KR20120016103A - 회전형 공구용 냉각 시스템 - Google Patents

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제이 크리스토퍼 로지
존 켄달 샌더스
크리스쳔 헨리 파소우
마이클 필립 데이
에버레트 에드거 주니어 아치볼드
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Abstract

회전형 절삭 공구용의 간접 냉각 시스템은 절삭 공구의 후방면 상에 형성된 캐비티로 전달되는 극저온 냉매를 이용하여, 절삭 요소의 절삭 에지 근방을 냉각한다. 작동 유체의 총 유량이 적기 때문에(0.08 L/분/절삭 에지 미만), 유체가 캐비티로부터 대기로 안전하게 배출될 수 있고, 그 결과 전문의 냉매 회수 또는 환기 장비를 필요로 하지 않는다. 절삭 요소와 냉매 사이의 열전달을 증대시키도록 캐비티는 핀과 함께 형성될 수 있고, 공구-칩 계면부를 냉각하도록 절삭 요소의 외부면 상에 냉매가 직접 분사될 수 있다. 간접 냉각 시스템은 종래의 절삭유의 사용 없이 종래의 소재를 기계가공할 뿐만 아니라, 기계가공하기 어려운 금속 및 복합재에 사용될 수 있다.

Description

회전형 공구용 간접 냉각 시스템{INDIRECT COOLING OF A ROTARY CUTTING TOOL}
회전식 절삭 공구의 공구-칩 계면부(tool-chip interface)용의 냉각 시스템은 티타늄 합금 및 저 열전도성을 갖는 다른 고도 소재의 고속 기계가공을 가능하게 하도록 극저온 유체에 의해 절삭 에지의 간접 및 직접 냉각 양자를 이용한다.
절삭 공구 및 워크피스 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, 이러한 선택은 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 안내되기가 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.
또한, 공구 마모를 감소시키도록 고압 제트의 냉매를 사용하는 것이 연구되고 있다. 이러한 접근법은 공구 마모를 효과적으로 감소시키지만, 몇 가지의 결점이 있다. 첫째로, 제트는 전력을 소모하는 대형 압축기를 이용하여 가압된 냉매를 필요로 하므로, 공정에 대한 비용적 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 냉각 시스템보다 1배 내지 3배 크기 정도 큰 액체 유량을 필요로 한다. 이러한 점은 고압 제트를 이용하는 비용적 및 환경적 영향을 급격하게 증대시킨다.
또 다른 접근법은 절삭 공구 인서트의 상부에 액체 질소로 냉각된 캡 형상의 저장기에 대한 통합을 수반하며, 이는 선반 터닝 작업에 대한 공구 마모를 감소시키는 것으로 나타나 있다. 이러한 접근법은 비교적 낮은 열전달 효율을 가지며, 본 설계보다 2배 내지 3배 크기인 극저온유체의 유량을 필요로 한다. 절삭 공구 인서트의 상부에 저장기가 위치되기 때문에, 장치가 제조 환경에 사용되기 어렵다. 선반 터닝(lathe turning)에서 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 특히 회전형 공구에 의한 제조 환경에서는 사용되기가 쉽지 않다.
공구-칩 계면부에 극저온 유체를 전달하는 것은 많은 적용, 즉 종래의 절삭유를 사용하지 않고서 종래의 소재의 환경 친화적인 기계가공뿐만 아니라, 티타늄 합금의 고속 기계가공, 세라믹 기지 복합소재의 고속 기계가공, 알루미늄 금속 기지 복합소재의 고속 기계가공에 유용하다. 본원에 사용된 용어 "극저온유체(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.
