KR101268555B1 - 클램프 슬리브 - Google Patents

Abstract

유체 압력을 그다지 높이지 않아도 원하는 클램프력을 얻을 수 있고, 또한 수명이 긴 분할장치의 클램프 슬리브이다. 클램프 슬리브(34a)는 관통구멍과 외주 주위에 연속되어 압력실(34d)의 일부를 구성하는 환형 홈(34a1)을 가지고, 환형 홈(34a1)은 한 쌍의 내측 단면(34e6, 34e6’)과 관통구멍에 평행하게 연장되는 홈 저면(34e0)을 가짐과 함께, 내측 단면(34e6, 34e6’)과 홈 저면(34e0) 사이에는 원호상의 제1 완화면(34e1, 34e1’)이 각각 형성되어 있고, 홈 저면(34e0)이 형성되는 영역에서의 두께(t1)로 변형할 수 있는 두께를 가지도록 환형 홈(34a1)이 형성된다. 추가로 제1 완화면(34e1, 34e1’) 중 적어도 일방과 홈 저면(34e0) 사이에는 제1 완화면보다 완화된 곡률을 가지는 제2 완화면(34e2, 34e2’)을 형성한다.

클램프 슬리브, 홈 저면, 완화면, 관통구멍

Description

클램프 슬리브{CLAMP SLEEVE}

본 발명은 공작기계에 이용되는 분할장치, 보다 구체적으로는 5축 가공기(동시에 5축을 제어할 수 있는 가공기)나 다면 가공기(공작기계)에서 사용되는 분할장치를 갖춘 가공용 헤드 혹은 워크가 재치되는 회전 테이블을 각도적으로 분할하는 분할장치(이른바 원테이블 장치)에 관한 것으로, 보다 자세하게는 분할조작 후의 회전축의 위치를 압력유체의 공급에 의해 유지하는 클램프 슬리브에 관한 것이다.

분할장치로서 예를 들면 공작기계의 베드에 재치되고, 워크가 재치되는 원테이블을 분할 가능한 장치(원테이블 장치)가 알려져 있다. 예를 들면 특허 문헌 1에 나타나는 원테이블 장치는 중앙에 관통구멍을 가지는 프레임과, 상기 관통구멍에 삽입되어 상기 프레임에 대해 회전 가능하게 지지되는 회전축을 가짐과 함께 워크를 재치하는 테이블면이 상기 회전축과 일체로 형성되는 회전 테이블을 구비한다. 그리고, 상기 프레임내에는 상기 회전 테이블에 대해 일체의 웜 휠이 수용되어 있으며, 또한 웜 휠에는 서보모터 등의 액츄에이터에 연결되는 웜 스핀들이 웜 휠에 맞물리도록 동일하게 수용되어 있다. 그리고 서보모터를 회전 구동하는 것에 의해 회전축과 일체인 회전 테이블을 원하는 각도로 회전시켜 분할 동작을 할 수 있다.

한편, 특허 문헌 1의 원테이블 장치에는 회전 테이블의 분할조작 후의 각도 (위치)를 유지하는 클램프 기구(클램프 슬리브)가 장착되어 있다. 그리고, 상기 회전 테이블에는 프레임측의 관통구멍을 따라 병행으로 연장되는 실린더부가 상기 회전 테이블과 일체로 형성됨과 함께, 실린더부와 프레임 사이의 공간에는 링 형상으로 형성되는 클램프 슬리브가 배치된다. 클램프 슬리브는 그 내측에 관통구멍을 가지는 한편, 외주측에는 회전 테이블의 실린더부의 외측에 끼워 맞춰지는 원통부와, 상기 원통부에 연속 형성되며 프레임측에 대한 장착부로서 기능하는 플랜지부를 가지고 있고, 원통부의 외측에는 환형 홈이 외주 주위에 연속 형성되어, 수용되는 프레임의 관통구멍과의 사이에 압력실을 구성한다.

여기서 원테이블 장치에 이용되는 종래의 클램프 슬리브에 대해서 그 주변부를 확대 도시한 도 11을 이용하여 이하에 상세하게 설명한다.

회전 테이블(103)에는 프레임(101)측의 관통구멍(102)을 따라 평행하게 연장되는 실린더부(104)가 도시하지 않은 나사부재를 통하여 상기 회전 테이블(103)과 일체로 형성됨과 함께, 실린더부(104)와 프레임(101)의 관통구멍(102) 사이의 공간에는 링 형상으로 형성되는 클램프 슬리브(105)가 배치된다. 클램프 슬리브(105)는 회전 테이블(103)의 실린더부(104)의 외측에 끼워 맞춰지는 원통부(106)와 상기 원통부(106)에 연속됨과 함께 반경방향 외측을 향해 연장되어 형성되고, 프레임(101)측에 대한 장착부로서 기능하는 플랜지부(107)를 가지는 한편, 연속되는 원통부(106) 및 플랜지부(107)에 대해서 그 내측에 관통구멍(내주단 110)을 가지고 있다. 클램프 슬리브(105)의 플랜지부(107)는 나사부재(115)를 통하여 프레임(101)의 도시하지 않은 장착좌에 고정되어 프레임(101)에 대해 장착되어 있다.

원통부(106)에는 그 외주단(109a, 109a’)보다 함몰되게 형성되어 그 외주 주위에 연속되는 환형 홈(108)이 형성된다. 보다 자세하게는, 환형 홈(108)은 도시하지 않은 회전축의 반경방향 내측을 향해 연장되고, 또한 서로 이간하여 대향되는 한 쌍의 내측 단면(109b, 109b’)과, 상기 관통구멍(내주단(110))에 대해서 평행하게 연장되는 홈 저면(109c)을 가짐과 함께, 상기 내측 단면(109b, 109b’)과 홈 저면(109c) 사이에는 수㎜ 정도의 곡률반경을 가지는 원호상의 R면(109d, 109d’)이 연속 형성되어 있고, 이와 같이 형성되는 환형 홈(108)과 수용되는 프레임(101)의 관통구멍(102)에 의해 압력실(112)이 구성된다. 또 클램프 슬리브(105)의 환형 홈(108)은 홈 저면(109c)이 형성되는 영역(q1)에 압력실(112)에 공급되는 압력유체의 공급에 의해 변형될 수 있는 박육부(직선 연장부)(111)를 가지고 있다.

한편, 관통구멍(102)에는 씰 부재(113, 113’)를 수용하기 위한 도시하지 않은 환형 홈이 형성된다. 씰 부재(113, 113’)는 환형 홈에 삽입되어 관통구멍(102)에 대해 상대적으로 이동할 수 없게, 또한 원통부의 외주단(109a, 109a’)에 맞닿도록 배치되어 환형 홈(108)과 수용되는 프레임(101)의 관통구멍(102)에 의해 구성되는 압력실(112)을 기밀 혹은 액밀 상태로 유지하고 있다. 한편, 프레임(101)에는 도시하지 않은 유체 공급원으로 통하는 유로(114)가 상기 압력실(112)에 연통되도록 형성된다. 그리고, 클램프 동작시에는 예를 들면 압축 공기나 압축유 등의 압축 유체가 상기 압력실(112)에 공급되고, 이것에 의해 박육부(111)가 회전축의 반경방향 내측으로 팽창되어 회전 테이블(103)의 실린더부(104)를 누른다. 이와 같이 하여 먼저 각도적으로 위치 결정된 회전 테이블(103)을 프레임(101)에 대해서 회전할 수 없게 유지할 수 있다.

이러한 원테이블 장치에 대해서 회전 테이블을 회전 구동하기 위해 전동 모터의 회전을 내장된 웜 기구에 의해 회전 테이블측으로 전달하는 특허 문헌 1과 같은 장치도 있지만, 최근에는 이른바 DD 모터라 불리는 직접 구동형 모터를 그 내부에 장착한 원테이블 장치도 개발되어 있고, 그러한 장치로는 본 출원인이 제안하는 일본 특허출원 2005-319586호의 장치도 있다.

