KR101065434B1 - 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치 - Google Patents

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조인식
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Abstract

본 발명에 따른 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치는 가공대상물의 표면에 진동에 의한 반복적인 타격을 제공하여 상기 가공대상물의 표면에 텍스처를 형성하는 표면가공장치로, 자기변형소자를 포함하여 가변 주파수의 진동을 발생시키는 자기변형 액추에이터; 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동을 전달받아 상기 가공대상물의 표면에 반복적인 타격을 인가하는 타격공구; 상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기; 및 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

가변주파수진동을 이용한 표면가공장치{surface treating apparatus using variable frequency vibration}
본 발명은, 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공대상물의 표면에 진동에 의한 반복적인 타격을 제공하여 가공대상물의 표면에 텍스처를 형성하는 표면가공장치에 관한 것이다.
베어링, 샤프트, 씰 등의 기계 부품 혹은 기계 제품은 피로 수명이 제품의 품질을 결정하는 중요한 요소로 인식되고 있다. 이러한 측면에서 기계 부품의 표면에 압축잔류응력을 부가하여 표면 경도와 피로 수명을 향상시키기 위한 방법이 적용되고 있는데, 대표적으로 숏피닝(shot peening) 표면가공방법, 초음파 진동을 이용한 표면가공방법 등이 있다.
숏피닝 표면가공방법은 공기압, 원심력 등의 힘으로 볼 형상을 갖는 다수의 숏(shot)을 가공대상물의 표면에 충돌시켜 가공대상물의 표면에 소성변형에 의한 압축잔류응력을 부가하는 가공방법이다. 그러나, 이러한 숏피닝 표면가공방법은 다수의 숏을 무작위로 불규칙하게 가공대상물의 표면에 충돌시키는 것이므로, 대부분의 경우 가공 전보다 가공대상물의 표면 거칠기가 나빠지고 가공대상물의 특정 영역만을 선택하여 가공하기 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 초음파 진동을 이용한 표면가공방법은 전술한 숏피닝 표면가공방법의 문제점을 해결할 수 있는 방법으로, 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 압전소자(piezoelectric device)를 사용하여 진동을 발생시키고 이러한 진동을 전달받은 타격공구가 가공대상물의 표면을 반복적으로 타격하여 가공대상물의 표면에 소성변형의 흔적인 마이크로 딤플(micro dimple)을 형성하여 가공대상물의 표면에 소정의 텍스처(texture)를 부여하는 방법을 말한다.
도 1은 압전 액추에이터를 이용한 종래의 표면가공장치의 주요 구성을 나타내는 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에서 'A' 영역의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 압전 액추에이터를 이용한 종래의 표면가공장치는 전력 발생기(6)로부터 전력을 인가받아 진동을 발생시키는 압전 액추에이터(1)와, 압전 액추에이터(1)에 의해 발생하는 진동을 전달시키는 부스터(2, booster)와, 부스터(2)에 결합되어 진동을 증폭 전달하는 증폭 혼(3, horn)과, 진동을 전달받아 가공대상물(W)에 반복적인 타격을 인가하는 볼 형상의 타격공구(5)와, 타격공구(5)를 증폭 혼(3)에 연결하기 위한 공구 커넥터(4)를 포함한다. 여기서, 압전 액추에이터(1)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 압전소자를 포함하여 진동을 발생시킨다. 이러한 표면가공장치는 회전하는 가공대상물에 대해 어느 일 방향으로 이동하면서 표면 가공을 수행하도록 구성된다.
한편, 표면가공방법에 있어서 가공대상물마다 또는 동일한 가공대상물이라도 특정 영역마다 요구되는 텍스처 밀도(texture density), 즉 단위면적당 마이크로 딤플의 개수는 달라질 수 있다. 그리고, 이러한 텍스처 밀도를 결정하는 가장 중요한 요소는 진동의 주파수라 할 수 있다. 즉, 가공대상물의 표면에 형성되는 텍스처의 밀도는 진동의 주파수에 따라 달라진다.
