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KR101557513B1 - 새로운 제품 및 재료 공정 내에서 그것의 제조 방법 - Google Patents

새로운 제품 및 재료 공정 내에서 그것의 제조 방법 Download PDF

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KR101557513B1
KR101557513B1 KR1020107008642A KR20107008642A KR101557513B1 KR 101557513 B1 KR101557513 B1 KR 101557513B1 KR 1020107008642 A KR1020107008642 A KR 1020107008642A KR 20107008642 A KR20107008642 A KR 20107008642A KR 101557513 B1 KR101557513 B1 KR 101557513B1
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carbon
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랑닐 미히크
페터르 미히크
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미르코나 에이비이
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Abstract

본 발명은 진동-감쇠 재료를 포함하는 칩 제거 적용을 위한 기구를 제공하고 상기 진동-감쇠 재료는 나노-치수의 클러스터로 배열된 재료이다. 본 발명은 추가적으로 상기 기구를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 얻을 수 있는 기구도 제공한다. 추가적으로 본 발명은 칩 제거 적용을 위한 기구에 사용하기 위한 물품 또는 워크 피스를 제공한다. 또한 컴퓨터 프로그램은 상기 방법을 조절하기 위해 제공된다.

Description

새로운 제품 및 재료 공정 내에서 그것의 제조 방법{A NEW PRODUCT AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE WITHIN MATERIAL PROCESSING}
본 발명은 공구 홀더 및 세라믹 재료의 진동-감쇠층이 상기 공구 홀더에 존재하는 제조 방법에 관한 것이다.
제조 기계의 공구 홀더는 사용시 진동하는 경향이 있고 소음을 유발한다. 이러한 진동은 결과의 정확성에 부정적 영향을 줌으로써 작업 공정을 방해한다. 진동은 또한 제조 기계 주변의 환경을 더욱 악화시키는 성가신 소음 방해를 야기한다.
완벽한 제조 기계는 어떠한 진동도 발생시키지 않고, 모든 에너지가 수행될 공정을 통과한다. 실제로, 기기의 여러 부분들이 서로 상충하여 작용할 때 진동은 항상 발생한다. 기기가 낡을수록, 이것의 역동성에서 변화가 발생한다. 이는 기기 수명의 다양한 기간 동안에 새로운 유형의 진동이 발생할 수 있음을 의미한다. 진동은 워크 피스의 불량한 표면 마무리 및 워크 피스의 낮은 정밀도를 야기하고, 추가로 기기 및 공구, 예를 들면 절단 공구에 마모를, 더 나쁜 경우, 그 결과로써 고칠 수 없는 손상을 야기한다.
금속, 플라스틱, 목재 또는 복합 재료와 같은 재료의 가공 동안, 공정으로부터의 진동에 의해 야기되는 높은 수치의 소음 및 기기의 소음에 의한 문제점들이 발생한다. 사람의 귀에 듣기 거북한 주파수 간격 내의 진동 소음의 대부분을 제거할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 80 dB 이하의 수준으로 감소시키는 것이 바람직하다.
진동 감쇠 재료의 증착을 위해 이용할 수 있는 이전에 알려진 방법에서 추가의 문제점은 상대적으로 느린 증착률이다. 진동 감쇠 재료의 증착을 위해 이전에 알려진 방법의 또다른 문제점은 증착될 물품 또는 워크 피스의 특질을 저해할 수 있는 비교적 높은 온도에서 증착을 수행할 필요가 있다는 것이다. 따라서 증착을 위한 상기 방법은, 예를 들면 증착될 물품 또는 워크 피스의 내부 및/또는 외부 구조를 손상시키거나 또는 상기 물품 또는 워크 피스의 어닐링을 손상시킬 수 있다.
삽입 홀더에 사용하기 위한 절단 인서트의 문제점은 예를 들면, 충격 및 진동으로 인한 그들의 짧은 수명이다. 인서트 및 인서트 홀더 사이에 진동 감쇠층을 적용하여 충격을 줄이거나 제거할 수 있고 이 방법에 의해 인서트의 수명을 증가시킬 수 있다.
따라서 진동 감쇠된 공구 홀더를 가져 마모 및/또는 진동을 감소시키는 것이 바람직할 것이다. 더욱이 높은 정밀도를 유지하는 진동 감쇠된 공구 홀더를 갖는 것이 바람직하고 그로인해 공구의 피로를 피할 수 있다. 따라서 상기한 결점들을 제거하거나 완화시킬 진동 감쇠된 공구 홀더를 갖는 것이 바람직할 것이다.
발명의 요약
본 발명은 첫번째 면에 따라 진동-감쇠 재료를 포함하는 칩 제거 적용을 위한 기구를 제공하여 하나 이상의 상기한 문제들을 해결하고, 여기서 상기 진동-감쇠 재료는 나노-치수의 클러스터 형태로 배열된 재료이다.
본 발명은 두번째 면에 따라, 또한 첫번째 면에 따른 칩 제거 적용을 위한 기구를 제조하는 방법을 제공하고, 상기 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 기구를 제공하는 단계; 및
b) 나노-치수의 클러스터 형태의 재료, 바람직하기는 세라믹을 상기 기구 상에 침전시켜서, 상기 기구에 진동 감쇠 효과를 부여하는 단계.
본 발명의 세번째 면에 따라, 두번째 면에 따른 방법에 의해 얻을 수 있는 기구가 제공된다.
본 발명의 네번째 면에 따라, 마그네트론 캐소드를 포함하는 반응기에서 워크 피스 또는 물품에 탄소 질화물 재료를 증착하는 방법으로 얻을 수 있는 워크 피스 또는 물품의 용도가 제공되고(상기 탄소 질화물 재료는 적용시 바람직하기는 나노 및/또는 서브-나노-치수의 클러스터/집합체로 이루어진다), 상기 방법은:
칩 제거 적용을 위한 기구에서, 바람직하기는 절단 공구, 가장 바람직하기는 터닝, 보링, 드릴링, 리밍, 쓰레딩, 밀링, 플레닝, 디버링, 드리프팅 및/또는 브로칭하는 공구에서,
(a) 반응기에서 캐소드가 자기장(바람직하기는 마그네트론과 같은 자기장)을 갖도록 제공하고;
(b) 반응기에 워크 피스 또는 물품을 위치시키고;
(c) 하나 이상의 탄소 함유 가공 가스 및 반응 가스를 반응기로 주입하고;
(d) 가공 가스 및 반응 가스에 에너지를 부여하여 플라즈마를 형성하여서 상기 가공 가스를 라디칼로 분해하고 그리고 추가로 워크 피스 또는 물품 기재 상에 탄소 물질을 증착시키고 그리고 반응 가스를 이온화하여 탄소에 질소 화학 흡착률을 증가시키고; 그리고
(e) 챔버로부터 분해 및 화학흡착 후 가스를 배출하는 것을 포함한다.
자기장은 다른 위상일 수 있다. 바람직하기는 이것은 마그네트론과 같은 자기장 일 수 있다. 본 발명의 네번째 면에 따른 상기 방법에서 중요한 점 중 하나는 메탄, 아세틸렌, 탄소 산화물, 이산화탄소와 같은 탄소 함유 가스를 라디칼로 분해할 수 있고 따라서 탄소 함유 라디칼을 워크 피스 또는 물품에 증착시키는 CVD 공정이다. 다른 중요한 점은 상기 방법에서 사용되는 PVD 하드웨어이다.