효과적인 냉각을 위해 요구되는 극저온유체의 양은 기계가공 시의 공구에 대한 열전달율의 함수이다. 기계가공 작업과 관련된 체적 열발생, qm은
Figure pct00001
로서 표현되며, 여기서,
Figure pct00002
,
Figure pct00003
, 및 V는 각각 1차 전단 영역으로서 알려진 변형된 소재의 기계가공 시의 변형 속도, 소재 흐름 응력 및 체적이다. 상수 Ψ는 현열로서 소멸되는 변형 에너지의 일부분을 나타낸다. 금속의 경우, 이러한 상수의 값은 0.8 이상이다. 1차 전단 영역 내에서 발생되는 에너지는 기계가공 후의 결과적인 칩의 열로서 나타내어지거나, 또는 공구에 전달될 수 있다. 공구 내로 흐르는 열의 일부분은 공구 기하학적 형상, 소재, 기계가공 조건 및 다른 변수의 함수이다. 공구 상의 각각의 절삭 에지 내의 최대 열전달율, qt를 측정하는데에 확립된 방법(분석법 및 컴퓨터 이용법)이 사용되었다. 고도 소재를 기계가공하는 것과 관련된 주요 조건의 경우, 열전달율은 절삭 에지 당 최대 200 W이었다. 대기압에서, 액체 질소(LN2)의 증발 잠열은 대략 180 J/g이다. 이는 절삭 에지에 근접하게 전달될 수 있는 경우에 0.07 L/분(또는 1.1 g/sec)의 LN2만이 절삭 에지 당 열에너지를 소멸하는데 필요하다는 것을 암시한다. 10 K의 온도차를 갖는 동일 양의 열을 제거하는데, 가스상 질소(GN2)의 유량의 대략 10배가 요구된다. 이에 따라, LN2를 이용하면 전체 냉매 흐름 요건을 최소화시킨다.
극저온유체는, 공구에 도달하기 전에, 진공 절연형 튜브를 통해 그리고 절삭기계 공구 스핀들 내에 장착된 다른 하드웨어를 통해 고정형 공급원으로부터 전달된다. 극저온유체는 공급원에서 배출되어 공구 쪽으로 흐름에 따라 포화된 상태에 있다. 포화된 상태는 극저온유체가 흐름에 따라 극저온유체로의 임의의 열 입력이 얼마의 액체를 증기로 증발시키는 것을 의미한다. 공구 자체의 상류에 있는 구성요소 중 주요 요소는 환경으로부터 극저온유체 내로의 열전달(극저온유체 내로의 열 누설로 알려짐)에 대한 최소화이다. 열 누설은 결코 0(zero)가 될 수 없고, 이에 따라 공급원으로부터 나온 후의 흐름은 액체와 기체가 동시에 존재하는 2-상 흐름으로서 알려져 있다. 극저온유체 내로의 열 누설을 최소화하면, 2-상 흐름 내의 액체 분율을 최대화시키고, 절삭 에지에서의 잠열 전달량을 증대시키며, 효과적인 냉각을 위해 요구되는 전체의 유량을 감소시킨다.
극저온유체는 절삭 에지로부터의 효과적인 열 제거를 용이하게 하도록 회전식 공구 홀더 내에 기계가공된 채널로 전달된다. 극저온유체는 이러한 채널을 통해 절삭 요소의 배면 상에 형성된 캐비티로 이동함으로써, 절삭 요소의 절삭 에지 근방에서의 효과적인 냉각을 가능하게 한다. 극저온유체의 총 유량이 낮기 때문에(0.08 리터/분/절삭 에지 미만), 유체는 인서트의 후방 내의 캐비티로부터 대기로 안전하게 배출되고, 그 결과 전문적인 냉매 회수 또는 환기 장비가 필요하지 않다. 현재의 추정에 근거하면, 잠열 열전달을 위해 0.07 L/분/절삭 에지 이하가 사용되는 한편, 0.1 L/분/절삭 에지가 상류의 열 누설을 흡수한다. 따라서, 절삭 에지에 도입되는 2-상 흐름 중 증기량은 대략 0.13이다. 극저온유체의 큰 유량(> 1 L/분) 및 그와 관련된 환기 요건을 사용하는 필요성은 종래기술과 관련된 상당한 제한사항이다. 전술한 바에서, 용어 "극저온유체"는 공구를 통한 냉매 흐름을 기술하는데 사용될 것이다. 본원에 기술한 시스템의 경우, 용어 "극저온유체"는 2-상 흐름인 것으로 이해된다.
