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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.9 pp.48-56
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.09.048

Development of Polycrystalline Diamond Tungsten Carbide Combination Circular Saw and Comparison of Tool Wear

Chang-Min Joo*, Yoon-Ok Park**, Su-Jin Kim*#
*School of Mechanical Engineering, Gyeongsang National University
**Pyeong Chang Carbide Co.
#Corresponding Author : sujinkim@gnu.ac.kr Tel: +82-55-772-1636 Fax: +82-55-772-1578
12/07/2021 22/07/2021 26/07/2021

Abstract


Tungsten carbide (WC) circular saws have been widely used to cut plywood. Recently, expensive polycrystalline diamond (PCD) were adopted to extend the tool life of circular saws. This study developed a PCD-WC combination circular saw and compared its performance with that of existing WC and PCD saws. Flank wear of WC saw blades and edge chipping of rectangular PCD was observed during the experiments. The PCD-WC saw replaced half of the chamfered teeth with PCD and applied tough WC for all rectangular teeth. In the experiments, edge chipping was not observed in rectangular WC teeth and the flank wear of chamfered teeth was decreased compared with that of conventional circular saws.



PCD 초경 복합 원형 톱 개발과 공구마모 비교

주 창민*, 박 윤옥**, 김 수진*#
*경상국립대학교 기계공학부
**평창초경

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    원형 톱(circular saw)은 목재, 복합재, 금속을 절 단하는 효과적인 도구로 널리 사용되고 있다. 톱날 재료는 초경(tungsten carbide)을 가장 폭넓게 이용해 왔고 최근에는 고가지만 마모에 잘 견디는 PCD(poly crystalline diamond)도 적용하고 있다. 따 라서 두 재료의 장점을 살린 원형 톱 개발이 필요 하다.

    초경 원형 톱으로 목재를 절단할 때 발생하는 진 동, 동력, 분진에 관한 연구들이 있었다. 원형 톱의 진동에 대한 회전속도, 온도, 장력의 영향이 이론 및 실험으로 확인되었다[1]. 소요 동력은 나무 직경 과 절단 속도가 클수록 증가한다[2]. 원형 톱으로 목 재를 절단할 때 다양한 크기의 톱밥과 부유 먼지가 발생하는데[3], 톱 하단의 흡입구로 분진을 포집하면 흩날리는 미세먼지를 줄일 수 있다.

    초경 팁은 결합력을 담당하는 코발트가 먼저 제 거되어 텅스텐 카바이드 입자가 떨어지는 기계적 마모가 발생한다. 경도가 높고, 입자가 미세하고 코 발트 비율이 낮을수록 마모가 감소한다[4]. TiN 코팅 은 하드보드를 절단할 때 경사면의 마모를 약 50% 감소시키지만, 합판을 톱질할 때는 초경 팁의 마모 에 영향을 미치지 않는다[5].

    긴 공구 수명이 요구될 때는 톱날 재료로 가격이 약 10배 비싸 지만 경도가 높은 PCD를 적용하고 있다[6]. PCD 원형 톱으로 목재를 절단할 때는 연마 (abrasive) 및 치핑(chipping) 마모가 발생한다[7]. 재 료의 물성을 비교해 보면 PCD는 초경에 비해서 비 커스 경도는 약 5배 커서 마모에 강하지만 인성은 절반으로 충격에는 약하다[8,9]. 따라서 원형 톱에 요 구되는 경도, 인성, 가격을 고려해 초경과 PCD 장 점을 살린 연구개발이 필요하다. 그런데 지금까지 두 재료를 함께 사용한 복합 원형 톱을 개발하고 비교한 연구는 없었다.

    본 연구에서는 새롭게 PCD-초경 복합 원형 톱을 제안한다. 2장에서는 초경, PCD, PCD-초경 복합 이 렇게 세 가지 톱날을 개발하고, 3장에서는 같은 장 비와 조건으로 합판을 절단해 톱날의 마모 특성을 비교한다. 이렇게 새로 개발한 복합 원형 톱날의 기술적 경제적 가능성을 제시하고자 한다.

