KR20050085843A - 코일형 냉각 채널을 구비한 소결 블랭크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 완전 원주형 소결 블랭크(fully cylindrical sintered blanks)(24)를 연속적으로 생산하기 위한 압출 프레스 성형 방법으로서, 상기 블랭크(24)는, 미리 정해진 단면을 갖는 적어도 하나의 내부 나선 연장형 채널(3)을 포함하며, 상기 블랭크(24)를 형성하는 소성 재료(12)는, 압출 프레스(10)의 출구측 상에 있는 상기 압출 프레스(10) 노즐의 마우스(DM)로부터, 실질적으로 원주 형상으로 바람직하게는 매끄러운 내부 형상을 갖는 파이프 형상으로, 프레스 가공되어 나오며, 상기 소성 재료(12)는 적어도 하나의 나선 비틀림형 핀(400, 420) 축을 따라 유동하며, 상기 핀(400, 420)은 상기 노즐의 축두(gudgeon)(18) 상에서 일정한 위치를 유지하고 있으며, 상기 핀(400, 420)은 적어도 부분적으로는 상기 노즐의 마우스피스(DM) 내로 돌출되어 있으며, 상기 재료(12)는 실질적으로 비틀림이 생기지 않는 방식(twist-free manner)으로 상기 노즐의 상기 마우스피스(DM)로 진입하는 압출 프레스 성형 방법에 있어서, 상기 핀(400, 420)은 회전하지 않으며; 상기 노즐의 상기 마우스(DM) 내의 상기 소성 재료(12)는 상기 핀(400, 420)의 나선 형상에 대응하는 비틀림 유동(twisted flow)으로 이동하며; 상기 소성 재료(12)의 회전 운동은 상기 노즐의 상기 마우스(DM)의 회전 구동부(140)에 의해 지지되며, 상기 구동부(140)는 상기 재료의 외주면 상에 결합되어 상기 핀(400, 420)이 실질적으로 어떠한 굽힘 변형도 받지 않는 것을 특징으로 하는 압출 프레스 성형 방법이 개시되어 있다.

Description

코일형 냉각 채널을 구비한 소결 블랭크 {SINTERED BLANKS HAVING COILED COOLING CHANNELS}

본 발명은 압출 프레스 성형 방법(extrusion press method)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공구(tool) 전체 또는 일부에 사용되는 소결 금속 블랭크(sintered metal blank) 또는 세라믹 블랭크(ceramic blank)에 관한 것이다. 여기서 블랭크를 형성하는 소성 재료는 노즐의 마우스피스(mouthpiece)에서 프레스되며, 상기 소성 재료는 노즐의 축두(gudgeon)에 고정되어 있는 적어도 하나의 나선 비틀림형 핀(spirally twisted pin) 축을 따라 흘러나오게 된다. 그리고 본 발명은 이러한 압출 프레스 성형에 의해 생산되는 그린 컴팩트(green compact : 압분체) 또는 소결 블랭크에 관한 것이며, 또한 소결 블랭크로부터 생산될 수 있는 절삭 공구 및 그러한 절삭 공구의 부품(component)에 관한 것이다.

원주형 소결 블랭크는 예를 들어 압출 프레스 성형 방법에 의해 연속적으로 생산되는데, 소결 블랭크는 가소 세라믹(plasticised ceramic) 또는 분말 야금 재료(powdered metallurgical material)로 만들어진다. 상기 소결 블랭크는 내부 채널(internal channels)을 포함하며, 이 채널은 적어도 일부 영역에서 나선형으로 배치되어 있고, 미리 정해진 단면을 갖는다. 이러한 소결 블랭크는 예를 들어 공구 업계에서 사용량이 증가하고 있으며, 특히 내부 냉각제 또는 플러싱제(flushing agent)가 공급되어 공구 근처에서 절삭날(cutting edges) 쪽으로 배출되는 드릴을 생산하는데 많이 사용된다. 생산되어야 할 공구, 예를 들어 드릴 공구에 나선형 절삭홈(cutting grooves)이 구비되려면, 적어도 하나 이상 존재하는 내부 냉각 채널은 나선형이어야 한다.

그러한 고성능 공구는 또한 상당한 부하, 예를 들어 하드 머시닝(hard machining), 드라이 머시닝(dry machining), 최소량의 윤활제 및 고속 머시닝(high-speed machining) 등을 견뎌야 한다. 또한 최소량의 윤활제를 사용하여 절삭 성능을 상당히 증가시키는 것은 모순이 아니라, 오히려 동시에 수행될 수 있는 목표로 여겨지고 있다. 최소량의 윤활제를 사용하도록 개발된 절삭 공구는 종래의 냉각제 윤활을 사용하는 공구에 비해, 예를 들어 이송량(feed rate)이 크게 증가한다. 이러한 공정에서 공급되는 냉각제의 양은 결정적인 역할을 한다. 최근의 소위 고성능 절삭(high-performance cutting : HPC) 공정에서는 생산비를 줄이기 위한 시도가 계속되고 있으며, 여기에는 모든 공정 변수가 고려된다. 공구의 경우 생산비는 별문제로 하고, 무엇보다 작동 시간(operating time) 및 수명(service life)이 결정적인 요인인데, 이는 종래의 기계 공구 / 고성능 스핀들(spindle)에서 얻을 수 있는 이송 속도(feed speeds) 및 그에 따른 회전 속도(rotary speeds)에 크게 좌우된다. 이러한 이유로, 이송 속도는 회전 속도에 의한 제한을 받을 뿐만 아니라, 칩 제거 공정으로 인해 절삭 공정이 방해받아서는 안될 필요성에 의한 제한도 받는다. 이런 면에서, 나선형 공구는 직선형-홈 공구(straight-grooved tools)에 비해 매우 유리하다. 절삭날의 경사각(cutting rake)으로 인해 나선형 설계는 보다 양호한 절삭 성능을 보장하며, 절삭홈의 비틀림각(twist angle)은 칩과 윤활제를 포함하는 혼합물을 보다 양호하게 제거할 수 있도록 한다. 중심잡기 정밀도(centering accuracy)의 면에서도 나선형 공구가 더 유리한데, 이는 나선형 공구가 드릴 구멍 내에서 공구의 전체 외주면으로 지지될 수 있기 때문이다.

그동안 이러한 드릴링 공구의 축 길이가 상당히 증가했을 뿐 아니라, 최근에는 소형 절삭 공구, 특히 드릴에 내부 냉각 채널을 구비하는 경향이 늘어나고 있다. 이러한 구조를 갖게 되면, 드릴의 내구성(sturdiness) 면에서, 냉각 채널과 나선형 절삭홈 사이의 얇은 벽면에 특히 주의를 기울여야 한다. 따라서, 제조시 적어도 하나 이상 존재하는 내부 나선형 연장 냉각 채널의 피치(pitch)를 정밀하게 가이드하고 제어해서, 드릴 스테이(drill stays) 또는 공구 스테이의 위치가 절삭부의 전체 길이를 따라 미리 설정된 좁은 공차 범위 내에 놓이도록 하는 것이 중요하다.

절삭홈에서 칩을 제거하기 위해, 특히 심공 드릴링(deep-hole drilling)의 경우 냉각제가 이따금 고압으로 공급되어야 한다. 여기서 내부 냉각 채널, 즉 드릴은 파괴되지 않는 채로 냉각제 공급에 대응하는 압력을 견딜 수 있어야 한다. 특히, 최근 널리 보급되고 있는 공정에서는 최소량의 윤활제를 사용하므로, 냉각 채널이 가능한 한 최대한의 체적을 갖도록 설계해야 한다. 또한, 드릴 구멍을 더 작고 길게 만들어야 할 필요도 있다. 그러나 드릴의 내구성에 부정적인 영향을 주지 않으면서 내부 냉각 채널을 통한 냉각제 처리량(throughput) 또는 냉각제 압력을 견딜 수 있도록, 드릴링 공구의 직경은 줄이고 길이는 늘어난 내부 냉각 채널을 설계하는 것은 극히 곤란하다. 냉각 채널의 크기는 드릴 백(drill back) 또는 절삭 공간(cutting space)까지의 거리에 의해 제한된다. 스테이가 너무 얇으면, 크랙(crack) 및 공구 파손(tool breakage)이 발생한다. 다중 절삭 공구의 경우, 냉각 채널은 소정의 최소 거리만큼 서로 이격되어 배치되어야 하며, 그렇지 않으면 드릴의 표면 형상(face geometry), 즉 예를 들어 횡단 커터(transverse cutter) 또는 점 형상(point shape)에 장애가 발생한다. 또한, 공정에 따른 제한도 존재하는데, 현재의 분말 야금 공정으로는 전술한 공구에 적합한 블랭크를 생산할 수 없기 때문이다.

따라서, 내부 냉각 채널의 배열은 소결 블랭크를 가공하는 동안 모니터될 수 없다. 따라서 단면과 관련해 내부 채널 영역의 공차가 가능한 한 눈금원(graduated circle)의 직경에 근사하도록, 그리고 축에 관해서는 눈금원의 이심률(eccentricity)에 근사하도록, 블랭크를 제조할 필요가 있다. 이는 블랭크의 각각의 방사상 영역 내에서 보장되어야 하며, 또한 미리 설정된 나선 피치가 높은 정밀도로 유지되어야 할 필요가 있다.

또한, 연장된 길이의 소결 블랭크에 나선형 절삭홈을 연삭하는 동안에는 특히, 절삭홈이 내부 채널에 지나치게 근접하는 경우가 생길 수 있다. 이는 강도나 내구성을 떨어뜨리고, 전체 블랭크를 사용하지 못하게 할 수 있다. 이러한 문제는 드릴 내의 내부 냉각 채널 또는 플러싱제 채널의 수에 무관하게 발생하며, 이러한 채널의 형상과도 무관하다. 금속 블랭크 또는 세라믹 블랭크의 생산과 관련하여, 건조 단계 및/또는 소결 단계에서 블랭크는 상당한 수축(shrinkage)을 받을 수 있다는 점을 고려해야 하는데, 이러한 수축은 미세구조에 상당히 좌우된다. 따라서 가소 초경합금 재료(plasticised hard metal material) 또는 세라믹 재료의 압출에 있어서, 압출된 블랭크가 높은 치수 정밀도를 가질 뿐만 아니라, 단면에 걸쳐 미세구조가 높은 균질성(homogeneity)을 갖도록 하는 것이 중요하다.

종래의 기술은 이러한 요구조건에 불충분하였다. 이미 US-PS 2 422 994에는, 절삭홈의 단면 형상에서 돌출부를 포함하는 내부 표면을 갖는 압출 프레스 노즐을 통해, 가소 분말-야금 재료가 프레스되는 압출 프레스 성형 방법이 개시되어 있다. 압출 프레스 노즐의 중심 영역에는 직선 바(bar)형 몸체가 축방향으로 연장되어 있고, 몸체는 압출 프레스 노즐의 상류에 위치하는 축두에 부착되어 있으며, 가소 재료는 상기 축두 주위로 흘러나오게 된다. 이러한 성형 방법은 다단 공정(multi-stage process)이다. 먼저 가소 원재료가 드릴 블랭크(drill blank) 형상으로 성형된다. 여기서 드릴 블랭크는 적어도 하나의 직선형 외측홈을 포함하는데, 이 외측홈은 절삭홈의 단면 형상에 대응한다. 또한 드릴 블랭크는 적어도 하나의 직선 바를 포함하는데, 이 바는 냉각 채널의 단면 형상에 대응한다. 두 번째 단계에서, 압출 프레스 노즐을 원재료에 대해 상대 회전 운동시킴으로서 그린 컴팩트가 비틀리게 된다. 이 공정에서, 내부 채널을 구비한 나선 비틀림형 헬릭스(helix) 형상의 블랭크가 제조된다. 그러나 최근의 절삭 공구 요구 조건에 의하면, 융기된 내부 냉각 채널을 제외한 공구 샤프트가 완전 원주형 재료(fully cylindrical material)를 포함해야 한다. 그래야만 냉각제가 하나 또는 복수의 냉각 채널 내로 완전히 유입될 수 있기 때문이다. 따라서, 나선 비틀림형 헬릭스 블랭크로부터 생산된 절삭부는 별도의 완전 원주형 샤프트에 결합되어야 한다. 이는 생산 비용을 증가시킬 뿐 아니라, 절삭 공구의 안정성을 떨어뜨린다. 또한 여기에 사용되는 대부분의 블랭크 재료로는 그러한 2단계 형상 공정이 실현 불가능하다. 압출 프레스 노즐로부터 방출되는 블랭크는 종종 압력에 민감해서, 블랭크에 작용하는 작은 힘으로 인해, 외측 형상뿐만 아니라 형성된 내부 채널에 바람직하지 못한 큰 변형이 발생하여, 불량률이 급격히 상승하기 때문이다.

완전 원주 바형 블랭크를 제조할 수 있으며, 계속해서 사용되는 나선형 절삭홈을 구비한 단일체 공구를 제조할 수 있는, 경제적인 압출 프레스 성형 방법을 찾으려는 시도가 그동안 계속되어 왔다.

그러한 취지로, DE-PS 36 01 385에는, 적어도 하나의 나선 연장 내부 냉각 채널을 포함하며, 내부 냉각 채널의 나선형 형상이 가소 재료가 압출됨과 동시에 제조되는, 드릴 공구를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 노즐의 마우스피스의 내부는 나선형 형상을 포함하는데, 이러한 돌출부의 나선형 피치는 내부 냉각 채널의 원하는 나선형 피치에 대응한다. 탄성 핀은 압출 프레스 노즐의 중심부에 구비되며, 상기 핀의 상류 끝단부는 노즐의 축두에 부착되어 있다. 상기 핀의 탄성은 그 핀이 노즐의 마우스피스의 내부 형상에 의한 비틀림 유동을 추종할 정도가 되도록 선택된다. 이런 형태의 제조 방법으로는 전체 유동 단면에 걸쳐 균질 비틀림 유동이 되도록 하기 위해서 비교적 많은 에너지가 필요할 뿐 아니라, 이러한 공지 방법에 따라 생산된 블랭크의 경우, 냉각 채널 나선의 피치가 종종 노즐의 마우스피스의 내부 표면상의 돌출부 또는 만입부의 나선 피치와 다르게 된다. 이로 인해, 재료 손실을 최소화하기 위해서는 노즐의 마우스피스의 내부 표면상의 돌출부 또는 만입부가 비교적 얕은 두께를 갖도록 대량 제조되어야 한다. 따라서, 일반적으로 최종 소결 부품의 외측은 절삭홈을 만들기 전에 원주 연삭을 먼저 거치게 된다.

