KR20060037392A

KR20060037392A - 드릴

Info

Publication number: KR20060037392A
Application number: KR1020067001466A
Authority: KR
Inventors: 베른하르트 보르셰르트; 울리히 크렌처; 라이너 뷔트너
Original assignee: 케나메탈 아이엔씨.
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2006-05-03
Also published as: DE10333340A1; MXPA06000797A; EP1648642B1; CN1809437A; JP2006528078A; CN100427252C; US7476067B2; ATE386602T1; PL1648642T3; JP4802095B2; BRPI0412870A; EP1648642A1; WO2005018857A1; CA2533017C; US20060204345A1; DE502004006264D1; CA2533017A1; ES2300786T3

Abstract

본 발명은 2개 이상의 절삭 에지(7, 8) 및 상기 절삭 에지(7, 8)로부터 각각 샤프트의 한 쪽 단부(6)를 향하여 연장되며 적어도 부분적으로 나선형인 절삭홈(cutting groove)(9, 10)을 포함하는 드릴에 관한 것이다. 본 발명에 따른 드릴은 또한 상기 샤프트의 단부(6)에서 시작되어 공구축(A)에 평행하게 연장되는 냉각 채널(13, 14)을 포함한다. 상기 냉각 채널(13, 14)의 배출구(15, 16)는 상기 절삭홈(9, 10) 내에 배치되며 상기 절삭 에지(7, 8)를 향한다.

Description

드릴{DRILL}

본 발명은 2개 이상의 절삭 에지 및 상기 절삭 에지들로부터 공구의 한 쪽 샤프트 방향으로 연장되며 적어도 부분적으로 나선형인 절삭홈을 포함하는 드릴 공구, 특히 금속 재료용 드릴 공구에 관한 것이다. 그러한 방식의 드릴이 예컨대 EP 0 750 960 B1으로부터 공지되어 있다.

절삭 공구, 특히 드릴은 주로 냉각 윤활제를 사용하여 구동되며, 상기 냉각 윤활제는 공구 내에 제공된 냉각 채널을 통해 공구의 절삭 에지(들)에 공급된다. EP 0 750 960 B1으로부터 공지된 공구의 경우, 샤프트 단부에서 시작되는 중앙 냉각 채널이 다수의 부분 채널들로 분할되고, 상기 부분 채널들에는 드릴의 절삭측 단부에서 직각으로 꺾이는 홈 형태의 연결 채널들(connecting channels)이 연결된다. 그럼으로써 냉각제 공급관이 매우 복잡하게 형성된다.

본 발명의 목적은, 구조적으로 매우 간단하게 형성되면서 효과적인 냉각제 공급관을 가진 드릴을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징들을 가진 드릴을 통해 달성된다. 상기 드릴은 2개 이상의 절삭 에지 및 상기 드릴의 절삭측 단부로부터 샤프트 단부 방향으로 연장되며 적어도 부분적으로 나선형인 절삭홈들을 포함한다. 각각의 절삭날에 냉각 채널이 할당되고, 상기 냉각 채널은 냉각제 또는 냉각 윤활제가 공구 길이 방향으로 절삭 에지로 직접 안내되는 방식으로 샤프트 단부에 있는 유입구에서부터 절삭홈에 있는 배출구까지 연장된다. 상기 냉각 채널은 그의 전체 길이에 있어서 완전히 또는 거의 직선으로 연장되며, 적어도 실질적으로 공구 축으로부터 평행하게 이격된다.

절삭 에지의 개수에 상응하게 2개 이상의 냉각 채널이 완전히 직선으로 형성되는 것은 드릴의 경제적인 제조에 유리하다. 또 다른 측면에서 연속적으로 직선인 냉각 채널들은 특히 공기/오일 혼합물로 작용하는 극미량 윤활(Minimal quantity lubrication)에서 유체공학적 장점을 갖는다. 이 경우, 저항이 적은 유동 외에도 드릴 내부에 냉각제용 배플(baffle)이 생략된다는 점이 특히 중요하다. 특히 예연(sharp-edged) 배플에서 발생할 수 있는 오일-공기 혼합물의 분리가 방지된다. 따라서 공구는 가공 속도가 높은 경우에도 매우 적은 양의 오일로 사용될 수 있다.

