KR101208071B1 - 세라믹 핀용 나사산 가공장치 - Google Patents

세라믹 핀용 나사산 가공장치 Download PDF

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장종희
김수미
채승수
이상민
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김수미
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Abstract

세라믹 핀용 나사산 가공장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 세라믹 핀의 일측이 분리 가능하게 고정되는 척과, 세라믹 핀이 그 길이방향인 제1방향을 중심축으로 회전되도록 척을 회전시키는 척 구동수단과, 척 구동수단이 결합된 본체와, 본체에 제1방향 및 제1방향에 수직한 제2방향으로 이송 가능하게 결합된 공구대와, 공구대에 분리 가능하게 각각 고정되며, 복수의 연삭숫돌이 일렬로 결합된 회전축을 갖는 주 연삭수단 및 하나의 연삭숫돌이 결합된 회전축을 갖는 보조 연삭수단을 포함하고, 복수의 연삭숫돌의 가장자리 부분은 나사산의 나사산각에 상응하는 각도를 갖도록 형성되고, 복수의 연삭숫돌은 반경이 작은 것부터 큰 것 또는 반경이 큰 것부터 작은 것 순서로 배치되며, 복수의 연삭숫돌의 간격은 나사산의 피치의 정수배인 것을 특징으로 하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치가 제공될 수 있다.

Description

세라믹 핀용 나사산 가공장치{APPARATUS FOR WORKING SCREW THREAD OF CERAMIC PIN}
본 발명은 세라믹 핀용 나사산 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 웨이퍼, 사파이어 웨이퍼, 글라스 웨이퍼 등과 접촉되는 세라믹 소재의 핀 외주면에 나사산을 형성하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치에 관한 것이다.
반도체, 액정 디스플레이 등의 생산 과정에 적용되는 스퍼터(sputter) 공정, 포토(photo) 공정, 에칭(etching) 공정, 화학기상증착(Chemical Vapor deposition) 공정 등에는 웨이퍼를 지지체로부터 분리시키기 위한 밀핀(ejecting pin)이 사용된다.
상술한 웨이퍼는 실리콘, 사파이어, 글라스 등의 소재로 제조될 수 있는데, 표면에 흠집이 발생되거나 이물질이 부착되면 웨이퍼로부터 생산되는 최종 제품의 불량률이 높아지므로, 작업환경의 높은 청정도가 요구된다.
따라서, 웨이퍼에 접촉되는 밀핀 또한 웨이퍼의 표면에 흠집이 발생되는 것을 예방하기 위하여 정밀하게 가공되어야 하며, 밀핀으로부터 파편이 탈락되어 생성된 분진의 양이 최소화 될 수 있어야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위하여 웨이퍼용 밀핀으로는 알루미나(alumina)와 같은 세라믹 소재로 제조된 핀이 사용되고 있다.
그런데 세라믹 소재는 경도가 매우 높기 때문에 이를 가공하는 데에는 상당한 시간 및 노력이 소요되며, 특히 세라믹 핀을 구동장치에 결합시키기 위하여 세라믹 핀의 외주면에 나사산을 형성하는 가공 중에는 세라믹 핀이 파손되거나 나사산이 규격에 맞지 않게 형성되는 등 불량 발생률이 높은 편이다. 이런 이유로 세라믹 핀의 생산률은 저조하고, 그 가격은 상당히 높은 실정이다.
또한, 현재 세라믹 핀의 외주면에 나사산을 형성하는 가공에는 선반이나 머시닝 센터가 이용되고 있다. 상술한 바와 같이 세라믹 핀은 경도가 높기 때문에 이와 같은 가공장치들을 이용하여 세라믹 핀을 가공할 경우에는, 수율을 높이기 위해 연삭숫돌(grinding wheel)에 가해지는 부하를 증가시키면 연삭숫돌을 빈번하게 교체하여야 하고, 연삭숫돌의 보호를 위해 연삭숫돌에 가해지는 부하를 감소시키면 가공속도가 현저히 저하되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0403852호 대한민국 등록실용신안공보 제10-0377075호
본 발명의 실시예는 세라믹 핀의 외주면에 나사산을 형성하는 가공에 소요되는 시간과 비용을 절약하고, 가공된 세라믹 핀의 품질을 향상시키고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 세라믹 핀의 외주면에 나사산을 형성하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치로서, 상기 세라믹 핀의 일측이 분리 가능하게 고정되는 척과, 상기 세라믹 핀이 그 길이방향인 제1방향을 중심축으로 회전되도록 상기 척을 회전시키는 척 구동수단과, 상기 척 구동수단이 결합된 본체와, 상기 본체에 상기 제1방향 및 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 이송 가능하게 결합된 공구대와, 상기 공구대에 분리 가능하게 각각 고정되며, 복수의 연삭숫돌이 일렬로 결합된 회전축을 갖는 주 연삭수단 및 하나의 연삭숫돌이 결합된 회전축을 갖는 보조 연삭수단을 포함하고, 상기 복수의 연삭숫돌은 반경이 작은 것부터 큰 것 또는 반경이 큰 것부터 작은 것 순서로 배치되고, 상기 복수의 연삭숫돌 중 반경이 가장 큰 것의 가장자리 부분은 상기 나사산의 나사산각에 상응하는 각도를 갖도록 형성되고 그 외의 것은 반경이 작을수록 가장자리 부분의 각도가 증가되는 형상으로 형성되며, 상기 복수의 연삭숫돌 사이의 간격은 상기 나사산의 피치의 정수배인 것을 특징으로 하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치가 제공될 수 있다.
여기서 상기 주 연삭수단 및 보조 연삭수단은, 압축공기를 공급받아 각각의 상기 회전축을 회전시킬 수 있다.
한편 상기 공구대는, 상기 본체에 상기 제1방향 및 상기 제2방향으로 이송 가능하게 결합된 베이스와, 상기 베이스에 상기 제1방향과 상기 제2방향에 수직한 제3방향을 중심축으로 회전 가능하게 결합되고 상기 주 연삭수단 및 상기 보조 연삭수단이 각각 고정되는 지지프레임을 포함할 수 있다.
그리고 상기 공구대는, 상기 주 연삭수단 및 상기 보조 연삭수단을 각각 감싸는 형상으로 상기 주 연삭수단 및 상기 보조 연삭수단에 각각 결합되며 상기 지지프레임에 각각 안착되는 한 쌍의 홀더와, 상기 지지프레임에 결합되어 상기 한 쌍의 홀더를 상기 지지프레임에 각각 고정시키는 복수의 고정수단을 더 포함하고, 상기 한 쌍의 홀더에는 그 길이방향으로 리브가 각각 돌출 형성되고 상기 지지프레임에는 상기 리브가 삽입되는 그루브가 각각 형성되어 상기 한 쌍의 홀더는 상기 복수의 연삭숫돌 또는 상기 하나의 연삭숫돌이 상기 지지프레임 외부로 돌출 또는 상기 지지프레임 내부로 후퇴된 위치에서 상기 고정수단에 의해 고정될 수 있다.
또한 상기 공구대는, 상기 베이스 또는 상기 지지프레임에는 상기 제3방향으로 축돌기가 돌출 형성되고 상기 지지프레임 또는 상기 베이스에는 상기 축돌기에 상응하는 축홈이 형성되며, 상기 베이스 또는 상기 지지프레임에는 상기 축돌기의 중심축을 중심으로 하는 원호 형상의 호형 홈이 형성되고 상기 호형 홈의 일측면에는 치차부가 형성되며, 상기 치차부에 치합되는 피니언을 갖고 상기 지지프레임 또는 상기 베이스에 결합된 틸팅모터를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 세라믹 핀용 나사산 가공장치에는, 상기 본체에 설치되고 상기 나사산이 형성될 때 상기 세라믹 핀의 외주면에 절삭유체를 공급하는 절삭유체 순환부가 더 포함될 수 있다.
