KR20110135413A - 절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치 - Google Patents

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KR20110135413A
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Abstract

인서트 등의 절삭 요소를 갖는 절삭 공구는, 인서트의 후방면에 대해 장착된 마이크로-채널 열교환기에 의해 간접적으로 냉각된다. 열교환기는 극저온 유체 등의 냉매를 수용하는 내측 캐비티와 함께 형성된다. 상기 캐비티는 인서트로부터의 극저온 유체에 의해 열 제거를 강화하는 핀을 구비할 수 있다. 냉매 입구관 및 냉매 출구관은 캐비티에 극저온 유체를 공급하도록 열교환기의 내부에 결합된다. 소정의 기계가공 작업 동안에 인서트를 냉각하도록 요구되는 극저온 유체의 유량은, 동일한 기계가공 작업 동안에 동일한 인서트를 냉각하는데 요구되는 표준 냉매량의 1% 미만이다.

Description

절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치{INDIRECT COOLING OF A CUTTING TOOL}
개시된 장치는 기계가공 동안에 발생되는 열에너지의 일부를 제거하도록 공구 홀더에 설치된 마이크로-채널 열교환기(micro-channel heat exchanger)를 이용하는 공구-칩 표면용 간접 냉각 시스템이다.
절삭 공구 및 그 부품 상에서 기계가공 영역 내에 냉매를 직접 분사함으로써 윤활성을 증대시키기 위해, 기계가공 공정에서 수년 동안 절삭유가 사용되고 있다. 이는 칩과 공구 사이의 마찰을 감소시키는 효과를 가짐으로써, 공구 온도를 감소시키고, 공구 수명을 증대시키며, 부품 품질을 개선시킨다. 이러한 이점에는 특정한 결점이 따른다. 고-체적 기계가공 작업에서, 기계가공 비용의 적어도 16%는 절삭유의 조달, 유지보수 및 처분과 관련된다. 이러한 비용은, 작업자가 절삭유를 사용할 때 노출되는 건강상의 위험에 대해서는 처리하지 않는다. 절삭유 또는 그 미스트와 접촉하면, 피부염 및 호흡기 질환 등의 병을 유발시킬 수 있다. 절삭유 내의 몇 가지의 첨가물은 발암성일 수 있다.
최근, 이러한 문제점으로 인해, 고-체적 기계가공 산업에서는 절삭유의 사용을 저감 또는 제거하기 위해 건식 기계가공 쪽으로 방향을 옮기고 있다. 그러나, 건식 기계가공은 화석연료 소비 및 에너지 비용을 증대시키는데, 그 이유는 보다 크고 더욱 강력한 기계가 보다 낮은 윤활성 소재를 처리하는데 요구되기 때문이다. 또한, 건식 기계가공은 보다 많은 절삭 공구 및 보다 긴 기계가공 시간을 소비함으로써 부품당 비용을 증대시킨다. 그 문제점은 티타늄 및 다른 낮은 열전도성 소재를 기계가공할 때 악화되는데, 그 이유는 공구-칩 계면부에서 발생되는 열이 소재 자체에 의해 계면부로부터 멀어지게 수행되기가 쉽지 않기 때문이다. 아울러, 건식 기계가공은, 종종 새로운 기계에 대한 자본이 입수가능하지 않은 비교적 작은 공장에서는 적합하지 않다.
지난 연구 결과 및 특허에서는, 절삭 공구 홀더를 내측 또는 외측에서 냉각하고, 고압 냉매를 이용하여 기계가공 영역 내에 액체 질소를 분사하며, 액체 질소에 의해 냉각되는 절삭 공구 인서트의 상부 상의 캡 형상의 저장기에 관한 통합에 대해 초점을 맞추고 있었다.
절삭 공구를 내측 또는 외측에서 냉각하는 것은 히트 파이프(heat pipes)를 이용하여 실험적으로 시험되고 있다. 어느 정도의 냉각이 성취되었지만, 설계에 대한 열전달 효율은 매우 낮았다. 탁상형의 시스템에 대한 열악한 성능으로 인해, 절삭 공구 측면의 마모 감소에 대한 측정이 이루어지지 않았다.