냉각 윤활제가 공구 끝단(tool tip)으로부터 축방향으로 역변위된 냉각 채널의 배출구로부터 절삭 에지로 안내됨으로써, 상기 공구의 또 다른 장점들이 획득된다.

기계적으로 하중을 특히 많이 받는 공구 끝단 영역에서 나타나는 공구의 약화는 공구 샤프트의 방향으로 역변위된 냉각제 채널의 배출구들에 의해 저지된다. 공구 둘레에서 절삭 에지와 경계를 이루는 절삭 에지 코너(cutting edge corner)와 냉각 채널의 배출구의 중심 사이의 축방향 간격이 공구 직경의 최소 75%이고 최대 두 배인 것이 바람직하다.

냉각제가 적어도 실질적으로 공구의 길이 방향으로 배출됨으로써, 예컨대 공구 외부면에서 냉각제 방출이 이루어지는 경우에 비해, 가공될 공작물에 드릴이 정렬될 때 이미 냉각 및/또는 윤활 작용이 이루어진다는 장점이 얻어진다. 그에 반해, 운동 성분을 가진 냉각 윤활제를 반경방향으로 외부로 배출시키는 배출구가 공구 둘레에 배치된 경우에는, 상기 배출 개구를 포함하여 드릴이 공작물 내로 침투되기 전까지는 냉각 윤활제의 요구된 효력이 달성되지 않는다.

절삭 동작에서 냉각 채널들을 통해 안내된 냉각 윤활제는 바람직하게 절삭 에지에 직접 이르지 않고, 상기 절삭 에지에 형성된 칩(chip) 또는 상기 칩과 경사면(cutting face) 사이에 닿는다. 공구의 횡단면에서 볼때, 냉각 채널의 배출구와 절삭 에지 사이의 비틀림 각은 바람직하게 최소 -20°및 최대 +45°이고, 특히 최소 -5°및 최대 +15°이다. 이때, 상기 비틀림 각은 공구의 회전시 냉각 채널의 배출구가 절삭 에지보다 앞서는 경우에 양(+)의 값으로 정의된다. 절삭 에지가 냉각 채널들의 배출구로부터 배출되는 냉각 윤활제에 의해 직접 냉각되지 않는 경우, 절삭 동작시 고온이 발생할 수 있다. 이는 특히 경질 재료의 가공에 유리한데, 그 이유는 경질 재료가 가진 매우 강한 온도 의존적 금속성이 바람직하게 활용되기 때문이다. 칩에 직접 닿는 냉각제 분사 노즐(coolant jet)에 의해 상기 칩이 급랭(quenching)됨으로써, 가공되는 재료에 따라 통상 짧게 파열되는 특성을 갖게 된다. 그럼으로써 바람직하게는 절삭열의 대부분이 칩으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 간단한 칩 제거가 가능해진다. 그에 반해, 드릴에 전달되는 절삭열 부분이 비교적 적게 유지됨에 따라, 가공시 드릴의 팽창이 최대한 적게 나타난다. 이러한 방식으로 드릴에서 매우 높은 제조 정밀도가 달성될 수 있다.

냉각 채널들의 편심 연장에 의해 공구 축 영역에서의 공구의 약화가 방지된다. 전체 공구의 기계적 안정성은 절삭홈의 기하학적 구조로부터 상당한 영향을 받는다. 절삭홈의 전체 비틀림 각, 즉 절삭홈의 절삭측 단부와 샤프트측 단부 사이의 각이 90°내지 160°, 특히 120°내지 160°인 것이 바람직하다. 그럼으로써 절삭홈의 샤프트측 단부에 절삭시 발생하는 힘을 흡수하기에 매우 적합한, 드릴의 횡단면 구조가 형성된다. 위에 제시한 각도는 양날(double bladed) 드릴링 공구와 관련된다. 삼중날 및 다중날 드릴의 경우 전체 비틀림 각이 더 작은 것이 바람직하다.

