KR20050085845A

KR20050085845A - 쿨링 채널 형상

Info

Publication number: KR20050085845A
Application number: KR1020057011614A
Authority: KR
Inventors: 길버트 클라이너
Original assignee: 귀링 요르크
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-08-29
Also published as: US7134813B2; US20050244235A1; DE10394163D2; AU2003299281A1; WO2004056519A3; EP1572405B1; EP1572405A2; AU2003299281A8; WO2004056519A2

Abstract

드릴과 같은 회전 구동식 기계가공 공구는 호칭 드릴 직경(D)을 가지며 적어도 하나의 기계가공 그루브(1) 및 적어도 하나의 스테이(2)를 포함한다. 각각의 스테이(2)에는 메인 커팅 에지(4) 및 내부 쿨링 채널(3)이 형성된다. 상기 쿨링 채널은 중심점(M)은 가상 원(K)을 감싸는, 연속적으로 연장되는 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)을 갖는다. 단면 윤곽은 드릴 축(A)에 대한 거리가 중심점(M)과 드릴 축(A) 사이의 선의 방향에서 크거나 중심점(M)과 드릴 축(A) 사이의 거리와 동일한 1개, 바람직하게는 2개의 최대 곡률값을 포함한다. 내부 쿨링 채널(3)과 드릴(7)의 외주 사이, 내부 쿨링 채널(3)과 기계가공된 표면(5) 사이, 그리고 내부 쿨링 채널(3)과 기계가공된 표면(6) 사이에 존재하는 최소 벽 두께(d_AUX, d_SPX, d_SFX)는 하한치(W_min,1, W_min,2, W_{min 3})와 상한치(W_max,1, W_max,2, W_max,3) 사이의 범위를 갖는다. 하한치는 D≤1㎜에 대하여 0.08×D, D>1㎜에 대하여 0.08 (W_min,1)이고, 상한치는 D≤6㎜에 대하여 0.35×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.30 (W_max,1)이다. 내부 쿨링 채널(3)의 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)의 최대 곡률에서의 반경(R₁, R₁', R₁", R_1X)은 원(K)의 반경의 0.35배 내지 0.9배이다.

Description

쿨링 채널 형상 {COOLING CHANNEL GEOMETRY}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 절삭 공구 또는 삽입 공구, 구체적으로는 드릴에 관한 것이다.

냉각제 또는 윤활제를 공급하기 위해, 절삭 공구는 드릴 팁에 냉각제가 공급되도록 하는 내부 쿨링 채널을 포함한다. 냉각제는 드릴 팁의 냉각 및 윤활 기능 외에 칩 제거를 향상시키는 기능을 갖는다.

커팅 그루브로부터 칩을 제거하기 위해, 특히 심공(deep-hole) 드릴링의 경우에 냉각제는 고압으로 이송되어야 하며, 내부 쿨링 채널, 즉 드릴은 대응되는 압력에 대하여 파손되지 않고 견딜 수 있어야 한다. 특히, 널리 확산되고 있는 극소량 윤활에 있어서, 최대의 체적이 제공될 수 있도록 쿨링 채널이 설계될 것을 요구하고 있다. 또한, 보다 작고 기다란 드릴 구멍을 만들 필요가 있었다. 그러나, 길이를 증가시키고 직경을 감소시키게 되면, 드릴의 강성에 악영향을 주지 않으면서 요구되는 압력의 냉각제가 제공될 수 있는 내부 쿨링 채널을 형성하는 것이 보다 곤란해진다. 따라서, 쿨링 채널의 크기는 드릴백(drill back) 또는 절삭 공간에 대한 거리에 의해 제한된다. 스테이(stay)가 너무 얇으면 균열 및 공구 파손이 발생한다. 다중 절삭 공구의 경우, 쿨링 채널은 임의의 최소 거리로 서로 이격되어 있어야 하며, 그렇지 않으면, 예를 들어 횡방향 커터 또는 포인트 형상과 같은, 드릴의 면의 기하학적 형상에 장해 요인이 된다.

공지된 드릴은 일반적으로 원형 단면의 내부 쿨링 채널을 갖는다. 이와는 별개로, 원리에 있어서, 예를 들어 DE 42 42 336 A1에 개시된 것과 같이 타원형 단면의 쿨링 채널을 구비한 소결 블랭크(sintered blank)를 제조하는 방법이 공지되어 있다. 미국특허 제2,422,994호에는 원형이 아닌 다른 형상의 쿨링 채널 디자인에 대해 이미 개시되어 있다. 또한, 예를 들어 DE 199 42 955 A1에는 둥근 모서리의 등변삼각형 형태의 쿨링 채널이 개시되어 있다.

이와는 별개로, DE 36 29 035 A1에는 둥근 모서리의 등변삼각형 형태의 쿨링 채널을 구비한 이중 절삭 드릴이 개시되어 있으며, 내부 쿨링 채널의 위치가 중심에 근접될 수 있고, 이로 인해 드릴의 원뿔형 단부에 있는 쿨링 채널로부터 중심에서 냉각제를 공급할 수 있다.

도 1은 더블 커팅 드릴 공구의 단면을 나타내는 도면으로, 본 발명에 따른 다수의 쿨링 채널을 나타낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 쿨링 채널의 일 실시예에 따른 드릴 공구의 사시도이다.

도 3은 더블 커팅 드릴 공구의 단면을 나타내는 도면으로, 상부 스테이는 종래의 삼각형 쿨링 채널 윤곽을 나타내고 하부 스테이는 본 발명의 일 실시예에 따른 쿨링 채널 윤곽을 나타낸다.

도 4는 도 3에 나타낸 쿨링 채널의 실시예에 따른 드릴 공구의 사시도이다.

도 5는 더블 커팅 드릴 공구의 단면을 나타내는 도면으로, 상부 스테이는 종래의 삼각형 쿨링 채널 윤곽을 나타내고 하부 스테이는 본 발명의 다른 실시예에 따른 쿨링 채널 윤곽을 나타낸다.

도 6은 도 5에 나타낸 쿨링 채널의 실시예에 따른 드릴 공구의 사시도이다.

도 7은 더블 커팅 드릴 공구의 단면을 나타내는 도면으로, 상부 스테이는 종래의 삼각형 쿨링 채널 윤곽을 나타내고 하부 스테이는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링 채널 윤곽을 나타낸다.

도 8은 도 7에 나타낸 쿨링 채널의 실시예에 따른 드릴 공구의 사시도이다.

도 9는 더블 커팅 드릴 공구의 단면을 나타내는 도면으로, 상부 스테이는 종래의 삼각형 쿨링 채널 윤곽을 나타내고 하부 스테이는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 쿨링 채널 윤곽을 나타낸다.

도 10은 도 9에 나타낸 쿨링 채널의 실시예에 따른 드릴 공구의 사시도이다.

도 11은 일반적으로 사용되는 삼각형 쿨링 채널 단면 형상의 동등한 공구를 나타내는 도면이다.

도 12는 드릴의 호칭 직경 상에 쿨링 채널과 드릴의 외주(dAUX) 사이, 쿨링 채널과 커팅면(dAUX) 사이, 및 쿨링 채널과 커팅 플랭크(dSFX) 사이의 최소 벽 두께와 관련하여 본 발명에 따른 하한치 W_min,1, W_min,2, W_min,3, W_min,4를 표시한 다이어그램이다.

도 13은 드릴의 호칭 직경 상에 쿨링 채널과 드릴의 외주(d_AUX) 사이, 쿨링 채널과 커팅면(d_AUX) 사이, 및 쿨링 채널과 커팅 플랭크(d_SFX) 사이의 최소 벽 두께와 관련하여 본 발명에 따른 상한치 Wmax, 1을 표시한 다이어그램이다.

