KR100525670B1 - 다축공작기계 및 다축공작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 동시에 가공하는 다축 공작기계에 관한 것으로, 채터링(chattering), 요동 등의 증폭을 억제하여 가공 정밀도의 악화를 방지하기 위해, 구동 모터(4)에 연결된 구동 풀리(7)의 다수의 풀리 부분(7a, 7b, 7c)의 직경을 미세하게 변화시켜, 각 풀리 부분(7a, 7b, 7c)으로부터 구동 벨트(10)를 통해 각 가공 축(3a)의 피동 풀리(8)로 전달되는 회전속도를 불규칙하게 변화시킴으로써, 각 가공 축(3a)의 절삭날(9)이 접합부(s) 등의 불연속부를 통과하는 타이밍을 불규칙하게 한다.

Description

다축 공작기계 및 다축 공작방법{Multi-Spindle Machining Apparatus and Multi-Spindle Machining Method}

본 발명은, 예를 들어 자동차의 엔진에 사용되는 커넥팅 로드(connecting rod)와 같은 공작물의 내부 원통형 면을 가공하기 위한 다축(多軸) 공작기계 및 다축 공작방법에 관한 것이다.

종래, 예를 들어, 자동차 엔진에 사용되는 커넥팅 로드의 구멍의 내부 원통형 면을 가공할 때, 공통의 구동원으로 동시에 회전되는 다수의 가공 축의 각 절삭날에 의해 다수의 커넥팅 로드의 내부 원통형 면을 동시에 가공하는 타입의 다축 공작기계가 알려져 있다. 이러한 다축 공작기계에 의해, 다수의 커넥팅 로드에 대하여 동시에, 먼저, 거친 브로칭(broaching) 가공 또는 거친 보링(boring) 가공을 행하고, 다음에, 다듬질 보링(finish-boring) 가공을 행하고, 마지막으로, 정밀 다듬질(super-finishing) 가공과 같은 내경(內徑) 호닝(honing) 가공을 차례로 행한다.

그런데, 커넥팅 로드의 큰 단부는 캡(cap) 부분과 본체 부분으로 분할되어 있기 때문에, 도 6에서 보여지는 바와 같이, 캡 부분과 본체 부분 사이의 접합부(s, s)에 불연속부가 형성되어 있고, 또한, 큰 단부의 내부 원통형 면으로 열려 있는 오일 구멍(h)에 의해서도 불연속부가 형성된다. 상기한 바와 같이, 마지막으로 정밀 다듬질 호닝 가공을 커넥팅 로드에 불가피하게 행하는 이유는, 그러한 불연속부로 인하여, 다듬질 가공을 통해서는, 도 6(A)에서 보여지는 바와 같이, 큰 단부의 내부 가공면의 원하는 표면 조도(粗度) 및 원형도가 얻어질 수 없기 때문이다. 즉, 절삭날이 접합부(s, s)와 오일 구멍(h)을 통과할 때, 채터링(chattering) 또는 요동이 발생하기 쉽고, 다수의 커넥팅 로드가 같은 자세로 고정되어 동일 회전위상의 절삭날에 의해 가공될 때는, 다수의 절삭날이 거의 동시에 불연속부를 통과하기 때문에, 채터링 등이 증폭된다.

각각의 코낵팅 로드에 대한 절삭날의 회전위상을 변화시켜, 절삭날이 불연속부를 통과하는 타이밍을 서로 다르도록 조정한 때에도, 도 6(B)에 나타낸 바와 같이, 원주방향을 따라 물결 모양의 융기부가 주기적으로 발생되는 경향이 있어, 그다지 개선된 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 다축 공작기계에 의해 동시에 가공하는 경우, 정밀 다듬질 가공 없이도 원하는 표면 조도 및 원형도를 얻을 수 있게 하는 가공기술이 요망된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 가공면에 불연속부를 가지는 다수의 공작물을 동시에 소망의 가공 정밀도로 가공할 수 있는 개선된 공작기술을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 동시에 동일 형상으로 가공하기 위한 본 발명의 다축 공작기계는, 다수의 가공 축과, 공작물을 가공하기 위해 각 가공 축에 설치된 절삭수단과, 다수의 가공 축을 동시에 회전시키기 위한 구동원과, 각 가공 축의 회전위상을 불규칙하게 변화시키기 위해 구동원과 각 가공 축 사이에 제공된 위상 변화 수단을 포함한다.

즉, 각 가공 축의 절삭날이 불연속부를 통과하는 타이밍이 일정하면, 각 절삭날이 불연속부를 통과할 때 발생되는 채터링 등이 증폭되어, 가공면의 표면 조도 등이 악화된다. 공작물에 대한 절삭날의 회전위상을 변화시켜, 절삭날이 불연속부를 통과하는 타이밍을 바꿀 때라도, 작은 물결 모양의 융기부가 규칙적으로 반복되는 싸이클로 발생되므로, 이것은 채터링 등을 감소시키는 유효한 대책이 되지 못한다.

