KR20230143833A

KR20230143833A - 탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구, 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20230143833A
Application number: KR1020220042956A
Authority: KR
Inventors: 예상백; 사민우
Original assignee: 예상백
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-13
Also published as: KR102591490B1

Abstract

본 발명은 탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구, 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서멧 소결체로 이루어진 서멧 절삭날들을 통해 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 가공부위를 절삭하는 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구, 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구, 및 이의 제조방법{Cutting tools for carbon fiber reinforced plastics, and their manufacturing methods}

주지하는 바와 같이 서멧(cermet)은 세라믹스(ceramics)와 금속(metal)을 합친 술어로서 1~2종의 세라믹스상(相)과 금속 또는 합금 분말을 혼합한 것이다.

상기 서멧은 1926년에 독일 크루프사(社)에서 탄화텅스텐 입자 조각을 코발트의 바탕에 아로새겨서 경질(硬質)의 공구재를 만든 것이 시초이며, 지난 30년 동안은 내열재료로서, 고융점 금속의 탄화물·산화물·규화물(珪化物) 등을 고융점 금속의 바탕에 분산시킨 것이 연구되었다.

즉, 서멧은 수소 속이나 진공 또는 기타 적당한 분위기에서 소결한 것으로서, 세라믹스의 특성인 경도·내열성·내산화성·내약품성·내마모성과 금속의 강인성·가소성·기계적 강도 등을 겸비한 신재료이다.

한편, 최근 다양한 복합소재들이 개발되고 있으며, 대표적으로 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)를 이용한 제품들의 개발이 널리 이루어지고 있다.

그런데, 상기 탄소섬유 강화플라스틱은 탄소섬유들을 적층하여 열경화성 수지, 또는 열가소성 수지를 통해 중합한 것으로, 상기 탄소섬유 강화플라스틱을 초경 등 범용의 절삭날이 형성된 엔드밀 등의 절삭공구를 통해 절삭 가공하면 절삭면이 매끄럽게 형성되지 못할 뿐 아니라, 절삭과정에 발생된 열에 의해 탄소섬유 강화플라스틱을 구성하는 수지층이 용융하여 변경되고, 분진이 다량 발생되는 한편, 절삭날의 수명이 현저히 저하되는 문제점이 지적되고 있다.

물론, 다이어몬드 재질로 이루어진 절삭날을 절입단부에 배치하여 탄소섬유 강화플라스틱을 절삭 가공하면 절삭날의 내구성의 저하는 일부 해소가 가능하지만, 상기 다이어몬드 재질의 절삭날은 비용적으로 부담이 큰 관계로 현실적으로 적용되지 못하고 있다.

KR

10-0942771

B1

KR

10-2004-0023895

A

KR

10-1995284

B1

상기한 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 탄소섬유 강화플라스틱에 절삭날을 회동 절입하여 절삭 가공함에 있어, 상기 절삭날을 서멧 소결체로 구성하여 절삭에 따른 분진발생과 절삭 정밀도를 확보하고, 특히 탄소섬유 강화플라스틱의 건식 절삭에 따른 서멧 소결체로 이루어진 서멧 절삭날의 열화 발생과, 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 정밀도가 저하되는 현상을 예방하는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구, 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적은, 본 발명에서 제공되는 하기 구성에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구는,

생크부와, 생크부의 하부에 연장하여 형성되며 각 절입단부에 조립시트가 형성된 압출 성형바디와; 상기 압출 성형바디의 내경부에 동심구조로 형성되며, 방열 성형물이 소결 압축하여 형성된 복합 방열층을 포함하여 구성되고,

상기 압출 성형바디의 조립시트에는 서멧 소결체로 이루어진 서멧 절단날이 각각 배치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 압출 성형바디의 내경부에 형성된 복합 방열층은 방열관로가 관통하여 형성된 중공관체로 구성된다.

보다 바람직하게는, 상기 싱크부의 외층부를 형성하는 압출 성형바디에는 싱크부의 내층부를 형성하는 복합 방열층의 방열관로와 연통하는 복수의 통기슬롯들을 형성하여, 상기 통기슬롯을 통해 복합 방열층의 방열관로 내에 외부공기가 유입 및 순환 배출되도록 구성한다.