최종 소결 절삭 부품 블랭크의 원주 연삭 공정 스텝을 줄이기 위해, DE-OS 40 21 383 및 EP 0 465 946 A1에는 노즐의 마우스피스의 내부 표면이 원형 실린더의 측면 표면에 의해 형성되는 방법이 제안되어 있다. 이러한 방법에서, 재료 유동 내에 놓여 있는 비틀림 장치(twist device)는 노즐의 마우스피스의 상류에 배치되어 있다. 대안으로써, 이러한 비틀림 장치에 의해 압출 단면을 따라 균일하게 작용하는 비틀림 운동이 압출 프레스 재료로 인가된다. 반면 두 번째 대안으로써, 비틀림 운동 또는 회전 운동이 압출 프레스 재료에 의해 비틀림 장치로 인가된다. 내부 채널을 형성하기 위해, 나사형 재료(thread-shaped material)가 재료 유동 내로 투입되는데, 이러한 나사형 재료는 비틀림 운동 또는 회전 운동을 따르게 된다. 이 경우, 원의 직경은 노즐의 마우스피스 내의 마찰 손실 및 유동 속도에 의한 영향을 받게 되는데, 이는 압출 프레스 재료가 일정 묶음(batch)에서 다음 묶음으로 변할 때 특히 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이 때, 상기 원의 직경 상에 형성되는 내부 냉각 채널의 단면은 압출되는 블랭크 내에 놓이게 된다. 여기서 내부 냉각 채널은 적어도 하나는 존재한다. 따라서, 이러한 발명의 또 다른 형태에 따르면, 노즐의 마우스 피스가 회전할 수 있도록 설계되는데, 노즐의 마우스피스의 회전운동은 재료 유동의 비틀림 운동을 보정(correction)하게 된다.

그러나 필요한 보정은 노즐의 하류에 위치한 영역에서만 일어나기 때문에, 불감 시간(dead time)에 의한 부정확성을 피할 수가 없다. 또한 재료가 노즐을 벗어난 후 비틀림 장치의 비틀림 방향에 대해 반대로 작용하는 압출 프레스 재료의 이완 운동(relaxation movement)은 상기 방법을 제어하는 것을 어렵게 만들어서, 내부 채널의 헬릭스 위치가 갖는 부정확성을 피할 수 없게 한다. 여기서 이완 운동은 재료의 일정 묶음(batch)이 갖는 각각의 특성에 의해 좌우되며, 헬릭스는 나사에 의해 결정된다. 또한, 원형의 유동 단면을 갖는 재료만이 냉각 채널 단면을 형성하는 재료로서 유동 내에서 뜰 수 있다. 원형 유동 단면을 갖지 않는 재료가 사용되면, 유동 내에 떠 있는 재료를 유동 단면에 놓이게 하는 방법을 정하는 것이 불가능해 진다.

또한, EP 0 431 681 A2에는 도입부에서 언급한 형태의 원주형 블랭크, 즉 금속 또는 세라믹으로 제조되며, 강성이 높은 재료로 만들어진 적어도 하나의 비틀림형 중심핀(twisted centre pin)이 그 내부가 평탄한 노즐의 원주형 마우스피스의 중심을 지나 연장되어 있는, 블랭크를 제조하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 적어도 하나 이상 존재하는 이러한 비틀림형 중심핀은 노즐 마우스피스에서 유입 영역의 상류로 고정 축두(stationary gudgeon)에 부착되어 있다. 따라서 이러한 제조 방법에서, 핀은 나선형으로 미리 성형되는데, 강성이 높은 물질, 예를 들어 초경합금(hard metal) 이나 경강과 같은 물질로 성형된다. 특히 노즐 마우스피스의 내부 직경과 중심핀의 외부 직경 사이의 비가 비교적 작은 경우에는, 부가적인 비틀림 장치를 사용하지 않고 성형하는 것도 가능하다. 이러한 장치에서는, 대략적으로 강성 중심핀이 전체 단면에 걸쳐 재료 유동에 비틀림 운동을 일으킬 수 있다. 노즐 마우스피스의 내부 직경과 중심핀의 외부 직경 사이의 비가 더 큰 경우에는, 노즐 내의 가이드 베인(guide vanes) 형태의 비틀림 보조장치를 부가함으로써 블랭크의 비틀림을 향상시킬 수 있다. 여기서 비틀림 보조장치는 유동에 비틀림 방향성을 주게 된다. 또한 실제로 블랭크 내에 성형되는 나선형 채널의 비틀림보다 더 강하게 정기적으로 중심핀을 비틀어야 할 필요가 있음이 개시되어 있다. 이 같은 필요성으로 인해 각각의 압출 프레스 재료에 대해 선행 시험을 해야하며, 이는 제조 방법의 비용을 높이고 광범위한 품질 보장 측정을 요구한다.

최대한의 재생산성과 고품질 미세구조를 갖는 내부 나선 연장 냉각 채널이 정밀하게 설정되어 있으며, 압출 프레스 재료의 성분, 공정 파라미터 또는 블랭크의 형상에 관해서는 제조 방법의 응용 분야에 대해 어떤 제한도 없는, 압출 프레스 블랭크를 생산하기 위해, 본 출원인 소유의 특허 DE 42 11 827에 기재된 바와 같이, 주 성형 공정에서 노즐의 마우스피스에 위치한 재료가 소성변형을 거치지 않도록 내부 채널을 제조하는 방법이 제시되어 있다. 여기서 재료는 비틀림 작용 없이 노즐의 마우스피스로 진입하는 것이 바람직한데, 적어도 하나 이상 존재하는 핀의 주위로 유동이 일어나든지, 그리고 상기 핀에 연속적인 회전 운동을 일으키는 노즐의 마우스 피스를 통과할 때, 회전 운동이 그 나선형의 피치에 대응하며, 또는 유동 속도에 따라 구동될 수 있는 핀 서스펜션(pin suspension)을 지나쳐 유동이 일어나든지, 유동의 단면에 걸쳐 상기 유동이 일어난다.

한가지 실시예에 따르면 상기 장치는, 적어도 하나 존재하는 핀이 비회전 및 축방향 강성을 가지도록 샤프트에 연결되어 있으며, 상기 샤프트는 노즐의 축두에 고정되어, 노즐의 축에 평행하게 회전될 수 있으며, 상기 핀을 따라 유동하는 소성 재료가 상기 핀에 회전 펄스(rotary pulse)를 가하도록 상기 핀은 비틀리게 되며, 상기 회전 펄스는 전체 길이 영역을 따라 본질적으로 일정하며, 또한 상기 회전 펄스는 상기 핀의 나선형 피치에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다. 관련된 압출 프레스 헤드(extrusion press head)가 참고로서 도 1에 도시되어 있다.

또 다른 실시예.에 따르면, 적어도 하나 존재하는 핀을 움직이는 샤프트는 부가적인 구동장치를 포함하며, 상기 샤프트와 노즐 마우스 내 핀의 연결점은 방사상으로 핀 내부에 위치하며, 이 경우 원하는 피치에 관계없이 구동장치는 제어가능하며, 핀은 유연성을 가질 수 있다. 또 다른 특허 명세서인 DE 42 42 336에 개시된 개량 발명에 따르면, 압출 프레스 재료가 그 주위로 유동하는 핀은 부가적으로 마찰-감소 유체(friction-reducing fluid)의 유동에 접하게 된다.

기본적으로 이러한 장치는, 만들고자 하는 나선형 피치에 대응하는 비틀림 운동을 압출 과정 중 고점성 재료 유동에 가하여, 재료를 비교적 큰 폭으로 변형시키려는 개념에서 동떨어진 것이다. 이 방법은 역 코크스크루 효과(reverse corkscrew effect)에 의한 방법으로 작용하는데, 코크스크루 나선형은 재료가 따라 흐르는 핀을 나타내며, 코크는 소성 압출 프레스 재료를 나타낸다. 이 장치에서, 적어도 하나 이상 존재하는 내부 나선은 주 성형 공정에서 만들어진다. 이러한 방식으로 냉각 채널은 피치, 방사상 위치, 각 위치 및 단면에 관하여 높은 정밀도를 얻게 된다. 이 장치에서 나선 연장 냉각 채널을 구비한 원주형 압출 프레스 몸체를 생산하는 옵션은 원리적으로 이미 언급하였으며, 여기서 냉각 채널은 원형이 아닌 단면 형상, 예를 들어 사각형, 다각형 또는 타원형 형상을 갖게 된다.

그러나, 이 방법은 성공적이지 않다고 알려졌는데, 호칭 직경(nominal diameter)이 작거나, 호칭 직경에 비해 냉각 채널의 단면 영역이 클 때 특히 그러하다. 이 경우 압출 프레스 재료의 유동 에너지가, 하나 또는 복수의 강성 핀(rigid pin)에 회전 운동을 일으키기에 불충분하며, 따라서 상기 핀에 대응하는 나선 냉각 채널을 압출되는 그린 컴팩트에 형성하기에 불충분하기 때문이다. 오히려 나선형 핀이 펴지게 되는 일이 일어난다.

따라서 본 발명의 목적은 전술한 방법을 개선하여, 제조하기 곤란한 냉각 채널 형상의 경우에도, 나선 연장 냉각 채널을 구비한 완전 원주형 소결 블랭크를 높은 정밀도로 생산할 수 있도록 하는 것이며, 또한 본 발명의 목적은 그러한 방법으로 생산될 수 있는 소결 블랭크 또는 절삭 공구 및 오늘날의 생산 요구조건을 충족시키는 공구의 부품을 제조하는 것이다.

도 1은 본 출원인 소유의 특허인 DE 42 42 336에 따른 종래의 압출 프레스 헤드를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 압출 프레스 방법을 적용한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 프레스 헤드를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 블랭크의 측면도이다.

도 4는 2개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 실시예를 나타낸 등척 도면(isometric view)이다.

도 5는 2개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 또 다른 실시예를 나타낸 등척 도면이다.

도 6은 2개의 스테이를 포함하는 실시예에서 공구의 단면 형상을 나타낸 도면이다.

도 7은 2개의 스테이를 포함하는 실시예에서 공구의 또 다른 단면 형상을 나타낸 도면이다.

도 8은 2개의 스테이를 포함하는 실시예에서 공구의 또 다른 단면 형상을 나타낸 도면이다.

도 9는 1개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 실시예를 나타낸 등척 도면이다.

도 10은 1개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 또 다른 실시예를 나타낸 등척 도면이다.

도 11은 1개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 또 다른 실시예를 나타낸 등척 도면이다.

도 12는 1개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 13은 1개의 스테이를 포함하는, 본 발명에 따른 공구의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 절삭홈 2: 스테이(stay)

3: 나선형 채널 8: 드릴팁(drill tip)

9, 109, 209: 샤프트 10: 압출 프레스

12: 재료 18: 축두(gudgeon)

19, 119, 219: 절삭부 24: 블랭크

140: 구동부 219: 절삭부

400, 420: 핀 DM: 마우스피스

본 제조 방법과 관련하여 상기 목적은 청구항 1의 특성에 의해 만족되며, 소결 블랭크에 관해서는 청구항 4 및 5에 의해, 절삭 공구에 관해서는 청구항 19에 의해, 부품에 관해서는 청구항 24에 의해 만족된다.

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 나선 연장 채널을 포함하는 완전 원주형 압출 프레스 그린 컴팩트 또는 소결 블랭크를 생산하는 방법을 제안한다. 그러한 블랭크는 예를 들어 드릴 공구를 제조하는데 필요하다. 본 발명에 의한 압출 프레스 성형 방법에 따르면, 먼저 압출 프레스 헤드의 가소 재료는 본질적으로 비틀림이 없는 방식(twist-free manner)으로 노즐 입구(nozzle inlet)로 흘러 들어간다. 그 후 적어도 하나 이상 존재하는 핀의 장축을 따라 노즐의 마우스피스 내에서 프레스된 후, 출구(exit aperture)를 거치며 프레스된다. 여기서 핀은 노즐의 축두에 안정적으로 부착되어 있다. 이러한 장치에서, 노즐의 마우스피스는 원주형 표면, 바람직하게는 본질적으로 매끄러운 표면을 포함하며, 따라서 제조되는 블랭크는 완전 원주형 외측 형상을 갖게 된다. 재료가 그 주위로 유동하게 되는 핀은 재료와 함께 회전하지 않으며, 대신 노즐 내부로 돌출해 고정되어 있다. 상기 핀은 노즐의 축두에 부착되어서 회전하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또 다른 방법으로서, 본 발명에 따른 소결 블랭크를 제조하기 위해 종래의 장치를 사용할 수도 있는데, 이 방법에 의하면 노즐 단면이 작거나 노즐 단면에 비해 핀 단면이 크기 때문에, 핀은 노즐의 축두에 회전할 수 있도록 고정되어 있지만 같이 회전하지는 않는다. 이러한 장치에서, 핀의 나선형 피치 뿐 아니라 노즐의 회전부에 의하여 방사상 부품이 만들어진다.