그런데, 압전 액추에이터를 이용한 종래의 표면가공장치는, 압전소자 자체의 변위가 작으므로 압전소자에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 전달하기 위한 부스터 및/또는 증폭 혼이 필수적으로 요구되고, 이러한 증폭 혼 등은 공진 현상을 이용하는 것으로 압전소자의 특성과 증폭 혼 등의 규격 등을 고려하여 전체 시스템의 공진주파수를 맞추어야 하는 설계상의 제한이 따르기 때문에, 압전 액추에이터의 작동 중에 진동의 주파수를 가공대상물의 표면가공조건에 따라 변경하는 것이 실질적으로 불가능하다. 이로 인해, 가공대상물마다 또는 동일한 가공대상물이라도 특정 영역마다 다르게 요구되는 텍스처 밀도에 효과적으로 대응할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 가공대상물의 표면에 다양한 텍스처 밀도를 갖는 텍스처를 형성할 수 있으면서도 보다 효율적이고 유연한 가공 조건으로 표면 가공을 수행할 수 있는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 가공대상물의 표면에 진동에 의한 반복적인 타격을 제공하여 상기 가공대상물의 표면에 텍스처를 형성하는 표면가공장치로, 자기변형소자를 포함하여 가변 주파수의 진동을 발생시키는 자기변형 액추에이터; 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동을 전달받아 상기 가공대상물의 표면에 반복적인 타격을 인가하는 타격공구; 상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기; 및 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치에 의해 달성된다.
상기 자기변형소자는, 터페놀-디(Terfenol-D)일 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 가공대상물의 표면에 요구되는 텍스처 밀도에 상응하도록 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 가공대상물의 표면 중 제1 영역에 대한 표면 가공시 상기 자기변형 액추에이터가 제1 설정주파수를 갖는 진동을 발생시키도록 상기 자기변형 액추에이터를 제어하고, 상기 가공대상물의 표면 중 제2 영역에 대한 표면 가공시 상기 자기변형 액추에이터가 제2 설정주파수를 갖는 진동을 발생시키도록 상기 자기변형 액추에이터를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 자기변형 액추에이터가 상기 가공대상물의 표면 중 제1 영역에 대해 표면 가공을 수행하는 경우에는 상기 진동의 주파수를 제1 설정주파수로 설정하고, 상기 자기변형 액추에이터가 상기 가공대상물의 표면 중 제2 영역에 대해 표면 가공을 수행하는 경우에는 상기 진동의 주파수를 제2 설정주파수로 변경 설정할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 전력 발생기에 의해 상기 자기변형 액추에이터에 인가되는 전력의 주파수를 변경함으로써 상기 진동의 주파수를 제어할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 150 내지 2000 Hz 범위에서 상기 진동의 주파수를 변경할 수 있다.
상기 표면가공장치는, 상기 가공대상물을 향하여 상기 자기변형 액추에이터에 미리 정해진 크기의 예압(pre-stress)을 가해주는 예압 인가수단을 더 포함할 수 있다.
상기 예압 인가수단은, 상기 자기변형 액추에이터가 상기 가공대상물에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 수용되는 안내 케이스; 상기 가공대상물에 대해 상기 자기변형 액추에이터가 가압되도록 상기 안내 케이스에 압축공기를 공급하는 에어 컴프레서; 및 상기 안내 케이스의 내부압력을 조절하는 레귤레이터를 포함할 수 있다.
상기 예압 인가수단은, 상기 안내 케이스의 내부에서 이동 가능하게 마련되고 상기 안내 케이스의 내부공간을 제1 내부공간과 제2 내부공간으로 구획하는 이동 플레이트를 더 포함하고, 상기 자기변형 액추에이터는 상기 제1 내부공간에 수용되고, 상기 에어 컴프레서는 상기 이동 플레이트가 상기 자기변형 액추에이터를 가압하도록 상기 제2 내부공간에 압축공기를 공급할 수 있다.
상기 표면가공장치는, 상기 타격공구를 상기 자기변형 액추에이터에 연결하기 위한 공구 커넥터를 더 포함하고, 상기 공구 커넥터는, 상기 타격공구가 결합되고 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬릿이 형성되는 몸체부; 및 상기 슬릿의 간격을 좁히도록 상기 몸체부를 가압하기 위한 슬릿조임부를 포함할 수 있다.
