KR940005396B1 - 기계 가공 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

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Description

기계 가공 방법 및 장치
제1도는 원통형 스톡을 절삭하는 과정중에 있는 본 발명에 의한 회전 고정구의 한 실시예를 도시한 부분 등각도.
제2도는 제1도에 도시된 회전 고정구의 부분 등각도.
제3도는 제1도 및 제2도의 회전 고정구의 다른 실시예의 조립 등각도.
제4도는 제3도에 도시된 실시예의 분해 등각도.
제5도는 제4도의 선5-5를 따라 취한 단면도.
제6도는 절삭 면적내에 있는 제1도의 확대 측면도.
제6a도는 절삭이 시작되어 칩이 형성되는 제1도의 확대 측면도.
제6b도는 발생하는 칩이 공구 고정구의 전연(전前緣)과 접촉하는 것을 도시한 제6a도에 표시된 바와 같은 측면도.
제6c도는 발생하는 칩이 공구 고정구의 상면에 따라 더 이동하는 것을 도시한 제6a도와 같은 측면도.
제7도는 본 발명에 따른 방법 및 장치의 임계 작동 매개변수의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 공구 고정구 12 : 공작물
14 : 지지봉 16 : 시트
18 : 인서어트 19 : 절삭날
20 : 클램프 23 : 각진면
28 : 냉각제 송출선 32 : 배출 오리피스
34 : 연결통로 36 : 중간통로
38 : 냉각제 제트 40 : 고정구
66 : 절삭날 84 : 배출 오리피스
100 : 칩 102 : 전단 평면
106 : 공동 114 : 오리피스 거리
본 발명은 기계 가공, 특히 터어닝, 보오링, 셰이핑, 그루빙, 나사 절삭 및 밀링등과 같은 금속 가공 작업을 수행하는 개량된 방법과 장치에 관한 것이다.
절삭 공구에는 일반적으로 호울더와 하나 이상의 절삭 인서어트가 포함되어 있고, 각 절삭 인서어트에는 끝에 하나 이상의 절삭날이 달린 면이 있다. 호울더는 제자리에 클램프되는 절삭 인서어트를 수용하는 소켓으로 형성되어 있기 때문에, 터어닝, 보오링, 셰이핑, 밀링, 나사 절삭 및 그루빙등과 같은 금속 가공 작업에 있어서 인서어트의 절삭날이 공작물과 맞물려 급속칩을 제거하게 되어 있다. 칩에는 공작물에서 분리되면, 전단면을 따라 서로 미끄러져 내리는 다수의 얇고 보통 사각형상의 금속절편(切片)들이 포함되어 있다. 칩을 형성하는 얇은 금속절편의 이러한 전단 운동으로 인하여 상당량의 열이 발생하고 도 인서어트의 절삭날의 공작물과 접촉할 때 그 마멸에 의하여 생기는 열도 발생한다.
종래 기계 가공에서 사용되는 공구 고정구의 절삭 인서어트가 파손되는 원인 가운데 절삭 인서어트와 공작물 사이의 마멸이 있고, 이것이 크레이터링(Cratering)으로 알려진 문제점이다. 크레이터링은 칩 형성시에 생기는 심한 열과, 칩의 절삭 인서어트와의 마찰 접촉에 의해 생긴다.
칩을 형성하는 금속이 공작물로부터 전단되면, 인서어트의 상면과 어떤 경우에는 인서어트를 제자리에 고정시키는 공구 고정구의 소켓부분을 따라 이동한다. 대다수의 인서어트는 인서어트면과 공구 고정구의 소켓 부분으로부터 칩을 위쪽으로 치워버리도록 칩과 면하는 표면에 칩 브레이커 홈을 포함한다. 그러나, 이러한 칩 브레이커 홈이 있더라도, 인서어트의 상면중 적어도 그 절삭날에서 안쪽에 있는 부분이 칩과 마찰 접촉을 하게 된다. 이와 같은 마찰 접촉과 칩 형성시에 생기는 심한 열로 인하여, 인서어트의 노출된 상면에 크레이터가 형성된다.
이러한 크레이터가 상당히 깊어지면, 전체 인서어트는 공작물과의 마멸 접촉으로 인하여 그 절삭날과 인서어트의 양측면을 따라 균열을 받아 파손되어 버린다. 최근에는 합금강, 티타늄, 스테인레스 및 니켈 기본합금과 같은 초합금이 개발되어 광범위하게 사용되고 있기 때문에, 크레이터링이 심각한 문제로 되고 있다.
크레이터링과 연삭 마멸을 피하기 위한 종래의 시도는 공구의 수명과 효율을 약간 증가시켰을 뿐이다. 종래 기술에서 인서어트를 탄화텅스텐과 같은 고강도 재료로 만들어 보려는 접근 방법이 채택되었다. 초경 인서어트는 매우 단단하지만 취성이 있고, 산산조각으로 되기 쉽기 때문에, 그 결과 조기에 파손된다.
인서어트의 윤활성과 강도를 향상시키기 위하여 경화 또는 합금 세라믹과 같은 재료를 사용하고, 절삭 인서어트를 피복하는 여러 가지의 저마찰 피복법이 개발되었다. 근래에는 대다수의 인서어트를 공구의 수명을 더 연장시키기 위하여 다중(多重)피복으로 제조한다. 절삭 인서어트용 재료와 피복이 개량되어 공구의 수명이 어느정도 연장되었으나, 최우량의 절삭 인서어트라도, 특히 티타늄이나 이와 유사한 초합금 재료를 가공할 때에는 이를 자주 교체하여야 한다.
절삭 인서어트를 제조하는데 사용하는 재량된 재료와 피복 이외에도, 절삭 인서어트와 칩의 온도를 감소시키고 절삭 인서어트와 공작물의 계면을 윤활시킴으로써 공구의 수명을 연장시키려는 시도가 이루어져 왔다.
냉각 및 윤활의 한 방법으로서 공구 고정구와 작업물을 여러 가지 형태중의 어떤 한 저압 흐름의 냉각제로 넘치게 하는 담금질 작업을 채용하는 방법이 있었다. 전형적인 예로서는 절삭 공구와 공작물에서 몇인치 윗쪽에 노즐을 배치하고, 이 노즐에 의하여 저압 냉각제가 공작물, 공구 고정구 및 칩의 상단으로 흐르게 하는 것을 들 수 있다. 만액식(滿液式) 냉각으로 알려진 이 기술은 칩의 상면과 절삭 인서어트가 설치되는 소켓의 연단(緣端) 부근의 공구 고정구의 부분만을 효과적으로 냉각시킬 뿐이다.
절삭 인서어트와 접촉하는 칩의 아래쪽과, 절삭 인서어트와 공작물 사이의 계면은 공구 고정구 상방으로부터 향한 냉각제의 저압류에 의해 냉각되지 않는다. 이것은 특히 현대식 밀링기계 공구나 터어닝 기계의 고속 운전 속도에서, 칩과 인서어트의 절삭날 사이의 면적에서 생기는 열이 냉각제가 인서어트의 절삭날 근방까지 흘러가기도 전에 이를 증발시켜 버리기 때문이다.
만액식 냉각의 비효율성에 대하여 절삭 인서어트의 열파괴가 초래될 수 있다. 이것은 인서어트 절삭날을 둘러싸고 있는 고온 구역과 공구 고정구의 소켓속에 들어있는 인서어트의 차가운 내면 부분 사이에 고온 그레디언트가 발달되기 때문에 생긴다. 냉각제는 인서어트의 절삭날에 도달하기 전에 증발하여 버림으로, 공구 고정구내에서 유지되는 인서어트 구역만 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 이와 같이, 절삭 인서어트의 절삭날과 그 나머지 부분 사이의 심한 온도차로 인하여 열파괴가 생길 수 있다.
