KR101112690B1 - 마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반 - Google Patents

마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절삭 대상을 절삭하기 위한 툴 인서트와, 상기 툴 인서트를 장착하기 위한 인서트 장착부 및 상기 인서트 장착부로부터 제1 및 제2방향으로 연장된 제1 및 제2지지부를 구비하는 툴 홀더와, 상기 제1 및 제2지지부를 각각 지지하며 인가되는 전기적 신호에 상기 툴 홀더에 제어력을 인가하는 제1 및 제2액츄에이터, 및 상기 제1 및 제2액츄에이터에 전기적으로 연결되며 상기 툴 인서트가 원형 또는 타원형 궤적을 가지며 반복적으로 이동하도록 상기 제1 및 제2액츄에이터에 제어 신호를 인가하는 제어부를 포함하는 마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반에 관한 것으로서, 마이크로 선반에 설치된 가공 툴의 궤적이 원형 또는 타원형을 이루도록 제어함으로써 난삭재를 용이하게 가공할 수 있도록 한다.

Description

마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반{TOOL MODULE AND MICRO LATHE HAVING THE SAME}
본 발명은 초음파를 이용한 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반에 관한 것이다.
기계 가공에 사용되는 선반(Lathe)은 공작물을 주축에 고정시켜 회전시키고 공구대에 설치된 가공 툴에 절삭깊이와 이송을 주어 공작물을 절삭하는 공작 기계를 말한다.
최근에는 마이크로 단위의 초소형화된 크기의 공작물을 정밀 가공하기 위한 마이크로 선반이 제안되고 있다. 장비를 소형화함에 따라 사용되는 전력과 공간을 크게 줄일 수 있으며, 열변형의 최소화와 함께 정밀도의 향상을 추구할 수 있다.
마이크로 선반을 통해 가공되는 공작물이 세라믹, 글라스 등의 난삭재일 경우. 그 크기가 매우 작을 뿐만 아니라 깨지기 쉬운 재질의 특성상 가공하기에 많은 어려움이 따른다. 아울러, 가공 툴과 공작물 사이에서 발생하는 열로 인하여 툴에 마모가 심하게 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 가공 툴의 이동 제어가 매우 중요하며, 이를 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 마이크로 선반에 설치된 가공 툴의 궤적이 원형 또는 타원형을 이루도록 제어함으로써 난삭재를 용이하게 가공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 절삭 대상을 절삭하기 위한 툴 인서트와, 상기 툴 인서트를 장착하기 위한 인서트 장착부 및 상기 인서트 장착부로부터 제1 및 제2방향으로 연장된 제1 및 제2지지부를 구비하는 툴 홀더와, 상기 제1 및 제2지지부를 각각 지지하며 인가되는 전기적 신호에 상기 툴 홀더에 제어력을 인가하는 제1 및 제2액츄에이터, 및 상기 제1 및 제2액츄에이터에 전기적으로 연결되며 상기 툴 인서트가 원형 또는 타원형 궤적을 가지며 반복적으로 이동하도록 상기 제1 및 제2액츄에이터에 제어 신호를 인가하는 제어부를 포함하는 마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반을 개시한다.
상기 제1 및 제2방향은 상기 인서트 장착부를 중심으로 서로 일정 각도를 이룰 수 있으며, 상기 제1 및 제2액츄에이터는 전기적 신호에 의해 변형되는 압전 소자로 구현 가능하다.
상기 제어부는 상기 제1 및 제2액츄에이터에 서로 다른 위상을 갖는 정현파를 각각 인가할 수 있으며, 여기서, 상기 정현파는 초음파 대역의 주파수를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2액츄에이터의 후단에는 마이크로 선반의 지지대에 고정되는 베이스 블록이 설치될 수 있다.
상기 베이스 블록은 체결 유닛에 의해 상기 툴 홀더에 체결되며, 이러한 체결 유닛은 상기 베이스 블록으로부터 상기 제1 및 제2액츄에이터를 각각 관통하여 제1 및 제2지지부에 각각 체결되는 제1 및 제2볼트와, 상기 베이스 블록의 후단에서 상기 제1 및 제2볼트에 체결되는 제1 및 제2로드를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2지지부에는 암나사홀이 각각 형성되고, 상기 제1 및 제2볼트의 일단에는 수나사산이 각각 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제1 및 제2로드에는 암나사홀이 각각 형성되고, 상기 제1 및 제2볼트의 타단에는 수나사산이 각각 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 서로 다른 방향으로 연장된 제1 및 제2지지부에 제1 및 제2액츄에이터를 각각 설치한 구조를 통해 원형 또는 타원형을 따르는 가공 툴의 궤적을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 및 제2액츄에이터로서 압전 소자를 사용하고, 압전 소자에 초음파 대역의 정현파를 인가함으로써 연성 모드 절삭(ductile mode cutting)을 구현할 수 있다.