이상과 같은 방법으로 전체적인 나선형 유동(helical flow)이 이루어지는데, 회전 속도가 정해지면 핀의 나선 형상의 피치에 대해 회전부 상에서 유동이 이루어지며, 상기 핀은 노즐의 마우스 내로 돌출되어 있다. 이러한 돌출로 인해, 압출 프레스 재료의 유동은 본질적으로 나선형 피치를 따라 일어난다. 즉 핀의 방사상 높이에 있는 입자들은 핀의 설계에 따른 유동 방향을 갖게 된다. 그 결과, 하나 또는 복수의 핀은 위치가 고정되어 있고 회전하지 않는 구조를 가졌음에도 불구하고 굽힘 변형이 일어나지 않을 수 있다. 또한, 유동의 방사상 부품이 예를 들어 가이드 베인과 같은 편향 장치(deflection devices) 또는 비틀림 장치에 의한 영향을 받지 않고, 노즐의 회전부의 회전 운동에 의한 영향만 받기 때문에, 압출 프레스 재료는 소성 변형하지 않으며, 재료 내에서 미세 구조나 압력 분포가 불균등하게 생기는 것을 방지할 수 있다. 따라서 유동의 방사상 운동은 유동의 진행 경로에 있는 장애물 중 하나에서의 편향에 의해 발생하는 것이 아니며, 압출 프레스 재료에 내재하는 마찰력에 의해서만 일어난다. 이러한 마찰력에 의해 재료는 노즐부의 회전 운동을 따르게 된다. 그 결과, 이런 방식으로 일어나는 회전 운동은, 핀 나선(pin spirals)의 피치에 대응하는 고정 나선 유동이 일어날 때까지, 노즐 내부를 향해 개별적으로 이루어진다. 여기서 회전 운동은 노즐 벽면으로부터 이루어진다. 이런 장치에서, 유동은 압출 프레스 재료의 점착력(tenacity)과 점성(viscosity) 간의 관계를 확립한다.

그 결과, 비틀림(distortion) 및 밀도의 비균질성이 거의 없어서 블랭크를 프레스한 후에도 선회 현상(twirling-on)이 발생하지 않는, 압출 프레스 재료의 미세구조가 얻어지며, 비틀림 장치에 의해 나선형 유동을 하는 경우에도 마찬가지이다. 따라서 본 발명에 의한 방법으로 최상의 나선형 정확도(helical accuracy)를 갖는 그린 컴팩트를 제조할 수 있게 된다.

이러한 장치에서는 노즐의 회전 구동부는 나선형 핀으로 관통된 부분을 따라 연장되어 있는 것이 유리한데, 이러한 방식으로 핀 나선과 회전 운동 사이의 상호 작용이 확실해지기 때문이다. 회전 구동부를 핀의 전방 영역을 따라, 그리고 핀이 관통하는 노즐 마우스피스의 길이 영역을 따라 배치함으로써, 재료가 핀에 이르기도 전에 나선 방식으로 움직이게 되고, 따라서 핀의 굽힘이 효과적으로 방지된다. 청구항 3에 따른 핀의 부가적인 윤활을 통해, 핀에 작용하는 하중을 더욱 경감시킬 수 있다.

초경합금 공구가 제조 기술 분야에서 널리 사용되는 추세이므로, 예를 들어 텅스텐 카바이드를 주요소로 하는 압출 프레스 그린 컴팩트를 제조하는 경우, 본 발명에서는 초경합금을 사용하는 것이 바람직하다. 압출 프레싱을 위한 가소 재료는 코발트 등의 고착제(binder) 및 파라핀(paraffin)과 같은 가소체를 첨가한 초경합금 분말을 연속 작업함으로써 제조된다. 그러나, 본 발명에 따른 압출 프레스 성형 방법은 다른 소결 재료, 예를 들어 세라믹이나 서멧(cermet)과 같은 재료를 사용할 수 있으며, 그 같은 재료 내의 냉각 채널의 단면 형상은 이미 연질 원재료(still soft raw material) 내에 정해질 수 있다.

제안된 압출 프레스 성형 방법은 회전 구동 절삭 공구, 특히 드릴 비트(drill bits) 및 엔드밀링 커터(end-milling cutters)와 같은 밀링 커터에 사용되는 압출 프레스 그린 컴팩트를 제조하는데 적합하다. 이와 별도로, 상기 압출 프레스 성형 방법은 스텝 드릴(step drills)과 같은 스텝 공구에 사용되는 압출 프레스 그린 컴팩트를 제조하는 데에도 사용될 수 있다.

압출 공정 후에는 건조 공정 또는 선-소결 공정(pre-sintering process)을 거치고, 그렇게 얻어진 블랭크 바가 실제 소결 공정에 들어가게 된다. 최종 소결 블랭크는 절삭 공구로 정식 가공을 해서, 적어도 하나의 나선 절삭홈을 블랭크의 외측 표면에 새기게 된다.

이상 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 방법의 이점으로 인해, 작은 직경을 갖는 블랭크로서, 원형이 아닌 냉각 채널 형상을 가지며, 또한 지금까지의 기존 방법들이 달성하지 못했던 넓은 냉각 채널 영역을 갖는 블랭크, 특히 청구항 4 또는 5에 따른 소결 블랭크를 제조하는 것이 가능하다.

이는 매우 중요한데, 특히 작은 직경을 갖는 공구의 경우 냉각제를 적절하게 공급하기 위해서는, 필요한 최소한의 벽두께를 유지하며 공구 스테이 상의 유효 영역을 완전히 이용해야 하기 때문이다. 또한, 종래의 제조 방법은 그 방법 자체에 따른 제한 요소들에 의해 방해받았다. 스테이 상의 유효 공간을 적절하게 사용하는 것과 관련해, 원형이 아닌 냉각 채널 형상 설계의 중요성이 점차 커져갔다. 한편 이 같은 이유로, 냉각 채널, 절삭홈 및 공구 외측 원주 사이의 벽두께를 가능한 한 얇게 설계하려는 시도가 있었다. 즉, 블랭크의 단면 영역에 대하여 냉각 채널 단면이 큰 소결 블랭크를 제조하려는 시도가 있어왔다. 이런 이유로, 헬릭스의 정밀도, 즉 원하는 헬릭스와의 편차가 결정적인 요소가 되었다. 직경은 작지만 냉각 채널 단면은 큰 블랭크가 특히 그러한데, 이런 경우에는 절삭홈과 성형된 냉각 채널 사이의 벽두께가 작아서 원하는 치수에서 조금만 편차가 발생해도 불량품이 발생하기 때문이다.

본 발명에서는, 공구 제조용 소결 블랭크와 관련된 이 같은 요구조건을 처음부터 고려하는 것이 가능했다.

따라서, 청구항 5에 따른 블랭크, 즉 본 발명에 따른 방법에 의해 최초로 생산될 수 있었던 블랭크에 있어서, 블랭크 단면 영역 대 채널 단면 영역의 비율은 하나의 채널이 형성되어 있는 경우 20:80 이상, 특히 30:70, 예를 들어 50:50이며, 복수의 채널이 형성되어 있는 경우 20:80 이상, 특히 30:70, 예를 들어 40:60이었다. 여기서 "이상"이라는 용어는 냉각 채널이 더 큰 단면을 가질 수 있음을 뜻한다.

청구항 5에 따른 블랭크를 사용하면, 종래의 소결 블랭크를 사용한 공구와 비교해 냉각제 처리량이 현저히 뛰어난 공구를 제조하는 것이 가능하다. 그러한 블랭크 생산은 본 발명에 따른 방법을 사용해야만 가능하다. 냉각 채널 단면을 크게 하려면 내부 냉각 채널 헬릭스와 나선 절삭홈 사이의 최소 벽두께가 극히 작아지고, 이로 인해 채널 헬릭스에 대해 매우 엄격한 공차 한계가 주어져야 한다. 강제 비틀림 방법을 사용하면, 가소 재료의 비균질성, 미세구조, 비틀림 및 밀도 등과 관련된 본질적 문제점 때문에, 이러한 목적을 달성할 수 없다. 높은 불량률을 받아들인다 해도, 재생산이 불가능한 제품을 무작위적으로 얻을 수 있을 뿐이다. 이와 달리, DE 42 42 336에 개시되어 있는 본 출원인의 방법을 사용하면, 핀을 구동하는데 필요한 힘을 얻을 수 없는데, 이는 원하는 채널 직경이 증가할수록 핀이 더 두꺼워지고 경도가 높아지지만, 그와 동시에 핀을 구동하는데 사용될 수 있는 재료의 체적은 감소하기 때문이다.

본 발명에 따른 방법을 사용하면 청구항 4에 기재된 바와 같이, 직경이 12 ㎜ 이하이며, 냉각 채널의 단면 형상이 원형이 아닌 블랭크를 제조하는 것도 가능하다. 전술한 바와 같이, 원형이 아닌 단면 형상은 공구 스테이의 공간 이용과 관련해 상당한 장점이 되며, 따라서 윤활제 공급을 최적화하는데 있어 큰 이점을 제공한다. 이는 공구 직경이 작은 경우에 특히 중요하다.

이러한 작은 직경을 갖는 블랭크는 EP 465 946에 기재된 종래의 방법으로도 제조가 가능할 수 있다. 그러나 냉각 채널 단면을 형성하는 원형 재료만이 재료 유동 내에서 떠 있을 수 있다. 원형 유동 단면을 갖지 않는 재료가 사용되면, 유동 내에 떠 있는 재료를 유동 단면에 놓이게 하는 방법을 정할 수 없게 된다. 또한, 비교적 작은 냉각 채널 단면만을 얻을 수 있으며, 그렇지 않으면 냉각 채널과 절삭홈 사이의 최소 벽두께가 블랭크로부터 생산될 공구 내에서 너무 작아져, 냉각 채널의 헬릭스 공차(helix tolerance)가 너무 커지게 된다. 여기서 냉각 채널의 공차는 나사식 방법(thread method)에 의해 유지될 수 있다.

또한, 본 출원인이 소유하고 있는 DE 42 42 336에 의한 방법을 사용한 실험에 의하면, 외부직경이 12 ㎜ 이하이고 냉각 채널 단면이 큰 경우에는, 핀을 구동하는데 필요한 힘이 안정적으로 발생될 수 없으며, 냉각 채널 단면의 치수가 작고 따라서 핀이 재료 유동 내로 돌출되어 있는 경우에는, 핀에 작용하는 힘이 곧 상기 핀을 펴지게 한다.

압출 프레스 재료용으로 사용될 미래의 재료와 DE 42 42 336 등에 따른 핀의 최적 윤활 방법을 이용하면, 본 출원인의 이전 방법을 사용하여 12 ㎜ 이하의 외부 직경을 갖는 블랭크를 제조하는 것이 이론적으로 불가능한 것은 아니다. 그러나 8 ㎜ 이하의 범위, 예를 들어 4 ㎜ 이하의 범위에서는 이 같은 방법이 불가능해 보인다.

따라서 종래 공구의 블랭크에 비해 본 발명에 의한 블랭크가 냉각제 공급이 개선된 공구를 제조하는데 더 적합하다.

이러한 이유로, 소결 블랭크의 외측 원주면을 재연삭하고, 그 후 필요한 수의 나선형 절삭홈을 연삭이나 밀링 등의 방법을 써서 가공하게 된다. 결과적으로 공구는 적어도 하나의 스테이를 포함하며, 스테이를 통해 적어도 하나의 나선 내부 냉각 채널이 이어져 있으며, 적어도 하나 이상 존재하는 내부 냉각 채널의 피치가 역시 적어도 하나 이상 존재하는 나선 절삭홈과 동일한 방식으로 연장되어 있게 된다.

본 발명에 의한 공구, 즉 청구항 4에 의한 소결 블랭크로 제조된 공구는 특히 직경 대 길이 비율이 1:5가 넘는 심공 드릴링 공구로 사용하기에 적합하다. 응용 분야 중 특히 강재(steel)의 심공 드릴링에 있어서는, 최근까지도 칩 제거가 원활하지 않으며(측면 경사각이 0°이기 때문), 중심잡기 정확도가 떨어진다는(드릴 구멍에서 공구 스테이의 측면 상의 일측면에서 지지되기 때문) 단점에도 불구하고, 직선 절삭홈을 구비한 공구로 작업해야 했다. 이는 원형이 아닌 냉각 채널 형상을 갖는 경우, 그리고 공구가 12 ㎜ 이하, 특히 8 ㎜ 이하, 예를 들어 4 ㎜ 이하의 직경을 갖는 경우에 있어서, 큰 하중에 필요한 정도의 정확성으로 나선형 공구를 제조하는 것이 불가능했었기 때문이다. 청구항 5의 특성을 갖는 소결 블랭크로 만든 공구에도 같은 문제가 적용된다.

더 짧은 절삭 공구의 경우, 공구 스테이 상의 냉각 채널 영역 및 위치와 관련한 정확성이 향상되면, 공구의 내구성은 적절히 유지하면서도 윤활제 공급을 최적화하는데 도움이 된다. 이러한 정확성의 향상은 본 발명에 의한 압출 프레스 성형 방법에 의해 얻을 수 있다. 따라서, 현재의 공구로는 할 수 없는 절삭 작업, 특히 드릴 구멍의 직경이 작거나, 공정 중 드릴을 들어올리지 않고 긴 스트로크 길이(stroke lengths)를 갖는 작업을 한번에 수행하거나, 또는 탄소-섬유-강화 샌드위치 재료(carbon-fibre-reinforced sandwich materials)와 같은 난삭 재료(hard-to-cut materials)를 사용하는 경우에 있어서도, 절삭 작업이 가능하게 된다.

본 발명에 의한 공구를 사용하면, 더 작은 드릴 구멍 직경, 더 길어진 드릴 스트로크 길이, 증가된 이송 속도 및 최적화된 냉각제 처리량과 같은 최신 경향에 맞는 요구 조건을 만족시킬 수 있다. 심공 드릴을 사용하면, 예를 들어 드릴 길이 대 직경 비율이 200:1에 이르는 드릴 구멍도 가공할 수 있는데, 각 경우에 있어 한 번의 드릴링으로 직경의 100배에 이르는 스트로크 길이를 가공하며, 심지어 어떤 경우에는 선-드릴링(pre-drilling)을 거치지도 않았다. 오늘날 그와 같은 공구는 자동차 공업, 해양 구조물 및 연료 분사 시스템 제조 등에 사용된다. 연료 분사 시스템 제조 분야에서는, 직경이 매우 작고(1 ㎜ 영역), 직경에 비해 드릴 구멍 길이가 매우 긴 드릴링 구멍을 가공할 필요가 있다.