상기 절삭유체 순환부는, 상기 본체에 설치되어 상기 세라믹 핀의 외주면에 공급된 절삭유체를 수집하는 베이슨과, 상기 베이슨에 의해 수집된 상기 절삭유체에 포함된 이물질을 제거하는 절삭유체 재생수단과, 상기 절삭유체 재생수단을 거친 상기 절삭유체를 이송시키는 순환펌프와, 상기 순환펌프로부터 공급되는 상기 절삭유체를 상기 세라믹 핀의 외주면으로 공급하는 노즐을 포함할 수 있다,
상기 절삭유체 재생수단은, 상기 절삭유체가 통과되면 상기 이물질이 걸러지는 필터를 갖는 여과기와, 상기 이물질을 상기 절삭유체의 하측으로 침강시키는 침전조와, 상기 절삭유체에 소용돌이를 형성시키고 상기 소용돌이에 의해 발생되는 원심력에 의해 상기 이물질이 상기 절삭유체로부터 분리되도록 하는 하이드로사이클론을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 세라믹 핀의 외주면에 나사산을 형성하는 가공에 복수의 연삭숫돌을 적용함으로써 세라믹 핀 가공에 소요되는 시간이 절약되고 연삭숫돌에 가해지는 부하가 감소되어 그 수명이 연장되므로 세라믹 핀의 제조에 소요되는 시간 및 비용이 절약되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 복수의 연삭숫돌을 이용하여 가공 중에 세라믹 핀 및 연삭숫돌에 가해지는 부하가 감소되므로 가공 중에 발생되는 진동 등이 감소됨으로써 가공된 세라믹 핀의 품질이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 에어툴을 이용하여 연삭숫돌을 고속 회전시킴으로써 세라믹 핀의 가공성은 향상되고 가공 중 발생되는 분진의 발생은 최소화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예는 절삭유체에 혼입된 세라믹 핀의 분진을 제거함으로써 절삭유체의 수명을 연장시키고 절삭유체를 순환시키기 위한 절삭유체 순환부의 고장 발생률이 감소되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 사시도
도 2는 도 1에 도시된 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 평면도
도 3은 도 1에 도시된 공구대 및 연삭수단의 연결관계를 설명하기 위한 도면
도 4는 도 3에 도시된 홀더의 측면도
도 5는 도 3에 도시된 베이스 및 지지프레임의 분해사시도
도 6은 도 5의 A-A'에 따른 단면도
도 7은 도 1에 도시된 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 작동을 설명하기 위한 개념도
도 8은 도 7에 B로 표시한 부분의 확대도
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치로 칼라가 형성된 세라믹 핀을 가공하는 방법을 설명하기 위한 확대도
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치로 사다리꼴 나사산을 가공하는 방법을 설명하기 위한 확대도
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 절삭유체 순환부를 설명하기 위한 계통도
도 12는 도 11에 도시된 절삭유체 재생수단을 설명하기 위한 계통도
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 평면도이다. 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치(100)에는 본체(101), 척(110), 척 구동수단(111), 공구대(120), 제1 나사봉 구동수단(131), 제1 나사봉(132), 가이드레일(135), 제2 나사봉 구동수단(137), 제2 나사봉(138) 등이 포함된다.
세라믹 핀용 나사산 가공장치(100)의 본체(101)에는 척 구동수단(111)이 결합되고, 척 구동수단(111)에는 척(chuck, 110)이 결합될 수 있다. 자세하게 도시되지는 않았으나, 척(110)에는 복수의 조(jaw) 또는 복수의 클로(claw)가 구비되어 세라믹 핀(10)의 일측을 분리 가능하게 고정할 수 있다.
척 구동수단(111)은 척(110)을 회전시키는데, 척(110)에 고정된 세라믹 핀(10)의 길이방향과 나란한 방향인 제1 방향을 중심축으로 회전시킬 수 있다.
참고로, 본 명세서에서는 도 1에 표시한 좌표축 중 X축과 나란한 ??향, 즉 세라믹 핀(10)의 길이방향과 나란한 방향을 제1 방향이라 할 수 있다. 그리고, 제2 방향은 제1 방향과 수직한 Y축과 나란한 방향, 제3 방향은 제1 방향 및 제2 방향에 대하여 모두 수직인 Z축과 나란한 방향을 지칭할 수 있다.
공구대(120)는 본체(101)에 제1 방향 및 제2 방향으로 이송 가능하게 결합될 수 있다.
이를 위해서, 본체(101)에는 제1 나사봉 구동수단(131) 및 제1 회전지지부(133)가 설치될 수 있고, 제1 나사봉 구동수단(131) 및 제1 회전지지부(133)에는 제1 나사봉(132)의 일단부 및 타단부가 각각 결합될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 제1 나사봉 구동수단(131) 내에는 전동기 등의 구동수단이 설치되어 제1 나사봉(132)을 일방향 또는 타방향으로 회전시킬 수 있다. 제1 회전지지부(133)는 제1 나사봉(132)이 제1 나사봉 구동수단(131)에 의해 자유롭게 회전될 수 있도록 제1 나사봉(132)의 타단부를 회전 가능하게 지지할 수 있다.
또한, 제1 나사봉 구동수단(131) 또는 제1 회전지지부(133) 내에는 도시되지 않은 각도센서, 엔코더(encoder)와 포토 커플러(photo coupler)와 같은 각도측정수단 또는 회전속도측정수단이 설치되어 제1 나사봉(132)이 회전된 각도가 측정되도록 할 수 있다. 측정된 제1 나사봉(132)의 회전된 각도는 도시되지 않은 제어부로 전송될 수 있으며, 제어부는 제1 나사봉 구동수단(131)의 작동을 조절하여 제1 나사봉(132)의 회전방향, 회전량 및 회전속도 등을 제어할 수 있다.
제1 나사봉(132)의 외주면에는 수나사가 형성되어 있으며, 이 수나사에는 가이드레일(135)의 일단부가 나사결합 될 수 있다. 자세히 도시되지는 않았으나, 가이드레일(135)의 일단부에는 제1 나사봉(132)의 외주면에 형성된 수나사에 상응하는 암나사가 형성되어, 제1 나사봉(132)의 외주면에 가이드레일(135)의 일단부가 나사결합 될 수 있다.
가이드레일(135)의 타단부는 제1 방향과 나란한 방향으로 본체(101)에 설치된 리니어 모션 가이드(134)에 슬라이딩 이동 가능하게 결합될 수 있다. 이때, 가이드레일(135)의 길이방향은 제2 방향과 나란한 방향으로 배치될 수 있다.
따라서, 제1 나사봉(132)이 제1 나사봉 구동수단(131)에 의해 회전되면, 가이드레일(135)은 제1 방향과 나란한 방향으로 이송될 수 있다. 여기서, 제1 나사봉(132)의 회전방향에 따라 가이드레일(135)은 X축의 양의 방향 또는 음의 방향으로 이송될 수 있다.
가이드레일(135)상에는 그 길이방향을 따라 공구대(120)가 슬라이딩 이동 가능하게 결합될 수 있다. 가이드레일(135)에는 그 길이방향과 나란한 방향으로 가이드돌기(136)가 형성될 수 있으며, 공구대(120)에는 가이드돌기(136)에 상응하는 가이드홈(도 3의 1212 참조)이 형성되어 공구대(120)가 가이드레일(135)로부터 이탈되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 가이드레일(135)의 일단부에는 제2 회전지지부(139)가 설치되고, 타단부에는 제2 나사봉 구동수단(137)이 설치될 수 있다. 그리고 제2 나사봉 구동수단(137) 및 제2 회전지지부(139)에는 제2 나사봉(138)의 일단부 및 타단부가 각각 결합될 수 있다.
