KR20040003642A

KR20040003642A - 절삭휠

Info

Publication number: KR20040003642A
Application number: KR1020020038394A
Authority: KR
Inventors: 이승구; 주창환; 박이연; 권미연; 유근실; 박영민; 구평길; 구보령; 권태응
Original assignee: 주식회사 별표수세미; 이승구
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2004-01-13

Abstract

본 발명은 절삭휠에 관한 것으로, 섬유직물 또는 부직포의 지지체로 이루어지는 적어도 한 층 이상의 심재층에 수지층이 적어도 외측으로 소정 두께로 적층되고, 상기 수지층에는 실리콘카바이드, 티타늄옥사이드, 알루미나, 실리콘다이옥사이드와 같은 절삭성분이 혼합되어 적층된 절삭휠에 있어서, 상기 수지에 상기 절삭성분과 섬유를 혼합하여 적층한 구성으로 되어 있다. 상기 수지에 대한 섬유의 함량비는 0.5∼30wt%(보다 바람직하기로는 5±0.5%)이고, 상기 수지와 절삭성분(무기물)의 조성비는 1 : 0.5∼2.5(보다 바람직하기로는 1 : 1∼2)이다. 이러한 절삭휠은 절삭용 무기물(절삭성분)을 휠에 오랫 동안 유지시키며 피삭재에 전달되는 열을 감소시킬 수 있으므로 절삭휠의 성능, 가치 및 신뢰성을 향상할 수 있는 이점이 있다.

Description

절삭휠{CUTTING WHEEL}

본 발명은 절삭휠에 관한 것으로, 특히 절삭휠의 본체에 무기섬유(또는 유기섬유)와 같은 섬유담체를 혼합시키거나 표면에 코팅함으로써 절삭용 무기물(절삭성분)을 휠에 오랫 동안 유지시키며 피삭재에 전달되는 열을 감소시키도록 한 절삭휠에 관한 것이다.

일반적으로 절삭휠은 세계적으로 미국 3M사의 범용성 고속 절삭소재가 주도하고 있고, 일부 특수 절삭용으로 독일, 일본, 스위스, 스웨덴에서 다양한 제품들이 생산되고 있으며, 국내에서도 여러 회사가 제품을 생산하고 있다. 대부분 통상의 기술을 사용하여 제조사마다 섬유보강 형태, 절삭용 충진물 또는 첨가제의 성분과 비율, 외관과 절삭 성능 등에서 약간씩의 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 절삭휠의 성능과 수명에 대한 핵심 기술 중의 하나는 절삭성분(주로 무기물)을 얼마나 오랫 동안 유지시키며 피삭재에 전달되는 열을 적게 하는가 이다. 그리고 제품에 따라 처음에는 잘 절단이 되나, 오래 사용하면 절삭휠이 많이 소모되어 수명이 매우 짧은 단점이 있다. 여기에 대해서 바인딩 수지(결합제)의 성분과 수지 대비 무기물의 함량 및 성형에 대한 기술들이 망라되어 있는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 절삭휠에 따르는 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창출한 것으로, 절삭용 무기물을 휠에 오랫 동안 유지시키며 피삭재에전달되는 열을 적게 하기 위하여 절삭휠의 본체에 무기섬유와 같은 섬유담체를 혼합시키거나 표면에 코팅하여서 되는 절삭휠을 제공하고자 함에 목적이 있다.

도 1 내지 도 7은 본 발명에 관한 도면으로서,

도 1은 절삭휠의 평면도.

도 2는 절삭휠의 종단면도.

도 3은 도 2의 부분 확대도.

도 4 내지 도 7은 수지 절삭층의 주사전자현미경 사진도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 절삭휠11 : 제1층(수지층)

12 : 제2층(심재층)13 : 제3층(수지층)

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 절삭휠은 섬유직물 또는 부직포의 지지체로 이루어지는 적어도 한 층 이상의 심재층에 수지층이 적어도 외측으로 소정 두께로 적층되고, 상기 수지층에는 실리콘카바이드(SiC), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미나(Al2O3), 실리콘다이옥사이드(SiO2)와 같은 절삭성분이 혼합되어 적층된 절삭휠에 있어서, 상기 수지에 상기 절삭성분과 섬유를 혼합하여 적층한 구성으로 되어 있다.

상기 수지에 대한 섬유의 함량비는 0.5∼30wt%(보다 바람직하기로는 5±0.5%)이고, 상기 수지와 절삭성분(무기물)의 조성비는 1 : 0.5∼2.5(보다 바람직하기로는 1 : 1∼2)이다.

그리고, 상기 절삭성분에는 실리콘카바이드(SiC), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미나(Al2O3), 실리콘다이옥사이드(SiO2) 중 어는 하나 이상을 선정하여 사용할 수 있으며, 예를 들어 Al₂O_3,SiC를 사용하는 경우에 이들의 조성비는 Al₂O₃가 25∼75, SiC가 25∼75(보다 바람직하기로는 45∼55 : 45∼55)이다.

상기 섬유에는 무기섬유를 사용하는 것이 바람직하나 나일론, 폴리에스터 등의 유기섬유와 같은 유기섬유를 사용할 수도 있고, 무기섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 실리콘카바이드 섬유, 알루미나 섬유 등을 사용한다.

상기 절삭휠은 예를 들어 상기 수지층이 중앙에 형성되고, 그 양외측으로 상기 심재층이 적층되며, 그 양외측으로 수지층이 적층되어 5층 구조로 성형될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 7은 본 발명에 관한 도면으로서, 도 1에는 절삭휠의 평면도, 도 2에는 절삭휠의 종단면도, 도 3에는 도 2의 부분 확대도가 각각 도시되고, 도 4 내지 도 7은 수지 절삭층의 주사전자현미경 사진도가 각각 도시되어 있다.

본 발명은 절삭용 무기물을 휠에 오랫 동안 유지시키며 피삭재에 전달되는 열을 적게 하기 위하여 절삭휠의 본체에 무기섬유와 같은 섬유담체를 혼합시키거나 표면에 코팅하여 구성된다.

