KR101633227B1

KR101633227B1 - 복합재 가공용 드릴공구

Info

Publication number: KR101633227B1
Application number: KR1020150113623A
Authority: KR
Inventors: 조우진
Original assignee: 조우진
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2016-06-23

Abstract

본 발명은 이종의 소재가 적층된 복합재로 이루어진 피삭재에 구멍을 형성하는 복합재 가공용 드릴공구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선단에 위치하여 복합재에 접촉하여 구멍을 가공하는 커터와, 상기 커터의 후단에 위치하여 커터를 구동시키는 에어공구에 체결되는 어댑터로 이루어지되, 상기 커터와 어댑터는 이종금속으로 이루어지는 것이 특징인 복합재 가공용 드릴공구에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명 복합재 가공용 드릴공구는 이중 포인트 앵글이 적용됨으로써 복합재에 구멍을 형성할 때 박리현상이 발생하지 않으며, 선단은 초경합금으로 이루어지고 어댑터는 열처리재질로 이루어짐으로써 재료비 절감 밀 공구의 수명이 향상되며, 멀티 파셋에 의해 피절삭재와의 마찰이 최소화되어 절삭이 용이하며, 오일홀의 가장자리가 커팅엣지에 접하도록 형성되어 절삭유에 의한 윤활성 및 냉각성이 우수하다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

복합재 가공용 드릴공구{Drill tool for processing composite material}

본 발명은 이종의 소재가 적층된 복합재로 이루어진 피삭재에 구멍을 형성하는 복합재 가공용 드릴공구에 관한 것으로, 특히 메탈(Al, Ti)과 CFRP가 적층되어 복합층으로 이루어진 항공기 등에 사용되는 복합소재 가공에 적합하도록 초경합금재질의 커터와 열처리재질의 어댑터로 이루어진 복합재 가공용 드릴공구에 관한 것이다.

기존의 Al재료로 제작되던 항공기 구조물이 근래에는 경량화를 위해 복합재(CFRP) 외피와 Metal(Al, Ti)보강재로 폭넓게 변경되어 가는 추세이며, Fastener 종류 또한 Riveting이 불가능한 CFRP 소재의 특성과 항공기 외부 공지저항을 줄이기 위해 접시머리 볼트와 너트의 조합으로 변경되어 가는 추세이다.

도 1은 복합재의 가공구멍의 조건을 나타낸 개요도, 도 2는 단일소재 가공용 드릴의 가공시 발생하는 현상을 나타낸 사진이다.

항공기 구조물의 조립은 대부분 Drilling공정이 60%이상이다.

이에 소요되는 Cutter 수의 증가로 공정시간 증가 및 공구비용 증가로 부가가치 실현이 어려움이 있었다.

Hole공차 또한 Tight(Max .03mm이내)하고 CFRP소재는 난삭재로서 Metal 소재와 Multi Stackup으로 구성될 경우 한번에 원하는 치수로 Drilling이 어려워 Hole Size 별로 최소 2~5회의 확공이 이루어진다.

이에 소요되는 커터(Cutter) 수의 증가로 공정시간 증가 및 공구비용 증가로 부가가치 실현이 어려움이 있었다.

그리고 기존의 단일소재 가공용으로 개발된 Cutter Geomety로는 Multi Stackup으로 구성된 항공기 소재에 대응 및, 치수안정성이 불안정하여 Full Size로 한번에 가공이 어려우며, CFRP Part 박리현상, Ti Part 열화현상, Al Part Melt 현상, 가공저항이 심하여 Cutter가 파손되거나 Part가 변형되는 현상이 발생하는 문제점이 발생하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 복합소재 가공용 드릴에 관한 종래기술로는 공개특허공보 제2012-0089685호에 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재에 천공하는 복합 재료용 드릴이며, 선단 절삭날이 형성된 선단부와, 상기 선단부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 선단측 외경 및 당해 선단측 외경보다도 대직경의 후단측 외경의 직경차에 의해 테이퍼 형상으로 형성된 테이퍼부와, 상기 테이퍼부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 상기 테이퍼부의 상기 후단측 외경보다도 대직경의 마무리 가공 직경이 형성 가능해지도록 전체가 동일한 직경으로 형성된 스트레이트부를 갖고, 상기 테이퍼부의 외주에는, 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴이 공개되어 있다.

