KR102019084B1 - 강성을 보강한 플랫 릴리프를 구비한 엔드밀 - Google Patents

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Abstract

에센트릭형 플랫 릴리프(Eccentric Like Flat Relief)가 형성된 엔드밀이 개시된다. 본 발명의 에센트릭형 플랫 릴리프(간단히 'ELF'라 함)는 적어도 3개 이상의 플랫 릴리프 면(Flat Relief Surface)이 에센틀릭 릴리프(Eccentric Relief)의 궤적을 따라 연속적으로 배치된 것으로서, 플랫 릴리프와 에센트릭 릴리프의 강점을 결합하여 강성이 우수하면서도 열 배출 특성이 우수한 엔드밀을 만들 수 있다.

Description

강성을 보강한 플랫 릴리프를 구비한 엔드밀{End Mill Improving Rigidity by Comprising Flat Reliefs}
본 발명은 플랫 릴리프(Flat Relief)와 에센트릭 릴리프(Eccentric Relief)의 강점이 결합된 내열합금(Ti & Nickel Base) 가공용 엔드밀(End Mill)에 관한 것이다.
엔드밀(End Mill)은 드릴과 같은 회전 공구로서, 회전 축이 되는 중심축을 따라 절삭날(Cutting Tooth)이 가공된 커팅부가 앞부분에 있고, 커팅부로부터 연장된 후단에 생크부(Shank)가 형성된 공구이다. 커팅부에는 전단과 측면에 걸쳐 복수 개의 절삭날과 홈(Flute)이 교번적으로 배치되어 있다. 엔드밀은 금속 정밀가공에 널리 사용되는 공구로서, 옆날(외주날)은 가공물의 측면을 깎고, 바닥날은 가공물의 윗면을 깎는데 사용한다.
엔드밀의 옆날에는 절삭날과 가공물(피삭제) 사이의 마찰 등을 줄이기 위해, 랜드(Land)에서 커팅 엣지(Cutting Edge)의 뒷편의 외주면을 제거하여 '릴리프(Relief)'라는 공간을 만든다. 옆날 릴리프에는, 랜드를 평면으로 가공하여 릴리프를 만드는 플랫 릴리프(Flat Relief)와, 오목하게 가공하여 릴리프를 만드는 콘케이브 릴리프(Concave Relief), 랜드를 볼록하게 가공하여 릴리프를 만드는 에센트릭 릴리프(Eccentric Relief) 등이 널리 사용된다. 특히 콘케이브 릴리프의 경우, 원형의 외주면을 갖는 연삭 휠이 플랫 릴리프를 가공함에 있어 필연적으로 발생하는 오목한 형태의 릴리프이며, 모든 플랫 릴리프는 정도의 차이만 있을 뿐 콘케이브성 플랫의 형태를 가진다. 대부분 하나의 릴리프 면을 구비하지만, 공구의 직경이 클 경우에는 첫 번째 릴리프 면(Primary Relief Surface)에 이어서 다시 더 큰 공간을 확보하기 위한 2차 릴리프 면(Secondary Relief Surface)도 성형한다.
평면으로 가공하는 플랫 릴리프 면은 곡면으로 가공하는 에센트릭 릴리프 면에 비해 가공하기 쉽다. 또한, 플랫 릴리프를 구비한 절삭날은 곡면인 에센트릭 릴리프로 가공된 절삭날에 비해 상대적으로 날렵하고 날카롭기 때문에 절삭성도 뛰어나다. 또한, 플랫 릴리프는 동일한 이유로 가공물과 절삭날 사이에 상대적으로 넓은 공간을 제공하기 때문에 에센트릭 릴리프에 비해 열의 배출이 우수하다. 반대로 에센트릭 릴리프는 볼록하게 가공되면서 절삭날이 두터워서 플랫 릴리프에 비해 강성이 좋고 그만큼 수명이 길다. 엔드밀은 소모품이므로, 업계에서는 플랫 릴리프에 비해 옆날의 강성이 우수하고 수명이 긴 에센트릭 릴리프가 널리 사용된다.