제2 나사봉(138)의 외주면에도 수나사가 형성되며, 이 수나사에는 공구대(120)가 나사결합 될 수 있다. 이를 위하여 공구대(120)에는 제2 나사봉(138)의 나사산에 상응하는 암나사가 내주면에 형성된 나사공(도 3의 1211 참조)이 형성되고, 여기에 제2 나사봉(138)이 나사결합 될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 제2 나사봉 구동수단(137) 내에도 제1 나사봉 구동수단(131)과 같이 전동기 등의 구동수단이 설치되어 제2 나사봉(138)을 일방향 및 타방향으로 회전시킬 수 있다. 그리고 도시되지는 않았으나 제2 나사봉 구동수단(137) 또는 제2 나사봉(138)을 회전 가능하게 지지하는 제2 회전지지부(139) 내에는 앞에서 설명한 바와 같은 각도측정수단 또는 회전속도측정수단이 설치될 수 있다.
따라서 도시되지 않은 제어부의 신호에 따라 제2 나사봉 구동수단(137)에 의해 제2 나사봉(138)이 회전되면, 공구대(120)는 가이드레일(135) 상에서 제2 방향과 나란한 방향으로 이송될 수 있다. 여기서, 제2 나사봉(138)의 회전방향에 따라 공구대(120)는 Y축의 양의 방향 또는 음의 방향으로 이송될 수 있다.
그러므로 도시되지 않은 제어부는, 공구대(120)를 제1 방향 및 제2 방향이 형성하는 평면, 즉, X축 및 Y축이 형성하는 XY평면과 나란한 평면 상에서 이송되도록 제어할 수 있다.
참고로, 척 구동수단(111) 내에도 전동기, 각도측정수단, 회전속도측정수단 등이 설치될 수 있으며, 각도측정수단 또는 회전속도측정수단에서 출력되는 신호는 앞에서 설명한 바와 같이 제어부(도시되지 않음)로 전달되고, 제어부(도시되지 않음)는 이 신호에 따라 전동기의 회전속도 및 각도를 제어하여 척(110)의 회전을 제어할 수 있다.
참고로, 앞에서 설명한 전동기로는 스테핑 모터, 인버터가 구비된 전기모터와 같이 회전속도 및 회전각도를 전기적으로 제어할 수 있는 것이 사용될 수 있다.
설명하지 않은 부호 150은 주 연삭수단이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치(100)는 앞에서 설명한 바와 같은 구조에 의해 세라믹 핀(10)이 고정된 척(110)의 회전속도 및 공구대(120)의 위치와 및 이송속도 등을 조절함으로써 주 연삭수단(150)이 세라믹 핀(10)의 외주면을 가공하여 나사산이 형성되도록 할 수 있다. 주 연삭수단(150)에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.
또한, 설명하지 않은 부호 183은 베이슨(basin)이다. 세라믹 핀(10)의 외주면이 가공되는 과정에서 다량의 열 및 분진이 발생될 수 있는데, 열을 발산시키고 분진의 비산 및 분진에 의한 가공효율의 저하를 방지하기 위하여 세라믹 핀(10)의 외주면에 절삭유체가 공급될 수 있다. 베이슨(183)은 이러한 절삭유체를 수집하기 위한 것으로, 이에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.
참고로, 절삭유체로는 물이나 절삭유 등 절삭가공에 사용되는 통상적인 것을 사용할 수 있으므로, 그 자체에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3에는 도 1에 도시된 공구대 및 연삭수단의 연결관계를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 공구대(120)에는 베이스(121), 지지프레임(122) 및 고정수단(1226), 한 쌍의 홀더(125, 126) 등이 포함될 수 있다. 그리고 공구대(120)에는 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 고정될 수 있다.
베이스(121)에는 나사공(1211) 및 가이드홈(1212)이 형성될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 나사공(1211)은 제2 나사봉(도 1의 138)에 나사결합 되는 부분이며, 가이드홈(1212)은 가이드레일(도 1의 135)에 형성된 가이드돌기(136)에 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 부분이다.
베이스(121)에 결합되는 지지프레임(122)에는 한 쌍의 홀더(125, 126)가 안착되는 홀더 안착부(1221, 1223)가 각각 형성되고, 홀더 안착부(1221, 1223)에는 그루브(1222, 1224)가 각각 형성될 수 있다.
한 쌍의 홀더(125, 126)는 도시된 바와 같이 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 내부에 각각 안착되는 연삭수단 안착부(1252, 1262)가 각각 형성될 수 있다. 한 쌍의 홀더(125, 126) 일측은 도시된 바와 같이 길이방향을 따라 개방되어 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)을 감싸는 형상으로 각각 결합될 수 있으며, 이 개방된 부분에 의해 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)은 한 쌍의 홀더(125, 126)에 각각 용이하게 안착될 수 있다.
한 쌍의 홀더(125, 126)에는 복수의 통공(1253, 1263)이 각각 형성될 수 있다. 이는 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 지지프레임(122)에 견고하게 고정되도록 하기 위한 것이다.
즉, 홀더 안착부(1221, 1223)에는 복수의 고정공(1225)이 형성되며, 복수의 고정공(1225)에는 고정수단(1226)이 각각 결합될 수 있다. 고정수단(1226)으로는 나사 등이 사용될 수 있으며, 고정공(1225)의 내주면에는 암나사 등이 형성되어 고정수단(1226)과 견고하게 체결될 수 있다. 참고로, 도면에는 편의상 일부분의 고정수단(1226)만을 나타내었으나, 복수의 고정공(1225) 전체에 고정수단(1226)이 체결될 수 있다.
한 쌍의 홀더(125, 126)에 각각 형성된 통공(1253, 1263)은 고정공(1225)에 상응하는 위치에 각각 형성된다. 따라서 한 쌍의 홀더(125, 126)를 홀더 안착부(1221, 1223)에 각각 안착시킨 후 고정수단(1226)을 고정공(125)에 결합시키면 고정수단(1226)의 단부가 통공(1253, 1263)을 관통하여 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)을 가압하게 되며, 이에 의해 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 지지프레임(122)에 견고하게 각각 고정될 수 있다.
참고로, 도시된 바와 같이, 한 쌍의 홀더(125, 126)가 홀더 안착부(1221, 1223)에 각각 안착될 때, 한 쌍의 홀더(125, 126)에 각각 형성된 개방된 부분이 홀더 안착부(1221, 1223)의 내측을 향하도록 하면 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 한 쌍의 홀더(125, 126)의 개방된 부분을 통하여 이탈되는 것이 방지될 수 있다.
한 쌍의 홀더(125, 126)에는 그 길이방향을 따라 리브(1254, 1264)가 각각 돌출 형성될 수 있다.
도 4에는 도 3에 도시된 홀더(125)의 측면도가 도시되어 있다. 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
홀더(125)의 저면에 형성된 리브(1254)는 도 4에 도시된 바와 같이 그루브(1222)와 상응하도록 형성된다. 이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 그루브(1222, 1224)는 도 3에 도시된 바와 같이 홀더 안착부(1221, 1223) 전체에 형성되지 않고 부분적으로 형성된다. 따라서 그루브(1222, 1224)에 상응하는 리브(1254, 1264) 또한 홀더(125, 126)의 전체길이보다는 짧게 형성된다.
이는 한 쌍의 홀더(125, 126)가 홀더 안착부(1221, 1223) 내에서 슬라이딩 이동될 수 있는 범위를 제한하기 위한 것으로, 한 쌍의 홀더(125, 126)는 홀더 안착부(1221, 1223)의 일방향으로는 완전히 분리될 수 있으나, 타방향으로는 홀더 안착부(1221, 1223) 외부로 이동되지 않게 된다. 이에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
주 연삭수단(150)에는 연삭수단 본체(151), 회전축(152), 연삭숫돌(153) 및 급기관(154)이 포함될 수 있다. 회전축(152)의 일측은 연삭수단 본체(151)에 회전 가능하게 설치되고, 회전축(152)의 타측에는 복수의 연삭숫돌(153)이 결합된다. 회전축(152)은 길이방향이 연삭수단 본체(151)와 나란하게 배치될 수 있다.
