KR101239045B1 - 비대칭 회전 절삭 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명의 회전 절삭 공구는 회전축을 따라 연장하는 드릴 바디와, 상기 회전 축을 중심으로 하여 반경 방향으로 돌출되는 3개의 랜드부를 포함한다. 상기 드릴 바디의 외주면에는 3개의 플루트가 형성되어 있다. 본 발명의 회전 절삭 공구는 3개의 절삭날을 가지는데, 절삭날은 각 랜드부에서 회전 축으로부터 반경 외측 방향으로 연장된다. 3개의 랜드부의 외연부에는 회전 지지부 또는 마진부가 각각 형성되어 있다. 본 발명의 회전 절삭 공구에서, 3개의 분할각은 서로 동일하지 않으며, 3개의 분할각을 각각 120+A°, 120°, 120-A°라고 할 때, A의 값은 6±0.5°인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 회전 절삭 공구는 3개의 마진부의 폭을 각각 Wa, Wb, Wc라 할 때, Wa = Wb > Wc의 관계식을 만족한다.

Description

비대칭 회전 절삭 공구 {ASYMMETRICAL ROTARY CUTTING TOOL}

본 발명은 3개의 절삭날을 가지는 회전 절삭 공구에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 3개의 절삭날이 비대칭적으로 배치되어 있는 회전 절삭 공구에 관한 것이다.

종래, 절삭 속도 향상을 위해 절삭날을 2개에서 3개로 하는 것이 알려져 있고, 이러한 3개의 절삭날을 가지는 드릴은 외주면에 플루트 3개가 대칭적으로 형성되어 있다. 그러나 이러한 플루트 3개를 갖는 3날 드릴은 플루트가 2개인 드릴에 비해 칩 배출(chip evacuation) 공간이 줄어들어, 칩 배출이 원활히 이루어지지 못한다는 문제가 있다. 절삭 가공시 생성되는 긴 칩은 드릴의 회전 운동을 방해하여 절삭 성능에 영향을 준다. 즉, 절삭날이 증가함에 따라 칩 배출이 원활하게 이루어지지 않게 되면, 절삭 공구의 회전 속도가 감소하게 된다. 또한, 절삭 가공시 절삭날의 모서리(랜드부 선단부)는 높은 절삭 부하(cutting load)를 받게 되는데, 절삭 부하가 커질수록 마모가 심하여 공구 수명이 짧아지고 회전 속도 또한 감소한다. 따라서, 회전 절삭 공구에 있어서, 가공 중 절삭 부하를 감소시킬 것이 요구된다. 절삭 부하를 감소시키기 위한 노력으로서, 회전 절삭 공구의 랜드부에 지지부 또는 마진부를 제공하는 것이 알려져 있다. 랜드부에 마진부를 제공함으로써, 마진부가 가공 중 발생하는 힘을 지지해주는 역할을 하여 랜드부 선단부에 가해지는 부하가 감소한다. 그러나, 랜드부에 마진부를 제공한 3날 드릴에 있어서도, 절삭 가공 중에는 공구, 공작물 또는 기계의 고유 진동수의 원인에 의해 자려 진동이 발생하는데, 이때 발생하는 규칙적인 진동은 서로 동기화(공진)을 일으켜 가공될 홀의 변형을 일으키거나, 소음을 발생시키는 문제가 있다. 따라서, 가공홀의 변형 및 소음을 억제하고 절삭날에 가해지는 부하를 안정적으로 지지하면서, 절삭 속도의 향상을 도모할 것이 여전히 요구된다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 절삭 가공 중 발생되는 진동을 감소시키고, 절삭날에 가해지는 부하를 안정적으로 지지하여 마모를 방지하고 공구 수명을 증대시키는 3날 회전 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 회전 절삭 공구는 회전축을 따라 연장하는 드릴 바디와, 상기 회전 축을 중심으로 하여 반경 방향으로 돌출되는 3개의 랜드부를 포함한다. 상기 드릴 바디의 외주면에는 3개의 플루트가 형성되어 있다. 본 발명의 회전 절삭 공구는 3개의 절삭날을 가지는데, 절삭날은 각 랜드부에서 회전 축으로부터 반경 외측 방향으로 연장된다. 3개의 랜드부의 외연부에는 회전 지지부 또는 마진부가 각각 형성되어 있다.

