KR102268806B1

KR102268806B1 - 시추용 비트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102268806B1
Application number: KR1020180031197A
Authority: KR
Inventors: 김기호; 윤준용; 박희동
Original assignee: 이화다이아몬드공업 주식회사
Priority date: 2018-03-18
Filing date: 2018-03-18
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2038-03-18
Also published as: US11136831B2; PE20191310A1; KR20190109693A; US20190284878A1

Abstract

절삭팁의 제작이 용이하고, 연마입자의 집중도가 높으며, 절삭면이 라운딩되어 최적의 마모를 유도하고, 동일한 폭을 가지면서 내면과 외면이 라운딩된 부채꼴 아치(arch) 형상의 절삭팁을 구비하는 시추용 비트 및 제조방법을 제시한다. 그 비트 및 방법은 구동장치에 연결되어 회전하는 샹크에 접합되고 복수개의 층 및 복수개의 연마입자로 이루어진 절삭팁을 포함하고, 복수개의 층은 각각 부채꼴 아치 형상으로 평탄한 면을 이루고, 절삭팁의 절삭면에 대하여 수평하게 적층되며, 인접하는 층 사이의 연마입자간의 거리(D2)는 각각의 층에서의 연마입자간의 거리(D1)보다 작다.

Description

시추용 비트 및 그 제조방법{Mining bit and method of manufacturing the bit}

본 발명은 시추용 비트 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연마입자가 최소 층간간격에 근접하도록 배열된 절삭팁을 구비하여 작업 중에 항상 균일한 집중도를 나타내는 시추용 비트 및 제조방법에 관한 것이다.

시추용 비트(mining bit)는 채굴용 시추기에 장착되는 부품으로, 채굴용 시추기는 광물자원의 분포 및 매장량 평가를 위해 직접 암반을 천공하여 암반 샘플을 채취하는 장치이다. 채굴용 시추기는 피삭재의 상태를 알 수 없는 상황에서, 통상적으로 수백m 내지 수천m의 지반의 깊이까지 천공한다. 이와 같이, 피삭재의 상태를 알 수 없는 상황에서는 시추과정에서 매우 큰 경도의 암석 등을 부딪힐 가능성이 있다. 만일, 시추하는 과정에서 시추용 비트의 절삭팁이 파손되어 사용할 수 없게 되면, 시추 작업을 멈추고 절삭팁 또는 시추용 비트를 교체하여야 하므로, 이에 의한 경제적 손실이 상당하다.

한편, 채굴용 시추기에 의한 시추작업의 연속성을 보장하고, 적절한 작업속도를 확보하기 위해서는 그에 부합하는 시추용 절삭팁이 요구된다. 시추용 절삭팁에 요구되는 최소한의 요건은 절삭팁의 제작이 용이하고, 연마입자의 집중도가 높으며, 절삭면이 라운딩되어 최적의 마모를 유도하여야 한다. 이때, 상기 절삭팁은 동일한 폭을 가지면서 내면과 외면이 라운딩된 부채꼴 아치(arch) 형상이다. 구체적으로, 연마입자의 집중도를 높이기 위하여, 상기 연마입자를 일정한 규칙으로 배열되는 패턴 구조를 갖게 하고 층간간격을 작게 한다. 또한, 절삭면을 라운딩하면 시추하는 과정에서 피삭재의 절삭이 원만하게 이루어진다.

일반적으로, 시추용 비트는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트 (Co) 등의 금속분말과 다이아몬드를 혼합시킨 만든 성형체에 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈 (Ni), 망간(Mn) 등의 단일 금속 또는 합금상태의 금속바인더를 융점 이상으로 가열시켜, 모세관력에 의해 금속바인더가 성형체의 내부에 채워지는 이른바 용침 공정에 의해 매트릭스 부분이 제작된다. 그런데, 금속분말과 다이아몬드를 혼합하기 때문에 다이아몬드의 분포가 불균일하여 균일한 마모가 이루어지지 않는다. 이를 해결하기 위해, 다이아몬드공구 업계에서는 다이아몬드 입자를 일정한 패턴으로 균일하게 분포시키는 방법을 개발하였으며 커터와 그라인더 등에 적용하고 있다.

도 1은 종래의 패턴배열 방법의 시추용 절삭팁(100)을 나타내는 사시도이다. 시추용 절삭팁(100)은 동일한 폭(W)을 가지면서 내면(101)과 외면(102)이 라운딩된 부채꼴 아치(arch) 형상이다. 이때, 종래의 절삭팁(100)은 절삭면(A)과 수직한 방향(v)로 연장된 복수개의 층(103)들을 원하는 두께만큼 예비적으로 적층한 후 최종적으로 가압하여 최종두께(W)를 얻는다. 이와 같은 방법으로 제작할 경우 절삭팁 마모에 따라 연마입자가 절삭면에 연속적으로 노출시킬 수 있어 균일한 작업이 가능하다. 그런데, 아치형 절삭팁(100)는 종래의 방법으로 가압 성형 및 소결하여 제작하기 어렵다. 구체적으로, 부채꼴 아치 형상으로 만들기 위하여, 평탄한 복수개의 층(103)을 가압하여 굽힘 성형하고 소결한다. 그런데, 내면과 외면의 곡률과 길이가 달라 굽힘 성형 및 소결로 제작하는 종래방법으로 구현하기는 거의 불가능하다.

