) 에는, 또는 하기에서 설명되는 변위 톱니 (54-10) 에는 이른바 세정 톱니 (cleaning tooth) 가 이어지며, 상기 세정 톱니를 이용해, 절삭된 홈 안에 만일에 있을 수 있는 칩 (chip) 잔여가 제거될 수 있다. 세정 톱니는 참조 부호 (54-9) 로 표시되어 있고, 몰드 톱니 (54-4 내지 54-6) 들의 톱니 높이보다 작은 톱니 높이를 가지며, 따라서 거친 부분 (56) 은 더 이상 접촉되지 않는다.

배치된 상기 톱니들 (54-1 내지 54-9) 의 열 (row) 은 이른바 변위 톱니 (54-10) 에 의해 종료된다. 이 톱니는 상기 사전 기계가공 톱니 또는 상기 몰드 톱니의 폭의 몇 배에 일치하는 톱니끝 폭 (B54-10) 을 가진다. 바람직하게는, 본질적으로 안전 톱니 (54-1) 의 돌출 치수 (V54-1) 와 일치하는 돌출 치수 (V54-10) 를 가진 변위 톱니 (54-10) 의 중앙에서, 변위 톱니 (54-10) 는 둥근 상승부 (58) 를 형성하며, 상기 둥근 상승부는 예컨대 약 0.15 mm 의 폭 (B58) 및 약 0.05 mm 의 높이 (H58) 를 가진다. 변위 톱니 (54-10) 의 톱니 높이 (V54-10) 는 일정한 기준 치수에 따라 사전 가공된 기재의 내부 표면을 어느 정도 접촉하도록 선택되어 있기 때문에, 변위 톱니 (54-10) 는 그의 상승부 (58) 와 함께 기재의 비교적 부드러운 재료, 예컨대 알루미늄 주물의 재료를 측면으로 변위시키고, 따라서, 언더컷된 홈 (52) 은 내부 표면 (60) 으로의 전이 영역에서 재료 업세팅 (material upsetting, 62) 에 의해 더 좁아진다. 이 이외에, 상기 변위 톱니는 재생 가능한, 마모 보상 러핑 깊이 (roughing depth) 를 보장한다.

상기 설명으로부터 나타나는 바와 같이, 상승부 (58) 는, 홈 피치 (S) 와는 다른, 세정 톱니 (54-9) 에 대한 축방향 간격 (A) 을 두고 놓여 있다. 예컨대, 상기 축방향 간격은 홈 피치 (S) 의 1.5 배이다.

톱니 (54-1 내지 54-10) 들이 기재와 어떻게 맞물리는 지는 도 6 내지 도 8 의 단면도들로부터 알 수 있다. 예컨대, 안전 톱니 (54-1) 의 여유각 (relief angle, F54-1) 이 0° 바로 위에 있는 값을 가지는 것을 도 6 을 참조로 알 수 있다. 그것은 심지어 음 (negative) 일 수 있다. 그 후, 몰드 톱니들이 기재의 내부 표면을 절삭 가공해야 하면, 여유각 (F54-4) 은 어느 경우이든 양 (positive) 이다. 그러면, 사전 기계가공 톱니들, 러프닝 톱니 (54-8) 및 세정 톱니 (54-9) 의 경사각 (rake angle) 도 상응하여 양 (positive) 이다. 이에 반해, 변위 톱니 (54-10) 의 여유각 (F54-10) 은 특히 상승부 (58) 의 영역에서 훨씬 더 작다. 그것은 심지어 음 (negative) 일 수 있고, 따라서 상승부 (58) 를 가진 변위 톱니 (54-10) 는 절삭하는 것이 아니라 재료를 기재로부터 변위 또는 변형시킨다.

이 이외에, 절삭 인서트 (40) 의 쐐기각 (wedge angle) 은 본질적으로 90°이고, 따라서 도시되어 있는 실시예에서 약간의 음 (negative) 경사각이 발생하는 것을 도 6 내지 도 8 에 따른 도면으로부터 알 수 있다.