본 명세서에서, '분할각'이란, 드릴의 절삭날이 배치되어 있는 단면에 있어서, 회전축의 중심으로부터 하나의 절삭날의 선단 에지를 잇는 연장선과 인접하는 절삭날의 선단을 잇는 연장선이 이루는 각을 말한다. 본 발명의 회전 절삭 공구에서, 3개의 분할각은 서로 동일하지 않으며, 3개의 분할각을 각각 120+A°, 120°, 120-A°라고 할 때, A의 값은 6±0.5°인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 회전 절삭 공구는 3개의 마진부의 폭을 각각 Wa, Wb, Wc라 할 때, Wa = Wb > Wc의 관계식을 만족한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 Wc 값은 Wa (또는 Wb) 값의 절반이다. 즉, Wa = Wb = W 일 때, Wc = W/2 의 관계를 만족한다.

바람직하게, 상기 Wa = Wb = W 값은 0.6 ± 0.2mm 이며, 상기 플루트는 오른쪽으로 비틀린 형상으로 상기 드릴 바디의 외면을 이루고 있다.

본 발명의 회전 절삭 공구에 의하면, 절삭 가공 중 발생되는 진동 및 소음 등을 억제시킬 수 있어, 진원도가 높은 가공 홀을 얻을 수 있음은 물론, 회전 절삭 공구의 절삭 속도 및 절삭 성능이 향상된다. 또한, 공구의 마모가 저감되고, 이에 따라 공구 수명이 증대된다.

도 1은 본 발명에 따른 회전 절삭 공구의 드릴 바디의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전 절삭 공구의 드릴 바디의 선단부를 확대한 도면이다.
도 3은 본 발명의 회전 절삭 공구의 단부면의 중앙 영역을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 회전 절삭 공구의 단부면의 중앙 영역을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명자의 실험 1 조건과 관련된 회전 절삭 공구의 단부면의 중앙 영역을 확대한 도면이다.
도 6은 부등 분할각(A)의 크기와 D 값(힘의 작용 방향에 이웃하는 2개의 절삭날에 가해지는 하중의 편차) 간의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명자의 실험 2 조건과 관련된 회전 절삭 공구의 단부면의 중앙 영역을 확대한 도면이다.
도 8은 마진부의 폭(W)과 전체 접촉력[F(total)] 및 D값(힘의 작용 방향에 이웃하는 2개의 절삭날에 가해지는 하중의 편차) 간의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 회전 절삭 공구의 드릴 바디를 도시하고, 도 2는 드릴 바디의 선단부를 확대한 것이다. 본 발명의 회전 절삭 공구는 비틀림 홈을 갖는 트위스트 드릴로서, 오른쪽 나선형(right helix), 오른쪽 절삭형(right cutting) 드릴을 예시로 하여 설명한다. 회전 절삭 공구는 회전축(10)을 따라 연장하는 드릴 바디(2)를 갖는다. 절삭 가공시, 회전 절삭 공구는 회전축(10)을 중심으로 하여, 도 2에서 화살표 R로 표시된 방향으로 회전한다. 드릴 바디(2)는 회전축(10)을 중심으로 하여 반경 방향으로 돌출된 3개의 랜드부(12a, 12b, 12c)를 포함한다. 드릴 바디(2)의 선단부 꼭지점, 즉, 회전축과 맞닿는 지점은 치즐부(20)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 치즐부(20)는 3개의 랜드부(12a, 12b, 12c)를 연결한다. 랜드부(12)는, 도 1에서 도시된 바와 같이, 치즐부(20)를 중심으로 하여 드릴 바디(2)의 반경 방향으로 비스듬하게 하향 연장되며, 돌출된 3개의 랜드부(12a, 12b, 12c)의 사이에는 플루트(14a, 14b, 14c)가 연결되어 있다. 이 실시예에서 플루트(14)는 오른쪽으로 비틀린 형상(right helix)으로 드릴 바디(2)의 외면을 이루고 있다. 랜드부(12a, 12b, 12c)의 외측 에지부에는 절삭 가공 중 발생하는 힘을 지지해주는 회전 지지부인 마진부(18a, 18b, 18c)가 형성된다.