    2. PCD-초경 복합 원형 톱 개발

    2.1 PCD 및 초경

    미세 다이아몬드 분말을 고온 고압에서 0.5 ~ 0.7 mm 두께로 치밀하게 소결하고 초경에 융착해 PCD 원판을 만든다. 다이아몬드 입자의 크기와 판의 두 께를 변경해 암석 드릴, 목재, 금속, 복합재 절단에 적합한 특성을 얻고 있다[10]. 본 연구에서는 Fig. 1 (a)의 일진다이아의 직경 60mm 두께 2.0 mm PCD 원판(IPOL-CMW R360/60.0-2.0)을 와이어 방전기로 절단해 Fig. 1 (b)와 같이 여러 조각의 PCD 팁으로 나누었다.

    초경은 경도가 높은 텅스텐 카바이드 분발과 금 속 코발트를 섞고 고온고압으로 소결해 만든 가장 넓게 사용되는 절삭 공구 재료이다. 목재 절단 시 결합 역할을 하는 코발트가 먼저 제거되면서 텅스 텐 카바이드 입자가 떨어지는 기계적 마모가 발생 한다[4]. 원형 톱 제작에 사용한 Wilke사 WK01F 초 경 팁은 Fig. 2와 같다.

    2.2 경납땜

    SKD51 판재을 레이저로 절단해 제작한 원형 톱 판은 Fig. 3 (a)와 같다. 톱의 외경은 406mm, 축과 연결하는 내경은 76mm, 날 수는 72개이다. Fig. 3 (b)의 고주파 유도가열기를 이용해 톱날에 Fig. 1의 PCD와 Fig. 2의 초경 팁들을 경납땜(brazing)한다. Fig. 3 (c)는 PCD 팁을 톱날에 경납땜한 사진으로 PCD 뒷면의 초경이 SKD51 톱판에 강하게 접합되 어 있다.

    2.3 연삭과 EDM

    경납땜한 원형 톱날에 인선을 만들기 위해서 공 구연삭이 필요하다. 초경은 더 경도가 높은 다이아 몬드 숫돌로 연삭(grinding)해 정밀하고 날카로운 날 을 만들고 있다. 경도가 아주 높은 PCD는 전기가 통하는 도체임으로 방전가공(EDM)으로 톱날을 가 공할 수 있는데, 방전 표면이 연삭보다 거칠어 공 구마모의 원인이 된다[11]. Fig. 4 (a)는 초경 톱날을 연삭하는 다이아몬드 연삭기이고, Fig. 4 (b)는 PCD 톱날을 원통형 구리 전극으로 방전가공 하는 모습 이다.

    2.4 PCD-초경 복합 원형 톱

    위 공정들로 제작한 PCD 및 초경 원형 톱은 Fig. 5와 같다. 날(tooth)의 형태는 MDF, PB(particle board), 합판, 비철금속 등 다양한 소재를 자르는 다 목적 톱날 TCG(triple-chip grindinded)타입이다. Fig. 5 (a)는 모든 톱날에 초경을 적용한 100% 초경 원 형 톱이고 Fig. 5 (b)는 100% PCD 원형 톱으로 면 치 톱날 36개와 사각 톱날 36개 모두 PCD로 제작 했다. Fig. 5 (c)는 25% PCD 75% 초경 복합 원형 톱으로 사각 톱날 36개는 모두 초경으로, 마모가 많은 모따기 날의 절반은 PCD로 나머지 18개는 초 경으로 제작하였다. Fig. 5 (d)는 톱날의 배열과 형 상이다. TCG타입에는 사각형 톱날과 사각형의 양 쪽 모서리를 모따기(chamfered)한 면치 톱날이 교차 해 배열되어 있다. 모서리를 1/3등분만큼 모따기 한 면치 톱날은 반경 방향으로 0.2mm 돌출시켜 먼저 홈을 파는 역할을 하도록 했다. 이어서 사각 톱날 은 홈의 측면을 다듬질해 품질을 높이도록 했다.

    3. 공구 마모 실험

    3.1 실험 장치 및 방법

    초경, PCD, PCD-초경 복합 3가지 원형 톱으로 같은 조건에서 실외용 합판(plywood)을 동일한 거리 만큼 절단하였다. Fig. 6 (a)는 절단할 실외용 합판 (OP-Type2-E2)으로 폭과 길이가 1.22×2.44m이다. Fig. 6 (b)는 실험에 사용된 CNC 절단기(running saw)로 ㈜현대산기 CNC640S+ 모델이다.

