KR20210034523A - Micro-milling machining method of sapphire surface - Google Patents

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KR20210034523A
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고태조
주연송
윤인준
장신종
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영남대학교
에코 파워(우시) 코., 엘티디
안휘 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
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Abstract

A method for micro-milling machining on a sapphire surface according to the present invention, allows a vertical machining center, under the condition that a constant machining inclination angle is provided between the axis of a tool and a machining surface of a sapphire sample, to perform micro-milling machining on the sapphire surface according to conditions of rotational speed of a main spindle, feeding speed and cutting depth by using a PCD multi-sawtooth ball end mill tool, thereby removing the surface material of sapphire. The PCD multi-sawtooth ball end mill tool is manufactured by welding a PCD multi-saw blade ball end mill bit and a hard alloy tool bar. A PCD ball end mill surface has a plurality of equidistant straight grooves distributed in a circumferential direction, and one spiral groove distributed in an axial direction, and the PCD tool surface is divided into a plurality of cutting sawteeth through the grooves. The present invention can perform groove and curved surface processes with a relatively large cutting depth for sapphire, thereby significantly enhancing processing efficiency and stability of the processing process, and can prevent occurrence of a phenomenon such as clear brittle fracture, material drop, etc. on the processed surface of the sapphire, thereby having excellent quality of the processed surface.

Description

사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법{MICRO-MILLING MACHINING METHOD OF SAPPHIRE SURFACE}Micro-milling processing method of sapphire surface{MICRO-MILLING MACHINING METHOD OF SAPPHIRE SURFACE}

본 발명은 경질취성 난가공 재료 표면의 마이크로 밀링 가공방법, 특히 사파이어 표면 가공방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for micro-milling the surface of a hard brittle hard-to-process material, particularly to a method for processing a sapphire surface, and specifically to a method for micro-milling the surface of a sapphire.

사파이어는 양호한 화학 안정성과 광학 성능, 초고경도, 극강의 내마모성 및 높은 용융점 등 성능을 구비하여, 항공우주, 광전자, 국방 등 분야에 광범위하게 응용되고 있다. 그러나 사파이어는 전형적인 경질취성(hard brittle) 난가공 재료로서, 그 표면 가공 효율이 낮고, 원가가 높다. 또한 가공 표면에 단열(fracture) 등의 손상 문제가 쉽게 발생하여, 항공우주 등 분야 내에서의 응용이 엄격하게 제한된다.Sapphire has good chemical stability, optical performance, ultra-high hardness, extreme wear resistance, and high melting point, and has been widely applied in aerospace, optoelectronics, and defense fields. However, sapphire is a typical hard brittle hard-to-process material, its surface processing efficiency is low, and its cost is high. In addition, damage problems such as fractures easily occur on the processed surface, and applications in fields such as aerospace are severely limited.

사파이어 표면 가공방법은 주로 연마(grinding)/ 폴리싱(polishing), 마이크로그루브 연삭 등이 있다. 그 중, 연마/폴리싱은 사파이어 박판 표면에 대한 가공으로서, 표면 형상이 상대적으로 복잡한 사파이어 부품의 가공(예를 들어 일정 곡면 및 홈을 지닌 사파이어 공작물)에 대해서는 연마/폴리싱의 작용을 발휘하기가 어렵다. 항공우주 등 분야 내에서 사파이어의 응용이 부단히 증가하고 확장됨에 따라, 상대적으로 복잡한 형면 구조를 지닌 사파이어 부품의 응용이 점점 더 광범위해지면서, 그 표면 가공 역시 점점 더 주목을 받고 있다. 예를 들어 현재는 소직경 다이아몬드 연마헤드(Φ0.5 ~ 1mm)를 이용하여 사파이어 표면에 대해 그루브 연삭 가공을 실시한다. 이 방법은 연마/폴리싱에 비해 사파이어 표면에 마이크로그루브 가공이 가능하고, 일정 조건하에서 일정 곡면을 지닌 사파이어 부품에 대해 가공을 실시할 수 있다.The sapphire surface processing method mainly includes grinding/polishing, microgroove grinding, and the like. Among them, polishing/polishing is a processing on the surface of a thin sapphire plate, and it is difficult to exert the action of polishing/polishing for processing of a sapphire part with a relatively complex surface shape (for example, a sapphire workpiece having a certain curved surface and groove). . As the application of sapphire continues to increase and expand in fields such as aerospace and the like, the application of sapphire parts having a relatively complex shape structure is becoming more and more widespread, and its surface processing is also getting more and more attention. For example, a small-diameter diamond polishing head (Φ0.5 ~ 1mm) is currently used to grind the sapphire surface. Compared to polishing/polishing, this method enables microgrooving on the sapphire surface, and processing can be performed on sapphire parts having a certain curved surface under certain conditions.

그러나 사용되는 다이아몬드 연마헤드의 직경이 비교적 작기 때문에, 연마헤드의 강도와 내충격 등 성능이 상대적으로 낮아, 사파이어 표면에 마이크로그루브 가공을 실시 시 연삭 깊이를 엄격하게 제어해야 한다(일반적으로 10 ~ 20㎛). 따라서, 연삭 가공의 깊이가 비교적 낮으며, 사파이어 표면 재료의 제거율이 상대적으로 작고, 가공 효율이 높지 않다.However, since the diameter of the diamond polishing head used is relatively small, the strength and impact resistance of the polishing head are relatively low, so when performing microgroove processing on the sapphire surface, the grinding depth must be strictly controlled (generally 10 ~ 20㎛). ). Therefore, the depth of the grinding process is relatively low, the removal rate of the sapphire surface material is relatively small, and the processing efficiency is not high.