도 14는 드릴의 호칭 직경 상에 쿨링 채널과 드릴의 외주(d_AUX) 사이, 쿨링 채널과 커팅면(d_AUX) 사이, 및 쿨링 채널과 커팅 플랭크(d_SFX) 사이의 최소 벽 두께와 관련하여 본 발명에 따른 상한치 W_max,1, W_max,2, W_max,3, W_max,4, W_max,5, W_max,6을 표시한 다이어그램이다.

이와는 대조적으로, 본 발명의 목적은, 냉각제의 양과 관련하여 내부에서 냉각되는 절삭 공구를 개선하고 파손, 압력, 비틀림 및 휨에 대한 내성을 향상시키는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제1항의 특징에 의해 달성된다.

본 발명은 쿨링 채널의 형상에 따라 쿨링 채널에서 발생하는 응력의 인식 및 이에 따라 부하의 방향에서 가장 빈틈이 없는 직경에 집중되는 쿨링 채널의 응력에 근거를 둔다. 또한, 내성에 있어서 예를 들어 드릴 또는 밀링 커터와 같은 절삭 공구는 그 강성과 관련하여 최대 응력(stress peak)에 도달할 수 있으며, 공구에 균열이 형성되었는지 또는 공구의 조기 파손인지를 판단하는데 있어서, 쿨링 채널에 발생하는 최대 응력과는 별개로, 쿨링 채널과 절삭 공간 사이의 거리, 즉 스테이 상의 쿨링 채널의 위치가 결정적이라는 것이 확인되었다.

FEM(finite-element-method) 시뮬레이션은, 종래에 사용되고 있었던 원형 쿨링 채널 형상에서 발생하는 최대 응력은 낮으나, 스테이의 기존 공간이 최적으로 사용될 수 없어서 본질적으로 원형인 세그먼트 형상의 스테이로 인해 쿨링 채널의 단면적이 비교적 작아진다는 것을 보여주었다. 배출량의 저하로 인해, 드릴의 길이 및 직경에 관한 한계에 직면하게 되었다.

한편, 공지된 삼각형의 경우에는 보다 많은 배출량이 얻어지지만, 삼각형 단면의 쿨링 채널을 사용하게 되면 스릴 스테이 상의 설계 공간을 최대로 사용하게 되며 이 공간은 원의 형상이며, 벽 두께가 최소로 되고, 따라서 배출량을 증가시키면 쿨링 채널의 그루브 루트(groove root)에서의 최대 응력이 급격히 높아지게 되어 삽입 공구의 강도를 저하시키게 된다.

추가의 실험 및 시뮬레이션은 본 발명에 따른 단면 형상의 결과를 나타내었다. 즉, 최소 직경 범위는 0.35배 내지 0.9배, 구체적으로는 0.5배 내지 0.85배, 바람직하게는 0.6배 내지 0.85배, 보다 바람직하게는 0.7 내지 0.8배, 예를 들어 윤곽에 의해 둘러싸이는 직경의 0.75배이고, 내부 쿨링 채널과 드릴의 외주 사이, 내부 쿨링 채널과 커팅면 사이, 및 내부 쿨링 채널과 커팅 플랭크(flank) 사이의 최소 벽 두께는 하한치와 상한치 사이의 범위를 가지며, 하한치는 D≤1㎜에 대하여 0.08×D, D>1㎜에 대하여 0.08, 구체적으로는 D≤2.5㎜에 대하여 0.08×D, D>2.5㎜에 대하여 0.08, 바람직하게는 D≤3.75㎜에 대하여 0.08×D, D>3.75㎜에 대하여 0.3, 예를 들어 D≤3㎜에 대하여 0.1×D, D>3㎜에 대하여 0.3이고, 상한치는 D≤6㎜에 대하여 0.35×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.30, 구체적으로는 D≤6㎜에 대하여 0.333×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.30, 바람직하게는 D≤6㎜에 대하여 0.316×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.50, 보다 바람직하게는 D≤6㎜에 대하여 0.3×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.60, 예를 들어 D≤4㎜에 대하여 0.2×D 또는 0.15×D, D>4㎜에 대하여 0.6이다.

실험적으로 결정된 쿨링 채널의 형상 및 스테이 상의 쿨링 채널의 위치에 따르면, 그 범위가 상당히 명백하게 얻어진다.

삼각형이고 부하 시에 동일하거나 높은 배출량을 갖는 것과 비교하여 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상을 가지는 공구에서는 국부적으로 상당히 낮은 응력이 발생한다는 것을 알 수 있었다. 그에 따른, 본 발명에 따른 삽입 공구의 높은 기계적 강성이 파괴 시험에서 입증되었다. 공구에 대한 시험은 가장 빈틈이 없는 곡률 반경이 되도록 윤곽에 의해 둘러싸이는 원의 직경의 0.5배 내지 0.85배의 값을 가지는 통상 사용되는 초경합금(hard metal)으로 행하였다. 포위원(enclosed circle)의 직경의 0.6배 내지 0.85배, 특히 0.7배 내지 0.8배가 특히 적절한 것으로 확인되었다. 예를 들어 4㎜의 호칭 직경 및 포위원 직경의 0.75배인 최소 직경을 가지는 드릴에서, 동일한 쿨링 채널의 단면적을 가지고 커팅 그루브와 대면하는 쿨링 채널 쪽의 최대 응력이 대략 35% 낮아졌다. 결과적으로, 그 위치에서의 최소 벽 두께에 대하여 단지 3㎜의 값으로 적절한 드릴 강도가 얻어졌다. 다른 소재로 만들어진 공구에서는 직경의 0.35배 내지 0.9배의 범위의 값이 적절하다. 연성이 커서 응력 저항, 특히 인장응력 저항이 보다 큰 소재가 사용되는 경우, 예를 들어 최소 곡률 반경을 포위원 반경의 0.35배로 하면 보다 유리하다. 특별한 부하 상태에 노출되는 공구에서는 이러한 치수가 바람직하다.

응력 집중이 감소되는 것과는 별개로, 본원 발명은 종래의 삼각형 형상에 비해 모서리가 비교적 완만하게 둥글기 때문에, 가장 구부러진 쿨링 채널 윤곽의 위치가 스테이의 벽이 가장 얇은 위치로부터 멀어지는 추가의 효과를 갖는다. 결과적으로, 벽이 비교적 두껍고 따라서 응력이 최대가 되는 위치에서의 파손에 대하여 내성을 갖는다.

본 발명에 따른 쿨링 채널 형상의 특징을 갖는 삽입 공구에서, 배출량은 둥근 쿨링 채널 형상을 가지는 공구에 비해 거의 단면적에 비례하여 증가하며, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상의 단면적의 증가에 수반하는 응력 집중의 증가는 종래의 삼각형 형상에서의 증가에 비해 상당히 작다. 그러므로, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상은, 불충분한 벽 간격에 따라 공구에 문제를 야기하는 동일한 양의 냉각제를 배출하는 둥근 형상의 경우에 적용될 수 있다.

