KR20120100995A - 절삭날의 기하형태가 최적화된 둥근 노우즈 엔드밀 - Google Patents

Abstract

라운드 부분(16)의 절삭날(29) 상의 경사각(30) 및 여유각(34) 둘 다의 기하학적 파라미터를 최적화하여 변형되며, 경사각 및 여유각이 라운드 부분의 최대 직경에서 팁까지 절삭날을 따라 점차적으로 증가하는 둥근 노우즈 엔드밀(10)이 개시된다.

Description

절삭날의 기하형태가 최적화된 둥근 노우즈 엔드밀{Optimization of cutting edge geometry in rounded nose end mills}

본 발명은 둥근 노우즈 엔드밀에 관한 것으로, 더 상세하게는 둥근 노우즈 엔드밀의 둥근 부분을 따른 경사각 및 여유각의 최적화에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같은 전형적인 볼 노우즈 엔드밀(그 전체를 참조 번호 '10'으로 나타냄)은 생크(12), 직선 또는 원뿔 모양의 절삭부(14) 및 라운드 절삭부(16)을 포함한다. 볼 노우즈 엔드밀의 라운드 부분(16)에서의 절삭 속도는 볼의 최대 직경(18)에서 팁(20)을 향하면서 점차 감소한다. 절삭 속도는 지름에 직접적으로 관련이 있으며, 도 2 및 도 3을 참조하여 V=NπDsinθ라는 식으로 나타낼 수 있다. 여기에서 V는 절삭 속도 또는 접선 속도(미터/초), N은 회전 속도(회전/초), D는 최대 직경 18(미터)이며, θ(참조 번호 '21'으로 나타냄)는 공구의 종방향 중심선(22)과 라운드 절삭 부분(16)의 중심점(26)으로부터 절삭날(29)의 측정 지점(28)으로 연장된 임의의 선(24) 사이의 각도이다.

따라서 절삭 속도는 사인 방정식에 의한 각도 θ와 관련이 있는데, 이는 공구의 중심 부근에서는 속도가 거의 제로가 된다는 것을 의미하며, 0°<θ<30°범위에서는 급격히 증가하고 θ=30°에서는 속도 V가 최대 속도의 절반이고, 30°<θ<90°범위에서는 서서히 증가되어 라운드 부분(16)의 최대 직경(18)에서 최대 속도가 된다.

도 4(도 3의 A-A 단면도)에 도시된 바와 같은 절삭날의 기하형태에는 경사각(30), 쐐기각(32) 및 여유각(34)이 나타나 있고, 이는 통상 그리스 문자 α, β, γ로 각각 표시된다.

중실형(solid) 고속도강(High-Speed Steel; HSS) 및 카바이드 공구는 전통적으로 연마 공정으로 마무리되며, 일반적으로 라운드 부분(16)의 절삭날(29)을 따라 일정한 경사각, 쐐기각 및 여유각을 가진다. 그 결과, 상이한 θ값들로 취한 도 3의 A-A 각 단면은 같은 각도 α, β, γ를 가진다.

현대의 연마 기술로 여유각을 만드는 데에 있어서의 유연성이 더욱 개선되었다. 미국 특허 제5,558,475호에서 제안한 예는, 전체 반경을 따라 일정한 크기(+8°±2°의 양의 경사각 α를 가지는 공구이며 치수는 17°±2°~ 10°±2°사이의 클리어런스각(여유각) γ가 중심을 향해 감소함에 따라 달라지는 공구를 개시한다. 경사각 및 클리어런스각은 절삭날에 수직인 면에서 측정된다. 상기 특허의 바람직한 실시형태에서 볼 노우즈 엔드밀은 주변부로부터 중심으로 15°에서 10°로 클리어런스각(clearance angle)이 줄어든다.

볼 노우즈 및 불 노우즈 엔드밀에 일회용 카바이드 인서트를 도입함으로써 훨씬 더 복잡한 구조도 가능하게 되었다. 그런 구조는 예를 들면 미국 특허 제6,024,519호에 설명되어 있으며, 경사진 면을 가진 볼 엔드밀을 위한 일회용 인서트가 개시되어 있고, 그로 인해 노우즈로부터 멀어질수록 홈으로부터 경사면이 가파르게 상승한다. 따라서 절삭 속도가 빨라지는 쪽에 가까워질 수록, 경사각이 커진다.