본 발명의 다섯번째 면에 따라, 세번째 면에 따른 방법을 수행하는 데이터 기억매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
발명의 상세한 설명
본 명세서 전체에서, 표현 "칩 제거 적용을 위한 기구"는 칩 제거 공구, 고정 공구 또는 밀링, 드릴링, 디버링, 브로우칭 또는 드리프팅 등과 같은 회전식 공구, 또는 상기 공구에서 사용하기 위한 절단 엣지 또는 절단 인서트, 및 기기 공구에 장착하기 위한 콜렛, 공구 홀더, 장착 장치 등과 같은 상기 칩 제거 공구를 위한 홀딩 장치를 포함하는 것을 의도한다.
감쇠 디자인의 두가지 주요 접근 방법이 있다: 수동 및 능동 감쇠. 수동 감쇠 방법은 기기 디자인 및/또는 기기 부품 사이의 감쇠층의 적용에서 감쇠능이 큰 재료를 사용한다. 이러한 방법들은 간단하고 확실하다. 능동 감쇠는 센서 및 작동기를 사용하고, 낮은 주파수 자극에 대해 사용될 수 있다. 본 발명은 수동식 접근방법에 관한 것이다.
대상 기기에 감쇠 재료를 적용하여 진동을 감쇠시킬 수 있다. 기기의 감쇠능은 도메인과 상계면 사이의 내부 마찰에 의해 기계적 진동 에너지를 열 에너지로 전환하는 능력과 관련있다. 이 메카니즘은 금속 합금의 특징이다. 진동 에너지에서 열로 전환하는 또다른 메카니즘은 점탄성 재료에서 실행된다. 이들은 점탄성 중합성 플라스틱 또는 탄성 중합체이다. 이런 재료들은 점성(에너지 소산)과 탄성(에너지 저장) 재료의 특성을 모두 갖기 때문에 점탄성으로 알려져 있다.
높은-감쇠 금속 합금은 일반 금속보다 더 우수한 감쇠 특성을 갖는데 반해, 점탄성 재료가 제공하는 것과 같은 수준의 감쇠를 제공하지는 않는다. 참조 특허: US5573344 및 특허 출원 US2005084355. 그러나, 점탄성 재료는 일반적으로 좁은 온도 범위에서만 효과적이며 마찰공학적 특성이 불량하다.
특히 탄성 중합체에 비해 합금의 낮은 감쇠 특성은 도메인들 사이의 경계의 마찰 표면을 강하게 제한하는 재료가 배열된 도메인의 큰 치수에 의해 야기된다. 특징적인 도메인의 크기는 약 1-20 마이크로미터이다. 참조: Y. Liu, G. Yang, Y. Lu, L. Yang, Damping behaviour and tribological properties of as- spray-deposited high silicon alloy ZA27, Journal of materials processing technology, 87 (1999) 53-58 및 K. K. Jee, W. Y. Jang, S. H. Baik, M. C. Shin, Damping mechanism and application of Fe-Mn based alloys, Materials science and Engineering A273-275 (1999) 538-542. 더 일반적으로 수백 마이크로미터 정도로 큰 크기의 전형적인 금속 합금 도메인에 대해 말할 수 있다.
아크릴 점탄성 중합체와 같은 점탄성 중합체는 긴 사슬 분자로 배열된다. 상업적 관점에서 가장 일반적인 것은 선형, 분지형, 및 네트워크 구조이다. 높은 감쇠능을 나타내는 점탄성 감쇠층의 특징적인 두께는 (합금의 도메인 크기만큼의) 약 수백 마이크로미터이다. 참조 특허 US2005084355 및 3M™ Damping Foil 2552, 제품 설명서, Industrial adhesives and tape division, 3M centre, Building 21-1W-10, 900 Bush Avenue, St. Paul, USA.
그래서, 현재 진동 감쇠 기술은 우수한 마찰공학적 특성을 갖지만 불량한 감쇠 특성을 갖거나 또는 반대로 불량한 마찰공학적 특성 및 우수한 감쇠 특성을 갖는 코팅을 기초로 한다고 결론 내릴 수 있다.
본 발명은 어떤 점에서는 우수한 마찰공학적 특성 및 진동 감쇠 특성을 결합시킨 새로운 유형의 코팅의 산물이라고 간략하게 말할 수 있다. 더욱이 새로운 진동 감쇠 코팅은 몇십 마이크론 수준의 두께에서도 이미 뛰어난 감쇠능을 가지고 있고 마이크로-기술에서 사용될 수 있다. 이러한 특성을 성취하기 위해, 본 발명은 접촉하는 기기 부품들 사이에 적용되는 감쇠층(코팅)을 배열하는 서브-나노 및 나노-구조의 재료에 관한 것이다.
이런 접근 방법은 다음의 이유 때문에 감쇠에 효과적일 것이라 생각된다:
1. 기계 구조 시스템에서, 두 부품의 경계면에 접촉 강성 및 접촉 감쇠가 존재한다. 이들은 특히 전체 시스템의 동적인 움직임에 우수한 효과를 갖는다. 경계면은 전체 기계 구조 시스템에서 종종 가장 취약한 사슬이다. 그러므로 구조물에서 감쇠 및 그것의 의의는 진동의 원하지 않는 영향을 제어하기 위해 더욱더 중요해지고 있다.
2. 서브-나노 및 나노 크기의 도메인으로 배열된 재료들은 같은 감쇠층 두께에서 도메인 사이에 수십배 더 큰 표면을 갖는다. 그러므로, 도메인 표면 사이의 마찰에 의해 진동 에너지가 열로 전환하는 효율은 마이크로-크기의 도메인으로 배열된 재료와 비교하여 수십 배 더 높다.
본 명세서 전체에서, 표현 "감쇠 재료 상"은 도메인, 또는 집합체, 또는 결정체, 또는 클러스터, 또는 재료 배열 층을 포함하는 것을 의도한다.
