KR100602493B1

KR100602493B1 - 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구 및 이를 이용한 가공장치

Info

Publication number: KR100602493B1
Application number: KR1020040016967A
Authority: KR
Inventors: 양동열; 김효찬; 이상호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2006-07-19
Also published as: KR20050091492A; US20050199607A1; US7303385B2; JP2005254443A

Abstract

본 발명은 가공장치에 장착되고 이 가공장치에 마련된 전원장치와 연결되어 연질재료를 고온으로 용융 가공하는 열 공구로서, 상기 연질재료와 접촉하며 상기 연질재료를 용융시키는 가공부와, 상기 연질재료와 비 접촉하며 상기 가공부에 의해 용융된 연질재료를 수집하여 열 분해시키는 가열부를 포함한다. 이 열 공구를 이용하면 연질재료의 가공면을 완벽하게 열 분해시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 가공 중에 잔존하는 용융재료로 인하여 연질재료의 형상이 변형되는 것을 방지할 수 있다.

Description

연질재료의 쾌속 가공용 열 공구 및 이를 이용한 가공장치{FOAM MATERIAL HEATING TOOL AND SHAPING APPARATUS USING THE SAME}

도 1은 종래 열 공구의 단면을 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명 열 공구의 한 실시예에 따른 사시도와 단면을 나타낸 것이며,

도 3은 도 2에 도시된 열 공구를 이용한 가공순서를 나타낸 것이고,

도 4는 도 2의 열 공구가 장착된 가공장치를 나타낸 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 열 공구 110 : 가공부

120 : 가열부 130 : 전극

140 : 저항코일 210 : 제1이송장치

220 : 제2이송장치 230 : 제3이송장치

240 : 바이스 250 : 제어장치

260 : 공작물 300 : 인덱싱 테이블

본 발명은 폼과 같은 연질재료를 가공하는 공구와 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공작물의 가공면을 신속하게 용융시키고 이를 다시 열 분해시켜 가공에 따른 폐 재료의 발생을 현저히 감소시킬 수 있는 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구 및 이를 이용한 가공장치에 관한 것이다.

폼과 같은 연질재료를 가공하는 방법은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 절삭공구를 이용하여 연질재료를 직접 깎아내어 가공하는 방법이고, 다른 하나는 열 공구를 이용하여 연질재료를 용융시켜 가공하는 방법이다.

전자의 절삭공구를 이용한 가공방법은 절삭과정에서 항상 칩이 발생된다. 이때 발생된 칩은 비산되어 가공장치의 주변에 흩어지기도 하지만 상당량은 절삭공구의 가공경로상에 적체되어 절삭공구의 이동을 방해한다. 따라서, 전자의 방법은 가공정밀도가 떨어지는 문제점이 있다. 미국특허 제6,234,725호는 이러한 문제점을 해소하기 위한 발명으로서, 절삭공구 자체에 공기를 흡입할 수 있는 구멍을 형성시켜 가공 도중 발생하는 칩을 공기와 함께 흡입할 수 있도록 하였다. 이 방식은 칩의 배출이 다소 용이하나 칩의 제거율이 높지 않아 작업환경의 개선을 크게 기대하기 어렵다. 또한, 칩 배출용 구멍에 의해 공작물의 표면에 결함이 발생할 수 있다.

후자의 열 공구를 이용한 방법은 연질재료를 용융시켜 가공하는 것이므로 전자와 달리 절삭 칩이 발생되지 않는다. 열 공구를 이용한 발명은 공개특허공보 제2003-4638호와 특허출원 제2003-47255호가 있다. 도 1은 종래의 열 공구를 도시 한 것이다.