본 발명은, 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어함으로써, 가공대상물마다 또는 동일한 가공대상물이라도 특정 영역마다 다르게 요구되는 텍스처 밀도에 효과적으로 대응할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 다른 가공 파라미터들은 변경 없이 그대로 유지한 상태에서도 진동의 주파수를 변경하여 가공대상물의 표면에 형성되는 텍스처의 밀도를 조절할 수 있으므로, 가공대상물의 표면에 다양한 텍스처 밀도를 갖는 텍스처를 형성할 수 있으면서도 보다 효율적이고 유연한 가공 조건으로 표면 가공을 수행할 수 있다.
도 1은 압전 액추에이터를 이용한 종래의 표면가공장치의 주요 구성을 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에서 'A' 영역의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면가공장치의 주요 구성을 나타내는 개략적인 구성도이다.
도 4는 다른 위치에서 도 3의 표면가공장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 도 3의 표면가공장치에서 공구 커넥터를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면가공장치의 주요 구성을 나타내는 개략적인 구성도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치의 주요 구성을 나타내는 개략적인 구성도이고, 도 4는 다른 위치에서 도 3의 표면가공장치의 개략적인 구성도이며, 도 5는 도 3의 표면가공장치에서 공구 커넥터를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치(100, 이하 '표면가공장치'라 함)는 가공대상물의 표면에 진동에 의한 반복적인 타격을 제공하여 가공대상물의 표면에 텍스처(texture)를 형성하는 표면가공장치로, 자기변형 액추에이터(110), 타격공구(120), 전력 발생기(130) 및 컨트롤러(140)를 포함한다.
본 실시예에서는 표면가공장치(100)의 가공대상물로 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 샤프트(S)를 예로 들어 설명하기로 한다. 샤프트(S)는 그 양단부가 2단으로 단차지게 형성되며 단차진 부분에는 베어링(미도시)이 장착되는 것으로, 샤프트(S)의 표면 중 베어링이 장착되는 영역들(설명의 편의를 위해 제1 영역(Ⅰ) 및 제2 영역(Ⅱ)이라 함), 즉 베어링에 의해 피로 응력이 가해지는 영역들에는 표면 경도를 증가시켜 샤프트(S)의 피로 수명을 향상시키기 위한 표면 가공 혹은 표면 개질이 요구된다. 이러한 샤프트(S)는 예컨대 선반의 주축대와 심압대 사이에 고정된 상태에서 표면 가공시 주축대로부터 인가되는 회전력에 의해 소정의 회전속도로 회전하게 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 자기변형 액추에이터(110)는 자기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 자기변형소자(magnetostrictive device)를 포함하여 가변 주파수의 진동을 발생시킨다. 자기변형 액추에이터(110)는 전력 발생기(130, generator)와 전기적으로 연결되어 전력 발생기(130)로부터 소정의 전력을 인가받는다. 자기변형 액추에이터(110)에 전력이 인가되면, 막대 형상의 자기변형소자의 주위에 자계가 형성되고, 형성된 자계에 의해 자기변형소자는 그 길이가 변화하여 기계적인 진동을 발생시킨다. 이를 위해 자기변형 액추에이터(110)는 자기변형소자의 주위에 자계를 형성하기 위한 수단, 예컨대 자기변형소자를 에워싸는 코일 등을 포함할 수 있다.
종래의 표면가공장치 혹은 표면개질장치에서는 진동을 발생시키는 수단으로 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 압전소자(piezoelectric device)를 포함한 압전 액추에이터가 사용되었다. 그러나, 본 발명의 표면가공장치에서는 진동을 발생시키는 수단으로 압전소자를 포함한 압전 액추에이터 대신에 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터(110)를 사용하고 있다. 여기서, 자기변형소자는 널리 사용되는 압전소자와 함께 구동에너지에 의해 발생하는 고체의 탄성 변형을 출력으로 이용하는 고체변위소자 중 하나로, 자기적 에너지를 기계적인 에너지(변위 혹은 응력 등)로 변환하는, 즉 주위에 자계가 인가되면 전체 에너지를 최소로 보존하기 위하여 길이가 변화하는 특성을 갖는 소자로서, 현재 선형모터, 미소변위조절, 센서 등의 분야에서 극히 제한적으로 사용되고 있다.
