KR20230028891A

KR20230028891A - 간접분사 및 mql 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치

Info

Publication number: KR20230028891A
Application number: KR1020210110733A
Authority: KR
Inventors: 김태곤; 이석우; 남정수; 김성현; 신강우
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2023-03-03
Also published as: KR102614077B1

Abstract

간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치가 개시된다.
본 발명에 따른 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구는, 내부를 유동하는 유체에 의해 냉각되는 회전 절삭 공구로서, 제1 단부 및 제1 단부의 반대방향의 제2 단부를 갖고, 제1 단부에 제1 냉매가 배출되는 제1 배출홀이 마련되고, 제2 단부에 절삭날 및 플루트가 마련되며 제2 냉매가 배출되는 제2 배출홀이 마련된 본체, 본체 내부에 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 본체의 중심축 방향을 따라 연장된 제1 유입 채널, 제1 유입 채널과 연결되고, 제2 단부에서 절삭날을 향하여 연장된 분배 채널, 분배 채널 및 제1 배출홀을 연결하는 배출 채널 및 본체 내부에 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 제2 배출홀까지 연장된 제2 유입 채널을 포함한다.

Description

간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치{INDIRECT INJECTION AND MQL INJECTION TYPE CUTTING TOOL AND INCLUDING PROCESSING DEVICE THEREOF}

본 발명은 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체를 이용하여 공구의 냉각 및 윤활이 되도록 할 수 있는 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치에 관한 것이다.

공작기계를 이용한 절삭가공은 다양한 절삭공구를 이용한다.

다양한 절삭공구를 이용한 절삭가공 시, 1000 내지 1500℃의 높은 온도가 발생한다.

또한, 티타늄, CGI 등 고경도 경량소재는 절삭 가공이 매우 어려운 난삭재(難削材)로 분류되고 있다.

난삭재는 높은 강성 및 경도, 낮은 열전도도 및 공구 재료와의 높은 친화성을 가지기 때문에 높은 가공 부하 및 온도가 발생되고, 그게 따라 절삭공구의 마모 및 파손이 발생되는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인하여, 가공성은 물론 생산성이 저하되는 결과를 초래한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 극저온 냉매를 이용한 가공 기술이 많이 개발되고 있는 추세이다.

한편, 극저온 냉매는 직접분사(외부분사), 간접분사(또는 내부분사) 등 다양한 냉각방식으로 공구를 냉각시킨다.

직접분사 방식은 외부에 별도로 마련된 냉매 분사노즐을 이용하여 공구의 외부에서 분사하여 공구를 직접적으로 냉각하는 방식을 의미한다. 직접분사 방식의 경우, 냉매가 분사되는 과정에서 냉매가 모재에 접촉됨에 따라 모재의 경도가 증가되므로 공구를 이용하여 가공하는 것이 더욱 어렵게 된다.

간접분사 방식은 공구의 내부에 극저온 냉매가 유동할 수 있는 유로를 형성하여 공구를 간접적으로 냉각하는 방식을 의미한다. 다시 말해서, 간접분사 방식은 냉매를 공구의 내부에서 유동되도록 하여 공구를 냉각시킨다. 이때, 냉매가 모재와 접촉되지 않게 되므로, 모재의 강도가 증가하여 공구를 이용한 가공이 어려운 문제점이 발생하지 않게 된다.

그러나, 간접분사 방식의 경우, 냉매가 공구 내부를 유동하는 과정에서, 냉매의 유동에 의한 유동 단면적의 변화로 인한 상변화로 기화하여 냉매 유로를 막게 되고, 결국 냉매를 이용한 공구의 냉각 효율이 저하되는 문제점이 있다.

이에, 간접분사 방식을 이용하여 공구의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치의 개발이 요구되는 실정이다.

(특허 문헌 1) 한국 공개특허공보 10-2012-0093815호(2012.08.23.공개)

본 발명의 목적은 유체가 공구의 내부를 유동하는 과정에서 상변화하는 것을 방지할 수 있는 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적은, 본 발명에 따라, 내부를 유동하는 유체에 의해 냉각되는 회전 절삭 공구로서, 제1 단부 및 제1 단부의 반대방향의 제2 단부를 갖고, 제1 단부에 제1 냉매가 배출되는 제1 배출홀이 마련되고, 제2 단부에 절삭날 및 플루트가 마련되며 제2 냉매가 배출되는 제2 배출홀이 마련된 본체, 본체 내부에 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 본체의 중심축 방향을 따라 연장된 제1 유입 채널, 제1 유입 채널과 연결되고, 제2 단부에서 절삭날을 향하여 연장된 분배 채널, 분배 채널 및 제1 배출홀을 연결하는 배출 채널 및 본체 내부에 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 제2 배출홀까지 연장된 제2 유입 채널을 포함하는, 절삭 공구에 의해 달성될 수 있다.

