KR102200515B1 - 절삭공구 및 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법 및 이를 위한 전자빔 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내구성이 현저하게 상승 될 수 있으며, 절삭공구 및 절삭층의 뒤틀림이나 파손 없이 브레이징 할 수 있고, 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 캐소드와 애노드를 포함하는 전자빔 방출장치, 상기 전자빔 방출장치에서 방출되는 전자빔이 조사되며, 상호 브레이징 접합되는 생크층과 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층이 위치되는 챔버, 상기 챔버에 구비되며, 상기 생크층과 접합계면층 및 절삭층이 적층된 상태의 피가공물이 위치되며, 전도성 재질로 형성되고 접지가 이루어진 지그, 상기 지그를 냉각시키는 냉각부 및 상기 전자빔 방출장치 및 냉각부를 제어하는 제어부를 포함하는 전자빔 브레이징 장치가 개시된다.

Description

절삭공구 및 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법 및 이를 위한 전자빔 장치{Cutting Tool and Device for Brazing using Electron Beam and Method for Brazing using Electron Beam}

본 발명은 절삭공구 및 절삭공구를 제조하기 위한 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법에 관한 것으로서, 내구성이 현저하게 상승 될 수 있으며, 절삭공구 및 절삭층의 뒤틀림이나 파손 없이 브레이징 할 수 있고, 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법에 관한 것이다.

인서트 팁이나 드릴 공구, 밀링 공구 등의 절삭공구는 산업현장에서 널리 쓰이고 있는 공구로서, 자동차, 금형, 항공, 전기, 반도체 등 주요 산업 분야에 많은 수요 및 영향을 끼치는 기반 기술요소이다.

예를 들어, 인서트 팁 등의 절삭공구는 선반 가공 등에 주로 쓰이는데, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반적으로 다이아몬드와 같이 마름모 형태를 가지는 생크층(16)과, 상기 생크층(16)의 모서리에 마모에 강한 세라믹 등의 재질로 이루어진 절삭층(12)이 구비된다.

이러한 인서트 팁은 여러가지 방법으로 제조될 수 있으나, 그 중 브레이징 방법으로 상기 절삭층(12)을 상기 생크층(16)에 접합하는 방법이 사용되고 있다.

즉, 상기 생크층(16)과 절삭층(12)의 사이에 은이나 니켈 합금 등의 접합층(14)을 위치시킨 후, 도 3에 도시된 바와 같이, 브레이징로(20)에 위치시킨 후 가열시켜 브레이징 한다.

상기 생크층(16)과 절삭층(12)을 브레이징 할 때, 열변형의 차이로 인해 뒤틀리거나 깨지지 않도록 서서히 가열하며, 상기 접합층(14)을 이루는 금속의 용융온도 이상으로 가열하여 접합층(14)을 용융시킨 뒤에 서서히 냉각하여 상기 용융된 접합층(14)이 고화되면서 브레이징이 완료될 수 있다.

이러한 절삭공구(10)는 선반에 쓰이는 인서트 팁 뿐만 아니라 구멍을 뚫는 드릴이나 범용 절삭기구인 밀링 등에 사용되는 공구도 마찬가지로서, 실제 절삭가공하는 부분을 이루는 절삭층을 별도로 형성하여, 용접이나 브레이징 등으로 접합시켜 제조하고 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 절삭공구 및 이의 제조방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 절삭층의 내마모성을 크게 하기위해 경도가 높은 세라믹(텅스텐 카바이드, 산화알루미늄, PCD, CBN등)을 사용하나, 반면 인성이 작아지기 때문에 절삭가공시 발생되는 진동이나 압축력에 의해 파손되는 현상이 자주 발생하며, 특히 절삭층의 엣지부위가 미세하게 손상되어 절삭공구의 수명이 짧아지거나, 가공 중 파손되어 가공품이 불량으로 처리되는 등 손실이 많았으며, 이에 따라 절삭가공 할 수 있는 재료 및 형태의 폭이 한정되고 있다.

둘째, 종래의 브레이징 방법은 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어졌고, 브레이징로를 취급하는 작업자의 숙련도에 따라 수율이 달라지는 문제점이 있었다. 또한, 브레이징 가열 시 고온으로 오랜시간동안 가열하게 되면, 생크층 및 절삭층의 결정이 성장하는 결정립 성장(Grain-growth) 현상이 발생하여, 절삭층의 세라믹은 내마모성이 작아지거나 기계적 강도가 감소(텅스텐 카이이드 등)되며, 때로는 고온에 의해 재료 변형 및 파손 등의 문제(PCD 등)가 발생된다.

셋째, 결정립 성장 현상을 방지하기 위해서 접합층의 소재의 선택에 있어서, 일반적으로 용융점이 높으며 경도(대략 638MPa, Hv)가 강하고 인성이 좋아 댐핑성능(최대 z=0.035)이 우수하여 충격 흡수성이 좋은 니켈 등의 소재를 사용하지 못하고, 용융온도가 낮은 은 등의 소재를 사용하고 있으나, 경도(250MPa, Hv)가 낮아 강성의 제약으로 인해 충격 흡수성이 좋지 않으며, 특히 가공시의 열부하에 취약한 구조를 가지고 있는 제약 사항이 있다.

넷째, 도 3의 브레이징 가공시 생크층과 절삭층이 동일한 열량을 공급받게 되므로, 상기 생크층과 절삭층을 이루는 소재의 열팽창계수가 크게 차이날 경우, 열팽창량이 차이가 크게 발생하여 깨짐이나 뒤틀림이 발생할 수 있어, 생크층과 절삭층의 소재가 열팽장계수가 크게 차이나지 않는 소재로만 선택해야 하여, 소재의 선택에 한정적인 문제점이 있다.

다섯째, 일반적으로 절삭공구에서 실제 절삭하는 절삭층은 내마모성이 우수한 WC(텅스텐 카바이드)등의 세라믹 계열의 재질을 널리 사용하나, 세라믹 소재는 비전도성의 소재로서 전자빔으로 가공하기 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 보다 생산성이 향상되며, 수명이 늘어나며, 비전도성 소재의 전자빔 브레이징이 가능하여 소재의 선택이 자유로운 절삭공구 및 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법 및 이를 위한 전자빔 장치를 제공하는 것이 과제이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 제1형태에 따르면, 캐소드와 애노드를 포함하는 전자빔 방출장치, 상기 전자빔 방출장치에서 방출되는 전자빔이 조사되며, 상호 브레이징 접합되는 생크층과 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층이 위치되는 챔버, 상기 챔버에 구비되며, 상기 생크층과 접합계면층 및 절삭층이 적층된 상태의 피가공물이 위치되며, 전도성 재질로 형성되고 접지가 이루어진 지그, 상기 지그를 냉각시키는 냉각부 및 상기 전자빔 방출장치 및 냉각부를 제어하는 제어부를 포함하는 전자빔 브레이징 장치가 개시된다.

상기 피가공물의 절삭층 상면의 전자빔이 조사되는 면에 연접되어 세라믹 재질의 절삭층을 덮도록 구비되는 전도층 및 상기 전도층을 접지시키는 접지와이어를 포함할 수 있다.

본 발명의 제2형태에 따르면, 절삭공구의 생크층과 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층 사이에 접합계면층을 위치시키고, 이를 챔버 내부에서 가열하여 상기 접합계면층을 녹여 상기 생크층과 절삭층을 접합시키는 절삭공구의 브레이징 방법에 있어서, 상기 생크층 및 절삭층 중 적어도 어느 하나에 전자빔을 조사하며, 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 전자빔을 조사하는 예열단계, 예열된 상기 생크층과 절삭층 사이의 접합계면층이 녹도록 전자빔을 조사하는 접합단계 및 상기 접합계면층이 녹아 접합된 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열수축량이 동일하도록 상기 생크층과 절삭층 및 접합계면층 중 적어도 어느 하나에 전자빔을 조사하면서 냉각시키는 냉각단계를 포함하는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법이 개시된다.

상기 예열단계는, 상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량을 제어함으로써 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 제어하는 단계일 수 있다.

상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층과 절삭층에 각각 전자빔이 조사되는 전자빔 조사시간을 제어함으로써 이루어질 수 있다.

상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층과 절삭층에 각각 조사되는 전자빔의 출력을 제어함으로써 이루어질 수 있다.

상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층과 절삭층에 각각 조사되는 전자빔의 집속 및 확산도를 제어함으로써 이루어질 수 있다.

상기 접합단계는, 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 전자빔을 상기 생크층, 절삭층 또는 접합계면층 중 어느 하나에 조사하는 단계일 수 있다.

상기 접합단계는, 상기 접합계면층에 전자빔을 조사하는 단계인 전자빔을 이용할 수 있다.

상기 냉각단계는, 상기 생크층과 절삭층의 온도를 낮추면서, 상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량을 각각 제어하여, 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열수축량이 동일하도록 상기 생크층과 절삭층을 개별적으로 가열하는 단계일 수 있다.

상기 예열단계 전에, 상기 챔버를 가열하여, 상기 생크층 및 절삭층의 온도를 기 설정된 온도까지 예열시키는 분위기 예열단계를 더 포함할 수 있다.

생크층과 접합계면층 및 비전도 재질의 절삭층이 적층된 상태의 피가공물의 적어도 절삭층의 전자빔이 조사되는 피조사면에 전도층을 형성하는 전도층 형성단계, 상기 피가공물을 지그에 안착시키는 안착단계, 전도층 형성단계에서 형성된 전도층을 접지시키는 접지단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 제3형태에 따르면, 금속 소재의 생크층, 상기 생크층의 일면 또는 양면에 접합계면층에 의해 부착형성되며, 피가공물을 절삭하도록 구비되는 세라믹 소재의 절삭층을 포함하며, 상기 절삭층의 두께는 1mm이하이고, 전술한 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법으로 제조된 절삭공구를 개시한다.

또 한편, 본 발명의 제4형태에 따르면, 평판의 공구강 재질의 생크의 드릴 전방측에 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층이 전술한 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법으로 브레이징 접합된 후, 이를 환봉에 용접하고, 상기 생크와 절삭층을 소정온도 이상으로 가열한 후 트위스트 하여 제조되는 드릴 형태의 절삭공구가 개시된다.

또 한편, 본 발명의 제5형태에 따르면, 공구강 재질의 생크층에 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층이 전술한 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법으로 접합계면층에 의해 브레이징 접합한 후, 이를 펀칭툴 몸체에 용접하여 제작된 펀칭툴, 상기 펀칭툴이 관통되는 구멍이 형성되며, 공구강 재질의 생크층에 두께 1mm 이하의 세라믹 재질의 절삭층이 전술한 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법으로 접합계면층에 브레이징 접합된 펀칭 다이를 포함하는 펀치 형태의 절단공구가 개시된다.

본 발명의 절삭공구 및 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법 및 이를 위한 전자빔 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 절삭시 발생하는 압축응력에 의한 최대응력의 영향범위(대략 1mm 이내)의 가장 큰 파괴 취약부위를 강화하기 위하여 절삭층의 두께를 줄여 절삭시 발생하는 압축응력에 의한 최대응력 영향범위에 허용 임계파괴강도가 큰 금속재질의 생크층와 강성과 댐핑성능이 우수한 니켈의 일부가 포함되므로, 절삭시 발생하는 큰 비중의 내부응력의 일부가 생크층과 접합층에 작용되므로, 그만큼 절삭층에 작용되는 응력이 줄어들게 되고 절삭층의 내충격성이 향상되어 파손현상이 현저하게 감소되는 효과가 있다.

둘째, 전자빔 브레이징을 이용하여 절삭층과 생크층의 열팽창량이 동일하도록 가열함으로써, 절삭층의 두께가 얇아 생크층과 부피차이가 크거나, 열 팽창계수의 차이가 2배 이상일 경우라도 브레이징 공정 중 세라믹층이 깨지거나 뒤틀리는 현상의 발생을 방지할 수 있다.