종래 열 공구(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 매우 가는 열선(11)을 구비하고 있다. 이 열선(11)은 열 공구(10)에 전압이 인가되면 700℃이상의 고온으로 발열한다. 따라서, 가공을 위해 열선(11)을 연질재료에 근접시키면 열선(11)에서 방출되는 복사열에 의해 공작물의 표면이 용융된다. 이러한 가공방식은 열 공구(10)가 공작물과 직접 닿지 않아도 공작물을 가공할 수 있어 공작물과의 접촉마찰로 인한 절삭저항이 없다. 또한, 열선의 굵기가 가늘고 복사열이 미치는 범위가 매우 한정적이므로 전자의 방법보다 정밀한 가공을 수행할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 종래 열 공구는 열선이라는 매우 작은 표면적을 갖는 매개물을 통해 열에너지를 전달하므로 실질적으로 열 분해시킬 수 있는 유효 가공범위가 매우 좁고 가공시간이 길다. 때문에, 대면적을 가공하는 예비가공단계에서 이러한 열 공구를 사용하게 되면, 공작물의 국소분만이 열 분해되고 대부분은 용융상태로 존재하며 공작물 또는 열 공구에 고착되어 공작물의 표면조도와 열 공구의 가공 정밀도를 떨어뜨린다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 절삭 칩을 발생시키지 않으면서 공작물의 넓은 영역을 신속하게 가공할 수 있는 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 이와 같은 열 공구를 이용하여 입체형상의 가공할 수 있는 연질재료의 쾌속가공용 열 공구를 이용한 가공장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 한 실시예에 따르면 가공장치에 장착되고 이 가공장치에 마련된 전원장치와 연결되어 연질재료를 고온으로 용융 가공하는 열 공구로서, 상기 열 공구의 둘레에 돌출 형성되어 상기 연질재료와 접촉하며 상기 연질재료를 용융시키는 가공부와, 상기 가공부의 윗면에 형성되어 용융되는 연질재료를 저장하고 상기 가공부에 의해 용융되는 연질재료가 유입될 수 있도록 하향 경사면을 가지며 유입되는 연질재료를 가열하여 열 분해하는 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연질재료에 입체 형상을 가공하는 가공장치로서, 서로 직교하는 3개의 방향으로 각각 독립적으로 이동이 가능한 공구이송장치, 상기 연질재료가 고정 설치되고 적어도 한 축을 기준으로 회전되는 인덱싱 테이블, 및 상기 공구이송장치에 장착되는 열 공구를 포함하며, 상기 열 공구는 상기 연질재료와 접촉하여 용융시키는 가공부와, 상기 연질재료와 비 접촉하며 상기 가공부에 의해 용융된 연질재료를 수집하여 재가열하는 가열부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가공장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 열 공구의 한 실시예를 나타낸 것으로서, 도 2의 (가)는 열 공구의 사시도이고 도 2의 (나)는 열 공구의 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 열 공구(100)는 조금 변형된 봉형태로서, 반경방향으로 돌출된 가공부(110)와 이 가공부(110)의 내측에 위치한 가열부(120)로 나누어져 있다.

가공부(110)는 공작물과 접촉하여 공작물을 용융시키는 부분으로서 소정의 두께를 갖는 환형형태로 되어 있으며, 열 공구(100)의 길이방향으로 일정간격을 두고 배열되어 있다. 가공부(110)의 윗면에는 도 2의 (나)에서처럼 하향 경사진 가열부(120)가 형성되어 있는데, 이 가열부(120)는 가공부(110)에 의해 용융된 연질재료를 재차 가열하여 열 분해시키는 역할을 한다.

일반적으로 열 공구(100)의 발열온도는 400℃로 연질재료의 공작물을 용융시키고 열 분해시키기에 충분하다. 그러나, 실질적으로 열 공구와 공작물이 접촉하는 면적이 한정되어 있으므로 공작물에 전달되는 열량에도 한계가 있다. 때문에, 열 공구(100)가 한 번에 접촉면 전체를 용융시켜 바로 열 분해시키기에는 열량 및 시간이 부족하다. 이와 같이 부족한 열량을 높이기 위한 방책으로 열 공구(100)의 발열온도를 높이는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 복사열에 의해 공작물이 필요이상으로 가공될 수 있어 가공정밀도가 떨어진다. 때문에, 본 발명에서는 일단 가공부(110)에서 공작물을 용융시킨 뒤 가열부(120)에서 용융된 부분을 충분한 시간을 두고 재차 가열하여 완전히 열 분해시키는 방식을 취한 것이다.

