KR100448249B1 - 자유곡면가공공구 - Google Patents

Abstract

축심 Z 주위의 회전에 의해 하단부가 접촉되어 피가공면을 가공시키는 자유곡면 가공공구(10)가 아래쪽에 구면가공부(13)를 갖는 구상공구(12)와, 구면의 중심 O를 통해 축심과 다른 회전축 a에서 구상공구를 지지하는 베어링(14)을 갖는다. 또한, 구상공구를 회전축주위로 자전수단(16)(예를 들어 터빈(turbine))을 구비하고 있다. 이것에 의해 공구의 축심(반경 0)의 위치에서 구면가공부가 피가공면에 접촉하는 경우에도, 구면가공부는 축심 Z와 다른 회전축 a축을 중심으로 회전하여 축심의 주변속도가 0이 되지 않으며, 범용성이 있는 3축 NC 가공장치를 이용하여 자유곡면을 효율적, 고정밀도, 고품질로 가공할 수 있다.

Description

자유곡면 가공공구

본 발명은 하단부에 구면가공부를 갖는 자유곡면을 가공하기 위한 자유곡면 가공공구에 관한 것이다.

도 1a는 종래의 자유곡면 가공공구로서, 도 1b는 이 가공공구에 의해 가공한 자유곡면을 모식(模式:본보기)적으로 나타내고 있다. 종래의 자유곡면 가공공구(1)는 예를 들어 볼노즈(ball nose) 연삭기(grinder) 또는 볼-엔드밀(ball-end mill)이고, 하단부(도 1a에서)에 구면상의 가공면(연삭기 또는절삭블레이드(cutting blade) 등)을 가지며, 축심 z를 중심으로 회전하도록 되어 있다. 자유곡면(2)은 예를 들어 압착용 금형, 비구면렌즈 등이고, 자유곡면 가공공구(1)를 그 축심 z를 중심으로 고속회전시키면서 그 하단부를 자유곡면(2)을 따라 이동시켜 자유곡면(2)을 가공(연삭 또는 절삭)한다. 이러한 가공을 반복하여 금형, 비구면렌즈 등의 자유표면을 가공공구(1)로 자유롭게 가공할 수 있다.

상술한 자유곡면 가공공구(1)는 그 축심 z를 중심으로 회전하기 때문에, 축심(반경 0)의 위치에서는 가공면의 주변속도가 0이 되므로, 3축(X-Y-Z)의 NC 가공장치를 이용하여도 축심(반경 0)의 위치가 사점(dead spot)이 되어 이러한 위치에서는 양호한 가공을 할 수 없다는 문제점이 있다. 이 때문에, 종래에는 자유곡면 가공공구(1)를 4∼5축을 갖는 다축(multi-axial) NC 가공장치로 설치하고, 자유곡면이 Z축에 수직이 되는 부분(예를 들어, A부분)을 가공할 때에는 가공공구(1)의 축심 z이 Z축에 대해 적당한 각도를 갖도록 프로그램(program)을 작성하고 있다. 그러나, 이러한 프로그램의 작성은 복잡하고 어려울 뿐만아니라 4축이상의 다축 NC 가공장치는 고가이므로 범용성이 적은 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 축심의 주변속도가 0이 되지 않아서 범용성이 있는 3축 NC 가공장치를 이용하여 자유곡면을 효율적, 고정밀도, 고품질로 가공할 수 있는 자유곡면 가공공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따르면, 축심주변의 회전에 의해 하단부를 접촉시켜 피가공면을가공하는 자유곡면 가공공구로서, 적어도 아래쪽에 구면가공부를 갖는 구상공구와, 그 구면의 중심을 통해 축심과 다른 회전축으로 구상공구를 지지하는 베어링을 갖는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구가 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 구상공구는 상기 베어링에 지지되어 그 회전축을 축심으로 하는 원통형 스트레이트(straight)부와, 그 스트레이트부의 아래쪽에 설치된 구면가공부로 이루어진다. 또한, 상기 구면가공부는 연삭기 또는 절삭 블레이드로 이루어진다. 연삭기는 그 결합재에 금속을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 구성에 따르면, 자유곡면 가공공구가 아래쪽에 구면가공부를 갖는 구상공구와, 이 구상공구를 축심과 다른 회전축으로 지지하는 베어링을 갖고 있기 때문에, 공구의 축심(반경 0)의 위치에서 구면가공부가 피가공구면에 접촉하는 경우에도 구면가공부는 축심 z와 다른 회전축 a을 중심으로 회전한다. 따라서, 축심의 주변속도가 0이 되지 않고, 범용성이 있는 3축 NC 가공장치를 이용하여 자유곡면을 효율적, 고정밀도, 고품질로 가공할 수 있다.