또한, 상기와 같은 공구 모듈을 사용하면서 공작물의 크기에 맞는 소형화된 장비를 적용함으로써 높은 정밀도와 및 공간, 전력 사용의 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 선반의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 공구 모듈의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 공구 모듈의 단면도.
도 4는 툴 인서트의 이동 궤적을 나타내는 개념도.
이하, 본 발명과 관련된 마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 선반의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 마이크로 선반은 선반 본체(110), 스핀들(120), 테이블(130), 및 공구 모듈(200)을 포함한다.
선반 본체(110)는 스핀들(120)과 테이블(130)을 지지하기 위한 것으로서, 마이크로 선반의 설치면에 지지된다. 선반 본체(110)에는 상면에는 스핀들(120)을 지지하기 위한 스핀들 지지부(121)와, 테이블(130)이 설치된다.
스핀들(120)은 스핀들 지지부(121)에 설치되며, 절삭 대상(가공물)을 회전시키는 기능을 한다. 스핀들(120)은 가공물을 설치할 수 있게 구성되며, 도 1의 x축(제1축) 방향을 중심으로 가공물을 회전시킨다.
테이블(130)은 선반 본체에 수평 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 테이블(130)은 공구 모듈(200)을 지지 및 이동시키며, 이러한 구조를 통해 가공물의 회전시 가공물이 공구 모듈에 의해 절삭되게 된다.
테이블(130)은 선반 본체(110)에 x축(제1축) 방향으로 구동 가능하게 설치되는 제1테이블(131)과, 제1테이블(131) 상에 z축(제2축) 방향으로 구동 가능하게 설치되는 제2테이블(132)을 포함할 수 있다.
제1테이블(131)은 선반 본체(110)에 장착된 지지 테이블(133) 상에 x축 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있으며, 제1테이블(131)과 지지 테이블(133)의 사이에는 리니어 모터 등의 구동 장치가 설치될 수 있다. 제1테이블(131)과 제2테이블(132)의 사이에도 리니어 모터 등의 구동 장치가 설치될 수 있으며, 구동 장치들의 구동에 의해 제1 및 제2테이블(132)이 x축 및 z축 방향으로 구동될 수 있다.
테이블(130), 구체적으로 제2테이블(132)에는 공구 모듈(200)을 지지하기 위한 지지대(140)가 설치되어 있으며, 제1 및 제2테이블(132)의 구동에 의해 공구 모듈(200)이 2축 방향으로 이동될 수 있게 되는 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 공구 모듈의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 공구 모듈의 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 공구 모듈은 툴 인서트(210), 툴 홀더(220), 제1 및 제2액츄에이터(231,232), 및 제어부(240)를 포함한다.
툴 인서트(210)는 절삭 대상을 가공하기 위한 것으로서, 가공 툴, 바이트 등 다양한 명칭으로 불릴 수 있다. 툴 인서트(210)는 금속 재질로 형성 가능하나, 본 발명에 의하면 난삭재를 가공할 수 있도록 다이아몬드 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
툴 홀더(220)는 툴 인서트(210)를 고정 및 지지하기 위한 것으로서, 인서트 장착부(221)와 제1 및 제2지지부(222,223)가 형성된 구조를 갖는다.
인서트 장착부(221)는 툴 인서트(210)가 장착되기 위한 장착면을 제공하며, 툴 인서트(210)는 볼트 등의 체결 부재에 의해 인서트 장착부(221)에 체결된다.
제1 및 제2지지부(222,223)는 인서트 장착부(221)로부터 제1 및 제2방향으로 각각 연장되는 구조를 갖는다. 여기서, 제1 및 제2방향은 인서트 장착부(221)를 중심으로 서로 일정 각도를 이루도록 형성된다. 예를 들어, 제1 및 제2방향 사이의 각도는 60도를 이룰 수 있으며, 이는 툴 인서트(210)를 이동시키고자 하는 경로에 따라 다양하게 설정 가능하다.
제1 및 제2액츄에이터(231,232)는 제1 및 제2지지부(222,223)를 각각 지지하는 구조를 가지며, 제어부(240)로부터 인가되는 전기적 신호에 의해 툴 홀더(220)에 제어력을 인가한다.
