KR101920564B1 - 절삭 공구의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

절삭 공구의 제조 방법에 따르면, 절삭 날의 형성 영역이 정의된 예비 절삭 공구를 준비한 후, 상기 형성 영역에 슬롯 가공을 통하여 제1 폭을 갖는 제1 홈을 형성한다. 상기 제1 홈의 측벽을 따라 선택적으로 상기 제1 홈을 바닥면을 노출시키는 마스크 패턴을 형성한 후, 상기 마스크 패턴을 마스크로 이용하는 등방성 식각 공정을 통하여, 상기 제1폭보다 큰 제2 폭을 갖고 상기 제1 홈과 연통되는 제2 홈을 형성함으로써, 상기 제1 및 제2 홈들을 포함하는 절삭 홈을 형성한다. 이어서, 상기 절삭 홈을 열가소성 고분자 소재를 이용하여 3차원 프린팅 공정을 통하여 충진하여 상기 절삭 홈 내에 충진체를 형성한 후, 상기 충진체를 소결 및 가공하여 상기 형성 영역 내에 절삭날을 형성한다. 이로써, 절삭 공구가 용이하게 형성될 수 있다.

Description

절삭 공구의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING A CUTTING TOOL}
본 발명은 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 본 발명은 절삭 공구에 포함된 절삭날을 용이하게 형성하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.
소재 산업의 발전에 따라 유리 섬유나 탄소 섬유 강화 플라스틱 등 높은 인성을 갖는 상을 도입한 복합재의 사용이 늘어나고 있다. 일반적으로 차량이나 배의 에너지 효율을 증가시키는데 가장 좋은 방법은 무게를 줄이는 것이고, 이에 따른 구조물의 강도 및 인성 감소를 최소화 하거나 증대시키는 것이 신소재 적용의 목적이다. 상기 신소재로 이루어진 대상물을 가공하기 위하여 절삭 공구가 이용될 수 있다.
특히, 탄소 섬유는 경량화를 필요로 하는 다양한 구조재에 적용되어 무게의 감소에 기여하면서 더욱 강한 구조물을 만드는데 기여할 수 있는 대상물의 소재에 해당한다. 한편, 세라믹 섬유상 소재는 높은 내마모도를 가짐에 따라 상기 대상물을 이루는 소재로서 이용되고 있다.
상기 세라믹 섬유상 소재로 이루진 대상물을 절삭 공구를 이용하여 가공하여, 접합 부위를 갖는 제1 가공물을 형성한다. 이후, 접합 부위에 제2 가공물을 접합하여 구조물을 제조할 수 있다.
상기 절삭 공구를 이용하여 가공하여, 접합 부위를 갖는 제1 가공물을 형성할 때, 상기 절삭 공구의 절삭날이 급격히 마모되어, 이에 따라 접합 부위가 제대로 절삭되지 않을 수 있다. 이에 따라, 고경도, 고인성을 갖는 세라믹 섬유상 섬유들이 상기 절삭 부위에 잔류함에 따라 제1 및 제2 가공물들 간의 체결을 방해할 수 있다.
이러한 세라믹 섬유상 소재를 절삭 공구를 이용하여 장시간 안정적으로 가공하기 위해서는 상기 절삭 공구는, 다이아몬드나 붕화질소 결정들의 소결체(PCD / PcBN) 등과 같은 소결체를 이용하여 제조될 수 있다. 이러한 소결체는 경도는 매우 높지만 소재의 인성이 작아서 독자적인 공구 소재로 사용되는데 한계가 있다.
이에 따라 전통적인 방법으로는 초경공구의 절삭부에 PCD나 PcBN 를 경납 땜(Brazing) 공정을 통하여 사용하였으나, 경납땜 공정은 융점에 도달한 접합재에 적절한 압력을 인가하여 접하는 기술이다. 하지만, 상기 경납땜의 경우, 인가되는 접착력이 충분해야 하는 문제가 있음에 따라, 형상이 복잡한 드릴이나 앤드밀 등의 공구에는 적용하지 못한 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 절삭 영역에 소결체를 이용하여 절삭날을 용이하게 형성하는 절삭 공구의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 절삭 공구의 제조 방법에 따르면, 절삭 날의 형성 영역이 정의된 예비 절삭 공구를 준비한 후, 상기 형성 영역에 슬롯 가공을 통하여 제1 폭을 갖는 제1 홈을 형성한다. 상기 제1 홈의 측벽을 따라 선택적으로 상기 제1 홈을 바닥면을 노출시키는 마스크 패턴을 형성한 후, 상기 마스크 패턴을 마스크로 이용하는 등방성 식각 공정을 통하여, 상기 제1폭보다 큰 제2 폭을 갖고 상기 제1 홈과 연통되는 제2 홈을 형성함으로써, 상기 제1 및 제2 홈들을 포함하는 절삭 홈을 형성한다. 이어서, 상기 절삭 홈을 열가소성 고분자 소재를 이용하여 3차원 프린팅 공정을 통하여 충진하여 상기 절삭 홈 내에 충진체를 형성한 후, 상기 충진체를 소결 및 가공하여 상기 형성 영역 내에 절삭날을 형성한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 예비 절삭 공구는 그린 바디체 또는 초경 공구를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 고분자 소재는, 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN); 및 0.1 내지 95.0 중량%의 열가소성 고분자 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마스크 패턴은, 상기 제1 홈을 따라 컨포멀하게 마스크막을 형성하고, 상기 마스크막에 대하여 반응성 이온 식각 공정으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 절삭 홈은 0.1 mm 내지 200 mm 깊이 및 5 um 내지 100 mm의 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예항에 어서, 상기 충진체에 대한 소결 공정은, 1기압 이상 및 300°C 이상의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 절삭 공구의 제조 방법에 따르면 마스크를 이용하는 반응성 이온 식각 공정 및 등방성 식각 공정을 이용하여 절삭 홈을 정밀하게 형성함으로써, 상기 절삭 홈 내에 절삭 날을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 절사 홈이 복수개로 다양한 형상을 가짐에 따라, 절삭 날의 개수 및 형상이 다양하게 제조될 수 있다.
