KR20150063169A - 작업편 내의 복잡한 형상을 마무리 가공하기 위한 연삭 공구 및 방법 - Google Patents

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데이비드 시. 그레이엄
크리쉬나무르티 서브라마니안
스리니바산 라마나
마크 에이. 라무뢰
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생-고뱅 어브레이시브즈, 인코포레이티드
생-고벵 아브라시프
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Abstract

결합재 내에 함유된 연삭 입자들 갖는 결합 연삭 물체를 포함하는 연삭 공구로서, 상기 결합 연삭 물체는 적어도 약 0.3의 폼 깊이(FD)를 갖는 복잡한 형상을 포함하는 연삭 공구가 개시된다. 폼 깊이는 식 [(Rl-Rs)/Rl]로 표현되며, Rs는 결합 연삭 물체의 종축을 따라 한 지점에서 최소 반경(Rs)이고, Rl은 결합 연삭 물체의 종축을 따라 한 지점에서 최대 반경(Rl)이다. 상기 연삭 공구는 작업편 내에 복잡한 형상들을 마무리 가공하는 데 사용될 수 있다.

Description

작업편 내의 복잡한 형상을 마무리 가공하기 위한 연삭 공구 및 방법{ABRASIVE TOOL AND A METHOD FOR FINISHING COMPLEX SHAPES IN WORKPIECES}
본 발명은 연삭 공구 및 이러한 연삭 공구를 사용하여 작업편 내의 복잡한 형상들을 마무리 가공하는 방법에 관한 것으로, 특히 작업편 내부에 복잡한 형상들을 가공하기 위한 특정의 형상들을 지닌 결합 연삭 공구의 사용에 관한 것이다.
마무리 가공 산업에서, 작업편을 마무리 가공하기 위해 수많은 공정들이 사용될 수 있다. 그러나, 작업편을 복잡한 형상들로 가공하는 특정 상황에서, 이러한 마무리 가공 작업은 정확한 표면 굴곡 및 엄격한 치수 공차를 요구하기 때문에 가능한 선택들이 별로 없다. 어떤 바람직한 접근법은 밀링 또는 브로칭(broaching)으로, 작업편 내의 복잡한 형상을 절삭하기 위해 블레이드들이 사용된다. 그러나, 브로칭은 높은 가공 비용, 고가의 가공 머신, 설치 비용, 금형 재연삭 비용 및 낮은 재료 제거율 때문에 고가의 작업일 수 있다. 특히 니켈 합금과 같은 난가공성 재료를 가공함에 있어 밀링 공정은 일반적으로 매우 느리다.
아직까지, 터빈 디스크 내에서 디스크 주변의 터빈 블레이드들을 고정하거나 유지하기 위해 사용되는 리텐션 슬롯(slot)들을 가공하는 상황에서, 대부분의 산업에 걸쳐 브로칭이 바람직한 접근법이다. 항공 산업에서 현재 사용되는 기술은, 디스크 슬롯을 통과하여 연속적으로 더 큰 선형 커터들을 구동하고 마지막 커터는 마무리 가공된 슬롯에 요구되는 복잡한 형상(즉, 오목한 형상)을 갖는 선형 절삭 머신인 브로칭 머신을 사용하여 디스크 안으로 슬롯들을 가공하는 것이다. 브로칭은 Yadzik, Jr 등의 미국 특허 제5,430,936호에 도시되어 있다.
프로파일(profile) 부품을 제조하는 또 다른 방법은 Kuehne 등의 미국 특허 제5,330,326호에 도시되어 있다. 이 방법은 적어도 하나의 프로파일 그라인딩(grinding) 휠을 가지고 하나의 척 위치에서 블랭크(blank)를 예비 성형하고 마무리 그라인딩하는 단계를 포함한다. 블랭크에 요구되는 프로파일을 대략적으로 갖도록 예비 성형하는 단계에서 적어도 하나의 프로파일 그라인딩 휠에 대하여 블랭크가 이송되고 회전된다. 그러나, Kuehne의 방법은 내면이 아닌 외면에 사용될 수 있으므로, 내부의 슬롯 형성에는 적용될 수 없다.
작업편 내의 복잡한 형상들을 생성하는 다른 방법들이 미국 특허 제6,883,234호 및 미국 특허 제7,708,619호에 개시되어 있다. Subramanian 등의 미국 특허 제7,708,619호에서, 공정은 작업편 내부에 슬롯의 초기 형성을 위해 부품의 표면에 수직으로 작동되는 큰 직경의 휠로 그라인딩하는 단계를 이용한다. 요구되는 굴곡으로 슬롯을 마무리 가공하는 단계는 단층 전해 도금된 공구를 사용하여 완료된다.
작업편 내부에 복잡한 형상들을 형성하고 기존 공정에 관련된 단점들을 제한하기 위한 새로운 방법들을 개발할 필요가 있다.
제1 양태에 따르면, 연삭 공구는 결합재 내에 함유된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하며, 상기 결합 연삭 물체는 식 [(Rl-Rs)/Rl]에 의해 표현되는 폼 깊이(form depth, FD)가 적어도 약 0.3인 복잡한 형상을 포함한다. 특히, Rs는 결합 연삭 물체의 종축을 따라 한 지점에서 최소 반경(Rs)이고, Rl은 결합 연삭 물체의 종축을 따라 한 지점에서 최대 반경(Rl)이다. 여기서, 결합 연삭 물체는 종축에 대해 대칭을 이룬다.
다른 양태에 따르면, 작업편 마무리 가공 방법은 작업편 내에 오목한 형상의 개구를 마무리 가공하기 위해 작업편에 대해 결합 연삭 공구를 회전시키는 단계를 포함한다. 상기 결합 연삭 공구는 결합재 내에 함유된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하며, 마무리 가공 단계는 약 2 ㎛ 이하의 표면 거칠기(Ra)를 갖는, 오목한 형상의 개구를 정의하는 표면을 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 연삭 공구를 작동시키는 방법은 결합재 내에 함유된 연삭 입자들을 포함하는 마운티드 포인트 연삭(mounted point abrasive) 공구를 사용하여 작업편 내에 오목한 형상의 개구를 마무리 가공하는 단계를 포함한다. 상기 물체는 식 [(Rl-Rs)/Rl]에 의해 표현되는 폼 깊이(FD)가 적어도 약 0.3인 복잡한 형상을 가지고, Rs는 상기 물체의 종축을 따라 한 지점에서 최소 반경(Rs)이고, Rl은 상기 결합 물체의 종축을 따라 한 지점에서 최대 반경(Rl)이다. 특히, Rs는 약 10 mm 이하이다. 상기 방법은 마운티드 포인트 연삭 공구를 상기 물체의 폼 길이를 따라 플런지 드레싱(plunge dressing)하는 단계를 더 포함한다.
다른 양태는 작업편의 표면에 대략 형성된 오목한 형상의 개구를 갖는 작업편을 제공하는 단계, 및 유리질 결합 내에 함유된 연삭 입자들을 포함하는 마운티드 포인트 연삭 공구를 사용하여 상기 오목한 형상의 개구를 마무리 가공하는 단계를 포함하는 작업편 마무리 가공 방법을 포함한다. 마무리 가공 동안, 마운티드 포인트 연삭 공구(mounted point abrasive tool)와 오목한 형상의 개구를 정의하는 작업편 표면의 계면에 수용성 냉각제가 공급된다.