도 3은 도 2의 회전 절삭 공구의 단부면을 나타낸 도면이다. 도 3에서 3개의 2점 쇄선 사이의 각은 모두 120°이다. 3개의 절삭날(16a, 16b, 16c) 모두가 도 3의 2점 쇄선에 일치하고 있는 것은 아니라는 점으로부터, 3개의 절삭날(16a, 16b, 16c)이 비대칭적으로 배치되어 있음을 알 수 있다.

절삭 가공에서 흔히 발생되는 진동은, 단속 가공 형상의 피삭재, 인선의 구성인선의 탈락 반복, 치구의 언발란싱, 주축 구동 모터 및 구동력을 전달하는 기어 등의 진동 등의 원인에 의해 발생되는 강제 진동과, 공구나 공작물 또는 기계의 고유 진동수의 원인에 의한 자려 진동으로 구별된다. 회전 절삭 가공시, 절삭날이 대칭적으로 배치되어 있는 경우, 드릴 고유의 진동수에 의한 자려 진동이 문제된다. 즉, 각 절삭날이 서로 대칭적으로 배치된 경우에는 가공 중 각 절삭날에 일정한 진동이 발생하게 되며, 이러한 규칙적인 진동은 서로 동기화(공진)의 원인이 된다. 그러나, 본 발명은 절삭날을 비대칭적으로 배치(120°,120 + A°,120 - A°)하여 가공 중의 힘의 방향을 한 방향(분할각이 가장 큰 각의 방향)으로 지속적으로 유도함으로써, 진동의 동기화로 발생되는 가공 홀의 변형(가공 홀의 다각형 또는 국화빵 형상의 변형원 생성)이나 소음 등을 억제시켜, 진원도가 높은 가공 홀을 얻을 수 있음은 물론이고, 공구 수명의 증대 또한 기대할 수 있도록 한 것이다.

즉, 본 발명에서 3개의 절삭날(16a, 16b, 16c) 사이의 분할각은 각기 다르며, 구체적으로 제1 절삭날(16a)과 제2 절삭날(16b) 사이의 분할각은 120°보다 크고, 제2 절삭날(16b)과 제3 절삭날(16c) 사이의 분할각은 120°보다 작으며, 제3 절삭날(16c)과 제1 절삭날(16a) 사이의 분할각은 120°이다. 보다 구체적으로, 제1 절삭날(16a)과 제2 절삭날(16b) 사이의 분할각을 120+A°, 제2 절삭날(16b)과 제3 절삭날(16c) 사이의 분할각을 120-A°, 제3 절삭날(16c)과 제1 절삭날(16a) 사이의 분할각을 120°라 할 때, A=6±0.5°로 하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 회전 절삭 공구의 단부면의 중앙 영역을 확대한 도면이다. 3개의 랜드부(12a, 12b, 12c)의 외측 에지부에는 각각 마진부(18a, 18b, 18c)가 형성된다. 마진부(18a, 18b, 18c)는 회전 절삭 가공 중에 가공물과 접촉하게 되는 부분으로서, 가공 중 발생하는 힘을 지지하는 역할을 한다. 도 4에서, 제1 마진부(18a)의 폭을 Wa, 제2 마진부(18b)의 폭을 Wb, 제3 마진부(18c)의 폭을 Wb라 할 때, 3개의 마진부(18a, 18b, 18c) 중 2개의 마진부(18a, 18b)의 폭(Wa, Wb)은 동일하나, 나머지 하나의 마진부(18c)의 폭(Wc)은 이와 다르다. 제3 마진부(18c)의 폭(Wc)은 제1 및 제2 마진부(18a, 18b)의 폭(Wa, Wb)보다 작고, 바람직하게는 제1 및 제2 마진부(18a, 18b)의 폭(Wa, Wb)의 대략 1/2이다. 보다 구체적으로, 제1 및 제2 마진부(18a, 18b)의 폭(Wa, Wb)을 0.6 ± 0.2mm로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 회전 절삭 공구의 분할각과 마진부의 폭에 대한 기술적 효과를 실험예를 통해 설명한다.