피고트에 허여된 미합중국 특허 제2,653,517호에서는 이러한 종래 기술의 만액식 냉각방법을 개선하고자 시도하였다. 이 특허에서는 공작물과 인서어트중 칩에 생기는 상부 또는 노출면 밑에 있는 절삭 인서어트의 후단 사이의 한 국소에, 비초당 약 79.25m(260ft)의 속도로 냉각제를 적용하는 방법과 장치를 기술하고 있다. 이 보통의 방법은 독일특허 제3,004,166호에서도 기술되어 있다. 그와 같은 냉각방법의 문제는 냉각제가 절삭 인서어트의 크레이터링과 고온이 생기는 국소, 다시 말하면, 인서어트의 노출 상면과 생성된 칩의 저면 사이에 도입되지 아니한다는 점이다. 절삭 인서어트 밑에 냉각제를 도입하는 것은 칩과 절삭 인서어트사이의 마찰 접촉을 거의 또는 전혀 감소시키지 아니한다.
릴리에게 허여된 미합중국 특허 제4,302,135호에서는 또 다른 만액식 냉각법이 기술되어 있다. 이 특허의 회전식 절삭 공구에는 생크(shank)부분과 길이 방향 보어가 뻗어 있는 절삭 부분으로 형성되고 생크 부분에는 입구, 절삭 부분에는 출구가 있는 몸체가 포함되어 있다. 간격 채널은 절삭 부분의 저면내에 형성되어, 출구로부터 외측을 향하여 방사상으로 뻗어 있고, 절삭 인서어트를 조립하게 되어 있는 소켓에서 끝나게 되어 있다. 이 채널은 절삭 인서어트내에 형성되고, 인서어트의 절삭날에 통하는 홈과 일렬로 되어 있다. 냉각제는 중앙 통로를 통하여 펌프로 주입되고, 채널을 거쳐 외측을 향하여 방사상으로 안내된 다음에, 공구 몸체에 의하여 방사상으로 편향되어 냉각제 유동 채널을 따라 절삭 인서어트 속으로 들어간다.
릴리 회전식 공구에 의하여 냉각제를 고속도, 고압력으로 절삭 인서어트와 공작물의 계면 구역으로 안내하는 방법이 시도되었다. 그러나, 릴리 특허에서 제공된 구조에 의하면 절삭 작업으로 인하여 생긴 심한 열 때문에 냉각제가 절삭날과 공작물의 계면이나, 그 인접 구역에 있는 칩에 도달하지 못한다. 릴리의 구조에서는 중앙 통로로부터 절삭 인서어트까지의 냉각제의 흐름은 사실상 한정되어 있지 않거나 대기압에 개방되어 있다. 냉각제가 출구로부터 중앙 통로로 일단 방출되면, 그 압력과 속도가 크게 떨어진다. 이것은 릴리공구의 절삭 부분 밑면의 단면적이 중앙 보어에 비하여 비교적 크고, 각 절삭 인서어트가 공구에 의하여 이미 절삭된 구역으로 회전할때마다 냉각제의 흐름이 대기에 노출되기 때문이다. 릴리 공구에 제공된 냉각제 흐름은 그 흐름의 압력과 속도가 크게 감소되기 때문에, 심한 열이 발생하는 절단날과 공작물의 계면에 인접된 구역까지 도달하기도 전에 증발하여 버린다. 그러므로, 릴리의 발명은 본질적으로 일종의 만액식 냉각시스템으로서 몸체의 절삭 부분내에 있는 방사상 채널의 끝에 바로 인접한 절삭 인서어트 구역과 절삭날-공작물 계면으로부터 외측으로 흐르는 칩이 이 위치에 도달하였을 때 이러한 칩에 대하여서만 냉각이 한정된다.
제한된 공구 수명에 더하여 절삭 공구 산업이 안고 있는 또 다른 문제는 절삭 인서어트와 고정구의 구역으로부터 칩을 적절히 파손하고 또 제거하는데 관련되는 것이다. 칩을 공작물로부터 전단되었을 때 짧은 조각으로 깨뜨려 버리는 것이 바람직하다. 칩이 패쇄되지 아니하고, 길게 이어지게 되면, 절삭 인서어트, 공구 고정구 및 공작물을 감싸는 경향이 있으며, 이렇게 되면 공구가 파괴되거나, 이러한 구역에 끼어 있거나 뭉쳐있는 칩을 제거하기 위하여 가공 작업을 주기적으로 중단하게 된다.
현재 칩 파단 및 제거 문제를 해결하기 위한 시도는 칩 브레이커 홈이 있는 절삭 인서어트에 관한 몇가지 설계에 한정되어 있고, 이러한 칩 브레이커 홈은 절삭 인서어트의 상면중 절삭날에 바로 인접한 위치에 형성된 홈이다. 칩 브레이커 홈은 칩이 공작물에서 전단되자마자 칩과 맞물려서 이를 절삭 인서어트의 표면에서 윗쪽으로 향하거나 구부리기 때문에, 칩이 부서져 버리는 경향이 있다. 일부 응용에서는 이러한 칩 브레이커 홈 설계가 만족스러운 성능을 달성하였으나, 재료의 상이성, 기계의 종류, 커트의 깊이, 이송율 및 속도 등과 같은 기계 가공 작업에 있어서의 여러 가지 변수들로 인하여 사실상 어느 하나의 칩 브레이커 홈 설계가 모든 응용에 있어서 효과적인 것이 될 수는 없다. 이것은 산업계에서 일어날 수 있는 여러 가지 가공조건에 적합시키고자 하는 칩 브레이커 홈 설게가 무수히 많다는 것으로도 입증된다. 특별한 응용에 적합한 절삭 인서어트가 존재하는 경우에도 이를 선택하는 것이 비용이 많이 들고 어려우며 또 계속적인 문제로 될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적중에는 비교적 작은 길이로 공작물로부터 칩을 파단하고, 절삭 인서어트-공작물 계면으로부터의 상당한 양의 열과 기계 가공 작업에서 생성된 칩을 제거하며, 절삭 인서어트-공작물 계면을 윤활하고 절삭 인서어트의 유효 수명을 연장시키는 절삭, 보오링, 터어닝, 밀링, 그루빙, 나사 절삭 또는 드릴링과 같은 기계 가공 작업을 수행하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 방법을 수행하는 장치의 한 양호한 실시예는 절삭날에서 끝나면서 노출된 상면을 가지는 시트로 형성된 한 단부를 가지는 공구 고정구를 포함한다. 인서어트의 절삭날은 그 상면에 놓이는 칩을 형성하기 위해 회전 공작물에 접촉된다. 클램핑 부재는 인서어트의 노출된 상면위의 공구 고정구에 설치된다. 클램핑 부재는 시트내의 절삭 인서어트의 노출면위에 놓인 작은 배출 오리피스와 또 큰 유입구를 가지는 내부 중간 통로로 형성된다. 배출 오리피스는 단면형상이 원형 또는 비원형일 수 있다. 만일 원형이라면 배출 오리피스는 절삭 인서어트에 의해 취해지는 절삭 깊이와 대략 동일한 직경으로 형성된다. 비원형 배출 오리피스는 가로치수 즉 높이와 폭이 작고 큰 단면으로 형성된다. 비원형 오리피스의 큰 가로치수는 절삭 인서어트에 의해 취해지는 절삭 깊이와 대략 동일하다.