최근에 우주항공 분야 등을 비롯해 다양한 분야에서 내열 합금(High Temperature Alloy)의 사용이 늘어나고 있다. 내열합금 가공물의 절삭에서는 공구의 강성보다는 열의 분포와 열 배출이 엔드밀의 수명에 더 많은 영향력을 준다. 따라서 옆날에서의 열 배출이 상대적으로 좋은 플랫 릴리프가 에센트릭 릴리프보다 오히려 내열합금을 가공하는데 유리하다. 절삭이 진행되면서 공구 옆날이 마모되면, 에센트릭 릴리프는 가공물과의 접촉면적이 더욱 넓어지면서 열 배출의 문제가 더욱 악화된다. 그렇다고 플랫 릴리프가 절대적으로 유리한 것도 아니다. 옆날 강성이 약하다는 플랫 릴리프의 약점은 내열 합금 가공에서도 여전히 유효하기 때문이다.
본 발명의 목적은, 플랫 릴리프(Flat Relief)와 에센트릭 릴리프(Eccentric Relief)의 강점을 결합하여 강성이 우수하면서도 열 배출 특성이 우수한 엔드밀(End Mill)을 제공함에 있다.
플랫 릴리프가 에센트릭 릴리프에 비해 열 배출 특성이 우수하다는 점과 에센트릭 릴리프가 여전히 공구의 강성이 우수하다는 점을 이용하여 열의 배출 성능을 개선하면서도 강성을 유지한 내열합금용 엔드밀을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엔드밀은 전단과 측면에 걸쳐 복수 개의 바닥날과 옆날이 형성된 커팅부와, 상기 커팅부의 중심축을 따라 상기 커팅부의 후방에 마련된 생크부를 포함한다. 여기서, 본 발명의 엔드밀은 상기 복수 개의 옆날 중 적어도 하나의 랜드(Land)에, 커팅 엣지에서 연장되어 상호 이어진 적어도 3개의 플랫 릴리프 면을 포함하는 에센트릭형 플랫 릴리프 면이 구비됨을 특징으로 한다. 한편, 플랫 릴리프는 원형의 연삭 숫돌(Grinding Wheel)로 가공하기 때문에, 아무리 큰 사이즈의 휠로 플랫 면을 가공하더라도 일정한 오차 범위 내에서 컨케이브(Concave) 면이 될 수 있다. 이러한 점을 고려하면, 에센트릭형 플랫 릴리프를 구성하는 본 발명의 플랫 릴리프에는 플랫 가공 시의 가공 공차에 의해 구현되는 컨케이브 면 또는 컨케이브 릴리프가 포함될 수 있다.
예를 들어, 상기 에센트릭형 플랫 릴리프 면은, 레이크 면과 상기 커팅 엣지를 형성하는 제1 플랫 릴리프 면과, 상기 제1 플랫 릴리프 면에서 연장된 제2 플랫 릴리프 면과, 상기 제2 플랫 릴리프 면에서 연장된 제3 플랫 릴리프 면을 포함하는 3개의 플랫 릴리프 면으로 구현될 수 있다.
나아가, 상기 에센트릭형 플랫 릴리프 면은 종래의 에센트릭 릴리프의 궤적을 따라는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 적어도 3개의 플랫 릴리프 면에서 구한 여유각이 5°에서 20°사이가 바람직하다. 여유각은 적어도 3개의 플랫 릴리프 면에 의한 최단거리(Distance) 대비 최대폭(Drop)를 아크 탄젠트하여 구할 수 있다. 상기 중심축에 수직한 단면을 기준으로, 최대거리는 상기 커팅 엣지가 그리는 가상의 외주면으로부터 상기 적어도 3개의 플랫 릴리프 면까지의 법선방향의 거리의 최대값이다.
본 발명에 따른 엔드밀은 적어도 3개의 플랫 릴리프 면을 에센트릭 릴리프(Eccentric Relief)의 궤적을 따라 상호 이어진 상태로 배치한 '에센트릭형 플랫 릴리프 면'(Eccentric Like Flat Relief, ELF 면)을 구비한다.