급기관(154)은 연삭수단 본체(151)에 압축공기를 공급하기 위한 것으로, 급기관(154)을 통하여 압축공기가 공급되면 회전축(152)이 고속으로 회전하게 된다. 이는, 주 연삭수단(150)이 압축공기를 동력으로 사용하는 에어툴(air tool)인 것을 예로 든 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치(100)는 연삭숫돌(153)을 고속으로 회전시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.
만약 전동기로도 충분히 높은 속도로 연삭숫돌(153)을 회전시킬 수 있다면, 연삭수단 본체(151) 내에 이러한 전동기가 설치되고, 급기관(154)은 이러한 전동기에 전력을 공급하기 위한 전선으로 대체될 수도 있다.
보조 연삭수단(160) 연삭수단 본체(161), 회전축(162), 연삭숫돌(163) 및 급기관(164)이 포함될 수 있는데, 이들의 연결관계 및 특징은 앞에서 설명한 주 연삭수단(150)과 같으므로, 보조 연삭수단(160)에 대한 설명은 주 연삭수단(150)에 대한 설명으로 갈음하기로 한다.
단, 주 연삭수단(150)의 회전축(152)에는 복수의 연삭숫돌(153)이 결합되나, 보조 연삭수단(160)의 회전축(162)에는 하나의 연삭숫돌(163)이 결합되는 점이 상이하다. 주 연삭수단(150)의 복수의 연삭숫돌(153)에 대해서는 아래에서 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
공구대(120)에 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 모두 설치된 경우, 주 연삭수단(150)으로 세라믹 핀(도 1의 10)을 가공할 때 보조 연삭수단(160)이 간섭을 일으키거나, 그 반대의 경우가 발생될 수도 있다. 따라서, 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160) 중 세라믹 핀(도 1의 10)의 가공에 사용되는 것만 그 연삭숫돌(153, 163)이 공구대(120)로부터 돌출되어 사용되도록 함으로써 이러한 간섭이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)에 각각 결합된 한 쌍의 홀더(125, 126) 중 세라믹 핀(도 1의 10)의 가공에 사용되지 않는 것은 지지프레임(122)의 일방향으로 슬라이딩 이동시켜 연삭숫돌(153, 163)이 지지프레임(122)의 외부로 돌출되지 않고 지지프레임(122) 내부에 위치에 위치되도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 주 연삭수단(150)을 이용하여 핀(10)을 가공하는 경우에는 보조 연삭수단(160)은 홀더(126)를 부분적으로 슬라이딩 이동시켜서 연삭숫돌(163)이 지지프레임(122)의 외부로 돌출되지 않고 홀더 안착부(1223) 내에 위치되도록 할 수 있다. 이 과정에서 고정수단(1226)을 고정공(1225)으로부터 분리한 후 홀더(126)를 소정의 위치까지 슬라이딩 이동시킨 다음 고정수단(1226)을 고정공(1225)에 다시 체결시키면 연삭숫돌(163)이 홀더 안착부(1223) 내에 위치된 상태로 고정시킬 수 있다.
도시되지는 않았으나, 세라믹 핀(10)의 가공에 보조 연삭수단(160)을 사용하는 경우에는 주 연삭수단(150)의 연삭숫돌(153)이 홀더 안착부(1221) 내에 위치되도도록 홀더(125)를 슬라이딩 이동시킬 수 있고, 보조 연삭수단(160)의 연삭숫돌(163)이 지지프레임(122)의 외부로 돌출될 수 있도록 홀더(126)를 슬라이딩 이동시킬 수 있다. 이때, 리브(1254, 1264)는 그루브(1222, 1224)에 의해 각각 가이드 되어 홀더(125, 126)가 지지프레임(122)에 대하여 원활하게 슬라이딩 이동되도록 할 수 있다.
반대로 연삭숫돌(153, 163)을 지지프레임(122) 외부로 돌출되도록 슬라이딩 이동시킬 때에는 리브(1254, 1264)의 단부가 그루브(1222, 1224)의 단부에 접하게 되어 슬라이딩 이동범위가 일정하게 제한될 수 있다. 즉, 연삭숫돌(153, 163)이 세라믹 핀(10)을 향한 방향으로 과도하게 돌출되는 것이 방지될 수 있다.
따라서 작업자는 사용하고자 하는 연삭숫돌(153, 163)을 지지프레임(122)으로부터 돌출시키고자 할 때 홀더(125, 126)를 지지프레임(122) 내로 슬라이딩 가능한 범위까지 이동시키기만 하면 되므로 작업의 편의성이 향상될 수 있다.
다만, 이를 위해서는 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 각각 결합된 홀더(125, 126)의 상대적인 위치가 변경되지 않아야 하므로, 홀더(125, 126)는 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)에 다소 억지끼워맞춤 형식으로 각각 결합되도록 할 수 있다. 또는, 도시되지는 않았으나 홀더(125, 126)에 연삭수단 본체(151, 161)의 특정 부분이 안착되는 돌기 또는 홈이 형성되도록 할 수도 있다.
참고로, 홀더(125, 126)는 앞에서 설명한 바와 같이 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)의 위치를 용이하게 각각 변경시키기 위한 것으로, 경우에 따라서는 홀더(125, 126)를 사용하지 않고 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)이 직접 지지프레임(122)의 홀더 안착부(1221, 1223)에 각각 안착된 후 고정수단(1226)에 의해 고정될 수도 있다.
도 5에는 도 3에 도시된 베이스 및 지지프레임의 분해사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에 표시된 A-A'에 따른 단면도가 도시되어 있다. 도 5 및 도 6을 함께 참조하여 설명한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 공구대(도 3의 120)에는 베어링(123) 및 틸팅모터(124)가 더 포함될 수 있다. 그리고, 베이스(121)에는 축돌기(1213), 호형 홈(1214) 및 치차부(1215)가 형성될 수 있고, 지지프레임(122)에는 축홈(1229)이 형성될 수 있으며, 틸팅모터(124)에는 감속기(1241) 및 피니언(1242)이 포함될 수 있다.
베이스(121)에는 축돌기(1213)가 돌출 형성될 수 있다. 축돌기(1213)는 앞에서 설명한 제1 방향 및 제2 방향에 모두 수직한 제3 방향, 즉 도 1에 도시된 좌표축의 Z축과 나란한 방향으로 돌출 형성될 수 있다.
호형 홈(1214)은 원호 형상을 갖는데, 이 원호는 축돌기(1213)의 중심축 중의 한 점을 중심으로 하고 제1 방향 및 제2 방향이 이루는 XY평면 상에 형성된 원의 일부분일 수 있다. 호형 홈(1214)에 형성된 양측의 측벽 중 어느 한 쪽에는 치차부(1215)가 형성될 수 있다.
지지프레임(122)에는 축돌기(1213)에 상응하는 축홈(1229)이 형성될 수 있다. 따라서, 베이스(121) 및 지지프레임(122)이 결합되면 축돌기(1213)가 축홈(1229)에 삽입되며, 지지프레임(122)은 축돌기(1213)를 중심축으로 하여 베이스(121)에 대하여 회전될 수 있다. 즉, 지지프레임(122)은 베이스(121)에 대하여 제3 방향을 중심으로 회전 될 수 있다.
베이스(121) 및 지지프레임(122)의 원활한 회전을 위하여 축돌기(1213) 및 축홈(1229)에는 베어링(123)이 개재될 수 있다.
한편 지지프레임(122)에는 틸팅모터(124)가 결합될 수 있다. 틸팅모터(124)에 구비된 감속기(1241)는 틸팅모터(124)의 회전속도를 낮추고 토크를 증가시켜 피니언(1242)에 전달하기 위한 것으로, 도시되지는 않았으나 경우에 따라서는 감속기(1241) 없이 틸팅모터(124)에 피니언(1242)이 직접 결합될 수도 있다.