드릴의 절삭홈들은 샤프트쪽 영역에서보다 드릴 첨두 영역에서 더 큰 꼬임각을 갖는 것이 바람직하다. 공구 끝단쪽으로 갈수록 증가하는 꼬임각을 측면 절삭각이라고도 하며, 상기 측면 절삭각은 간단한 칩 제거를 촉진하는 반면, 공구 끝단 반대편 영역에서의 비교적 작은 꼬임각은 더 길게 형성된 드릴 형태(예컨대 드릴링 깊이 (drilling depth)가 드릴 직경의 세 배 이상인 경우)에서도 냉각 채널이 완전히 직선으로 형성될 수 있게 한다. 바람직하게는 샤프트에 인접하는 영역에서 드릴에 직선으로 홈이 제공된다.

드릴은 일체로 형성되거나, 또는 예컨대 나사로 조여지거나 납땜된 절삭 인서트들(cutting inserts)을 포함하는 다수의 부분들로 형성된다. 한 바람직한 실시예에 따르면, 드릴은 기본 몸체 및 상기 기본 몸체 위에 부착될 수 있는 공구 끝단을 갖는다. 이 경우 냉각 채널들은 오직 기본 몸체를 통해서만 연장된다. 따라 서 특히 높은 하중을 받는 공구 끝단의 기계적 안정성은 냉각 채널들에 의해 손상되지 않는다. 상기 드릴은 특히 16 mm 미만의 더 작은 직경 범위에도 적합하다. 더 바람직하게는 공구 끝단이 기본 몸체에 나사 연결 없이 고정됨으로써 기본 몸체 및 공구 끝단의 횡단면 약화가 일어나지 않는다.

본 발명의 특히, 일부는 직선이고 일부는 나선형인 절삭홈을 갖는 드릴 내에 편심 냉각 채널이 완전히 직선으로 연장되며, 가공시 생겨나는 칩을 직접적으로 향한다는 장점을 갖는다.

하기에서는 도면을 참고로 본 발명의 더 많은 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 드릴의 측면도이다.

도 2는 도 1에 따른 드릴의 사시도이다.

도 3a 내지 도 3d는 드릴의 다양한 실시예에 대한 사시도이다.

도 4는 여러 부분으로 된 드릴의 기본 몸체의 일부 및 공구 끝단을 도시한 도면이다.

도 5는 드릴의 공구 끝단의 평면도이다.

도 6은 도 4에 따른 기본 몸체 부분의 사시도이다.

도 7은 도 6에 따른 기본 몸체 부분의 평면도이다.

도 8은 드릴의 여러가지 횡단면들을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 9는 도 4에 따른 기본 몸체의 배면도이다.

도 10은 공구 끝단이 삽입된 기본 몸체의 세부 사시도이다.

도 11은 공구 끝단으로의 냉각제 공급을 개략적으로 도시한, 도 10과 유사한 도면이다.

도 12는 도 11에 따른 공구의 전체 모습을 도시한 도면이다.

서로 대응되는 부품들은 모든 도면에서 동일한 도면 부호로 표시하였다.

도 1 및 도 2에는 "공구"로도 지칭되는 드릴(1)의 제 1 실시예가 도시되어 있으며, 상기 드릴은 기본 몸체(2) 및 공구 끝단(3)으로 형성된다. 기본 몸체(2)는 바람직하게 강으로 형성되고, 공구 끝단(3)은 바람직하게 카바이드(carbide)로 제조된다. 드릴(1)은 도시된 실시예와 달리 예컨대 카바이드로부터 일체형으로 제조될 수도 있다. 또한 드릴(1)은 예컨대 스로 어웨이 팁(throwaway tip)과 같이 교체 가능한 절삭 인서트를 포함한다. 드릴(1)의 재료 또는 부품으로는 절삭 공학에서 통용되는 모든 재료가 사용될 수 있으며, 세라믹도 사용 가능하다. 절삭 인서트 또는 절삭 피막(cutting layer)을 위해서는 예컨대 PCD(polycrystalline diamond) 또는 CBN(Cubic Boron Nitride)이 적합하다.