    장비의 기본 가공조건인 톱날 회전수 4,300rpm과 절단 이송 속도 90m/min를 사용해 5장의 합판을 겹 쳐 동시에 절단하였다. 원형 톱 하나당 가공량은 두께 8.0mm 합판 20개 거리 155m와 두께 14.5mm 합판 5개 거리 103m로 총 절단 거리는 258m이다. 가공 전후 공구현미경으로 각 원형 톱마다 사각 톱 날 5개와 면치 톱날 5개의 마모를 측정하였다. 2차 실험에서 초경으로 두께 8.0mm 합판 40장 거리 374m, PCD로 두께 14.5mm 합판 25장 거리 560m, 복합으로 두께 14.5mm 합판 42장 거리 864m를 추 가 절단하였다.

    3.2 초경 톱날 플랭크 마모

    가공 전후 초경 톱날을 Fig. 7과 같이 공구현미 경으로 촬영해 공구 마모를 측정하였다. Fig. 7 (a)는 가공 전 사각 톱날로 다이아몬드 휠로 연삭한 자국 이 일직선으로 균일하게 보이고 모서리가 비교적 날카롭다. Fig. 7 (b)는 1차 285m 가공 후 사각 톱 날로 모서리에 플랭크 마모(Flank wear)가 25μm 발 생하였고 여유면에 목재 접합재(phenol-formaldehyde resin)가 파도 모양으로 붙어있다. 2차 가공 후 톱날 의 추가적인 마모는 작았다.

    Fig. 7 (c)는 가공 전 면치 톱날로 위 경사면에 이물질이 있고 앞 여유면과 우측 면치면에 수평으 로 연삭 자국이 선명하다. Fig. 7 (d)는 1차 가공 후 면치 톱날로 여유면에 물결 모양으로 목재 접합재 가 붙어있고 플랭크 마모가 31μm 발생하였다. 2차 가공 후 톱날의 마모도 작게 발생했다. 이렇게 초 경 톱날에는 균일하게 플랭크 마모가 발생함을 확 인하였다.

    3.3 PCD 톱날 치핑

    가공 전후 PCD 원형 톱날의 현미경 사진은 Fig. 8과 같다. Fig. 8 (a)의 새 PCD 표면에 미세 홈들이 보이는데, 이것은 방전가공에서 각 아크가 PCD를 녹여 제거한 자국들이다[11]. Fig. 8 (b)는 1차 285m 가공 후 사진으로 날 끝에 치핑(Chipping)이 174μ m 발생했다. 2차 가공 후에도 전과 같은 치핑이 관 찰되었다. 날이 깨지는 이유는 사각 톱날의 90도 꼭짓점은 충격에 약한 형상인데 소재인 PCD 인성 이 작은 특성이 함께 작용하기 때문이다. 측정한 PCD 사각 톱날 중에 60%에 치핑이 발생해 초경보 다 날 깨짐에 취약함을 알 수 있다.

    Fig. 8 (c)는 1차 285m 가공 후 면치 톱날인데 방 전 홈들이 목제 접착제로 채워졌고, 방전 표면이 거칠어 공구 마모가 관찰되지 않았다. Fig. 8 (d)는 2차 845m 가공 후 공구 마모가 14μm 발생한 것으 로 측정하였다. 하지만 방전 거칠기에 비해서 PCD 의 마모가 작아 측정이 어려웠다.

    Fig. 8 (b) 사각 날에 발생한 치핑이 Fig. 8 (c)(d) 면치 날에 없는 이유는 모서리 각도가 135도로 커서 충격에 강하기 때문이다. 또한 Fig. 7 (d) 초경 에서 보이는 플랭크 마모가 경도가 높은 Fig. 8 (d) PCD에는 아주 작음을 알 수 있다. Fig. 8에서 PCD 는 취성이 있어 날카로운 사각 톱날 소재로는 부적 합하지만, 경도가 높아 많은 양을 먼저 깎는 면치 톱날에는 적합함을 알 수 있다.