국내공개특허 제2001-0006016호의 도 2A를 참조하면, 절삭면(A)과 수직한 방향(v)로 연장된 복수개의 층(103)들이 적층되어 이루어진 아치 형상의 절삭팁을 용침(infiltration)으로 제조하는 방법을 제시하고 있다. 상기 특허에 의한 절삭팁은 내면(101) 및 외면(102)은 라운딩되어 있지 않고 절삭면(A)은 라운딩되어 있지만, 부채꼴 형상이 아니어서 시추용 절삭팁으로는 부적합하다. 하지만, 수직한 방향(v)로 연장된 복수개의 층(103)들이 부채꼴 아치 형상으로 적층하기 위해서는, 앞에서 설명한 성형의 문제를 해결할 수 없다.

한편, 시추용 절삭팁(100)의 연마입자의 집중도는 균일하면서 최대한으로 크게 해야 한다. 연마입자(103)의 집중도가 균일하지 않으면, 연마입자(103)가 아예 없거나 부족한 층(103)이 노출되기 때문에, 천공작업이 전체적으로 연속적이지 않고 균일한 절삭을 구현하지 못한다. 또한, 집중도가 작으면, 피삭재의 상태를 알 수 없는 상황에 대하여 적절하게 대처할 수 없다. 이에 따라, 집중도를 최대한으로 크게 하여, 천공과정에서 상대적으로 큰 경도를 가진 피삭재를 만나더라도 손상되지 않고 무리없이 천공작업을 진행할 수 있도록 해야 한다. 하지만, 상기 특허는 시추용 절삭팁에서 요구되는 연마입자의 집중도를 만족시키지 못하고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 과제는 절삭팁의 제작이 용이하고, 연마입자의 집중도가 높으며, 절삭면이 라운딩되어 최적의 마모를 유도하고, 동일한 폭을 가지면서 내면과 외면이 라운딩된 부채꼴 아치(arch) 형상의 절삭팁을 구비하는 시추용 비트 및 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 과제를 해결하기 위한 시추용 비트는 구동장치에 연결되어 회전하는 샹크 및 상기 샹크에 접합되고 복수개의 층 및 복수개의 연마입자로 이루어진 절삭팁을 포함하고, 상기 복수개의 층은 각각 부채꼴 아치 형상으로 평탄한 면을 이루고, 상기 절삭팁의 절삭면에 대하여 수평하게 적층되며, 인접하는 상기 층 사이의 연마입자간의 거리(D2)는 각각의 상기 층에서의 연마입자간의 거리(D1)보다 작다.

본 발명의 비트에 있어서, 상기 층 사이의 층간간격(S)은 연마입자 입자크기(F)와 같거나 작고 층간간격(S)은 상기 층에서의 연마입자간의 거리(D1)의 (2/3)에 대한 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족한다. 상기 층에서의 연마입자의 거리(D1)는 천공지그의 관통홀 사이의 거리에 의해 결정되며, 상기 거리(D1)은 상기 연마입자의 평균 입자크기(F)의 1.5~2.5배의 범위에 있을 수 있다. 바람직한 본 발명의 비트에 있어서, 상기 연마입자는 마모에 의해 노출되더라도 연속적으로 분포하는 집중도의 범위 내에 있다.

상기 집중도(N)는 40con보다 크고 80con보다 작은 것이 바람직하다. 상기 연마입자와 금속분말로 이루어진 골격체 사이의 공간은 모세관 현상으로 채워진 금속바인더를 포함한다. 상기 절삭팁의 각각에는 상기 층간간격(S) 범위 내의 높이차를 가진 백킹층이 존재할 수 있다.

본 발명의 다른 과제를 해결하기 위한 시추용 비트의 제조방법은 먼저 인접하는 층 사이의 연마입자간의 거리(D2)가 각각의 층에서의 연마입자간의 거리(D1)보다 작은 상기 연마입자를 배열하기 위하여, 금속분말을 도포한 후 상기 연마입자 입자크기(F)보다 큰 관통홀을 포함하고 부채꼴 아치 형상을 구현할 수 있으며, 평탄한 면을 이루고, 상기 거리(D1)을 정의하는 천공지그에 상기 연마입자를 투입한다. 그후, 상기 지그에 의해 상기 연마입자가 배열된 복수개의 층을 수평하게 적층하여 성형체를 형성한다. 상기 성형체를 샹크의 절삭팁 삽입홈에 안착시킨다. 상기 샹크의 주변에 금속바인더를 배치시킨 후 가열을 통한 용침으로 절삭팁을 형성한다. 상기 절삭팁 및 상기 샹크를 일체로 용침하여 시추용 비트를 완성한다.

본 발명의 시추용 비트 및 제조방법에 의하면, 절단면에 대하여 수평하게 배치된 복수개의 층으로 이루어지고 층간간격을 연마입자 입자크기와 같거나 작게 배열하며 용침으로 제작함으로써, 절삭팁의 제작이 용이하고, 연마입자의 집중도가 최대이며, 절삭면이 라운딩되어 최적의 마모를 유도하고, 동일한 폭을 가지면서 내면과 외면이 라운딩된 부채꼴 아치(arch) 형상의 절삭팁을 구현할 수 있다.