특허 문헌 1：일본 공개특허공보 2002-103181호(도 1, 도 3)

클램프 슬리브는 원테이블 장치 내부에 장착되어 이용되기 때문에 클램프 슬리브의 전체 외형 치수는 가능한 한 소형화(컴팩트화)가 요구된다. 한편, 클램프 슬리브는 탑재되는 공작기계 위에서 워크 가공시와 같이 회전 테이블에 큰 힘이 가해질 때에도 상기 분할된 각도를 그대로 강고하게 유지해야 하므로, 필요한 클램프력을 발생시키려면 박육부(111)의 축방향 길이(도 11에 나타내는 영역(q1)의 구간 길이)에 대해서 어느 정도의 길이가 필요하고, 이 구간 길이를 최대한 확보하기 위해 내측 단면(109b, 109b’)과 외주단(109c)에 연속되는 제1 완화면으로서의 R면(109d, 109d’)의 곡률반경(r1)은 상기한 바와 같이 수㎜ 정도의 작은 값이 된다.

이러한 클램프 슬리브로 구성되는 압력실(112)에 압력유체가 공급되면, 박육부(111)는 도면 위에 점선으로 도시되는 바와 같이 제1 완화면으로서의 R면(109d, 109d’)과 홈 저면(109c)의 연결점(p1, p1’) 근방의 비교적 좁은 영역(즉, 도시한 영역(q7))에서 크게 변형된다. 이 때문에, 클램프 동작 및 언클램프 동작을 반복하는 동안에 이 좁은 영역에서 집중적으로 피로가 진행되어 결국에는 저부에 균열이 발생하여, 클램프 기능이 손상된다는 문제가 있다. 이러한 종래의 클램프 슬리브는 실제로는 1년~1.5년 정도되면 교환해야 되므로 비교적 수명이 짧다.

이에 대한 대책으로서 제1 완화부로서의 R면에 대해, 그 곡률반경을 보다 크게 하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 상기한 바와 같이 클램프 슬리브의 외형 치수가 제약을 받기 때문에 두께(t1)가 일정해지는 박육부(111)를 필요충분한 길이로 확보하기는 어렵다. 이러한 사정에 따라 압력유체의 공급 압력을 높임으로써 원하는 클램프력을 얻게 된다. 그렇지만, 액밀 혹은 기밀 상태로 유지하기 위한 압력실(112)이나 유로(114), 유체 회로에 대해 기밀 혹은 액밀 상태로 유지하기 위한 씰재(113, 113’) 등이 더욱 손상되게 되므로 이들 부재가 반대로 수명이 짧아진다는 새로운 문제도 생긴다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 각도를 분할한 후 압력유체에 의해 클램프 슬리브를 팽창시켜 회전축을 회전할 수 없게 유지하는 분할장치로, 클램프 슬리브에 공급하는 유체 압력을 그다지 높이지 않더라도 원하는 클램프력을 얻을 수 있으며, 나아가 수명이 긴 클램프 슬리브를 제공하는 것에 있다.

그러므로, 본 발명은 관통구멍과 외주 주위에 연속되며 압력유체가 공급되는 압력실의 일부를 구성하는 환형 홈을 가지며 회전축과 상기 회전축의 외측의 프레임 사이에 배치되는 클램프 슬리브로서, 상기 환형 홈은 축선에 대해서 반경방향으로 연장되고 또한 서로 이간하여 대향되는 한 쌍의 내측 단면과, 상기 관통구멍에 대해서 평행하게 연장되는 홈 저면을 가짐과 함께, 상기 내측 단면과 상기 홈 저면 사이에는 원호상의 제1 완화면이 각각 형성되어 있으며, 상기 홈 저면이 형성되는 영역에 있어서의 두께(t1)가 상기 압력실에 대한 유체 공급에 의해 변형될 수 있는 두께를 가지도록 상기 환형 홈이 형성되는 클램프 슬리브를 전제로 한다. 그리고, 본 발명인 클램프 슬리브의 특징점으로서 상기 2개의 내측 단면 중 적어도 어느 일방측의 상기 제1 완화면과 상기 홈 저면 사이에는 상기 제1 완화면보다 완화된 곡률을 가지는 제2 완화면이 형성되는 것을 그 요지로 한다.

상기 요지에 따르면, 클램프 동작시에 압력유체가 압력실에 공급되면 프레임측에 장착되는 클램프 슬리브의 환형 홈은 제2 완화면이 형성되는 영역으로부터 홈 저면이 형성되는 영역에 걸쳐 휘듯이 변형되어, 적어도 홈 저면이 형성되는 영역에서는 회전축측으로 팽창되어 회전축을 누르기 때문에 회전축을 프레임에 대해서 회전할 수 없게 유지할 수 있다. 또한 제2 완화면은 상기 홈 저면측의 개시점에서 종점측으로 진행됨에 따라 상기 관통구멍과의 사이의 거리 즉 두께가 서서히 증대되도록, 바꿔 말하면 제2 완화면이 형성되는 영역에서는 홈 저면이 형성되는 영역에 가까워짐에 따라 그 두께가 홈 저면과 관통구멍으로 구분되는 박육부에서 변형될 수 있는 두께(t1)에 서서히 가까워지도록 얇게 형성된다. 이 때문에, 압력실로의 압력유체의 공급에 수반되어 환형 홈의 변형량은 제2 완화면이 형성되는 영역에서 홈 저면이 형성되는 영역인 박육부에 가까워짐에 따라, 압력실로의 압력유체의 공급에 수반되는 환형 홈의 변형량은 서서히 증대되고, 또 홈 저면이 형성되는 영역에서는 그 변형량은 일정해진다.

즉, 제2 완화면이 상기 홈 저면측의 개시점에서 종점측으로 진행됨에 따라 상기 관통구멍과의 사이의 거리가 서서히 증대되도록 형성됨으로써, 제2 완화면이 형성되는 영역에서는 상기한 변형량이 축방향 내측으로 진행됨에 따라 서서히 증가되고, 클램프 슬리브의 저부가 전체적으로 완만하게 휘듯이 변형된다. 종래와 같은 곡률이 가파른 완화면에 의해 홈 저면에 연속되는 클램프 슬리브와 같이 특정한 좁은 영역에서 크게 변형되는 개소는 존재하지 않는다. 따라서 클램프 동작·언클램프 동작에 의해 그러한 변형이 반복되더라도, 환형 홈의 저부에서의 피로의 진행은 종래에 비해 느려지기 때문에 더욱 수명이 길어진다.

이처럼 제1 완화면보다 완화된 곡률을 가지는 제2 완화면으로서, 보다 구체적으로는 상기 홈 저면측의 개시점에서 종점까지의 구간에 걸쳐 연속되는 직선상의 경사면(즉 무한대에 가까운 곡률반경을 가지는 테이퍼면) 혹은 오목 형상의 원호면(개시점과 종점을 연결하는 선분에 대해서 회전축측으로 아래로 볼록한 원호면) 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다. 또 바람직하게는 제2 완화면은 홈 저면측의 개시점에서 종점까지의 축방향 길이(L1)가 4㎜ 이상으로, 또한 홈 저면의 개시점에서 종점까지의 구간에서의 상기 관통구멍과의 사이의 거리의 증대량(L2)이 0.5㎜ 이상 6㎜ 이하가 되도록 형성하면 된다.

더욱 바람직하게는, 상기 홈 저면과 상기 제2 완화면 사이에는 상기 제2 완화면보다 더 완화된 곡률을 가지는 제3의 완화면이 형성된다. 이것에 의해 상기 홈 저면과 상기 제2 완화면이 직접 연결되는 형태와 같이, 환형 홈의 저부에서 상기 2개의 면의 연결점 근방의 영역에서 집중적으로 피로가 진행되는 일은 없어, 클램프 슬리브는 더욱 수명이 길어진다. 또한 상기 제3의 완화면에 대해서도, 구체적으로는 거의 직선상의 경사면(즉 무한대에 가까운 곡률반경을 가지는 테이퍼면) 혹은 제2 완화면의 곡률반경에 비해 커지는 곡률반경을 가지는 오목 형상의 원호면 중 어느 하나에 의해 형성할 수 있다.