본 발명은 표준 엔드 밀 및 다른 회전형 절삭 공구와 함께 사용되도록 설계되며, 그 결과 현재의 제조 작업과 용이하게 통합될 수 있다.
도 1은 엔드 밀 및 절삭 공구 인서트의 작업 단부에 대한 상세도,
도 2는 도 1에 도시한 인서트의 후방면을 도시한 도면,
도 3은 공구-칩 계면부의 직접 및 간접 극저온유체 냉각을 갖는 엔드 밀을 도시한 도면,
도 4는 인서트를 제거한 상태에서의, 도 3의 엔드 밀을 도시한 도면,
도 5 및 도 6은 극저온유체를 수용하는 캐비티를 갖는 인서트의 배면도 및 정면도,
도 7은 일체로 형성된 핀을 갖는 캐비티를 구비한 인서트의 배면도,
도 8은 상이한 공구 윤활 및 냉각 기술을 이용하여 공구 수명에 대한 표면 속도의 효과를 나타낸 그래프,
도 9는 회전형 공구의 공구 수명을 나타내는 그래프.
도 1은 엔드 밀(10) 등의 회전식 절삭 공구의 단부를 도시한다. 나사(13)에 의해 공구 바디(11)의 단부 내의 포켓(14)에는 인서트(12)가 고정될 수 있다. 인서트(12)는, 인서트의 코너부 둘레를 감싸는 절삭 에지(15)를 갖는다. 도시한 특정 밀링 커터는 서로 180도로 배치된 2개의 인서트(12)를 수용하는 2개의 포켓(14)을 가지지만, 다른 개수의 인서트를 수용하는 포켓을 갖는 엔드 밀이 당해기술에 잘 공지되어 있다. 또한, 인서트를 가지지 않지만, 워크피스를 절삭하기 위해 일체로 형성된 플루트(flute) 또는 절삭 바디에 납땜되거나 또는 그와는 달리 부착되는 절삭 요소를 갖는 플루트형 엔드 밀(fluted end mills)도 당해기술에 잘 공지되어 있다. 기계가공의 당업자는, 본원에 기술된 간접 냉각 시스템이 일체형 또는 부착형 절삭 에지, 또는 인서트와 함께 임의의 회전형 공구에 적용할 수 있음을 이해할 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 인서트(12)는 하기에 기술된 바와 같이 인서트의 후방면에 극저온유체를 적용함으로써 간접적으로 냉각된다.
극저온유체는 엔드 밀(10)을 장착하는 공구 홀더에 결합하는 회전식 냉매 홀더(도시하지 않음)에 의해 또는 스핀들을 통해 회전식 절삭 공구(10)로 전달된다. 엔드 밀(10) 내에 형성된 채널(17)은, 인서트(12)의 후방면(16)에 냉매가 전달될 수 있도록 냉매를 출구(18)로 전달한다. 증발된 극저온유체(가스)가 대기로 배출되게 하도록 인서트(12)의 전방에는 배출 출구(19)가 형성된다.
도 2는 도 1의 인서트(12)의 후방을 도시한다. 예컨대 방전 가공(electro-discharge machining: EDM) 또는 다른 기계가공법에 의해 절삭 에지(15) 반대편의 인서트의 후방면(16) 내에 캐비티(21)가 형성된다. 후방면(16) 상의 캐비티(21)의 위치는 인서트의 절삭 에지(15)에 근접하게 극저온유체를 전달한다. 인서트 내의 캐비티(21)에 의해 형성되는 증대된 표면적은, 출구(18)로부터 캐비티로 전달되는 극저온유체와 인서트 사이의 열전달을 증가시킨다. 인서트의 정면에 도시된 배출 출구(19)와 연통하는 캐비티(21) 내에는 배출 포트(22)가 형성된다.