또한 종래의 볼엔드밀(ball end mill)은 사파이어 표면에 마이크로 밀링 가공을 실시 시, 공구의 마찰 손상이 비교적 커서 양호한 표면 품질을 획득하기가 어렵다. 따라서, 가공 표면의 품질을 보장함과 동시에, 사파이어 표면의 가공 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 사파이어 표면의 고효율 정밀 가공방법의 연구 개발이 시급하다.In addition, in the conventional ball end mill, when micro-milling is performed on the sapphire surface, it is difficult to obtain good surface quality because the frictional damage of the tool is relatively high. Therefore, it is urgent to research and develop a high-efficiency precision processing method for a sapphire surface that can significantly improve the processing efficiency of the sapphire surface while ensuring the quality of the processed surface.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0022306호(공개일: 2015.03.04.)Republic of Korea Patent Application Publication No. 10-2015-0022306 (published date: 2015.03.04.)

본 발명의 목적은 종래의 사파이어 표면 가공이 연삭 위주로서, 밀링 가공을 구현하기 어려워, 효율이 낮고, 안정성이 떨어지며, 모체 표면에 손상이 발생하기 쉬운 등의 두드러진 문제점에 대해, PCD(다결정 다이아몬드) 다중톱날 볼엔드밀을 사용하여 사파이어 표면에 고효율의 마이크로 밀링 가공을 실시하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is that conventional sapphire surface processing is mainly for grinding, and it is difficult to implement milling processing, for remarkable problems such as low efficiency, poor stability, and easy damage to the parent body surface, PCD (polycrystalline diamond) It is to provide a method of performing high-efficiency micro-milling on the surface of sapphire by using a multi-saw blade ball end mill.

본 발명의 기술방안은 다음과 같다.The technical solution of the present invention is as follows.

사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법에 있어서, 이는 사파이어 시료의 클램핑과 표면의 마이크로 밀링 가공 두 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.In the micro-milling processing method of a sapphire surface, it is characterized in that it includes two parts: clamping of a sapphire sample and micro-milling of the surface.

상기 사파이어 공작물의 클램핑이란,What is the clamping of the sapphire workpiece,

수직 머시닝 센터에서, 사파이어 공작물을 클램프에 협지시키고, 공구의 축선과 사파이어 시료의 가공 표면 사이의 가공 경사각을 15-35°가 되도록 보장하는 것을 말한다.In a vertical machining center, it refers to clamping the sapphire workpiece to the clamp and ensuring that the machining inclination angle between the axis of the tool and the machining surface of the sapphire sample is 15-35°.

상기 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공이란,What is the micro-milling of the sapphire surface,

PCD 다중톱날(multi-tooth) 볼엔드밀 공구를 사용하여, 주축의 회전속도가 10000-250000rpm이고, 피딩 속도가 3.0-12.0mm/min이며, 절삭 깊이가 10-200㎛인 조건 하에 사파이어 표면에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시하는 것을 말한다.Using the PCD multi-tooth ball end mill tool, the sapphire surface is applied under the condition that the rotational speed of the main shaft is 10000-250000rpm, the feeding speed is 3.0-12.0mm/min, and the cutting depth is 10-200㎛. It refers to performing micro-milling processing.

상기 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구는 볼엔드밀 비트와 경질 합금 공구바를 용접하여 획득되며, 공구의 날 길이는 10-20mm이고, 공구의 총 길이는 50-60mm이며; PCD 엔드밀 비트의 직경은 Φ1.5-2.5mm이고, 유효 날 길이는 2-5mm이다.The PCD multi-saw blade ball end mill tool used for micro-milling the sapphire surface is obtained by welding a ball end mill bit and a hard alloy tool bar, the blade length of the tool is 10-20mm, and the total length of the tool is 50-60mm. Is; The diameter of PCD end mill bits is Φ1.5-2.5mm, and the effective blade length is 2-5mm.

상기 PCD 볼엔드밀 비트는 원주방향을 따라 6-12개의 등거리 직선 그루브가 분포되고; 축방향을 따라 나선각이 5~10°인 1개의 나선 그루브가 분포되며, 상기 그루브는 PCD 엔드밀 비트 표면을 복수의 절삭 가공 톱날로 분할한다.The PCD ball end mill bit has 6-12 equidistant straight grooves distributed along the circumferential direction; One spiral groove with a helix angle of 5 to 10° is distributed along the axial direction, and the groove divides the surface of the PCD end mill bit into a plurality of cutting saw blades.

상기 PCD 볼엔드밀 비트 표면의 직선 그루브와 나선 그루브는 볼엔드밀 비트의 바닥면 중심을 기점으로 하며, 그루브의 평균 깊이는 90-120㎛이다.The straight groove and the spiral groove on the surface of the PCD ball end mill bit are based on the center of the bottom surface of the ball end mill bit, and the average depth of the groove is 90-120 μm.

상기 사파이어 시료의 길이는 10~50mm이고, 폭은 10~50mm이며, 두께는 5~10mm이며, 가공 전 표면 조도(Ra)는 0.3~0.4㎛이다.The length of the sapphire sample is 10 to 50 mm, the width is 10 to 50 mm, the thickness is 5 to 10 mm, and the surface roughness (Ra) before processing is 0.3 to 0.4 μm.