나아가, 상기 절삭 홈을 3D 프린팅 기술을 이용하는 충진 공정을 이용함으로써, 수십 마이크로 폭의 절삭 홈을 효과적으로 충진함으로써, 절삭날 내에 기공 발생이 억제될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 절삭홈을 형성하기 위한 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구를 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 절삭 공구의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 2는 도 1의 절삭홈을 형성하기 위한 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구의 제조 방법에 있어서, 절삭날의 형성 영역이 정의된 예비 절삭 공구(1)를 준비한다(S110). 상기 예비 절삭 공구(1)는 세라믹 섬유 물질 또는 초경합금과 같은 물질로 이루어진 그린 바디체 또는 초경 공구을 포함할 수 있다. 상기 초경합금은, 탄화텅스텐, 탄화티탄과 같은 물질을 들 수 있다. 상기 예비 절삭 공구(1)는 원기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 절삭날의 형성 영역은, 상기 예비 절삭 공구의 팁 부분에 정의된다. 상기 절삭날의 형성 영역은 헬리컬 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 절삭날의 형성 영역은 3개 이상의 패턴들을 포함할 수 있다. 이로써, 후속하여 형성되는 절삭날은 3개 이상의 날을 가질 수 있다.
이어서, 상기 형성 영역에 슬롯 가공의 통하여 제1 폭을 갖는 제1홈(6)을 형성한다(S130). 상기 제1 폭은 상기 형성 영역의 폭에 대응될 수 있다. 제1 홈(6) 또한 헬리컬 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 홈(6)의 측벽을 따라 상기 제1홈의 바닥면을 노출시키는 마스크 패턴(15)을 형성한다(S150). 상기 마스크 패턴(15)은 예를 들면 포토레지스트 물질을 포함할 수 있다. 상기 마스크 패턴(15)을 형성하기 위하여, 제1 홈(6)을 따라 컨포멀하게 마스크막(10)을 형성한다. 이후, 상기 마스크막(10)을 반응성 이온 식각 공정을 통하여 상기 바닥면에 위치하는 마스크막(10)의 일부를 제거함으로써, 상기 바닥면을 노출시키는 마스크 패턴(15)을 형성할 수 있다.
따라서, 상기 반응성 이온 식각 공정은 상기 마스크막(10)을 보다 정밀하고 균일하게 패터닝할 수 있다.
이어서, 상기 마스크 패턴(15)을 마스크로 이용하는 등방성 식각 공정을 통하여, 상기 제1폭보다 큰 제2 폭을 갖고 상기 제1 홈(6)과 연통되는 제2 홈(8)을 형성한다. 이로써, 상호 연통된 상기 제1 및 제2 홈(6, 8)들을 포함하는 절삭 홈(5)이 형성된다.(S170)
상기 절삭 홈(5)은 0.1 mm 내지 200 mm 깊이 및 5 um 내지 100 mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 등방성 식각 공정의 예로는 식각액을 이용하는 습식 식각 공정을 들 수 있다. 상기 식각액은, 예를 들면, 불산, 질산, 염산 등과 같은 강산을 포함할 수 있다.
상기 습식 식각 공정에 있어서, 상기 식각액이 상기 제1 홈(6)을 통하여 상기 예비 절삭 공구(1)의 내부로 공급됨에 따라 상기 예비 절삭 공구(1)의 내부에 제1 홈(6)과 연통된 제2 홈(8)이 형성된다.
상기 마스크 패턴(15)을 제거한 후, 상기 절삭 홈(5)을 3차원 프린팅 공정을 통하여 충진함으로써, 상기 절삭 홈(5) 내에 충진체(3)를 형성한다(S180). 상기 충진체(3)는 열가소성 고분자 소재를 포함한다. 상기 열가소성 고분자 소재는 후속하는 소결 공정에서 바인더로서 기능함으로써, 소결체의 경도를 개선할 수 있다.
또한, 3차원 프린팅 공정을 통하여 상기 절삭 홈(5)을 충진함으로써, 상기 절삭 홈(5) 내에 충진체(3)가 그 내부에 기포를 포함하지 않고 균일하게 충진될 수 있다. 이로써, 후속하여 형성되는 소결체가 우수한 경도 및 인성을 확보할 수 있다.
한편, 충진체(3)는 제1 폭을 갖는 상부 및 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 갖는 하부로 구성된다. 따라서, 상기 충진체(3)를 소결하여 소결체 및 상기 소결체를 가공하여 절살 날을 형성함으로써 절삭 공구가 제조될 경우, 상기 절삭 날이 절삭 공구의 바디로부터 용이하게 이탈되는 것이 억제될 수 있다. 이로써 절삭 공구의 사용 기간이 증대될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 고분자 소재는, 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN) 및 0.1 내지 95.0 중량%의 열가소성 고분자 바인더를 포함할 수 있다.
상기 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN) 물질은 상기 소결체에 고경도를 제공함으로써 상기 소결체를 포함하는 절삭 날이 우수한 경도를 확보할 수 있다.
상기 열가소성 고분자 바인더는, 폴리염화비닐, 폴리스티렌 등의 물질을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 충진체를 소결 및 가공하여 상기 형성 영역 내에 절삭날을 형성한다(S190). 상기 충진체를 소결하는 소결 공정은, 1기압 이상 및 300°C 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 이로써, 상기 소결 공정을 통하여 상기 충진체가 소결되어 소결체가 형성된다.
이후, 상기 소결체를 가공하여 절삭날을 형성함으로써, 절삭 공구가 제조된다. 상기 소결체를 가공하는 가공 공정은 CNC 공정을 들 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구를 설명하기 위한 도면들이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구는 바디(110) 및 절삭날(120)을 포함한다. 이때, 3개 또는 4개의 절삭날(120)이 구비된 절삭 공구가 형성됨을 확인할 수 있다
본 발명에 따른 절삭 공구의 제조 방법으로 드릴날이나 앤드밀이 용이하게 제조될 수 있다.
1 : 예비 절삭 공구 5 : 절삭 홈
6 : 제1 홈 8 : 제2 홈
10 : 마스크막 15 : 마스크 패턴
110 :바디 120 : 절삭 날