또 다른 종래기술로는 드릴 본체 및 상기 드릴 본체의 일단부에 형성되는 섕크를 포함하는 복합 소재용 드릴 공구이며, 상기 드릴 본체는 상기 드릴 본체의 축 방향을 따라 나선형으로 형성되는 리브, 상기 리브 사이에 형성되는 칩배출 홈 및 상기 섕크가 형성되지 않은 상기 드릴 본체의 타단부에 형성되는 드릴 헤드를 포함하고, 상기 드릴 헤드는 다단으로 형성되어 계단부를 사이에 두고 제1 절삭날 및 제2 절삭날이 형성되며, 상기 제2 절삭날은 상기 드릴 헤드를 향하는 방향으로 형성되고, 상기 제1 절삭날의 포인트 각은 90° 내지 130°이고, 상기 제2 절삭날의 절입각은 5° 내지 15°이며, 상기 칩배출 홈이 드릴 본체의 회전축과 이루는 비틀림 각은 20° 내지 40°인, 복합 소재용 드릴 공구가 공개되어 있다.

그러나 종래기술에 사용되는 복합소재 가공용 드릴공구는 대부분 소재에 구멍을 뚫는 부분과 에어공구에 결합되는 부분이 동일한 단일 소재로 제조된 것으로, 구멍을 뚫는 부분과 에어공구에 결합되는 부분은 서로 다른 목적으로 구성되어야 하지만 대부분 고가소재로 제조되는 구멍을 뚫는 부분에 기준을 맞추어 드릴이 제조됨으로써 제조비용이 매우 비싸다는 단점이 있으며, 또한 선단이 직선으로 이루어져 있어 트러스트 저항 등에 매우 취약하다는 단점이 있었다.

본 발명 복합재 가공용 드릴공구는 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, CFRP Part 박리현상, Ti Part 열화현상, Al Part Melt 현상, 가공저항이 심하여 Cutter가 파손되거나 Part가 변형되는 현상이 발생하는 것을 방지하는 복합재 가공용 드릴공구을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명 이종의 소재가 적층된 복합재로 이루어진 피삭재에 구멍을 형성하는 복합재 가공용 드릴공구에는 선단에 위치하여 복합재에 접촉하여 구멍을 가공하는 커터와, 상기 커터의 후단에 위치하여 커터를 구동시키는 에어공구에 체결되는 어댑터로 이루어지되, 상기 커터와 어댑터는 이종금속으로 이루어지는 것이 특징이다.

상술한 바와 같이 본 발명 복합재 가공용 드릴공구는 이중 포인트 앵글이 적용됨으로써 복합재에 구멍을 형성할 때 박리현상이 발생하지 않으며, 선단은 초경합금으로 이루어지고 어댑터는 열처리재질로 이루어짐으로써 재료비 절감 밀 공구의 수명이 향상되며, 멀티 파셋에 의해 피절삭재와의 마찰이 최소화되어 절삭이 용이하며, 오일홀의 가장자리가 커팅엣지에 접하도록 형성되어 절삭유에 의한 윤활성 및 냉각성이 우수하다는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 복합재의 가공구멍의 조건을 나타낸 개요도.
도 2는 단일소재 가공용 드릴의 가공시 발생하는 현상을 나타낸 사진.
도 3은 재질별로 요구되는 드릴의 커터형상을 나타낸 개요도.
도 4는 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 개요사진.
도 5는 종래의 드릴공구의 오일홀을 나타낸 사진.
도 6은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 오일홀을 나타낸 사진.
도 7은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 오일홀의 형성부분을 설명하기 위한 일부분 확대 개요도.
도 8은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 이중 포인트 앵글이 적용된 개요도.
도 9는 종래의 드릴공구의 선단 형상을 나타낸 사진.
도 10은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 파셋(Facet)을 나타낸 사진.
도 11은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 치즐엣지(Chisel Edge)를 나타낸 확대사진.
도 12는 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 유선형 날끝 포이트(Thinning Point)를 나타낸 확대사진.

본 발명 이종의 소재가 적층된 복합재로 이루어진 피삭재에 구멍을 형성하는 복합재 가공용 드릴공구(100)는 선단에 위치하여 복합재에 접촉하여 구멍을 가공하는 커터(110)와, 상기 커터(110)의 후단에 위치하여 커터(110)를 구동시키는 에어공구에 체결되는 어댑터(120)로 이루어지되, 상기 커터(110)와 어댑터(120)는 이종금속으로 이루어지는 것이 특징이다.