기계가공 영역 내로 액체 질소의 제트를 분사하는 것은, 절삭 공구를 냉각하는 효과적인 수단인 것으로 입증되어 있지만, 이러한 접근법의 비교적 낮은 열전달 효율로 인해 대량의 액체 질소가 공정에 사용된다. 이는 2가지 이유에 대해 액체 질소 제트의 환경적 영향을 증대시킨다. 첫째로, 냉각 공정 동안에 형성된 대향의 질소 증기를 제거하도록 환기 시스템이 요구된다. 둘째로, 이러한 냉각 방법에 의해 사용되는 대량의 액체 질소를 생성하는데 필요한 전력은 보다 많은 화석연료를 필요로 하므로, 오염을 증대시킨다.
또한, 공구 마모를 감소시키기 위해 고압 제트의 냉매를 사용하는 것이 연구되고 있다. 이러한 접근법은 공구 마모를 효과적으로 감소시킬 수 있지만, 몇 가지의 결점을 가진다. 첫째로, 제트는 전력을 소비하는 대형 압축기를 이용하여 가압된 냉매를 필요로 하므로, 공정에 대한 비용 및 환경적 영향을 증대시킨다. 둘째로, 제트는 절삭 공구 인서트 상의 특정 위치에 적용될 필요가 있다. 이는 절삭 공구 인서트에 대한 작은 직경의 고압 제트에 대한 정확하고 반복가능한 배치를 필요로 한다. 이러한 접근법은, 고압 액체 제트를 관리하는 것과 관련된 오버헤드가 기계가공 시간 및 비용을 신속하게 상승시키는 제조 환경에는 적합하지 않다. 셋째로, 고압 제트는 본원에 기술한 바와 같은 공구-칩 계면부를 간접 냉각하는 것보다 1배 내지 3배 크기 정도 큰 액체 유량을 필요로 한다. 이러한 점은 고압 제트를 이용하는 비용 및 환경적 영향을 급격하게 증대시킨다.
또 다른 접근법은 절삭 공구 인서트의 상부에 액체 질소로 냉각된 캡 형상의 저장기에 대한 통합을 수반하며, 이는 공구 마모를 감소시키는 것으로 나타나 있다. 이러한 구성은 비교적 낮은 열전달 효율을 가지지만, 필요한 유량이 본원에 기술된 방법보다 2배 내지 3배 크기 정도 크다. 절삭 공구 인서트의 상부에 저장기가 위치되기 때문에, 장치가 제조 환경에 사용되기 어렵다. 인서트를 인덱스 또는 변경하기 위해, 작업자는 극저온에 있는 저장기를 제거하여 재부착할 필요가 있다. 이러한 작업은 특수한 훈련과 비용 증대가 요구되며, 작업자의 건강상의 위험이 따른다. 이러한 이유로, 이러한 시스템이 제조 환경에서는 사용되기가 쉽지 않다.
후술하는 바와 같이, 절삭 공구는 작동 유체와 같은 액체 질소 등의 매우 적은 유량의 극저온 냉매를 이용하여 간접적으로 냉각된다. 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "극저온 유체(cryogen)"는 약 100 K (-160℃) 이하의 온도에서 비등하며 매우 낮은 온도를 얻는데 사용되는 액체(예컨대, 액체 질소)를 지칭한다. 본원에서 극저온 액체를 이용하는 주된 이점은, 공구-칩 계면부로부터의 열을 제거하는 수단으로서 극저온 유체의 증발 잠열을 이용하는 것이다. 단상 유체에 의한 임의의 열 취득이 온도 상승에 의해 수반되는 현열 열교환(sensible heat transfer)과는 대조적으로, 잠열 열교환은 열을 흡수하는 수단으로서 포화된 액체로부터 증기로의 등온 상변화(isothermal phase change)를 이용한다. 이러한 접근법은 종래의 절삭유에 의해 제기되는 환경적 및 직업적 건강 문제를 제거하며, 작고 큰 기계 공장에서 환경적으로 불친화적이고 잠재적으로 독성이 있으며 비용이 드는 절삭유를 제거하게 한다. 더욱이, 간접 냉각은, 기계가공 냉매의 제트 충돌, 또는 종래에 액체 질소 혹은 다른 극저온 유체를 이용하는 직접 냉각 방법보다는 수 배 정도 적은 작동 유체를 위한 유량을 사용한다. 간접 냉각은 기계가공 작업의 환경적 영향을 감소시키는 동시에, 제조 비용을 감소시킨다.
간접 냉각은 절삭 요소 뒤에 배치된 마이크로-채널 열교환기를 이용하며, 작동 유체로서 액체 질소를 사용한다. 히트 파이프와 비교하여, 간접 냉각은 매우 높은 열전달 효율을 가지며, 공구 마모를 감소시키고 부품 제조 비용을 낮춘다.
