KR20140023382A

KR20140023382A - 비틀림 드릴 팁, 그 제조에 사용하기 위한 전구체 구조물, 및 그 제조와 사용 방법

Info

Publication number: KR20140023382A
Application number: KR1020137032909A
Authority: KR
Inventors: 마웨자 카손데; 로버트 프리즈; 존 제임스 배리; 코넬리스 로엘로프 존커
Original assignee: 엘리먼트 씩스 어브레시브스 에스.아.; 엘리먼트 씩스 리미티드
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2012-06-12
Publication date: 2014-02-26
Also published as: GB2491956B; GB201210330D0; KR101538261B1; GB2491956A; EP2718050B1; JP2014516813A; EP2718050A1; CN103619516A; GB201109864D0; US20140186132A1; WO2012171915A1; CN103619516B; US9975185B2

Abstract

기재의 단부와 인접하는 계면 경계에서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 포함하는 비틀림 드릴용 팁으로서, 상기 고경도 구조물은 고경도 입자를 포함하는 소결 다결정 재료를 포함하고, 상기 고경도 구조물은 계면 경계와 대향하는 고경도 단부면 및 사용 시에 보디 내로 보링되도록 구성된 다수의 절삭날을 가지며; 상기 고경도 단부면은 중심 포인트 또는 치즐 에지를 구비하고, 각각의 표면 구역에 접선하는 각각의 평면들이 사용 시에 팁의 회전축으로부터 현저히 상이한 각도로 배치되도록 구성되는 다수의 표면 구역을 포함하는 팁이 개시된다. 팁 제조에 사용하기 위한 전구체 구조물뿐 아니라 전구체 구조물과 팁을 제조하기 위한 방법이 개시된다.

Description

비틀림 드릴 팁, 그 제조에 사용하기 위한 전구체 구조물, 및 그 제조와 사용 방법{TWIST DRILL TIPS, PRECURSOR CONSTRUCTIONS FOR USE IN MAKING SAME, AND METHODS FOR MAKING AND USING SAME}

본 발명은 소결 다결정 고경도(super-hard) 재료를 포함하는 비틀림 드릴 팁, 그 제조에 사용하기 위한 전구체 구조물, 상기 전구체 구조물과 비틀림 드릴 팁 제조 방법, 및 드릴 팁 사용 방법에 관한 것이다.

고경도 팁을 포함하는 비틀림 드릴과 같은 회전 기계는 항공 및 기타 산업용 부품을 제조하기 위해 경질 금속 및 합금을 가공하는데 사용될 수 있다. 소결 다결정 고경도 재료의 예로는 다결정 다이아몬드(PCD: polycrystalline diamond) 재료와 다결정 입방정 질화 붕소(PCBN: polycrystalline cubic boron nitride) 재료가 포함된다. 비틀림 드릴 비트는 홈(flute)이 제공된 원통형 샤프트의 선단에 커터 포인트(또는 간단히 "포인트")를 포함하며, 이는 재료 칩을 드릴 가공되는 구멍으로부터 제거하는데 도움이 된다.

미국 특허 제 5,256,206 호는 드릴의 홈과 헤드를 커버하는 균일한 다이아몬드 코팅을 포함하는 코팅된 비틀림 드릴을 개시한다. 코팅된 비틀림 드릴 제조 방법은 화학 기상 증착에 의해 다이아몬드 코팅을 증착시키는 단계를 포함한다.

미국 특허 제 5,580,196 호는 원추형 팁을 갖는 드릴 전구체 구조물을 제공하는 단계; 거의 균일한 축방향 두께를 갖는 PCD 또는 PCBN 층을 원추형 팁의 거의 전체 표면에 접합시킴으로써 드릴 블랭크를 제조하는 단계; 및 상기 드릴 블랭크를 가공하여 비틀림 드릴 비트를 형성하는 단계를 포함하는 비틀림 드릴 비트 제조 방법을 개시한다. 다시 한번, 드릴 전구체 구조물은 스틸 또는 텅스텐 카바이드 또는 탄화 탄탈 또는 유사 재료를 포함할 수 있다. PCD 또는 PCBN 층의 두께는 0.5 내지 1.5㎜가 바람직한 것으로 개시되어 있다.

고경도 재료의 가공 또는 연삭이 더 많이 요구될수록 고경도 드릴 팁의 제조 비용은 상당히 증가될 것이다. 드릴 비트는 그 작동 수명을 늘리기 위해 때때로 수리될 수 있다. 이는 팁을 연마함으로써 이루어질 수 있으며, 이는 팁으로부터 일부 고경도 재료의 제거를 요구할 것이다. 시판되는 PCD-팁부착 드릴 비트는 2회 내지 4회 재연마될 필요가 있을 수 있으며, 매회 표면으로부터 약 0.2 내지 0.5㎜가 제거된다. PCD 구조물이 대체로 초경합금 기재(cemented carbide substrate)에 접합된 층 형태를 갖는 경우에, 이는 따라서 약 2.5㎜ 이상 또는 약 3㎜ 이상의 두께일 필요가 있을 수 있다.

경질 또는 연마 재료를 포함하는 보디, 특히 티타늄(Ti) 및/또는 탄소섬유-강화 폴리머(CFRP: carbon fibre-reinforced polymer)를 포함하는 보디에 한정되지 않는 보디의 효율적이고 효과적인 드릴링을 위해서 구성되는 고경도 비틀림 드릴이 요구된다. 고경도 팁을 제조하기 위한 비용 효과적인 방법도 요구된다.

제 1 양태에서 볼 때, 비틀림 드릴용 팁으로서, 기재의 단부와 인접하는 계면 경계에서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 포함하며, 상기 고경도 구조물은 고경도 입자를 포함하는 소결 다결정 재료를 포함하고, 상기 고경도 구조물은 계면 경계와 대향하는 고경도 단부면 및 사용 시에 보디 내로 보링(boring)되도록 구성된 다수의 절삭날을 가지며; 상기 고경도 단부면은 중심 포인트 또는 치즐 에지(chisel edge)를 구비하고, 각각의 표면 구역에 접선하는 각각의 평면들이 사용 시에 팁의 회전축으로부터 현저히 상이한 각도로 배치되도록 구성되는 다수의 표면 구역을 포함하는 비틀림 드릴용 팁이 제공된다. 고경도 단부면은 팁의 절삭 포인트로서 지칭될 수 있다.

기재 단부의 어떤 영역도 실질적으로 노출되지 않을 것이며 기재의 거의 모든 단부가 고경도 구조물에 접합될 것이다.

본 발명에 의하면, 전구체 구조물에 대한 다양한 조합 및 구성이 고려되며, 그 비제한적이고 비포괄적인 예가 후술된다.

고경도 구조물은 두 개, 세 개 또는 그 이상의 절삭날을 가질 수 있다. 팁은 두 개 이상의 홈을 포함할 수 있다.

기재는 코발트 소결 텅스텐 카바이드 재료와 같은 초경합금 재료를 포함하거나 필수적으로 이러한 초경합금 재료로 이루어질 수 있다.

고경도 단부면은 약 3㎜ 이상 약 20㎜ 이하의 직경을 형성하는 둘레를 가질 수 있다. 둘레의 적어도 일부는 아치형일 수 있다. 존재할 수 있는 일체의 홈을 포함하지 않는 기재의 직경은 약 3㎜ 이상 약 20㎜ 이하일 수 있다.