상기 특허에 주어진 특정 예는, 주변부 경사각 α가 5°내지 25°이고, 쐐기각 β가 85°내지 65°이고, 여유각 γ가 최소인 공구에 관한 것이다. 따라서 절삭날의 세로 부분의 경사각은 모두 노우즈 부분을 제외하고는 플러스 값이며, 경사각 α는 마이너스 값이다.

단, 고속의 수평 이송 속도로 다축 CNC 기계가공을 목적으로 하는 공구의 경우에는 팁(20) 부근의 마이너스 또는 심지어 제로 경사각이 기계, 공구 및 가공대상물에 매우 강한 힘을 가한다. 이것은 도 3의 A-A 및 B-B선을 따른 단면도인 도 4 및 도 5를 참조하면 이해하기가 더 쉬워질 것이다. 장비의 수평 이송에 평행한 수평선을 따라 자른 B-B 단면은 수평 이송과 관련될 때 실제 작업 부분을 나타낸다. 삼각법 분야의 당업자라면, 절삭날(29, 도 4에 도시됨)상의 임의의 지점(28)에서 반경방향 선을 따른 단면에서 나타난 것처럼, 경사각 및 여유각 α, γ가 각각 도 5에 도시된 바와 같이 절삭날(29) 상의 같은 지점(28)을 통과하는 수평에 평행한 단면에서 봤을 때 더 작게 보인다(α1<α, γ1<γ).

따라서 공구의 팁(20) 부근에서의 느린 절삭 속도가 전술한 바와 같이 기하학적으로 감소된 수평 이송 경사각 및 여유각과 조합해서 절삭력, 열 및 거친 표면 품질을 증가시킨다.

본 출원인의 실험 연구에서 절삭날 기하형태를 더 최적화함으로써 공구의 성능, 표면 품질이 개선되고 수명이 늘어난다는 것을 보여주었다.

그러므로 본 발명의 목적은 둥근 노우즈 엔드밀의 라운드 부분의 경사각 및 여유각을 최적화해서 공구의 성능을 더욱 개선하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 다른 종류의 가공대상물 재료에 동일하게 적용할 수 있는 일반적인 해결책을 제공하는 것이다.

이들 목적은, 본 발명의 일 실시형태에 따라 라운드 부분의 절삭날 상의 경사각 및 여유각의 기하학적 파라미터의 최적화로 변형된 둥근 노우즈 엔드밀을 제공함으로써 달성되며, 여기에서 경사각 및 여유각은 라운드 부분의 최대 직경에서 팁까지 절삭날을 따라 점차적으로 증가한다.

각도 위치에 관련한 절삭날 상의 경사각 또는 여유각의 증가율은 선형, 입방체적, 기하급수적, 대수적과 같은 목록에서 선택한 용어로, 기타 수학적 표현에 따라 나타낼 수 있으며, 선형 보간법으로 연결된 값의 일람화된 집합으로 정의될 수 있다.

더욱이, 경사각 및 여유각의 증가는 특정 값으로 제한되지 않으며, 일반적으로 동일한 가공대상물 재료에 대해 변형되지 않은 등가의 공구에 대해 지정된 초기값에 추가된다.

발명을 이해하고 실제로 어떻게 실행되는지 알아보기 위해, 이제 첨부된 도면을 참조하여 오직 비제한적인 예로써 실시형태를 설명하고자 한다.
도 1은 표준 볼 노우즈 엔드밀의 정면도이다.
도 2는 도 1과 같은 엔드밀의 라운드 부분의 부분 단면도이다.
도 3은 도 2와 같은 엔드밀의 라운드 부분의 확대 단면도이다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따른 확대 횡단면도이며, 반경방향 선을 따른 절삭 기하형태를 보여준다.
도 5는 도 3의 B-B선을 따른 확대 횡단면도이며, 수평선을 따른 절삭 기하형태를 보여준다.
도 6은 제2 실시형태에 따른, 도 3에서와 같은 엔드밀의 라운드 부분의 확대 단면도이다.
도 7은 교체 가능한 카바이드 인서트가 장착된 볼 노우즈 엔드밀의 정면도이다.
도 8은 불 노우즈 엔드밀의 도 3과 같은 확대 횡단면도이다.
도 9는 교체 가능한 카바이드 인서트가 장착된 불 노우즈 엔드밀의 정면도이다.

