KR20140002809A - 절삭 방법 - Google Patents

Abstract

절삭 공구 부품(10)은 초경합금 기재(12)에 접착된 초경(ultra-hard) 재료의 초박형 층(14)을 갖는다. 초경 재료의 초박형 층은 0.2mm보다 크지 않은 두께를 갖는다. 이 절삭 공구는 러핑(roughing) 및/또는 단속 절삭 조건 하에서 소재를 절삭하기 위해 사용된다. 소재가 목재 제품 또는 목재 복합체인 경우, 본 발명은 대체로 그러한 소재의 절삭까지 확대된다. 초경 재료는 바람직하게 PCD 또는 PCBN이다.

Description

절삭 방법{CUTTING METHOD}

본 발명은 절삭 방법 및 그러한 방법에 사용하기 위한 초경(ultra-hard) 절삭 공구 부품에 관한 것이다.

PCD로도 알려진 다이아몬드 콤팩트(compact)와 PCBN으로도 알려진 입방정 질화붕소 콤팩트를 이용하는 초경 연마 절삭 요소 또는 공구 부품은 드릴링, 밀링, 절삭 및 다른 그러한 연마 용도에 광범위하게 사용된다. 요소 또는 공구 부품은 대체로 지지체, 일반적으로 초경합금(cemented carbide) 지지체에 접착된 PCD 또는 PCBN의 층을 포함할 것이다. PCD 또는 PCBN 층은 예리한 절삭 에지 또는 포인트(point) 또는 절삭 또는 연마 표면을 제공할 것이다.

다이아몬드 연마 콤팩트는 상당량의 직접 다이아몬드-대-다이아몬드 접착물을 포함하는 다량의 다이아몬드 입자를 포함한다. 다결정 다이아몬드는 전형적으로 코발트, 니켈, 철 또는 하나 이상의 그러한 금속을 포함하는 합금과 같은 다이아몬드 촉매/용제를 포함하는 제 2 상(second phase)을 가질 것이다. cBN 콤팩트는 대체로 전형적으로 cBN 촉매이거나 또는 그러한 촉매를 포함하는 접착 상(bonding phase)을 또한 포함할 것이다. 적합한 접착 상의 예는 알루미늄, 알칼리 금속, 코발트, 니켈, 텅스텐 등이다.

다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond)(PCD) 절삭 요소는 고 연마 목재 복합체 재료뿐만 아니라 금속 및 합금 범위를 기계가공하기 위해 널리 사용된다. 자동차, 항공우주 및 목공 산업은 특히 그것이 제공하는 높은 수준의 생산성, 정밀도 및 일관성으로부터 이익을 얻고자 PCD를 사용한다. 알루미늄 합금, 바이메탈, 구리 합금, 흑연 강화 플라스틱 및 금속 메트릭스 복합체는 금속가공 산업에서 PCD로 기계가공되는 전형적인 재료이다. 적층 바닥 보드(laminated flooring board), 시멘트 보드, 판지, 파티클 보드(particle board) 및 합판은 이 분류의 목재 제품의 예이다. PCD는 또한 석유 시추 산업에서 시추 본체용 인서트(insert)로서 사용된다.

진행성 마모로 인한 공구의 고장은 작업면 상의 마모 자국(wear scar)의 발달에 의해 특징지워진다. 마모 자국이 발달하는 절삭 공구 인서트 상의 전형적인 영역은 경사면, 측면 및 후연(trailing edge)을 포함하고, 마모 특징부는 측면 마모(flank wear), 크레이터 마모(crater wear), DOC 노치 마모 및 후연 노치 마모를 포함한다.

절삭 공구 표면 상에 발생하는 마모를 수치적으로 설명하기 위해, 다수의 파라미터(parameter)가 사용된다. 측면 마모 랜드(flank wear land)는 가장 잘 알려진 마모 특징이다. 많은 경우에, 측면 마모 랜드는 주 절삭 에지의 직선부의 중앙부를 따라 다소 균일한 폭을 갖는다. 측면 마모 랜드의 폭(VB_Bmax)은 적합한 공구 마모 측정값이고, 사전결정된 VB_Bmax의 값은 우수한 공구 수명 기준으로서 간주된다[국제 표준(INTERNATIONAL STANDARD)(ISO) 3685, 1993, 단일 포인트 회전 공구를 사용한 공구 수명 시험]. 절삭력 및 온도는 VB_Bmax가 증가할수록 증가하는 경향이 있다. 또한 진동이 발생하는 보다 강한 경향이 있고, 소재 재료의 표면 마무리의 품질에 있어서 감소가 존재한다. PCD 및 PCBN 절삭 공구가 보통 사용되는 마무리 용도에 있어서, 측면 마모 기준은 VB_Bmax = 0.2-0.3mm이다. 카바이드(carbide)만이 보통 사용되는 러핑(roughing) 용도에 있어서, 측면 마모 기준은 0.6mm 및 그 이상이다.

마모가 PCD 및 PCBN 층으로 한정되게 하기 위해, 현재 상업적으로 입수가능한 PCD 및 PCBN 절삭 공구는 모두 0.2mm 이상의 두께를 갖는 소결된 PCD/PCBN[하드 층(hard layer)]을 갖는다. 특히 PCD의 경우에 이들 두꺼운 하드 층은 처리하기에 아주 곤란하고 비용을 상승시킨다. 절삭 공구를 제조하기 위해 사용된 전형적인 처리는 전기 방전 기계가공(electrical discharge machining)(w-EDM), 전기 방전 연삭(electrical discharge grinding)(EDG), 기계적 연삭, 레이저 절삭, 랩핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)이다. PCBN, 세라믹, 서밋(cermet) 및 카바이드를 포함하는 절삭 공구는 최종 ISO 1832 규격에 맞게 보통 기계적으로 연삭되는 반면, PCD를 포함하는 절삭 공구는 EDG 또는 w-EDM에 의해 마무리 생산된다.

