KR100784801B1 - 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계용 고속주축에 장착되는 초소형 회전공구 클램핑 장치에 관한 것으로, 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링을 이용하여 클램핑 장치의 부품 수를 줄임으로써 외형상 소형화를 구현하고, 질량 불균형 요소를 최소화하여 고속회전시 높은 회전 정밀도를 갖는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치에 관한 것이다.

스핀들(10)의 선단에 툴(20)이 장착되고, 상기 스핀들(10) 선단부 일측 외형부에는 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링(30)이 삽입되어 내부의 툴(20)을 클램핑한다.

따라서, 본 발명은 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링을 적용하여 공구 클램핑 장치의 부품 수를 줄이고, 컴팩트한 구조를 이루어 소형화를 구현하고, 축 대칭의 클램핑 구조를 갖추어 회전 불균형 요소를 최소화함으로써 고속회전시 회전 정도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA), 스핀들, 툴, 펠티어 소자

Description

형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치{High precision micro rotating tool clamping device using shape memory alloy}

도 1은 종래의 공구 클램핑 장치를 나타낸 참고도.

도 2는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 슬롯의 다른 실시예.

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 제1실시예.

도 6은 상기 도 4와 도 5의 실험 결과표.

도 7은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 제2실시예.

도 8은 상기 도 7의 실험 결과표.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 스핀들 11 : 슬롯

20 : 툴 30 : 형상기억합금링

40 : 펠티어 소자 41 : 콜드블록

42 : 제1열전대 43 : 제2열전대

44 : 원추블록 45 : 스크류

50 : 공구생크 51 : 홀더

52 : 회전 스테이지 55 : 로드셀

본 발명은 공작기계용 고속주축에 장착되는 초소형 회전공구 클램핑 장치에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링을 이용하여 클램핑 장치의 부품 수를 줄임으로써 외형상 소형화를 구현하고, 질량 불균형 요소를 최소화하여 고속회전시 높은 회전 정밀도를 갖는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치에 관한 것이다.

최근 IT, BT, RT의 신산업 분야는 소형화, 지능화, 복합화를 지향하는 기술추세에 있다. 따라서 단위 체적당 구성부품의 수가 늘어나게 되고, 소형부품의 필요성과 수요는 점점 증가할 것으로 예상되며, 이를 토대로 가공물 크기가 줄어든 만큼 가공 시스템의 크기를 축소하여 에너지 절감, 시설 및 관리비 경감 그리고 환경오염을 줄이는 등의 생산성 향상 효과를 얻고자 하는 연구가 진행 중에 있다.

공작기계 소형화를 구현하기 위해서는 부품의 크기 축소와 함께 구성부품의 수를 가능한 줄이는 방법이 효과적이며, 특히 주축에 드릴, 엔드밀 같은 공구를 장착하는 부분에 대해 기존 메커니즘은 도 1(a)와 같이 아버나 콜릿에 공구를 삽입하 고 조(jaw)를 이용하거나, 테이퍼 면에 도 1(b)와 같이 유압이나 도 1(c)와 같이 나사 체결력을 가하여 클램핑력을 발생시키는 방식이 주류를 이루고 있다.

그러나, 상기와 같은 방식은 아버나 콜릿과 같은 매개체가 필요하고, 클램핑력을 얻기 위해 별도의 유압장치나 기구 메커니즘이 필요하기 때문에 복잡한 구조를 이루고 있어 소형화하는데 적지 않은 어려움이 있다. 또한 회전 정밀도 면에 있어서도 테이퍼 면의 가공 정밀도는 공구 클램핑력 뿐만 아니라 회전 정도에 직접적인 영향을 미치게 되는데, 이 부분이 소형화될수록 상대적으로 테이퍼면 접축률이 낮아지고 가공상 어려움이 발생하게 된다. 상기 유압방식도 유로의 배치나 가압볼트의 위치가 축대칭을 이루지 못하여 질량 불균형 요소가 되기 때문에 고속회전시 회전 정도를 저해시키는 원인이 된다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링을 적용하여 공구 클램핑 장치의 부품 수를 줄이고, 컴팩트한 구조를 이루어 소형화를 구현하고, 회전 중심축과 대칭구조를 갖춤으로써 회전 불균형 요소를 최소화할 수 있게 되어 고속회전시 회전 정도를 향상시킬 수 있는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치를 제공하는데 목적이 있다.