도 1은 종래 패턴배열 방향의 시추용 절삭팁을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 시추용 비트를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 시추용 절삭팁의 제조과정을 설명하기 위한 분해사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 시추용 절삭팁의 연마입자 배열을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4를 평면적으로 바라본 도면이다.
도 6은 본 발명에 의한 층간간격 및 연마입자와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명 및 종래의 절삭팁의 층간간격에 따른 연마입자의 집중도(N)를 모식적으로 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 의한 시추용 비트의 변형예를 나타내는 부분사시도이다.
도 9는 본 발명에 의한 시추용 비트를 제조하는 과정을 나타내는 흐름도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 한편, 도면들에 있어서, 막(층, 패턴) 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장될 수 있다. 또한, 막(층, 패턴)이 다른 막(층, 패턴)의 상, 상부, 하부, 일면에 있다고 언급되는 경우에, 그것은 다른 막(층, 패턴)에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 다른 막(층, 패턴)이 개재될 수도 있다.

본 발명의 실시예는 절단면에 대하여 수평하게 배치된 복수개의 층이 적층되고 층간간격을 ISO 6106 규격의 상한크기로 정의되는 연마입자 입자크기와 같거나 작게 배열하며 용침(infiltration)으로 제작함으로써, 절삭팁의 제작이 용이하고, 연마입자의 집중도가 높으며, 절삭면이 라운딩되어 최적의 마모를 유도하고, 동일한 폭을 가지면서 내면과 외면이 라운딩된 부채꼴 아치(arch) 형상의 절삭팁을 구비하는 시추용 비트 및 제조방법을 제시한다. 이를 위해, 절단면에 수평하게 배치된 복수개의 층이 적층되고 연마입자 크기보다 층간간격이 같거나 작게 되도록 배열된 절삭팁의 구조 및 특성을 상세하게 알아보고, 연마입자의 최대 집중도의 효과를 구체적으로 설명하기로 한다. 한편, 채굴용 시추기는 광물자원의 분포 및 매장량 평가를 위해 직접 암반을 천공, 암반 샘플을 채취하는 장치이다. 상기 채굴용 시추기는 샹크 및 시추용 절삭팁으로 이루어진 시추용 비트를 포함한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 시추용 비트를 나타내는 사시도이다. 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

도 2에 의하면, 본 발명의 시추용 비트(200)는 채굴용 시추기의 구동장치에 연결되어 회전하는 원통형 샹크(10) 및 샹크(10)에 부착된 시추용 절삭팁(20)을 포함한다. 절삭팁(20)은 샹크(10)의 외주면의 통로(12)에 의해 정의된 일정한 간격마다 배치된다. 절삭팁(20) 사이에 존재하는 통로(12)는 절삭 찌꺼기, 냉각수 등이 통과되기 위하여 마련된다. 절삭팁(20)의 크기는 천공하려는 목적에 따라 적절하게 설계하여 사용된다. 절삭팁(20)은, 원통형의 샹크(10)에 결합되고 일정한 간격을 이루면서 이격되기 때문에, 부채꼴 아치(arch) 형상을 이룬다. 즉, 절삭팁(20)은 샹크(10)의 곡률에 부합되도록 굽어져 있으며, 샹크(10)의 외측으로 갈수록 넓어지는 부채꼴이다.

절삭팁(20)은 샹크(10)에 고정하는 역할을 하는 절삭팁 삽입홈(11)에 안착되어 샹크(10)와 결합된다. 절삭팁(20)을 절삭팁 삽입홈(11)에 수용한 상태에서, 절삭팁(20)과 샹크(10)를 일체로 용침을 하면 본 발명의 시추용 비트(200)가 완성된다. 이때, 절삭팁(20)의 견고한 고정을 위하여 절삭팁 삽입홈(11)은 통로(12)에 비해 패인 것이 바람직하다.

절삭팁(20)은 용침(infiltration)에 의해 제조된다. 상기 용침은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 등의 금속분말과 연마입자를 혼합시킨 성형체에 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈(Ni), 망간(Mn) 등의 단일 금속 또는 합금상태의 금속바인더를 융점 이상으로 가열시켜, 모세관력에 의해 금속바인더가 성형체의 기공을 채워지는 것이다. 상기 금속바인더는 시추용 비트(200)에 최적화된 소재이며, 성형체를 이루는 금속분말과 상호간의 고용도가 거의 없어서 소결이 안되므로, 용침이 바람직하다.

상기 용침은 통상의 소결법과는 달리 가압하여 소결하지 않으므로, 절삭팁의 크기가 용침공정에서 변하지 않아 절삭팁(20)과 샹크(10)를 일체화하여 정밀하게 치수를 제작할 수 있다. 수축이 일어나지 않으면, 연마입자 사이의 간격이 좁아지지 않기 때문에, 초기 성형체 단계의 집중도를 계속 유지된다. 다시 말해, 상기 용침은 일반적인 소결공정과는 달리 수축이 없으므로, 성형체의 크기가 최종 제품의 크기가 된다. 상기 소결은 층간간격이 줄어드나, 용침에서는 일정한 층간간격을 유지한다. 그러므로 초기 성형체 제조공정에서 층간간격을 최소로 하여 집중도를 높이는 것이 필요하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 시추용 절삭팁(20)의 제조과정을 설명하기 위한 분해사시도이다.