이때, 제2 배출홀은 제2 냉매가 절삭날의 경사면(rake face)을 향하여 분사되도록 마련될 수 있다.

제1 냉매는 액화질소(LN2)를 포함할 수 있다.

제2 냉매는 윤활제 또는 압축공기를 포함할 수 있다.

한편, 본체의 중심축을 기준으로 본체의 중심에서 반경 방향을 따라 제1 유입 채널, 배출 채널 및 제2 유입 채널이 차례로 위치하도록 마련될 수 있다.

이러한, 본체는, 내부에 제1 중공부를 갖고, 외주면에 절삭날이 마련된 제1 부재, 제1 중공부 내에 삽입되며, 제2 중공부를 갖는 제2 부재 및 제2 중공부 내에 삽입되며, 제3 중공부를 갖는 제3 부재를 포함하며, 제1 부재와 제2 부재 사이에 제2 유입 채널이 마련되고, 제2 부재와 제3 부재 사이에 배출 채널이 마련되며, 제3 중공부 내에 제1 유입 채널이 마련될 수 있다.

여기서, 제1 유입 채널은 제1 유입 채널과 분배 채널의 경계영역에 제1 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제1 수렴영역을 가질 수 있다.

더욱이, 제1 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 선형적으로 작아지도록 마련될 수 있다.

특히, 제1 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 제1 유입 채널과 분배 채널의 경계영역까지 연속적으로 작아지도록 마련될 수 있다.

한편, 배출 채널은 분배 채널 및 배출 채널의 경계영역에 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제2 수렴 영역을 가질 수 있다.

더욱이, 제2 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 선형적으로 작아지도록 마련될 수 있다.

이러한, 배출 채널은, 분배 채널과 연결되며, 제2 단부에서 제1 단부를 향하여 연장 형성된 제1 채널 및 제1 채널과 제1 배출홀을 연결하는 제2 채널을 포함할 수 있다.

이때, 제2 채널은 제1 채널과 경계영역에 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제3 수렴 영역을 가질 수 있다.

이러한, 제3 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 제1 배출홀까지 선형적으로 작아지도록 마련될 수 있다.

상기와 같은, 제1 유입 채널의 최대 직경은 배출 채널의 최대 직경 보다 크고, 배출 채널의 최대 직경은 제1 배출홀의 직경보다 크게 마련될 수 있다.

이러한, 제1 유입 채널은 내주면에 단열층을 가질 수 있다.

또한, 제2 부재는 제2 유입 채널과 구획되기 위한 배플부를 포함하며, 제2 냉매는 링 형태로 진입되되, 제1 냉매의 배출 시 배플부를 따라 적어도 일부가 우회되도록 마련될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 의하면, 본 발명은 전술한 절삭 공구를 포함하는 가공 장치에 의해 달성될 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 분야에 의하면, 본 발명은 전술한 가공 장치를 이용한 가공 방법으로서, 절삭 공구를 회전시키는 단계 및 절삭 공구 내부로 제1 냉매 및 제2 냉매를 공급하는 단계를 포함하는 가공 방법에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치는, 공구의 내부에 마련된 채널을 따라 냉매가 유동하는 과정에서 상변화하는 것을 방지하여 냉매 채널의 막힘을 방지할 수 있고, 결국 냉매에 의한 공구의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치는, 공구의 내부에 마련된 채널을 따라 MQL이 유동되어 절삭 공구에 분사됨에 따라, 공구를 이용한 가공 시의 윤활 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구 및 이를 포함하는 가공 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시한 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구의 종 방향 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구의 제1 단부 부분의 종 방향 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구의 제1 단부 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 도 3에 도시한 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구의 제2 단부 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 제1 배출홀로부터 배출되는 제1 냉매 및 제2 배출홀로부터 배출되는 제2 냉매의 분사 방향을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 8은 도 3에 도시한 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구의 제1 유입 채널, 배출 채널 및 제1 배출홀의 직경을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예들을 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도면의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구(100, 이하 '절삭 공구'라 함) 및 이를 포함하는 가공 장치(1000)를 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 장치(1000)를 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 장치(1000)는 절삭 공구(100), 홀더(1100) 및 스핀들(1200)을 포함한다.

절삭 공구(100)는 모재(workpiece)를 가공하기 위한 일종의 도구(tool)이다.