시험은 적절한 벽 두께와 호칭 직경 사이에서 상관관계를 보여주었으며, 공구의 직경이 작은 경우의 상관관계는 공구 직경의 증가에 대하여 선형이다. 도 12 내지 도 14는 공구의 호칭 직경에 따른 최소 벽 두께의 하한치 및 상한치를 나타낸다. 시험은 다음과 같은 두께에서 냉각제의 공급이 원활할 때 적절한 강도를 갖는 것을 보여주었다. 즉, D≤2.5㎜에 대하여 0.08×D, D>2.5㎜에 대하여 0.2㎜, 바람직하게 D≤3.75㎜에 대하여 0.08×D, D>3.75㎜에 대하여 0.3㎜, 예를 들어 D≤3㎜에 대하여 0.1×D, D>3㎜에 대하여 0.3㎜의 하한치 두께이며, 여기서 D는 호칭 직경이다. 따라서, 호칭 직경이 4㎜이며 상기 시험을 거친 드릴은 벽 두께가 0.3㎜이었다.

공구의 스테이에 응력을 분산시키는 관점에 따른 본 발명의 바람직한 쿨링 채널 디자인으로 인해, 벽이 얇은 경우에도 공구의 강도가 크고, 따라서 수명이 길어질 수 있다. 개개의 경우에 있어서, 직경이 1㎜ 이상에 대하여 0.08㎜의 최소 벽 두께를 제공하는 것이 적절하게 된다.

다른 한편으로, 최소 벽 두께는 원하는 배출량만으로 상한치가 한정된다. 다음의 값이 쿨링 채널 윤곽에 대하여 적절한 최대치인 것으로 확인되었다. 즉, D≤6㎜에 대하여 0.35×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.30㎜, 바람직하게 D≤6㎜에 대하여 0.333×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.50㎜, 보다 바람직하게 D≤6㎜에 대하여 0.3×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.60㎜, 예를 들어 D≤4㎜에 대하여 0.2×D 또는 0.15×D, D>4㎜에 대하여 0.6㎜이다.

본 발명에 따른 쿨링 채널 형상은 특히 작은 공구에 적합하며, 이러한 공구 스테이 상의 공간 활용이 강도 및 냉각제 배출의 관점에서 최적화되는 것이 특히 중요하다는 것이 확인되었다.. 이러한 결과는 본 발명에 따른 상한치에 반영되어, 최소 벽 두께에 대하여, 작은 직경의 영역에 비해 임의의 호칭 직경에서 그 상한치가 보다 현저히 증가한다.

호칭 직경이 6㎜ 이상으로 증가하여 이와 더불어 쿨링 채널의 단면적이 선형으로 증가하는 것은 심공 드릴의 경우와 같은 별도의 적용인 경우에만 의미가 있으며, 그 이유는 윤활제의 요구가 쿨링 채널의 단면적이 비례적으로 증가하는 경우에도 해결될 수 있기 때문이라는 것이 확인되었다. 물론, 직경이 큰 경우에도 최소 벽 두께가 본 발명에 따른 하한치에 접근하여 적절한 강도와 함께 냉각제의 탁월한 공급이 가능하도록 할 수도 있다.

본 발명에 따른 값에 있어서, 이들 값은 최소 벽 두께의 상한치와 관련되며, 특히 0.2 × D 이하의 최소 벽 두께인 경우의 쿨링 채널 윤곽의 설계가 가능하다. 특히, 최소 벽 두께 영역이 D≤4㎜에 대하여 0.15 × D, D>4㎜에 대하여 0.6㎜인 경우 배출량 증가는 가용 설계 공간과 관련하여 쿨링 채널의 본 발명에 따른 형태 및 치수에 의해 달성되었으며, 공구의 강도는 상당히 높은 것을 보여주었다.

그러나, 간혹 상이한 직경의 공구가 동일한 직경의 블랭크, 특히 소결 블랭크로부터 제조되는 것이 고려되었다. 일반적으로, 소결 블랭크는 내부에 쿨링 채널이 이미 형성되어 있는 원통형 바이다. 즉, 예를 들면 직경 6.2㎜의 블랭크로부터 호칭 직경 4㎜, 5㎜, 6㎜의 공구가 제조된다. 4㎜ 공구와 마찬가지로 동일한 쿨링 채널을 가지는 6㎜ 공구의 경우, 쿨링 채널과 공구 외주 사이의 최소 벽 두께는 1㎜ 더 커지게 된다. 이러한 제조 기술의 관점 하에서는, D≤6㎜에 대하여 0.35 × D, D>6㎜에 대하여 0.4 × D-0.30㎜, 특히 D≤6㎜에 대하여 0.333 × D, D>6㎜에 대하여 0.4 × D-0.40㎜, 바람직하게 D≤6㎜에 대하여 0.316 × D, D>6㎜에 대하여 0.4 × D-0.50㎜, 보다 바람직하게 D≤6㎜에 대하여 0.3 × D, D>6㎜에 대하여 0.4 × D-0.60㎜의 벽 두께에 대한 상한치가 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상의 영역에 여전히 존재하여 장점을 제공한다.

여기서, 쿨링 채널과 드릴의 외주 또는 커팅면 또는 커팅 플랭크 사이의 최소 벽 두께는 물론 상이하게 선택될 수도 있다. 강도의 관점에서 볼 때, 특히 쿨링 채널과 커팅면 사이의 최소 거리 또는 최소 벽 두께는 결정적이며, 따라서 상기 최소 거리는 쿨링 채널과 커팅 플랭크 사이의 최소 벽 두께에 비해 커질 수 있다. 마찬가지로, 쿨링 채널과 드릴의 외주 사이의 최소 벽 두께와 관련하여, 쿨링 채널과 커팅면 사이의 최소 벽 두께는 강도의 증대 요구를 고려하여 보다 큰 값을 가질 수 있다. 한편, 예를 들어 전술한 제조의 관점의 경우, 실제 적용에 있어서, 상이한 직경의 공구 제작에 동일한 직경의 블랭크가 사용되며 쿨링 채널과 드릴 외주 사이에 최소 벽 두께는 쿨링 채널과 커팅면 사이의 최소 벽 두께보다 클 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 회전 절삭 공구의 스테이 상의 공간에 이러한 설계를 적용하여 냉각제의 배출량 및 강도를 높이는 것이 가능하다. 쿨링 채널의 윤곽 형태에 의해 매우 작은 최소 벽 두께가 제공될 수 있으며, 상당한 냉각제 배출량에도 불구하고 전체적으로 공구의 적절한 강도가 얻어진다.

이러한 구성에 있어서, 상기 제안한 단면 형상은 드릴, 라스프(rasp), 및 엔드-밀링 커터와 같은 밀링 커터에 동일하게 적절하다. 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상은 또한 스텝 드릴과 같은 스텝 공구의 경우에도 바람직하게 사용될 수 있다. 이 경우, 전술한 호칭 지름은 공구 팁의 공구 직경 또는 파일럿 드릴 구멍의 직경을 말한다.

따라서, 본 발명에 따른, 둥근 쿨링 채널 형상을 구비한 드릴은, 압축력 및 비틀림력(이들은 일반적으로 드릴링 중에 발생함)에 의해 부하를 받는 경우, 및 횡방향 부하 및 굽힘 모멘트에 의한 부하(이들은 가공될 가공물에 들어갈 때 발생함)를 받는 경우 모두에도 장시간 동안 파손되지 않고 고부하에 견딜 수 있다. 유사한 횡방향 부하 및 굽힘 모멘트에 의한 부하는 또한 컷-다운(cut-down) 밀링머신 또는 반대쪽 밀링머신에서도 발생한다. 한편, 달성된 배출량은 공구의 길이를 따라 양 및 압력 강하와 관련하여 엄격한 요구에 직면한다.