다음과 같은 조건으로, 3개 절삭날의 분할각 및 마진부의 폭(W)을 변화시키면서 실험을 수행하였다.

-시험 공구: SHD3F-E <대칭 분할각>, SHD3F-UE <비대칭 분할각>

-시험 조건: V=100m/min, f=0.4mm/rev, SCM4, External coolant

-시험 결과: 공구 수명 SHD3F-UE(90.8m) > SHD3F-E(81m)

[실험 1]

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 드릴의 3개의 분할각을 각각 120°, 120 + A°, 120 - A°로 한 상태에서, A값을 4°내지 8°로 변화시켜 가면서 실험예의 조건을 다르게 하였다. 이때, 3개의 마진부의 폭(W)은 모두 W=0.6mm로 동일하게 유지하였다. 이러한 조건의 회전 절삭 공구의 실험예에 대하여, 절삭 가공시 3개의 절삭날이 받는 하중(F1, F2, F3)을 측정하였으며, 그 결과는 다음의 표 1에 나타내어진다.

표 1에서 F는 각 절삭날이 받는 하중(접촉력)을 의미한다. 즉, F(16a)는 절삭날(16a)이 받는 접촉력, F(16b)는 절삭날(16b)가 받는 접촉력, F(16c)은 절삭날(16c)가 받는 접촉력을 나타낸다. 한편, 표 1에서 F의 단위는 Kgf 이다.

실험예 No.	A	W	F(16a)	F(16b)	F(16c)	F(total)	D(%)
1	4	0.6	96.46	90.35	80.94	267.75	2.28
2	5	0.6	92.38	89.91	78.90	261.19	0.95
3	6	0.6	92.22	90.40	77.01	259.63	0.7
4	7	0.6	92.68	86.16	71.58	250.42	2.6
5	8	0.6	92.48	84.18	75.28	251.94	3.3

위 표 1에서, 5개의 샘플에 대하여 각 절삭날이 받는 하중의 합력 F(total)을 구해보면, 절삭 가공 중에 공구가 받는 힘의 방향(이하, "힘의 작용 방향"이라함)은 제1 절삭날(16a)과 제2 절삭날(16b)의 사이임을 알 수 있으며, 이는 곧 힘의 작용 방향이 분할각이 가장 큰 각(120 + A°)의 방향이라는 것을 의미한다.

한편, 표 1에서 D는 힘의 작용 방향인 가장 큰 분할각(120+A)에 이웃하는 2개의 절삭날(16a, 16b)이 받는 하중의 편차 즉, 절삭날(16a) 및 절삭날(16b)의 접촉력[F(a), F(b)]의 차이이다. D를 계산해보면, 힘의 작용 방향에 이웃하는 2개의 절삭날에 힘이 고르게 분포하는지 여부를 알 수 있다. 표 1의 F(16a) 및 F(16b) 값을 전체 접촉력의 값 F(total)으로 나누면, 전체 접촉력에 대한 각 절삭날의 접촉력의 비율(%)을 구할 수 있는데, 표 1에서는 전체 접촉력에 대한 절삭날(16a)의 접촉력의 비율(%)과 전체 접촉력에 대한 절삭날(16b)의 접촉력의 비율(%)의 차이로서 D를 나타내었다. D가 클수록 어느 하나의 절삭날에 하중이 집중됨을 의미하며, 하중이 어느 절삭날에 집중된다면 이 절삭날은 다른 절삭날에 비해 마모가 심하므로 공구 수명이 짧아진다.

