KR20230064151A - 절삭공구 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법은, 절삭공구의 기본구조를 3D모델링하는 단계, 상기 절삭공구의 기본구조에 대한 메쉬(mesh)분석을 수행하여 메쉬를 생성하는 단계, 상기 절삭공구의 기본구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계, 상기 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 상기 절삭공구의 위상최적구조를 도출하는 단계, 상기 절삭공구의 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계, 적층가공 방식으로 상기 절삭공구를 3D 프린팅하는 단계 및 3D 프린팅으로 얻은 상기 절삭공구의 강도를 증가시키기 위해 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 절삭공구 제조방법에 관한 것이다.
DFAM(Design For Additive Manufacturing)은 3D 프린팅의 장점을 극대화하기 위한 설계개념으로 적층가공을 위한 설계이다. 기존에 쇠를 깎아 만드는 절삭가공은 형상의 제약이 심하고 복잡한 도면은 제작이 불가능하다. 4축, 5축 등 다양한 절삭가공법이 있지만 고속회전 하면서 쇠를 깎는 절삭 공구 특성상 복잡하고 정밀한 부품제작에는 한계가 있다.
반면에 적층가공은 절삭가공과 대비되는 개념으로 소재를 쌓아 형상을 만들기 때문에 복잡 형상 출력이 가능하여 설계 자유도가 향상되고 제조 공정이 간소화되는 장점이 있다.
한편, 전세계적으로 자동차 및 항공 우주 등 첨단산업의 경량화, 친환경화 및 고효율화에 따라 이를 실현할 수 있는 티타늄, 인코넬 및 CGI 등의 난삭재료의 가공이 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 난삭재 가공 시 발생하는 절삭열의 배출문제, 구성인성과 응착문제 등으로 가공조건이 제한적이고, 가공속도 및 정밀도의 향상에 큰 제약이 있었다.
이에 따라, 절삭공구의 경량화, 회전효율 및 냉각효율 등 성능 향상이 요구되며, 이를 실현하기 위해 DFAM기법을 적용하여 3D 프린팅 방식으로 절삭공구를 제조하는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명의 일 실시예는, DFAM 기법을 적용함으로써 절삭공구의 경량화, 회전효율 및 냉각효율 등 성능 향상을 위해 절삭공구 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법은, 절삭공구의 기본구조를 3D모델링하는 단계, 상기 절삭공구의 기본구조에 대한 메쉬(mesh)분석을 수행하여 메쉬를 생성하는 단계, 상기 절삭공구의 기본구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계, 상기 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 상기 절삭공구의 위상최적구조를 도출하는 단계, 상기 절삭공구의 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계, 적층가공 방식으로 상기 절삭공구를 3D 프린팅하는 단계 및 3D 프린팅으로 얻은 상기 절삭공구의 강도를 증가시키기 위해 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계 이후, 상기 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 상기 절삭공구의 위상최적구조의 일부영역을 격자(lattice)구조로 모델링하는 단계 및 상기 절삭공구의 최종구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3D 프린팅 하는 단계는, 상기 최종구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계 이후, 상기 절삭공구의 적층가공을 수행하는 것일 수 있다.
상기 열처리하는 단계는, 상기 절삭공구를 챔버에 넣는 단계, 상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계, 상기 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시켜 상기 절삭공구를 가열하는 단계 및 상기 절삭공구의 가열 종료 후 상기 챔버 내부의 불활성가스를 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절삭공구를 가열하는 단계는, 상기 절삭공구를 600℃에서 3시간 유지시킬 수 있다.
상기 불활성가스를 배출하는 단계는, 상기 불활성가스가 배출되는 시간 동안 상기 절삭공구를 서냉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, DFAM 기법을 적용하여 절삭공구를 설계 및 제조함으로써 절삭공구의 경량화, 회전효율 및 냉각효율 등 성능 향상이 가능하다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭구조의 위상최적구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구에 위상최적구조 및 격자구조를 적용한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 적용 대상인 절삭공구를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 절삭공구의 냉각채널 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 절삭공구 제조방법의 열처리 과정의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭구조의 위상최적구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구에 위상최적구조 및 격자구조를 적용한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 적용 대상인 절삭공구를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 절삭공구의 냉각채널 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 절삭공구 제조방법의 열처리 과정의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 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 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 흐름을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭구조의 위상최적구조를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법은, 3D 프린팅 기술의 특징을 활용한 DFAM 기법을 적용한 절삭공구의 제조방법에 관한 것으로, 절삭공구의 기본구조를 3D모델링하는 단계(S100), 메쉬를 생성하는 단계(S110), 메쉬에 대한 구조해석을 수행하는 단계(S120), 절삭공구의 위상최적구조를 도출하는 단계(S130), 절삭공구의 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계(S140), 3D 프린팅하는 단계(S170), 열처리하는 단계(S180)를 포함할 수 있다.