도 3에 의하면, 절삭팁(20)은 n개(n은 2보다 큰 자연수)의 층(L)인, L(1), L(2), L(3), , L(n-1) 및 L(n)이 적층되어 이루어진다. 각각의 층(L)은 샹크(10)의 곡률에 부합되도록 도시된 바와 같이 아치 형상으로 굽어져 있으며, 또한 부채꼴이므로 내면(21)에서 외면(22)으로 갈수록 면적이 넓어진다. 즉, 절삭팁(20)의 폭(W)은 동일하고, 내면(21) 및 외면(22)은 라운딩되어 있으며, 외면(22)의 길이는 내면(21)의 길이보다 크다. 절삭팁(20)의 크기 및 층(L)의 개수는 본 발명의 시추용 비트(200)가 적용되는 채굴용 시추기의 구조, 크기 및 작업 환경 등에 따라 달라질 수 있다.

각각의 층 L(1), L(2), L(3), , L(n-1) 및 L(n)은 복수개의 연마입자 P(1), P(2), P(3), , P(n-1) 및 P(n)로 이루어진 연마입자(P)가 본 발명의 기술적 사상을 만족하면서 배열되어 있다. 이에 대해서는 추후에 상세하게 설명하기로 한다. 연마입자(P)는 인조 다이아몬드 입자, 천연 다이아몬드 입자, 입방정붕화질소(CBN) 및 초지립입자 등이 알려져 있으며, 그 중에서도 인조 다이아몬드 입자가 가장 널리 사용된다.

각 층(L)에서의 연마입자(P)의 배열은 본 발명의 배열을 구현하도록 하는 천공 지그(jig)에 연마입자(P) 입자크기(F)보다 큰 관통홀(hole)들을 만들고, 상기 관통홀(hole)들에 연마입자(P)를 투입하여 공급함으로써 구현할 수 있다. 이때, 상기 천공지그는 동일한 폭을 가진 부채꼴 아치 형상을 구현할 수 있는 것이다. 즉, 상기 천공지그의 관통홀에 연마입자를 투입하면, 연마입자들을 수용하는 층(L)은 부채꼴 아치 형상이 된다. 또한, 상기 천공지그는 평탄한 면을 이룬다.

절삭팁(20)은 절삭을 일으키는 절삭면(B)을 가지며, 절삭면(B)으로부터 천공이 시작된다. 층(L)은 절삭면(B)에 대하여 수평방향(h)으로 연장되도록 배열된다. 즉, 절삭방향은 절삭면(B)에 수직방향(v)이며, 층(L)은 절삭이 일어나는 방향(v)과 대략 직각인 수평방향(h)에 위치한다. 한편, 종래와 같이 층(L)을 절삭면(B)에 수직방향(v)으로 배열하여 절삭팁(20)을 제조하는 것은 거의 불가능하다. 왜냐하면, 종래의 층은 굽어져 있으므로 굽힘 성형을 해야 하는데, 내면과 외면의 길이가 달라 굽힘 성형 자체가 불가능하다. 또한 본 발명의 실시예와 같이 시추용 비트(200)와 같이 두꺼운 성형체의 굽힘 성형은 스프링 백(spring back) 현상으로 각각 층의 곡률 및 크기를 정밀하게 조절하는 데에 한계가 있다. 이에 대해서는 앞에서 상세하게 설명한 바 있다.

이에 반해, 본 발명의 절삭팁(20)은 평탄하면서 부채꼴 아치 형상의 층(L)을 수평방향(h)으로 적층하기 때문에, 굽힘 성형이 필요하지 않고 단지 적층하여 제작하면 된다. 상기 굽힘 성형을 하지 않으면, 각 층(L)의 곡률 및 크기를 정밀하게 조절하지 않아도 된다. 다시 말해, 종래의 수직방향(v)으로 적층된 절삭팁을 제조하기 위하여 굽힘 성형(소결도 포함할 수 있음)해야 하지만, 본 발명은 굽힘 성형은 요구되지 않으며, 단지 적층하여 구현하면 된다. 이에 따라, 본 발명의 부채꼴 아치 형상의 절삭팁(20)을 용이하게 제작할 수 있다.

한편, 본 발명의 절삭면(B)은 샹크(10)의 원주 방향에 대하여 양 측면이 라운딩(R)된 것이 바람직하다. 왜냐하면, 절삭면(B)이 라운딩(R)되어 있으면, 시추과정에서 발생하는 충격을 적게 받으면서 절삭이 자연스럽게 일어난다. 상기 라운딩(R)은 사전에 설계된 것일 수 있고, 천공하는 과정에서 발생하도록 한 것일 수 있다. 바람직하게는, 천공하는 과정에서 라운딩(R)이 필연적으로 발생하기는 하지만, 라운딩(R)은 사전에 설계하여 확실한 라운딩(R)을 유도하는 것이 좋다. 여기서는 라운딩(R)이 사전에 설계된 사례를 제시하였다.