이러한 자기변형소자는 종래의 표면가공장치에 사용되는 압전소자에 비해 변위가 크고 에너지 밀도가 매우 높으며 넓은 주파수 범위에서 사용 가능하다. 즉, 자기변형소자는 압전소자에 비해 즉 낮은 입력 전력으로 큰 변위를 얻을 수 있으며 발생하는 진동의 주파수를 다양하게 설정할 수 있다. 또한, 압전소자를 포함한 압전 액추에이터는 압전소자 자체의 변위가 작으므로 압전소자에 의해 발생하는 진동을 증폭시켜 전달하기 위한 부스터(booster) 및/또는 증폭 혼(horn)이 필수적으로 요구된다. 그런데, 이러한 압전 액추에이터에서 증폭 혼 등은 공진 현상을 이용하는 것으로 압전소자의 특성과 증폭 혼 등의 규격 등을 고려하여 전체 시스템의 공진주파수를 맞추어야 하는 설계상의 제한이 따르기 때문에 압전 액추에이터의 작동 중에 진동의 주파수를 가공대상물의 표면가공조건에 따라 변경하는 것이 실질적으로 불가능하다는 문제점이 있다. 반면, 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터(110)는 위와 같은 공진주파수에 따른 제한이 없기 때문에 가공대상물의 표면가공조건에 따라 진동의 주파수를 다르게 설정할 수 있다는 이점이 있는데, 이에 대한 자세한 사항은 컨트롤러(140)와 함께 후술하기로 한다.
한편, 본 실시예에서는 자기변형 액추에이터(110)를 구성하는 자기변형소자로서 터페놀-디(Terfenol-D)를 사용한다. 터페놀-디는 가장 대표적인 자기변형소자로, Tbx Dy1 -x Fey 의 화학식(x = 0.27 ~ 0.3, y = 1.9 ~ 2.0)을 갖는 단결정 합금이다. 이러한 터페놀-디는 상당히 넓은 주파수대역(150 ~ 2000 Hz 정도)에서 거의 일정하고 큰 변위를 발생시킬 수 있으며 응답 속도가 수 ㎲ 정도로 매우 빠르다는 이점이 있다. 또한, 터페놀-디는 상당히 긴 시간 동안 사용해도 피로 현상이 일어나지 않으므로 동작 특성을 오랜 시간 동안 일정하게 유지시킬 수 있으며, 공진주파수대를 이용하면 훨씬 큰 변위를 얻을 수도 있다.
한편, 표면가공장치(100)는 자기변형 액추에이터(110)를 X축, Y축 및 Z축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 이송시키기 위한 이송수단을 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 이송수단은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 자기변형 액추에이터(110)를 지지하는 X축 이송테이블(151) 및 Y축 이송테이블(153)을 포함한다. X축 이송테이블(151)은 가공대상물인 샤프트(S)의 길이 방향인 X축 방향으로 자기변형 액추에이터(110)를 이송시키고, Y축 이송테이블(153)은 샤프트(S)에 대해 자기변형 액추에이터(110)를 접근 및 이격 방향인 Y축 방향으로 이송시킨다. X축 및 Y축 이송테이블(151,153) 각각은 이송스크루(미도시)와 서보모터(미도시)에 의해 속도와 위치가 정밀하게 제어되면서 직선 운동을 한다. 이때, 자기변형 액추에이터(110)는 고정 브라켓(미도시) 등에 의해 Y축 이송테이블(153) 상에 고정될 수 있다. 이러한 표면가공장치(100)는 CNC(Computerized Numerical Control) 선반이나 머시닝센터 형태로 구현될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 타격공구(120)는 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동을 전달받아 가공대상물인 샤프트(S)의 표면에 반복적인 타격을 인가한다. 타격공구(120)는 공구 커넥터(125)를 통해 자기변형 액추에이터(110)와 연결되며 자기변형 액추에이터(110)로부터 전달되는 진동 에너지로 가공대상물인 샤프트(S)의 표면을 소정의 주파수로 반복 타격하여 샤프트(S)의 표면에 소성 변형의 흔적인 마이크로 딤플(d, micro dimple)을 형성한다. 타격공구(120)는 경도가 높은 초경합금 재질이나 세라믹 재질, 다이아몬드 등으로 제작될 수 있으며, 그 형상은 구(球), 타원구, 삼각, 사각, 육각 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 이러한 타격공구(120)의 형상에 따라 가공대상물의 표면에 형성되는 마이크로 딤플의 모양이 달라지는데, 본 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 구 형상의 타격공구(120)가 사용된다.
