KR100569844B1 - 비정질합금을 이용한 콜렛척 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벌크 비정질합금을 이용하여 고강도와 높은 탄성복원력을 가지는 콜렛척에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 물품이 고정되도록 확장, 수축되는 기능을 발휘하는 콜렛(1)에 있어서, 상기 콜렛(1)의 원주상에 3개 이상 다수로 절결홈(2)을 형성하여 넥킹핀(3)을 형성되도록 하되, 상기 콜렛(1)을 탄성복원력이 우수하고 사출성형이 가능한 벌크 비정질합금을 성형하여 확장과 수축을 원활하게 하며, 각 넥킹 핀(3)의 외주면 종축 방향으로 그루브(4, 4')를 형성하여 회전 중에 그루브를 통해 공기나 냉각제가 흐르면서 순환하여 냉각되도록 한 것에 관한 것이다.

콜렛, 절결홈, 넥킹핀, 그루브, 슬리이브

Description

비정질합금을 이용한 콜렛척{Collet chuck which uses amorphous alloy}

도 1 은 본 발명의 구성을 나타낸 사시도.

도 2 는 본 발명의 구성을 나타낸 반단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 콜렛 2 : 절결홈

3 : 넥킹핀 4, 4' : 그루브

본 발명은 벌크 비정질합금을 이용하여 고강도와 높은 탄성복원력을 가지는 콜렛척에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 탄성복원력이 우수한 벌크비정질 합금으로 콜렛을 금형사출하여 원주상에 3개 이상 다수로 할절된 넥킹핀을 형성하고 각 넥킹 핀의 하단 바깥 둘레면에는 환형요홈을 형성하여 확장과 수축을 원활하게 하며, 각 넥킹 핀의 외주면 종축 방향으로 그루브를 형성하여 회전 중에 그루브를 통해 공기나 냉각제가 흐르면서 순환하여 냉각되도록 한 것에 관한 것이다.

일반적으로 회전축이나 센서 등과 같은 봉상의 부품 가공을 위해 기계에 고정시키기 위해서는 콜렛척과 같은 공구홀더를 사용하게 된다. 이를 이용하는 기구 나 기계를 예로 들면, 그라인더, 드릴, 선반, 밀링머신, 와이어 커팅기, 방전가공기, 용접기, 치기공기구, 초음파진단기 탐촉자, 전기뇌관, 반도체 장비의 스핀장치, 필기구 또는 전자부품 제조 시 케이스 고정장치 등과 같이 다양한 분야에 사용되고 있다.

상기한 콜렛과 같은 공구홀더의 기능은 작업자가 콜렛을 확장시킨 상태에서 대상물의 축을 삽입시키면 공구홀더의 탄성복원력에 의해 공구홀더가 수축되어 축을 견고하게 파지하는 것이다. 공구홀더는 이들 기계에서 가공물이나 공구를 파지할 뿐 아니라 측정기구와 센서들을 파지하여 가공과 측정에서 대단히 중요한 역할을 하게 된다.

공구홀더의 복원력은 파지하는 그립력과 비례관계를 이루며, 그립력은 재료의 탄성계수와 강도의 복합적 개념이다.

종래 기술에서는 콜렛과 같은 공구홀더를 제조함에 있어 주로 공구강을 사용하였다. 예를 들면 SKD11종을 담금질-뜨임 열처리하여 HRC60 이상의 경도와 100kgf/㎟(0.98GPa) 이상의 인장강도가 있도록 하여 콜렛을 가공 제작하였다. 그러나 이렇게 제조된 콜렛은 열처리 중에 변형이 발생하여 연마로 수정을 해야 하며, 탄성변형률(Elastic limit)이 약 0.5% 이하로 적은 단점이 있었다.

따라서 탄성변형률이 적으면 대상물을 작은 힘으로 부드럽게 삽입하기 어렵고, 억지로 끼우다 보면 공구홀더에 큰 힘을 가하게 되어 변형이 발생하거나 편심된 채로 삽입되어 떨림이나 가공불량, 측정오류를 유발할 수 있다.

