복합 절삭 인서트 및 이의 제조 방법 document_id A220623068521

일반적으로 금속을 기계 가공하기 위해 이용되는 절삭 인서트는 공구강 및 세라믹과 같은 그 외의 다른 공구 재료에 비교되는 강도, 인성 및 마모 저항과 같은 기계적인 특성들의 선호되는 조합으로 인해 복합 재료로 제조된다. 초경합금과 같은 복합 재료로 제조된 종래의 절삭 인서트는 "일체식(monolithic)" 구조에 기초하며, 즉 상기 절삭 인서트는 초경합금의 단일 그레이드로 제조된다. 이와 같은 방법으로, 종래의 단일의 절삭 공구는 공구의 모든 위치에서 동일한 기계적 및 화학적 특성을 가진다. 초경합금 재료는 적어도 두 상, 하나 이상의 강성의 세라믹 성분과 금속 접합제의 연성 매트릭스를 포함한다. 강성의 세라믹 성분은 예를 들어 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐 및 니오븀과 같은 임의의 카바이드 형성 요소의 카바이드일 수 있다. 일반적인 실례는 텅스텐 카바이드이다. 접합제는 금속 또는 금속 합금일 수 있으며, 일반적으로 코발트, 니켈, 철 또는 이의 합금일 수 있다. 접합제는 3차원으로 상호 연결된 매트릭스 내에서 세라믹 성분을 접합시킨다. 초경합금은 적어도 하나의 분말 접합제와 적어도 하나의 분말 세라믹 성분의 분말 금속을 압밀시킴으로써 제조될 수 있다. 초경합금 재료의 물리적 및 화학적 특성은 재료를 제조하기 위하여 사용된 야금 분말의 개별적인 성분에 부분적으로 의존된다. 초경합금 재료의 특성은 예를 들어 세라믹 성분의 화학적 조성, 세라믹 성분의 입자 크기, 접합제의 화학적 조성 및 세라믹 성분에 대한 접합제의 비율에 의해 결정된다. 야금 분말의 성분을 가변시킴으로써 인덱서블 인서트, 드릴 및 엔드 밀을 포함하는 인서트와 같은 공구는 특정 분야에 적합한 고유의 특성을 포함하도록 제조될 수 있다. 오늘날의 최신 금속 재료를 기계 가공하기 위한 분야에서, 충분한 그레이드의 카바이드 재료가 선호되는 품질과 생산 요구량을 구현하기 위해 종종 요구된다. 그러나 보다 높은 그레이드의 초경합금을 이용하여 단일의 카바이드 구조로 제조된 절삭 인서트는 이의 높은 재료 비용으로 인해 제조하기에 비용이 많이 소요된다. 추가적으로 인서트 내에서 각각의 위치의 상이한 요구사항을 부합하도록 단일 그레이드의 카바이드 재료를 포함하는 종래의 단일 인덱서블 인서트의 조성을 최적화시키기가 어렵다. 2개 또는 그 이상의 상이한 카바이드 재료 또는 그레이드로 제조된 복합 회전 공구는 미국 특허 제 6,511,265호에 기술된다. 여기서 복합 카바이드 절삭 인서트는 회전 절삭 공구보다 제조하기가 보다 어렵다. 먼저, 절삭 인서트의 크기는 회전 절삭 공구보다 상당히 작으며, 둘째로, 오늘날의 절삭 인서트의 칩 브레이커 형상과 절삭날은 본질적으로 복잡하고, 셋째로 보다 높은 치수상 정확도와 보다 우수한 표면 품질이 요구된다. 절삭 인서트를 이용하여 최종 제품은 제품을 압축하고 소결시킴으로써 제조되며, 후속한 그라인딩 작업을 포함하지 않는다. 1983년에 공고된 미국 특허 제 4,389,952호는 유체 운반체(liquid vehicle)와 카바이드 분말의 혼합물을 함유한 슬러리를 제조하고, 그 뒤 혼합물의 층을 페인팅 또는 스프레이 공정을 통해 그 외의 다른 카바이드의 그린 압분체로 형성함으로써 복합 초경합금 공구를 제조하는 새로운 사상을 기술한다. 이러한 복합 카바이드 공구는 코어 영역과 표면층 사이에 개별적인 기계적 특성을 가진다. 이러한 방법의 언급된 설비는 록 드릴링 공구(rock drilling tool), 미닝 공구(mining tool) 및 금속을 기계 가공하기 위한 인덱서블 절삭 인서트를 포함한다. 그러나 슬러리-기초 방법은 매우 단순한 지오메트리를 가진 칩 브레이커 또는 칩 브레이커 지오메트리 없이 오직 인덱서블 인서트에 적용될 수 있다. 이는 슬러리의 두꺼운 층이 칩 브레이커 지오메트리를 가변시키며, 특히 널리 사용된 인덱서블 절삭 인서트가 다양한 가공 재료를 기계 가공하기 위해 증가된 요구사항을 부합시킬 수 있는 복잡한 칩 브레이커 지오메트리를 가지기 때문이다. 추가적으로, 슬러리-기초 방법은 제조 작업과 생산 설비의 상당한 증가를 수반한다. 회전 공구 분야의 절삭 인서트에 대하여, 중앙 영역의 일차 기능은 홀이 형성될 때 가공품을 천공하고 대부분의 재료를 제거하는 데 있으며, 절삭 인서트의 주변 영역의 주요한 목적은 홀을 확장시키고 다듬질하는 데 있다. 절삭 공정 동안, 절삭 속도는 인서트의 중앙 영역으로부터 인서트의 외측 주변 영역까지 상당히 가변된다. 내부 영역, 중간 영역 및 인서트의 주변 영역의 절삭 속도는 모두 상이하며, 이에 따라 상이한 응력을 받으며 상이하게 마모된다. 명백하게, 절삭 속도는 공구의 회전축으로부터의 거리가 증가됨에 따라 증가된다. 이와 같이, 일체식 구조를 포함하는 회전 절삭 공구 내의 인서트는 적용 범위와 성능에 있어서 본질적으로 제한된다. 일체식 구조(monolithic construction)를 가진 드릴링 인서트 및 그 외의 다른 회전 공구는 중앙으로부터 공구의 절삭 표면의 외측 변부까지의 상이한 지점에서 균일한 마모 및/또는 칩핑(chipping) 및 크랙킹(cracking)이 형성되지 못한다. 또한 드릴링 담금질된 재료에 있어서, 일반적으로 치즐 에지(chisel edge)는 케이스를 천공하는데 이용되며, 드릴 몸체의 나머지 부분은 담금질된 재료의 상대적으로 연성의 코어로부터 재료를 제거하는데 이용된다. 따라서 이러한 분야에 사용된 일체식 구조의 종래의 드릴링 인서트의 치즐 에지는 절삭날의 나머지 부분보다 상당히 빠른 속도로 마모될 것이며, 이에 따라 수명이 짧아진다. 이러한 모든 경우, 종래의 초경합금 드릴링 인서트의 일체식 구조로 인해 빈번한 공구 교체에 따라 기계 공구가 사용되는 동안 초과 휴지 시간(downtime)이 야기된다. 이러한 인서트를 제조하기 위한 방법과 금속 기계 가공 설비에 대해 최신의 칩 브레이커 지오메트리를 선택적으로 포함하는 절삭 인서트를 개발할 필요성이 대두된다.