이때, 절삭 공구(100)는 필요에 따라 복수 개로 마련될 수도 있다. 예컨대, 절삭 공구(100)가 복수 개로 마련되는 경우, 각각의 절삭 공구(100)는 다른 형태로 마련될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

홀더(1100)는 절삭 공구(100)를 지지하기 위한 부분이다. 홀더(1100)에는 절삭 공구(100)가 장착되며 장착된 절삭 공구(100)를 지지한다.

이러한 절삭 공구(100)는 회전되어 모재를 가공한다.

이때, 절삭 공구(100)는 스핀들(1200)에 의해 회전된다.

스핀들(1200)은 홀더(1100)에 장착 지지된 절삭 공구(100)를 회전시키는 부분이다.

스핀들(1200)은 절삭 공구(100)의 회전축이 된다. 이를 위해, 스핀들(1200)에는 회전을 위한 회전 구동부(1400)가 연결될 수도 있다.

또한, 스핀들(1200)에는 유체를 공급하기 위한 적어도 하나 이상의 공급부(1300, 1310)가 연결된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구(100)에는 액화질소(LN₂)와 같은 극저온 냉매가 유입될 수도 있고, MQL(Minimum quantity lubrication)과 같은 윤활제 또는 압축 공기가 유입될 수도 있다.

이에 따라, 스핀들(1200)에는 제1 냉매를 공급하기 위한 적어도 하나의 제1 냉매 공급부(1300) 및 제2 냉매를 공급하기 위한 제2 냉매 공급부(1310)가 연결될 수도 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

여기서, 극저온 냉매와 MQL가 모두 스핀들(1200)에 유입되는 경우에 극저온 냉매와 MQL이 혼합되지 않도록, 스핀들(1200)에는 동심 형태의 2개의 채널(유로)가 마련되는 것이 바람직하다.

한편, 스핀들(1200)에 공급되는 유체(냉매)의 종류에 따라, 절삭 공구(100)에 공급되는 유체가 달라질 수 있다.

이때, 절삭 공구(100)에는 스핀들(1200)과 마찬가지로 동심 형태의 2개의 채널(유로)가 마련됨에 따라, 절삭 공구(100)의 내부에 극저온 냉매와 MQL이 모두 공급되더라도 극저온 냉매와 MQL이 혼합되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이하, 도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구(100)를 설명한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 절삭 공구(100)는 본체(110), 본체(110)의 내부에 마련된 적어도 하나의 유입 채널(150, 160), 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)을 포함한다.

본체(110)는 제1 단부(111) 및 제1 단부(111)의 반대 방향의 제2 단부(113)를 갖는다.

제1 단부(111)에는 제1 냉매(R)가 배출되는 제1 배출홀(112)이 마련된다.

제2 단부(113)에는 하나 이상의 절삭날(122, cutting edge; 인선부)가 마련된다. 서로 인접한 2개의 절삭날(122) 사이 또는 하나의 인선부(122)와 인접하는 다른 인선부(122) 사이에는 플루트(123)가 마련된다. 플루트(123) 사이에는 제2 냉매(M)가 배출되는 제2 배출홀(114)이 마련된다.

여기서, 제1 냉매(R)는 액화 질소(LN2)와 같은 극저온 냉매를 포함할 수 있고, 제2 냉매(M)는 MQL과 같은 윤활제 또는 압축공기를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 단부(111)에 마련된 제1 배출홀(112)을 통해 제1 냉매(R)가 절삭 공구(100)의 본체(110)의 외부로 배출됨에 따라 모재에 제1 냉매(R)가 직접적으로 분사되거나 접촉되는 것을 방지할 수 있게 된다.

일반적으로 모재는 본체(110)의 제1 단부(111) 보다는 제2 단부(104)와 가깝게 위치되게 된다. 이에 따라, 제1 냉매(R)가 제1 단부(111)에 형성된 제1 배출홀(112)이 아니라 제2 단부(113)에 형성된 제2 배출홀(114)을 통해 배출되는 경우, 제1 냉매(R)가 모재와 직접적으로 접촉되므로 냉매(R)에 의해 모재가 냉각되어 경도가 높아져서 절삭 공구(100)를 이용한 가공에 있어서 어려움이 발생된다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구(100)는 제1 단부(111)를 통해서 본체(110)의 내부로 제1 냉매(R)가 유입되고, 제1 단부(111)에서 제2 단부(113)까지 유동하여 본체(110)를 냉각시킨 이후에 제1 단부(111)에 형성된 제1 배출홀(112)을 통해서 외부로 배출된다.

