KR20070084136A - 금속 가공용 절삭 공구 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 금속 가공용 절삭 공구 및 그 제조 방법이 제공되어 인장 항복점의 60% 이상의 하중에서 향상된 강도를 갖는 홀더 본체를 얻는다. 상기 공구 및 그 방법은, 공구의 홀더 본체가 깊이 경화를 야기하는 경화 공정을 받은 후에, 홀더 본체의 표면 영역에 압축 응력을 도입하기 위해 홀더 본체가 표면의 변형 경화를 야기하는 표면 처리를 받는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 가공용 절삭 공구 및 그 제조 방법{CUTTING TOOL FOR METAL WORKING AND METHOD FOR PRODUCING IT}

본 발명은 인덱서블 인서트를 위한 하나 이상의 인서트 시트를 갖는 홀더 본체 등의 금속 가공용 절삭 공구 및 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 공구의 예로서, 초경 합금, 서멧, 세라믹으로 된 다수의 절삭 인서트를 갖는 드릴이 언급될 수 있다.

예컨대, 금속재의 칩 제거 기계 가공용 절삭 공구는 드릴링, 밀링 및 선삭용 공구를 포함해서 많은 종류가 있다. 이 공구들의 공통점은, 이들이 통상 홀더 본체 및 홀더 본체의 인서트 시트에 수용된 하나 이상의 절삭 인서트를 포함한다는 것이다. 통상, 홀더 본체는 경화 강으로 만들어지고 이어서 냉흑화되어 검은 표면을 얻게 되고, 절삭 인서트는 초경 합금, 서멧 또는 세라믹으로 만들어진다.

금속재의 절삭 기계 가공을 위한 공구에 가해지는 정적, 동적 하중은 더욱 더 커지고 있다. 증가된 하중은 절삭 인서트가 더욱 효율적으로 되어 있고 또한 홀더 본체가 그 기하학적 설계에 있어 더욱 최적화되었기 때문에 나타나게 된다. 특히 하중을 받는 홀더 본체의 일부 영역은 인서트 시트 및 그 근처이다. 이는 당연히 기계 가공 동안의 하중을 인서트 시트에 장착된 절삭 인서트가 받 기 때문이다. 따라서, 이러한 홀더 본체, 특히 인서트 시트 및 그 근처의 피로 강도를 증가시킬 필요성이 커지고 있다.

재료의 피로 강도를 증가시키는 방법은 표면 영역에 압축 응력을 도입하는 것이다. 예컨대, 압축 응력은 질화법 등의 재료의 표면 경화에 의해 표면 영역의 재료에 도입될 수가 있고, 질화법에서 질소는 통상 강으로 된 홀더 본체의 표면에 510 ~ 550℃ 의 온도에서 가스 분위기하에서 공급된다. 다른 방법은 재료를 질화침탄을 시키는 것인데, 이 경우에는 탄소 및 질소가 일반적으로 약 570℃ 의 온도에서 가스 분위기하에서 표면에 공급된다. 또 다른 방법은 재료를 이온 질화시키는 것으로, 이때 질소는 약 450 ~650℃ 의 온도의 진공하 이온화 가스중에서 표면에 공급된다.

표면 영역에 압축 응력을 도입함으로써 재료의 피로 강도를 증가시키는 또 다른 방법은 쇼트 피닝이다. 이 방법의 아이디어는 정확하게 제어된 조건하에서, 예컨대 강, 유리 또는 세라믹의 작은 입자로 표면을 때리는 것이다.

US 2005/0002744 에는, 공구의 홀더 본체가 먼저 표면에 압축 응력을 발생시키는 표면 경화를 받은 다음에 표면에 추가적인 압축 응력을 가하는 표면 처리를 받는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 이 방식으로, 한편으로는, 표면 경화시에 얻어진 상전이층의 일부 또는 전체를 개질/기계 가공 또는 제거할 수 있음과 동시에 추가적인 압축 응력이 표면에 주어지게 된다. 그러나, 이 방법은 재료의 인장 항복점의 60 % 보다 큰 것과 같은 특히 고하중에서는 홀더 본체의 만족스러운 피로 강도를 얻을 수 없음이 밝혀 졌다.