베이스(121) 및 지지프레임(122)이 서로 결합되면 피니언(1242)은 호형 홈(1214) 내에 삽입되며 치차부(1215)에 치합될 수 있다. 이때, 호형 홈(1214)의 폭은 피니언(1242)의 외경보다 다소 넓게 형성되어 피니언(1242)이 치차부(1215)에 치합된 상태로 원활히 회전되도록 할 수 있다.
이와 같은 구조에 의해, 틸팅모터(124)가 작동되면 지지프레임(122)은 베이스(121)에 대하여 제3 방향(도 1의 Z축 참고)을 중심으로 회전될 수 있으며, 그 회전되는 방향은 틸팅모터(124)가 피니언(1242)을 회전시키는 방향에 따라 결정될 수 있다.
따라서, 도시되지는 않았으나, 틸팅모터(124) 또는 감속기(1241)에는 피니언(1242)의 회전각도 또는 회전속도를 측정하는 각도측정수단 및 히전속도측정수단이 설치될 수 있으며, 틸팅모터(124)로는 스테핑 모터 등이 사용될 수 있다. 도시되지 않은 제어부는 각도측정수단 및 회전속도측정수단의 신호를 수신하여 틸팅모터(124)를 소정의 방향으로 소정의 각도만큼 소정의 속도로 회전되도록 함으로써, 사용자가 원하는 방향으로 원하는 각도만큼 원하는 속도로 지지프레임(122)을 베이스(121)에 대하여 회전되도록 할 수 있다.
참고로, 호형 홈(1214)은 틸팅모터(124)가 설치될 공간을 확보하기 축돌기(1213)와 다소 이격된 위치에 형성될 수 있다. 그리고, 도시되지는 않았으나, 축돌기(1213)는 지지프레임(122)에 형성되고 축홈(1229)은 베이스(121)에 형성될 수도 있으며, 호형 홈(1214) 및 치차부(1215)가 지지프레임(122)에 형성되고 틸팅모터(124)가 베이스(121)에 설치될 수도 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 작동을 설명하기 위한 개념도가 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 연삭수단 본체(151)가 세라믹 핀(10)에 접근하여 세라믹 핀(151)의 외주면이 연삭숫돌(도 3의 153 참조)에 의해 가공되고 있다. 세라믹 핀(10)은 앞에서 설명한 바와 같이 척(110)에 의해 소정의 방향으로 회전된다.
이때, 연삭수단 본체(151)는 공구대(도 1의 120)의 이동에 따라 제1 방향(X축과 나란한 방향) 및 제2 방향(Y축과 나란한 방향)으로 이동되면서 세라믹 핀(10)의 표면을 가공하여 나사산을 형성하게 된다.
세라믹 핀(10)의 외주면에는 가공효율을 높이기 위해 노즐(181)을 통하여 절삭유체가 공급될 수 있다. 노즐(181)에는 절삭유체를 공급하는 연결관(182)이 연결될 수 있는데, 노즐(181) 및 연결관(182) 등에 관해서는 아래에서 도 11 및 도 12를 참조하여 다시 설명한다.
도 8에는 도 7에 B로 표시한 부분의 확대도가 도시되어 있다. 도 8을 참조하여 세라믹 핀(10)의 표면에 나사산이 형성되는 과정을 설명한다.
도 8을 참조하면, 세라믹 핀(10)의 외주면이 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533, 도 3의 153 참조)에 의해 가공되고 있다.
세라믹 핀(10)에 점선으로 표시된 것은 가공목표선(TL1)으로, 세라믹 핀(10)의 외주면에 나사산(13)을 형성하기 위하여 가공되어야 할 부분을 나타낸 것이다. 따라서, 세라믹 핀(10)의 외주면은 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에 의해 가공목표선(TL1)까지 가공될 수 있다.
복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)의 수는 필요에 따라 가감될 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치(도 1의 100)는 세 개의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)을 사용하는 것을 예로 들기로 한다. 설명의 편의상 세 개의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)을 각각 제1 연삭숫돌(1531), 제2 연삭숫돌(1532) 및 제3 연삭숫돌(1533)이라 칭한다.
복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)은 도시된 바와 같이 회전축(152)에 각각 결합되는데, 그 반경은 각각 상이할 수 있다. 즉, 회전축(152)의 중심축을 기준으로 하였을 때 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)의 가장자리까지의 거리인 반경(R1, R2, R3)은 서로 다르게 형성될 수 있다.
복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)은 회전축(152)의 단부로부터 반경이 작은 것에서 반경이 큰 순서로 배치될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 회전축(152)의 단부에 반경(R1)이 가장 작은 제1 연삭숫돌(1531)이 배치되고, 그 다음으로 반경(R2)이 큰 제2 연삭숫돌(1532)이 배치되며, 그 다음으로 반경(R3)이 큰 제3 연삭숫돌(1533)이 배치될 수 있다.
이와 같이 반경이 작은 것부터 큰 순서로 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)이 배치된 경우, 공구대(도 1의 120)를 이송시켜 척(도 1의 110)에 고정된 세라믹 핀(10)의 단부에 근접시킨 후, 반경이 가장 작은 제1 연삭숫돌(1531)부터 세라믹 핀(10)의 외주면을 가공하도록 할 수 있다.
제1 연삭숫돌(1531)이 세라믹 핀(10)의 외주면을 연삭하는 가공이 시작되면, 제어부(도시되지 않은)는 공구대(120)를 도면에 화살표로 표시한 제1방향과 나란한 방향 중 X축의 음의 방향, 즉 척(110)이 배치된 방향을 향하여 이송시켜 제2 연삭숫돌(1532) 및 제3 연삭숫돌(1533)이 순서대로 세라믹 핀(10)의 외주면에 도달되어 가공이 되도록 할 수 있다.
여기서 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533) 사이의 간격들(Pa, Pb)은, 세라믹 핀(10)에 형성하고자 하는 나사산(13)의 피치(Pt)의 정수배가 될 수 있다. 즉, 제1 연삭숫돌(1531) 및 제2 연삭숫돌(1532) 사이의 간격(Pa)이 피치(Pt)의 정수배가 될 수 있고, 제2 연삭숫돌(1532) 및 제3 연삭숫돌(1533) 사이의 간격(Pb) 또한 피치(Pt)의 정수배가 될 수 있다. 예를 들어, 도시된 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)은 그 사이의 간격들(Pa, Pb)이 피치(Pt)의 두 배가 되도록 각각 배치된 것이다.
한편 공구대(120)는 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)이 나사산(13)의 골이 형성될 부분을 따라 이동되도록 이송될 수 있다. 이는 공구대(120)가 세라믹 핀(10)이 1회전 할 때 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)이 나사산(13)의 피치(Pt)만큼 이송되도록 함으로써 구현할 수 있다.
따라서 제1 연삭숫돌(1531)이 세라믹 핀(10)의 외주면을 연마하여 제1 가공부(M1)를 형성한 후, 제1 가공부(M1)에는 제2 연삭숫돌(1532)이 도달되어 제2 가공부(M2)가 형성되며, 제2 가공부(M2)에는 제3 연삭숫돌(1533)이 도달되어 제3 가공부(M3)가 형성된다. 도시된 바와 같이, 제3 가공부(M3)는 세라믹 핀(10)의 외주면에 형성하고자 하는 나사산(13)의 최종형상이 되도록 할 수 있다.
다만, 도시되지는 않았으나 세라믹 핀(10)의 외주면에 형성하고자 하는 나사산(13)의 골의 깊이(D)가 깊어서 가공량(E1, E2, E3)이 많을 경우에는 공구대(10)를 반복적으로 이송시켜 가장 큰 연삭숫돌(1533)이 최종적으로 가공목표선(M1)에 도달됨으로써 나사산(13)이 형성되도록 할 수도 있다.
