KR20090055625A - 타원형의 절삭날을 가진 절삭 인서트 - Google Patents

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제프리 에프. 코박
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Abstract

본 발명은 타원형의 절삭날(38)을 포함하는 절삭 인서트(30)를 제공한다. 상기 절삭 인서트(30)는 고정나사(32)를 통과시키는 장착공(48)을 가지되, 상기 고정나사(32)는 상기 장착공(48)과 수직한 시팅 평면 내에서 상기 장착공(48)과 서로 접촉한다. 상기 절삭 인서트(30)는 상기 시팅 평면과 평행한 플로어에 의해 부분적으로 규정되는 홈(26)을 가지는 공구몸체(12)를 포함하는 절삭 공구(10)에 적합하다. 상기 절삭 인서트(30)는 연속적인 플루트 홈(37)을 형성하기 위해 공구 몸체와 협동하도록 공구 몸체(12)에 대해 상보적인 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 절삭 인서트(30)는 상기 공구몸체(12)의 내측에 프랭크 에지를 가진다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭 인서트(30)는 양의 절삭 형상의 경사면을 가진다.
절삭공구, 절삭 인서트

Description

타원형의 절삭날을 가진 절삭 인서트{Cutting insert with elliptical cutting edge}
본 발명은, 작업편(workpiece)의 표면과 측벽(side wall)의 우수한 다듬질이 가능하도록 형성되고 배치된 타원형의 절삭날(cutting edge)를 가지는 절삭 인서트(cutting insert)에 관한 것이다. 타원형의 절삭날은, 인서트(insert)의 경사 표면(rake surface)에 양의 형상(positive geometry)을 형성하여, 절삭 저항(cutting forces)을 줄여주고, 작업편에 보다 90°에 가까운 숄더(shoulder)를 제공할 수 있으며, 추가적인 다듬질 공정을 줄여주거나 필요 없게 한다. 인서트는 또한, 램핑작업능률을 향상시키고 절삭저항을 줄이며, 정밀한 램핑작업과 나선절삭(helical interpolation) 작업이 보다 고효율적으로 이루어지는 것을 가능하게 하는, 양의 형상을 가지는 내측의 램핑날(ramping edge)을 가지고 있다.
절삭공구들은 널리 알려져 있다. 종래의 절삭공구들은 일반적으로 절삭기기(cutting machine)에 물려지도록 구성된 공구몸체(tool body)를 포함하고 있다. 상기 공구몸체는 작업단부와 그 작업단부에 마련된 하나 또는 둘 이상의 홈(pocket)을 가지고 있다. 종래에 사용되고 있는 상기 홈은 일반적으로 그 정 점(apex)에서 서로 교차하는 플로어(floor)와 두개의 시트면(seating surface)를 구비하고 있다. 상기 홈은 절삭 인서트를 수용하기 위하여 제공된다. 고정나사(retention screw)는 인서트에 마련되어 있는 장착공(mounting hole)을 관통하고, 대응하는 홈의 플로어에 마련된 나사공(threaded hole)에 체결된다.
일반적인 나사공은 상기 홈의 플로어에 수직하게 형성되어 있다. 그 결과 고정나사는 전단력에 취약하고 따라서 고정나사가 쉽게 부러지게 되는 결과를 초래하게 된다. 고정 나사가 수직하게 배치되어 있는 것은, 그러한 고정 나사의 배열이, 작업중에, 인서트를 시팅 면(seating surfaces)에 효과적으로 향하게 할 수도 없다는 점으로 인해, 가장 적절한 방향배치는 아니다. 따라서 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 시팅 배치(seating arrangement)가 요구된다.
종래의 절삭 인서트는 최상부 경사면(top rake face)과 측면(flank face)과, 상기 경사면과 측면 사이에 마련된 절삭날을 포함하고 있다. 내측의 경사면은 절삭 인서트(30)의 측면으로부터 방사상의 형태로 내측으로 연장되어 있다. 램프에지(ramp edge)는 상기 내측 프랭크면(inboard flank surface)과 경사면 사이에 제공된다. 절삭날은 일반적으로 절삭 인서트의 바닥면과 평행하게 구성되어 있다. 상기 램프에지는 음의 형상(negative geometry)을 가진다. 절삭날의 평행한 방위(orientation)와, 램프에지의 음의 형상은 절삭 인서트를 위한 가장 바람직한 특성들은 아니다. 이러한 상기 특성들은 일반적으로 작업편을 잘라내는데 더 큰 힘이 필요하게 하고, 절삭 인서트에 의해 형성이 가능한 경사각에 영향을 미치며, 절삭의 다듬질의 수준 또한 떨어지게 한다. 따라서 더 큰 노고와 연장된 절삭 작업들이 요구되어 진다. 더욱이, 요구되는 다듬질을 위해 별도의 독립적인 절삭공정이 필요하게 된다. 이러한 점에서 볼 때, 보다 큰 경사각을 달성할 수 있고, 적은 힘으로도 절삭이 가능하게 하며, 적은 수의 절삭공정만으로 원하는 다듬질이 가능한 절삭 인서트를 제공하는 것이 요구되게 된다.
종래의 공구몸체에는 상기 홈(pocket)에 인접한 지름(radial) 방향과 축방향(axial)의 표면들이 마련되어 있다. 상기 면들은, 공구가 축방향과 지름방향으로 동시에 움직이는 작업인 램핑작업(ramping)이나, 작업공구가 나선방향을 따라 축방향과 지름방향으로 움직이는 나선절삭 등과 같은 절삭작업시에, 작업편을 물게 된다. 이러한 면들의 맞물림은 것은 종래의 작업공구에 의해 형성되는 다듬질에 악영향을 미친다. 따라서 바람직한 다듬질을 형성하고 그로 인해 깔끔한 다듬질을 형성하기 위한 추가적인 절삭작업을 줄이거나 없애기 위해, 절삭작업 과정에서 상술한 축방향 및 지름방향의 면들과 작업편 사이에 충분한 클리어런스(clearance)를 가지는 공구몸체를 제공하는 것이 바람직하다.