Claims (6)

  1. 절삭 날의 형성 영역이 정의된 예비 절삭 공구를 준비하는 단계;
    상기 형성 영역에 슬롯 가공을 통하여 제1 폭을 갖는 제1 홈을 형성하는 단계;
    상기 제1 홈의 측벽을 따라 선택적으로 상기 제1 홈을 바닥면을 노출시키는 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴을 마스크로 이용하는 등방성 식각 공정을 통하여, 상기 제1폭보다 큰 제2 폭을 갖고 상기 제1 홈과 연통되는 제2 홈을 형성함으로써, 상기 제1 및 제2 홈들을 포함하는 절삭 홈을 형성하는 단계;
    상기 절삭 홈을 열가소성 고분자 소재를 이용하여 3차원 프린팅 공정을 통하여 충진하여 상기 절삭 홈 내에 충진체를 형성하는 단계; 및
    상기 충진체를 소결 및 가공하여 상기 형성 영역 내에 절삭날을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 열가소성 고분자 소재는,
    다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN); 및
    0.1 내지 95.0 중량%의 열가소성 고분자 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예비 절삭 공구는 그린 바디체 또는 초경 공구를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 마스크 패턴을 형성하는 단계는,
    상기 제1 홈을 따라 컨포멀하게 마스크막을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크막에 대하여 반응성 이온 식각 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 절삭 홈은 0.1 mm 내지 200 mm 깊이 및 5 um 내지 100 mm의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 제조 방법.
  6. 제1항에 어서, 상기 충진체를 소결하는 단계는 1기압 이상 및 300°C 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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