본 발명의 주 목적은 고하중에서 향상된 피로 강도를 갖는 홀더 본체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 균열 형성의 위험이 낮은 홀더 본체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 제조가 간단하고 비용이 적게 드는 홀더 본체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고하중에서도 수명이 긴 홀더 본체를 제공하는 것이다.

적어도 본 발명의 주 목적은 이하의 독립항에 기재된 특징을 갖는 절삭 공구 및 그 제조 방법에 의해 실현된다. 본 발명의 바람직한 실시형태는 종속항에 규정된다.

이하에서, 본 발명의 실시형태의 상세한 설명이 첨부된 도면을 참조하여 실시예로서 주어진다.

도 1 ~ 3 은 원통형 드릴 생크 (11) 를 도시하고, 이 생크의 전방부에는 드릴의 중심선 (CL) 의 양측에 위치된 두 개의 인서트 시트 (12, 13) 가 제공된다. 칩 전달을 위해 형성된 축방향 오목부 또는 채널 (14, 15) 이 있다. 두 개의 인서트 시트 (12, 16) 에는 그 시트에 절삭 인서트를 잠그기 위한 잠금 나사 (도시되지 않음) 를 수용하기 위해 중앙에 구멍이 제공된다. 각각의 인서트 시트는 접선 방향 지지면 (16), 축방향 지지면 (17) 및 반경 방향 지지면 (18) 을 포함한다. 상기 지지면들에는, 절삭 인서트의 손상을 피하기 위해 절삭 인서트의 코너를 수용하기 위한 추가 공간 (19) 이 제공된다. 접선 방향 지지면 (16) 은 중심선 (CL) 을 통과하는 면과 실질적으로 평행이다. 각 축방향 지지면 (17) 은 잘라져서 실질적으로 V 형의 측면 형상을 가지며, 그 선단부는 생크의 고정부쪽으로 축방향 후방으로 향해 있다. 중앙 시트 (12) 에서 반경 방향 지지면 (18) 의 반대편에 위치된 면 (20) 은 절삭 인서트를 지지하는 기능은 없지만 생크와 중앙 절삭 인서트 사이에 칩이 끼이는 것을 방지하는 역할만 한다. 반경 방향 지지면 (18) 과 접선 방향 지지면 (16) 사이에 천이부 (21) 가 형성되어 있다. 가공물과 완전히 결합했을 때, 인서트 시트에서 최대 응력 집중이 이 천이부 (21) 에서 생긴다. 따라서, 피로강도를 향상시켜서, 가능한 한, 균열 개시 및 전파의 위험을 감소시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 공구강으로 이루어진 공구 홀더는 깊이경화(depth-hardened)되어서 즉, 강의 기본 조직은 실질적으로 홀더의 전체 단면에 걸쳐 40 HRC 이상의 경도를 갖는 마르텐사이트로 되어 있다. 이는 드릴용 홀더 본체에 적용된다. 밀링 또는 선삭 작업용 홀더는 그 표면에서 측정했을 때 36 HRC 이상의 경도를 가질 수 있다. 예컨대 이는 종래 기술에서와 같이 공구를 가열한 후에 급랭 (quenching) 함으로써 달성될 수 있다. 홀더의 재료에 따라, 급랭은 공기, 오일 또는 물과 같은 매체를 사용하여 이루어질 수 있다. 고경도는 연성 재료의 냉간 가공과 비교하여 후 냉간 가공의 영향이 더 높은 잔류 응력을 주게 되는 증가된 전위 밀도 및 적층에 의해 증가한다는 것을 의미한다.

