KR101749149B1 - 부분적으로 제거된 피막이 형성된 인써트를 포함하는 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인써트의 중심부에 위치하는 여유면에 형성된 경질피막만을 폴리싱을 통해 선택적으로 제거함으로써 개선된 수명을 얻는 인써트를 포함하는 절삭공구에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 기둥상으로 이루어지고 선단부의 중심이 피삭재와 접하여 회전하면서 절삭가공이 이루어지는 절삭공구로서, 상기 절삭공구의 선단부는 탈부착이 가능한 1개 이상의 인덱서블 타입 인써트로 이루어지고, 상기 인써트는 초경합금을 기재로 하며, 상기 인써트의 표면에는 내마모층이 형성되어 있고, 회전중심으로부터 0.01R~0.8R(R은, 기둥상 공구의 반경)의 범위 내에 체결된 인써트의 여유면에 형성된 내마모층의 일부 또는 전부가 제거된 것을 특징으로 한다.

Description

부분적으로 제거된 피막이 형성된 인써트를 포함하는 절삭공구 {CUTTING TOOLS COMPRISING INSERTS HAVING COATED LAYER REMOVED PARTLY}

본 발명은 표면에 경질피막이 형성된 인써트를 인덱서블하게 체결하며 회전하면서 절삭가공을 수행하는 절삭공구에 있어서 상기 인써트의 특정 부분에 형성된 경질피막을 부분적으로 제거한 절삭공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인써트의 회전중심에서 소정 거리까지에 위치하는 여유면에 형성된 경질피막만을 폴리싱과 같은 방법을 통해 선택적으로 부분 또는 전부 제거함으로써, 개선된 공구 수명을 얻을 수 있는 기술에 관한 것이다.

드릴은 공작물에 원형의 홀을 가공하는데 사용되는 절삭공구로서, 강이나 초경합금과 같은 기재를 사용하여 만든 봉상의 소재에 절삭날이 외주부를 따라 나선상으로 형성되어 있고 선단부는 원추형으로 형성되어 있는 공구이다. 또한, 볼 엔드밀(end mill)은 드릴과 유사한 외관을 가지며, 선단이 구상으로 이루어져 있어, 주로 곡면을 절삭하는데 사용되는 공구이다.

이러한 드릴 또는 볼 엔드밀과 같은 공구는, 절삭가공 중에 원추형 선단부 및 구상의 선단부의 중심부가 피삭재와 접촉하며 그것을 중심으로 회전하면서 절삭가공이 이루어지는 특징이 있다.

한편, 절삭수명을 향상시키기 위하여, 상기 드릴 또는 볼 엔드밀 중에서 실제 절삭이 이루어지는 부분에는 예를 들어 TiCN, TiAlN, TiAlCrN, Al₂O₃와 같은 경질소재로 이루어진 단층 내지는 다층의 내마모층이 형성된다.

그런데, 드릴과 볼 엔드밀 같은 공구를 회전시키게 되면, 피삭재와 맞닫는 선단부 및 저인은 회전 중심 포인트를 기점으로 반경방향의 주변으로 갈수록 즉, 반지름 R 값이 증가할수록 속도가 증가하기 때문에, 중심부는 피삭재와 저속으로 접하고 주변으로 갈수록 피삭재와 고속으로 접하게 된다.

이에 따라, 드릴과 볼 엔드밀의 중심부는 극저속으로 피삭재와 접하게 되는데, 이와 같은 극저속 영역에서는 피로(fatigue)에 의한 소위 '미소취성마모(micro-brittle wear)'가 발생하며, 특히 고이송 드릴 가공 시 높은 이송 속도에 의해 형성되는 높은 압력은 절인 중심부의 미소취성마모(micro-brittle wear)를 가속화시키는 작용을 하고, 이는 드릴 또는 볼 엔드밀의 공구수명을 저하시키는 주요한 원인이 된다.