절삭작업 과정에서, 절삭공구의 온도는 작업편과 절삭 공구 사이의 마찰로 인해 상승하게 된다. 종래의 고정나사는 이러한 절삭 공구의 온도상승으로 인해 절삭 인서트에 눌러 붙을 수 있다. 이러한 현상이 발생하면 고정나사와 절삭 인서트는 쉽사리 분리가 될 수 없다. 이러한 점이 종래의 고정나사의 문제점이었다. 따라서 종래의 고정나사보다 절삭 인서트에 눌러붙는 경향이 낮은 고정나사의 제공이 요구된다.
종래의 공구몸체 중 일부는 절삭작업중에 작업편에서 발생하는 칩(chip)을 제거하기 위해 플루트 홈(flute)이 마련되어 있다. 상기 플루트 홈은 공구몸체의 내부로 파들어가진 측벽(sidewall)에 의해 정의된다. 상기 플루트 홈은 절삭 인서트로부터 시작하여, 공구몸체의 작업단부로부터 멀어지는 축방향으로 연장된다. 절삭 인서트와 상기 플루트 홈의 연결부위는 일반적으로 불연속이고 그러한 불연속에 의해 칩이 상기 플루트 홈을 통해 빠져나오는데 장애가 된다. 따라서 절삭 인서트와 플루트 홈의 연결부위가 연속적이고 부드럽게 이어져서, 작업공구의 작업단부로부터 칩을 효율적으로 제거할 수 있는 작업 공구가 필요하다.
일반적으로 말해서, 본 발명은 타원형의 절삭날을 포함하는 절삭 인서트에 관한 것이다. 상기 절삭 인서트에는 고정나사가 통과할 수 있는 장착공이 마련되어 있는데, 그 고정나사는 그 장착공과 수직한 시팅면(seating plane)에서 장착공과 접촉한다. 상기 절삭 인서트는 상기 시팅면과 평행한 플로어에 의해 일부가 정의되는 홈을 가지는 공구몸체를 포함하는 절삭공구에 사용되기에 적합하다. 상기 인서트는, 연속적인 플루트 홈을 형성하기 위하여, 공구몸체와 상보적인 형상을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인서트는 공구몸체에 대하여 내측에 프랭크 에지(flank edge)를 구비한다. 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 절삭 인서트는 양의 절삭 형상(positive cutting geometry)을 가지는 경사면을 구비한다.
본 발명에 따른 절삭 공구는 많은 장점들을 가지고 있다. 상기 공구는 표면다듬질에 있어서 개선된 효과를 발휘한다. 또한 3차원 절삭에 있어서도 뛰어난 작업성능을 보여준다. 상기 절삭 공구는 하나 또는 복수개의 외주 절삭(peripheral cuts)작업을 하는 경우에 있어서 진정한 수직벽을 형성할 수 있다. 상기 공구는 절삭 인서트를 보다 잘 고정되게 한다. 또한, 상기 절삭 공구는 뛰어난 지지력과 클리어런스를 제공한다.
비슷한 참조부호는 모든 도면을 통하여 비슷한 구성요소를 지칭하고 있는 도면을 참조하면, 도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭공구(10)가 도시되어 있다. 절삭공구(10)는, 예를 들어 절삭단면이 절삭공구의 표면에 있는 표면평삭(milling) 작업, 절삭단면이 절삭공구의 외주에 있는 외주평삭작업, 램핑 평삭 그리고/혹은 나선절삭 작업에 사용되는 것이다. 일반적으로 복수의 절삭공구들이 이러한 기계작업을 수행한다. 본 발명에 따른 절삭공구(10)는 하나 혹은 모든 이러한 기계 작업을 수행하는 것이 가능하기 때문에, 보다 짧은 기계작업시간(machining time)이 요구되어 진다.
상기 절삭공구(10)는 도시된 공구몸체(12)와 같은 홀더(holder)를 포함하고 있다. 상기 공구몸체(12)는 바람직하게는 원통형(cylinderical)의 둘레를 갖는 외주면(14)를 가지고 있는데, 그것의 일부분은 기계 센터(machining center) 혹은 절삭기기(미도시)에 공구를 적용시키기 위해서, 이 기술분야에서 널리 알려진 형태의 어댑터(adaptor)에 적합한 섕크(shank, 미도시)를 규정한다.
본 발명에 따른 절삭공구(10)는, 도 3에 명확하게 도시된 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 홈(26)을 구비하며, 도 1의 왼편에 25로 일반적으로 지시되는 절삭날 또는 작업단부를 가지는 공구몸체(12)를 포함한다. 상기 홈(26)은 절삭 인서트(30)를 수용하기에 적합하다. 상기 절삭 인서트(30)들은 사용하기에 적절한 형상을 취할 수 있으며, 상기 홈(26)들에 절삭 인서트(30)들을 최초 위치시키거나 재위치시키는 것을 돕기 위해 인덱스가능한(indexable) 것이 바람직하다. 상기 절삭 인서트(30)들은 홀드다운(hold-down) 또는 도 2에 도시된 고정나사(32)에 의해 상기 홈(26)에 고정된다. 상기 고정나사(32)는 상기 절삭 인서트(30)를 관통하여 삽입되고, 도 1에 도시된 공구몸체(12)의 길이방향의 수직축(36)에 대해 횡으로 연장된 나사공(34)에 체결된다. 상기 공구몸체(12)와 절삭 인서트(30)는 작업편(미도시)으로 부터 칩(chip)을 배출하기 위한 플루트 홈(flute)을 협동적으로 규정한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 홈(26)들은, 적어도 일부분에, 원주방향으로 연장된 플로어(27)와 적어도 두 개의 측벽(sidewalls) 또는 시팅면(즉, 원주방향의 벽(28)들과 축방향의 벽들(28'))들에 의해 규정된다. 이러한 벽(28,28')들은 플로어(27)로부터 연장되고 정점에서 서로 교차하는데, 이는 도 3에 참조부호 29로 표시된 부분에 잘 표현되어 있다. 본 실시예에서는, 공구몸체(12)에 세 개의 대응하는 플루트 홈(37)을 협동적으로 형성하는 세 개의 절삭 인서트(30)를 지지하기 위한 세 개의 홈(26)이 마련되어 있다. 하지만, 본 발명의 기술분야에 종사하는 자라면, 하나 또는 그 이상의 홈, 인서트 그리고 플루트 홈들이 형성될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭 인서트(30)가 도 4 내지 도 8에 도시되어 있다. 상기 도면들에 도시된 바와 같이, 절삭 인서트(30)은 경사면(rake face; 42)과, 측면(flank face; 139)과, 상기 경사면(42)과 상기 측면(139) 사이의 프런트에지(front edge; 138)와, 상기 프런트에지(138)를 가로지르는 램핑 절삭날(ramping cutting edge; 41)), 그리고 상기 프런트에지(138)와 상기 램핑 절삭날(41) 사이의 노즈(nose;40)를 포함하여 구성되고, 상기 프런트에지(138)가 타원형 절삭날(38)과 와이퍼면(wiper facet;39)을 규정하고(define), 상기 측면(139)은 평평한 평면으로 이루어진다.