셋째, 전자빔 브레이징을 이용함으로써, 가열시간이 대폭 단축되어, 절삭층 및 생크층 내부의 결정립 성장현상이 발생하기 전에 가열이 종료될 수 있어 브레이징 시 세라믹층과 생크층의 결정립 성장현상(스틸의 경우 카바이드 크기 등)이 방지될 수 있다. 따라서, 상기 세라믹층과 생크층의 내마모성과 강성을 확보를 위한 공정 재현성과 안정성을 확보할 수 있다.

넷째, 전자빔 브레이징을 이용함으로써, 접합계면층의 재질로서 용융점이 높은 대신 접합강도 및 내열온도가 우수하고, 내부댐핑특성이 우수한 니켈 계열의 합금을 사용할 수 있다.

다섯째, 종래에는 절삭층과 생크층의 열팽창률이 최대한 유사한 소재로 선택해야 하여 소재 선택이 자유롭지 아니하였으나, 전자빔 브레이징을 이용함으로써 절삭층과 생크층을 각각 독립적으로 가열 가능하므로 절삭층과 생크층의 열팽창률이 차이가 나는 것도 적용 가능하게 되므로서 소재 선택이 자유롭다.

여섯째, 종래에는 세라믹 등의 비전도성재질은 전자빔을 이용한 가공이 어려웠으나, 본 발명에 따르면 비전도성재질의 층 표면에 접지된 전도층이 형성되어 전자빔의 조사가 가능하여 소재의 선택이 자유롭다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 인서트 팁 절삭공구를 도시한 사시도;
도 2는 도 1의 단면도;
도 3은 도 1의 인서트 팁 절삭공구를 일반적인 브레이징 로에서 브레이징 가공하는 모습을 도시한 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인서트 팁의 일면에 절삭층이형성된 절삭공구를 도시한 사시도;
도 5는 인서트 팁의 양 면에 절삭층이 형성된 절삭공구를 도시한 사시도;
도 6 및 도 7은 절삭가공중의 인서트 팁을 도시한 단면도;
도 8은 나사산 형태의 피절삭물을 도시한 측면도;
도 9은 절삭가공중 발생되는 칩의 끊어짐 현상에 의해 절삭공구에 진동이 가해지는 상황을 도시한 측면도;
도 10는 절삭가공중에 발생되는 내부응력을 시뮬레이션한 결과를 도시한 도면;
도 11은 소재별 허용 임계파괴강도의 크기를 도시한 그래프;
도 12은 가열온도 및 시간에 따른 결정립 성장현상을 도시한 그래프;
도 13는 도 7의 인서트 팁 형태의 절삭공구가 힘을 받을 때 내부에 형성되는 최대응력 및 그에 의해 형성되는 최대응력 영향범위를 도시한 도면;
도 14은 도 10의 결과를 해석하기 위한 조건표로 일반적인 절삭가공중 발생되는 칩의 반경, 가공깊이 및 절삭력을 도시한 도표;
도 15는 작용되는 절삭력에 따른 칩의 반경 및 가공깊이별 최대응력 영향범위를 도시한 그래프;
도 16는 작용되는 절삭력에 따른 칩의 반경 및 가공깊이별 Von Mises Criterion을 도시한 그래프;
도 17은 실험조건을 나타낸 도표;
도 18은 종래의 인서트 팁 형태의 절삭공구와 본 실시예 따른 인서트 팁 형태의 절삭공구의 가공실험 결과를 도시한 표;
도 19은 본 발명의 다른 실시예에 따른 드릴 형태의 절삭공구의 제조과정을 도시한 도면;
도 20는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밀링 형태의 절삭공구의 제조과정을 도시한 도면;
도 21은 본 발명의 절삭공구가 펀칭 머신에 적용된 예를 도시한 도면;
도 22는 본 발명의 절삭공구가 칼의 형태에 적용된 예를 도시한 도면;
도 23은 본 발명의 절삭공구가 가위의 형태에 적용된 예를 도시한 도면;
도 24은 본 발명에 따른 전자빔 브레이징 장치의 일 실시예를 도시한 단면도;
도 25는 도 24의 지그를 도시한 사시도;
도 26는 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법의 일 실시예를 도시한 순서도;
도 27은 초기 예열 온도 차이에 따른 절삭층 또는 생크층의 온도상승의 차이를 도시한 그래프;
도 28는 도 26의 예열 단계에서 절삭층과 생크층에 전자빔이 조사되는 모습을 도시한 도면;
도 29는 절삭층과 생크층에 조사되는 전자빔의 조사시간이 다를 때를 나타낸 그래프;
도 30은 절삭층과 생크층에 조사되는 전자빔의 출력이 다를 때를 나타낸 그래프;
도 31은 절삭층과 생크층이 동일하게 가열될 때 열팽창량의 차이를 나타낸 그래프;
도 32은 절삭층과 생크층에 서로 다른 에너지량의 전자빔이 조사될 때 열팽창량의 차이를 나타낸 그래프;
도 33는 절삭층과 생크층이 동일하게 냉각될 때 열수축량의 차이를 나타낸 그래프; 그리고,
도 34은 절삭층과 생크층에 서로 다른 에너지량의 전자빔이 조사되면서 냉각될 때 열수축량의 차이를 나타낸 그래프
도 35는 절삭공구의 표면에 전도편을 위치한 모습을 도시한 도면;
도 36은 카본나노튜브용액을 이용해 절삭공구의 표면에 전도층을 형성한 도면이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구(500)를 도시한 도면으로서, 본 실시예에 따른 절삭공구(500)는 금속소재의 생크층(520), 상기 생크층(520)의 일면에 접합계면층(530)에 의해 부착형성되며, 피절삭물을 절삭하도록 구비되는 세라믹 소재의 절삭층(510)을 포함할 수 있다.

상기 절삭층(510)은 상기 생크층(520)의 일면에 형성될 수도 있고, 또는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 생크층(530)의 양면에 형성될 수도 있다.

이러한 절삭공구(500)는 인서트 팁 형태의 절삭공구(500)일 수 있으며, 또는 드릴이나 밀링 형태의 절삭공구(500)일 수 있다. 이하의 설명에서는 인서트 팁 형태의 절삭공구(500)를 예로 들어 설명하기로 한다.

인서트 팁 형태의 절삭공구(500)의 경우, 일반적인 절삭가공 상황은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 절삭공구(500)의 모서리 부위 끝단이 피절삭물(600)을 절삭할 수 있다. 일반적으로, 피절삭물(600)이 회전 내지는 이동하게 되면서, 고정 또는 이동되는 상태의 절삭공구(500)에 의해 절삭이 이루어질 수 있다.

도 6는 절삭가공시 피절삭물(600)에 일어나는 변형을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 피절삭물(600)에서 칩(610)이 발생되는 위치에서 제1변형영역(602)이 형성된다. 상기 제1변형영역(602)은 피절삭물(600)과 칩(610)이 이어지는 부분으로서 최대전단변형이 발생하고, 탄성변형과 소성변형이 동시에 일어나며 진동이 발생할 수 있다.

그리고, 피절삭물(600)과 절삭공구(500)의 상면이 접하는 위치에서 제2변형영역(604)이 형성될 수 있다. 상기 제2변형영역(604)은 주로 소성변형이 발생되며, 칩(610)이 절삭공구(500)에 달라붙은 상태에서 슬라이딩 이동하면서 마모가 발생할 수 있고, 그에 따라 열이 발생할 수도 있다.

한편, 피절삭물(600)과 절삭공구(500)의 모서리 하측이 접하는 위치에서 제3변형영역(606)이 형성될 수 있다. 제3변형영역(606)에서는 탄성변형과 마찰이 일어나며, 그에 따라 열이 발생할 수 있다.

도 7은 절삭가공시 절삭공구(500)에 가해지는 힘을 나타낸 도면이다.

절삭공구(500)가 피절삭물(600)을 절삭할 때, 상기 절삭공구(500)에는 제1피크응력(570)과 제2피크응력(572) 및 제3피크응력(574)이 작용될 수 있다.

일반적으로, 제1피크응력(570)의 크기가 제일 크고, 제2피크응력(572), 제3피크응력(574) 순으로 응력의 크기가 나타날 수 있다.

상기 제2피크응력(572)은 상기 절삭공구(500)의 모서리에서 피절삭물(600)의 측면에서 바라보며 작용되며, 피절삭물(600)과의 마찰에 의한 응력 및 마찰에 의한 열등이 작용되어 상기 절삭공구(500)의 측면에 플랭크마모(flank wear)가 발생할 수 있다.

상기 제3피크응력(574)은 상기 절삭공구(500)의 절삭층(510) 표면에 작용될 수 있다. 상기 제3피크응력(574)이 발생하는 위치는 상기 절삭공구(500)의 절삭층(510) 표면, 그리고, 모서리에서 이격된 지점에서 발생될 수 있는데, 상기 제2변형영역(604)의 설명에서와 같이, 발생한 칩(610)이 절삭공구(500)에 달라붙은 상태에서 슬라이딩 이동하면서 응력과 마모가 발생하는 지점으로서, 크레이터 마모(crater wear)가 발생할 수 있다.

한편, 상기 제1피크응력(570)은 상기 칩(610)에 의해 상기 절삭층(510)의 표면이 눌려지는 수직력에 의해 발생할 수 있는데, 상기 칩(610)과 접촉하고 있는 절삭층(510)의 표면이 아닌 상기 절삭층(510) 또는 생크층(520)의 내부 지점에 형성될 수 있다.

또한, 상기 절삭가공시 피절삭물에서 발생하는 칩(610)과 접촉하는 상기 절삭공구(500)의 상면이 접촉하는 영역을 절삭가공영역(550)이라 칭하기로 한다.

한편, 상기 절삭공구(500)는 도 8에 도시된 바와 같이, 표면이 균일하지 않은 피절삭물(600)의 표면을 가공할 경우 상기 절삭층(510)의 표면에 반복적인 힘이 가해질 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 절삭가공시 발생되는 칩(610)이 연속적으로 이어지지않고 중간에 끊기는 현상이 발생할 수 있는데, 이러한 경우에도 상기 절삭층(510)의 표면에 반복적인 힘이 발생될 수 있다.

즉, 절삭가공시에는 상기 절삭층(510)의 표면에 반복적인 수직력, 즉 진동이 가해질 수 있다. 이렇게 표면에 반복적인 수직력이 가해지는 경우, 최대응력은 표면이 아닌 그 표면의 하부에서 반복적인 충격응력으로 발생할 수 있다.

도 10는 절삭공구(500)에 수직력이 가해질 때 최대응력이 발생되는 지점을 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, 도 10의 (a)는 시뮬레이션 조건을 나타내었고, 도 10의 (b)는 발생된 최대응력 형성지점 및 그 주변에 형성되는 응력의 등응력선을 그래프로 나타내었으며, 도 10의 (c)는 최대응력 형성지점의 깊이를 그래프로 나타낸 도면이다.

도 10의 (a)에서, E1은 피절삭물(600)의 영율(Young's modulus)이고, Nu 1은 피절삭물(600)의 포아송 비를 나타내었다. R1은 절삭에 의해 발생하는 칩(610)의 반경이다. 본 실시예에서 피절삭물(600)은 스틸소재인 것을 예로 들어 시뮬레이션 하였다.

또한, E2는 상기 피절삭물(600)을 절삭하는 절삭공구(500)의 절삭층(510)의 영율이고, Nu 2는 절삭층(510)의 포아송 비를 나타내었다. R2는 절삭층(510)의 반경을 나타낸 것으로서, 실질적으로 평판형태이다. 본 실시예에서 상기 절삭층(510)은 텅스텐카바이드(WC)인 것을 예로 들어 시뮬레이션 하였다.

또한, 상기 Normal Load는 가해지는 수직력이며, Friction Coefficient는 마찰계수이다. 본 실시예서는 시뮬레이션을 위하여 마찰계수가 없는 것을 시뮬레이션 하였다.

시뮬레이션 결과 도 10의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 최대응력(MS)은 표면으로부터 0.26mm정도 하측의 내부에서 발생하는 것을 알 수 있다.

즉, 최대응력(MS)은 절삭층(510)의 표면이 아닌 표면보다 아래측의 내부에서 발생하는 것임을 알 수 있다. 또한, 도 10의 (b)와 (d)에 도시된 바와 같이, 최대응력 영향지점과 가까울수록 큰 응력이 작용하며, 멀어질 수록 응력의 크기가 작아지는 것을 알 수 있다.