상기 커터(110)는 선단에 위치하여 직접 피삭재에 접촉하여 구멍을 뚫는 꼭지점인 치즐엣지(115)와, 상기 치즐엣지(115)를 기준으로 하여 후방으로 경사지게 형성된 복수의 파셋(111)으로 이루어져 있되, 상기 파셋(111)은 치즐엣지(115)의 후방으로 완경사면으로 형성된 제1절삭면(111a)과, 제1절삭면(111a)의 후단에 연장되어 급경산면으로 형성된 제2절삭면(111b)으로 이루어지는 것이 특징이다.

또한, 상기 파셋(111) 중 치즐엣지(115)를 기준으로 대칭하는 2개의 파셋(111)에는 각각 절삭유가 유동하는 오일홀(112)이 드릴공구(100)의 길이방향으로 형성되어 있되, 상기 오일홀(112)의 가장자리는 파셋(111)의 커팅엣지(114)에 접하도록 형성되어 있는 것이 특징이다.

그리고 상기 커터(111)와 어댑터(120)는 브래이징(blazing)으로 접합되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 복합재 가공용 드릴공구를 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 재질별로 요구되는 드릴의 커터형상을 나타낸 개요도이다.

항공기의 경우 항공기 부품별, 부위별로 사용되는 소재의 종류와 적층 방식이 상이하여 표준화된 Cutter로는 소재별 특성을 충족하기 어려웠다.

특히, CFRP의 경우 고RPM, 고속FEED, 최소냉각이 필요하며, Al의 경우 중RPM, 중속FEED, 중간냉각이 필요하고, Ti의 경우 저RPM, 저속FEED, 최대냉각이 필요한 특징이 있다.

자재별로 요구되는 최적의 Cutter 형상이 상이하다.

CFRP의 경우 Cutter 선단 Point의 각이 작음(90~120°)

Al - Cutter 선단 Point의 각이 중간(120~135°)

Ti - Cutter 선단 Point의 각이 큼(135~150°)

도 4는 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 개요사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명은 복합재로 이루어진 항공기 제조시 사용되는 복합재 가공용 드릴공구(100)에 관한 것으로, 본 발명 드릴공구(100)는 선단에 위치하여 복합재에 접촉하여 구멍을 가공하는 커터(110)와, 상기 커터(110)의 후단에 위치하여 커터(110)를 구동시키는 에어공구에 체결되는 어댑터(120)로 이루어져 있다.

어댑터(120)는 커터(110)의 후단에 접하는 몸통(121)과, 상기 몸통(121)의 후단의 외주연에 에어공구와 나사체결이 되는 나사면(122)으로 형성되어 있다.

특히, 상기 커터(110)와 어댑터(120)는 이종금속으로 이루어져 있는 것이 특징이다.

상세하게는, 항공기에 사용되는 CFRP재에 적합하도록 상기 커터(110)는 초경합금으로 이루어져 있다.

그러나 초경합금은 가격이 고가이기에 에어공구와 체결되는 어댑터(120)는 초경합금에 비해 비교적 가격과 경도가 상대적으로 낮은 SMC 4종 계열을 열처리한 것으로 이루어져 있는 것이 특징이다.

SMC는 크롬몰리브덴강을 가리키는 것으로, SMC 4종 계열은 탄소함유량이 0.38∼0.43중량% 함유하고 있는 것이다.

SMC 4종의 열처리는 고주파 열처리하여 경도를 강화시켰다.

상기 커터(111)와 어댑터(120)는 블래이징(Blazing)으로 접합되어 있다.

블래이징(Blazing)은 모재를 전혀 녹이지 않고 모재보다 용융점이 낮은 금속(플럭스;Flux)을 녹여 접합부 사이에 표면장력에 의한 흡인력으로 접합시키는 방법이다.

즉, 커터(110)와 어댑터(120)의 접합면(130)에 은납을 첨가하여 열을 가함으로써 커터(110)와 어댑터(120)를 서로 접합시키는 것으로, 보다 견고하게 접합되도록 커터(110) 또는 어댑터(120) 중 어느 하나의 접합면(130)에 돌출부를 형성하고, 상기 돌출부에 대응하도록 다른 하나의 접합면(130)에는 홈부를 형성하였다.

한편, 접합을 하기 전 접합면(130)에 구리스를 바르도록 한다.

특히, 본 발명에서는 커터(110)의 후단을 뾰족한 V형상의 돌출부를 형성하고, 어댑터(120)의 전단에 V홈부를 형성하여 서로 견고한 접합이 이루어지도록 하였다.