PCD 요소가 기계적으로 연삭되는 경우, 연삭 작업의 비용은 요소의 비용의 80%까지 될 수 있다. 이것은 PCD가 보다 경질이고 따라서 카바이드보다 연삭하기가 보다 어렵기 때문이다. 또한 연삭 PCBN, 카바이드, 서밋 또는 세라믹 함유 부품용으로 사용되는 동일한 연삭 기계 상에서 PCD를 연삭하는 것은 불가능하다. PCD는 보다 연성(soft)의 기계를 필요로 하고, 한번에 4개의 코너를 연삭할 수 있는 PCBN, 세라믹 및 카바이드와 비교하여 한번에 하나의 코너만이 연삭될 수 있다.

현존하는 카바이드 연삭 기계 상에 PCD를 연삭하는 것이 불가능하다는 것과 함께 보다 높은 처리 비용은 전통적인 카바이드 용도로의 PCD의 침투를 제한하는 주 장애물 중 하나이다. 최종 사용자는 대체로 생산 라인의 전체 속도에 좌우되는 소정 사이클 시간과 함께 최소 공구 수명 기준(대체로 한번의 교체)을 특정한다. 카바이드는 낮은 절삭 속도에서만 사용될 수 있기 때문에, 카바이드용 공구는 보통 다수의 인서트로 구성된다. 다수의 인서트를 사용하는 것은 치형부당 이송(feed per tooth) 또는 파괴 부하(chip load)가 동일하게 유지되는 것을 가능하게 하는 반면, 필요 생산 속도를 증가시킨다. 하지만, PCD 및 PCBN은 보다 높은 절삭 속도에서 사용될 수 있고, 이것은 공구 본체에 보다 적은 인서트를 사용하거나 또는 매우 긴 공구 수명을 달성하는 것을 가능하게 한다. 카바이드 공구의 비용은 단지 PCD 비용의 대략 10%이기 때문에, PCD 사용을 정당화하기 위해 PCD에서의 공구 수명은 카바이드의 수명보다 10배 긴 것을 필요로 한다. 이것은 카바이드 공구가 최소 공구 수명 기준을 만족시킬 수 없는 고용량 용도뿐만 아니라 아주 격심하고 연마성의 용도만을 위해 PCD 공구가 사용되는 것으로 이어진다.

이것에 추가하여, 카바이드와 비교하여 PCD의 보다 낮은 파괴 저항은 그것의 사용은 마무리 용도만으로 추가로 제한하였다. 절삭 에지 상에의 부하가 매우 높은 러핑 및 단속 용도(높은 이송률 및 절삭 깊이)에 있어서, PCD는 쉽게 파괴되어 공구가 조기에 고장나게 할 수 있다. 반면 카바이드는 PCD보다 빨리 마모되지만, 파괴 저항이 보다 크다. 마무리 작업에서와 달리, 러핑 작업에서 치수 공차는 그리 중대하지 않고(VB_Bmax > 0.6mm), 이것은 공구 마모가 그렇게 중대하지 않다는 것을 의미한다. 하지만, 파괴 저항은 러핑 용도에서 중요하고, 공구가 조기에 고장나는 것을 유발할 수 있다. 또한, MDF, 저 SiAl-합금, 판지와 같이 덜 격심한 용도에 있어서, 마모는 대체로 큰 문제가 아니고, 경제적인 이유로 카바이드가 바람직하다.

전형적인 카바이드 용도에 대해 PCD 및 PCBN을 고려하면, 여전히 마모 저항의 면에서 카바이드보다 성능이 우수하면서, 처리하기에 보다 용이하고 값싸며 보다 높은 파괴 저항을 갖는다.

현재 입수가능한 PCD 절삭 공구의 다른 단점은 그것들이 철 재료를 기계가공하도록 설계되지 않는다는 것이다. 예를 들어 주철을 기계가공할 때, 절삭 에지에서의 절삭력과 따라서 절삭 온도는 비철 기계가공과 비교하여 매우 높다. PCD는 700℃ 근처에서 흑연화하기 시작하기 때문에, 이것은 그것의 사용을 철 재료를 기계가공할 때 보다 낮은 절삭 속도로 한정하고, 카바이드 공구와 비교하여 소정 용도에 있어서 비경제적으로 만든다.

미국 특허 제 3,745,623 호는 초경합금(cemented carbide) 기재에 접착된 PCD 층을 포함하는 공구 부품을 제조하는 방법을 기술한다. PCD 층의 두께는 0.75mm 내지 0.012mm 범위일 수 있다. 공구 부품은 보다 비싼 합성 또는 천연 다이아몬드가 보통 사용되는 금속, 플라스틱, 흑연 복합체 및 세라믹의 기계가공에 사용되는 덜 비싼 형태의 다이아몬드 절삭 공구를 제공하도록 의도된다.

미국 특허 제 5,697,994 호는 초경합금 기재 상에 PCD의 층을 포함하는 목공 용도를 위한 절삭 공구를 기술한다. PCD에는 대체로 접착 상의 부식 저항 또는 산화 저항 보조 합금 재료가 제공된다. PCD 층이 0.3mm 두께인 예가 제공된다.