구체적으로, 와이퍼면(39, wiper facet)을 포함하는 타원형의 절삭날(38)이 상기 절삭 인서트(30)의 전단부에 형성되어 있다. 상기 타원형의 절삭날(38)은, 상기 절삭 인서트(30)의 노즈(40)에서 후단부(즉, 노즈(40)의 반대편)까지 일정하지 않고, 점차적으로 줄어드는 반경을 가진다. 상기 절삭날(38)의 구체적인 반경은 가상의 촛점으로부터 측정되며, 예를 들어서 0.500-25 인치의 범위내에 들어올 수 있다. 상기 반경은 명백히 절삭공구의 크기에 의해 결정된다. 상기 절삭날(38)은 상기 노즈(40)와 절삭 인서트(30)의 내부 램핑 절삭날(41, inboard ramping cutting edge)의 반지름방향에 접하는 것이 바람직하다. 이러한 것은, 특정한 인자를 가지고 작업하는 경우에, 작업편(미도시)의 표면(face)과 측 벽 모두에 매우 우수한 다듬질을 제공할 수 있다. 예를 들면, 와이퍼면(39)은 0.08인치의 폭으로, 상기 절삭날(38)의 반경은 약 2인치가 가능하다. 상기 절삭공구(10)가 예를 들어 회전당 상기 와이퍼면(39)의 폭보다 작은 이송으로 작업되는 경우, 매우 훌륭한 표면다듬질 이 가능하다. 상기 절삭날(38)의 반경은 상기 절삭 인서트(30)가 상기 공구몸체(12)에 결합된 방향과, 상기 절삭 인서트(30)이 결합(도 13에 도시된 바와 같이)된 절삭공구(10)의 직경에 의하여 정해진다. 반경은, 절삭 인서트(30)가 약 90°의 숄더(shoulder)를 형성하도록 하는 몇 가지의 보상요건(compensation requirement; 즉, 작업편의 표면에 대한 상기 홈(26)의 방향)과 그렇게 하도록 유지될 수 있는 작업공차들 간에 결정된다.
상기 인서트(30)의 타원형의 절삭날(38)은, 상기 절삭 인서트(30)의 경사면(rake face, 42; 도 4와 5에서 상부 면))상에 양의 절삭 형상(positive cutting geometry; 즉, 상승된 형상)에 기여할 수 있도록 바람직하게는 타원형이다. 상기 경사면(42)의 양의 절삭 형상은, 종래의 절삭 인서트에 비해 적은 절삭 저항(cutting force)을 요구한다. 또한, 타원형의 절삭날(38)은, 종래에 단단한 탄화물합금(solid carbide) 작업단부에 의해 생산된 것과 마찬가지로, 작업편(미도시) 상에 보다 90°에 가까운 숄더를 생산한다. 타원형의 절삭날(38)은, 작업의 최종 다듬질이 가능하므로, 별도의 절삭공구를 이용한 추가적인 다듬질 작업을 줄이거나 없앨 수 있는 장점도 있다.
상기 인서트(30)는 3차원 형상의 절삭도 가능하다. 이는 내부 램핑 절삭날(41)이(상기 내부 램핑 절삭날(41)이 양의 절삭 형상으로 되어 있기 때문에) 종래의 절삭 인서트에 비해, 램핑작업능률을 향상시키기 때문이다. "램핑작업"이라는 용어는 인서트가 작업편(미도시)에 대해 축방향 및 지름방향으로 움직이면서 행해지는 절삭작업을 의미한다. 램핑날(ramping edge, 41)은 종래 인서트의 바닥면에 보통 평행하게 마련되어 있어서 음의 형상(negaive geometry)이 되며, 이는 보다 큰 절삭저항을 요구하도록 한다. 종래의 램핑날과는 달리 본 발명의 램핑날(41)은 양의 형상(즉, 램핑날(41)은 경사면(42)에 대해 상승되어 있다)을 가지는데, 이러한 형상은, 종래의 인서트들의 음의 형상에 의해 요구되어 지는 절삭 저항에 비해, 절삭 저항을 줄여준다. 내부 램핑날(41)은, 추가적으로 상기 절삭공구(10)가 일반적으로는 램핑작업이나 나선절삭작업(helical interpolating operation)이 불가능한 라우터(router)나 쉘 밀커터(shell mill cutter, 미도시)와 같은 기계로도 보다 높은 속도로 램핑작업이나 나선절삭작업을 수행하는 것을 가능하게 한다. "나선절삭작업"이란, 상기 인서트(30)가 작업편(미도시)에 대해 축방향과 지름방향으로 모두 움직이는 절삭작업이다. 상기 인서트(30)는 우선 작업편에 형성되어 있는 구멍의 외주를 절삭한다. 그 후에, 상기 인서트(30)는, 요구되는 깊이까지 파질때까지, 구멍의 축방향으로 계속하는 동시에, 상기 구멍의 중심에 대하여 나선형의 패턴으로 움직이게 된다. 이러한 동작은 보통 중간의 쉼없이 계속 진행된다.