사용시에, 인서트(12)를 공구의 포켓(14) 내에 위치한 상태에서, 극저온유체는 인서트의 후방면 내에 형성된 캐비티(21)에 극저온유체를 도입하는 출구(18)로 채널(17)을 통해 전달된다. 극저온유체는 인서트로부터의 열을 제거하고, 극저온유체를 캐비티(21)에 도입하는 출구(18)에 바로 인접한 인서트의 절삭 에지(15)의 영역 내에서 가장 많은 열 제거가 된다. 인서트의 정면 상의 배출 포트(22)에 의해 캐비티(21)로부터 증발된 극저온유체(가스)가 배출된다. 액체 질소의 경우에, 요구되는 냉매 흐름은 15 리터/분의 유량으로 종래의 냉매를 사용하는 플러드 냉각에 비해, 각 절삭 에지에 대해 대략 0.08 L/분이다.
도 3 및 도 4는 직접 및 간접 냉각 포트 양자의 사용을 통해 절삭 공구 냉각을 나타내는 엔드 밀(25)의 변형 실시예에 대한 상세도이다. 엔드 밀(25)은 3개의 인서트(26)를 수용하는 3개의 포켓(32)을 갖는다. 극저온유체는 엔드 밀(25) 내의 내부 절연된 채널(27)을 통해 적절한 공급원으로부터, 직접 냉각 채널(28) 및 간접 냉각 채널(29)을 형성하도록 흐름을 분리하는 공구의 절삭 팁을 향해 흐른다. 인서트(26) 중 하나만을 위한 냉각 채널이 도시되어 있고, 그와 유사한 채널이 다른 인서트(26)를 위해 제공된다. 직접 냉각 채널(28)은 공구-칩 계면부 상에 극저온유체의 스트림(35)을 직접 분사하는 인서트(26)로부터 이격된 엔드 밀 상의 제트 개구(31)에서 종결한다. 간접 냉각 채널(29)은, 도 1 및 도 2와 함께 상술된 바와 같이 인서트(26)의 배면에 냉매를 지향시키도록 공구 포켓(32) 내에 배치된 출구(33)로 냉매 흐름을 지향시킨다.
도 5 및 도 6은 2개의 절삭 에지(37)를 갖는 인서트(36)의 배면(39) 및 정면(43)을 각각 도시하며, 절삭 에지(37) 중 하나만이 한 번에 사용될 것이다. 인서트(36)는, 그 후방면(39) 내에 형성된 2개의 장방형 캐비티(38)를 갖는다. 각각의 캐비티(38)는 인서트의 후방에 적용되는 극저온유체의 냉각 효과를 최대화하도록 절삭 에지(37)에 근접하게 인서트(36) 상에 배치된다. 도 6에 도시한 바와 같이 인서트의 정면(43) 상의 배출 출구(42)로 안내하는 인서트의 후방면(39) 상의 각각의 캐비티(38) 내에는 배출 포트(41)가 형성되어, 캐비티(38)로부터 대기로 가열된 극저온유체를 배출한다.
도 7은 인서트(45)의 변형된 형태를 도시하며, 인서트의 후방면(47) 내에 형성된 각각의 캐비티(46)는 일체형 핀(48)을 구비한다. 핀(48)은 극저온유체와 인서트(45) 사이에서 표면적 접촉을 증대시켜서, 인서트로부터 극저온유체로의 열전달을 더욱 증대시킨다. 각각의 캐비티(46)는 인서트의 정면에 형성된 배출 출구를 통해 극저온유체를 배출하게 하는 배출 포트(도시하지 않음)를 구비한다.