유럽 특허 제 1 053 984 호는 초경합금 기재에 접착된 다이아몬드 소결 콤팩트를 포함하고, 다이아몬드 층의 두께가 초경합금 기재에 맞는 특정 관계를 만족시키는 다이아몬드 소결 콤팩트 절삭 공구를 기술한다. 0.05mm 내지 0.45mm에서 두께가 변하는 다이아몬드 콤팩트 층이 개시된다. 대체로, 기재 두께는 PCD의 두께에 정합될 필요가 있기 때문에, 초경합금 기재는 특히 박형 다이아몬드 층이 사용될 때 박형이다.

본 발명은 절삭 방법 및 그러한 방법에 사용하기 위한 초경 절삭 공구 부품을 개량하는 것을 과제로 한다.

본 발명에 따르면, 소재를 절삭하는 방법은 초경합금(cemented carbide) 기재를 포함하고 적어도 하나의 작업면(working surface)을 갖는 본체를 포함하는 공구 부품을 마련하는 단계와, 러핑(roughing) 및/또는 단속 절삭 조건 하에서 상기 소재에 절삭을 실행하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 작업면은 상기 본체에 절삭 에지 또는 영역을 제공하며, 상기 적어도 하나의 작업면은 상기 절삭 에지 또는 영역에 인접하고 상기 적어도 하나의 작업면으로부터 0.2mm 이하의 깊이까지 연장하는 초경(ultra hard) 연마 재료를 포함하며, 상기 기재는 1.0 내지 40mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시에에 있어서, 절삭 공구 부품 본체는 초경합금 기재 및 상기 기재의 주 표면에 접착된 초경 재료의 초박형 층을 포함하고, 초경 재료의 초박형 층은 0.2mm보다 크지 않은 두께를 갖고, 기재는 1.0 내지 40mm 사이의 두께를 가지며, 초박형 층은 작업면을 형성한다.

본 발명은 절삭 에지를 제공하기 위해 초경 재료의 초박형, 즉 0.2mm보다 크지 않은 두께 또는 깊이의 층을 갖는 절삭 공구 부품을 사용한다. 초경 재료의 이 층은 초경합금 기재에 접착된다. 공구 부품은 러핑 또는 단속 기계가공 조건 하에서 소재를 절삭하는 데에 사용된다. 이것들은 절삭 에지 상의 중대한 부하를 포함하여 격심한 조건이고, 당업계에 잘 알려져 있다. 초경합금 공구 부품과 같은 보다 값싼 재료가 그러한 절삭 용도에 사용되는 것이 통상적이다. 초경 재료 공구 부품은 대체로 미세 마무리가 필요하고 초경 재료의 사용 비용이 정당화될 수 있는 마무리 용도에만 사용된다. 초경 재료의 초박형 층은 본 발명의 공구 부품이 초경합금 공구 부품과 경쟁할 수 있는 비용으로 제조되는 것을 가능하게 하고, 이하에 기술되는 바와 같이 셀프-샤프닝(self-sharpening) 능력과 같은 다른 장점을 제공한다.

대체로, 소재는 철 재료 또는 합금과 같은 금속이거나, 실리콘/알루미늄 합금, 세라믹, 복합체, 목재 제품 또는 목재 복합체와 같은 경질 금속 또는 합금일 것이다.

본 발명은 목재 제품 또는 목재 복합체를 절삭하는 것, 특히 위에서 기술된 것과 같은 공구 부품을 사용하는 밀링, 소잉(sawing) 또는 터닝(turning)으로 확대된다. 절삭 작용은 예를 들어 터닝과 같이 연속적이거나, 예를 들어 밀링 또는 소잉과 같이 일시 정지형일 수 있다.

공구 부품의 변형 실시예에 있어서, 초경 재료보다 연성인 재료의 하나 이상의 중간 층이 초경합금 기재와 초경 재료 사이에 위치된다. 중간 층 또는 층들은 바람작하게 세라믹 또는 금속 또는 초경 재료보다 연성인 초경 재료에 기초한다.

본 발명의 중요 특징은 절삭이 PCD와 기재 둘 모두에 의해 수행된다는 것이다. 따라서, 기재의 특성은 특정 용도에 소재 및 절삭 조건을 가장 잘 적합하게 하도록 조작 및 맞추어질 수 있다.

절삭 공구 부품의 다른 변형 실시예에 있어서, 본체는 상기 공구 부품에 절삭 에지 또는 영역을 제공하는 작업면을 갖고, 상기 작업면으로부터 상기 기재 내로 연장하는 복수의 그루브(groove) 또는 리세스(recess)를 갖는 초경합금 기재와, 상기 그루브 또는 리세스 내에 위치된 복수의 초경 재료의 스트립 또는 피스(piece)를 포함하고, 상기 초경 재료가 상기 작업면으로부터 0.2mm보다 크지 않은 깊이까지 연장하고, 상기 공구 부품의 절삭 에지 또는 영역의 일부를 형성하도록 구성된다.

스트립 또는 피스는 모두 동일하거나 또는 본질적으로 동일한 특성을 갖는 초경 재료로 제조된다. 변형적으로, 피스 또는 스트립 중 일부의 초경 재료의 특성은 나머지 피스 또는 스트립의 특성과 상이할 수 있다.

초경 층 또는 인서트의 두께는 바람직하게 0.001 내지 0.15mm이다.

기재의 두께는 1.0mm 내지 40mm이다.