예들 들면 공구 홀더, 절단 인서트, 드릴 또는 로터리 파일일 수 있는 기구는 필수적으로 순수 금속 또는 두개 이상 다른 금속들을 함유한 합금(예를 들면, 강철)과 본 발명의 두번째 면에서 설명한 바에 따라 첨가되는 진동 감쇠(바람직하기는 세라믹 재료)로 이루어질 수 있다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 재료는 세라믹 재료이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 기구는 이동식 또는 고정식이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 세라믹 재료는 상기 기구의 표면 위에 층으로서 존재하고 상기 층은 1 μm 내지 1 cm이고, 바람직하기는 1 μm 내지 1000 μm이고, 가장 바람직하기는 50 내지 500 μm이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 세라믹 재료의 나노-치수의 클러스터의 크기는 0.5 내지 100 nm이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 세라믹 재료는 CNx, TiN, TiAlN, Al2O3 또는 그들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 세라믹 재료는 CNx이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 적용된 감쇠 재료는 한 종류의 금속 또는 금속 화합물 및 다른 종류의 금속 또는 금속 화합물이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 적용된 감쇠 재료는 금속 및 질화 금속이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 적용된 감쇠 재료는 금속 및 금속 산화물이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 상기 적용된 감쇠 재료는 점탄성 층 및 탄소 질화물 층으로 이루어진 2층 구조로 배열된 복합 재료이고, 바람직하기는 상기 탄소 질화물 층은 구속 층이다. 상기 점탄성 층은 3M™ Damping Foil 2552(제품 설명 참조, Industrial adhesives and tape division, 3M centre, Building 21-1W-10, 900 Bush Avenue, St. Paul, USA)를 포함할 수 있다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 진동 감쇠층 두께의 평탄도는 0.1 내지 10%이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 여기서 나노-치수의 클러스터 형태에서 상기 진동 감쇠 층은 10-10000, 바람직하기는 100-1000인 초격자의 수많은 서브-층들을 갖는다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 상기 기구는 공구 홀더, 절단 인서트, 드릴, 로터리 파일, 리머(스크래핑 절단기), 콜릿 또는 장착 장치이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 상기 기구는
제조 기계에 또는 제조 기계의 공구 홀더에 배열될 샤프트(2);
위에 절단기(절단 인서트)가 배열될 위의 헤드(3); 및
절단기가 진동-감쇠 재료(4)를 통해 단독으로 제조 기계와 접촉하도록 배열된 진동-감쇠 재료(4)를 포함하는 공구 홀더(1)이다. 상기 공구 홀더는 영구적이거나 또는 이동식, 즉, 교체 가능한 절단 인서트를 가질 수 있다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따라, 기구가 제공되고, 여기서 상기 진동-감쇠 재료는 상기 공구 홀더의 표면 위에, 바람직하기는 필수적으로 절단 엣지/인서트와 접촉될 표면 위 및/또는 상기 공구 홀더를 홀딩하는 제조 기계 또는 상기 공구 홀더를 홀딩하는 제조 기계의 공구 홀더와 접촉될 표면 위에만 박층으로서 존재한다. 절단 엣지/인서트는 추가로 상기 진동-감쇠 재료와 하나 또는 모든 표면 위에 증착될 수 있다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 상기 샤프트(2)에 캐비티가 제공된다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 상기 캐비티는 드릴드-아웃 실린더(drilled-out-cylinder)이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 공구 홀더인 기구가 제공되고, 샤프트(2)의 표면(5)의 적어도 제조 기계 또는 상기 공구 홀더를 홀딩하는 제조 기계의 공구 홀더와 접촉될 부분들에 진동-감쇠 재료가 제공된다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 상기 기구의 전체 표면에 진동-감쇠 재료가 제공된다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 상기 진동-감쇠 재료(4)는 샤프트(2)의 표면(5)을 둘러싼다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 상기 샤프트(2) 및 헤드(3)는 진동-감쇠 재료(4)를 통해 통합된 두개의 개별 부품들이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 회전식 절단 공구에서 사용하기 위한 기구가 제공된다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 상기 회전식 절단 공구는 밀링 절단기, 슬롯 밀 또는 엔드 밀이다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 세라믹 인서트, 다이아몬드 인서트, 입방정계 질화 붕소(CBN) 인서트, HSS 인서트 또는 카바이드(경질 금속) 인서트와 사용하기 위한 기구가 제공된다.
본 발명의 첫번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 상기 기구는 진동-감쇠 재료가 제공된 샤프트를 포함하는 드릴 또는 로터리 파일이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 상기 기구는 이동식 또는 고정식이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 상기 세라믹 재료는 상기 기구의 표면 위에 박층으로서 침전된다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 상기 세라믹 재료는 상기 기구의 표면 위에 박막으로서 침전되고 상기 층은 1 μm 내지 1 cm이고, 바람직하기는 1 μm 내지 1000 μm, 가장 바람직하기는 50 내지 500 μm이다
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 상기 세라믹 재료의 나노-치수의 클러스터의 크기는 0.5 내지 100 nm 이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 상기 세라믹 재료는 금속 질화물 또는 금속 산화물, 바람직하기는 CNx, TiN , TiAlN, Al2O3 또는 그들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되고; 가장 바람직하기는 CNx가 사용된다. 진동 감쇠 재료는 또한 세라믹만을, 또는 금속 또는 금속-세라믹 복합재를 기재로 할 수 있다. 다음의 나노 구조의 세라믹이 사용될 수 있다: CNx - 탄소 질화물, TiN - 티타늄 질화물, Al2O3 - 알루미늄 산화물, 다양한 금속 또는 세라믹, 또는 금속 및 세라믹의 각각의 층에 부착되도록 배열된 나노-크기의 다층 구조(미세 격자). 따라서 본 발명의 바람직한 구현예는 탄소 질화물 - CNx, 티타늄 질화물 - TiN, 알루미늄 산화물 - Al2O3 및/또는 이러한 재료로 배열된 복합 재료에 관한 것이다. 바람직한 재료는 CNx이다. 이 재료는 점탄성 중합체 뿐만 아니라 금속 합금에 전형적인 특성을 나타낸다. 상기한 재료가 완벽한 마찰공학적 특성을 갖고 특히 장식 코팅 뿐만 아니라 절단 공구용 경질 코팅으로서 기술에서 널리 사용되고 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 서로 고정된 두개의 기계 부품(고정된 연결부) 사이에 적용된 CNx 층이 30-50 m 마이크로미터의 층 두께에서 이미 뛰어난 감쇠능을 나타내고 점탄성 중합체와 같이 우수한 감쇠 특성을 갖는 것을 예상치않게 발견하였다. 본 발명은 또한 상기한 바와 같이 점탄성 층, 및 CNx 또는 TiN 구속 층에 의해 배열된 복합 재료 뿐만 아니라 나노 및 마이크로 층의 메타-금속 또는 메탈-세라믹 초-격자에 의한 복합체에 관한 것이다. 재료 CNx의 질소 함량은 10 내지 50%의 원자 백분율에 따라 "x"로 나타낸다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고, 단계 b)의 침전은 DC, RF, 펄스화, 높은 전력 펄스화, 반응성 코팅과 같은 마그네트론 스퍼터 증착 기술, 또는 조향(steered) 및 조향되지 않은 아크와 같은 아크 기술, 또는 RF, DC, 저압, 고압, 플라즈마 보조된 것과 같은 화학적 기상 증착(CVD) 기술 또는 물리적 기상 증착(PVD) 기술, 또는 플라즈마 분사 기술 또는 상기 기술들의 조합을 사용하여 수행되고; 바람직하기는 PVD 및 CVD가 사용된다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고, 단계 b)의 침전은 Ar, N, CH4 또는 C2H2, 또는 CO, 또는 CO2 가스 또는 그들의 혼합물을 사용하여 수행된다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고, 단계 b)의 침전은 50 내지 1500℃, 바람직하기는 50 내지 400℃의 물품 또는 워크 피스의 온도에서 수행된다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 적용된 감쇠 재료는 한 종류의 금속 또는 금속 화합물 그리고 다른 종류의 금속 또는 금속 화합물이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 적용된 감쇠 재료는 금속 및 금속 질화물이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 적용된 감쇠 재료는 금속 및 금속 산화물이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 적용된 감쇠 재료는 점탄성 층 및 탄소 질화물층으로 이루어진 2층 구조로 배열된 복합 재료이고, 바람직하기는 상기 탄소 질화물층은 구속 층이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 진동 감쇠층 두께의 평탄도는 0.1 내지 10%이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 나노-치수의 클러스터 형태의 진동 감쇠층은 10-10000, 바람직하기는 100-1000인 초격자의 수많은 서브-층들을 갖는다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고, 여기서 단계 b)의 침전은, 반응기의 마그네트론 캐소드 상에 임의로 표적이 제공되고;
자기장에 의해 분리된 캐소드 및 애노드를 포함하는 반응기에서, 그리고:
(a) 반응기에 캐소드가 마그네트론과 같은 자기장을 제공하도록 제공하고;
(b) 챔버에 기구를 위치시키고;
(c) 하나 이상의 탄소를 함유하는 가공 가스 및 반응 가스를 챔버에 주입하고;
(d) 가공 가스 및 반응 가스에 에너지를 부여하여 상기 플라즈마를 형성하여서 가공 가스를 라디칼로 분해하고 그리고 추가로 기구에 탄소 재료를 증착시키고 상기 반응 가스를 이온화하여 탄소에 질소 화학 흡착률을 증가시키고; 그리고
(e) 챔버로부터 분해 및 화학 흡착 후에 가스 배출에 의해, 수행된다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 상기 기구를 약 0.25 rpm의 속도로 회전시킨다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 가공 가스는 아세틸렌 및/또는 메탄 및/또는 일산화탄소, 및/또는 이산화탄소이고, 반응 가스는 질소이고, 공정 가스 및 반응 가스 간의 바람직한 비는 약 1/10-10/1이고, 아세틸렌 및/또는 메탄과 질소 간의 가장 바람직한 비는 약 50/50이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 반응기에서 압력은 10-4 torr 내지 1000 torr이고, 바람직하기는 10-3 torr 내지 10 torr 이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 전류 진폭은 약 1 내지 1000 A이고, 바람직하기는 5-6 A이고, 펄스 길이는 약 10μs 내지 10 s이고, 주파수는 약 0.1 내지 10000 Hz이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 펄스 전력은 약 100 W 내지 1 MW이고, 바람직하기는 약 1 kW 내지 3 kW이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 CVD 분해 공정과 평형 또는 비평형 마그네트론 같은 자기장을 갖는 캐소드인 PVD 분해 하드웨어를 결합하는 방법이 제공된다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 애노드-캐소드 고 전류 펄스 전기 방전은 아크 글로우 방전에 정상, 또는 비정상, 또는 전이 비정상이다.