탄성변형률이 높은 재료로는 티타늄합금이 있는데 탄성변형량이 약 1% 이하 로서 철강의 2배에 해당한다. 티타늄합금은 적은 힘으로 탄성변형되면서 복원력이 우수한 성질 때문에 치아교정 와이어와 같이 큰 복원력을 요구하는 분야에 응용되고 있다. 그러나 티타늄합금은 우수한 내식성과 탄성복원력에도 불구하고 강도가 강에 비해 70% 정도로 낮아 콜렛척에 적용하는데 적합하지 못하다.

본 발명에서의 벌크 비정질재료들은 2%에 달하는 탄성변형률과 1~2GPa에 이르는 고강도로 이런 단점을 획기적으로 개선한다.

한편 비정질재료는 이미 1960년 P. Duwez 교수가 Au-Si 합금에서 비정질현상을 발견한 지 40년 이상의 역사를 가졌지만, 지금까지는 주로 자성재료나 골프헤드와 같은 특수한 용도에 적용되고 있다. 비정질재료의 특성에 대한 이해부족과 응용에 대한 경험부족 등으로 아직 그 적용분야가 적으며, 현재 지속적으로 비정질 재료를 이용한 제품의 개발을 활발히 진행하고 있는 실정이다.

예를 들면 아키히사 이노우에 등의 최근 미국 특허 제6,481,088호에서는 비정질합금을 이용한 골프헤드의 제조방법을, 미국특허 제6,427,753호에서는 비정질합금의 제조장치와 공정에 대해 소개하고 있다. 또한, 윌리엄 존슨 등은 미국특허 제6,010,580호에서는 텅스텐을 혼합한 비정질합금으로 제조하는 철갑탄을, 미국특허 제5,896,642호에서는 비정질합금을 프레스 성형하는 장치를, 미국특허 제5,711,363호와 제5,797,443호에서는 비정질합금의 다이캐스팅 주조공정을, 미국특허 제5,772,803호에서는 비틀림 하중을 받는 스프링에 대해 각각 소개하고 있다.

이와 같이 비정질현상이 나타나는 합금의 조성은 이미 오래 전부터 알려져 있지만 그것을 실제 산업상 적용하는 것은 아직도 연구 중인 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 공구홀더를 비정질합금으로 제조하여 탄성복원력을 향상시키고, 사출성형을 통한 제조로 상기한 종래의 공구홀더가 가지는 열처리 변형, 연마공정에 따른 비용증가 문제를 해결하며, 작업 능률과 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 콜렛의 외주면 종축 방향으로 그루브를 형성하여 회전 중에 그루브를 통해 공기나 냉각제가 흐르면서 자연순환하여 냉각되는 비정질합금을 이용한 콜렛척을 제공함에 있다.

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 콜렛을 예시한 사시도이고, 도 2 는 본 발명에 따른 콜렛을 예시한 반단면도로서, 도면 부호중 1은 콜렛이고, 2는 절결홈이며, 3은 넥킹핀이고, 4, 4'는 그루브, 5는 슬리이브이다.

도면에 도시된 바와 같이 물품이 고정되도록 확장, 수축되는 기능을 발휘하는 콜렛(1)에 있어서, 상기 콜렛(1)의 원주상에 3개 이상 다수로 절결홈(2)을 형성하여 넥킹핀(3)을 형성되도록 하되, 상기 콜렛(1)을 탄성복원력이 우수하고 사출성형이 가능한 벌크 비정질합금을 성형한다.

예를 들면, 미국특허 제5,288,344호의 Zr-Ti-Ni-Cu-Be합금, 미국특허 제5,740,854호의 Zr-Al-Ni-Cu합금, 미국특허 제6,481,088호의 Ln-Al-TM합금(Ln:란타니드, TM:전이원소), Mg-Ln-TM합금, Zr-Al-TM합금, Hf-Al-TM합금, Ti-Zr-TM합금과 Zr-Al-Co-Ni-Cu합금, Zr-Ti-Al-Ni-Cu합금, Zr-Ti-Nb-Co-Ni-Cu합금, Zr-Ti-Nb- Al-Ni-Cu합금, 그 외에 Zr-Ti-Nb-Ni-Cu-Be합금, Zr-Nb-Cu-Ni-Al합금들이 본 발명에서 이용될 벌크 비정질합금이다.