절삭면(B)의 라운딩(R)이란 절삭면(B)에서 절삭팁(20)의 내면(21) 및 외면(22)의 모서리 부분이 절삭면 중앙부분보다 초기에 더 마모가 된 것이라고 볼 수 있다. 라운딩(R)이 일어나면, 복수개의 층(L)에 존재하는 연마입자(P)가 연속적으로 노출된다. 이에 대해서는 추후에 설명하는 집중도(N)를 참고하기로 한다. 도면에서는 L(n), L(n-1), L(n-2)의 층의 연마입자(P1~P3)가 노출되는 경우를 도시하였으나, 실질적으로 그보다 많은 층(L)의 연마입자(P)들이 노출될 수 있다. 라운딩(R) 부분은 각 층(L)들의 두께, 설계 등에 따라 달라진다. 한편, 라운딩(R)됨에도 불구하고 연마입자(P)는 균일하게 노출되어야 하므로, 연마입자(P)의 층간간격 및 집중도가 중요하다. 이에 대해서는, 이하에서 사례를 들어 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 시추용 절삭팁의 연마입자 배열을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4를 평면적으로 바라본 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 층간간격 및 연마입자와의 관계를 나타낸 도면이다. 여기서는, 최근접 연마입자의 최소 단위를 추출하였다. 또한, 설명의 편의를 위하여, 층(L)은 도 3의 층 L(1), L(2) 및 L(3)의 일부를 선택하였으며, 그에 따른 연마입자는 P(1), P(2) 및 P(3)를 표현하였다. 상기 층(L) 및 연마입자에 대한 개념은 절삭팁(20)을 이루는 다른 층 및 연마입자에도 확장되어 적용된다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 절삭팁(20)의 최소 단위(20u)는 연마입자 P(1) 및 P(2)는 입체적으로 층간간격(S)을 최대한으로 줄인 구조를 가진다. 여기서는 최소 층간간격(S)에 대하여 알아보고, 집중도는 도 7에서 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예는 상기 층간간격(S)에 근접하면서, 동시에 연마입자 P(1) 및 P(2)가 입체적으로 조밀하게 충진되어 균일한 집중도를 가지도록 한다. 이때, 입체적이란 각 층(L)뿐 아니라 이웃하는 층(L)까지 고려한 것이다. 층L(1) 및 L(2)은 입체적이라는 조건을 만족시킨다.

최소 단위(20u)는 층L(1)의 연마입자 P(1)의 중심은 정사면체의 꼭지점에 놓이고, 층L(2)의 연마입자 P(2)의 중심은 상기 정사면체의 내부에 위치한다. 여기서, 상기 정사면체는 설명의 편의를 위하여 도입한 것으로, 상기 정사면체의 한 변의 길이는 E이며, 상기 정사면체를 가상선으로 표현하였다. 연마입자 P(1)이 위치하는 층L(1) 및 연마입자 P(2)가 위치하는 층L(2) 사이의 간격을 본 발명의 층간간격(S)이라고 한다. 다시 말해, 본 발명의 층간간격(S)은 층L(1) 및 층L(2) 사이의 법선 거리이다. 연마입자 P(2)의 중심은 상기 법선(G) 상에 위치하는 것이 좋고, 제조하는 과정에서 발생하는 공차를 고려하면 상기 법선(G)에 인접하여 위치할 수 있다. 본 발명의 층간간격(S)은 상기 정사면체의 높이인 법선의 길이(G)보다 작다. 연마입자 P(1) 및 P(2)는 동일한 입자크기(F)를 가진다.

상기 정사면체에서의 한 변의 길이(E)는 본 발명의 층(L1)에서의 연마입자 P(1) 중심(center)간의 거리(D1)와 같다. 한편, 상기 정사면체에서 한 변의 길이(E)와 법선의 길이(G)의 관계(G/E), 즉 (G/D1)은 이론적으로 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2, 즉 약 0.816이다. 본 발명의 실시예에 의한 층L(1)의 연마입자(P1) 중심간의 거리(D1) 및 본 발명의 층간간격(S)의 관계인 (S/D1)은 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족한다. 또한, 본 발명의 층간간격(S)은 연마입자 P(1) 및 P(2)의 입자크기(F)와 같거나 작다.

층간간격(S)이 연마입자 P(1) 및 P(2)의 입자크기(F)보다 작아도 층L(1)의 연마입자 P(1) 3개로 이루어진 정삼각형의 중심위치에서 법선(G)방향으로 층 L(2)의 연마입자 P(2)가 있도록 위치시켜 배열할 때 연마입자 P(1) 및 P(2)가 서로 맞부딪치지 않도록 한다. 이에 따라, 본 발명의 층간간격(S)은 (S/D1)가 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족하고, 연마입자(P) 입자크기(F)보다 같거나 작다. 이론적으로 가장 작은 층간간격(S)은 연마입자(P) 입자크기(F)의 1/2이다. 이보다 작으면, 층L(2)의 연마입자와 층L(3)의 연마입자 P(3)가 서로 맞부딪치게 되어 더 이상 층을 유지할 수 없다.

예를 들어, 연마입자(P1) 입자크기(F)가 400㎛인 경우, 층L(1)의 연마입자(P1) 중심간의 거리(D1)은 앞에서 설명한 천공지그의 관통홀 사이의 피치(pitch)를 감안하면 400㎛보다 크며, 예컨대 500㎛이다. 위와 같은 조건에서, 층간간격(S)은 400㎛보다 크고 약 408(500*0.816)㎛보다 작다. 만일, 상기 천공지그의 관통홀 사이의 거리가 600㎛이라면, 층간간격(S)은 400㎛보다 크고 약 490(600*0.816)㎛보다 작다. 이에 따라, 층L(1)의 연마입자(P1) 중심간의 거리(D1)은 앞에서 설명한 천공지그의 관통홀 사이의 거리를 고려하여 정해진다. 즉, 본 발명의 층간간격(S)은 (S/D1)가 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족하고, 층간간격(S)은 F/2보다 큰 관계를 만족한다. 이때, 층간간격(S)가 F/2인 상태를 최소 층간간격(S)이라고 한다.

