KR20060129249A - 공구 인서트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각각의 대향하는 양 측면상에 주 표면(12, 14)을 갖는 다결정 초경질 재료(10), 특히 다결정 다이아몬드 및 다결정 입방정계 질화붕소의 본체로부터 복수의 공구 인서트(20)를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 본체내에 복수의 이격된 구멍(16, 26)을 동시에 형성하는 단계를 포함하며, 각 구멍은 대체로 하나의 주 표면으로부터 대향측 주 표면까지 연장한다. 이 구멍은 소정의 패턴으로 배열될 수 있는 복수의 전극에 의해 형성된다. 본체는 구멍 사이에서 절단되어 복수의 공구 인서트를 제조한다.

Description

공구 인서트의 제조 방법{TOOL INSERT}
본 발명은 공구 인서트(tool insert)에 관한 것이다.
다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 및 다결정 입방정계 질화붕소(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN)는 다양한 절삭 및 연마 공구 인서트를 제조하는데 널리 사용되는 경질 재료이다. PCD는 흔히 제조 공정 동안에 초경합금(cemented carbide) 기재에 견고하게 접합된 형태로 사용된다. PCD 및 PCBN은 다이아몬드 및 CBN이 결정학적으로 안정한 제조 조건을 사용하여 제조하고 있다.
공구 재료, 예를 들어 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 다결정 입방정계 질화붕소(PCBN)를 절단하는데 사용하는 하나의 방법은 큰 디스크로부터 ISO-스타일 절삭 인서트를 와이어 방전가공(EDM) 또는 레이저 절단하는 것이다. 예를 들어 변 길이가 3㎜인 60° 삼각형(60 degree triangle)과 같은 소형 절삭 피스(cut piece)는 일반적으로 탄화텅스텐 '블랭크(blank)' 또는 기재에 있어서의 사전형성된 포켓내로 납땜되어, '팁-납땜형(braze-tipped)' 인서트를 생산한다. 다음에, 납땜형 조 립체가 그라운딩되어 최종 절삭 공구가 제조된다. 인서트 제조에 사용되는 많은 기재는 중앙에 위치된 구멍을 가져서 공구 홀더에서의 인서트의 스크루 클램핑(절삭 인서트를 클램핑하기 위한 최적의 방식)을 용이하게 한다. 또한, 클램핑 또는 '핀-체결(pin-locking)' 구멍을 갖는 인서트는 탑-클램프(top-clamp) 또는 탑-앤드-홀-클램프(top-and-hole-clamp)를 사용하여 클램핑될 수 있으며, 그에 따라 중실형(solid) 또는 풀탑(full-top) 인서트보다 다재다능하다. 클램핑 구멍을 갖는 팁-납땜형 인서트는 구멍 및 포켓이 형성된 초경합금 블랭크의 준정형(near-net shape) 소결로 인해 클램핑 구멍이 없는 팁-납땜형 인서트보다 제조 비용이 저렴하다. 보다 대형의 '풀탑' 피스의 경우에 있어서, 이들은 준정형 ISO 치수, 전형적으로 변 길이가 11㎜인 60° 삼각형으로 절단된다. 여기에서, 블랭크가 사실상 완전한 최종 공구 조립체이므로 납땜은 필요치 않다. 대부분의 경우에 있어서, 이러한 스타일의 공구는 단지 공구 클램프 구성만으로도 용이하게 클램핑될 수 있다.