고경도 구조물은 다결정 다이아몬드(PCD) 재료 또는 다결정 입방정 질화 붕소(PCBN) 재료를 포함할 수 있다.

고경도 구조물은 거의 균일한 두께를 가질 수 있다. 고경도 구조물은 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 평균 두께를 가질 수 있다.

고경도 단부면 및 그 표면 구역에 대해 다양한 구성이 고려되며, 그 비제한적 예는 다음과 같다. 고경도 단부면은 고경도 단부면 상에 형성될 수 있는 일체의 간극면을 제외하고 계면 경계와 거의 공형(conformal)일 수 있다. 고경도 단부면은 두 개 이상의 부분 원추형 표면 구역을 포함할 수 있다. 고경도 단부면은 사용 시에 팁의 회전축에 평행한 종방향 평면에서 아치형인 하나 이상의 표면 구역을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 표면 구역 사이에는 굴곡(inflection)이 형성될 수 있다. 표면 구역에 대한 접선 평면은 서로에 대해 5도 이상 또는 약 10도 이상으로 배치될 수 있다. 표면 구역의 각각은 각각의 표면 구역 내의 정반대 영역에 대한 접선 평면들 사이에서 측정되는, 45도 이상 또는 약 60도 이상 및 약 180도 이하 또는 약 140도 이하의 각각의 나사산 각도를 가질 수 있다. 고경도 단부면은 정점으로부터 현수되는 제 1 표면 구역 및 상기 제 1 표면 구역으로부터 현수되는 제 2 표면 구역을 구비할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 표면 구역 사이에는 굴곡 각도가 형성된다.

계면 경계는 대체로 절두원추형, 돔형, 원추형, 다층(multiply) 원추형, 오목형 또는 볼록형 형상을 가질 수 있다.

고경도 구조물은 코발트를 포함할 수 있는, 결합제 재료 내에 분산되는 다수의 고경도 입자 및 탄화물 입자를 포함하는 적어도 하나의 중간층을 거쳐서 기재에 접합될 수 있다. 중간층 내의 고경도 입자 함량은 고경도 구조물로부터의 거리에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 중간층 내의 고경도 입자 함량은 고경도 구조물로부터 멀수록 감소할 수 있다(따라서 기재 단부로부터 멀수록 증가할 수 있다). 탄화물 입자의 함량은 중간층 내의 고경도 입자 함량과 역으로 변동될 수 있다. 고경도 입자 및/또는 탄화물 입자 함량의 변동은 거의 연속적이거나 불연속적이고 단계적일 수 있다. 단수 또는 복수의 중간층은 고경도 구조물 및/또는 기재의 내부 응력을 감소시키는 효과를 가질 수 있다.

제 2 양태에서 볼 때, 본 발명의 제 1 양태에 따른 팁의 제조에 사용하기 위한 전구체 구조물로서, 기재의 단부에서의 계면 경계에서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 포함하고, 상기 고경도 구조물은 계면 경계와 대향하는 고경도 단부면을 갖고 절삭날이 없으며; 상기 고경도 구조물은 고경도 입자를 포함하는 소결 다결정 재료를 포함하고; 상기 고경도 단부면은 중심 뭉툭한 정점 및 팁을 위한 다수의 표면 구역을 포함하는 전구체 구조물이 제공된다.

적어도 고경도 단부면의 표면 구역은 전구체 구조물로 제조되도록 상정되는 팁의 표면 구역에 대응하도록 구성된다. 전구체 구조물의 표면 구역은 팁의 표면 구역과 거의 동일할 것이다. 이 양태는 제조 방법의 효율을 증가시키고 비용을 절감시킬 가능성이 있는 바, 그 이유는 고경도 재료가 가공하기에 비교적 어렵고 시간 소모적일 것으로 예상될 수 있기 때문이다.

일부 예에서, 전구체 구조물의 표면 구역은 팁의 절삭날에 인접한 팁의 표면 구역에 대응할 수 있다. 일부 예에서, 전구체 구조물의 표면 구역은 그 프로파일이(특히 종단면으로 볼 때) 팁의 대응 표면 구역의 대응 프로파일의 약 0.5㎜ 이내 또는 약 0.3㎜ 이내에 있을 수 있도록 구성된다. 이 양태는 전구체 구조물로부터 팁을 제조할 때 고경도 구조물로부터 제거되어야 할 고경도 재료의 양을 현저히 감소시킬 가능성이 있는 바, 그 이유는 전구체 구조물의 표면 구역이 예를 들어 요구될 수 있는 간극면의 형성 또는 사소한 처리를 제외하고 팁의 표면 구역과 거의 매치되도록 구성될 것이기 때문이다.

정점은 구형상으로 뭉툭할 수 있으며 반경을 가질 수 있다. 정점은 릿지에 수직한 평면에서 반경을 갖는 라운드형 릿지일 수 있다. 정점의 반경은 약 0.5㎜ 이상이고 약 3㎜ 이하, 약 2㎜ 이하 또는 약 1.5㎜ 이하일 수 있다.

일부 예에서, 계면 경계는 기재의 단부와 거의 인접할 수 있으며, 기재의 거의 모든 단부가 고경도 구조물에 접합될 수 있거나, 또는 기재의 단부 영역이 노출될 수 있다.

고경도 단부면은 약 3㎜ 이상 약 20㎜ 이하의 직경을 형성하는 둘레를 가질 수 있다. 둘레는 거의 원형일 수 있거나, 둘레의 적어도 일부가 아치형일 수 있다.

고경도 구조물은 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 거의 균일한 두께를 가질 수 있다.

고경도 단부면 및 그 표면 구역에 대해 다양한 구성이 고려되며, 그 비제한적 예는 다음과 같다. 고경도 단부면은 계면 경계와 거의 공형일 수 있다. 고경도 단부면은 두 개 이상의 원추형 표면을 포함할 수 있으며, 이들 원추형 표면은 상호 동심적이고 정점과 동심적이며, 현저히 상이한 각각의 원추 각도로 배치된다. 고경도 단부면은 외측 원추형 표면과 내측 원추형 표면을 포함하며, 외측 원추형 표면은 내측 원추형 표면보다 정점으로부터 더 멀리 위치하고, 외측 원추형 표면의 원추 각도는 내측 원추형 표면의 원추 각도보다 현저히 크다. 고경도 단부면은 외측 원추형 표면과 내측 원추형 표면을 포함하며, 외측 원추형 표면은 내측 원추형 표면보다 정점으로부터 더 멀리 위치하고, 외측 원추형 표면의 원추 각도는 내측 원추형 표면의 원추 각도보다 현저히 작다. 고경도 단부면은 종방향 평면에서 아치형인 하나 이상의 표면 구역을 포함할 수 있다. 두 개 이상의 표면 구역 사이에는 굴곡이 형성될 수 있다. 두 개 이상의 표면 구역은 그 사이에 형성되는 필렛(fillet) 코너에서 만날 수 있으며, 필렛은 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 반경을 갖는다. 표면 구역에 대한 접선 평면은 서로에 대해 5도 이상 또는 약 10도 이상으로 배치될 수 있다. 표면 구역의 각각은 각각의 표면 구역 내의 정반대 영역들에 대한 접선 평면들 사이에서 측정되는, 45도 이상 또는 약 60도 이상 및 약 180도 이하 또는 약 140도 이하의 각각의 나사산 각도를 가질 수 있다. 고경도 단부면은 정점으로부터 현수되는 제 1 표면 구역 및 상기 제 1 표면 구역으로부터 현수되는 제 2 표면 구역을 구비할 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 표면 구역 사이에는 굴곡 각도가 형성된다.