냉각 영역 내로 질소를 분사하는 것에 비해, 절삭 요소의 간접 냉각은 그 높은 열전달 효율로 인해 2배 내지 3배 적은 크기의 질소를 사용한다. 이에 따라, 액체 질소 제조에 대한 환경적 영향은, 액체 질소에 의한 제트 냉각 또는 일반적인 기계가공 냉매에 의한 종래의 플러드 냉각(flood cooling)에 비해 매우 적다. 더욱이, 절삭 요소의 간접 냉각은 공구 내에 주요 기술을 포함하게 하고, 제조 환경에서 시스템에 대한 유용성 및 적정성을 증대시킨다.
도 1은 비회전형 공구를 위한 종래의 공구 홀더 및 인서트를 도시한 도면,
도 2는 인서트에 간접 냉각한 상태의 공구 홀더의 단부에 대한 확대도,
도 3은 도 2의 인서트 아래에 장착된 열교환기의 내부에 대한 세부도,
도 4는 도 2에 도시한 열교환기용 커버 플레이트의 하부를 도시하며, 열교환기 상의 소정 위치에 커버 플레이트를 갖는 공구 홀더의 단부에 대한 평면도,
도 5는 도 2의 공구 홀더의 하부를 도시한 도면,
도 6은 각종 절삭 속도에서 마이크로-채널 핀 형성된 표면을 갖는 열교환기의 사용이 공구 수명에 대한 효과를 나타낸 그래프,
도 7은 각종 절삭 속도에서 마이크로-채널 핀 형성된 표면이 없는 열교환기의 사용이 공구 수명에 대한 효과를 나타낸 그래프.
도 1은 종래의 일반적인 절삭 공구(10)를 도시한다. 절삭 공구(10)는 나사(16)에 의해 인서트(12)에 대해 조여질 수 있는 클램프(14)에 의해 홀더(13) 내에 보유되는 절삭 요소[예컨대, 인서트(12)]를 포함한다. 인서트(12)는 홀더(13)의 단부에 형성된 포켓(17) 내에 끼워지고, 인서트(12)의 절삭 에지(18)가 홀더(13)의 단부(15) 위로 연장됨으로써 절삭 에지는 공구(10)에 의해 절삭되는 소재와 결합할 수 있다. 도시한 바와 같이 인서트가 정방형이면, 인서트의 새로운 측부가 절삭되는 소재에 노출되도록 절삭 에지(18)가 마모될 때 인서트는 90도로 회전될 수 있다. 이와 같은 방식으로 사용되면, 장방형 인서트(12)는 실지로 4개의 절삭 에지(18)를 갖는다. 또한, 다른 개수의 절삭 에지를 갖는 다른 인서트가 잘 공지되어 있다. 이러한 타입의 절삭 공구 및 홀더는 절삭 공구가 회전하지 않는 적용, 예컨대 터닝 기계 또는 선반에 사용될 수 있다.
도 2는 인서트(12)에 간접 냉각을 적용하도록 변형된 절삭 공구(10)를 도시한다. 포켓(17) 내에는 단열체(21)가 배치되고, 단열체(21) 상에는 열교환기(19)가 배치된다. 마이크로-채널 열교환기(18)의 상부에는 열전도체 플레이트(23)가 배치되고, 열전도체(23)의 상부에는 인서트(12)가 배치된다. 클램프(14)는 포켓(17) 내에 요소 적층체를 보유하는데 사용된다.
도 3은 마이크로-채널 열교환기(19)의 일부분인 열교환기 매니폴드(22)와, 홀더(13)의 단부에 대한 세부도이다. 단열체(21)는 홀더(13)의 포켓(17) 내에 장착되고, 열교환기 매니폴드(22)는 단열체(21) 내에 장착된다. 단열체(21)는 열교환기 매니폴드(22)에 부착될 수 있고, 이들 요소의 조립체는 전자빔 용접에 의해 포켓(17)에 부착될 수 있지만, 다른 형태의 부착이 사용될 수 있다. 열교환기 매니폴드(22)는 4개의 벽(28-31)에 의해 둘러싸인 바닥부(27)에 의해 형성된 장방형 캐비티(26)를 포함한다. 캐비티(26)의 제 1 코너부에는 제 1 개구(33)가 형성되고, 상기 제 1 개구(33)에 대각선 반대편에 위치된 제 2 코너부에는 제 2 개구(34)가 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서, 제 1 개구(33)는 캐비티(26)에 들어가는 냉매용 입구이고, 제 2 개구(34)는 캐비티로부터 배출되는 냉매용 출구이다. 벽(28-31)의 상부면을 따라 은촉홈(rabbet) 또는 홈부(36)가 형성되어, 더욱 자세히 후술된 바와 같이 열교환기용 커버 플레이트(38)를 수용한다.