또한, 상기 구상공구를 회전축 주위로 자전시키는 회전수단을 갖는다. 이 구상공구의 자전수단은 터빈(turbine), 모터(motor), 기어열(gear train), 및 외부동력 전달수단(external power transmitting means) 중의 어느 하나, 또는 이것들의 조합으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 구성에 따라, 터빈, 모터, 기어열, 외부동력 전달수단 등의 자전수단에 의해 구상공구를 회전축 주위로 적극적으로 자전시킬 수 있고, 구면가공부에 의한가공속도를 정확하게 유지할 수 있다.

이 자유곡면 가공공구는 구상공구의 구면가공부를 수정하는 수정수단을 더 포함한다. 이 수정수단은 연삭기, 전해 또는 방전수단, 이런 복합수단으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 수정수단은 피가공재의 가공과 동시에 작동하는 것이 바람직하다. 이 구성에 따라 연삭기, 전해, 방전 등의 수정수단에 의해 바람직하게 피가공재의 가공과 동시에 구면가공부를 수정할 수 있고, 고정밀도, 고품질의 가공을 장시간 계속할 수 있다.

본 발명의 그 다른 목적 및 유리한 특징은 첨부도면을 참조한 이하 설명으로 명확해질 것이다.

도 1a는 종래의 자유곡면 가공공구를 나타낸 것이고,

도 1b는 종래의 자유곡면을 나타낸 것이며,

도 2는 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 1실시형태를 나타낸 도면이고,

도 3은 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 2실시형태도이며,

도 4는 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 3실시형태도이고,

도 5는 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 4실시형태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 공통하는 부분에는 동일한 부호를 붙여서 중복된 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 1실시형태를 나타낸 도면이다. 본 발명의 자유곡면 가공공구(10)는 축심 z 주위로의 회전에 의해 하단부가 접촉되어 피가공면(2, 도 1a 및 도 1b를 참조)을 가공하도록 되어 있다. 또한, 이상의 실시형태에서는 피가공면(2)이 자유곡면 가공공구(10)의 아래쪽에 위치되고, 자유곡면 가공공구(10)의 하단부에서 가공하는 경우에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이것에 대해 한정되지 않고, 자유곡면 가공공구(10)의 수평 또는 상향에 이용하여 그 수평단부 또는 상단부에서 가공하는 경우에도 이대로 적용할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자유곡면 가공공구(10)는 구상공구(12)와 베어링(14)를 갖고 있다. 구상공구(12)는 적어도 아래쪽에 구면가공부(13a)를 갖는다. 또한, 베어링(14)은 구면가공부(13a)의 구면중심부 O를 통해 또한 축심 z와 다른 회전축 a에서 구상공구(12)를 회전가능하게 지지하고 있다. 또한, 이 도면에서 (11)은 공구본체로, NC 가공장치의 헤드(head)(도시되지 않음)에 설치되고, 그 축심 z를 중심으로 회전구동되도록 되어 있다.

더욱, 도 2에 있어서, 구상공구(12)는 베어링(14)에 지지되어 그 회전축 a을 축심으로 하는 원통형 스트레이트부(13b)와, 스트레이트부(13b)의 아래쪽에 설치된 구면가공부(13a)로 이루어져 있다. 구면가공부(13a)의 구면중심 O으로부터의 반경 R은 공구본체(11)의 직경 D의 대략 1/2로 설정되어 있는 것이 좋고, 특히 금형의 캐비티(cavity) 등의 실제의 가공에서는 R≥L/2로 하는 것이 간섭을 방지하기 위해 바람직하다.

구면가공부(13a)는 연삭기 또는 절삭 블레이드로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 구면가공부(13a)가 연삭기인 경우에는 그 결합재에 금형을 포함하는 것이 바람직하다. 이 구성에 따라, 구면가공부(13a)에서 전해 드레싱(derssing) 가공을 수행할 수 있어 고정밀도, 고품질가공을 효율적으로 수행할 수 있다.