따라서, 절삭날이 불연속부를 통과하는 타이밍을 불규칙하게 하여 동일 싸이클의 반복을 방지할 수 있도록 각 가공 축의 회전속도를 불규칙하게 변화시키기 위한 위상 변화 수단이 구동원과 각 가공 축 사이에 제공되어 있다. 그리하여, 불연속부 통과 시점이 불규칙하게 되면, 채터링 등의 증폭이 억제될 수 있어, 표면 조도 등의 가공 정밀도가 향상될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 다축 공작기계는, 구동원에 연결되고 다수의 풀리 부분으로 이루어진 구동 풀리와, 각 가공 축에 각각 설치된 다수의 피동 풀리와, 구동원으로부터의 회전력을 각 가공 축에 전달하기 위해 구동 풀리의 풀리 부분들 각각과 다수의 피동 풀리 각각과의 사이에서 각각 연장하는 다수의 구동 벨트를 포함하고, 구동 풀리의 각 풀리 부분의 외경 또는 각 피동 풀리의 외경을 변화시켜 위상 변화 수단을 구성하도록 되어 있다. 즉, 구동 풀리의 다수의 풀리 부분의 외경을 서로 다르게 하거나, 또는 각 피동 풀리의 외경을 다르게 하면, 구동원으로부터의 회전력이 상이한 회전속도로 각 가공 축에 전달되어, 가공 축의 회전위상이 변화될 수 있다. 이 경우, 구동 풀리 또는 피동 풀리의 외경을 변화시키는 것만으로, 다른 구성부품을 바꾸지 않고도 가공 정밀도가 효과적으로 향상될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서는, 위상 변화 수단이, 구동 풀리와 피동 풀리를 이붙이 풀리(toothed pulley)로 하고, 구동 벨트를 타이밍 벨트로 하여 구성된다. 이 경우, 각 풀리와 각 구동 벨트에 대하여 톱니 수를 다르게 하여, 각 가공 축의 회전속도를 변화시키도록 한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 공통의 구동원에 의해 작동되는 다수의 가공 축에 각각 설치된 절삭수단에 의해, 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 동시에 동일 형상으로 가공하는 다축 공작방법으로서, 가공 축의 절삭수단에 의해 공작물의 내면을 가공하는 동안, 각 절삭수단이 불연속부를 통과하는 타이밍을 불규칙하게 하도록 각 가공 축의 회전위상을 불규칙하게 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축 공작방법이 제공된다. 이 방법을 적용함으로써, 채터링 등이 효과적으로 억제되어, 표면 조도 등과 같은 가공 정밀도가 향상될 수 있다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적들과 이점들이 첨부 도면과 함께 하기 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도 1∼도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 다축 공작기계(1)는, 자동차 엔진의 구성부품인 다수의 커넥팅 로드(connecting rod)(W)를 동시에 가공하는데 적합한 형태의 공작기계로서 구성되어 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 각각의 커넥팅 로드(W)는 큰 단부 쪽에 대직경 구멍(a)을 가지고 있고, 작은 단부 쪽에 소직경 구멍(c)을 가지고 있다. 또한, 큰 단부는 캡 부분(Wa)과 본체 부분(Wb)으로 분할되어 있어, 큰 단부의 내부 원통형 가공면에 접합부(s) 등의 불연속부가 형성되어 있다. 이 다축 공작기계(1)는, 축방향을 수직으로 하여 고정된 3개의 커넥팅 로드(W)에 대하여 동시에, 대직경 구멍(a)의 내부 원통형 면과 소직경 구멍(c)의 내부 원통형 면을 가공하도록 구성되어 있다.

즉, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 커넥팅 로드(W)의 위치결정부(2)에 대하여 좌우 측에 대칭으로 1쌍의 3축 가공 유닛(3, 3)이 설치되어, 한쪽의 가공 유닛(3)에 의해 대직경 구멍(a)을 가공하고, 반대쪽의 가공 유닛(3)에 의해 소직경 구멍(c)을 가공하도록 되어 있다. 좌우의 가공 유닛(3, 3) 각각을 구동시키기 위한 구동원으로서 1쌍의 구동 모터(4, 4)가 좌우 측에 설치되어 있다. 그리하여, 각 구동 모터(4)로부터의 회전 구동력이 각 가공 유닛(3)의 3개의 가공 축(3a, 3a, 3a)에 전달된다. 가공 유닛(3, 3)은 베이스(5)상에서 전후로 이동 가능한 좌우측 테이블(6, 6)에 각각 장착되어 있다.