무기섬유로는 탄소섬유, 유리섬유 및 고경도의 실리콘카바이드 섬유, 알루미나 섬유 등을 사용할 수 있으며, 섬유의 길이는 0.1mm∼25mm 정도까지 사용할 수 있다.

이렇게 혼합된 무기섬유는 절삭재 입자를 절삭휠에 잘 붙어 있도록 브리지(bridge) 역할을 해주며, 단열의 효과도 제공하여 절삭휠의 성능을 올리며 수명을 늘릴 수 있게 된다. 또한 절삭기에 장착시키는 내경 부분에 일정 두께 이상의 패드 혹은 종이(상표)를 접착시켜 절삭기의 진동을 줄여서 절삭휠의 성능을 개선시킬 수도 있다.

본 발명에 의한 절삭휠의 한 형태를 예시하면, 도 1 내지 도 3과 같이 다단층 구조로 형성되고, 절삭휠(10)의 중앙에 제1층(수지층)(11)이 형성되고, 그 양외측의 제2층(심재층)(12)이 형성되어 있으며, 그 양외측의 제3층(수지층)(13)이 형성되어 있다.

상기 제1층(11)은 수지+절삭성분(무기물; Al₂O_3,SiC)으로 이루어지고, 그 양외측의 제2층(12)은 섬유직물 또는 부직포와 같은 지지체 이루어지며, 제3층(13)은 수지+무기섬유+절삭성분으로 이루어진다.

상기 제1층(11)과 제3층(13)은 그 조성이 차이가 있을 수 있으며, 제1층(11)에는 섬유가 혼합되지 않을 수도 있다.

또, 양외측의 제3층(13)이 각각 복수층으로 이루어져 외부층이 내부층보다 섬유가 보다 다량으로 혼합되는 형태를 가질 수도 있다.

본 발명에 의한 절삭휠의 한 형태는 도시된 바와 같이, 절삭휠 본체의 수지층(11),(13)에 절삭성분과 섬유가 혼합되어 적층된 형태로 구성될 수 있으며, 절삭휠 본체의 제3층(13)을 코팅하여 성형할 수도 있다.

또한, 제1층(11), 제2층(12) 및 제3층(13)을 적층형으로 형성하고, 제3층(13)의 양외측에 절삭성분과 섬유를 혼합시킨 바인더 수지를 코팅하는 형태도 이용할 수 있다.

도 1 내지 도 3에서 10a는 결합공을 보인 것이고, 20은 패드 혹은 종이(상표)를 보인 것이다.

또, 예를 들어 중공 원반형으로 직경 102mm x 내경 9.5mm x 두께 9.5mm∼19mm 범위로 형성된다.

그리고, 본 발명의 절삭휠은 5,000rpm 이상의 고속 회전에서 사용 가능하고연속 사용수명이 10시간 이상이며, 철금속 및 합금의 절삭이 용이하도록 형성된다.

또한, 내열성 200℃이상, 연속사용시간 10시간 이상, 인장강도: 200N/mm², 인장탄성률: 12kN/mm², 굴곡강도: 300N/mm², 굴곡탄성률: 10kN/mm², 압축강도: 100N/mm², 압축탄성률: 8kN/mm²를 갖도록 형성된다.

절삭기 휠은 절삭재로 Al₂O₃(알루미나)_,SiC(실리콘카바이드), TiO₂(티타늄옥사이드) 등을 바인딩 수지에 복합하여 사용하는데 이때, 탄소섬유, 유리섬유 및 고경도의 무기섬유 휘스커(whisker)나 단섬유를 결합제(바인딩 수지)에 넣어서 절삭기 휠을 성형하거나 표면에 코팅한다. 무기물을 사용하는 이유는 절삭재의 담체로서 절삭성분을 오래 유지하도록 하며, 결합제와 결속력을 높여 절삭휠의 수명을 연장하고 성능을 높이기 위한 것이다.

성형공정은 대량 생산을 위하여 수지와 무기물 충진재를 혼합하여 중간성형체를 형성하고, 최종 프레스를 이용하여 압축성형시킨다. 이때 무기섬유를 함께 함침시키거나 중간 성형후 코팅을 한다. 또 절삭휠의 표면안정화와 절삭을 용이하게 하기 위하여 표면 엠보싱(embossing)을 하며, 절삭기 장착부인 내경 부분에 완충 효과를 주기 위하여 0.1mm 이상의 접착 패드를 사용한다.

기초 구조가 되는 섬유직물은 주로 높은 강도와 탄성률을 갖는 유리섬유(E-glass)나 아라미드 섬유를 사용하며 예를 들어 직물구조는 레노(leno) 조직과 같은 성기면서도 접속력이 강한 조직을 제직하여 사용하게 된다. 유리섬유의 형태는 필라멘트가 100개 이상 집속된 로빙사를 사용하며, 조직의 구성은 지경사 2가닥과 위사 1가닥으로 이루어지는 레노직을 형성한다. 직기는 북직기를 사용하고 직물밀도는 요구물성에 따라 조절한다. 그리고 이외에도 다양한 형태의 섬유직물이 이용될 수 있고, 필요에 따라 필라멘트가 거의 없는 것도 사용할 수 있다.

섬유 복합재료에 있어서 매트릭스 수지로는 페놀 멜라민 등의 고 내열성의 열경화성 수지를 사용하여 압축성형을 통하여 제조하고, 기조 구조는 레노 직물과 같은 지지체를 수지에 함침시켜 1차적으로 프리프레그를 제조하여 사용한다.

절삭재는 특성상, 내열, 내염성, 내마찰성, 내마모성 등 여러 가지 기능이 요구되며, 이에 따라 여러 가지 충진제를 혼합하여 사용하게 된다. 충진제로는 주로 무기물 첨가제로서 실리콘카바이드(SiC), 티타늄옥사이드(TiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 실리콘다이옥사이드(SiO₂), 인화합물 및 일부 금속계 첨가제가 사용될 수 있다. 충진 공정은 무기물 충진제를 매트릭스 수지 내로 미세 분산시켜 배합하면서 기계적 혼합을 시켜서 완료하게 된다.