계면 경계는 대체로 절두원추형, 돔형, 원추형, 다층 원추형, 오목형 또는 볼록형 형상을 가질 수 있다.

고경도 구조물은 코발트를 포함할 수 있는, 결합제 재료 내에 분산되는 다수의 고경도 입자 및 탄화물 입자를 포함하는 하나 이상의 중간층을 거쳐서 기재에 접합될 수 있다. 중간층 내의 고경도 입자 함량은 고경도 구조물로부터의 거리에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 중간층 내의 고경도 입자 함량은 고경도 구조물로부터 멀수록 감소할 수 있다(따라서 기재 단부로부터 멀수록 증가할 수 있다). 탄화물 입자의 함량은 중간층 내의 고경도 입자 함량과 역으로 변동될 수 있다. 고경도 입자 및/또는 탄화물 입자 함량의 변동은 거의 연속적이거나 불연속적이고 단계적일 수 있다. 단수 또는 복수의 중간층은 고경도 구조물 및/또는 기재의 내부 응력을 감소시키는 효과를 가질 수 있다.

제 3 양태에서 볼 때, 본 발명에 따른 전구체 구조물을 제조하기 위한 방법으로서, 전구체 구조물의 고경도 단부면을 형성하도록 구성된 내측 표면 영역을 포함하는 몰드를 제공하는 단계; 상기 내측 표면 영역에 대해 다수의 고경도 입자를 포함하는 응집체를 형성하는 단계, 상기 구조물에 대한 경계 계면으로서 구성된 단부면을 가지며 초경합금 재료를 포함하는 기재를 제공하는 단계, 상기 기재의 단부면을 상기 응집체에 대해 배치하여 소결전(pre-sinter) 조립체를 제공하는 단계; 상기 소결전 조립체를 초고압 프레스를 위한 캡슐 내에 조립하고 상기 소결전 조립체에 응집체를 소결하기에 충분한 압력 및 온도를 적용시켜 기재에 접합된 고경도 구조물을 형성하는 단계를 포함하는, 전구체 구조물 제조 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 상기 방법의 변형이 고려되며, 그 비제한적이고 비포괄적인 예가 후술된다.

몰드의 내측 표면 영역은 그 형상 프로파일이(특히 종단면으로 볼 때) 전구체 구조물의 고경도 단부면의 대응 형상 프로파일의 약 0.5㎜ 이내 또는 약 0.3㎜ 이내에 있도록 구성될 수 있다. 몰드의 내측 표면 영역의 형상은 소결 단계 중에 발생할 수 있는 불가피한 변형을 제외하고 전구체 구조물의 고경도 단부면의 형상과 거의 동일할 수 있다.

상기 응집체는 다수의 다이아몬드 입자 또는 다수의 CBN 입자를 포함할 수 있다.

상기 응집체는 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 거의 균일한 두께를 갖는 고경도 구조물을 제조하기 위해 준비될 수 있다.

몰드는 정점을 구비하는 단부면, 정점으로부터 현수되는 제 1 표면 구역 및 상기 제 1 표면 구역으로부터 현수되는 제 2 표면 구역을 갖는 고경도 구조물을 형성하도록 구성될 수 있으며; 상기 제 1 및 제 2 표면 구역 사이에는 굴곡 각도가 형성된다.

상기 방법은 고경도 입자의 응집체와 기재 사이에 하나 이상의 중간층을 배치하는 단계를 포함할 수 있으며, 중간층은 중간층을 거쳐서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 제공하기 위해 고경도 재료의 입자와 금속 탄화물 재료의 입자를 포함한다.

상기 방법은 고경도 입자의 응집체와 기재 사이에 하나 이상의 중간층을 배치하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 중간층은 코발트를 포함할 수 있는, 결합제 재료 내에 분산되는 다수의 고경도 입자 및 탄화물 입자를 포함한다. 중간층 내의 고경도 입자 함량은 응집체로부터의 거리에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 중간층 내의 고경도 입자 함량은 응집체로부터 멀수록 감소할 수 있다(따라서 기재 단부로부터 멀수록 증가할 수 있다). 탄화물 입자의 함량은 중간층 내의 고경도 입자 함량과 역으로 변동될 수 있다. 고경도 입자 및/또는 탄화물 입자 함량의 변동은 거의 연속적이거나 불연속적이고 단계적일 수 있다.

일부 예에서, 상기 방법은 고경도 입자를 포함하는 다수의 시트를 제공하는 단계 및 이들 시트를 몰드의 내측 표면에 대해 적층시켜 응집체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 방법은 고경도 입자를 포함하는 슬러리 또는 페이스트를 준비하는 단계 및 상기 슬러리 또는 페이스트를 주조, 압출 또는 몰딩에 의해 형성하여 응집체를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

제 4 양태에서 볼 때, 본 발명에 따른 팁을 제조하기 위한 방법으로서, 본 발명에 따른 전구체 구조물을 제공하는 단계 및 고경도 구조물로부터 재료를 제거하여 다수의 절삭날을 형성하는 단계를 포함하는, 팁 제조 방법이 제공된다. 절삭날은 팁이 사용 시에 회전축 주위로 회전하도록 구동되고 팁이 회전축을 따라서 보디 내로 구동될 때 보디 내로 보링되도록 구성될 것이다.

일부 예에서, 상기 방법은 기재 단부의 어떤 영역도 실질적으로 노출되지 않고 거의 모든 단부가 고경도 구조물에 접합되도록 기재의 부분을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 전구체 구조물로부터 재료를 제거하여 홈 구조물을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 정점을 구비하는 고경도 구조물의 구역으로부터 재료를 제거하여 중심 포인트 또는 치즐 에지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 고경도 구조물로부터 재료를 제거하여 두 개의 표면 구역 사이에서의 필렛 코너의 반경을 감소시키거나 거의 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 고경도 구조물로부터 재료를 제거하여 고경도 단부면 상에 하나 이상의 간극면을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 전구체 구조물의 표면 구역들의 형상 프로파일은(특히 종단면으로 볼 때) 간극면을 형성하는 단계에 의해 예를 들어 약 0.5㎜ 또는 0.3㎜ 이내로 실질적으로 유지될 수 있다.

제 5 양태에서 볼 때, 티타늄(Ti), 탄소섬유-강화 폴리머(CFRP) 재료, 또는 Ti와 CFRP 재료 양자를 포함하는 보디 내에 보링하는 방법으로서, 본 발명에 따른 팁을 포함하는 드릴의 사용을 포함하는 방법이 제공된다.