에센트릭형 플랫 릴리프는 평면으로 가공된 플랫 릴리프 면이 반복된 것이기 때문에, 종래의 플랫 릴리프가 가지는 우수한 가공성, 종래의 에센트릭 릴리프에 비해 상대적으로 우수한 절삭성 및 열 배출성을 그대로 유지할 수 있다. 반면에, 에센트릭형 플랫 릴리프는 에센트릭 릴리프의 궤적을 따라 배치되기 때문에, 종래의 플랫 릴리프에 비해 절삭날이 두터워서 그만큼 강성이 우수한 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드밀을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 엔드밀의 전면을 도시한 도면, 그리고
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에센트릭형 플랫 릴리프를 도시한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 엔드밀(10)은 하나의 중심축(11)을 따라 형성된 커팅부(20)와, 커팅부(20)의 후단에 마련된 생크부(Shank)(30)를 포함한다. 도 1의 엔드밀(10)은 통상의 솔리드 타입(Solid Type)의 엔드밀을 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않고 헤드 분할형이나 브레이징 타입 등 다양한 형태의 엔드밀에도 본 발명이 적용된다.
도 1의 도시된 엔드밀(10)은 커팅부(20)의 전단(Front end)(21)이 평평한 스퀘어(Square)형을 도시하고 있지만, 종래에 알려진 어떠한 엔드밀도 가능하다. 예컨대 커팅부(20) 전단의 형태에 따라 분류되는 볼(Ball)형, 테이퍼(Taper)형, 테이퍼볼(Tapered Ball)형에 모두 적용될 수 있다. 또한, 생크부(30)도 스트레이트(Straight)형 생크 뿐만 아니라, 플랫(Flat) 생크, 콤비네이션(Combination) 생크, 또는 테이퍼(Taper) 생크를 포함해 어떠한 형태로도 가공될 수 있다.
커팅부(20)에는 전단(21)과 측면(Peripheral Surface)(22)에 걸쳐 복수 개의 절삭날(23)과 홈(Flute)(24)이 교번적으로 형성되어 있다. 절삭날(23)은 전단(21)에 마련된 바닥날(25)과, 바닥날(25)로부터 연장되어 측면(22)에 형성된 옆날(26)을 포함하며, 커팅부(20)를 따라 나선형으로 배치되어 있다. 여기서, 본 발명이 적용되는 엔드밀(10)은 복수 개의 옆날(26)을 구비한 것이어야 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 엔드밀(10)은 복수 개의 옆날 중 적어도 하나의 옆날(26)의 랜드(Land)(41)에, 커팅 엣지(Cutting Edge)(46)에서 연장되어 상호 이어진 적어도 3개의 플랫 릴리프 면(Flat Relief Surface)을 에센트릭 릴리프(Eccentric Relief)의 궤적을 따라 배치하는 것을 특징으로 한다. 따라서 적어도 3개의 플랫 릴리프 면은 중심축(11)으로부터 편심된 가상의 중심점으로부터 동일한 반지름 상에 배치된 원호를 따라 배치되어야 한다. 이하에서, 에센트릭 릴리프(Eccentric Relief)의 궤적을 따라 상호 이어진 상태로 배치된 적어도 3개의 플랫 릴리프 면을 '에센트릭형 플랫 릴리프'(Eccentric Like Flat Relief, 간단히 'ELF'라 함)라고 한다. 한편, 플랫 릴리프는 원형의 연삭 숫돌(Grinding Wheel)로 가공하기 때문에, 아무리 큰 사이즈의 휠로 플랫 면을 가공하더라도 일정한 오차 범위 내에서 컨케이브(Concave) 면이 될 수 있다. 이러한 점을 고려하면, 에센트릭형 플랫 릴리프를 구성하는 적어도 3개의 플랫 릴리프에는 플랫 가공 시의 가공 공차에 의해 구현되는 컨케이브 면 또는 컨케이브 릴리프가 포함될 수 있다.