초경 재료는 바람직하게 알루미늄, 코발트, 철, 니켈, 백금, 티타늄, 크롬, 탄탈, 구리, 텅스텐 또는 그것의 합금이나 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택된 금속 또는 금속 복합체를 포함하는 제 2 상(second phase)을 선택적으로 함유한 PCD 또는 PCBN이다.

첨부된 도면을 참조하여, 본 발명이 오직 예시의 목적으로 보다 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 절삭 공구 부품의 제 1 실시예의 부분 사시도이다.
도 2는 본 발명의 절삭 공구 부품의 제 2 실시예의 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 절삭 공구 부품의 제 3 실시예의 부분 사시도이다.
도 4는 사용중인 본 발명의 절삭 공구 부품의 개략 측면도로서, "셀프 샤프닝(self-sharpening)" 효과를 보여주는 도면이다.
도 5는 절삭 공구 부품의 마모에 대한 하드 층(hard layer)의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 2개의 절삭 공구 부품과 종래 기술의 절삭 공구 부품의 마모 진행을 비교하는 그래프이다.
도 7은 18% SiAl-합금에 대한 절삭 시험 동안 본 발명의 2개의 절삭 공구 부품과 종래 기술의 절삭 공구 부품의 반경방향 힘을 비교하는 그래프이다.
도 8은 6% SiAl-합금에 대한 러핑 시험(roughing test) 동안 본 발명의 2개의 절삭 공구 부품과 종래 기술의 2개의 절삭 공구 부품의 마모 진행을 비교하는 그래프이다.
도 9는 아가톤 인서트 연삭기(Agathon insert grinder) 상에서의 본 발명의 여러 절삭 공구 부품의 연삭 시간을 보여주는 그래프이다.
도 10은 18% SiAl-합금에 대한 절삭 시험에서 본 발명의 2개의 절삭 공구 부품과 종래 기술의 절삭 공구 부품의 쪼개짐 저항(chip resistance) 결과를 비교하는 그래프이다.
도 11은 상이한 이송율(feed rate)에서의 상이한 재료의 생존 확률을 묘사하는 그래프이다.
도 12는 2개의 PCBN 절삭 공구에 대한 라이트 단속 기계가공 조건 하에서의 칩(chip) 크기를 보여주는 그래프이다.
도 13은 2개의 PCBN 공구 절삭 공구에 대한 파괴 저항을 보여주는 박스 플롯(box plot)이다.

본 발명의 목적은 초경합금(cemented carbide)과 PCD 사이 뿐만 아니라 초경합금과 PCBN 사이의 특성을 갖는 엔지니어드(engineered) PCD 및/또는 PCBN 절삭 공구 부품을 제공하는 것이다. 이 절삭 공구 부품은 러핑(roughing) 및 단속 기계가공 용도에서 발견되듯이 절삭 에지 상에의 상당한 로딩(loading)을 포함하는 절삭 용도에 사용된다. 러핑 작업에 있어서, 주 목적은 전형적으로 금속인 높은 기재 제거율을 달성하는 것이고, 인성은 중대한 공구 재료 요건이다. 마무리 작업에 있어서, 주 목적은 고품질의 소재 표면 마무리이고, 예측가능성은 중대한 공구 재료 요건이다.

절삭 공구 부품의 실시예가 도 1을 참조하여 설명될 것이다. 이 도면을 참조하면, 절삭 공구 부품(10)은 0.2mm보다 두껍지 않은, 대체로 0.2mm 미만, 바람직하게 0.001 내지 0.15mm의 두께를 갖는 초경 재료(ultra-hard material)의 초박형 층(14)을 갖는 초경합금 기재(cemented carbide substrate)(12)를 포함하고, 기재는 1.0 내지 40mm의 두께를 갖는다. 그러한 절삭 공구 부품은 고온 고압 합성에 의해 생산된다. 절삭 에지(16)에서의 초박형 하드 층(14)의 두께는 재료의 특성을 결정하는 중대한 파라미터(parameter)이고, 상부 하드 층(14)(PCD 또는 PCBN)과 초경합금 기재(12) 둘 모두에 의한 절삭을 가능하게 한다. 마모 저항, 파괴 저항, 절삭력, 연삭성, EDM 능력 및 열적 안정성은 모두 하드 층의 두께에 의해 영향을 받는 특성이다. 초경합금 기재를 갖는 PCD 및 PCBN 절삭 공구를 생산하는 여러 방법이 존재하고, 산업계에 잘 알려져 있다.

보다 연성의 기재와 함께 초박형 하드 층은 절삭 동안 "셀프-샤프닝(self-sharpening)" 거동으로 귀결되고, 이것은 이어서 절삭 에지에서의 힘 및 온도를 감소시킨다. 하드 층은, 미국 특허 제 4,063,909 호 및 미국 특허 제 4,601,423 호에 기술된 바와 같이, 다이아몬드 또는 입방정 질화붕소와 같은 다량의 다결정 연마 입자와, 보통 코발트, 철, 니켈, 백금, 티타늄, 크롬, 탄탈, 구리 또는 그 합금 및 혼합물과 같은 금속인 제 2 상(phase)으로 구성된 일체 접착형 구조체로서 기술될 수 있다. 하드 층의 두께는 구체적인 용도를 위해 필요한 특성에 따라 바람직하게 0.001 내지 0.15mm 사이에서 변한다.

도 2의 공구 부품(30)을 참조하면, 초박형 하드 층(32)은 또한 금속 또는 세라믹의 중간 층(34)에 접착될 수 있고, 이것은 이어서 초경합금 기재(36)에 접착된다.

