KR20190060487A - 탄소복합소재 가공 형상 드릴 - Google Patents

탄소복합소재 가공 형상 드릴 Download PDF

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    • B26D2001/0053—Cutting members therefor having a special cutting edge section or blade section

Abstract

본 발명은 탄소복합소재 가공 형상 드릴에 관한 것으로서, 탄소복합소재의 홀 가공시 표면손상을 최소화할 수 있는 여러 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴에 관한 것이다.

Description

탄소복합소재 가공 형상 드릴{Carbon fiber reinforced plastic processing shape drill}
본 발명은 탄소복합소재 가공 형상 드릴에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수지와 탄소섬유로 형성되는 탄소복합소재의 홀 가공시 표면손상을 최소화할 수 있는 여러 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴에 관한 것이다.
일반적으로, 수지와 탄소섬유로 형성되는 탄소복합소재(CFRP)는 고내열성, 고강도, 내열충격성을 보유하며, 섬유배향 및 적층배향을 적절히 선정하여 필요한 강도를 보강할 수 있는 특징이 있어, 특유의 경량, 고강도 특성을 살릴 수 있는 자동차, 우주분야, 항공분야, 전기분야 등의 다양한 첨단산업 분야에서 사용되고 있으며, 그 사용 정도는 점차 증가하고 있는 추세이다.
이러한 다양한 분야에서 활용성이 높은 탄소복합소재는 매우 고가의 재료여서 가공으로 인해 제품 불량이 발생되면 그로 인한 경제적 손실이 상당하며, 특히 드릴 가공은 대부분 제품의 최종공정에 이루어지는 경우가 많고, 드릴 가공은 탄소복합소재가 자동차, 우주, 항공 등의 분야에서 사용되는 특성상 체결용을 비롯한 많은 부품에 있어 수많은 작업이 수반되어야하는 필수불가결 가공작업으로서, 드릴링시에 제품 불량은 막대한 피해를 가져오기도 한다.
이에 따라, 종래에는 탄소복합소재 가공은 워터젯 또는 레이저를 등을 이용한 특수가공으로 가공하거나, 한국공개특허 제10-2014-0005946호 '드릴 구멍을 생성하기 위한 천공 기구 및 방법'과 같은 복합 재료용 드릴을 이용하였으나, 특수가공은 시간과 비용이 많이 소요되는 단점이 있으며, 복합 재료용 드릴을 이용한 절삭은 탄소복합소재가 높은 인장강도를 지닌 탄소섬유로 형성됨에 따라 탄소섬유의 파손 및 벗겨짐 등에 의한 재료의 손실을 가져오는 문제점이 있다.
따라서, 경제적 피해를 최소화 할 수 있는 탄소복합소재 적층판에 대한 최적의 드릴 가공을 위해서는 섬유조직의 배열 및 방향각에 따른 최적의 드릴 형상을 찾아내어 표준적인 절삭조건을 제시하고 더 좋은 홀의 표면을 얻기 위해 각 섬유조직 배열에 따른 드릴이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자, CFRP 적층판에 대한 섬유조직의 배열 및 방향각에 따른 다양한 타입의 최적의 드릴 형상을 제공하여 CFRP에 대한 홀 가공시에 박리현상을 해결하고, 표면손상을 최소화하여 구조물의 수명을 향상시키는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴은, 선단이 소정의 각도로 형성되는 드릴부와; 상기 드릴부에서 연장되되, 소정의 경사각도를 형성하는 경사부와; 상기 경사부에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부가; 플루트 길이(Flute length)를 형성하며, 상기 경사부 및 직선부는 헬릭스 날을 형성하며, 상기 헬릭스 날에는 마진(Margin)이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 경사부 및 직선부의 헬릭스 날의 각도(Helix angle)는 30°일 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴은, 선단이 소정의 각도로 형성되는 드릴부와; 상기 드릴부에서 연장되되, 소정의 경사각도를 형성하는 경사부와; 상기 경사부에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부가; 플루트 길이(Flute length)를 형성하며, 상기 경사부 및 직선부는 적어도 2개의 버니싱 날을 구비하며, 상기 버니싱 날은 마진(Margin)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴은, 선단이 소정의 각도로 형성되는 드릴부와; 상기 드릴부에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부가; 