KR20200080609A - 절삭 성능이 향상된 cfrp 구멍 가공용 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 선단각이 88~92°로 형성되어 있고, 아래쪽은 드릴 형상을 유지하면서 위쪽은 다듬질이 가능하도록 헬릭스 리머를 적용한, 절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구를 제공한다.

Description

절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구{A Tool for CFRP Hole with Good Cutting Performance}

본 발명은 절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 선단각이 88~92°로 형성되어 있고, 아래쪽은 드릴 형상을 유지하면서 위쪽은 다듬질이 가능하도록 헬릭스 리머를 적용한, 절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구를 제공한다.

현재의 산업은 기술의 발달로 인하여 경량화, 내열성, 전기전도성 등의 고성능을 구비한 첨단 재료의 발달로 진행되고 있다. 첨단재료 중 복합재료는 모양과 화학조성이 다른 두 가지 이상의 재료를 물리적으로 결합하여 단일소재에서는 볼 수 없는 복수의 기능 및 목적에 적합한 특성을 실현한 재료이다. 탄소복합재료는 특유의 경량, 고강도 특성을 살릴 수 있는 자동차, 우주, 항공, 전기, 전자, 토목, 건축, 생체, 의료 재료 등 다양한 분야에서 사용되고 있는 신소재이다. 탄소관련 복합소재중 하나인 탄소강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics: 이하 CFRP)은 고내열성, 고강도, 내열충격성을 보유한 재료로 평가되고 있으며, 내약품성, 화학적 불활성 및 생체 친화성이 우수한 재료이다.

CFRP는 이종재료의 조합에 의한 복합재료이기 때문에 불균질. 이방성 등의 성질을 가지고 있으며, 충격 시 파손과 손상의 형태도 매우 복잡하여 이를 해석하고 판단하는데 매우 어려운 부분이 있어 많은 연구가 진행되고 있다.

기존의 Al재료로 제작되던 항공기 구조물, 자동차 구조물들이 근래에는 경량화를 위해 복합재(CFRP) 외피와 Metal(Al, Ti)보강재로 폭넓게 변경되어 가는 추세이며, Fastener 종류 또한 Riveting이 불가능한 CFRP 소재의 특성과 항공기 외부 공지저항을 줄이기 위해 접시머리 볼트와 너트의 조합으로 변경되어 가는 추세이다.

도 1은 복합재의 가공구멍의 조건을 나타낸 개요도, 도 2는 단일소재 가공용 드릴의 가공시 발생하는 현상을 나타낸 사진이다.

이에 소요되는 Cutter 수의 증가로 공정시간 증가 및 공구비용 증가로 부가가치 실현이 어려움이 있었다.

Hole공차 또한 Tight(Max .03mm이내)하고 CFRP소재는 난삭재로서 Metal 소재와 Multi Stackup으로 구성될 경우 한번에 원하는 치수로 Drilling이 어려워 Hole Size 별로 최소 2~5회의 확공이 이루어진다.

이에 소요되는 커터(Cutter) 수의 증가로 공정시간 증가 및 공구비용 증가로 부가가치 실현이 어려움이 있었다.

그리고 기존의 단일소재 가공용으로 개발된 Cutter Geomety로는 Multi Stackup으로 구성된 항공기 소재에 대응 및, 치수안정성이 불안정하여 Full Size로 한번에 가공이 어려우며, CFRP Part 박리현상, Ti Part 열화현상, Al Part Melt 현상, 가공저항이 심하여 Cutter가 파손되거나 Part가 변형되는 현상이 발생하는 문제점이 발생하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 복합소재 가공용 드릴에 관한 종래기술로는 공개특허공보 제2012-0089685호에 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재에 천공하는 복합 재료용 드릴이며, 선단 절삭날이 형성된 선단부와, 상기 선단부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 선단측 외경 및 당해 선단측 외경보다도 대직경의 후단측 외경의 직경차에 의해 테이퍼 형상으로 형성된 테이퍼부와, 상기 테이퍼부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 상기 테이퍼부의 상기 후단측 외경보다도 대직경의 마무리 가공 직경이 형성 가능해지도록 전체가 동일한 직경으로 형성된 스트레이트부를 갖고, 상기 테이퍼부의 외주에는, 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴이 공개되어 있다.

또 다른 종래기술로는 드릴 본체 및 상기 드릴 본체의 일단부에 형성되는 섕크를 포함하는 복합 소재용 드릴 공구이며, 상기 드릴 본체는 상기 드릴 본체의 축 방향을 따라 나선형으로 형성되는 리브, 상기 리브 사이에 형성되는 칩배출 홈 및 상기 섕크가 형성되지 않은 상기 드릴 본체의 타단부에 형성되는 드릴 헤드를 포함하고, 상기 드릴 헤드는 다단으로 형성되어 계단부를 사이에 두고 제1 절삭날 및 제2 절삭날이 형성되며, 상기 제2 절삭날은 상기 드릴 헤드를 향하는 방향으로 형성되고, 상기 제1 절삭날의 포인트 각은 90° 내지 130°이고, 상기 제2 절삭날의 절입각은 5° 내지 15°이며, 상기 칩배출 홈이 드릴 본체의 회전축과 이루는 비틀림 각은 20° 내지 40°인, 복합 소재용 드릴 공구가 공개되어 있다.