그리고, 절삭재의 성능을 높이기 위하여 탄소섬유, 유리섬유 등의 무기섬유와 같은 섬유담체를 적절한 결합제에 넣어서 혼합하게 된다. 또한 절삭물질보다 경도가 높은 실리콘 카바이드계 무기섬유를 사용할 수도 있다. 본 발명의 핵심 기술은 섬유담체의 종류와 형태, 결합시키는 접착성분의 제조, 혼합기술 및 혼합물의 분산 및 함침 방법으로 적층할 수 있도록 만드는 기술이다.

절삭휠은 소형 부품이기 때문에 일회의 성형을 통하여 대량으로 단시간에 성형할 수 있어야 하며, 성형후 다시 가공을 하는 형태가 되면 경제성이 좋지 않다. 따라서 매트릭스에 무기물 충진제를 넣어 함께 중간 성형하고, 중간성형체에 무기섬유 코팅재를 함침시켜 코팅한 후 바로 프레스에서의 압축성형법을 사용하여 경화시키는 일체형 성형방법을 택하는 것이 좋다. 이때 표면의 안정화를 위하여 프레스에서 표면 엠보싱(embossing)을 할 수도 있다. 이러한 일체성형법에서는 중간성형체의 제조와 코팅재 함침공정 및 성형시의 온도, 압력, 시간 등의 공정변수의 조절이 중요하다.

이하, 본 발명의 보다 구체적인 실시형태를 예시하면서, 실험 결과와 함께 설명하면 다음과 같다.

기존의 절삭기 휠의 표층부는 부직포 형태의 섬유로 구성되어 있으며, 보강 섬유 직물은 케블라 섬유로 추정되는 섬유직물을 포함하고 있다. 수지층은 페놀과 첨가제로 구성되어있다. 첨가제는 SiO_2,Al₂O_3,SiC등과 같은 무기물 연마제 성분이며 표면 코팅재는 Al₂O_3,SiC이다.

또한, 표층부의 표면층를 이루고 있는 부직포형태의 섬유는 직경이 대략 15∼20μm이며, SiC 또는 Al₂O₃성분을 함유한 무기물이다. 표면은 십자모양의 엠보싱(embossing) 형태이며 접착제에 의해서 서로 성기게 결합 되어있다.

보강 섬유 직물은 유리섬유나 아라미드계 섬유이며 직경이 약 10μm내외의 값을 가진다. 보강 섬유 직물의 조직은 레노직 또는 플레인(Plain)직이며, 1개의 위사와 2개의 경사로 구성된 꼬임이 거의 없는 필라멘트(filament) 없는 형태이다.직물밀도는 위사가 6 end/inch (2520 denier)이며 경사가 6end/inch x 2 (1440 denier x 2)이다. 이런 보강 섬유 직물 2개가 45°각도로 적층된 구조로 절삭기 휠을 보강해주고 있다.

수지층은 매우 복잡한 형태의 혼합물로 많은 필러(filler)를 함유하고 있다. 수지 성분은 FT-IR결과 페놀계 수지로 예상되며 EDX를 통해 무기물의 성분을 분석한 결과 Al₂O₃가 다량 존재하며 일부 Ca, P, Si가 존재한다. 무기물 Al₂O₃는 경도가 높고 내열성이 극히 우수하며 내마모성 우수하고,SiC는 매우 경도가 높게 하여주어 절삭에 유리하게 해준다.

보강 섬유 직물로 유리 섬유를 선택하여 이용하고 보강 섬유의 구조는 유리 섬유 직물 2장을 서로 45°방향으로 겹치게 적층하여 제조하였다.

예를 들어, 유리섬유직물(경사 8× 위사 8 /inch², H 45tex 1/3, 219g/m²± 13)에 페놀 수지(수지함량 31.1%)를 적층하여 제조하였다.

이때 페놀 수지의 DSC 분석 결과는 그래프에 의해 페놀 수지의 열경화는 150 ∼ 160℃정도에서 일어나며, 페놀 수지의 경화 종료 온도는 약 180℃정도에서 일어난다는 것을 알 수 있다.

페놀 수지의 TGA 분석 결과는 그래프에 의해 페놀 수지의 중량 감소는 120℃근처에서 급격히 일어나는 것을 알 수 있다. 그 후 180℃이상에서는 중량감소가 크게 나타나지 않는다는 것을 알 수 있다.

페놀 수지 / 무기물 조성변화로서 페놀 수지의 용제 첨가비의 변화를 살펴보면, 다음 표와 같다.

	페놀수지(g)	EC(g)	메탄올(g)	물(g)	무기입자(g)	비고
a	280	60	20	54	300	강화직물과 수지를 적층하여 150℃에서 경화시킴
b	140	15	5	13	75	강화직물과 수지를 혼합 적층하여 80℃(30분간)에서 예비 경화시킨 후 180℃에서 경화
c	140	7.5	2.5	6	120	강화직물과 수지를 적층하여 80℃(30분간)에서 예비 경화시킨 후 180℃에서 경화
d	160				160	수지를 80℃(30분간)에서 예비 경화 후 강화직물을 적층하여 130℃에서 10분간 경화 후 180℃에서 경화.
e	180				270	수지를 120℃(30분간)에서 예비 경화 후 강화직물을 적층하여 130℃에서 10분간 경화 후 180℃에서 경화
f	180				270	수지를 120℃(30분간)에서 예비 경화후 두께 2mm로 하여 135℃에서 20분간 경화시킴, 직물은 120℃에서 예비 경화 후 건조시킴.강화직물을 수지를 충분히 코팅하여 성형된 수지층에 적층하여 120℃에서 분당 2℃로 승온하여 180℃에서 경화시킴.

복합재료 성형 결과를 살펴보면, 상기 표의 a와 같이 예비 경화 없이 150℃에서 직접 경화시켜 얻은 복합재료의 성형 형태와, 그에 비해 b와 같이 80℃에서 30분간 예비 경화시킨 후 180℃에서 경화시켜준 복합재료 성형 형태가 더 성형이 잘 된 것을 알 수 있었다.