목적을 달성하기 위한 구성으로는,

스핀들의 선단에 툴이 장착되고, 상기 스핀들 선단부 일측 외형부에는 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링이 삽입되어 내부의 툴을 클램핑한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 형상기억합금링은 스핀들 선단의 외경과 형상기억합금링 내경 사이에 특정크기만큼 간섭을 주어 결합하되, 상기 형상기억합금링이 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각되었을 때에는 스핀들 선단 직경이 원래 크기로 유지되어 툴을 언클램핑하고, 상기 형상기억합금링이 오스테나이트 변태온도 이상으로 가열되면 형상복원 작용에 의해 스핀들 선단 직경을 축소시켜 삽입된 툴을 클램핑한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 형상기억합금링을 스핀들 선단에 끼우기 위해 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각시킨 상태에서 내경을 확대시키는 기구로서, 펠티어 소자 일측면에 수평으로 구비되어 열전도율이 양호한 콜드블록 일면에 형상기억합금링을 탑재시켜 상기 콜드블록에 의해 냉각된 상태의 형상기억합금링 내경에 원추블록을 끼워 축방향으로 이동시켜 형상기억합금링의 내경을 확대시킨다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 형상기억합금링의 마르텐사이트 변태시작 온도점은 가공시 존재할 수 있는 절삭유에 의한 냉각온도보다 낮고, 오스테나이트 변태종료 온도점은 공작기계 작동시 주변온도보다 낮은 온도특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 스핀들의 수직 일측면에는 반경방향 탄성변형을 용이하게 하는 슬롯이 주축의 고속회전시 질량 불균형에 의한 진동유발과 원심력에 의한 변형을 최소화하는 일정각도로 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 스핀들 선단부 일측 외형부에 끼워지는 형상기억합금링은 툴의 클램핑 또는 언클랭핑 작동을 위한 온도변화 장치로서, 냉각 스프레이와 소형 온풍기로써 손쉽게 구현 가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 슬롯의 다른 실시예이고, 도 4와 도 5는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 제1실시예이고, 도 6은 상기 도 4와 도 5의 실험 결과표이고, 도 7은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 제2실시예이고, 도 8은 상기 도 7의 실험 결과표이다.

이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 사시도로써, 스핀들(10) 선단부에는 툴(20) 삽입용 홀이 가공되어 툴(20)이 장착되고, 스핀들(10)의 수직 일측면에는 반경방향 탄성변형을 용이하게 하기 위한 슬롯(11)이 주축의 고속회전시 질량 불균형에 의한 진동유발과 원심력에 의한 변형이 최소화되도록 120° 간격으로 형성되고, 상기 스핀들(10) 선단부 일측 외형부에는 온도에 따른 형상복원 특성을 갖는 원형상의 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링(30)을 삽입하여 내부의 툴(20)을 클램핑 또는 언클램핑하는 구성이다.

상기 형상기억합금은 특정온도에 도달했을 때 변형 전 형태로 되돌아 갈 수 있는 금속으로, 상기 특성을 형상기억효과(Shape Memory Effect; SME)라 하며, 상기 형상기억효과는 온도에 따른 마르텐사이트 변태에 의해 발생한다.

상기 형상기억합금링(30)은 마르텐사이트 변태시작 온도점이 가공시 존재할 수 있는 절삭유에 의한 냉각온도보다 낮은 온도특성을 가져 가공시 클램핑력이 떨어지지 않게 하고, 오스테나이트 변태종료 온도점이 공작기계 작동시 주변온도보다 낮은 온도특성을 가져 클램핑된 상태를 유지하게 된다. 상기 형상기억합금링(30)의 조성비는 Ni과 Ti의 합금이고, 마르텐사이트 변태 시작온도는 3℃이고, 오스테나이트 변태 종료온도는 25℃로서 오스테나이트 변태 종료온도 이상에서 원래 형상으로 회복되어 82GPa의 탄성계수를 지니게 된다.