또한 도 6 내지 도 8 에 따른 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 톱니들 (54-2 내지 54-9) 은, 전체 높이 (H40) 에 걸쳐 균일한 톱니높이가 생기도록 절삭 인서트 (40) 안에, 즉 납땜된 PCT 절삭 플레이트를 가진 경질 금속 지지체 안에 파져 있고, 바람직하게는 침식되어 있다. 하지만 이는 톱니 높이들이 절날삭 모서리로부터 간격이 증가함과 더불어 약간 커지는, 안전 톱니 (54-1) 및 변위 톱니 (54-10) 의 영역에서의 톱니 형태들에는 해당되지 않는다.

공구의 상기 기술된 구성과 함께, 사전 결정된 표면 구조를 가진 원통형 내부 표면의 제조시 다음과 같은 작용 방식이 발생한다.

공구 (12) 는 그의 축 (18) 과 함께 사전 가공된 실린더 작동면의 축에 대해 동심적으로 정렬되고, 따라서 안전 톱니 (54-1) 의 톱니끝의 방사상 간격은 본질적으로 기재 표면의 실린더 작동면의 반지름에 일치한다. 카세트 (22) 가 먼저 조정 수단 (편심핀 (26), 세트 스크루 (28)) 을 이용해, 몰드 톱니 (54-4 내지 54-7) 들의 톱니끝들이 공구축 (18) 에 대해 본질적으로 평행으로 정렬되어 놓이고, 따라서 톱니선이 발생되어야 하는 나선형 홈 상에 수직으로 놓이도록 정렬되어 있으면, 공구는 내부 보어 안으로 진입될 수 있다. 후속하여, 공구 (12) 와 기재-실린더 표면 사이의 상대-회전운동이 발생되며, 동시에 공구 (12) 와 기재 사이의 축방향 상대-이동운동이

V_R = n_R x S 가 유효한 방식으로 발생되고

이때, V_R 은 공구 (12) 와 기재 간의 축방향 상대 속도를 의미하고 n_R 은 공구와 기재 간의 상대 회전수를 의미한다.

상기에서, 공구, 또는 절삭 인서트 (14) 의 영역에서의 공구의 톱니부는, 톱니들이 절삭 인서트 (40) 의 전체 높이 (H40) 에 걸쳐 동일한 횡단면을 갖는 구현형태에서 기술되었다. 하지만, 반드시 그러해야만 하는 것이 아님이 강조되어야 한다. 오히려, 홈 프로파일의 절삭시 양 (positive) 측면 경사각이 생기도록, 톱니들, 특히 사전 기계가공 톱니 (54-2 및 54-3) 들 및 몰드 톱니 (54-5 내지 54-8) 들이 적어도 앞쪽에 배치된 플랭크의 영역에서 언더컷하는 것이 가능하다.

사전 기계가공 톱니 (54-2) 가 치수 (B54-2) 를 가진 홈 바닥 폭을 가진 베이스 홈을 절삭하자마자 또는 형성하자마자, 그 밖의 사전 기계가공 톱니 (54-3) 가 작동하며, 상기 사전 기계가공 톱니는 베이스 홈을 완전한 깊이 (T) 까지 가공 또는 절삭한다. 사전 기계가공 톱니 (54-3) 는 생략될 수도 있고, 그 후 제 1 몰드 톱니 (54-4) 가 작동한다. 이 제 1 몰드 톱니 (54-4) 는 약간 확대된 홈 바닥이 발생하도록 제 1 언더컷된 플랭크 (52-1) 를 절삭한다. 그 후, 이 홈 바닥은 제 2 몰드 톱니 (54-5) 를 이용해 절삭되고, 그 후 홈 바닥은 한쪽에서 완전한 폭 (B/2) 까지 절삭되어 있다. 후속하여, 몰드 톱니들 (54-6 및 54-7) 은 단계적으로 다른 언더컷된 플랭크 (52-2) 를 절삭하여 완성하고, 그 후 러프닝 톱니 (54-8) 는 거친 부분 (56) 을 만들어낸다.