개시된 예시적 방법들은, 특히 고경도 구조물의 소결 이후 드릴 팁을 완성하는데 필요한 고경도 재료의 가공 양을 감소시키고 비교적 비용 효과적인 양태를 가질 수 있다. 개시된 방법들은 다중 각도 지점을 갖는 팁을 구비하는 비교적 고성능 드릴 팁에 비교적 얇거나 및/또는 복잡한 고경도 구조물이 제공될 수 있게 하는 양태를 가질 수 있다. 개시된 팁의 일부는 일회 사용후 폐기될 수 있는 양태를 가질 수 있으며, 이들을 한번 사용하고 재사용을 위해 다시 예리하게 만들지 않는 것이 비용 효과적일 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 예시적 실시예가 설명될 것이다.
도 1은 비틀림 드릴용 예시적 팁의 개략 사시도이다.
도 2는 예시적 비틀림 드릴의 개략 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 예시적 비틀림 드릴의 단부 부분의 개략 측면도 및 개략 평면도이다.
도 4는 비틀림 드릴 팁용 예시적 전구체 구조물의 개략 측면도이다.
도 5는 비틀림 드릴 팁용 예시적 전구체 구조물의 개략 측면도이다.
도 6은 비틀림 드릴 팁용 예시적 전구체 구조물의 개략 측면도이다.
도 7은 비틀림 드릴 팁용 예시적 전구체 구조물의 개략 측면도이다.

도 1을 참조하면, 비틀림 드릴(도시되지 않음)용 예시적 팁(10)은 기재(13)의 단부와 인접하는 계면 경계(14)에서 기재(13)에 접합되는 고경도 구조물(12)을 포함한다. 이 예에서, 기재(13)는 필수적으로 소결 텅스텐 카바이드 재료로 구성되고, 고경도 구조물(12)은 필수적으로 PCD 재료로 구성된다. 고경도 구조물(12)은 계면 경계(14)와 대향하는 고경도 단부면(15)을 갖는다. 고경도 단부면(15)은 중심 포인트(16)를 구비한다. 고경도 구조물(12)은 한 쌍의 절삭날(17)(도 1의 측면도에서는 그 중 하나만 볼 수 있음)을 가지며, 팁(10)에는 한 쌍의 홈(18)(도 1의 측면도에서는 그 중 하나만 볼 수 있음)이 형성된다. 고경도 단부면(15)은 사용 시에 팁의 종방향 회전축(L)에 대해 상이한 각도로 배치되는 두 개의 대략 원추형 동심 표면 구역(15A, 15B)을 추가로 포함하며, 중심 포인트(16)에 인접한 내측 표면 구역(15A)은 외측 표면 구역(15B)에 비해 상당히 작은 원추 각도를 갖는다. 이 특정 예에서, 고경도 단부면(15)은 오목하며, 표면 구역(15A, 15B) 사이는 곡선 표면 구역에 의해 연결된다. PCD 구조물(12)이 접합되는 기재(13)의 어떤 단부도 실질적으로 노출되지 않는다[즉, 기재(13)의 거의 모든 단부가 PCD 구조물(12)에 접합된다].

도 2를 참조하면, 예시적 비틀림 드릴(20)은 홈(24)을 갖는 드릴 샤프트(22), 및 드릴 샤프트(22)의 단부(26)에 접합되는 예시적 팁(10)을 포함할 수 있다. 드릴 샤프트(22)는 종방향 회전축(L)을 갖는다. 팁은 계면 경계(14)에서 기재(13)에 접합되는 PCD 구조물(12)을 포함한다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 예시적 비틀림 드릴(그 일부만 도시됨)은 적어도 두 개의 홈(24)(도 3a에서는 그 중 하나만 볼 수 있음)을 갖는 드릴 샤프트(22), 및 드릴 샤프트(22)의 단부면(26)에서 드릴 샤프트(22)에 접합되는 예시적 팁(10)을 포함한다. 팁(10)은 단부(26)에서 샤프트(22)의 홈(24)과 매치되도록 구성된 두 개의 홈(18)을 포함하고, 두 개의 절삭날(17)을 가지며, 각각의 절삭날은 각각의 홈(18)과 연관된다. 팁(10)은 다이아몬드 입자와 탄화물 입자를 포함하는 중간층(19)을 거쳐서 초경합금 기재(13)에 접합되는 PCD 구조물(12)을 포함하며, PCD 구조물(12)은 치즐 에지(16)를 구비하는 절삭 포인트를 갖는다. PCD 구조물(12)은 고경도 단부면(15)을 가지며, 고경도 단부면은 종방향 회전축(L)에 대해 상이한 각도로 배치되는 동심적이고 대체로 원추형인 표면 구역(15A, 15B)을 구비한다. 이 특정 예에서, 고경도 단부면(15)은 오목하다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 비틀림 드릴 팁(도시되지 않음)을 제조하기 위한 예시적 전구체 구조물(30) 각각은 각각의 계면 경계에서 초경합금 기재(33)에 접합되는 PCD 구조물(32)을 포함하며, 그 각각은 각각의 고경도 단부면(35)과 거의 공형이다. PCD 구조물(32)은 종방향 평면[종축(L)에 평행]에서 약 1㎜의 반경을 갖는 구형상으로 라운드형인 정점(36)을 갖도록 구성된다. PCD 구조물(32)은 약 0.5㎜의 필렛 반경을 갖는 원형 필렛 코너에서 만나는 제 1 및 제 2 단부 원추형 표면 구역(35A, 35B)을 포함하는 고경도 단부면(35)을 갖는다. 표면 구역(35A, 35B)은 현저히 상이한 원추 각도를 갖는다. 도 4에 도시된 예에서 표면 구역(35A, 35B)은 대체로 오목한 단부면(15)을 형성하도록 배치되고, 도 5에 도시된 예에서 표면 구역(35A, 35B)은 대체로 볼록한 단부면(35)을 형성하도록 배치된다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 비틀림 드릴 팁(도시되지 않음)을 제조하기 위한 예시적 전구체 구조물(30) 각각은 각각의 계면 경계에서 초경합금 기재(33)에 접합되는 PCD 구조물(32)을 포함하며, 그 각각은 각각의 고경도 단부면(35)과 거의 공형이다. PCD 구조물(32)은 종방향 평면[종축(L)에 평행]에서 약 1㎜의 반경을 갖는 구형상으로 라운드형인 정점(36)을 갖도록 구성된다. PCD 구조물(32)은, 그 접선이 종축(L)에 대해 상이한 각도로 배치되는 표면 구역(35A, 35B)을 포함하고 종방향 평면에서 아치형인 연속 곡선형 고경도 단부면(35)을 갖는다. 도 6에 도시된 예에서, 고경도 단부면(35)은 오목하며, 여기에서 정점(36)에 인접한 표면 구역(35A)은 고경도 단부면의 주위에 인접한 표면 구역(35B)보다 가파르게 정점(36)으로부터 하향 경사진다. 도 7에 도시된 예에서, 고경도 단부면(35)은 볼록하며, 여기에서 정점(36)에 인접한 표면 구역(35A)은 고경도 단부면의 주위에 인접한 표면 구역(35B)보다 덜 가파르게 정점(36)으로부터 하향 경사진다.