이때, 제1 냉매(R)는 모재와 먼 위치인 본체(110)의 제1 단부(111)에 형성된 제1 배출홀(112)을 통해서 외부로 배출되기 때문에, 냉매(R)가 모재에 냉매가 직접적으로 분사되는 것을 방지하여 모재와 접촉되는 것을 최대한 차단할 수 있는 효과가 있다.

한편, 본체(110)의 내부에는 제1 냉매(R) 및 제2 냉매(M)가 유동되도록 하기 위하여, 적어도 하나 이상의 유입 채널(150, 160), 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)이 마련된다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구(100)에는 제1 냉매(R)와 제2 냉매(M)가 유입되므로, 서로 다른 유로(채널)을 형성하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 절삭 공구(100)에는 제1 냉매(M)의 유동을 위한 제1 유입 채널(150), 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)이 마련된다. 또한, 절삭 공구(100)에는 제2 냉매(M)의 유동을 위한 제2 유입 채널(160)이 마련된다.

여기서, 제2 유입 채널(160)은 제2 냉매(M)가 배출되는 제2 배출홀(114)과 직접적으로 연결되므로, 제2 배출홀(114)이 제2 냉매(M)가 배출되는 배출 채널의 역할도 수행하게 된다.

참고로, 제2 냉매(M)가 외부로 배출되도록 하기 위하여, 필요에 따라 제2 배출홀(114)과 별개의 배출 채널을 형성할 수도 있다.

참고로, 제2 냉매(M)는 MQL과 같은 윤활제를 사용하는 경우에는 절삭 공구(100)의 냉각 및 윤활을 모두 수행할 수 있고, 압축 공기가 공급되는 경우에는 절삭 공구(100)의 냉각 만을 수행하게 된다.

다시 말해서, 제1 냉매(R)는 액화질소와 같은 극저온 냉매로 사용하고 제2 냉매(M)는 제1 냉매(R)의 액화질소와 같은 극저온 냉매나 압축 공기를 사용함으로써 절삭 공구(100)의 냉각 효율의 강화시킬 수도 있다. 반대로, 제1 냉매(R)는 액화질소와 같은 극저온 냉매로 사용하여 절삭 공구(100)의 냉각을 위해 사용하고, 제2 냉매(M)는 MQL 같은 윤활제를 사용하여 절삭 공구(100)에 의한 기계 가공 시 윤활을 위하여 사용할 수도 있다.

이와 같은, 제1 유입 채널(150), 분배 채널(152), 배출 채널(154) 및 제2 유입 채널(160)은 제1 부재(120) 및 제2 부재(130)에 의해서 형성될 수 있다.

제1 부재(120)는 본체(110)의 내부에 마련되되, 내부에 제1 중공부(121)를 갖고 외부에는 하나 이상의 절삭날(122)이 마련된다.

이때, 제1 부재(120)는 텅스텐(tungsten) 재질로 마련될 수도 있고, 텅스텐과 탄소, 니켈, 티타늄 등과 같은 합금으로 사용되는 텅스텐 카바이드계 초경(tungsten carbide), 고속도강 등으로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 재질로 마련되는 제1 부재(120)는 소결 및 연삭을 통해 형성될 수 있다.

제2 부재(130)는 제1 부재(120)의 제1 중공부(121) 내에 삽입되며, 제2 중공부(131)를 갖고, 본체(110)의 중심축(C)을 따라 양 종단부가 모두 개방된 형태로 형성된다.

이때, 제1 부재(120)의 내주면과 제2 부재(130)의 외주면 사이 공간은 제2 유입 채널(160)로 마련된다.

또한, 제3 부재(140)는 제2 중공부(131) 내에 삽입되며, 제3 중공부(141)를 포함한다.

제3 중공부(141) 내에는 제1 냉매(R)가 유입되는 제1 유입 채널(150)이 마련된다.

이때, 제2 부재(130)의 내주면과 제3 부재(140)의 외주면 사이 공간은 배출 채널(154)로 마련된다.

여기서, 제2 부재(130) 및 제3 부재(140)는 구리, 알루미늄 등의 재질로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제2 부재(130) 및 제3 부재(140)는 기계 가공을 통해서 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 제2 부재(130) 및 제3 부재(140)는 본체(110)의 내부에 압입 형태, 즉 억지 끼워맞춤의 형태로 조립될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 제2 부재(130) 및 제3 부재(140)가 본체(110)의 내부에 압입 형태로 억지 끼워 맞춤되는 이유는 제1 냉매(R)와 제2 냉매(M)가 섞이지 않도록 하기 위한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 냉매(R) 및 제2 냉매(M)는 서로 다른 종류의 유체이므로, 만약 제1 냉매(R)와 제2 냉매(M)가 섞이게 될 경우에는 제1 냉매(R) 및 제2 냉매(M)를 이용한 절삭 공구(100)의 냉각 효과가 저하될 수밖에 없기 때문이다.