이와 관련하여, 본원 발명자들은 한국특허출원 제2014-0048442호에서, 드릴이나 엔드밀의 선단부를 중심으로부터 0.01R ~ 0.8R (R: 기둥상 공구의 반경)에 형성된 내마모층의 일부 또는 전부를 제거하여 미소취성마모를 억제함으로써, 드릴이나 엔드밀의 공구수명을 향상시키는 기술을 제시한 바 있다.

그런데, 드릴이나 엔드밀의 선단부에는, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 자루부와 기둥상 드릴몸체의 선단에 탈부착이 가능한 1개 이상의 인덱서블 타입의 인써트를 고정하여 일체형으로 사용할 수도 있는데, 이와 같은 인써트도 일체형 드릴과 마찬가지로, 선단부의 중심부에서 미소취성마모(micro-brittle wear)가 발생하여, 인써트의 수명이 저하되는 주요한 원인이 된다.

한편, 하기 특허문헌에는, 내마모층-분리층-장식층을 순차적으로 형성한 후, 장식층을 샌드 블라스팅, 브러싱 또는 이와 유사한 공정을 통해 단시간 내에 제거하는 기술이 개시되어 있다. 그런데, 이 기술은 사용여부에 대한 확인 역할을 할 뿐 공구 수명에 영향을 미치지 않는 커버층을 용이하게 제거하기 위한 것이며, 내마모층의 부분적인 제거를 통해 절삭공구의 수명을 개선하는 기술적 사상을 개시한 것은 아니다.

대한민국 공개특허공보 제2006-0130196호

본 발명의 과제는 드릴 또는 엔드밀과 같은 절삭공구에 사용되는 인덱서블 인써트에서 발생하는 미소취성마모(micro-brittle wear)을 억제함으로써, 인써트의 수명을 연장할 수 있는 절삭공구를 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 기둥상으로 이루어지고 선단부의 중심이 피삭재와 접하여 회전하면서 절삭가공이 이루어지는 절삭공구로서, 상기 절삭공구의 선단부는 탈부착이 가능한 1개 이상의 인덱서블 타입 인써트로 이루어지고, 상기 인써트는 초경합금을 기재로 하며, 상기 인써트의 표면에는 내마모층이 형성되어 있고, 회전중심으로부터 0.01R~0.8R(R은, 기둥상 공구의 반경)의 범위 내에 체결된 인써트의 여유면에 형성된 내마모층의 일부 또는 전부가 제거된 절삭공구를 제공한다.

또한, 상기 절삭공구는 드릴 또는 볼 엔드밀일 수 있다.

또한, 상기 내마모층은 단층 또는 다층박막으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 내마모층은 금속원소로서 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al과 Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소와, 비금속원소로서 N, C, O 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 박막을 1층 이상 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 드릴이나 볼 엔드밀과 같은 공구의 선단부에 탈부착 가능하게 체결되는 인써트의 여유면에 형성된 내마모층을 회전중심으로부터 0.01R~0.8R(R: 기둥상 공구의 반경) 범위까지 선택적으로 일부분이 제거되어 있기 때문에, 가공 시 선단 중심부 미소취성마모(micro-brittle wear)에 의한 내마모층의 마모 및 전파가 억제됨으로써, 인써트의 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은, 자루부와 기둥상 드릴몸체의 선단에 탈부착이 가능한 2개 이상의 인덱서블 타입의 인써트를 고정한 드릴의 사시도이다.
도 2는, 자루부와 기둥상 드릴몸체의 선단에 탈부착이 가능한 1개 이상의 인덱서블 타입의 인써트를 고정한 드릴에 있어서, '공구 반경(R)'을 나타낸 드릴의 도면이다.
도 3은 드릴에 인덱서블하게 체결되는 인써트의 여유면에 형성된 내마모층의 일 부분을 본 발명에 따라 제거한 상태(도면상 빗금친 부분)를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 자루부와 기둥상 드릴몸체의 선단에 탈부착이 가능한 2개 이상의 인덱서블 타입의 인써트를 고정하는 과정을 나타낸 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 인써트를 구비한 드릴로 절삭시험(130hole)을 수행한 후의 인써트의 상태를 나타낸 사진이다.
도 6은, 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 인써트를 구비한 드릴로 도 5와는 다른 절삭조건으로 절삭시험을 수행한 후의 수명종료 가공수, 수명종료원인 및 인써트의 상태를 나타낸 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 있어서 '공구 반경(R)'은, 도 2에 도시된 바와 같이, 기둥상으로 이루어진 공구 선단부의 반경으로, 원형인 경우 그 반경, 다각형인 경우 단면상 내접원의 반경을 의미한다.