한편, 열 공구(100)의 상부에는 외부전원과 연결되는 전극(130)이 설치되어 있으며, 내부에는 이 전극(130)과 연결된 저항코일(140)이 비치되어 있다. 따라서 열 공구(100)가 가공장치에 장착되어 전극(130)이 외부전원과 연결되면, 저항코일(140)이 발열하면서 열 공구(100)를 가열시킨다.

본 발명의 열 공구(100)에 의한 가공단계를 보다 자세히 설명하면 다음과 같 다.

먼저, 열 공구(100)가 공작물의 가공부위에 접촉한다. 그러면, 열 공구(100)의 열이 직접 공작물에 전달되어 열 공구(100)와 접촉된 공작물의 표면이 용융된다. 이때, 용융된 일부는 바로 열 분해되고 나머지는 열 공구(100)의 가공부(110) 윗면에 마련된 가열부(120)에 모아져 재차 가열된다. 가열부(120)에 모아진 용융물질은 열 공구(100)의 이송 중에도 계속 가열되어 결국은 열 분해된다. 따라서, 본 발명의 열 공구(100)를 이용하면 열 공구(100)와 접촉하는 공작물의 표면을 완전히 열 분해시킬 수 있어 지저분한 잔재가 남지 않는다.

한편, 도 2의 (나)의 단면도에서 쉽게 알 수 있지만 가열부(120)가 가공부(110)에 비해 저항코일(140)에 보다 가깝게 위치해 있다. 따라서, 가열부(120)의 온도가 가공부(110)에 비해 높아 용융된 공작물을 보다 쉽고 빠르게 열 분해시킬 수 있으며, 더 나아가 복사열을 방출하여 비 접촉형태로 공작물을 용융시킬 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 열 공구를 이용한 가공순서를 나타낸 것이고, 도 4는 도 2의 열 공구가 장착된 가공장치를 나타낸 것이다.

본 발명의 열 공구(100)는 위에서 설명한 바와 같이 접촉면 전체를 불필요한 잔재 없이 완전히 열 분해시킬 수 있다. 그러나, 보다 효율적인 가공을 수행하기 위해서는 도 3에 도시된 경로로 열 공구(100)를 이동시켜가며 공작물을 가공하는 것이 좋다. 즉, 열 공구(100)를 가공대상인 공작물(260)의 일 측면에 접하게 위치시키고, 공작물(260)의 면을 따라 열 공구(100)를 상하 이동시키며 가공한다. 그리 고 일 면(x-z 평면)의 가공이 끝나면 열 공구(100)를 가공 면에 수직한 방향(y축 방향)으로 이동시켜 다시 면 가공을 수행한다. 이와 같은 경로로 열 공구(100)를 이동시키면서 공작물(260)을 가공하면 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 항상 열 공구(100)의 가공부(110)가 공작물(260)에 접하여 이동하므로 열 에너지의 손실이 적다. 둘째, 가공속도가 빨라진다. 셋째, 용융물질을 열 공구(100)의 가열부(120)에 쉽게 모을 수 있다. 따라서, 열 공구(100)를 위에서 제안한 가공경로로 이동시키는 것이 공작물(260)을 신속하게 가공하는데 유리하다.

본 발명의 열 공구(100)가 장착되는 가공장치는 도 4에서처럼 각기 다른 3방향으로 이동되는 제1이송장치(210), 제2이송장치(220), 제3이송장치(230)와 공작물(260)이 고정 설치되는 인덱싱 테이블(300), 그리고 이들 장치의 동작을 제어하는 제어장치(250)로 구성되어 있다.