다음에, 구동 모터(4, 4)의 회전력을 각 가공 유닛(3, 3)에 전달하는 수단에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. 구동 모터(4)의 출력축에는 구동 풀리(7)가 고정되어 있고, 이 구동 풀리(7)는 3개의 풀리 부분(7a, 7b, 7c)을 형성하도록 축방향을 따라 3개 부분으로 분할되어 있다. 또한, 각 가공 유닛(3)의 3개의 가공 축(3a, 3a, 3a) 각각의 기단부(基端部) 측에는 피동 풀리(8)가 고정되어 있고, 각 가공 축(3a)의 선단부 측에는 절삭날(9)이 설치되어 있다. 구동 풀리(7)의 각 풀리 부분(7a, 7b, 7c)과 각 피동 풀리(8, 8, 8) 사이에서 연장하도록 구동 벨트(10)가 설치되어, 각 풀리 부분과 각 피동 풀리를 연결하고 있다. 이들 구동 벨트(10) 중 2개의 구동 벨트에는, 도 3에서 보여지는 바와 같이, 텐션 로울러(11, 11)에 의해 장력이 가해질 수 있다.

세팅 시에는, 먼저, 텐션 로울러가 없는 가공 유닛(3)의 구동 벨트(10)를 기준으로 하여 구동 모터(4)의 위치조정을 행한 후, 다른 2개의 구동 벨트(10, 10)에 대해서는 텐션 로울러(11, 11)의 위치조정을 통해 그들 2개의 구동 벨트의 위치조정을 행한다.

구동 모터(4)의 구동 풀리(7)에 관하여, 소직경 구멍(c)을 가공하기 위해 도 1의 우측에 설치된 구동 풀리(7)의 풀리 부분(7a, 7b, 7c)은 모두 직경이 동일하게 형성되어 있으나, 대직경 구멍(a)을 가공하기 위해 도 1의 좌측에 설치된 구동 풀리(7)의 풀리 부분(7a, 7b, 7c)은 도 5와 같이 미세하게 서로 다른 직경으로 형성되어, 위상 변화 수단으로 기능하도록 되어 있다. 도 5의 중앙 수평 점선 위쪽의 상반부는 구동 풀리(7)의 단면을 나타내고, 하반부는 그 풀리의 외부 형상을 나타낸다. 따라서, 구동 모터(4)의 회전이 좌측의 가공 유닛(3)의 각 가공 축(3a)에 미세하게 상이한 회전으로 전달되어, 각 가공 축(3a)의 회전위상을 불규칙하게 변화시킨다. 한편, 도 5의 단면도로부터 보여지는 바와 같이, 구동 풀리(7)의 중간부분은 경량화를 위해 비어 있는 구조로 되어 있으나, 이것은 본 발명과는 직접적인 관계가 없다.

다음에, 이상과 같은 다축 공작기계의 작동에 대하여 설명한다. 3개의 커넥팅 로드(W)를 수직의 직립 자세로 위치결정부(2)에 고정시키고, 대직경 구멍(a)의 내부 원통형 면을 가공한다. 즉, 구동 모터(4)의 회전력에 의해 가공 유닛(3)의 가공 축(3a, 3a, 3a)을 회전시키면서, 테이블(6)의 이동에 따라 전진시켜, 각 절삭날(9)에 의해 대직경 구멍(a)의 내부 원통형 면을 동시에 가공한다. 이때, 위상 변화 수단의 기능에 의해 가공 축(3a, 3a, 3a)의 회전이 불규칙하게 서로 다르게 되어, 절삭날(9)이 불규칙한(랜덤한) 타이밍으로 접합부(s) 등의 불연속부를 통과함으로써, 공명 등의 증폭이 억제되어, 표면 조도(粗度), 원형도 등의 가공 정밀도가 향상된다. 상기한 가공방법으로 내부 원통형 면을 다듬질(finishing) 가공하는 것에 의해, 다듬질 가공의 적용만으로도, 원하는 표면 조도와 원형도가 얻어질 수 있다. 따라서, 종래의 가공방법에서는 다듬질 가공 후에 불가피하게 정밀 다듬질 호닝(honing) 가공을 행하였으나, 본 발명에서는 그러한 정밀 다듬질 호닝 가공이 생략될 수 있다. 대직경 구멍(a)을 가공한 후, 위에서 설명된 것과 실질적으로 같은 방법으로 소직경 구멍(c)의 내부 원통형 면의 가공을 행한다. 그 순서는 반대로 하여도 상관없다.