본 발명자들은 인덱서블 인써트를 체결한 드릴과 볼 엔드밀 가공 시, 중심부의 극저속 영역에서 발생하는 미소취성마모(micro-brittle wear)와 고이송 가공 시 형성되는 높은 압력으로 인해 인써트의 수명이 저하되는 것을 해결하기 위해 연구한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 드릴의 선단에 탈부착 가능하게 체결되는 인써트에서 회전 가공시 극저속 영역에 속하는 여유면에 형성된 내마모층 중의 일부 또는 전부를 폴리싱(polishing)이나 래핑(lapping)과 같은 공정을 통해, 회전중심에서 상기 드릴의 기중 중심부에 반경기준으로 0.01R~0.8R 범위 내에 체결되는 하나 이상의 인써트의 여유면에 형성된 내마모층을 부분적으로 제거하거나 전부 제거할 경우, 미소취성마모가 억제되어 오히려 인써트의 절삭수명이 개선될 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.

상기 내마모층은 단층으로 형성된 경우 그 일부, 다층으로 형성된 경우 다층을 구성하는 각층의 일부 또는 전부가 제거될 수 있다. 이때, 제거되는 박막의 두께는 박막이 최대로 제거되는 지점에서 내마모층의 전체 두께 대비 1%~100%의 정도로 제거되면 본 발명의 효과를 얻을 수 있으나, 박막의 제거 두께를 5%~30%로 하는 것이 바람직하다.

상기 내마모층의 제거 영역은 회전중심으로부터 0.01R~0.8R 범위내에 장착되는 인써트의 여유면이 제거되어야 하는데, 이는 0.8R을 초과하는 범위에 체결되는 인써트의 내마모층이 제거되면 내마모성이 저하되고, 0.01R 미만으로 제거할 경우 미소취성마모를 충분히 억제하기 어렵기 때문이다. 한편, 바람직한 내마모층의 제거 범위는 0.02R~0.6R이고, 보다 바람직한 내마모층의 제거 범위는 0.02R~0.5R이다.

상기 절삭공구는 드릴 또는 볼 엔드밀일 수 있으나, 본 발명의 기술적 사상은 드릴 또는 볼 엔드밀과 유사한 절삭가공을 수행하여 동일한 기구로 내마모층의 마모 및 전파가 이루어지는 절삭공구에 탈부착 가능하게 체결되는 인써트 여유면의 소정 영역을 제거하는 것을 포함한다.

상기 내마모층은 단층 박막 또는 다층 박막으로 이루어질 수 있으며, 상기 단층 박막 또는 다층 박막은, 주기율표의 4a, 5a, 6a족의 금속원소 및 Al과 Si중에서 선택된 1종 이상 원소를 포함하고, N, C, O 중에서 선택된 1종 이상의 비금속 원소을 포함하는 박막을 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 내마모층은 TiCN, TiAlN, TiAlCrN, 또는 Al₂O₃ 를 포함할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예와 이의 비교예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

한국야금 XOMT07T205-LD 형번에 TiAlCrN 박막이 적용된 PC5335 재종의 제품에 마이크로 블라스팅 장치를 이용하여 2bar의 압력으로 10초간 분사하는 방법을 사용하여, 도 3에 도시된 것과 같이 빗금친 부분의 인써트 여유면에 폴리싱을 수행하여, 인써트 측면 내마모층이 부분적으로 제거되도록 하였다.