많은 경우에서 소형 팁의 납땜은 사실상 수작업으로 수행되므로 고가이고 복잡한 공정이다. 적용의 관점에서, 납땜은 최종 공구에 무가치하다. 즉, 특정 적용에 있어서, 납땜 조인트의 존재는, 과도하게 큰 절삭 및/또는 이송(feed) 깊이와 과도하게 높은 절삭 속도가 납땜 조인트의 용융 및 (기계적 부하가 절삭 공구 재료의 고유 강도보다 훨씬 낮음에도 불구하고) 심각한 공구 파손을 야기한다는 점에서 공구의 성능을 제한할 수 있다. 풀탑 인서트는 납땜 조인트를 포함하지 않으며(절삭 공구 재료층이 소결 공정에서 초경합금 기재에 견고하게 접합됨), 그에 따라 절삭 공구 재료의 기계적 성질의 최대 활용을 용이하게 한다. 또한, 대형 풀탑 피스 의 사용은 공구에 사용될 수 있는 다중 코너, 예를 들어 3개의 절삭 코너를 갖는 삼각형 및 4개의 절삭 코너를 갖는 정사각형을 제공한다. 따라서, 많은 경우에 있어서, 클램핑의 가요성을 제한하지 않고 재료 비용을 유사하게 유지하면, 풀탑 인서트는 납땜형 소형 팁 인서트에 바람직하다.
인서트-스타일 툴링(tooling)이 사용되는 많은 기계가공 적용에 있어서, 스크루 클램핑 또는 구멍 클램핑은 보다 양호한 위치설정성 및 강성(이들은 공구 성능에 크게 영향을 미치는 것으로 알려짐)을 부여하므로 바람직하다. 또한, 고속의 절삭 속도로 기계가공하려는 경향이 분명하고 증대하고 있으며, 이것은 안정성 및 성능의 이유로 위치설정성 및 강성에 대한 요구를 보다 크게 하고 있다. 이것은 밀링 절삭기에 적용되는 공구와 같은 회전 공구에서 특히 그러하다.
또한, PCBN과 같은 경질 취성 재료의 표면상의 탑 클램핑은 불리한 부하 조건을 나타내며, 인서트 파손을 야기하거나 심화시킬 수 있다. 구멍 클램핑 및 스크루 클램핑은 취성 PCBN 재료 표면의 탑 클램핑에 비하여 보다 유리한 모드의 접촉 응력을 인가한다. 또한, PCBN 인서트의 표면을 연마하는 경향의 증대는 탑 클램핑 구성을 갖는 마찰 장치 또는 그립을 덜 고정되게 한다.
개별 인서트에 구멍을 형성하는 것은 레이저, EDM 및 기계적 그라인딩에 의한 복잡한 기계 가공 및 위치설정을 필요로 한다. 이러한 복잡성은 핀-체결 구멍을 갖는 인서트를 제조하는 비용을 증대시킨다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 각각의 대향하는 양 측면상에 주 표면을 갖는 다결정 초 경질 재료의 본체로부터 복수의 공구 인서트를 제조하는 방법은, 본체내에 복수의 이격된 구멍을 형성하는 단계로서, 각 구멍은 대체로 하나의 주 표면으로부터 대향측 주 표면으로 연장하는, 구멍 형성 단계와, 그 후에 이 구멍 사이에서 본체를 절단하여 복수의 공구 인서트를 제조하는 단계를 포함한다.
구멍은 동시에 형성되는 것이 바람직하며, 그것에 노출된 표면을 관통하는 전극을 사용하여 형성될 수 있다. 바람직하게, 소정의 패턴의 복수의 전극이 사용되므로, 구멍이 동시에 형성될 수 있다. 복수의 전극은 공지된 방식으로 홀딩 장치에 장착된다.
구멍은 주 표면의 하나 또는 모두에 프로파일을 가질 수 있다. 이 프로파일은 스크루의 헤드를 수용하기에 적합한 챔퍼(chamfer) 또는 리세스(recess)의 형태를 취할 수 있다.
다결정 초경질 재료는 일반적으로 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 다결정 CBN(PCBN)이며, 초경합금 기재 등의 기재에 접합될 수 있다. 기재가 존재하는 경우, 구멍은 일반적으로 다결정 초경질 재료 및 기재 모두를 관통하여 연장한다. 또한, 인서트를 제조하기 위해 구멍 사이를 절단하는 것도 다결정 초경질 재료 및 기재 모두를 관통하여 연장한다.
전형적으로, 다결정 재료의 본체를 절단하는 것은 EDM 또는 레이저 절단을 사용하여 수행된다.