베어링(14)은 이 실시형태에서는 볼-베어링(ball-bearing)이고, 복수의 볼의 롤(roll)에 의해 구상공구(12)를 회전축 a를 중심으로 정밀하게 회전시키도록 되어 있다. 또한, 본 발명은 이러한 베어링에 한정되지 않고, 롤러 베어링(roller bearing)이나 저널 베어링(journal bearing)을 이용할 수 있다.

도 2에 있어서, 본 발명의 자유곡면 가공공구(10)는 구상공구(12)를 회전축 a의 주위로 자전시키는 자전수단(16)을 더 포함한다. 이 자전수단(16)은 이 실시형태에서 구상공구(12)에 설치되었던 반경 흐름 터빈(radial flow turbine)이고, 공구본체(11)의 중심홀(center hole)로부터 공급되는 절삭액(3)(cutting fluid)에 의해 반경 흐름 터빈(16)을 회전구동하도록 되어 있다. 반경 흐름 터빈(16)을 통과한 절삭액(3)은 베어링(14)의 간격(볼 사이)을 통과하여 구면가공부(13a)의 표면을 따라 공급된다.

또한, 본 발명의 자전수단(16)은 이러한 반경 흐름 터빈에 한정되는 것이 아니라, 다른 형태의 터빈, 모터, 기어열, 및 외부동력 전달수단, 또는 이러한 조합이어도 좋다.

본 발명의 자유곡면 가공공구(10)는 구상공구(12)의 구면가공(13a)을 수정하는 수정수단(20)을 더욱 포함한다. 이 수정수단(20)은 전극(21) 및 인가장치(22) (applying apparatus)로 이루어져 있다. 전극(21)은 구면가공부(13a)와 간격을 두고 떨어져 대향하는 구면상의 내면(21a)을 갖고, 이 사이에 전도성 액체(절삭액(3))을 흘리게 되어 있다. 또한, 인가장치(22)는 구면가공부(13a)와 전극(21)사이에 전압을 인가하도록 되어 있다. 또한, 도 2에 있어서의 인가장치(22)는 자유곡면 가공공구(10)의 회전에 지장이 발생하지 않도록 공구본체(11)의 내부를 통하여 구면가공부(13a)와 전극(21)에 전기적으로 접속하고, 절연부(24)로 절연되어 있다.

이 구성에 따라, 전도성 연삭기(13a)에 의해 피가공면을 연삭하면서 동시에전도성 연삭기(13a)의 표면을 전해 드레싱으로 수정할 수 있다. 또한, 본 발명의 수정수단(20)은 이러한 구성에 한정되는 것이 아니라 수정수단(20)을 연삭기 또는 전해 또는 방전수단, 또는 이러한 복합수단으로 해도 좋다.

도 3은 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 2실시형태도이다. 이 도면에 있어서, 자전수단(16)은 공구본체(11)와 동일한 축으로 회전하는 중심회전축(17), 중심회전축(17)의 하단과 구상공구(12)를 연결하는 구부러질 수 있는 플렉시블 조인트(flexible joint), 및 공구본체(11)와 중심회전축(17)사이에 설치된 기어열(gear train)로 이루어져 있다. 중심회전축(17)은 도시되지 않은 베어링에 의해 축심 z를 중심으로 회전가능하게 지지되어 있다. 플렉시블 조인트(18)는 예를 들어, 코일 스프링(coil spring)으로 이루어져서 자유롭게 구부러지지만, 회전토크(torque)를 구상공구(12)에 전달할 수 있도록 되어 있다. 기어열(19)은 예를 들어, 하모닉 드라이브(harmonic drive)이고, 공구본체(11)와 중심회전축(17)의 사이에 적당한 속도차를 발생시키도록 되어 있다. 이 구성에 따라, 공구본체(11)와 중심회전축(17)의 어느 하나를 회전구동하는 것에 의해 공구본체(11)을 그 축심 z를 중심으로 회전시키고, 동시에 구상공구(12)를 회전축 a을 중심으로 회전시킬 수 있다. 그 외의 구성은 도 2와 동일하다.