이러한 이유로, 제2 부재(130)와 제3 부재(140)를 통해 본체(110)의 내부 공간을 구획되도록 함에 따라, 제1 부재(120)와 제2 부재(130)의 제2 유입 채널(160)을 통해 유입되고 제2 유입 채널(160)과 연결된 제2 배출홀(114)을 통해 외부로 배출되는 제2 냉매(M)와 제3 부재(140)의 제1 유입 채널(150)을 통해 유입되고 제2 부재(130)와 제3 부재(140) 사이의 배출 채널(154)을 통해 외부로 배출되는 제1 냉매(R)가 섞이는 것을 방지할 수 있게 된다.

한편, 제2 부재(130)에는 배플부(132)가 형성된다.

배플부(132)는 제2 유입 채널(160)과 구획되도록 하기 위한 부분이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 배플부(132)는 제1 냉매가 배출되는 제1 배출홀(112)과 동일 선상에 마련되게 된다.

배플부(132)는 제2 부재(130)의 외주면으로부터 반경 방향, 즉 제1 부재(120) 쪽으로 돌출된 형태를 갖는다. 이때, 배플부(132)와 제1 부재(120) 사이에는 거의 간격이 존재하지 않게 된다.

이와 같이, 배플부(132)가 형성됨에 따라, 제1 부재(120)와 제2 부재(130) 사이의 제2 유입 채널(160)로 유입되는 제2 냉매(M)와 제1 부재(120)에 형성된 제1 배출홀(112)을 통해 외부로 배출되는 제1 냉매(M)가 섞이는 것을 방지할 수 있게 된다.

이에 따라, 제2 냉매(M)는 제1 부재(120)의 내주면과 제2 부재(130)의 외주면 사이에 형성된 제2 유입 채널(160)을 통해 유입되되 링 형태로 진입된다.

여기서, 제1 냉매(R)가 제1 배출홀(112)을 따라 배출되더라도, 제2 유입 채널(160)으로 유입되어 유동된 제2 냉매(M)는 배플부(132)를 따라 우회되어 제2 유입 채널(160)을 따라 제2 배출홀(114) 쪽으로 정상적으로 유동되는 형태를 가지게 되는 것이다.

다시 말해서, 제1 냉매(R)와 제2 냉매(M)는 완전하게 분리된 서로 다른 유로를 가지게 된다.

상기한 바와 같이, 본체(110)의 내부는 제1 부재(120), 제2 부재(130) 및 제3 부재(140)에 의해 공간이 구획되어, 제1 냉매(R)가 유동되는 제1 유입 채널(150), 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)이 형성되고, 제2 냉매(M)가 유동되는 제2 유입 채널(160)이 형성되게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구(100)는 본체(110)의 중심축(C)을 기준으로 본체(110)의 중심에서 반경 방향을 따라 제1 유입 채널(150), 배출채널(154), 제2 유입채널(160)이 차례로 위치되도록 마련되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

제1 유입 채널(150)은 제1 냉매(R)가 유동되는 유로를 의미한다.

제1 유입 채널(150)은 본체(110)의 내부에 형성되되 제3 부재(140)의 제3 중공부(141)에 형성된다.

또한, 제1 유입 채널(150)은 본체(110)의 내부에 제1 단부(111)로부터 제2 단부(113)를 향하여 본체(110)의 중심축(C) 방향을 따라 연장 형성된다.

이때, 제1 유입 채널(150)은 내주면에 단열층이 형성된다. 제1 유입 채널(150)의 내주면에 단열층(미도시)이 형성됨에 따라, 제1 냉매(R)가 유입되는 제1 유입 채널(150)의 단열 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

참고로, 제1 유입 채널(150)의 내주면에 형성되는 단열층은 테프론(Teflon)과 같은 재질로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

분배 채널(152)은 제1 유입 채널(150)을 통해 유입된 제1 냉매(R)가 분기되어 유동 방향이 변경되도록 하는 유로를 의미한다.

분배 채널(152)은 제1 유입 채널(150)과 연결되고, 제2 단부(113)에서 절삭날(122)을 향하여 연장 형성된다.

이때, 분배 채널(152)의 일단부는 제1 유입 채널(150)로부터 유동된 제1 냉매(R)가 본체(110)의 중심축(C)을 기준으로 양 단부로 각각 분기된 형태를 갖는다.