은납은 은-구리-아연합금으로 은-구리합금도 이에 포함되며, 유동성이 좋으며, 홈이 없는 납땜부를 만들 수 있으며, 납땜한 자리의 강도와 연성이 우수하고, 납땜자리가 은백색으로 미관상 우수하며, 경납이지만 녹늑점이 대단히 낮은 특성이 있다.

상기 어댑터(120)는 커터(110)의 후단에 직접 접하는 원통형상의 몸통(121)과, 상기 몸통(121)의 후단부 외주연에 나사면(122)이 형성되어 있는 것으로, 상기 나사면(122)에 의해 에어공구와 나사결합되는 것이다.

도 5는 종래의 드릴공구의 오일홀을 나타낸 사진이며, 도 6은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 오일홀을 나타낸 사진이고, 도 7은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 오일홀의 형성부분을 설명하기 위한 일부분 확대 개요도이다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 드릴공구(100)에는 치즐엣지(115)를 기준으로 대칭하는 2개의 파셋(111)에는 각각 절삭유가 유동하는 오일홀(112)이 드릴공구(100)의 길이방향으로 형성되어 있다.

그러나 종래의 오일홀(112)은 도 5에 도시된 바와 같이 커팅엣지(114)로부터 비교적 먼 위치에 형성되어 있으나, 커팅엣지(114)의 냉각성 및 윤활성 극대화를 위해 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 오일홀(112)의 가장자리는 복수의 파셋(111)에 의해 형성된 커팅엣지(114)에 접하도록 형성되어 있다.

파셋(Facet)은 보석 따위의 깎인 면을 가리키는 것으로, 본 발명에서는 드릴공구(100)에 형성된 깎인 면을 가리킨다.

한편, 이론상으로는 커팅엣지(114)에 오일홀(112)이 접하는 것이 가장 효율적이 우수하나, 오일홀(112)이 커팅엣지(114)에 접하고 있으며 재사용을 위해 커팅엣지(114) 가공시 파손되기 때문에 실질적으로는 주 여유면 폭(Primary Relief Width)의 1/2 이내에 형성되는 것이 바람직하다.

도 8은 종래의 드릴공구의 선단 형상을 나타낸 사진, 도 9는 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 파셋을 나타낸 사진, 도 10은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 이중 포인트 앵글이 적용된 개요도이다.

커터(110)는 원기둥형상으로 직접 접촉하여 재료에 구멍을 뚫도록 가장 선단에 위치한 치즐엣지(115)를 기준으로 후방으로 복수의 파셋(111)이 경사지게 형성되어 있다.

그리고 상기 파셋(111)의 후단에는 내주면의 절삭 및 깎여진 칩의 배출통로인 커팅로(113)가 나선형 골형상으로 형성되어 있으며, 상기 복수의 파셋(111)은 도 8에 도시된 바와 같이 커팅엣지(114)의 후방 여유면을 큰 각도로 면삭처리하여 피삭재와의 마찰최소화, 칩배출 향상을 위해 12면으로 형성되어 있다.

즉, 상기 커터(110)는 가장 선단에 위치하여 직접 재료에 접촉하여 구멍을 뚫는 꼭지점인 치즐엣지(115)를 중심으로 하여 원주방향으로 복수의 파셋(111)이 경사지게 형성되어 있는 것으로, 상기 파셋(111)은 치즐엣지(115)의 후방으로 완경사면으로 형성된 제1절삭면(111a)과, 제1절삭면(111a)의 후단에 연장되어 급경산면으로 형성된 제2절삭면(111b)으로 이루어지는 것이 특징이다.

도 10에 도시된 바와 같이 복합재와 메탈의 이중재질 구조물에 적합하도록 인성이 높은 메탈을 가공하기 위해서는 공구각이 커야하고, 복합재의 박리현상을 방지하기 위해서는 공구각이 작아야 하는 조건을 만족시키기 위해 이중각을 적용하였다.

이에, Al과 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic)가 적층되어 있는 경우 제1절삭면은 하층의 AL층의 절입에 적합하도록 120∼135°로 형성하고, 제2절삭면은 30∼90°로 형성하여 드릴의 가장자리가 상층의 CFRP를 뚫고 나올 때, 바닥면에 박리현상이 생기지 않도록 한다.