상기 클램프 슬리브가 이용되는 공작기계용의 분할장치로는, 공구가 장착되는 스핀들 유닛의 분할기구로서 공작기계용의 가공용 헤드에 장착되는 것에 적용해도 되고, 워크가 재치되는 회전 테이블을 각도적으로 분할하는 분할장치(즉 회전 테이블이 일체의 회전축에 의해 프레임측으로 지지되어 있는 원테이블 장치)로 할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 분할장치가 적용되는 공작기계(가공용 헤드)의 일례를 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 가공용 헤드의 지지 헤드의 한 실시 형태를 나타내는 정면 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명의 가공용 헤드의 지지 헤드의 한 실시 형태를 나타내는 2개의 측면도로서, 도 3(A)에는 다리부(30a)에서 커버(18a)를 떼어낸 상태로 반대쪽 다리부(30b)측에서 본 도면을 나타내고, 도 3(B)에는 다리부(30b)에서 커버(18b)를 떼어낸 상태로 반대쪽 다리부(30a)측에서 본 도면을 나타낸다.

도 4는 본 발명의 가공용 헤드의 한 실시 형태를 나타내는 정면 부분 단면도 이다.

도 5는 본 발명의 가공용 헤드에 있어서의 클램프 기구를 확대한 정면 부분 단면도이다.

도 6은 본 발명의 클램프 기구를 구성하는 클램프 슬리브의 제1 실시예로 그 주요부(박육부 부근) 전체를 나타내기 위해 확대된 단면도이다.

도 7은 도 6에 대해서 클램프 슬리브의 제2 완화면 부근을 더욱 확대한 단면도이다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예인 클램프 슬리브로 굽힘 응력을 해석했을 때에 이용한 유한 요소 모델의 사시도이며, 클램프 슬리브의 변형(왜곡) 상태를 나타내고 있다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예인 클램프 슬리브로 응력 해석의 결과를 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예인 클램프 슬리브로 제2 완화면의 다른 형태를 나타내는 확대 단면도이다.

도 11은 원테이블 장치에 장착된 종래의 클램프 슬리브로 그 주요부(박육부 부근) 전체를 나타내는 확대 단면도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 공작기계

10 : 가공용 헤드

20 : 스핀들 유닛

21 : 스핀들

25 : DD 모터

25a : 로터

25b : 스테이터

30 : 지지 헤드(제1 지지 헤드)

30a, 30b : 다리부

30c : 지지부

31a, 31b : 하우징

32 : 회전축

33 : DD 모터

33a : 로터

33b : 스테이터

34 : 클램프 기구

34a : 클램프 슬리브

34a1 : 환형 홈

34a2 : 원통부

34a3 : 플랜지부

34a4 : 유로

34a5 : 박육부(직선 연장부)

34a7 : 내주단

34b : 수압 부재

34b1 : 유로

34b2 : 외주단

34b3 : 내주단

34d : 압력실

34e0 : 홈 저면

34e1, 34e1’: 제1 완화면

34e2, 34e2’, 34e7, 34e7’: 제2 완화면

34e3 : 제3의 완화면

34e5 : 외주단

34e6 : 내측 단면

34f1 : 간극

34g1 : 씰 부재

35, 36 : 베어링

37 : 로터리 조인트

37a : 디스트리뷰터

37b : 샤프트

38 : 로터리 조인트

38a : 디스트리뷰터

38b : 샤프트

39 : 회전축

41, 44 : 회전 검출기

41a, 44a : 검출기 스테이터

41b, 44b : 검출기 로터

50 : 제2 지지 헤드

51 : 하우징

52 : 회전축

53 : DD 모터

53a : 스테이터

53b : 로터

54 : 클램프 슬리브

55 : 디스트리뷰터

56 : 베어링(3열 원통 롤러 베어링)

57 : 베어링

본 발명인 분할장치에 대해서, 공구가 장착되는 스핀들 유닛의 분할기구로서 공작기계용의 가공용 헤드에 장착되는 장치를 예로 들어 이하에 설명한다.

도 1은 상기한 복합 가공기의 일례로서 문형 공작기계(이른바 머시닝 센터)(1)를 나타내고 있다. 이런 종류의 문형 공작기계(1)는 베드(4) 위에 부설된 좌우의 칼럼(2, 2)과, 칼럼(2, 2) 위를 상하 방향(Z축 방향)으로 이동하는 크로스레 일(6)과, 크로스레일(6) 위를 수평으로 좌우 방향(Y축 방향)으로 이동하는 새들(7)과, 새들(7) 위를 Z축 방향으로 이동하는 램(8)과, 베드(4) 위를 전후 방향(X축 방향)으로 이동하는 테이블(5)을 포함한다. 또한 램(8)에는 공구가 장착되는 스핀들을 갖춘 스핀들 유닛(20)을 포함한 가공용 헤드(10)가 장착되어 있다.

상기 문형 공작기계(1)는 워크 가공시에 있어서 미리 설정된 프로그램에 기초한 수치제어에 의해 상기 테이블(5), 크로스레일(6), 새들(7) 및 램(8)을 이동시킴과 함께, 가공용 헤드(10)가 스핀들 유닛(20)의 각도 위치를 분할한다. 이것에 의해 상기 공작기계에서는 워크의 각 가공면에 대해서 공구를 최적인 각도로 맞대어 가공할 수 있어, 복잡한 형상의 워크 절삭 가공 등을 가능하게 하고 있다.

이를 위해 상기 가공용 헤드는 스핀들 유닛의 각도 위치를 분할하기 위한 분할기구를 구비한다. 그리고, 이 분할기구의 구동 수단으로서 그 모터 스테이터 및 모터 로터가 가공용 헤드(10)의 하우징 내에 배치되며, 로터가, 스핀들 유닛을 지지하는 지지축에 연결된 직접 구동형의 구동 모터(이하, "DD 모터" 라고 함)를 채용한 가공용 헤드이다. 그러한 가공용 헤드는 스핀들 유닛(헤드) 및 스핀들 유닛을 지지하는 지지 헤드(헤드 지지부)로 구성되며, 구동 수단으로서 스테이터의 내주면에 로터가 대향하는 이너로터형의 DD 모터를 지지 헤드 내에 구비한다. 또한 이러한 가공용 헤드로는, 예를 들면 일본 공개특허공보 평2-116437호에 나타내는 것이 있다.

이러한 가공용 헤드(10)에 대해, 도 2~도 4를 이용하여 이하에 상세하게 설명한다.

도 2~4에 나타내는 것은 본 발명의 한 실시 형태로, 도시한 가공용 헤드(10)는 공구가 장착되는 스핀들(21)을 가지는 스핀들 유닛(20)과, 스핀들 유닛(20)을 지지하는 제1 지지 헤드(30; 본 발명의 "지지 헤드" 에 상당)와, 제1 지지 헤드(30)를 지지하는 제2 지지 헤드(50)를 포함한다. (도 4)

스핀들 유닛(20)은 구동 모터 내장형의 스핀들 헤드이며, 내장된 구동 모터에 의해 스핀들(21)을 고속 회전 구동하는 것이다. (도 2)

이 스핀들 유닛(20)의 하우징(23) 내에는 스핀들(21)이 삽입통과 배치되어 있으며, 이 스핀들(21)을 둘러싸도록 하여 구동 모터(25)가 내장되어 있다. 구동 모터(25)는 스핀들(21)에 외감 고정된 로터(25a)와, 로터(25a)의 외주면에 대향하도록 형성된 스테이터(25b)로 이루어져 있다. 스핀들(21)은 구동 모터(25)의 전후(도면의 상하)에 복수 열 배치된 베어링(예를 들면, 앵귤러 컨택트 베어링)(27)에 의해 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 그리고, 스테이터(25b)에 여자 전류를 공급하면 로터(25a)와의 사이에 여자력이 발생되어, 그 여자력에 의해 로터(25a)가 회전하여 스핀들(21)이 회전 구동된다.

제1 지지 헤드(30)는 상기 스핀들 유닛(20)을 지지함과 함께, 스핀들 유닛(20)을 상기 스핀들(21)의 회전축선과 직교하는 축선(이하, "A축" 이라고 함)을 중심으로 회전시켜 그 각도 위치를 분할하기 위한 것이다.