본 발명이 바람직한 실시형태로서 설명되었으나, 구동 풀리(7)의 풀리 부분(7a, 7b, 7c)이 3개의 독립된 풀리로 대체될 수도 있고, 구동 풀리(7)가 상기한 예 대신에 V자형 홈을 가지도록 형성될 수도 있으며, 또한, 구동 풀리(7)의 풀리 부분(7a, 7b, 7c)의 직경을 변화시키는 대신에, 피동 풀리(8)의 직경을 서로 다르게 변화시켜 위상 변화 수단을 구성할 수도 있다. 또한, 구동 풀리(7)와 피동 풀리(8)를 이붙이 풀리(toothed pulley)로 대체하고, 타이밍 벨트를 사용함으로써, 각 가공 축(3a)의 회전수를 변화시키는 것도 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 다축 공작기계는 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 동시에 가공하는데 적합하다. 구동원과 각 가공 축 사이에 각 가공 축의 회전위상을 불규칙하게 변화시키는 위상 변화 수단이 제공되어 있기 때문에, 절삭날이 불연속부를 통과하는 타이밍을 불규칙하게 할 수 있어, 채터링 또는 요동의 증폭을 억제하여 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 구동 풀리의 외경 또는 피동 풀리의 외경을 변화시켜 위상 변화 수단을 구성할 수 있기 때문에, 상당한 개조 없이 기존 설비가 용이하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다축 공작기계의 측면도.

도 2는 다축 공작기계의 평면도.

도 3은 도 1의 A-A선에 따른 단면도.

도 4는 다수의 커넥팅 로드를 가공할 때의 상태를 설명하는 사시도.

도 5는 위상 변화 수단으로서의 구동 풀리의 설명도.

도 6은 종래의 방법으로 가공된 면의 상태를 나타내는 설명도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 다축 공작기계 3: 가공 유닛

3a: 가공 축 4: 구동 모터

7: 구동 풀리 7a, 7b, 7c: 풀리 부분

8: 피동 풀리 9: 절삭날

10: 구동 벨트 W: 커넥팅 로드

Claims (4)

1. 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 동시에 동일 형상으로 가공하도록 된 다축 공작기계로서, 다수의 가공 축과, 공작물을 가공하기 위해 상기 다수의 가공 축 각각에 설치된 절삭수단과, 상기 다수의 가공 축을 동시에 회전시키기 위한 구동원을 포함하는 다축 공작기계에 있어서, 상기 다수의 가공 축 각각의 회전위상을 불규칙하게 변화시키기 위한 위상 변화 수단이 상기 다수의 가공 축 각각과 상기 구동원 사이에 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 다축 공작기계.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 다축 공작기계가, 상기 구동원에 연결되고 다수의 풀리 부분으로 이루어진 구동 풀리와, 상기 다수의 가공 축 각각에 설치된 다수의 피동 풀리, 및 상기 구동원으로부터의 회전력을 상기 다수의 가공 축 각각에 전달하기 위해 상기 구동 풀리의 상기 풀리 부분들 각각과 상기 다수의 피동 풀리 각각과의 사이에서 각각 연장하는 다수의 구동 벨트를 포함하고, 상기 위상 변화 수단은 다수의 풀리 부분으로 이루어진 상기 구동 풀리와 상기 다수의 피동 풀리로 이루어져 있고, 상기 구동 풀리의 상기 풀리 부분들 각각의 외경이, 상기 가공면의 불연속부를 가공할 때 발생하는 채터링(chattering)의 증폭을 억제하기 위해 미세하게 변경되어 있는 것을 특징으로 하는 다축 공작기계.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 다축 공작기계가, 상기 구동원에 연결되고 다수의 풀리 부분으로 이루어진 구동 풀리와, 상기 다수의 가공 축 각각에 설치된 다수의 피동 풀리, 및 상기 구동원으로부터의 회전력을 상기 다수의 가공 축 각각에 전달하기 위해 상기 구동 풀리의 상기 풀리 부분들 각각과 상기 다수의 피동 풀리 각각과의 사이에서 각각 연장하는 다수의 구동 벨트를 포함하고, 상기 구동 풀리의 상기 풀리 부분들 각각과 상기 다수의 피동 풀리 각각이 이붙이 풀리(toothed pulley)로서 형성되어 있고, 상기 구동 벨트가 타이밍 벨트로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다축 공작기계.
4. 공통의 구동원에 의해 작동되는 다수의 가공 축에 각각 설치된 절삭수단에 의해, 가공면에 불연속부가 형성된 다수의 공작물을 동시에 동일 형상으로 가공하는 다축 공작방법으로서, 상기 절삭수단 각각이 불연속부를 통과하는 타이밍을 불규칙하게 변화시키도록 상기 다수의 가공 축 각각의 회전위상을 불규칙하게 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축 공작방법.