도 11은 여러가지 소재별 파괴강도의 크기를 나타낸 그래프로서, 그래프에서 사선으로 점선 표시된 부분은 임계결함의 크기를 나타낸 것이다. 여기서 임계결함의 크기란 외력이 가해졌을 때 재료 자체의 소성파괴와 취성파괴(Yield Strength 이하 파괴)를 좌우하는 임계결함 크기이다.

도 11의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 스틸 등의 금속류(engineering alloy)는 임계결함의 크기가 대략 10mm 정도이고, 세라믹(engineering ceramics)의 임계결함의 크기는 0.0001mm 정도인 것을 알 수 있다. 이는 일반적인 스틸 등의 금속 및 세라믹의 크랙(또는 그래인 크기 등)가 수 마이크로미터 정도인 점을 감안해 볼 때 스틸의 경우는 대부분 소성파괴가 발생하나 세라믹의 경우는 대부분 취성파괴가 발생하게 됨을 알 수 있다.

또한 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 주로 절삭층(510)의 소재로 사용되는 세라믹 소재(Engineering Ceramics)가 임계결함의 크기가 금속(Engineering Alloy)에 비해서 매우 작은 것을 알 수 있으며, 그에 따라 세라믹 소재가 결함의 존재 유무 및 크기에 보다 민감한 것을 알 수 있다.

한편, 인서트 팁의 절삭층(510) 소재로 널리 사용되는 세라믹의 경우에는 소결공법으로 제조하는 것이 일반적인데, 이러한 경우 내부에 세라믹 분말들의 공극이 존재하여 결함이 상존할 우려가 있다.

또한, 도 12은 텅스텐 카바이드의 가열온도 및 가열시간과 그에 다른 결정립 크기의 변화를 도시한 그래프이다. 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide : WC)는 공업용 세라믹 소재 중 하나로서, 절삭층(510)의 소재로 활용될 수 있는 대표적인 소재이다.

도 12의 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이, 섭씨 1200도 이상으로 100분 이상 가열하였을 때 텅스텐 카바이드의 결정립의 크기가 극적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.

따라서, 브레이징시 고온으로 장시간 가열하게 되면, 절삭층(510) 또는 생크층(520)의 결정립의 크기가 성장하며, 그에 따라 공극 및 결함의 크기도 증가하게 된다. 그리고, 공극 및 결함의 크기가 증가하면 전술한 바와 같이, 임계결함크기를 초과할 수 있는 가능성이 커질 수 있다.

한편, 전술한 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 절삭공구(500)가 피절삭물(600)을 가공할 상황에서는 상기 절삭공구(500)의 절삭층(510) 표면에 수직력 F가 작용하고 있는 상황이며, 이 때의 절삭깊이를 L이라 표현하고, 발생하는 칩(610)의 반경을 R1이라 표현할 수 있다.

도 13는 본 실시예에 따른 절삭공구(500)를 도시한 단면도 이다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 절삭공구(500)는 절삭층(510)과 접합계면층(530) 및 생크층(520)을 포함할 수 있다.

상기 절삭공구(500)가 피절삭물(600)을 가공할 때에는 전술한 바와 같이, 절삭공구(500)의 절삭층(510) 표면에 수직력이 가해지고, 이에 의해 상기 절삭공구(500)의 표면 아래의 내부에 최대응력(MS: Maximum Stress)이 형성될 수 있다.

이 때, 상기 최대응력(MS)이 형성되는 지점을 중심으로 상기 절삭층(510)의 표면으로부터 최대응력의 발생지점까지의 거리를 반지름으로 하는 원 내의 영역을 최대응력 영향범위(MSEZ: Maximum Stress Effect Zone)라 칭하기로 한다.

상기 최대응력 영향범위(MSEZ)는 절삭공구(500)의 내부에서 발생하는 최대응력에 의해 영향을 많이 받는 범위를 뜻할 수 있다. 즉, 상기 최대응력 영향범위(MSEZ) 내에 발생 또는 분포되는 응력의 크기가 크며, 그에 따라 상기 최대응력 영향범위(MSEZ) 내에서 파손이 시작될 확률이 높을 수 있다.

한편, 일반적인 선반, 드릴, 밀링 등의 절삭가공시 가공환경에 대해서 설명하자면, 절삭가공시 발생하는 칩(610)의 반경 R 1은 30mm 이하이고, 절삭깊이 L은 3mm 이하이며, 이 때 상기 절삭공구(500)에 작용되는 수직력 F는 2000N 이하일 수 있다. 즉, 일반적인 선반, 드릴, 밀링 등의 절삭가공 상황에서는 상기한 조건 내에서 가공이 이루어질 수 있다.

도 14는 시뮬레이션이 실시된 조건을 도시한 표이다.

도 14에서, E1은 피절삭물(600)의 영율(Young's modulus)이고, Nu 1은 피절삭물(600)의 포아송 비를 나타내었다. R1은 절삭에 의해 발생하는 칩(610)의 반이다. 본 실시예에서 피절삭물(600)은 스틸소재인 것을 예로 들어 시뮬레이션 하였다.

또한, E2는 상기 피절삭물(600)을 절삭하는 절삭공구(500)의 절삭층(510)의 영율이고, Nu 2는 절삭층(510)의 포아송 비를 나타내었다. R2는 절삭층(510)의 반경을 나타낸 것으로서, 절삭공구(500)의 절삭층(510)은 평판 형태이므로, 실질적으로 평판형태를 나타내기 위한 수치를 입력하였다. 본 실시예에서 상기 절삭층(510)은 텅스텐카바이드(WC)인 것을 예로 들어 시뮬레이션 하였다.

도 14에서 R1-L0.5는 칩(610)의 반경이 1mm이고, 가공깊이가 0.5mm인 것을 뜻한다. 또한, R10-L2는 칩(610)의 반경이 10mm이고, 가공깊이가 2mm인 것을 뜻할 수 있다.

또한, 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 일반적인 Steel의 최대인장강도(2,700 MPa)를 파손의 한계로 가정할 경우 칩(610)의 반경이 클 수록 그리고 작용되는 절삭력, 즉 수직력이 작을 수록 내부응력(Von Mises Criterion)이 파손 한계(2,700MPa) 이내에 존재하여 파손이 일어나지 않음을 알 수 있다. 이는 칩(610)의 반경이 작을경우 칩(610)과 절착층이 접촉하는 접촉영역 또한 매우 작아져서, 작은 수직력에도 작용되는 응력의 크기가 매우 커 파손이 일어나기 때문이다.

도 15는 도 14에 표시된 각 조건으로서 연삭, 정삭 및 황삭시 절삭력과 최대응력 영향범위의 직경을 시뮬레이션하여 도시한 그래프이다. 이 때, 상기 최대응력 영향범위의 직경은 절삭층(510)의 표면으로부터의 깊이일 수 있다.

R30-L2 및 R30-L1일때의 파손한계(2,700MPa)에 도달되는 내부응력(Von Mises Criterion)이 발생되는 수직력, 즉 절삭력은 각각 대략 2,500N과 1,250N이며, R30-L0.5일 때의 수직력이 600N 임을 알 수 있다.

따라서 일반적으로 정삭가공시 절삭깊이는 0.5mm이하이며, 중삭은 대략 1mm 그리고 황삭은 대략 2mm이상으로 가공된다. 따라서 황삭가공시 칩의 반경이 커지기 때문에 보다 큰 수직력에 견딜 수 있게 된다.

또한, R30-L0.5일 때와 같이 정삭가공시 최대응력 영향범위의 직경이 최대인 것을 알 수 있으며, 대략 1mm 인근까지 커지는 것을 알 수 있다.

즉, 대부분의 절삭조건에서 최대응력 영향범위(MSEZ)의 직경은 1mm이내이며, 이는 대부분의 절삭조건에서 절삭층(510)의 표면으로부터 1mm이내의 범위 안에 최대응력 영향범위(MSEZ)가 형성됨을 알 수 있다.

따라서, 절삭층(510)의 두께가 1mm이하로 형성될 경우, 최대응력 영향범위(MSEZ) 내에 생크층(520)의 일부분이 포함됨을 알 수 있다.

한편, 도 16에 도시된 바와 같이, Vom mises Criterion을 살펴보면, 절삭층(510)의 소재인 텅스텐 카바이드(공정조건에 따른 차이 발생 가능)와 스틸의 경우 최대인장강도를 2,700Mpa 정도로 가정할 때 도 14에 도시된 각 조건별 절삭력의 최대값에 대응되는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 절삭층(510)의 경우 경도는 크나 임계결함의 크기가 매우 작은 세라믹 재질이므로, 최대응력 영향범위(MSEZ)의 일부에 생크층(520)이 포함될 경우 절삭공구(500)의 내부에서 형성되는 최대응력의 일부가 생크층(520)이 분담하게 되어 그만큼 절삭층(510)에 가해지는 힘이 줄어들 수 있으며, 상기 생크층(520)은 임계결함의 크기가 큰 금속재질이므로 최대응력 영향범위에 속하게 되더라도 재료 자체의 항복 전에 결함에 의해 취성파괴가 발생되는 것이 최대한 방지될 수 있다. 또한 일반적인 스틸의 댐핑은 0.035정도이나, 세라믹은 0.001정도로 충격하중에 취약하여 이 또한 방지가 가능해 진다.

또한, 절삭층(510)의 두께가 얇은 경우, 최대응력이 형성되는 지점이 절삭층(510)이 아닌 생크층(520)에 형성될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 대부분의 절삭조건에서 최대응력 영향범위가 1mm이내의 깊이로 형성되므로, 상기 절삭층(510)이 두께가 1mm이하로 형성되면 최대응력이 절삭층(510) 내에서 형성되는 것을 회피할 수 있거나 또는 최대응력 영향범위의 일부에 생크층(520)이 포함될 수 있는 것이다.

한편, 상기 절삭층(510)의 면적은 상기 절삭가공시 피절삭물에서 발생하는 칩(610)과 접촉하는 상기 절삭공구(500)의 상면이 접촉하는 영역을 절삭가공영역(550)보다 크게 형성되는 것을 예로 들기로 한다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 생크층(520)의 상면을 모두 덮도록 형성될 수도 있으며, 또는 절삭가공영역(550)보다 크도록 일부만 덮도록 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 생크층(520)의 강도가 다소 낮더라도 강도가 큰 세라믹층의 부착면적이 넓어 절삭공구(500) 전체적으로 강도가 향상될 수 있다.

상기 세라믹층의 재질로서는 본 실시예는 텅스텐카바이드(WC)인 것을 예로 들어 설명하기로 하나, 본 발명은 반드시 이에 한정된 것은 아니며, Al2O3, SiC, CBN, PCD등 다양한 세라믹 재질이 적용될 수 있다.

또한, 상기 생크층(520)의 재질로는 공구강이나 고속도강이 적용될 수 있다. 물론, 공구강 이외에도 다양한 재질이 적용될 수도 있을 것이다.

또한, 상기 세라믹층과 생크층(520)을 접합시키는 접합계면층(530)으로는 니켈 베이스의 합금 소재 또는 니켈 그리고 코발트가 사용될 수 있으며, 또는 실버 베이스의 합금 소재 또는 실버가 사용될 수 있는 등 다양한 재질이 적용될 수 있다.

이 때, 상기 니켈 또는 코발트의 접합 소재는 브레이징 온도가 높은 이유로, 고온 내열성이 우수한 WC나 Al2O3, SiC, CBN 등의 세라믹 소재와 짝을 이뤄 적용될 수 있으며, 실버 베이스의 소재는 브레이징 온도가 니켈 또는 코발트 소재에 비하여 비교적 낮은 이유로 PCD 등의 세라믹 소재와 짝을 이뤄 적용될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 절삭공구(500)와 기존의 절삭공구(500)를 실제 실험을 통하여 비교하였다.