본 발명의 장치는 절삭 인서어트의 상면과 칩의 하면 사이에 있는 냉각제의 고속 제트를 방출하는 기능을 수행한다. 냉각제를 송출하기 위하여 본 발명 장치의 양호한 한 실시예는 냉각제를 공구 고정구로 보내는 수단과 배출 오리피스로부터의 방출을 위해 공구 고정구를 통해 낭각제를 보내는 수단을 포함한다. 냉각제는 한 단부는 공구 고정구의 클램핑 부재에 연결되고 다른 단부는 정격 약 70.3 내지 210.9kg/㎠(1,000내지 3,000lb/in2)을 가지는 펌프에 연결된 송출선에 의해 공구 고정구에 이송된다. 펌프와 송출선은 약 0.1 내지 12.2m/s(20 내지 40ft/s) 범위의 속도로 냉각제를 공구 고정구로 보내도록 치수가 정해진다.
냉각제는 클램핑 부재내에서 한 단부가 송출선에 연결되고, 내부 중간 통로의 유입구와 통하는 연결 통로에 의해 이송된다. 중간 통로의 벽은 보통 절두 원추형이 되도록 연결 통로로부터 배출 오리피스까지 테이퍼져 있다.
배출 오리피스에서 중간 통로의 벽이 길이 방향축에 대해 이루는 각도는 약 10°이다.
배출 오리피스가 원형 단면이라면 중간 통로의 길이는 배출 오리피스의 직경의 약 20배이다. 게다가, 중간 통로의 벽은 종래 여러 가지 방법중 어느 한 방법으로 정밀하게 연마된다. 중간 통로의 치수, 절두 원추 형상 및 연마된 벽은 연결 통로에 연결된 유입구와 배출 오리피스 사이에 있는 냉각제를 적어도 76.2m/s(250ft/s)의 속도로 가속시킨다. 냉각제 제트는 배출 오리피스로부터 인서어트의 절삭날에 수직으로 약±10°의 범위로 방출된다.
본 발명의 공구 고정구 장치의 다른 실시예에서는, 배출 오리피스와 인서어트의 절삭날간의 거리나 간격이 조정될 수 있다. 공구 고정구는 저면, 후벽, 상부벽 및 측벽을 형성하는 공동을 가지는 설치 블록에 연결된 생크부를 포함한다. 설치 블록은 인서어트의 상면이 공동의 저면과 같은 면이 되도록 절삭 인서어트를 설치하도록 되어 있는 그 저면에 있는 시트로 형성된다. 오리피스 블록은 구조상 및 기능상 상술된 공구 고정구의 것과 동일한 연결 통로 및 내부 중간 통로로 형성된 공동내에 설치된다. 오리피스 블록은 그 배출 오리피스가 인서어트의 상부에 놓여 인서어트의 절삭날에 수직으로 약 ±10°범위로 냉각제 제트를 방출하도록 공동내에 수용된다. 냉각제는 고압 펌프로부터 외부 송출선에 연결된 고정구의 생크부에 형성된 주 냉각제 통로를 통해 오리피스 블록의 내부 통로로 이송된다.
본 실시예의 공구 고정구는 배출 오리피스와 인서어트의 절삭날 사이의 거리를 변화시키도록 설치 블록내 공동의 저면을 따라 오리피스 블록의 부분을 조정하는 수단을 포함한다. 그와같은 조정수단은 배출 오리피스 반대쪽에 있는 오리피스 블록의 후방 단부나 면과 결합하여 공동내에서 측방으로 오리피스를 이동시키도록 설치 블록의 후방벽으로부터 공동으로 움직일 수 있는 나사 스터드를 포함한다. 게다가, 오리피스 블록이 소요의 위치로 조정될 때 오리피스 블록을 설치 블록의 상부벽에 설치시키기 위해 스크류나 그와 유사한 체결구가 구비된다.
재료 형태, 공작물이나 공구 고정구의 회전속도, 이송율, 절삭 깊이, 절삭 인서어트의 형태 및 다른 인자들을 포함하는 모든 기계 가공 작업에는 여러 가지 변수가 포함된다. 종래 기술의 기계 가공 작업에서는, 이들 모든 변수는 기계 가공 작업의 효율을 최대화시키기 위해 공작물로부터 칩을 작은 길이로 파단하여 공구수명을 연장시키는 것을 고려해야만 했다.
본 발명에 따른 기계 가공 방법은 이송율과 조합된 2개의 다른 변수가 효율적인 칩 조절과 연장된 인서어트 수명을 달성시키는데 결정적이라는 것이 예상된다. 이렇게 미리 알려지지 않은 결정적인 변수는 공구 고정구의 배출 오리피스와 인서어트의 절삭날 사이의 간격이나 거리, 그리고 냉각제 제트가 배출 오리피스로부터 방출되는 속도를 포함한다. 그와같은 변수는 칩을 성공적으로 파단하여 인서어트의 수명을 최적화 하도록 특수한 범위내에서 유지되어야 한다는 것이 발견되었다.
상술된 공구 고정구의 어느것에 의해서도 실시화 되듯이, 본 발명 방법의 양호한 실시예에서는, 클램프된 인서어트의 절삭날로부터 공구 고정구에 형성된 배출 오리피스의 거리는 약 1.02 내지 11.12mm(0.04 내지 0.440in) 범위내에서 양호하게 설정된다. 일단 배출 오리피스가 상기 범위내에서 인서어트의 절삭날에 대해 위치되면, 냉각제는 적어도 약 76.2m/s(250ft/s), 양호하게는 76.2 내지 304.8m(250 내지 1,000ft/s) 범위의 속도로 인서어트의 노출된 상부면을 가로지르는 배출 오리피스로부터 또 공작물로부터 형성된 칩 아래로 방출된다. 이때 공구 고정구는 공작물 또는 공구 고정구의 매 회전당 대략 0.10 내지 0.64mm(0.004 내지 0.025in) 범위의 이송율로 공작물의 길이방향 축을 따라 축방향으로 전진된다. 상기 주어진 범위나 최소치 내에서 배출 오리피스 간격, 이송율 및 냉각제 속도의 조합은 넓은 범위의 재료에서 칩의 파단과 공구수명의 최적화에 결정적인 것임이 증명되었다. 그와같은 임계 작업 매개 변수내에서 상술된 바와 같은 공구 고정구로 수행되는 기계 가공 작업은 가공되는 재료의 형태나 그 기계 가공 작업이 수행되는 절삭 속도나 절삭 깊이에 관계없이, 칩을 작은 길이로 유효하게 파단하고 인서어트 수명을 최적화 시키고 있다.
이송율, 오리피스 간격, 냉각제 속도의 특정 조합이 상기 범위내에서 재료마다 달라진다 해도 그 범위내에서 이들 변수의 어떤 조합은 칩 조절을 효과적으로 할 수 있고 거의 모든 재료에 대해 공구 수명을 연장시킨다. 예를 들어 주어진 재료로 본 발명의 방법을 수행하기 위해서는 임계 범위내의 이송율을 생산에 요구되는 바에 따라 선택하면 된다. 생산 책임자는 주어진 기간내에 얼마만한 재료를 절삭해야 하는지 알고 있으며 그에 따라 이송율을 설정할 수 있다. 이때 오리피스 간격은 상기한 위험 범위내에서, 즉 예를 들어 중간 범위 오리피스 간격을 5.08mm(0.200in)로 하는 등으로 선택할 수 있다. 작업자는 이때 절삭에 들어가고 펌프 압력을 조절함으로써 냉각제 제트의 속도를 76.2m/s(250ft/s)의 속도로부터 시작해서 칩이 만족스럽게 파단될때까지 변화시킨다. 이런식으로, 재료의 종류에 관계없이 작업자 측에 노고 및 오조작을 최소한으로 줄이면서 바람직한 칩 파단을 수행할 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치에 의해 얻어진 칩 조절 및 공구 수명 연장의 개선에 있어서는 종래의 장치 및 방법에 비해 여러 가지 인자가 관여한다고 보여진다. 형성할 칩 바로 아래의, 인서어트의 절삭날로부터 1.02mm(0.040in) 및 11.12cm(0.440in) 거리되는 위치에서 고속 냉각제 제트를 방출시키면 냉각제 제트는 절삭 인서어트-공작물 계면에서의 마멸과 형성될 칩내의 전단운동에 의해 발생된 열 장벽을 관통할 수 있다. 칩하방에 의해 나타나는 큰 표면적과 칩 및 냉각제의 극심한 온도차 때문에 칩 및 냉각제간에는 신속한 열전달이 발생한다. 칩의 온도는 반가소성 격자 구조가 분자 배열이 분열되어 실제로 고체화 될 정도로 신속하게 저하된다. 이렇게 되면 매우 취성이 강한 칩을 형성하게 되는데, 이때 이 칩은 보통 격자 구조의 칩보다 공작물로부터 분쇄되기가 훨씬 쉽다.