상기 기술된 실시예에서, 사전 기계가공 톱니 (54-2) 는 사전 기계가공 톱니 (54-3) 와 마찬가지로, 절삭 뿐만 아니라 러프닝 (roughening) 도 하는 콤비네이션 톱니 (combination tooth) 로서 형성되어 있다. 하지만, 사전 기계가공 톱니 (54-2, 54-3) 들을 몰드 또는 성형 톱니들, 즉 기재의 부드러운 재료를 변위시키기만 하는 톱니들로서 형성하는 것도 역시 가능하다.

도 1 내지 도 8 에 따른 실시형태는 표면 (42, 44) 들을 가진 직사각형 리세스 (도 3) 안에서의 절삭 인서트 (40) 의 삽입을 보이고 있으며, 상기 표면들은, 절삭 인서트 (40) 의 직육면체 형태에 있어 음 (negative) 경사각이 발생하도록 방향지워져 있다. 그렇기 때문에, 도 6 내지 도 8 에는, 절삭 인서트 (40) 의 윗면이 경질 금속 지지체 (46) 에 대해 비스듬히 옮겨지면 생기는 표면이 일점쇄선 (64) 으로 암시되어 있으며, 이로 인해 양 (positive) 경사각이 형성될 수 있다.

도 9 에는 공구, 보다 정확하게는 납땜된 절삭 인서트를 가진 인덱서블 인서트의 변형이 도시되어 있으며, 상기 절삭 인서트에 있어서 양 (positive) 경사각을 가진 쐐기각 <90°과 양 (positive) 쐐기각 자체는 경질 금속 지지체가 PCD 절삭 플레이트와 마찬가지로 평면 평행 (plane-parallel) 가장자리 표면들을 가지면 실현될 수 있고, 이는 간단한 제조를 보장한다. 간단하게 설명하기 위해, 전술된 실시예의 요소들과 일치하는 구성 요소들은 동일한 참조 부호로 표시되어 있고, 하지만 상기 참조 부호들 앞에는 '1' 이 추가되어 있다.

인덱서블 인서트 (134) 가 절삭 인서트 (140) 를 위해 달리 방향지워진 리세스 (recess) 를 가지는 것을 알아볼 수 있다. 표면 (142, 144) 들이 서로 수직으로 있기는 하나 바닥면 (144) 은 도 3 에 따른 실시형태의 바닥면 (44) 에 대해 반대 방향으로 기울어져 있다. 이에 따라 경질 금속 지지체 (146) 및 그 위의 단단한 홈들을 통해 고정된 PCD 절삭 플레이트를 가진, 또한 모서리 길이 (H140) 를 가진 직육면체 모양의 절삭 인서트 (140) 로부터 도 5 에 따른 기하학을 가진 톱니부가 드러나면, 간단한 제조 기술적 조치들을 갖고 사전 기계가공 톱니들 및 몰드 톱니들의 영역에서는 양 (positive) 여유각이 발생될 수 있고, 반면 안전 톱니 및 변위 톱니의 영역에서는 이로딩 공구 (eroding tool) 의 상응하는 제어를 통해 작아진 여유각 또는 음 (negative) 여유각이 실현될 수 있다.

큰 현장 실험들에서 나타난 바에 따르면, 상기 기술된 기준들에 따라 구성된 공구는 도 10 에 따른 기하학을 가진 홈 구조를 재생 가능하게, 알루미늄 주물의 사전 가공된 원통형 내부 표면 안에 팔 수 있고, 이때 공구의 긴 전체 공구 경로 (total tool path) 후에도 알루미늄 응착물이 발생하지 않는다. 이러한 방식으로 알루미늄 주물 기재의 내부 표면에는, 스프레이층의 도포를 위해 매우 적합한 표면이 마련될 수 있었다.

팔로우-온 공구 (follow-on tool) 로서 형성된 절삭 인서트가 매우 정밀하게 가공될 수 있으며, 복합 구성에 의해, 결정적인 지점들에서 개선된 안정성을 얻고, 따라서 절삭날들은 정확히, 그리고 긴 시간 간격에 걸쳐 신뢰성 있게 작업할 수 있는 것이 결정적인 것으로 밝혀졌다. 이 이외에, 절삭하는 톱니와 누르는 톱니와의 조합을 통해 홈 (52) 의 언더컷은 크게 강화될 수 있고, 따라서 도포된 재료와 알루미늄 기재 사이의 기계식 맞물림 또는 클램핑이 크게 개선된다.