한편, 본 발명에 따른 탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구의 제조방법은,

중공바디의 충진구에, 방열 조성물을 충진하는 방열 조성물 충진공정과;

상기 중공바디의 충진공에 충진된 방열 조성물을 소결하는 소결공정과;

상기 방열 조성물이 소결된 중공바디를 압출하여, 충진공 내에 방열 조성물로 이루어진 방열관층이 동심구조로 형성된 압출 성형바디를 성형하는 압출 성형공정과;

상기 압출 성형바디를 설정길이로 절단한 다음, 절단된 압출 성형바디를 절삭 가공을 통해 상반부는 생크부를 형성하고 하반부는 절입단부에 조립시트가 형성된 절삭날부를 형성하는 절삭 가공공정; 및

상기 압출 성형바디에 형성된 각 조립시트에 서멧 절삭날을 배치하는 서멧 절삭날 배치공정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 복층 압출바디에 형성된 복합 방열층은 압출 다이스 내에 형성된 코어부재에 의해 중공 압출 성형되어서, 내경부에 방열관로가 관통되게 형성된 중공관체로 이루어진다.

전술한 바와 같이 본 발명에서는, 절삭날부의 절입단부에 저렴한 비용으로 제작이 가능하면서 고온 내산화성과, 고온강도, 열전도율을 갖고, 낮은 열팽창율과 금속과의 부착성이 양호한 특성을 갖는 서멧 소결체로 이루어진 서멧 절단날을 각각 배치하여, 탄소섬유 강화플라스틱의 안정적인 절단이 가능하다.

특히, 본 발명에서는 절삭공구에 독특한 방열구조를 갖는 복합 방열층을 형성하여 상기 서멧 절단날의 신속하고 안정된 방열을 도모함으로써, 서멧 절단날의 수명 향상과 탄소섬유 강화플라스틱의 정교한 절단가공이 가능한 특이성을 갖는다.

도 1 내지 도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 제조방법에 의해 성형된 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 세부 구성을 보여주는 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 제조방법의 각 공정을 보여주는 흐름도이고,
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 제조방법을 통한 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 각 공정을 모식적으로 보여주는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에서 바람직한 실시예로 제안하고 있는 탄소 섬유 강화 플라스틱용 절삭공구, 및 이의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구(1)는, 절삭 가공장치(미도시)의 주축에 장착되어 일방향으로 회전하면서 가공대에 배치된 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 가공부위에 절삭날(50)들을 회동 절입하여서, 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 가공부위를 요하는 형상으로 절삭 가공하는 건식 절삭공구이다.

상기 탄소섬유 강화플라스틱은 탄소 섬유층들이 수지층에 의해 적층 경화된 고형체로 구성되고, 상기 절삭공구(1)는 도 1과 도 2에서 보는 바와 같이 절삭 가공장치의 주축에 장착되는 생크부(20)와, 절입단부(31)에 복수의 절삭날(50)들이 형성된 절삭날부(30)가 상기 생크부(20)의 하반부에 연장하여 형성된 봉체로 구성된다.

본 발명에서는 상기 절삭날부(30)의 절입단부(31)에 절삭날부(30)와 이형재질로 이루어진 서멧 절삭날(50)들을 방사구조로 배치하여, 상기 주축에 장착된 절삭공구(1)는 절삭날부(30)에 방사구조로 배치된 서멧 절삭날(50)들을 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 가공부위에 순차적으로 회동 절입하여서, 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 가공부위를 건식 절삭하도록 구성된다.

특히, 본 발명에서는 상기 절삭날부(30)의 절입단부(31)에 배치되는 절삭날을 우수한 고온 내산화성과, 고온강도, 열전도율을 갖고, 낮은 열팽창율과 금속과의 부착성이 양호한 특성을 갖는 서멧 소결체로 구성하여, 우수한 내구성을 겸비하면서도 탄소섬유 강화플라스틱의 절삭 가공부위의 정밀한 절삭 가공이 구현되도록 한다.

그리고, 본 발명에서는 상기 절삭날부(30)의 각 절삭단부(31)에 서멧 절삭날(50)을 방사구조로 배치함에 있어, 상기 서멧 절삭날(50)들을 절입하여 탄소섬유 강화플라스틱의 건식 절삭과정에 서멧 절삭날(50)에서 발생되는 열기를 외부로 신속히 방열하는 독특한 방열구조를 형성하여서, 상기 각 서멧 절삭날(50)의 안정적인 내구성을 확보하면서 절삭과정에 탄소섬유 강화플라스틱의 정교한 절삭이 가능하도록 한다.