일설에 따르면, 인서어트-공작물 계면 및 칩에서 나오는 열을 전도하는 공정에서 내각제 부분은 기화되게 된다. 냉각제 제트는 절삭날 부근의 노출된 인서어트 상면을 횡단하도록 분사되기 때문에 실제로 증기압력은 배출 오리피스로부터 계속적으로 방출되는 새로운 냉각제에 의해 적용되는 압력에다가 칩 하방의 기화된 냉각제에 의한 압력이 더 가해진다. 기화된 냉각제와 라인내의 압력의 조합 압력이 칩 하방에 형성되어 이 칩을 공작물로부터 분리되게 하고 절삭 구역으로부터 물러나게 하여 제거시킨다. 다른 설에 따르면, 칩은 고속 냉각제 제트의 힘에 의해 간단히 파단된다고 하는 설도 있다.
이론적으로, 적어도 얼마간의 냉각제 제트는 기화되지 않고 인서어트 상면을 따라 칩 하방에서 얇은 피막형태로 고속으로 흐른다. 이 얇은 냉각제 피막은 두가지 기능을 한다고 생각된다. 첫째로, 냉각제 피막의 적어도 일부는 절삭날-공작물 계면에 이르며 절삭날 및 공작물의 불균일한 현미경적 틈새 표면 사이로 흐른다. 이렇게 되면 적어도 약간은 윤활이 되며 거기서 발생된 열은 약간 제거된다. 둘째로, 절삭 인서어트의 상면상의 얇은 냉각제 피막은 형성되는 칩에 대해 수력학적 유체 힘을 작용시켜 이 칩들을 인서어트에 접촉하지 않게 밀어 올리는 작용을 한다고 생각된다. 이렇게 되면 인서어트와 칩의 결합에 의해 형성되는 인서어트의 마찰 마모 및 마멸을 감소시켜 그 수명을 연장한다.
본 발명의 방법 및 장치는 종래의 유체 냉각 기술과는 대조적으로 실제 냉각제를 이용한 기계 가공을 수행케 하는 것이다. 공구 고정구내에 클램프된 인서어트의 절삭날로부터 임계 범위내에 위치된 공구 고정구내에 형성된 배출 오리피스로부터 적어도 76.2m/s(250ft/s)의 속도의 고속 냉각제 제트가 방출된다. 인서어트와 칩 사이의 절단날-공작물 계면 인접부에 고속 냉각제 제트를 주입하면 이 고속 냉각제 제트는 절삭 구역내에 형성된 증기 장벽 또는 열 장벽을 관통하여 절삭날-공작물 계면과 극히 고온이 형성되는 칩에 효과적인 냉각을 제공하게 된다. 만액식 냉각 시스템으로는 이 증기 장벽을 관통할 수 없으며, 따라서 효과적인 칩 게거 및 공구 수명 연장에 필요한 칩 냉각을 수행할 수 있다.
본 발명의 구조, 작업 및 이점은 첨부 도면에 따른 다음의 기술에서 명백해질 것이다.
도면에는 본 발명의 방법에 따라 공작물(12)을 기계 가공하기 위한 공구 고정구(10)의 양호한 실시예가 도시되어 있다. 공작물(12)은 이를 제1도에 도시된 방향으로 회전시킬 수 있게 되어 있는 척(도면에 표시되지 아니함)속에 설치된다. 공구 고정구(10)는 터어닝 작업을 수행할 수 있는 회전 고정구이나, 본 발명에 의한 기계 가공 방법은 밀링, 보오링, 절삭, 그루빙, 나사 절삭, 드릴릴등과 같은 다른 기계 가공 작업에도 응용할 수 있으며, 여기에 도시된 공구 고정구(10)는 설명을 위한 예에 지나지 않는다.
공구 고정구(10)에는 끝이 절삭날(19)로 된 상면(17)이 있는 절삭 인서어트(18)를 수용하게 되어 있는 시트(16)로 형성된 지지봉(14)이 포함되어 있다. 절삭 인서어트(18)는 시트(16)내에 클램프(20)에 의하여 고정되어 있고, 이 클램프는 지지봉(14)의 가장자리를 따라 인서어트(18)의 절삭날(19)에서 이격된 지점까지 뻗어 있다. 클램프(20)는 스크류(22)에 의해 고정위치로 지지봉(14)에 착탈가능하게 고정되고, 상기 스크류는 지지봉(14)의 상면에 형성된 보어(도시되지 않음)속으로 나사 체결된다.
절삭 인서어트(18)에 대향하는 클램프(20)의 끝에는 포오트(24)가 형성되어 있고, 이 포오트는 냉각제 송출선(28)의 한 끝과 연결된 피팅(26)을 수용한다. 냉각제 송출선(28)의 다른쪽 끝은 제1도에 개략적으로 도시된 고압 펌프(30)에 연결된다. 70.31 내지 351.55kg/㎠(1,000 내지 5,000lb/in2) 양호하게는 70.31 내지 210.93kg/㎠(1,000 내지 3,000ib/in2)의 정격을 가지는 펌프(30)가 적당하다. 배출 오리피스(32)는 냉각제 송출선(28)의 반대편에 있는 클램프(20)의 전연(21)내에 형성되어 있다. 도면에서는 단일 배출 오리피스(32)가 도시되어 있으나, 이루어지는 절삭에 따라 두개 이상의 배출 오리피스(32)를 클램프(20)내에 형성할 수 있다. 배출 오리피스(32)는 원형 직사각형의 여러가지 단면으로 형성될 수 있다. 배출 오리피스(32)는 공작물(12)이 가공되는 절삭 깊이 D의 대략 중앙에 위치하도록 클램프(20)의 전연(21)에 위치되는 것이 양호하다.
냉각제는 냉각제 송출선(28)에 한 끝이 피팅(26)에 의하여 연결된 연결 통로(34)와, 주통로(34)에서 유입구(35)를 가지면서 배출 오리피스(32)에서 끝나는 중간 통로(36)을 포함하는 내부 통로에 의하여 냉각제 송출선(28)으로부터 클램프(20)를 거쳐 배출 오리피스(32)까지 운반된다. 중간 통로(36)의 내벽(37)은 먼저 다이아몬드 페이스트로 충분히 연마한 다음에, 공지된 증기 용착법을 이용하여 석영유리와 같은 물질을 용착시킨다. 중간 통로(36)의 내벽(37)을 마무리할 때에는 표면 거칠기가 약 10미크론 이하가 되는 것이 양호하다.