예시적 전구체 구조물을 제조하기 위한 예시적 방법에 대해 후술할 것이다. 이 방법은 PCD 구조물을 제조하기 위한 소결전 조립체를 준비하는 단계 및 상기 소결전 조립체에 다이아몬드가 교생(inter-grow)할 수 있는 약 5.5GPa 이상의 초고압 및 약 1,250℃ 이상의 고온을 적용시켜 PCD 구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 소결전 조립체에는 초고압이 적용되는 바, 이는 소결전 조립체의 일부 변형을 초래할 가능성이 있다. 소결전 조립체는 초경합금 기재와 몰드 사이에 배치되는 응집체로서 형성된 다수의 다이아몬드 입자를 포함한다. 몰드는 PCD 소결 조건에서 사용하기에 적합한 염 또는 세라믹 재료와 같은 재료 또는 내화 금속을 포함할 수 있다. 몰드의 내부는 PCD 구조물이 형성되는 소결 공정 중의 소결전 조립체의 예상 변형을 고려하여 전구체 구조물의 포인트의 소정 형상에 따라 구성된다. 기재는 마찬가지로 이 소정 형상을 반영하도록 구성될 수 있으며, 따라서 응집체는 예상 변형을 제외하고 전구체 구조물의 소정 형상을 반영하도록 강요된다. 이 예에서, 응집체는 거의 균일한 두께를 갖는다. 코발트와 같은 다이아몬드용 촉매 재료가 초고압의 적용 이전에 응집 매스에 도입될 수 있거나 및/또는 초경합금 기재 내의 코발트 재료가 고온에서 용융되어 응집체 내에 침입할 때 도입될 수 있다. 소결전 조립체에 초고압 및 고온이 적어도 수 분의 기간 동안 적용될 때, 다이아몬드 입자는 촉매 재료의 존재하에 함께 성장하여, 기재에 접합 형성되는 PCD 구조물을 형성하며(즉 PCD 구조물은 소결 구조물이 되는 동일 단계에서 기재에 접합됨), PCD 구조물이 비틀림 드릴용 중심 포인트를 형성하는 정점을 갖는 PCD 구조물을 제공하고, 상기 정점은 PCD 구조물을 통과하는 중심 종축 상에 중심 위치된다.

기재에는 팁의 포인트와 거의 동일하거나 유사한 형상을 갖는 단부가 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 기재 및/또는 고경도 구조물의 고경도 단부면은 대체로 절두원추형, 돔형, 원추형, 다층 원추형, 오목형 또는 볼록형인 부분을 포함할 수 있다.

몰드는 소결전 조립체에 초고압 및 고온이 적용되는 것에 기인하는 변형, 및 고경도 입자의 소결로 인한 소결전 조립체의 수축을 고려하여 구성되어야 한다. 일 실시예에서, 소결전 조립체는 몰드, 다수의 고경도 입자, 및 기재를 통과하는 종축을 따라서 단일-축방향으로 콤팩트화될 수 있으며, 몰드는 평탄화되는 경향이 있을 수 있다. 이러한 이유로, 몰드에는 소요 포인트 각도보다 약 3 내지 5도 작게 각진 정점이 제공될 필요가 있을 수 있다.

몰드는 정점을 구비하는 단부면을 갖는 고경도 구조물을 형성하도록 구성될 수 있으며, 단부면은 표면 굴곡을 구비한다. 표면은 굴곡 구역에 의해 분리되는 두 개 이상의 구역을 구비할 수 있다. 일부 실시예에서, 굴곡은 점진적이거나 급격할 수 있으며, 굴곡의 양쪽에 있는 구역들 사이의 굴곡 각도를 특징으로 할 수 있다. 굴곡은 대체로 오목하거나 볼록한 포인트 형상을 제공할 수 있다.

상기 방법은 고경도 입자들을 함께 접합하기 위한 촉매 재료 또는 결합제 재료의 존재하에 응집체에 고경도 재료가 소결될 수 있는 초고압 및 온도를 적용시키는 단계를 포함할 수 있다.

PCD 구조물은 응집된 다수의 다이아몬드 입자를 다이아몬드가 흑연보다 열역학적으로 보다 안정한 압력 및 온도에서 예를 들어 코발트와 같은 다이아몬드용 촉매 재료의 존재하에 함께 소결함으로써 제조될 수 있다. 압력은 약 5GPa 이상일 수 있으며 온도는 약 1,250℃ 이상일 수 있다. 일부 실시예에서, 압력은 6.0GPa 이상, 7.0GPa 이상 또는 심지어 약 8GPa 이상일 수 있다. 다이아몬드 입자는 초경합금 기재 상에 소결될 수 있으며, 그 결과 기재에 접합된 PCD 구조물을 포함하는 복합 콤팩트가 초래된다. 기재는 코발트와 같은 촉매 재료를 함유할 수 있으며, PCD 재료를 소결하기 위한 압력 및 온도에서 용융 상태에 있을 때 다이아몬드 입자 중에 침투할 수 있는 촉매 재료의 소스를 제공할 수 있다. 팁을 제조하기 위한 한 가지 방법에서는, 응집된 다수의 다이아몬드 입자들과 초경합금 기재 사이에 배치되는 단수 또는 복수의 중간층을 위한 단수 또는 복수의 전구체 시트를 포함하는 사전-복합재 조립체가 구축될 수 있다. 전구체 조립체는 이후, 다이아몬드 입자를 소결하고 적어도 하나의 중간층을 거쳐서 기재에 접합되는 PCD 재료를 포함하는 단일체를 형성하기 위해 약 5.5GPa 이상의 압력과 약 1,250℃ 이상의 온도의 적용을 받을 수 있다. 단일체는 이후 예를 들어 회전 기계 공구용 팁을 제조하기 위한 추가 처리에 적합한 전구체 구조물을 생산하기 위해 연마 가공될 수 있다. PCD 전구체 구조물은 팁의 홈 및 절삭면을 형성하기 위해 방전 가공(electro-discharge machining: EDM) 및 연마를 포함하는 방법에 의해 처리될 수 있다.

상기 예시적 방법에서, 중간층을 위한 전구체 시트는 결합제 재료에 의해 함께 유지되는 다이아몬드 입자, 탄화물 입자 및 금속 분말을 포함할 수 있다. 층상 PCD 소자를 제조하기 위한 예시적 방법은 다수의 테이프 캐스트 시트를 제공하는 단계로서 각각의 시트는 수성 유기 결합제와 같은 결합제에 의해 함께 접합되는 다수의 다이아몬드 입자를 포함하는 단계, 및 이들 시트를 상하로 또한 지지체 위에 적층하는 단계를 포함한다. 상이한 크기 분포, 다이아몬드 함량 및 첨가물을 갖는 다이아몬드 입자를 포함하는 상이한 시트들이 소정 구조물을 달성하기 위해 선택적으로 적층될 수 있다. 이들 시트는 압출 또는 테이프 캐스팅 방법과 같은 당업계에 공지된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 다이아몬드 입자 및 결합제 재료를 포함하는 슬러리가 표면 상에 배치되어 건조될 수 있다. 미국 특허 제 5,766,394 호 및 제 6,446,740 호에 개시된 것과 같은, 다이아몬드-담지(bearing) 시트를 제조하기 위한 다른 방법도 사용될 수 있다. 다이아몬드-담지 층을 증착하기 위한 다른 방법은 열 분사와 같은 분사 방법을 포함한다.