상기 형상기억합금링(30)은 스핀들(10) 선단의 외경과 형상기억합금링(30) 내경 사이에 특정크기만큼 간섭을 주어 결합하되, 상기 형상기억합금링(30)이 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각되었을 때에는 스핀들(10) 선단 직경이 원래 크기로 유지되어 툴(20)을 언클램핑하고, 상기 형상기억합금링(30)이 오스테나이트 변태온도 이상으로 되면 형상복원 작용에 의해 스핀들(10) 선단 직경을 축소시켜 삽입된 툴(20)을 클램핑한다.

상기 형상기억합금링(30)을 스핀들(10)에 대칭 형상을 갖는 링 구조로 제작함으로써 상기 스핀들(10) 회전시 질량 불균형에 의한 진동유발을 최소화시킬 수 있으며, 상기 스핀들(10) 선단부에 형성되는 슬롯(11) 역시 스핀들(10) 중심에 대칭되게 구성하여 스핀들(10) 회전시 질량 불균형에 의한 진동유발을 최소화시킬 수 있다.

도 3은 상기 슬롯(11)의 다른 실시예로써, 도 2와 같이 스핀들(10)의 끝단부에서 수직으로 형성시킬 수 있으며, 도 3과 같이 스핀들(10)의 끝단부가 아닌 선단부 일측면에 수직으로 일정간격으로 형성시킬 수 있다.

또한, 상기 스핀들(10)에 장착되는 형상기억합금링(30)은 사용하고자 하는 공작기계의 특성에 따라 한 개 또는 한 개 이상을 슬롯(11)이 형성되는 스핀들(10)에 장착하여 사용할 수 있다.

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 제1실시예로써, 상기 형상기억합금링(30)을 스핀들(10) 선단에 끼우기 위해 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각시킨 상태에서의 내경 확대는 도 4와 같이, 펠티어 소자(40) 일측면에 수평으로 구비되어 열전도율이 양호한 콜드블록(41) 일면에 형상기억합금링(30)을 탑재시킨 상태에서 도 5와 같이, 상기 콜드블록(41)에 의해 냉각된 상태의 형상기억합금링(30) 내경에 테이퍼 형상을 갖는 원추블록(44)을 끼우고, 하부에는 스크류(45)를 결합시킨 상태에서 축방향으로 회전시키게 되면 상기 원추블록(44)이 아래방향으로 이동됨에 따른 테이퍼 면접촉에 의해 형상기업합금링(30)의 내경이 확대되며, 내경 Φ8.98mm, 외경 Φ12.84mm 및 두께 Φ2mm의 원형치수를 갖는 형상기억합금링(30)을 이용한 실험결과는 하기의 표 1과 같다.

Expansion test results of SMA ring

temperature(load)	low temp. (expansion)		normal temp. (release)
count	external(dia)	inside(dia)	external(dia)	inside(dia)
the beginning	-	-	12.84 mm	8.98 mm
1st	13.26 mm	9.16 mm	12.84 mm	9.03 mm
2nd	13.25 mm	9.15 mm	12.82 mm	9.03 mm
3rd	13.35 mm	9.30 mm	13.12 mm	9.05 mm
4th	13.45 mm	9.30 mm	13.12 mm	9.03 mm

상기와 같이, 저온상태에 소성변형된 형상기억합금링(30)의 내경이 원추블록(44)의 축방향 이동량에 따라 각각 0.15mm, 0.30mm 정도 확대된 후 다시 상온 무부하 상태로 놓으면 내경이 약 Φ9.03mm 정도로 회복됨을 알 수 있으며, 이 결과를 토대로 주축선단 형상기억합금링(30)이 장착될 부분의 외경을 Φ9.25mm 정도로 설계할 수 있다.

상기 콜드블록(41)은 열전달이 비교적 잘 되는 알루미늄과 황동계열 재료를 사용하고, 상기 펠티어 소자(40)를 구동했을 때 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각이 가능한지 확인하기 위해 형상기억합금링(30)이 설치되는 콜드블록(41) 상부면에는 제1열전대(42)와, 콜드블록(41) 하부면에 제2열전대(43)를 구비하여 온도변화를 측정한다.