본원의 결합 연삭 공구는 공구의 위치적 속도, 이송 속도, 재료 제거율, 마무리 가공 전력, 및 유사한 특정 조건들 하에서 작업편을 복잡한 오목한 형상으로 마무리 가공할 수 있도록 한다. 더욱이, 본원의 연삭 공구를 기술된 방법들과 조합하여 사용하면 공구의 형상을 유지하면서 작업편을 엄격한 치수 공차로 마무리 가공하기 위한 새로운 공정을 용이하게 하여, 형상과 형성된 표면의 정확성을 용이하게 하고, 공구의 사용 가능한 수명을 연장하여 작업 효율을 개선한다.
첨부한 도면을 참조함으로써, 당업자에게 본 발명의 개시가 더 잘 이해될 수 있으며, 본 발명의 개시의 많은 특징들과 장점들이 명백해질 수 있다.
도 1은 슬롯 형성 공정의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 슬롯 형성 공정에 의해 생성될 수 있는 슬롯들의 개략도이다.
도 3a는 일 실시예에 따라 결합 연삭 공구를 사용하여 마무리 가공하는 작업을 나타낸 도면이다.
도 3b는 일 실시예에 따라 복잡한 형상을 가지고 작업편 내에 결합 연삭 공구를 사용하여 마무리 가공되어 형성된 개구를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 복잡한 형상을 갖는 결합 연삭 공구의 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따라, 복잡한 형상을 갖는 결합 연삭 공구 상에서 드레싱 작업을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 일 실시예에 따라 수행된 마무리 가공 작업 동안 측정된 성능 파라미터에 대한 도표이다.
상이한 도면들에서 사용된 동일한 참조 부호는 동일하거나 유사한 항목을 나타낸다.
본 발명은 연삭 공구에 관한 것으로, 특히 작업편 내부에 복잡한 형상들을 갖는 표면들을 마무리 가공하기에 적합한 결합 연삭 공구에 관한 것이다. 결합 연삭재는 3차원 체적의 결합재 내에 함유된 연삭 입자들의 3차원 체적 전체에 걸친 분산을 포함하는 3차원 형상을 갖는 점에서 다른 연삭재(예를 들어, 코팅된 연삭재 등)와 독립된 별개의 범주라는 것을 인식할 수 있을 것이다. 더욱이, 결합 연삭 물체들은 어느 정도의 기공을 포함할 수 있어서, 칩 형성과 새로운 연삭 입자들의 노출을 용이하게 할 수 있다. 칩 형성, 연삭 입자 노출, 및 드레싱은 결합 연삭재와 관련된 특징들이고, 이것은 결합 연삭재를 코팅된 연삭재 또는 단층 전해 도금된 공구들과 같은 다른 범주의 연삭재들과 구분케 한다.
본원에 사용된 용어 "복잡한 형상"은 오목한 형상을 정의하는 굴곡을 갖는 형상(예를 들어, 작업편 내부의 개구 형상) 또는 부품(예를 들어 결합 연삭 물체)의 형상을 의미한다. 오목한 형상으로 인해, 이에 짝을 이루는 형태가 3개의 축(즉, x, y 또는 z) 중 한 축에 수직한 방향으로 제거될 수 없다. "오목한 형상"은 바깥쪽 축 위치(즉, 입구)보다 안쪽의 축 위치에서 더 넓은, 오목한 또는 내부를 향한 굴곡일 수 있다. 오목한 형상의 예는 도브테일(dovetail) 슬롯, 종석(keystone) 형상 등이다.
제트 엔진, 로우터(rotor), 압축기 블레이드 조립체와 같은 터빈 부품들은 일반적으로 터빈 디스크 내에 오목한 형상의 슬롯들을 갖는다. 오목한 형상은 터빈 디스크 주변의 터빈 블레이드들을 고정하거나 유지하기 위해 사용될 수 있다. 가공 테이블 상에 부품들을 고정하기 위한 기계적 슬라이드, T형 슬롯도 이러한 오목한 형상의 슬롯들을 사용한다.
작업편 내에 복잡한 형상을 형성하는 공정에 대해, 작업편 내부에 개구를 형성하는 초기 슬롯 형성 공정이 수행될 수 있다. 그 개구 또는 슬롯은 최종 굴곡(즉, 복잡한 형상)을 반드시 가질 필요는 없다. 슬롯 형성 공정은 많은 양의 재료를 제거하여, 복잡한 형상의 마무리 가공 공정에서 결합 연삭 공구로 제거될 재료의 양을 최소화할 수 있다.
도 1은 슬롯 형성 공정(10)에 관한 도면이다. 도시된 바와 같이 슬롯 형성 공정은 작업편(14)에 대해 특정 방식으로 방향성을 갖는 결합 연삭 공구(12)를 사용하여 작업편(14) 내에 슬롯(들)(16)을 형성할 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 본 발명의 슬롯 형성 공정들은 크립-피드(creep-feed) 그라인딩 공정을 수행하기 위해 작업편(14)에 대해 방향성을 갖는 결합 연삭 공구(12)를 사용하여 완료될 수 있다. 크립-피드 그라인딩은 약 30 m/s 내지 약 150 m/s 범위의 그라인딩 속도에서 수행될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 슬롯 형성 공정에 의해 생성될 수 있는 슬롯들의 개략도이다. 특히, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 슬롯 형성 공정(10)에 의해 형성될 수 있는 작업편(18a 및 18b)을 각각 포함한다. 일 실시예에서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 슬롯(16)은 슬롯(16) 깊이 전체에 걸쳐 동일한 직경을 갖는다. 다른 예에서, 도 2b에서 도시된 바와 같이, 슬롯(16)은 깊이에 따라 적어도 두 개의 상이한 직경을 갖는다.
슬롯 형성 공정은 특정된 절삭 에너지를 사용할 수 있다. 예를 들면, 특정 절삭 에너지는 약 10 Hp/in3 min (약 27 J/mm3) 이하, 예컨대, 약 0.5 Hp/in3 min (약 1.4 J/mm3) 내지 약 10 Hp/in3 min (약 27 J/mm3) 또는 약 1 Hp/in3 min (약 2.7 J/mm3) 내지 약 10 Hp/in3 min (약 27 J/mm3)일 수 있다.
다른 실시예에서, 슬롯 형성 공정은 약 10 Hp/in3 min (약 27 J/mm3)의 최대 특정 절삭 에너지에서, 약 0.25 in3/min in (약 2.7 mm3/sec/mm) 내지 약 60 in3/min in (약 650 mm3/sec/mm) 범위의 특정의 재료 제거율(MRR)로 수행될 수 있다. 본원에 개시된 마무리 가공 공정과 함께 사용될 수 있는 슬롯 형성 공정에 관한 더 상세한 설명은, 그의 교시가 본원에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제7,708,619호에 제공된다.
슬롯 형성 공정, 및 이후 본원의 마무리 가공 실시예들은 난연삭 재료들을 포함하여 임의 유형의 재료들에 대해 수행될 수 있다. 본 발명의 작업편들은 금속성, 및 특히 금속 합금들, 예컨대 티타늄, 인코넬(예, IN-718), 강-크롬-니켈 합금(예, 100 Cr6), 탄소강(AISI 4340 및 AISI 1018) 및 이들의 조합들일 수 있다. 일 실시예에 따라, 작업편은 약 65 Rc 이하의 경도, 예컨대 약 4 Rc 내지 약 65 Rc(또는 84 내지 111 Rb 경도)의 경도값을 가질 수 있다. 이것은 일반적으로 보다 연한 재료들, 즉 최대 약 32 Rc 경도값을 갖는 재료들에 대해서만 사용될 수 있는 선행 기술의 가공 공정과 대비된다. 일 실시예에서, 본 발명에 대한 금속성 작업편들은 약 32 Rc 내지 약 65 Rc 또는 약 36 Rc 내지 약 65 Rc의 경도값을 갖는다.