도 9 내지 도 12에 명백하게 도시된 바와 같이, 고정나사(32)와 공구몸체(12)에 형성된 나사공(34)의 자세는, 인서트 장착공(48) 또는 포켓 플로어(27, pocket floor)의 중심축에 대해 수직이 아닌 각을 형성하도록(보다 상세히는 아래에 기술된다) 되어 있다. 이러한 구성은, 고정나사(32)에 추가되는 응력을 주는 것 없이, 절삭 인서트(30)의 적절한 배치를 가능하게 한다. 다시 말해, 고정나사(32)의 상기와 같은 자세는 상기 고정나사(32)가 전단방향이 아닌 인장방향으로 배치될 수 있도록 한다. 결과적으로, 상기 고정나사(32)는 그것의 가장 강한 방향에서 이 용된다.
고정나사(32)의 자세는 상기 절삭 인서트(30)의 바닥(46) 또는 포켓 플로어(27)와 이루는 복합각(compound angle)으로 될 수도 있다. 이러한 각은 절삭 인서트(30)과 공구몸체(12)사이의 윤활 계수(즉, 마찰계수)에 맞도록 계산되어 질 수 있다. 이러한 것은, 인서트(30)가 시팅면들(28, 28')이 만나는 정점(29)로 미끌어질 수 있도록 하고(도 12 참조), 그리고 이에 따라 고정나사(32)에 추가적인 응력을 발생시키는 것을 방지한다. 예를 들어, 어떤 특정한 나사에 강해지는 힘을 Fscrew라 한다면 다음과 같은 식이 성립한다.
Fz=Fscrewcosθ,
Ff=CfFscrewcosθ, 그리고
Fx=Fscrewsinθ
단, 여기에서 Fz는 포켓 플로어(27)에 대해 수직방향인 힘의 성분이고, Ff는 마찰력이며, 그리고 Fx는 포켓 플로어(27)에 대해 수평한 방향의 힘의 성분이다. 이러한 힘의 각 성분인 Fz, Ff, Fx들은 모두 도 12에 도시되어 있다. 상기 힘의 성분인 Fx는 마찰력인 Ff를 극복할 수 있을 정도로 충분히 커야한다. 어떤 각(θ)에서 Fx가 마찰력인 Ff 보다 크거나 같게 되는가와 어떤 각에서 Ff=Fx@Cf 가 되는가에 대한 답은 다음의 계산에서 구해질 수 있다.
Ff=Fx 또는 CfFscrewcosθ = Fscrewsinθ
Cf=tanθ
θ=tan-1 Cf
만약 마찰계수인 Cf가 코팅이 안된 철(uncoated steel)상의 코팅이 되지 않은 카바이드(uncoated carbide)의 마찰계수인 0.5라면, 각(θ)은 26.56°이다. 만약 마찰계수(Cf)가 코팅이 되지 않은 카바이드(uncoated carbide)상의 코팅이 되지 않은 카바이드(uncoated carbide)의 마찰계수인 0.2라면 각(θ)은 11.3°이다. 만약 마찰계수(Cf)가 철에 코팅된 산화필름 상의 철의 마찰계수인 0.27이라면 각(θ)는 15.1°이다.
상술한 내용은, 공구몸체(12)와 절삭 인서트(30)의 물질의 성분을 선택하고, 상기 물질들의 마찰계수가 결정되면, 고정나사(32)의 각이 결정되는 것으로 요약되는 데, 이때 여기서 포켓 플로어(27)에 평행한 힘의 성분(Fx)은 상기 공구몸체(12)와 절삭 인서트(30) 사이의 마찰력(Ff)보다 크거나 같다. 포켓 플로어(27)에 평행한 힘의 성분(Fx)은, 상기 절삭 인서트(30)를 시팅 면(28, 28') 또는 그들 사이의 정점(29)을 향해 당길 수 있도록, 상기 시팅면(28, 28') 또는 정점(29)을 향하도록 방향지워질 수 있다.
상기 물질들의 마찰계수는, 온도와 같은 외부환경이나 윤활유와 같은 외부 물질에 따라 변경될 수 있다. 이러한 요건들이 상기 바람직한 각을 선택할 때 고려되어야 한다. 또한, 절삭 작업중에 발생되는 동적인 힘(dynamic force)과 같은 내부 힘들도 고려될 수 있다. 고정나사(32)의 각은 상술한 여러가지 요인들을 고려하여 그러한 영향들이 보정될 수 있도록 결정되는 것이 바람직하다.
상기 고정나사(32)의 기울어진 배치는 또한 상기 인서트(30)의 바닥(46)의 견고함을 증가시키도록 하고, 고정나사(32)가 작은 직경의 공구몸체(12)에 잘 맞물리도록 하게 한다. 충분하지 않은 나사 체결은, 인서트(30)의 바닥에 수직으로 방향지워진 고정나사(32)들의 알려진 흠(flaw)이다.