상기 펠티어 소자(40)의 크기는 40×40mm이고, 최대 heat pumping capacity는 52.9W이며, 형상기억합금링(30)의 특성상 1℃ 이하 오차를 갖는 정밀한 온도제어는 필요치 않을 것으로 판단되어 상기 펠티어 소자(40) 구동에 별도의 피드백 제어 시스템은 구성하지 않고 직류전원만 인가하였다.

도 6은 상기 도 4와 도 5의 실험 결과에 대한 온도변화를 그래프로 나타낸 것으로써, 상온 약 23℃에서 펠티어 소자(40)를 구동한지 약 6분이 경과한 후에 영하로 떨어졌으며, 거의 평형상태를 이룬 18분이 경과한 후에 펠티어 소자(40)의 작동을 멈추었을 때 다시 상온으로 온도가 상승함을 알 수 있으며, 결과적으로 이 장치로 형상기억합금링(30)을 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각시키는 데는 문제가 없지만, 냉각시 형상기억합금링(30) 부근과 콜드블록(41) 하부면의 온도차가 약 3℃정도 보이는데, 그 이유는 두 부분의 대기 접촉면적 차이며, 따라서 콜드블록(41)의 대기 접촉면을 가급적 줄이고, 대기와의 접촉면에 단열재를 보강하면 형상기억합금링(30)의 냉각 응답성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 스핀들(10) 선단부에 끼워지는 형상기억합금링(30)이 온도변화에 의해 형상복원 현상이 발생되면, 상기 스핀들(10) 선단부의 슬롯(11)이 가공된 부분이 축 중심 쪽으로 조여지는 탄성변형을 일으키게 되며, 따라서 온도가 오스테나이트 변태 종료온도에 가까워질수록 상기 형상기억합금링(30)의 탄성력은 증가되어 스핀들(10) 선단부에 삽입되어 있는 툴(20)에 대한 가압이 커지게 되어 툴(20)의 클램핑력은 증가되며, 반대로 온도가 마르텐사이트 변태 시작온도 이하로 냉각되면 상기 형상기억합금링(30)의 탄성력은 거의 없어지고 스핀들(10) 선단부는 원형으로 회복되어 툴(20)의 클램핑력은 거의 없어져 상기 툴(20)을 손쉽게 빼낼 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치의 제2실시예로써, 홀더(51)를 공구생크(50) 상단부에 단단히 고정시키고, 링크구조로 로드셀(55)과 연결한다. 상기 로드셀(55)의 다른 쪽은 외부장치(미도시)에 고정되고, 형상기억합금링(30)에 의해 고정되는 툴(20)이 장착된 스핀들(10)을 회전 스테이지(52) 상에 설치한다. 상기 회전 스테이지(52)가 회전됨으로써 공구 클램핑 장치와 툴(20) 사이에 비틀림 작용이 일어나는데, 이때 로드셀(55)에 감지되는 인장력을 통해 비틀림 토크를 구하고, 이 토크를 생크부 반경으로 나눔으로써 공구생크(50) 원주면에서의 클램핑력을 예측할 수 있다.

도 8은 상기 도 7의 실험 결과표로써, 회전 스테이지(52)가 회전하는 동안 로드셀(55) 측정신호로 유추한 클램핑력의 변화곡선이다. 부하가 걸린 이후 급상승 하다 약 100N 부근에서 거의 일정해지는데, 이것은 100N 부근에 도달한 이후 툴(20)과 공구 클램핑 장치 사이에 슬라이딩이 일어나기 때문이다. 슬라이딩이 일어나는 도중에 냉각 스프레이를 이용하여 형상기억합금링(30)을 급속 냉각시켰을 때 클램핑력이 거의 제로로 떨어짐으로써 언클램핑 작동을 확인할 수 있으며, 실험결과를 토대로 슬라이딩이 일어나기 전의 100N이 본 발명의 형상기억합금링(30) 공구 클램핑 장치의 최대 클램핑력임을 고찰할 수 있다. 최대 클램핑력은 형상기억합금링(30)의 내경 크기와 스핀들(10) 선단부 외경 크기 사이의 간섭크기와 슬롯(11)의 형상 그리고 형상기억합금링(30)의 사용 개수에 따라 향상시킬 수 있다.