이는 예비 경화를 시켜주어서 기화되어 날라가는 페놀 수지가 충분히 빠져나갈 시간적인 여유를 주어서 복합재 형성이 더 잘 되었다.

d, e는 예비 경화 시간을 다르게 한 것으로 d가 e보다 복합재료형성이 더 우수한 것을 알 수 있다. 즉 페놀 수지 : 무기 입자의 비가 1 : 1일 때 가 더 우수한 성형성을 나타내는 것을 알 수 있다.

f는 복합재료 성형 형태가 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 이는 수지를 120℃에서 30분간 예비 경화한 후 135℃에서 두께가 2mm가 되도록 20분간 다시 경화시켜준 후 분당 2℃로 승온하여 180℃에서 완전 경화시켜 준 것이다.

복합재료 성형의 문제점을 평가하여 보면, 현재 사용되는 페놀수지는 무기입자와 혼합시, 상온에서 페놀수지의 점도가 높아서 문제가 발생한다. 따라서 대책으로 좀더 희석된 상태로 혼합하며 경화시 기포 및 경화 부산물이 발생하는 문제점을 해결하기 위한 예비 경화조건과 수지+무기물 층을 성형한 후 직물과 접착하는 2단계 성형법이 필요함을 알 수 있었다.

다음으로 복합재료 성형조건 변화로서, 성형조건을 살펴보면, 유리 섬유와 페놀 수지를 가지고 복합재료를 성형할 때의 성형조건은 처음 온도를 약 30℃로 하여 분당 4℃씩 승온 시켜준다. 이때 온도가 110℃에 도달하면 이때는 승온 속도를 분당 2℃씩 승온하여 120℃까지 온도를 올려준다. 왜냐하면 이 온도에서 페놀 수지가 기화하기 때문이다. 즉 온도를 천천히 올려주어 페놀수지가 충분히 기화될 수 있도록 충분한 시간적 여유를 주는 것이다. 그런 후에 온도를 150℃까지 올려준다. 이때 승온 속도는 분당 4℃씩 승온 하여준다. 온도가 150℃에 도달하면 압력을 가하여준다. 이때 가해주는 압력은 약 400kgf/㎠정도이며 동시에 온도를 160℃까지 승온하여 주며, 5분 후 탈형한다.

많은 예비 실험결과 복합재료 성형을 위한 최적의 조건은 페놀 수지와 무기물 입자의 혼합비가 무게비로 1 : 2.21 일 때 최적의 성형조건을 가진다는 것을 알아내었다.

다음으로 조성 변화를 살펴보면, 다른 성형 조건을 동일한 상태로 고정한 후 무기물의 조성비에 따른 성형성을 알아보기 위해 무기물의 조성비를 변화시켜 성형하였으며, 무기물의 입자 중 Al₂O₃와 SiC(GC)의 무게비에 따른 복합재료 성형성을 알아보았다. 그 결과 무기물 입자 Al₂O₃와 SiC(GC)의 조성비가 1 : 1일 때 복합재료의 성형성이 가장 우수한 결과를 나타내는 것을 알 수 있었다.

조성비(무기물 입자중 Al₂O₃: SiC(GC) )	결과
a	100 : 0	약간의 기포 발생
b	25 : 75	두께의 불균일
c	50 : 50	비교적 양호
d	75 : 25	비교적 양호
e	0 : 100	비교적 양호

복합재료 성형 결과를 살펴보면, 무기물 입자중 Al₂O₃와 SiC(GC)의 조성비에 따른 성형성을 알아보기 위해 무기물의 조성비를 변화시킨 성형 결과 일반적으로 기포가 적으며 유리 섬유와 무기물 입자가 잘 혼합되어진 형태로 성형되었다. 특히, 상기 표의 a는 Al₂O₃가 100%일 때가 다른 복합재에 비하여 약간의 기포가 생기는 것을 알 수 있고, e는 SiC(GC)가 100%일 때로서 형태가 비교적 양호함을 알 수 있었으며, b, c, d는 두 가지 무기물 입자(Al₂O_3,SiC)의 조성비를 달리하여 성형한 복합재료로서, 전체적으로 기포의 발생이 많이 줄어들었으며 그 성형성이 양호하다는 것을 알 수 있다.

복합재료 성형의 평가로서, 모든 시편에서 기포 발생에 의한 기공이 관찰되며 압력이 충분히 가해지지 않은 형상이 나타났다. 수지의 성형성 부족과 무기물 과다첨가에 의한 결과로 고려되며 금형의 적용을 고려하여 실험하였다.

금형 설계 및 제작에 있어서는 절삭시 칩을 용이하게 제거해 주기 위해 절삭기 휠용 금형과 엠보싱 금형을 제작하였다. 절삭기 휠용 금형이나 엠보싱 금형은절삭시 칩을 쉽게 제거할 수 있게 해 주므로 더 효과적인 복합재의 성형에 효과를 줄 수 있을 것이다.

금형은 내부 몰더의 크기가 15 ×15로 상하 분리가 가능하다. 또한 프레임형 금형의 모습으로 상·하 몰더에 히터봉을 삽입 할 수 있다. 즉 히터봉을 삽입하여 몰더의 온도를 조절하여 준다.

엠보싱 금형의 표면을 나타낸 것이다. 이는 표면이 십자가 형태로 엠보싱이 있어서 절삭시 칩의 제거가 더 용이하게 이루어 질 수 있다.

복합재료 휠의 가공에 있어서는 워터젯 절단기(Waterjet cutter)에 의한 휠의 원형 절단을 행하였으며, 워터젯 절단기는 자체 프로그램에 의해 좌표값을 설정하여 주면 자동으로 휠 모양의 원형으로 절단이 되어진다.

워터젯 커터로 절단한 휠은 외경 103.5㎜이고, 내경이 12.5㎜인 원형으로 성형하였다.