도 10 및 도 11을 참고하면서 확실히 주지되어야 하는 것은 고정나사(32)가 상기 반지름방향의 벽과 축방향의 면(28, 28') 모두에 대하여 기울어져 있다는 것이다. 이렇게 기울어진 방위는 인서트(30)를 상기 반지름방향의 시팅면(28, 즉 도 10에서 우측)과 축 방향의 시팅면(28', 즉 도 11에서 위쪽)을 향하게 미끄러지도록 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에 종사하는 사람이라면 이러한 구성이 상기 절삭 인서트(30)를 효과적으로 상기 시팅면(28, 28')들 사이의 정점(29, 도 12의 우측)으로 미끄러지도록 한다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 6을 참조하면, 도 9 내지 도 12에 고정나사(32)를 고정시키기 위한 기울어진 장착공(48)이 도시되어 있다. 상기 장착공(48)은 상기 절삭 인서트(30)의 중심을 관통하도록 형성되어 있다. 장착공(48)은 타원형이며 인서트(30)의 마주하는 노즈(40)들 사이로 연장된 길이가 더 크도록 방향지워져 있다. 장착공(48)은 고정 나사(32)가 공구몸체(12)에 형성되어 있는 나사공(34, 도 12 내지 12에 명백하게 도시되어 있다)에 가이드하도록 배치되고 형성된다. 삽입공(48)은, 예시된 실시예가 인덱스가능(indexable)하기 때문에 타원형이다. 다시 말해, 인서트는 홈(26, 도 10 내지 도 12에도 도시됨)으로부터 제거가 가능하며, 180°로 회전(즉 도 6에서 시계방향 혹은 반-시계방향으로 회전)이 가능하며, 그리고 다시 홈(26)에 삽입될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시에에 따른 고정나사(32)는 도 10 내지 도 12에 명확하게 도시된 바와 같이, 구형상의 또는 반구형상의 헤드(50,head)를 포함하고 있다. 상기 인서트(30)를 관통하는 장착공(48)은 원뿔형(conic)인 것이 바람직하다. 상기 관통공(48)과 헤드(50)는, 그 헤드(50)가 관통공(48)과 제한된 접촉을 가지도록, 협동적으로 크기와 형상이 선택된다. 이러한 제한적인 접촉은 고정나사(32)가 절삭 인서트(30)에 눌러 붙어버리는 위험을 줄인다. 상기 접촉은 대략 180°접촉으로 제한될 수 있는데, 이러한 것은 홈(26)의 정점(29)과 가장 가까운 장착공(48)의 측면(즉, 시팅 면(28, 28′사이)들 상에, 도 12에 도시된 바와 같이, 발생한다. 이러한 제한적인 접촉은, 고정나사(32)에 힘이 가해지는 경우에 발생하게 되는데, 고정나사(32)가 홈(26)의 정점(29)에 가장 가까운 관통공(48)의 측면에 접촉하게 되면, 절삭 인서트(30)에 상기 정점(29) 방향으로 힘을 작용시키게 되기 때문이다.
작업과정에서, 공구몸체(12)는, 공구를 기계 센터(machining center) 또는 절삭기계(미도시)에 적용시키기 위한, 본 기술분야에 잘 알려진 형태의 어댑터에 의해 고정된다. 절삭 인서트(30)는 상술한 바와 같이, 기울어진 고정나사(32)와 함 께 공구몸체(12)의 홈(26)에 고정된다. 축이 회전함에 따라, 절삭 인서트(30)는 작업편(미도시)으로부터 원하는 부위의 재료를 제거하기 위해 작업편상에 물리게 된다. 작업편에서 재료가 제거됨에 따라, 칩들이 플루트 홈(37)을 따라 배출되게 된다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 절삭 인서트(30)와 공구몸체(12)는 합동으로 플루트 홈(37)들을 형성한다. 도 1 내지 도 3에 명확하게 도시된 바와 같이, 플루트 홈(37)은 대부분이 공구몸체(12)의 측벽에 의해 형성된다. 그러나, 상기 플루트 홈(37)의 작은 부분은 절삭 인서트(30)의 경사면(42)에 의해서도 표현된다. 따라서 공구몸체(12)에 형성된 부분과 경사면(42)에 의해 표현되는 측벽들의 부분 사이에는 부드러운 연결이 요구된다는 것이 이해되어져야 한다. 이러한 부드러운 연결은 연속적인 즉, 중간에 끊어지거나 불연속적인 부분이 없는 협곡 또는 플루트 홈(37)을 형성하게 되어 작업편의 칩을 효율적으로 제거하도록 하는 효과를 발생시키게 된다.
상기 플루트 홈(37)은, 타원형의 형태를 가진 나선형으로 제작되는 절삭날(38)이 공구몸체(12)의 개별적인 나선형의 플루트 홈(37)과 균등하고 연속적인 표면을 형성하도록 설계되어 있다. 상기 플루트 홈(37)은, 공구몸체(12)의 작업단부(25)로부터 칩이 자연스럽게 배출될 수 있도록, 나선형의 칩 협곡을 제공한다. 이러한 플루트 홈(37)의 형상은, 인서트(30)의 절삭날(38)로부터 나오는 칩이 상기 플루트 홈(37)을 통하여 연속적으로 배출되도록 하는 결과도 야기시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예의 의하면 각각의 플루트 홈(37)의 바닥(54)은, 플루트 홈(37)이 공구몸체(12)의 작업단부(25)로부터 섕크(shank)를 향해 연장될수록, 공구몸체(12)의 길이방향의 축(36)으로부터 상기 수평축(36)의 반경방향을 따라 더욱 멀어지는 방향으로 이동한다. 이러한 구성은 공구몸체(12)의 강성을 증가시키는데, 이는 플루트 홈(37)들 사이의 공구몸체(12)의 단면적이 섕크쪽으로 향할수록 커지기 때문이다.