도면에 관해서는, 첨부된 도면이 일반적인 용어로 공구 절삭 기하형태를 나타내므로 이는 종래 기술의 설명은 물론 본 발명에 의해 제안되는 바와 같은 신규의 기술에도 동등하게 적용됨을 주목해야 한다.

본 발명에 따르면, 전체적으로 참조 번호 '10'으로 나타낸 둥근 노우즈 엔드밀(도 1 참조)이 제공되며, 이는 라운드 부분(16)의 절삭날(29)을 따라(도 1 참조) 경사각 α(30)와 여유각 γ(34)(도 4 참조) 둘 다의 기하학적 파라미터의 최적화로 변형된다. 쐐기각 β(32)는 경사각 α(30) 및 여유각 γ(34)의 합계의 90°여각, 즉 β= 90°-(α+β)이며, 이하에서는 고려하지 않는다.

본 발명의 제1 실시형태에서, 경사각 α(30) 및 여유각 γ(34)는 직선 절삭 위치(14)에 대해 θ=90°인 최대 직경(18)에서 θ=0°인 팁(20)까지 절삭날(29)을 따라 점차적으로 증가한다. 경사각 α(30)의 총 증가량은 1°에서 10°의 범위이며, 여유각 γ(34)의 총 증가량은 1°에서 15°범위이다.

예를 들면, 이 실시형태에 따른 볼 노우즈 엔드밀은,θ=90°에서 10°이며 θ=0°에서 15°로 절삭날을 따라 점차적으로 증가하는 경사각, θ=90°에서 5°이며 θ=0°에서 12°까지 절삭날을 따라 점차적으로 증가하는 여유각을 가질 수 있다.

각도 θ에 관해서 절삭날(29)을 따른 경사각 또는 여유각의 증가 속도는, 선형 함수, 3차 함수, 기하 함수, 로그 함수로 표현되거나, 임의의 다른 수학적 수식에 일치되거나, 또는 선형 보간법으로 연결된 값의 일람화된 집합으로 정의될 수 있다.

발명의 원리는 특정 가공대상물 재료에 제한되지는 않으며, 동일한 가공대상물 재료에 대해서는 원래 지정되었을 초기값에 더해 경사각 및 여유각이 증가된다. 예를 들면, 알루미늄과 같은 연질 재료를 기계가공할 때에는 높은 경사각 및 여유각을 적용하고 강을 가공할 때에는 낮은 경사각 및 여유각을 적용하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 제1 실시형태에 따라 알루미늄을 기계가공하기 위한 전형적인 볼 노우즈 엔드밀은, θ=90°에서 15°이며 θ=0°에서 22°까지 절삭날(29)을 따라 선형으로 점차적으로 증가하는 경사각, 및 θ=90°에서 10°이며 θ=0°에서 20°까지 절삭날(29)을 따라 선형으로 점차적으로 증가하는 여유각을 가질 수 있다. 제1 실시형태에 따라 강을 기계가공하기 위한 전형적인 볼 노우즈 엔드밀은, θ=90°에서 5°이며 θ=0°에서 10°까지 절삭날(29)을 따라 기하급수적으로 점차적으로 증가하는 경사각, 및 θ=90°에서 4°이며 θ=0°에서 12°까지 절삭날(29)을 따라 선형으로 점차적으로 증가하는 여유각을 가질 수 있다.