상기 사파이어의 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구의 마이크로 밀링 가공 후의 표면 조도(Ra)는 0.1~0.3㎛이다.The surface roughness (Ra) of the sapphire PCD multi-saw blade ball end mill tool after micro-milling is 0.1 to 0.3 μm.

본 발명의 기본 원리는 다음과 같다:The basic principle of the present invention is as follows:

수직 머시닝 센터에서, 공구의 축선과 사파이어 시료 가공 표면 사이에 일정한 가공 경사각을 구비한 조건하에, PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구로 일정한 주축 회전속도, 피딩 속도와 절삭 깊이 조건으로 사파이어 표면에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시하여, 사파이어 표면 재료를 제거한다.In vertical machining centers, micro-milling of the sapphire surface with a constant spindle rotational speed, feeding speed and depth of cut with a PCD multi-saw blade ball end mill tool under conditions with a constant machining inclination angle between the tool axis and the sapphire sample machining surface. Processing is performed to remove the sapphire surface material.

연구 결과, 신형 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용할 경우 일정 조건하에 사파이어 표면에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시할 수 있음을 발견하였다. PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 비트와 경질 합금 공구 바를 용접하여 제작된다. 그 중, PCD 다중톱날 볼엔드밀 비트는 다이아몬드 분말과 바인더(코발트, 니켈 등 금속 함유)를 소정 온도 및 압력하에 소정 비율에 따라 소결하여 제작되며, 이는 고경도, 고강도, 고내마모성과 저마찰성 등 장점을 지닌다. 다이아몬드 소형 연마헤드와 비교하여, 이는 상대적으로 큰 절삭 깊이 조건(>50㎛)에서 사파이어 표면에 대해 절삭 가공을 실시할 수 있다. 그러나 사파이어는 경도가 높기 때문에, 절삭 깊이가 큰 조건에서는 PCD 공구가 받는 충격이 비교적 크다. 따라서 공구의 굽힘 저항 성능을 보장하기 위하여, PCD 공구를 경질 합금 공구 바에 용접하고, 경질 합금 공구 바의 높은 굽힘 강도 특성을 이용하여 PCD 공구를 지지함으로써, 그 굽힘 강도를 증가시켰다. 또한 반구형 바닥부는 공구로 가공 시 뾰족한 날각의 존재로 인해 날각이 쉽게 손상되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있어, 사파이어 가공 표면의 크기 안정성과 표면 품질이 향상될 수 있다.As a result of the study, it was found that micro-milling can be performed on the sapphire surface under certain conditions when using the new PCD multi-saw blade ball end mill tool. PCD multi-saw blade ball end mill tools are manufactured by welding PCD multi-saw blade ball end mill bits and hard alloy tool bars. Among them, PCD multi-saw blade ball end mill bits are manufactured by sintering diamond powder and a binder (containing metals such as cobalt, nickel, etc.) at a predetermined temperature and pressure according to a predetermined ratio, and it has high hardness, high strength, high wear resistance and low friction. It has an advantage. Compared with the diamond small grinding head, it can perform cutting on the sapphire surface at relatively large cutting depth conditions (>50 μm). However, since sapphire has high hardness, the impact of PCD tools is relatively large under conditions of high cutting depth. Therefore, in order to ensure the bending resistance performance of the tool, the PCD tool was welded to the hard alloy tool bar, and the high bending strength property of the hard alloy tool bar was used to support the PCD tool, thereby increasing its bending strength. In addition, the hemispherical bottom portion can effectively prevent the phenomenon that the blade angle is easily damaged due to the presence of the sharp blade angle when processing with a tool, so that the size stability and surface quality of the sapphire processing surface can be improved.

이와 동시에, 표면의 다중톱날 구조(축방향과 반경방향에 그루브를 개설하는 방식을 통해 구현한다)는 PCD 공구에 유효 경로를 제공하여 가공 효율을 향상시킬 수 있다. 각 톱날의 피딩량이 동일한 상황에서, 공구 표면의 가공 톱날수를 증가시키므로, 공구의 피딩 속도를 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 따라서 공구의 가공 효율이 향상될 뿐만 아니라, 가공의 안정성도 강화된다. 이와 동시에, 표면의 그루브는 공구 표면의 칩 수용 공간과 가공면의 폭 및 절삭 여유(chipping allowance)를 효과적으로 증가시킬 수 있어, 표면 재료의 제거율 향상에 유리하다.At the same time, the multi-saw blade structure of the surface (implemented by opening grooves in the axial and radial directions) can improve machining efficiency by providing an effective path to the PCD tool. In the situation where the feeding amount of each saw blade is the same, the number of saw blades processed on the surface of the tool is increased, so that the feeding speed of the tool can be effectively improved, and thus not only the machining efficiency of the tool is improved, but also the stability of the machining is enhanced. At the same time, the groove on the surface can effectively increase the chip accommodation space on the tool surface, the width of the machined surface, and the chipping allowance, which is advantageous in improving the removal rate of the surface material.