실험조건은 도 17에 도시된 바와 같다. 즉, 피절삭물이 스테인레스(SUS304)인 경우 직경은 30mm이고, 재질의 경도는 220Hv이며, 비열처리 한 상태의 재질이다. 이러한 스테인레스를 절삭속도는 113m/min의 속도로, 회전수는 1200rpm으로 회전시키고, 이송속도는 0.1mm/rev, 절삭깊이는 1mm이며, 절삭유는 사용하지 아니하였다.

또한, 피절삭물이 열처리강(SUJ2)인 경우 직경은 15mm이고, 재질의 경도는 594Hv이며, 1mm깊이로 고주파 열처리를 한 상태이다. 이러한 열처리강을 절삭속도는 36.8m/min의 속도로, 회전수는 780rpm으로 회전시키고, 이송속도는 0.05mm/rev, 절삭깊이는 0.5mm이며, 절삭유는 사용하지 아니하였다.

이와 같은 실험조건으로 종래의 제품과 본 실시예에 따른 제품을 비교실험한 결과를 도 18에 도시하였다.

종래 1은 절삭공구(500) 전체가 세라믹 소재로 이루어졌으며, 칩반경이 10mm 정도이고 가공깊이가 1mm인 조건으로 가공하였다.

종래 2는 절삭층(510)에 2mm두께의 CBN 소재가 적용되고, 생크층(520)으로 세라믹(초경)소재가 적용된 절삭공구(500)이며, 칩(610)반경이 1mm이고, 가공깊이가 1mm인 조건으로 가공하였다.

본 실시예에 따른 제품은 절삭층(510)으로서 세라믹(초경)소재가 0.5mm가 적용되고, 생크층(520)으로 공구강이 적용된 절삭공구(500)이며, 칩(610)반경이 15mm이고, 가공깊이가 1mm인 조건으로 가공하였다.

도 18에 나타난 바와 같이, 종래 1의 경우에는 스테인레스 2회 가공중 파괴되었다. 그리고, 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 표면 및 표면 내부에 파괴가 관찰되고 마모의 흔적인 마모패턴을 찾아볼 수 없었다. 따라서, 마모에 의한 파괴 보다는 내부 최대응력 지점의 결함에 의한 파괴임을 알 수 있다.

종래 2의 경우에는 스테인레스 1회 가공 중 파괴되었다. 그리고, 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 표면 및 표면 내부에 파괴가 관찰되고 마모의 흔적인 마모패턴을 찾아볼 수 없었다. 따라서, 마모에 의한 파괴 보다는 내부 최대 응력 지점의 결함에 의한 파괴임을 알 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 제품은 스테일레스 가공 5회 후, 열처리강 10회 가공중 파괴가 발생하였다. 이를 통해 종래 1 및 종래 2와 비하여 현저하게 내구성이 상승한 것을 알 수 있다. 그리고 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 절삭층(510)에 마모패턴이 관찰되었다. 이로써 내부 최대응력 지점의 결함에 의한 파괴보다는 기계적마모에 의해 파괴가 일어났음을 알 수 있다.

또한, 본 실시예에서 절삭층(510)의 상부에 파괴가 일정부분 발생했으나, 종래 1 및 종래 2의 취성파괴에 의한 뜯겨짐이 아닌, 소성파괴에 의한 상면 부분이 아직 형상을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 종래 2의 경우 2mm 정도의 세라믹을 사용한 경우와 비교시 0.5mm의 세라믹 적용시의 향상된 결과를 단적으로 확인 할 수 있으며, 이는 내부에서 발생된 응력의 일부가 공구강재질의 생크층(520)에 작용되었음을 알 수 있다.

이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 1 및 종래 2와 같이, 전체가 세라믹으로 형성되거나 절삭층(510)의 두께가 두꺼운 경우, 절삭가공시 발생하는 절삭공구(500)의 내부에서 형성되는 최대응력의 영향범위가 세라믹 소재의 절삭층(510) 내에만 존재하게 되어, 절삭가공시 발생하는 절삭공구(500)의 내부에서 발생하는 응력을 모두 세라믹 소재의 절삭층(510)이 감당하게 되어 마모에 의한 파괴가 발생하기 전에 결함에 의한 취성 파괴가 먼저 발생되는 것이다.

그러나, 본 발명과 같이, 절삭층(510)의 두께가 최대응력 영향범위의 직경, 즉 표면으로부터의 깊이보다 작도록 1mm이하로 형성되는 경우, 절삭가공 중 절삭공구(500)의 내부에 발생하는 최대응력의 영향범위에 생크층(520)의 일부가 포함되어, 절삭공구(500)의 내부에서 발생된 응력의 일부가 생크층(520)에 작용되거나, 또는 표면 내부에서 형성되는 최대응력(MS)의 형성지점이 절삭층(510)을 벗어나게됨으로써 절삭층(510) 내부의 결함에 의한 취성 파괴가 방지됨으로써 내구성이 극대화 되는 것이다.

한편, 이와 같은 절삭공구(500)는 선반가공을 위한 인서트 팁에 한정되지 아니하며, 드릴이나 밀링 등의 절삭 공구 및 펀칭 등과 같은 절단 공구 등에도 적용될 수 있다.

도 19은 본 실시예의 절삭공구(500)로서 드릴 또는 2날 밀링(580)을 제조하는 모습을 도시한 도면이다. 도 19의 (a)에 도시된 바와 같이, 평판 형태의 공구강 소재의 생크층(520) 표면에 세라믹 소재의 절삭층(510)을 브레이징 공정으로 부착시킨 후에 도 19의 (b)에 도시된 바와 같이, 이를 드릴(580)의 몸체를 형성하는 환봉(582)에 용접 한다. 그리고, 섭씨 800도~1000도 정도로 가열한 뒤에 이를 환봉 중심축 기준으로 트위스트한 뒤 연마 하여 제조할 수 있다.

이 때, 상기 평판 형태의 생크층(520) 표면에 절삭층(510)을 부착시킬 때, 상기 절삭층(510)은 트위스트되는 기준축보다 더 내측으로 연장되어 부착될 수 있다.

도 20는 본 실시예의 절삭공구(500)로서 4날 이상의 밀링공구를 제조하는 모습을 도시한 도면이다.

도 20의 (a)에 도시된 바와 같이, 평판 형태의 생크층(520) 표면에 세라믹 소재의 절삭층(510)을 부착시킨다. 그리고, 도 20(b)에 도시된 바와 같이, 밀링 공구(590)의 본체(592)의 날부(594)에 전 단계에서 제조된 절삭층(510)이 부착된 생크층(520)을 용접 등으로 부착시킨 뒤에 도 20의 (c)에 도시된 바와 같이, 섭씨 800도~1000도 정도로 가열한 뒤에 이를 본체의 중심축 기준으로 트위스트한 뒤 연마 하여 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 절삭공구는 도 21에 도시된 바와 같이 펀치 형태의 절삭공구(540)로 응용될 수 있다.

본 실시예에 따른 펀치 형태의 절삭공구(540)는, 도 21에 도시된 바와 같이, 공구강 재질의 생크층(520)에 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층(510)이 접합계면층(530)에 의해 브레이징 접합된 펀칭툴(540) 및 상기 펀칭툴(540)이 관통되는 구멍이 형성되며, 공구강 재질의 생크층(520)에 두께 1mm 이하의 세라믹 재질의 절삭층(510)이 접합계면층에 의해 브레이징 접합된 펀칭 다이(544)를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 펀칭 툴(542)과 펀칭 다이(544)에 형성되는 절삭층(510)은 가공소재와 접하는 측에 형성될 수 있다.

따라서, 상기 펀칭 툴(542)과 펀칭 다이(544)의 사이에 피절삭물을 위치시킨 후에 펀칭 툴(542)을 상기 펀칭 다이(544)에 형성된 구멍에 통과시키면 피절삭물에 펀칭 툴(542)의 형태로 구멍이 형성될 수 있다.

또한, 상기 생크층(520)으로서 상기 펀칭 툴(542)이나 펀칭다이(544)의 몸체를 모두 형성할 수도 있고, 또는 펀칭 툴(542)이나 펀칭 다이(544)의 몸체는 다른 소재로 형성한 뒤에, 평판 형태의 생크층(520) 및 절삭층(510)을 별도로 형성한 뒤에 용접 등으로 붙여 형성할 수도 있다.

또는 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이, 칼이나 가위 형태의 공구로도 응용될 수 있다.

칼의 몸체를 형성하는 생크층(520)은 공구강이나 스틸 소재로 형성되며, 실제 피절삭물과 접촉하여 절삭하기 위한 날 부위에 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층(510)의 브레이징 접합될 수도 있다.

물론, 전술한 바와 같이, 칼의 몸체나 가위의 몸체는 금속이나 합성수지 등의 상기 생크층(520)과는 다른 소재거나 또는 같은 소재로 제작한 뒤에, 평판 형태의 생크층(520) 및 절삭층(510)을 별도로 형성한 뒤에 용접 등으로 붙여 형성할 수도 있다.

상기와 같은 펀치 형태의 절삭공구 및 칼이나 가위는 그 내구도가 무척 향상되어 금속 소재의 가공에 충분히 활용될 수 있다.

이하에서는 전술한 절삭공구(500)를 브레이징 가공하기 위한 전자빔을 이용한 절삭공구 브레이징 방법 및 전자빔 브레이징 장치의 실시예에 대해서 설명한다.

본 실시예에 따른 전자빔 브레이징 장치는 도 24에 도시된 바와 같이, 전자빔 방출장치(100), 챔버(210), 지그(220), 이송부(230), 냉각부(240), 진공 배출펌프(270) 및 제어부(280)를 포함할 수 있다.

상기 전자빔 방출장치(100)는 캐소드(120)와 애노드(130)를 포함하여 전자빔을 방출하는 장치이다.

본 실시예에서, 상기 전자빔 방출장치(100)로는 플라즈마 방식의 전자빔 방출장치가 구비되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 상기 전자빔 방출장치(100)는 하우징(150), 캐소드(120), 애노드(130) 및 절연홀더(140)를 포함하는 콜드(Cold) 타입 플라즈마 전자빔 방출장치를 적용하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 물론, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 다른 방식의 전자빔 방출장치가 적용될 수 도 있다.

상기 하우징(150)은 후술하는 캐소드(120) 및 애노드(130) 등이 위치되며, 전자빔이 가속되는 공간을 형성하는 구성요소로서, 타측에는 가속된 전자빔이 방출되는 방출구(156)가 형성될 수 있으며, 상기 하우징(150) 내부는 진공 분위기를 형성할 수 있다. 이 때, 상기 하우징(150)내부에 형성되는 진공도는 10^-3Torr 정도의 진공도일 수 있다.

그리고, 상기 하우징(150) 내 일측에는 캐소드(120)가 구비된다. 상기 캐소드(120)는 전기에너지를 인가받아 전자를 방출하는 구성요소로서, 본 실시예에서는 금속 재질로 이루어지고 전체적으로 소정의 두께를 갖는 원판의 형태로 이루어지는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 애노드(130)는 상기 하우징(150) 내에서 상기 캐소드(120)로부터 타측으로 이격되어 위치될 수 있다. 상기 애노드(130)는 전기에너지를 인가받아 상기 캐소드(120)로부터 방출된 전자를 가속시키는 구성요소로서, 가속된 전자들이 통과하는 개구부(132)가 형성될 수 있다.

한편, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120)와 하우징(150) 사이를 절연하며, 상기 캐소드(120)를 하우징(150)에 고정시키는 구성요소이다.

또한, 절연홀더(140)의 일측에는 상기 캐소드(120) 또는 애노드(130)에 전기에너지를 공급하는 구동부(160) 및 캐소드(120)를 냉각시키는 냉각부(미도시)가 구비될 수 있다.

그리고, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 애노드(130)의 타측에는 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통과한 전자빔을 집속하거나 편향시키는 집속부(미도시)와 편향부(170)가 구비될 수 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)와 애노드(130)에 전기에너지를 인가하면, 상기 캐소드(120)로부터 전자가 방출되어 애노드(130) 측으로 가속된 후 하우징(150)의 방출구(156)를 통해 방출될 수 있다.