직경이 12 ㎜ 이하, 특히 8 ㎜ 또는 4 ㎜ 이하인 공구의 경우, 냉각 채널의 단면 영역을 최적화하고, 그로 인해 윤활제를 적절하게 공급하기 위한 목적으로, 청구항 6에 따른 원형이 아닌 냉각 채널의 단면뿐만 아니라, 청구항 5에 따른 냉각 채널의 단면을 구비하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서, 드릴의 절삭부에서 경사각은 드릴 헬릭스의 측면 경사각, 즉 소결 블랭크 내에 형성된 내부 냉각 채널의 나선각(spiral angle)에 의해 결정된다. 경사각은 칩 형성 및 칩 제거에 결정적인 영향을 미치며, 따라서 가공되는 재료의 특성에 좌우된다. 청구항 8에 따른 바람직한 실시예에서는, 경사각이 10° 이상의 값으로 가정한다.

청구항 21에 따른 바람직한 실시예에 의하면, 공구는 이중날 공구(two-lip tool) 또는 다중날 공구(multiple-lip tool)인 것으로 본다. 이러한 공구를 생산하기 위해서, 청구항 17 및 18에 따른 타원형 또는 삼각형 냉각 채널 형상을 구비한 소결 블랭크가, 청구항 12 내지 15에 따른 복합형으로써, 적합하다. 이러한 형상을 가져야만, 각각의 공구 스테이 상의 유효 공간을 최적으로 사용할 수 있으며, 냉각 채널의 소정의 최소 벽두께를 이용할 수도 있기 때문이다. 따라서, 본 발명에서 삼각형(trigon)이란 용어는 그 삼각형의 모서리가 삼각형을 둘러싼 원의 반경의 약 0.2배 이상인 반경으로 라운딩되어 있는 삼각형 형상을 말한다.

청구항 22에 따라 단일날(single-lip)을 가진 실시예의 경우, 청구항 16에 따른 콩팥형 냉각 채널 설계(kidney-shaped cooling channel design)가 특히 적절한 것으로 보인다. 이에 대한 대안으로써, 형상이 삼각형 또는 타원형인 복수의 냉각 채널에 의해 냉각제를 공급하는 것도 가능하다.

광범위한 실험에 의하면, 원형 냉각 채널 단면에 비해 삼각형 냉각 채널 단면이, 공구의 절삭홈 및 외측 원주까지의 최소 거리는 유지하면서도, 공구 스테이 상의 유효 영역을 활용하는 데에는 더 유용하다. 그러나 냉각제 처리량 및 공구의 강인성(robustness)을 고려하면, 원형 냉각 채널 형상이 여전히 더 바람직한 것으로 보인다.

냉각 채널에서의 응력 발생은 냉각 채널의 형상에 좌우되는 것으로 밟혀졌다. 이는 주로 하중 방향에 대해 가장 작은 반경을 가진 냉각 채널에서 응력 집중이 발생하기 때문이다. 또한 저항력을 고려하면, 드릴이나 밀링 커터와 같은 절삭 공구도 내구성과 관련하여 그러한 응력 피크(stress peaks)를 받을 수 있으며, 냉각 채널에서 응력 피트가 발생하는 것과는 별도로, 최종적으로 크랙 형성이 일어날지 또는 초기 파괴(premature failure)가 일어날지를 결정하는데 있어서는, 냉각 채널과 절삭 공간(cutting space) 사이의 거리 및 그에 따른 스테이 상의 냉각 채널의 위치가 결정적임이 밝혀졌다.

광범위한 실험 및 시뮬레이션에 의해 바람직한 단면을 가진 냉각 채널 형상, 즉 냉각 채널 형상의 최소 반경이 냉각 채널로 둘러싸인 원의 반경의 0.35배에서 0.9배, 특히 0.5배에서 0.85배, 바람직하게는 0.6배에서 0.85배, 보다 바람직하게는 0.7배에서 0.8배, 특히 0.75배인 냉각 채널을 구비한 소결 블랭크를 얻게 되었다.

소결 블랭크로 제조된 공구와 관련해, 내부 냉각 채널과 드릴의 외측 원주사이, 내부 냉각 채널 및 절삭면(cutting face) 사이, 내부 냉각 채널 및 절삭측면 사이의 최소 벽두께는 하한값과 상한값 사이에 있으며, 상기 하한값은 D≤1 ㎜이면 0.08 x D이고, D>1 ㎜이면, 0.08 ㎜이며; 특히, 상기 하한값은 D≤2.5 ㎜이면 0.08 x D이고, D>2.5 ㎜이면, 0.2 ㎜이며, 바람직하게는 상기 하한값은 D≤3.75 ㎜이면 0.08 x D이고, D>3.75 ㎜이면, 0.3 ㎜이며, 예를 들어 상기 하한값은 D≤3 ㎜이면 0.1 x D이고, D>3 ㎜이면, 0.3 ㎜이고, 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.35 x D이고, D>6 ㎜이면, 0.4 x D-0.30 ㎜이며, 특히 0.2 x D이며, 바람직하게는 상기 상한값은 D≤4 ㎜이면 0.15 x D이고, D>4 ㎜이면, 0.6 ㎜인 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다.

이와 같이 실험적으로 결정된 냉각 채널의 형상 및 스테이 상에서의 냉각 채널의 위치를 이용하여, 매우 긍정적인 결과를 얻을 수 있다.

청구항 15 및 23에 따른 냉각 채널 형상 및 하중 하에서 높은 처리량을 갖는 공구에서, 삼각형 공구의 경우보다 현저히 낮은 응력 하중이 발생하였다. 이에 대응하는 특성, 즉 본 발명에 따른 공구의 기계적 강도 특성이 파괴 실험(breakage test)에서 확인되었다. 이 실험은 가장 작은 곡률 반경으로 냉각 채널에 둘러싸인 원의 반경의 0.5배에서 0.85배인, 일반적으로 사용되는 초경합금으로 제조된 공구로 수행되었다. 둘러싸인 원의 직경의 0.6배에서 0.85배, 특히 0.7배에서 0.8배가 적절한 것으로 입증되었다. 예를 들어, 호칭 직경이 4 ㎜이고, 둘러싸인 원의 직경에 0.75를 곱한 최소 반경을 갖는 드릴의 경우, 냉각 채널의 단면과 동일한 영역으로 절삭홈과 접하는 냉각 채널의 측면 상에서 약 35 % 낮은 응력 피트가 나타나게 된다. 결과적으로, 불충분한 드릴의 강도를 받아들이지 않고도, 그 위치에서 최소 벽두께로 단지 0.3 ㎜라는 값을 얻을 수 있었다. 다른 재료로 만들어진 공구의 경우, 0.35에서 0.9에 반경을 곱한 값이 적절해 보인다. 연성이 더 높고, 따라서 응력에 대한 저항, 특히 인장응력에 대한 저항이 더 높은 재료를 사용할 경우, 예를 들어 둘러싸인 원의 반경에 0.35를 곱한 값으로 낮아진 최소 곡률 반경이 더 바람직한 결과를 가져다 줄 것이다.

종래의 삼각형 형상에 비해 비교적 완만한 라운딩을 가짐으로써 응력 집중이 완화되는 것은 별도로 하더라도, 가장 만곡이 큰 냉각 채널 형상의 위치가 스테이의 벽이 가장 얇은 위치에서 멀어지는 부가적인 효과가 있다. 결과적으로, 벽은 비교적 두껍고, 따라서 응력이 가장 큰 위치에서 파괴에 대한 저항도 커지게 된다.

본 발명에 따른 냉각 채널 형상을 가진 공구는 원형 냉각 채널 형상을 가진 공구에 비해, 단면 영역에 거의 비례해서 처리량이 증가하며, 본 발명에 따른 냉각 채널 형상 영역에서 단면 영역의 증가를 수반하는 응력 집중의 증가는 종래의 삼각형 형상에 비해 극히 미미하다. 따라서, 본 발명에 따른 냉각 채널 형상을 갖는 경우 단면 영역을 이용할 수 있으며, 동일한 냉각제 처리량을 갖는 원형 형상의 경우 벽 간격이 충분치 않아서 공구 파손이 일어나게 된다.

실험에 의하면 적절한 벽두께와 호칭 직경 사이에는 상관관계가 있으며, 공구 직경이 작은 경우에는 공구 직경의 증가에 선형인 상관관계가 얻어진다. 실험에서는 다음과 같은 벽두께에서 냉각제 공급이 최대가 되는 적절한 강도를 얻을 수 있었다: 벽두께는 하한값 이상이며, 상기 하한값은 D≤2.5 ㎜이면 0.08 x D이고, D>2.5 ㎜이면, 0.2 ㎜이며; 바람직하게는 상기 하한값은 D≤3.75 ㎜이면 0.08 x D이고, D>3.75 ㎜이면, 0.3 ㎜이며, 예를 들어 상기 하한값은 D≤3 ㎜이면 0.1 x D이고, D>3 ㎜이면, 0.3 ㎜이고, 여기서 D는 호칭 직경을 나타낸다.

공구 스테이 내의 응력 분포라는 면에서 적절하게 냉각 채널을 설계함으로써, 벽이 얇음에도 불구하고 높은 공구 강도 및 그로 인한 긴 수명을 얻을 수 있다. 각각의 경우에서, D>1 ㎜일 때 최소 벽두께는 0.08 ㎜로 하는 것도 적절할 것이다.

한편, 최소 벽두께의 상한값은 원하는 처리량에 의해서만 제한된다. 본 발명에서는 청구항 23에 따른 다음 상한값까지는 냉각 채널 형상이 적절한 것으로 입증되었다: 즉, 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.35 x D이고, D>6 ㎜이면, 0.4 x D-0.30 ㎜이며, 특히, 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.333 x D이고, D>6 ㎜이면, 0.4 x D-0.40 ㎜이며, 바람직하게는 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.316 x D이고, D>6 ㎜이면, 0.4 x D-0.50 ㎜이며, 보다 바람직하게는 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.3 x D이고, D>6 ㎜이면, 0.4 x D-0.60 ㎜이며, 예를 들어 상기 상한값은 D≤4 ㎜이면 0.2 x D 또는 0.15 x D이고, D>4 ㎜이면, 0.6 ㎜이다.

공구 스테이 상의 공간 이용이 매우 중요한 더 작은 공구의 경우, 청구항 15에 따른 냉각 채널 형상이 특히 적절한 것으로 밝혀졌는데, 여기서 공구 스테이 상의 공간 이용은 강도 및 냉각제 처리량의 측면에서 최적화된 것이다. 이러한 발견들은 청구항 23에 따른 최소 벽두께에 대한 상한값이 반영된 것이며, 직경이 작은 영역과 비교해 소정의 호칭 직경 이상이 되면 상한값은 급격히 증가한다.

특히, 직경 6 ㎜ 이상의 호칭 직경을 갖는 냉각 채널 단면 영역에서의 선형 증가는, 개별적인 응용 분야, 예를 들어 심공 드릴과 같은 경우에만 적용된다. 이는 윤활제 필요량이 냉각 채널 단면의 증가에 비례하는 양에 못 미치는 경우에도 충분할 수 있기 때문이다. 또한, 더 큰 직경을 갖는 경우, 최소 벽두께가 적절한 강도를 제공하면서도 뛰어난 냉각제 공급이 이루어지도록 하기 위해 청구항 23에 따른 하한값에 접근하는 것도 가능하다.

최소 벽두께의 상한값과 관련하여 청구항 23에 개시된 값은 이러한 고려 사항을 반영한 것이며, 특히 최소 벽두께가 0.2 x D 이하인 경우 냉각 채널 형상의 설계는 적절하다. 특히, D≤4 ㎜이면 최소 벽두께가 0.15 x D 이하이고, D>4 ㎜이면 0.6 ㎜인 경우, 공구 강도는 양호하게 유지하면서, 가능한 설계 공간과 관련된 냉각 채널의 형상과 치수에 의해 이루어지는 유동량(thoughflow)의 증가는 매우 바람직한 것으로 밝혀졌다.

그러나, 상이한 직경을 갖는 공구가 동일한 직경을 갖는 소결 블랭크로부터 종종 제조된다는 사실을 고려해야 한다. 즉, 예를 들어 호칭 직경이 4 ㎜, 5 ㎜ 및 6 ㎜인 공구는 직경이 6.2 ㎜인 블랭크로부터 제조된다. 4 ㎜ 공구의 냉각 채널과 동일한 냉각 채널 설계를 갖는 6 ㎜ 공구의 경우, 냉각 채널과 공구의 외측 원주 사이의 최소 벽두께는 1 ㎜ 이상이어야 한다. 제조기술의 면에서, 벽두께의 상한값이 D≤6 ㎜이면 0.35 x D이고, D>6 ㎜ 이면 0.4 x D-0.30 ㎜이고, 특히 D≤6 ㎜이면 0.333 x D이고, D>6 ㎜이면 0.4 x D-0.40 ㎜이며, 바람직하게는 D≤6 ㎜이면 0.316 x D이고, D>6 ㎜이면 0.4 x D-0.50 ㎜이며, 보다 바람직하게는 D≤6 ㎜이면 0.3 x D이고, D>6 ㎜이면 0.4 x D-0.60 ㎜인 것은, 본 발명에 따른 냉각 채널 형상이 유리한 점을 제공하는 영역 내에 있다.

이런 점에서, 냉각 채널과 드릴의 외측 원주면 또는 절삭면 또는 측면 절삭측면(cutting flank) 사이의 최소 벽두께는 당연히 서로 상이하도록 선택될 수 있다. 강도의 면에서, 특히 냉각 채널과 절삭면 사이의 최소 벽두께 또는 최소 간격이 결정적인데, 상기 최소 간격은 냉각 채널과 절삭측면 사이의 최소 벽두께보다 더 클 수 있다. 이와 비슷하게, 냉각 채널과 드릴의 외측 원주 사이의 최소 벽두께와 관련하여, 냉각 채널과 절삭면 사이의 최소 벽두께는 강도를 증가시켜야 할 필요성을 고려하기 위해 더 큰 값을 가질 수 있다. 한편 예를 들어, 동일한 직경의 블랭크가 상이한 직경을 갖는 공구에 사용되는 실제 응용 분야와 관련되어 있는 전술한 제조 분야의 경우에 있어서, 냉각 채널과 드릴의 외측 원주 사이의 최소 벽두께가 냉각 채널과 절삭면 사이의 최소 벽두께보다 더 큰 경우도 있을 수 있다.