종래의 공구몸체들은 절삭작업과정에서 작업편에 물리게 되는 축방향과 반경방향의 면들을 구비하고 있다. 본 발명은 도 13에 도시된 바와 같이, 면 클리어런스(face clearance) 혹은 축방향의 클리어런스 면(60)을 구비하고 있고, 도 14에 도시된 바와 같이, 점진적인 반경방향의 클리어런스 면(62)도 구비하고 있다. 축방향의 클리어런스 면(60)은 도 15에 가장 잘 표현되어 있는데, 여기에는 종래의 축 방향 표면(axial surface)이 점선으로 표시되어 있다. 종래의 축방향 표면은, 램핑 혹은 나선절삭작업을 하는 동안, 보다 큰 램핑각(ramping angle)을 위한 충분한 클리어런스를 제공하지 못한다. 반면, 본 발명의 축방향 클리어런스 면(60)은, 종래의 축방향 클리어런스 면 혹은 공구몸체(12)의 길이방향 축(36, 도 13 참조)에 수직인 평면에 대해, 5°내지 25°의 범위에 속하는 각(Φ)을 이루고 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 축방향의 클리어런스 면(60)은 8°내지 10°의 각(Φ)에 속한다. 결과적으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭공구(10)는 종래의 공구몸체에 비해 보다 높은 램프각을 형성할 수 있는 능력을 가지고 있게 되는 것이다. 축방향의 클리어런스 면(60)은 절삭 인서트(30)의 클리어런스 면(clearance face, 도 15에서 보았을 때 왼쪽)과 상응하는 구조로 되어 있다. 대 안으로, 축방향 클리어런스 면(60)은 오프셋(offset)되고, 그리고 일반적으로 절삭 인서트(30)의 클리어런스 면과 평행하거나 평행한 것보다 다소 큰 각을 가진다.
유사하게, 종래의 반경방향의 클리어런스 표면(radial clearance surface)이 도 14에 점선으로 표시되어 있다. 종래의 반경방향의 클리어런스 면은, 면절삭가공 또는 나선절삭작업을 하는 동안에, 더 높은 이송속도를 위한 충분한 클리어런스를 제공하지 못한다. 이러한 문제점은 종래의 절삭 공구에 있어서 흔히 발생되는 문제점이었다. 종래의 절삭공구와는 달리 본 발명의 반경방향 클리어런스 면(62)은 절삭공구가 보다 높은 이송속도로 작업하는 것이 가능하게 하여, 상술한 문제점을 극복한다. 늘어난 클리어런스(clearance)는 반경방향 클리어런스 면(62)의 반경이 점차적으로 감소되는 것에 의해 얻어진다. 예를 들어, 첫번째 반경방향 클리어런스 면(62)의 직경은 도 14에서 70으로 지시되고, 두번째 반경방향 클리어런스 면(62)의 직경은, 72로 지시된다. 이러한 직경의 감소는 예를 들어, 도 14에 74로 지시된 추가적인 클리어런스를 제공하게 된다. 이러한 추가적인 클리어런스(74)는 도 1에 도시된 바와 같이 공구몸체(12)의 주변부 또는 원통형 표면(14)에 대한 것이다. 반경방향클리어런스 면(62)은 포켓 플로어(27)에서부터 점차적으로 줄어드는 반경을 가진다. 반경반향 클리어런스 면(62)의 시작은 일반적으로 인서트(30)의 전단부 상의 측면에 일치한다. 반경방향 클리어런스 면(62)의 클리어런스는 투스(tooth)마다 약 0.030 내지 0.050 인치(0.762-1.27 mm) 범위 안의 종방향의 이송속도(feed rate)에 근거한다. 공칭 클리어런스(nominal clearance)는, 공구몸체(12)의 지지를 잃지 않으면서 가장 큰 클리어런스를 제공할 수 있고, 절삭공구(10)를 안전하게 운용할 수 있는, 피치마다 0.040인치(1.016mm)정도의 이송속도에 근거한다.
다른 절삭 인서트(80)와 고정나사(94)가 도 16 내지 도 21에 예시되어 있다. 상기 절삭 인서트(80)는 상부 경사면(82)과 네 개의 면(sides)들을 포함하고 있으며, 상기 네 개의 면 각각은 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 측면(flank face; 84)으로 규정된다. 도 17 및 도 18에 도시된 절삭날(86)은, 상기 경사면(82)와 인서트(80) 각각의 측면(84) 사이에 제공될 수 있다. 이에 따라 상기 절삭 인서트(80)은 인덱스가능한(indexable) 것이 바람직하다.
상기 절삭 인서트(80)는 ,공구몸체(90)의 홈(92)에 고정나사(94)에 의해 장착된다. 상기 고정나사(94)는 상기 홈(92)의 플로어(100)에 마련된 나사공(98)에 체결된다. 상기 나사공(98)은 바람직하게는 상기 플로어(100)에 수직인 면과 두 개의 시팅면(102,102', seating surface) 또는 상기 두 개의 시팅면(102,102') 사이의 정점(104,apex) 사이를 기준으로 하는 복합각(Ω)으로 형성되어 있다(도 19 참조). 본 실시예에서 상기 복합각(Ω)은 약 5°이다. 이것이 공칭각(nominal angle)이다. 그러나, 0°내지 15°의 범위의 각이라면, 본 발명을 실시하는데 있어서 적합하다. 특정한 각의 결정은, 인서트의 형상(geometry)과 고정나사(94)의 크기와 모양, 공구몸체(80)와 절삭 인서트(80)사이의 마찰계수 등을 고려하여 이루어진다. 상기 각(Ω)은 반드시 복합각일 필요는 없으며, 상기 시팅면(102,102')들 중 하나에 대한 각일 수도 있다.
도 17 내지 도 20에 명확하게 표현된 바와 같이, 상기 절삭 인서트(80)를 통하는 장착공(112)의 바닥(114)은, 기울어진 배치를 가지는 고정나사(94)를 위한 클 리어런스를 제공하기 위하여, 테이퍼진 형태를 취하거나 원뿔형의 형태를 취하는 것이 바람직하다. 대안으로, 상기 장착공(112)의 바닥(114)은 테이퍼지거나 원뿔형의 형태를 취하지 않으면서, 다른 양각 형상(form of relief)을 취하거나, 직경이 커지는 부분을 가짐으로써, 기울어진 배치를 가지는 고정나사(94)를 위한 클리어런스를 제공할 수도 있다. 또 다른 대안으로서, 양각의 형상의 취하지 않고, 장착공(112) 혹은 그 장착공(112)의 바닥(114)이 충분히 큰 형태를 취하여, 절삭 인서트(80)의 인덱스된 배치에 관계없이 기울어진 배치를 가지는 고정나사(94)를 수용하기에 적절한 클리어런스를 제공할 수도 있다. 클리어런스는, 절삭 인서트(80)가 인덱스된 배치를 가지는 것에 관계없이, 고정나사(94)가 기울어져 있다면, 상기 절삭 인서트(80)가 인덱스될 수 있도록 한다.