한편, 상기 캐소드(120)는 상기 애노드(130)를 바라보는 면이 오목하게 구배를 형성하도록 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 캐소드(120)의 상기 구배를 형성한 면의 테두리(122)는 둥글게 라운드지게 형성될 수 있다.

따라서, 캐소드(120)에 테두리에 뾰족한 첨단 부분이 형성되지 아니하므로 아크 발생이 방지되어 보다 안정적인 운전이 가능하다.

그리고, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드(120)의 구배가 형성된 면의 배면 및 상기 캐소드(120)의 측면을 감싸도록 형성되는데, 상기 절연홀더(140)가 상기 캐소드(120)의 측면을 감싸는 부분은 상기 캐소드 테두리의 라운드진 부분(122)까지 연장되도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 절연홀더(140)가 캐소드(120)의 측면까지 연장되어 하우징(150)과 캐소드(120) 사이에서 아크가 발생하는 것이 방지될 수 있다.

이 때, 상기 절연홀더(140)는 상기 캐소드 테두리(122)의 라운드진 부분의 일부를 감싸도록 연장형성 될 수 있다.

즉, 상기 캐소드(120)가 상기 절연홀더(140)보다 더 상기 애노드(130)에 가깝게 위치될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 캐소드(120)의 테두리가 라운드지게 형성되므로, 상기 절연홀더(140)와 캐소드(120)의 사이에는 공간이 형성될 수 있는데, 이 때 상기 공간이 전하가 축적되는 공간의 역할을 하게 되어 전자빔 방출장치의 운전중 아크가 발생할 수도 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)가 절연홀더(140)보다 더 애노드(130)에 가깝게 위치되어 상기 캐소드(120)와 절연홀더(140) 간의 간격이 줄어들어 전하가 축전되는 공간이 줄어들 수 있다.

따라서, 상기 캐소드(120)와 절연홀더(140)간에 커페시턴스가 줄어들게 되어 아크의 발생이 억제되므로, 보다 안정적으로 운전할 수 있으며, 한계 출력을 보다 상승시킬 수 있다.

한편, 상기 하우징(150)은 그 측면의 둘레를 형성하는 튜브(152)를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 튜브(152)는 금속재질로 형성될 수 있으며, 상기 캐소드(120) 및 애노드(130)와는 절연될 수 있다. 이를 위해, 상기 튜브(152)와 캐소드(120)의 사이에는 절연체(154)가 구비될 수 있다.

그리고, 접지(158)가 이루어질 수 있다.

상기 전자빔 방출장치로서 금속을 가공할 때에는 용융된 금속에서 금속증기가 발생되며, 발생된 금속증기는 상기 튜브(152) 내측면에 증착될 수 있다.

이 때, 상기 튜브(152)에 접지(158)가 이루어져 있으므로, 상기 튜브(152) 내측면에 부착된 금속증기의 주변의 전자는 접지(158)된 그라운드로 흐르게 되어 아크의 발생이 방지되어 보다 안정적인 운전이 가능하며, 동시에 한계 출력을 상승시킬 수 있다.

또한, 금속 재질의 특성상 외부의 충격 및 반복되는 열 충격에 강하고, 부착되는 금속증기를 제거하지 아니하여도 운전이 가능하므로 반영구적인 사용이 가능하다.

그리고, 반사전자 차단구조체(160)가 구비될 수 있다.

상기 캐소드(120)에서 방출되는 전자빔(e) 중 외곽의 일부는 상기 애노드(130)측을 향하지 못하고, 다른 방향을 향하여 이동하게 되는 후방산란전자(BSE: Backscattered Electron)을 형성할 수 있다.

또한, 상기 튜브(152) 내부내에 잔류하는 질소 등의 원소가 가속된 전자와 충돌하여 발생하는 2차전자가 발생할 수 있다.

이하의 설명에서 상기 후방산란전자와 2차전자를 통틀어 반사전자라 칭하기로 하다.

이러한 반사전자들은 상기 애노드(130)를 통과하는 전자빔(e)에 비해 집속되지 못하여 방향성이 없거나 또는 산란될 수 있다.

이러한 반사전자 들은 상기 하우징(150) 내에서 반사되어 튜브(152)를 가열시키거나 아크를 발생시킬 수 있는데, 본 실시예의 전자빔 방출장치(100)의 튜브(152)는 스테인레스 등의 금속재질로 형성되므로, 상기 튜브(152)가 가열되어 열팽창하게 되면 기하학적 조건이 변경되어 전자빔 방출장치(100)의 정밀도가 하락하는 문제점이 발생될 수 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(160)는 이러한 반사전자들이 튜브(150) 내측으로 향하는 것을 차단하는 구성요소이다.

상기 반사전자 차단 구조체(160)는 상기 하우징(150)의 방출구(156)가 형성된 면의 방출구(156) 주위로부터 상기 애노드(130) 측으로 연장되도록 형성될 수 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(160)는 애노드(130)와 상기 방출구(156)가 형성된 면 사이에 배치되며, 상기 방출구(156)가 형성된 면으로부터 상기 애노드(130)를 향하여 연장된 관의 형태로 이루어질 수 있다.

이 때, 상기 반사전자 차단구조체(160)는 상기 애노드(130)를 향하는 측 및 상기 방출구(156)를 향하는 측은 개구되며, 중공은 상기 애노드(130) 및 방출구(156)와 연통될 수 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(160)의 중공은 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통해 가속된 전자가 상기 방출구(156)로 방출되는 통로의 역할을 할 수 있다.

이 때, 한편, 상기 중공은 상기 방출구(156)와는 동축상에 상기 방출구(156)보다는 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있으며 상기 애노드(130)의 개구부(132)보다 작거나 같은 직경으로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 방출구(156)는 상기 애노드(130)의 개구부(132)보다 작은 직경으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 반사전자 차단구조체(160)의 내주면에서 내측으로 연장된 플랜지부(162)가 형성될 수 있다. 상기 플랜지부(162)는 상기 반사전자 차단구조체(160)의 상측부에 형성될 수 있으며, 상기 플랜지부(162)가 돌출되는 길이는 상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통과한 가속된 전자가 상기 반사전자 차단구조체(160)를 통과하는데 방해되지 않는 정도일 수 있다.

또한, 상기 전자빔 방출장치로서 금속을 가공할 때에는 용융된 금속에서 금속증기가 발생될 수 있는데, 이러한 금속증기들은 방출구(156)을 통해 하우징(150) 내부로 유입되어 튜브(152)에 증착되거나 또는 절연홀더(140)에 증착되는 경우 아크를 발생시킬 수 있다. 그런데, 상기 금속증기들이 캐소드(120)의 오목하게 구배를 형성하는 면에 증착될 경우, 전자빔의 고에너지에 의해 상기 금속증기들이 증착되지 못하고 증발될 수 있다.

따라서, 상기 플랜지부(162)직경은 상기 방출구(156)을 통해 유입되는 금속증기가 하우징 내에서 퍼지지 않고 상기 캐소드(120)의 오목한 구배를 형성하는 면을 향하도록 안내할 수 있는 직경으로 형성될 수 있다.

상기 애노드(130)의 개구부(132)를 통과하는 가속된 전자는 상기 반사전자 차단구조체(160)의 중공을 통해 하우징(150)의 방출구(156)로 방출될 수 있다.

한편, 상기 반사전자등 상기 하우징(150)의 방출구(156)를 통과하지 못하고, 상기 하우징(150)의 방출구(156)가 형성된 면에 반사될 수 있다.

이 때, 상기 반사된 전자는 상기 반사전자 차단구조체(160)의 내주면내에서 반사되어 튜브(152)측으로 재반사 되는 것이 차단될 될 수 있다.

상기 플랜지부(162)가 내주면 내측으로 연장되어 있으므로 상기 반사전자 차단구조체(160)의 중공 내부에서 반사되는 전자들이 반사전자 차단구조체(160)의 외측으로 탈출하는 것이 방지됨과 동시에 상기 방출구(156)을 통해 유입되는 금속증기가 하우징 내에서 퍼지지 않고 상기 캐소드(120)의 오목한 구배를 형성하는 면을 향하도록 안내되어 금속증기가 튜브(152)나 절연홀더(140)에 증착되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 반사전자 차단구조체(160)의 내주면에는 복수개의 흡수홈(164)되어 반사전자와 복수개의 홈(164) 간의 충돌확률을 높여 상기 반사전자 차단구조체(160)의 중공 내주면에서 반사되는 전자들을 흡수할 수 있다.

한편, 상기 반사전자 차단구조체(160)는 반사전자에 의해 가열될 수 있는데, 이러한 반사전자 차단구조체(160)의 과열을 방지하기 위해 상기 반사전자 차단구조체(160)의 외주면 둘레에 냉각매체가 흐르는 냉각파이프(166)가 구비될 수 있다.

상기 냉각매체는 물일수도 있고, 또는 여타 다른 냉각에 유리한 유체일 수도 있다.

따라서, 상기 반사전자 차단구조체(160)가 냉각될 수 있으며, 상기 냉각파이프(166)가 반사전자 차단구조체(160)의 외주면 둘레에 구비되므로, 설혹 상기 냉각파이프(166)에서 누수가 발생한다고 하더라도 누출된 냉각매체가 상기 튜브(152)와 반사전자 차단구조체(160)의 사이로 누출되므로 상기 애노드(130) 및 방출구(156)를 통해 전자빔 방출장치의 외부로 세어나오는 것이 방지될 수 있다.

그리고, 상기 냉각파이프(166)의 외측에는 차단판(168)이 더 구비되어 상기 반사전자가 냉각파이프(166)로 직접 조사되는 것을 차단하여 냉각파이프(166)의 손상을 미연에 방지할 수 있다.

상기와 같이 플라즈마 연속 전자빔 방식의 전자빔 방출장치(100)를 사용할 경우, 전자빔이 연속적으로 조사될 수 있어 꾸준한 가열이 가능하며,전자빔 제어부(170)를 이용할 경우 전자빔의 직경이 작고 조사지점의 조절이 보다 정밀하게 가능하며, 집속도와 확산도의 조절이 자유로워 필요한 지점만 집중적으로 또는 전체적으로 가열을 제어하는 것이 가능하다.

또한, 절삭공구(500)의 브레이징의 경우, 접합계면층(530)이 증발하여 가스화 될 수 있는데, 플라즈마 방식의 경우 요구되는 진공도가 비교적 낮아 가스에 의한 문제발생의 우려도 적다.

또한, 전자빔 방출장치(100)로서 열전자빔 방식의 전자빔 방출장치를 적용할 경우, 절삭층(510)을 형성하는 세라믹 소재등 비전도성 소재에 전자빔을 조사 할 때 충전에 의한 전기장이 발생하여 작업이 어려울 수 있으나, 본 실시예와 같이 플라즈마 전자빔 방식의 전자빔 방출장치(100)를 적용할 경우, 플라즈마에 의한 중화작용에 의해 전기장의 발생이 억제되어 비전도성 소재에도 적용할 수 있는 잇점이 있다.

물론, 본 발명의 전자빔 방출장치(100)는 전술한 플라즈마 전자빔 방식에 한정되는 것은 아니며, 여타 다른 다양한 방식의 전자빔 방출장치가 적용될 수도 있다.

한편, 상기 챔버(210)는, 상호 브레이징 접합되는 생크층(520)과 절삭층(510) 및 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 사이에 위치된 접합계면층(530)이 위치되는 공간을 형성하는 구성요소이다.

또한, 상기 전자빔 방출장치(100)와 연통되어 상기 전자빔 방출장치(100)에서 조사되는 전자빔이 상기 챔버 내부에 위치된 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 및 그 사이에 구비된 접합계면층(530)에 조사될 수 있다.

또한 챔버(210)에는 개폐 가능한 도어(212)가 구비되어 상기 챔버(210) 내부로 상기 절삭공구(500)가 반입되거나 반출될 수 있다.

한편, 상기 지그(220)는 상기 챔버(210) 내부에 구비되며, 상기 챔버(210) 내부로 반입된 절삭공구(500)를 고정하도록 구비될 수 있다.

상기 지그(220)는 도 25에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 고정자가 서로 근접하거나 멀어 지면서 상기 절삭공구(500)를 고정하도록 구비될 수 있다. 이 때, 상기 지그(220)는 전도성재질로 이루어지고, 접지가 이루어질 수 있다.