청구항 15에 따른 바람직한 냉각 채널 형상과, 청구항 23에 따른 최소 벽두께를 갖추면, 회전 절삭 공구의 하나 또는 복수의 스테이 상의 유효 설계 공간을 활용하여, 냉각제 처리량 및 강도 모두를 적절하게 하는 것이 가능하다.

따라서, 원형 냉각 채널 형상을 갖는 드릴은, 압력이나 비틀림에 의한 하중을 받거나(드릴링 공정 중에 일반적으로 발생함), 측면 하중이나 휨 모멘트로 인한 하중을 받는 경우(가공될 소재 내로 진입하는 동안 발생함)에도, 파괴되지 않고 긴 수명동안 고하중을 견딜 수 있다. 동일한 측면 하중이나 휨 모멘트로 인한 하중은 하향절삭(컷-다운) 밀링 머신(cut-down milling machines)이나 상향절삭 밀링 머신의 경우에도 발생한다. 한편, 냉각제 처리량을 통해, 공구의 길이 방향을 따라 일어나는 압력 및 양의 저하에 따른 요구 조건을 만족시킨다.

원형 냉각 채널 형상을 가진 경우, 응력 집중이 낮기 때문에, 냉각 채널과 절삭면 사이의 최소 벽두께를 줄일 수 있으며, 그 결과 냉각 채널의 단면 및 그에 따른 처리량이 증가하게 된다.

반경이 크므로, 바람직한 수력학 반경(hydraulic radius), 즉 냉각 채널을 둘러싸는 측면에 관한 냉각 채널의 단면 영역이 커지게 되는데, 이 효과는 압력 저하를 감소시키는 냉각제 처리량의 증가에 기여한다. 따라서 압력 저하로 발생하는 반발력과 파이프 내의 마찰력에 크게 좌우되는 평균 유동 속도는, 종래의 삼각형 형상일 때 가지는 평균 유동 속도보다 더 크게 되고, 동일한 단면 영역으로 더 큰 처리량을 얻게 된다.

따라서 원형 냉각 채널 형상은 적절한 냉각제 공급과 적절한 강도 사이의 불일치가 특히 문제되는 경우에 적합하며, 이는 일반적으로 직경이 작고 공구 길이가 긴 경우에 일반적으로 발생한다.

바람직하게는 냉각 채널 단면의 2개의 곡률 최대값은 동일한 방사 좌표계(radial coordinates) 상에 위치하며, 이러한 방사 좌표계는 냉각 채널 단면으로 둘러싸인 원의 방사 좌표계와 같거나 크다. 공간 활용을 최적화하기 위해, 냉각 채널 단면은 드릴 축의 방사상 연장축에 대해 대칭이며, 따라서 그 반경은 2개의 곡률 최대값 상에서 동일하다. 이러한 개선은 본질적으로 대칭인 공구 스테이 형상을 반영하는 것이며, 따라서 최소 벽두께를 유지하며 스테이 상의 냉각 채널 단면용으로 활용 가능한 설계 공간을 반영하는 것이다. 이와 별도로, - 특히 스테이의 후면과 대향하는 측면의 폭이 넓어지기 전에 주 커터(main cutter) 측면상의 방사상 방향으로 스테이의 폭이 넓어지면 - 유효 설계 공간을 최적으로 사용하기 위해, 냉각 채널 단면이 비대칭적인 형상을 갖는 것도 생각해 볼 수 있다. 또한, 주 커터와 대향하는 냉각 채널 측면이 가장 큰 하중을 받으며, 스테이의 후면과 대향하는 측면은 비교적 작은 하중을 받게 된다는 사실에서도 비대칭적 설계를 고려할 수 있다.

적절한 공구 강도를 유지하면서 냉각제를 양호하게 공급한다는 측면에서 보면, 냉각 채널이 타원형인 것도 특히 바람직하게 보인다. 타원의 장축과 단축 사이의 바람직한 비율은 1.18에서 1.65이며, 특히 바람직하게는 1.25에서 1.43이며, 예를 들어 1.43이다. 본 발명에서 타원이라는 용어는 수학적으로 엄밀한 타원(x²/a² + y²/b² = 1)으로 한정되는 것이 아니며, 제조기술상 타원, 즉 타원과 유사한 도형까지도 포함한다.

타원형 냉각 채널 단면의 경우 곡률 최대값 상의 응력 집중이 낮기 때문에, 곡률 최대값이 방사상으로 더 외측에 위치하는 경우보다 냉각 채널과 주 커터 사이의 최소 벽두께가 더 얇아질 수 있다. 이는 후자의 경우 타원형 설계에 비해 반경이 더 작기 때문이다.

타원형 냉각 채널 형상 외에도, 특히 제조기술의 면에서 바람직한 또 다른 공구 설계도 존재한다.

본 발명에 따른 압축 프레스 공정에 사용되는 핀의 제조 공정을 더 용이하게 제어하기 위해서, 곡률 최대값이 둘러싸인 원의 중심에 대해 외측에 위치하는 냉각 채널 형상이 바람직한데, 여기서 핀은 내부 냉각 채널의 헬릭스를 결정하게 된다. 냉각 채널을 제조하기 위해 압출 프레스 방법에 사용되는 나선핀(spiral pins)은 타원형으로 제조하는 것이 비교적 곤란하다. 상기 핀은 압출 프레스 노즐의 상류로 축두 상에 배치되며, 따라서 유입되는 재료 내에서 냉각 채널을 형성한다. 이와 대조적으로 외측으로 움직이는 곡률 최대값(outward-moved maxima of curvature)을 갖는 나선핀을 제조하는 것은 비교적 간단한데, 이는 와이어(wire)의 내측 상의 형상부가 비교적 크기 때문이다. 여기서 형상부는 드로잉(drawing) 형식으로 엄밀한 끼워맞춤(precise fit)하는데 이용될 수 있다.

이런 면에서, 압출 프레스 그린 컴팩트는 방사상 냉각 채널 형상을 갖도록 형성되는 것이 특히 바람직한데, 청구항 11과 같이 상기 방사상 냉각 채널은 직선 림(straight limb)을 포함하며, 이 직선 림에 의해 와이어가 나선형화(spiraling) 중 드로잉 형식으로 안전하게 지지될 수 있다.

실험과 시뮬레이션에 의하면, 적절한 최소 반경 및 최소 벽두께가 유지되면, 상기와 같은 냉각 채널 형상을 갖는 경우도 타원면(ellipsoid) 냉각 채널 단면을 갖는 경우와 응력 집중 및 냉각제 처리량과 관련해 비슷하게 양호한 결과를 얻을 수 있다. 그러나 타원 형상과 비교해 곡률 최대값 상 반경이 더 작기 때문에, 최소 벽두께는 더 커지게 된다.

본 발명에 따른 소결 블랭크는 공구 전체의 제조에 적합할 뿐 아니라, 청구항 24에 따른 공구 부품의 제조에도 적합하다. 예를 들어, 심공 드릴은 부분적으로 드릴 팁(drill tip)과 샤프트로 경계가 정해지는 드릴 헤드(drill head)를 종종 포함하는데, 샤프트는 드릴의 길이 방향을 따라 연장되어 있으며, 2개의 부품은 하나로 결합되어 있다. 이런 장치에서, 적어도 하나 이상 존재하는 드릴 커터는 드릴 헤드 또는 나사 결합된 절삭판(cutting plates)을 구비한 드릴 헤드 상에 직접 놓일 수 있으며, 또는 가변 커터(changeable cutters)가 사용될 수 있다. 이런 장치에서, 드릴 헤드 및 샤프트는 상당히 상이한 요구 조건을 만족시켜야 한다. 드릴 헤드의 경우 마모 저항 및 경도(hardness)가 가장 중요하며, 샤프트의 경우 인성(toughness) 및 변형 저항이 가장 중요하다.

본 발명에 따르면, 청구항 4 내지 18에 따른 형상을 구비하는 소결 블랭크가 공구 부품을 제조하는 데에도 사용될 수 있다. 그러한 공구 부품으로는 샤프트나 드릴 헤드 등이 있으며, 실시예에서는 청구항 25와 같이 하나의 절삭홈을 포함하기도 하고, 청구항 26과 같이 복수의 절삭홈을 포함하기도 한다.

안정성의 면에서 보면, 공구를 제조하는 경우 - 특히 직경에 비해 길이가 길어서 큰 하중을 받기 쉬운 심공 드릴을 제조하는 경우 - 결합 위치(soldered positions)가 절대적으로 최소가 되도록 노력해야 하는데, 상기 결합 위치에서 결함이 발생하기 쉬우며 강도가 떨어지기 쉽다. 이러한 요구조건은 청구항 18에 개시되어 있는 바와 같은 본 발명에 따른 절삭 공구에 의해 만족된다.

청구항에 기재된 기술적 특성은 원하는 방식으로 적절하게 조합될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 공구 또는 공구 부품은, 적어도 예리한 커터 영역에서, 일반적인 코팅을 포함할 수 있다. 경도가 높은 재료를 코팅하는 경우에, 그러한 코팅은 얇은 코팅인 것이 바람직하며, 코팅 두께는 0.5에서 3 ㎛인 것이 바람직하다.

경도가 높은 물질의 코팅은 예를 들어 다이아몬드, 바람직하게는 단결정질 다이아몬드(monocrystalline diamond)를 포함할 수 있다. 그러나 질화 티타늄(titanium nitride) 또는 질화 티타늄 알루미늄(titanium aluminium nitride) 코팅으로도 제조될 수 있는데, 이러한 코팅은 적절한 얇은 두께로 점착될 수 있기 때문이다. 또 다른 경도가 높은 물질의 코팅도 생각해 볼 수 있는데, 예를 들어, TiC(C, N), 세라믹, 예를 들어 Al₂O₃, NbC, HfN, Ti(C, O, N), 특히 TiN 또는 Ti(C, N)의 중간층을 포함하는 다층 세라믹 코팅, TiC/Ti(C, N) TiN을 포함하는 다층 코팅(multilayer coatings) 등이 있다.

전술한 바의 대안으로써, 나사결합 또는 납땜결합된 절삭판 또는 가변 커터에 사용되는 공구 또는 공구 부품을 제조하는 데에, 본 발명에 따른 소결 블랭크를 사용하는 것도 생각해 볼 수 있다.

또 다른 대안으로써, 적어도 절삭홈 영역에 연질 재료(soft-material) 코팅을 사용하는 것도 가능하다. 그러한 연질 재료 코팅은 MoS₂를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 출원인 소유 특허인 DE 42 42 336에 기재된 압출 프레스 방법 및 상기 압출 프레스 방법을 위해 구비된 압출 프레스 헤드를 자세히 설명한다. 그리고 나서 도 2에 도시된 압출 프레스 헤드의 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 방법을 상기 종래 방법과 비교한다.

도 1에서 참조부호 10은 압출 프레스 헤드를 나타내며, 고점성 가소 금속 또는 세라믹 재료(12)가 우측에서 좌측으로 압출 프레스 헤드를 통해 유동하게 된다. 14는 노즐의 마우스피스를 나타내며, 마우스피스는 노즐 캐리어부(nozzle carrier part)(16)와 일체형으로 만들어져 있다. 압출 프레스 노즐은 2개의 부분, 즉 노즐 마우스(DM)와 노즐 입구(DE)를 포함하는데, 깔때기 형상의 노즐 입구를 통해 노즐 마우스로 소성 재료(12)가 공급된다. 노즐 입구 영역(DE)의 중심부에는, 노즐의 축두(18)가 구비되어 있는데, 축두(18)는 그 하류 끝단에 원뿔면(conical surface)(20)을 포함하여, 노즐의 축두(18)와 노즐 캐리어부(16) 사이에 환상부(annular space)(22)를 형성하게 되며, 이는 노즐 마우스(DM)로 진입하게 된다.

압출 프레스 공구 또는 압출 프레스 헤드(10) 또는 압출 프레스 노즐(14, 16)은, 적어도 하나의 내부 채널(3)을 구비한 바형 원주부(cylindrical bar-shaped formed pieces)(24)를 연속 압출하는데 사용된다. 상기 내부 채널(3)은 좌측으로 또는 길이방향으로 나선 형상으로 되어 있다.

도 1에 따른 종래의 압출 프레스 공구(10)에서, 샤프트(30)는 노즐 축두(18)의 전방 끝단부(32) 이상으로, 즉 노즐 마우스(DM) 우측 내로 연장되어 있으며, 상기 샤프트(30)는 그 하류 끝단에서 판형 허브부(plate-shaped hub piece)(34)를 구동한다. 허브부(34)는 방사상 외부 측면(radially outward lateral surfaces)(36, 38)을 통해 나선형으로 미리 비틀림 되어있는 핀(spirally pre-twisted pins)(40, 42)과 단단하게 연결되어 있다. 이 구조에서, 2개의 핀(40, 42)은 샤프트(30)의 축(44)에 대해, 즉 허브부(34)에 대해 점대칭이 되도록 배치된다.

이러한 장치에서 핀(40, 42)의 길이는 본질적으로 나선 피치의 절반(WS/2)에 상당하며, 핀(40, 42)은 최소한 노즐 마우스피스(14)의 전방부(48) 이상으로 연장되어, 압출 공정 중 핀(40, 42)에 의해 형성되는 내부 채널(3)이 노즐 외부에서도 그 형태와 위치를 유지하도록 한다.

허브부(34)는 노즐의 축두(18) 전방 끝단부(32)에서 미리 정해진 축방향 간격 AX만큼 이격되도록 노즐 마우스(DM) 내에 위치한다. 이러한 축방향 간격 AX는 노즐 마우스(DM) 내의 유동 특성 및 적어도 하나 이상 존재하는 핀(40, 42)의 유동특성에 영향력을 끼칠 수 있도록 조정되는 것이 바람직하다.