본 발명에 따른 쿨링 채널 형상의 경우에는 낮은 응력 집중으로 인해, 한편으로는 적어도 거의 동일한 배출량을 가지는 경우의 종래의 삽입 공구에 비해 상당히 개선된 안정성을 가지도록 하기 위해 동일한 벽 두께를 가질 수 있거나, 다른 한편으로는 쿨링 채널의 단면 및 그에 따른 배출량이 증가되도록 쿨링 채널과 커팅면 사이의 최소 벽 두께를 감소시킬 수 있다.

쿨링 채널의 측면을 감싸는 것과 관련하여 쿨링 채널의 단면적이 큰 것에 의해, 압력 강하의 감소와 함께 냉각제의 배출을 증가시키게 된다. 파이프 내의 마찰력 및 압력 강하에 의해 발생되는 저항력에 크게 좌우되는 평균 유속은 따라서 종래의 삼각형의 경우보다 커서 동일한 단면적에서 보다 큰 배출량이 얻어진다.

따라서 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상은 한편으로 적절한 냉매의 공급과 다른 한편으로 적절한 강도 사이의 상충되는 조건이 문제가 되는 공구, 즉 일반적으로 작은 직경 및/또는 기다란 길이의 공구에 특히 적절하다. 청구범위 제2항의 바람직한 개선에 따르면, 이러한 구성에서는 호칭 직경이 1㎜ 내지 25㎜, 특히 1㎜ 내지 16㎜의 범위를 갖는다. 그러나, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상의 장점은 호칭 직경이 1㎜ 내지 12㎜, 특히 1㎜ 내지 6㎜ 범위를 가지는 매우 작은 공구의 경우에 특히 현저하다.

그러나, 직경이 보다 커다란 공구의 경우, 본 발명에 따른 단면 형상은 최대의 냉각제 공급을 실현하는 것이 가능하며, 특히 심공을 드릴링하는 경우에 냉각제가 최대 1000bar로 내부 쿨링 채널에 가압되어 드릴 구멍으로부터 칩을 배출시키기에 충분한 압력을 제공하도록 한다.

본 발명에 따른 단면 형상은 예를 들어 1엽(single-lip) 드릴에 적용된다. 그러나, 2엽(two-lips) 공구나 다엽(multi-lips) 공구의 경우에도 바람직하며, 그 이유는 이들 경우에 스테이의 좁은 폭이 내부 쿨링 채널에 대하여 보다 한정된 설계 공간과 연관되기 때문이다. 또한, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상은 직선형 그루브가 형성된 공구 및 나선형 또는 스파이럴 형상의 공구 모두에 적절하다.

청구범위 제4항에 따른 바람직한 실시예에서, 쿨링 채널 단면의 2개의 최대 곡률은 동일한 방사상 좌표(radial coordinate) 상에 있게 되며, 쿨링 채널 단면에 의해 둘러싸이는 원의 방사상 좌표보다 크거나 동일하다. 제5항에 따르면, 적용된 반경은 2개의 최대 곡률 상에서 동일하고, 제6항에 따르면, 쿨링 채널의 단면은 드릴 축과 관련하여 반경 방향으로 연장되는 축에 대하여 대칭이다. 이러한 개선은 공구 스테이의 본질적인 대칭 형상을 반영하며 따라서 실제로 최소의 벽 두께를 유지하면서 스테이 상의 쿨링 채널 단면에 대하여 적용할 수 있는 설계 공간을 반영한다. 이와는 별개로, 쿨링 채널 단면의 대칭 형상을 또한 고려할 수 있으며, 특히 스테이의 뒤쪽을 향하는 쪽을 넓히기 전에 메인 커터의 시작 쪽의 반경 방향에 있는 스테이를 넓히는 경우에, 가용 설계 공간의 이용을 최적화시킬 수 있다. 메인 커터와 대면하는 쿨링 채널 쪽에 보다 큰 부하가 걸리고 스테이의 뒤쪽을 향하는 쪽에는 비교적 작은 부하가 걸리는 경우의 관점에서 비대칭 설계가 또한 고려될 수 있다.

제7항에 따른 쿨링 채널의 단면이 타원형인 경우에 특히 바람직하다는 것이 확인되었다. 타원형의 주축과 부축 사이의 비율의 바람직한 값은 1.18 내지 1.65이고, 구체적으로는 1.25 내지 1.43이며, 예를 들면 1.43이다. 본 명세서에서 사용한 용어인 타원형은 수학적으로 정확한 타원형(x²/a² + y²/b² = 1)에 한정되지 않고 제조기술 상의 타원형, 즉 대략적인 타원형도 해당된다.

직선형 그루브가 형성된 HSS 드릴의 경우, 쿨링 채널 단면이 넓은 타원형이 추가적으로 밀링에 의해 형성될 수 있다. 이러한 공정에서는 타원형의 작은 쪽 반경과 동일한 반경의 밀링 커터가 사용되어, 작은 반경으로 시작하여 최대의 곡률로 공구 스테이의 타원형 드릴 구멍을 형성하도록 하며, 최소의 곡률을 가지는 최대 반경으로 진행된다. 이러한 공정에서는, 최대 반경으로부터 최소 반경으로의 천이 영역에서만 반경이 서서히 변화하지 않고, 최대 곡률 상의 최소 반경은 0으로부터 벗어난 길이를 따라 유지된다.

그러나, 나선형 쿨링 채널을 가진 공구는 텅스텐 카바이드계의 초경합금으로부터만 만들어지는 것이 아니라, 코발트와 같은 바인더, 파라핀과 같은 가소제를 첨가한 초경합금 분말을 연속 작업하여 압출되는 가소화 소재로 만들어질 수도 있다. 세라믹 또는 서밋, 및 예를 들어 압출 방식에서 공구가 경화되기 전에 원료가 여전히 연성이어서 쿨링 채널의 단면 형상이 형성될 수 있는 다른 소결재를 사용하는 것도 가능하다. 본 명세서에서는 전술한 바와 같이, DE 42 42 336 A1을 참조하였지만, 나선형 공구의 경우에도 적용될 수 있으며, 본 발명에 따른 쿨링 채널을 예를 들어 레이저 소결 공정을 이용하여 고속도강(HSS) 또는 이와 유사한 강으로 만들어 적용시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상을 구비한 나선형 공구를 제조하기에 적절한 또 다른 압출 방법을 설명한다.

이 압출 방법에서, 가소화된 소재가 압출 헤드로부터 먼저 트위스트되지 않은 방식으로 노즐의 마우스피스로 유동된 후, 노즐의 축두(gudgeon)에 고정되게 부착되어 있는 적어도 하나의 핀의 종축을 따라 배출 구멍으로 가압되기 전에 노즐의 마우스피스 내에서 가압된다. 이러한 구성에서, 노즐의 마우스피스는 원통형이며 바람직하게는 본질적으로 매끄러워서 블랭크가 완전히 원통형인 외부 윤곽으로 제조되도록 하는 표면을 갖는다. 소재가 따라 흐르도록 하는 핀은 비회전식으로 노즐의 축두에 부착되어 있다. 이러한 구성에서는, 핀의 나선 피치에 의해서 뿐만 아니라 노즐의 회전 부분에 의해서도 반경 방향 성분이 노즐의 회전 부분에 의해 유도된다.