시험 결과
종래의 플러드 냉각을 하는 회전형 절삭 공구와, 도 1 및 도 2에 도시한 간접 냉각 시스템을 이용하는 인서트(12)를 갖는 회전형 절삭 공구를 이용하여 기계가공을 수행하였다. 티타늄의 시험 블록 내의 4개의 슬롯을 연속하여 기계가공하는데 각각의 절삭 공구 구성을 사용하였다. 시험 후에, 인서트(12)를 제거하고 공구 마모를 위해 검사하였다. 플랭크 마모 흔적(flank wear scar)의 평균 크기를 측정하였고, 공구를 교체해야 하기 전에 견딜 수 있는 마모량으로서 0.3 mm 마모의 산업 표준을 이용하여 공구 수명을 예측하였다. 본 시험은 플러드 냉각된 인서트에 비해, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 간접 냉각된 인서트의 경우에 공구 수명이 478% 증대됨을 나타낸다.

표 1. 티타늄 기계가공으로부터의 공구 마모 결과
200 ft/분의 표면 속도에서의 실험
간접 절삭 공구 냉각

절삭 깊이 = 0.125 인치
~LN2의 0.16 L/분
공구 수명 = 18.5분
 플러드 냉각

절삭 깊이 = 0.125 인치
냉매의 15 L/분
공구 수명 = 3.2 분
간접 냉각에 의한 회전형 공구의 공구 수명 시험 결과는 도 4에 도시한 실시예를 위해 도 8에 도시한다. 1.0 인치의 폭인 .0625의 절삭 깊이로 절삭하는 도 3에 도시한 바와 같이 3개 인서트의 1인치 엔드 밀을 이용하여 시험을 수행하였다. 15 L/분까지의 표준 합성 냉매를 요구하는 종래의 플러드 냉각에 의한 공구에 비해, 0.23 L/분(3개의 에지를 위한 대략 0.08 L/분/절삭 에지)의 유량에 의한 인서트의 간접 냉각을 갖는 공구의 공구 수명 증대는, 상기한 표 1에 제공된 공구 마모 결과와 관련하여 도시한 공구 수명의 증대와 유사하다. 이러한 성능 개선은, 종래의 냉매에 비해 공구 수명의 저감 없이 절삭 속도를 증대시킴으로써 기계가공의 비용을 직접적으로 감소시킨다. 이러한 결과는 인서트의 절삭 에지 근방의 국부적인 열저항의 중요성을 예증한다. 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 인서트 내의 단순한 캐비티를 기계가공함으로써, 표면을 강화하는 특징부 없이 공구 수명이 실질적으로 개선된다.
공구-수명 시험에 사용되는 슬롯 형성된 티타늄 샘플에 대해, 기계가공 부품의 표면 거칠기, 경도 및 잔여 응력에 대해 측정하였다. 표면 거칠기에 관하여, 극저온유체의 0.16 L/분 유량(2개의 에지를 위한 대략 0.08 L/분/절삭 에지)에 의한 도 1에 도시한 실시예에 대응하는 절삭 공구가 기계가공된 표면 거칠기 면에서 종래의 냉매 흐름의 15 L/분 유량에 의해 플러드 냉각의 성능과 적어도 동일하다. 간접 인서트 툴링에 의한 절삭 공구는 기계가공된 부품의 표면 상태를 보다 빠른 절삭 속도에서 실지로 개선시킬 수 있음을 알았다.
기계가공된 슬롯의 기하학적 중심에서 로크웰 시험기에 의해 표면 경도를 측정하였다. 시험된 모든 기계가공된 표면의 경우, 로크웰 C 경도는 가공되지 않은 소재 아래에서 대략 3 RC 유닛이었다. 이는 결과적인 경도와 절삭 공구 냉각 방법론 사이에 상관관계가 없음을 제안한다. 그 결과, 간접 인서트 툴링에 의한 절삭 공구는 워크피스 소재의 소재 마이크로구조에 기대되는 효과를 가졌다.
X-선 회절을 이용하여 잔여 응력 분포를 측정하였다. 잔여 응력은 피로 수명의 지표이다. 간접 인서트 냉각에 의한 절삭 공구에 대한 결과는, 종래의 플러드 냉각에 비해, 부품의 피로 수명, 또는 기계가공된 부품 표면 근방의 잔여 응력 분포에 대한 부정적인 영향을 가지지 않는다.