펌프(30), 냉각제 송출선(28) 및 통로(34,36)는 약 90%의 효율로 배출 오리피스(32)로부터 고속 냉각제 제트를 방출하도록 협동한다. 즉 주어진 유량 및 압력에서 냉각제는 이론속도의 약 90%내의 실제 속도로 오리피스(32)로부터 방출된다. 냉각제 송출선(28)은 펌프(30)의 유동 능력에 따라 냉각제를 펌프(30)로부터 클램프(20)내의 포오트(24)까지 1초당 약 6.1m(20ft) 내지 12.2m(40ft)의 속도로 유동시킬 수 있을 정도의 크기로 하는 것이 바람직하다. 양호하기는 유량은 분당 2 내지 10갤론 사이이다. 이러한 속도와 유량에서 냉각제는 최소의 난류와 항력으로 인한 손실이 경미한 상태에서 냉각제 송출선(28)을 따라 이동한다는 것을 알게 되었다.
본 발명의 실시예에 있어서, 클램프(20)내에 형성된 연결 통로(34)의 직경은 약 6.35 내지 12.7mm(1/4 내지 1/2in)인 냉각제 송출선(28)의 직경과 거의 동일하다. 이에 의하여, 냉각제는 공구 고정구(10)의 연결통로(34)내에서 중간 통로(36)의 유입구(35)로 약 6.1m/s(20ft/s) 내지 12.2m/s(40ft/s)의 속력을 유지한다. 송출선(28)이나 연결 통로(34)의 단면을 원형으로 형성할 필요는 없으나, 공고 고정구(10)의 기계 가공을 단순화하고, 표준선이나 호오스를 구하기 쉽기 때문에, 원형 단면으로 하는 것이 바람직하다.
펌프(30)에 설정되어 있는 압력에 따라 약 76.2 내지 304.8m/s(250 내지 1000ft/s) 범위의 속도로 배출 오리피스(32)로부터 방출되는 냉각제 제트(38)를 형성하기 위하여, 냉각제는 유입구(35)에서 6.1 내지 12.2m/s(20 내지 40ft/s)의 속도로부터 중간 통로(36)내에서 가속된다. 냉각제 제트(38)를 약±10°로 인서어트(18)의 절삭날(19)에 수직으로 향하게 하도록 배출 오리피스(32)가 클램프(20)내에 형성된다.
중간 통로(36)는 그 내벽(37)이 유입구(35)로부터 배출 오리피스(32)로 균일하게 테이퍼지도록 그 형상이 절두 원추형으로 되어 있다. 중간 통로의 벽(37)이 배출 오리피스(32)에서 형성하는 예각은 그 길이방향축에 대해 10°이하로 하여, 중간 통로(36)의 길이에 따라 점진적 테이퍼를 만드는 것이 유리하다. 이러한 테이퍼는 냉각제를 배출 오리피스(32)까지 가속시킬 때 난류 및 손실의 발생을 방지하는 데에도 도움이 된다. 냉각제의 충분한 가속을 보장하기 위하여, 중간 통로(36)의 길이는 배출 오리피스(32)의 직경의 20배 정도로 하는 것이 바람직하다. 배출 오리피스(32)의 단면이 원형으로 되어 있지 아니한 경우에는 먼저 그 면적을 계산한 다음에, 동일한 면적을 가진 원형단면의 직경의 약 20배 정도를 중간 통로(36)의 길이로 한다.
펌프(30)가 작동하여 냉각제 제트(38)가 배출 오리피스(32)로부터 방출되면, 인서어트(18)의 절삭날(19)은 처음에는 공작물(12)과 접촉한 다음에, 예정된 깊이(D)로 내측으로 이동한다. 그 다음에는 공구 고정구(10)가 공작물(12)의 종축을 따라 축방향으로 예정된 이송율이나 공작물(12)의 회전에 대한 측거리로 전진한다. 공작물(12) 표면의 금속은 절삭날(19)에 의하여 전단되고, 칩(100)은 인서어트(18)의 상면(17)을 따라 이동하기 시작한다(제6a도 참조). 칩(100)은 전단 평면(102)을 따라 공작물(12)의 표면상의 금속을 전단함으로써 형성되고 그와같은 전단 평면(102)을 따라 서로 미끄러지는 금속의 개개의 얇은 부분(104)을 형성한다. 이 시점에서 칩(100)은 인서어트(18)의 상면과 접촉하고, 배출 오리피스(32)로부터 방출된 냉각제 제트(38)는 칩(42)의 정면, 그 상면 및 공작물(12)과 부딪치게 된다. 이 때문에, 칩(100)은 저면(101)에 대한 칩(100)의 상면상의 급속한 수축 때문에 칩이 각진면(23)에 도달하기 전에 인서어트(18)로부터 커얼되기 시작된다.
가공 작업은 제6b도에 도시된 바와 같이 수행된다. 칩(100)은 절삭 인서어트(18)의 상면(17)을 따라 계속하여 진행하여 클램프(20)의 전연(21)에 도달한다. 제2도에 잘 도시된 바와 같이, 클램프(20)의 전연(21)은 인서어트(18)의 상면(17)에 대해 경사져서 바로 상면에 고정된다. 칩(100)이 전연(21)에 접근하면, 클램프(20)의 각진 표면(23)을 따라 상향으로 선회되어 배출 오리피스(32)위에 놓여진다. 배출 오리피스(32)로부터 냉각제 제트(38)의 일부는 칩(100)에 의해 클램프(20)상에 후향으로 편향되므로, 칩(100)은 결코 각진 표면(23)에 접촉하지 않지만 그곳을 따라 냉각제의 얇은 막 최상부에 이동한다.
본 발명의 한가지 중요한 양상은 공구 고정구(10) 둘레를 다발 형태로 둘러싸서 가공 작업을 방해할 수 있게 해주는 길다란 칩(도시안됨)의 형성을 피하도록 50.8mm(2in) 또는 그 이하 정도의 비교적 작은 길이로 칩(100)이 공작물(12)로부터 전단되거나 또는 파단된다는 것이다. 본 발명의 칩 절단 성능을 설명해 주는 한가지 이론은 제6b 및 제6c도에서와 같이, 클램프(20)의 각진 표면(23)과 칩(100)이 맞물리므로서, 배출 오리피스(32) 둘레에 실질적으로 밀봉된 용기 또는 공동(106)을 형성해 준다는 것이다. 공동(106)은 공작물(12), 클램프(20)의 각진 표면(23), 칩(100)의 하면(101) 및 인서어트(18)의 상면(17)에 의해 형성된다. 제6도 내지 6c도에 도시된 바와 같이, 공작물(12)은 배출 오리피스(32)에 마주하여 칩(100) 후면에 있는 벽을 형성하며, 공동(106)의 상부 및 바닥벽들은 칩(100)의 하면(101)과 인서어트(18)의 상면(17) 각각에 의해 형성되고, 클램프(20)의 각진 표면(23)을 공작물(12)의 절결부에 마주하는 공동(106)의 벽을 형성한다. 공작물(12)로부터 외향으로 연장하는 칩(100)의 모서리는 일단 칩(100)이 클램프(20)에 접촉하면 공동(106)내의 개구 영역(108)을 형성하며, 그렇지만 그러한 영역은 크기가 최소로 된다(제1도 참조).
제6a도에 도시된 절단 작업의 초기 상태에 있어서, 냉각제 제트(38)의 압력을 배출 오리피스(32)로부터 빠져 나옴에 따라 즉시 실질적으로 감소된다. 이것은 냉각제 제트(38)가 용기 내부를 국한해 주는 것이 아니라 대기압에 노출되기 때문이다. 이 단계에서, 냉각제 제트(38)는 주로 칩(100)의 상부를 따라 흐른다. 그러나, 칩(100)이 제6b도, 6c도에 도시된 바와 같이 클램프(20)의 전연(21)으로 진행하는 경우, 칩은 배출 오리피스(32) 위에 놓여져서 공동(106)내를 밀봉 또는 둘러싸게 해준다. 비록 냉각제 속도와 압력에 공동(106)의 외향으로 면한 측부 또는 개구 영역(108)에 의해 약간의 손실이 발생한다 할지라도, 배출 오리피스(32)로부터 분출된 냉각제 제트(38)는 실질적으로 밀봉 또는 밀폐된 공동(106) 내부를 한정해 준다. 사실상, 공동(106)은 절삭 영역(110)내의 칩(100) 아래지역에서 냉각제 제트(38)에 전개된 속도와 압력을 유지할 수 있도록 클램프(20)내에 밀폐된 중간 통로(36)의 연장부를 형성한다.