슬롯 형성 공정에서, 그라인딩 휠 및 절삭 휠과 같은 결합 연삭 공구가 사용될 수 있다. 슬롯 형성 공정에서 사용되는 결합 연삭 공구는 적어도 약 3 체적%(공구 체적 기준)의 단섬유 졸겔 알파-알루미나 연삭 입자를 포함할 수 있고, 선택적으로 제2 연삭 입자들 또는 이들의 응집체들을 포함할 수 있다. 결합 연삭 공구를 제조하는 적절한 방법들은, 그의 교시가 본원에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제5,129,919; 5,738,696; 5,738,697; 6,074,278; 및 6,679,758 B, 및 2005년 9월 28일 출원된 미국 특허 출원 일련번호 제11/240,809호에 개시되어 있다. 슬롯 형성 공정에 사용되는 결합 연삭 공구에 대한 특정의 상세 설명은, 그의 교시가 본원에 참조로 통합된 미국 특허 제7,708,619호에 제공된다.
슬롯 형성 공정 이후의 작업들을 이제 언급하면, 슬롯의 굴곡을 복잡한 형상(예를 들어, 오목한 형상)으로 바꾸기 위해 마무리 가공 공정이 수행될 수 있다. 슬롯 형성 및 마무리 가공 공정을 수행하는 데 사용되는 공구들은 다축 머시닝 센터를 포함하여 고효율의 그라인딩 머신 중 일부일 수 있다. 다축 머시닝 센터를 이용하면, 슬롯 형성 및 복잡한 형상의 마무리 가공 공정 모두 동일한 머신에서 수행될 수 있다. 적절한 그라인딩 머신들은 예를 들어 미시간주 Spring Lake의 Campbell Grinding사에서 구입할 수 있는 Campbell 950H 수평축 그라인딩 머신 공구, 및 독일의 Blohm Maschinenbau사에서 구입할 수 있는 Blohm Mont. 408, 3축, CNC 크립 피드 그라인딩 머신을 포함한다.
도 3a는 일 실시예에 따라 결합 연삭 공구를 사용하여 마무리 가공하는 작업을 나타낸 도면이다. 특히, 도 3a는 마운티드 포인트 공구 형태의 결합 연삭 공구(301)로 작업편(14)의 슬롯(16) 내에 복잡한 형상을 형성하기 위한 마무리 가공 작업을 도시한다. 결합 연삭 공구(301)는 작업편(14) 내에, 대응되는 복잡한 형상을 생성하기에 적합한 복잡한 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 결합 연삭 물체(303)는 작업편(14) 내부에 부여되어야 하는 복잡한 형상에 대해 역의 형상을 가질 수 있다.
본원의 실시예들에 따르면, 결합 연삭 공구(301)는 결합재 매트릭스 내에 함유된 연삭 입자들을 포함하는 결합 연삭 물체(303)를 가질 수 있다. 다시 말해, 결합 연삭 공구는 결합재의 3차원 매트릭스 전체에 걸쳐 분산된 연삭 입자들을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 연삭 입자들은 초연삭 재료들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 적절한 초연삭 재료들은 입방정 질화붕소, 다이아몬드, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 임의의 경우에, 결합 연삭 물체(303)는 다이아몬드로 필수적으로 구성된 연삭 입자들을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 공구에서, 연삭 물체(303)는 입방정 질화붕소로 필수적으로 구성된 연삭 입자들을 포함할 수 있다.
결합 연삭 공구는 약 150 ㎛ 이하의 평균 그리트(grit) 크기를 갖는 연삭 입자들을 포함한 연삭 물체를 갖도록 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 연삭 입자들은 약 125 ㎛ 이하, 예컨대 약 100 ㎛ 이하, 또는 심지어 약 95 ㎛ 이하의 평균 그리트 크기를 가질 수 있다. 특정의 예에서, 연삭 입자들은 약 10 ㎛ 내지 150 ㎛, 예컨대 약 20 ㎛ 내지 120㎛, 또는 심지어 약 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위 내의 평균 그리트 크기를 갖는다.
결합 연삭 물체(303) 내의 결합재에 대해, 적절한 재료들은 유기 재료, 무기 재료, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 적절한 유기 재료는 수지, 에폭시 등의 고분자들을 포함할 수 있다.
일부 적절한 무기 결합재는 금속, 금속 합금, 세라믹 재료, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 적절한 금속은 전이 금속 원소들 및 전이 금속 원소들을 함유한 금속 합금들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 결합재는 세라믹 재료일 수 있고, 세라믹 재료는 다결정 및/또는 유리질 재료들을 포함할 수 있다. 적절한 세라믹 결합재는 예를 들어 SiO2, Al2O3, B2O3, MgO, CaO, Li2O, K2O, Na2O 등을 비롯한 산화물들을 포함할 수 있다.
더욱이, 결합재는 복합 재료일 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들면, 결합재는 유기 및 무기 성분들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 적절한 복합 결합재는 금속 및 유기 결합재들을 포함할 수 있다.
적어도 일 실시예에 따르면, 결합 연삭 공구(301)는 결합재, 연삭 입자들, 및 기공을 포함하는 복합재를 포함할 수 있다. 예를 들면, 결합 연삭 공구(301)는 결합 연삭 물체 전체 체적 중 적어도 약 3 체적%의 연삭 입자들(예를 들어, 초연삭 입자들)을 가질 수 있다. 다른 예에서, 결합 연삭 공구(301)는 적어도 약 6 체적%, 적어도 약 10 체적%, 적어도 약 15 체적%, 적어도 약 20 체적%, 또는 심지어 적어도 약 25 체적%의 연삭 입자들을 포함할 수 있다. 특정의 결합 연삭 공구(301)는 약 2 체적% 내지 약 60 체적%, 예컨대 약 4 체적% 내지 약 60 체적%, 또는 심지어 약 6 체적% 내지 약 54 체적%의 초연삭 입자들을 포함하도록 형성될 수 있다.
결합 연삭 공구(301)는 결합 연삭 물체 전체 체적 중 적어도 약 3 체적%의 결합재(예를 들어, 유리화 결합재 또는 금속 결합재)를 갖도록 형성될 수 있다. 다른 예에서, 결합 연삭 공구(301)는 적어도 약 6 체적%, 적어도 약 10 체적%, 적어도 약 15 체적%, 적어도 약 20 체적%, 또는 심지어 적어도 약 25 체적%의 결합재를 포함할 수 있다. 특정의 결합 연삭 공구(301)는 약 2 체적% 내지 약 60 체적%, 예컨대 약 4 체적% 내지 약 60 체적%, 또는 심지어 약 6 체적% 내지 약 54 체적%의 결합재를 포함할 수 있다.
결합 연삭 공구(301)는 임의의 기공도, 특히 결합 연삭 물체 전체 체적 중 약 60 체적% 이하의 기공도를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 결합 연삭 물체(301)는 약 55 체적% 이하, 예컨대 약 50 체적% 이하, 약 45 체적% 이하, 약 40 체적% 이하, 약 35 체적% 이하, 또는 심지어 약 30 체적% 이하의 기공도를 가질 수 있다. 특정의 결합 연삭 공구(301)는 약 0.5 체적% 내지 약 60 체적%, 약 1 체적% 내지 약 60 체적%, 약 1 체적% 내지 약 54 체적%, 약 2 체적% 내지 약 50 체적%, 약 2 체적% 내지 약 40 체적%, 또는 심지어 약 2 체적% 내지 약 30 체적%와 같은 임의의 기공도를 가질 수 있다.