즉, 본 실시예에서 제안하고 있는 절삭공구(1)는 압출 성형바디(10') 내에, 방열 조성물(40a)이 소결 압축 성형된 복합 방열층(40)이 동심구조로 형성하여, 외부층을 형성하는 압출 성형바디(10')를 통해 요하는 강도를 겸비하면서도 복합 방열층(40)을 통해 서멧 절삭날(50)에게 발산되는 열기를 외부로 신속히 발산하도록 구성되며, 하기에서는 이러한 절삭공구의 제조방법을 도 3 내지 도 8을 참조하여 상술하기로 한다.

한편, 본 발명에 따른 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 제조방법은, 중공바디(10)의 충진구(11)에, 방열 조성물(40a)을 충진하는 방열 조성물 충진공정(S 10)과;

상기 중공바디(10)의 충진공(11)에 충진된 방열 조성물(40a)을 소결하는 소결공정(S 20)과;

상기 방열 조성물(40a)이 소결된 중공바디(10)를 압출하여, 충진공(11) 내에 방열 조성물(40a)로 이루어진 방열관층(40)이 동심구조로 형성된 압출 성형바디(10')를 성형하는 압출 성형공정(S 30)과;

상기 압출 성형바디(10')를 설정길이로 절단한 다음, 절단된 압출 성형바디(10')를 절삭 가공을 통해 상반부는 생크부(20)를 형성하고 하반부는 절입단부(31)에 조립시트(32)가 형성된 절삭날부(30)를 형성하는 절삭 가공공정(S 40); 및

상기 압출 성형바디(10')에 형성된 각 조립시트(32)에 서멧 절삭날(50)을 배치하는 서멧 절삭날 배치공정(S 50)을 포함하며, 이를 각 공정별로 상술하기로 한다.

[방열 조성물 충진공정, S 10]

본 공정에서는 도 4에서 보는 바와 같이 충진공(11)이 길이방향으로 형성된 원통형의 중공바디(10)를 제작하고, 상기 중공바디(10)의 충진공(11)에 방열 조성물(40a)을 충진한다.

여기서, 상기 충진공(11)이 동심구조로 형성된 중공바디(10)는 압출 성형이나, 절삭 가공, 또는 주조 성형 등을 통해 제작된 주철을 비롯하여 고속도 공구강, 하이스강, 금형강 등의 금속 성형물로 이루어져 충분한 강도를 갖는다.

그리고, 상기 중공바디(10)에 형성된 충진공(11)에 충진되는 방열 조성물(40a)은 알루미늄 분말과 탄소나노 분말을 혼입한 방열 조성물로 이루어져, 서멧 절삭날(50)에서 발산되는 열기를 외부로 신속히 방열하게 된다.

본 실시예에서는 CNT를 균일하게 알루미늄입자에 분산시키기 위해 CNT: 0.5~20체적%와, 알루미늄분말: 80~99체적% 및 분산유도제인 나노입자 0.5~20체적%를 불활성 분위기의 스테인리스 용기에 넣고 플래너터리 볼밀기로 혼합한 방열 조성물(40a)을 중공바디(10)의 충진공(11)에 충진하고 있다.

이때, 상기 나노입자는 나노SiC, 나노SiO₂,나노Al₂O₃, 나노TiO₂, 나노Fe₃O₄, 나노MgO, 나노ZrO₂의 세라믹 군 중에서 어느 하나인 것이 바람직하며, 특히 나노SiC를 사용하는 것이 바람직하다.

[소결공정, S 20]

본 공정에서는 상기 각 충진공(11)에 방열 조성물(40a)을 충진한 중공바디(10)를 소결로에 투입하여, 중공바디(10)의 충진공(11) 내에 충진된 방열 조성물(40a)을 소결한다.

본 실시예에 따르면, 상기 방열 조성물(40a)의 소결온도는 300℃ 내지 400℃, 보다 바람직하게는 330℃ 내지 370℃ 로 각 충진공(11)에 충진된 방열 조성물(40a)이 소결되며, 이러한 소결공정에 의한 가열에 의해 중공바디(10)는 300℃ 내지 400℃로 함께 예열된다.