PCD 재료를 형성하기 위해 다이아몬드 입자의 응집 매스를 함께 소결할 때는, 용매/촉매 재료가 응집 재료에 다양한 방식으로 도입될 수 있다. 한 가지 방법은 금속 산화물을 응집 매스로 압밀 형성하기 전에 수용액으로부터의 석출에 의해 다수의 다이아몬드 입자의 표면 상에 증착하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 PCT 공개 제 WO 2006/032984 호 및 제 WO 2007/110770 호에 개시되어 있다. 다른 방법은 다이아몬드용 촉매 재료를 구비하는 금속 합금을 분말 형태로 준비 또는 제공하는 단계 및 상기 분말을 응집 매스로 압밀하기 전에 다수의 다이아몬드 입자와 혼합하는 단계를 포함한다. 혼합은 볼 밀(ball mill)에 의해 이루어질 수 있다. 다른 첨가물이 응집 매스에 혼입될 수 있다. 임의의 용매/촉매 재료 입자 또는 도입되었을 수도 있는 첨가물 입자를 포함하는 다이아몬드 입자의 응집 매스는 비결합되거나 느슨하게 결합된 구조물로 형성될 수 있으며, 이는 초경합금 기재 상에 배치될 수 있다. 초경합금 기재는 코발트와 같은, 다이아몬드용 촉매 재료의 소스를 함유할 수 있다. 입자들의 응집 매스와 기재를 포함하는 조립체는 초고압 노 장치에 적합한 캡슐에 봉입될 수 있으며, 상기 캡슐에는 6GPa 이상의 압력이 적용된다. 벨트, 도넛형, 입방형 및 사각형 멀티-앤빌 시스템을 포함하는 다양한 종류의 초고압 장치가 공지되어 있으며 사용될 수 있다. 캡슐의 온도는 촉매 재료가 용융되기에는 충분히 높고 다이아몬드에서 흑연으로의 실질적인 변환을 방지하기에는 충분히 낮아야 한다. 시간은 소결이 완료되기에 충분히 길어야 하지만, 생산성을 극대화하고 비용을 절감하기 위해 가능한 한 짧아야 한다.

예시적 드릴 포인트 구성은 대체로 오목하게 아치형이거나 대체로 볼록하게 아치형일 수 있거나, 오목하게 또는 볼록하게 배치될 수 있는 하나 이상의 대체로 원추형 부분을 포함할 수 있다. 예시적 드릴 팁은 외부 각도 및 내부 각도에 의해 특징지어질 수 있는 배각 절삭 포인트를 구비할 수 있다.

예시적 실시예에서, 블랭크 또는 팁은 고경도 구조물과 초경합금 기재 사이에 배치되는 중간층에 의해 초경합금 기재에 접합되는 고경도 구조물을 포함할 수 있으며, 중간층은 합성 또는 천연 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소(CBN)와 같은 고경도 재료의 입자, 및 금속 결합제 재료에 분산되는 금속 탄화물 재료의 입자를 포함한다.

비제한적인 예시적 실시예가 보다 상세하게 후술된다.

세 개의 중간층을 거쳐서 초경합금 기재에 접합된 PCD 캡을 포함하는, 비틀림 드릴용 팁을 제조하기 위한 예시적 PCD 구조물이 제조되었다.

PCD 캡은 거의 균일한 두께를 가졌으며, 볼록한 아치형 표면이 정점을 형성하는, 대체로 뾰족한 돔 형상을 갖는 절삭 포인트를 구비하였다.

PCD 팁 전구체 구조물의 작업면의 의도된 형상과 대략 동일한 형상으로 구성된 내부 형상을 일 단부에 갖는 몰드가 제공되었다. 소결 단계 중에 예상되는 변형을 고려하기 위해, 몰드의 내부는 PCD 캡에 요망되는 것보다 약 3 내지 5도 날카로운(즉, 보다 세장형인) 뾰족한 돔을 구비하였다. 몰드는 염을 포함하는 캡슐 내에 지지되는 내화 금속으로 형성된 컵을 포함하였다. 약 1 미크론 이상 약 10 미크론 이하의 평균 크기를 갖고 유기 결합제에 의해 함께 결합되는 다이아몬드 입자를 포함하는 PCD 전구체 시트가 몰드 내에 조립되었으며, 다수의 시트가 몰드의 날카로운 단부에 대해 적층된다. 다이아몬드 입자와 텅스텐 카바이드 입자를 포함하는 중간 시트가 PCD 전구체 시트에 대해 적층되었으며, 형상화된 초경합금 기재가 중간 시트에 대해 배치되었다. 기재는 고경도 단부면과 원위 단부를 가졌으며, 단부들은 대체로 원통형인 측면에 의해 연결되고, 고경도 단부면은 몰드의 내부 형상과 합치되는 형상을 갖는다. 기재는 약 4 미크론 내지 약 6 미크론 범위의 평균 크기를 갖는 약 10 중량퍼센트 코발트와 WC 입자를 포함하였다.

중간 시트(S1, S2, S3)의 조성은 하기 표에 제공된다(결합제 재료를 제외). 각각은 다이아몬드와 텅스텐 카바이드 입자의 상이한 조성을 포함하였으며, S1은 또한 혼합된 코발트를 분말 형태로 포함한다. 중간 시트와 PCD 전구체 시트는 다이아몬드 및/또는 텅스텐 카바이드 입자와 유기 결합제를 포함하는 슬러리를 테이프 캐스팅하고 캐스트 슬러리가 건조될 수 있게 함으로써 형성되었다.

	다이아몬드	WC	Co
S1	69-75 wt.%	23-25 wt.%	0-8 wt.%
S2	46-50 wt.%	46-50 wt.%	0-8 wt.%
S3	18-20 wt.%	54-61 wt.%	19-28 wt.%

소결전 조립체는 유기 결합제의 거의 전부를 연소시키기 위해 진공에서 열처리를 받았으며 이후 초고압 노용 캡슐 내에 조립되었다. 이는 이후 세 개의 중간층을 거쳐서 기재 보디에 접합된 PCD 단부 캡을 형성하기 위해 약 5.5GPa의 압력과 약 1,350℃ 이상의 온도가 적용되었다. 소결 단계 이후, PCD 구조물은 봉입 구조물로부터 회수되었다. 이는 세 개의 중간층을 거쳐서 기재에 접합 형성되는 PCD 캡을 포함하였으며, PCD 캡은 뾰족한 정점을 갖는 돔 형상을 갖는다.

PCD 구조물은, (드릴 팁의 절삭 포인트가 될) PCD 캡의 단부에 한 쌍의 대향 절삭날을 제공하고 구조물의 주위 측부에 한 쌍의 나선형 홈을 제공하여 비틀림 드릴용 팁을 형성하기 위해 방전 가공(EDM) 및 연마에 의해 처리되었다.

본 명세서에 사용되는 특정 용어와 개념은 이하에서 간단히 설명된다.

본 명세서에 사용되는 "고경도" 또는 초경질 재료는 25GPa 이상의 비커스 경도를 갖는다. 합성 및 천연 다이아몬드, 다결정 다이아몬드(PCD), 입방정 질화 붕소(CBN) 및 다결정 CBN(PCBN) 재료가 고경도 재료의 예이다. 인조 다이아몬드로도 지칭되는 합성 다이아몬드는 제조된 다이아몬드 재료이다.