마무리 가공 공정 동안, 결합 연삭 공구(301)는 작업편(14)과 접하여 위치할 수 있고, 더 특정하게는 작업편(14) 내에 미리 형성된 슬롯(16) 내에 위치할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 결합 연삭 공구(301)는 슬롯(16)의 표면들(321 및 323)을 마무리 가공하고 다시 굴곡을 형성하기 위해 상당히 빠른 속도로 회전되어, 작업편(14) 내에 복잡한 형상을 형성할 수 있다(예를 들어, 도 3b의 "351" 참조). 예를 들면, 결합 연삭 공구는 적어도 약 10,000 rpm의 속도로 회전될 수 있다. 다른 예에서, 상기 공구는 적어도 약 20,000 rpm, 적어도 약 30,000 rpm, 적어도 약 40,000 rpm, 또는 심지어 그 이상과 같이 더 빠른 속도로 회전될 수 있다. 또한, 일부 예에서 결합 연삭 공구(301)는 작업편(14)에 대해 약 10,000 rpm 내지 125,000 rpm, 예컨대 약 10,000 rpm 내지 110,000 rpm, 또는 심지어 약 10,000 rpm 내지 약 100,000 rpm 범위 내의 속도로 회전된다.
마무리 가공 동안, 표면(321)을 적절한 복잡한 형상으로 마무리 가공하는 것을 용이하게 하기 위해 결합 연삭 공구(301)는 작업편(14)에 대한 축을 따라 이동될 수 있다. 예를 들면, 임의의 예에서, 결합 연삭 공구(301)는 왕복 경로를 따르거나 또는 박스형 사이클을 완성할 수 있다. 예를 들면, 왕복 경로의 제1 패스(pass)에서 결합 연삭 공구(301)는 작업편(14)에 대해 경로(308)를 따라 이동될 수 있다. 경로(308)를 따른 결합 연삭 공구(301)의 이동은 표면(321)의 전체 두께에 대한 마무리 가공을 용이하게 한다. 왕복 경로의 한 유형에 따르면, 경로(308)를 따른 제1 패스를 마친 후에, 결합 연삭 공구(301)는 축(375)을 따라 횡으로 이동될 수 있고 제2 패스에서 경로(309)를 따라 이동될 수 있다. 이러한 특정의 왕복 경로에 따라, 제2 패스 동안, 결합 연삭 공구(301)의 표면은 표면(321) 반대측의 슬롯(16) 표면(323)과 접하여, 표면(323)에 의해 정의되는 슬롯(16)의 일부를 마무리 가공할 수 있다. 결합 연삭 공구(301)가 슬롯(16)을 통해 작업편의 전체 두께를 따라 이동된 후, 상기 공구는 축(375)을 따라 횡으로 다시 이동될 수 있고, 표면(321)을 따라 또 다른(즉 제3의) 패스를 위해 경로(308)로 되돌아 올 수 있다. 결합 연삭 공구(301)는 표면(321 및 323)이 충분히 마무리 가공될 때까지, 지정된 횟수 동안 경로(308 및 309)를 따라 왕복 또는 이동될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 경로(308 및 309)가 선형으로 도시되어 있지만, 임의의 공정은 곡선 경로를 이용할 수 있거나 원호 방향을 이용할 수 있다는 것을 더 인식할 수 있을 것이다.
대안적 실시예에 따르면, 왕복 경로는 슬롯의 다른 한 표면이 마무리 가공되기 전에 한 표면이 마무리 가공되도록 수행될 수 있다. 예를 들면, 결합 연삭 공구(301)는 제1 표면(321)이 적절한 복잡한 형상으로 마무리 가공될 때까지 여러 순차적 패스들에 대해 제1 표면(321)을 따라(즉, 경로(308)를 따라 전후로) 이동될 수 있다. 제1 표면(321)이 마무리 가공된 후, 결합 연삭 공구는 축(375)을 따라 횡으로 이동되어 제1 표면(321) 반대측의 슬롯(16) 제2 표면(323)과 접할 수 있다. 그런 다음, 결합 연삭 공구(301)는 제2 표면(323)이 마무리 가공될 때까지 여러 순차적 패스들에 대해 제2 표면(323)을 따르는 슬롯(16)의 두께를 따라(즉, 경로(309)를 따라 전후로) 다시 이동될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마무리 가공 공정은 각 패스에 대해 슬롯의 표면으로부터 특정량의 재료를 제거할 수 있다. 예를 들면, 마무리 가공 동안, 결합 연삭 공구(301)는 슬롯(16)을 통한 결합 연삭 공구(301)의 각 패스에 대해 표면(321)으로부터 100 ㎛ 이하의 깊이까지 재료를 제거할 수 있다. 다른 실시예에서, 마무리 가공 작업은 슬롯(16)을 통한 결합 연삭 공구(301)의 각 패스에 대해 약 75 ㎛ 이하, 예컨대 약 65 ㎛ 이하, 약 50 ㎛ 이하, 또는 심지어 그 이하의 깊이까지 재료가 제거되도록 수행될 수 있다. 특정의 예에서, 결합 연삭 공구(301)의 각 패스는 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 예컨대 약 1 ㎛ 내지 약 75 ㎛, 또는 심지어 약 10 ㎛ 내지 약 65 ㎛ 범위 내의 깊이까지 재료를 제거할 수 있다.
더욱이, 마무리 가공 동안, 동일한 표면에서 순차적 패스들 간의 축(375)을 따른 결합 연삭 공구의 횡적 이동의 척도인 결합 연삭 공구의 이송 속도(feed rate)는 적어도 약 30 ipm [762 mm/min]일 수 있다. 다른 실시예에서, 이송 속도는 적어도 약 50 ipm [1270 mm/min], 적어도 약 75 ipm [1905 mm/min], 적어도 약 100 ipm [2540 mm/min], 또는 심지어 적어도 약 125 ipm [3175 mm/min]와 같이 더 빠를 수 있다. 임의의 마무리 가공 공정은 약 30 ipm [762 mm/min] 내지 약 300 ipm [7620 mm/min], 예컨대 약 50 ipm [1270 mm/min] 내지 약 250 ipm [6350 mm/min], 또는 심지어 약 50 ipm [1270 mm/min] 내지 약 200 ipm [5080 mm/min] 범위 내의 이송 속도를 사용한다.
작업편 내에 오목한 형상을 형성하기 위한 마무리 가공 작업은 특정의 재료 제거율로 수행될 수 있다. 예를 들면, 마무리 가공 작업 동안 재료 제거율은 적어도 약 0.01 in3/min/in [0.11 mm3/sec/mm]일 수 있다. 다른 예에서, 마무리 가공 공정은 적어도 약 0.05 in3/min/in [0.54 mm3/sec/mm], 예컨대 적어도 약 0.08 in3/min/in [0.86 mm3/sec/mm], 적어도 약 0.1 in3/min/in [1.1 mm3/sec/mm], 적어도 약 0.3 in3/min/in [3.2 mm3/sec/mm], 적어도 약 1 in3/min/in [11 mm3/sec/mm], 적어도 약 1.5 in3/min/in [16 mm3/sec/mm], 또는 심지어 적어도 약 2 in3/min/in [22 mm3/sec/mm]의 재료 제거율로 수행될 수 있다.
임의의 마무리 가공 작업에 있어서, 재료 제거율은 약 1.5 in3/min/in [16 mm3/sec/mm] 이하일 수 있다. 또한, 임의의 마무리 가공 공정은 1 in3/min/in [11 mm3/sec/mm] 이하, 약 0.8 in3/min/in [8.6 mm3/sec/mm], 또는 심지어 약 0.3 in3/min/in [3.2 mm3/sec/mm] 이하일 수 있다.