칩(100)은 공작물(12)로부터 부서져서 공동(106)내에 전개된 고압에 의해 제거된다. 냉각제 제트(32)의 일부는 절삭 영역(110)내에 전개된 열에 의해 증발된다. 공동(106)이 실질적으로 밀봉된 용기를 제공하기 때문에, 칩(100)에 직접 적용되는 공동(106)내의 증발된 냉각제 제트(38)에 의해 고압이 전개된다. 게다가, 밀봉된 공동(106)내에 배출 오리피스(32)를 연속하여 빠져 나오는 새로운 냉각제에 의해 압력이 가해진다. 냉각제 제트(38)의 조합된 라인 압력과 증기 압력은 공작물(12)로부터 칩(100)의 단부(113)를 잘라내거나 부수기 위해 그리고 절삭 영역(110)으로부터 전체 칩(100)을 제거하기 위해 충분한 것보다 크다.
최상의 적용에 있어서, 칩(100)의 부서짐은 제6b도, 6c도에 도시된 위치들 사이를 이동함에 따라 달성된다. 그 결과, 비교적 짧은 칩(100)들이 생산되며 압력에 의해 절삭 영역(110)으로부터 멀어지게 된다. 본 발명의 이러한 형태는 칩이 적은 길이로 절단되지는 않지만 공구 고정구 둘레에 감기는 긴 부분을 형성하여 고장의 문제를 일으키는 기존의 기계 가공 시스템과 다른 중요한 장점을 제공한다.
본 발명의 칩 절단 형태를 설명하는 다른 이론은 약 76.2 내지 304.8m/s(250 내지 1000ft/s) 범위의 속도로 배출 오리피스(32)상의 냉각제 제트(38)가 공작물로부터 짧은 길이로 칩을 파손시키는 힘을 칩(100)에 가한다는 것이다. 칩(100)의 하면(101)에 약간의 압력이 발생할지라도, 이러한 압력은 이러한 이론에 따라 칩(100)을 절단하는 임계 인자가 아니다. 이보다는 냉각제 제트(38)의 충격력은 칩 절단을 일으킨다고 생각된다.
상기 이론에 의한 본 발명의 방법에 의한 칩 절단의 주요 인자는 냉각제 제트(38)에 의해 칩으로부터 신속히 열을 제거하므로써 칩(100)의 메짐성(embrittlement)을 포함한다. 냉각제 제트(38)의 고속에 의하여 적어도 약간의 냉각제는 금속의 각 얇은 부분(104) 사이에 형성된 전단 평면(102)을 따라 칩(100) 안으로 짧은 거리로 활성적으로 관통되어 짧은 시간에 온도를 낮춰 버린다. 이러한 칩(100)의 빠른 냉각은 준 소성인 격자 구조를 발생시켜 그 연후 냉각되었을 때 붕괴된 분자 구조로 응고된다. 칩(100)의 준 소성 상태로부터의 매우 빠른 냉각은 칩 구조의 메짐성을 발생시키고, 공작물(12)로부터 손쉽게 절단되도록 그 연성 및 굽힘 강도를 감소시킨다.
본 발명의 방법 및 장치의 칩 절단 능력을 설명하기 위한 진보된 이론에도 불구하고, 칩 조절 및 개선된 공구 수명은 기계 가공의 3가지 임계 변수에 따름이 발견되었다. 이송율은 공작물(12)의 매 회전당 공작물(12)의 종방향 축을 따라 진행된 공구 고정구(10) 또는 고정구(40)의 축방향 거리의 측정치이다. 밀링 고정구를 본 발명의 방법에 따라 사용한다면 예를 들어 이송율이 고정된 공작물에 대한 회전 밀링 고정구의 축방향 운동이라는 점으로 표현된다. 오리피스 거리는 본원에서 고정구(10)안에 클램프된 인서어트(16)의 절삭날(19)로부터 고정구(10)의 배출 오리피스(32) 사이의 공간(112)이나 인서어트(58)의 절삭날(66)로부터 고정구(40)의 배출 오리피스(84) 사이의 공간(114)으로 정의한다. 냉각제 속도는 본원에서 배출 오리피스(32, 84)로부터 각각 분출된 고정구(10)안의 냉각제 제트(38)의 속도나 고정구(40)로부터의 도시되지 않은 제트로 정의한다.
제7도에서, 그래프에는 이송율, 오리피스 거리 및 냉각제 속도간의 상호 관계가 도시되어 있다. 이송율은 in/rev의 단위로써 그래프의 횡 좌표로 도시되고, 오리피스 거리는 인치 단위로써 그래프의 종좌표로 도시된다. 그래프에서 각각의 대각선은 76.2 내지 304.8m/s(250 내지 1000ft/s)로 분리된 냉각제 속도를 나타낸다. 제7도의 곡선은 공구 고정구(10)와 같은 공구 고정구를 이용하여 경도 195HB의 1045강을 기계 가공하는 본 발명의 실험 및 이론 분석에 따라 구해졌다.
제7도의 그래프는 공작물(12) 또는 공구 고정구를 회전시키거나 또는 공구 고정구로 절삭 깊이를 얻게 되는 속도에서, 공작물(12)을 형성하는 재료의 형태에 관계없이 공작물(12)로부터 칩(100)이 파단되는 오리피스 거리와 이송율과 냉각제 속도의 조합을 나타낸다. 그래프에 도시한 바와 같이, 오리피스 거리의 임계범위는 약 0.102 내지 11.12cm(0.040 내지 0.440in)이고, 이송율의 임계 범위는 매 회전당 약 0.102 내지 0.635mm(0.004 내지 0.025in)이고, 냉각제 속도는 적어도 76.2m/s(250ft/s)이어야 하고 76.2 내지 304.8m/s(250 내지 1000ft/s)의 범위내에 있음이 양호하다.
다음과 같이 그래프를 해석한다. 어떤 주어진 냉각제 속도선이 종좌표와 횡좌표를 교차하는 그래프상의 점 아래에서 오리피스 거리와 이송율의 조합을 이용하여 공작물(12)로부터 칩을 작은 길이로 파단시킨다. 예를 들면, 그래프에서 122m/s(400ft/s)의 냉각제 속도를 나타내는 선은 8.13mm(0.32in)의 오리피스 거리에서 그래프의 종좌표를 교차하고, 매 회전당 0.46mm(0.018in)의 이송율에서 그래프의 횡좌표를 교차한다. 냉각제 속도가 122m/s(400ft/s)로 설정되면, 1.02 내지 8.13mm(0.040 내지 0.320in) 범위의 오리피스 거리와 매 회전당 0.102 내지 0.46mm(0.004 내지 0.018in) 범위의 이송율을 조합하여 1045강에서 칩이 파단될 것이다. 다시 말하면, 122m/s(400ft/s)의 냉각제 속도선이 그래프의 원점을 향하는 그래프의 전체 면적은 본 발명의 방법에 의하여 122m/s(400ft/s)의 냉각제 속도로 칩을 파단하는 오리피스 거리-이송율의 조합을 나타낸다.
