KR100551204B1 - 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치에 관한 것으로, 가공시 발생하는 문제점을 최소화하여 내경 설계 요구치를 만족시킬 수 있는 정밀 내경 가공장치에 관한 것이다. 섬유강화 복합재료는 그 기지재료(matrix)의 강도가 약하고 인성이 높아 가공시 발생하는 작은 가공 열에도 기지재료인 플라스틱이 가공장비에 달라붙어 깨끗하고 정밀한 절삭면을 얻기가 매우 어렵다, 또한 섬유의 방향이 다양하게 이루어져 있어 가공시 섬유의 결 방향으로 쉽게 찢김이 발생하기 때문에 섬유강화 복합재료의 경우 가공장치에 대한 새로운 기술이 요구된다. 특히, 좁은 톱니 형태의 그루브 내경을 갖는 복합재료 이탈피는 관통자와의 정확한 조립 및 하중전달 때문에 이에 대한 정밀 내경 가공에 관한 기술의 필요성이 요구된다. 그러므로 본 발명에서는 섬유강화 복합재료의 가공 특성에 적합하도록 가공시 절삭유의 압력을 조절하여 발생하는 열을 식혀주고 가공칩 분말이 쉽게 배출되도록 하여 가공 열에 의한 기지재료가 가공툴 표면에 달라붙는 현상을 방지함으로써 정밀한 복합재료 가공 표면을 얻을 수 있는 정밀 내경 가공장치를 제공한다. 본 발명은 섬유강화 복합재료의 성형에 의한 그루브 치수정밀도의 한계를 극복하고 그 돌파구를 찾아낸 것으로 특히, 섬유강화 복합재료 이탈피의 성능 향상에 중요한 역할을 할 수 있는 기술이다. 또한 정밀한 내경 가공을 통하여 다른 부품과의 정밀 조립 및 집중 하중을 받는 섬유강화 복합재료 성형제품을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치{PRECISE INTERNAL MACHINING APPARATUS OF FIBER REINFORCED COMPOSITES SABOTS OBJECT}

도 1 내지 도 5는 본 발명에 의한 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치를 설명하기 위한 도면으로서,

도 1 및 도 2는 내경 가공장치의 서로 다른 예를 보인 종단면도.

도 3은 도 1의 종단면도.

도 4는 이탈피의 구성을 보인 횡단면도.

도 5는 도 4의 부분 확대도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 성형체 2 : 그루브 성형툴

2a : 그루브 성형날 2b : 절삭유 공급로

2c : 분출공 10 : 절삭유 공급수단

11 : 호스 12 : 아답터

13 : 베어링 14 : 실링

본 발명은 섬유강화 복합재료 성형체의 좁은 톱니형 그루브 내경을 정밀하게 가공할 수 있는 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치에 관한 것으로, 특히 복합재료 이탈피의 개발을 위하여 관통자와의 정확한 조립 및 하중전달 때문에 복합재료의 정밀 내경가공 기술이 필요하므로 복합재료의 특성에 적합한 정밀한 내경가공을 할 수 있게 되는 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치에 관한 것이다.