제1 지지 헤드(30)는 지지부(30c)에 한 쌍의 다리부(30a, 30b)를 장착한 포크형으로 구성되어 있고, 그 다리부(30a, 30b) 사이에서 상기 스핀들 유닛(20)을 지지한다. 스핀들 유닛(20)은 다리부(30a, 30b)의 각각의 내부에 회전이 자유롭게 장착된 지지축에 의해 지지되어 있다. 또한 도시된 지지 헤드는 스핀들 유닛(20)을 회전 구동하기 위한 DD 모터(본 발명의 "구동 모터" 에 상당)가 한 쌍의 다리부(30a, 30b) 중 다리부(30a)에만 형성된 구성으로 되어 있다. 따라서, 이하에서는 양 다리부(30a, 30b)의 각 지지축에 대해 다리부(30a)측의 지지축을 구동지지축(본 발명의 "지지축" 에 상당)이라 하고, 다리부(30b)측의 지지축을 종동지지축이라 한다.

이하에 다리부(30a)의 구성을 상세하게 설명한다.

다리부(30a)는 하우징(31a)을 주체로 하고, 그 내부에 DD 모터(33)을 구성하는 로터(모터 로터)(33a) 및 스테이터(모터 스테이터; 33b), 스핀들 유닛(20)을 지지하는 구동지지축, 이 구동지지축을 회전이 자유롭게 지지하기 위한 베어링(예를 들면, 크로스 롤러 베어링; 35) 및 스핀들 유닛(20)에 가공용의 유체(이하, 간단히 "유체" 라고 함)를 공급하기 위한 로터리 조인트(37) 등이 장착되어 있다.

하우징(31a)은 DD 모터(33) 및 후술하는 회전축을 삽입하기 위해, 다리부(30b)측이 크게 개방된 형상으로 되어 있다. 또한 하우징(31a)에는 반대쪽 다리부(30b)측의 측면으로부터 A축 방향으로 신장하는 원통부(31a1)가 형성되어 있다. 그리고, 원통부(31a1)에는 A축 방향으로 로터리 조인트(37)가 삽입되는 관통구멍(31a2)이 형성되어 있다. 또한 하우징(31a)의 반대쪽 다리부(30b)측의 단면에는 후술하는 유체 공급용 파이프나 전류를 공급하기 위한 케이블이 통과되는 오목부(31a3)가 형성되어 있다. 또한 다리부(30a)의 반대쪽 다리부(30b)측에는 측면 커버(18a)가 장착되어 있으며, 오목부(31a3)가 이 측면 커버(18a)에 의해 덮여 있다. 또한 도 3에는 이 측면 커버(18a)를 떼어낸 상태를 나타내고 있으며, 보다 자세하게는 도 3(A)에는 다리부(30a)에서 커버(18a)를 떼어낸 상태로, 반대쪽 다리부(30b)측에서 본 도면을 나타내고, 도 3(B)에는 다리부(30b)에서 커버(18b)를 떼어낸 상태로, 반대쪽 다리부(30a)측에서 본 도면을 나타낸다.

로터리 조인트(37)는 하우징(31a)에 대해 고정된 디스트리뷰터(37a)와, 디스트리뷰터(37a)의 원통부(37a1)의 외주면에 회전 가능하게 끼워 장착된 샤프트(37b)로 구성되어 있다.

디스트리뷰터(37a)는 하우징(31a)의 관통구멍(31a2)에 삽입된 상태로 그 플랜지부(37a2)에 있어서 원주 방향으로 배치된 복수의 나사부재(37c)에 의해 하우징(31a)에 장착되어 있다. 또한 디스트리뷰터(37a)의 중심에는 스핀들 유닛(20)을 향한 케이블 등의 통과를 허용하기 위한 관통구멍(37a4)이 형성되어 있다.

또한 디스트리뷰터(37a)에는 유체를 공급 또는 배출하기 위한 복수의 유체 유로(37a3)가 원주 방향으로 위치를 이동시켜 형성되어 있다. 한편, 샤프트(37b)에는 디스트리뷰터(37a)의 각 유체 유로(37a3)에 대응하는 복수의 유체 유로(37b1)가 형성되어 있다. 또한 도 2에서는 복수의 유체 유로(37a3) 및 유체 유로(37b1)는 그 중 하나만이 대표적으로 나타나 있다.

그리고, 각 유체 유로(37a3)와 그에 대응하는 각 유체 유로(37b1)는 디스트리뷰터(37a)와 샤프트(37b)와의 끼워맞춤 둘레면에 전체둘레에 형성된 환형 홈을 통하여 연통되어 있으며, 샤프트(37b)가 회전했을 경우에도 그 연통 상태가 유지되도록 구성되어 있다. 또한 유체 유로(37b1)는 스핀들 유닛(20)의 유체 공급용 또는 배출용 포트(24)에 연통되어 있다. 또한 디스트리뷰터(37a)와 샤프트(37b) 사이에는 각 환형 홈 사이에 밀봉용 씰 부재가 개재되어 있다.

또한 디스트리뷰터(37a)에는 그 원주 방향으로 위치를 이동시켜 복수의 유체 공급용 또는 배출용 포트(37d)가 형성되어 있고, 각 포트(37d)에 유체 공급용 또는 배출용 파이프(12)가 접속되어 있다. 그리고, 공급용 파이프(12)를 통하여 도시하지 않은 유체 제어 회로로부터 공급된 유체가, 로터리 조인트(37)로부터 포트(24)를 통하여 스핀들 유닛(20)에 공급된다. 또한 유체를 순환시키는 경우에는 스핀들 유닛(20) 내를 순환한 유체가 로터리 조인트(37)를 통하여 배출용 파이프(12)에 배출된다. 또한, 이 스핀들 유닛(20)에 공급되는 유체로는, 예를 들어 고속으로 회전하는 DD 모터(25)나 스핀들(21)을 냉각하기 위한 냉각용의 오일, 스핀들 유닛(20; 스핀들(21)의 회전 부분)으로 절삭분이 침입하는 것을 방지하기 위한 씰용 에어, 가공시에 회전공구 등을 냉각하기 위한 냉각용 물 등이 있다.

DD 모터(33)는 하우징(31a)에 대해 고정적으로 배치된 스테이터(33b)와, 스테이터(33)의 내주면에 대향하도록 설치된 로터(33a)로 이루어지고, 로터(33a)는 회전축(32)의 원통부(32a)의 외주에 끼워 맞춰지도록, 그리고 원통부(32a)와 일체로 장착되어 있다. 즉, 이너로터형의 모터로서 구성되는 도시된 DD 모터(33)는 예를 들어 로터(33a)가 희토금속류 등을 재료로 하는 영구자석에 의해 구성된 자극이며 원주 방향으로 인접하는 복수의 자극이 서로 반전하도록 원주 방향으로 나란히 형성되어 있으며, 한편으로 스테이터(33)는 통전에 의해 자력을 발생시키는 복수의 전자석이 로터의 자극에 대응하여 둘레방향으로 나란히 형성되어 있어, 스테이 터(33)의 전자석의 선택적인 통전에 의해 로터(33a)를 회전시키는, 이른바 영구자석 동기형 브러시리스 DC모터로서 구성된다.

스테이터(33b)는 하우징(31a)에 고정된 스테이터 슬리브(33c)의 내주면에 내감하여 고정되어 있다. 이 스테이터 슬리브(33c)의 외주면에는 환형 홈(33c1)이 형성되어 있다. 한편, 하우징(31a)에는 이 환형 홈(33c1)에 연통하는 유체 공급로(31a4) 및 유체 배출로(31a5)가 형성되어 있다. 그리고, 상기 환형 홈(33c1)에 대해, 유체 공급로(31a4)로부터 DD 모터(33)를 냉각하기 위한 냉각용의 유체(예를 들어 오일)가 공급되어, 로터(33a)의 회전에 수반되는 DD 모터(33)의 발열을 억제하게 되어 있다. 또한 환형 홈(33c1)은 유체 공급로(31a4)로부터 공급된 유체가 환형 홈(33c1)을 순환하여 유체 배출로(31a5)로부터 배출되도록 나선상으로 형성되어 있다(도시생략).