복합재료의 기계적 물성 시험에 있어서 인장 시험은 공업용 재료의 기계적 성질을 알기 위한 가장 기본적인 시험으로써, 재료강도에 관한 기본적인 설계 정보를 제공하는데 가장 널리 사용되는 재료 시험중의 하나이다. 본 실험에서는 절삭기 휠의 인장시험을 수행하여, 재료의 변형 과정과 응력의 변화를 조사하며, 인장강도, 항복점, 연신, 단면수축률 등을 측정하여, 재료의 기계적 거동을 이해하며, 재료시험법의 일단을 파악하고자 하였다.

실험 재료 및 실험 기기는 다음과 같다.

(1) 측정기기 : INSTRON 4467

(2) 인장 시험편 : 폭 20㎜, 길이 13㎜

(3) 측정 조건

크로스-헤드 속도(㎜/min)	온도	그립 거리(㎜)
5	25℃	76

인장 시험 결과 인장 강도와 인장 탄성률값을 구해낼 수 있었다. 그 중에서도 Al₂O₃: SiC의 혼합비가 50 : 50일 때의 조건에서 인장 강도값이 최고치인 3.370을 나타내었고 인장 탄성률값은 비교적 우수한 결과치인 4744.368을 나타냈었다. 즉 Al₂O₃: SiC의 혼합비가 50 : 50일 때의 조성비가 가장 우수한 물성을 가지고 있다는 것을 다음 표를 통해 알 수 있다.

시료	인장강도(kg/㎠)	인장탄성률(kg/㎠)
Al₂O₃: SiC조성	100 : 0	1.601	5070.214
	75 : 25	1.968	2922.243
	50 : 50	2.191	3827.568
	25 : 75	3.370	4744.368
	0 : 100	1.681	5960.587

인장 시험 그래프와 인장 시험편의 파단면에 관하여, 절삭기 휠의 성형조건이 Al₂O₃: SiC, 25 : 75일 때의 하중-신장 곡선과 인장 시험 후 시험편의 파단면을 살펴보면, 절삭기 휠의 성형조건이 Al₂O₃: SiC, 25 : 75인 조건에서 절삭기 휠의 보강 섬유가 무기물, 수지층과 균일하게 접착되었다는 것을 보여주고 있다. 따라서 유리 섬유와 수지와의 접착력이 우수하여 절단시에 보강섬유가 먼저 절단되는 등의 문제가 발생하지 않는 다는 것을 인장 시험 그래프와 시험편의 파단면 등을 통해 알 수 있다.

다음으로 굴곡 시험은 굴곡하중에 대한 저항력 및 그것에 의한 변형과의 관계나 강도 등을 조사하는 시험이다. 절삭기 휠의 굴곡 시험 결과 굴곡 강도와 굴곡 탄성률을 구해 낼 수 있었다.

실험 재료 및 실험 기기는 다음과 같다.

(1) 측정기기 : INSTRON 4467

(2) 인장 시험편 : 폭 20㎜, 길이 13㎜

(3) 측정 조건

크로스-헤드 속도(in/min)	온도	풀 스케일 로드 레인지(lbf)
0.1969	23℃	6613.868

굴곡 시험 결과에 관하여, 절삭기 휠의 굴곡 시험 결과 굴곡 강도와 굴곡 탄성률을 구해낼 수 있었다. 특히 Al₂O₃: SiC의 조성비가 50 : 50일 때의 조건에서 굴곡 강도의 값이 비교적 우수한 11.386을 나타내었고 굽힘 탄성률의 값은 2033.473으로 가장 우수한 값을 나타내었다. 즉, Al₂O₃: SiC의 혼합비가 50 : 50일 때의 조성비가 가장 우수한 물성을 가지고 있다는 것을 다음 표를 통해 알 수 있다. 최고치인와 굴곡 탄성율 모두에서 우수한 결과를 보였다.

시료	굽힘강도(kg/㎠)	굽힘탄성률(kg/㎠)
Al₂O₃: SiC조성	100 : 0	9.742	604.563
	75 : 25	12.161	1603.111
	50 : 50	11.386	2033.473
	25 : 75	14.835	2146.629
	0 : 100	8.151	4030.274

굴곡 시험 그래프와 굴곡 시험편의 파단면을 살펴 본 결과로부터 Al₂O₃: SiC의 조성비가 50 : 50인 조건에서 절삭기 휠의 물성이 가장 뛰어나다는 것을 알수 있다. 즉 보강 섬유인 유리 섬유가 무기물(Al₂O₃, SiC), 수지층과 균일하게 접착되었다는 것을 보여주고 있다.

다음으로 복합재료 휠의 특성 평가로서 절삭 성능 시험에 관하여, 실험 방법 및 측정 장치는 핸드 그라인더에 외산 제품 A, B와 본 발명에 따라 제조한 절삭기 휠을 장착한 후 직경 15.85㎜의 쇠봉(SUS304)을 절단하여 측정 전후의 절삭기 휠의 무게 차와 직경의 차 및 절단면의 조도를 측정하였으며, 실험 결과 성형한 절삭기 휠이 외산 제품에 비해 표면의 거칠기를 나타내는 표면 조도가 비교적 우수하게 나타났다. 특히 Al₂O₃: SiC의 조성비가 75% : 25%인 조건에서 가장 우수한 표면 조도 값을 나타내었다.

절삭 시험 후 휠의 형상을 관찰한 결과 절삭 시험 전에 비해 외경은 약 0.7% 정도 감소되었고 수지 및 무기물 층과 보강 섬유 층의 뒤틀림 등의 문제는 발견되지 않았다.

절삭 시험 결과로서, Al₂O₃/ SiC의 조성비 차에 따른 절삭 소모율을 살펴보면서, Al₂O₃/ SiC의 조성비를 다음과 같이 (Al₂O₃: SiC = 100 : 0, 25 : 75, 50 : 50, 75 : 25, 0 : 100) 달리하여 측정하고, 절삭 소모율은 절삭 전후의 무게감소, 절삭기 외경, 내경의 감소를 %로 나타낸 것으로 아래의 결과치는 2회에 걸쳐 동일한 시간동안 절삭한 후 측정한 것이다.