도 6은 부등 분할각의 크기가 D값에 미치는 영향을 조사한 그래프이다. 도 6 및 표 1을 참조하면, 본 발명의 범위인 실험예 3의 경우, D 값이 가장 작게 나타나고, 실험예 3의 A=6°를 전후로 하여 D 값이 증가함을 확인할 수 있다. 이와 같이, 부등 분할각 A를 6±0.5°로 함으로써, 힘의 작용 방향에 이웃하는 두 절삭날(16a, 16b)에 작용하는 힘이 고르게 됨을 알 수 있다. 이로써, 어느 한 쪽의 절삭날에 힘이 집중되어 마모를 야기하고 이에 따라 수명이 감소되는 것을 방지할 수 있는 효과가 제공된다.

반면, 실험예 1 및 실험예 2의 경우는 작은 부등 분할각(각각 A = 4°, 5°)이 적용되어 절삭 공구에 작용하는 힘의 방향 변화가 적게 나타나며, 전체 접촉력 또한 다른 실시예에 비해 크게 작용함을 알 수 있다. 또한, 실험예 4 및 실험예 5의 경우에는, 큰 부등 분할각(각각 A = 7°, 8°)이 적용되므로, 공구에 작용하는 힘의 방향 변화는 커진다. 이에 따라, 실시예 4 및 5의 전체 접촉력은 작아지지만, 가장 작은 분할각(각각 113°, 112°)을 갖게 되는 절삭날(16c) 방향의 경우에는 랜드부 두께가 감소하게 되므로, 이는 공구의 강성을 감소시키는 원인이 된다.

[실험 2]

다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 3개 절삭날의 마진부의 폭을 달리하면서 다음과 같은 실험을 수행하였다. 이 때, 힘의 작용 방향의 이웃하는 두 절삭날(16a, 16b)의 마진부의 폭은 동일하게 하고(Wa = Wb), 나머지 마진부의 폭(Wc)을 이보다 작게 하여 (즉, Wa = Wb > Wc), 절삭 공구에 작용하는 힘의 배분력을 상쇄시키는 역할을 하도록 설정하였다. 제1 절삭날(16a)과 제2 절삭날(16b)의 마진부의 폭(Wa, Wb)을 W라 할 때, W를 0.2mm, 0.6mm, 1.0mm 로 변화시켜 가면서 실험예의 조건을 다르게 하였다. 이 때, 모든 실험예에서 회전 절삭 공구의 3개의 분할각(120°, 120 + A°, 120 - A°)은 A = 6±0.5°로 하여 동일하게 유지하였다.

상기 조건의 회전 절삭 공구의 실험예에 대하여, 절삭 가공시 3개의 절삭날이 받는 하중(F1, F2, F3)을 측정한 결과는 다음의 표 2와 같다. 표 2에서 F의 단위는 kgF이다.

실험예 No.	W (mm)	A(°)	F(16a)	F(16b)	F(16c)	F(total)
1	0.2	6	90.95	86.23	78.72	255.9
2	0.6	6	97.5	92.58	80.82	270.9
3	1.0	6	110.04	108.79	96	314.83

마진부는 절삭 가공시 절삭날에 가해지는 힘을 지지해주는 역할을 하므로, 각 절삭날의 마진부폭이 커지면 전체 접촉력도 커지게 된다. 전체 접촉력이 적정 수준으로 유지되면 안정적으로 지지됨을 의미하나, 마진부의 폭이 적정 수준보다 크게 되는 경우, 전체 접촉력의 증가로 인한 가공 중 부하 증가로 이어져 공구 수명의 저하를 초래하게 된다. 반대로, 마진부의 폭이 적정 수준보다 작다면, 가공 중 발생되는 힘을 받아주는 지지부 역할을 할 수 없게 된다. 따라서, 적절한 마진부의 폭 선정에 있어서, 전체 접촉력에 따른 부하 증가 여부와 지지 역할의 상관 관계를 고려하는 것이 중요하다.