변형적으로, 도 3에 예시된 것과 같은 공구 부품을 참조하면, 초박형 하드 층은 또한 절삭 공구를 횡단하여 기재 재료(44)와 엇갈리는 스트립(strip)(42) 형태(수직방향 층)일 수 있고, 스트립의 폭(46)은 10 내지 50미크론 사이이다. 초경 재료의 오목편(recessed piece)이 기재 재료에 위치되는 다른 구성이 또한 구상될 수 있다.

기재 재료는 탄화 텅스텐, 초미세 결정 탄화 텅스텐, 탄화 티타늄, 탄화 탄탈 및 탄화 니오브로부터 선택될 수 있고, 1.0 내지 40mm 사이의 두께를 갖는다. 초경합금을 생산하는 방법은 산업계에 잘 알려져 있다. 절삭은 초경 재료와 탄화물 둘 모두에 의해 행해지지 때문에, 기재의 선택은 상이한 용도에 적합하도록 절삭 요소의 특성을 변경시키기 위해 변화될 수 있는 다른 변수이다.

몇몇 용도에 있어서, 프로파일링된(profiled) 표면 또는 쉐이핑된(shaped) 표면을 갖는 기재를 제공하는 것이 바람직할 것이고, 이것은 상보적인 형상 또는 프로파일과의 계면(interface)으로 귀착된다.

처리가능성 견지에서, 본 발명의 중요한 특징은 PCD 및 PCBN 절삭 공구의 처리 비용을 감소시킬 초박형 하드 층이다.

성능의 면에서, 본 발명의 중대한 특징은 원하는 특성이 달성될 수 있도록 하드 층 두께를 조정하는 것이고, 또한 "셀프-샤프닝" 효과가 절삭 동안 발생되는 것을 보장하는 것이다. 이것은 PCBN 또는 PCD 바로 아래에 보다 연성의 중간 층을 추가하는 것을 의미할 수 있다. 이것은 절삭 공정 동안 어떤 단계에서 하드 층을 통해 마모가 진행할 때, 하드 층과 기재 둘 모두 그리고/또는 중간 층에 의해 절삭이 행해질 것임을 의미한다. 종래의 공구는 모두 0.2mm 이상의 하드 층 두께를 갖고, 그러므로 기재는 소재와 절대 접촉하지 않으며(공구 수명 기준은 VB_Bmax=0.2 내지 0.3mm이기 때문에), 공구의 특성 및 거동은 하드 층만의 특성 및 거동이다.

도 4에 예시된 바와 같이, 하드 층(14)에 의해 절삭이 행해지는 한, 마모율은 하드 층의 마모율일 것이다. 마모가 초경합금 기재(12) 내로 확대되고 하드 층과 초경합금 둘 모두에 의해 절삭이 행해지자마자, 마모율은 기재의 마모율과 하드 층의 마모율 둘 모두를 포함하도록 증가할 것이다. 따라서, 도 5에 그래프로 예시된 바와 같이, 하드 층이 두꺼우면 두꺼울수록, 마모율은 하드 층의 마모 저항에 의해 더 오랫동안 억제되고 공구 수명은 더 길어진다. 하드 층과 초경합금 둘 모두에 의해 절삭이 행해지는 초박형 하드 층을 갖는 것은 초경합금의 마모 저항과 하드 층의 마모 저항 사이의 마모 저항을 부여한다. 하드 층의 두께를 변화시킴으로써(0.001 내지 0.15mm), 특정 용도를 위해 필요한 재료의 특성 및 공구 수명을 변화시키는 것을 가능하게 한다. 이것은 특정 용도를 위한 서명 제품(signature product)을 제공하는 것을 가능하게 한다. 하드 층이 얇으면 얇을수록, 절삭 공구 특성은 기재의 특성에 보다 근접하게 될 것이다. 하지만, 엔지니어드 절삭 공구의 "셀프-샤프닝" 효과로 인해, 절삭 공정 및 마모율은 하드 층에 의해 좌우된다.

초박형 하드 층(14)과 기재(12) 둘 모두에 의해 절삭하는 주된 이익은 공구 상에서 갖는 "셀프-샤프닝" 효과이다. 도 4에 예시된 바와 같이, 기재(12)의 재료가 상부의 하드 층(14)보다 매우 연성이기 때문에, 기재(12)는 하드 층(14)보다 빨리 마모되어버려, 에지(16)의 하드 층과 바닥 층 사이에 "립(lip)"(18)을 형성함을 알 수 있다. 이것은 공구가 주로 상부의 하드 층(14)으로 절삭하는 것을 가능하게 하여, 소재와의 접촉 면적을 최소화하고, 이것은 절삭 에지(16)에서의 보다 낮은 힘 및 온도로 귀착된다. 이것은 또한 공구가 마모될 때 틈새 각도(α)를 유지하여 보다 효과적으로 절삭하는 것을 가능하게 함을 의미한다. 이 마모 거동은 치수 공차가 그리 중대하지 않은 러핑 용도 및 목재 복합체 기계가공, 특히 원형 톱날(saw blade) 용도에 이상적이다. 이것은 또한 예리한 커터(cutter)가 보다 낮은 "웨이트 온 비트(weight on bit)" 및 보다 높은 관통율로 귀착되는 오일 드릴링 용도에서 유익하다. 이것은 또한 흑연화를 방지하기 위해 힘이 최소로 유지되어야 하는 PCD에 의한 철 재료의 기계가공에 유익할 것이다. 초박형 다이아몬드 층이 또한 마모가 절대 초경합금 내로 확대되지 않는 구리와 같은 연성 재료의 마무리 기계가공을 위해 사용될 수 있다.