물론, 본 발명의 기본 사상에서 벗어나지 않으면서, 상기 기술된 실시예들의 변경들도 가능하다. 즉, 예컨대 경질 재료 PCD 대신 다른 경질 재료, 예컨대 큐빅 보론 나이트라이드 (CBN) 또는 CVD 다이아몬드가 이용될 수도 있다. 절삭날들의 영역에서 다른 경질 재료, 예컨대 서멧 (cermet) 재료를 갖고 작업하는 것도 가능하다.

본 발명은 원통형 내부 표면에 사전 결정된 기하학을 가진 홈 구조를 제공하는 것에 제한되지 않는다. 마찬가지로 외부 표면 또는 다른 평평한 표면도 상응하는 홈 구조를 가질 수 있고, 이때 방법은 상기 기술된 바와 같이 적용될 수 있다. 공구는 이 경우 플래닝 공구 (planing tool) 또는 브로칭 공구 (broaching tool) 로서 형성될 수 있고, 상기 공구에서 톱니들은 팔로우-온 공구의 유형으로 순서대로 홈을 완전한 횡단면이 되도록 가공한다.

상기 기술된 공구는 본질적으로 원주 방향으로 연장되는 톱니들을 갖고 있으며, 즉 절삭 인서트 (40) 는 직선 톱니 모양을 가진다. 톱니들을 약간 비스듬히 세우는 것도 역시 가능하다.

상기 기술된 실시예와는 달리, 공구 (12) 에 다수의 절삭 인서트를 갖추는 것도 가능하며, 상기 절삭 인서트들은 둘레에 걸쳐 분배되어 있고, 이 경우 홈들은 멀티 스레드 (multithread) 나사산의 유형에 따라 기재 안으로 제공되고, 즉 몰딩되거나 또는 절개된다. 공구의 이 수정 (modification) 은 결국 일종의 호닝 공구 (honing tool) 를 초래하며, 이때, 가공되어야 하는 표면의 상당한 길이 또는 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있는 호닝 스트립 (honing strip) 은 홈 구조를 발생시키기 위한 적절한 기하학을 갖출 수 있다.

공구는 순수한 몰드 (mold), 절삭 공구 또는 호닝 공구로서 형성될 수 있거나, 또는 여러 가지 가공 형태 - 예컨대 절삭과 몰딩 및/또는 호닝과 몰딩 및/또는 절삭과 호닝 - 를 조합시키는 공구로서 형성될 수도 있다. 호닝 공구 (honing tool), 예컨대 혼 (hone) 의 공구 구성을 방사상으로 조절 가능한 공구 인서트들과 함께 절삭날들의 포지셔닝을 위한 확장 콘 (expanding cone) 의 도움하에 이용하는 것도 바람직할 수 있다.

호닝 공구로서의 구현형태에서는, 바람직하게는 둘레에 걸쳐 균일하게 분배된 절삭날 부품들, 예컨대 호닝 스트립 (honing strip) 이 사용되며, 상기 호닝 스트립들은 연마 매체, 즉 연마 입자 (abrasive grain) 를 위한 지지체로서 쓰이고, 상기 연마 입자는 바람직하게는 다이아몬드 (PCD) 또는 보론 나이트라이드, 또는 비교 가능한 형태 안정적인 다른 재료들에 의해 형성되어 있을 수 있다. 이 경우, 결합제 (세라믹, 금속성 또는 합성수지) 로부터 돌출하는 연마 입자에는 사전 결정된 기하학 또는 입체적 형태부여가 추가적으로 제공되고, 상기 기하학은, 호닝 스트립과 기재 사이의 상대-회전 운동에 축방향 피드 운동 (feed motion) 을 맞추면서 상기 기술된 단계적인 또는 점진적인, 정의된 홈 구조 파기가 가능해지도록 사전 결정된 방식으로 호닝 스트립의 축방향 길이에 걸쳐 변화한다. 연마 매체의 포락선은 이 경우 예컨대 원뿔 측면이며, 따라서 피드 방향 (feed direction) 으로 앞서가는 연마 입자들은 뒤따르는 연마 입자들 보다 결합체로부터 덜 멀리 돌출한다. 호닝 스트립이 축방향 왕복운동을 실행하면 이 포락선은 이중 원뿔 (double-cone) 에 의해 형성되고, 상기 이중 원뿔은 축방향 중앙으로부터 출발하여 두 축방향에서 테이퍼되어 있다.