본 발명의 두번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 방법이 제공되고 여기서 증착 동안 자기장의 강도는 0.01 내지 0.3 Tesla 이고, 바람직하기는 300 Gauss 이하이다.
본 발명의 세번째 면의 바람직한 구현예에 따르면 기구가 제공되고 상기 기구는 공구 홀더, 절단 인서트, 드릴, 로터리 파일, 콜렛 또는 장착 장치이다.
따라서 본 발명은 또한 제조 기계에 직접 또는 제조 기계의 공구 홀더에 배열될 샤프트, 위에 절단기가 배열되어질 헤드 및 절단기가 진동-감쇠 재료만을 통해 제조 기계와 접촉하도록 배열되는 진동 감쇠 재료를 제공하고, 상기 진동-감쇠 재료는 세라믹 재료이다. 이런 방법으로 공구 홀더는 제조 기계와 직접적으로 접촉하지 않고, 그러므로 큰 범위로 진동을 감쇠하는데 요구된 조건을 갖는다.
나노 구조의 재료들로 배열된 감쇠층의 얇은 두께 때문에 공지된 통상적인 층 침전 기술이 사용될 수 있다. 이러한 실시예들을 상기한 바와 같지만, 화학적 기상 증착(CVD) 기술, 물리적 기상 증착(PVD) 기술, DC, RF, 펄스화, 높은 전력 펄스화, 반응성 코팅과 같은 마그네트론 스퍼터 증착 기술, 또는 조향(steered) 및 조향되지 않은 아크와 같은 아크 기술, 또는 RF, DC, 저압, 고압, 플라즈마 보조된 것과 같은 화학적 기상 증착(CVD) 기술 또는 물리적 기상 증착(PVD) 기술, 또는 플라즈마 분사 기술 또는 상기 기술들의 조합을 사용하여 수행 기술, 및 플라즈마 분사 기술에 제한되지 않는다. 감쇠 재료를 제조하고 이것을 부착하는데 CVD 및 PVD 기술을 사용함에 의해 워크 피스, 즉 공구 홀더의 온도를 낮추기 위해, 연결부를 배열하는 부품을 향한 흐름에서 가스 및 고체 증기의 플라즈마 몫을 증가시킬 필요가 있을 수 있다. 플라즈마 접근 방법의 경우, 워크 피스의 온도는 섭씨 400℃ 이하의 범위일 수 있다.
상기 바람직한 구현예의 방법에서 단계 b)의 침전은 펄스당 약 20 ms - 40ms 동안 약 100 A의 전기 방전, 약 500 V의 전압, 약 20℃ 내지 약 200℃의 온도, 바람직하기는 약 130 내지 170℃, 및 약 10 Hz의 주파수를 사용하여 수행될 수 있다.
진동 감쇠에 현재 사용되는 재료에 대한 특징적인 도메인 또는 과립 치수는 몇십 마이크론 내지 몇백 마이크론의 범위이고 감쇠층의 해당 두께는 밀리미터 내지 최대 몇십 밀리미터의 범위이다. 본 발명의 또다른 이점은 상기한 공구 홀더의 나노-구조 재료의 층 두께가 몇십 마이크론 내지 몇백 마이크론의 범위에서 높은 감쇠능을 나타낸 것을 발견했다는 점이다. 실제로 이것은 상기한 진동 감쇠용 세라믹 재료의 적용이 이미 만들어졌고 기계적 결합부를 사용했거나 또는 초기에 층 두께를 전혀 필요로 하지 않는다는 것을 의미한다.
교차 전기장 및 자기장에서 펄스 전력 방전(소위 E × B 방전)이 본 발명의 세번째 면에 따른 방법에서 사용되었고 이런 종류의 전기 방전은 자기장에 의해 분리된 애노드 및 캐소드를 포함하는 시스템에 사용된다. 특히 방전 전극은 캐소드의 주변에서 마그네트론과 같은 자기장을 갖는 애노드 및 캐소드에 의해 배열될 수 있다. 플라즈마 기술의 두드러진 특성은 극히 높은 플라즈마 반응성, 매우 높은 증착률, 우수한 부착 및 전기장 및 자기장에 의한 플라즈마에 영향을 미칠 가능성이다.
감쇠 효과는 본 발명의 두번째 면에 따른 방법 동안 세라믹 재료 내에 형성된 나노 구조의 결과일 것으로 생각된다. 그러나, 이 가설은 본 발명의 범위와 어떤 방법으로도 관련된다고 간주되지 않는다. 본 발명의 두번째 면에 따른 방법에 의해 얻은 공구 홀더는 기계적 진동을 감쇠시키는 개선된 능력을 나타낸다. 이들 재료의 개선된 감쇠 특성은 나노 크기의 도메인, 또는 과립, 또는 큰 입자 정렬 재료 사이의 마찰에 의한 기계적 에너지의 열로의 효과적인 전환을 통해서 이루어질 것이라 생각된다. 그러므로 세라믹 재료는 워크 피스, 특히 기계적 연결부의 진동 감쇠를 위해 효과적으로 사용될 수 있다.
감쇠는 진동의 진폭을 줄이고 원하지 않는 공진을 억제하여 조기 피로를 피하는데 사용될 수 있다. 감쇠 재료를 대상 구조물에 적용하여, 기계적 에너지를 열 에너지로 전환함으로써 분산시킬 수 있다.
기계적 구조 시스템에서, 두 부품의 경계면에는 접촉 강성 및 접촉 감쇠가 존재한다. 이들은 움직임, 특히 전체 시스템의 동적 움직임에 큰 효력을 갖는다. 종종 경계면은 전체 기계적 구조 시스템에서 가장 약한 사슬이다.
구조적 진동은 주로 디자인 문제이고 대부분의 경우 디자이너들은 피로 파괴의 위험을 제거하기 위해 진동 크기를 줄이려고 하고 있다.
어떠한 기계라도 흔들리는 경향이 있다. 진동을 감쇠시키기 위해 연결 부품 사이에 층에 증착시키는 것이 일반적인 접근 방법이다. 가장 일반적인 감쇠층은 점탄성 재료 또는 수지로 이루어진다. 본 발명은 감쇠를 위한 다른 종류의 재료에 관한 것이다. 이러한 것으로는 CNx, TiN, TiAlN, 및 Al2O3와 같은 서브-나노 및 나노 구조의 재료가 있다. 바람직한 재료는 탄소 질화물-CNx 이다. 연결된 기기 부품 사이에 적용될 이러한 재료의 층들이 10 마이크로미터의 층 두께에서 이미 기계적 (진동) 에너지의 열로의 효과적인 전환을 나타내는 것을 발견하였다.