따라서, 상기 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용하여 사파이어 표면에 마이크로 밀링 가공을 실시하는 것은 제어성이 높은 고효율의 사파이어 표면 마이크로 밀링 가공 방법이며, 사파이어 표면 가공 효율 및 표면 품질을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 항공우주 등 분야 내에서의 사파이어 응용 향상에 있어서 매우 중요한 의의를 갖는다. 그러나 현재 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용하여 사파이어 표면에 마이크로 밀링 가공을 실시하는 방법은 국내외에서 많이 언급되고 있지 않다.Therefore, performing micro-milling on the sapphire surface using the PCD multi-saw blade ball end mill tool is a highly controllable, highly efficient sapphire surface micro-milling method, and can effectively improve sapphire surface processing efficiency and surface quality. . Therefore, it has very important significance in improving the application of sapphire in fields such as aerospace. However, at present, the method of micro-milling the sapphire surface using a PCD multi-saw blade ball end mill tool has not been mentioned much at home and abroad.

본 발명의 유익한 효과는 다음과 같다.Advantageous effects of the present invention are as follows.

첫째, 본 발명은 종래의 사파이어 표면 가공 방법과 비교하여, 비교적 큰 절삭 깊이 조건 하에(절삭 깊이≤200㎛) 사파이어 표면에 대해 재료 제거 가공을 실시할 수 있어, 사파이어 표면의 절삭 가공 효율이 현저히 향상될 수 있고, 사파이어 표면 가공 품질을 보장할 수 있다.First, compared to the conventional sapphire surface processing method, the present invention can perform material removal processing on the sapphire surface under a relatively large cutting depth condition (cutting depth ≤ 200 μm), thereby significantly improving the cutting processing efficiency of the sapphire surface. Can be, and sapphire surface processing quality can be guaranteed.

둘째, 본 발명은 사파이어 표면에 대해 그루브와 곡면 가공을 실시할 수 있어, 가공 효율과 가공 안정성이 현저히 향상될 수 있다.Second, the present invention can perform groove and curved surface processing on the sapphire surface, so that processing efficiency and processing stability can be remarkably improved.

셋째, 본 발명의 상기 사파이어 표면 마이크로 밀링 가공방법은 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공에 적용될 뿐만 아니라, 기타 경질취성 난가공 재료의 표면 마이크로 밀링 가공에도 적용될 수 있다.Third, the method of micro-milling the sapphire surface of the present invention can be applied not only to micro-milling of a sapphire surface, but also to micro-milling of other hard brittle materials.

넷째, 본 발명은 연마/폴리싱 가공 시, 사파이어 표면 재료 제거율이 낮고, 다이아몬드의 연마헤드로 사파이어를 마이크로 밀링 가공 시, 다이아몬드 연마헤드의 직경이 작고, 연마헤드의 강도와 내충격 등 성능이 상대적으로 낮음으로 인해 절삭 깊이가 비교적 작고, 표면 재료의 제거율이 상대적으로 낮으며, 가공 효율이 높지 않고, 종래의 볼엔드밀로 사파이어를 가공 시, 공구의 마찰 손상이 크고, 사파이어 가공 표면의 품질을 보장하기 어렵다는 등의 문제를 해결하였으며, 사파이어 표면의 고효율 정밀 가공을 구현하는데 효과적인 방법을 제공할 수 있다. 이와 동시에, 사파이어 표면에 대해 그루브 및 곡면 가공을 실시하는 데에도 적용될 수 있어, 가공 효율과 가공 표면의 품질이 현저히 향상될 수 있다.Fourth, the present invention has a low removal rate of sapphire surface material during polishing/polishing, and when micro-milling sapphire with a diamond polishing head, the diameter of the diamond polishing head is small, and the performance such as strength and impact resistance of the polishing head is relatively low. Because of this, the cutting depth is relatively small, the removal rate of the surface material is relatively low, the processing efficiency is not high, the frictional damage of the tool is large when processing sapphire with a conventional ball end mill, and it is difficult to guarantee the quality of the sapphire processing surface. It has solved such problems, and it is possible to provide an effective method for realizing high-efficiency precision processing of the sapphire surface. At the same time, it can also be applied to groove and curved surface processing on the sapphire surface, so that processing efficiency and quality of the processed surface can be remarkably improved.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구로서, 도 1(a)는 실물 사진이고, 도 1(b)는 도 1의 국부 확대도이며, 도 1(c)는 도 1 중 공구 비트 부분의 삼차원 윤곽선도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1의 가공되지 않은 사파이어 시료 표면의 삼차원 형상 및 표면 조도 곡선이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구로 마이크로 밀링 가공된 사파이어 시료 표면의 삼차원 형상 및 표면 조도 곡선이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구로 마이크로 밀링가공한 사파이어 시료 표면의 X선 분광학(EDS) 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용 후, 표면의 X선 분광학(EDS) 분석결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구로 마이크로 밀링 가공한 사파이어 시료의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3에 사용되는 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구로 마이크로 밀링 가공한 사파이어 시료 표면의 삼차원 형상 및 표면 조도 곡선이다.
1 is a PCD multi-saw blade ball end mill tool used in Embodiment 1 of the present invention, FIG. 1(a) is a real photograph, FIG. 1(b) is a local enlarged view of FIG. 1, and FIG. 1(c) Is a three-dimensional contour diagram of a tool bit portion in FIG. 1.
2 is a three-dimensional shape and surface roughness curve of the surface of an unprocessed sapphire sample of Example 1 of the present invention.
3 is a three-dimensional shape and surface roughness curve of a surface of a sapphire sample micro-milled with a PCD multi-saw blade ball end mill tool used in Example 1 of the present invention.
4 is an X-ray spectroscopy (EDS) analysis result of a sapphire sample surface micro-milled with a PCD multi-saw blade ball end mill tool used in Example 1 of the present invention.
5 is an X-ray spectroscopy (EDS) analysis result of the surface after using the PCD multi-saw blade ball end mill tool used in Example 1 of the present invention.
6 is a cross-sectional view of a sapphire sample processed by micro-milling with a PCD multi-saw blade ball end mill tool used in Example 3 of the present invention.
7 is a three-dimensional shape and surface roughness curve of a sapphire sample surface micro-milled with a PCD multi-saw blade ball end mill tool used in Example 3 of the present invention.