특정의 예에서, 마무리 가공 공정은 재료 제거율이 약 0.01 in3/min/in [0.11 mm3/sec/mm] 내지 약 2 in3/min/in [22 mm3/sec/mm], 예컨대 약 0.03 in3/min/in [0.32 mm3/sec/mm] 내지 약 1.5 in3/min/in [16 mm3/sec/mm]의 범위 내일 수 있다.
본원의 실시예에 따른 마무리 가공 작업은 더욱이 특정 마무리 가공 전력으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 마무리 가공 작업 동안 사용되는 마무리 가공 전력은 마운티드 포인트 공구의 이송 속도 약 30 ipm [762 mm/min] 내지 약 300 ipm [7620 mm/min]의 범위 내에서 약 5 Hp [3.75 kW] 이하일 수 있다. 임의의 다른 실시예에 따르면, 마무리 가공 동안 마무리 가공 전력은 약 4 Hp [3.0 kW] 이하, 예컨대 약 3.8 Hp [2.83 kW] 이하, 약 3.6 Hp [2.68 kW] 이하, 약 3.4 Hp [2.54 kW] 이하, 약 3.2 Hp [2.39 kW], 또는 심지어 약 3 Hp [2.25 kW] 이하일 수 있다. 이러한 마무리 가공 전력은 약 30 ipm [762 mm/min] 내지 약 300 ipm [7620 mm/min] 범위의 이송 속도로 사용될 수 있다.
마무리 가공 작업의 완료시, 작업편의 표면이 특정 성질들을 가질 수 있다는 점에서 마무리 가공 작업이 다른 재료 제거 작업들과 구분된다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 3b를 다시 참조하면, 일 실시예에 따라 마무리 가공된 오목한 형상의 개구(351)를 갖는 작업편 일부에 대한 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 작업편(14)은, 그 안에 형성되고 결합 연삭 공구(301)의 굴곡과 실질적으로 유사한 굴곡을 갖는 표면들(326 및 327)에 의해 정의되는 오목한 형상의 개구(351)를 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 마무리 가공 공정은 약 2 ㎛ 이하의 표면 거칠기(Ra)를 갖는 표면(326)을 형성하는 단계를 포함한다. 다른 예에서, 표면 거칠기(Ra)는 약 1.8 ㎛ 이하, 약 1.5 ㎛ 이하처럼 더 작을 수 있다. 특정의 예에서, 표면 거칠기(Ra)는 약 0.1 ㎛ 내지 약 2 ㎛의 범위 내일 수 있다. 마무리 가공된 표면의 표면 거칠기는, 일반적으로 Mahr-Federal사에서 구입 가능하고 MarSurf XCR 소프트웨어를 이용하여 작동되는 MarSurf UD 120/LD 120 모델과 같은 조도계(Profilometer)를 이용하여 측정될 수 있다.
마무리 가공 작업 완료시, 오목한 형상의 개구(351)를 정의하는 표면들(326 및 327)은 본질적으로 번(burn)이 없다. 번은 마무리 가공 작업 동안 표면에 대한 열적 손상을 나타내는 표면들(326 및 327)의 일부 변색, 잔여물 또는 에칭 후 약간 하얀 외양을 갖는 것과 같은 흔적일 수 있다. 본원 실시예에 따라 수행되는 마무리 가공 공정은 번이 거의 없는 최종 표면을 생성할 수 있다.
본원 실시예에 따라 수행되는 마무리 가공 작업은 결합 연삭 공구(301)와 슬롯(16) 표면(321 또는 323) 간의 계면에 공급되는 냉각제를 사용할 수 있다. 냉각제는 미국 특허 제6,669,118호에 기술된 것처럼 코히런트 제트(coherent jet)로 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제는 상기 계면을 잠기게 함으로써 공급될 수 있다. 본원 실시예들의 결합 연삭 물체들은 다른 냉각제들(예를 들어 비수용성 냉각제들)보다 환경적인 이유로 인해 선호될 수 있는 수용성 냉각제의 사용을 용이하게 할 수 있다. 다른 적절한 냉각제들은 반합성 및/또는 합성 냉각제들의 사용을 포함할 수 있다. 또한, 임의의 작동에 대해 유성 냉각제가 사용될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 4는 일 실시예에 따른 연삭 공구의 단면도이다. 특히, 연삭 공구는 본원에 기술된 것처럼 표면의 마무리 가공을 위해 고속으로 회전되도록 구성된 마운티드 포인트 연삭 공구일 수 있다. 특히, 연삭 공구는 본원에 기술된 것처럼 임의 체적의 결합재 내에 함유되고 체적 전체에 걸쳐 분산된 연삭 입자들을 포함하는 결합 연삭 물체를 포함한다. 더 구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 결합 연삭 물체는 작업편 내부에 복잡한 형상들(예를 들어 오목한 형상들)을 마무리 가공하도록 구성된 복잡한 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합 연삭 물체(401)는 상단면(404)과 하단면(403) 간의 물체(401)의 길이(즉, 물체의 가장 긴 치수)를 따라 연장된 종축(450)을 가질 수 있다. 부가적으로, 횡축(451)은 종축(450)에 수직으로 연장될 수 있고 물체(401)의 너비를 정의한다. 일 실시예에 따르면, 결합 연삭 물체(401)의 복잡한 형상은 제1 축 위치에서 결합 연삭 물체로부터 연장된 제1 반경 플랜지(flange, 410)에 의해 정의될 수 있다. 예를 들면, 제1 반경 플랜지(410)는 횡축(451)을 따라 횡으로, 그리고 물체(401) 주위의 원주 방향으로 연장될 수 있다. 플랜지(410)는 횡축(451)에 대해 제1 각도로 물체(401)로부터 반경 방향으로 연장된 제1 표면(411)을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 표면(411)과 횡축(451)의 교점은 예각(461)을 정의할 수 있다. 유사하게, 플랜지(410)는 결합 연삭 물체(401)로부터 반경 방향으로 연장된 제2 표면(412)에 의해 추가로 정의될 수 있다. 제2 표면(412)은 제1 표면(411)에 인접할 수 있고, 심지어 접경할 수 있다. 표면(412)은 횡축(451)과 표면(412) 간의 예각(462)을 정의할 수 있다.
부가적으로, 결합 연삭 물체(401)는 제1 반경 플랜지(410)와 별개일 수 있는 제2 반경 플랜지(413)를 포함하도록 형성될 수 있다. 실제, 도 4에 도시된 바와 같이, 반경 플랜지(413)는 반경 플랜지(410)의 축 위치와 별개인 제2 축 위치에서 종축(450)을 따라 반경 플랜지(410)와 공간적으로 떨어져 있을 수 있다. 일 실시예에 따라, 반경 플랜지(413)는 결합 연삭 물체로부터 반경 방향으로, 그리고 원주 방향으로 연장되어 플랜지(413)를 정의할 수 있는 표면들(414 및 415)에 의해 정의될 수 있다.
일부 예에서, 결합 연삭 물체(401)의 단면 형상은 단일 플랜지 형상, 이중 플랜지 형상, 삼중 플랜지 형상 및 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 형상들은 물체로부터 연장된 하나 이상의 반경 플랜지들을 포함하여 오목한 형상을 정의할 수 있다. 다른 예에서, 이것은 작업편 내부로 오목한 형상을 마무리 가공하고 형성하기에 적합한 치수들을 갖는 오목한 형상의 물체로서 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 결합 연삭 물체(401)의 복잡한 형상은 폼 깊이(FD)에 의해 형성될 수 있다. 폼 깊이는 식 [(Rl-Rs)/Rl]에 의해 표현될 수 있고, 여기서 Rs는 종축(450)을 따라 한 지점에서 결합 연삭 물체(401)의 최소 반경(Rs)(즉, 치수(406)의 1/2)이고, Rl은 종축(450)을 따라 한 지점에서 결합 연삭 물체(401)의 최대 반경(Rl)(즉, 치수(408)의 1/2)이다.