또한, Ti과 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic)가 적층되어 있는 경우 제1절삭면은 하층의 Ti의 절입에 적합하도록 135∼150°로 형성하고, 제2절삭면은 30∼90°로 형성하여 드릴의 가장자리가 상층의 CFRP를 뚫고 나올 때, 바닥면에 박리현상이 생기지 않도록 한다.

도 11은 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 치즐엣지(Chisel Edge)를 나타낸 확대사진이다.

도 11에 도시된 바와 같이 커터(110)의 최초 절입 시, 자리잡기를 수월하게 하고, 트러스트 저항을 최소화하기 위해 치즐엣지(115)의 폭을 0.03mm 이내로 하였다.

치즐엣지(115)의 폭이 0.03mm를 초과하면 날끝이 너무 무뎌 자리잡기가 어렵다.

도 12는 본 발명 복합재 가공용 드릴공구의 유선형 날끝 포이트(Thinning Point)를 나타낸 확대사진이다.

일반적으로 커터(110)의 선단은 직선으로 이루어져 있으나 본 발명의 복합재 가공용 드릴공구의 선단은 도 11에 도시된 바와 유선형 날끝 포이트(Thinning Point)를 적용하였다.

즉, 선단에서 본 형상이‘S’형상이 되도록 하여 피삭재에 접촉하는 부분이 볼록한 곡선을 이루어지도록 형성하여 커터(110)의 회전저항감소, 포인트 내마모성 증대, 칩 브레이킹 능력향상시켰다.

100. 드릴공구
110. 커터 111. 파셋 111a. 제1절삭면
111b. 제2절삭면 112. 오일홀 113. 커팅로
114. 커팅엣지 115. 치즐엣지
120. 어댑터 121. 몸통 122. 나사면
130. 접합면

Claims

상기 드릴공구(100)는 선단에 위치하여 복합재에 접촉하여 구멍을 가공하는 커터(110)와, 상기 커터(110)의 후단에 위치하여 커터(110)를 구동시키는 에어공구에 체결되는 어댑터(120)로 이루어지되, 상기 커터(110)와 어댑터(120)는 이종금속으로 이루어져 이종의 소재가 적층된 복합재로 이루어진 피삭재에 구멍을 형성하는 복합재 가공용 드릴공구에 있어서,
상기 커터(110)는 선단에 위치하여 직접 피삭재에 접촉하여 구멍을 뚫는 꼭지점인 치즐엣지(115)와, 상기 치즐엣지(115)를 기준으로 하여 후방으로 경사지게 형성된 복수의 파셋(111)으로 이루어져 있되, 상기 파셋(111)은 치즐엣지(115)의 후방으로 완경사면으로 형성된 제1절삭면(111a)과, 제1절삭면(111a)의 후단에 연장되어 급경사면으로 형성된 제2절삭면(111b)으로 이루어지는 것으로,
피삭재가 Al과 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic)가 적층되어 있는 경우 상기 제1절삭면은 하층의 AL층의 절입에 적합하도록 120∼135°로 형성하고, 제2절삭면은 30∼90°로 형성하며,
또한, 피삭재가 Ti과 CFRP(Carbon fiber reinforced plastic)가 적층되어 있는 경우 제1절삭면은 하층의 Ti의 절입에 적합하도록 135∼150°로 형성하고, 제2절삭면은 30∼90°로 형성함으로써 드릴의 가장자리가 상층의 CFRP를 뚫고 나올 때, 바닥면에 박리현상이 생기지 않도록 하고,
상기 커터(110) 또는 어댑터(120) 중 어느 하나의 접합면(130)에 돌출부를 형성하고, 상기 돌출부에 대응하도록 다른 하나의 접합면(130)에는 홈부를 형성하되, 커터(110)와 어댑터(120)는 블래이징으로 서로 접합되는 것으로,
상기 커터(110)의 최초 절입 시, 자리잡기를 용이하게 하고, 트러스트 저항을 줄이기 위해 치즐엣지(115)의 폭을 0.03mm 이내로 형성하는 것이며,
상기 복수의 파셋(111) 중 치즐엣지(115)를 기준으로 대칭하는 2개의 파셋(111)에는 각각 절삭유가 유동하는 오일홀(112)이 드릴공구(100)의 길이방향으로 형성되어 있되, 상기 오일홀(112)의 가장자리는 파셋(111)의 커팅엣지(114)에 접하도록 형성되어 있는 것이 특징인 복합재 가공용 드릴공구.
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