또한, 변형에 따르면, 호닝 스트립은 기재 표면과 관련한 축방향 상대운동 동안 방사상 인피드 운동 (infeed motion) 을 겪을 수 있으며, 따라서 호닝 스트립(들) 의 앞서가는 섹션에 의해 제공된 홈들은 점차 완전한 깊이까지 연마된다. 이 경우, 연마 매체의 포락선은 원통 측면에 의해 형성되어 있을 수 있다.

즉, 호닝 공구의 본보기에 따른 공구 구성과 함께, 홈들은 보다 가파라지고, 그것들은 - 호닝 공구의 일반적으로 제공된 왕복 운동에 의해 - 교차할 수도 있다. 연마 입자들의 하류에, 사전 결정된, 호닝 과정시의 운동학에 맞춰진 위치 관계에서 변위 융기부를 배치하도록 호닝 스트립을 형성하는 것이 심지어 원칙적으로 가능하며, 따라서 청구항 제 3 항과 관련하여 설명된 언더컷과 유사한 홈 좁힘 (groove narrowing) 도 재료 변위 (material displacement) 를 통해 수행될 수 있다.

도 1 에 따른 공구가 단 하나의 인덱서블 인서트를 갖추고 있으면, 둘레에 걸쳐 분배되어 본체 (16) 에 가이드 스트립들을 제공하는 것이 유리할 수 있고, 상기 가이드 스트립들은 공구가 안전 톱니와의 상호 작용에서 기재 보어 (substrate bore) 에서 확실하게 안내되도록 한다.

실린더의 요구된 형태 정확성을 침해하지 않기 위해, 도 1 에는 참조부호 68 로 표시된 2 개의 밸런싱 스크루 (balancing screw) 가 도시되어 있으며, 상기 밸런싱 스크루들을 이용해 공구의 정밀한 밸런싱이 가능하다.

상기 기술된 공구의 그 밖의 변경에서, 홈을 통틀어, 즉 언더컷된 플랭크들의 영역에서도 몰딩하는 것이 또한 가능하다.

그러므로, 본 발명은 용사법에 의해 재료를 도포하기에 적합한 사전 결정된 기하학의 표면 구조를 가진 바람직하게는 원통형 표면을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 이에 따르면, 바람직하게는 일정한 기준 치수에 따라 사전 가공된, 바람직하게는 코팅되어야 하는 기재의 원통형 표면 안에는, 홈 횡단면이 점진적으로 최종 치수가 됨으로써 낮은 깊이 및 폭의 기하학적으로 결정된 홈 구조가 제공된다. 이 가공은 예컨대 팔로우-온 공구를 이용해 수행된다. 상기 표면이 균일한 품질을 갖고 대량 생산으로 제조될 수 있도록, 상기 방법은, 완성된 홈의 홈 바닥 폭보다 작은 홈 바닥 폭을 가진 베이스 홈 (base groove) 이 우선 파짐으로써 홈 구조 (groove structure) 가 파지도록 형성되어 있다. 후속하여, 홈, 예컨대 상기 베이스 홈의 적어도 하나의 플랭크는 언더컷된 홈 프로파일을 제조하기 위해 비절삭 또는 절삭 가공되며, 이때 바람직하게는 홈파기에 의해 발생된 상기 홈 구조는 홈 개구부들이 재료 업세팅에 의해 좁아짐으로써 변형된다.