드릴(1)은 샤프트(4) 및 상기 샤프트에 연결되며 공구 끝단(3)을 포함하는 절삭부(5)를 갖는다. 단부에 도면부호 "6"이 표시되어 있는 상기 샤프트(4)는 본 실시예에서 실린더 샤프트로 형성된다. 이와 상이한 샤프트 형태도 구현될 수 있다.

공구 끝단(3)은 2개의 절삭 에지(7, 8)를 가지며, 상기 절삭 에지들로부터 각각 절삭홈(9, 10)이 샤프트 단부(6) 방향으로 연장된다. 절삭 에지들(7, 8)과 드릴(1)의 둘레 사이의 전이부에 형성된 절삭 에지 코너가 도면부호 11 및 12로 표시되어 있다. 절삭 에지(7, 8)로 냉각제를 공급하기 위해 냉각 채널들(13, 14)이 제공되며, 상기 냉각 채널들의 배출구(15, 16)는 절삭홈(9, 10) 내에 배치된다. 도 1에서는 배출구(15)만 볼 수 있다. 공구축(A)에 관하여 배출구(15)와 절삭 에지 코너(11, 12) 사이의 축방향 간격(a)은 드릴(1) 직경(D)의 약 10% 내지 25% 이상에 달한다.

도 3a 내지 3d에는 절삭부(5)의 길이로 각각 구별되는 드릴(1)의 또 다른 4가지 실시예가 도시되어 있다. 각각의 실시예에서 기본 몸체(2)는 절삭홈(9, 10)의 전방 나선 영역을 포함하며, 상기 영역에서 절삭홈이 공구 끝단(3)으로 이어진다. 꼬임각(

)(도 1)은 공구 끝단(3)의 영역에서 15°이상이다. 그럼으로써 작은 절삭력, 원활한 칩 형성 및 간단한 칩 제거가 보증된다. 절삭홈(9, 10)의 비틀림 영역 또는 나선형 영역에는 샤프트(4)의 방향으로 직선 홈 영역이 연결되며, 이때 도시된 실시예에서 공구 직경(D)의 두 배보다 작은 길이 내에서 일정한 꼬임각(

)을 갖는 나선형 섹션이 연속하여 직선 홈 영역으로 이어진다. 공구(1)(도 3a)의 비교적 짧은 구현형에서는 직선 홈 영역이 생략될 수 있는 반면, 상대적으로 긴 구현형에서는 상기 직선 홈 영역이 절삭부(5) 길이의 대부분을 취한다. 도 3a 내지 3d에 따른 실시예에서 최대 드릴링 깊이는 공구 직경(D)의 3배, 5배, 7배 및 10배이다. 각각의 경우에 냉각 채널들(13, 14)(도면에는 각각 냉각 채널(13)의 배출구(15)만 보임)이 공구축(A)에 평행하게 연장되면서 완전히 직선으로 형성된다.

도 4에는 도 3a 내지 도 3d에 따른 실시예들에 대략 상응하게, 기본 몸체(2) 및 상기 기본 몸체(2) 내에 삽입될 수 있는 공구 끝단(3)이 섹션별로 도시되어 있다. 공구 끝단(3)의 가능한 형상들은 예컨대 아직 공개되지 않은 독일 특허 출원 제 102 07 257.4-14 및 그의 대응 국제 출원 PCT/EP03/01526에 기술되어 있다. 나사를 사용하지 않고 공구 끝단(3)을 기본 몸체(2)에 고정시킬 수 있는 가능성에 의해, 특히 드릴링 직경(drilling diameter)이 더 작은 경우(예: 12 mm부터)에도 본 드릴(1)이 적합하다. 공구 끝단(3)에는 냉각 채널이 존재하지 않는다.