이하, 첨부도면과 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 좀 더 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by combining the accompanying drawings and examples.

도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법에 있어서, 사용되는 일부 장치는 회전 속도가 10000-25000rpm인 수직 머시닝 센터 등 시중에 판매되는 통상적인 제품이 구비된다. PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구는 미세 다이아몬드 입자와 Co 금속을 소결하여 형성된다. 사파이어 재료는 인조 사파이어 결정체를 절단하여 형성되며, 가공 표면은 A면으로, 주요 화학성분은 Al2O3이다. 구체적인 단계는 다음과 같다.As shown in Fig. 1, in the method of micro-milling the surface of sapphire, some of the devices used include conventional products sold on the market, such as a vertical machining center having a rotation speed of 10000-25000 rpm. PCD multi-saw blade ball end mill tools are formed by sintering fine diamond particles and Co metal. The sapphire material is formed by cutting artificial sapphire crystals, the processed surface is the A surface, and the main chemical component is Al 2 O 3 . The specific steps are as follows.

1. 사파이어 공작물의 클램핑1. Clamping of sapphire workpieces

수직 머시닝 센터에서, 사파이어 공작물((10~50mm)×(10~50mm)×(5~10mm))을 클램프에 협지시키고, 공구의 축선과 사파이어 시료 가공 표면 간의 가공 경사각이 15-35°가 되도록 보장한다.In a vertical machining center, a sapphire workpiece ((10-50mm)×(10-50mm)×(5-10mm)) is held in the clamp so that the machining inclination angle between the axis of the tool and the processing surface of the sapphire sample is 15-35°. Guaranteed.

2. 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공2. Micro-milling of sapphire surface

본 발명에서 사용되는 공구는 실제로는 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 공구 비트와 공구 바를 용접하여 형성된다. 공구 바는 경질의 합금 공구 바이고, 공구 비트 부분은 볼엔드밀 부분과 원기둥 부분으로 구성되며, 원기둥 부분의 직경은 볼엔드밀의 볼 직경과 같다(도 1(b)). 공구의 날 길이는 10-20mm이고, 공구의 총 길이는 50-60mm이며; 공구 비트의 볼 직경은 Φ1.5-2.5mm이고, 유효 날 길이는 2-5mm이며, 공구 비트 표면의 원주방향에 6-12개의 등거리 직선 그루브(그루브의 평균 깊이는 90-120㎛)가 분포되고, 축방향을 따라 1개의 나선 그루브(나선각은 5~10°)가 분포되며, 상기 등거리 직선 그루브는 볼엔드밀의 정점으로부터 공구비트의 원기둥 부분까지 연장된다. 상기 나선 그루브 역시 동일한 나선각으로 공구의 원기둥 부분까지 연장되며(도 1(c)), PCD 공구비트 표면은 상기 등거리 직선 그루브와 나선 그루브를 통해 다수의 절삭 가공 톱날(teeth)로 분할된다. 주축의 회전속도는 10000-250000rpm이고, 피딩 속도는 3.0-12.0mm/min이며, 절삭 깊이는 10-200㎛인 조건하에서 사파이어 표면에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시하며, 가공 후의 사파이어 표면 조도는 Ra=0.1~0.3㎛이다.The tool used in the present invention is actually formed by welding a tool bit and a tool bar, as shown in Fig. 1(a). The tool bar is a hard alloy tool bar, the tool bit part is composed of a ball end mill part and a cylinder part, and the diameter of the cylinder part is the same as the ball diameter of the ball end mill (Fig. 1(b)). The blade length of the tool is 10-20mm, the total length of the tool is 50-60mm; The ball diameter of the tool bit is Φ1.5-2.5mm, the effective blade length is 2-5mm, and 6-12 equidistant straight grooves (average depth of the groove is 90-120㎛) are distributed in the circumferential direction of the tool bit surface. Then, one spiral groove (helical angle is 5-10°) is distributed along the axial direction, and the equidistant linear groove extends from the apex of the ball end mill to the cylindrical portion of the tool bit. The helical groove also extends to the cylindrical portion of the tool at the same helical angle (Fig. 1(c)), and the PCD tool bit surface is divided into a plurality of cutting teeth through the equidistant straight groove and the helical groove. The rotational speed of the spindle is 10000-250000rpm, the feeding speed is 3.0-12.0mm/min, and the sapphire surface is subjected to micro-milling under the condition that the cutting depth is 10-200㎛. It is 0.1~0.3㎛.

실시예 1Example 1

단계1: 사파이어 공작물의 클램핑:Step 1: Clamping the sapphire workpiece:

수직 머시닝 센터에서, 사파이어 공작물을 클램프에 협지시켜, 공구의 축선과 사파이어 시료 가공 표면 간의 가공 경사각이 35°가 되도록 보장한다.In a vertical machining center, the sapphire workpiece is clamped in a clamp to ensure that the machining inclination angle between the axis of the tool and the machining surface of the sapphire sample is 35°.