한편, 공구 커넥터(125)는 타격공구(120)를 자기변형 액추에이터(110)에 연결하기 위한 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이 타격공구(120)가 결합되고 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬릿(126a)이 형성되는 몸체부(126)와, 몸체부(126)로부터 연장되어 자기변형 액추에이터(110)에 결합되는 연결부(127)와, 몸체부(126)를 가압하여 슬릿(126a)의 간격을 좁히는 슬릿조임부(128)를 포함할 수 있다. 몸체부(126)는 대략 원통 형상으로 구 형상의 타격공구(120)의 하단부가 수용된 상태로 타격공구(120)를 고정 지지할 수 있다. 몸체부(126)에 형성된 슬릿(126a)은 몸체부(126)의 상단에서 길이 방향을 따라 한 쌍으로 형성된다. 연결부(127)는 그 둘레에 나사선이 형성되어 자기변형 액추에이터(110)의 단부에 나사결합 방식으로 결합될 수 있다. 슬릿조임부(128)는 조임볼트 형태로 마련되어 몸체부(126)에 형성된 관통홀(126b)을 통해 몸체부(126)에 결합된다. 이러한 조임볼트 형태의 슬릿조임부(128)를 일 방향으로 회전시키면 몸체부(126)는 슬릿조임부(128)에 의해 반지름 방향으로 가압되어 몸체부(126)에 형성된 슬릿(126a)의 간격이 좁혀지고, 이에 따라 공구 커넥터(125)는 타격공구(120)를 견고하게 고정시킬 수 있다. 다만, 슬릿조임부(128)는 본 실시예에서 개시된 조임볼트 형태에 한정되지 아니하고 다양한 형태로 구현될 수 있다.
위와 같은 구성을 갖는 공구 커넥터(125)는 가공대상물과 접촉하는 타격공구(120)의 부분이 심하게 마모된 경우, 슬릿조임부(128)를 풀어 몸체부(126)에 형성된 슬릿(126a)의 간격을 넓힌 상태에서, 타격공구(120)의 마모되지 않은 부분이 가공대상물과 접촉하도록 몸체부(126) 상에서 타격공구(120)의 위치를 변경시킨 후, 다시 슬릿조임부(128)를 조여 타격공구(120)를 견고하게 고정시킬 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 표면가공장치(100)는 가공대상물과 접촉하는 타격공구(120)의 특정 부분이 심하게 마모되더라도, 타격공구(120) 또는 타격공구(120)가 결합된 공구 커넥터(125)를 새것으로 교체하지 않고 공구 커넥터(125) 상에서 타격공구(120)의 위치만 변경시켜 더 사용할 수 있으므로 타격공구(120)의 수명을 늘릴 수 있다는 이점이 있다. 다만, 이러한 이점에도 불구하고 공구 커넥터는 본 실시예에서 개시된 공구 커넥터(125)의 구성에 한정되지 아니하고 다양한 구조로 구현될 수 있음은 물론이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 전력 발생기(130)는 전력을 발생시키는 수단으로, 자기변형 액추에이터(110)에 소정의 전력을 인가한다. 전력 발생기(130)에 의해 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 전력을 자기변형 액추에이터(110)의 자기변형소자 주위에 자계를 형성하기 위한 에너지로 사용된다. 전력 발생기(130)는 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 전력의 세기, 전력의 주파수 등을 일정 범위 내에서 변경할 수 있도록 구성된다. 참고로, 전력 발생기(130)에서 발생하는 전력의 세기를 증가시키면 통상적으로 자기변형소자의 변위, 즉 진동의 진폭이 증가하는 경향을 갖는다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 컨트롤러(140)는 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어할 수 있다. 이는 본 발명에서 진동을 발생시키는 수단으로 자기변형소자를 포함하여 가변 주파수의 진동을 발생시키기는 자기변형 액추에이터(110)를 적용한 결과라 할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 압전 액추에이터를 이용한 종래의 표면가공장치는 공진주파수 설계에 따른 제한 등에 의해 진동의 주파수를 변경하는 것이 현실적으로 불가능하거나 가능하더라도 압전 액추에이터의 구성 부품을 교체하고 다시 세팅해야 하는 번거로움이 있다.