도 4는 열교환기 매니폴드(22)의 상부에 장착된 열교환기 커버 플레이트(38)의 하부에 대한 도면이다. 채널(41)에 의해 서로 분리되는 복수의 평행한 열전달 핀(40)은 열교환기 커버 플레이트(38)의 내부면 상에 형성된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 열교환기 매니폴드(22)의 캐비티(26) 위에 열교환기 커버 플레이트가 장착되면, 열교환기 핀(40)은 캐비티 내로 연장되고, 홀더(13)의 단부 상에 장착된 절삭 인서트(12)와 캐비티 내의 냉매 사이의 열교환을 증대시킨다.
또한, 도 4는 캐비티를 둘러싸는 벽(28-31) 상에 열교환기 커버 플레이트(38)가 배치되는 경우의 캐비티(26)의 내부를 도시한 도면이다. 열교환기 커버 플레이트(38)는 4개의 벽의 상부에 형성된 은촉홈(36) 내에 끼워진다. 제 1 개구(33)로부터의 냉매가 열교환기에 들어가는 마이크로-채널 열교환기(19)의 내부 상에는 냉매 입구 영역(43)이 형성되며, 이는 열교환기 중 가장 차가운 영역이다. 냉매 입구 영역(43)은 홀더(13) 내에 인서트가 클램핑될 때 인서트의 절삭 에지(18)에 인접하게 위치된다. 열교환기로부터의 냉매가 수집되어 냉매 출구 개구(34)로 이동되는 마이크로-채널 열교환기(19)의 내부 상에는 냉매 출구 영역(44)이 형성된다. 일 실시예에서, 열교환 핀(40)이 평행사변형의 형상으로 배치됨으로써, 열전달 핀의 측부(46)는 경계벽(29, 31)에 평행하고 열전달 핀의 단부(47)는 경계벽(28, 30)에 비스듬한 지점의 궤적을 형성한다. 열교환 핀(40) 배열체에 대한 평행사변형 형상은 냉매 입구 영역(43) 및 냉매 출구 영역(44) 양자에 삼각형 형상을 제공하며, 냉매 입구 개구(33) 및 냉매 출구 개구(34)는 상기 삼각형의 짧은 측부 옆에 위치된다. 열교환기 커버 플레이트(38)는 열교환 핀(40) 그리고 냉매 입구 영역(43) 및 냉매 출구 영역(44)을 각각 봉입하도록 경계벽(28-31)의 상부에 장착한다.
경계벽(28-31) 상에 장착되면, 열교환 핀(40)의 상부는 캐비티(26)의 바닥부(27)와 접촉하여, 마이크로-채널 열교환기(19)를 통해 핀들 사이에 형성된 채널(41)로의 냉매 흐름을 제한한다.
도 5는 공구 홀더(13)의 하부에 대한 사시도이다. 홀더의 하부에는 홈부(51)가 형성되고, 홈부(51) 내에는 냉매 입구관(52) 및 냉매 출구관(53)이 장착된다. 이와 같은 홈부(51)는 공구 홀더(도시하지 않음)의 후방까지 형성되어, 단열 진공 공간을 형성하도록 배기된다. 냉매 입구관(52)은 열교환기(26) 내의 냉매 입구 개구(33)에 결합되고, 냉매 출구관(53)은 냉매 출구 개구(34)에 결합된다. 절연 소재의 장착 블록(56)은 홀더(13)의 바디와 냉매 입구관 및 출구관(52, 53) 각각의 사이에 배치되어, 상기 관들로부터 홀더(13)로의 열 누설을최소화하고, 상기 관들을 홀더 상에 기계적으로 지지할 수 있다. 이와 같은 장착 블록(56)은 웜 공구 홀더(13)로부터 냉매 입구관(52)으로의 잠재적인 전도열 누설을 제거하도록 공구 홀더(13)에 연결되지 않는다. 냉매 입구관 및 출구관(52, 53)은 홈부(51)를 덮는 외측 쉴드(도시하지 않음)에 의해 보호될 수 있다. 사용시에, 냉매 입구관(52)은 통상적으로 액체 질소(LN2)를 열교환기(19)로 이송하고, 냉매 출구관(53)은 통상적으로 열교환기(19)로부터 가스 상태에 있을 수 있는 따뜻한 액체 질소를 이송한다. 다른 실시예에서, 출구관은 추가적인 냉각을 제공하도록 공구 홀더의 단부(15)로 형성될 수 있다. 단열체(21)는 공구 홀더(13)와 열교환기(19) 사이의 열전달을 최소화다고, 열전도체(23)는 열교환기(19)와 인서트(12) 사이의 열전달을 최적화한다. 단열체(21)와 열전도체(23)는 열교환기(19)의 성능을 최적화하지만, 인서트(12)를 냉각하는 기능을 수행하는데 열교환기에 절대적으로 요구되는 것은 아니다.