이러한 방식에서는, 회전 속도가 동조되는(attuned) 경우, 전체적인 나선형 유동이 얻어지고, 압출 소재의 유동이 본질적으로 나선 피치를 따르도록, 즉 핀의 반경 방향 높이에서 입자가 핀의 설계에 대응되는 유동 방향을 가지도록, 노즐의 마우스 쪽으로 돌출되는 핀의 나선 형상의 피치와 관련하여 회전 부분 상으로 유동되어, 핀의 고정된 자세 및 비회전식 배치에도 불구하고 핀의 굽힘 변형이 방지될 수 있다. 또한, 압출 소재의 소성 변형 또는 소재의 불균일한 미세구조 형성 또는 밀도 분산이 방지될 수 있으며, 그 이유는 유동의 반경 방향 성분이 예를 들어 안내 날개(guide vane) 등과 같은 트위스팅 장치 또는 디플렉션 장치에 의한 것이 아니라 노즐의 회전 부분의 회전 운동에 의해 독립적으로 이루어지기 때문이다. 따라서, 유동의 반경 방향 이동은 유동로에 있는 장애물 중 하나에 의한 편향에 의한 것이 아니라 압출 소재 고유의 마찰력만에 의해 야기되는 것이며, 이 마찰력은 소재가 노즐 부분의 회전 운동에 의해 수반되도록 한다. 그 결과, 이러한 방식으로 유발된 회전 운동은 소재를 고정적인 나선 유동이 발생할 때까지 노즐의 내부를 향해 독립적으로 확장시켜, 즉 횡방향 응력 및 그에 따른 압출 소재의 점도 및 점착력에 따라 노즐 벽으로부터 방출시킨다.

그 결과, 압출 소재의 미세구조의 왜곡 및 밀도의 불균일 없이 노즐로부터 블랭크가 압출되고 후속적인 비틀림의 우려 없이 트위스팅 장치에 의해 나선형 유동이 이루어진다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 정밀도가 우수한 나선의 콤팩트한 블랭크를 제조할 수 있도록 한다.

타원형의 쿨링 채널 단면의 경우에는, 최대 곡률 상의 낮은 응력 집중으로 인해, 쿨링 채널이, 타원형 설계보다 빈틈이 없는 반경으로 인해 최대 곡률이 보다 반경 방향 외측에 위치되는 경우에 비해 쿨링 채널과 메인 커터 사이에 보다 얇은 최소 벽 두께를 가질 수 있다.

타원형 쿨링 채널 형상과는 별개로, 제조의 관점에서, 쿨링 채널 윤곽이 타원형이 아닌 또 다른 공구의 바람직한 설계에 대하여 설명한다.

나선형 공구의 경우, 청구범위 제8항에 따른 쿨링 채널 형상에 의하면, 곡률의 최대치는 포위원의 중심과 관련하여 외측에 배치되며, 제조기술의 관점에서, 압출 방법에 사용되는 핀의 제조 공정을 제어하는 것이 보다 용이하며, 이 핀은 내부 쿨링 채널의 나선을 결정한다. 쿨링 채널을 제조하기 위한 압출 방법에 사용되는 나선형 핀은 압출 노즐의 축두 상류에 배치되어 유입되는 소재 내에 쿨링 채널을 형성한다. 타원형의 나선형 핀을 제조하는 것이 비교적 난해한 반면에, 곡률의 최대치가 외측으로 이동된 나선형 핀을 제조하는 것은 와이어 내부의 비교적 커다란 윤곽 부분이 서랍 형태에 정밀하게 끼워질 수 있기 때문에 비교적 간단하다.

이와 관련하여, 쿨링 채널 윤곽의 반경 방향 내측이 직선형 가지(limb) 부분을 포함하면 와이어가 나선을 형성하는 동안에 서랍 형태에 안전하게 지지될 수 있기 때문에 특히 바람직하다.

시험 및 시뮬레이션을 통해, 이러한 채널 단면은 응력 집중과 관련하여 마찬가지로 양호한 결과를 나타내었으며, 타원형 쿨링 채널 단면의 경우와 마찬가지의 냉각제의 배출량이 얻어질 수 있으며, 적절한 최소 반경 및 최소 벽 두께가 유지된다. 그러나, 최대 곡률 상의 빈틈없는 반경으로 인해, 타원형에 비해 최소 벽 두께는 보다 커진다.

청구범위의 특징들은 가능하다면 임의의 원하는 방식으로 조합될 수 있다.

드릴용 소재로는, 예를 들어 HSS 고속도강, 및 특히 모든 유형의 초경합금과 같은, 최신형 고성능 드릴용 일반 소재 모두 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 이와는 별개로, 세라믹, 서밋 또는 다른 소결 금속재 또한 본 발명에 따른 공구의 제조에 적절하다.

또한, 본 발명에 따른 공구 또는 공구의 부품은 적어도 날카로운 커터의 영역에 일반적인 코팅을 포함할 수 있다. 경질 소재 코팅의 경우, 이러한 코팅은 얇은 코팅이 바람직하며, 0.5 내지 3㎛ 범위의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.

경질 소재 코팅은 예를 들어 다이아몬드, 바람직하게는 단결정(monocrystalline) 다이아몬드를 포함할 수 있다. 그러나 질화티타늄이나 질화티타늄알루미늄 코팅이 될 수도 있으며, 그 이유는 이러한 코팅은 적절하게 얇게 코팅될 수 있기 때문이다. TiC, Ti (C, N), 세라믹, 예를 들어 Al₂O₃, NbC, HfN, Ti, (C, O, N) 등과 같은 다른 경질 소재 코팅이 고려될 수 있으며, 다층 코팅은 TiC/Ti (C, N), TiN을 포함하고, 다층 세라믹 코팅은 특히 TiN 또는 Ti (C, N) 등의 중간층을 포함한다.

추가적 또는 대안적으로, 적어도 그루브(groove)의 영역에 존재하는 연질 코팅을 사용할 수도 있다. 이러한 연질 코팅은 MoS₂를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 2개의 스테이(2) 및 2개의 커팅 그루브(1)를 가지는 더블 절삭 드릴의 단면을 나타낸다. 스테이는 절삭 측에서 커팅면(5)에 의해 경계지어지고, 비절삭 측에서 커팅 플랭크(6)에 의해 경계지어진다. 드릴의 외주는 참조부호 7로 나타내었다. 직경이 d_K인 드릴 코어로 시작하여 커팅면(5) 및 커팅 플랭크(6)로 스테이(2)를 확장하여 드릴의 호칭 지름이 D인 폭을 가지는 스테이가 된다. 이러한 구성에서, 스테이(2)는 스테이 중심선(S)에 대하여 대략 대칭이며, 도면에서는 드릴 축(A)에 대하여 반경 방향으로 나타내었다. 하부 스테이(2) 상의 대칭선(S) 상에는 각각의 쿨링 채널 구멍(3)의 단면적 내에 완벽하게 위치되는 원(K)의 중심(M)이 위치된다. 상부 스테이에는 동일한 직경(2R₀)을 가진 각각의 원(K)의 중심(M")이 커팅면으로부터 뒤쪽으로 약간 이격되어 각각의 쿨링 채널 구멍(3)의 단면적 내에 완벽하게 위치된다.

이러한 구성에서, 각각의 쿨링 채널을 둘러싸는 다수의 쿨링 채널 윤곽(30, 31, 32)은 본 발명의 여러 실시예에 따라 서로 비교되었다. 하부 스테이에는 쿨링 채널(3)의 타원형 윤곽(30)을 실선으로 나타내었고, 또 다른 윤곽(31)을 점선으로 나타내었다. 상부 스테이에는 쿨링 채널(3)의 윤곽(32)을 점선으로 나타내었다. 이러한 구성에서, 쿨링 채널 윤곽(30, 31)은 대칭선에 대하여 대칭 형상을 가지며, 쿨링 채널 윤곽(32)은 원(K)의 윤곽으로부터 비절삭 측으로 편향되어 있다. 곡률 최대치는 각각 R₁, R₁', R₁"의 곡률 반경을 가지며, 윤곽(30, 31)은 2개의 동일한 최대 곡률을 포함하는 한편, 윤곽(32)은 반경 R₁"의 최대 곡률 1개만을 갖는다.