컨트롤러(140)는 가공대상물인 샤프트(S)의 표면에 요구되는 텍스처 밀도(texture density)에 상응하도록 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경할 수 있다. 다시 말해서, 컨트롤러(140)는 가공대상물의 표면에 형성되는 텍스처 밀도를 조절하기 위해 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어할 수 있다. 여기서 '텍스처 밀도'는 가공대상물의 표면에서 단위면적당 마이크로 딤플의 개수를 의미할 수 있다. 이러한 텍스처 밀도는 다른 가공 파라미터(예컨대, 가공대상물의 회전속도, 자기변형 액추에이터(110)의 이송속도)가 동일한 조건에서 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수에 따라 크게 달라진다. 구체적으로, 자기변형 액추에이터(110)의 진동의 주파수를 증가시키면, 가공대상물의 표면에 대한 타격공구(120)의 시간당 타격횟수가 많아지므로, 단위면적당 형성되는 마이크로 딤플의 개수는 증가한다. 즉, 자기변형 액추에이터(110)의 진동의 주파수를 증가시키면 가공대상물의 표면에 형성되는 텍스처 밀도는 높아진다. 반대로, 자기변형 액추에이터(110)의 진동의 주파수를 감소시키면, 가공대상물의 표면에 형성되는 텍스처 밀도는 낮아진다.
컨트롤러(140)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 가공대상물인 샤프트(S)의 표면 중 제1 영역(Ⅰ)에 대한 표면 가공시 자기변형 액추에이터(110)가 제1 설정주파수를 갖는 진동을 발생시키도록 자기변형 액추에이터(110)를 제어하고, 샤프트(S)의 표면 중 제2 영역(Ⅱ)에 대한 표면 가공시 자기변형 액추에이터(11)가 제2 설정주파수를 갖는 진동을 발생시키도록 자기변형 액추에이터(110)를 제어할 수 있다. 다시 말해서, 컨트롤러(140)는 자기변형 액추에이터(110)가 샤프트(S)의 표면 중 제1 영역(Ⅰ)에 대한 표면 가공을 수행하는 경우에는 진동의 주파수를 제1 설정주파수로 설정하고, 자기변형 액추에이터(110)가 샤프트(S)의 표면 중 제2 영역(Ⅱ)의 위치로 이동하여 제2 영역(Ⅱ) 대해 표면 가공을 수행하는 경우에는 진동의 주파수를 제2 설정주파수로 변경 설정할 수 있다. 이에 따라, 샤프트(S)의 제1 영역(Ⅰ)과 제2 영역(Ⅱ)의 표면에는 서로 다른 텍스처 밀도를 갖는 텍스처가 형성될 수 있다. 이때, 제1 설정주파수는 제2 설정주파수는 높기 때문에, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1 영역(Ⅰ)에 형성된 텍스처는 제2 영역(Ⅱ)에 형성된 텍스처보다 높은 텍스처 밀도를 갖는다.
한편, 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수는 소정의 선형 구간에서 전력 발생기(130)에 의해 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 전력의 주파수에 비례하므로, 컨트롤러(140)는 전력 발생기(130)에 의해 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 전력의 주파수를 변경함으로써 진동의 주파수를 변경할 수 있다. 이때, 컨트롤러(140)는 물리적으로 전력 발생기(130)를 구성하는 하나의 모듈로 마련될 수 있으며, 이와 다르게 전력 발생기(130)와는 다른 별도의 장치로 마련될 수 있다. 다만, 컨트롤러(140)는 위와 같이 전력 발생기(130)에서 발생하는 전력의 주파수를 변경하는 것 대신에, 자기변형 액추에이터(110)에 포함된 소정의 전기 회로를 제어함으로써 자기변형 액추에이터(110)에서 발생하는 진동의 주파수를 변경할 수도 있다.
본 실시예처럼 자기변형소자로 터페놀-디를 사용하는 경우, 컨트롤러(140)는 150 내지 2000 Hz 범위에서 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경하는 것이 바람직한데, 이는 터페놀-디는 150 내지 2000 Hz 의 주파수대역에서 거의 일정한 변위, 즉 신뢰성 있는 변위를 발생시킬 수 있기 때문이다.