또한, 상기 지그(220)를 회전시키거나 선형이송이 가능한 이송부(230)가 구비될 수 있다. 상기 이송부(230)는 상기 지그(220)와 축연결된 모터 등으로 이루어져, 상기 지그(220)를 회전/선형 이송시킴으로써 상기 지그(220)에 고정된 절삭공구(500) 또한 회전/선형이송 시킬 수 있다.

따라서, 상기 이송부(230)가 상기 지그(220)를 회전/선형이송시키면서, 상기 절삭공구(500) 또한 회전/선형이송 시켜, 상기 절삭공구(500)에 전자빔이 조사되는 면을 선택할 수 있다.

즉, 피절삭물인 절삭공구(500)의 절삭층의 상면측에 전자빔이 조사되거나 측면에 전자빔이 조사되도록 피절삭물의 위치 및 자세를 제어할 수 있다.

그리고, 상기 냉각부(240)는 상기 지그(220)를 냉각시키는 구성요소일 수 있다. 상기 지그(220)를 냉각시키기 위하여, 상기 냉각부(240)는 냉각매체가 저장된 탱크와, 상기 탱크의 냉각수가 지그로 흐르는 파이프(242), 상기 냉각매체를 압송하며 순환량을 조절하는 펌프(244) 등을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 냉각매체는 물이나 기름 또는 공기나 가스 등의 유체일 수 있다.

이 때, 상기 지그(220)를 냉각시키기 위하여, 상기 파이프(242)는 상기 지그의 내측에 매설될 수 있다.

상기 지그(220) 또한 열전도율이 높은 소재로 이루어져, 상기 지그(220)에 접촉된 절삭공구(500)와 연절달이 일어나도록 이루어질 수 있다.

따라서, 상기 냉각부(240)는 상기 지그(220)를 냉각시킴과 동시에 상기 지그(220)에 접촉된 절삭공구(500) 또한 냉각시킬 수 있다.

물론, 필요에 따라 상기 지그(220)는 설치되지 않을 수도 있으며, 생략되거나 여타 다른 구조물로 대체될 수도 있을 것이다.

한편, 상기 전자빔 방출장치(100)와 지그(220), 이송부(230) 및 냉각부(240)를 제어하는 제어부(280)가 구비될 수 있다.

상기 제어부(280)는 본 실시예의 전자빔 브레이징 장치에 일체로 구비된 연산부와 입력부, 출력부 등으로 이루어질 수도 있으며, 또는 외부에 별도로 구비되며, 유무선으로 상기 전자빔 방출장치(100)와 지그(220), 이송부(230) 및 냉각부(240)와 연결되어 제어하는 PC등으로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 챔버(210) 내부에 위치된 절삭공구(500)의 온도를 측정하거나 영상을 촬영하는 적외선 카메라(260)가 구비될 수 있다.

상기 적외선 카메라(260)는 상기 절삭공구(500)의 열영상을 촬영하여 상기 제어부(280)로 송신할 수 있으며, 상기 제어부(280)는 송신된 적외선 카메라(260)의 열영상 정보로서 작업대상물의 부위별 온도를 파악하여 이를 PC의 화면 등에 나타낼 수 있으며, 이렇게 상기 적외선 카메라(260)로부터 수신된 데이터 및 기 입력된 제질과 형상 및 브레이징 작업조건 등의 데이터를 바탕으로 상기 전자빔 방출장치(100)와 지그(220), 이송부(230) 및 냉각부(240)를 제어할 수 있다.

물론, 상기 적외선 카메라(260)외에도 절삭공구(500)의 형상 및 크기를 측정하는 별도의 카메라 등의 측정장치가 구비될 수도 있다.

또한, 상기 챔버(210) 내부의 기체를 배출하여 진공도를 조절하는 진공 배출펌프(270) 및, 상기 챔버(210) 내부에 반응가스를 공급하는 가스 공급부(250) 등이 구비될 수 있다. 상기 반응가스는 브레이징 시 투입되어 브레이징 접합을 보다 원할하게 유도하는 가스로서 Ar 또는 H2 등 다양한 가스를 적용시킬 수 있다. 이러한 반응가스는 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 및 접합계면층(530)의 종류 및 브레이징 작업 조건에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

한편, 본 실시예의 전자빔 브레이징 장치는 분위기 냉각부(320)를 더 포함할 수 있다.

전자빔을 이용하여 브레이징이 이루어진 직후에는 전자빔이 조사된 모재와 필러 뿐만 아니라, 상기 챔버(210) 내부의 주변 공기도 매우 뜨거운 온도로 가열된 상태일 수 있다.

따라서, 고온상태의 모재 및 필러의 가열된 부위가 고온의 주변 공기에 포함된 산소와 반응하여 산화가 일어날 수 있다.

따라서, 상기 분위기 냉각부(320)는 전자빔의 조사가 끝난 후 또는 전자빔 조사 중 상기 챔버(210)내의 공기를 냉각시켜 고온상태의 모재 및 필러가 산화되는 것을 방지하며 냉각을 도모하도록 구비될 수 있다.

상기와 같은 분위기 냉각부(320)는 상기 챔버(210)의 외측에 설치되어 상기 챔버(210)내측의 공기를 냉각시키도록 냉각기 또는 열교환기의 일부가 상기 챔버(210) 내측에 위치되도록 이루어질 수 있다. 물론, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 챔버(210)의 벽면 자체를 냉각시키는 등 다른 형태로 챔버(210) 내측 공기를 냉각시키도록 이루어질 수 있다.

또한, 본 실시예의 전자빔 브레이장 장치는 분위기 가열부(310)를 더 포함할 수 있다.

도 26에 도시된 바와 같이, 모재가 가열될 때 시간에 따라 온도가 상승하는 추세는 직선의 그래프를 그리는 것이 아니라 시간이 지날수록 그 상승폭이 상승하는 지수함수적인 그래프를 나타낼 수 있다.

또한, 도 26에 도시된 바와 같이, 초기 예열온도가 높을수록 동일한 가열 시간이 지난후의 온도가 더 높은 것을 알 수 있다.

따라서, 전자빔 조사 전에 예열온도를 최대한 높이는 것으로서 브레이징 공정의 시간을 단축하며 소요되는 에너지량을 절약할 수 있다. 브레이징 공정 시간을 단축하는 것은 절삭층(510) 및 생크층(520)의 결정립 크기의 성장을 억제하는 효과도 있다.

따라서, 상기 분위기 가열부(310)가 챔버(210)내의 온도를 상승시킴으로써 상기 절삭공구(500)의 온도를 설정된 온도까지 상승시킬 수 있다.

상기와 같은 분위기 가열부(310)는 상기 챔버(210)의 외측에 설치되고, 열교환기나 가열기의 일부가 챔버 내측에 위치되어 상기 챔버(210) 내측의 공기를 가열시키도록 구비될 수 있다.

물론, 상기 분위기 가열부(310)는 상기 절삭공구(500)를 직접 가열시키도록 구비될 수도 있을 것이다. 물론, 본 발명의 분위기 가열부(310)는 그 형태나 구조에 한정되지 아니하며, 상기 챔버(210) 내측의 공기나 절삭공구(500)를 예열할 수 있다면 어떠한 형태나 구조로도 변형이 가능하다.

한편, 상기 전자빔 방출장치(100)에서 방출되는 전자빔은 대부분 상기 절삭공구(500)에 조사되도록 제어되지만, 일부는 절삭공구(500)를 벗어나는 곳으로 조사되는 누설전자빔이 발생할 수 있다.

이러한 누설전자빔은 최초 의도한 만큼 절삭공구(500)를 가열시키지 못하게 되는 원인이며, 챔버(210)의 벽면 또는 절삭공구(500)의 하측에 위치한 모재이동수단(미도시) 등의 별도 구조물을 의도치 않게 가열시켜 변형을 초래할 수 있다.

따라서, 이러한 누설전자빔을 차단하는 인슐레이터(330)가 구비될 수 있다.

상기 인슐레이터(330)는 상기 챔버(210)의 내부에 상기 절삭공구(500)가 위치되는 부분보다 하측에 위치되어 상기 누설전자빔이 챔버(210)의 벽면이나 절삭공구(500)의 하측에 위치한 별도 구조물을 가열시키는 것을 차단시킬 수 있다.

또한 상기 인슐레이터(330)는 누설전자빔에 의한 전자가 누적되지 않도록 접지(334)가 이루어질 수도 있으며, 상기 인슐레이터(330)에 조사되는 전자빔의 양을 측정할 수 있도록 전류계(332)가 연결될 수 있다.

따라서, 상기 제어부(280)에서는 상기 전자빔 방출장치(100)에서 방출되는 전자빔의 전류값과 상기 인슐레이터(330)에 연결된 전류계(332)에서 측정되는 전류값을 비교하여 상기 절삭공구(500)에 조사되는 전자빔의 전류값을 추산할 수 있으며, 이를 통해 상기 전자빔 방출장치(100)에서 방출되는 전자빔을 더욱 정밀하게 피드백 제어할 수 있다.

또한, 상기 챔버(210)의 벽면은 단열 처리될 수 있다.

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한편, 상기 절삭공구(500)등은 그 절삭층(510)에 전자빔이 조사되도록 위치될 수 있다.

그런데, 전자빔이 비전도성 재질에 조사되는 경우, 지속적인 전자빔으로 인해 전자빔 조사면의 표면에 전자가 쌓이게 되는 충전현상이 발생하게 되는데, 이러한 경우 전자들의 척력에 의해 전자빔이 왜곡되어 전자빔의 정밀한 조사가 불가능해 질 수 있다.

따라서, 텅스텐 카바이드(WC)등의 비전도성 재질의 절삭층(510)에 전자빔을 이용하여 브레이징 하기 위해서 본 발명에 따르면, 전도성 소재로 형성된 전도편(552)을 비전도성 재질의 절삭층(510) 표면에 연접되도록 위치시켜 전도층(556)을 형성할 수 있다.

상기 전도편(552)은 구리등과 같은 전도성과 열전달성이 우수한 재질로 형성될 수 있다.

또한, 상기 전도편(552)은 접지와이어(560)를 통해 접지가 이루어질 수 있다.

즉, 전도편(552)에 접지가 이루어지므로 전자의 충전현상이 발생되지 아니하며, 전자빔이 전도편(552)에 조사되어 열이 발생되면 비전도성 재질의 절삭층(510)과 접촉되어 있으므로 열전달에 의해 비전도성 재질의 절삭층(510)의 브레이징 가공이 이루어질 수 있다.

또한, 전도편(552) 대신 카본나노튜브용액(554)을 사용할 수도 있다.

카본나노튜브용액(554)은 IPA(IsoPropyl Alchol)이나 물 등에 카본나노튜브등이 분산된 용액일 수 있다.

이러한 카본나노튜브용액(554)을 절삭공구(500)의 표면에 도포하거나 또는 절삭공구(500)를 카본나노튜브용액에 담근 후 꺼낼 수도 있다.

그리고, 카본나노튜브용액(554)가 도포된 절삭공구(500)를 건조시킬 수 있다.

건조할 때에는 절삭공구(500)을 챔버(210) 내에 위치시킨 후 가열부(310)를 통한 가열하거나 또는 진공배출펌프(270)을 이용하여 챔버(210)내 진공분위기 형성할 수 있다.

챔버(210)내에 진공 분위기가 형성되면 도포된 카본나노튜브용액 중(554)의 용매는 증발하고 카본나노튜브만 남고, 증발된 용매는 진공배출펌프(270)를 통해 챔버(210)외측으로 배출되며, 잔류된 카본나노튜브는 절삭공구(500)의 표면에 전도층(556)을 형성할 수 있다.

또한, 절삭공구(500)이 지그(220)에 고정되면서 전도층(556)과 지그(220)가 연접되며, 지그(220) 또한 전도성 재질로 형성되고 접지가 이루어지므로, 절삭공구(500)의 표면에 잔류된 카본나노튜브의 전도층(556)또한 접지가 이루어지는 것이다.