'에센트릭형 플랫 릴리프'는 평면으로 가공된 플랫 릴리프 면이 반복된 것이기 때문에, 종래의 플랫 릴리프가 가지는 우수한 가공성, 종래의 에센트릭 릴리프에 비해 상대적으로 우수한 절삭성 및 열 배출성을 그대로 유지할 수 있다. 반면에, 에센트릭형 플랫 릴리프는 에센트릭 릴리프의 궤적을 따라 배치되기 때문에, 종래의 플랫 릴리프에 비해 절삭날이 두터워서 그만큼 강성이 우수한 특징이 있다.
도 2의 도시된 옆날(26)은 3개의 플랫 릴리프 면으로 구성된 에센트릭형 플랫 릴리프가 랜드(41)에 형성된 예로서, 에센트릭형 플랫 릴리프 면(Eccentric-Flat Relief Surface)은 레이크 면(Rake Surface)(42)과 커팅 엣지(46)를 형성하는 제1 플랫 릴리프 면(43)과, 제1 플랫 릴리프 면(43)에서 연장된 제2 플랫 릴리프 면(44)과, 제2 플랫 릴리프 면(44)에서 연장된 제3 플랫 릴리프 면(45)을 포함한다. 중심축(11)에 수직한 단면을 기준으로, 도 3에 도시된 가상의 에센트릴 릴리프의 궤적(ER)은 랜드(41)의 양단(t1, t4)을 연결하는 원호가 된다. 제1 내지 제3 플랫 릴리프 면(43, 44, 45)이 하나의 에센트릭 릴리프의 궤적을 따라야 하므로, 제1 플랫 릴리프 면(43)의 양단(t1, t2), 제2 플랫 릴리프 면(44)의 양단(t2, t3), 그리고 제3 플랫 릴리프 면(45)의 양단(t3, t4)이 가상의 에센트릭 릴리프의 궤적(ER) 상에 배치됨을 알 수 있다.
에센트릭 릴리프는 5°에서 20°사이의 여유각을 가지도록 설계하는 점을 고려하면, 에센트릭형 플랫 릴리프도 5°에서 20°사이의 여유각을 가지는 것이 바람직하다는 것을 의미한다. 본 발명의 에센트릭형 플랫 릴리프의 여유각(Relief Angle)은 다음의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
Figure 112019013683948-pat00001
여기서, α는 에센트릭형 플랫 릴리프의 최단거리, 즉 랜드(41) 양단의 최단거리(Distance)이다. β는 에센트릭형 플랫 릴리프 면과 외주면(e)사이의 최대폭(Drop)을 나타내는 것으로서, 외주면에 수직한 법선(또는 중심축을 지나는 중심선, f) 상에서 측정한다.
실험 결과
본 발명의 에센트릭형 플랫 릴리프의 성능을 테스트하기 위하여, ① 본 발명의 에센트릭형 플랫 릴리프로 가공된 본 발명의 엔드밀과 ② 비교를 위해 에센트릭 형으로 가공된 비교 엔드밀을 준비하고, 동일한 가공 방식으로 동일한 합금의 피삭제를 가공하였다.
외경 사이즈가 Ø10 mm인 엔드밀을 사용하여 테스트를 진행했으며, 피삭제는 초내열합금 Inconel 718 (니켈 합금)을 사용하였다. 테스트에 적용된 가공방법은 옆날과 바닥날을 모두 이용하여 슬롯(Slot)을 가공하는 Slotting 가공과, 옆날을 이용하여 피삭제의 측면을 가공하는 Side Cutting 가공이며, Slotting 가공과 Side Cutting 가공 모두에 절삭유를 사용하여 냉각하였다. 각각의 절삭조건은 다음의 표 1과 같다.