본원에 기술한 절삭 공구가 절삭 에지(18)를 갖는 인서트(12)를 사용하지만, 본 장치의 원리는 절삭 공구 바디에 납땜, 부착 또는 일체 형성되는 논-인서트 타입의 고정형 절삭 요소[예컨대, 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 카바이드 절삭 요소)를 사용하는 절삭 공구에 적용될 수 있다는 것을 당업자는 인식할 것이다.
사용시에, 인서트(12)로부터의 열은 열전도체(23)에 의해 열교환기(19)의 핀(40)에 결합된다. 액체 질소(LN2)는 고정형 공급원(도시하지 않음)으로부터 공구의 후방 상의 계면부(도시하지 않음)로의 냉매 입구관(53)으로 나온다. LN2가 공급원에서 배출됨에 따라, 주위 환경으로부터의 적은 양의 열전달은 냉매 입구관(52)에 들어가기 전에 적은 양의 극저온 유체를 증발시킨다. 이때, 질소는 2-상 유체(부분적으로 액체 및 부분적으로 기체)로서 알려져 있다. 이후, 액체 질소는 질량에 근거하여 2-상 유체의 대부분이 액체이면 (LN2)로 지칭된다. 가스상 질소는 질량에 근거하여 2-상 유체의 대부분이 기체이면 (GN2)로 지칭된다. 냉매 입구관(52)으로부터의 액체 질소(LN2)는 냉매 입구 영역(43)에 들어가서, 액체 질소가 열교환 핀(40)들 사이의 채널(40)을 통과하기 전에 인서트의 절삭 에지(18)에 최대의 냉각을 제공한다. 냉매가 열교환 핀(40)을 통과함에 따라, 인서트(12)로부터의 열은 얼마의 액체를 가스로 증발시킴으로써 열을 흡수하는 (LN2)로 전달된다. 그 다음, GN2는 냉매 출구 영역(44) 내에 수집된다. 열교환기 내의 액체 질소는 인서트(12)로부터의 열을 제거하도록 (LN2)의 증발 잠열을 사용한다. 이러한 증발 잠열은 열을 흡수하는 수단으로서 포화된 액체로부터 증기로의 액체 질소의 등온 상변화를 이용한다. 도시한 실시예에서, 냉매 출구 영역 내의 GN2는 냉매 출구관(53)으로 덕트 형성되어, 공구 홀더(13)의 작업 단부로부터 멀어진다. 또 다른 실시예(도시하지 않음)에서, GN2는 공구 홀더의 단부(15) 또는 바닥부 내의 개구로 이동되어, 대기로 배출된다.
시험 결과
도 6은 NAS 200TM 기계 냉매 등의 상업적으로 입수가능한 냉매에 의해 제트 냉각하고, 그리고 간접 인서트냉각을 갖는 절삭 공구를 이용하여 냉각하는 건식 기계가공을 위한 416 스테인리스강에 대한 기계가공 시험으로부터의 공구 수명 결과에 대한 플롯이다. 시험에서 사용된 모든 절삭 속도에서, 간접 인서트 냉각을 갖는 절삭 공구 시스템은, 건식 기계가공, 또는 기계 냉매에 의한 제트 냉각보다 공구 수명이 훨씬 길게 생성되었다.