플루트 길이를 형성하며, 상기 직선부는 헬릭스 날로 구비되되, 상기 헬릭스 날은 마진(Margin)이 형성되고, 상기 드릴부 및 직선부의 연장부는 내측으로 소정의 깊이만큼 오목하게 형성되며, 헬릭스 날의 끝단이 뾰족하게 돌출되어 측면에서 보았을 때 크라운(Crown) 형상을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 마진(Margin)은 상기 헬릭스 날의 절삭날부를 따라 형성되는 제1 마진과 상기 제1 마진으로부터 일정간격 이격폭을 형성하여 헬릭스 날의 중단부 형성되는 제2 마진을 포함하는 더블 마진(Double margin)일 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상드릴은, 상기 경사부의 경사각도는 중심축을 기준으로 일측이 7°내지 8°일 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상드릴은, 상기 드릴부의 선단 각도가 90°일 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상드릴은, 상기 드릴부의 직경과 상기 직선부의 직경은 5:8의 비율일 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상드릴은, 상기 직선부에 형성된 각 날의 소정의 위치에서 외주면을 따라 일정 깊이로 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴은 CFRP 적층판에 대한 섬유조직의 배열 및 방향각에 따른 다양한 타입의 최적의 드릴 형상으로 형성되어 CFRP에 대한 홀 가공시에 박리현상을 방지하며, 표면손상을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 후면 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 버니싱 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 후면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 버니싱 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 후면 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 측면도이다.
도 7은 실시예 1의 절삭력 측정에 대한 그래프이다.
도 8은 실시예 2의 절삭력 측정에 대한 그래프이다.
도 9는 실시예 3의 절삭력 측정에 대한 그래프이다.
도 10은 비교예 1의 절삭력 측정에 대한 그래프이다.
도 11은 실시예 1의 공구마모도의 측정 사진이다.
도 12는 실시예 2의 공구마모도의 측정 사진이다.
도 13은 실시예 3의 공구마모도의 측정 사진이다.
도 14는 비교예 1의 공구마모도의 측정 사진이다.
도 15는 실시예 1로 가공한 홀 표면에 대한 사진이다.
도 16은 실시예 2로 가공한 홀 표면에 대한 사진이다.
도 17은 실시예 3으로 가공한 홀 표면에 대한 사진이다.
도 18은 비교예 1로 가공한 홀 표면에 대한 사진이다.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 1 내지 도 18을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 후면 사시도이며, 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 측면도이다.
먼저, 도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(10)은 헬릭스 날(130)이 플루트 길이(Flute length)를 형성하도록 구비되는 헬리컬타입으로써, 선단이 소정의 각도(θ1)로 형성되는 드릴부(100)와, 드릴부(100)에서 연장되며 소정의 경사각도(θ2x2)를 형성하는 경사부(110)와, 경사부(110)에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부(120)가 플루트 길이(Flute length)를 형성할 수 있으며, 상기 플루트 길이에서는 생크(S)가 소정의 길이로 연장되어 전장을 형성할 수 있다.
즉, 경사부(110)와 직선부(120)는 헬릭스 날(130)로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 탄소복합소재(CFRP) 가공시 CFRP에 가장 처음으로 인입되는 드릴부(100)는 선단(θ1)이 90°각도로 형성될 수 있다. 이는, CFRP의 섬유 적층 배열 및 방향각에 따른 특성상 90°를 기준으로 초과하게 되면 절삭력은 상승하나 표면이 매끄럽지 못하게 되고, 90°미만일 시에는 절삭력이 하강하여 드릴링이 용이하지 않기 때문이다.