제7도에 도시한 냉각제 속도, 오리피스 거리 및 이송율 범위는 작은 길이로의 칩 파단과 개량된 공구 수명을 달성하는 그러한 매개 변수의 임계 범위를 구비하는 것으로 실험에서 결정되었다. 제7도에 도시한 특정한 그래프를 만든 시험은 195HB의 강도를 가진 1045강으로 실시하였다. 다른 재료로 만들어진 곡선은 제7도에 도시한 곡선과 동일하지 않은 것으로 생각되지만, 그러한 곡선은 그래프의 원점과, 305m/s(1000ft/s)의 냉각제 속도로 나타난 최외측 곡선과의 사이로 내려갈 것이다. 예를 들면, 티타늄과 같은 경도 물질을 가공할려면 1045강에 대해 제7도에 도시한 설정점 보다는 주어진 속도에 대한 오리피스 거리 및 이송율의 설정점이 더 낮아야 하는 것으로 실험에서 나타냈다. 그러나, 본 발명의 방법에 따라 티타늄을 가공하면 주어진 냉각제 속도에 대해 제7도에 도시한 오리피스와 이송율의 범위내의 설정점에서 칩이 파손될 것이다.
그러므로, 본 발명의 방법을 실시하기 위하여 기계 공구의 조작자가 오리피스 거리, 이송율 및 냉각제 속도를 약간 조정하면 될 것이다. 전형적인 기계 가공 작업에서는 상기 조정이 아래와 같이 진행될 것이다. 처음에, 조작자는 일상적인 제작 계획에 따라 기계 공구의 이송율을 설정할 것이다. 즉, 조작자는 어떤 주어진 날에 많은 재료를 어떻게 가공해야 할 것인가와, 필요한 가공양을 끝내기 위하여 필요한 이송율을 어떻게 계산할 수 있는가를 앞으로 알게 될 것이다. 본 발명의 실시예에서 중요한 매 회전당 0.102 내지 0.64mm(0.004 내지 0.025in)의 이송율 범위는 종래 기계 공구에서 작동되는 이송율의 통상적인 범위이다.
본 발명의 방법에 따라 기계 가공을 하는 단계는 1.02 내지 11.18mm(0.040 내지 0.440in)의 범위내에 오리피스 거리를 설정하는 것이다. 제1도 및 제2도에 도시한 본 발명의 장치의 실시예에서, 공구 고정구(10)의 지지봉(14) 상단의 고정된 위치에 클램프(20)를 장착한다. 클램프(20)의 배출 오리피스(32)와 인서어트(16)의 절삭날(19) 사이의 간격(112)은 제7도에 도시한 오리피스 거리의 약 중간 범위에서 고정된다. 도시한 방식의 클램프(20)가 공구 고정구(10)에 고정되어 있을때, 지지봉(14)의 상단의 다른 위치에 클램프(20)가 고정된 다른 공구 고정구(10)로 대치함으로써 오리피스 거리(12)를 바꿀 수 있다. 제3도 내지 5도에 도시한 공구 고정구(40)의 실시예에서, 오리피스 거리(114)는 제7도의 오리피스 거리의 범위에 일치하는 1.02mm(0.040in)와 11.18mm(0.440in) 사이에서 변할 수 있다.
따라서, 제3도 내지 5도의 공구 고정구는 본 발명의 방법에 따라 작업하기 위해 조작자가 공구 고정구를 대단히 용이하게 설치할 수 있게 한다. 대부분의 경우에 있어서, 제7도에서 그래프의 종좌표의 중간 범위에서 오리피스 거리는 예를 들어 6.35mm(0.250in)로 할 수 있다.
이점에서 조작자는 매일의 생산 계획에 의한 이송율로써 기계 공구를 설정하였다. 또한, 조작자는 공구 고정구(10) 또는 공구 고정구(40)의 오리피스 거리를 제7도의 그래프의 대략 중간 범위 또는 약 6.35mm(0.250in)로 설정하였다. 다음에 펌프(30)를 작동시켜 냉각제를 공구 고정구(10 또는 40)로 유동시킨다. 다음에 조작자는 절삭을 시작하고, 펌프(30)의 압력을 간단하게 조절하여 오리피스 거리와 이송율의 설정 조합에 따라 칩이 파단되는 76.2 내지 305m/s(250 내지 1000ft/s)의 범위로 속도를 얻는다. 예를 들면, 절삭해야할 강이 195HB 강도를 가지는 1045강이라고 가정하고, 이송율이 3.175mm(0.125in)의 오리피스 거리에 대해 매 회전당 0.254mm(0.010in)로 설정되어 있다고 가정하면, 칩을 파단시키기 위해 냉각제 속도가 적어도 106.7m/s(350ft/s)가 되도록 펌프 압력을 조절하여야 한다. 제7도에서, 속도가 약 106.7m/s(350ft/s)보다 적으면, 상기 오리피스 거리 및 이송율 설정점에서 칩이 파단되지 않을 것이다.
그러므로, 이송율, 오리피스 거리 및 냉각제 속도는 본 발명의 방법 및 장치에 따라 개량된 칩 조절 및 공구 수명을 얻는데 중요한 변수 또는 매개 변수이다. 1.02 내지 11.18mm(0.040 내지 0.440in) 범위의 오리피스 거리와 매 회전당 0.102 내지 0.64mm(0.004 내지 0.025in) 범위의 이송율과, 76.2 내지 350m/s(250 내지 1000ft/s) 범위의 냉각제 속도가 조합하면 공작물에서 작은 길이로 칩이 파손된다.
본 발명을 양호한 실시예에 의하여 설명하였으나 이 기술분야에 숙련된 자이면, 본 발명의 범위를 벗어나지 아니한 한, 이 실시예를 여러 가지로 변경할 수 있고, 그 요소들을 동등한 것으로 대치할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그 외에도, 특별한 상황과 재료를 본 발명의 내용에 적합시키기 위하여 본 발명의 범위안에서 여러 가지 수정을 할 수 있다. 그러므로, 본 발명은 이를 실시하는데 가장 바람직하다고 인정되는 특정 실시예에 한정되지 아니하고, 특허청구범위에 해당하는 모든 실시예가 이에 포함될 수 있다.

Claims (22)

  1. 상부면에서 적살날을 가지며 상기 절삭날 쪽으로 인서어트의 상부면위로 냉각제를 분출시키도록 지향된 적어도 하나의 배출 오리피스를 형성한 고정구안에 장착된 인서어트로써 공작물을 기계 가공하는 방법에 있어서, 인서어트의 절삭날과 배출 오리피스 사이의 거리가 약 1.0 내지 11.12mm(0.040 내지 0.440in)의 범위가 되도록 고정구안에 장착된 인서어트에 대하여 배출 오리피스를 위치시키고, 절삭 인서어트의 상부면과 겹치는 칩을 형성하도록 공작물을 절삭날과 맞물리고, 적어도 76.2m/s(250ft/s)의 속도로 인서어트의 상부면과 칩 사이의 배출 오리피스로부터 냉각제 제트를 분출시키고, 고정구 또는 공작물의 1회전당 약 0.10 내지 0.64mm(0.004 내지 0.025in) 범위의 이송율로 작업물에 대하여 인서어트를 이동시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 배출 오리피스로부터 냉각제 제트를 분출시키는 단계가 약 76.2 내지 304.8m/s(250 내지 1000ft/s) 범위의 속도로 냉각제 제트를 분출시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 방법.
  3. 절삭날 쪽으로 인서어트의 상부면위로 냉각제를 분출시키도록 지향된 적어도 하나의 배출 오리피스를 형성한 고정구안에 인서어트를 장착하고 상기 인서어트의 상부면과 공작물 사이의 맞물림에 의해 발생된 칩을 절단시키는 방법에 있어서, 인서어트의 절삭날과 배출 오리피스 사이의 거리가 약 1.0 내지 11.12mm(0.040 내지 0.440in)의 범위가 되도록 고정구안에 장착된 인서어트에 대하여 배출 오리피스를 위치시키고, 적어도 76.2m/s(250ft/s)의 속도로 인서어트의 상부면과 칩 사이의 배출 오리피스로부터 냉각제 제트를 분출하고, 고정수 또는 공작물의 1회전당 약 0.10 내지 0.64(0.004 내지 0.025in) 범위의 이송율로 작업물에 대하여 인서어트를 이동시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 칩 절단 방법.