그리고, 절삭 시험 결과 절삭기 휠의 무게 감소는 평균 1.75%로 외국산 제품에 비교하여 우수한 결과를 보였으며 절삭기 휠의 마모도 균일하게 이루어졌다.

종류	실험전 무게(g)	1회 절삭후 무게 (g)	2회 절삭후무게(g)	1회 절삭후무게 감소(%)	2회 절삭후무게 감소(%)	평균
외국산 1	19.63	19.22	19.1	2	1.79	1.895
외국산 2	33.37	32.82	32.34	1.65	1.86	1.775
Al₂O₃100%	59.84	58.75	57.59	1.82	1.97	1.895
Al₂O₃75%, SiC 25%	43.1	42.15	41.09	2.2	2.51	2.355
Al₂O₃50%, SiC 50%	34.75	34.12	33.75	1.81	1.08	1.445
Al₂O₃25%, SiC 75%	48.59	47.49	46.56	2.26	1.95	2.105
SiC 100%	41.8	40.55	39.98	2.99	1.41	2.2

또한, 절삭 시험 결과 절삭기 휠의 외경 감소는 절삭 시험 전에 비해 약 0.75% 감소되었고, 외경 감소는 전 방향에서 그 값이 오차 0.1㎜ 이하로 균일하게 마모 된 것을 알 수 있었다.

종류	실험전 외경(㎜)	1회 절삭후 외경 (㎜)	2회 절삭후외경 (㎜)	1회 절삭후외경감소 (%)	2회 절삭후외경감소 (%)	평균
외국산 1	105.02	104.36	103.97	0.63	0.37	0.5
외국산 2	99.56	99.08	98.25	0.48	0.84	0.66
Al₂O₃100%	103.41	102.59	101.78	0.79	0.79	0.79
Al₂O₃75%, SiC 25%	103.52	102.44	101.88	1.04	0.54	0.79
Al₂O₃50%, SiC 50%	103.03	102.32	101.45	0.69	0.85	0.77
Al₂O₃25%, SiC 75%	103.48	102.89	102.01	0.57	0.85	0.71
SiC 100%	103.32	102.78	102.03	0.52	0.73	0.625

또한, 절삭기 내경 감소는 절삭 시험 결과 절삭 시험 전에 비교하여 절삭기 휠의 내경이 약 0.8% 감소하였고, 내경의 감소도 전 방향에서 오차 0.1㎜ 이하로 균일하게 마모되었다.

종류	실험전 내경(㎜)	1회 절삭후 내경 (㎜)	2회 절삭후내경 (㎜)	1회 절삭후내경감소 (%)	2회 절삭후내경감소 (%)	평균
외국산 1	47.85	47.42	47	0.9	0.9	0.9
외국산 2	41.6	41.26	40.54	0.82	1.75	1.29
Al₂O₃100%	43.37	43.02	42.76	0.8	0.6	0.7
Al₂O₃75%, SiC 25%	43.16	42.76	42.12	0.93	1.48	1.2
Al₂O₃50%, SiC 50%	43.75	43.42	42.98	0.75	1.01	0.88
Al₂O₃25%, SiC 75%	43.3	42.97	42.12	0.76	1.97	1.36
SiC 100%	43.34	42.78	42.1	1.29	1.57	1.43

절삭기 휠의 시험 결과, Al₂O₃/ SiC 조성비에 따른 절삭 소모율과 표면조도 측정결과 Al₂O₃/ SiC 조성비 50 : 50 에서 가장 좋은 결과를 보였다.

Al₂O₃/ SiC의 조성비가 50 : 50인 조건에서 절삭 소모율과 표면 조도 모두 외국산 제품보다 그 결과가 우수하였다.

Al₂O₃100%, SiC 100% 조건과 Al₂O₃/ SiC 조성비를 달리하여 측정한 결과를 비교하여 보면 Al₂O₃/ SiC 조성비를 달리한 결과가 좋은데 그것은 #80인 Al₂O₃과 #60인 SiC 간에 충진 효과로 한 성분의 무기물 100%조건보다 더 조밀한 구조를 띠기 때문으로 생각된다.

섬유 혼합에 따른 절삭 소모율은 다음의 3종의 단섬유를 10 wt% 첨가한 후 측정한 결과이다. 혼합에 쓰인 3종의 단섬유는 유리섬유 A (섬유장 0.7㎜), 유리섬유 B (섬유장 3㎜), 탄소 섬유이며, 절삭 소모율은 절삭 전후의 무게감소, 절삭기 외경, 내경의 감소를 %로 나타낸 것이다. 측정값은 2회에 걸쳐 동일시간 동안 절삭한 후 측정하였다.

섬유 혼합 후에 절삭 시험 결과 절삭기 휠의 무게 감소는 유리 섬유 B의 경우 1.395%로 무게 감소가 가장 우수한 결과를 보였다.

종류	실험전 무게(g)	1회 절삭후 무게(g)	2회 절삭후무게(g)	1회 절삭후무게 감소(%)	2회 절삭후무게 감소(%)	평균
외국산 1	19.63	19.22	19.1	2	1.79	1.895
외국산 2	33.37	32.82	32.34	1.65	1.86	1.775
유리 섬유 A	35.89	34.96	34.01	2.59	2.71	2.655
유리 섬유 B	45.03	44.42	43.78	1.35	1.44	1.395
탄소 섬유	35.45	34.98	34.25	1.32	2.08	1.7

절삭 시험 결과 외경의 감소도 유리 섬유 B가 0.625%로 가장 우수한 결과를 보였다. 3종의 섬유 혼합 경우 모두 전 방향에서 그 측정값이 오차 0.1㎜ 이하로 균일한 마모를 보였다.

종류	실험전 외경(㎜)	1회 절삭후 외경 (㎜)	2회 절삭후외경 (㎜)	1회 절삭후외경 감소(%)	2회 절삭후외경 감소(%)	평균
외국산 1	105.02	104.36	103.97	0.63	0.37	0.5
외국산 2	99.56	99.08	98.25	0.48	0.84	0.66
유리 섬유 A	103.41	102.59	101.78	0.79	0.79	0.79
유리 섬유 B	103.32	102.78	102.03	0.52	0.73	0.625
탄소 섬유	103.03	102.32	101.45	0.69	0.85	0.77

절삭 시험 후의 절삭기 휠의 내경의 감소는 유리 섬유 A가 가장 우수한 결과를 보였고 3종의 섬유 혼합 경우 모두 전 방향에서 그 측정값이 오차 0.1㎜ 이하로 균일한 마모를 보였다.