로터(33a)는 하우징(31a) 내에 회전 가능하게 형성된 회전축(32)의 외주면에 외감 고정되어 있다. 이 회전축(32)은 상기 서술한 로터리 조인트(37)의 샤프트(37b)에 대하여 그 회전축선에 대해 동심적으로 배치되어 있으며, 원주 방향으로 배치된 복수의 나사부재에 의해 샤프트(37b)에 고정되어 있다. 그리고, 로터(33a)는 그 외주면이 스테이터(33b)의 내주면에 대향하는 배치로 회전축(32)에 형성된 원통부(32a)의 외주면에 외감 고정되어, 회전축(32)에 대해 상대회전할 수 없게 형성되어 있다.

또한 회전축(32)에는 그 다리부(30b)측의 단면(32b)에 대해 원주 방향으로 배치된 복수의 나사부재(14)에 의해 스핀들 유닛(20)이 고정된다. 즉, 스핀들 유 닛(20)은 회전축(32)의 단면(32b)에 대해서 고정됨으로써 회전축(32)과 일체로 되어 지지된다. 따라서 다리부(30a)측에서는 회전축(32) 및 이것과 일체적으로 회전하는 로터리 조인트(37)의 샤프트(37b)가 스핀들 유닛(20)을 위한 구동지지축을 구성하고 있다.

회전축(32)의 원통부(32a)는 회전축(32)을 로터리 조인트(37)의 샤프트(37b)에 장착된 상태로 약간의 간극을 통하여 상기한 하우징(31a)의 원통부(31a1)를 둘러싸도록 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 회전축(32)을 샤프트(37b)에 장착한 상태로 원통부(32a)의 내주면의 내측, 즉 원통부(32a)의 외감 고정된 로터(33a)의 반경방향 내측에는 하우징(31a)의 원통부(31a1)가 존재한다.

한편, 하우징(31a)의 원통부(31a1)와 원통부(31a1)의 관통구멍(31a2) 내에 위치하는 로터리 조인트(37)의 샤프트(37b) 사이에는 베어링(35)이 개재되어 있다. 그리고, 이 베어링(35)에 의해 샤프트(37b)가 하우징(31a)에 대해 회전이 자유롭게 지지된 상태로 되어 있다.

이와 같이, 도시된 예에서는 구동지지축(로터리 조인트(37)의 샤프트(37b)＋샤프트(37b)에 장착된 회전축(32))은 DD 모터(33)의 로터(33a)가 외감 고정되는 대경부(회전축(32)의 원통부(32a))와, 이 대경부의 반경방향 내측에서 베어링(35)에 의해 회전이 자유롭게 지지되는 축부(로터리 조인트(37)의 샤프트(37b))를 가지고 있다. 그리고, 이 대경부와 축부 사이에는 하우징(31a)에 형성된 원통부(31a1)가 배치되며, 이 원통부(31a1)와 지지축 사이에 베어링(35)이 개재되는 구성으로 되어 있다. 이것에 의해, 지지축이 하우징(31a)에 대해 회전이 자유롭게 지지되는 구성 으로 되어 있다. 게다가, 도시된 바와 같이 베어링(35)의 A축 방향에 관한 배치는 A축 방향에 있어서의 DD 모터(33)의 존재 범위 내로 된다.

다음에, 다리부(30a)와 대향하는 위치에서 스핀들 유닛(20)을 지지하는 다리부(30b)의 구성에 대해 이하에서 상세하게 설명한다.

다리부(30b)는 하우징(31b)을 주체로 하고, 그 내부에 스핀들 유닛(20)의 각도 위치를 유지하는 클램프 기구(34), 스핀들 유닛(20)을 지지하는 종동지지축, 이 종동지지축을 회전이 자유롭게 지지하기 위한 베어링(36) 및 로터리 조인트(38) 등이 장착되어 있다.

하우징(31b)은 A축 방향으로 관통하는 관통구멍(31b1)이 형성되어 있으며, 그 관통구멍(31b1) 내에 상기 클램프 기구(34), 종동지지축, 베어링(36) 및 로터리 조인트(38)가 장착되어 있다. 또한 하우징(31b)의 반대쪽 다리부(30a)측의 단면에는 다리부(30a)와 마찬가지로 오목부가 형성되어 있고(도시 생략), 이것이 측면 커버(18b)에 의해 덮여 있다.

로터리 조인트(38)는 다리부(30a)측의 로터리 조인트(37)와 동일한 것으로, 하우징(31b)에 고정된 디스트리뷰터(38a)와, 디스트리뷰터(38a)의 원통부(38a1)의 외주면에 회전 가능하게 끼워 장착된 샤프트(38b)로 구성되어 있다.

디스트리뷰터(38a)는 상기의 원통부(38a1)와 원통부(38a1)의 반대쪽 다리부(30b)측의 단부에서 반경방향으로 벌어지도록 형성된 플랜지부(38a2)로 되어 있다. 그리고, 디스트리뷰터(38a)는 이 플랜지부(38a2)에 있어서 원주 방향으로 설치된 복수의 나사부재(38c)에 의해 하우징(31b)에 대해 장착되어 있다. 또한 디스트 리뷰터(38a)의 중심에는 A축 방향으로 관통하는 관통구멍(38a4)이 형성되어 있다.

이 디스트리뷰터(38a)에는 원주 방향으로 위치를 이동시켜 복수의 유체 유로(38a3)가 형성되어 있다. 또한 샤프트(38b)에는 디스트리뷰터(38a)의 각 유체 유로(38a3)에 대응하는 복수의 유체 유로(38b1)가 형성되어 있다. 그리고, 각 유체 유로(38a3)와 그에 대응하는 각 유체 유로(38b1)는 디스트리뷰터(38a)와 샤프트(38b)의 끼워맞춤 둘레면에 형성된 환형 홈을 통하여 연통되어 있고, 샤프트(38b)가 회전한 경우에도 그 연통 상태가 유지되도록 구성되어 있다.

다리부(30b)에 있어서, 다리부(30a)의 회전축(32)에 대응하는 회전축(39)은 베어링(36)을 수용하기 위해, 축부재(39a)와 플랜지 부재(39b) 2개의 부재로 구성되어 있다. 이 회전축(39; 축부재(39a) 및 플랜지 부재(39b))은 그 회전축선이 다리부(30a)의 회전축(32)의 회전축선(=A축)과 일치하도록 배치된다.

회전축(39)의 축부재(39a)는 디스트리뷰터(38a)의 관통구멍(38a4) 내에 배치되어 있고, 디스트리뷰터(38a)에 대해 베어링(36)을 통하여 회전이 자유롭게 지지되어 있다. 따라서, 축부재(39a)와 디스트리뷰터(38a)는 A축에 관해 동심적으로 배치된 상태로 되어 있다.

또한 회전축(39)의 플랜지 부재(39b)는 다리부(30b)측에 다리부(30a)에서의 회전축(32)의 단면(32b)과 평행한 단면(39b1)을 가지고 있으며, 이 단면(39b1)에 대해 원주 방향으로 배치된 복수의 나사부재(15)에 의해 스핀들 유닛(20)이 고정된다. 따라서, 이 회전축(39)이 다리부(30b)에서의 스핀들 유닛(20)을 위한 종동지지축으로서 기능한다. 또한 회전축(39)은 플랜지 부재(39b)에 있어서 로터리 조인 트(38)의 샤프트(38b)에 고정되어 있고, 샤프트(38b)와 일체적으로 회전한다. 따라서, 로터리 조인트(38)의 샤프트(38b)도 종동지지축의 일부에 상당한다.

스핀들 유닛(20)의 회전 위치(각도 위치)를 유지하기 위한 클램프 기구(34)는 링 형상으로 형성되는 클램프 슬리브(34a)를 주요소로 하여 구성되어 있다(도 2, 도 5). 클램프 슬리브(34a)는 압력실이 되는 환형 홈(34a1)이 형성된 원통부(34a2)와, 이 원통부(34a2)의 다리부(30a)측 단부에서 반경방향으로 벌어지도록 형성된 플랜지부(34a3)을 가지고 있다. 또한 원통부(34a2)는 회전축(39)과 일체적으로 회전하는 로터리 조인트(38)의 샤프트(38b)를 그 회전을 허용하는 상태로 둘러싸고 있다.