먼저, 절삭공구의 기본구조를 3D모델링 할 수 있다(S100). 구체적으로, 도 1(a)에 도시된 바와 같이 설계대상인 절삭공구는 밀링(Milling)용 공구일 수 있으며 이에 대한 기본구조를 모델링할 수 있다.
이후, 절삭공구의 기본구조에 대한 메쉬(mesh)분석을 수행하여 메쉬를 생성할 수 있다(S110). 구체적으로, 도 1(b)에 도시된 바와 같이 절삭공구의 전체영역을 다수의 메쉬로 분할할 수 있다.
이후, 절삭공구의 기본구조에 대한 구조해석을 수행할 수 있다(S120). 구체적으로, 도 1(c)에 도시된 바와 같이 구조해석 소프트웨어를 통해, 절삭공구의 기본구조에 대한 응력분포 및 변위에 관해 수치계산을 할 수 있다.
이후, 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 절삭공구의 위상최적구조를 도출할 수 있다(S130). 구체적으로, 도 1(d) 및 도 1(e)에 도시된 바와 같이, 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로 위상최적설계(Topology Optimization)를 수행하여 위상최적구조를 도출할 수 있다.
위상최적설계는 주어진 재료량 제한조건 하에 최적의 재료분포를 찾는 설계기법으로써, 이를 통해 절삭공구의 강도를 유지하고 무게를 줄이도록 절삭공구의 구조에서 불필요한 부분을 제거함으로써 위상최적구조를 도출할 수 있다. 이에 따라, 절삭공구는 최소한의 재료를 사용하여 경량화 및 회전속도 향상이 가능할 수 있다.
이후, 절삭공구의 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행할 수 있다(S140). 구체적으로, 도 1(f)에 도시된 바와 같이 구조해석 소프트웨어를 통해, 절삭공구의 위상최적구조에 대한 응력분포 및 변위에 관해 수치계산을 할 수 있다.
구조해석 시 절삭공구의 응력분포 및 변위가 기 설정한 기준치를 만족할 경우, 도 1(g)에 도시된 바와 같이 절삭공구의 최종구조를 솔리드로 변환할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 절삭공구의 최종구조는 내부에 불필요한 부분이 제거됨으로써 빈 공간이 형성되어 있다.
이후, 적층가공 방식으로 절삭공구를 3D 프린팅 할 수 있다(S170). 구체적으로, 도 1(h), 도 2(i)에 도시된 바와 같이, 절삭공구의 최종구조 모델을 이용하여 3D 프린터를 통해 적층가공하여 프린팅함으로써 실제 절삭공구 제품을 얻을 수 있다. 이때 절삭공구의 소재는 알루미늄 등 금속 소재로 이루어질 수 있다.
이후, 3D 프린팅으로 얻은 절삭공구의 강도를 증가시키기 위해 열처리할 수 있다(S180). 후술할 열처리 과정을 통해 절삭공구를 이루는 금속재료의 구조를 변화시키거나 잔류응력을 제거함으로써, 절삭공구의 강도 및 경도 등 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 순서도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구에 위상최적구조 및 격자구조를 적용한 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭공구 제조방법은, 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계(S140) 이후에, 절삭공구의 위상최적구조의 일부영역을 격자(lattice)구조로 모델링하는 단계(S150) 및 절삭공구의 최종구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계(S160)를 더 포함할 수 있다. 이때, 3D 프린팅 하는 단계(S170)는 절삭공구의 최종구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계(S160) 이후에 수행될 수 있다.
위상최적구조에 대한 구조해석을 수행한 이후, 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 절삭공구의 위상최적구조의 일부영역을 격자(lattice)구조로 모델링할 수 있다(S150). 격자구조(lattice) 설계는 도 5에 도시된 바와 같이 형태를 변형하지 않는 범위내에서 불필요한 부분을 격자구조로 대체하는 설계기법이다.
이때, 절삭공구의 위상최적구조 중 일부영역을 격자구조로 대체함으로써 절삭공구의 무게를 줄일 수 있다. 구체적으로, 구조해석을 통해 절삭공구의 응력 분포를 파악하고 응력이 적게 걸리는 영역을 격자구조로 대체할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 절삭공구의 내부에 형성된 벽체는 격자구조로 대체될 수 있다.
이후, 절삭공구의 최종구조에 대한 구조해석을 수행할 수 있다(S160). 구체적으로, 구조해석 소프트웨어를 통해 위상최적구조 및 격자구조 설계가 완료된 절삭공구의 최종구조에 대한 응력분포 및 변위에 관해 수치계산을 할 수 있다.
구조해석 시 절삭공구의 응력분포 및 변위가 기 설정한 기준치를 만족할 경우, 도 1(g)에 도시된 바와 같이 절삭공구의 최종구조를 솔리드로 변환할 수 있다.
이후, 적층가공 방식으로 절삭공구를 3D 프린팅 할 수 있다(S170). 구체적으로, 절삭공구의 최종구조 모델을 이용하여 3D 프린터를 통해 적층가공하여 프린팅함으로써 실제 절삭공구 제품을 얻을 수 있다. 이때 절삭공구의 소재는 알루미늄 등 금속 소재로 이루어질 수 있다.