본 발명의 층간간격(S)의 조건에서, 층(L) 사이의 연마입자(P)의 중심간의 거리(D2)은 층(L)에서의 연마입자(P)간의 거리(D1)보다 작다. 이를 수식화하면, (D2/D1)<1이다. 층(L) 사이의 연마입자(P1, P2)간의 거리(D2)가 층(L)에서의 연마입자(P1)간의 거리(D1)보다 작다는 것은 자명하다.

한편, 앞에서 설명한 입자크기(F)는 ISO 6106 규격에 의한 연마입자(P)의 상한크기로 정의된다. 예컨대, 25/30 메시(mesh)의 경우 상기 상한크기는 710㎛이고, 30/40 메시는 590㎛이며, 40/50 메시는 420㎛이다. 층(L)에서의 연마입자(P)간의 각각의 거리(D1)은 모두 동일하지 않고 연마입자의 평균 입자크기(F)의 1.5~2.5배가 바람직하다. 여기서, 평균이란 서로 다른 입자크기(F)를 고려하여, 거리(D1)를 명확하게 구별하기 위한 것이다. 각각의 (D1)은 본 발명의 (S/D1)가 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작다는 관계를 만족하고, 층간간격(S)은 F/2보다 크며, 층간간격(S)은 (D2/D1)<1인 조건에서 결정된다. 메시의 선택은 본 발명의 시추용 비트가 사용되는 용도 등에 따라 달라질 수 있다.

도 7은 본 발명 및 종래의 절삭팁의 층간간격에 따른 연마입자의 집중도(N)를 모식적으로 비교한 그래프이다. 이때, 종래 1은 층간간격(S)이 상대적으로 넓은 경우이고, 종래 2는 본 발명이 제시하는 층간간격(S)에 근접하지 않은 경우를 나타낸다.

도 7에 의하면, 라운딩(R)에 의해 복수개의 층(L)가 노출되면, 연마입자(P)들도 노출된다. 연마입자(P)들의 노출은 복수개의 층(L)을 아울러서 입체적으로 노출된다. 종래에는 각각 층들의 연마입자(P)들의 배열이 본 발명의 층간간격(S)의 요건을 만족하지 못하므로, 노출된 연마입자(P)들은 집중도는 크고 작음이 반복되는 불연속 현상이 나타난다. 예컨대, 층L(n), L(n-1), L(n-2)의 중심부에는 큰 집중도(N)를 가지나, 층L(n), L(n-1), L(n-2) 사이에는 작은 집중도(N)를 가진다. 절삭팁의 전체로 보면 노출된 연마입자(P)들의 집중도(N)는 파형을 이룬다. 심지어 작은 집중도(N)는 연마입자(P)가 거의 없는 경우도 발생한다. 특히, 층간간격(S)이 상대적으로 넓은 종래 1의 경우, 집중도(N)의 불연속이 보다 극심하다.

이에 반해, 본 발명의 층L(n), L(n-1), L(n-2)에 배열된 연마입자(P)들은 입체적으로 균일한 집중도(N)를 가지도록 분포되었으므로, 실질적으로 본 발명의 층간간격(S)의 요건을 만족하면서 집중도(N)의 범위(a)가 좁게 연마입자(P)들이 배치된다.

집중도 범위(a)의 폭은 본 발명의 층간간격(S)이 (S/D1)가 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족하고, 층간간격(S)은 F/2 보다 큰 관계를 만족하는 조건에서 기인한다. 만일, (S/D1)가 연마입자(P) 입자크기(F)의 50%에 가까우면 집중도 범위(a)의 폭은 좁고, (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2에 가까워질수록 집중도 범위(a)의 폭은 넓어진다. 집중도 범위(a)의 연마입자(P)는 종래에 비해 불연속이지 않고 연속적이라고 볼 수 있다. 연속적이기 때문에, 복수개의 층(L)의 임의의 곳에서 살펴보면, 각 층(L) 및 이웃하는 층(L)에는 층간간격(S)이 좁을수록 연마입자(P)는 항상 존재한다.

이에 반해, 종래 1 및 2는 연마입자(P)가 본 발명의 층간간격(S)의 요건을 벗어나서 존재하거나, 아예 없을 수 있다. 이와 같이, 각 층(L) 및 이웃하는 층(L)에는 본 발명의 층간간격(S)의 요건을 만족하는 연마입자(P)는 항상 존재하는 경우를 연속적이라고 표현한다. 물론, 본 발명의 실시예에서는 (D2/D1)<1인 조건을 만족하면 본 발명의 기술적 사상을 충분하게 구현할 수 있다는 것은 앞에서 설명한 바와 같다.