종류	실험전 내경(㎜)	1회 절삭후 내경 (㎜)	2회 절삭후내경 (㎜)	1회 절삭후내경 감소 (%)	2회 절삭후내경 감소 (%)	평균
외국산 1	47.85	47.42	47	0.9	0.9	0.9
외국산 2	41.6	41.26	40.54	0.82	1.75	1.29
유리 섬유 A	43.34	43.02	42.78	0.73	0.55	0.64
유리 섬유 B	43.31	43	42.69	0.71	0.72	0.71
탄소 섬유	43.36	43.06	42.59	0.69	1.09	0.89

시험결과, 단섬유 혼합에 따른 절삭 소모율과 표면 조도를 측정해본 결과 단섬유 혼합 이전 보다 절삭소모율과 표면조도 모두에서 우수한 결과를 보였다. 이것은 단섬유 혼합에 따른 것으로 단섬유에 의한 담체 역할과 단열/보강효과 때문으로 생각된다.

단섬유 중에서도 유리섬유 B가 절삭소모율 면에서 우수한 결과를 보였는데 이것은 유리섬유 B가 유리섬유 A보다 담체 역할이 우수하기 때문이고 유리섬유 B가 표면조도에서 더 우수한 결과를 보인 것은 절삭소모율과 마찬가지로 섬유장의 영향으로 섬유장이 짧고 분말형태인 유리섬유 A가 표면 거칠기가 더 우수했다.

탄소섬유 역시 비슷한 경향을 보이고 있으나 수지 중에 균일한 분산이 유리섬유에 비해 상대적으로 어려웠다. 그러므로 절삭 소모율과 수지 중에 균일한 분산에 유리한 유리섬유 B가 적당하다.

표면 조도 측정에 관하여, 표면을 다듬질가공할 때에 표면에 생기는 미세한 요철(凹凸)의 정도로 거칠기의 정도를 나타내는 데 있어서 표면을 그것과 직각인 평면으로 절단하고 그 단면을 보면 어떤 곡선을 이루는데, 이 곡선의 가장 낮은 곳에서 가장 높은 곳까지의 높이를 취하여 이것을 최고값 거칠기라고 하고 Rmax 또는 R로 표시한다

표면 조도의 측정 방법은 '결' 반대 방향으로 조도계의 다이아몬드 칩이 이동하면서 표면의 거칠기를 측정한다. 측정은 절삭기 휠이 직경선상에 소정 간격으로 선정된 5부분에서 시행하였다.

Al₂O₃/ SiC의 조성비 차에 따른 표면 조도를 살펴보면, 표면 조도 측정 결과 Al₂O₃75% SiC 25% 조건에서 1.32㎛로 외국산 제품에 비해 우수한 결과를 보였다.

종류	외국산 1	외국산 2	Al₂O₃100%	Al₂O₃75% SiC 25%	Al₂O₃50% SiC 50%	Al₂O₃25% SiC 75%	SiC 100%
표면 거칠기(㎛)	3.6	1.43	2.49	1.32	1.40	1.59	1.98

※ 5회 측정 데이타의 평균치 임.

섬유 혼합에 따른 표면 조도의 변화를 측정 한 결과 분말 형태에 가까운 유리 섬유 A가 1.28㎛로 외국산 보다 우수한 결과를 보였다.

종류	외국산 1	외국산 2	유리섬유 A	유리섬유 B	탄소섬유
표면 거칠기(㎛)	3.6	1.43	1.28	1.42	1.44

※ 5회 측정 데이타의 평균치 임.

절삭기 휠의 SEM 사진 촬영으로서, 주사전자현미경(SEM)은 전자빔을 시료 표면에 조사하여 튀어나오는 2차 전자를 이용하여 관찰하는 현미경을 말한다. 주사전자현미경은 전자의 발생부인 전자총 부분과 전자를 모아서 조사해주는 렌즈가 있는 컬럼, 그리고 시료가 놓이고 검출기(Detector)가 있는 챔버r, 그리고 영상을 보여주는 모니터와 전체를 조정하는 패널로 구성된다.

도 4 내지 도 7은 Al₂O₃: SiC의 조성이 50 : 50인 조건에서 섬유 혼합의 wt%에 따른 주사전자현미경사진으로 성형된 절삭기 휠의 단면을 Hitach 사의 S-2350 주사전자현미경(SEM)으로 측정 한 것으로, 도 4는 섬유 혼합율 0%, Al₂O₃: SiC = 50 : 50일 때, 섬유 혼합 0 wt%의 SEM 사진으로 무기물 (Al₂O₃/ SiC)과 수지층, 보강 섬유 직물로만 이루어진 절삭기 휠의 단면을 촬영한 것이다.

도 5a∼5d는 유리 섬유 A (0.7㎜)를 혼합한 것으로, 도 5a는 1 wt%, 도 5b는 3 wt%, 도 5c는 5 wt%, 도 5는 10 wt%인 경우의 조직을 각각 보인 것이다.

도 6a∼6d는 유리 섬유 B (3㎜)를 혼합한 것으로, 도 6a는 1 wt%, 도 6b는 3 wt.%, 도 6c는 5 wt%, 도 6d는 10 wt.%인 경우의 조직을 각각 보인 것이다.

위 조직관찰 결과를 보면, 유리 섬유 A는 섬유장 0.7㎜로 SEM 측정 결과 상대적으로 섬유장이 긴 유리 섬유 B나 탄소 섬유에 비해 분산이 잘 된 것을 알 수 있었다. 그러나 다른 것들에 비해 담체 역할은 덜 한 것으로 나타났다. 섬유장이 짧아 담체 역할은 작지만 유리 섬유로 인한 단열 및 보강 효과 그리고 다른 것들에 비해 분산이 용이한 것이 장점이다.

