KR20010080459A - 고속 가공(ｈｓｍ)에 의한 금속 매트릭스복합재(ｍｍｃ)의 가공 - Google Patents
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Abstract
금속 매트릭스 복합재로부터 제작된 부품, 소위 MMC 재료는 예정 형상을 제공하기 위해 블랭크 또는 공작물의 고속 가공, 소위 HSM 가공에 의해 제작된다. HSM 가공의 특징에 따르면, 특히 종래의 가공 기술 사용시 통상적인 경우에 비해, 절삭 공구는 가공된 공작물에 대해 매우 고속으로 작동된다.
Description
MMC 재료로 명명되는 구성 재료는 최근 10년간 공지되어 왔다. MMC 재료는 탄화규소, 탄화붕소나 산화알루미늄과 같은 재료의 입자 또는 섬유의 혼합에 의한 강화재를 가진 알루미늄 및 티타늄의 합금이나 알루미늄, 티타늄과 같은 결합재로부터 형성된 복합재이다. 통상적으로, 강화재 함유량은 MMC 재료의 중량으로 약 15% 내지 약 70%이다. 약 15%보다 낮은 강화재 함유량을 가진 MMC 재료는 본 명세서에서 MMC 재료로 명명되지 않고, 이유는 상기 재료가 강화재없이 결합재의 형성에 사용되는 수단에 의해 형성될 수 있기 때문이다.
MMC 재료는 매우 흥미있는 특성을 가지고, 상기 특성은 사용 분야에 따라 조절될 수 있어, 더 경량의 또한 더 강한 또한 더 강성의 부품이 형성되고, 특정 사용 분야내에서 종래 재료의 사용에 의해 이루어질 수 있는 내구성에 비해 더 우수한 내구성을 제공한다.
피스톤 로드와 같은 고속 이동 부품이 상기 금속 복합재에 의해 적합하게 수행될 수 있는 자동차 기술은 MMC 재료 사용의 분야에 대한 예이다. 자동차 제작업체는 연료 소비, 배출, 진동, 소음, 안락함 등에 대한 성능을 증가시키기 위해 계속 노력하고 있다. 모든 상기 변수에 대한 필수적인 사항은 특히 비탄성 매스(mass) 및 고속 이동 엔진 부품에서 중량의 감소이다. 특히 자동차가 사용되는 경쟁 활동내에서 엔진 부품의 상기 특성은 매우 바람직하다. 언급된 바와 같이, 피스톤 로드는 중량의 감소가 매우 유리한 상기 부품에 대한 예이다.
자동차 경주에서, 알루미늄, 티타늄 또는 석탄 섬유 합성재와 같은 경량 재료는 언급된 형태의 부품에 대해 강재 대신에 사용된다.
MMC 사용의 다른 흥미있는 분야는 자동차, 트럭 및 기차용 브레이크 디스크이다.
MMC 재료의 사용시 하나의 주요 단점은 재료의 가공이 매우 힘들다는 점이다. MMC 재료를 사용하는 부품의 성형시, 부품의 최종 완성 형상에 밀접하게 상응하는 몰드에서 부품의 형성과 같은 방법이 적용된다. 다른 방법은 단조된 공작물 또는 압출된 로드의 부분을 사용하는 것이고, 따라서 부품 표면의 스파크 가공 및 종래 가공이 부품의 최종 형상 형성에 사용될 수 있다. 예를 들어 종래의 제작 가공 방법을 이용하여 모터바이크용 피스톤 로드를 형성하려는 시도가 있었다. 저중량과 같은 소요 특성으로 소요 부품에 도달되는 목적이 이루어졌다. 엔진에서 상기 피스톤 로드의 사용은 고단 기어로의 이동 및 엔진에 유발되는 저진동의 결과가 제공되었다. 그러나, 문제는 엔진 부품의 제작 비용이 매우 높다는 것이고, 상기는 비용의 중요성이 낮은 분야로 사용이 제한됨을 의미한다.
다수의 특허 명세서에 MMC 재료로 제작된 부품을 성형하는 최종 단계의 상이한 방법이 개시되어 있다. 미국 특허 5,765667은 한 예로서 언급된다. 가능한 한 절삭 공구에 의한 제작 필요성이 방지되도록, 부품의 최종 형상에 매우 근접하게 상응하는 형상으로 부품을 주조함으로써, 부품(상기 실시예에서 디스크 브레이크)을 제작하는 방법이 상기 특허에 기술되어 있다. 본 기술분야의 숙련자에게 절삭 공구에 의한 가공 필요성이 방지됨은 명확하고, MMC 재료가 알루미늄 베이스 및 탄화규소 형태의 강화재로 구성될 때 상기 MMC 재료는 절삭 공구의 연마에 사용되는 구성을 포함하기 때문이다.