한편, 하우징(31b)에는 관통구멍(31b1)에 삽입되는 클램프 슬리브(34a)를 수용하기 위해, A축 방향에 대해 반경방향 외측을 향해 연장되는 평면을 가지는 장착좌(31b3)가 관통구멍(31b1)에 연속하여 형성된다. 다른 한편으로, 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)에는 후술하는 수압 부재(34b)를 장착할 때 나사부재(34c2)를 삽입하기 위한 관통구멍, 및 클램프 슬리브(34a)를 하우징(31b)에 대해서 장착할 때에 나사부재(34c1)를 삽입하기 위한 관통구멍이 원주 방향으로 간격을 두고 각각 복수 형성된다.

클램프 슬리브(34a)의 원통부(34a2)와 하우징(31b)의 관통구멍(31b1) 사이에는 하우징(31b1)에 내감 고정된 원통 형상의 수압 부재(34b)가 개재되어 있다. 보다 자세하게는, 수압 부재(34b)에는 상기 플랜지부(34a3)의 상기 형성되는 복수의 관통구멍에 대응하여 복수의 나사 구멍이 형성된다. 그리고 원통형의 수압 부 재(34b)가 클램프 슬리브(34a)의 원통부(34a2)의 외측에 끼워 맞춰지도록 삽입됨과 함께, 플랜지부(34a)의 상기 복수의 관통구멍으로부터 나사부재(34c2)를 상기 수압 부재(34b)의 대응하는 나사 구멍에 각각 삽입한다. 이와 같이 수압 부재(34b)는 클램프 슬리브(34a)에 대해 외감 고정되어 있다. 또 클램프 슬리브(34a)는 장착된 수압 부재(34b)가 관통구멍(31b1)에 내감되도록 삽입된다. 한편, 하우징(31b)의 장착좌(31b3)에는 상기 수압 부재(34b)의 원주 방향으로 형성되는 복수의 관통구멍에 대응하여 복수의 나사 구멍이 형성되어 있고, 클램프 슬리브(34a)는 플랜지부(34a)의 관통구멍으로부터 나사부재(34c1)를 삽입하여 대응하는 나사 구멍에 삽입하는 것에 의해 장착좌(31b3)에 장착되며, 이것에 의해 하우징(31b)에 대해 내감 고정되어 있다.

수압 부재(34b)의 축단(34b4, 34b5)은 반경방향에 직교하는 방향으로 연장되는 평면을 원주 방향으로 연속하여 형성하고, 그 한쪽의 축단(34b4)이 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)에 계합되도록 배치되어 있다. 그리고, 수압 부재(34b)의 내주면(31b3)에는 전체둘레방향에 걸쳐 도시하지 않은 O링이 환형 홈(34a1)을 사이에 두고 축방향의 양측 위치에 각각 배치되어 있으며, 이것에 의해 압력실(34d)은 기밀 혹은 액밀상태를 유지할 수 있게 되어 있다. 또한 이 압력실(34d)에는 수압 부재(34b)에 형성된 유체 유로(34b1)가 연통되어 있다(도 2). 이 유체 유로(34b1)는 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)에 형성된 유체 유로(34a4)를 통하여, 하우징(31b)에 형성된 유체 유로(31b2)에 연통되어 있다.

그리고, 이 클램프 기구(34)에서는 이들 유체 유로를 통하여 압력유체(예를 들면, 압유)가 압력실(34d)에 공급되는 것에 의해, 클램프 슬리브(34a)의 원통부(34a2)의 환형 홈(34a1)에 의해 형성된 박육부(34a5)가 축경 방향(반경방향 내측)으로 변형된다. 그 결과, 샤프트(38b)에 대해 조임력이 작용하여 샤프트(38b) 및 이것에 장착된 회전축(39)의 회전이 저지된 상태(클램프 상태)가 된다.

또한 유체 제어 회로를 통하여 압력실에 공급되는 유체(압축유)의 압력을 해방시킴으로써, 원통부(34a2)의 박육부의 변형 상태가 해소되어, 샤프트(38a)에 대한 조임력이 소실됨으로써 회전축(39)에 대한 클램프 상태가 해제된다.

또한 도시한 예에서는 다리부(30b) 내에 회전축(39)의 회전 각도(=스핀들 유닛(20)의 각도 위치)를 검출하기 위한 회전 검출기(41) 및 스핀들 유닛(20)의 회전 범위를 제한하기 위한 각도 검출기(42)가 형성되어 있다.

회전 검출기(41)는 로터리 조인트(38)의 디스트리뷰터(38a)의 관통구멍(38a4) 내에서 관통구멍(38a4)의 내주면에서 반경방향으로 돌출되는 원반상의 지지부의 소정 위치에 장착된 한 쌍의 검출 헤드(41a, 41a)와, 검출기 헤드(41a, 41a)의 내측에 대향하도록 배치되며 회전축(39)의 축부재(39a)에 장착된 검출 링(41b)으로 구성되어 있다. 이 회전 검출기(41)에 의한 스핀들 유닛(20)의 각도 위치 검출 신호는 본 발명의 가공용 헤드(10)가 탑재되는 공작기계의 제어장치(도시하지 않음)에 보내져 스핀들 유닛(20)의 회전 제어(수치제어)에 이용된다.

또한 각도 검출기(42)는 예를 들면 리미트 스위치이며, 디스트리뷰터(38a)의 관통구멍(38a4) 내에 형성된 지지판 위에 장착되고, 회전축(39)의 단부에 장착된 원반상의 부재(43)의 둘레면에 대향하도록 형성되어 있다. 이 부재(43)의 둘레면에 는 허용 각도 범위에 대응하는 도그가 형성되어 이 도그에 대향한 상태에서는 리미트 스위치(42)는 동작하지 않는 상태에 놓여진다. 따라서, 제어가 이상한 경우 등에 의해 스핀들 유닛(20)이 허용 각도 이상으로 회전했을 경우, 그것이 리미트 스위치(42)에 의해 검출되고, 그 검출 신호가 예를 들어 비상 정지 신호로서 공작기계의 제어장치에 보내진다.

즉, 상기한 스핀들 유닛(20)을 그 양측으로부터 회전이 가능하게 유지하는 다리부(30a, 30b)는 이른바 스핀들 유닛(20)을 A축을 회전 중심으로 하는 분할장치를 구성하고, 다리부(30b)는 추가로 압력유체에 의한 클램프 기구를 갖춘 분할장치가 구성된다.

보다 자세하게는, 다리부(30b)에는 중앙에 관통구멍(31b1)를 가지는 하우징(31b)과, 상기 하우징(31b)의 관통구멍(31b1)에 삽입되어 상기 하우징(31b)에 대해서 회전 가능하게 지지되는 회전축(39; 플랜지 부재(39b)＋회전축(39a))과, 상기 회전축(39a)과 일체로 형성되어 그 회전 중심(A축)으로부터 반경방향으로 이간되고 축방향으로 연장되는 샤프트(38b)와, 샤프트(38b)의 외주단에 끼워 맞춰지는 링 형상의 원통부(34a2)를 가지는 클램프 슬리브(34a)와, 원통 형상으로 형성되는 수압 부재(34b)를 포함한다.

그리고, 링 형상으로 형성되는 클램프 슬리브(34a)는 환형 홈(34a1)이 형성되는 원통부(34a2)와, 원통부(34a2)의 단부로부터 반경방향 외측을 향해 연장되고, 또한 원통부(34a2)에 일체로 형성되는 플랜지부(34a3)를 가지는 한편, 상기 연속되는 원통부(34a2) 및 플랜지부(34a3)에 대해서 그 내측에 관통구멍으로서의 내주단(34a7)을 가지고 있다. 한편, 하우징(31b1)에는 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)를 수용하기 위하여 관통구멍(31b1)으로부터 반경방향 외측을 향해 연장되는 계합면을 가지는 장착좌(31b3)가 형성되어 있다. 수압 부재(34b)는 그 축단(34b4)이 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)에 계합되도록 동일축에 삽임됨과 함께, 플랜지부(34a3)에 형성된 복수의 나사 구멍에 삽입되는 복수의 조임 부재(34c2)를 통하여 플랜지부(34a3)에 대하여 장착된다. 또 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)가 하우징(31b)의 장착좌(31b3)에 고정됨으로써, 이른바 프레임으로서 기능하는 하우징(31b)측으로 이동할 수 없게 장착되어 있다. 이와 같이 하여 수압 부재(34b)는 플랜지부(34b3)를 통하여 하우징(31b)에 장착되어 있고, 클램프 슬리브(34a)는 회전축(39a)에 대해서 일체인 실린더부(38b)와 실린더부(38b)의 외측에 형성되는 하우징(31b) 사이에 배치되어 있다.