탄소 질화물에 대한 연구는 1922년에 시작되었다. 수십년 동안 전 세계는 재료 특성을 조사하는데 많은 노력을 기울여왔다. 주요 노력은 마찰공학적 특성을 조사하는데 행해졌다. 지금까지 생산된 대부분의 CNx 필름은 질소 20-45 원자 %를 포함한다. 탄소 질화물은 매우 높은 탄성(85-90% 까지) 및 경도(40-60 GPa)를 나타낸다. 탄소 질화물 필름은 50-600℃ 온도에서 합성될 수 있다. 참조: D. Li, Y.-W. Chung, M.-S. Wong, and W.-D. Sproul, Tribology Transactions 37, 479 (1994), H. Sjostrom et al., Thin Solid Films, 246 (1994) 103-109. CNx 필름이 무정형, 결정질 클러스터를 포함하는 무정형 매트릭스 및 터보스타틱(Turbostatic)과 같은 필름일 수 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 터보스타틱 마이크로구조는 기본 구조 유닛(플레이크)의 무작위 어셈블리로 설명될 수 있다. 기본 구조 유닛은 도 4에 개략적으로 나타내었다. 기본 구조는 집합체로 조립되었다. 무정형 매트릭스로 통합된 집합체 및 결정질 클러스터의 전형적인 치수는 0.5-10 nm 이다. 결정질 사이의 거리는 또한 나노미터 범위에 있다. 이러한 초-미세 구조는 기본 구조 유닛, 결정질 및 무정형 매트릭스와 같은 상들 사이에 극히 큰 표면을 가져야 하는 것이 명백하다.
우수한 마찰공학적 특성 및 나노-치수의 구조를 갖는 다른 재료들은 티타늄 질화물(TiN) 및 알루미늄 산화물(Al2O3) 세라믹이다. 도 5 및 6은 이것을 나타낸다. 도 5는 주사 전자 현미경으로 얻은 분리된 TiN 필름의 측면도이다. 보는 바와 같이 TiN 필름 구조는 원주형이다. TiN 층은 PVD 기술에 의해 증착되었다. Al2O3 는 과립형 구조이다(참조: O. Zywitzki, G. Hoetzsch, Surface and coating technology 76-77 (1995) 754-762). 원주의 특징적인 넓이는 약 50-100 nm이다. 원주의 높이는 필름 두께와 동일하다. 샌드위치와 같은 구조물로 고안될 수 있음이 명백하다. 예들 들면 이것은 Ti-TiN 초격자일 수 있다. 현대 기술들로 대략 수 나노미터의 두께를 가지는 필름을 침전할 수 있다.
보는 바와 같이 현대 기술은 수천의 층 및 층들 사이의 상응하는 극히 큰 표면 및 그들 사이의 조절가능한 경계면을 가진 초격자를 생성하도록 한다. Ti 기재 초격자에 대한 증착 시간은 대략 수 시간으로 산업상 적당하다.
본 발명의 각각의 면의 바람직한 특징은 다른 면들의 각각에 필요한 변경을 가한다. 본 발명은 첨부된 도면과 연관하여 다음의 실시예에서 추가로 설명하고, 어느 방법에서도 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 본 발명의 구현예는 구현예 및 도면의 도움으로 더 상세하게 설명하였고, 그 목적은 오직 발명을 설명하는 것이고 그것의 범위를 제한하려는 의도는 없다.
도 1은 모드 해석을 나타낸다.
도 2 및 3은 아래의 실시예의 시험 결과를 나타낸다.
도 4는 기본 CNx 평면형의 개략적 표시이다.
도 5는 TiN 세라믹의 원주형 나노 구조의 현미경 사진이다.
도 6은 Al2O3 세라믹의 과립형 나노 구조의 개략적 표시이다.
도 7은 본 발명의 두번째 면에 따른 워크 피스를 진동 감쇠에 대해 테스트하는 방법의 개략적 표시도이다.
도 8은 펄스 자극 후 진동 크기의 감소이다. 코팅되지 않은 바
도 9는 펄스 자극 후 진동 크기의 감소이다. 코팅된 바
도 10은 진동 모드 해석이다.
도 11은 진동 스펙트럼에서 감쇠층 두께의 비 균일성의 영향 및 연속 진동 자극의 개략적 표시이다.
도 12는 진동 감쇠 측정시 상기 워크 피스의 추가의 장착을 나타낸다.
도 13은 코팅되지 않은 바에 의한 기계 가공 후의 워크 피스 표면의 현미경 사진이다.
도 14는 코팅된 바에 의한 기계 가공 후의 워크 피스 표면의 현미경 사진이다.
도 15는 코팅되지 않은 바의 연속 진동 자극에 의한 소리 크기 및 코팅된 바의 연속 진동 자극에 의한 소리 크기이다.
도 16은 상기 워크 피스를 제조하기 위해 사용된 본 발명의 열두번째 면에 따른 장치를 나타낸다.
도 17은 증착 방법 간의 비교를 나타내고, nr 8은 네번째 면에 따른 방법이다.
도 18은 본 발명의 첫번째 면에 따른 공구 홀더를 나타낸다. 도 18과 관련하여, 본 발명의 첫번째 면은 샤프트(2)와 헤드(3)로 이루어진 공구 홀더(1)로 구성된다. 절단기는 헤드(3) 위에 배열될 것이다. 공구 홀더(1)의 샤프트(2)는 그것의 표면(5) 주위에 진동-감쇠 재료(4)가 제공된다. 비-강제 강관(6)은 공구 홀더(1)가 제조 기계에 부착될 때 더욱 고르게 장착력을 나누도록 재료(4) 주위에 배열된다.
도 19는 본 발명의 첫번째 면에 따른 공구 홀더를 나타낸다. 도 19와 관련하여, 본 발명의 추가의 구현예는 공구 홀더(1)에 의해 구성된다. 공구 홀더(1)은 절단기를 수용하는 앞쪽 헤드(3), 및 제조 기계에 장착되도록 하는 후방 샤프트(2)의 두 부분으로 물리적으로 나뉘어져 있다. 샤프트(2) 및 헤드(3)는 진동-감쇠 재료(4)에 의해 서로 분리되어 있다. 진동-감쇠 재료(4)는 공구 홀더의 선단으로의 절단기 부착물과 제조 기계에 장착하려는 영역 사이의 공구 홀더의 어느 위치에 배열될 수 있다. 진동-감쇠 재료(4)는 도 19에 나타낸 방법으로 선단에 배열되는 것이 바람직하다. 공구 홀더(1)의 샤프트(2)에는 도 18에 나타낸 바와 같은 공구 홀더의 표면 위 또는 도 19에 나타낸 바와 같은 샤프트(2) 및 헤드(3) 사이의 표면을 덮는 세라믹 재료의 형태로 진동-감쇠 재료가 제공된다.
도 20은: (a) 샤프트 진동 감쇠 재료가 제공된 드릴,
(b) (c) 다양한 디자인의 밀링 절단기 I, II, III,
(d) 사용 중의 밀링 절단기를 나타낸다.
다음의 실시예에서 본 발명의 첫번째 면에 따른 방법을 추가로 설명한다.