시험은 간접 냉각을 갖는 절삭 공구 시스템에 대한 측면 마모부(flank wear land)가 건식 절삭, 또는 NAS 200TM 기계 냉매에 의한 제트 냉각보다 훨씬 적음을 나타낸다. 건식 기계가공 동안의 과도한 가열은 절삭 공구에 대한 얼마의 빌트업 에지(built-up-edge)를 초래한다. 이러한 빌트업 에지는 간접 인서트 냉각에 의한 절삭 공구 상에서는 관찰되지 않았다.
기계가공 실험 및 그 치수 정확도를 측정한 후에 부품을 검사하였다. 또한, 산술평균의 표면 거칠기 및 로크웰 B 경도를 측정하였다. 이러한 측정으로부터의 결과를 하기의 표 1에 제공한다.
표 1. 기계가공된 부품에 대한 시험후 검사
치수 정확도
(mils)		 산술평균의
표면 거칠기
(㎛)		 기계가공된 표면의
로크웰 B 경도
(± RBH)
건식 기계가공 5 >6.5 85
NAS 200TM에 의한 제트 냉각 4 >6.5 84
간접 인서트 냉각에 의한 절삭 공구 4 5.7 83
모든 부품의 치수 정확도는 기계 또는 작업자 오차 내에 있었다. 표면 거칠기를 측정하는데 사용한 도구는 6.5 ㎛ 이하의 값으로 제한된다. 건식 기계가공되고 제트 냉각된 부품의 기계가공된 표면은 상기 값을 넘었다. 간접 인서트 냉각을 이용한 도 2의 절삭 공구 시스템을 이용하여 기계가공된 부품의 평균 표면 거칠기는 항상 6.5 ㎛ 미만이었으며, 5.7 ㎛의 평균값을 가졌다. 측정에서는, 각각의 절삭 조건이 표면 근방에서 동일한 미세구조를 발생시키는 것을 나타내는 절삭 조건에 관계없이, 기계가공된 표면의 통계적으로 상당한 경도 변화를 나타내지 않는다. 이러한 결과는 간접 인서트 냉각에 의한 절삭 공구 시스템을 이용하는 공구 냉각이 기대하지 않은 미소구조의 변화 없이 정확하고 매끄러운 부품을 발생시키는 것을 나타낸다.
간접 냉각에 의한 절삭 공구 시스템에 의해 제공된 긴 공구 수명은, 절삭 공구 인서트(12) 뒤에 배치된 마이크로-채널 열교환기(22)의 결과라고 고려된다. 열교환기(22)는 열전달 계수 및 열전달 영역을 증대시키고, 그 양자는 열교환기를 냉각하는데 사용되는 액체 질소와 인서트의 후방면 사이의 열저항을 감소시킨다. 이러한 영향을 예증하기 위해, 마이크로-채널 열교환기(22)를 제거하였고, 마이크로-채널을 갖지 않는 금속 플레이트를 그 위치에 삽입하였다. 시험 결과는 도 7에 제공한다. 간접 인서트 냉각에 의하지만, 열교환기(22) 없는 절삭 공구와 유사한 절삭 공구의 성능이 마이크로-채널 열교환기(22)를 제거한 상태의 건식 절삭 또는 기계 냉매에 의한 제트 냉각보다 양호하지만, 절삭 공구 시스템의 냉각 성능 및 공구 수명은 감소하였다.
기계가공 동안의 인서트의 후방에서 취해진 온도 측정은, 절삭 공구 시스템 내의 마이크로-채널 열교환기가 건식 절삭에 비해 200 K(Kelvin) 이상만큼 인서트의 온도를 감소시킴을 보여준다. 종래의 냉각 및 건식 기계가공에 대해, 인서트의 후방에서의 온도는 기계가공 통과 동안에 증가하고, 기계가공 통과의 말기로부터 부품의 자유 단부로 다시 공구가 이동됨에 따라 감소한다. 그 다음, 또 다른 기계가공 통과의 시초에 온도가 상승한다. 간접 냉각된 공구 인서트에 대해, 기계가공의 시초 동안에 온도가 상승했지만, 기계가공 통과 동안에는 (계속하여 증가하기보다는) 안정된 값에 도달하였다. 이에 따라, 간접 냉각된 인서트는, 종래의 플러드 냉각 또는 건식 가계가공 조건 하에서 작동하는 인서트보다 열적으로 보다 안정되었다. 15 기계가공 통과에 대응하는 이러한 사이클 15번 동안에 온도를 측정하였다. 간접 인서트 냉각에 의한 절삭 공구의 경우에는, 기계가공 전에 시스템을 사전 냉각하는 동안에 3-분의 주기가 있다. 사전 냉각 주기 동안의 냉매의 흐름은 절삭 공구 시스템에 요구되는 총 유량에 대한 연산에 포함된다. 마이크로-채널 열교환기 없이는, 건식 절삭에 비해 약 50 Kelvin 만큼의 인서트 온도만이 감소된다. 열전대의 배치로 인해 냉매 제트에 의한 냉각 동안에는 인서트 온도를 정확하게 측정하지 않았다. 그러나, 측면 마모 결과 및 절삭유의 비교적 열화된 열전달 성능에 근거하여, 인서트의 후방의 온도가 건식 절삭 동안에 측정된 온도 근방에 있었음이 합리적으로 암시될 수 있다.