상기 고정나사(94)의 각(Ω)이 있음으로 인해, 공구몸체(90)의 원통 표면(106)과 고정나사(94)의 바닥 사이의 거리(D1)는 증가하게 된다. 이는 도 21에 명백하게 도시되어 있다. 상기 거리(D1)를, 선(108, 100)들 사이에 지시된 것 처럼, 종래의 고정나사의 바닥과 원통 표면과의 거리(D2)와 비교하라. 고정나사(94)의 최상부(top)과 공구몸체(90)의 원통 표면(106) 간의 거리(D3) 역시 약간은 증가하였다. 증가된 거리들은, 고정나사(94)와 원통 표면(106) 사이에 보다 많은 공구몸체물질을 제공할 수 있게되고, 이로 인해 공구몸체(90)의 강성을 증가시켜 고정나사(94)와 절삭 인서트(80)의 고정능력을 향상시키게 된다. 이러한 증가된 거리는 또한 고정나사(94)가 공구몸체(90)으로 부터 튀어나올지도 모르는 위험을 감소시키고, 그리고/혹은 보다 긴 고정나사(94)를 사용할 수 있게 한다. 고정나사(94)가 길 수록 강도가 강해진다.
도 22에 도시된 바와 같이, 고정나사(94)는 상술한 실시예에 있어서의 고정나사(32)와 유사하게, 구형(spherical)의 또는 반구형(radius)의 헤드(116, head)를 포함하고 있다. 상기 반경 헤드(116)는 도 21에 도시된 바와 같이, 고정나사(94)가 장착공(112)에 보다 잘 자리잡게 하며, 특히 상기 장착공(112)이 일반적인 ISO나 다른 공업규준에 따라 제작된 경우에는 그러한 역할이 더욱 상승된다. 테이퍼진 형태나 원뿔형의 형태를 지닌 헤드를 가지는 종래의 고정나사는 0°가 아닌 각으로 배치되는 경우에는 고정나사(94)의 최상단부와 가까운 한면만이 일반적인 장착공과 접하게 되므로, 종래의 테이퍼진 형태나 원뿔형의 헤드보다는 구형의 또는 반구형의 헤드가 유리하다. 마주하는 측면이 장착공(112)으로부터 튀어나올 수 있다. 상기 반경 헤드(116)는 장착공(112)에 딱맞을 수 있고, 상기 장착공(112)내에서 적절한 시팅면(seating plane)을 형성하면서 고정될 수 있도록 충분한 크기이다. 적절한 시팅면은, 도 21에 도시된 바와 같이, 절삭 인서트(80)의 축, 상기 장착공(112)의 축 또는 홈(92)에 마련된 플로어(100)의 축과 수직이고, 그리고 고정나사(94)의 축과 수직일 필요는 없는 평면에 존재한다. 고정나사(94)는 장착공(112)으로부터 튀어나오지 않는다. 헤드(116)의 반경의 위치는, 락업(lock-up, 즉 고정나사(94)와 장착공(112)가 잠겨진 맞물림)이 필요한 위치에 따라 결정된다. 만약 고정나사(94)가 장착공(112)으로 부터 너무 멀리 떨어져 있거나, 장착공(112)내에서 너무 먼 경우에는 절삭 인서트(80)이 홈(92)에 제대로 고정되지 않을 수도 있다.
본 발명의 다양한 특징들은 적절히 결합되어 사용될 수도 있고, 개별적으로 사용될 수도 있다는 점이 이해되어져야 한다. 예를 들어, 나사공(34)과 공구몸체(12)의 클리어런스 면(60,62)들은 신규한 것으로 판단되고, 그리고 서로 독립적인 사용을 위해 적용이 가능하다. 더욱이, 공구몸체(12)는, 여기에 설명되지는 않았지만, 다른 인서트들은 물론이고 여기에 설명된 절삭 인서트(30,80) 중 하나의 실시예와 함께 사용되기 위해 적용될 수 있다. 상기 절삭 인서트(30)의 여러가지 특징들 중, 타원형의 절삭날(38), 내부 램핑 절삭날(41) 그리고 기울어진 장착공(48)은 각각 독자적으로 신규한 특징이며, 상술한 절삭 인서트(30)의 실시예에만 사용될 수 있는 것은 아니다. 상기 고정나사(32,94)는 상술한 실시예들에 서로 교환적으로 사용될 수 있으며, 다른 절삭공구들과도 결합되어 사용될 수 있다. 결합나사의 배치와 그 배치를 결정하는 방법은 상술한 공구몸체(12,90)과 절삭 인서트(30,80)과 고정나사(32,94)의 실시예에만 적용되도록 제한되는 것은 아니며, 다른 형태의 공구몸체, 절삭 인서트, 고정나사에도 적용이 가능하다.