드릴부(100)에서 연장되는 경사부(110)는 드릴의 중심축을 기준으로 일측 경사각(θ2)이 7°내지 8°를 형성할 수 있다. 즉, 양측으로 14° 내지 16°의 경사각(θ2x2)을 형성할 수 있으며, 이때 15°로 형성되는 것이 바람직하다.
이는, 드릴부(100)로 인해 형성되는 홀로부터 천공하기 위한 홀로 점차 확장하며 천공하기 위함으로, 경사부(110)로 인해 홀의 직진도 및 진원도에서 향상된 표면을 얻을 수 있다.
경사부(110)의 경사각(θ2x2)이 14°미만이거나 16°를 초과할 시에는 경사각이 너무 완만하거나 급격하여 직진도 및 진원도가 매끄럽지 않을 수 있다.
경사부(110)에서 연장되는 직선부(120)는 직경(D2)이 드릴부(100)의 직경(D1) 5 대비 8일 수 있다. 즉, 드릴부(100)의 직경(D1)이 5Ø이면 직선부(120)의 직경(D2)은 8Ø이고, 드릴부(100)의 직경(D1)이 10Ø이면 직선부(120)의 직경(D2)은 16Ø일 수 있다.
여기서, 직선부(120)는 드릴부(100) 및 경사부(110)를 통해 천공된 CFRP의 진원을 다듬기 위한 구성일 수 있다. 즉, 본 발명은 드릴부(100) 및 경사부(110)를 통해 진원이 점차 확대되며 드릴링되고, 직선부(120)를 통해 진원이 리밍(reaming)되어 매끄러운 홀이 완성될 수 있다.
또한, 직선부(120)에 형성된 헬릭스 날(130)의 소정의 위치에는 드릴의 외주를 따라 일정 깊이로 홈부(140)가 형성될 수 있다. 이는, 드릴링 또는 리밍 시에 발생되는 열 및 칩을 배출하기 위함이다.
이때, 홈부(140)의 형상은 사각형일 수 있으며, 직선부(120)의 시작점에서 약 1.5mm 떨어진 위치에 각각 1 내지 1.5mm의 너비와 폭으로 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서 반드시 한정되는 것은 아니다.
한편, 경사부(110) 및 직선부(120)를 구성하는 헬릭스 날(130)은 각도(θ3)가 30°로 형성되는 것이 바람직하며, 경사부(110) 및 직선부(120)의 플루트 길이(Flute length)는 전장 대비 약 40%의 길이를 형성할 수 있다. 즉, 전장 80mm 대비 30mm 내지 35mm 정도 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것으로서 반드시 한정되는 것은 아니다.
또한, 헬릭스 날(130) 중 일부는 시작단이 경사지게 절삭되어 마감될 수 있다. 이는 드릴링 시작시에 절삭면을 간섭하지 않기 위함으로, 보다 이해가 쉽도록 설명하면, 일반적으로 헬릭스 날은 4개가 구비될 수 있는데, 이 중 양단의 날은 절삭의 시작시부터 관여하며, 나머지 2개의 날은 절삭이 시작된 후에 관여하도록 형성된다.
이때, 절삭이 시작된 후에 관여하도록 형성되는 2개의 날은 절삭의 시작시부터 관여하는 날과 같이 절삭면에 간섭하게 되면 표면을 손상시킬 수 있어 진원도가 매끄럽지 않음과 더불어 버(burr) 및 층간 박리현상을 발생시킬 수 있다.
아울러, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(10)은 통상적인 드릴과 같이 헬릭스 날(130)에 홀의 내주면과 맞닿는 마진(132)이 형성될 수 있음은 물론이다.