초박형 하드 층의 다른 이익은 공구에 부여하는 개선된 쪼개짐 저항(chip resistance)이다. 보다 두꺼운 층은 보다 높은 잔류 응력을 갖고, 쪼개짐 및 파괴에 보다 민감하다. 또한, 만약 쪼개짐이 발생하면, 초경합금 기재는 크랙(crack)을 억제하고 상부의 하드 층의 두께보다 커지는 것을 중지시킬 것이다. 박형 PCD 층은 또한 합성 동안 파괴 인성을 증가시키는 기재로부터의 백 인-필트레이션 공정(back in-filtration process)으로 인해 보다 높은 비율의 코발트를 가지고 있을 것이다.

처리가능성에 대한 효과

상부의 하드 층이 보다 얇아질수록 모든 처리(EDM, EDG, 연삭)는 보다 용이하고 빠르다. 초박형 하드 층을 갖는 것은 처리 시간을 단축시킬 것이고, PCD와 같은 재료가 종래의 초경합금 연삭 설비에서 연삭되는 것을 허용할 것이다. 이것은 목재작업 및 금속작업에 있어서 PCD에 대한 새로운 용도의 장을 열었다. 종래의 PCD 절삭 공구에 있어서, 투입 비용 중 80%가 연삭에 기인할 수 있는 반면, 본 발명의 엔지니어드 재료에 의하면 이 비용은 전체 비용의 약 5 내지 10%로 감소되어 엔지니어드 제품을 매우 보다 실용적인 절삭 공구로 만든다.

앞에서 설명된 바와 같이, 종래의 PCD 및 PCBN 콤팩트(compact)는 하드 층에 의해서만 절삭이 행해지는 것을 위해 0.2mm 초과의 다이아몬드 층 두께로 제조된다. 하지만, 그러한 두께의 층의 합성 동안, 콤팩트는 PCD 또는 PCBN의 열팽창과 초경합금 기재의 열팽창 사이의 열팽창 차이 때문에 종종 휜다. 이것은 콤팩트를 다시 편평하게 하기 위한 추가의 처리[기계적 연삭, EDG 또는 랩핑(lapping)]로 귀착된다. 초박형 하드 층으로 인해, 디스크의 굽힘은 최소화되고 추가의 처리는 필요하지 않다. 이것은 준정형(near-net shape) PCD 또는 PCBN 콤팩트의 생산을 가능하게 한다.

본 발명은 이하의 비한정적인 예를 참조하여 오직 예시의 목적으로 추가로 설명될 것이다.

예 1 : 18% SiAl 의 마무리

각각 0.2mm(0.2mm PCD) 및 0.1mm(0.1mm PCD) 초박형 PCD 엔지니어드 절삭 공구의 연마 저항이 회전하는 18% SiAl 소재에서 평가되고, Al 회전용으로 추전된 상업적으로 입수가능한 초경합금 그레이드[HM10(HW)] 뿐만 아니라 0.5mm PCD 층 공구(0.5mm PCD)와 비교된다. 이것은 고연마성 소재이고 보통 다이아몬드 공구에 의해서만 기계가공된다. 시험 조건은 마무리 작업을 모의실험하도록 선택되고 다음과 같다.

ｏ 절삭 속도 : 500m/min

ｏ 이송율 : 0.1mm/rev

ｏ 절삭 깊이 : 0.25mm

ｏ PCD 그레이드 : CTB010

도 6으로부터, 초경합금 그레이드[HM10(HW)]는 18% SiAl-합금을 기계가공하기에 적합하지 않음이 명백하다. 예측된 바와 같이, 0.5mm 두께의 PCD는 가장 낮은 마모율을 갖고, 이어서 0.2mm 두께의 변형예 및 0.1mm 두께의 변형예가 뒤따른다. 0.5mm 두께의 PCD 절삭 공구에 있어서, 절삭은 PCD 층만으로 수행되는 반면, 0.2mm 변형예 및 0.1mm 변형예에 있어서는 PCD 층 및 초경합금 기재 둘 모두가 소재와 접촉한다. 0.2mm 변형예에 있어서, 접촉 면적(마모 자국)은 35분에 초경합금 내로 확대되고 마모율은 증가하기 시작한다. 35분까지 마모율은 PCD 층만의 마모율이다. 0.1mm 변형예에 있어서, 마모는 약 5분에 초경합금에 도달한다. 이것은 공차와 따라서 마모가 중대한 마무리 용도를 위해, PCD 하드 층의 두께를 변화시킴으로써 필요한 마모율이 절삭 공구 내로 설계될 수 있음을 의미한다. 점선은 마무리 작업에 대한 엔드-오프(end-off) 수명 기준을 나타낸다.

초경합금은 PCD보다 매우 연성이기 때문에, 초경합금은 소재와의 접촉과 거의 동시에 마모되어, 주로 PCD 층이 절삭을 행하도록 한다. 이것은 앞에서 설명된 바와 같이 "셀프-샤프닝 효과"로 귀착된다. 초경합금 공구[HM10(HW)]의 경우, 전체 절삭 깊이는 단지 3분 후에 마모되어 버리고, 추가의 절삭은 행해질 수 없다.