이점
간접 절삭 공구 냉각을 위한 마이크로-채널 열교환기(22)를 갖는 절삭 공구는 몇 가지의 성능 이점을 제공한다. 합성 냉매에 의한 제트 냉각을 위한 2가지의 요인에 의해 그리고 건식 기계가공에 대한 21%만큼 기계가공 공정에 대한 환경적 영향이 감소된다. 공구 수명은 고속 절삭에서 50% 그리고 저속 절삭에서 700%만큼 증가한다. 마무리된 부품의 높은 치수 정확도를 유지하면서 최종 부품의 품질이 개선된다.
간접 냉각 방법은 몇 가지의 환경적 및 비용적 이점을 갖는다.
제로 독성 배출물( Zero Toxic Emission ). 상술한 바와 같이 인서트, 액체 질소를 사용하면, 절삭유와 관련된 기계가공 공정으로부터 독성 배출물을 제거하는 예방 위주의 오염 제어 접근법이다. 간접 냉각 방법은, 종래의 직접 냉각 방법보다 250배 적은 유량으로 인서트 가스상 질소만을 생성한다. 공정에 사용되는 소량의 질소는 대기로 쉽고 안전하게 배출될 수 있다.
저비용( Low Cost ). 건식 절삭 또는 합성 냉매를 이용하는 제트 냉각에 비해, 간접 냉각 방법이 기계가공에 대한 최저의 비용 옵션을 나타낸 것으로 비용 연구에서 나타난다. 절삭유의 조달, 유지보수, 세척 및 처분에 대한 비용이 없어진다. 간접 냉각을 실시하면, 기계 공구에 대한 상당한 변경을 필요로 하지 않고, 그 결과 대형 및 소형 기계가공 센터에 의해 쉽고 구입가능하게 실시될 수 있다.
작동 유체의 매우 낮은 유량( Very Low - Flow Rate of Working Fluid ). 높은 열전달 성능으로 인해, 간접 냉각 방법은 10 리터의 액체 질소만을 요구하므로, 2000 리터의 합성 냉매를 이용하는 종래의 동등한 기계가공 작업에 비해 2-폴드(fold) 이상만큼 공구 수명을 증대시킨다. 이러한 냉매 용적은 8시간 시프트에 대해 연속으로 작동하는 하나의 기계에 대한 냉매 요건을 나타낸다.
건식 절삭에 대한 모든 이점(All the Benefits of Dry Cutting ). 건식 절삭의 주요 이점 중 하나는, 칩 및 마무리된 부품이 기계를 깨끗하고, 건조하며, 다음 제조 단계를 위해 준비되게 배출된다는 점이다. 간접 냉매를 이용하면, 동일한 이점이 저비용으로 실현된다.
이와 같이 장치를 기술하였지만, 첨부한 청구범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 각종 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백하다.