상기와 같이 형성되는 제1 실시 예에 따른 헬리컬 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴(20)은 헬릭스 날(130)로 드릴링(Drilling)과 리밍(Reaming)을 함께 수행하면서 CFRP의 버(burr) 및 층간 박리현상 없이 매끄럽게 천공할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 버니싱 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 후면 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 버니싱 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 측면도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(20)은 적어도 2개의 버니싱 날(230)이 플루트 길이를 형성하도록 구비되는 버니싱타입으로써, 선단이 소정의 각도(θ1)로 형성되는 드릴부(200)와, 상기 드릴부(200)에서 연장되며 소정의 경사각도(θ2x2)를 형성하는 경사부(210)와, 경사부(210)에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부(220)가 플루트 길이(Flute length)를 형성할 수 있으며, 상기 플루트 길이에서는 생크(S)가 소정의 길이로 연장되어 전장을 형성할 수 있다.
즉, 경사부(210)와 직선부(220)는 적어도 2개의 버니싱 날(230)로 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(20)은 경사부(210)와 직선부(220)가 적어도 2개의 버니싱 날(230)로 형성되는 것을 제외하고는, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(10)과 구성이 실질적으로 동일할 수 있다.
즉, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(20)은 드릴부(200)가 선단(θ1)이 90°각도로 형성될 수 있으며, 드릴부(200)에서 연장되는 경사부(210)는 드릴의 중심축을 기준으로 일측(θ2)이 7°내지 8°를 형성할 수 있고(바람직하게는 7.5°), 경사부(210)에서 연장되는 직선부(220)는 직경(D2)이 드릴부(220)의 직경(D1) 5 대비 8일 수 있다.
또한, 직선부(220)에 형성된 버니싱 날(230)의 소정의 위치에는 드릴의 외주를 따라 일정 깊이로 홈부(240)가 형성될 수 있으며, 이때 홈부(240)는 직선부(220) 시작점에서 약 1.5mm 떨어진 위치에 각각 1 내지 1.5mm의 너비와 폭으로 형성될 수 있다. (단, 한정되는 것은 아님)
또한, 경사부(210) 및 직선부(220)의 플루트 길이(Flute length)는 전장 대비 약 40%의 길이를 형성할 수 있으며, 버니싱 날(230)이 4개 이상 구비시에는 절삭 시작날 외에 나머지 절삭날은 시작단이 경사지게 마감될 수 있고, 버니싱 날(230)에는 통상적인 마진(232)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 형성되는 제2 실시 예에 따른 버니싱 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴(20)은 버니싱 날(230)로 드릴링(Drilling)과 리밍(Reaming)을 함께 수행하면서 CFRP의 버(burr) 및 층간 박리현상 없이 매끄럽게 천공할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 5 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴을 구체적을 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 후면 사시도이며, 도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 측면도이다.
도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(30)은, 소정의 각도로 형성되는 드릴부(300)와, 상기 드릴부(300)에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부(320)가 플루트 길이를 형성하며, 직선부(320)는 헬릭스 날(330)로 구비될 수 있다. 또한, 플루트에서는 생크(S)가 연장될 수 있다.
이때, 제3 실시 예의 드릴(30)은 크라운(crown)형상으로 형성될 수 있는데, 구체적으로 설명하면, 드릴부(300) 및 직선부(320)를 연결하는 연장부(310)는 내측 즉, 타단방향으로 소정의 깊이만큼 오목하게 형성될 수 있다. 또한, 직선부(320)에 형성되는 헬릭스 날(330)은 끝단이 즉, 날의 시작단이 뾰족하게 돌출될 수 있다.
이를 통해, 제3 실시 예의 드릴을 측면에서 보게 되면 크라운(crown) 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 헬릭스 날(330)에는 통상적인 드릴과 같이 마진(Margin)이 형성될 수 있는데, 이때 제3 실시예의 마진은 더블 마진(332)이 구비될 수 있다.