즉, 분배 채널(152)은 제1 유입 채널(150)과 수직한 방향으로 형성된 유로로, 제1 유입 채널(150)로 유입된 제1 냉매(R)의 이동 방향을 후술할 배출 채널(154)로 향하도록 한다.

또한, 본체(110)의 내부에 형성되며, 제3 부재(140)와 제2 부재(130) 사이에 형성된 배출 채널(154)은 제1 유입 채널(150) 및 분배 채널(152)은 따라 유동된 제1 냉매(R)를 제1 배출홀(112)을 통해 외부로 배출되도록 하는 유로를 의미한다.

이러한, 배출 채널(154)은 분배 채널(152) 및 제1 배출홀(112)을 연결한다.

한편, 제1 유입 채널(150)은 제1 유입 채널(150)과 분배 채널(152)의 경계 영역에 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 형태의 제1 수렴영역(151)을 포함한다.

이때, 제1 수렴영역(151)은 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 직경이 선형적(linear)으로 작아지도록 마련된다. 다시 말해서, 제1 수렴영역(151)은 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 제1 유입 채널(150)과 분배 채널(152)의 경계영역까지 연속적으로 작아지도록 마련된다.

또한, 배출 채널(154)은 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)의 경계영역에 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 형태의 제2 수렴영역(153)을 갖는다.

여기서, 제2 수렴영역(153)은 상술한 제1 수렴영역(151)과 마찬가지로 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 직경이 선형적으로 작아지도록 마련된다. 다시 말해서, 제2 수렴영역(153)은 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 배출 채널(154)에서 제1 배출홀(112)까지 연속적으로 작아지도록 마련된다.

한편, 배출 채널(154)은 제1 채널(155) 및 제2 채널(156)을 포함한다.

제1 채널(155)은 분배 채널(152)과 연결되며, 제2 단부(113)에서 제1 단부(111)를 향하여 연장 형성된다.

제2 채널(156)은 제1 채널(155)과 연결되되, 제1 채널(155)과 제1 배출홀(112)을 연결한다.

이때, 제2 채널(156)은 제1 채널(155)과 제2 채널(156)의 경계영역에 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제3 수렴영역(157)을 포함한다.

제3 수렴영역(157)은 상술한 제1 수렴영역(151) 및 제2 수렴영역(153)과 같이 직경이 작아지도록 마련된다. 다시 말해서, 제3 수렴영역(157)은 그 직경이 제1 냉매(R)의 유동 방향을 따라 제1 배출홀(112)까지 선형적으로 작아지도록 마련된다.

한편, 도 8을 참조하면, 제1 유입 채널(150)의 최대 직경(D1)은 배출 채널(154)의 최대 직경(D2) 보다 크게 형성될 수 있다. 또한, 배출 채널(154)의 최대 직경(D2)은 제1 배출홀(112)의 직경(D3) 보다 크게 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 제1 유입 채널(150)의 최대 직경(D1)이 배출 채널(154)의 최대 직경(D2)보다 크게 형성되고 배출 채널(154)의 최대 직경(D2)이 제1 배출홀(112)의 직경(D3)보다 크게 형성됨에 따라, 제1 냉매(R)의 유동 속도가 제1 유입 채널(150)에 비하여 제1 배출홀(112)을 통과할 때에 더욱 빨라지게 되어, 제1 냉매(R)를 통한 절삭 공구(100)의 냉각 효율이 향상되게 된다.

특히, 제1 수렴영역(151), 제2 수렴영역(153) 및 제3 수렴영역(157)의 직경이 선형적으로 작아지도록 마련됨에 따라, 제1 냉매(R)가 절삭 공구(100)의 내부, 즉 본체(110)의 내부의 제1 유입 채널(150), 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)을 따라 유동하는 과정에서 상변화하는 것이 방지되는 효과가 있다. 또한, 제1 냉매(R)가 제1 수렴영역(151), 제2 수렴영역(153) 및 제3 수렴영역(157)을 통과할 때, 제1 냉매(R)의 유동 속도가 빨라지게 되어 제1 유입 채널(150), 분배 채널(152) 및 배출 채널(154)의 막힘을 방지할 수 있고, 결국 절삭 공구(100) 자체의 냉각 효율을 향상시키는 효과를 가지게 된다.

한편, 본체(110)의 내부에 형성되며, 제1 부재(120)와 제2 부재(130) 사이에 형성된 제2 유입 채널(160)은 제2 냉매(M)가 유입되어 유동되는 유로를 의미한다.