Claims (25)

1. 용사법에 의해 재료를 도포하기에 적합한 사전 결정된 기하학의 표면 구조를 가진 원통형 표면을 제조하기 위한 방법으로서, 일정한 기준 치수로 사전 가공된 기재 표면 (60) 안에는, 공구를 이용해 사전 결정된 홈 피치를 가지는 나선형 형상에서 적은 깊이 (T) 및 폭 (B) 의 기하학적으로 결정된 홈 구조 (52) 가 제공되고, 상기 공구는 팔로우-온 공구이고, 홈 횡단면이 점진적으로 최종 치수까지 가공되고, 완성된 홈의 홈 바닥 폭 (B) 보다 작은 홈 바닥 폭 (B54-2) 및 홈 바닥 및 두개의 홈 플랭크를 가진 베이스 홈 (52B) 이 기재 표면 (60) 안에 우선 파짐으로써 홈 구조가 원통형 기재 표면 (60) 안에 파지고, 그리고 후속하여 최종 치수의 홈 횡단면의 제조를 위해 상기 홈은 공구의 비절삭 또는 절삭 가공에 의한 여러가지 절삭 또는 변형 작업에 의해 단일 공정에서 가공되고, 이는 홈 피치 (S) 에 의해 서로 엇갈리게 배치된 여러 개의 톱니 (54-2 ~ 54-8) 에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈 구조는 홈 개구부들이 좁아지는 동안에 변형에 의해 최종 치수로 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 홈들은 베이스 홈 (52B) 의 적어도 하나의 플랭크 (52-1, 52-2) 의 기계가공에 의해 가공되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 홈파기에 의해 제조된 상기 홈 구조는 홈 개구부들이 재료 업세팅에 의해 좁아짐으로써 변형되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 베이스 홈 (52B) 은 기재 표면 (60) 안에 파지는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 베이스 홈 (52B) 을 파는 단계는 부분 단계들로 분할되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 삭제
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 홈 횡단면의 제조시 절삭 및 변형 과정은, 재료 제거시 표면이 거칠어지도록 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 미리 제조된 적어도 하나의 홈 (52) 사이의 원통형 표면 (60) 안으로 동일한 공구를 이용해 중간 홈 (66) 이 몰딩되고, 이로 인해 도브테일형의 홈 횡단면이 미리 제조된 홈 구조 안에서 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 도브테일형의 홈 횡단면을 제조하는 단계 후에, 동일한 공구를 이용해 홈 횡단면이 세정되고 절삭 홈 내의 절삭 잔유물이 제거되는 단계가 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가공은 최소량 윤활 (MMS, MQL) 과 함께, 또는 습식으로 수행되고, 이때 가공은 오일 함유, 고체 함유 뿐만 아니라 물 함유 냉각/윤활 재료들을 갖고 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1 항에 따른 방법을 실행하기 위한 공구로서, 상기 공구는 지지체 부품 (12) 을 구비하며, 상기 지지체 부품 상에는 인덱서블 인서트 (34) 가 배치되어 있고, 상지 몰드 및 절삭 플레이트는 가공되어야 하는 원통형 기재 표면에 대해 평행으로 정렬될 수 있는 측면 모서리 (38) 에 빗 유형으로 잇달아 놓여 있는 적어도 3 개의 톱니 (54-1, 54-2, 54-4) 를 가지며, 상기 톱니들 중 제 1 톱니는 제 1 톱니 횡단면 및 제 1 돌출 치수 (V54-1) 를 가진 안전 톱니 (54-1) 를 형성하고, 이웃한 적어도 하나의 제 2 톱니는 상기 제 1 횡단면보다 높은 제 2 톱니 횡단면 및 제 1 돌출 치수 (V54-1) 보다 큰 제 2 돌출 치수 (V54-2) 를 가진 홈 예비 기계가공 톱니 (54-2) 를 형성하며, 상기 제 2 톱니 (54-2) 에 이웃한 적어도 하나의 제 3 톱니 (54-4) 는 비스듬한 적어도 하나의 측면 플랭크 (55) 를 가진 몰드 톱니 (54-4) 를 형성하고, 상기 플랭크를 통해 톱니끝은, 미리 맞물려 있는 톱니 (54-2) 의 톱니끝 폭 (B54-2, B54-3) 보다 큰 폭 (B) 으로 확대되는 공구.