실시예 1
본 실험은 절단 공구의 격렬한 감쇠 진동을 나타내는 나노-구조의 재료의 적용을 나타내었다. 초기 가능성 연구 외관의 결과는 매우 긍정적이었고 이하에 나타내었다. 이런 나노-구조의 재료 합성 및 침전에 사용되었던 기술은 교차 전기장 및 자기장에강력한 방전의 사용이었다.
CN x 감쇠 코팅의 증착 및 평가
1. 방법 및 절차( PPD )
기본 압력은 10-6 Torr였다. 작업 가스는 아세틸렌 및 질소였다. 작업 압력은 10-2- 10-3 Torr였다. 아세틸렌/질소비는 50/50이었다.
전력 공급은 펄스 전류원이다. 전류 진폭은 5-750A이다. 펄스 길이는 5 ms-30μs였다. 펄스 주파수는 50Hz였다. 평균 전력은 1 kW 였다. 펄스 전력은 2-30OkW 였다. 정상, 비정상, 및 그로우 내지 아크 전이 방전이 사용되었다.
하드웨어는 전형적인 마그네트론 스퍼터링 하드웨어(PVD 기술)였다. 크래킹 가스 가스 아세틸렌은 CVD 기술을 위한 전형적인 가스이다. 혼합물 아르곤+질소을 사용한 PVD에 대한 증착률은 시간당 0.5 마이크로미터였다. 혼합물 아세틸렌+질소(CVD)를 사용한 CVD에 대한 증착률은 시간당 15-20 마이크로미터였고 PVD의 것보다 30-40배 더 높다. 이것은 아세틸렌 증착률이 15-20 마이크로미터/시간/kw 임을 의미한다. 이것은 CVD 공정이 증착률에 주요 영향을 갖는다는 의미이다. 증착된 탄소의 90% 이상이 아세틸렌으로부터 생기고 증착된 탄소의 그 나머지는 마그네트론과 같은 자기장을 갖는 탄소 캐소드로부터 생겼다. 그러므로 첫번째 및 네번째 면에 따른 본 방법은 PVD 하드웨어에 의해 제공된 CVD 공정이고 또는 PVD 기술이 CVD 공정을 제공하기 위한 분해 셀로 사용된다고 말할 수 있다. 애노드는 진공관이었다(가공 챔버).
증착은 두 단계로 이루어졌다:
1. 30 마이크로미터 두께의 지층 증착
2. 20 마이크로미터 두께의 상층 증착
두 단계 사이에서 워크 피스를 냉각시키고 진동 감쇠에 대해 시험하였다.
2. PPD 보링바의 시험
1. 방법
PPD 기술에 의해 코팅된 보링바를 실험적 형태 분석(EMA)의 도움으로 시험하였다. 결과를 코팅되지 않는 바와 비교하였다. 측정은 세 단계로 수행하였다:
1. 코팅되지 않은 바에 대해 측정
2. 30μ로 PPD-코팅된 바에 대해 측정
3. 30μ + 20μ로 PPD-코팅된 바에 대해 측정
보링바의 횡단면은 원형이었다. 그러므로 상기 바는 KTH, SPANO에서 개발된 기계적 홀더로 고정시켰다. 바의 길이는 250 mm 이다.
바는 55 mm의 길이에서 고정되었다. 매달린 길이는 195 mm였다.
바의 동적 성능은 다음의 매개변수를 기준으로 비교하였다:
· 동적 강성,
· 감쇠
· 정적 강성
· 모드형
모드 해석은 해머 자극(hammer excitation)에 의해 7 노드(node)에서 수행되었다. 매개변수는 5개의 값의 평균으로 계산하였다.
3. 결과
통상적으로, 코팅되지 않은 바 EMA를 다음에 나타내었다
고유진동수: 552 Hz,
동적 강성: 63.59 m/s2/N
3Oμ PPD 바에 대해:
고유진동수: 513 Hz,
동적 강성: 53.46 m/s2/N
5Oμ PPD 바에 대해:
고유진동수: 465 Hz,
동적 강성: 29.65 m/s2/N
이러한 결과는 도 1에 나타내었다.
PPD 바에 대해서 두번째 모드는 첫번째 모드와 주파수가 근접한 것으로 나타났다.
감쇠율
비감쇠된 바: 1.19%
PPD-30μ: 1.66%
PPD-50μ: 2.75% 및 4.11%
도 2 및 3으로부터 두 FRF 결과 사이의 정적 강성이 크게 변하지 않았음을 발견할 수 있다. 이 결과는 VE-재료 대신 경질의 코팅을 사용하는 것이 유리함을 나타낸다.
4. 결론
CNx 세라믹(풀러린-형일 것으로 생각됨)은 경질의 탄성 진동 감쇠 코팅에 사용될 수 있다. 증착률은 배치 코팅 기기 디자인에 산업적으로 허용가능한 값인 시간당 50 마이크로미터만큼 높을 수 있다. 효율적인 감쇠층의 예상된 두께는 약 200 마이크로미터이고 5-시간 증착 기간에서 얻는다. 배치 코팅 기기로 적재될 수 있는 워크 피스의 수에 대한 원칙에서 제한은 없다. 오직 기하학적 요소 즉 기기 면적만이 제한이다. 기계에 적재된 1000개의 워크 피스를 예로 들면 그들 중 하나의 등량 처리 기간은 0.3 분일 수 있다.
펄스화 고 전류 플라즈마 증착 원리는 강철 워크 피스에 대한 증착 필름의 우수한 부착을 야기한다. 50 마이크로미터의 두께층은 진동 감쇠 시험 동안 갈라지지 않았다.
이와 같이 공구 홀더에 고정된 공구 부분에서 절단 공구에 부착된 탄소 질화물 층이 공구 진동을 상당하게 감쇠시키고 이런 방법에 의해 가공 워크 피스 표면의 정밀도를 개선하는 것을 발견하였다. 워크 피스 기계 가공에 의한 절단 공구의 진동 감쇠의 또다른 중요한 효과는 파괴적인 진동 없이 워크 피스 공전을 증가시킬 가능성이다. 이는 생산 효율을 증가시킨다.
상기 워크 피스의 추가의 중요한 특성은 감쇠 재료로 일반적으로 사용된 점탄성 중합체의 경우에 필요한 경질층의 추가 없이 기계적 부품을 연결할 수 있게 하는 그들의 강성이다.
상기 워크 피스의 또다른 중요한 특성은 섭씨 수백도 이상 까지의 고온 저항성이다. 본 발명의 두번째 면에 따른 방법은 터빈 및 제트 엔진에 이용할 수 있는 연결부에서 이러한 세라믹을 사용하도록 한다.
실시예 2
본 발명에서 사용된 진동 감쇠의 방법은 또한 TiN 층에 의해서도 증명될 수 있다. 현지 산업에서 TiN은 절단 인서트의 경질 코팅으로서 사용된다. 이를 위해 TiN은 워크 피스를 기계 가공하도록 작업하는 절단 인서트의 상층에 증착된다. 절단 인서트는 인서트 홀더에 연결(볼트로 죔)된다. 인서트와 홀더는 절단 공구를 배열한다. 워크 피스를 기계 가공하는 동안 절단 공구가 흔들리는 것은 일반적인 현상이다. 진동 감쇠 TiN 층 또는 초기에 언급한 상기 다른 재료의 층을 인서트와 공구 홀더 사이의 경계면에서 인서트의 바닥 표면 위에 증착시키는 것은 본 발명의 한 방법이다. 또한 진동 감쇠 TiN을 공구가 터닝 또는 밀링 기기에 고정된 영역에서 절단 공구의 뒷면에 증착시킬 수 있다.