단계 2: 표면 코팅층 제거 가공Step 2: surface coating layer removal processing

볼엔드밀의 직경은 Φ2.0mm이고, 유효 날 길이는 5mm이며, 공구의 날 길이는 20mm이고, 공구의 총 길이는 60mm이며, 공구 바의 직경은 Φ4.0mm이고, 공구 표면의 원주방향을 따라 12개의 등거리 직선 그루브(그루브의 평균 깊이는 100㎛)가 분포되며, 나선 그루브의 나선각은 5°인 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구(도 1)를 사용하여, 주축의 회전속도가 20000rpm이고, 피딩 속도가 3.0mm/min이며, 절삭 깊이가 70㎛인 조건하에 사파이어 표면(30mm×30mm×5mm)에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시하였다.The diameter of the ball end mill is Φ2.0mm, the effective blade length is 5mm, the blade length of the tool is 20mm, the total length of the tool is 60mm, the diameter of the tool bar is Φ4.0mm, along the circumferential direction of the tool surface. Twelve equidistant straight grooves (average depth of the groove is 100㎛) are distributed, and a PCD multi-saw blade ball end mill tool (Fig. 1) with a helix angle of 5° is used, and the rotational speed of the main shaft is 20000rpm, Micro-milling was performed on the sapphire surface (30 mm × 30 mm × 5 mm) under the conditions of a feeding speed of 3.0 mm/min and a cutting depth of 70 μm.

시료를 인출하여 검사를 실시하였다. 사파이어의 가공되지 않은 표면은 Nano View-2000형 비접촉식 3D 광학 프로파일러로 검사하였으며, 획득된 가공 표면 조도는 Ra=0.3㎛이다(도 2). 사파이어의 가공 표면은 Nano View-2000형 비접촉식 3D 광학 프로파일러로 검사하였으며, 가공 표면 조도는 Ra=0.12㎛이다(도 3). 사파이어 가공 표면은 SEM 측정 결과, 표면에 뚜렷한 취성 단열이 발생하지 않았고, 가공 표면이 양호하였다. 가공 표면은 EDS 측정 결과, 표면에 Al과 O 원소만 함유하고, C와 Co 등 원소는 발견되지 않았다(도 4). 사용 후의 PCD 공구는 SEM 측정 결과, 절삭날각 부위의 각 가공 톱날에 뚜렷한 붕괴 현상이 발생하지 않았다. 톱날 표면은 EDS 측정 결과 표면에 주로 C와 O 원소가 함유되고, Al 원소의 함량은 비교적 적었다(도 5). 따라서, PCD 공구는 가공 과정에서 공구의 절삭 가공 성능이 비교적 양호하며, 공구와 사파이어의 표면 마찰이 작아 가공 과정이 안정적이다.The sample was taken out and tested. The unprocessed surface of sapphire was inspected with a Nano View-2000 type non-contact 3D optical profiler, and the obtained processed surface roughness was Ra=0.3 μm (FIG. 2). The processed surface of sapphire was inspected with a Nano View-2000 type non-contact 3D optical profiler, and the processed surface roughness was Ra = 0.12 μm (FIG. 3). As a result of SEM measurement, the sapphire-processed surface did not show any distinct brittle insulation on the surface, and the processed surface was good. As a result of the EDS measurement, the processed surface contained only Al and O elements, and elements such as C and Co were not found (FIG. 4). As a result of the SEM measurement of the PCD tool after use, no distinct collapse occurred in each saw blade at the cutting edge. As a result of the EDS measurement, the surface of the saw blade mainly contained C and O elements, and the content of Al elements was relatively small (FIG. 5). Therefore, the PCD tool has relatively good cutting performance in the machining process, and the surface friction between the tool and sapphire is small, so that the machining process is stable.

실시예 2Example 2

단계1: 사파이어 공작물의 클램핑:Step 1: Clamping the sapphire workpiece:

수직 머시닝 센터에서, 사파이어 공작물을 클램프에 협지시켜, 공구의 축선과 사파이어 시료 가공 표면 간의 가공 경사각이 15°가 되도록 보장한다.In a vertical machining center, the sapphire workpiece is clamped in the clamp to ensure that the machining inclination angle between the axis of the tool and the machining surface of the sapphire sample is 15°.

단계 2: 표면 코팅층 제거 가공Step 2: surface coating layer removal processing

볼엔드밀의 직경은 Φ1.5mm이고, 유효 날 길이는 2mm이며, 공구의 날 길이는 10mm이고, 공구의 총 길이는 50mm이며, 공구 바의 직경은 Φ3.0mm이고, 공구 표면의 원주방향을 따라 9개의 등거리 직선 그루브(그루브의 평균 깊이는 90㎛)가 분포되며, 나선 그루브의 나선각은 8°인 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용하여, 주축의 회전속도가 10000rpm이고, 피딩 속도가 7.0mm/min이며, 절삭 깊이가 10㎛인 조건하에서 사파이어 표면(30mm×30mm×5mm)에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시하였다.The diameter of the ball end mill is Φ1.5mm, the effective blade length is 2mm, the blade length of the tool is 10mm, the total length of the tool is 50mm, the diameter of the tool bar is Φ3.0mm, along the circumferential direction of the tool surface. Nine equidistant straight grooves (average depth of the groove is 90㎛) are distributed, and a PCD multi-saw blade ball end mill tool with a helix angle of 8° is used, and the rotational speed of the spindle is 10000rpm, and the feeding speed is 7.0. Micro-milling was performed on the sapphire surface (30 mm×30 mm×5 mm) under the conditions of mm/min and a cutting depth of 10 μm.