또한 클램프 슬리브(34a)의 원통부(34a2)에는 축방향 단면에서, 축단측의 외주단(34e5, 34e5’)보다 축방향 내측의 영역에서, 축선의 반경방향 내측으로 함몰되는 환형 홈(34a1)이 외주 주위에 연속 형성된다. 그러므로, 본 발명의 특징점인 클램프 슬리브(34a)에 대해, 그 주요부를 확대한 도 6을 이용하여 상세하게 설명한다. 또한 도 6은 도 5를 우측으로 90° 회전시킨 상태이고, 또한 환형 홈(34a1)의 주변부(축방향 단면도)를 확대한 도면이며, 도시의 편의상 클램프 슬리브(34a) 이외의 부재는 일점 쇄선으로 도시하고 있다.

또한 도 6에 나타내는 제1 실시예는 클램프 슬리브의 내측 단면에 이어지는 제1 완화면과 홈 저면 사이에 직선상의 제2 완화면 및 곡률이 완화된 제3의 완화면 이 연속적으로 형성되는 실시예이다.

도 6 내지 도 7을 참조하면, 클램프 슬리브(34a)의 원통부(34a2)는 그 외주 주위에 환형 홈(34a1)이 외주단(34e5, 34e5’)으로부터 회전축의 반경방향 내측을 향해 연장되고, 또한 축방향 내측의 도시한 영역(q5)에 걸쳐 형성된다. 환형 홈(34a1)은 대략적으로 서술하면 축단 양측의 외주단(34e5, 34e5’)으로부터 회전축(A축)의 반경방향 내측을 향해 연장되고, 또한 회전축 방향으로 서로 이간되어 형성되는 한 쌍의 내측 단면(34e6, 34e6’)과, 내주단(34a7)에 대해서 평행하게 연장되는 홈 저면(34e0)과, 그 일단이 내측 단면(34e6, 34e6’)에 연속되는 제1 완화면(34e1, 34e1’)을 형성함과 함께, 제2 완화면(34e2, 34e2’) 및 제3의 완화면(34e3, 34e3’)을 상기 제1 완화면(34e1, 34e1’)과 상기 홈 저면(34e0)과의 각 사이에 각각 연속하여 형성하고 있다.

또한 홈 저면(34e0)이 형성되는 영역에서의 홈 저면(34e0)과 내주단(34a7) 사이의 거리인 두께(t1)가 후술되는 압력실(34d)로의 압력유체의 공급에 의해 변형 가능한 두께를 가지도록 환형 홈(34e0)이 형성되어 있어, 홈 저면(34e0)과 내주단(34a7)으로 구분되는 도시한 영역(q1)에 걸쳐 두께(t1)의 박육부(직선 연장부(34a5))를 구성한다. 또한 내주단(34a7)과 실린더부(38b) 사이에는 실린더부(38b)의 회전을 방해하지 않도록, 또한 후술되는 클램프 동작시에는 직선 연장부(34a5)가 변형되어 실린더부(38b)를 눌러서 유지할 수 있는 정도의 소정의 간극(34f1)을 가지고 있다.

상기 직선 연장부(34a5)를 구성하는 홈 저면(34e0)의 양단(p1, p1’)은 모두 축단방향으로 진행됨에 따라, 도시한 영역(q3, q3’)의 제3의 완화면(34e3, 34e3’), 도시한 영역(q2, q2’)의 제2 완화면(34e2, 34e2’) 및 제1 완화면(34e1, 34e1’)을 거쳐 내측 단면(34e6, 34e6’)에 각각 연속되어 있고, 이들 연속되는 복수의 면에 의해 환형 홈(34a1)이 구성된다. 또한 직선상으로 형성되는 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 제1 완화면(34e1, 34e1’)의 개시점과 종점(p3, p3’)을 연결하는 각 직선에 대해서 회전축 방향에 대한 경사 각도가 완만하게 되도록 형성되어 있고, 또 원호면으로 형성되는 제3의 완화면(34e3, 34e3’)은 그 개시점(p1, p1’)과 종점(p2, p2’)을 연결하는 각 직선이 제2 완화면(34e2, 34e2’)의 회전축 방향에 대한 경사 각도보다 더 완만한 각도가 되도록 되고, 원호면은 이 직선에 대해서 오목 형상(아래로 볼록)으로 형성된다.

제2 완화면(34e2, 34e2’)은 그 개시점(p2)과 종점(p3) 사이의 영역(q2) 및 개시점(p2’)과 종점(p3’) 사이의 영역(q2’)에 걸쳐, 종점(p3, p3’)의 방향으로 진행됨에 따라 일정한 구배로 내주단(34a7)과의 거리(즉 두께)가 증대되는 직선상의 경사면으로서 각각 형성된다. 또한 제2 완화면(34e2, 34e2’)의 각 개시점(p2, p2’)은 제2 완화면보다 큰 곡률반경(R1)을 가지는 원호면이 되는 제3의 완화면(34e3, 34e3’)를 경유하여 홈 저면(34e0)의 양단(p1, p1’)에 각각 연결되어 있다. 한편, 제2 완화면(34e2, 34e2’)의 종점(p3, p3’)은 수㎜ 정도(보다 구체적으로는 2~8㎜ 정도)의 곡률반경을 가지는 원호면(R면)이 되는 제1 완화면(34e1, 34e1’)을 경유하여 내측 단면(34e6, 34e6’)의 단부에 연결되어 있다.

바꾸어 말하면, 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 개시점에서 종점까지의 회전축 방향의 길이(L1)와 그 구간에 있어서의 내주단과의 사이에서 증대된 길이(즉 두께 증가량(L2))의 비율, 즉 곡률이 제1 완화면(34e1, 34e1’)보다 완화된 곡률을 가지고 있고, 또 제3의 완화면(34e3, 34e3’)은 개시점에서 종점까지의 회전축 방향의 길이(도시한 영역(q3)의 길이)와 그 구간에 있어서의 내주단과의 사이에서 증대된 길이(즉 두께 증가량 Δt=t2-t1)의 비율, 즉 곡률이 제2 완화면(34e2, 34e2’)보다 완화된 곡률을 가지고 있다. 또한 내측 단면(34e6, 34e6’)의 상기 타방의 단부는 도시하지 않은 테이퍼면(c면)을 통하여 외주단(34e5, 34e5’)에 연결되어 있다.

홈 저면(34e0)의 단부(p1, p1’)로 구분되는 영역(q1), 즉 직선 연장부(34a5)의 두께(t1), 제2 완화면(34e2, 34e2’)의 개시점(p2, p2’)에서의 내주단(34a7)과의 거리인 두께(t2) 및 종점(p3, p3’)에서의 내주단(34a7)과의 거리인 두께(t3)의 각 대소 관계는 두께(t1)≤두께(t2)＜두께(t3)의 관계로 되어 있다. 또한 두께(t1)는 후술되는 압력실로의 압력유체 공급에 의해 회전축의 반경방향 내측으로 변형될 수 있는 값으로 되어 있고, 두께(t2)는 제2 완화면이 형성되는 영역 중 적어도 일부가 후술되는 압력유체 공급에 의해 변형될 수 있는 값으로 되어 있다. 이와 같이 하여, 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 홈 저면(34e0)의 단부(p1, p1’)로부터 축단 방향의 종점(p3, p3’)측으로 진행됨에 따라 내주단(34a7)과의 거리인 두께가 서서히 증가되도록 형성되어 있다.