    3.4 PCD-초경 복합 톱날

    새로 개발한 원형 톱은 Fig. 5 (d) 개념도와 같이 날카로워서 치핑에 취약한 사각 톱날은 인성이 높 은 초경을 사용하고, 사각형 모서리에 면치를 추가 해 충격에 강하지만 많은 양을 먼저 절삭해 연삭 마모에 취약한 면치 날의 절반은 경도가 높은 PCD 를 적용하였다.

    PCD-초경 복합 원형 톱날의 마모는 Fig. 9와 같 다. Fig. 9 (a)는 새 초경 사각 톱날로 앞 수직선은 연삭 자국이고 왼쪽 모서리 요철은 왼쪽이 방전가 공으로 만들어 표면이 거칠기 때문이다. Fig. 9 (b) 는 1차 285m 가공 후 초경 사각 톱날로 여유면에 플랭크 마모가 53μm 발생하였다. 2차 가공 후 추 가적인 마모는 작았다.

    이렇게 Fig 9 (b) PCD-초경 복합 원형 톱의 초경 사각 톱날은 Fig. 7 (b) 초경 원형 톱처럼 점진적인 마모가 발생하고 Fig. 8 (b) PCD 원형 톱과 달리 급격한 치핑은 발생하지 않았다.

    PCD-초형 복합 원형 톱의 면치 톱날은 초경과 PCD를 반씩 적용하였다. 톱날의 크기를 일치시키기 위해서 초경과 PCD 모두 방전가공으로 날을 만들 었다. 방전으로 만들어진 날의 표면이 거칠어서 면 치 톱날의 마모를 정확하게 측정하는 데 한계가 있 었다. 2차 1,1488m 가공 후 PCD-초경 복합 원형 톱 의 초경 면치 톱날은 Fig. 9 (c)와 같이 14μm 마모 되었다. 면치 톱날의 마모는 기존 초경 원형 톱 Fig. 7 (d)의 마모에 비해 감소하였다.

    복합 원형 톱의 PCD 면치 톱날 마모는 2차 가공 후 Fig. 9 (d)와 같이 표면거칠기에 비해 작아서 측 정하기 어려웠다. 이렇게 기존 PCD 원형 톱의 면치 톱날 Fig. 8 (d)에서 마모가 발생하지 않는 것처럼 PCD-초경 복합 원형 톱에서도 경도가 높은 PCD가 면치 톱날에 적합한 소재이다.

    3.5 공구 수명 비교

    Fig. 10은 절단 거리에 따른 세 가지 원형 톱의 공구 마모를 측정해 비교한 것이다. Fig. 10 (a)는 사각형 톱날의 가공 거리에 따른 마모 그래프이다. 평균 마모율은 톱날 5개를 측정해 최대 최소를 뺀 3날의 평균을 사용해 계산하였다. 초경 원형 톱은 한 날을 제외한 모든 날이 균일하고 점진적인 마모 를 보였고 659m 가공 후 평균 25μm마모 되었다. PCD 원형 톱의 마모로 사각 톱날 5개 중 3개에 130μm이상의 큰 치핑이 발생해 845m 가공 후 평 균 공구 마모는 111μm로 아주 커서 PCD는 깨지 기 쉬운 사각형 톱날에 부적합 합을 알 수 있다. PCD-초경 복합 원형 톱에서 초경을 사용한 사각 톱날은 초경 원형 톱과 마찬가지로 비교적 균일하 게 달아 1148m 가공 후 평균 35μm가 마모되었다. 사각 톱날의 마모율은 초경 38μm/km, PCD 131μ m/km, PCD-초경 복합의 초경 톱날 30μm/km로 초 경 소재가 적합하다. 이것은 사각형 톱날의 꼭짓점 이 충격에 약해 인성이 낮은 PCD를 적용할 경우 날이 깨지는 치핑이 발생했기 때문이다. 따라서 사 각형 톱날은 상대적으로 인성이 높은 초경을 사용 하는 것이 적합하다.