도면은 본 발명에 따른 쿨링 채널 단면 형상을 이용하는 것을 보여주며, 코어 직경(d_K)에 대하여 동일한 거리를 유지하고, 원의 직경(2R₀)의 쿨링 채널 구멍은 쿨링 채널의 커팅면 또는 커팅 플랭크와 대면하는 영역에서 배출량을 상당히 증가시킬 수 있다.

이러한 구성에서, 배출 면적의 게인(gain)은 준수되어야 하는 최소 벽 두께에 의해서만 한정되며, 도면에서는 명확한 도시를 위해서, 드릴에 내파손성을 제공하는데 특히 중요한, 각각의 쿨링 채널 윤곽(30, 31, 32)과 관련하여 쿨링 채널(3)과 커팅면(5) 사이의 최소 벽 두께(d_SPE, d_SPA, d_SPA")만을 나타내었다.

최소 벽 두께는 드릴이 갖추어야 할 최소 강도에 의해서만 정해지며, 따라서 각각의 쿨링 채널 윤곽(30, 31, 32)의 최대 곡률에서의 반경(R₁, R₁', R₁")에 의한 것이기도 하다. 이것은 타원형 쿨링 채널 윤곽(30)에 대하여 외측으로 변위된 최대 곡률(최소 벽 두께(d_SPA))을 가져서 쿨링 채널(31)보다 작은 최소 벽 두께(d_SPE)를 사용하는 것이 가능하다는 것을 반영한다.

이러한 구성에서, 쿨링 채널 윤곽(30, 31)은 쿨링 채널(3)과 커팅면(5) 사이에서, 쿨링 채널(3)과 커팅 플랭크(6) 사이의 최소 벽 두께(도시하지 않음)와 본질적으로 대응되는 최소 벽 두께(d_SPE 또는 d_SPA)를 유지한다. 이와는 대조적으로, 예를 들어 커팅면(5) 쪽의 윤곽(32)은 커팅면(5)으로부터 이격된 쪽보다 커다란 최소 벽 두께(d_SPA")를 갖는다. 따라서, 한편으로 포위원의 중심(M')은 절삭 측으로부터 이격되어 있고, 다른 한편으로 쿨링 채널 윤곽(32)은 커팅 플랭크(6) 쪽에만 최대 곡률(반경 R₁")을 갖는다. 쿨링 채널 윤곽(32)의 배치에 있어서, 쿨링 채널 단면은 최대 곡률이 커팅면 쪽에 위치되는 것도 고려할 수 있다.

도 2는 타원형 단면 윤곽(30)을 가진 나선형 드릴 공구의 사시도이다. 2개의 스테이(2)는 나선형 커팅 그루브(1)에 의해 서로 분리되어 있고, 이 공구는 메인 커터(4)를 포함한다. 커팅 그루브(1) 및 스테이(2)는 대략 30°의 나선 각도로, 원통형으로 나타낸 드릴샤프트(9)까지 나선으로 연장되며, 드릴샤프트(9)에 의해 공구는 공구 캐리어 또는 척에 클램프될 수 있다. 내부 쿨링 채널(3)은 공구 전체를 통과해 연장되며 커팅 그루브(1) 및 스테이(2)와 동일한 나선 각도로 트위스트되어 있다.

특별히 큰 부하가 걸리는 경우에는 드릴 공구가 솔리드 경질 소재로 만들어지며, 이러한 소재는 우수한 내압성, 변형 저항성, 경도, 및 내마모성을 제공한다. 이러한 고성능 공구는 또한 경질 가공, 건식 가공, 극소량 윤활, 및 고속 절삭 등의 매우 커다란 부하가 걸리는 것에 대하여 견딜 수 있다. 또한, 극소량 윤활의 목적 및 상당히 증가된 절삭 성능은 서로 배타적인 것이 아니고 동시에 적용이 가능하다는 것을 확인하였다. 극소량 윤활에서 사용하도록 개발된 드릴링 공구는 예를 들어 종래의 냉각제 윤활에서 사용되는 공구에 비해 상당히 증가된 이송 속도로 작동한다. 이러한 공정에서는 공급되는 냉각제의 양이 결정적인 역할을 한다.

근래, 소위 고성능 절삭 공정에서는 포함된 모든 공정 변수를 고려하여 제조비용을 보다 절감하려는 시도가 진행되고 있다. 공구의 경우, 이들의 제조비용과는 별개로, 무엇보다도 본질적인 작동 시간 및 수명이 결정적이며, 이들은 실현 가능한 이송 속도, 즉 기존의 공작기계 및 고성능 스핀들에서 실현 가능한 회전 속도에 결정적으로 좌우된다.

이송 속도는 회전 속도에 의해서 뿐만 아니라 칩 제거 공정에서의 파손 방지 필요에 의해서도 한정된다. 이와 관련하여, 도 2에 나타낸 나선형 공구는 도 4, 6, 8에 나타낸 직선형 그루브를 가진 공구에 비해 결정적인 장점을 갖는다. 나선형 설계는 칩 및 윤활제를 포함하는 혼합물의 양호한 제거를 보장한다. 도 2에 나타낸 공구에서, 쿨링 채널(3)의 배출면은 소위 4면 그라인드(four-face-grind) 패턴으로 분할되어 있는 자유표면(13)의 양쪽 부분을 가로질러 연장되기 때문에 다량의 냉각제가 커팅 그루브(1)로 직접 투입되게 된다. 칩 제거 유동을 보다 개선시키기 위해, 나선형 커팅 그루브를, 드릴 팁으로부터 시작하여 드릴샤프트를 향해 확대되도록 설계하는 것도 고려할 수 있다. 센터링 정확도가 고려되는 한, 나선형 공구는 그 전체 둘레에 의해 드릴 구멍 내에서 지지될 수 있기 때문에 유리하다. 이러한 효과를 위해, 도 2에 나타낸 공구는 메인 커터의 모서리에서 시작되는 지지 랜드(11)를 포함한다.

한편, 공구에 집중되는 응력은 지지되는 정도 이상으로 커져서는 안 되며, 그렇지 않은 경우, 파단 및 마모가 발생하게 된다. 이것은, 쿨링 채널이 드릴의 가용성에 있어서 결정적인 기준이 된다는 것을 말해준다.

최종적으로, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상에 대하여 여러 가지 시험을 행했다. 이 과정에서 동일한 호칭 직경을 가지며 쿨링 채널 형상을 제외하고 동일하게 설계된 여러 공구는 압축력 및 비틀림력을 포함하는 부하를 받았고, 그루브 루트(groove root), 즉 쿨링 채널의 단면 윤곽의 최대 곡률에서 발생하는 최대 응력이 측정되었다.

예를 들어, D=4㎜인 호칭 직경을 가진 직선형 그루브 및 직선형으로 배열되어 확장되는 스테이를 구비하여 스테이 폭과 그루브 폭이 1:1인 6개의 더블 절삭 드릴에 860N의 압축력 및 0.8Nm의 비틀림 모멘트가 가해졌다. 이들 드릴을 도 1 및 도 3 내지 도 11에 나타내었다.