이처럼, 본 실시예에 따른 표면가공장치(100)는 자기변형소자를 포함한 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어함으로써, 가공대상물마다 또는 동일한 가공대상물이라도 특정 영역마다 다르게 요구되는 텍스처 밀도에 효과적으로 대응할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 표면가공장치(100)는 가공대상물의 표면에 요구되는 텍스처 밀도에 상응하도록 자기변형 액추에이터(110)에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 표면가공장치(100)는 다른 가공 파라미터들은 변경 없이 그대로 유지한 상태에서도 진동의 주파수를 변경하여 가공대상물의 표면에 형성되는 텍스처의 밀도를 조절할 수 있으므로, 가공대상물의 표면에 다양한 텍스처 밀도를 갖는 텍스처를 형성할 수 있으면서도 보다 효율적이고 유연한 가공 조건으로 표면 가공을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치의 주요 구성을 나타내는 개략적인 구성도이다. 이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치를 전술한 실시예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치(200, 이하 '표면가공장치'라 함)는 자기변형 액추에이터(110), 타격공구(120), 공구 커넥터(125), 전력 발생기(130), 컨트롤러(140) 및 예압 인가수단(150~170)을 포함한다.
본 실시예에 따른 표면가공장치(200)는 예압 인가수단(150~170)을 제외하고 전술한 실시예에 따른 표면가공장치(100)의 구성과 실질적으로 동일하므로, 그 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며 그에 대한 설명은 전술한 실시예를 준용하기로 한다.
예압 인가수단(150~170)은 타격공구(120)가 가공대상물에 접촉한 상태에서 가공대상물을 향하여 자기변형 액추에이터(110)에 미리 정해진 크기의 예압(pre-stress)을 가해준다. 이처럼, 표면 가공시 자기변형 액추에이터에 일정한 예압을 인가하는 것은, 인장력에 매우 취약한 자기변형소자(특히, 터페놀-디)의 특성을 고려하여 자기변형소자를 안정한 상태에서 동작시키기 위함이다. 또한, 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 예압의 크기를 적절히 변경함으로써, 가공대상물의 표면에 형성되는 마이크로 딤플의 깊이 등을 조절할 수 있다는 이점이 있다.
구체적으로, 예압 인가수단(150~170)은 도 6에 도시된 바와 같이 안내 케이스(150), 이동 플레이트(155), 에어 컴프레서(170, air compressor) 및 레귤레이터(160, regulator)를 포함할 수 있다.
안내 케이스(150)는 자기변형 액추에이터(110)를 수용한다. 자기변형 액추에이터(110)는 안내 케이스(150) 내에서 전후 방향, 즉 가공대상물에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 마련된다. 이동 플레이트(155)는 안내 케이스(150)의 내부에서 이동 가능하게 마련되고 안내 케이스(150)의 내부공간(S)을 제1 내부공간(S1)과 제2 내부공간(S2)으로 구획한다. 이때, 제1 내부공간(S1)에는 자기변형 액추에이터(110)가 수용되고, 제2 내부공간(S2)은 압축공기가 주입되는 공간으로 일정 수준 이상의 밀폐성이 확보되어야 한다. 에어 컴프레서(170)는 가공대상물에 대해 자기변형 액추에이터(110)가 가압되도록 안내 케이스(150)에 압축공기를 공급한다. 이때, 에어 컴프레서(170)는 이동 플레이트(155)가 자기변형 액추에이터(110)의 후단부를 가압하도록 안내 케이스(150)의 제2 내부공간(S2)에 압축공기를 공급한다. 레귤레이터(160)는 안내 케이스(150)의 내부압력, 구체적으로 제2 내부공간(S2)의 압력을 조절한다. 이러한 레귤레이터(160)는 안내 케이스(150)의 내부압력을 측정하는 압력센서(미도시) 및 안내 케이스(150)의 제2 내부공간(S2)을 개폐시키기 위한 압력밸브(미도시)를 포함할 수 있다. 레귤레이터(160)는 요구되는 예압에 따라 미리 설정된 내부압력과 압력센서에 의해 측정된 내부압력을 비교하고 그 비교결과에 따라 압력밸브를 제어함으로써 안내 케이스(150)의 내부압력의 조절할 수 있다. 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 예압은 안내 케이스(150)의 내부압력에 비례하기 때문에, 결과적으로 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 예압의 크기는 위와 같은 방식으로 유지 또는 변경될 수 있다.