도 7은 0.5mm, 0.2mm 및 0.1mm 두께의 PCD 층의 반경방향 힘을 비교하는 그래프를 도시한다. 0.5mm 두께의 PCD 층에 대한 힘은 마모 자국이 커질수록 계속 증가함이 명백하다. 하지만, "셀프-샤프닝" 효과 때문에, 0.2mm 및 0.1mm 두께의 PCD 변형예에 대한 힘은 매우 낮다. 이것은 이들 공구가 공차가 그렇게 중대하지 않은 용도 뿐만 아니라 러핑 용도에서도 이상적일 것임을 암시한다. 이것은 또한 보다 낮은 힘 때문에 이들 공구가 0.5mm 두께의 종래 PCD보다 빠른 절삭 속도로 기계가공할 수 있을 것임을 의미한다.

예 2 : 6% SiAl 의 러핑

엔지니어드 공구의 러핑 능력을 평가하기 위해, 회전 시험이 6% SiAl에 대해 수행되었다. 기계가공 조건은 다음과 같다.

ｏ 절삭 속도 : 800m/min

ｏ 이송율 : 0.5mm/rev

ｏ 절삭 깊이 : 0.5mm

ｏ PCD 그레이드 : CTB010

러핑 용도에 있어서, 소재 공차와 따라서 절삭 공구 마모는 마무리 작업에서와 같이 그리 중대하지 않고, 쪼개짐 저항 및 절삭력(진동)이 중요하다. 도 8은 여러 변형예의 반경방향 힘을 비교하는 그래프를 도시한다. 마무리 예에서와 같이, 그래프는 (각각의 점선에 의해 표시된 바와 같이) 0.2mm PCD 및 0.1mm PCD 변형예에 대한 마모가 초경합금 내로 확대되자마자, 반경방향 힘은 더 이상 증가하지 않음을 나타낸다. 이것은 러핑 용도에 대해 보다 얇은 PCD(0.1mm 미만) 두께의 재료가 보다 효과적으로 절삭할 것임을 암시한다. 다시, 절삭 에지에서의 초박형 하드 층의 두께를 변화시킴으로써 상이한 PCD 절삭 공구가 특정 용도에 적합하도록 설계될 수 있다.

예 3 : 기계적 연삭성

현존의 초경합금 연삭기 상에서 초박형 PCD 층 두께 재료를 연삭하는 능력을 증명하기 위해, 각각 0.1mm PCD 및 0.2mm PCD 층을 갖는 절삭 공구가 0.5mm 두께의 PCD 절삭 공구와 비교된다. 공구는 모두 다음의 조건에서 10.15×10.15 정사각형으로부터 SPMN 090108F까지 아가톤 250 인서트 연삭기(Agathon 250 insert grinder) 상에서 연삭된다.

	0.2mm	0.1mm	0.1mm (보다 빠른 속도)
휠 속도(m/s)	21	21	21
인피드(infeed)(mm/sec)	10	30	50
분당 회전수	3	8	10

이 연삭기 상에서 0.5mm 두께의 PCD 층 절삭 공구를 기계가공하는 것은 실행불가능하다. 75분 연삭 후에, 시험은 정지된다. 도 9는 현존의 초경합금/PCBN 인서트 연삭기 상에서 초박형 층 PCD 절삭 공구를 연삭하는 것이 실행가능함을 명백하게 보여준다. 0.1mm 두께의 PCD는 PCBN보다 더 빠른 속도로 연삭될 수 있다.

예 4 : 18% SiAl 에서의 쪼개짐 저항

18% SiAl-합금에 대해 에지-밀링(edge-milling) 시험을 행함으로써 쪼개짐 저항이 평가된다. 칩(chip)의 형성을 촉진하기 위해, 큰 여유각(relief angle)이 공구에 사용된다. 시험 조건은 다음과 같다.

＊ 절삭 속도 : 500m/min

＊ 치형부 당 이송 : 0.5mm

＊ 절삭 깊이 : 2mm

＊ 여유각 : 18도

＊ 절삭 폭 : 15mm

＊ PCD 그레이드 : CTB010

도 10은 8번의 시험에 대해 95% 신뢰 구간(confidence interval)과 함께 각 변형예의 평균 칩 크기를 보여준다. 평균 칩 크기 및 칩 크기에 있어서의 편차가 0.1mm 초박형 PCD 공구(0.1mm PCD)에 대해 가장 작은 것이 명백하다. 칩은 모두 200 미크론보다 작기 때문에, 0.5mm PCD(0.5mm PCD)와 0.2mm 층 PCD(0.2mm PCD) 사이에서 중대한 차이가 발견되지 않았다.

예 5 : 비극적인 파괴 저항 기계가공 콤팩트 흑연 주철( compact graphite cast iron)(CGI)

비극적인 파괴는 대체로 비정상 분포를 따르는 데이터를 갖는 확률적 속성을 갖기 때문에, 와이블 통계(Weibull statistics)가 파괴 저항을 평가하기 위해 사용된다. 와이블 분석에 의해, 형상 파라미터(β) 뿐만 아니라 특징적인 파괴 저항(α)이 계산될 수 있다. 이 특정 시험에 있어서, α로 불리는 특징적인 파괴 저항은 제품의 63.2%가 고장날 치형부당 이송(feed per tooth)을 나타낸다. 이들 2개의 파라미터(α 및 β)는 이어서 이하의 방정식을 사용하여 2개의 제품의 신뢰성을 계산하기 위해 사용된다.

여기서, x는 고장이 발생하는 치형부당 이송이다.