제1이송장치(210)에는 공작물(260)이 고정 설치되는 인덱싱 테이블(300)이 안착되어 있다. 제1이송장치(210)는 이 인덱싱 테이블(300)을 수평방향(x축 방향)으로 움직이는 역할을 한다. 제2이송장치(220)는 제1이송장치(210)와 소정 높이로 떨어진 곳에 설치되어 있다. 제2이송장치(220)는 제3이송장치(230)를 제1이송장치(210)의 이송방향과 직교하는 방향(y축 방향)으로 수평 이동시키는 역할을 한다. 제3이송장치(230)에는 바이스(240)가 설치되어 있다. 제3이송장치(230)는 제2이송장치(220)에 설치되어, 바이스(240)를 수직방향(Z축 방향)으로 이동시키는 역할을 한다.

바이스(240)에는 열 공구(100)가 결합되어 있다. 바이스(240)는 제2이송장치(220)와 제3이송장치(230)의 동작에 따라 제1이송장치(210)의 이송방향과 수평면에서 직교하는 방향으로 움직이거나 제1이송장치(210)를 향하여 하향 이동된다. 따라서, 바이스(240)에 장착된 열 공구(100)는 인덱싱 테이블(300)을 이동시키는 제1이송장치(210)에 의해 X축 방향의 이동영역을 확보 받게 되고, 제2이송장치(220)와 제3이송장치(230)에 의해 Y축과 Z축 방향의 이동영역을 확보 받게 되어, 인덱싱 테이블(300)에 고정된 공작물(260)을 중심으로 3차원의 가공영역을 갖는다. 이때, 각 이송장치(210, 220, 230)와 인덱싱 테이블(300)은 유선 혹은 무선으로 연결된 제어장치(250)에 의해 각각 정해진 경로로 움직이며 열 공구(100)가 공작물(260)을 가공할 수 있도록 도와준다. 이와 같은 가공장치를 이용하면 공작물(260)을 입체형상으로 가공할 수 있다.

본 발명은 공작물의 넓은 부위를 한번에 용융시킴과 아울러 열 분해시킨다. 따라서, 본 발명은 가공에 따른 폐물질의 배출이 없으며 보다 신속하게 가공을 수행할 수 있다.

이상에서 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

가공장치에 장착되고 이 가공장치에 마련된 전원장치와 연결되어 연질재료를 고온으로 용융 가공하는 열 공구(100)로서,

상기 열 공구(100)의 둘레에 돌출 형성되어 상기 연질재료와 접촉하며 상기 연질재료를 용융시키는 가공부(110)와,

상기 가공부(110)의 윗면에 형성되어 용융되는 연질재료를 저장하고 상기 가공부(110)에 의해 용융되는 연질재료가 유입될 수 있도록 하향 경사면을 가지며 유입되는 연질재료를 가열하여 열 분해하는 가열부(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구.
청구항 1에 있어서, 상기 가공부(110)는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구.
삭제
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 가공부(110)와 가열부(120)는 열 공구(100)의 길이방향으로 반복 배열되는 것을 특징으로 하는 연질재료의 쾌속 가공용 열 공구.
연질재료에 입체 형상을 가공하는 가공장치로서,

서로 직교하는 3개의 방향으로 각각 독립적으로 이동이 가능한 공구이송장치,

상기 연질재료가 고정 설치되고 적어도 한 축을 기준으로 회전되는 인덱싱 테이블, 및

상기 공구이송장치에 장착되는 열 공구를 포함하며,

상기 열 공구는 상기 연질재료와 접촉하여 용융시키는 가공부(110)와, 상기 연질재료와 비 접촉하며 상기 가공부(110)에 의해 용융된 연질재료를 수집하여 재가열하는 가열부(120)를 구비하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
청구항 5에 있어서, 상기 공구이송장치는

상기 열 공구의 가공부(110)가 상기 연질재료의 일 측면에 접한 상태로 수직 또는 수평으로 가공하며 점진적으로 상기 연질재료의 면을 가공하도록 상기 열 공구를 이동시키는 것을 특징으로 하는 가공장치.