도 5에는 도 1 및 도 2에 따른 드릴(1)의 공구 끝단(3)의 평면도가 도시되어 있다. 일체형 절삭 인서트로 형성된 공구 끝단(3)은 절삭 에지(7, 8)의 수에 상응하게 2개의 날(blade)(17)을 포함하며, 상기 두 날은 각각 기본 몸체(2)의 레그(18)에 지지된다. 그럼으로써 공구 끝단(3)이 베이어닛 조인트의 방식으로 기본 몸체(2) 내에 삽입될 수 있다. 기본 몸체(2)에 대한 공구 끝단(3)의 상대 회전(비틀림)은 공구 끝단(3)의 2개의 홈(19)에 작용하는, 도시되지 않은 공구에 의해 구현될수 있다.

도 5에 도시된 것처럼, 각각의 절삭 에지(7, 8)는 냉각 채널(13, 14)의 횡단면을 가로지른다. 절삭 에지 코너(11, 12)와 냉각 채널(13, 14)의 중심 사이의 각도를 비틀림 각(α)이라고 지칭하며, 상기 비틀림 각은 바람직하게 -5°내지 +15°이다. 냉각 채널들(13, 14)은 도시된 평면에 대해 수직으로 연장된다.

도 6에서는 부분적으로 도시된 기본 몸체(2) 내에 있는 냉각 채널들(13, 14)을 볼 수 있다. 상기 냉각 채널들(13, 14)은, 상대적으로 큰 냉각 채널(13, 14)에 서도 기본 몸체(2)의 기계적 안정성이 크게 악화되지 않도록, 공구축(A) 및 기본 몸체(2)의 가장 약한 횡단면 영역으로부터 이격된다. 냉각 채널의 직경(d)(도 7)은 공구 끝단(3)과 관련된 공구 직경(D)의 약 10% 내지 15%에 달한다.

도 8에는 공구축(A)을 따르는 절삭홈(9)의 연장 형상이 도시되어 있다. 샤프트(4)에 연결되는 직선 홈 영역에서의 절삭홈(9)의 윤곽 및 절삭 에지 코너(11)의 영역에서의 절삭홈(9)의 윤곽(점선으로 표시됨)이 도시되어 있다. 절삭홈(9)이 나선형으로 형성되는 전체 각도를 전체 비틀림 각(β)이라고 한다. 제 2 절삭홈(10)은 도 8에 도시되어 있지 않다. 기본적으로 기본 몸체(2)의 더블 T자형 횡단면 윤곽이 샤프트(4)쪽 직선 홈 영역 내에서 절삭 에지(7, 8)로부터 기본 몸체(2)로 전달되는, 보어(1)를 매우 미미하게 휘게 하는 힘을 흡수하도록, 전체 비틀림 각(β)이 90°내지 160°의 크기로 결정된다.

도 9에는 냉각 채널들(13, 14)을 포함하는 기본 몸체(2)의 배면도가 도시되어 있으며, 상기 냉각 채널들의 유입구들(20, 21)은 샤프트 단부(6)에서 가로 홈(22) 내에 배치된다. 공구축(A)에 대칭으로 센터링 테이퍼(centering taper)(23)가 배치된다. 상기 영역에는 냉각제 공급관이 제공되지 않는다.

도 10에는 기본 몸체(2) 및 공구 끝단(3)으로 형성된 드릴(1)의 또 다른 한 실시예가 상세하게 도시되어 있다. 이 경우 배출구들(15, 16)은 절삭홈(9, 10)의 가장자리에, 즉 드릴(1) 배면(24)으로의 전이 구역 근처에 배치된다. 도 11에는 냉각제 분사 노즐(15)의 형상이 개략적으로 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있듯이, 냉각제 분사 노즐(25)은 절삭 에지(7, 8) 근방에서 공구 끝단(3)에 닿는다. 공구 끝단(3)을 관통하는 냉각제 분사 노즐(25) 부분은 단지 실질적으로 공구축(A)에 평행한 냉각제 분사 방향(S)을 구조적으로 설명하기 위한 것이다. 실제로 냉각제 분사 노즐(25)이 절삭 에지(7, 8)에서 발생하는 칩에 부딪침으로써, 상기 칩이 칩 발생 직후에 직접적인 냉각제 공급에 의해 강력하게 냉각된다. 그럼으로써 칩으로부터 드릴(1)로의 열 전달이 전반적으로 방해된다. 그와 동시에 절삭 에지(7, 8)에서 특히 절삭시 경질 재료가 바람직하게 고온에 도달할 수 있다. 냉각제 분사 노즐(25)이 드릴(1)의 횡단면 내에서 공구축(A)을 따라 정렬됨으로써, 가공될 공작물에 드릴(1)이 닿자 마자 즉시 냉각 및 윤활이 이루어진다.