도 3 및 도 4에 도시한 실시예의 효율을 예증하도록 티타늄의 시험 블록을 기계가공하였다. 수직형 CNC 머시닝 센터(machining center)를 이용하여 2개의 평행한 깊은 포켓을 기계가공한, 공칭 2.75×8×21 인치인 밀 어닐링된 Ti6Al4V의 블록에 대해 기계가공을 수행하였다. 포켓 각각은 2.5×3.55×20.6 인치의 치수를 갖는다. 이러한 시험의 목적은 간접 냉각된 공구의 성능을 예증하며 티타늄 피로 시험 샘플을 제조하는 것이었다. 6개의 모든 측부에 대해 티타늄 블록의 외부를 스킴 절삭(skim cut)하였다. 예증 시에, 인서트를 변경하기 전에 160 분(각각에 8 분 동안에 20 통과) 동안에 간접적으로 냉각된 공구를 이용하여 기계가공을 수행하였다. 비교로서, 플러드 냉각에 의한 표준 공구를 이용하여 기계가공하면, 간접적으로 냉각된 인서트와 동일한 지점에서 인서트가 마모(0.3 mm의 플랭크 마모)하기 전에 46 분(2.2분 동안에 21 통과) 동안에 기계가공을 수행하였다. 이는 인서트의 간접 냉각이 종래의 플러드 냉매 및 표준 인서트의 거의 3.5배만큼 공구 수명을 증대시킴을 나타낸다. 피로 시험 결과에서는, 간접 인서트 냉각 방법을 이용하여 기계가공된 쿠폰이 종래의 플러드 냉각을 이용하여 기계가공된 것과 동일한 피로 강도를 가짐을 확인하였다.
도 9는 간접 냉각 시스템에 의해 도 3에 도시한 바와 같은 회전식 공구의 공구 수명이 종래의 플러드 냉각에서보다 거의 600% 길어짐을 나타낸다. 공구 수명은 0.3 mm 평균 플랭크 마모에 도달하기 전에 기계가공 시간량으로서 연산된다. 0.3 mm 평균 플랭크 마모 측정은 산업 승인된 공구 수명 기준 및 공구 마모 측정법을 규정하는 ANSI/ASME B94.55M-1985 (Reaffirmed 1995)의 Section 7과 일치한다.
도 9는 플러드 냉각에 의해 표준 인서트, 및 간접 냉각 시스템에 의한 변형된 인서트를 이용한 절삭 시간 대 평균 플랭크 마모에 대해 도시한다. 도 9는 간접 냉각 시스템에 의핸 변형된 인서트가 표준 플러드 냉매에 의한 변형되지 않은 인서트보다 훨씬 적은 마모를 가짐을 나타낸다. 플러드 냉매 인서트가 0.3 mm 플랭크 마모 수명 한계점에 도달하는 시간(약 3분)에, 단순한 정방형 캐비티 인서트에 의한 간접 냉각 시스템은 0.05 mm 플랭크 마모를 가진다. 단순한 정방형 캐비티 인서트에 의한 간접 냉각 시스템을 이용한 추가적인 기계가공은, 9분 후에, 간접 냉각된 인서트가 0.3 mm 플랭크 마모 수명 한계점의 반에 도달하는 것을 나타낸다.
티타늄 합금을 기계가공하는 간접 절삭 공구 냉각 시스템의 접근법은 절삭 공구 온도를 실질적으로 감소시키고, 이에 의해 처리 속도를 상당히 증대시킨다. 간접 절삭 공구 냉각 시스템은 티타늄 구성요소의 시장성을 크게 개선시키므로, 다른 적용에서 티타늄의 사용을 증대시켜야 한다.