  4. 제3항에 있어서, 인서어트의 절삭날과 공작물의 맞물림에 의해 형성된 칩이 약 50.8mm(2in) 또는 그 이하의 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 칩 절단 방법.
  5. 상부면에 절삭날을 가지며 상기 절삭날쪽으로 인서어트의 상부면위로 냉각제를 분출하도록 지향된 적어도 하나의 배출 오리피스를 형성한 고정구안에 장착된 인서어트로써 공작물을 기계 가공하는 방법에 있어서, 인서어트의 절삭날과 배출 오리피스 사이의 거리가 약 1.0 내지 11.12mm(0.040 내지 0.440in)의 범위가 되도록 고정구안에 장착된 인서어트에 대하여 배출 오리피스를 위치시키고, 절삭 인서어트의 상부면과 겹치는 칩을 형성하도록 공작물을 절삭날과 맞물리고, 적어도 76.2m/s(250ft/s)의 속도로 인서어트의 절삭날에 거의 수직으로 인서어트의 상부면과 칩 사이의 배출 오리피스로부터 냉각제 제트를 분출하고, 고정구 또는 공작물의 1회전당 약 0.10 내지 0.64mm(0.004 내지 0.025in) 범위의 이송율로 작업물에 대하여 인서어트를 이동시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 방법.
  6. 제5항에 있어서, 냉각제 제트를 분출시키는 단게가 인서어트의 절삭날에 대하여 약 90°±10°의 범위로 냉각제 제트를 분출시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 방법.
  7. 상부면에 절삭날을 갖는 인서어트로써 공작물을 기계하는 장치에 있어서, 노출된 상부면과 지지봉으로부터 돌출된 절삭날을 갖는 인서어트를 장착하도록 구성된 시트를 형성한 지지봉과, 인서어트 꼭대기의 상기 지지봉 상에 장착된 동시에 확장된 입구 개구부로부터 인서어트의 상부면상에 놓여진 배출 오리피스쪽으로 단면이 감소되는 내부 통로를 형성한 클램프와, 냉각제가 상기 내부 통로안에서 가속되어 인서어트의 상부면을 가로질러 배출 개구부로부터 고속으로 분출되도록 입구 개구부로 고압 저속으로 냉각제를 이송시키기 위한 냉각제 이송수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  8. 제7항에 있어서, 인서어트의 절삭날이 미리 설정된 절삭 깊이로 공작물을 기계 가공하도록 구성되고 상기 배출 오리피스가 거의 절삭 깊이와 같은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  9. 제7항에 있어서, 인서어트의 절삭날이 미리 설정된 절삭 깊이로 공작물을 기계 가공하도록 구성되고상기 클램프가 거의 절삭 깊이의 중앙에 배출 오리피스가 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 내부 통로에 확장된 출구 개구부로부터 상기 배출 오리피스로 균일하게 테이퍼된 벽을 형성한 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 내부 통로가 절두 원추형인 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치
  12. 제7항에 있어서, 상기 내부 통로에 잘 연마된 벽을 형성한 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  13. 제7항에 있어서, 상기 내부 통로가 종축을 가지면 상기 입구 개구부로부터 배출 오리피스로 균일하게 테이퍼진 벽을 형성하고, 상기 배출 오리피스에서 상기 벽과 종축에 의해 형성된 각도가 약 10°인 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  14. 제7항에 있어서, 상기 배출 오리피스가 원형 단면을 가지며, 상기 배출 오리피스와 상기 입구 개구부 사이의 내부 통로 길이가 배출 오리피스 직경의 약 20배인 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  15. 제7항에 있어서, 상기 배출 오리피스가 비원형 단면을 가지며, 상기 배출 오리피스와 입구 개구부사이의 내부 통로의 길이가 비원형 단면의 배출 오리피스와 같은 단면적을 갖는 원형 단면의 약 20배인 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  16. 제7항에 있어서, 한 단부가 내부 통로의 입구 개구부와 연통된 연결 통로를 상기 클램프가 포함하고, 상기 냉각제 송출 수단이 펌프와 상기 펌프와 연결 통로의 타단부 사이에 연결된 유체 송출선으로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  17. 제7항에 있어서, 상기 클램프는 한 단부가 내부 통로의 입구 개구부와 연통된 연결 통로를 포함하는 오리피스 블록이며, 상기 냉각제 송출 수단이 상기 지지봉안에 형성되어 상기 연결 통로의 타단부와 연통된 주 통로와, 상기 주 통로에 한 단부가 연결된 송출선과, 냉각제를 상기 송출선을 통해 주통로안으로 그리고 연결 통로를 통하여 내부 통로의 입구 개구부로 펌핑시키도록 상기 송출선의 타단부에 연결된 펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  18. 상부면에 절삭날을 갖는 절삭 인서어트로써 공작물을 기계 가공하기 위한 장치에 있어서, 노출된 상부면과 지지봉으로부터 돌출된 절삭날을 갖는 인서어트를 장착하도록 구성된 시트를 형성한 지지봉과, 절삭 인서어트 꼭대기의 상기 지지봉상에 장착된 동시에 확장된 입구 개구부로부터 인서어트의 상부면상에 놓여지고 절삭날로부터 이격된 배출 오리피스쪽으로 단면이 감소되는 내부 통로를 형성한 오리피스 블록과, 인서어트 꼭대기로 오리피스 블록의 위치를 조정하여 배출 오리피스와 인서어트의 절삭날 사이의 공간을 변화시키도록 상기 지지봉에 장착된 조정 수단과, 냉각제가 상기 내부 통로안에서 가속되어 절삭 인서어트의 상부면을 가로질러 배출 개구부로부터 고속으로 분출되도록 입구 개구부로 고압 저속으로 냉각제를 이송시키기 위한 냉각제 송출 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 지지봉에는 생크부와 장착 블록을 형성하고, 상기 장착 블록이 바닥면을 형성한 공동과 후방벽 및 상부벽 그리고 측벽을 포함하고, 상기 공동이 상기 저면 꼭대기에 오리피스 블록을 수용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 조정 수단이 상기 장착 블록의 후방벽안에 형성된 보어안에서 이동 가능한 나사 스터드로 구성되고, 상기 나사 스터드가 절삭 인서어트의 상부면을 따라 배출 오리피스를 위치시키도록 공동안으로 연장되어 오리피스 블록과 맞물리도록 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 오리피스 블록을 장착 블록의 상부벽에 클램프시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
  22. 상부면에 절삭날을 갖는 절삭 인서어트로써 공작물을 기계 가공하기 위한 장치에 있어서, 노출된 상부면과 지지봉으로부터 돌출된 절삭날을 갖는 인서어트를 장착하도록 구성된 시트를 형성한 지지봉과, 인서어트 꼭대기의 상기 지지봉상에 장착된 동시에 확장된 입구 개구부로부터 인서어트의 상부면상에 위치하여 약 1.0 내지 11.2mm(0.040 내지 0.440in) 범위로 인서어트의 절삭날로부터 이격된 배출 오리피스쪽으로 단면이 감소되는 내부 통로를 형성한 클램프와, 냉각제가 내부 통로안에서 가속되어 절삭 인서어트의 상부면을 가로질러 배출 개구부로부터 적어도 76.2m/s(250ft/s)의 속도로 분출되도록 입구 개구부로 고압 저속으로 냉각제를 이송시키기 위한 냉각제 송출 수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 기계 가공 장치.
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