원형의 쿨링 채널 형상을 가진 드릴을 도 1에 나타내었다(쿨링 채널 윤곽은 모두 반경 R₀의 포위원을 따름). 도 3 내지 도 10은 본 발명에 따른 쿨링 채널 윤곽을 가지는 4개의 드릴을 확대하여 나타낸 것이다. 각각의 쿨링 채널 형상(30E; 도 3 및 도 4)(30I; 도 5 및 도 6)(30II; 도 7 및 도 8)(30III; 도 9 및 도 10)은 반경이 R₀인 원을 접선 방식으로 감싼다. 동일한 특징은 도 1에서와 마찬가지로 동일한 참조부호로 나타내었다.

도 4, 6, 8, 10은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴의 사시도이다. 이러한 구성에서, 드릴은 직선형 커팅 그루브(1), 및 메인 커터(4) 쪽과 메인 커터(4)로부터 이격된 쪽에 가이드 랜드(11, 12)를 구비한 스테이(2)를 포함한다. 쿨링 채널(3)은 드릴을 통과하여 드릴 팁(8)으로부터 드릴샤프트(9)에 있는 드릴의 반대쪽 단부로 연장된다. 이러한 구성에서, 쿨링 채널(3)은 드릴의 자유표면(지칭하지 않음)에서 빠져나오며, 자유표면은 횡방향 커터의 단축을 위해 점 형상(10)으로 뒤쪽으로 경계지어진다. 도 3, 5, 7, 9는 도 4, 6, 8, 10에 나타낸 드릴의 단면을 나타내며, 비교를 위해 하부 드릴 스테이 상에 본 발명에 따라 설계된 쿨링 채널을 각각 상부 드릴 스테이 상의 종래의 삼각형 형상의 쿨링 채널과 대비하여 나타내었다.

도 11은 반경 R₀의 동일한 원에 종래의 삼각형 쿨링 채널 형상을 구비하는 드릴의 사시도이다. 도 2, 4, 6, 8의 각각의 단면에서는 이러한 방식으로 설계된 쿨링 채널 형상이 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상과 비교된다.

참조부호 d_SPX, d_SFX, d_AUX는, 쿨링 채널(3)과 커팅면(5) 사이, 쿨링 채널(3)과 커팅 플랭크(6) 사이, 그리고 쿨링 채널(3)과 외주(7) 사이의 최소 벽 두께를 각각 나타내며, 각각의 경우의 R_1X 및 R_2X는 쿨링 채널 윤곽의 가장 빈틈없고 가장 넓은 반경을 나타내며, X는 E, T, I, II, III를 나타낸다. 삼각형 쿨링 채널 형상에서의 각각의 값은 D_SPT, D_SFT, D_AUT를 나타낸다.

다음의 값이 쿨링 채널 형상에 사용되었다.

- 도 1에서, R₀ = 0.4인 원형 쿨링 채널 형상

- 도 2 및 도 3에서, 제1 축 2a = 0.55㎜, 제2 축 2b = 0.4㎜인 타원형 쿨링 채널 형상 30E

- 도 4 및 도 5에서, 가장 빈틈없는 반경 R_1I = 0.3㎜, R_2I = 0.6㎜인 대략 타원형의 쿨링 채널 형상 30I

- 도 6 및 도 7에서, 가장 빈틈없는 R_1II = 0.3㎜, 가장 넓은 반경 R_2II = 0.5㎜인 대략 타원형의 쿨링 채널 형상 30II

도 8 및 도 9에서, 가장 빈틈없는 R_1III = 0.2㎜, 가장 넓은 반경 R_2III = 0.5㎜인 대략 타원형의 쿨링 채널 형상 30III

도 10 및 도 2, 4, 6, 8에서, 가장 빈틈없는 반경 R_1T = 0.1㎜, 가장 넓은 반경 R_2T = 0.4㎜인 삼각형 쿨링 채널 형상

이러한 구성에서, 원형의 쿨링 채널의 단면적은 명백하게 다른 쿨링 채널의 단면적보다 작으며, 나머지 쿨링 채널의 단면적은 다음과 같이 크기가 거의 동일하다.

원형 0.50㎟

형상 30E 0.69㎟

형상 30I 0.63㎟

형상 30II 0.67㎟

형상 30III 0.66㎟

삼각형 0.65㎟

커팅면(5) 쪽의 최대 곡률(메인 커터로부터 0.25×D 만큼 이격됨) 상의 최대 응력을 측정하는 동안, 본 발명에 따른 실시예의 특별한 장점이 명백해졌다. 삼각형 형상의 경우와 거의 동일하거나 보다 큰 단면적을 가짐으로써, 본 발명에 따른 쿨링 채널 형상은 원형 형상인 경우와 비교하여 상당히 낮은 응력 값을 나타내었으며, 동시에 최대 응력이 다음과 같이 완만한 비율로 증가하였다.

원형 700N/㎟

형상 30E 980N/㎟

형상 30I 1034N/㎟

형상 30II 1031N/㎟

형상 30III 1133N/㎟

삼각형 1520N/㎟

도면은 넓은 단면적을 가지는 케익 조각 형상의 설계 공간을 최적으로 사용함으로써 삼각형 쿨링 채널에서 원형의 쿨링 채널 형상의 경우와 마찬가지로 동일한 최소 벽 두께가 얻어지는 것을 보여준다. 그러나, 이러한 구성에서는 과도한 최대 응력(1520N/㎟)이 발생하여 파손의 위험이 매우 크고, 공구의 설계 수명이 급격히 감소하게 된다.

쿨링 채널 상의 최대 응력이 고려되는 한, 그루브 루트에서의 쿨링 채널 형상의 최대 응력은 삼각형 형상의 경우에 비해 대략 25%-35% 작다. 쿨링 채널 형상이 삼각형 형상에 보다 근접할수록 최대 응력의 증가는 보다 두드러진다. 그러나, 이러한 증가는 선형(linear)이 아니라 기하급수적이어서 형상 30III으로도 여전히 양호한 값을 얻을 수 있다. 그러나, 형상 30E, 30I, 30II에서는 거의 동일한 단면적이므로 거의 동일한 최대 응력이 집중되었다.

이러한 구성에서는, 모든 쿨링 채널 윤곽에서 공구의 호칭 직경의 8%-11%가 커팅 그루브와 커팅 플랭크 사이에서 유지되었다. 도 1의 윤곽(32)의 경우에서의 8%×D에서, 쿨링 채널과 커팅 플랭크 사이의 벽 두께는 특히 얇았다. 이와는 대조적으로, 도 3에 나타낸 공구의 하부 스테이에서 점선은 약간 더 큰 공구의 외형선을 나타낸다. 점선으로 나타낸 공구는 실선으로 나타낸 공구와 동일한 블랭크로부터 만들어진다. 따라서, 쿨링 채널(3)의 형상, 위치 및 치수가 동일하다. 그러나, 약간 더 큰 공구는 쿨링 채널(3)과 외주(7') 사이에 d_AUE보다 20% 더 큰 d_AUE'의 최소 벽 두께를 갖는다.

본 발명에 다른 효과 또한 호칭 직경이 보다 작은 D와 마찬가지로 명백하다. 그러므로, 호칭 직경 D = 1.2㎜이고, 다른 치수는 전술한 D = 4㎜인 드릴과 기하학적으로 유사한 드릴에 대하여 부하 시험을 하였다. 시험을 하는 동안, 드릴에 0.026Nm의 비틀림 모멘트 및 52N의 압축력을 가하였다. 이 드릴은 다음과 같은 쿨링 채널 구성을 가졌다.