본 발명의 실시예에 의한 연마입자(P)의 집중도(N)는 40con(concentration)보다 크고 80con보다 작은 것이 좋고, 50 conc 이상이 보다 바람직하다. 왜냐하면, 통상적으로 200 내지 400마력의 시추기를 이용해서 작업하며, 집중도가 낮으면 팁이 마모가 급격하게 일어나거나 연마입자가 쉽게 탈락하기 때문에 40con 미만은 바람직하지 않다. 또한, 80con 이상으로 연마입자(P)가 너무 많으면, 연마입자(P)에 하나 당 걸리는 하중이 작아 절삭이 제대로 이루어지지 않게 되며, 입자간의 간격이 너무 좁아 패턴배열 방법으로 연마입자(P)를 80con 이상으로 설계하기 어렵다.

본 발명의 층간간격(S)의 요건을 만족하는 집중도(N)를 가진 본 발명의 절삭팁(20)은 모서리 부분이 라운딩(R)되더라도, 약간의 위상차가 발생하더라도 균일한 집중도(N)의 연마입자(P)들이 노출된다. 층간간격(S)이 넓게 되면, 시추용 비트에 의한 천공작업을 수행할 때, 연마입자(P)가 없거나 부족한 부분이 발생한다. 연마입자(P)가 없거나 부족하면, 천공작업이 제대로 수행되지 않는다. 즉, 천공작업이 전체적으로 연속적이고 균일한 절삭이 일어나지 않는다. 하지만, 본 발명의 시추용 비트(200)는 입체적으로 본 발명의 층간간격(S)의 요건을 만족하는 연마입자(P)의 배열이 있으므로, 연마입자(P)가 항상 균일하게 노출되므로, 연속적이고 균일한 절삭을 할 수 있다. 또한, 연마입자(P)가 항상 피삭재와 접촉하고 있으므로, 고경도의 피삭재라고 하더라도 본 발명의 절삭팁(20)을 파손시키지 않는다.

도 8은 본 발명의 실시예에 의한 시추용 비트(200)의 변형예를 나타내는 부분사시도이다. 이때, 백킹층(23, 24)가 추가된 것을 제외하고, 앞에서 설명한 바와 동일하다. 이에 따라, 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 8에 의하면, 인접하는 절삭팁(20)은 제1 높이(H1)를 가진 제1 백킹층(23) 및 제2 높이(H2)를 가진 제2 백킹층(23)을 포함한다. 제1 및 제2 백킹층(23, 24)은 절삭팁 삽입홈(11)에 위치하며 샹크(10)에 접촉된다. 제1 높이(H1)는 제2 높이(H2)보다 커서 높이차(△H)가 발생한다. 높이차(△H)는 연마입자(P)의 본 발명의 층간간격(S)보다 작다. 바람직하게는 본 발명의 층간간격(S)의 50%의 높이차가 좋다. 높이차(△H)가 있게 되면 인접하는 절삭팁(20)은 회전하는 과정에서 절삭되는 연마입자(P) 간의 위상차가 발생한다. 이러한 위상차는 집중도 범위(a)를 더욱 줄인다. 즉, 절삭팁(20)의 연마입자(P)는 상기 위상차가 없는 경우보다 더욱 연속적으로 노출된다. 이러한 높이차(△H)는 다수개의 절삭팁(20)마다 점진적으로 변화시킬 수 있다. 이때, 백킹층(23, 24)은 금속바인더와 동일한 성분이 사용될 수 있으며, 성형단계에서 형성시키는 것이 바람직하다.

도 9는 본 발명의 실시예에 의한 시추용 비트(200)를 제조하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 이때, 시추용 비트는 앞에서 설명한 바와 같으며, 이에 따라 동일한 참조부호에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 9에 의하면, 시추용 비트(100)는 먼저 본 발명의 층간간격(S)의 요건을 만족하는 연마입자(P)를 배열하기 위하여, 금속분말을 얇게 도포한 후 연마입자(P) 입자크기(F)보다 큰 관통홀을 포함하고 부채꼴 아치 형상을 구현할 수 있으며, 평탄한 면을 이루는 천공지그에 연마입자(P)를 투입한다(S10). 본 발명의 층간간격(S)의 요건은 (S/D1)가 (2/3)의 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족하며, 층간간격(S)는 F/2 보다 큰 관계를 만족한다. 그런 다음, 천공지그를 제거하고 연마입자(P)를 가압하여 한 층을 성형한다. 이와 같은 작업을 반복하여 예비 성형체를 만든 후, 가압하여 연마입자가 배열된 복수개의 층이 수평방향(h)으로 적층된 성형체를 형성한다(S20). 이렇게 되면, 폭(W)은 동일하고, 내면(21) 및 외면(22)은 라운딩되어 있으며, 외면(22)의 길이는 내면(21)의 길이보다 큰 부채꼴 아치 형상의 성형체가 형성된다.