예를 들어, 도시되지는 않았으나, 나사산(13)을 최종 가공하는 제3 연삭숫돌(1533)에 의한 제3 가공부(M3)가 가공목표선(TL1)까지 한 번에 도달될 수 없는 경우에는, 우선 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)이 가공목표선(TL1)의 일부분을 가공하도록 공구대(120)를 이송시키고, 제3 연삭숫돌(1533)에 의한 제3 가공부(M3)가 점차 가공목표선(TL1)에 도달될 수 있도록 공구대(120)를 제2방향과 나란한 방향 중 Y축의 양의 방향으로 적당량 이송시킨 후 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)을 다시 제1 방향과 나란한 방향 중 X축의 음의 방향으로 이송시켜 세라믹 핀(10)의 가공이 반복되도록 함으로써 나사산(13)이 형성되도록 할 수도 있다.
여기서, 제1 연삭숫돌(1531)에 의한 가공량(E1), 제2 연삭숫돌(1532)에 의한 가공량(E2-E1) 및 제3 연삭숫돌(1533)에 의한 가공량(E3-E2)의 차이가 작아질수록 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에 의해 회전축(152)에 가해지는 토크의 편차가 작아질 수 있다.
복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에 의해 회전축(152)에 가해지는 편차가 클 경우에는 가공과정에서 회전축(152)에 진동이 발생되어 최종적으로 형성된 나사산(13)의 표면에 요철이 발생되는 등 나사산(13)의 품질이 저하될 가능성이 있다. 따라서 앞에서 언급했던 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533) 간의 가공량의 차이가 최소화 될 수 있도록, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533) 각각의 가공량(E1, E2, E3)을 고려하여 반경(R1, R2, R3)의 크기를 결정할 수 있다.
가공량(E1, E2, E3)은 세라믹 핀(10)의 표면으로부터 제거된 칩의 발생량과 비례하는 것으로 볼 수 있으므로, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에 의한 칩 발생량을 각각 측정하고 이들의 편차를 감소시킬 수 있는 반경(R1, R2, R3)을 산출함으로써 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)의 규격을 결정할 수도 있다.
이와 같이 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에 의해 세라믹 핀(10)의 외주면이 점진적으로 가공되도록 함으로써, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에 가해지는 부하를 최소화 할 수 있고, 이에 따라 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)의 수명이 연장될 수 있으며 가공된 나사산(10)의 표면상태의 품질이 향상될 수 있다.
한편, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)의 가장자리 부분의 각도를 각각 θ1, θ2, θ3이라고 하면, 이들 중 반경이 가장 큰 제3 연삭숫돌(1533)의 가장자리 부분의 각도(θ3)는 세라믹 핀(10)의 외주면에 형성하고자 하는 나사산(13)의 나사산각(angle of thread, θ)에 상응하는 각도를 갖도록 형성될 수 있다. 그리고, 그 외의 연삭숫돌(1531, 1532)은 반경(R1, R2)이 작을수록 가장자리 부분의 각도(θ1, θ2)가 증가되도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 제3 연삭숫돌(1533)의 가장자리 부분의 각도(θ3)는 나사산각(θ)과 같은 값을 가질 수 있고, 제2 연삭숫돌(1532)의 가장자리 부분의 각도(θ2)는 제3 연삭숫돌(1533)의 가장자리 부분의 각도(θ3)보다 크며, 제1 연삭숫돌(1531)의 가장자리 부분의 각도(θ1)는 제2 연삭숫돌(1532)의 가장자리 부분의 각도(θ2)보다 크게 형성될 수 있다.
이와 같이, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)이 최종 가공을 하는 제3 연삭숫돌(1533)을 기준으로 그 반경이 작아질수록 가장자리 부분의 각도가 증가되는 형상을 갖도록 함으로써, 제1 연삭숫돌(1531)에 의해 가공된 부분(E1)에 제2 연삭숫돌(1532)이 도달하게 되었을 때 제2 연삭숫돌(1532)의 가장자리 부분이 용이하게 나사산(13)의 골이 형성될 부분에 위치하여 가공을 하게 되는 효과를 얻을 수 있으며, 이는 제2 연삭숫돌(1532)에 의해 가공된 부분(E2)에 제3 연삭숫돌(1533)이 도달하게 되었을 때에도 마찬가지이다.
참고로, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)은 회전축(152)에 견고하게 각각 고정되며, 복수의 연삭숫돌(1531, 1532, 1533)에는 경도가 높은 세라믹 핀(10)을 용이하게 가공하기 위하여 다이아몬드가 전착(electrodeposition)될 수 있다.
그리고 앞에서 언급했던 바와 같이, 주 연삭수단(도 3의 150) 및 보조 연삭수단(도 3의 160)으로는 에어툴이 사용될 수 있다. 미시적으로 보았을 때, 연삭숫돌(1531, 1532, 1533, 도 3의 163)은 그 회전속도가 높을수록 전착된 다이아몬드 입자 하나가 제거해야 하는 피삭재의 양이 적어질 수 있다. 제거해야 하는 피삭재의 양이 적어질수록 연삭숫돌(1531, 1532, 1533, 163)에 가해지는 저항력이 감소될 수 있고, 그 수명이 증가될 수 있으며, 피삭재에 가해지는 힘도 감소되어 피삭재가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)으로써 에어툴이 사용될 수 있는 이유는 연삭숫돌(1531, 1532, 1533, 163)을 높은 속도로 회전시키기 위한 것으로, 에어툴 외에도 연삭숫돌(1531, 1532, 1533, 163)을 고속으로 회전시키는 것이 가능한 장치라면 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)으로 사용될 수 있다.
주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)으로 에어툴을 사용할 경우에는 연삭숫돌(1531, 1532, 1533, 163)을 25000 내지 69000rpm의 범위에서 회전시킬 때 가공된 세라믹 핀(10)의 불량발생률이 감소하고 생산량이 증대되는 것을 실험결과 확인할 수 있었다.
도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치로 칼라가 형성된 세라믹 핀을 가공하는 과정을 설명하기 위한 확대도가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 세라믹 핀(20)에는 칼라(21)가 형성되어 있다. 칼라(21)는 세라믹 핀(20)이 도시되지 않은 장치에 결합될 때 결합위치를 결정하기 위해 형성될 수 있다.
도시된 바와 같이 세라믹 핀(20)의 외주면에 칼라(21)가 돌출 형성된 경우에는 칼라(21)의 간섭에 의해 복수의 연삭숫돌(도 8의 1531, 1532, 1533)의 이송범위가 제한될 수 있다.
따라서, 앞에서 설명한 바와 같이 복수의 연삭숫돌(도 8의 1531, 1532, 1533)이 반경이 작은 것에서부터 큰 것 순서로 회전축(도 8의 152)에 배치된 경우에는 칼라(21)에 의해 나사산(23)을 형성하기 위한 가공목표선(TL2)까지 복수의 연삭숫돌(도 8의 1531, 1532, 1533)이 가공을 행하지 못할 수도 있다.
이런 경우에는, 앞에서 설명했던 보조 연삭수단(도 3의 160)에 설치된 보조 연삭숫돌(163)을 이용하여 가공 완료되지 못한 부분을 가공목표선(TL2)까지 가공함으로써 세라믹 핀(20)의 외주면에 나사산(23)이 형성되도록 할 수 있다.
여기서, 보조 연삭수단(도 3의 160)을 이용하여 세라믹 핀(20)을 가공하기 위해서는 보조 연삭숫돌(163)이 지지프레임(도 3의 122) 외부로 돌출되도록 보조 연삭수단(도 3의 160)이 안착된 홀더(126)를 척(도 1의 110) 방향으로 슬라이딩 이동시킨 후 고정수단(도 3의 1226)으로 고정하고, 주 연삭수단(도 3의 150)이 안착된 홀더(도 3의 125)는 반대 방향으로 슬라이딩 이동시켜서 복수의 연삭숫돌(도 3의 153)이 지지프레임(122) 내에 위치되도록 한 후 고정수단(1226)에 의해 고정되도록 할 수 있다.