이후, 3D 프린팅으로 얻은 절삭공구의 강도를 증가시키기 위해 열처리할 수 있다(S180). 후술할 열처리 과정을 통해 절삭공구를 이루는 금속재료의 구조를 변화시키거나 잔류응력을 제거함으로써, 절삭공구의 강도 및 경도 등 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭공구 제조방법의 적용 대상인 절삭공구를 나타낸 사시도이고, 도 7은 도 6의 절삭공구의 냉각채널 구조를 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 설계대상인 절삭공구는 드릴링(Drilling)용 공구일 수 있다. 이때, 도 7을 참고하면, 절삭공구는 냉각효율 향상을 위해 내부 냉각채널이 설계될 수 있다. 구체적으로, 전술한 위상최적구조를 도출하는 단계(S130)를 통해 절삭공구의 내부에 냉각채널을 설계할 수 있다.
도 8은 본 발명의 절삭공구 제조방법의 열처리 과정의 순서도이다.
도 8을 참고하면, 전술한 열처리 단계(S180)는 절삭공구를 챔버에 넣는 단계(S181), 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계(S182), 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시켜 절삭공구를 가열하는 단계(S183) 및 챔버 내부의 불활성가스를 배출하는 단계(S184)를 포함할 수 있다.
먼저, 3D 프린팅으로 얻은 절삭공구를 챔버에 넣을 수 있다(S181).
이후, 챔버 내부에 불활성가스를 주입할 수 있다(S182). 예를 들어, 불활성가스는 질소, 아르곤, 헬륨 등일 수 있다. 이때, 불활성가스를 압력 매체로 하여 챔버 내부에 배치된 절삭공구를 가압할 수 있다.
이후, 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시켜 절삭공구를 가열할 수 있다(S183). 구체적으로, 챔버 내부에 설치된 히터를 작동시킴으로써 챔버 내부 온도를 650℃까지 승온할 수 있다. 이때, 절삭공구는 600℃의 온도에서 3시간 동안 유지될 수 있다.
이후, 절삭공구의 가열 종료 후 챔버 내부의 불활성가스를 배출할 수 있다(S184). 전술한 바와 같이 절삭공구를 소정 온도 및 소정 시간동안 가열한 후 히터의 작동을 종료하고, 챔버 내부의 불활성가스를 배출할 수 있다. 이때, 불활성가스가 배출되는 시간동안 절삭공구를 챔버 내부에 유지시킴으로써 서냉(徐冷)할 수 있다.
이에 따라, 3D 프린팅으로 얻은 절삭공구를 열처리하여 금속재료의 구조를 변화시키거나 잔류응력을 제거함으로써, 절삭공구의 강도 및 경도 등 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
Claims (6)
- 절삭공구의 기본구조를 3D모델링하는 단계;
상기 절삭공구의 기본구조에 대한 메쉬(mesh)분석을 수행하여 메쉬를 생성하는 단계;
상기 절삭공구의 기본구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계;
상기 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 상기 절삭공구의 위상최적구조를 도출하는 단계;
상기 절삭공구의 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계;
적층가공 방식으로 상기 절삭공구를 3D 프린팅하는 단계; 및
3D 프린팅으로 얻은 상기 절삭공구의 강도를 증가시키기 위해 열처리하는 단계를 포함하는 절삭공구 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 위상최적구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계 이후,
상기 구조해석을 통해 계산된 데이터를 바탕으로, 상기 절삭공구의 위상최적구조의 일부영역을 격자(lattice)구조로 모델링하는 단계; 및
상기 절삭공구의 최종구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계를 포함하는 절삭공구 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 3D 프린팅 하는 단계는,
상기 최종구조에 대한 구조해석을 수행하는 단계 이후, 상기 절삭공구의 적층가공을 수행하는 것인 절삭공구 제조방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는,
상기 절삭공구를 챔버에 넣는 단계;
상기 챔버 내부에 불활성가스를 주입하는 단계;
상기 챔버 내부를 소정 온도까지 승온시켜 상기 절삭공구를 가열하는 단계; 및
상기 절삭공구의 가열 종료 후 상기 챔버 내부의 불활성가스를 배출하는 단계를 포함하는 절삭공구 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 절삭공구를 가열하는 단계는,
상기 절삭공구를 600℃에서 3시간 유지시키는 절삭공구 제조방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 불활성가스를 배출하는 단계는,
상기 불활성가스가 배출되는 시간 동안 상기 절삭공구를 서냉하는 절삭공구 제조방법.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210149413A KR102535596B1 (ko) | 2021-11-03 | 2021-11-03 | 절삭공구 제조방법 |
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- 2021-11-03 KR KR1020210149413A patent/KR102535596B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|
| KR102535596B1 (ko) | 2023-05-26 |
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