도 1의 화살표 50으로 암시하는 바와 같이, 핀(40, 42)이 결정되며, 재료가 노즐 마우스(DM) 영역에서 축방향으로 핀을 따라 유동하게 된다. 따라서 유동은 피치(WS)와 눈금원 직경에 의해 결정되는 각도(PHI)로 핀(40, 42)과 접하게 된다. 이러한 핀(40, 42)은 축(44)을 따라 회전할 수 있도록 허브부(34)와 샤프트(30)를 통해 노즐 마우스(DM)에 부착되기 때문에, 소성 재료(12)가 노즐 마우스를 통과하면, 상기 핀(40, 42)은 미리 정해진 핀의 나선 피치에 대응하여 연속적으로 회전하게 되며, 그 회전 속도는 각속도 OMEGA가 된다. 나선 비틀림 핀(spirally twisted pins)을 유동 방향 내에 위치시킴으로써 발생하는 힘 요소는 핀(40, 42)의 길이 방향을 따라 점증하게 되는데, 상기 힘 요소는 원주 방향으로 작용하게 된다.

회전 샤프트(30), 허브부(34) 및 적어도 하나의 나선 비틀림 핀(40, 42)을 포함하는 장치는, 유동 속도에 따라 정해지는 핀(40, 42)의 회전 운동을 일으키며, 핀(40, 42)에 작용하는 굽힘 하중은 비교적 경미하게 유지된다. 이런 방식으로, 핀(40, 42)은 구동 샤프트(30)를 갖추고 축방향 유동에 놓인 터빈(turbine)의 원리를 따라 행동하게 되는데, 다만 매체가 이상 비압축 유동체(ideal incompressible liquid)가 아니라 고점성이며 어느 정도는 탄성인 재료라는 점이 다르다.

근본적으로 노즐의 마우스는 2개의 영역, 즉 노즐 입구영역의 마우스(DME)와 노즐 유동 영역의 순수 마우스(DMS)로 나누어진다. DMS 영역에서 노즐 마우스는 미리 정해진 단면을 갖는데, 이 단면은 실질적으로 일정하게 유지되어, 이 영역에서 유동 속도가 일정하다고 가정할 수 있게 한다. DME 영역에서는, 유효 유동 통과 단면(effectively available flow-through cross section)이 적어도 DME 영역의 축방향 길이를 따라, 바람직하게는 노즐 마우스(DM)의 전체 축방향 길이를 따라 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 이런 이유로, DME 영역에서의 직경은 DMS 영역보다 직선으로 M만큼만 크게 된다. 따라서 DMS 영역의 직경 및 DME 영역의 직경으로 결정되는 환상면(annular surface)은, 샤프트(30)의 단면 영역의 환상면 및 연결 접합부(connection joints)(52)를 포함하는 허브부(34)의 방사상 단면의 환상면과 거의 동일한 크기가 된다. DME 의 내측 측면에서 DMS 영역의 내측 측면으로 변하는 부분을 적절히 설계함으로써, 재료(12)가 노즐의 마우스(DM)를 통해 유동할 때 재료(12) 내에 발생하는 과도한 압력 변동(pressure fluctuation)을 제거할 수 있다. DME 및 DMS 영역 사이의 변이부가 직선이 되도록 노즐 마우스(DM)를 설계함으로써, 과도한 압력 강하를 방지할 수 있고, 따라서 DMS 영역에서의 압력이 단면을 끝내는데 적절하게 되도록 할 수 있다.

도 1에, 허브부(34)의 에지(edges)(54 또는 56)가 가질 수 있는 몇 가지 형상이 도시되어 있는데, 에지는 상류 및/또는 하류에 위치한다. 점선은 하류에 위치한 끝단부 상의 에지(156)가 가질 수 있는 또 다른 형상을 나타낸다. 이러한 형상을 구비함으로써 유동 관계(flow relationships)를 원하는 대로 제어할 수 있다.

재료가 허브부(34) 및 핀(40, 42)을 지나 축방향으로 유동하면, 축방향으로 작용하는 반발력(reaction forces)도 발생하는데, 이 반발력은 샤프트(30)에서 수용되어야 한다. 이런 이유로, 샤프트(30)는 방사상 방향뿐만 아니라(즉, 베어링 상에 배치됨) 축방향으로도 고정된다.

이상 설명한 종래의 압출 프레스 장치는 다음과 같이 작용한다.

고점성 재료(12)는 환상 공간부(annular space)(22)에서 나와, 짧은 입구 거리(inlet stretch)를 거쳐, 즉 축방향 거리 AX를 거쳐, 축방향으로 노즐 마우스피스(DME)의 입구 영역 내로 진입하게 되는데, 여기서 유입각 PHI에 의해 냉각 채널 성형기(cooling-channel former)가 연속적으로 회전 운동하게 된다. 상기 냉각 채널 성형기는 바 또는 와이어(40), 허브부(34 또는 134 또는 234) 및 샤프트(30)를 포함한다. 또 상기 회전 운동은 핀 나선의 피치(WS)에 대응된다. 나선의 피치(WS) 및 노즐 마우스(DM)의 나선 위치는 블랭크에 형성된 냉각 채널의 나선 피치의 위치에 정확하게 대응한다. 따라서 재료가 노즐 마우스(DM)를 통과하면, 통과하는 재료는 소성 변형하지 않으며, 대신 내부 나선 연장 냉각 채널이 주 성형 공정 중에 형성된다. 이러한 구조로, 바(40, 42)는 주로 인장력을 받게 된다. 동일한 힘이 샤프트(30)상의 하중으로 작용하므로, 따라서 샤프트(30)는 비교적 작은 직경을 갖도록 설계되어야 한다.

도 2에서, 도 1의 부품과 같은 형태 및 기능을 갖는 부품은 도 1과 동일한 참조부호를 갖는다. 이하, 도 2에 도시된 본 발명에 따른 실시예의 형태 및 기능에서 도 1에 도시된 것과 상이한 형태 및 기능에 대해서만 설명한다. 나머지 설계에 대해서는 전술한 내용이 적용된다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 실시예에서, 노즐 마우스피스(140)는 교환 가능하도록, 그리고 회전 가능하도록 외측 밀봉 마찰 베어링(outward sealing friction bearing : 도시되어 있지 않음)에 의해 노즐 캐리어부(16) 상에 지지되어 있다. 노즐 마우스피스(140)는 노즐 마우스(DM) 내의 노즐 유동 지역(DMS) 마우스의 길이 방향을 따라 연장되어 있으며, 모터(141)에 의해 연속적으로 구동되고 있다. 참조부호 300은 핀을 나타내는데, 이 핀은 노즐의 축두(18)에 견고하게 고정되어 회전하지 않는다. 예를 들어, 상기 핀은 노즐의 축두(18)에 나사결합되거나 납땜 또는 용접 결합된다. 참조부호 340은 고정 연결요소(fixed connection element)를 나타내며, 이 고정 연결요소에 의해 2개의 나선핀(400, 420)은 핀(300)과 연결되며, 따라서 노즐의 축두(18)와도 연결된다.

비회전 핀(300), 연결요소(340) 및 핀(40, 42)을 포함하는 장치는 강성을 유지하며, 재료의 유동 방향에 대해 방사상 방향으로 작용하는 힘 요소를 유동하는 재료에 가하게 된다. 이런 이유로, 연결요소(340)는 터빈 가이드 베인(turbine guide vane)과 같은 방식으로 설계될 수 있다. 따라서 모터(141)로 구동되는 노즐 마우스피스(140)가 회전 속도 n으로 운동함에 따라, 재료(12) 유동은 더욱 나선 운동을 하려는 경향을 갖게 된다. 이 구성에서, 재료(12)가 전체적으로 나선 유동하도록 모터(141)의 구동 속도는 재료(12)의 유동 속도에 맞춰진다. 핀(400, 420)의 방사상 높이에서 상기 나선 유동 내 재료 입자의 운동 방향은 핀(400, 420)의 나선 연장부에 대응한다. 따라서 핀과의 충돌(impingement), 즉 연결부(340), 핀(300) 및 노즐의 축두(18)와의 충돌은 대부분 제거되는데, 상기 충돌은 핀을 펴게 만들거나, 연결요소(340)와 핀(400) 사이의 접합부(soldering joint)를 파괴시킬 수 있다.

전술한 도 1의 압출 프레스 헤드의 경우와 마찬가지로, 핀(400, 420)의 굽힘이 없기 때문에 상기 핀(400, 420)은 최종 압출 프레스 그린 컴팩트가 가져야 할 채널과 정확하게 동일한 피치를 갖게 된다. 이런 방식으로, 유동의 변화에 따라 노즐 마우스피스(140)의 회전 속도 n이 재조정(readjustment)된다. 유동의 변화는 예를 들어 재료(12)가 일정 묶음에서 다음 묶음으로 바뀔 때 재료의 밀도가 변동함에 따라 발생하기도 하고, 이와 유사한 변동에 의해 발생하기도 한다.

재조정은 회전휠(rotating wheel)(142)로 압출된 압출 프레스 그린 컴팩트 내에 새겨진 인덱싱 스트립(indexing strip)에 의하여 노즐의 하류에 배치된 피치 마크(pitch mark)를 이용하여 발생한다. 상기 인덱싱 스트립은 채널(3)의 현재 피치를 읽을 수 있도록 그린 컴팩트의 모든 위치에 새겨진다. 이러한 치수는 이미지 추출기(143)에 의해 추출되고, 그에 대응하여 채널(3)의 피치가 일정하도록 회전 속도 n이 재조정되며, 이에 따라 모터(141)가 제어된다. 대안으로써, 모터(141)와 노즐 마우스피스(140) 사이를 연결하는 기어 장치를 제어하는 방법도 생각해 볼 수 있다.

이러한 장치에서 노즐 마우스(DM)는 평탄한 내부 표면을 가지며, 노즐 입구(DME)의 마우스피스 영역에서도 마찬가지이다. 나선 유동은 벽면 저항에 의해 일어나는 횡단 응력(transverse stress)에 의해서만 발생하며, 상기 횡단 응력은 소재의 점성에 좌우된다. 따라서 상기 나선 유동은 고정된 비틀림 장치 또는 재료 내에서 움직이는 회전 비즈(rotating beads)에 의해서 외부적으로 강제 발생되지는 않는다. 따라서 이런 방식으로, 노즐을 빠져나온 재료가 이완 운동하는 것을 방지할 수 있어, 제조된 채널의 피치가 매우 일정한 정도로 유지된다. 상기 이완 운동은 나선 채널의 피치 방향과 반대로 발생한다. 유동하는 재료(12)에 강한 회전력이 작용하는 경우에는, 노즐 마우스피스(140)의 내측 원주에 작은 구동 돌출부(driving projection) 또는 표면 조직(surface texture)이 생기도록 하는 것도 가능하다.

도시된 실시예에서, 노즐(10)의 회전 영역은 노즐 마우스(DM)의 노즐 유동 영역(DMS)의 마우스를 따라 연장되어 있으며, 노즐 입구 영역(DME)의 마우스에서는 노즐 유동 영역(DMS)에서보다 직경이 M만큼 큰데, 이는 그곳에 배치된 핀(300) 및 연결요소(340)에 대응하는 것이다. 그러나, 노즐(10)이 DME 영역에서도 이미 회전 가능하도록 설계하는 것도 생각해 볼 수 있다. 한편, 노즐 마우스피스(140)의 일부분만 회전 가능하도록 하거나, 또는 핀(400, 420)의 길이 이상으로 연장되어 있는 부가적 부분이 회전하도록 하는 것도 가능하다.

나선 비틀림 핀(400, 420)의 피치는, 도 3에 도시된 압출 블랭크(24)의 채널(3)의 피치에 대응한다. 여기서 피치(WS)의 치수는 소결 공정 중에 예상되는 수축을 고려하여 결정되어야 하며, 채널(3)이 놓이는 눈금원의 직경의 경우도 마찬가지이다.

도 3의 나선축(A)은 핀(300)의 축(44)과 일치하며, - 핀(400, 420)의 단면을 정확하게 따르는 채널(3)의 단면을 얻기 위해 - 핀(400, 420)은 연결요소(340)의 측면(36, 38)에 부착되어 정확히 배치된다. 이는 용접 연결 또는 납땜 연결의 방법으로 하는 것이 바람직하다. 강, 초경합금 또는 세라믹 재료와 같이 탄성률(E-module)이 높은 재료가 핀(400, 420) 재료로 사용된다.

도시된 실시예에서는 2개의 핀(400, 420)이 구비되어 있다. 그러나 이와 관련해 본 발명은 그러한 핀의 수와 배치로 한정되는 것은 아니라는 것을 강조한다. 하나의 핀이 부착되어 있을 수도 있으며, 복수의 핀이 연결요소(340) 또는 노즐의 축두의 원주 상에 등간격으로 부착될 수도 있고, 부등간격으로 부착될 수도 있다. 여기서 핀 각각의 단면 또한 서로 상이할 수 있다. 핀을 상이한 눈금원 상에 배치하는 것도 가능하다.

도 3에는 본 발명에 따른 블랭크가 도시되어 있다. 여기서, 본 발명에 따른 방법은 블랭크 직경(D_R)이 작은 경우 또는 블랭크 직경(D_R)에 비해 냉각 채널 단면(Q_K)이 큰 경우에 특히 적합하다. 이러한 장치에서, 적어도 하나 이상 존재하는 핀은 어떠한 단면 형상이라도 가질 수 있으며, 두 개나 세 개의 스테이, 또는 비교적 면적이 작은 복수의 스테이를 구비한 공구용 블랭크의 경우, 각각의 구비된 스테이에는 타원형, 삼각형 또는 이와 유사한 단면 형상을 갖는 냉각 채널을 하나씩 구비하는 것이 적절하다. 반면 비교적 넓은 스테이를 구비한 공구의 경우는, 콩팥형 형상을 갖는 냉각 채널 또는 원형, 타원형, 삼각형 형상을 가진 복수의 냉각 채널을 구비하는 것이 적절하다.