MMC 재료에 내장된 규소 입자는 종래 가공 기술의 사용에 의한 가공시 절삭 공구에 악영향을 미치고, 절삭 공구의 날이 복합재내의 연마 입자에 의해 급격하게 마모되기 때문이다.
본 발명은 상기 문제점에 대한 해법을 제시한다.
본 발명은 피스톤 로드, 피스톤, 브레이크 디스크 및 다른 기계 부품과 같은 부품을 성형하기 위해 MMC 재료(메탈 매트릭스 복합재)로 제작된 공작물의 가공 방법에 관한 것이다.
도 1 은 MMC 재료의 부품이 원료로부터 고속 가공에 의해 형성된 실험 작업의 예가 도시된 도면.
도 2 는 본 발명의 방법에 의해 형성된 엔진 부품(상기 경우에 피스톤 로드)의 예가 도시된 도면.
*부호 설명
1...플랜지 2...블랭크
본 발명의 한 관점은 본원에서 고속 가공(약어로 HSM)으로 명명되는 가공에 의해 MMC 재료의 공작물을 성형하는 방법에 기초하고 있어, 상기 가공 방법에 의해 공작물로부터 직접 부품의 최종 형상이 형성될 수 있다. 공작물은 단조, 주조될 수 있고, 압출된 로드의 부품 또는 다른 방법으로 형성된 원료일 수 있다.
고속 가공은 종래 가공 기술의 경우에 비해 가공되는 공작물에 대해 매우 고속으로 절삭 공구를 작동시키는 것을 포함한다. 절삭 공구는 밀링 공구 및 드릴이선호된다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "고속 가공(HSM)"은 종래 가공 방법과 상이한 방법을 나타낸다. 종래 가공 방법에 대한 제한을 더 높은 레벨로 형성시키는 새로운 방법이 나타나는 경우에, 때때로 용어는 종래 가공을 지시하는데 사용된다. 그러나, 하기에 기술된 바와 같이 상기는 본원에서는 그러하지 않다.
HSM 가공의 특징에 따르면,
- 매우 고속의 절삭 속도
- 높은 전단 변형 속도(공작물로부터 칩을 분리시키는 능력)
- 절삭날의 전방에서 매우 높은 효과 밀도의 형성
- 칩형성 단계에서 매우 높은 온도가 절삭날에 국소적으로 형성
- 절삭날과 접촉되지 않고 칩이 유동
- 점근적으로 0에 접근하는 전단력의 특징을 가진다.
본 발명에 따른 일부 재료의 고속 가공시 고속 절삭 속도의 일부 예가 하기에 도시되어 있다.
- 알루미늄은 약 3000m/min(종래에는 약 100-400m/min)
- 티타늄은 약 15000m/min(종래에는 약 15-100m/min)이다.
전술된 상태가 고속 가공의 특징을 형성하도록, 가공되는 재료의 종류에 따라 정확한 절삭 속도가 결정된다. 본원을 이해하면 과도한 실험없이 본 기술분야의 숙련자에 의해 상기가 결정될 수 있다.
새로운 재료의 HSM 가공에 대한 최적 절삭 속도를 결정하기 위해 실험을 수행할 때, 전단력이 연구될 수 있다. HSM 가공 상태가 형성될 때 상기 힘은 점근적으로 0에 도달된다. 따라서, 절삭 속도가 증가함에 따라 전단력이 감소될 때 HSM 상태가 형성될 수 있다. 상기 HSM 상태에서, 목적은 가공된 재료에 대한 최적 절삭 속도를 결정하는 것이다. 종래의 가공에서, 전단력은 절삭 속도가 증가함에 따라 증가된다. 상기는 절삭 속도의 함수로서 전단력이 전체 최대값(국소 최대값 또는 최소값이 형성될 수 있다)을 가지는 곡선으로 도시될 수 있음을 의미한다. 가공이 곡선의 증가면에서 수행되도록 가공 데이터가 형성된다면, 종래 가공이 형성된다. 반면에, 가공이 곡선의 감소면에서 수행되는 조건하에서 가공이 수행될 때 HSM 상태가 형성되고, 즉 전체의 최대값을 통과했을 때에 HSM 가공이 형성된다.
HSM 가공 사용의 다른 장점은 절삭점에서 발생되는 열의 대부분, 통상적으로 80%를 칩이 흡수한다는 점이고, 따라서 공작물은 가공에서 발생된 열에 의해 영향을 받지 않는다.