단속 밀링 작업이 수행되고, 이에 의해 조건 및 소재가 마모 결과를 최소화하고 이어서 파괴를 촉진하도록 선택된다. 치형부당 이송은 노즈(nose)의 비극적인 고장이 관찰될 때까지 0.1로부터 0.2, 0.3까지 등으로 증가된다. 치형부당 이송은 절삭 에지 상의 부하를 나타내고, 따라서 적합한 파괴 저항 지표이다. 사용된 시험 조건은 이하와 같다.

- 소재 재료 : GJC 400(>95% 펄라이트, 10% 결절성)

- 절삭 속도 : 200m/min

- 치형부당 이송 : 변화됨

- DOC : 1mm

- WOC : 1/2 블록

- 여유각 :18도

- 경사각 : 0도

도 11은 여러 이송율에서의 각 재료의 생존 가능성을 묘사하는 생존 그래프를 보여준다. FGPCD 01(fine grain PCD)이 여러 이송율에서 FGPCD 05보다 매우 높은 생존 가능성을 갖는다는 것을 알 수 있다. 2개의 재료에 대해 와이블 계산된 특징적인 파괴 저항은 다음과 같다.

FGPCD 05 = 0.577

FGPCD 01 = 0.774

이것은 0.1mm 층이 0.5mm 층보다 34% 높은 파괴 저항을 갖는다는 것을 암시한다. 이것으로부터, 파괴 저항은 상이한 두께의 PCD 층을 사용함으로써 설계될 수 있음이 명백하다.

예 6 : AlSl4340 " 드릴링된 ( drilled )" 라이트 단속 기계가공 시험

이 시험은 아주 대표적인 하드 기계가공인 것으로 믿어진다. 위에서 기술된 타입의 2개의 PCBN 절삭 공구 부품이 시험에 사용되었다. 하나는 0.1mm 두께의 초박형 PCBN 층을 갖고, 나머지 하나는 0.5mm 두께의 PCBN 층을 갖는다. 최대 칩 크기가 기록되었다. 시험 조건은 다음과 같다.

시험	이송, f (mm)	절삭 깊이, ap (mm)	절삭 속도, vc (m/min)	인서트 기하학적 형상
(AlSl) 4340 드릴링된 면-터닝	0.15	0.2	150	SNMN090308 S0220

도 12의 그래프로부터, 초박형 PCBN이 보다 두꺼운 0.5mm 층보다 낮은 파괴를 나타냄을 알 수 있다. PCD에서와 같이, 일단 파괴 경로가 초경합금에 도달하면 에지 상의 실제 칩은 "억류"된다. 그것으로부터 전진 마모(onward wear)는 중대한 특징이며 파괴가 아니다.

예 7 : 러핑 예 : 비극적인 파괴 저항 기계가공 콤팩트 흑연 주철( CGI )

예 6의 동일한 2개의 PCBN 절삭 공구 부품을 사용하여 단속 밀링 작업이 수행되고, 이에 의해 조건 및 소재가 마모 결과를 최소화하고 이어서 파괴를 촉진하도록 선택되었다. 치형부당 이송은 노즈의 비극적인 고장이 관찰될 때까지 0.1로부터 0.2, 0.3까지 등으로 증가되었다. 치형부당 이송은 절삭 에지 상의 부하를 나타내고, 따라서 적합한 파괴 저항 지표이다. 사용된 시험 조건은 이하와 같다.

- 소재 재료 : GJV 400(>95% 펄라이트, 10% 결절성)

- 절삭 속도 : 300m/min

- 치형부당 이송 : 변화됨

- DOC : 1mm

- WOC : 1/2 블록

- 여유각 :18도

- 경사각 : 0도

도 13의 박스-플롯으로부터, 01 층이 05층보다 높은 파괴 저항을 갖는 것으로 생각된다. 이 데이터는 정상적으로 분포되지 않았기 때문에, 이러한 개선이 중대한 것인지를 평가하기 위해 크루스칼-월리스 통계 시험(Kruskal-Wallis Statistical test)가 수행되었다. P-값은 0.05보다 적기 때문에, 박형 층이 0.5mm 층보다 상당히 파괴 저항적임을 결론지을 수 있다.

크루스칼 - 월리스 시험 : Fz 고장 대 공구 재료

Fz 고장에 대한 크루스칼-월리스 시험

공구 재료 N 중간값(median) 평균 랭크(Ave Rank) Z

PCBN01 5 0.5000 7.5 2.09

PCBN05 5 0.3000 3.5 -2.09

전체 10 5.5

H=4.366 DF=1 P=0.037

H=4.50 DF=1 P=0.034[타이(tie)를 위해 조정됨]

Claims (1)

1. 소재를 절삭하는 방법으로서,
   초경합금(cemented carbide) 기재를 포함하고 적어도 하나의 작업면(working surface)을 갖는 본체를 포함하는 공구 부품을 마련하는 단계와,
   러핑 조건(roughing condition) 및/또는 단속 절삭 조건 하에서 상기 소재에 절삭을 실행하는 단계를 포함하는, 절삭 방법에 있어서,
   상기 적어도 하나의 작업면은 상기 본체에 절삭 에지 또는 영역을 제공하며,
   상기 적어도 하나의 작업면은 상기 절삭 에지 또는 영역에 인접하고 상기 적어도 하나의 작업면으로부터 0.2mm 이하의 깊이까지 연장하는 초경(ultra hard) 연마 재료를 포함하며, 상기 기재는 1.0mm 내지 40mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
   절삭 방법.

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