상기한 나노 구조의 재료가 우수한 감쇠 특성을 갖는 것을 발견하였다. 이것은 탄소 질화물에 대해 이하의 실시예에 추가로 설명하였다.
도 7은 진동의 진동 자극의 개략적 표시이다. (1)는 탄성 케이블 바(2)에 의해 시험되는 원형 바가 고정된 플랫폼이고 케이블-바 고정점은 (3)이다. 바는 (4)로 나타내었다. (5)는 진동 감쇠층이다. 감쇠층 증착을 위해 화학적 기상 증착법이 사용되었다. 작업 가스는 질소 및 아세틸렌이었다. 쇼크 진동 자극의 점은 (6)으로 나타내었다. 진동 탐지기를 점(7)에 고정시켰다. 바는 공구 강철로 제조하였다. 제조한 후 바를 단련시켰다. 바 길이는 220 mm였고 직경은 31.4 mm 이다. 진동 감쇠 재료는 300 마이크로미터 두께의 탄소 질화물 층이었고, 그러므로 코팅된 바의 전체 직경은 총 32 mm 였다.
진동 감쇠는 쇼크 자극 후 바에서 진동 크기의 감소로서 측정되었다. 진동 크기는 가속도 검출기로 측정하였다. 결과를 도 8 및 9에 나타내었다. 붕괴 상수는 코팅되지 않은 바는 0.1 ms이고 코팅된 바는 0.02 ms임을 발견하였다. 결과를 점탄성 재료로 제작된 감쇠층과 비교하였다. 감쇠 재료로서 탄소 질화물이 점탄성 중합체 만큼 효과적임을 발견하였다. 도 10에 코팅된 및 코팅되지 않은 바의 공진을 나타내었다. 코팅되지 않은 바의 공진 주파수는 2985 Hz였다. 코팅된 바의 공진 주파수는 3110 Hz였다. 감쇠층 침전 동안 바의 온도는 100℃ 미만이었다. 낮은 침전 온도는 침전 전 및 후에 기본 고유 주파수가 거의 동일하고, 예를 들면 상기 바는 침전 동안 어닐링되지 않은 결과를 야기한다. 작은 차이는 코팅 및 코팅되지 않은 바의 직경의 차이에 의해 설명될 수 있다. 이것은 진동 감쇠층이 그들 특성의 변화없이 강철 워크 피스/성분/부품(절단 공구, 기어, 베어링)에 침전될 수 있다는 것을 명백히 나타내는 중요한 결과이다. 더욱이 저온은 탄소 질화물 층이 점탄성 층의 상층에 구속 층으로서 적용되도록 할 수 있다.
진동 감쇠의 효능이 감쇠층의 재료 뿐만 아니라 두께 평탄도에 의존한다는 것을 발견하였다. 이것을 도 1에 나타내었다. 바는 고정시켰다. 클램프 길이는 80 mm였다. 공정 길이에서 감쇠층의 두께는 바 축을 따라 30%로 변했다. 충격력 자극을 사용하였다. 층-비(non)-평탄도는 기본 고유 주파수와 겹쳐지는 고 주파수의 진동의 모양을 가져왔다.
도 12에서 연속 진동 자극의 도식을 나타내었다. 바(7)를 터닝 기기의 클램프(11)에 고정시켰다. 다른 면으로부터 절단 인서트(9)를 바에 볼트로 조였다. 강철 워크 피스(8)을 터닝 기기의 스핀들에 고정시켰다. 워크 피스 기계 가공 점은 (10)이다. 기계 가공의 매개변수는 강렬한 진동이 코팅되지 않는 바에 의해 여기되도록 선택되었다. 연결 워크 피스-절단 공구의 진동은 워크 피스 제조 중 생성된 소음으로 마이크로폰에 의해 기록하였다. 감쇠층이 절단 공구를 고정하는 경질의 클램핑 특성에 의해 파괴되지 않았다는 것을 발견하였다. 300 마이크로미터 탄소 질화물 층에 의해 코팅된 바는 같은 기계 가공 매개변수에 의해 진동을 전혀 자극하지 않았다. 이것을 도 15 및 14에 나타내었다. 도 15에서 소음의 크기를 반영하였다. 도 13 및 14에서, 도 13은 코팅된 바에 해당하고 도 14는 코팅되지 않는 바에 해당한다. 이 결과는 절단 공구에 탄소 질화물층을 적용함에 의해, 같은 기계 가공 속도에서 워크 피스 표면의 평탄함 및 정확성을 증가시킬 수 있고 또는 기계가공 속도는 파괴 진동에 의해 제한되지 않기 때문에 기계 가공 속도를 증가시킴에 의해 생산력을 증가시킬 수 있음을 명백하게 나타낸다. 진동 및 상응하는 소음 감쇠의 또다른 중요한 결과는 개인의 작업 상태의 상당한 개선이다. 진동 감쇠의 또다른 중요한 결과는 절단 인서트의 수명의 증가이다. 경질 금속의 처리에 의한 인서트의 특징적인 수명은 약 15분이라는 사실은 잘 알려져 있다. 이것은 특히 주기적 고 주파수 쇼크와 유사한 인서트 주파수 때문이다. 인서트와 인서트 홀더(고정된 연결부) 사이에 진동 감쇠를 적용하여 쇼크를 감소시키거나 제거할 수 있고 이런 방법으로 인서트의 수명을 연장시킬 수 있다.
상기 워크 피스, 즉 공구 홀더를 제조하는데 사용된 설정은 다음의 성분으로 구성되었다(숫자로 나타낸 도 16 참조).
1 - 진공관(처리 챔버)
2 - 탄소 표적이 있는 마그네트론 스퍼터링 캐소드 (80 mm 평면, 원형)
3 - 바
4 - 바 홀더
5 - 전동기
6 - 진공 밀폐
7 - 전력 공급
8 - 바 회전의 방향
기본 압력은 10-6 Torr였다. 작업 가스는 아세틸렌 및 질소였다. 작업 압력은 10-2 - 10-3 Torr였다. 아세틸렌/질소 비는 50/50이었다.
전력 공급은 펄스 전류원이었다. 전류 진폭은 5-750A였다. 펄스 길이는 5 ms-30 μs였다. 펄스 주파수는 50Hz였다. 평균 전력은 1 kW였다. 펄스 전력은 2-30OkW였다. 전압은 평균 10 kV 및 평균 1 kV였다. 증착된 워크 피스는 약 0.25 rps의 속도로 회전시켰다. 정상, 비정상, 및 그로우 내지 아크 전이 방전이 사용된다.
하드웨어는 마그네트론 스퍼터링 하드웨어(PVD 기술)가 전형적이다. 크래킹 가스 아세틸렌은 CVD 기술에 전형적인 가스이다. 혼합물 아르곤+질소을 사용한 PVD에 대한 증착률은 시간당 0.5 마이크로미터였다. 혼합물 아세틸렌+질소(CVD)를 사용한 CVD에 대한 증착률은 시간당 15-20 마이크로미터였고 PVD 보다 30-40 배 더 높다. 이는 아세틸렌 증착률이 15-20 마이크로미터/시간/kw 임을 의미한다. 이것은 CVD 공정이 증착률에 주로 영향을 미친다는 것을 의미한다. 증착된 탄소의 90% 이상이 아세틸렌으로부터 생기고 증착된 탄소의 나머지는 자기장과 같은 마그네트론을 갖는 탄소 캐소드로부터 생긴다. 이것은 PVD 하드웨어에 의해 제공(알림)된 CVD 공정이고 또는 PVD 기술은 CVD 공정을 제공하는 분해 셀로 사용되고 있다고 말할 수 있다. 애노드는 진공관이었다(처리 챔버).