고속 가공은 MMC 재료에 대해 사용될 때 우수한 결과를 나타내는 것으로 판명되었다. 재료내에 연마재의 높은 함유량에도 불구하고, 절삭 공구가 MMC 재료의 연마재에 의해 영향을 받지 않는 것처럼, 절삭 공구는 장시간 동안 예리함을 유지한다. 재료 내부의 진행으로 인해 상기의 이유는 잘 이해되지 않고, 즉 MMC 재료의 고속 가공의 경우 절삭점에서 재료에 실제로 발생되는 형상은 잘 공지되어 있지 않다. 한 이론에 따르면, 일정 범위로 재료로부터 절삭되는 칩은 절삭 공구날 바로 전방의 제한된 공간에서 액체 상태로 형성되고, 예를 들어 탄화규소, 탄화붕소 또는 산화알루미늄으로 구성된 내장된 연마 입자가 공구날에 직접 접촉되지 않고충전에 의해 이탈된다. 상기는 종래 가공에 적용되는 바와 반대로 왜 절삭 공구가 예리함을 유지하는가에 대한 이유일 수 있다.
MMC 재료의 HMC 가공에 의해 피스톤 로드를 형성하도록 실험이 수행되었다. 결과는 매우 양호하다. 기계가 주축 회전 속도, 절삭 속도, 공구의 이송 등에 대한 정확한 설정치를 가질 때, 가공 결과는 우수하였다. 예를 들어, MMC 재료로 수행되는 피스톤 로드의 원형을 종래 방법 및 고속 가공에 의해 최종 형상으로 형성하는 비용은 피스톤 로드의 제작 비용을 40배 이상 감소시켰다. 본 발명에 따른 MMC 부품을 순차 생산함으로써, 비용을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 하기의 상세한 설명으로부터 본 기술분야의 숙련자에게 용이하게 명확히 이해될 것이고, 본 발명의 실행에 가장 선호되는 모드가 예로서 설명된 본 발명의 선호되는 실시예만이 기술되고 도시된다. 본 발명은 다른 실시예를 수행할 수 있고, 여러 상세한 사항은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 다양한 관점에서 수정될 수 있다. 따라서, 기재내용은 예로서 기술된 것이고, 제한적이지 않다.
본 발명에 따른 방법을 평가하기 위한 실험의 여러 예가 도면을 참고로 기술되어 있다. 도 1 에 MMC 재료로 제작된 블랭크(blank)(2)로부터 제작되는 플랜지(flange)(1)가 도시되어 있고, 예측되는 플랜지(1)의 주위로 블랭크(2)의 원료 전부를 제거하기 위해 밀(mill)이 사용되었다. 상기 경우에 플랜지(1)는 L자 형상을 가지고, 최종 재료 두께는 1mm이며, L의 측면에 대해 길이는 각각 45mm 및 15mm이다. 가공에 사용된 설정치는 상기 예에서 다음과 같다. 주축 속도 15000rpm, 절삭 속도 565m/min 및 이송 속도 3000mm/min이다. 도 1 의 플랜지(1) 형성에 소요되는 시간은 2.5분이었다. 절삭 공구의 마모 시간은 수시간에 이른다. 도면에 따른 부품은 재료에 40%의 탄화규소 함유량을 가진 MMC 재료에 의해 제작된다.
실험은 또한 40%의 탄화규소 함유량을 가진 MMC 재료의 천공에 의해 수행되었다. 6.9mm HM 드릴을 사용한 다수의 홀이 제작되었고, 주축 속도는 15000rpm이며, 이송 속도는 3000mm/min이다. 상기 경우에 1000 드릴홀의 천공에 드릴이 견디도록, 드릴의 마모 시간이 형성되었다.
도 2 에 엔진용 부품의 예가 도시되어 있고, 상기 경우에 상기 부품은 MMC 재료의 블랭크로부터 직접 제작된 피스톤 로드이며, 상기 블랭크는 본 발명에 따른 고속 가공에 의해 도면에 도시된 피스톤 로드로 최종 형상이 가공되었다. MMC 재료로 제작된 도 2 의 피스톤 로드 제작 비용은 낮고, 동시에 다른 재료로 제작된피스톤 로드에 비해 다음과 같은 장점을 나타낸다.
- 강재와 비교시 : 낮은 질량
- 티타늄과 비교시 : 낮은 질량, 높은 강성
- 알루미늄과 비교시 : 높은 강성, 높은 항복점, 높은 내구한도, 인접 크랭크축의 강재와 동일한 열팽창 계수
- 섬유 합성재와 비교시 : 낮은 가격, 등방성 특성, 인접 크랭크축의 강재와 동일한 열팽창 계수이다.