그러나 종래기술에 사용되는 복합소재 가공용 드릴공구는 대부분 소재에 구멍을 뚫는 부분과 에어공구에 결합되는 부분이 동일한 단일 소재로 제조된 것으로, 구멍을 뚫는 부분과 에어공구에 결합되는 부분은 서로 다른 목적으로 구성되어야 하지만 대부분 고가소재로 제조되는 구멍을 뚫는 부분에 기준을 맞추어 드릴이 제조됨으로써 제조비용이 매우 비싸다는 단점이 있으며, 또한 선단이 직선으로 이루어져 있어 트러스트 저항 등에 매우 취약하다는 단점이 있었다.

한국등록특허 제10-1633227호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 초경 공구보다 절삭력과 공구 수명, 입출구 형상에 대한 관점에서 성능이 우수하고, CFRP를 가공하는데 있어 가공의 효율성과 제품의 결함을 줄이는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

선단각이 88~92°로 형성되어 있고, 아래쪽은 드릴 형상을 유지하면서 위쪽은 다듬질이 가능하도록 헬릭스 리머를 적용한, 절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구를 제공한다.

또한, 상기 위쪽의 헬릭스 각도는 28~32°인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 초경 공구보다 절삭력과 공구 수명, 입출구 형상에 대한 관점에서 성능이 우수하고, CFRP를 가공하는데 있어 가공의 효율성과 제품의 결함을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 복합재의 가공구멍의 조건을 나타낸 개요도.
도 2는 단일소재 가공용 드릴의 가공시 발생하는 현상을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명에 따른 드릴 공구의 형상.
도 4는 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 드릴 공구의 시험 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공한다.

선단각이 88~92°로 형성되어 있고, 아래쪽은 드릴 형상을 유지하면서 위쪽은 다듬질이 가능하도록 헬릭스 리머를 적용한, 절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구를 제공한다.

또한, 상기 위쪽의 헬릭스 각도는 28~32°인 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 공구의 형상을 도시한 것이다.

CFRP 구멍 가공시 개발한 형상드릴과 초경드릴과의 비교 시험을 절삭회전수 2500rpm과 이송속도 200mm/min의 조건으로 수행하였다. 절삭력과 공구마모는 300회 구멍 가공 시 측정하였고, 절삭력은 초당 500개의 데이터를 얻어 평균값으로 적용하였다.

CFRP 구멍 가공시 최적화된 드릴 형상을 개발하기 위해 기존의 118°선단각에서 변화를 60°90°140°로 주어 실험을 통해 90°가 가장 적절한 선단각임을 알게 되었다. 이를 토대로 아래쪽은 드릴 형상을 유지하면서 위쪽은 다듬질이 가능하도록 헬릭스 리머를 적용하는 타입의 형상드릴을 개발하여 적용하였다. 위쪽의 헬릭스 각도도 15°30°45°로 변화를 주어 최종으로 30°가 가장 적합함을 알게 되었으며 이를 근거로 도 3과 같은 타입의 형상드릴을 개발하였다.

도 4는 절삭회전수 2500rpm과 이송속도 200mm/ min의 절삭조건으로 300회 구멍의 절삭력을 나타내는 그림이며, 상용화중인 일반 초경합금 드릴로써 트러스트의 평균값은 297.7N, 토오크의 평균값은 148,3N을 보여주고 있다.

도 5는 도 4와 같은 조건으로 형상드릴에 대해 측정한 결과를 보여주고 있다. 시험결과 형상드릴의 트러스트의 평균값은 132.9N, 토오크의 평균값은 96.7N을 나타내고 있다.

도 6은 가공 구멍수에 따른 트러스트에 대한 그래프를 보여주고 있다. 초경합금 드릴과 형상드릴이 가공횟수의 증가에 따라 서서히 증가함을 알 수 있으며 형상드릴이 초경합금 드릴보다 트러스트 값이 매우 작게 나옴을 보여주고 있다. CFRP의 드릴가공 시 절삭력 증가는 드릴과 탄소섬유 조직간의 마찰의 영향을 크게 받는다. 드릴의 선단각이 증가할수록 탄소섬유 조직간의 접촉면적이 많아지고 박리현상에 따른 마찰 변수가 많아져 절삭력(Fz)가 증가한다. 기존 드릴의 경우 선단각 118°형상드릴의 선단각은 90°이며 실험을 통해 선단각이 작을수록 절삭저항에 대해 우수한 경향을 보여주고 있음을 알 수 있다.