또한 다른 증착기술들을 사용하였을때를 비교하였고 그 결과를 도 17에 반영하였다. 펄스 플라즈마 증착의 혼성화 방법이 대체로 산업 증착률을 갖는다는 것을 나타낸다. 이는 도 17에 나타내었다. 아이템 1-7은 통상적인 방법에 해당하고, 8은 PPD이다(이하의 리스트 참조). 가장 작은 원은 이미 층 두께 및 온도를 달성했다. 보는 바와 같이 이것은 우수한 결과이다. 상기 원 위의 타원형 부분은 산업적 코팅 기기에 해당한다.
1 플라즈마 분사
2 전해 및 화학적 증착
3 인산염 처리
4 질화 (백색 층)
5 붕소화
6 CVD
7 PVD, PACVD
8 새로운 하이브리드 PVD+PACVD 기술, 즉, 본 발명의 면
PVD = 물리적 기상 증착
PACVD = 플라즈마 보조 화학적 기상 증착
본 발명의 다양한 구현예는 상기에 설명하였지만 본 분야의 당업자는 추가의 미묘한 변화를 알고있고, 이는 본 발명의 범위에 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 어느 실시예에 의해 제한되어서는 안되며, 다음의 청구항 및 동등물에 따라서만 한정되어야 한다. 예를 들면, 상기 명시된 어느 방법들은 다른 공지된 방법과 결합될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서 다른 면들, 이점 및 변경은 발명의 당업자들에게 명백할 것이다.

Claims (137)

  1. 진동-감쇠 재료를 포함하는 칩 제거 적용을 위한 기구로서,
    제조 기계 또는 제조 기계의 공구 홀더에 배열될 샤프트(2);
    위에 절단기가 배열될 헤드(3); 및
    절단기가 진동-감쇠 재료(4)를 통해 단독으로 제조 기계와 접촉하도록 배열된 진동-감쇠 재료(4)를 포함하고,
    상기 진동-감쇠 재료는 나노-치수의 클러스터 형태로 배열된 CNx를 포함하는 세라믹 재료인 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 상기 기구의 표면 위의 층으로서 존재하고, 상기 층은 1 ㎛ 내지 1 ㎝인 기구.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적용된 감쇠 재료는 한 종류의 금속 또는 금속 화합물 및 다른 종류의 금속 또는 금속 화합물이 번갈아 있는 층들로 이루어진 다층 구조로 배열된 복합 재료이고, 상기 금속들이 번갈아 있는 층들은 금속 질화물 또는 금속 산화물로 이루어진 기구.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적용된 감쇠 재료는 점탄성층 및 탄소 질화물층으로 이루어진 2층 구조로 배열된 복합 재료인 기구.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기구는
    제조 기계 또는 제조 기계의 공구 홀더에 배열될 샤프트(2);
    위에 절단기가 배열될 헤드(3); 및
    절단기가 진동-감쇠 재료(4)를 통해 단독으로 제조 기계와 접촉하도록 배열되는, 진동-감쇠 재료(4)를 포함하는,
    공구 홀더, 절단 인서트, 드릴, 로터리 파일, 리머, 콜렛, 밀링 절단기, 슬롯 밀, 엔드 밀 또는 장착 장치와 같은 공구 홀더(1)인 기구.
  6. 제5항에 있어서, 상기 공구 홀더의 완전한 표면 또는 상기 샤프트(2)의 표면(5)의 적어도 제조 기계 또는 공구 홀더를 홀딩하는 제조 기계의 공구 홀더와 접촉될 부분에 상기 진동-감쇠 재료가 제공되는 것을 특징으로 하는 기구.
  7. 제1항에 따른 칩 제거 적용을 위한 기구를 제조하는 방법으로:
    나노-치수의 클러스터 형태의 CNx를 포함하는 세라믹 재료를 기구 상에 침전시켜서 상기 기구에 진동-감쇠 효과를 부여하는 것을 포함하고, 상기 침전은:
    반응기에서 임의로 마그네트론 캐소드 상에 표적이 제공되고; 자기장에 의해 분리된 캐소드 및 애노드를 포함하고, 그리고:
    (a) 반응기에 캐소드가 마그네트론과 같은 자기장을 제공하도록 제공하고;
    (b) 챔버에 기구를 위치시키고;
    (c) 하나 이상의 탄소를 함유하는 공정 가스 및 반응 가스를 챔버에 주입하고;
    (d) 공정 가스 및 반응 가스에 에너지를 부여하여 상기 플라즈마를 형성하여서 공정 가스를 라디칼로 분해하고 그리고 추가로 기구에 탄소 재료를 증착시키고 상기 반응 가스를 이온화하여 탄소에 질소 화학 흡착률을 증가시키고; 그리고
    (e) 챔버로부터 분해 및 화학 흡착 후에 가스를 배출에 의해 반응기에서 수행되는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 상기 기구의 표면 위에 박막으로서 침전되고, 상기 층은 1 ㎛ 내지 1 ㎝인 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 침전은 DC, RF, 펄스화, 높은 전력 펄스화, 반응성 코팅과 같은 마그네트론 스퍼터 증착 기술, 또는 조향(steered) 및 조향되지 않은 아크와 같은 아크 기술, 또는 RF, DC, 저압, 고압, 플라즈마 보조된 것 같은 화학적 기상 증착(CVD) 기술 또는 물리적 기상 증착(PVD) 기술, 또는 플라즈마 분사 기술 또는 상기 기술들의 조합을 사용하여 수행되는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 침전은 Ar, N, CH4 또는 C2H2, 또는 CO, 또는 CO2 가스 또는 이들의 조합을 사용하여 수행되는 방법.
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  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 침전은 기구를 0.25 rpm의 속도로 회전시키면서 하는 것인 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 공정 가스는 아세틸렌, 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 가스이고, 반응 가스는 질소이고, 공정 가스와 반응 가스 간의 비는 1/10-10/1인 방법.
  14. 제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 반응기에서 압력은 10-4 torr 내지 1000 torr인 방법.
  15. 마그네트론 캐소드를 포함하는 반응기에서 워크 피스 또는 물품 상에 탄소 질화물 재료를 증착하여 얻을 수 있는 워크 피스 또는 물품의 제조 방법으로서,
    상기 탄소 질화물 재료는 적용시 나노 및/또는 서브-나노 치수의 클러스터/집합체로 이루어지고, 상기 증착은:
    칩 제거 적용을 위한 기구; 절단 공구; 터닝, 보링, 드릴링, 리밍, 드레딩, 밀링, 플레닝, 디버링, 드리프팅 또는 브로칭하는 공구에서,
    (a) 반응기에서 캐소드가 자기장을 갖도록 제공하고;
    (b) 반응기에 워크 피스 또는 물품을 위치시키고;
    (c) 하나 이상의 탄소 함유 공정 가스 및 반응 가스를 반응기로 주입하고;
    (d) 공정 가스 및 반응 가스에 에너지를 부여하여 공정 가스를 라디칼로 분해하고 그리고 추가로 워크 피스 또는 물품 기재 상에 탄소 물질을 증착시키고 그리고 반응 가스를 이온화하여 탄소에 질소 화학 흡착률을 증가시키고; 그리고
    (e) 챔버로부터 분해 및 화학 흡착 후 가스를 배출하는 것을 포함하는 방법.
  16. 제2항에 있어서, 상기 기구의 표면 위에 상기 층은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛인 기구.
  17. 제4항에 있어서, 상기 탄소 질화물층은 구속층인 기구.
  18. 제8항에 있어서, 상기 층은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛인 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 아세틸렌 및 메탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상과 질소 간의 비는 50/50인 방법.
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