한편, 나사산(23)의 골의 깊이(D)가 깊은 경우에는, 한 번의 공구대(도 3의 120) 이송으로 가공목표선(TL2)까지 도달까지 가공하지 않고 공구대(도 3의 120)를 수 차례 반복 이송하여 나사산(23)의 형성을 완료할 수 있다.
참고로 도시되지는 않았으나, 세라믹 핀(20)에 칼라(21)가 형성된 경우에는 도 8에 도시된 복수의 연삭숫돌(도 8의 1531, 1532, 1533)의 직경이 큰 것 제3 연삭숫돌(1533)을 회전축(도 8의 152)의 단부에 배치하고, 이후 제2 연삭숫돌(1532)과 제1 연삭숫돌(1531) 순서로 배치할 수도 있다. 이럴 경우에는 세라믹 핀(도 8의 10)을 가공할 때 공구대(도 3의 120)가 이송되는 방향이 도 8에 도시된 화살표와 반대 방향이 될 수 있다.
도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치로 사다리꼴 나사산을 가공하는 과정을 설명하기 위한 확대도가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 세라믹 핀(30)의 외주면이 보조 연삭숫돌(163)에 의해 가공되고 있다. 이때, 도시된 바와 같이 세라믹 핀(30)의 외주면에 형성하고자 하는 나사산(33)의 형상이 사다리꼴이고, 나사산(33)의 경사면 각도가 앞에서 설명한 나사산(도 8의 13, 도 9의 23)과 상이한 경우에는, 점선으로 표시한 바와 같이 회전축(162)의 각도를 변경시켜 보조 연삭숫돌(163)이 가공목표선(TL3)을 따라 가공을 행하도록 할 수 있다.
회전축(162)의 각도는, 도 4를 참조하여 설명했던 바와 같이 틸팅모터(도 4의 124)를 구동시켜 베이스(도 4의 121)에 대하여 보조 절삭수단(도 3의 160)이 고정된 지지프레임(122)의 각도가 제3 방향을 중심으로 회전되도록 함으로써 구현할 수 있다. 이때 제어부(도시되지 않음)는 형성하고자 하는 나사산(33)의 경사면 각도를 입력 받아서 보조 연삭숫돌(163)의 표면이 경사면의 각도에 이르도록 회전축(162)의 각도를 변경시키고, 그 상태로 공구대(도 1의 120)를 제1 방향과 나란한 방향으로 이송되도록 함으로써 나사산(33)이 형성되도록 가공할 수 있다.
보조 연삭숫돌(163)을 이용하여 나사산(33)을 형성할 경우, 도 8을 참조하여 설명했던 복수의 연삭숫돌(도 8의 1531, 1532, 1533)을 이용하여 미리 세라믹 핀(30)의 외주면을 부분적으로 가공하여 전 가공부(M11)를 형성한 다음, 보조 연삭숫돌(163)을 이용하여 후 가공부(M21)를 형성하는 가공을 함으로써 나사산(33)을 형성하는 데 소요되는 시간을 절약할 수도 있다.
참고로, 도시되지는 않았으나 사다리꼴 나사 외에도 회전축(162)의 각도변경 및 공구대(도 1의 120)의 이송방향을 적절히 조합하면 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치(도 1의 100)를 이용하여 둥근나사, 사각나사 등도 가공할 수 있으며, 이러한 동작을 위하여 제어부(도시되지 않음)에 프로그램을 미리 입력함으로써 가공 과정을 자동화하는 것도 가능하다.
그리고, 도시되지는 않았으나 공구대(120), 주 연삭수단(150) 및 보조 연삭수단(160)에는 가공 중 회전축(152, 162)의 길이방향에 대하여 수직한 방향으로 가해지는 힘을 측정하는 센서를 설치하고, 이 센서의 신호를 측정하여 가공 중의 회전축(152, 162)과 세라믹 핀(도 8의 10, 도 9의 20, 30) 사이의 거리, 즉 세라믹 핀(10, 20, 30)이 가공되는 깊이를 조절함으로써 가공에 의한 부하의 크기가 적절한 범위 내에 있도록 할 수 있다.
도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치의 절삭유체 순환부를 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치(100)의 본체(101)에는 베이슨(183)이 설치된다. 앞에서 설명한 바와 같이 세라믹 핀(도 1의 10)을 가공하여 나사산을 형성할 때에는 그 외주면에 절삭유체가 공급될 수 있다. 절삭유체는 노즐(181)을 통하여 세라믹 핀(도 1의 10)의 외주면으로 분사되도록 할 수 있고, 노즐(181)은 연결관(182)을 통하여 절삭유체를 공급받을 수 있다.
자원 및 비용을 절감하기 위하여, 사용된 절삭유체를 다시 수집한 다음 그 내부에 포함된 이물질을 제거하여 재생시킨 후 재사용할 수 있다.
이를 위하여, 본체(101) 내에는 집유관(184), 절삭유 재생수단(190), 이송관(185), 순환펌프(186), 관이음장치(187) 등이 설치될 수 있다.
노즐(181)을 통해 세라믹 핀(10)의 외주면으로 공급되었던 절삭유체는 베이슨(183)에 의해 수집되고, 베이슨(183)에 연결된 집유관(184)을 통하여 절삭유체 재생수단(190)으로 이동될 수 있다.
절삭유체 재생수단(190)은 절삭유체 내에 포함된 세라믹 핀(10)의 가공에 의해 발생된 칩, 연삭숫돌(도 3의 153, 163)의 파편 등의 이물질을 제거한다. 절삭유체 재생수단(190)을 거치며 이물질이 제거된 절삭유체는 이송관(185)에 설치된 순환펌프(186)에 의해 이송관(185)을 통하여 관이음장치(187)로 유동된다.
관이음장치(187)에는 연결관(182)이 탈착 가능하게 결합될 수 있고, 절삭유체는 연결관(182)을 통하여 노즐(181)로 다시 공급되는 순환 과정을 거치게 된다.
도 12에는 도 11에 도시된 절삭유체 재생수단의 계통도가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 절삭유체 재생수단(190)에는 여과기(191), 침전조(192), 하이드로 사이클론(193) 및 저장조(194) 등이 포함될 수 있다.
여과기(191)는 도시되지 않은 필터가 그 내부에 설치되어, 앞에서 설명한 집유관(184)을 통하여 유입되는 절삭유체가 이러한 필터를 통과되도록 함으로써 이물질을 제거할 수 있다.
그러나 세라믹 핀(도 1의 10)의 물질적인 특성에 따라 가공 과정에서 발생되는 칩은 매우 미세한 것이 포함될 수 있다. 따라서, 절삭유체가 여과기(191)를 거친 후에도 그 내부에 미세한 이물질이 잔류할 수 있다.
여과기(191)를 거친 절삭유체는 이송관(L1)에 설치된 펌프(P1)에 의해 침전조(192)로 유동될 수 있다.
침전조(192)에는 유입된 절삭유체가 저장되는 공간이 형성된 침전조 본체(1921) 및 침전조 본체(1921) 내의 공간을 구획하는 복수의 격벽(1923)이 포함될 수 있다.
여기서 복수의 격벽(1923)은 소정의 높이를 갖도록 형성되고, 절삭유체가 도시된 바와 같이 복수의 격벽(1923)을 넘어서 유동되도록 설치될 수 있다. 따라서, 절삭유체는 복수의 격벽(1923)에 의해 복수로 구획된 침전조 본체(1921) 내의 공간을 거치는 과정에서 유동속도가 저하되며, 이에 따라 절삭유체 내에 포함된 이물질은 하측으로 침강되어 침전조 본체(1921)의 저면 상에 누적될 수 있다.
침전조(192)를 거친 절삭유체는 이송관(L2)에 설치된 펌프(P2)에 의해 하이드로 사이클론(193)으로 유동될 수 있다.