일반적으로 이탈피 재료는 최근까지 알루미늄을 주로 사용해 왔기 때문에 복합재료를 이탈피로 적용한 실례가 없었다. 그러나 이탈피재료의 경량화 추세와 이로 인한 성능향상을 목적으로 최근에는 섬유강화 복합재료 이탈피에 관한 연구가 관심사항으로 대두되고 있다. 종래에는 알루미늄재료를 주로 사용해 왔기 때문에 일반적으로 상용화된 금속 가공장비를 이용하여 가공할 수 있어서 원하는 가공 정밀치수의 획득에 문제가 없었으나, 섬유강화 복합재료인 경우 기지재료의 강도가 약하고 인성이 높아 가공시 발생하는 작은 열에도 기지재료인 플라스틱이 가공장비에 달라붙어 깨끗하고 정밀한 절삭면을 얻기가 매우 어렵다. 또한 섬유의 방향이 다양하게 이루어져 있어 가공시 섬유의 결 방향으로 쉽게 찢김이 발생하기 때문에 연마툴을 이용한 가공장치가 추천된다. 일반적으로 복합재료는 제품의 특성상 기계가공은 가능하면 도입하지 않는 것이 통례이며 불가피한 경우 치수 조정을 위하여 부분적으로 외경 가공이 이루어지고 있는 정도이다. 특히 이탈피와 같이 가늘고 긴 형상을 가진 섬유강화 복합재료의 경우는 일체형으로 그루브(groove)를 몰드(mold) 성형으로 제작한다 하여도 성형 후 냉각과정에서 뒤틀림 현상으로 인하여 치수의 변화는 피할 수 없고 따라서 진직도와 진원도 등을 충족시키기 어렵게 되며, 따라서 제 성능을 발휘할 수 없게 된다. 더구나 이탈피는 관통자와 체결되어야 하며, 이 경우 더욱 정밀한 치수가 요구되기 때문에 복합재료로 제조된 이탈피의 내경은 기계가공이 불가피한 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점 및 결함을 해소하기 위하여 창출한 것으로, 이탈피와 같은 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부에 그루브를 설계된 정밀치수로 가공할 수 있게 되는 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치는 그루브 형상을 갖는 섬유강화 복합재료 성형체(성형물, 구조물)의 내경을 그루브 성형툴에 의해 정밀 기계가공하여 제작하는 것으로서, 그루브 성형툴 내부 및 표면에 절삭유 공급로와 절삭유 공급공을 형성하여 가공면의 어느 부분에서나 일정한 압력으로 절삭유를 공급함으로써 가공시 발생되는 가공칩의 원활한 배출과 온도상승을 억제하도록 구성된다.

보다 구체적으로, 이탈피와 같은 섬유강화 복합재료 성형체를 가공위치에 지지하는 가공지그와, 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부보다 작은 직경과 긴 길이를 가지는 원관형으로 그루브 성형날이 외주면에 구비되는 형태로 형성되고, 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부에 삽입되어 회전하면서 상기 섬유강화 복 합재료 성형체의 내경부에 그루브를 성형하는 그루브 성형툴과, 상기 성형툴이 상기 성형체의 내경을 가공하도록 구동시키는 구동수단과, 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 그루브 성형부위에 절삭유를 공급하기 위한 절삭유 공급수단을 포함하여 구성된다.

이와 같은 내경 가공장치는 상기 섬유강화 복합재료 성형체를 고정시키고 그루브 성형툴만을 회전시키면서 가공할 수도 있으나, 상기 섬유강화 복합재료 성형체와 그루브 성형툴을 서로 반대방향으로 회전시키면서 가공작업을 행하는 것이 바람직하다.

즉, 상기한 내경 가공장치는 섬유강화 복합재료 성형체와 그루브 성형툴을 서로 반대방향으로 회전시키게 되면 그루브 성형툴의 그루브 성형날에 의해 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부에 그루브를 형성하게 된다.

이와 같은 본 발명은 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부에 좁은 톱니 형태의 그루브를 정밀하게 가공할 수 있는 장치를 제공한다. 특히 복합재료 이탈피의 개발을 위해서는 관통자와의 정확한 조립 및 하중 전달 때문에 이에 대한 복합재료의 정밀 내경 가공에 관한 기술의 필요성을 충족시킬 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면에 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 5는 본 발명에 의한 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 1 및 도 2에는 내경 가공장치의 서로 다른 예를 보인 종단면도가 각각 도시되고, 도 3에는 도 1의 종단면도가 도시되 어 있다.

먼저 도 1 및 도 3에 도시한 바와 같이, 이탈피와 같은 섬유강화 복합재료 성형체(1)를 가공위치에 지지하는 가공지그(3)와, 상기 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경부보다 작은 직경과 긴 길이를 가지는 원관형으로 그루브 성형날(2a)이 외주면에 구비되는 형태로 형성되고, 상기 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경부에 삽입되어 회전하면서 상기 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경부에 그루브를 성형하는 그루브 성형툴(2)과, 상기 그루브 성형툴(2)이 상기 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경부를 가공하도록 구동시키는 구동수단과, 상기 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 그루브 성형부위에 절삭유를 공급하기 위한 절삭유 공급수단(10)을 포함하여 구성된다.

상기 그루브 성형툴(2)의 그루브 성형날(2a)은 그루브 성형툴(2)의 외면에 다이아몬드 분말을 증착하여 형성할 수 있다.