본체는 일반적으로 디스크의 형상을 취한다. 본 발명은 특히 대직경의 디스크, 예를 들어 50㎜ 이상의 직경을 갖는 디스크에 적용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 유닛은 그것의 양 측면에 주 표면을 갖는 다결정 초경질 재료의 본체와, 하나의 주 표면에 형성되고 대체로 본체를 관통하여 대향측 주 표면까지 연장하는 복수의 구멍을 포함한다. 본체는 구멍 사이에서 주 표면에 형성되고 대향측 주 표면까지 연장하지 않는 절단 라인을 더 가지며, 이 절단 라인은 복수의 공구 인서트를 제조하도록 스냅 동작(snapping action)으로 파열될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 도시하는 다결정 초경질 재료의 디스크의 평면도,
도 2는 도 1의 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 공구 인서트의 일 실시예를 도시하는 평면도,
도 4는 도 3의 4-4선을 따라 절취한 단면도.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 다결정 초경질 재료의 디스크(10)는 주 표면(12) 및 대향측 주 표면(24)을 구비한다. 복수의 구멍(16)이 디스크(10)에 형성되어 있다. 이들 구멍은 주 표면(12)으로부터 대향측 주 표면(14)까지 연장된다. 구멍은 전형적으로 소정의 패턴으로 홀더에 장착된 복수의 전극을 사용하여 형성되며, 그에 따라 이들 구멍 모두가 동시에 생성된다. 구멍을 형성하는 이러한 방식은 형조(die-sinking) EDM으로 알려져 있다.
그리고, 복수의 공구 인서트는 예를 들어 EDM 절단 또는 레이저 절단을 사용하여 라인(18)을 디스크(10)를 절단함으로써 제조된다. 이에 의해, 마름모 형상을 각각 갖는 14개의 공구 인서트가 제조되게 된다. 각 인서트는 그것을 관통하고 중앙에 위치된 구멍(16)을 갖는다. 그에 따라, 각 인서트는 스크루 또는 핀 체결 클램핑 수단을 사용하여 공구 홀더에 클램핑될 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 제조되는 공구 인서트의 일 실시예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 이들 도 3 및 도 4를 참조하면, 공구 인서트(20)는 기재, 전형적으로 초경합금 기재(24)에 접합된 다결정 초경질 재료층(22)을 포함한다. 구멍(26)은 재료층(22)의 상부 표면(28)으로부터 기재(24)의 하부 표면(30)까지 연장한다.
구멍(26)은 상부 표면(28)에 보다 큰 직경부를 가져 스크루의 헤드를 수용할 수 있는 리세스 또는 챔퍼(32)가 형성되어 있다.
본 발명의 예시에 있어서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 복수의 절삭 인서트는 초경합금 기재에 접합된 다결정 CBN층을 포함하는 디스크로부터 제조되었다. 이 디스크는 그 외주부 주위에서 클램프로 고정되고, 교차(cross-hatch) 배열된 복수의 전극은 형조 EDM에 의해 다결정 CBN층 및 초경합금 기재 모두를 관통하여 116개의 구멍을 동시에 절단하는데 사용되었다. 기계가공 시간은 구멍당 3분 소요되었다. 그 후에, 디스크는 116개의 구멍 사이의 절단 라인을 따라 절단되어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 타입의 116개의 절삭 인서트가 제조되었다. 절단은 공지된 EDM 와이어 절단 기술을 사용하여 수행되었다.
본 발명의 방법은 스크루 또는 핀 체결 구성에 사용될 수 있는 공구 인서트를 제조하는데 많은 장점을 갖는다.
1. 인서트의 제조 및 적용 모두에 있어서, 절삭 지점에 대한 체결 구멍의 위치의 정밀도 개선. 절삭 공구 재료가 정밀 기계가공에 사용될 수 있으므로, 정밀도는 최적의 성능을 얻는데 매우 중요하다.