하이드로 사이클론(193)에는 본체(1931) 및 본체(1931)의 상측에 설치된 유출부(1934)가 포함될 수 있다. 본체(1931)는 상측의 원통부(1932) 및 하측의 원추부(1933)로 구성되는데, 이송관(L2)은 이 중 원통부(1932)의 측면에 연결되어 절삭유체가 원통부(1932)의 접선방향으로 유입된다.
원통부(1932)에 유입된 절삭유체는 점선 화살표로 표시한 것과 같이 선회류, 즉 소용돌이를 형성하며 원추부(1933) 하측으로 하강되는데, 이 과정에서 절삭유체에 포함된 이물질은 소용돌이에 의해 발생되는 원심력에 의해 절삭유체로부터 분리되어 원추부(1933)의 측면으로 모이게 된다.
원추부(1933)의 하측으로 하강되며 이물질이 제거된 절삭유체는, 실선 화살표로 도시한 바와 같이 본체(1931)의 중심축 부분을 따라 반전상승하게 된다. 반전상승된 절삭유체는 유출부(1934)에 접선방향으로 연결된 이송관(L3)을 통하여 하이드로 사이클론(193)의 외부로 유동된다.
한편, 원추부(1933)의 측면에 모인 이물질은 원추부(1933)의 벽면을 따라 점차 하강하여 원추부(1933)의 하측에 누적된다.
하이드로 사이클론(193)을 거친 절삭유체는 이송관(L3)을 통하여 저장조(194)로 유동된다. 저장조(194)에는 절삭유체가 저장되는 저장조 본체(1941)가 포함된다. 저장조 본체(1941) 내에 저장된 절삭유체는 순환펌프(도 11의 186)가 설치된 이송관(185)을 통하여 유동되어 다시 노즐(181)을 통해 세라믹 핀(도 1의 10)의 외주면으로 공급될 수 있다.
침전조 본체(1921) 및 하이드로 사이클론(193)의 원추부(1933) 하측에는 침전된 이물질을 배출시키기 위한 배출관(195) 및 배출관(195)을 개폐하는 복수의 밸브(196, 197)가 설치될 수 있다. 따라서, 침전조 본체(1921) 및 원추부(1933)에 소정의 양 이상의 이물질이 침전되면 복수의 밸브(196, 197)를 개방함으로써 누적된 이물질이 소량의 절삭유체와 함께 배출관(195)을 통하여 드레인(198)으로 수집되도록 할 수 있다.
절삭유체가 절삭유체 순환부(도 11의 180)를 순환하고, 그 내부에 포함된 이물질이 제거되는 과정 등을 거치면서, 절삭유체의 양에는 손실이 발생될 수 있다. 따라서, 작업자는 저장조 본체(1941) 내에 저장된 절삭유체의 양을 확인하여 절삭유체의 양이 부족한 경우에는 이를 보충함으로써 절삭유체 순환부(도 11의 180)를 순환하는 절삭유체의 양이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 세라믹 핀용 나사산 가공장치 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니한다. 즉, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예들을 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10, 20, 30: 세라믹 핀 100: 세라믹 핀용 나사산 가공장치
101: 본체 110: 척
111: 척 구동수단 120: 공구대
150: 주 절삭수단 160: 보조 절삭수단
180: 절삭유체 순환부 190: 절삭유체 재생수단

Claims (8)

  1. 세라믹 핀의 외주면에 나사산을 형성하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치로서,
    상기 세라믹 핀의 일측이 분리 가능하게 고정되는 척;
    상기 세라믹 핀이 그 길이방향과 나란한 제1방향을 중심축으로 회전되도록 상기 척을 회전시키는 척 구동수단;
    상기 척 구동수단이 결합된 본체;
    상기 본체에 상기 제1방향 및 상기 제1방향에 수직한 제2방향으로 이송 가능하게 결합된 공구대;
    상기 공구대에 분리 가능하게 각각 고정되며, 복수의 연삭숫돌이 결합된 회전축을 갖는 주 연삭수단; 및 하나의 연삭숫돌이 결합된 회전축을 갖는 보조 연삭수단;을 포함하고,
    상기 주 연삭수단 및 보조 연삭수단은 압축공기를 공급받아 각각의 상기 회전축을 회전시키고,
    상기 공구대는,
    상기 본체에 상기 제1방향 및 상기 제2방향으로 이송 가능하게 결합된 베이스; 및
    상기 베이스에 상기 제1방향과 상기 제2방향에 수직한 제3방향을 중심축으로 회전 가능하게 결합되고, 상기 주 연삭수단 및 상기 보조 연삭수단이 각각 고정되는 지지프레임을 포함하며,
    상기 복수의 연삭숫돌은 반경이 작은 것부터 큰 것 또는 반경이 큰 것부터 작은 것 순서로 배치되고, 상기 복수의 연삭숫돌 중 반경이 가장 큰 것의 가장자리 부분은 상기 나사산의 나사산각에 상응하는 각도를 갖도록 형성되고 그 외의 것은 반경이 작을수록 가장자리 부분의 각도가 증가되는 형상으로 형성되며, 상기 복수의 연삭숫돌 사이의 간격은 상기 나사산의 피치의 정수배인 것을 특징으로 하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공구대는,
    상기 주 연삭수단 및 상기 보조 연삭수단을 각각 감싸는 형상으로 상기 주 연삭수단 및 상기 보조 연삭수단에 각각 결합되며, 상기 지지프레임에 각각 안착되는 한 쌍의 홀더; 및
    상기 지지프레임에 결합되어 상기 한 쌍의 홀더를 상기 지지프레임에 각각 고정시키는 복수의 고정수단을 더 포함하고,
    상기 한 쌍의 홀더에는 그 길이방향으로 리브가 각각 돌출 형성되고, 상기 지지프레임에는 상기 리브가 삽입되는 그루브가 각각 형성되어, 상기 한 쌍의 홀더는 상기 복수의 연삭숫돌 또는 상기 하나의 연삭숫돌이 상기 지지프레임 외부로 돌출 또는 상기 지지프레임 내부에 위치된 상태로 상기 고정수단에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공구대는,
    상기 베이스 또는 상기 지지프레임에는 상기 제3방향으로 축돌기가 돌출 형성되고, 상기 지지프레임 또는 상기 베이스에는 상기 축돌기에 상응하는 축홈이 형성되며,
    상기 베이스 또는 상기 지지프레임에는 상기 축돌기의 중심축을 중심으로 하는 원호 형상의 호형 홈이 형성되고, 상기 호형 홈의 일측면에는 치차부가 형성되며,
    상기 치차부에 치합되는 피니언을 갖고 상기 지지프레임 또는 상기 베이스에 결합된 틸팅모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체에 설치되고, 상기 나사산이 형성될 때 상기 세라믹 핀의 외주면에 절삭유체를 공급하는 절삭유체 순환부를 더 포함하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 절삭유체 순환부는,
    상기 본체에 설치되어 상기 세라믹 핀의 외주면에 공급된 절삭유체를 수집하는 베이슨;
    상기 베이슨에 의해 수집된 상기 절삭유체에 포함된 이물질을 제거하는 절삭유체 재생수단;
    상기 절삭유체 재생수단을 거친 상기 절삭유체를 유동시키는 순환펌프; 및
    상기 순환펌프로부터 공급되는 상기 절삭유체를 상기 세라믹 핀의 외주면으로 공급하는 노즐을 포함하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절삭유체 재생수단은,
    상기 절삭유체가 통과되면 상기 이물질이 걸러지는 필터를 갖는 여과기;
    상기 이물질을 상기 절삭유체의 하측으로 침강시키는 침전조; 및
    상기 절삭유체에 소용돌이가 형성되고, 상기 소용돌이에 의해 발생되는 원심력에 의해 상기 이물질이 상기 절삭유체로부터 분리되도록 하는 하이드로 사이클론을 포함하는 세라믹 핀용 나사산 가공장치.
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