본 설계는 티타늄의 고속 기계가공에서 대부분 필요한 위치, 즉 절삭 에지를 냉각하는 것에 관한 것이다. 이와 같이 하여, 기술된 바와 같은 간접 냉각은 기계가공되는 부품을 불필요하게 냉각하지 않고서 절삭 공구의 온도를 감소시킨다. 최종적인 결과는 처리 속도를 크게 개선하여, 처리 비용을 상당히 감소시킨다.
이와 같이 장치를 기술하였지만, 첨부한 청구범위에서 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 각종 변경 및 수정이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백하다.

Claims (14)

  1. 공구 바디와 절삭 요소를 갖는 회전형 공구용 간접 냉각 시스템에 있어서,
    상기 절삭 요소를 장착하도록 상기 공구 바디 상에 있는 하나 이상의 특정 영역(specific area);
    주위 온도보다 낮은 온도의 냉매를 상기 절삭 요소의 후방면에 안내하도록 상기 공구 바디 내에 있는 간접 채널(indirect channel); 및
    상기 간접 채널로부터 상기 냉매를 수용하도록 상기 절삭 요소의 후방면 내에 형성된 캐비티(cavity)로서, 상기 캐비티 내의 냉매는 상기 절삭 요소를 냉각하는, 상기 캐비티를 포함하는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐비티 내의 배출 포트와, 상기 절삭 요소의 면 상에서 상기 배출 포트에 결합되는 배출 출구를 더 포함하며, 상기 캐비티 내로 흐르는 냉매는 상기 배출 출구를 통해 대기로 배출될 수 있는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 캐비티 내에 형성된 핀(fins)을 더 포함하며,
    상기 핀은 상기 절삭 요소로부터 상기 냉매로 열에너지의 전달을 강화하는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 냉매를 포함하는 극저온유체를 더 포함하는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉매는, 워크피스를 기계가공할 때 합성 냉매에 요구되는 유량의 2% 미만의 유량을 이용하여, 동일한 워크피스를 기계가공할 때 상기 절삭 요소의 온도를 감소시킬 수 있는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 절삭 요소로부터의 열을 제거하도록 상기 냉매의 증발 잠열을 이용하는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    인서트 상에 냉매를 분사하도록 상기 공구 바디 상에 있는 개구; 및
    상기 개구에 냉매를 안내하도록 상기 공구 바디 내에 있는 직접 냉각 채널을 더 포함하며,
    상기 절삭 요소는, 상기 절삭 요소 상에 분사되는 냉매 및 상기 절삭 요소의 후방면에 적용되는 냉매에 의해 냉각되는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 절삭 요소는 절삭 공구 인서트(cutting tool insert)인
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 절삭 요소는 상기 공구 바디에 납땜되거나 또는 상기 공구 바디에 영구적으로 부착되는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 절삭 요소는 상기 공구 바디와 일체형인
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 공구 바디 내에 형성되어 인서트를 수용하는 2개 이상의 포켓으로서, 상기 인서트는 각각의 포켓 내에 장착되며, 각각의 포켓은 상기 인서트의 후방면에 냉매를 안내하는 간접 냉각 채널을 더 포함하며,
    상기 공구 바디 내의 상기 인서트 각각은 간접 냉각에 의해 냉각되는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공구 바디 상에 장착되며 상기 인서트로부터 이격되는 2개 이상의 제트 개구; 및
    상기 제트 개구에 냉매를 공급하도록 상기 제트 개구 각각에 결합된 직접 냉각 채널을 더 포함하며,
    상기 제트 개구는 상기 인서트를 간접 냉각하도록 상기 인서트 상에 냉매를 분사하는 한편, 상기 인서트는, 상기 인서트의 후방면 상의 상기 캐비티에 공급되는 냉매에 의해 간접 냉각되는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 냉매의 유량은 각각의 절삭 에지에 대해 0.08 L/분인
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 절삭 요소로부터의 열을 제거하도록 상기 냉매의 증발 잠열을 이용하는
    회전형 공구용 간접 냉각 시스템.
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