일 실시예에서, 결합 연삭 물체(401)는 적어도 약 0.3의 폼 깊이(FD)를 갖는다. 다른 실시예에서, 결합 연삭 물체(401)는 적어도 약 0.4, 적어도 약 0.5, 적어도 약 0.6, 적어도 약 0.7, 또는 그 이상의 폼 깊이(FD)를 가질 수 있다. 어떤 실시예는 약 0.3 내지 약 0.95, 예컨대 약 0.4 내지 약 0.9, 약 0.5 내지 약 0.9 범위 내의 폼 깊이(FD)를 갖는 결합 연삭 물체(401)를 사용할 수 있다.
결합 연삭 물체(401)는 식 [Fl/Fw]에 의해 표현되는 폼 비율(FR)에 의해 형성될 수도 있다. 치수 F1은 결합 연삭 물체(401)의 종축(450) 방향을 따라 주변 프로파일 표면의 크기로서 측정된 폼 길이이다. 특히, 폼 길이는 재료 제거 마무리 가공 공정에 적극적으로 관여하는 프로파일의 일부를 정의하며, 도 4에 도시된 점 A와 점 B 사이의 결합 연삭 물체(401) 프로파일 길이를 형성할 수 있다. 치수 Fw는 실제로 종축(450)의 직선을 따라 상단면(404)과 하단면(403) 간의 결합 연삭 물체의 길이를 정의하는 폼 너비이다.
일 실시예에 따르면, 결합 연삭 물체(401)는 적어도 약 1.1의 폼 비율 [Fl/Fw]을 가질 수 있다. 다른 예에서, 결합 연삭 물체(401)는 적어도 약 1.2, 예컨대 적어도 약 1.3, 적어도 약 1.4, 적어도 약 1.5, 또는 심지어 적어도 약 1.7의 폼 비율을 가질 수 있다. 특정의 실시예는 약 1.1 내지 약 3.0, 예컨대 약 1.2 내지 약 2.8, 약 1.2 내지 약 2.5, 약 1.3 내지 약 2.2, 또는 심지어 약 1.3 내지 약 2.0 범위 내의 폼 비율을 갖는 결합 연삭 물체를 사용할 수 있다.
결합 연삭 물체(401)의 임의의 치수 양태는 오버행(overhang) 비율에 의해 추가로 기술될 수 있다. 결합 연삭 물체(401)의 오버행 비율은 식 [OL/Dm]에 의해 표현될 수 있고, 여기서 Dm은 결합 연삭 물체의 종축(450)을 따라 한 지점에서 최소 직경(406)이고, OL은 결합 연삭 물체(401)의 하단면(403)과 결합 연삭 물체의 종축을 따라 최소 직경(406)을 정의하는 지점 간의 길이(407)이다.
임의의 실시예에 따르면, 결합 연삭 물체(401)는 적어도 약 1.3의 오버행 비율(OR)을 가질 수 있다. 또한 다른 예에서, 결합 연삭 물체(401)는 적어도 약 1.4, 예컨대 적어도 약 1.5, 또는 심지어 적어도 약 1.6의 오버행 비율(OR)을 갖도록 형성될 수 있다. 결합 연삭 물체(401)에 대한 오버행 비율은 약 1.3 내지 약 2.5, 예컨대 약 1.3 내지 약 2.2 범위 내일 수 있다.
본원에 기술된 특징들 이외에, 결합 연삭 공구는 마무리 가공 공정과 함께 즉시(in-situ) 드레싱될 수 있다. 드레싱은 본 기술 분야에서 결합 연삭 물체의 샤프닝(sharpening) 및 재샤프닝 방법으로서 이해되며, 일반적으로 결합 연삭 물품에 대해 수행되는 작업이고, 예를 들어 단일층 연삭 공구(예를 들어 전해 도금된 연삭 물체)를 포함하는 다른 연삭 물품들과 함께 사용하기에 적절한 작업은 아니다.
도 5는 일 실시예에 따른 드레싱 작업의 단면도이다. 특히, 도 5는 결합재 매트릭스 내에 함유된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하는 결합 연삭 공구(400)의 부분 단면도를 포함한다. 본원의 실시예에 따른 결합 연삭 공구는 결합 연삭 물체의 굴곡을 유지하기 위해 마무리 가공 작업 동안 드레싱될 수 있고, 이것은 다른 기존의 마운티드 포인트 연삭 공구들에 비해 마무리 가공 작업의 정확도 개선 및 공구 수명의 개선을 용이하게 한다.
드레싱 작업 동안, 상당히 날카로운 재료를 포함할 수 있는 드레싱 재료(501)는 결합 연삭 물체(401)의 프로파일 에지(edge)에 접하여 위치할 수 있다. 결합 연삭 물체(401)는 드레싱 재료(501)에 대해 회전되어 결합 연삭 물체의 프로파일 에지를 날카롭게 하고 다시 굴곡을 줄 수 있다. 대안적으로, 드레싱하는 동안 드레싱 재료(501)는 결합 연삭 물체(401)에 대해 회전될 수 있다. 또는 다른 대안적 실시예에서, 결합 연삭 물체(401)와 드레싱 재료(501)는 드레싱의 유형에 따라 동시에 회전될 수 있고, 같은 방향 또는 반대 방향으로 회전될 수 있다.
특히, 도 5는 드레싱 재료(501)가 연삭 물체(401)의 폼 길이와 완전히 접하여 위치한 플런지 드레싱 작업을 나타낸다. 플런지 드레싱은, 결합 연삭 물체(401)가 작업편의 표면을 복잡한 형상과 엄격한 치수 공차로 마무리 가공하기에 적합한 특정 굴곡을 갖도록 유지하기 위한 방법으로서 다른 작업들에 비해 상당한 장점을 제공할 수 있다. 특히, 플런지 드레싱 작업을 수행하기 위해, 드레싱 재료(501)의 표면은 연삭 물체(401)의 적절한 재굴곡화를 위해 연삭 물체(401)의 폼 길이와 상당히 동일한 복잡한 굴곡을 갖는다. 다시 말해, 드레싱 재료(501)는 상호 보완적인 복잡한 형상을 갖도록 형성될 수 있고, 드레싱 재료(501)는 드레싱 동안 결합 폼 길이의 완전한 주변을 따라 연삭 물체(401)에 맞물릴 수 있다. 마무리 가공 작업 동안 결합 연삭 물체(401)를 드레싱하는 능력은 더 긴 공구 수명과 치수 및 표면 형상(예를 들어 Ra)을 포함하여 마무리 가공 표면의 개선된 일관성을 용이하게 할 수 있다.
도 5는 플런지 드레싱 작업을 도시하고 있지만, 예를 들어 트래버스(traverse) 드레싱 작업을 포함하여 다른 드레싱 작업들이 본 발명 실시예의 결합 연삭 물품과 함께 사용될 수 있다. 트래버스 드레싱은 드레싱 재료를 결합 연삭재와 접하여, 특히 결합 연삭 물체의 프로파일 일부와 접하여 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 특히, 트래버스 드레싱은 플런지 드레싱의 경우처럼 드레싱 재료에 결합 연삭 물체의 복잡한 형상을 보완하도록 반드시 복잡한 형상을 주는 것은 아니므로, 폼 길이의 일부만이 아무 때나 드레싱될 수 있다는 점에서 플런지 드레싱과 다르다. 트래버스 드레싱 작업은 전체 폼 길이가 드레싱될 때까지 결합 연삭 물체의 폼 길이의 복잡한 형상을 따라 이동되거나 가로질러지는 드레싱 재료를 사용한다. 트래버스 드레싱은 마무리 가공 작업과 함께 즉시 완료될 수 있다.