다음으로, 홀더 본체의 표면 영역에 압축 응력을 발생시키기 위한 냉간 가공으로 표면 처리를 하여, 표면을 변형경화시킨다. 여기서 표면 영역은 표면 아래 10 ~ 160㎛ 를 의미한다. 이는 예컨대 쇼트 피닝 (shot peening) 에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는, 이 쇼트 피닝은 적어도 인서트 시트와 그 근처에서 실행된다. 높은 잔류 응력값을 얻기 위해서, 홀더 본체는 정확한 강도로 쇼트 피닝될 필요가 있다. 이 강도는 쇼티 피닝 매체의 크기, 밀도 및 경도 선택 외에 쇼트 피닝 공정의 시간, 회전수, 입사각, 유량, 압력의 선택 등에 의해 결정된다. 이하의 조건들이 적합하다고 밝혀졌다.

압력: 1 ~ 7 bar

유량: 0.3 ~ 1.0 kg/min

입사각: 90°

공구 회전수: 25 ~ 50 rev/m

시간: 15 ~ 90 s

매체의 경도: 45 ~ 55 HRC

밀도: 7 ~ 8g/㎤

크기: 직경 0.25 ~ 0.50 mm

정확한 강도에서, 즉 적당하게는 7 A 이상이고, 바림직하게는 15 A 이상이며, 가장 바람직하게는 18 A 이상이면 (여기서 실질적으로 A 는 US 2350440 에 소개된 바와 같이 결정되는 알멘 값 (Almen-value) 을 의미하며, 강에 압축 응력이 생겨 피로 강도가 증가한다. 잘 조화된 조건하의 쇼트 피닝에 의해, 표면은 두 가지 추가적인 방식으로 영향을 받게 된다. 첫번째로는, 표면 구조는 피로 강도의 측면에서 바람직하게 되는데, 왜냐하면 기계 가공 스크래치가 제거되고 무작위로 미세하게 패인 구조가 얻어지기 때문이다. 이는 균열이 어떤 방향으로 전파하기가 더 어렵다는 것을 의미한다. 둘째로, 표면은 양호한 다듬질 처리를 받게 된다.

이와 달리, 종래 기술에서 알려진 압입 또는 롤러 버니싱 등의 다른 냉간 가공에 의해 변형 경화를 야기하는 표면 처리가 수행될 수 있고, 이에 따라 홀더 본체의 표면이 어느 정도 소성 변형되어, 압축 응력이 홀더 본체의 표면 영역에 발생된다. 바람직하게는, 냉간 가공 작업은 피로 강도의 측면에서 유리한 표면 구조도 달성되도록 실행된다.

선택된 표면 처리의 종류와 관계없이, 표면 처리는 가장 노출된 영역, 즉, 예컨대, 인서트 시트와 그 근처에서 시행되는 것이 바람직하다. 통상 적어도 홀더 본체의 일부분이 심층 경화를 야기하는 경화 공정을 받게 되고, 후에 홀더의 이 부분의 적어도 일부분이 홀더 본체의 표면 영역에 압축 응력을 발생시키기 위해서 표면 처리를 받게 된다. 이와 달리, 경화 공정과 표면 처리 모두가 전체 홀더 본체에 걸쳐 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면, 예컨대 질화침탄된 홀더 본체에 초기 균열의 문제점이 발생되는 인장 항복점의 60 % 이상의 하중에서 종래 기술의 홀더 본체와 비교하여 놀라울만큼 향상된 피로 강도를 갖는 홀더 본체가 얻어지게 된다. 고하중에서 균열 개시 및 전파의 위험은 한편으론 인서트 시트와 그 근처에서, 다른 한편으론 홀더 본체에서 축방향으로 인서트 시트의 뒤에 있는 부분에서 상당히 감소될 수 있다.

상기에 개시된 실시형태에 있어서, 홀더 본체는 회전가능한 드릴의 형태이다. 그러나, 본 발명의 발상은 일반적이고 선삭 공구 및 밀링 공구 등의 칩 제거 기계 가공을 위한 다른 유형의 공구에도 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2 는 본 발명에 따른 대표적인 공구 본체의 드릴 생크, 보다 구체적으로는 소위 단공 드릴용 홀더 본체의 형태의 드릴 생크의 두 측면도를 도시한다.