도 4는 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 3실시형태도이다. 도 4에 있어서, 구상공구(12)는 전체가 구상의 구면가공부(13)를 갖고 있고, 수평에 대해서 약간 (도 3에서는 약 15°) 경사진 회전축 a을 중심으로 자유회전 가능하게 지지되어 있다. 구면가공부(13)는 이 실시형태에서는 전도성 연삭기이다. 또한, 구상공구(12), 수정수단(20)은 절연부(24)에 의해 공구본체(11)로부터 절연되어 있다. 그 외의 구성은 도 2 내지 도 3과 동일하다.

이 구성에 따라, 전도성 연삭기(13)에 의해 피가공면을 연삭하면서 동시에 전도성 연삭기(13)의 표면을 전해 드레싱에 의해 수정할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 자유곡면 가공공구의 제 4실시형태도이다. 도 5에 있어서, 본 발명의 자유곡면 가공공구(10)는 구상공구(12)의 회전축을 회전구동하는 터빈(23)을 갖고 있고, 절삭액(3)에 의해 터빈(23)을 회전구동하고, 구상공구(12)를 자전시키도록 되어 있다. 그 외의 구성은 도 4와 동일하다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 자유곡면 가공공구(10)가 아래쪽에 구면가공부(13)를 갖는 구상공구(12)와, 그 구상공구(12)를 축심 z와 다른 회전축 a에서 지지하는 베어링(14)을 갖기 때문에, 공구의 축심(반경 0)의 위치에서 구면가공부(13)가 피가공면에 접촉하는 경우에도 구면가공부(13)는 축심 z와 다른 회전축 a를 중심으로 자전한다. 따라서, 축심의 주변속도가 0이 되지 않고, 범용성이 있는 3축 NC 가공장치를 이용하여, 자유곡면을 효율적, 고정밀도, 고품질로 가공할 수 있다.

또한, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 구상공구(12)를 회전축 a주위로 자전시키는 자전수단을 구비하는 것에 의해, 구상공구(12)를 회전축 a 주위에 적극적으로 자전시킬 수 있고, 구면가공부(13)에 의한 가공속도를 적당하게 유지시킬 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 구상공구(12)의 구면가공부(13)를 수정하는 수정수단(20)을 더 구비하는 것에 의해 바람직하게 피가공재의 가공과 동시에 구면가공부를 수정할 수 있고, 고정밀도, 고품질가공을 장시간 계속할 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 탈피하지 않는 범위에서 여러 변경이 가능함은 물론이다. 예를 들어, 상술한 실시형태에서는 구상공구의 구면중심 O를 통해 축심과 다른 회전축 a가 한 개인 경우만을 도시하였지만, 본 발명에서는 이러한 회전축을 다른 방향으로 2개 이상 설치하는 경우도 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 자유곡면 가공공구는 축심의 주변속도가 0이 되지 않아서 범용성이 있는 3축 NC 가공장치를 이용하여, 자유곡면을 효율적, 고정밀도, 고품질로 가공할 수 있는 등의 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 몇가지의 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명에 포함되는 권리범위는 이런 실시예에 한정되지 않는다. 반대로, 본 발명의 권리범위는 첨부된 청구의 범위에 포함된 모든 개량, 수정 및 균등물을 포함한다.

Claims (9)

1. 축심주위의 회전에 의해 하단부가 접촉되어 피가공면을 가공하는 자유곡면 가공공구에 있어서,

   아래쪽에 구면가공부를 갖는 구상공구와, 그 구면의 중심을 통해 축심과 다른 회전축에서 구상공구를 지지하는 베어링을 갖는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구상공구가 상기 베어링에 지지되고 그 회전축을 축심으로 하는 원통형 스트레이트부와, 그 스트레이트부의 아래쪽에 설치된 구면가공부로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
3. 제 1항에 있어서, 상기 구면가공부가 연삭기, 절삭 블레이드 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연삭기가 그 결합재에 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
5. 제 1항에 있어서, 상기 구상공구를 회전축주위로 자전시키는 자전수단을 갖는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
6. 제 5항에 있어서, 상기 구상공구의 자전수단은 터빈, 모터, 기어열, 외부동력 전달수단의 하나 또는 이것들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
7. 제 1항에 있어서, 구상공구의 구면가공부를 수정하는 수정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
8. 제 7항에 있어서, 상기 수정수단이 연삭기, 전해수단, 방전수단 중 어느 하나 또는 이러한 수단의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.
9. 제 7항에 있어서, 상기 수정수단은 피가공재의 가공과 동시에 작동하는 것을 특징으로 하는 자유곡면 가공공구.

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