상기와 같이, 스핀들(10) 선단부 일측 외형부에 끼워지는 형상기억합금링(30)은 툴(20)의 클램핑 또는 언클랭핑 작동을 위한 온도변화 장치로서, 냉각 스프레이 또는 소형 온풍기를 이용하게 되면 손쉽게 구현이 가능하다.

따라서, 본 발명은 공구 클램핑 장치를 형상기억합금링(30)을 적용하여 보다 컴팩트한 구조를 이루어 소형화를 구현함에 있어서, 상기와 같은 실험을 통해 원형상의 형상기억합금링(30)을 적용하여 공구체결부분의 원주방향으로 균일한 클램핑력과 함께 질량 불균형을 줄이고, 펠티어 소자(40)를 적용하여 형상기억합금링(30)의 상변화를 구현하기 위한 온도제어에 충분한 성능과 구조를 지닌다.

또한, 주축 체결을 위해 형상기억합금링(30)을 확대시킬 기구를 제작하여 확대 실험 결과 저온상태에서 최대 0.3mm 만큼 내경이 커지게 소성 변형시킬 수 있으며, 다시 상온에서 원형으로 복원되는 결과를 확인할 수 있으며, 상기 결과를 토대로 공구가 체결될 주축 선단부를 설계 제작하여 형상기억합금링(30)에 의한 공구 클램핑력을 평가한 결과 100N을 얻을 수 있었으며, 냉각 스프레이를 이용하여 형상기억합금링(30)을 부분적으로 급속 냉각시켰을 때 언클램핑 작동을 구현할 수 있었다.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링을 적용하여 공구 클램핑 장치의 부품 수를 줄이고, 컴팩트한 구조를 이루어 소형화를 구현하고, 축 대칭의 클램핑 구조를 갖추어 회전 불균형 요소를 최소화함으로써 고속회전시 회전 정도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 공구 클램핑 장치에 있어서,

   스핀들(10)의 선단에 툴(20)이 장착되고, 상기 스핀들(10) 선단부 일측 외형부에는 형상기억합금(Shape Memory Alloy; SMA)링(30)이 삽입되어 내부의 툴(20)을 클램핑하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 형상기억합금링(30)은 스핀들(10) 선단의 외경과 형상기억합금링(30) 내경 사이에 특정크기만큼 간섭을 주어 결합하되, 상기 형상기억합금링(30)이 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각되었을 때에는 스핀들(10) 선단 직경이 원래 크기로 유지되어 툴(20)을 언클램핑하고, 상기 형상기억합금링(30)이 오스테나이트 변태온도 이상으로 가열되면 형상복원 작용에 의해 스핀들(10) 선단 직경을 축소시켜 삽입된 툴(20)을 클램핑하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 형상기억합금링(30)을 스핀들(10) 선단에 끼우기 위해 마르텐사이트 변태온도 이하로 냉각시킨 상태에서 내경을 확대시키는 기구로서, 펠티어 소자(40) 일측면에 수평으로 구비되어 열전도율이 양호한 콜드블록(41) 일면에 형상기억합금 링(30)을 탑재시켜 상기 콜드블록(41)에 의해 냉각된 상태의 형상기억합금링(30) 내경에 원추블록(44)을 끼워 축방향으로 이동시켜 형상기억합금링(30)의 내경을 확대시키는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 형상기억합금링(30)의 마르텐사이트 변태시작 온도점은 가공시 존재할 수 있는 절삭유에 의한 냉각온도보다 낮고, 오스테나이트 변태종료 온도점은 공작기계 작동시 주변온도보다 낮은 온도특성을 갖는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 스핀들(10)의 수직 일측면에는 반경방향 탄성변형을 용이하게 하는 슬롯(11)이 주축의 고속회전시 질량 불균형에 의한 진동유발과 원심력에 의한 변형을 최소화하는 일정각도로 형성되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 스핀들(10) 선단부 일측 외형부에 끼워지는 형상기억합금링(30)은 툴(20)의 클램핑 또는 언클랭핑 작동을 위한 온도변화 장치로서, 냉각 스프레이와 소형 온풍기로써 손쉽게 구현 가능한 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 초소형 공구 클램핑 장치.

Images