구체적으로, 더블 마진(332)은 절삭 방향측에 형성되는 헬릭스 날(330)의 절삭날부를 따라 형성되는 제1 마진(332a)과 제1 마진(332a)으로부터 일정간격 이격폭을 형성하도록 헬릭스 날(330)의 중단부에 형성되는 제2 마진(332b)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 제3 실시 예에 따른 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴(30)은 헬릭스 날(330)이 가공면에 접촉할 때에 2단으로 절삭함으로써 절삭력이 배가되는 장점이 있다.
또한, 제3 실시 예에 따른 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴(30)은 제1 실시 예와 제2 실시 예에 따른 드릴부(100, 200)와 동일하게 드릴부(300)의 선단 각도(θ1)가 90°일 수 있으며, 드릴부(300)의 직경(D1)과 직선부(320)의 직경(D2)은 5:8일 수 있고, 직선부(320)에 형성된 헬릭스 날(330)의 소정의 위치에서 외주면을 따라 일정 깊이로 홈부(340)가 형성될 수 있다. 또한, 절삭 시작날 부분 외에는 절삭면에의 간섭을 피하기 위해 경사절삭 될 수 있다.
이는, 제1 실시 예에서 모두 상세히 설명한 중복 구성이므로 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기의 크라운 타입의 탄소복합소재 가공 형상 드릴(30)은 절삭시에 절단날 외에도 양단의 뾰족한 시작단을 통해 절삭력이 향상될 수 있으며, 더불어 2단 절삭구성의 더블 마진(330)을 형성함으로써 절삭력이 배가될 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(10, 20, 30)의 효과를 입증하기 위해 하기 실험예를 제시하나, 다음에 제시하는 실험예는 예시적인 것일 뿐 한정되는 것은 아니다.
[실험에 사용된 공구]
이하, 실험에서는 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴과 종래의 CFRP의 드릴 가공에 사용하던 범용 초경드릴을 사용하였으며, 각 드릴의 스펙(Spec)은 하기와 같다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(이하 '실시예 1'이라 함)은 드릴부가 선단각이 90°이며, 직경이 5Ø이고, 경사부와 직선부에는 헬릭스 날이 형성되되, 헬릭스 각도는 30°이며, 경사부의 테이퍼각도는 중심축을 기준으로 양측으로 15°이고 직선부의 직경은 8 Ø이며, 직선부의 시작점으로부터 5mm 떨어진 위치에 1.5mm 너비의 1mm 폭으로 열배출 및 칩배출을 위한 홈부가 형성되었다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(이하 '실시예 2'라 함)은 드릴부가 선단각이 90°이며, 직경이 5Ø이고, 경사부와 직선부에는 버니싱 4개 날이 동일반경으로 형성되되, 경사부의 테이퍼각도는 중심축을 기준으로 양측으로 15°이고 직선부의 직경은 8 Ø이며, 직선부의 시작점으로부터 5mm 떨어진 위치에 1.5mm 너비의 1mm 폭으로 열배출 및 칩배출을 위한 홈부가 형성되었다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴(이하 '실시예 3'이라 함)은 드릴부가 선단각이 90°이며, 직경이 5Ø이고, 직선부에는 헬릭스 날이 형성되되, 헬릭스 날의 시작단은 뾰족하게 돌출되어 측면에서 보았을 때 드릴부와 함께 크라운(crown)형상을 형성하며, 헬릭스 날에는 더블 마진(double margin)이 형성되고, 직선부의 직경은 8 Ø이며, 직선부의 시작점으로부터 5mm 떨어진 위치에 1.5mm 너비의 1mm 폭으로 열배출 및 칩배출을 위한 홈부가 형성되었다.
종래의 CFRP의 드릴 가공에 사용하던 범용 초경드릴은(이하 '비교예 1'이라 함)은 드릴의 선단각이 140°이며, 드릴 선단에서 직선부가 연장되되, 직선부의 직경은 8Ø이며, 직선부에는 30°각도의 헬릭스 날이 형성되는 솔리드 타입의 통 초경 드릴이다.