시료를 인출하여 측정을 실시하였다. 사파이어의 가공 표면을 Nano View-2000형 비접촉식 3D 광학 프로파일러로 측정한 결과, 가공 표면 조도는 Ra=0.2㎛이며; 사파이어 가공 표면은 SEM 측정 결과, 표면에 뚜렷한 취성 단열이 발생하지 않았고, 가공 표면이 양호하며; 가공 표면은 EDS 측정 결과, 표면에 Al과 O 원소만 함유하고, C와 Co 등 원소는 발견되지 않았으며; 사용 후의 PCD 공구는 SEM 측정 결과, 절삭날각 부위의 각 가공 톱날에 뚜렷한 붕괴 현상이 발생하지 않았다. 톱날 표면은 EDS 측정 결과, 표면에 주로 C와 O 원소가 함유되고, Al 원소의 함량은 비교적 적었다. 따라서, PCD 공구는 가공 과정에서 공구의 절삭 가공 성능이 비교적 양호하며, 공구와 사파이어의 표면 마찰이 작아 가공 과정이 안정적이다.The sample was taken out and measured. As a result of measuring the processed surface of sapphire with a Nano View-2000 type non-contact 3D optical profiler, the processed surface roughness was Ra = 0.2 μm; As a result of the SEM measurement, the sapphire-processed surface did not have a pronounced brittle insulation on the surface, and the processed surface was good; As a result of the EDS measurement, the processed surface contained only Al and O elements, and elements such as C and Co were not found; As a result of the SEM measurement of the PCD tool after use, no distinct collapse occurred in each saw blade at the cutting edge. As a result of EDS measurement, the surface of the saw blade mainly contained C and O elements, and the content of Al elements was relatively small. Therefore, the PCD tool has relatively good cutting performance in the machining process, and the surface friction between the tool and sapphire is small, so that the machining process is stable.

실시예 3Example 3

단계1: 사파이어 공작물의 클램핑:Step 1: Clamping the sapphire workpiece:

수직 머시닝 센터에서, 사파이어 공작물을 클램프에 협지시켜, 공구의 축선과 사파이어 시료 가공 표면 간의 가공 경사각이 25°가 되도록 보장한다.In a vertical machining center, the sapphire workpiece is clamped in a clamp to ensure that the machining inclination angle between the axis of the tool and the machining surface of the sapphire sample is 25°.

단계 2: 표면 코팅층 제거 가공Step 2: surface coating layer removal processing

볼엔드밀의 직경은 Φ2.5mm이고, 유효 날 길이는 4mm이며, 공구의 날 길이는 15mm이고, 공구의 총 길이는 55mm이며, 공구 바의 직경은 Φ5.0mm이고, 공구 표면의 원주방향을 따라 6개의 등거리 직선 그루브(그루브의 평균 깊이는 120㎛)가 분포되고, 나선 그루브의 나선각은 10°인 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용하여, 주축의 회전속도가 25000rpm이고, 피딩 속도가 12.0mm/min이며, 절삭 깊이가 200㎛인 조건(도 6)하에 사파이어 표면(30mm×30mm×5mm)에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시하였다.The diameter of the ball end mill is Φ2.5mm, the effective blade length is 4mm, the blade length of the tool is 15mm, the total length of the tool is 55mm, the diameter of the tool bar is Φ5.0mm, along the circumferential direction of the tool surface. 6 equidistant straight grooves (average depth of the groove is 120㎛) are distributed, and a PCD multi-saw blade ball end mill tool with a helix angle of 10° is used, the rotational speed of the spindle is 25000rpm, and the feeding speed is 12.0. Micro-milling was performed on the sapphire surface (30 mm × 30 mm × 5 mm) under the condition of mm/min and a cutting depth of 200 μm (FIG. 6).

시료를 인출하여 측정을 실시하였다. 사파이어의 가공 표면을 Nano View-2000형 비접촉식 3D 광학 프로파일러로 측정한 결과, 가공 표면 조도는 Ra=0.3㎛이고(도 7), 사파이어 가공 표면은 SEM 측정 결과, 표면에 뚜렷한 취성 단열이 발생하지 않았고, 가공 표면이 양호하며; 가공 표면은 EDS 측정 결과, 표면에 Al과 O 원소만 함유하고, C와 Co 등 원소는 발견되지 않았으며; 사용 후의 PCD 공구는 SEM 측정 결과, 절삭날각 부위의 각 가공 톱날에 뚜렷한 붕괴 현상이 발생하지 않았다. 톱날 표면은 EDS 측정 결과 표면에 주로 C와 O 원소가 함유되고, Al 원소의 함량은 비교적 적었다. 따라서, PCD 공구는 가공 과정에서 공구의 절삭 가공 성능이 비교적 양호하며, 공구와 사파이어의 표면 마찰이 작아 가공 과정이 안정적이다.The sample was taken out and measured. As a result of measuring the processed surface of sapphire with a Nano View-2000 type non-contact 3D optical profiler, the processed surface roughness was Ra = 0.3 μm (Fig. 7), and as a result of SEM measurement of the sapphire processed surface, distinct brittle insulation did not occur on the surface. Was not, and the processed surface was good; As a result of the EDS measurement, the processed surface contained only Al and O elements, and elements such as C and Co were not found; As a result of the SEM measurement of the PCD tool after use, no distinct collapse occurred in each saw blade at the cutting edge. As a result of the EDS measurement, the surface of the saw blade mainly contained C and O elements, and the content of Al elements was relatively small. Therefore, the PCD tool has relatively good cutting performance in the machining process, and the surface friction between the tool and sapphire is small, so that the machining process is stable.