도 3 은 절삭 인서트를 구비한 드릴의 전방 사시도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명*

11: 드릴 생크

12, 13: 인서트 시트

14, 15: 칩 채널

16: 접선 방향 지지면

17: 축방향 지지면

18: 반경 방향 지지면

19: 추가 공간

20: 반대면

21: 부분 천이부

실시예 1

인덱서블 단공 드릴이, 본 발명에 따라 공구강 SS2242 으로 만들어져 최종 형상 및 치수로 준비되었다. 이들은 960℃ 까지 가열되어 깊이 경화된 후 공기중에서 급랭됨으로써 1520 N/mm² 의 인장 항복점 및 50 HRC 의 경도를 갖게 되었다. 그 후에 상기 공구는 이하의 조건 하에서 전체 홀더 본체에 걸쳐 쇼트 피닝되었다:

입사각: 드릴의 길이방향 축선에 대해 90 도

노즐과 공구 홀더와의 거리: 100 mm

홀더 본체의 회전 속도: 30 rev/min

시간: 60 초

매체: 52 HRC, 둥근 강 구, 0.20 mm

압력 및 유량은 18A 의 알멘값이 얻어지도록 조정되었다.

실시예 2

실시예 1 이 반복되었고 경화에 추가적으로 US 2005/0002744 에 개시된 바와 같이 질화침탄 처리를 하였다.

실시예 3

초경합금 절삭 인서트가 제공된 실시예 1 및 2 의 공구 홀더는 60 mm 깊이의 단공 드릴링 작업으로 시험되었다. 200 m/min 의 속도 및 0.20 mm/rev 의 이송량의 절삭 조건으로 구멍이 SS2541 300 HB 의 소재에 뚫렸다. 이 절삭 조건에서 재료의 인장 항복의 85 % 의 힘이 발생된다. 추가적인 참고예로 상업상 이용가능한 깊이 경화되고 또한 냉 흑화처리된 동일한 유형의 드릴이 시험되었다. 공구 수명 기준은 공구 홀더의 파손으로 하였다.

결과:

참고예: 300 m

실시예2: 50 m

실시예 1: > 1000 m

Claims (11)

1. 초경 합금, 서멧 또는 세라믹 등의 경질 재료의 절삭 인서트를 수용하도록 된 하나 이상의 인서트 시트를 갖는 강재 홀더 본체를 포함하는 금속 가공용 절삭 공구의 제조 방법에 있어서,

   - 홀더 본체의 적어도 일부분을 깊이 경화하는 단계와,

   - 홀더 본체의 표면 영역에 압축 응력을 도입하기 위해 홀더 본체의 이 부분의 적어도 일부에 표면 처리를 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 전체 홀더 본체를 깊이 경화하는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 인서트 시트 및 그 근처에서 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구의 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 전체 홀더 본체를 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 쇼트 피닝에 의해 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구의 제조 방법.
6. 초경 합금, 서멧 또는 세라믹 등의 경질 재료의 절삭 인서트를 수용하도록 된 하나 이상의 인서트 시트 (12, 13) 를 갖는 강재 홀더 본체 (11) 를 포함하는 금속 가공용 절삭 공구로서,

   홀더 본체의 적어도 일부분은 깊이 경화되어 있고, 그 홀더 본체의 이 부분의 적어도 일부가 변형 경화 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 홀더 본체는 바람직하게는 그 단면 전체에 걸쳐 40 HRC 이상의 경도를 갖는 드릴의 일부분인 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 홀더 본체는 그 표면에서 측정했을 때 36 HRC 이상의 경도를 가지며 밀링 또는 선삭 작업용 공구의 일부분인 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면은 바람직하게는 쇼트 피닝의 결과로서 무작위로 미세하게 패인 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 표면은 전체 홀더 본체에 걸쳐 무작위로 미세하게 패인 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 무작위로 미세하게 패인 구조는 인서트 시트 및 그 근처에 존재하는 것을 특징으로 하는 금속 가공용 절삭 공구.

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