    Fig. 10 (b)는 면치 톱날의 가공 거리에 따른 마 모 그래프이다. 초경 원형 톱은 균일하고 점진적인 마모를 보여 659m 가공 후 평균 29μm마모 되었 다. PCD 원형 톱은 한 날을 제외하고 모든 날에서 마모가 발생하지 않아서 면치 톱날의 소재로 가장 적합함을 알 수 있다. PCD-초경 복합 원형 톱에서 1148m 가공 후 PCD를 사용한 면치 톱날의 마모는 평균 9μm로 거의 닳지 않았고 초경을 사용한 면 치 톱날은 모두 초경을 사용한 초경 원형 톱보다는 마모가 작아서 1148m 가공 후 평균 28μm 마모되 었다. 종합하면 면치 톱날의 마모율은 초경 원형 톱 44μm/km이고, PCD 원형 톱은 마모가 아주 작 아 0에 가깝고, PCD-초경 복합 원형 톱의 초경 톱 날은 24μm/km, PCD 톱날은 8μm/km로 PCD 소재 가 면치 톱날에 가장 적합하다. 초경 원형 톱의 면 치 톱날 절반을 PCD로 바꾸는 경우 PCD의 마모가 아주 작으면서 초경의 마모도 줄어듦을 확인하였 다.

    새로 개발한 PCD-초경 복합 원형 톱은 기존 초 경 원형 톱과 비교해 면치 톱날의 플랭크 마모가 감소하고, 기존 PCD 원형 톱과 달리 사각 톱날에 치핑이 발생하지 않아 전체적으로 공구 수명이 증 가하였다. 또한, 고가의 PCD를 1/4만 사용함으로 기존 PCD 톱날에 비해 경제적이다.

    초경 톱날은 연삭으로 제작해 날카롭지만 PCD와 복합 톱날은 방전가공으로 톱날 표면이 거칠어 마 모에 영향을 미쳤을 것으로 보인다[11]. 향후 초경을 연삭하고 PCD도 방전가공 후 연삭해 톱날의 모서 리가 날카롭고 여유면이 고울 경우 마모가 감소할 지 추가 연구가 필요하다. 또한 초경에 적합한 가 공조건에서 합판 절단만을 대상으로 실험한 결과임 으로 일반화하는 데 한계가 있다. 향후 실용화를 위해서 톱날 형상과 PCD-초경 비율을 변경하면서 다양한 가공조건에서 여러 가지 소재들을 절단하는 실험을 추가할 필요가 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 PCD-초경 복합 원형 톱을 개발하 고 기존 초경 원형 톱 및 PCD 원형 톱과 비교하였 다. 공구강 톱판에 날을 경납땜해 붙인 후 초경은 다이아몬드 연삭하고 PCD는 방전가공해 톱날을 제 작하였다.

    세 가지 원형 톱으로 같은 조건에서 합판을 절단 해 내마모성을 비교하였다. 기존 초경 원형 톱은 모든 톱날에 플랭크 마모가 균일하게 발생했고, 기 존 PCD 원형 톱은 높은 경도로 인해서 면치 톱날 의 마모는 없었지만 취성 때문에 사각 톱날의 꼭짓 점에 치핑이 발생하였다.

    새로 개발한 PCD-초경 복합 원형 톱에서는 절단 하는 면치 톱날의 절반을 경도가 높은 PCD로 바꾸 어 플랭크 마모가 감소하였고, 측면을 다듬질하는 사각 톱날은 인성이 높은 초경을 사용해 치핑이 발 생하지 않았다. 날의 형상에 따라 적합한 소재를 적용한 PCD-초경 복합 원형 톱날은 기존 단일 톱 날과 비교해 플랭크 마모가 감소하고 치핑이 발생 하지 않아 공구 수명이 증가하였으며 동시에 고가 의 PCD를 1/4만 사용함으로 경제성이 높다.

    후 기

    “이 논문은 2020년도 중소벤처기업부 생활혁신형 기술개발사업 연구비 지원에 의하여 연구되었음.”

    Figure

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    Basic form of PCD
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    WC insert
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    Brazing on stainless blade
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    WC grinding and PCD EDM
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    PCD-WC combination circular saw
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    Experimental equipment
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    Tungsten carbide tooth wear
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    PCD tooth wear
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    PCD-WC combination tooth wear
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    Cutting distance and tool wear

    Table

    Reference

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