이밖에, 출원인은, 실시예 1 내지 3의 주축의 회전속도, 피딩 속도, 절삭 깊이, 및 PCD 볼엔드밀 비트의 파라미터를 설정 범위 내에서 수정할 경우 모두 이상적인 속도 증가와 표면 조도를 획득할 수 있음을 발견하였다. 따라서, 일일이 열거하지 않는다. In addition, the applicant can obtain ideal speed increase and surface roughness when modifying the parameters of the rotational speed, feeding speed, cutting depth, and PCD ball end mill bit of the main shaft of Examples 1 to 3 within the set range. Found. Therefore, it is not listed individually.

본 발명에서 언급하지 않은 부분은 모두 종래 기술과 동일하거나 또는 종래 기술을 이용하여 구현될 수 있다.All parts not mentioned in the present invention may be the same as the prior art or may be implemented using the prior art.

Claims (6)

사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법에 있어서,
수직 머시닝 센터에서, PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구를 사용하고, 주축의 회전속도가 10000-250000rpm이며, 피딩 속도가 3.0-12.0mm/min이고, 절삭 깊이가 10-200㎛인 조건하에 사파이어 표면에 대해 마이크로 밀링 가공을 실시함으로써 사파이어의 표면을 가공하고,
상기 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구는 PCD 볼엔드밀 비트와 경질 합금 공구바를 용접하여 획득되며,
상기 PCD 엔드밀의 직경은 Φ1.5-2.5mm이고, 유효 날 길이는 2-5mm이며,
상기 PCD 볼엔드밀 비트는 원주방향을 따라 6-12개의 등거리 직선 그루브가 분포되고, 축방향을 따라 나선각이 5~10°인 1개의 나선 그루브가 분포되며,
상기 등거리 직선 그루브와 나선 그루브를 통해 PCD 공구 표면이 복수의 절삭 가공 톱날로 분할되는 것을 포함하는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법.
In the micro-milling processing method of the sapphire surface,
In a vertical machining center, a PCD multi-saw blade ball end mill tool is used, the rotational speed of the main shaft is 10000-250000rpm, the feeding speed is 3.0-12.0mm/min, and the cutting depth is 10-200㎛. The surface of the sapphire is processed by performing micro-milling processing,
The PCD multi-saw blade ball end mill tool is obtained by welding a PCD ball end mill bit and a hard alloy tool bar,
The diameter of the PCD end mill is Φ1.5-2.5mm, the effective blade length is 2-5mm,
In the PCD ball end mill bit, 6-12 equidistant straight grooves are distributed along the circumferential direction, and one spiral groove having a helix angle of 5 to 10° is distributed along the axial direction,
A method for micro-milling a sapphire surface, comprising dividing the PCD tool surface into a plurality of cutting saw blades through the equidistant straight groove and the helical groove.
제1항에 있어서,
상기 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구의 축선과 사파이어 시료의 가공 표면 사이의 가공 경사각은 15-35°인 것을 포함하는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법.
The method of claim 1,
The micro-milling processing method of the sapphire surface, comprising a processing inclination angle between the axis of the PCD multi-saw blade ball end mill tool and the processing surface of the sapphire sample is 15-35 °.
제1항에 있어서,
상기 PCD 볼엔드밀 표면의 등거리 직선 그루브와 나선 그루브는 모두 볼엔드밀의 바닥면 중심을 기점으로 하며, 그루브의 평균 깊이는 90-120㎛인 것을 포함하는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법.
The method of claim 1,
Both the equidistant straight groove and the spiral groove on the surface of the PCD ball end mill are based on the center of the bottom surface of the ball end mill, and the average depth of the groove is 90-120 μm.
제1항에 있어서,
상기 사파이어의 길이는 10~50mm이고, 폭은 10~50mm이며, 두께는 5~10mm이며, 표면 조도(Ra)는 0.3~0.4㎛인 것을 포함하는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법.
The method of claim 1,
The sapphire has a length of 10 to 50 mm, a width of 10 to 50 mm, a thickness of 5 to 10 mm, and a surface roughness (Ra) of 0.3 to 0.4 μm.
제1항에 있어서,
상기 사파이어의 PCD 다중톱날 볼엔드밀 공구의 마이크로 밀링 가공 후의 표면 조도(Ra)는 0.1~0.3㎛인 것을 포함하는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법.
The method of claim 1,
A method for micro-milling a sapphire surface, comprising the sapphire having a surface roughness (Ra) of 0.1 to 0.3 μm after the micro-milling of the sapphire PCD multi-saw blade ball end mill tool.
제1항에 있어서,
상기 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공 방법은,
경질취성 난가공 재료의 표면 마이크로 밀링 가공에도 적용되는 것을 포함하는 사파이어 표면의 마이크로 밀링 가공방법.
The method of claim 1,
The micro-milling method of the sapphire surface,
A method for micro-milling the surface of sapphire, which is also applied to micro-milling the surface of hard brittle hard-to-process materials.
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