제1 및 제2액츄에이터(231,232)로서 전기적 신호(예를 들어, 전압)에 의해 물리적으로 변형되는 압전 소자(피에조 소자)가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 및 제2액츄에이터(231,232)로서 디스크 형태의 한 쌍의 압전소자들이 사용되었다. 이러한 경우, 제1 및 제2액츄에이터(231,232)는 각각 제1 및 제2방향을 따라 신장하거나 압축될 수 있으며, 이들의 압축 신장에 의해 제1 및 제2지지부(222,223)에 각각 제어력이 인가될 수 있다.
제어부(240)는 제1 및 제2액츄에이터(231,232)에 전기적으로 연결되며, 툴 인서트(210)가 원형 또는 타원형 궤적을 가지며 반복적으로 이동하도록 제1 및 제2액츄에이터(231,232)에 제어 신호를 인가한다. 제어부(240)와 제1 및 제2액츄에이터(231,232)의 동작에 대해서는 추후 상세히 설명하기로 한다. 한편, 제어부(240)의 개념은 제1 및 제2액츄에이터(231,232)의 제어뿐만 아니라 마이크로 선반의 각 구성(예를 들어, 구동 장치)들을 제어하기 위한 구성으로 해석될 수도 있다.
제1 및 제2액츄에이터(231,232)의 후단에는 베이스 블록(250)이 설치되며, 이는 지지대(140)에 고정된다. 베이스 블록(250)은 제1 및 제2액츄에이터(231,232)를 고정시킴과 아울러 공구 모듈(200)을 지지대(140)에 설치하는 기능을 한다. 베이스 블록(250)은 플레이트의 형태로서 제1 및 제2방향에 대응되도록 절곡된 형태를 가지며, 볼트-너트 등의 체결 기구에 의해 지지대(140)에 고정될 수 있다.
베이스 블록(250)은 체결 유닛에 의해 툴 홀더(220)에 체결될 수 있으며, 체결 유닛의 일 예로서 제1 및 제2볼트(261,262)와, 제1 및 제2로드(271,272)를 들 수 있다.
제1볼트(261)는 베이스 블록(250)과 제1액츄에이터(231)를 관통하여 제1지지부(222)에 체결되며, 제2볼트(262)는 베이스 블록(250)과 제2액츄에이터(232)를 관통하여 제2지지부(223)에 체결된다. 제1 및 제2지지부(222,223)에는 암나사홀이 각각 형성되며, 제1 및 제2볼트(261,262)의 일단에는 암나사홀에 체결되기 위한 수나사산이 각각 형성되어 있다.
제1 및 제2볼트(261,262)의 외주면과 제1 및 제2액츄에이터(231,232)의 사이에는 이들 사이의 절연을 위한 절연체가 개재될 수 있다.
제1 및 제2로드(271,272)는 베이스 블록(250)의 후단에서 제1 및 제2볼트(261,262)에 각각 체결된다. 제1 및 제2볼트(261,262)의 타단에는 수나사산이 형성되며, 제1 및 제2로드(271,272)에는 제1 및 이들에 체결되기 위한 암나사홀이 형성된다. 이와 같은 구조에 따르면, 제1 및 제2로드(271,272)는 베이스 블록(250)과 툴 홀더(220)의 체결을 위한 너트로서의 기능을 한다.
한편, 제1 및 제2로드(271,272)는 공구 모듈(200)에 다양한 질량이 부가될 수 있도록 복수의 개체로 구비될 수 있다. 현재의 질량보다 큰 질량을 부가하고자 할 경우, 현재의 로드를 분리한 후 보다 큰 질량의 로드를 장착하면 된다. 제1 및 제2로드(271,272)의 질량에 따라 공구 모듈(200)의 고유 진동수를 조절할 수 있다. 이에 따르면, 제1 및 제2로드(271,272)는 체결 기구로서의 기능과 고유 진동수 조절의 기능을 동시에 수행하게 된다.
도 4는 툴 인서트의 이동 궤적을 나타내는 개념도이다.
도 4에서 화살표는 절삭 대상(300)의 회전 방향을 나타내고 있으며, 도면 부호 310은 가공에 따라 발생하는 칩(chip)을 나타내고 있다. 그리고, 점선은 툴 인서트(210)의 이동 궤적을 나타내고 있으며, 이에 따르면, 툴 인서트(210)는 타원형(또는 원형) 궤적을 그리며 절삭 대상(300)을 절삭하고 있다.
이와 같이 툴 인서트(210)가 타원형(또는 원형) 궤적을 이루도록 하기 위한 제어 신호로서 정현파를 들 수 있다. 이러한 경우. 제1 및 제2액츄에이터(231,232)에는 서로 다른 위상의 정현파가 각각 인가된다.