경우에 따라, 각각의 성형체의 일측에 높이차(△H)가 있는 백킹층(예, 23, 24)을 형성한다(S30). 그후, 상기 성형체를 절삭팁 삽입홈(11)에 삽입한다(S40). 샹크(10) 주변에 금속바인더를 배치시킨 후, 가열을 통한 용침으로 절삭팁(20)을 형성한다(S50). 상기 용침은 단일 금속 또는 합금상태의 금속바인더를 융점 이상으로 가열시켜, 모세관력에 의해 금속바인더가 연마입자 사이의 공간에 채우는 것이다. 절삭팁(20) 및 샹크(10)를 일체로 용침하여 시추용 비트(200)를 완성한다(S70). 일체로 용침이 되면, 절삭팁(20)의 금속바인더가 샹크(10)와 결합하게 하는 역할을 한다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10; 샹크
20, 20a, 20b; 절삭팁
P; 연마입자 L; 층
T; 시추용 절삭팁
200; 시추용 비트

Claims

구동장치에 연결되어 회전하는 샹크 및 상기 샹크에 접합되고 복수개의 층 및 복수개의 연마입자로 이루어진 절삭팁을 포함하고,
상기 복수개의 층은 각각 내면에서 외면으로 갈수록 면적이 넓어지는 부채꼴 아치 형상으로 평탄한 면을 이루고, 절삭을 일으키는 상기 절삭팁의 절삭면에 대하여 수평하게 적층되고 상기 절삭면은 절삭방향에 수직하며, 인접하는 상기 층 사이의 연마입자간의 거리(D2)는 각각의 상기 층에서의 연마입자간의 거리(D1)보다 작고,
상기 층 사이의 법선거리인 층간간격(S)은 연마입자 입자크기(F)와 같거나 작고, 상기 층간간격(S)은 상기 층에서의 연마입자간의 거리(D1)의 (2/3)에 대한 제곱근보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족하며, 상기 층간간격(S)은 연마입자 입자크기(F)/2보다 커서 이웃하는 층에서 법선 상에 존재하는 연마입자 간의 접촉이 일어나지 않고, 상기 연마입자는 마모에 의해 노출되더라도 연속적으로 분포하는 집중도의 범위 내에 있고, 상기 집중도는 노출된 연마입자의 분포를 나타내는 것을 특징으로 하는 시추용 비트.
삭제
제1항에 있어서, 상기 층에서의 연마입자의 거리(D1)는 천공지그의 관통홀 사이의 거리에 의해 결정되며, 상기 거리(D1)은 상기 연마입자의 평균 입자크기(F)의 1.5~2.5배의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 시추용 비트.
제1항에 있어서, 상기 절삭팁에 의한 절삭면은 절삭과정에서 라운딩되어 노출되고, 인접하는 상기 층 사이의 상기 연마입자간의 거리(D2)는 상기 층에서의 연마입자간의 거리(D1)보다 작은 것을 특징으로 하는 시추용 비트.
삭제
제1항에 있어서, 상기 집중도(N)는 40con(concentration)보다 크고 80con보다 작은 것을 특징으로 하는 시추용 비트.
제1항에 있어서, 상기 연마입자의 사이의 공간은 모세관 현상으로 채워진 금속바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 시추용 비트.
제1항에 있어서, 상기 절삭팁의 각각에는 상기 층간간격(S) 범위 내의 높이차를 가진 백킹층이 존재하는 것을 특징으로 하는 시추용 비트.
인접하는 층 사이의 연마입자간의 거리(D2)가 각각의 층에서의 연마입자간의 거리(D1)보다 작은 상기 연마입자를 배열하기 위하여, 금속분말을 도포한 후 상기 연마입자 입자크기(F)보다 큰 관통홀을 포함하고 내면에서 외면으로 갈수록 면적이 넓어지는 부채꼴 아치 형상을 구현할 수 있으며, 평탄한 면을 이루고, 상기 거리(D1)을 정의하는 천공지그에 상기 연마입자를 투입하는 단계;
상기 천공지그에 의해 상기 연마입자가 배열된 복수개의 층을 수평하게 적층하여 성형체를 형성하는 단계;
상기 성형체를 샹크의 절삭팁 삽입홈에 안착시키는 단계;
상기 샹크의 주변에 금속바인더를 배치시킨 후 가열을 통한 용침으로 절삭팁을 형성하는 단계; 및
상기 절삭팁 및 상기 샹크를 일체로 용침하여 시추용 비트를 완성하는 단계를 포함하고,
절삭을 일으키는 상기 절삭팁의 절삭면에 대하여 수평하게 적층되고 상기 절삭면은 절삭방향에 수직하고,
상기 층 사이의 법선거리인 층간간격(S)은 연마입자 입자크기(F)와 같거나 작고, 상기 층간간격(S)은 상기 층에서의 연마입자간의 거리(D1)의 (2/3)에 대한 제곱근인 (2/3)^1/2보다 작은 (S/D1)<(2/3)^1/2의 관계를 만족하며, 상기 층간간격(S)은 연마입자 입자크기(F)/2보다 커서 이웃하는 층에서 법선 상에 존재하는 연마입자 간의 접촉이 일어나지 않고, 상기 연마입자는 마모되더라도 연속적으로 분포하는 집중도의 범위 내에 있고, 상기 집중도는 노출된 연마입자의 분포를 나타내는 것을 특징으로 하는 시추용 비트의 제조방법.
삭제
제9항에 있어서, 상기 성형체를 형성하는 단계에서, 상기 성형체 각각에 높이차가 있는 백킹층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시추용 비트의 제조방법.
제9항에 있어서, 상기 절삭팁에 의한 절삭면은 절삭과정에서 라운딩되어 노출되는 것을 특징으로 하는 시추용 비트의 제조방법.
삭제
제9항에 있어서, 상기 집중도(N)는 40con(concentration)보다 크고 80con보다 작은 것을 특징으로 하는 시추용 비트의 제조방법.