[실험예 1] 절삭력 평가
본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 절삭력을 평가하기 위하여 실시예 1 내지 3과 비교예 1과의 절삭력 비교를 수행하였다.
실험방식은 머시닝센터에 각 드릴을 장착하여 CFRP를 절삭하되, 1회에 30번 연속가공 방식으로 총 300회 절삭수행하였으며, 공구 동력계를 이용하여 절삭력을 측정하였다.
그 결과에 대한 그래프는 각각 도 7 내지 도 10에 도시하였다.
그래프의 X축 범주는 데이터의 개수이며, 초당 500개씩 총 10초의 데이터를 받았고, 그래프의 Y축 범주는 절삭력(단위 : 뉴턴(N))이다.
여기서, 절삭력은 홀을 뚫는데 들어가는 힘을 의미한다.
도 7은 실시예 1의 절삭력 측정에 대한 그래프이며, 도 8은 실시예 2의 절삭력 측정에 대한 그래프이고, 도 9는 실시예 3의 절삭력 측정에 대한 그래프이며, 도 10은 비교예 1의 절삭력 측정에 대한 그래프이다.
도 7 내지 도 10을 참조한 결과를 보면, 실시예 2의 경우에는 다소 높은 흐름을 보였지만, 그럼에도 불구하고 비교예 1에 비해 실시예 1 내지 실시예 3은 절삭력이 모두 낮은것으로 확인되었다. 즉, CFRP를 가공시에 비교예 1에 비해 실시예 1 내지 실시예 3이 한 홀을 가공하는데 힘이 적게 듦을 알 수 있다.
[실험예 2] 공구마모도 측정
본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴의 공구마모도를 평가하기 위하여 실시예 1 내지 3과 비교예 1과의 공구마모도 비교를 수행하였다.
공구마모도는 공구 마모 현미경을 이용하여 측정하였으며, 절삭 전의 공구 마모도를 먼저 측정하고 실험예 1의 절삭력 평가 후에(총 300회 절삭 가공) 공구마모도를 다시 측정하여 그 편차를 기록하였다.
(즉, 공구마모도 = 절삭 전 공구 마모정도 - 절삭 후 공구 마모정도)
그 결과에 대한 사진은 도 11 내지 도 14에 표기하였다.
도 11은 실시예 1의 공구마모도의 측정 사진이며, 도 12는 실시예 2의 공구마모도의 측정 사진이고, 도 13은 실시예 3의 공구마모도의 측정 사진이며, 도 14는 비교예 1의 공구마모도의 측정 사진이다.
측정결과 실시예 1의 공구마모도는 0.052이었으며, 실시예 2의 공구마모도는 0.039이고, 실시예 3의 공구마모도는 0.063이었으며, 비교예 1의 공구마모도는 0.089였다.
이에 따라, 실시예 1 내지 실시예 3 모두 공구마모도 측면에서 비교예 1보다 우수한 것을 확인할 수 있었다.
[실험예 3] 가공홀 표면 측정
본 발명의 제 1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴로 가공한 CFRP의 홀의 표면을 평가하기 위하여 실시예 1 내지 3과 비교예 1과의 가공홀 표면 비교를 수행하였다.
가공홀 표면은 현미경을 이용하여 측정하였으며, 홀의 윗면에서 홀의 형태를 파악하였다.
그 결과에 대한 사진은 도 15 내지 도 18에 표기하였다.
도 15는 실시예 1로 가공한 홀 표면에 대한 사진이며, 도 16은 실시예 2로 가공한 홀 표면에 대한 사진이고, 도 17은 실시예 3으로 가공한 홀 표면에 대한 사진이며, 도 18은 비교예 1로 가공한 홀 표면에 대한 사진이다.