유리 섬유 B는 섬유장이 3㎜로 다른 섬유들에 비해 섬유장이 길다. 그래서 SEM 측정 결과도 유리 섬유 A에 비해 담체 역할이 우수하였으며 탄소 섬유와는 다른 유리 섬유의 스티프(stiff)한 성질에 기인하여 균일한 분산도 탄소 섬유에 비해 유리하였다. 이러한 성질은 섬유의 단열/보강효과와 더불어 유리 섬유 B의 장점으로 섬유 혼합시에 유리 섬유 B가 가장 유리한 것을 나타내고 있다.

도 7a∼7d는 탄소 섬유를 혼합한 것을 보인 조직 사진도로서, 도 7a는 1 wt%, 도 7b는 3 wt%, 도 7c는 5 wt%, 도 7d는 10 wt%인 경우를 각각 보인 것이다.

여기서, 탄소 섬유는 섬유장은 다른 섬유들에 비해 긴 편이나 그 성질이 유연(flexible)하고 섬유간에 엉키는 성질에 의해 균일한 분산이 어려운 것으로 보이며, 섬유 혼합에 의한 담체 역할이나 단열/보강 효과가 우수하다 하더라도 균일한 분산이 어려우면 그 효과를 충분히 발현하는데 어려움이 있으므로 다른 섬유, 유리 섬유 B에 비해 그 효과가 덜 하다고 보인다.

다음으로 절삭기 휠의 설계는 국내외 정보자료에 의해 직물 구조의 설계 및휠 형태의 설계, 수지와 무기물 소재 선정하였다.

본 발명의 실험예에서는 절삭기 휠의 성형은 절삭기 휠 소재에 대해 1단계 성형법과 2단계 성형법을 실험하여 평가하였으며, 무기물의 함량을 조절하여 실험하면서 그 결과를 관찰하였다. 또한, 혼합하는 섬유의 종류와 그 무게비를 변화시켜 실험하여 평가하였다.

그리고, 절삭기 휠 소재에 대한 성형법에 대한 실험 결과 1단계 성형법이 2단계 성형법보다 우수한 결과를 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 수지와 무기물 함량비에 대한 실험 결과로는 수지 : 무기물의 조성비가 1 : 1인 조건에서 최적의 결과를 얻을 수 있었다. 무기물 2종 (Al₂O_3,SiC)의 함량비에 대한 실험 결과로는 Al₂O₃: SiC의 조성비가 50 : 50일 때 의 조건에서 최적의 물성과 결과를 나타냄을 알 수 있다. 섬유 혼합시 섬유의 함량비에 따른 실험 결과로는 섬유 함량비가 5wt%일 때의 조건에서 가장 우수한 결과를 나타내며, 특히 3㎜의 유리 섬유의 함량비가 5wt%일 때의 절삭기 휠의 성형 모습과 물성이 가장 좋은 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

절삭기 휠의 성형에 이용되는 금형의 설계 및 제작은 절삭 칩의 제거를 용이하게 해주기 위해 사용되었으며 금형과 표면 엠보싱 금형을 설계 제작하여 실험하였다.

절삭기 휠 소재의 물성 평가는 인장 및 굴곡 시험을 통한 데이터의 분석이 이루어졌고, 제조된 복합재료를 원형의 절삭기 휠 형태로 가공하는 가공법은 워터젯 절단기(Waterjet Cutter)를 이용한 절단 가공하였다.

제조된 절삭기 휠의 성능을 평가하기 위해 절삭시 마모량, 마모깊이, 절삭 후 표면 조도 측정 등의 평가를 하여 절삭기 휠 성능을 평가하였다.

복합재료 성형시 주의 할 점은 수지와 무기물의 혼합, 섬유 혼합 공정시에 균일한 분산을 이루도록 해주어야 한다. 또한 수지와 무기물 소재의 점도 조절도 잘 조절하면서 주의를 기울여야 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 \은 절삭휠의 본체에 무기섬유(또는 유기섬유)와 같은 섬유담체를 혼합시키거나 표면에 코팅함으로써 절삭용 무기물(절삭성분)을 휠에 오랫 동안 유지시키며 피삭재에 전달되는 열을 감소시킬 수 있게 되었으며, 이에 따라 절삭휠의 성능, 가치 및 신뢰성을 향상할 수 있게 되었다.

Claims

섬유직물 또는 부직포의 지지체로 이루어지는 적어도 한 층 이상의 심재층과 수지층이 복층구조로 소정 두께로 적층되고, 상기 수지층에는 실리콘카바이드(SiC), 티타늄옥사이드(TiO2), 알루미나(Al2O3), 실리콘다이옥사이드(SiO2)와 같은 절삭성분이 혼합되어 적층된 절삭휠에 있어서, 상기 수지층의 적어도 심재층 외측으로 적층되는 수지층에 상기 절삭성분 이외에 섬유를 혼합하여 적층한 것을 특징으로 하는 절삭휠.
제 1 항에 있어서, 상기 수지에 대한 섬유의 함량비가 0.5∼30wt%인 것을 특징으로 하는 절삭휠.
제 1 항에 있어서, 상기 섬유의 길이가 1mm∼25mm인 것을 특징으로 하는 절삭휠.
제 1 항에 있어서, 상기 수지와 절삭성분의 조성비가 1 : 0.5∼2.5인 것을 특징으로 하는 절삭휠.
제 1 항에 있어서, 상기 절삭성분은 Al₂O_3,SiC이고, 이들의 조성비가 Al₂O₃가 25∼75, SiC가 25∼75의 범위에서 선정되는 것을 특징으로 하는 절삭휠.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유가 무기섬유이고, 이 무기섬유는 탄소섬유, 유리섬유, 실리콘카바이드 섬유, 알루미나 섬유에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 절삭휠.
제 6 항에 있어서, 상기 수지층이 중앙에 형성되고, 그 양외측으로 상기 심재층이 적층되며, 그 양외측으로 수지층이 적층되어 5층 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 절삭휠.