예를 들어, 제1액츄에이터(231)가 변형되어 제1지지부(222)에 제어력이 인가되면, 툴 인서트(210)와 제1지지부(222)가 이루는 각도로 인하여 툴 인서트(210)에 전달되는 힘은 노멀 방향(툴 인서트 끝이 향하는 방향) 및 탄젠셜 방향(노멀 방향에 수직한 방향) 성분을 모두 갖고 있다. 이는 제2액츄에이터(232)의 경우에도 동일하다.
따라서, 제1 및 제2액츄에이터(231,232)에 위상차를 갖는 정현파를 각각 인가하면, 제1 및 제2지지부(222,223)에 가해지는 제어력의 크기가 교번적으로 증가 또는 감소하게 되는 바, 툴 인서트(210)가 타원형(또는 원형) 궤적을 그리며 이동하게 되는 것이다.
아울러, 이러한 정현파로서 초음파 대역 (10~20 kHz)의 주파수를 갖는 신호를 인가할 수 있으며, 이는 툴 인서트(210)가 초음파 대역의 고진동수로 진동되게 한다. 이와 같이, 툴 인서트(210)를 초음파 대역의 고진동수로 진동시킴에 따라 선삭가공시 툴 인서트(210)와 절삭 대상 사이에서 단속이 발생하게 되어 발생하는 열을 최소화할 수 있으며, 연성 모드 절삭(ductile mode cutting)이 가능하게 한다.
이상에서는 본 발명에 따른 마이크로 선반용 공구 모듈 및 이를 구비하는 마이크로 선반을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나,　본 발명은 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 절삭 대상을 절삭하기 위한 툴 인서트;
    상기 툴 인서트를 장착하기 위한 인서트 장착부와, 상기 인서트 장착부로부터 제1 및 제2방향으로 연장된 제1 및 제2지지부를 구비하는 툴 홀더;
    상기 제1 및 제2지지부를 각각 지지하며, 인가되는 전기적 신호에 상기 툴 홀더에 제어력을 인가하는 제1 및 제2액츄에이터; 및
    상기 제1 및 제2액츄에이터에 전기적으로 연결되며, 상기 툴 인서트가 원형 또는 타원형 궤적을 가지며 반복적으로 이동하도록 상기 제1 및 제2액츄에이터에 제어 신호를 인가하는 제어부를 포함하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2방향은 상기 인서트 장착부를 중심으로 서로 일정 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2액츄에이터는 전기적 신호에 의해 변형되는 압전 소자로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 및 제2액츄에이터에 서로 다른 위상을 갖는 정현파를 각각 인가하는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정현파는 초음파 대역의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2액츄에이터의 후단에 설치되며, 마이크로 선반의 지지대에 설치되는 베이스 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스 블록의 체결을 위한 체결 유닛을 더 포함하고,
    상기 체결 유닛은,
    상기 베이스 블록으로부터 상기 제1 및 제2액츄에이터를 각각 관통하여 제1 및 제2지지부에 각각 체결되는 제1 및 제2볼트; 및
    상기 베이스 블록의 후단에서 상기 제1 및 제2볼트에 체결되는 제1 및 제2로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2지지부에는 암나사홀이 각각 형성되고,
    상기 제1 및 제2볼트의 일단에는 수나사산이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2로드에는 암나사홀이 각각 형성되고,
    상기 제1 및 제2볼트의 타단에는 수나사산이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반용 공구 모듈.
  10. 선반 본체;
    상기 선반 본체 상에 설치되며, 절삭 대상을 회전시키기 위한 스핀들;
    상기 선반 본체에 수평 방향으로 이동 가능하게 설치되는 테이블;
    상기 테이블에 고정된 지지대에 설치되며, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항을 따르는 마이크로 선반용 공구 모듈을 포함하는 마이크로 선반.
  11. 제10항에 있어서, 상기 테이블은,
    상기 선반 본체에 제1축 방향으로 구동 가능하게 설치되는 제1테이블; 및
    상기 제1테이블 상에 제2축 방향으로 구동 가능하게 설치되는 제2테이블을 포함하고,
    상기 스핀들은 상기 제1축을 중심으로 절삭 대상을 회전 구동시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 선반.
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JPH10118811A (ja) 1996-10-18 1998-05-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 加工装置
KR19980072253A (ko) * 1997-03-03 1998-11-05 윤덕용 압전소자 미세절입장치를 이용한 정밀가공용 파상도 보정시스템
KR19990047279A (ko) * 1997-12-03 1999-07-05 김덕중 피에조세라믹 엑츄에이터의 구동장치

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