이 공정을 통해 인써트 여유면의 박막 두께의 약 3~10%가 제거되었다.

[비교예]

실시예의 인써트 여유면에 대한 폴리싱을 수행하지 않은 한국야금 XOMT07T205-LD 형번에 PC5335 재종의 제품을 본 발명의 실시예와의 비교예로 사용하였다.

절삭시험

이상과 같이 준비한 실시예 및 비교예에 따른 인써트를, 도 4에 도시된 바와 같이, 직경 20mm 드릴 홀더에 창착하고, 먼저 다음과 같은 절삭조건으로 절삭시험을 수행하였다.

- 속도 150m/min,

- 회전당 이송 0.1mm/rev,

- 관통깊이 90mm,

- 습식 조건

- 피삭재 SCM440

도 5는, 실시예 및 비교예에 따른 인써트를 일 조건으로 절삭시험을 수행한 후의 상태를 나타내는 사진이다.

도 5의 좌측(비교예)와 우측(실시예)에 나타난 바와 같이, 동일하게 130hole 을 가공한 후의 인써트의 상태에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인써트가 상기 절삭조건에서 비교예에 비해 내치핑성과 경사면 내마모성이 개선되었음이 관찰된다.

다음으로, 준비한 실시예 및 비교예에 따른 인써트를, 직경 20mm 드릴 홀더에 창착하고, 다음과 같이 위 조건과는 피삭재를 다르게 하는 절삭조건으로 절삭시험을 수명종료 시까지 수행하였다.

- 속도 120m/min,

- 회전당 이송 0.08mm/rev,

- 관통깊이 90mm,

- 습식 조건

- 피삭재 STS304

도 6은, 실시예 및 비교예에 따른 인써트를 다른 조건으로 2회 절삭시험을 수행한 후의 상태를 나타내는 사진이다.

도 6에 나타난 바와 같이, 비교예에 따른 인써트의 경우, 평균 40hole 정도에서 수명이 종료됨에 비해, 본 발명의 실시예에 따른 인써트는 평균 140hole 이상에서 수명이 종료되므로, 비교예에 비해 수명이 현저하게 개선된 것을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 실시예와 같이, 선단부에 탈부착 가능하게 체결된 인써트의 여유면을 부분적으로 폴리싱하여 내마모층을 부분적으로 제거하게 되면, 회전가공 시 중심부의 극저속 영역에서 발생하는 미소취성마모(micro-brittle wear)을 약화시킬 수 있게 되어, 선단부의 중심이 피삭재와 접한 상태에서 회전하여 절삭이 이루어지는 인써트의 수명을 현저하게 개선할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (4)

1. 기둥상으로 이루어지고 선단부의 중심이 피삭재와 접하여 회전하면서 절삭가공이 이루어지는 절삭공구로서,
   상기 절삭공구는 드릴 또는 볼 엔드밀이고,
   상기 절삭공구의 선단부는 탈부착이 가능한 1개 이상의 인덱서블 타입 인써트로 이루어지고,
   상기 인써트는 초경합금을 기재로 하며,
   상기 인써트의 표면에는 내마모층이 형성되어 있고,
   회전중심으로부터 0.01R~0.8R(R은, 기둥상 공구의 반경)의 범위 내에 체결된 인써트의 여유면에 형성된 내마모층의 일부가 제거됨으로써,
   절삭가공 시 기둥상으로 이루어지는 절삭공구의 외주부에 비해 저속으로 회전하여 상기 회전중심으로부터 0.01R~0.8R 범위에 형성되는 극저속 영역에서의 피로(fatigue)에 의한 미소취성마모를 줄이는, 절삭공구.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 내마모층은 단층 또는 다층박막으로 이루어진 절삭공구.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 내마모층은 금속원소로서 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al과 Si 중에서 선택된 1종 이상의 원소와, 비금속원소로서 N, C, O 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 박막을 1층 이상 포함하는 절삭공구.
   

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