도 12에는 도 11과 유사하게 개략적으로 도시된 냉각제 분사 노즐(25)을 갖는 드릴(1)이 도시되어 있다. 냉각 윤활제가 드릴(1)을 통하여 완전히 직선으로 운반됨으로써, 매우 저항이 적은 유동이 제공되고, 이때 분리 효과는 발생하지 않는다. 따라서 본 드릴(1)은 극미량 윤활에 매우 적합하다.

*도면 부호 목록*

1: 드릴 2: 기본 몸체

3: 공구 끝단 4: 샤프트

5: 절삭부 6: 샤프트 단부

7, 8: 절삭 에지 9, 10: 절삭홈

11, 12: 절삭 에지 코너 13, 14: 냉각 채널

15, 16: 배출구 17: 날

18: 레그 19: 홈

20, 21: 유입구 22: 가로 홈

23: 센터링 테이퍼 24: 배면

25: 냉각제 분사 노즐

A: 공구축 D: 공구 직경

a: 간격 d: 냉각 채널 직경

S: 분사 방향 α: 비틀림 각

β: 전체 비틀림 각 δ: 비틀림 각

Claims

2개 이상의 절삭 에지(7, 8) 및 상기 절삭 에지들로부터 각각 샤프트 단부(6)의 방향으로 연장되며 적어도 부분적으로 나선형인 절삭홈들을 포함하는 드릴에 있어서,

상기 샤프트 단부(6)에서 시작하여 공구축(A)에 평행하게 연장되는 냉각 채널들(13, 14)을 구비하며, 상기 냉각 채널들의 배출구들(15, 16)이 상기 절삭홈(9, 10) 내에 배치되고 상기 절삭 에지들(7, 8)을 향하는 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항에 있어서,

상기 절삭홈(9, 10)의 전체 비틀림 각(β)이 최소 90°인 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 절삭홈(9, 10)의 전체 비틀림 각(β)이 최대 160°인 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 절삭홈(9, 10)이 상기 절삭 에지(7, 8)로 갈수록 증가되는 꼬임각(
)을 갖는 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 절삭홈(9, 10)이 나선형이 아닌 영역을 갖는 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 냉각 채널(13, 14)의 배출구(15, 16)와 절삭 에지(7, 8) 사이의 비틀림 각(α)은 최소 -20°인 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 냉각 채널(13, 14)의 배출구(15, 16)와 절삭 에지(7, 8) 사이의 비틀림 각(α)은 최대 45°인 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공구 둘레에서 상기 절삭 에지(7, 8)와 경계를 이루는 절삭 에지 코너(cutting edge corner)(11, 12)와 상기 냉각 채널(13, 14)의 배출구(15, 16) 사이의 축방향 간격(a)이 공구 직경(D)의 최소 75%인 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공구 둘레에서 상기 절삭 에지(7, 8)와 경계를 이루는 절삭 에지 코너(cutting edge corner)(11, 12)와 상기 냉각 채널(13, 14)의 배출구(15, 16) 사이의 축방향 간격(a)이 공구 직경(D)의 최대 두 배인 것을 특징으로 하는,

드릴.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

기본 몸체(2) 위에 부착될 수 있는 공구 끝단(3)을 특징으로 하는,

드릴.
제 10항에 있어서,

상기 냉각 채널(13, 14)의 배출구(15, 16)가 상기 기본 몸체(2) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,

드릴.