Claims (19)

  1. 절삭 공구 홀더 상에 장착된 절삭 공구 요소를 간접 냉각하는 장치에 있어서,
    상기 절삭 공구 요소는 하나 이상의 절삭 공구 에지를 갖고,
    상기 장치는,
    상기 절삭 공구 홀더의 단부에 장착되며, 외부면과 내부면을 갖는 열교환기; 및
    상기 열교환기의 내부면에 주위 온도 미만의 냉매를 공급하는 냉매 공급원을 포함하며,
    상기 열교환기의 외부면은 상기 절삭 공구 요소와 열교환 관계에 있고, 상기 열교환기의 내부면에 공급되는 냉매는 상기 절삭 공구 요소를 냉각하도록 상기 열교환기로부터의 열을 제거하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 절삭 공구 요소와 상기 절삭 공구 홀더 사이에 장착되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    열교환기 매니폴드와, 상기 열교환기를 포함하는 커버 플레이트를 더 포함하여, 상기 커버 플레이트가 상기 열교환기 매니폴드 상에 장착되면, 상기 열교환기의 내부에 캐비티가 형성되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열교환기 내의 제 1 개구에 결합되는 냉매 입구관과, 상기 열교환기 내의 제 2 개구에 결합되는 냉매 출구관을 더 포함하며,
    상기 냉매 입구관은 상기 열교환기의 캐비티에 냉매 공급원을 결합하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열교환기의 캐비티 내에 배치된 복수의 열교환 핀을 더 포함하며,
    상기 열교환 핀은 인서트로부터의 열을 제거하도록 상기 열교환기의 성능을 강화하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절삭 공구 요소는 절삭 공구 인서트인
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 절삭 공구 요소는 상기 절삭 공구 홀더에 납땜되거나 또는 영구적으로 부착되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 절삭 공구 요소는 상기 절삭 공구 홀더와 일체 형성되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 캐비티 내에 냉매 입구 영역을 더 포함하며,
    상기 냉매 입구 영역은 상기 냉매 입구관을 위한 상기 개구를 구비하며 상기 절삭 공구 요소의 하나 이상의 절삭 에지에 인접하여, 상기 캐비티에 들어오는 상기 냉매가 상기 냉매 입구 영역에 먼저 들어감으로써 상기 절삭 공구 요소의 하나 이상의 절삭 공구 에지에 최대의 냉각을 제공하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    평행한 상기 열교환 핀들 사이에 형성된 복수의 채널을 더 포함하여, 상기 캐비티 내의 냉매가 상기 제 1 개구로부터 상기 냉매 입구 영역으로 그리고 상기 열교환 핀들 사이의 상기 채널을 통해 흐름으로써 상기 절삭 공구 요소를 냉각하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉매 입구 영역으로부터 상기 캐비티의 대향 측부 상에서 상기 캐비티 내에 형성된 냉매 출구 영역을 더 포함하여, 상기 냉매가 상기 열교환기의 일측부 상의 상기 캐비티에 들어가서, 평행한 상기 열교환기 핀들 사이에 형성된 채널을 통해 상기 캐비티의 대향 측부 상의 상기 냉매 출구 영역으로 들어가는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열교환 핀의 측부는 상기 하나 이상의 절삭 공구 에지에 수직하고, 상기 열교환 핀의 단부는 상기 하나 이상의 절삭 공구 에지에 대해 비스듬함으로써, 상기 냉매 입구 영역은 삼각형 형상을 가지며, 상기 냉매 입구관으로부터의 입구는 상기 삼각형 내에 위치되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 열교환기와 절삭 공구 바디 사이의 상기 절삭 공구의 단부 상에 배치되는 단열체를 더 포함하여, 상기 열교환기와 상기 절삭 공구 바디 사이의 열교환이 감소되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 열교환기와 상기 절삭 공구 요소 사이에 배치된 열전도체를 더 포함하여, 상기 열교환기와 상기 절삭 공구 바디 사이의 열교환이 증가되는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 냉매를 포함하는 액체 질소를 더 포함하며,
    상기 냉매 입구관으로부터 상기 냉매 입구 영역에 액체 질소가 들어가고, 상기 열교환 핀들 사이의 채널을 통과하며, 상기 냉매 출구관에 의해 상기 열교환기의 캐비티로부터 배출되기 전에 상기 냉매 출구 영역에 들어가는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 액체 질소는 건식 기계가공 기술을 이용하여 워크피스를 기계가공하는 것에 비해 워크피스를 200 K(Kelvin)를 초과하는 기계가공하는 동안에 상기 인서트의 온도를 감소시킬 수 있는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 액체 질소는 워크피스의 기계가공할 때에 합성 냉매에 필요한 유량의 1% 미만인 유량을 이용하여 워크피스를 기계가공할 때 상기 인서트의 온도를 감소시킬 수 있는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 열교환기 내의 상기 액체 질소는 상기 절삭 공구 요소로부터의 열을 제거하도록 상기 액체 질소의 증발 잠열을 이용하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기의 내부면에 공급되는 상기 냉매를 포함하는 액체 질소를 더 포함하여, 상기 열교환기 내의 상기 액체 질소는 상기 절삭 공구 요소로부터의 열을 제거하도록 상기 액체 질소의 증발 잠열을 이용하는
    절삭 공구 요소용 간접 냉각 장치.
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