[압출 성형공정, S 30]

본 공정에서는 도 5와 같이 이러한 소결처리를 마친 중공바디(10)를 열간 압출하여 충진공(11)에 방열 조성물(40a)을 충진한 중공바디(10)의 축관성형을 도모하여서, 충진공(11) 내에 소결 처리된 방열 조성물(40a)이 압출 성형바디(10') 내에 환형 압축되어 복합 방열층(40)으로 성형되도록 한다.

바람직하게는, 상기 중공바디(10)는 300℃ 내지 400℃의 온도로 가열된 상태에서 압출 다이스(D)를 투과하여, 열간 압출에 의해 복합 방열층이 형성된 복층 압출바디(10')를 형성하며, 상기 복합 방열층(40)은 복층 압출바디(10')의 중심부에 길이방향으로 형성된다.

보다 바람직하게는, 상기 복층 압출바디(10')에 형성된 복합 방열층(40)은 압출 다이스(D) 내에 형성된 코어부재(C)에 의해 중공 압출 성형되어서, 내경부에 방열관로(41)가 관통되게 형성된 중공관체로 이루어진 복합 방열층(40)을 형성하도록 한다.

[절삭 가공공정, S 40]

본 공정에서는 도 6에서 보는 바와 같이 상기 압출 성형바디(10')의 형상 가공하여, 상반부에는 주축에 고정되는 생크부(20)를 형성하고, 하반부에는 각 절입단부(31)에 조립시트(32)가 방사구조로 형성된 절삭날부(30)가 연장하여 형성되도록 한다.

이때, 상기 조립시트(32)는 후술되는 서멧 절삭날(50)이 블레이징 용접방식이나 인서트 방식 등을 통해 고착되는 부분이다. 그리고, 상기 조립시트(32)는 절삭날부를 절삭 가공한 밀착부위와, 복합 방열층(40)을 절삭한 열전면(42)을 포함한다.

그리고, 상기 싱크부(20)의 외층부를 형성하는 압출 성형바디에는 나선의 권취홈(21)을 형성하고, 상기 나선의 권취홈(21)에는 복합 방열층(40)의 방열관로(41)와 연통하는 복수의 통기슬롯(43, 44)들을 형성하여, 상기 통기슬롯(43, 44)을 통해 복합 방열층(40)의 방열관로(41) 내에 외부공기가 유입 및 순환 배출되도록 구성함으로써, 상기 복합 방열층(40)을 포함하는 절삭공구(1)가 전체적으로 신속히 방열되도록 한다.

이때, 상기 생크부(20)에 형성된 나선의 권취홈(21)을 따라 형성되는 통기슬롯(43, 44)들은, 급기구(43a)가 일측방향으로 형성되어 주축에 의해 일방향으로 회전하면서 방열관로(41) 내에 외부공기가 급기되도록 하는 급기용 통기슬롯(43)과, 배기구가 타측방향으로 형성되어 급기형 통기슬롯(43)을 통해 복합 방열층(40)의 방열관로(41) 내로 흡기 및 순환된 외부공기가 배기되는 배기용 통기슬롯(44)을 포함한다.

[서멧 절삭날 배치공정, S 50]

본 공정은 도 7과 같이 상기 절삭 가공공정에 의해 절삭날부(30)의 각 절입단부(31)에 형성된 조립시트(32)에 서멧 소결체로 이루어진 서멧 절삭날(50)을 개별적으로 배치하는 공정이다.

상기 서멧 절삭날(50)을 구성하는 서멧(cermet)은 세라믹스상(相)과 금속 또는 합금 분말을 혼합하제 제작되는데, 본 발명에서는 일예로 고융점의 산화물(TiC, Al2O3, BeO, ZrO3 등)이나 탄화물, 붕화물, 규화물 등과 Co, Ni, Cr, Fe 등 금속 분말을 2000~3500℃의 온도로 소결하여 성형하고 있다.

특히, 본 발명에서는 상기 절삭날부(30)에 형성된 각 절입단부(31)에 배치되는 서멧 절삭날(50)은 우수한 고온 내산화성과, 고온강도, 열전도율을 갖고, 낮은 열팽창율과 금속과의 부착성이 양호한 특성을 갖는다.