본 발명의 방법에 따라 가공함으로써, 냉각되는 내부 채널을 가진 피복형 초경합금으로 제작된 절삭 공구 및 다이아몬드 공구의 사용에 의해 우수한 결과가 이루어졌다. 다이아몬드 공구의 사용으로 인해, 공구의 마모 시간은 MMC 재료의 40% 탄화물 함유량까지 장시간이다. 탄화물의 함유량이 70%로 높을 때, 여전히 우수한 결과가 얻어진다.
본 발명에 따른 방법은 MMC 재료로부터 제작되는 모든 형태의 부품에 적용가능하고, 부품의 최종 형상에 대해 가공이 가능하다. 따라서 방법은 기술된 실시예에 국한되지 않고, MMC의 선택이 유리한 모든 부품에 사용될 수 있다. 언급된 일부 실시예는 엔진 부품, 우주선용 기계 구조물, 장비용 기계장치, 자동차용 브레이크 디스크 등이다. 또한, MMC로부터 제작된 브레이크 디스크는 강재에 비해 낮은 중량의 장점을 가지고, 상기는 감속 전에 브레이크 디스크에 저장된 회전 에너지를 감소시키는데 기여하며, 상기 감속은 강재로 제작된 다수의 회전 브레이크 디스크가 각 휠축에 구비되는 기차에 중요한 조건이다.
본 발명의 상기 내용은 본 발명을 기술한다. 또한, 상기 기재내용에 단지 본 발명의 선호되는 실시예만이 기술되어 있으나, 언급한 바와 같이, 본 발명은 상기 기재내용 및/또는 기술 또는 관련 분야의 지식으로부터 다양한 조합, 수정 및 환경에 사용될 수 있고, 본 발명의 범위내에서 변화 및 수정이 가해질 수 있다. 기술된 실시예는 본 발명의 실시에 가장 선호되는 모드를 설명하기 위해 기술되고, 본 기술분야의 숙련자가 본 발명을 활용하도록 하며, 본 발명의 특정 분야 또는 용도에 요구되는 여러 수정 및 실시예가 활용되도록 한다. 따라서, 상기 기재내용은 기술된 형태로 본 발명을 한정시키지 않는다. 또한, 첨부 천구범위는 선택적인 실시예를 포함하도록 기술된다.
Claims (23)
- 금속 매트릭스 복합재(MMC)로부터 예정 형상의 부품을 제작하는 방법에 있어서,부품의 예정 형상을 형성하기 위해 고속 가공(HSM)으로 MMC 재료의 블랭크를 가공하는 것으로 구성되고, MMC 재료는 15% 내지 70% 사이의 강화재 함유량을 가지며, 절삭 속도의 함수로서 전단력이 감소될 때 HSM 가공 상태가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 절삭 속도의 함수로서 전단력이 전체의 최대값을 통과하였을 때 HSM 상태가 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 절삭 공구는 피복형 초경합금 절삭날, 질화붕소 절삭날 및 다이아몬드 절삭날로 구성된 그룹으로부터 선택되는 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 절삭 공구는 피복형 초경합금 절삭날, 질화붕소 절삭날 및 다이아몬드 절삭날로 구성된 그룹으로부터 선택되는 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 가공되는 MMC 재료는 약 15% 내지 약 70% 사이의 강화재 함유량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 가공되는 MMC 재료는 약 15% 내지 약 70% 사이의 강화재 함유량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 강화재는 탄화규소, 탄화붕소 및 산화알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 부재인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 강화재는 탄화규소, 탄화붕소 및 산화알루미늄으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 부재인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 강화재는 탄화물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 강화재는 탄화물인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, MMC는 알루미늄, 티타늄 및 상기 금속의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 기초 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, MMC는 알루미늄, 티타늄 및 상기 금속의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 기초 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 부품은 자동차용 부품이거나 광학 시스템에 사용되는 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 부품은 고속 이동 엔진 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 부품은 피스톤 로드 또는 크랭크축인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 부품은 트랙이 구성된 차량, 트럭 또는 자동차용 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 16 항에 있어서, 부품은 브레이크 디스크 또는 브레이크 요크인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 부품은 자동차용 부품이거나 광학 시스템에 사용되는 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 부품은 고속 이동 엔진 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 부품은 피스톤 로드 또는 크랭크축인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 부품은 트랙이 구성된 차량, 트럭 또는 자동차용 부품인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 절삭 속도의 함수로서 전단력은 점근적으로 0에 도달되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 블랭크에 대해 절삭점에서 블랭크를 가공하는 절삭 공구의 속도는, 가공의 결과로 형성된 칩이 절삭점에서 적어도 순간적으로 국부적으로 부유되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
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