다결정 다이아몬드(PCD) 재료는, 그 상당 부분이 서로간에 직접 상호-결합되고 다이아몬드 함량이 재료의 약 80 체적퍼센트 이상인 다이아몬드 입자의 매스(다수의 입자의 응집체)를 포함한다. 다이아몬드 입자들 사이의 간극은 합성 다이아몬드용 촉매 재료를 포함하는 결합제 또는 충전 재료로 적어도 부분적으로 충전될 수 있거나, 거의 비워질 수 있다. 합성 다이아몬드용 촉매 재료는 합성 또는 천연 다이아몬드가 열역학적으로 안정적인 온도 및 압력에서 합성 다이아몬드 입자의 성장 및/또는 합성 또는 천연 다이아몬드 입자의 직접 교생을 촉진할 수 있다. 촉매 재료의 예는 Fe, Ni, Co, Mn 및 이들을 포함하는 특정 합금이다. PCD 재료를 포함하는 고경도 구조물은 촉매 재료가 간극으로부터 제거되어 다이아몬드 입자들 사이에 간극 보이드를 남겨두는 구역을 적어도 포함할 수 있다. 다이아몬드용 촉매 재료가 그로부터 고갈되었거나 촉매 재료가 촉매로서 비교적 덜 활성적인 형태로 있는 유효한 구역을 적어도 구비하는 PCD 구조물이 열적으로 안정적인 PCD로서 기술될 수 있다.

PCBN 재료는 금속 및/또는 세라믹 재료를 포함하는 매트릭스 내에 분산되는 입방정 질화 붕소(CBN)의 입자를 포함한다. 예를 들어, PCBN 재료는 티타늄 탄질화물과 같은 Ti-함유 화합물 및/또는 알루미늄 질화물과 같은 Al-함유 화합물, 및/또는 Co 및/또는 W와 같은 금속 함유 화합물을 포함하는 결합제 매트릭스 재료에 분산되는 약 30 체적퍼센트 이상의 CBN 입자를 포함할 수 있다. PCBN 재료의 일부 버전(또는 "등급")은 약 80 체적퍼센트 이상 또는 심지어 약 85 체적퍼센트 이상의 CBN 입자를 포함할 수 있다.

팁 부착된(tipped) 공구는 절삭날이 공구 또는 인서트의 잔여부와 다른 재료를 포함하는 커터 팁에 의해 형성되는 공구이며, 팁은 통상적으로 공구 보디 상에 브레이징 또는 클램핑된다. 기계 공구용 팁은 전구체 구조물을 처리하여 팁용 구조로 형성함으로써 제조될 수 있다. 비틀림 드릴은 금속, 목재, 복합재 및 플라스틱을 포함하는 보디와 같은 피가공물 보디에 회전식 전단 절삭 작용에 의해 구멍을 천공하기 위한 홈부착 드릴이며, 팁을 포함할 수 있다.

비틀림 드릴은 일반적으로, 하나 이상의 절삭면 또는 립을 갖고 또한 드릴링되는 구멍으로부터 칩을 이송하기 위한 하나 이상의 나선형 또는 직선형 홈을 갖는 회전식 단부 절삭 공구로서 기술될 수 있다. 칩은 사용 시에 기계 공구에 의해 피가공물의 작업면으로부터 제거되는 피가공물 재료의 피스이다. 팁의 절삭날은 경사면(rake face)의 에지이며, 보디의 절삭을 수행하도록 의도된다. 기계 공구의 경사면은 공구가 보디로부터 재료를 제거하기 위해 사용될 때 그 위로 칩이 흘러가는 표면 또는 표면들이며, 경사면은 새로 형성되는 칩의 유동을 인도한다. 일부 드릴은 공구의 축에 평행하게 연장되는 직선형 홈을 갖지만, 대부분의 비틀림 드릴은 절삭날의 소정 경사 각도, 칩 소개의 용이성 및 드릴의 강성과 같은 설계 요건을 준수하도록 구성된 나선형 홈을 포함한다.

드릴의 커터 포인트(또는 간단히 포인트)는 절삭날을 제공하는 드릴의 작업단이다. 포인트는, 절삭날 사이에 대칭적으로 배치되고 드릴의 회전축과 동심적으로 배치되는 치즐 에지를 구비할 수 있다. 가장 간단한 드릴에 있어서, 치즐 에지 기하구조는 홈들을 분리시키는 재료 부분인 웹 두께에 의해 결정된다. 드릴의 웹 부분은 피가공 재료를 절삭하지 않고 오히려 이를 중심선으로부터 절삭날을 향해서 외측으로 압출하므로, 그 길이는 종종 홈과 드릴 포인트 표면 사이의 교차부에 노치를 형성함으로써 최소화된다. 드릴 포인트(웹과 노치 기하구조)의 설계는 그 회전 정확도, 즉 드릴이 안내 기구 회전축 주위로 동심 회전하는 정도에 부분적으로 영향을 미친다. 현장에서 사용되는 대부분의 드릴은 두 개의 절삭날을 갖는데 이것이 가장 경제적인 설계이기 때문이다. 그러나, 세 개의 절삭날과 홈을 갖는 드릴은 더 견고하고, 절삭 중에 편향을 덜 겪게되며, 따라서 고품질 고정확도의 구멍 제조가 가능한 것으로 알려졌다. 또한, 추가 절삭날은 2-홈 드릴보다 최대 50% 높은 드릴링(병진) 속도를 허용한다. 제조하기에는 더 비싸지만, 높은 성능은 높은 초기 비용을 상쇄시킬 수 있다.

PCD 팁을 갖는 드릴 비트와 같은 회전 기계 공구는 Ti와 CFRP 조합의, Ti 또는 CFRP를 포함하는 보디를 가공하기 위해 사용될 수 있다. 회전 기계 공구 팁은 사용 시에 절삭 구조물에 대해 작용하는 높은 전단 응력을 겪을 가능성이 있다. 전단 응력은 드릴링되는 보디가 Ti 또는 CFRP, 또는 이들 양자와 같은 매우 강한 재료를 포함하는 경우에 더 심해질 가능성이 있다.

원추 각도는 원추의 표면 상의 지점들 사이의 원추를 통해서 직경방향으로 측정되는 나사산 각도이며, 원추 정점은 꼭지점이다.

필렛은 부품 설계의 내부 코너의 오목한 완화이다.