상기 절삭유 공급수단(10)은 상기 그루브 성형툴(2)에 절삭유 공급로(2b)를 길이방향으로 형성함과 아울러 절삭유를 상기 그루브 성형날(2a) 외측으로 분출시키기 위한 다수개의 작은 분출공(2c)을 형성하여 피절삭물의 절삭부 어느 곳에서나 일정한 압력의 절삭유가 공급되어 분말 가공칩의 배출이 원활하게 하고, 상기 그루브 성형툴(2)의 공급구(2d)로 절삭유가 공급되는 호스(11)와, 이 호스(11)를 그루브 성형툴(2)에 연결하기 위한 아답터(12)를 결합한 구성으로 되어 있다.

상기 아답터(12)는 그루브 성형툴(2)의 회동이 가능하도록 베어링(13)과, 절삭유가 누출되지 않도록 실링(14)을 개재하여 결합된다.

도 1 및 도 3는 내경 가공장치로 가공하고자 하는 섬유강화 복합재료 성형체(1)로서 이탈피를 적용한 경우를 도시한 것이고, 도 2는 섬유강화 복합재료 성형체(1)로서 원통형인 성형체를 적용한 경우를 도시한 것으로, 여기에 적용된 내경 가공장치는 동일한 구성 및 원리로 적용된다.

그리고, 도 4는 이탈피의 구성을 보인 횡단면도이고, 도 5는 도 4의 부분 확대도로서 이에 도시한 바와 같이 이탈피와 같은 섬유강화 복합재료 성형체(1)는 주지된 바와 같이 내경부에 그루브(1a)가 형성되어 있다.

통상적으로 이탈피는 관통자의 외경에 3조각으로 분리 결합되어 관통자를 포신에서 가이드하고 동시에 관통자에 추진에너지를 전달하여 관통자가 포신을 벗어나 비행하게 한 후 관통자로부터 분리되며, 관통자의 구조적인 지지역할 및 포신에서의 압력 누출을 방지하는 역할을 수행하게 되며, 관통자와 이탈피는 그루브(1a)와 요철결합에 의해 연결되므로 그루브(1a)의 역할이 매우 중요하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 내경 가공장치를 이용하여 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 그루브(1a)를 가공함에 있어서는 가공장치에 그루브 성형툴(2)을 결합시키고, 도 4 및 도 5에 도시된 이탈피와 같은 섬유강화 복합재료 성형체(1)를 도 1과 같이 그루브 성형툴(2)의 외측으로 배치하여 가공지그(3)로 지지시킨 후, 섬유강화 복합재료 성형체(1)와 그루브 성형툴(2)을 서로 반대방향으로 회전시키면서 그루브 성형툴(2)을 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경부를 따라 회전시키면, 그루브 성형툴(2)은 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 축방향의 직각방향으로 마찰하면서 그루브 성형툴(2)의 그루브 성형날(2a)로 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경 부에 그루브(1a)를 가공하게 된다.

이와 같이 그루브(1a)를 가공함에 있어서 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경이 작고 길이가 긴 가공물인 경우에는 그루브 성형툴(2)의 중앙 또는 반대편까지 절삭유 공급이 원활하지 않아 연마된 분말 형태의 복합재료 가공칩이 그루브 성형툴(2)의 표면에 붙게 되므로 그루브 성형툴(2)의 기능을 저하시키고 피절삭물의 표면을 손상시킨다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 본 발명에 따라 다음과 같이 피절삭물의 가공부위에 절삭유를 공급하게 되는 것이다.

즉, 절삭유 공급수단(10)에 의해 그루브 성형툴(2)의 절삭유 공급로(2b)에 절삭유를 주입하게 되면 그루브 성형툴(2)의 외주면에 형성된 다수개의 작은 분출공(2c)을 통하여 배출되므로 절삭유가 절삭부 어느 곳에서나 일정한 압력으로 공급되어 분말 가공칩의 배출이 원활하게 되고, 그루브 성형날(2a)의 열을 냉각시키면서 그루브(1a)가 설계된 치수대로 정밀하게 가공된다.

상기 절삭유 공급수단(10)은 절삭유의 압력에 따라 가공칩의 배출 정도를 조절할 수 있으며, 길이가 긴 내경 가공물에 절삭유 공급을 원활하게 함으로써 섬유강화 복합재료의 내경을 정밀하게 가공할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치는 이탈피와 원통체 이외에 각종 섬유강화 복합재료 성형체(1)의 내경부 가공에 이용될 수 있다.