제2 유입 채널(160)은 본체(110)의 내부에 제2 단부(113)로부터 제2 단부(113)를 향하여 본체(110)의 중심축(C) 방향을 따라 연장 형성된다.

참고로, 제2 유입 채널(160)의 내주면에도 제1 유입 채널(150)과 같이 단열층이 형성될 수 있다. 제2 유입 채널(160)의 내주면에 단열층(미도시)이 형성되는 경우, 제2 냉매(M)가 유입되는 제2 유입 채널(160)의 단열 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같은, 제2 유입 채널(160)의 내주면에 형성되는 단열층은 테프론(Teflon)과 같은 재질로 마련될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

여기서, 제2 유입 채널(160)은 제2 배출홀(114)까지 연장 형성된다.

이때, 도 7을 참조하면, 제2 배출홀(114)은 제2 냉매(M)가 절삭날(122)의 경사면(rake face)를 향하여 분사되도록 마련된다. 다시 말해서, 제2 배출홀(114)을 통해 배출되는 제2 냉매(M)는 절삭날(122)의 경사면 방향과 평행한 배출 각도를 가질 수 있다.

즉, 제2 배출홀(114)은 제1 단부(111)로부터 제2 단부(113)를 향하는 하측 방향으로 형성된다.

이와 같이, 제2 배출홀(114)이 제2 단부(113)를 향하도록 하측 방향으로 경사진 형태로 형성됨에 따라, 제2 배출홀(114)을 통해 배출되는 제2 냉매(M)는 하향 분사 방식(도 2 및 도 6에 도시한 하향 형성된 화살표와 동일한 방향)을 가지게 된다.

이와 같이, 제2 배출홀(114)을 통해 분사되는 제2 냉매(M)에 의해 절삭 공구(100)를 이용한 기계 가공시 윤활 성능을 향상시키는 효과를 가지게 된다.

참고로, 상기한 바와 같이, 제1 냉매(R) 및 제2 냉매(M)를 극저온 냉매나 압축 공기를 사용하는 경우, 절삭 공구(100)의 냉각 효율을 더욱더 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 제2 배출홀(114)도 제1 유입 채널(150) 및 배출 채널(154)과 같이 직경이 작아지는 수렴영역(도면부호 미표기)이 형성될 수도 있다.

제2 배출홀(114)의 수렴영역은 제2 유입 채널(160)로 유입되어 이동되는 제2 냉매(M)의 유동 방향을 따라 직경이 선형적으로 작아지도록 마련된다. 다시 말해서, 제2 배출홀(114)은 제2 냉매(M)의 유동 방향을 따라 제2 유입 채널(160)과 제2 배출홀(114)의 경계영역으로부터 제2 배출홀(114)이 형성된 지점까지 연속적으로 작아지도록 마련된다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 간접분사 및 MQL 분사용 절삭 공구(100)를 포함하는 가공 장치(1000)를 이용하는 가공방법에 대하여 간단히 설명한다.

먼저, 스핀들(1200)을 이용하여 절삭 공구(100)를 회전시킨다.

이때, 절삭 공구(100)가 회전하면서 모재를 가공하게 된다.

그 다음, 절삭 공구(100)의 내부로 절삭 공구(100)의 냉각 및 윤활을 위한 유체를 공급한다.

이때, 제1 냉매 공급부(1300) 및 제2 냉매 공급부(1310)를 통해 스핀들(1200)에 제1 냉매 및 제2 냉매가 공급되고, 스핀들(1200)에 공급된 제1 냉매 및 제2 냉매는 절삭 공구(100)의 내부를 유동하여 절삭 공구(100)를 냉각시거나, 절삭 공구(100)의 가공 시 윤활을 수행하고 나서 공구의 외부로 배출된다.

이때, 제1 배출홀(112)을 통해 절삭 공구(100)의 외부로 배출되는 제1 냉매(R)는 제2 단부(113)와는 거리가 먼 제1 단부(111) 쪽으로 배출되기 때문에, 제1 냉매(R)는 모재와의 접촉을 최소화할 수 있게 된다.

반대로, 제2 배출홀(114)을 통해 절삭 공구(100)의 외부로 배출되는 제2 냉매(M)는 절삭 공구(100)의 본체(110)에 형성된 절삭날(122)의 경사면을 향하도록 제1 단부(111)에서 제2 단부(113)를 향하는 하측 방향으로 배출될 수 있다.