이들 벌크 비정질합금들은 대부분 10²K/s 이하의 냉각속도에서 비정질상이 50% 이상 생성되는 합금으로 인장강도가 1000MPa 이상되는 고강도이면서 탄성이 우수한 합금들이다.

이들 벌크 비정질합금은 결정입계가 존재하지 않거나 매우 미세한 결정입도를 가지고 있어 결정입계의 영향을 덜 받게 된다. 비정질합금은 본질적으로 원자 배열이 무질서하기 때문에 결정에서와 같은 슬립면이나 결정경계면이 없는 역학적으로 등방위체이고 또 가공경화되지 않는 완전탄소성체이다. 또한, 높은 강도와 경도를 갖고 인성 또한 높으며, 원자 사이에는 약한 금속결합만이 작용하고 있을 뿐이므로 외부응력에 의해 틈새를 메울 원자가 집단운동할 수 있어 소성변형이 가능하다.

즉, 융점 이하의 온도에서도 다이캐스팅과 같은 방법으로 성형하는 것이 가능하다. 인성과 강도가 높아 절삭가공하기는 어렵지만 900-1050℃ 정도의 저온에서 용액상태에 비교할 만한 유동성을 가지므로 다이캐스팅과 같은 방법으로 사출성형이 가능하다. 또한, 고경도이면서 응고수축량이 적어 추가적인 연마가 필요 없을 정도의 표면미려도와 정밀도를 가진다.

또한, 화학적 활성이 높으며 부동태막을 형성하기 쉬운 Zr이나 Ti, Cr, Ni 등의 금속이 함유되어 뛰어난 내식성을 나타낸다. 이것은 비정질합금의 등질성 과 화학적 활성 때문에 치밀한 산화피막이 급속하게 형성되기 때문이다. 이 부동태막의 형성으로 수소취성이 일어나기 어렵고 응력부식이나 입계부식을 방지하는 효과가 있다. 이 외에도 결정질에 비해 중성자 조사에 의해 손상을 일으키지 않으며 취성이 나타나지 않는 특징이 있다.

그리고 본 발명에서 제시하는 또 다른 특징은 각 넥킹 핀(3)의 내, 외주면 종축 방향으로 그루브(4, 4')를 형성하여 회전 중에 콜렛(1)과 슬리이브(5) 사이나 콜렛(1)과 콜렛에 고정되는 가공물의 축 사이에 형성된 그루브(4, 4')를 통해 공기나 냉각제가 흐르면서 자연순환하여 냉각되도록 한 것이다.

일반적인 종래의 공구홀더는 기계가공으로 제작을 하기 때문에 그루브가 없는 원주형의 형상으로 되어 있다(그루브 가공을 하기가 곤란하고, 제조비가 많이 상승됨).

그러나 본 발명에서는 내외주면 각각에 또는 모두에 그루브(4, 4')를 형성하여 공구의 열을 식혀줄 유체가 흐를 수 있도록 한다.

유체는 공구홀더가 수천~20,000/min rpm으로 회전하면서 그루브 내부는 자연히 압력이 낮아진다. 만일 주위에 냉각제나 공기가 존재한다면 유체는 이곳으로 흐르면서 자연스럽게 냉각한다. 종래 기술에서의 강재 가공에 의한 제조법과 달리 본 발명에서의 사출성형방법으로는 이런 형상 가공이 제조원가에 큰 영향을 미치지 않는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명은 공구홀더를 제조함에 있어 다이캐스팅과 같은 사출성형방법을 이용함으로써 제조공정을 단순화시키고 정밀도를 향상함과 동시에 표면미려도를 높일 수 있는 것이 장점이다.

뿐만 아니라 비정질재료로 공구홀더를 제작함으로써 탄성복원력을 높이고 부드럽게 장탈착이 되도록 하는 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 물품이 고정되도록 확장, 수축되는 기능을 발휘하는 콜렛(1)의 원주상에 3개 이상 다수로 절결홈(2)을 형성하여 넥킹핀(3)을 형성한 콜렛(1)에 있어서, 상기 넥킹 핀(3)의 내, 외주면 종축 방향으로 그루브(4, 4')를 형성하여 회전 중에 그루브를 통해 공기나 냉각제가 흐르면서 자연순환하여 냉각되도록 한 것을 특징으로 하는 비정질합금을 이용한 콜렛척.
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