위와 같은 구성을 갖는 예압 인가수단(150~170)은 자기변형 액추에이터(110)에 가해지는 예압을 압축공기에 의한 압력으로 제공하고 그 압력의 크기를 제어하는 것이 가능하므로, 요구되는 가공 조건 등에 맞추어서 자기변형 액추에이터(110)에 인가되는 예압의 크기를 정밀하게 조절할 수 있다는 이점이 있다. 다만, 이러한 이점에도 불구하고 예압 인가수단은 본 실시예에서 개시된 예압 인가수단(150~170)의 구성에 한정되지 아니하고 다양한 구조, 예컨대 기계적 스프링 구조 등으로 구현될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100,200 : 표면가공장치
110 : 자기변형 액추에이터
120 : 타격공구
125 : 공구 커넥터
130 : 전력 발생기
140 : 컨트롤러
150 : 안내 케이스
155 : 이동 플레이트
160 : 레귤레이터
170 : 에어 컴프레서

Claims (11)

  1. 가공대상물의 표면에 진동에 의한 반복적인 타격을 제공하여 상기 가공대상물의 표면에 텍스처를 형성하는 표면가공장치로,
    자기변형소자를 포함하여 가변 주파수의 진동을 발생시키는 자기변형 액추에이터;
    자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동을 전달받아 상기 가공대상물의 표면에 반복적인 타격을 인가하는 타격공구;
    상기 자기변형 액추에이터에 전력을 인가하는 전력 발생기;
    상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 제어하되, 상기 가공대상물의 표면에 요구되는 텍스처 밀도에 상응하도록 상기 자기변형 액추에이터에 의해 발생하는 진동의 주파수를 변경하는 컨트롤러;
    상기 가공대상물을 향하여 상기 자기변형 액추에이터에 미리 정해진 크기의 예압(pre-stress)을 가해주는 예압 인가수단; 및
    상기 타격공구를 상기 자기변형 액추에이터에 연결하기 위한 공구 커넥터를 포함하고,
    상기 예압 인가수단은, 상기 자기변형 액추에이터가 상기 가공대상물에 대해 접근 및 이격되는 방향으로 이동 가능하게 수용되는 안내 케이스와, 상기 가공대상물에 대해 상기 자기변형 액추에이터가 가압되도록 상기 안내 케이스에 압축공기를 공급하는 에어 컴프레서와, 상기 안내 케이스의 내부압력을 조절하는 레귤레이터를 포함하며,
    상기 공구 커넥터는, 상기 타격공구가 결합되고 길이 방향을 따라 적어도 하나의 슬릿이 형성되는 몸체부와, 상기 슬릿의 간격을 좁히도록 상기 몸체부를 가압하기 위한 슬릿조임부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기변형소자는,
    터페놀-디(Terfenol-D)인 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 가공대상물의 표면 중 제1 영역에 대한 표면 가공시 상기 자기변형 액추에이터가 제1 설정주파수를 갖는 진동을 발생시키도록 상기 자기변형 액추에이터를 제어하고, 상기 가공대상물의 표면 중 제2 영역에 대한 표면 가공시 상기 자기변형 액추에이터가 제2 설정주파수를 갖는 진동을 발생시키도록 상기 자기변형 액추에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 자기변형 액추에이터가 상기 가공대상물의 표면 중 제1 영역에 대해 표면 가공을 수행하는 경우에는 상기 진동의 주파수를 제1 설정주파수로 설정하고, 상기 자기변형 액추에이터가 상기 가공대상물의 표면 중 제2 영역에 대해 표면 가공을 수행하는 경우에는 상기 진동의 주파수를 제2 설정주파수로 변경 설정하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 전력 발생기에 의해 상기 자기변형 액추에이터에 인가되는 전력의 주파수를 변경함으로써 상기 진동의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    150 내지 2000 Hz 범위에서 상기 진동의 주파수를 변경하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 예압 인가수단은,
    상기 안내 케이스의 내부에서 이동 가능하게 마련되고 상기 안내 케이스의 내부공간을 제1 내부공간과 제2 내부공간으로 구획하는 이동 플레이트를 더 포함하고,
    상기 자기변형 액추에이터는 상기 제1 내부공간에 수용되고, 상기 에어 컴프레서는 상기 이동 플레이트가 상기 자기변형 액추에이터를 가압하도록 상기 제2 내부공간에 압축공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 가변주파수진동을 이용한 표면가공장치.
  11. 삭제
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