본 발명에 따른 방법을 사용하면, 블랭크 직경(D_R)(도 3)이 제조될 공구의 최종 직경과 실질적으로 동일한 블랭크를 압출하는 것이 가능하다. 이는, 노즐 마우스피스(140)의 벽면이 매끄럽기 때문에, 압출 프레싱 및 최종 소결 공정 후 얻어지는 완전 원주 블랭크가 최종 폴리싱(polishing)을 거쳐 절삭홈을 갖추기만 하면 되기 때문이다. 또 다른 재료 제거 공정은 불필요하다.

도 4 내지 12는 본 발명에 따른 드릴링 공구의 다양한 실시예를 보여주는 도면으로서, 상기 공구는 텅스텐-카바이드를 기초로 하는 초경합금을 호칭 직경이 4 ㎜가 되도록 가공한 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한, 직경이 4 ㎜인 나선 드릴링 공구의 등척 확대도(isometrically enlarged view)이다. 여기서 공구는 2개의 스테이(2) 각각에 주 커터(4)를 포함하는데, 주 커터는 절삭홈(1)으로 상호 분리되어 있다. 절삭홈(1) 및 스테이(2)는 드릴 샤프트(9)까지 약 30°의 나선각(spiral angle)으로 나선 연장되어 있는데, 상기 드릴 샤프트(9)는 완전 원주 형상이며, 드릴 샤프트(9)에 의해 공구는 공구 캐리어 또는 척(chuck)에 고정될 수 있다. 내부 냉각 채널(3)은 공구 전체를 관통해 연장되어 있으며, 절삭홈(1) 및 스테이(2)와 동일한 나선각으로 비틀림되어 있다. 도시된 공구에서, 냉각제는 주로 절삭홈(1)으로 직접 유입된다. 이는 냉각 채널(3)의 출구면(exit surface)이 자유면(free surface)(13)의 양측 부분과 만나도록 이어져 있기 때문이다. 자유면(13)은 소위 4면-그라인드 패턴(four-surface-grind pattern)에 의해 분할되어 있다. 따라서 상당량의 냉각제는 절삭홈(1)으로 직접 유동하게 된다. 드릴이 보어홀(borehole) 내에서 원주 방향으로 지지되도록, 도 4에 도시된 드릴은 주 커터(4)의 코너에서 시작되는 지지면(supporting land)(11)을 부가적으로 포함한다. 내부 냉각 채널의 출구 구멍(exit apertures)은 삼각형 냉각 채널 형상(30I)을 보여주는데, 이는 절삭홈(1)까지의 최소 거리가 동일한 원형 냉각 채널 형상에 비해, 냉각제 전달을 더 양호하게 한다.

도 5는 본 발명에 따른 드릴의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이며, 냉각 채널 형상을 제외하면 도 4에 도시된 실시예와 동일하다. 도 5의 냉각 채널 형상(30III)과 도 4의 냉각 채널 형상(30I)을 비교하면, 냉각 채널(3)의 단면이 커짐으로써, 냉각제 처리 가능량이 증가함을 알 수 있다. 칩 제거 유동을 향상시키기 위해, 드릴팁에서 시작하여 드릴 샤프트 쪽으로 갈수록 절삭홈(1)의 폭이 증가하도록 설계하는 것도 생각해 볼 수 있다.

냉각 채널의 전체적인 단면 영역을 증가시키는 것과는 별도로, 단면 형상을 적절하게 선택함으로써 처리량을 최적으로 만들 수 있으며, 이는 도 6, 7 및 8에 도시된 냉각 채널 단면의 실시예를 통해 설명한다.

도 6은 호칭 직경이 4 ㎜인 이중 절삭 드릴(double cutting drill)의 단면 확대도이며, 상기 드릴은 2개의 스테이(2) 및 2개의 절삭홈(1)을 포함한다. 절삭 측에서 스테이(2)의 경계는 절삭면(5)으로 정해지며, 비절삭 측에서는 스테이(2)의 경계는 절삭측면(6)으로 정해진다. 드릴의 외측 원주면은 참조부호 7로 표시한다.

스테이(2)는 스테이 중심선(S)에 대해 대략 대칭이며, 상기 중심선은 도면에서 드릴축(A)에 대해 방사상으로 도시되어 있다. 대칭선(S) 상으로 하부 스테이(2)에는 원(K)의 중심(M)이 있으며, 이는 각각의 냉각 채널 홀(cooling channel hole)(3)의 단면 영역 내에 완전히 위치하고 있다. 상부 스테이에는 동일한 직경 2R₀을 가진 각각의 원(K)의 중심(M'')이 있는데, 이는 절삭면에서 후위로 약간 옮겨져 있으며, 각각의 냉각 채널 홀(3)의 단면 영역 내에 완전히 위치하고 있다.

전술한 바와 같이, 각각의 냉각 채널을 포함하는 다양한 냉각 채널 형상(30, 31, 32)을, 본 발명의 다양한 실시예로서 서로 비교하였다. 하부 스테이에는 냉각 채널(3)의 타원형 형상(30)이 실선으로 도시되어 있으며, 또 다른 형상(31)은 점선으로 도시되어 있다. 상부 스테이에는 냉각 채널(3)의 형상(32)이 점선으로 도시되어 있다. 이 구조에서, 냉각 채널 형상(30, 31)은 대칭선에 대해 대칭인 형상을 가지며, 반면 비절삭 측에서 냉각 채널(32)은 원(K)으로 결정되는 형상에서 벗어나 있다. 곡률 최대값에서 각각의 곡률 반경 R₁, R₁' ,R₁''을 가지며, 형상(30, 31)은 동일하게 만곡되어 있는 2개의 곡률 최대값을 포함하며, 형상(32)은 반경이 R₁''인 곡률 최대값을 하나만 포함한다.

도면에 의하면, 코어 직경(core diameter)(d_K)까지의 간격을 동일하게 유지하면서 본 발명에 따른 냉각 채널 단면 형상을 사용함으로써, 냉각 채널의 영역에서 처리량 영역이 크게 증가할 수 있다. 상기 간격은 원의 직경이 2R₀인 냉각 채널 홀이 가질 수 있는 간격이며, 상기 냉각 채널의 영역은 절삭측면 또는 절삭면을 대향하고 있다.

이러한 구조에서 처리량 면적의 이득은 관찰되어야 할 최소 벽두께에 의한 제한만을 받게 된다. 간단히 하기 위해 도면에는 최소 벽두께, 즉 각각의 냉각 채널 형상(30, 31, 32)에 대하여 냉각 채널(3)과 절삭면(5)사이의 최소 벽두께인 d_SPE, d_SPA 및 d_SPA''만 도시되어 있다. 상기 최소 벽두께는 드릴에 대한 파괴 저항을 제공하는데 특히 중요하다.

또한, 최소 벽두께는 드릴이 달성해야 할 최소 강도에 의해서만 정해지며, 따라서 각각의 냉각 채널 형상(30, 31, 32)의 곡률 최대값에서 반경 R₁, R₁' ,R₁''에 의해 결정된다. 이는 외측으로 옮겨진 곡률 최대값(최소 벽두께 d_SPA)을 구비한 냉각 채널 형상(31, 32)에 대해서보다, 타원 냉각 채널 형상(30)에 대해서, 더 작은 최소 벽두께 d_SPE를 사용하는 것도 가능함을 반영한 것이다.

이러한 구조에서, 냉각 채널 형상(30, 31)은 냉각 채널(3)과 절삭면(5) 사이의 최소 벽두께(d_SPE, d_SPA)를 유지하며, 상기 최소 벽두께는 냉각 채널(3)과 절삭측면(6) 사이의 최소 벽두께(도시되어 있지 않음)와 실질적으로 동일하다. 이와는 달리, 예를 들어 절삭면(5)과 대향하는 쪽의 형상(32)은, 절삭면(5)에서 이격되어 대향하는 쪽보다 최소 벽두께(d_SPA'')가 더 크다. 이는 포위원(enclosed circle)의 중심(M')이 절삭 표면에서 이격되어 있으며, 냉각 채널 형상(32)이 절삭측면(6)과 대향하는 표면상에서만 곡률 최대값(반경 R₁'')을 갖기 때문이다. 그러나, 곡률 최대값이 절삭면과 대향하는 표면상에 위치하는 냉각 채널 단면을 구비하는 것도 가능하다.

도 7에는 이중 절삭 드릴의 단면이 도시되어 있다. 상부 스테이에는 삼각형 냉각 채널 형상(30T)이 구비되어 있으며, 하부 스테이에는 이와 달리 타원형 냉각 채널 형상(30E)이 구비되어 있다.

도 8에도 이중 절삭 드릴의 단면이 도시되어 있는데, 2개의 또 다른 냉각 채널 형상(30II, 30III)이 도시되어 있다.

부호 d_SPX, d_SFX 및 d_AUX는 각각 냉각 채널(3)과 절삭면(5) 사이, 냉각 채널(3)과 절삭측면(6) 사이 및 냉각 채널(3)과 외측 원주면(7) 사이의 최소 벽두께를 나타낸다. 각각의 경우에 R_1X, R_12X는 냉각 채널 형상의 가장 작은 반경 및 가장 큰 반경을 나타내며, 여기서 X는 E, T, I, II, III를 표시한다.

도 6, 7에 도시된 단면은 호칭 직경이 4 ㎜인 드릴의 확대도이며, 냉각 채널 형상은 반경 R₀인 동일한 원을 그린다.

여기서 냉각 채널은 다음과 같은 파리미터를 갖는다.

- 포위원 : 반경 R₀ = 0.4, 단면적 0.50 ㎟

- 타원형 냉각 채널 형상(30E) : 장축 2a = 0.55 ㎜, 단축 2b = 0.4 ㎜, 단면적 0.69 ㎟

- 유사 타원형 냉각 채널 형상(30II) : 최소 반경 R_1II = 0.3 ㎜, 최대 반경 R_2II = 0.5 ㎜, 단면적 0.67 ㎟

- 유사 타원형 냉각 채널 형상(30III) : 최소 반경 R_1III = 0.2 ㎜, 최대 반경 R_2III = 0.5 ㎜, 단면적 0.66 ㎟

- 삼각형 냉각 채널 형상 : 최소 반경 R_1T = 0.1 ㎜, 최대 반경 R_2T = 0.4 ㎜, 단면적 0.65 ㎟

도면에 의하면, 포위원의 단면적이 다른 냉각 채널의 단면적보다 작고, 반면에 나머지 냉각 채널의 단면적은 거의 동일함을 분명히 알 수 있다.

도 6 내지 8에 도시된 드릴을 이용한 실험 및 시뮬레이션에 의하면, 곡률 최대값을 둘러싼 반경이 커지면, 압력 하중 및 비틀림 하중(torsional loads)을 받는 공구의 냉각 채널에서의 응력 집중이 완화될 수 있는 것으로 나타났다. 타원형 형상(30E)의 경우 가장 좋은 결과가 나타났으며, 반면 삼각형 형상에서는 응력 피트가 매우 증가하였다.

도 9 내지 13에는 본 발명에 따른 단일날 드릴 공구(single-lip drill tool)의 다양한 실시예가 도시되어 있다.

도 9에 도시된 단일체 드릴 공구(single-piece drill tool)는 참조부호 1로 표시된 절삭홈 및 참조부호 2로 표시된 나선형 스테이를 포함한다. 상기 절삭홈(1) 및 상기 스테이(2)는 드릴팁(8)에서 시작해 절삭부(119)를 거쳐 드릴 샤프트(109)에 이른다.

스테이(2)는 주 커터(4)를 포함하는데, 주 커터(4)는 공구 원주면에서 공구축(tool axis)으로 연장되어 있으며, 상기 공구축은 절삭홈(1)의 나선 형상(점선으로 도시되어 있음)과 공구팁(tool tip)(8)상에서 만나게 된다. 냉각 채널(3)은 스테이(2) 내에 형성되며, 냉각 채널(3)의 콩팥형 단면 형상은 부호 30N으로 표시된다. 상기 냉각 채널은 절삭홈(1) 및 스테이(2)의 피치와 정확히 동일한 피치로 전체 공구 길이에 걸쳐 연장되어 있다. 따라서 공구를 이용한 작업 중 드릴 샤프트(109)의 끝면에서 강제 유입된 냉각제는 냉각 채널로 안내되어, 공구팁(8) 상의 인장력을 받는 영역에 직접 이르게 된다. 콩팥형 형상으로 인해 스테이 영역을 최적으로 이용할 수 있으며, 냉각제 공급이 매우 양호하게 이루어질 수 있다. 또한, 콩팥형 형상을 이용하면, 동일한 최소 외측 간격(minimum rim distances)을 가진 2개의 원형 냉각 채널을 이용하는 경우보다 최소 곡률 위치에서의 반경이 더 작으며, 따라서 하중으로 인해 인장력 피크가 증가하는 것이 방지되며, 동시에 냉각제 처리량은 향상된다. 여기서 냉각제는 일정한 지점으로만 공급되는 것이 아니라, 전체 절삭홈 벽면을 따라 공급되기도 한다. 이 같은 나선형 절삭홈(1)을 사용함으로써, 도시된 드릴 공구는 드릴 구멍 내에서 전체 원주면 상으로 지지되고, 따라서 종래의 직선홈 단일날 드릴 공구(straight-grooved single-lip drill tool)를 사용하는 경우보다 중심잡기 정확도(centering accuracy)가 향상될 수 있다.

도 9에 도시된 공구를 변형하면, 또 다른 공구의 형상을 얻을 수 있다.

도 10에 도시된 공구는 스테이에 부착된 커터를 구비하는 대신, 수정된 절삭부(119A)를 포함하는데, 상기 절삭부(119A)에는 절삭판(cutting plate)을 수용하기 위한 수용부(WPS)가 구비되어 있다. 각각의 절삭판은 WP로 나타낸다. 주 커터(4) 및 드릴팁(8)은 절삭판(WP) 상에 구비되어 있다. 공구 스테이(2) 상의 원주면 측에는 가이드 스트립(guide strips)(20)이 구비되고, 상기 가이드 스트립(20)에 의해 공구가 드릴 구멍 내에서 지지된다. 절삭판의 수용부(WPS) 및 가이드 스트립(20) 수용부까지의 최소 벽두께가 필요한 값으로 유지될 수 있도록, 냉각 채널(3), 즉 냉각 채널의 단면 형상(30N)을 배치하는 것이 중요하다.