도 8은 제1 절삭날(16a)과 제2 절삭날(16b)의 마진부의 폭 W이 전체 접촉력[F(total)] 및 D값에 미치는 영향을 조사한 그래프이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 마진부의 폭 W이 0.4 내지 0.8 mm 일 때, 힘의 작용 방향에 대해 이웃하는 2개의 절삭날(16a, 16b)에 작용하는 힘의 편차 D가 작으면서도, 이러한 접촉력의 반력 역할을 안정적으로 수행할 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 마진부의 폭 W을 W = 0.6±0.2 mm로 함으로써 가공 중 발생되는 힘을 안정적으로 지지하면서 회전 절삭 가공이 원활하게 이루어지도록 하는 효과를 제공한다.

반면에, 실험예 3 (W = 1.0 mm)의 경우, 접촉력이 매우 크게 나타남을 알 수 있는데, 이는 절삭 가공시 절삭날에 가해지는 부하의 증가로 이어지므로 공구의 수명 저하를 초래하게 된다. 또한, 실험예 1(W = 0.2 mm)은 전체 접촉력은 가장 작지만, 마진부의 폭이 작아 가공중 지지 역할을 하기에 불충분한 점이 있다.

이와 같이, 본 발명은 3개의 절삭날이 비대칭적으로 배치된 회전 절삭 공구의 형상에 있어서 적정한 분할각 및 적정한 마진부의 폭을 갖는 것을 특징으로 한다. 적정 분할각의 범위에서 비대칭적으로 배치된 3개의 절삭날을 구비함으로써, 가공 중 발생하는 진동 및 소음을 억제하여 진원도 높은 가공 홀을 얻을 수 있고, 본 발명의 분할각 범위에서 절삭날에 작용하는 힘이 비교적 고르기 때문에, 마모 방지 및 공구의 수명이 증대되는 효과를 제공한다. 또한, 적정 마진부의 폭을 가짐으로써 가공 중 절삭날에 가해지는 부하에 대한 지지 역할을 안정적으로 수행할 수 있다. 이러한 이점은 궁극적으로 회전 절삭 공구의 절삭 성능 향상으로 이어져, 본 발명의 회전 절삭 공구에 의한 가공물의 작업 완성도 또한 향상된다.

2: 드릴 바디
10: 회전축
12: 랜드부
14: 플루트
16: 절삭날
18: 마진부
20: 치즐부

Claims (4)

1. 회전 축을 따라 연장하는 드릴 바디와,
   상기 회전 축을 중심으로 반경 방향으로 돌출되는 3개의 랜드부를 포함하는 회전 절삭 공구이며,
   상기 드릴 바디의 외주면에는 3개의 플루트가 형성되어 있고,
   상기 3개의 랜드부는 각각 회전 축으로부터 반경 외측 방향으로 연장되는 절삭날을 포함하고,
   상기 3개의 랜드부의 외연부에는 마진부가 각각 형성되어 있고,
   상기 하나의 절삭날이 인접하는 다른 절삭날과 이루는 분할각은 서로 동일하지 않으며, 세 분할각을 120+A°, 120°, 120-A°라고 할 때, A = 6±0.5°이고,
   상기 3개의 마진부는 마진부의 폭을 각각 Wa, Wb, Wc이라 할 때, Wa = Wb > Wc의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는, 회전 절삭 공구.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 Wc 값은 Wa (또는 Wb) 값의 절반인 것을 특징으로 하는, 회전 절삭 공구.
3. 제2항에 있어서, Wa (또는 Wb)는 0.6 ± 0.2mm인 것을 특징으로 하는, 회전 절삭 공구.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플루트는 오른쪽으로 비틀린 형상으로 상기 드릴 바디의 외면을 이루는 것을 특징으로 하는, 회전 절삭 공구.

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