이에 따라, 절삭 공구(100)의 내부를 유동한 이후에 외부로 배출되는 제2 냉매(M)는 모재와 접촉되어 절삭 공구(100)를 이용한 기계가공 시에 윤활 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 절삭 공구
110: 본체 111: 제1 단부
112: 제1 배출홀 113: 제2 단부
114: 제2 배출홀 120: 제1 부재
121: 제1 중공부 122: 절삭날
123: 플루트 130: 제2 부재
131: 제2 중공부 132: 배플부
140: 제3 부재 141: 제3 중공부
150: 제1 유입 채널 151: 제1 수렴영역
152: 분배 채널 153: 제2 수렴영역
154: 배출 채널 155: 제1 채널
156: 제2 채널 157: 제3 수렴영역
160: 제2 유입 채널
1000: 가공 장치
R: 제1 냉매 M: 제2 냉매

Claims

내부를 유동하는 유체에 의해 냉각되는 회전 절삭 공구로서,
제1 단부 및 제1 단부의 반대방향의 제2 단부를 갖고, 제1 단부에 제1 냉매가 배출되는 제1 배출홀이 마련되고, 제2 단부에 절삭날 및 플루트가 마련되며 제2 냉매가 배출되는 제2 배출홀이 마련된 본체;
본체 내부에 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 본체의 중심축 방향을 따라 연장된 제1 유입 채널;
제1 유입 채널과 연결되고, 제2 단부에서 절삭날을 향하여 연장된 분배 채널;
분배 채널 및 제1 배출홀을 연결하는 배출 채널; 및
본체 내부에 제1 단부로부터 제2 단부를 향하여 제2 배출홀까지 연장된 제2 유입 채널을 포함하는, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
제2 배출홀은 제2 냉매가 절삭날의 경사면(rake face)을 향하여 분사되도록 마련된, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
제1 냉매는 액화질소(LN2)를 포함하는, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
제2 냉매는 윤활제 또는 압축공기를 포함하는, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
본체의 중심축을 기준으로 본체의 중심에서 반경 방향을 따라 제1 유입 채널, 배출 채널 및 제2 유입 채널이 차례로 위치하는, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
본체는,
내부에 제1 중공부를 갖고, 외주면에 절삭날이 마련된 제1 부재;
제1 중공부 내에 삽입되며, 제2 중공부를 갖는 제2 부재; 및
제2 중공부 내에 삽입되며, 제3 중공부를 갖는 제3 부재를 포함하며,
제1 부재와 제2 부재 사이에 제2 유입 채널이 마련되고,
제2 부재와 제3 부재 사이에 배출 채널이 마련되며,
제3 중공부 내에 제1 유입 채널이 마련되는, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
제1 유입 채널은 제1 유입 채널과 분배 채널의 경계영역에 제1 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제1 수렴영역을 갖는, 절삭 공구.
제7항에 있어서,
제1 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 선형적으로 작아지도록 마련된, 절삭 공구.
제8항에 있어서,
제1 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 제1 유입 채널과 분배 채널의 경계영역까지 연속적으로 작아지도록 마련된, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
배출 채널은 분배 채널 및 배출 채널의 경계영역에 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제2 수렴 영역을 갖는, 절삭 공구.
제10항에 있어서,
제2 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 선형적으로 작아지도록 마련된, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
배출 채널은,
분배 채널과 연결되며, 제2 단부에서 제1 단부를 향하여 연장 형성된 제1 채널; 및
제1 채널과 제1 배출홀을 연결하는 제2 채널을 포함하는, 절삭 공구.
제12항에 있어서,
제2 채널은 제1 채널과 경계영역에 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 작아지는 제3 수렴 영역을 갖는, 절삭 공구.
제13항에 있어서,
제3 수렴영역은 냉매의 유동 방향을 따라 직경이 제1 배출홀까지 선형적으로 작아지도록 마련된, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
제1 유입 채널의 최대 직경은 배출 채널의 최대 직경 보다 크고,
배출 채널의 최대 직경은 제1 배출홀의 직경보다 큰, 절삭 공구.
제1항에 있어서,
제1 유입 채널은 내주면에 단열층을 갖는, 절삭 공구.
제6항에 있어서,
제2 부재는 제2 유입 채널과 구획되기 위한 배플부를 포함하며,
제2 냉매는 링 형태로 진입되되, 제1 냉매의 배출 시 배플부를 따라 적어도 일부가 우회되도록 마련된, 절삭 공구.
제1항에 따른 절삭 공구를 포함하는 가공 장치.
제18항에 따른 가공장치를 이용하는 가공방법으로서,
절삭 공구를 회전시키는 단계; 및
절삭 공구 내부로 제1 냉매 및 제2 냉매를 공급하는 단계를 포함하는, 가공 방법.