2. 하나의 고정(fixturing) 및 다중-지점 전극으로 인한 작업 속도 및 정밀도의 향상. 이러한 작업을 개별 피스에 수행하면 각 피스마다 한번의 세팅을 필요로 한다. 이것은 비경제적이며, 다수의 피스에 걸쳐서 치수 부정확성을 야기한다.
3. 분할 작업(segmenting) 및 구멍 제조의 결합으로 인한 비용 절감. 대형 디스크를 분할 및 핀-체결함으로써 다수의 최종 인서트를 제조한다는 것은 하나의 셋업(set-up)으로 하나의 디스크에 대해 하나의 자동 기계에서 이들 2개의 공정을 으로 결합시킴으로써 상당한 경제적 이득이 얻어질 수 있다는 것을 의미한다.
4. 측정, 핀-체결(구멍 형성) 및 분할 공정의 통합. 또한, 하나의 셋업에서 단일의 대형 디스크로부터의 제조에 근거하는 이러한 공정의 개념은 상류 및 하류 공정을 합체하는 것; 예를 들어 원위치에서의 디스크의 이미징(imaging) 및 핀-체결 및 분할된 인서트의 측정, 즉 디스크가 일단 클램핑된 후에, 측정, 핀-체결, 측정, 분할, 측정 및 해제되고, 또한 그것이 하나의 위치에 남아있는 것을 포함하는 것으로 더 확장될 수 있다.
5. 풀탑(full-top) 인서트의 사용을 통해 납땜형 인서트의 제조에 수반되는 자재 및 공정을 저감함.
6. 포켓내에 절삭 공구 블랭크를 용이하게 위치설정하도록 납땜형 인서트가 블랭크에 있어서 '과잉 사이즈'를 갖는 경향이 있다는 사실로 인한 풀탑 또는 중실형 인서트의 보다 용이한 그라인딩성(grindability). 납땜형 블랭크와 기재 사이의 이러한 기하학적 차이는 그라인딩 공정의 초기 단계를 보다 민감하게 한다.
7. 핀-체결의 사용은 ISO 두께 01, T1 또는 02에서 인서트의 사용을 보다 용이하게 한다. 이들 보다 얇은 공구 포맷은 전체적으로 작은 기하학적 형상을 갖는 공구가 필요한 보링(boring) 응용에 종종 바람직하다. 이들 얇은 포맷은 납땜형 인서트로 제조하기는 매우 어렵다.

Claims (12)

  1. 각각의 대향하는 양 측면상에 주 표면을 갖는 다결정 초경질 재료의 본체로부터 복수의 공구 인서트를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 본체내에 복수의 이격된 구멍을 형성하는 단계와, 그 후에 상기 구멍 사이에서 본체를 절단하여 복수의 공구 인서트를 제조하는 단계를 포함하는
    공구 인서트의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 구멍은 동시에 형성되는
    공구 인서트의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구멍은 전극에 의해 형성되는
    공구 인서트의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍은 소정의 패턴으로 배열된 복수의 전극에 의해 형성되는
    공구 인서트의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍은 초경질 재료층을 관통하여 하나의 주 표면으로부터 대향측 주 표면까지 연장하는
    공구 인서트의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초경질 재료는 다결정 다이아몬드 또는 다결정 입방정계 질화붕소(CBN)인
    공구 인서트의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다결정 초경질 재료는 기재에 접합되는
    공구 인서트의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기재는 초경합금으로 제조되는
    공구 인서트의 제조 방법.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구멍은 초경질 재료 및 기재 모두를 관통하여 연장하는
    공구 인서트의 제조 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체를 절단하여 상기 공구 인서트를 제조하는 상기 단계는 방전가공(EDM) 및 레이저 절단에 의해 수행되는
    공구 인서트의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 본체는 디스크 형상을 갖는
    공구 인서트의 제조 방법.
  12. 첨부 도면의 도 1 내지 도 4중 어느 한 도면을 참조하여 본원에 설명된 것과 실질적으로 같은 복수의 공구 인서트를 제조하는 방법.
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