이하, 본 발명의 전자빔을 이용한 절삭공구(500)의 브레이징 방법의 일 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 전자빔을 이용한 브레이징 방법은 도 27에 도시된 바와 같이, 예열단계(S120), 접합단계(S120) 및냉각단계(S150)를 포함할 수 있다.

상기 예열단계(S120)는 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 절삭공구(500)의 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량이 동일하도록 전자빔(e)을 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사하는 단계이다.

이러한 예열단계(S120)는, 상기 접합계면층(530)이 용융되는 온도 전까지 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 전자빔(e)을 조사하여 가열할 수 있다. 또는, 상기 접합계면층(530)의 용융온도보다 상기 생크층(520) 또는 절삭층(510)의 용융온도가 낮은 경우에는 상기 생크층(520) 또는 절삭층(510)의 용융온도의 전까지 수행할 수 있다.

이 때, 상기 생크층(520) 및 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 에너지량을 제어함으로써, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 제어할 수 있다.

즉, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)이 동일한 재질이라면 열팽창율도 동일하여 동일한 에너지량의 전자빔(e)이 조사될 때 열팽창량도 동일할 수 있다. 하지만, 세라믹과 금속의 예와 같이 상기 생크층(520)과 절삭층(510)이 열팽창량이 서로 다른 이종재질이거나 질량(또는 체적)차이가 클 경우라면, 동일한 에너지량의 전자빔(e)이 조사되었을 때 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량은 서로 다를 수 있다

이하, 본 실시예의 설명에서, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)이 서로 상이한 열팽창률 및 열수축률을 가지는 이종재질인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 이에 한정된 것은 아니며, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)이 서로 동일한 동종재질인것은 물론 이종재질이더라도 동일한 열팽창률 및 열수축율을 가진 재질인 것도 적용 가능하다.

따라서, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 에너지량을 제어하여 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 제어하는 것이다.

또한, 상기 예열단계(S120)에서는 상기 전자빔이 상기 접합계면층(530)에는 조사되지 않으면서 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사될 수 있다. 그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지는 아니하며, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)뿐만 아니라 접합계면층(530)에도 조사되는 것 또한 포함할 수 있다.

상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 각각 전자빔이 조사되는 전자빔 조사시간을 제어함으로써 이루어질 수 있다.

즉, 도 29에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 절삭층(510)이 생크층(520)보다 열팽창율이 1/5로 낮은 재질이라면(즉, 생크층(520)의 열팽창율이 절삭층(510)보다 5배 크다면), 같은 출력의 전자빔(e)을 상기 절삭층(510)에 생크층(520)보다 5배 더 길게 시간을 조사할 수 있다. 물론, 반대로, 생크층(520)에 조사되는 전자빔의 조사시간을 상기 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 조사시간보다 1/5로 조사할 수도 있는 것이다.

즉, 도 29에 도시된 바와 같이, 전자빔(e)을 상기 생크층(520)에 짧게 조사하고, 상기 절삭층(510)에는 상기 생크층(520)에 조사된 전자빔 조사시간보다 5배 길게 조사할 수 있다.

이 때, 단위시간이란, 상기 전자빔(e)이 생크층(520)과 절삭층(510)에 1사이클 이상 조사가 이루어진 시간일 수 있다.

따라서, 상기 절삭층(510)에 조사되는 전자빔(e)의 에너지량이 생크층(520)층에 조사되는 전자빔(e)의 에너지량 보다 5배 더 많게 되며, 그에 따라 열팽창율은 달라도 열팽창량은 동일할 수 있다.

또는, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 각각 조사되는 전자빔의 출력을 제어함으로써 이루어질 수 있다.

도 30에 도시된 바와 같이, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창률의 차이만큼 상기 생크층(520)에 조사되는 전자빔의 출력과 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 출력을 제어하여 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 단위시간당 열팽창량을 동일하게 제어할 수 있다.

즉, 예를 들어, 상기 절삭층(510)이 생크층(520)보다 열팽창율이 1/5로 낮은 재질이라면(즉, 생크층(520)의 열팽창율이 절삭층(510)보다 5배 크다면), 상기 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 출력을 상기 생크층(520)보다 5배 더 고출력으로 조사할 수 있다.

따라서, 같은 시간에 상기 생크층(520)에 조사되는 전자빔의 에너지량이 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 에너지량 보다 1/5로 적게 되며, 그에 따라 열팽창율은 달라도 열팽창량은 동일할 수 있다.

또는, 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 확산 또는 집속도를 조절함으로써 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량이 동일하도록 제어할 수도 있다.

즉, 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 중 열팽창율이 낮은 쪽에 보다 집속된 전자빔을 조사하고, 열팽창율이 높은 쪽에 확산된 전자빔을 조사함으로써, 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사되는 전자빔의 에너지량을 제어함으로써, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량이 동일하도록 제어할 수 있다.

즉, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창률이 다르고, 모두 동일하게 가열되었을 때에는 도 31에 도시된 바와 같이, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량이 상이할 수 있다.

그러나, 도 33에 도시된 바와 같이, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창률이 상이하더라도 전자빔(e)의 조사를 제어하여 조사되는 에너지량을 달리 제어한다면, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량은 동일하거나 유사할 수 있다.

따라서, 브레이징 작업의 예열단계(S120)중 상호 접합될 생크층(520)과 절삭층(510)의 열팽창량의 차이로 인해 파손되거나 뒤틀리는 현상이 최소화 될 수 있다.

또한, 상기 예열단계(S120)에서는 상기 절삭층(510) 표면에 전자빔을 표면에 수직방향으로 고르게 조사할 수 있다.

즉, 상기 예열단계(S120)에서는 상기 전자빔을 확산시켜서 상기 절삭층 (510) 표면에 수직방향으로 전자빔을 고르게 조사함으로써, 상기 절삭층(510)을 고르게 가열하며, 절삭층(510)이 가열된 열이 상기 접합계면층(520)으로 전도되어 상기 접합계면층(520)이 충분한 온도로 가열되도록 할 수 있다.

또한, 절삭공구(500)의 형태나 소재에 따라 필요한 경우에는 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 예열단계(S120) 중 상기 이송부(230)를 이용하여, 지그(220)를 적절히 회전시킴으로써 절삭공구(500)의 모든 면이 골고루 가열되도록 할 수 있다. 이 때, 절삭공구(500)의 회전각도나 회전빈도는 절삭공구(500)의 형태와 재질과 브레이징 형태 및 전자빔의 출력 등을 고려하여 조절할 수 있다.

한편, 상기 예열단계(S120)가 수행되기 전에 전술한 분위기 가열부(310)를 사용하여 챔버(210)내의 공기 또는 절삭공구(500)를 기설정된 온도까지 예열시키는 분위기 예열단계(S110)가 더 수행될 수 있다.

도 26에 도시된 바와 같이, 동일한 시간동안 가열되어도 초기 예열온도가 높을수록 온도상승폭이 더 큼을 알 수 있으며, 이러한 절삭공구(500) 예열단계(S120)를 통하여 브레이징 공정의 시간을 단축하며 브레이징 공정에 소요되는 에너지량을 절약할 수 있다.

예열단계(S120)에서는 확산된 전자빔을 조사하여 절삭공구의 전자빔 조사면이 균일하게 가열되도록 할 수 있다. 본 실시예에서는 전자빔의 직경이 1mm이상인 것으로 10초 이상 가열하는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

상기 예열단계(S120)의 후에는 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 사이에 구비된 접합계면층(530)을 용융시켜 상기 생크층(520)과 절삭층(510)을 접합시키는 접합단계(S120)가 수행될 수 있다.

이 때, 전자빔을 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사하며 상기 접합계면층(530)에는 전자빔(e)을 조사하지 아니하여, 상기 접합계면층(530)이 생크층(520)과 절삭층(510)으로부터 전달받는 열에 의해 용융되도록 할 수 있다.

또는, 전자빔(e)을 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사하지 아니하고 상기 접합계면층(530)에만 조사하여 접합계면층(530)만을 가열하여 용융시킬 수 있다. 이러한 방법은 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 용융온도가 접합계면층(530)의 용융온도보다 낮은 경우에 유용할 수 있다.

또는, 전자빔(e)을 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 및 접합계면층(530)에 모두 조사하여 가열하여 상기 접합계면층(530)을 용융시켜 상기 생크층(520)과 절삭층(510)을 접합시킬 수도 있다.

상기 전자빔(e)를 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사할 때에는 상기 생크층(520) 또는 절삭층(510)에 결정립 성장 현상이 발생하지 않도록 상기 생크층(520) 또는 절삭층(510)의 결정립 성장현상이 발생하는 시간 전에 가열을 종료시킬 수 있다.

상기 생크층(520) 또는 절삭층(510)의 결정립 성장현상이 발생하는 시간은 재질에 따라 상이하나 1시간 이내일 수 있다. 한편, 전자빔(e)의 경우 피가열물의 표면 내부로 침투하는 깊이가 레이저 등에 비하여 월등하여 가열하는 시간을 대폭 단축시킬 수 있다.

도한, 전자빔(e)를 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 조사할 때에는 상기 생크층(520)과 절삭층(510)에 결정립 성장 현상이 발생하지 않도록 재질의 결정립 성장현상이 발생하지 않는 온도 이하의 온도로 가열할 수 있다.

절삭층(510)에 적용되는 대표적인 재질로서 텅스텐 카바이드를 예로 들어 설명하자면, 도 12에 도시된 바와 같이, 텅스텐 카바이드의 경우, 100분 보다 짧은 시간으로 가열하는 경우 결정립 성장 현상이 최소화 될 수 있으며, 또는 섭씨 1100도 이하로 가열하는 경우 결정립 성장 현상이 최소화 될 수 있다. 물론, 그 이상의 온도로 가열하여도 가열시간이 단축된다면 결정립 성장현상이 일어나지 않을 수 있다.

또한, 상기 접합단계(S120) 중에도, 상기 이송부(230)를 이용하여, 지그(220)를 적절히 회전시킴으로써 절삭공구(500)의 모든 면이 골고루 가열되도록 할 수 있다.

이러한 접합단계(S120)에서는 전자빔의 직경이 예열단계(S110)에 비하여 집속되도록 하여, 전자빔의 에너지를 집중시킬 수 있다. 본 실시예에서는 상기 접합단계(S120)에서의 전자빔의 직경을 1mm이하인 것을 예로 들어 설명하기로 한다.

한편, 상기 접합단계(S120)중에, 상기 챔버(210) 내부에 가스를 주입하는 가스주입단계가 수행될 수 있다.

일반적으로 열전자빔 방식의 경우 고진공 환경에서 작동하여 가스의 주입이 어렵지만, 플라즈마 전자빔 방식의 경우 비교적 저진공 환경에서 작동할 수 있어, 상기 전자빔 방출장치(100)로서 플라즈마 전자빔 방식이 적용될 경우, 브레이징 환경을 조성하는 가스를 주입하여 브레이징 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 접합단계(S120)의 후에는 냉각단계(S150)가 수행될 수 있다. 상기 냉각단계(S150)에서는 접합계면층(530)이 용융되어 접합된 생크층(520)과 절삭층(510) 및 용융된 접합계면층(530)을 냉각시켜 상기 접합계면층(530)을 굳힘으로써 접합을 완료시키는 단계이다.

이 때, 상기 냉각단계(S150)에서도 상기 생크층(520) 및 절삭층(510)에 전자빔을 조사하여 가열함으로써, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 냉각시 단위시간당 열수축량이 동일하도록 제어할 수 있다.

이 때, 상기 생크층(520) 및 절삭층(510)에 전자빔(e)을 간헐적 또는 지속적으로 조사하여 상기 생크층(520) 및 절삭층(510)을 가열할 수 있다.

즉, 도 33에 도시된 바와 같이, 가열된 상태의 생크층(520)과 절삭층(510)을 동일하게 냉각하였을 때, 온도는 동일하게 냉각된다고 하여도, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 열수축률 차이로 인해 열 수축량이 상이할 수 있다.

이러한 열 수축량의 차이로 인해, 냉각시 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 접합부가 파손되거나 또는 뒤틀리게 될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 상기 절삭공구(500) 냉각단계(S150)에서 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 단위시간당 열수축량이 동일하거나 또는 최대한 유사하도록 냉각시킬 수 있다.