본 발명에서는 일예로, 상기 서멧 절삭날(50)을 조립시트(32)에 블레이징 용접을 통해 고정하고 있으며, 필요에 따라서는 인서트 구조로 조립하여 서멧 절삭날을 인서트하여 치환 설치하도록 구성하는 것도 가능하며, 이 또한 본 발명의 권리범위로 예정한다.

또한, 상기 각 조립시트(32)에 조립되는 서멧 절삭날(50)에는 조립시트(32)에 형성된 열전면(42)을 따라 복합 방열층(40)과 밀착되는 열전시트(51)가 배치되어, 서멧 절삭날(50)에서 발산되는 열기는 열전시트(51)를 통해 복합 방열층(40)으로 신속히 전도되도록 한다.

본 실시예에 따른 열전시트(51)는, 서멧 절삭날(50) 보다 상대적으로 열전도율이 높은 동재질이나 카본 성형체로 구성되며, 상기 열전시트(51)는 서멧 절삭날(50)의 소결 성형과정에 인서트하여 서멧 절삭날(50)에 일체로 성형되는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 각 조립시트(32)에 배치되는 서멧 절삭날(50)은, 열전시트(51)를 열전면(42)에 밀착되어 절삭날부(30)의 내층부를 형성하는 복합 방열층(40)에 밀착된 상태로 배치되고, 결과적으로 상기 서멧 절삭날(50)은 탄소복합 강화플라스틱(P)의 절삭 가공시에 발생되는 열기를 열전시트(51)를 통해 복합 방열층(40)으로 전도하여서 서멧 절삭날(50)의 방열성능을 극대화한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였지만 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

1. 절삭공구
10. 중공바디 10'. 압출 성형바디
11. 충진공 20. 생크부
30. 절삭날부 31. 절입단부
32. 조립시트
40. 복합 방열층 40a. 방열 조성물
41. 방열관로 42. 열전면
43. 급기용 통기슬롯 43a. 급기구
44. 배기용 통기슬롯 44a. 배기구
50. 서멧 절삭날 51. 열전시트
D. 압출 다이스 C. 코어부재

Claims

생크부와, 생크부의 하부에 연장하여 형성되며 각 절입단부에 조립시트가 형성된 압출 성형바디와; 상기 압출 성형바디의 내경부에 동심구조로 형성되며, 방열 성형물이 소결 압축하여 형성된 복합 방열층을 포함하여 구성되고,
상기 압출 성형바디의 조립시트에는 서멧 소결체로 이루어진 서멧 절단날이 각각 배치된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 압출 성형바디의 내경부에 형성된 복합 방열층은 방열관로가 관통하여 형성된 중공관체로 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구.
제 2항에 있어서, 상기 싱크부의 외층부를 형성하는 압출 성형바디에는 싱크부의 내층부를 형성하는 복합 방열층의 방열관로와 연통하는 복수의 통기슬롯들을 형성하여,
상기 통기슬롯을 통해 복합 방열층의 방열관로 내에 외부공기가 유입 및 순환 배출되도록 구성한 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구.
중공바디의 충진구에, 방열 조성물을 충진하는 방열 조성물 충진공정과;
상기 중공바디의 충진공에 충진된 방열 조성물을 소결하는 소결공정과;
상기 방열 조성물이 소결된 중공바디를 압출하여, 충진공 내에 방열 조성물로 이루어진 방열관층이 동심구조로 형성된 압출 성형바디를 성형하는 압출 성형공정과;
상기 압출 성형바디를 설정길이로 절단한 다음, 절단된 압출 성형바디를 절삭 가공을 통해 상반부는 생크부를 형성하고 하반부는 절입단부에 조립시트가 형성된 절삭날부를 형성하는 절삭 가공공정; 및
상기 압출 성형바디에 형성된 각 조립시트에 서멧 절삭날을 배치하는 서멧 절삭날 배치공정을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 복층 압출바디에 형성된 복합 방열층은 압출 다이스 내에 형성된 코어부재에 의해 중공 압출 성형되어서, 내경부에 방열관로가 관통되게 형성된 중공관체로 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소섬유 강화플라스틱용 절삭공구의 제조방법.