예
2.85 x 2.00 x 1.50 인치 크기를 갖는 인코넬 718 작업편을 Heald Grinders에서 구입 가능한 변형된 Cinternal ID/OD 2축 CNC 그라인더에 위치시켰다.
도 4에 도시된 바와 같이 복잡한 형상을 갖는 Saint-Gobain사의 유리화 cBN 마운티드 포인트 공구(B120-2-B5-VCF10)를 사용하여 작업편에 대해 마무리 가공 작업을 수행하였다. 결합 연삭 물체는 0.8의 폼 깊이(FD), 1.5의 폼 비율(FR), 및 1.57의 오버행 비율을 갖는다. 공구는 약 4.1 cm의 폼 너비, 1.19 cm의 오버행 길이(OL), 0.762 cm의 최소 직경, 및 3.76 cm의 최대 직경을 갖는다.
2 인치 두께의 로우터 한 개를 60개의 슬롯으로 마무리 가공하여 완료(2 인치 작업편으로부터 1.2 인치의 재료를 제거하는 것과 동일)하도록 모사하기 위해 마무리 가공 공정을 수행하였다. 마무리 가공 공정 동안, 패스 당 절삭 깊이는 0.0005" 이며, 전체 절삭 깊이는 40,000 rpm의 휠 속도에서 슬롯의 각 면에 대해 0.010 인치이다. 특히, 40,000 rpm의 휠 속도는 결합 연삭 공구 상에서 표면 속도의 범위가 최대 직경에서 최고 16,755 sfpm으로부터 최소 직경에서 3,140 sfpm까지 범위에 있도록 하였다. 50 ipm과 100 ipm의 작업 속도로 두 번의 마무리 가공 작업을 수행하였고, 각 작업 속도에 대해, 두 가지 별개의 작업편을 사용하였다. 각 시험에 대해, 드레싱 없이 1.2 인치의 재료가 작업편으로부터 제거되었다.
첫 번째 시험 작업편에 대해, 40 패스 또는 0.020" 깊이의 재료가 작업편의 한쪽 말단으로부터 제거되었다(하나의 슬롯을 완료하는 것과 동일). 두 번째 작업편에 대해, 0.400 인치의 재료가 각 말단으로부터 제거되었다. 마지막으로, 첫 번째 작업편을 다시 사용하여, 0.400 인치의 재료를 제2 말단으로부터 제거하였다. 마무리 가공 후, 마무리 가공된 표면의 마모 분석을 위해 작업편을 보냈다. 분석에 근거하여, 번(즉, 재료의 표면 상에 하얀 층)의 흔적은 제한적이었고, 마무리 가공된 표면은 상업적 사양 내에 속함이 명백하였다.
마무리 가공 동안, 100 psi에서 폼을 가로질러 다중 제트를 겨냥하도록 고안된 노즐을 이용하여 약 29.2 gpm의 유속으로, 결합 연삭 공구와 작업편 표면의 계면에 냉각유(Master Chemical OM-300)를 공급하였다.
아래 표 1에 나타난 조건 하에서 결합 연삭 물체를 드레싱하였다. 결합 연삭 물체는, 100 ipm 시험의 시작시 한 차례 및 50 ipm 시험의 시작시 다시 하여 두 차례 드레싱 하였다.
드레싱 조건
마운티드 포인트 속도 (rpm) 40,000
드레스 롤 속도 (rpm) 3,650
마운티드 포인트 회전당 이송 (min) 3.75
이송 속도 (ipm) 0.15
속도 비율 범위 (최대/최소) 1.83~0.27
임의의 성능 파라미터들을 도 6a 및 도 6b의 도표에 도시하였다. 도 6a는 마무리 가공 작업에 대해 마무리 가공 전력(Hp)과 슬롯 길이(즉, 마무리 가공된 슬롯 길이의 인치 수)의 관계를 나타낸 도표이다. 특히, 도표(601)는 50 ipm에서 수행된 마무리 가공 작업에 대한 전력과 슬롯 길이의 관계를 나타내고, 도표(603)는 100 ipm의 마무리 가공 작업에 대한 전력과 슬롯 길이의 관계를 나타낸다. 언급한 바와 같이, 50 ipm에서 재료 제거 공정에 대해 마무리 가공 전력은 2.2 Hp를 초과하지 않았고, 100 ipm에서 재료 제거에 대해 마무리 가공 전력은 2.8 Hp를 초과하지 않았다. 이러한 결과는 많은 슬롯들에 필요한 상당히 제한된 마무리 가공 전력을 나타낸다.
도 6b는 마무리 가공 전력(Hp)과 완료된 슬롯의 다양한 길이에 대해 50 및 100 ipm에 해당하는 특정의 재료 제거율과의 관계를 나타낸다. 도 6b에 나타난 바와 같이, 0.5 in3/min/in까지 특정의 재료 제거율에 대해 마무리 가공 전력이 2.8 Hp 미만이었다. 이러한 결과는 상업적으로 수용 가능한 재료 제거율을 가지고 표면을 마무리 가공하는 데 필요한 상당히 제한된 전력을 나타낸다.
본원 실시예의 연삭 공구를 사용하여 작업편을 마무리 가공하는 연삭 공구 및 방법은 최첨단 기술로부터의 출발을 의미한다. 특히, 이러한 작업편 및 재료를 마무리 가공하기 위한 최첨단 기술 방법들, 특히 엄격한 치수 공차로 재료에 오목한 형상을 형성하기 위한 최첨단 기술 방법들은 본원에 기술된 공구 또는 방법을 사용한 적이 없다. 특히, 본원 실시예의 연삭 공구는 예를 들어, 결합재의 매트릭스 내에 전체적으로 분산된 연삭 입자들, 폼 깊이, 오버행 비율, 및 폼 비율에 의해 기술되는 복잡한 형상들을 포함하는 특징들의 조합을 사용한다. 더욱이, 본원 실시예의 결합 연삭 공구는 이전에 사용된 적이 없었던 특징들을 갖는 마무리 가공 작업을 용이하게 하기 위한 특정의 방식으로 사용된다. 특히, 결합 연삭 공구는 공구의 위치적 속도, 이송 속도, 재료 제거율, 마무리 가공 전력, 및 유사한 특정 조건들 하에서 작업편을 복잡한 오목한 형상으로 마무리 가공할 수 있도록 한다. 더욱이, 본원의 연삭 공구를 기술된 방법들과 조합하여 사용하면 공구의 형상을 유지하면서 작업편을 엄격한 치수 공차로 마무리 가공하기 위한 새로운 공정을 용이하게 하여, 형상과 형성된 표면의 정확성을 용이하게 하고, 공구의 사용 가능한 수명을 연장하여 작업 효율을 개선한다.