이 때, 상기 생크층(520)과 절삭층(510)의 단위시간당 열수축량이 동일해지도록 상기 생크층(520) 또는 절삭층(510) 또는 생크층(520)과 절삭층(510) 모두에게 전자빔(e)을 간헐적 또는 지속적으로 조사할 수 있다.

즉, 상기 절삭층(510)이 생크층(520)보다 열수축율이 1/5로 낮은 재질이라면(즉, 생크층(520)의 열수축율이 절삭층(510)보다 5배 크다면), 빠르게 수축되는 생크층(520)에 전자빔(e)을 지속적 또는 간헐적으로 조사하여 절삭층(510)의 열수축량과 동일 또는 유사하도록 제어하는 것이다.

도 34은 상기 생크층(520)과 절삭층(510) 중 열수축율이 낮은 절삭층(510)은 통상의 공랭 또는 수냉방식으로 지속 냉각시키고, 열수축율이 높은 생크층(520)은 절삭층(510)과 마찬가지로 공랭 또는 수냉방식으로 지속냉각시키는 중에 전자빔(e)을 간헐적으로 조사하여 그 냉각시 열수축량이 절삭층(510)과 유사하도록 제어한 그래프를 나타낸 것이다.

즉, 냉각되면서, 전자빔 조사에 의한 가열로서 냉각시 열수축량을 생크층(520)과 절삭층(510)이 상호 동일하거나 유사하도록 제어할 수 있다.

한편, 냉각시 냉각속도를 더욱 높이기 위하여, 냉각부(240)를 이용할 수 있다.

전술한 상기 냉각부(240)에서 파이프(242)에 냉각매체를 순환시켜, 지그를 냉각하며, 그에 따라 상기 지그(220)에 접촉되어 고정되어 있는 절삭공구(500)인 생크층(520)과 절삭층(510) 모두 동일하게 냉각될 수 있다.

상기 절삭공구(500)가 냉각부(240)에 의해 냉각되면서, 전자빔 조사에 의해 간헐적 또는 지속적으로 가열되어 냉각시 열수축량을 생크층(520)과 절삭층(510)이 상호 유사하도록 제어할 수 있다.

이 때, 상기 냉각매체의 순환량을 조절하거나 또는 냉각매체의 온도를 조절함으로써, 냉각속도를 제어할 수도 있다. 물론, 이 때에는 상기 냉각매체의 온도를 조절하는 별도의 온도조절부(미도시)가 구비될 수 있다.

또한, 이송부(230)를 이용하여, 지그(220)를 적절히 회전/선형이송 시킴으로써 절삭공구(500)의 모든 면이 골고루 가열되어 작업대상물의 모든 면에서 적절한 단위시간당 열수축량을 나타내도록 할 수도 있다.

그리고, 분위기 냉각단계(S140)가 수행될 수 있다. 상기 분위기 냉각단계(S140)는 상기 접합단계(S130) 또는 냉각단계(S150)의 후에 수행될 수도 있고 또는 상기 접합단계(S130)나 냉각단계(S150)중에 동시에 수행될 수 있다.

상기 분위기 냉각단계(S140)를 통하여 챔버(210)내의 공기의 온도를 냉각시킴으로써 고온으로 가열된 절삭공구(500)와 주변 공기가 반응하여 산화가 일어나는 것을 예방할 수 있다.

한편, 상기 예열단계(S120), 접합단계(S120), 냉각단계(S150) 중에 상기 적외선 카메라(260)로서, 상기 절삭공구(500)의 각 부분의 온도를 측정하여, 상기 생크층(520) 또는 절삭층(510)의 각 부분의 온도가 균일하거나 설정치에 근접하는지의 여부를 측정하여 이를 피드백 제어하여 상기 전자빔 방출장치(100)와 지그(220), 이송부(230) 및 냉각부(240)를 제어할 수 있다.

또한, 상기 예열단계(S120), 접합단계(S120), 냉각단계(S150) 중에 상기 전자빔 방출장치(100)에서 방출되는 전자빔을 이용하여, 브레이징 작업과 동시에 상기 절삭공구(500)의 표면을 개질시켜 원하는 특성을 나타내도록 피니싱 가공할 수 있다.

한편, 상기 절삭공구(500) 중 절삭층(510)이 텅스텐 카바이드(WC)등의 세라믹 재질인 경우 충전현상에 의해 전자빔이 왜곡되어 정밀한 전자빔 브레이징 작업이 곤란할 수 있다.

이러한 경우, 비전도성 재질의 절삭공구(500)을 브레이징 접합하기 위하여, 전도층 형성단계, 안착단계 및 접지단계가 더 포함될 수 있다.

상기 전도층 형성단계는 생크층(520)과 접합계면층(530) 및 비전도 재질의 절삭층(510)이 적층된 상태의 절삭공구의 적어도 절삭층(510)의 전자빔이 조사되는 피조사면에 전도층(556)을 형성하는 단계로서, 전도성 재질의 전도편(552)을 상기 절삭공구의 절삭층(510)의 전자빔이 조사되는 면에 연접되어 상기 절삭층(510)을 덮도록 위치시킴으로써 수행될 수 있다.

이러한 전도편(552)은 전도성 재질로 형성되며, 열 전도성이 우수한 재질로 형성됨이 바람직하며, 예를 들어 구리(Cu)등의 재질로 형성될 수 있다.

또한, 상기 접지단계는 상기 전도편(552)에 접지와이어(560)를 연결함으로써 전도편(552)을 접지시키는 단계로서, 상기 접지와이어(560)를 통해 전도편의 전자들이 외부로 방출될 수 있다.

따라서, 전도편(552)에 접지가 이루어지므로 전자의 충전현상이 발생되지 아니하여 전자빔 브레이징 가공이 가능하며, 전자빔이 전도편(552)에 조사되어 열이 발생되면 절삭공구(550)과 접촉되어 있으므로 열전달에 의해 절삭공구의 비전도성 재질의 면이 가열될 수 잇다.

한편, 상기 전도층 형성단계는, 절삭공구(500)의 표면에 카본나노트뷰용액(554)을 도포하는 단계일 수 있다.

상기 카본나노튜브용액(554)은 IPA(IsoPropyl Alchol)이나 물 등에 카본나노튜브등이 분산된 용액일 수 있다. 이러한 카본나노튜브용액을 절삭공구(500)의 표면에 바르거나 또는 절삭공구을 카본나노튜브용액(554)에 담근 후 꺼내는 것으로 전도층 형성단계를 수행할 수 있다.

한편, 상기 카본나노튜브용액(554)이 도포된 후에는 도포된 카본나노튜브용액의 용매를 증발시키는 건조단계가 수행될 수 있다.

상기 건조단계는 카본나노튜브용액(554)이 도포된 절삭공구(500)을 챔버(210)내에 위치시킨 후 가열부(310)를 통한 가열하거나 또는 챔버(210)내 진공분위기 형성 시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 챔버(210)내에 진공 분위기가 형성되면 도포된 카본나노튜브용액(554) 중의 용매가 증발될 수 있다.

이때, 증발된 용매는 진공배출펌프(270)에 의해 배출되며, 잔류된 카본나노튜브는 절삭공구의 표면에 전도층(556)을 형성할 수 있다.

즉, 절삭공구(500)이 지그(210)에 고정되며, 지그(210) 또한 전도성 재질로 형성되고 접지가 이루어지므로, 절삭공구의 표면에 형성된 카본나노튜브에 의한 전도층(556) 또한 접지가 이루어질 수 있어 세라믹 계열의 절삭층 등 비전도성 소재 부분도 전자빔 브레이징 가공할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

10: 절삭공구 12: 절삭층
14: 접합층 16: 생크층
100: 전자빔 방출장치 120: 캐소드
122: 캐소드 테두리의 라운드진부분
130: 애노드 132: 개구부
140: 절연홀더 150: 하우징
152: 튜브 154: 절연체
156: 방출구 158: 접지
160: 반사전자 차단구조체 162: 플랜지부
164: 흡수홈 166: 냉각파이프
168: 차단판 210: 챔버
170: 전자빔 제어부
212: 도어 220: 지그
230: 이송부 240: 냉각부
242: 파이프 244: 펌프
250: 가스공급부 260: 적외선 카메라
270: 진공배출펌프 500: 절삭공구
510: 절삭층 520: 생크층
530: 접합계면층 550: 절삭가공영역
570: 제1피크응력 형성지점
572: 제3피크응력 형성지점
574: 제2피크응력 형성지점
600: 피절삭물 602: 제1변형영역
604: 제2변형영역 606: 제3변형영역
610: 칩 MS: 최대응력
MSEZ: 최대응력 영향범위 S110: 예열단계
S120: 접합단계 S130: 냉각단계
e: 전자빔

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 캐소드와 애노드를 포함하는 전자빔 방출장치; 상기 전자빔 방출장치에서 방출되는 전자빔이 조사되는 챔버; 상기 챔버에 구비되며, 생크층과 접합계면층 및 절삭층이 적층된 상태의 절삭공구가 위치되며, 전도성 재질로 형성되고 접지가 이루어진 지그; 상기 지그를 냉각시키는 냉각부; 및 상기 전자빔 방출장치 및 냉각부를 제어하는 제어부를 포함하는 전자빔 브레이징 장치를 이용하여,
   상기 절삭공구의 생크층과 두께 1mm이하의 세라믹 재질의 절삭층 사이에 접합계면층을 위치시키고, 이를 상기 챔버 내부에서 가열하여 상기 접합계면층을 녹여 상기 생크층과 절삭층을 접합시킴으로써 절삭공구를 브레이징하는 방법에 있어서,
   상기 생크층 및 절삭층 중 적어도 어느 하나에 전자빔을 조사하고 상기 전자빔의 에너지량을 제어함으로써, 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 전자빔을 조사하는 예열단계;
   예열된 상기 생크층과 절삭층 사이의 접합계면층이 녹도록 전자빔을 조사하는 접합단계; 및
   상기 접합계면층이 녹아 접합된 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열수축량이 동일하도록 상기 생크층과 절삭층 및 접합계면층 중 적어도 어느 하나에 전자빔을 조사하면서 냉각시키는 냉각단계;
   를 포함하는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
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5. 제3항에 있어서,
   상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층과 절삭층에 각각 전자빔이 조사되는 전자빔 조사시간을 제어함으로써 이루어지는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층과 절삭층에 각각 조사되는 전자빔의 출력을 제어함으로써 이루어지는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
7. 제3항에 있어서,
   상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량의 제어는 상기 생크층과 절삭층에 각각 조사되는 전자빔의 집속 및 확산도를 제어함으로써 이루어지는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
8. 제3항에 있어서,
   상기 접합단계는,
   상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열팽창량이 동일하도록 전자빔을 상기 생크층, 절삭층 또는 접합계면층 중 어느 하나에 조사하는 단계인 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 접합단계는,
   상기 접합계면층에 전자빔을 조사하는 단계인 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
10. 제3항에 있어서,
    상기 냉각단계는,
    상기 생크층과 절삭층의 온도를 낮추면서, 상기 생크층과 절삭층에 조사되는 전자빔의 에너지량을 각각 제어하여, 상기 생크층과 절삭층의 단위시간당 열수축량이 동일하도록 상기 생크층과 절삭층을 개별적으로 가열하는 단계인 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
11. 제3항에 있어서,
    상기 예열단계 전에, 상기 챔버를 가열하여, 상기 생크층 및 절삭층의 온도를 기 설정된 온도까지 예열시키는 분위기 예열단계를 더 포함하는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
12. 제3항에 있어서,
    생크층과 접합계면층 및 비전도 재질의 절삭층이 적층된 상태의 피가공물의 적어도 절삭층의 전자빔이 조사되는 피조사면에 전도층을 형성하는 전도층 형성단계;
    상기 피가공물을 지그에 안착시키는 안착단계;
    전도층 형성단계에서 형성된 전도층을 접지시키는 접지단계;
    를 더 포함하는 전자빔을 이용한 절삭공구의 브레이징 방법.
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