상기에서 본 발명이 바람직한 몇가지 실시예에 대하여 설명되었으나, 다양한 변형이나 구성요소의 추가가 본 발명의 기술분야에 속하는사람에게는 명백하다. 그러한 모든 변형이나 구성요소의 추가는, 여기에 첨부된 청구항들에 의해서만 제한되는 본 특허의 범위 안에 포함되는 것으로 의도된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭 공구의 부분 측면도;
도 2는 도 1에 도시된 절삭 공구의 작업단부를 대략 90°회전시킨 부분 측면도;
도 3은, 공구몸체 홈으로부터 절삭 인서트가 제거된 상태로서, 도 1에 도시된 절삭 공구의 측면도;
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭 인서트의 확대 사시도;
도 5는 도 4에 도시된 절삭 인서트의 정면도이며, 배면도는 도 5의 거울이미지와 동일하다;
도 6은 도 4에 도시된 절삭 인서트의 평면도;
도 7은 도 4에 도시된 절삭 인서트의 우측면도이며, 좌측면도는 도 6의 거울이미지와 동일하다;
도 8은 도 4에 도시된 절삭 인서트의 저면도;
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기울어진 고정나사와 절삭 인서트의 평면도;
도 10은 도 9에 도시된 10-10 선을 따라 절단된 상태의 절삭 인서트와 기울어진 고정나사의 단면도;
도 11은 도 9에 도시된 11-11 선을 따라 절단된 상태의 절삭 인서트와 기울어진 고정나사의 단면도;
도 12는 도 9에 도시된 12-12 선을 따라 절단된 상태의 절삭 인서트와 기울 어진 고정나사의 단면도;
도 13은 본 발명에 따른 축방향의 클리어런스 면(clearance face)과 지름 방향의 클리어런스 면의 정면도;
도 14는 도 13에 도시된 지름방향 클리어런스 면의 정면도;
도 15는 도 13에 도시된 축방향의 클리어런스 면의 확대도;
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구의 부분 측면도;
도 17은 도 16에 도시된 17-17 선의 단면도;
도 18은 도 16에 도시된 18-18 선의 단면도;
도 19는 도 16에 도시된 19-19 선의 단면도;
도 20은 도 16에 도시된 20-20 선의 단면도;
도 21은 도 16에 도시된 절삭 공구의 부분적인 개략도; 그리고
도 22는 도 16에 도시된 작업 공구의 고정나사의 측면도;

Claims (18)

  1. 경사면(rake face);
    측면(flank face);
    상기 경사면과 상기 측면 사이의 프런트에지(front edge);
    상기 프런트에지를 가로지르는 램핑 절삭날(ramping cutting edge), 그리고
    상기 프런트에지와 상기 램핑 절삭날 사이의 노즈(nose)를 포함하여 구성되고, 상기 프런트에지가 타원형 절삭날과 와이퍼면(wiper facet)을 규정하고(define),
    상기 측면은 평평한 평면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 타원형 절삭날과 경사면은 양의 절삭 형상(positive cutting geometry)을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 타원형의 절삭날과 상기 와이퍼면은 상기 노즈와 상기 램핑 절삭날에 접하는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 절삭 인서트를 관통하는 기울어진 장착공을 더 포함하여 이루어지되,
    상기 장착공은, 그 단면이 인서트에 관하여 대각선으로 연장된 길이가 더 긴 타원형인 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 절삭 인서트를 관통하는 장착공을 더 포함하여 이루어지되,
    상기 장착공은, 상기 장착공을 관통하는 기울어진 고정나사를 위한 클리어런스를 제공할 수 있도록, 원추형의 바닥(conical bottom)을 구비하는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 절삭 인서트를 통과하는 장착공을 더 포함하여 이루어지되,
    상기 장착공은, 상기 장착공을 통과하는 기울어진 고정나사를 위한 클리어런스를 구비하는 것을 특징으로 하는 절삭 인서트.
  7. 기계 절삭 작업에 사용되는 절삭공구(cutting tool)로서, 상기 절삭공구는,
    플로어(floor)와 시팅 표면(seating surface)에 의해 부분적으로 규정되는(defined) 홈(pocket)을 구비하는 공구몸체(tool body);
    상기 홈에 구비되는 인서트로서, 그 절삭 인서트를 관통하는 장착공을 가지며, 타원형인 절삭날을 가지며, 평평한 평면으로 이루어진 측면을 가지는 절삭 인 서트; 그리고
    상기 홈에 구비된 상기 절삭 인서트를 고정(holding)하는 고정나사(retention screw)로서, 상기 고정나사는 상기 홈 플로어(floor)에 평행한 시팅 평면(seating plane) 내의 상기 관통공과 접촉을 형성하는 헤드를 가지는 고정나사;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 헤드와 상기 장착공은, 상기 시팅 표면에 가장 가까운 장착공의 면(side)에서 그 헤드와 장착공이 서로 접촉할 수 있도록, 그 헤드와 장착공의 크기와 형상이 협동적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 장착공은 원추형이고, 상기 헤드는 둥그스름한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 고정나사와 상기 장착공 사이의 접촉은, 그 접촉각이 180°또는 그 이하의 각으로 제한되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 공구몸체는 나사공(threaded hole)을 더 포함하고, 상기 고정나사는 시 팅 표면으로 상기 인서트를 당기도록 상기 나사공에 체결되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 공구몸체는 나사공을 더 구비하고, 상기 홈은 다른 하나의 시팅 표면과 그 시팅 표면들의 교차정점(apex)에 의해 더 규정되고(define), 상기 고정나사는 상기 인서트를 상기 정점 측으로 당길 수 있도록 상기 나사공에 체결되는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 공구몸체는 축방향의 클리어런스 면을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  14. 제 7항에 있어서,
    상기 공구몸체는 반경방향의 클리어런스 면을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  15. 제 7항에 있어서,
    상기 공구몸체는 그 공구몸체에 깎아진 측벽(sidewall)들을 더 구비하며, 상기 인서트는 경사면(rake face)을 가지고, 상기 측벽들과 상기 경사면은 연속적이 고 끊어짐이 없는 플루트 홈(flute)을 협동적으로 규정하는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 인서트는 타원형인 절삭날을 가지며, 상기 플루트 홈은 이러한 플루트 홈이 나선형상을 취할 수 있도록 상기 타원형 절삭날이 상기 공구몸체에 연속적이 되게끔 형성된 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 플루트 홈은 점진적인 깊이(graduated depth)를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 공구몸체는 작업단부(working end)를 더 구비하며, 상기 플루트홈은 상기 작업단부로부터 연장되되, 상기 플루트 홈은 상기 작업단부로부터의 거리가 멀어짐에 따라 그 깊이가 줄어드는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
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