13. 삭제
14. 제 12 항에 있어서, 홈 예비 기계가공 톱니 (54-2) 와 도브테일 톱니로서 형성된 적어도 하나의 몰드 톱니 (54-4) 사이에는 그 밖의 홈 예비 기계가공 톱니 (54-3) 가 형성되어 있고, 상기 홈 예비 기계가공 톱니는 돌출 치수 (V54-3) 를 가지며, 상기 돌출 치수는 본질적으로 몰드 톱니 (54-4) 의 돌출 치수 (V54-4) 와 본질적으로 크기가 같고, 이때 상기 홈 예비 기계가공 톱니들 (54-2, 54-3) 과 상기 적어도 하나의 몰드 톱니 (54-4) 의 측면 간격 (S) 은 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 공구.
15. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서, 이웃한 다수의 몰드 톱니 (54-4 내지 54-7) 가 제공되어 있으며, 상기 몰드 톱니들을 이용해, 형성되어야 하는, 도브테일형의 홈 (52) 의 여러 가지 플랭크 (52-1, 52-2) 가 가공될 수 있는 것을 특징으로 하는 공구.
16. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서, 도브테일 톱니로서 형성된 적어도 하나의 몰드 톱니 (54-4 내지 54-7) 에 이웃하여, 안전 톱니 (54-1) 로부터 멀리 향하는 쪽에는 변위 톱니 (54-10) 가 추가적으로 형성되어 있고, 상기 변위 톱니는 사전 결정된 길이 (B54-10) 에 걸쳐 안전 톱니 (54-1) 에 상응하는 돌출 치수 (V54-10) 를 가지며, 그리고 그의 중간 섹션에 둥근 상승부 (58) 를 가지는 것을 특징으로 하는 공구.
17. 제 16 항에 있어서, 이웃한 톱니 (54-9) 로부터 상승부 (58) 의 측면 간격 (A) 은 나머지 톱니들 간의 측면 간격 (S) 과는 다른 것을 특징으로 하는 공구.
18. 삭제
19. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서, 절삭하는 톱니들은 중복적으로 실행되고, 이로 인해 공구 마모에 있어서도 동일한 홈 형상이 보장되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
20. 삭제
21. 제 12 항 또는 제 14 항에 있어서, 몰드 톱니들 (54-1 내지 54-10) 은 마모 저항성 재료, 강철 또는 경질 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 공구.
22. 제 21 항에 있어서, 몰드 톱니들은 절삭 인서트 (40) 안에 형성되어 있고, 상기 절삭 인서트는 각기둥 모양 또는 직육면체 모양 블록의 형태를 가지며, 복합부품에 의해 형성되어 있고, 상기 복합 부품에 있어서 경질 재료 플레이트는 지지체 (46) 상에 안착하며, 이때 몰드 톱니들 (54-1 내지 54-10) 들은 상기 두 재료의 이음매 (50) 에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 공구.
23. 제 22 항에 있어서, 절삭 인서트 (40) 는 인덱서블 인서트 (34) 로서 형성된 절삭 플레이트 안에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
24. 제 23 항에 있어서, 절삭 플레이트 (34) 는 카세트 (22) 에 의해 받쳐져 있고, 상기 카세트는 절삭 인서트 (40) 가 가공되어야 하는 원통형 표면 (60) 의 축에 대해 본질적으로 평행으로 정렬될 수 있도록 조정 가능하게 공구 (12) 에 안착하는 것을 특징으로 하는 공구.
25. 회전 구동 가능한 공작물 및 제 12 항에 따른 회전 구동 가능한 공구 중 하나 이상을 사용한 제 1 항에 따른 방법을 실행하기 위한 장치로서, 상기 장치는 공구 지지체를 구비하고, 상기 공구 지지체는 적어도 2 개의 운동 자유도를 가지며, 상기 운동 자유도들 중 하나는 공구 또는 공작물의 회전축 (18) 에 대해 평행으로 공구 (12) 및 공작물 중 하나 이상의 피드 방향을 확정하고, 다른 하나는 이에 대해 비스듬히 뻗어 있는 인피드 방향을 확정하며, 이때 피드는 공구 (12) 와 기재 간의 상대 회전수 (n_R) 에 맞춰질 수 있는 장치.

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