본 발명의 제2 실시형태에서, 절삭날(29) 원호는 적어도 두 개의 개별적인 부채꼴 부분으로 구분된다. 예를 들어 도 6을 참조하면 세 개의 부분이 정의되었으며, 첫번째 부분(40)은 90°>θ>70°범위, 두번째 부분(42)은 70°>θ>30°범위, 세번째 부분(44)은 30°>θ>0°범위로 정의된다. 각각의 부분(40, 42, 44)에 대해서 경사각(30) 및 여유각(34)의 증가량을 각각 다르게 적용하였다. 예를 들면, 첫번째 부분(40)에서의 경사각(30)의 전체 증가는 0°~ 1°범위일 수 있으며, 두번째 부분(44)에서의 경사각(30)의 전체 증가는 0.5°~ 3°범위일 수 있으며, 세번째 부분(44)에서의 경사각(30)의 증가는 2°~ 10°범위일 수 있다. 따라서 첫번째 부분(40)에서 여유각(34)은 0°~ 2°범위에서 증가하며, 두번째 부분(44)에서 여유각(34)은 1°~ 5°범위에서 증가하며, 세번째 부분(44)에서 여유각(34)은 3°~ 15°범위에서 증가한다.

본 발명은 도 1 내지 도 6을 참조하여 전술한 바와 같은 중실형 HSS 또는 카바이드 공구에 한정되지 않으며, 세라믹과 같은 기타 적절한 절삭 공구 재료를 가지는 볼 노우즈 엔드밀 및 적절한 절삭 공구 재료로 이루어진 납땜되거나 교체 가능한 일회용 인서트가 장착된 공구에도 마찬가지로 사용할 수 있다. 예를 들면 도 7은, 보통 작거나 제로(zero)인 홈의 나사각을 가진, 납땜되거나 교체 가능한 일회용 카바이드 인서트(48)가 장착된 볼 노우즈 엔드밀을 보여준다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 전체를 참조 번호 '50'으로 나타낸 볼 노우즈 엔드밀의 라운드 부분이 도시되며, 절삭날(53) 원호의 중심(52)은 공구(50)의 회전축(54)의 외부에 있다. 본 발명의 제1 및 제2 실시형태에 따른 원리는 절삭날(53) 원호에도 양의 θ값에 대해 같은 방식으로 이용할 수 있다. 단, 바람직하게 0°~ 5°범위인 부채꼴 부분(58)이 추가로 정의된다. 불 노우즈 엔드밀에 관련된 본 발명의 제3 실시형태에 따르면, 각도 θ의 음의 부분에 있지만 여전히 같은 0°>θ>-5°범위인 추가 부분(58)에는, 절삭날(53) 상의 가장 낮은 접촉 지점(60)으로부터 공구(50)의 회전축(54)을 향해 0°~ 2°범위일 수 있는 각도(62)로 상승하는 직선형 절삭날(59)이 구비된다.

추가 부분(58)의 절삭날(59)에서의 절삭 기하형태는, 전술한 바와 같은 제1 및 제2 실시형태를 참조하면 θ=0°대해 정의된 바와 같은 경사각 및 여유각을 따른다. 이 제3 실시형태는 도 8에 도시된 바와 같은 중실형 HSS 또는 카바이드 공구 및 도 9에 도시된 바와 같은 납땜되거나 교체 가능한 일회용 인서트(64)가 장착된 공구에도 동일하게 적용할 수 있다.

2홈 원통형 엔드밀(two flute cylindrical end-mill)을 참조하여 본 발명에 대해 설명했지만, 한 개, 세 개, 네 개, 다섯 개 또는 임의의 수의 홈을 원주에 균일 또는 불균일한 간격으로 가지는 기타 회전 절삭공구는 물론, 원뿔형, 구형 또는 다중 치면(multi teeth face) 절삭공구 등의 기타 절삭공구 형상에도 적용할 수 있으며, 이는 모두 청구항의 범주 내에 속한다.

당업자에게는, 본 발명이 전술한 실시형태의 세부 내용으로 한정되지 않으며, 본 발명의 정신 또는 본질적인 속성에서 벗어남이 없이 기타 특정한 형태로 구현될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 그러므로 본 실시형태는 모든 점에 있어서 예시적이되 제한적이지 않은 것으로 간주되며, 본 발명의 범위는 상기의 설명보다는 첨부된 청구항으로 나타내며, 청구항과 동등한 의미 및 범위 내의 모든 변경은 그 안에 포함되는 것으로 간주한다.