공구의 마모를 관찰하기 위해 300회 가공 시까지 구멍 가공 30회 연속 가공 후 공구를 탈착하여 공구현미경을 통해 공구의 플랭크 마모를 관찰하였다. 드릴가공 시 플랭크 마모는 드릴의 여유면과 가공될 공작물 사이의 고온, 고압으로 인해 주절삭날에 생기는 점진적 변화로 발생하며, 공구 마모 패턴과 초경 드릴, 형상드릴의 플랭크 마모의 그래프를 도 7에 나타내었다. 드릴마모 결과는 형상드릴의 경우는 0.036 mm가 진행되었고, 초경드릴의 경우는 0.098mm가 진행되었다. 이는 절삭력에서의 선단각이 예각일 때 접촉면적의 감소로 인한 절삭저항의 감소가 공구마모에도 영향을 주고 있음을 알 수 있다.

도 8은 구멍가공 후 입,출구부의 형상에 대해 나타낸다. 초경드릴을 사용하여 가공하였을 때 입구부에서는 결함이 발견되지 않지만 출구부에서 CFRP의 박리와 버, 찢김 현상이 발생하였다. 형상 드릴을 사용하여 가공하였을 때는 입구 부분과 출구 부분에서 초경 드릴보다 우수한 가공면을 보여준다. 이는 예각의 선단각으로 인한 접촉면적의 감소로 인한 절삭저항의 감소는 박리현상의 감소로 이어지고 버의 경우는 선단각 위의 helix angle 을 가진 절인들이 리머의 역할인 가공부위의 다듬질 가공을 수행함으로 버의 제거와 구멍의 진원이 유지되도록 도움을 주고 있음이 알게 되었다.

본 실험을 통해 개발된 형상드릴이 초경 공구보다 절삭력과 공구 수명, 입출구 형상에 대한 관점에서 우수한 성능을 보였으며, 개발된 형상 드릴이 CFRP를 가공하는데 있어 가공의 효율성과 제품의 결함을 줄이는 역할에서 기존의 초경드릴보다 적합한 것으로 판단된다.

드릴 가공 후 구멍의 주위부터 트리밍을 수행하였으며 절삭 조건은 회전수 2500rpm 및 이송 속도 100mm/min로 가공을 진행하였다. 공구는 지름 d= 6mm의 초경합금 엔드밀이며 2날 공구 helix angle 30°와 90°로 제작하여 실험을 수행하였으며 도 9에 나타내었다. 시험편은 섬유 적층 배향각도 [0°°로 제작하여 실험을 진행하였고, 시험편의 크기는 130 ×120 ×5mm로 제작하였다.

도 10은 드릴로 구멍을 가공한 후 절삭 공구인 초경 엔드밀의 helix angle 30°와 90°에 따른 절삭 방향 x, y, z의 평균 절삭력 (Fx, Fy, Fz)을 나타내고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 절삭력은 Fy, Fx, Fz의 순서로 절삭력이 크게 나타남을 알 수 있다. 절삭력 y방향의 평균값인 Fy 방향은 이송방향으로 트리밍 시에는 이송방향이 가장 큰 값으로 나타남을 알 수 있다. 한편, helix angle에 따른 평균 절삭력으로 보면 Fx와 Fy 경우 helix angle 30°의 엔드밀이 helix angle 90°의 엔드밀 보다 작게 나타남을 알 수 있고, 트리밍시 공작물이 엔드밀과 기울어진 결과 즉 절삭력 각도가 공작물과 평행할수록 절삭력 감소되는 경향을 보여준다. 공구 helix angle가 절삭력에 영향을 주고 있음을 알 수 있으며. 절삭력 Fz 경우는 드릴에 의해 관통되어 공간상 작업으로 helix angle의 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

도 11은 초경 엔드밀 helix angle 30°와 90°에서의 공구 마모를 나타난다. 공구의 수명을 판단하기 위한 마모를 관찰하였고, 공구 마모 영역에서 최대치를 측정하였다. 트리밍을 5회 가공 길이로는 900mm 진행한 후 엔드밀을 탈착하여 공구마모를 관찰하였으며 트리밍은 20회까지 진행하였다. 도 11(a)에서 공구 helix angle 30°의 공구마모는 0.040mm로 나타나고, 도 11(b)에서 공구 helix angle 90°는 마모가 0.037mm로 나타난다. 이는 20회 정도까지는 공구마모가 거의 진행되지 않은 초기의 모습을 보여주고 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다

1 : 공구

Claims (2)

1. 선단각이 88~92°로 형성되어 있고,
   아래쪽은 드릴 형상을 유지하면서 위쪽은 다듬질이 가능하도록 헬릭스 리머를 적용한,
   절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 위쪽의 헬릭스 각도는 28~32°인,
   절삭 성능이 향상된 CFRP 구멍 가공용 공구
   

Images