[실시예 1]

탄소섬유 강화 복합재료 이탈피의 내경가공에 있어서 그루브 성형툴(2)은 황 삭을 위한 일반 그라인더형과 그루브의 정밀 가공을 위한 이탈피의 최종 형상과 치수가 동일한 그루브 성형날 형으로 이루어지며, 가공의 진행정도에 따라 교체하면서 최종 그루브의 형상으로 가공을 마치게 된다.

이때 이탈피는 3조각 1세트로 이루어지는데 먼저 각 조각의 120°경면 및 외경을 기계가공과 연마로 치수를 맞춘 후, 3조각 1세트로 고정하여 동시에 내경가공에 투입한다.

탄소섬유 강화 복합재료 이탈피 그루브 형상의 내경 기계가공 순서는 다음과 같다.

먼저, 지름이 각각 다른 3개의 다이아몬드 분말로 코팅된 공구를 이용하여 3차에 걸쳐서 그루브의 내경치수로 가공하는 방법을 적용하였다. 이 가운데 1,2차에서 사용된 가공툴은 그루브가 형성되지 않은 원통형의 형상을 가지며 마지막 단계인 3차 가공에서는 최종 이탈피의 그루브와 동일한 크기와 형상을 가지는 가공툴을 사용하였다.

도 4는 가공 후의 탄소섬유 강화 복합재료 이탈피의 세 조각 중 1조각의 가공상태를 보여주는 그림으로서 양호한 가공상태를 보여준다.

섬유강화 복합재료 이탈피의 그루브는 매우 높은 집중 하중을 받는다. 복합재료 이탈피의 그루브를 기계가공하지 않고 성형된 상태의 경우는 그루브 내에 강도를 부여하는 섬유의 함량이 적고 수지가 다량 함유된 부분을 피할 수 없으며, 섬유의 배향이 불균일하게 분포되는 결점을 나타낸다. 그러나 본 발명에서 제시된 기계가공 방법을 이용하면 절삭유의 원활한 흐름이 가능하여 가공물의 온도상승을 제 거함으로써 섬유강화 복합재료의 내경가공 및 그루브의 가공이 원활하여 도 5와 같이 섬유의 함량이 충분하고 균일하게 분포된 그루브가 형성됨을 알 수 있다. 따라서, 내경의 기계가공으로 인한 복합재료가 기존 알루미늄에 비하여 우수한 그루브 전단강도 값을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

본 발명으로 탄소섬유 강화 복합재료 이탈피의 집중하중을 받는 그루브 부위를 기계가공을 통하여 금속재료의 전단강도 이상의 값을 보이는 복합재료 이탈피 부품을 개발할 수 있는 기술을 확보하게 되었다. 또한 타 부품과의 조립에 필요한 정밀한 내경 가공을 통하여 섬유강화 복합재료 성형체의 부품제작이 가능함을 보임으로써 그 응용 범위가 점차로 확대될 것으로 기대된다. 특히 톱니, 기어 및 나사형태의 섬유강화 복합재료 활용이 극히 제한되어 왔으나 본 발명을 통하여 이에 대한 제품의 구현이 가능하다. 따라서, 집중하중을 받는 경량 섬유강화 복합재료 구조물의 제품 적용에 활용함으로써 기대되는 효과가 크다 할 수 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 이탈피와 같은 섬유강화 복합재료 성형체를 가공위치에 지지하는 가공지그와, 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부보다 작은 직경과 긴 길이를 가지는 원관형으로 그루브 성형날이 외주면에 구비되는 형태로 형성되고, 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부에 삽입되어 회전하면서 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 내경부에 그루브를 성형하는 그루브 성형툴과, 상기 그루브 성형툴이 상기 성형테의 내경부에 그르부를 형성하도록 구성시키는 구동수단과, 상기 섬유강화 복합재료 성형체의 그루브 성형부위에 절삭유를 공급하기 위한 절삭유 공급수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 절삭유 공급수단은 상기 그루브 성형툴에 절삭유 공급로를 길이방향으로 형성함과 아울러 절삭유를 상기 그루브 성형날 외측으로 분출시키기 위한 분출공을 형성하고, 상기 그루브 성형툴의 일측부에 절삭유가 공급되는 호스와, 이 호스를 그루브 성형툴에 연결하기 위한 아답터를 결합하여 구성된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 아답터는 그루브 성형툴의 회동이 가능하도록 베어링과, 절삭유가 누출되지 않도록 실링을 개재하여 결합된 것을 특징으로 하는 섬유강화 복합재료 이탈피 성형체의 정밀 내경 가공장치.

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