Claims (14)

1. 둥근 부분의 절삭날(cutting edge)을 따른 경사각(rake angle) 및 여유각(relief angle) 둘 다의 기하학적 파라미터(geometrical parameter)들을 최적화함으로써 변형된 둥근 노우즈 엔드밀(rounded nose end-mill)로서, 상기 경사각 및 여유각은 둥근 부분의 최대 직경으로부터 팁(tip)까지 절삭날을 따라 점차적으로 증가하는, 둥근 노우즈 엔드밀.
2. 제1항에 있어서,
   경사각의 전체 증가량은 1°~ 10°범위 이내이며, 여유각의 전체 증가량은 1°~ 15°범위 이내인, 둥근 노우즈 엔드밀.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   각도 위치(angular position)에 관련된 절삭날을 따른 경사각 또는 여유각의 증가율은: 선형 함수, 3차 함수, 기하 함수, 로그 함수의 목록에서 선택된 함수이거나; 임의의 다른 수학적 표현에 따르거나; 또는 선형 보간법(linear interpolation)에 의해 연결된 값의 일람화된 집합(tabulated collection)에 의해 정의되는, 둥근 노우즈 엔드밀.
4. 제1항에 있어서,
   동일한 가공대상물 재료에 대한 등가의 변형되지 않은 공구의 초기값에 상기 경사각 및 여유각의 증가가 추가되는, 둥근 노우즈 엔드밀.
5. 제1항에 있어서,
   절삭날 원호는 적어도 두 개의 개별적인 부채꼴 부분들로 구분되며, 그 부채꼴 부분들 각각에는 상이한 증가량의 경사각 및 여유각이 적용되는, 둥근 노우즈 엔드밀.
6. 제1항에 있어서,
   상기 엔드밀은 중실형(solid) HSS 또는 카바이드(carbide) 또는 세라믹으로 제작된, 둥근 노우즈 엔드밀.
7. 제1항에 있어서,
   상기 엔드밀에 납땜(braze)되거나 교체가능한 일회용 카바이드 인서트(carbide insert)가 장착된, 둥근 노우즈 엔드밀.
8. 제1항에 있어서,
   절삭날 원호의 중심이 공구의 회전축 밖에 있는, 둥근 노우즈 엔드밀.
9. 제8항에 있어서,
   0°~ 5°범위의 추가적인 부채꼴 부분이 더 정의되고, 그 부채꼴 부분에는 절삭날 원호의 가장 낮은 접촉 지점으로부터 공구의 축을 향해 0°~ 2°범위의 각도로 상승하는 직선형 절삭날이 구비된 것인 둥근 노우즈 엔드밀.
10. 제9항에 있어서,
    상기 추가적인 부채꼴 부분의 상기 직선형 절삭날을 따른 절삭 기하형태는, 상기 가장 낮은 접촉 지점에 대해 정의된 경사각 및 여유각을 따르는, 둥근 노우즈 엔드밀.
11. 제9항에 있어서,
    상기 엔드밀은 중실형 HSS 또는 카바이드 또는 세라믹으로 제작된, 둥근 노우즈 엔드밀.
12. 제9항에 있어서,
    상기 엔드밀에는 납땜되거나 교체가능한 일회용 카바이드 인서트가 장착된, 둥근 노우즈 엔드밀.
13. 제1항에 있어서,
    원주(perimeter circle)에 균일 또는 불균일한 간격으로 위치된 한 개의 홈(flute), 다수의 홈의 목록으로부터 선택된 회전 절삭공구 구조를 갖는, 둥근 노우즈 엔드밀.
14. 제1항에 있어서,
    직선, 원뿔형, 구형 및 다중 치면(multi teeth face) 절삭공구의 목록으로부터 선택된 회전 절삭공구 형상을 가지고 있는, 둥근 노우즈 엔드밀.

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