절삭 조건

Slotting		 RPM 796
FEED 96
Ae 1.0 x D
Ap 0.6 x D


절삭 조건

Side Cutting		 RPM 1019
FEED 130
Ae 0.30 x D
Ap 0.80 x D
Type of Tool Holder Milling Chuck, BT 50
Work Material (피삭제) Inconel [Inconel 718(HRc 39)]
냉각방식 Wet Cut (수용성 9%)
표 1에서, Ae는 Radial Depth를 나타내고, Ap는 Axial Depth를 나타낸다. D는 엔드밀의 외경(Diameter)를 나타낸다. 따라서 본 테스트는 10mm 외경의 엔드밀로 Inconel 718 초내열합금에 대해, Side Cutting 가공은 Radial Depth 3mm, Axial Depth 8mm로 가공하였고, Slotting 가공은 Radial Depth 10mm, Axial Depth 6mm로 진행했다.
도 4에는, 테스트 전에 촬영한 본 발명의 엔드밀과 비교 엔드밀의 커팅 엣지를 촬영한 이미지(a), Side Cutting 가공을 가공거리(Cutting Length) 1.6m(b), 4.8m(c) 및 6.4m(d) 진행한 후에 각각의 엔드밀의 커팅 엣지를 각각 촬영한 이미지가 개시되어 있다.
도 5에는, 테스트 전에 촬영한 본 발명의 엔드밀과 비교 엔드밀의 커팅 엣지를 촬영한 이미지(a), Slotting 가공을 가공거리 0.8m(b), 2.4m(c) 및 4m(d) 진행한 후에 각각의 엔드밀의 커팅 엣지를 각각 촬영한 이미지가 개시되어 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 동일한 가공 조건에서 동일한 피삭제를 가공했을 때, 본 발명의 엔드밀이 에센트릭 릴리프로 가공한 비교 엔드밀에 비해 커팅 엣지의 손상이 현저하게 작음을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
10: 엔드밀 11: 중심축
20: 커팅부 21: 커팅부 전단
22: 커팅부 측면 23: 절삭날
24: 홈(Flute) 25: 바닥날
26: 옆날 30: 생크부
41: 랜드 42: 레이크 면
43: 제1 플랫 릴리프 면 44: 제2 플랫 릴리프 면
45: 제3 플랫 릴리프 면 46: 커팅 엣지
e: 외주면 f: 중심선
ER: 가상의 에센틀릭 릴리프
t1, t2, t3, t4: 제1 내지 제3 플랫 릴리프 면의 양단

Claims (3)

  1. 내열 합금용 엔드밀에 있어서,
    전단과 측면에 걸쳐 복수 개의 바닥날과 옆날이 형성된 커팅부; 및
    상기 커팅부의 중심축을 따라 상기 커팅부의 후방에 마련된 생크부를 포함하고,
    상기 복수 개의 옆날 중 적어도 하나의 랜드(Land)는, 커팅엣지에서 연장되어 상호 이어진 적어도 3개의 플랫 릴리프 면으로 구현된 에센트릭형 플랫 릴리프면으로 형성되고,
    상기 중심축에 수직한 단면을 기준으로, 상기 에센트릭형 플랫 릴리프 면의 최단거리(Distance) 대비, 상기 커팅 엣지가 그리는 가상의 외주면으로부터 상기 에센트릭형 플랫 릴리프 면까지의 법선방향 최대폭(Drop)를 아크 탄젠트하여 구한 여유각이 5°에서 20°사이이고,
    상기 적어도 3개의 플랫 릴리프 면 각각의 양단은 상기 중심축에 수직한 단면을 기준으로 상기 랜드의 양단을 연결하는 가상의 원호 상에 배치되며,
    상기 원호는 상기 중심축으로부터 편심된 가상의 중심점을 가지는 것을 특징으로 하는 엔드밀.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에센트릭형 플랫 릴리프 면은,
    레이크 면과 상기 커팅 엣지를 형성하는 제1 플랫 릴리프 면;
    상기 제1 플랫 릴리프 면에서 연장된 제2 플랫 릴리프 면; 및
    상기 제2 플랫 릴리프 면에서 연장된 제3 플랫 릴리프 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔드밀.
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