R₀ = 0.12㎜, 면적이 0.045㎟인 원형 쿨링 채널

a = 0.085, b = 0.06, 면적이 0.065㎟인 타원형 쿨링 채널

R₁ = 0.04㎜, R₂ = 0.16㎜, 면적이 0.07㎟인 삼각형 쿨링 채널

이 경우, 최대 곡률에서의 최대 응력은 메인 커터 뒤의 0.25×D에서 1480N/㎟로 측정되었으며 이 값은 원형 형상인 경우의 660N/㎟보다 엄청나게 큰 값이며, 단면이 큰 타원형 쿨링 채널을 가진 드릴의 경우에는 950N/㎟의 최대 응력에서 견딜 수 있었다.

도 12는 직경 D를 가로지르는 최소 벽 두께의 하한치(W_min)에 관한 본 발명의 값을 나타낸다. 여기서, 본 발명에 따른 공구의 최소 벽 두께(d_AUX, d_SPX, d_SFX)는 그래프 W_min,1 상 또는 그 좌측, 특히 그래프 W_min,2의 좌측, 바람직하게는 그래프 W_min,3의 좌측, 예를 들면 그래프 W_min,4의 좌측에 있다.

도 13은 호칭 직경 D를 가지는 최소 벽 두께(d_AUX, d_SPX, d_SFX)에 관한 상한치(W_max,1)의 기울기를 나타낸다. 도 14에서는 이 기울기를 바람직한 상한치 W_max,2, W_max,3, W_max,4, W_max,5, W_max,6과 비교하였다.

전술한 실시예는 본 발명의 사상을 벗어나지 않는다면 변형이 가능하다.

특히, 쿨링 채널의 커팅면 쪽의 최대 곡률에서의 반경이 커팅 플랭크 쪽의 반경보다 큰 쿨링 채널 윤곽을 고려할 수 있다.

또한, 본 발명은 소정의 팁 형상 및 그루브-스테이 비율을 가지며 공구 헤드에 커터가 직접 배치되는, 나선형이나 직선형 그루브가 형성된 싱글 커터 또는 다중 커터 공구에 한정되지 않는다. 대안적으로, 본 발명에는 나사식으로 부착되거나 납땜에 의해 부착된 커팅 플레이트 또는 교체식 커터, 그리고 커팅 부분이나 드릴 헤드가 샤프트에 남땜된 공구가 사용될 수도 있다.

본 발명은 유니버설 절삭 공구에 의해 설명되었다. 본 발명은 호칭 직경이 비교적 작은 심공 드릴링과 같은 특별한 분야의 적용에 있어서, 즉 호칭 직경 대 커팅 부분의 길이의 비율이 매우 작은 공구의 경우에도 특히 바람직하다.

Claims

호칭 드릴 직경(D), 하나 이상의 커팅 그루브(1), 및 공구 팁(8)으로부터 공구 샤프트(9)로 연장되는 하나 이상의 스테이(stay)(2)를 구비하는, 드릴과 같은 회전 구동식 절삭 공구에 있어서,

각각의 상기 스테이(2)는 메인 커터(4), 및 상기 공구 팁(8)으로부터 상기 드릴의 반대쪽 단부로 연장되며 중심(M)을 가지는 가상 원(K)에 접하여 감싸는 연속형 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)을 갖는 내부 쿨링 채널(3)을 포함하고,

상기 내부 쿨링 채널(3)의 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)은 상기 중심(M)과 드릴 축(A) 사이의 선의 방향에서 상기 드릴 축(A)으로부터의 거리가 상기 중심(M)과 상기 드릴 축(A) 사이의 거리 이상인 하나 이상의 최대 곡률을 포함하고,

상기 내부 쿨링 채널(3)과 상기 드릴의 외주(7, 7') 사이, 상기 내부 쿨링 채널(3)과 커팅면(5) 사이, 및 상기 내부 쿨링 채널(3)과 커팅 플랭크(flank)(6) 사이의 최소 벽 두께(d_AUX, d_SPX, d_SFX)가 하한치(W_min,1, W_min,2, W_min,3, W_min,4)와 상한치(W_max,1, W_max,2, W_max,3) 사이에 있고,

상기 하한치는, D≤1㎜에 대하여 0.08×D, D>1㎜에 대하여 0.08 (W_min,1), 구체적으로는 D≤2.5㎜에 대하여 0.08×D, D>2.5㎜에 대하여 0.08 (W_min,2), 바람직하게는 D≤3.75㎜에 대하여 0.08×D, D>3.75㎜에 대하여 0.3 (W_min,3), 예를 들어 D≤3㎜에 대하여 0.1×D, D>3㎜에 대하여 0.3 (W_min,4)이고,

상기 상한치는, D≤6㎜에 대하여 0.35×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.30 (W_max,1), 구체적으로는 D≤6㎜에 대하여 0.333×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.30 (W_max,2), 바람직하게는 D≤6㎜에 대하여 0.316×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.50 (W_max,3), 보다 바람직하게는 D≤6㎜에 대하여 0.3×D, D>6㎜에 대하여 0.4×D-0.60 (W_max,4), 예를 들어 D≤4㎜에 대하여 0.2×D 또는 0.15×D, D>4㎜에 대하여 0.6 (W_max,5)이고,

상기 내부 쿨링 채널(3)의 상기 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)의 가장 빈틈이 없는 곡률(tightest curvature)에서의 반경(R₁, R₁', R₁", R_1X)은 원의 반경(R₀)의 0.35배 내지 0.9배, 구체적으로는 0.5배 내지 0.85배, 바람직하게는 0.6배 내지 0.85배, 보다 바람직하게는 0.7배 내지 0.8배, 예를 들어 0.75배인

절삭 공구.
제1항에 있어서,

상기 호칭 직경(D)의 범위는 1㎜ 내지 25㎜, 구체적으로는 1㎜ 내지 16㎜, 바람직하게는 1㎜ 내지 12㎜, 보다 바람직하게는 1㎜ 내지 6㎜인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 커터는 2엽(two-lips) 커터 또는 다엽(multiple-lips) 커터인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내부 쿨링 채널의 상기 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)의 2개의 최대 곡률은 동일한 반경 방향 좌표를 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단면 윤곽(30, 31, 32, 30X)의 2개의 최대 곡률 상의 곡률 반경(R₁, R₁', R₁", R_1X)이 동일한 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 쿨링 채널의 단면적은 상기 드릴 축(A)과 상기 중심(M) 사이의 선에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 쿨링 채널의 단면 윤곽(30, 30E)은 상기 드릴 축(A)과 상기 중심(M) 사이의 선에서 보았을 때 상기 커팅면(5)을 향하는 쪽 및 상기 커팅 플랭크를 향하는 쪽으로 타원형이거나, 상기 커팅면(5)을 향하는 쪽 또는 상기 커팅 플랭크를 향하는 쪽으로 타원형이고,

상기 타원형의 제1 축(a)과 제2 축(b) 사이의 길이 비율은 1.18 내지 1.65, 보다 바람직하게는 1.25 내지 1.43, 예를 들어 1.33

인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 내부 쿨링 채널의 단면 윤곽(21, 32, 30I, 30II, 30III)은 상기 드릴 축(A)과 상기 중심(M) 사이의 선의 방향에서 상기 드릴 축(A)으로부터의 거리가 상기 중심(M)으로부터의 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제8항에 있어서,

상기 커팅면(5) 쪽 및/또는 상기 커팅 플랭크(6) 쪽의 상기 내부 쿨링 채널(3)의 단면 윤곽(32, 30)의 최대 곡률 내의 반경 방향으로 직선 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제9항에 있어서,

상기 직선 부분은 상기 커팅면(5) 또는 상기 커팅 플랭크(6)와 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

호칭 직경(D) 대 커팅 부분 길이의 비율이 1:5 내지 1:200인 심공(deep-hole) 드릴로서 설계되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.