도 9 및 10에 도시된 공구는 단일체로 설계되었기 때문에, 개별 요소 사이의 연결 접합부에서 나타나는 강도 약화 현상이 발생하지 않는다. 비용적인 이유와 드릴팁 및 공구 길이에 관한 다양한 요구조건을 만족시키기 위해, 딥드릴 공구(deep-drill tools)는 종종 여러 개의 부품으로 제조되며, 이 때 드릴 헤드 및 드릴 샤프트에 사용되는 재료는 나머지 절삭부에 사용되는 재료와 다른 경우가 종종 있다. 예를 들어, 드릴 헤드에는 극히 경도가 높은 초경합금을 사용하는 것이 적절하며, 인성을 주로 요구하는 절삭부에는 종종 다른 초경합금을 사용한다.

또한, 도 11에는 다수의 부품을 포함하는 공구가 도시되어 있다. 이 구조에서, 드릴 헤드(BK)는 절삭부(219)에 결합되고, 상기 드릴 헤드(BK)는 절삭판(WP)을 수용하기 위한 수용부(WPS)를 포함한다. 점선은 결합 접합부(soldering joint)(LS)를 나타낸다. 또한, 절삭부(219)는 클램핑 샤프트(clamping shaft)(209)에 결합된다. 여기서 콩팥형 단면 형상(30N)을 갖는 냉각 채널(3)은 드릴 헤드(BK) 및 절삭부(219)를 따라 나선형으로 연장되어 있으며, 상기 샤프트(209)에는 절삭부(219)와 기계측 냉각제 공급부(machine-side coolant supply) 사이에 직선형 냉각 채널 연결부(straight cooling channel connection)를 구비할 수 있다.

마지막으로, 도 12 및 13에는 본 발명에 따른 2개의 단일날 드릴의 단면도가 도시되어 있다. 도면에 의하면, 절삭홈(1)은 드릴 직경상의 유효 공간에서 약 1/4을 차지하고, 스테이(2)는 약 3/4을 차지한다. 여기서, 도 12에 도시된 공구의 냉각 채널(3)은 이미 전술한 콩팥형 형상(30N)을 가진다. 반면, 도 13에 도시된 드릴 공구는 2개의 냉각 채널(3)을 포함하는데, 각각의 냉각 채널(3)은 일그러진 타원형과 비슷한 자유 형상(301, 302)을 가진다. 각각의 경우에 2개의 가이드 스트립이 원주면 상에 도시되어 있다. 따라서 가이드 스트립(20)은 그와 관계된 절삭판보다 길며, 나선형으로 공구 스테이를 따른다. 이런 식으로 드릴 구멍 내에서 원주면이 지지되며, 이러한 지지는 소정의 원주면 영역 주위 전체에서 일어난다.

본 발명이 기초로 하는 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서, 도시된 실시예와 다른 변형 및 수정도 가능하다.

본 발명에 따라 종래의 압출 프레스 성형 방법을 개선하여, 제조하기 곤란한 냉각 채널 형상의 경우에도, 나선 연장 냉각 채널을 구비한 완전 원주형 소결 블랭크를 높은 정밀도로 생산할 수 있으며, 또한 본 발명에 따른 방법으로 생산될 수 있는 소결 블랭크 또는 절삭 공구 및 오늘날의 생산 요구조건을 충족시키는 공구의 부품을 제조할 수 있다.

Claims (26)

1. 완전 원주형 소결 블랭크(fully cylindrical sintered blanks)(24)를 연속적으로 생산하기 위한 압출 프레스 성형 방법으로서,

   상기 블랭크(24)는, 미리 정해진 단면을 갖는 적어도 하나의 내부 나선 연장형 채널(3)을 포함하며,

   상기 블랭크(24)를 형성하는 소성 재료(12)는, 압출 프레스(10)의 출구측 상에 있는 상기 압출 프레스(10) 노즐의 마우스(DM)로부터, 실질적으로 원주 형상으로 바람직하게는 매끄러운 내부 형상을 갖는 파이프 형상으로, 프레스 가공되어 나오며,

   상기 소성 재료(12)는 적어도 하나의 나선 비틀림형 핀(400, 420) 축을 따라 유동하며,

   상기 핀(400, 420)은 상기 노즐의 축두(gudgeon)(18) 상에서 일정한 위치를 유지하고 있으며,

   상기 핀(400, 420)은 적어도 부분적으로는 상기 노즐의 마우스피스(DM) 내로 돌출되어 있으며,

   상기 재료(12)는 실질적으로 비틀림이 생기지 않는 방식(twist-free manner)으로 상기 노즐의 상기 마우스피스(DM)로 진입하는,

   압출 프레스 성형 방법에 있어서,

   상기 핀(400, 420)은 회전하지 않으며;

   상기 노즐의 상기 마우스(DM) 내의 상기 소성 재료(12)는 상기 핀(400, 420)의 나선 형상에 대응하는 비틀림 유동(twisted flow)으로 이동하며;

   상기 소성 재료(12)의 회전 운동은 상기 노즐의 상기 마우스(DM)의 회전 구동부(140)에 의해 지지되며, 상기 구동부(140)는 상기 재료의 외주면 상에 결합되어 상기 핀(400, 420)이 실질적으로 어떠한 굽힘 변형도 받지 않는 것을 특징으로 하는,

   압출 프레스 성형 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 노즐의 상기 마우스(DM)의 상기 회전 구동부(160)는 적어도 상기 핀(400, 420)이 관통하는 부분 이상으로 연장되는 것을 특징으로 하는,

   압출 프레스 성형 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 재료(12)의 마찰력을 감소시키는 유체, 특히 유체(fluid) 또는 유동 물체(fluid-like substance), 바람직하게는 가소체(plasticiser) 또는 적어도 가소체의 구성요소가, 적어도 하나 이상 존재하는 상기 핀(400, 420)으로 공급되는 것을 특징으로 하는,

   압출 프레스 성형 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법으로 제조될 수 있는 완전 원주형 소결 블랭크(24)에 있어서,

   적어도 하나의 나선형 채널(3)을 포함하며,

   상기 나선형 채널(3)의 단면 형상(30; 31; 32; 30E; 30T; 30I; 30II; 30III; 30N; 301, 302)은 원형(K)으로부터 상기 블랭크(24)의 길이방향 축(A)에 수직으로 발산하며,

   상기 블랭크(24)의 직경(D)은 12 ㎜ 이하이며, 특히 8 ㎜ 이하이며, 예를 들어 4 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는,

   완전 원주형 소결 블랭크.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조될 수 있는 완전 원주형 소결 블랭크(24)에 있어서,

   적어도 하나의 나선형 채널(3)을 포함하며,

   상기 채널(Q_k)의 단면 영역은 실린더 축에 대해 수직인 평면에 배치되어 있으며,

   하나의 채널로 구성된 블랭크의 경우, 상기 채널(Q_k)의 단면 영역과 잔류 재료(Q_m)의 단면 영역의 비율은 20:80 이상, 특히 30:70, 예를 들어 50:50이며,

   하나 이상의 채널로 구성된 블랭크의 경우, 상기 비율이 20:80 이상, 특히 30:70, 예를 들어 40:60인 것을 특징으로 하는,

   완전 원주형 소결 블랭크.
6. 제4항 및 제5항의 특성을 갖는 소결 블랭크(24).
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소결 블랭크(24)의 실제 나선 형상과 원하는 나선(helix) 형상 사이의 편차가, 블랭크 길이(L_R) 100 ㎜일 때 모든 위치에서 10′ 이하인 것을 특징으로 하는,

   소결 블랭크.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소결 블랭크(24)의 블랭크 길이(L_R)가 300 ㎜ 이상, 특히 400 ㎜ 이상, 예를 들어 500 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는,

   소결 블랭크.
9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소결 블랭크(24)의 직경 대 길이 비율이 1:5 이상, 특히 1:10 이상인 것을 특징으로 하는,

   소결 블랭크.
10. 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 소결 블랭크(24)의 나선각(spiral angle)이 10° 이상인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
11. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 형상(30T; 30II; 30III)은 내측에서 외측으로 연장되어 있는 2개의 측면부로 경계가 정해지며, 상기 측면부는 적어도 일부분이 직선인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
12. 제4항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 형상(30; 31; 32)은 중심점(M)을 갖는 가상의 원(K)을 포함하며, 적어도 하나의 곡률 최대값, 바람직하게는 2개의 곡률 최대값을 포함하며, 중심점(M)과 장축(A) 사이의 선을 따른 방향으로 상기 블랭크의 장축(A)에서 상기 곡률 최대값까지의 간격은 상기 중심점(M)과 상기 장축(A) 사이의 간격과 같거나 큰 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
13. 제12항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 형상(30; 31; 30E; 30T; 30I; 30II; 30III; 30N)의 2개의 곡률 최대값이 동일한 방사 좌표계(radial coordinates)를 갖는 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
14. 제4항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 영역(Q_K)이 방사상 연장선에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    내부 냉각 채널(3)의 단면 형상(30; 31; 32; 30E; 30I; 30II; 30III; 30N; 301, 302)이 가장 작은 곡률을 갖는 곳에서의 반경(R₁, R'₁, R₁''_, R_1x)이 원(R₀)의 반경의 0.35배에서 0.9배, 특히 0.5배에서 0.85배, 바람직하게는 0.6배에서 0.85배이며, 특히 바람직하게는 0.7배에서 0.8배, 예를 들어 0.75배인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
16. 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 형상(30N)이 콩팥(kidney) 형상인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
17. 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 형상(30, 30I, 30E)이 타원형인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
18. 제4항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 채널(3)의 단면 형상(30T)이 삼각형인 것을 특징으로 하는,

    소결 블랭크.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 소결 블랭크(24)로부터 생산되는 회전 구동 절삭 공구, 특히 드릴에 있어서,

    샤프트(9; 109; 209) 및 절삭부(19; 119; 119A, WP, 219, BK, WP)를 포함하며,

    적어도 하나의 나선 절삭홈(1)이 형성되어 있으며,

    드릴팁(drill tip)(8)으로부터 상기 샤프트(9; 109; 209)의 반대면으로 연장되어 있는 적어도 하나의 나선형 내부 냉각 채널(3)이 상기 절삭 공구의 스테이(2) 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는,

    절삭 공구.
20. 제19항에 있어서,

    상기 절삭 공구가 단일체(single-piece design)인 것을 특징으로 하는,

    절삭 공구.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서,

    상기 절삭 공구가 이중날 공구(two-lip tool) 또는 다중날 공구(multiple-lip tool)인 것을 특징으로 하는,

    절삭 공구.
22. 제19항 또는 제20항에 있어서,

    상기 절삭 공구가 단일날 공구(single-lip tool)인 것을 특징으로 하는,

    절삭 공구.
23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내부 냉각 채널(3) 및 상기 드릴의 외측 원주면(7) 사이; 상기 내부 냉각 채널(3) 및 절삭면(5) 사이; 및 상기 내부 냉각 채널(3) 및 절삭측면(6) 사이의 최소 벽두께를 각각 d_AUX, d_SPX , d_SFX라 하면,

    상기 최소 벽두께는 하한값과 상한값 사이에 있으며,

    상기 하한값은 D≤1 ㎜이면 0.08 x D이고, D>1 ㎜이면 0.08 ㎜이며,

    특히, 상기 하한값은 D≤2.5 ㎜이면 0.08 x D이고, D>2.5 ㎜이면 0.2 ㎜이며,

    바람직하게는 상기 하한값은 D≤3.75 ㎜이면 0.08 x D이고, D>3.75 ㎜이면 0.3 ㎜이며,

    예를 들어 상기 하한값은 D≤3 ㎜이면 0.1 x D이고, D>3 ㎜이면 0.3 ㎜이고,

    상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.35 x D이고, D>6 ㎜ (W_{max, 1})이면 0.4 x D-0.30 ㎜이며,

    특히, 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.333 x D이고, D>6 ㎜ (W_{max, 2})이면 0.4 x D-0.40 ㎜이며,

    바람직하게는 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.316 x D이고, D>6 ㎜ (W_{max, 3})이면 0.4 x D-0.50 ㎜이며,

    보다 바람직하게는 상기 상한값은 D≤6 ㎜이면 0.3 x D이고, D>6 ㎜ (W_{max, 4})이면 0.4 x D-0.60 ㎜이며,

    예를 들어 상기 상한값은 D≤4 ㎜이면 0.2 x D (W_{max, 5}) 또는 0.15 x D이고, D>4 ㎜ (W_{max, 6})이면 0.6 ㎜인 것을 특징으로 하는,

    절삭 공구.
24. 제19항, 제21항 또는 제22항 중 어느 한 항에 따른 다중부품 절삭 공구(multi-piece cutting tool), 예를 들어 심공 드릴(deep-hole drill)의 원주형 부품(BK; 219; 209)에 있어서, 특히 절삭부(219), 커터 이송부(cutter carrier), 드릴 헤드(BK) 또는 드릴 샤프트에 있어서,

    적어도 하나의 나선 절삭홈(1)이 형성되어 있으며,

    적어도 하나의 나선형 내부 냉각 채널(3)이 상기 절삭 공구의 스테이(2) 내에 형성되며, 상기 나선형 내부 냉각 채널(3)은 전체 부품을 관통해 연장되어 있으며,

    상기 절삭 공구는 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 소결 블랭크(24)로부터 제조되는 것을 특징으로 하는,

    부품.
25. 제24항에 있어서,

    상기 부품이 하나 이상의 절삭홈을 갖는 것을 특징으로 하는,

    부품.
26. 제24항에 있어서,

    상기 부품이 하나의 절삭홈을 갖는 것을 특징으로 하는,

    부품.