12: 결합 연삭 공구
14: 작업편
16: 슬롯
18a, 18b: 작업편
301: 결합 연삭 공구
303: 결합 연삭 물체
308, 309: 경로
321, 323, 326, 327, 414, 415: 표면
351: 오목한 형상의 개구
401: 결합 연삭 물체
403: 하단면
404: 상단면
406, 408: 치수
410: 제1 반경 플랜지
411: 제1 표면
412: 제2 표면
413: 제2 반경 플랜지
450: 종축
451: 횡축
461, 462: 예각
501: 드레싱 재료

Claims (15)

  1. 결합재의 3차원 체적 전체에 걸쳐 분산된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하는 연삭 공구로서,
    상기 결합 연삭 물체는 오목하게 들어간(re-entrant) 형상을 정의하는 윤곽을 갖는 형상을 포함하고,
    상기 결합 연삭 물체의 형상은 적어도 0.3의 폼 깊이(FD)를 갖고, 상기 폼 깊이(FD)는 식 [(Rl-Rs)/Rl]에 의해 표현되고, Rs는 상기 결합 연삭 물체의 종축을 따르는 한 지점에서의 최소 반경(Rs)이고, Rl은 상기 결합 연삭 물체의 종축을 따르는 한 지점에서의 최대 반경(Rl)이고,
    상기 결합 연삭 물체의 형상은 제1 축 위치에서 상기 결합 연삭 물체로부터 연장하는 제1 반경 플랜지를 갖고,
    상기 결합 연삭 물체는 적어도 1.3의 오버행 비율(OR)을 포함하고,
    상기 결합 연삭 물체는 적어도 0.5 체적% 내지 60 체적%의 기공도를 포함하는 연삭 공구.
  2. 결합재의 3차원 체적 전체에 걸쳐 분산된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하는 연삭 공구로서,
    상기 결합 연삭 물체는 적어도 0.3의 폼 깊이(FD)를 갖는 형상을 포함하고, 상기 형상은 제1 축 위치에서 상기 결합 연삭 물체로부터 연장하는 제1 반경 플랜지를 갖고, 상기 결합 연삭 물체는 적어도 0.5 체적% 내지 60 체적%의 기공도를 포함하는 연삭 공구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반경 플랜지는 상기 결합 연삭 물체의 횡축에 대해 제1 각도로 상기 결합 연삭 물체로부터 반경 방향으로 연장하는 제1 표면을 포함하고;
    상기 제1 반경 플랜지는, 상기 제1 표면에 인접하며 상기 결합 연삭 물체의 횡축에 대해 제2 각도로 상기 결합 연삭 물체로부터 반경 방향으로 연장하는 제2 표면을 포함하는 연삭 공구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결합 연삭 물체의 형상은 제2 축 위치에서 상기 결합 연삭 물체로부터 연장하는 제2 반경 플랜지를 포함하고, 상기 제1 반경 플랜지 및 제2 반경 플랜지는 상기 결합 연삭 물체의 종축을 따라 서로 이격되는 연삭 공구.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 반경 플랜지는 상기 결합 연삭 물체의 횡축에 대해 일정 각도로 상기 결합 연삭 물체로부터 반경 방향으로 연장된 제3 표면을 포함하고;
    상기 제2 반경 플랜지는 상기 결합 연삭 물체의 횡축에 대해 일정 각도로 상기 결합 연삭 물체로부터 반경 방향으로 연장된 제4 표면을 포함하는 연삭 공구.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결합 연삭 물체의 형상은 이중 플랜지 형상을 포함하는 연삭 공구.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 결합 연삭 물체는 식 Fl/Fw에 의해 표현되는 적어도 1.1의 폼 비율(FR)을 포함하고, Fl은 상기 결합 연삭 물체의 상기 종축 방향을 따라 주변 프로파일 표면의 크기로서 측정된 폼 길이이고, Fw는 상기 종축을 따라 상단면과 하단면 간의 상기 결합 연삭 물체의 크기로서 측정된 폼 너비인 연삭 공구.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 오버행 비율(OR)은 식 [OL/Dm]에 의해 표현되고, Dm은 상기 결합 연삭 물체의 상기 종축을 따르는 한 지점에서의 최소 직경이고, OL은 하단면과 상기 결합 연삭 물체의 상기 종축을 따르는 상기 최소 직경을 정의하는 지점 간의 상기 결합 연삭 물체 일부의 길이인 연삭 공구.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결합 연삭 물체의 형상은 상기 결합 연삭 물체로부터 축 방향으로 연장된 제1 및 제2 반경 플랜지들 간에 연장된 반경 채널을 포함하는 연삭 공구.
  10. 연삭 공구를 작동하는 방법으로서,
    결합재의 3차원 체적 전체에 걸쳐 분산된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하는 마운티드 포인트 연삭 공구 형태의 결합 연삭 공구를 사용하여, 작업편 내에 오목한 형상의 개구를 마무리 가공하는 단계; 및
    상기 결합 연삭 물체의 폼 길이를 따라 상기 마운티드 포인트 연삭 공구를 플런지 드레싱하는 단계;를 포함하고,
    상기 결합 연삭 물체는 오목하게 들어간 형상을 정의하는 윤곽을 갖는 형상을 포함하고, 상기 결합 연삭 물체의 형상은 제1 축 위치에서 상기 결합 연삭 물체로부터 연장하는 제1 반경 플랜지를 포함하고, 상기 결합 연삭 물체의 형상은 적어도 0.3의 폼 깊이(FD)를 갖고, 상기 폼 깊이(FD)는 식 [(Rl-Rs)/Rl]에 의해 표현되고, Rs는 상기 결합 연삭 물체의 종축을 따르는 한 지점에서의 최소 반경(Rs)이고, Rl은 상기 결합 연삭 물체의 종축을 따르는 한 지점에서의 최대 반경(Rl)이고, Rs는 10 ㎜ 이하이고, 상기 결합 연삭 물체는 적어도 1.3의 오버행 비율(OR)을 포함하는, 연삭 공구를 작동하는 방법.
  11. 작업편 내에 오목한 형상의 개구를 마무리 가공하는 단계를 위해 상기 작업편에 대해 결합 연삭 공구를 회전시키는 단계를 포함하는 작업편 마무리 가공 방법으로서,
    상기 결합 연삭 공구는 결합재의 3차원 체적 전체에 걸쳐 분산된 연삭 입자들을 갖는 결합 연삭 물체를 포함하고, 상기 결합 연삭 물체는 제1 축 위치에서 상기 결합 연삭 물체로부터 연장하는 제1 반경 플랜지를 갖는 형상을 포함하고, 상기 결합 연삭 물체는 적어도 1.3의 오버행 비율(OR)을 포함하고, 상기 마무리 가공 단계는 2 ㎛ 이하의 표면 거칠기(Ra)를 갖는, 상기 오목한 형상의 개구를 정의하는 표면을 형성하는 단계를 포함하는 작업편 마무리 가공 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 마무리 가공 단계는 상기 결합 연삭 공구를 제1 패스 상의 상기 작업편 내 상기 오목한 형상의 개구를 정의하는 상기 표면의 제1 부분에 접촉시키는 단계; 및
    상기 결합 연삭 공구를 제2 패스 상의 상기 작업편 내 상기 오목한 형상의 개구를 정의하는 상기 표면의 제2 부분에 접촉시키는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분은 상기 표면의 상이한 부분인 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 마무리 가공 단계 동안, 상기 결합 연삭 공구의 이송 속도는 30 ipm [762 ㎜/min] 내지 300 ipm [7620 ㎜/min]의 범위 내인 방법.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 마무리 가공 단계 동안, 재료 제거율은 0.01 in3/min/in [0.11 ㎜3/sec/㎜] 내지 2 in3/min/in [22 ㎜3/sec/㎜]의 범위 내인 방법.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 마무리 가공 단계 동안, 사용되는 마무리 가공 전력은 30 ipm [762 ㎜/min] 내지 300 ipm [7620 ㎜/min] 범위 내의 상기 결합 연삭 공구의 이송 속도에서, 5 Hp [3.75 kW] 이하인 방법.
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