도 15 내지 도 18을 참조하면 실시예 1 내지 실시예 3은 모두 비교예 1 보다 홀의 표면 손상이 적어진 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 실시예 1 내지 실시예 3은 홀의 표면손상을 최소화할 수 있는 최적의 드릴형상인 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴은 적은힘으로도 CFRP가공을 용이하게 할 수 있음에 절삭력이 우수함을 확인할 수 있었고, 드릴의 마모율 또한 향상되고, 더불어 피삭재인 CFRP의 홀의 표면거칠기 또한 우수함을 확인할 수 있어, CFRP의 홀 가공시에 버(burr) 발생 또는 섬유의 손상, 박리현상 등의 제품 불량의 문제점을 해결하여 경제적 손실을 최소화 할 수 있는 최적의 드릴 형상인 것을 알 수 있다.
이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.
10 : 제1 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴
100 : 드릴부 110 : 경사부
120 : 직선부 130 : 헬릭스 날
132 : 마진 140 : 홈부
θ1 : 드릴부 선단각 θ2 : 경사부 일측 경사각도
θ3 : 헬릭스 날 각도 D1 : 드릴부 직경
D2 : 직선부 직경 S : 생크
20 : 제2 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴
200 : 드릴부 210 : 경사부
220 : 직선부 230 : 버니싱 날
232 : 마진 240 : 홈부
θ1 : 드릴부 선단각 θ2 : 경사부 일측 경사각도
D1 : 드릴부 직경 D2 : 직선부 직경
S : 생크
30 : 제3 실시 예에 따른 탄소복합소재 가공 형상 드릴
300 : 드릴부 310 : 연장부
320 : 직선부 330 : 헬릭스 날
332 : 더블 마진 332a : 제1 마진
332b : 제2 마진 340 : 홈부
θ1 : 드릴부 선단각 D1 : 드릴부 직경
D2 : 직선부 직경 S : 생크

Claims (9)

  1. 선단이 소정의 각도로 형성되는 드릴부와; 상기 드릴부에서 연장되되, 소정의 경사각도를 형성하는 경사부와; 상기 경사부에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부가; 플루트 길이(Flute length)를 형성하며,
    상기 경사부 및 직선부는 헬릭스 날을 형성하며, 상기 헬릭스 날에는 마진(Margin)이 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  2. 선단이 소정의 각도로 형성되는 드릴부와; 상기 드릴부에서 연장되되, 소정의 경사각도를 형성하는 경사부와; 상기 경사부에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부가; 플루트 길이(Flute length)를 형성하며,
    상기 경사부 및 직선부는 적어도 2개의 버니싱 날을 구비하며, 상기 버니싱 날은 마진(Margin)이 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  3. 선단이 소정의 각도로 형성되는 드릴부와; 상기 드릴부에서 연장되어 소정의 길이로 형성되는 직선부가; 플루트 길이를 형성하며, 상기 직선부는 헬릭스 날로 구비되되, 상기 헬릭스 날은 마진(Margin)이 형성되고,
    상기 드릴부 및 직선부의 연장부는 내측으로 소정의 깊이만큼 오목하게 형성되며, 헬릭스 날의 끝단이 뾰족하게 돌출되어 측면에서 보았을 때 크라운(Crown) 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 경사부 및 직선부의 헬릭스 날의 각도(Helix angle)는 30°인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 마진(Margin)은 상기 헬릭스 날의 절삭날부를 따라 형성되는 제1 마진과 상기 제1 마진으로부터 일정간격 이격폭을 형성하여 헬릭스 날의 중단부 형성되는 제2 마진을 포함하는 더블 마진(Double margin)인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 경사부의 경사각도는 중심축을 기준으로 일측이 7°내지 8°인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 드릴부의 선단 각도는 90°인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 드릴부의 직경과 상기 직선부의 직경은 5:8의 비율인 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 직선부에 형성된 각 날의 소정의 위치에서 외주면을 따라 일정 깊이로 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 가공 형상 드릴.
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