Claims

비틀림 드릴용 팁에 있어서,
기재의 단부와 인접하는 계면 경계에서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 포함하며, 상기 고경도 구조물은 고경도 입자를 포함하는 소결 다결정 재료를 포함하고, 상기 고경도 구조물은 계면 경계와 대향하는 고경도 단부면 및 사용 시에 보디 내로 보링되도록 구성된 다수의 절삭날을 가지며; 상기 고경도 단부면은 중심 포인트 또는 치즐 에지를 구비하고, 각각의 표면 구역에 접선하는 각각의 평면들이 사용 시에 팁의 회전축으로부터 현저히 상이한 각도로 배치되도록 구성되는 다수의 표면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항에 있어서,
상기 고경도 구조물은 다결정 다이아몬드(PCD) 재료 또는 다결정 입방정 질화 붕소(PCBN) 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 계면 경계와 거의 공형인 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 구조물은 약 0.3㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 평균 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 약 3㎜ 이상 약 20㎜ 이하의 직경을 형성하는 둘레를 갖는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 두 개 이상의 부분 원추 표면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 사용 시에 팁의 회전축에 평행한 종방향 평면에서 아치형인 하나 이상의 표면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
두 개 이상의 표면 구역 사이에는 굴곡이 형성되는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면 구역에 대한 접선 평면은 서로에 대해 5도 이상으로 배치되는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면 구역의 각각은 각각의 표면 구역의 정반대 영역들에 대한 접선 평면들 사이에서 측정되는, 45도 이상 약 180도 이하의 각각의 나사산 각도를 갖는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 정점으로부터 현수되는 제 1 표면 구역 및 상기 제 1 표면 구역으로부터 현수되는 제 2 표면 구역을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 표면 구역 사이에는 굴곡 각도가 형성되는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 경계는 대체로 돔형, 원추형, 다층 원추형, 오목형 또는 볼록형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는
비틀림 드릴용 팁.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 팁의 제조에 사용하기 위한 전구체 구조물에 있어서,
기재의 단부에서의 계면 경계에서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 포함하고, 상기 고경도 구조물은 계면 경계와 대향하는 고경도 단부면을 갖고 절삭날이 없으며; 상기 고경도 구조물은 고경도 입자를 포함하는 소결 다결정 재료를 포함하고; 상기 고경도 단부면은 중심 뭉툭한 정점 및 팁을 위해 구성된 다수의 표면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항에 있어서,
상기 전구체 구조물의 표면 구역은 팁의 절삭날에 인접한 팁의 표면 구역에 대응하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 전구체 구조물의 표면 구역은 그 프로파일이 팁의 대응 표면 구역의 대응 프로파일의 약 0.5㎜ 이내에 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정점은 구형상으로 뭉툭하며 반경을 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정점은 릿지에 수직한 종방향 평면에서 반경을 갖는 라운드형 릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정점은 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 약 3㎜ 이상 약 20㎜ 이하의 직경을 형성하는 둘레를 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 실질적으로 원형인 둘레를 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 구조물은 다결정 다이아몬드(PCD) 재료 또는 다결정 입방정 질화 붕소(PCBN) 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 계면 경계와 거의 공형인 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 구조물은 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 거의 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 두 개 이상의 원추형 표면을 포함하고, 이들 원추형 표면은 상호 동심적이고 정점과 동심적이며, 현저히 상이한 각각의 원추 각도를 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 외측 원추형 표면과 내측 원추형 표면을 포함하며, 외측 원추형 표면은 내측 원추형 표면보다 정점으로부터 더 멀리 위치하고, 외측 원추형 표면의 원추 각도는 내측 원추형 표면의 원추 각도보다 현저히 큰 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 외측 원추형 표면과 내측 원추형 표면을 포함하며, 외측 원추형 표면은 내측 원추형 표면보다 정점으로부터 더 멀리 위치하고, 외측 원추형 표면의 원추 각도는 내측 원추형 표면의 원추 각도보다 현저히 작은 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 종방향 평면에서 아치형인 하나 이상의 표면 구역을 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
두 개 이상의 표면 구역 사이에는 굴곡이 형성되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
두 개 이상의 표면 구역은 그 사이의 필렛 코너에서 만나며, 필렛은 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면 구역에 대한 접선 평면은 서로에 대해 5도 이상으로 배치되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면 구역의 각각은 각각의 표면 구역의 정반대 영역들에 대한 접선 평면들 사이에서 측정되는, 45도 이상 약 180도 이하의 각각의 나사산 각도를 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 단부면은 정점으로부터 현수되는 제 1 표면 구역 및 상기 제 1 표면 구역으로부터 현수되는 제 2 표면 구역을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 표면 구역 사이에는 굴곡 각도가 형성되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 계면 경계는 대체로 절두원추형, 돔형, 원추형, 다층 원추형, 오목형 또는 볼록형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고경도 구조물은 하나 이상의 중간층을 거쳐서 기재에 접합되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물.
제 13 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 따른 전구체 구조물을 제조하기 위한 방법에 있어서,
전구체 구조물의 고경도 단부면을 형성하도록 구성된 내측 표면 영역을 포함하는 몰드를 제공하는 단계; 상기 내측 표면 영역에 대해 다수의 고경도 입자를 포함하는 응집체를 형성하는 단계, 상기 구조물에 대한 경계 계면으로서 구성된 단부면을 가지며 초경합금 재료를 포함하는 기재를 제공하는 단계, 상기 기재의 단부면을 상기 응집체에 대해 배치하여 소결전 조립체를 제공하는 단계; 상기 소결전 조립체를 초고압 프레스를 위한 캡슐 내에 조립하고 상기 소결전 조립체에 응집체를 소결하기에 충분한 압력 및 온도를 적용시켜 기재에 접합된 고경도 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항에 있어서,
상기 몰드의 내측 표면 영역은 그 형상 프로파일이 전구체 구조물의 고경도 단부면의 형상 프로파일의 약 0.5㎜ 이내에 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항 또는 제 36 항에 있어서,
상기 응집체는 다수의 다이아몬드 입자 또는 다수의 CBN 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 응집체는 약 0.5㎜ 이상 약 3㎜ 이하의 거의 균일한 두께를 갖는 고경도 구조물을 제조하기 위해 준비되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몰드는 정점을 구비하는 단부면, 정점으로부터 현수되는 제 1 표면 구역 및 상기 제 1 표면 구역으로부터 현수되는 제 2 표면 구역을 갖는 고경도 구조물을 형성하도록 구성되며; 상기 제 1 및 제 2 표면 구역 사이에는 굴곡 각도가 형성되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
고경도 입자의 응집체와 기재 사이에 하나 이상의 중간층을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 중간층은 중간층을 거쳐서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 제공하기 위해 고경도 재료의 입자와 금속 탄화물 재료의 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서,
고경도 입자의 응집체와 기재 사이에 다수의 중간층을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 중간층은 중간층을 거쳐서 기재에 접합되는 고경도 구조물을 제공하기 위해 고경도 재료의 입자와 금속 탄화물 재료의 입자를 포함하며, 중간층 내의 고경도 입자의 함량은 중간층이 응집체로부터 멀수록 감소되는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 35 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서,
고경도 입자를 포함하는 다수의 시트를 제공하는 단계 및 이들 시트를 몰드의 내측 표면에 대해 적층시켜 응집체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
전구체 구조물 제조 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 팁을 제조하기 위한 방법에 있어서,
제 13 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 따른 전구체 구조물을 제공하는 단계 및 고경도 구조물로부터 재료를 제거하여 다수의 절삭날을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
팁 제조 방법.
제 43 항에 있어서,
정점을 구비하는 고경도 구조물의 구역으로부터 재료를 제거하여 중심 포인트 또는 치즐 에지를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
팁 제조 방법.
제 43 항 또는 제 44 항에 있어서,
전구체 구조물로부터 재료를 제거하여 홈 구조물을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
팁 제조 방법.
제 43 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
고경도 구조물로부터 재료를 제거하여 두 개의 표면 구역 사이에서의 필렛 코너의 반경을 감소시키거나 거의 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
팁 제조 방법.
제 43 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
고경도 구조물로부터 재료를 제거하여 고경도 단부면 상에 하나 이상의 간극면을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
팁 제조 방법.
티타늄(Ti), 탄소섬유-강화 폴리머(CFRP) 재료, 또는 Ti와 CFRP 재료 양자를 포함하는 보디 내에 보링하는 방법에 있어서,
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 팁을 포함하는 드릴을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
보링 방법.