원통부(34a2)에 형성된 상기 복수의 면으로 구성되는 환형 홈(34a1)과 수압 부재(34b)로 둘러싸이는 공간에 의해 압력실(34d)을 구성한다. 또 수압 부재(34b)의 내주단(34b3)에는 한 쌍의 씰 부재(34g1, 34g1’)를 수용하기 위한 도시하지 않 은 환형 홈이 내주단측 전체둘레에 걸쳐 형성된다. 씰 부재(34g1, 34g1’)는 대응되는 상기 환형 홈에 삽입되어 수압 부재(34b)에 대해서 상대적으로 이동할 수 없게, 또한 원통부(34a2, 34a2’)의 외주단(34e5, 34e5’)에 맞닿도록 배치되어 있어, 압력실(34d)을 기밀 혹은 액밀 상태로 유지하고 있다. 한편, 수압 부재(34b)의 내주단(34b3)에는 유로(34b1)가 상기 압력실(34d)로 통하도록 형성되고, 또 유로(34b1)는 클램프 슬리브(34a)의 플랜지부(34a3)에 대향해 형성되는 유로(34a4)에 연통되고, 도시하지 않은 유체 공급원에도 연통되어 있다.

하우징(31b)의 관통구멍(31b1)의 내주면(31b4)과 수압 부재(34b)의 외주면(34b2) 사이에는 소정의 간극(34d2)이 형성된다. 또한 클램프 슬리브(34a)의 재료로는 주물에 비해 탄성을 가지는 재료이면 되고, 예를 들면 니켈, 크롬, 몰리브덴 등을 함유하는 기계 구조용 합금강으로 하고, 회전축이나 하우징 그리고 수압 부재(34b)의 재료로는 예를 들면 기계 구조용 탄소강 등의 강재로 할 수 있다. 또한 간극(34d2)의 구체적인 수치 범위는 구체적으로는 천 분의 수십㎜~1㎜이다.

다음에 도시된 가공용 헤드(10)의 제2 지지 헤드(50)에 대해 이하에 상세하게 설명한다. (도 4)

상기 서술한 바와 같이, 본 실시예에서의 가공용 헤드(10)는 상기에서 설명한 제1 지지 헤드(30)에 더해 이 제1 지지 헤드(30)을 지지하는 제2 지지 헤드(50)를 구비한다. 그리고, 제1 지지 헤드(30)는 제2 지지 헤드(50)를 통하여 공작기계의 주축 헤드를 지지하는 램(8)에 장착된다. 이 제2 지지 헤드(50)는 제1 지지 헤드(30)를 연직 방향의 축선(공작기계의 Z축과 평행한 축선/이하, "C축" 이라고 함) 을 중심으로 회전 구동시키기 위해 형성되어 있다(도 4).

제2 지지 헤드(50)는 C축 방향으로 관통하는 관통구멍(51a)를 가지는 하우징(51)을 주체로 하고 있고, 축부(52a)가 관통구멍(51a) 내에 배치된 회전축(52)를 구비한다. 그리고, 제1 지지 헤드(30)는 이 회전축(52)을 통하여 제2 지지 헤드(50)에 대해 장착되어 있다. 또한 제2 지지 헤드(50)는 하우징(51)에 장착된 환형의 지지체(51b)를 통하여 공작기계의 주축 헤드를 지지하는 램(8)에 장착된다.

제2 지지 헤드(50)는 하우징(51)의 관통구멍(51a) 내에 회전축(52)을 회전 구동하기 위한 DD 모터(53), 회전축(52)의 회전 위치를 유지하기 위한 클램프 슬리브(54) 및 제1 지지 헤드(30)에 유체를 공급하기 위한 로터리 조인트(55)를 구비한다.

DD 모터(53)는 스테이터 슬리브(53c)를 통하여 하우징(51)에 고정된 스테이터(53a)와, 스테이터(53a)의 내주면에 대향하도록 형성되어 회전축(52)에 고정된 로터(53b)로 구성되어 있다. 또한 DD 모터(53)를 구동하기 위한 여자 전류의 공급은 커넥터(17a)를 통하여 스테이터(53a)에 접속된 케이블(17)을 통하여 이루어진다.

회전축(52)은 하우징(51)의 관통구멍(51a) 내에서 회전 가능하게 형성된 축부재(52a)와, 축부재(52a)의 제1 지지 헤드(30)측의 단부에 장착되어 반경방향(C축과 직교하는 방향)으로 벌어지는 플랜지 부재(52b)를 포함하고 있다. 또한 회전축(52)에는 로터리 조인트(55)가 삽입되는 관통구멍(52c)이 형성되어 있다.

또한 도시한 예에서는 회전축(52)의 축부재(52a)와 플랜지 부재(52b) 사이에 베어링 하우징(52d)이 형성되어 있다. 그리고, 이 베어링 하우징(52d)과 하우징(51) 사이에 베어링(56)이 개재되며, 이 베어링(56)에 의해 회전축(52)이 하우징(51)에 대해 회전이 자유롭게 지지된 상태로 되어 있다. 추가로, 도시된 예의 베어링(56)은 복합 롤러 형식의 선회 베어링의 한 종류인 3열 원통 롤러 베어링(3열 롤러 베어링/액시얼, 래디얼 롤러 베어링)이며, 액시얼 방향 및 래디얼 방향의 큰 하중을 받을 수 있는 것이다.

축부재(52a)의 외주면에는 DD 모터(53)의 로터(53b)가 외감 고정되어 있고, 로터(53b)의 회전에 수반되어 축부재(52a)가 C축을 중심으로 하여 회전 구동된다. 또한 플랜지 부재(52b)는 원주 방향으로 배치된 복수의 나사부재(52e)에 의해 축부재(52a)에 장착되어 있고, 축부재(52a)와 일체로 회전한다. 또한 플랜지 부재(52b)에는 원주 방향으로 복수의 나사부재(19)가 삽입되어 있고, 이 나사부재(19)에 의해 제1 지지 헤드(30)의 지지부(30c)가 플랜지 부재(52b)에 장착된다. 따라서, 회전축(52)이 DD 모터(53)에 의해 회전 구동됨으로써, 제1 지지 헤드(30)가 회전축(52)과 함께 회전한다.

로터리 조인트(55)는 제1 지지 헤드(30)의 로터리 조인트(37, 38)가 동일한 것이며, 하우징(51)에 고정된 디스트리뷰터(55a)와, 디스트리뷰터(55a)에 형성된 관통구멍(55a1)에 회전 가능하게 끼워 장착되고, C축에 대해 디스트리뷰터(55a)와 동심적으로 설치된 샤프트(55b)로 구성되어 있다.

디스트리뷰터(55a)는 회전축(52)의 관통구멍(52c) 내에 배치되는 원통부(55a2)와, 원통부(55a2)의 제1 지지 헤드(30) 반대측의 단부에서 반경방향으로 벌어지도록 형성된 플랜지부(55a3)로 되어 있고, 그 플랜지부(55a3)에서 원주 방향으로 설치된 복수의 나사부재에 의해 하우징(51)에 장착되어 있다.

또한 샤프트(55b)에는 제1 지지 헤드(30)측의 단부에 원반상의 플랜지 부재(57)가 장착되어 있고, 샤프트(55b)는 이 플랜지 부재(57)를 통하여 회전축(52)의 플랜지 부재(52b)에 대해 장착되어 있다. 따라서, 회전축(52)의 회전에 따라 샤프트(55b)도 함께 회전한다. 또한 플랜지 부재(57)는 제1 지지 헤드(30)의 지지부(30c)에 형성된 원형의 오목부(30c1)에 끼워지는 형상으로 되어 있고, 이 플랜지 부재(57)와 지지부(30c)의 오목부(30c1)에 의해 제1 지지 헤드(30)와 제2 지지 헤드(50)를 장착할 때의 위치 결정이 이루어진다.

디스트리뷰터(55a)에는 외부로부터 유체를 받기 위한 유체 유로(55a4)가 원주 방향으로 위치를 이동시켜 복수 형성되어 있다. 한편, 샤프트(55b)에도 디스트리뷰터(55a)의 각 유체 유로(55a4)에 대응하는 복수의 유체 유로(55b1)가 원주 방향으로 위치를 이동시켜 형성되어 있다.

그리고, 각 유체 유로(55a4)와 그에 대응하는 각 유체 유로(55b1)는 디스트리뷰터(55a)와 샤프트(55b)의 끼워맞춤 둘레면에 형성된 환형 홈을 통하여 연통되어 있고, 샤프트(55b)가 회전했을 경우에도 그 연통 상태가 유지되도록 구성되어 있다. 또한 샤프트(55b)에 형성된 복수의 유체 유로(55b1)는 각각 제1 지지 헤드(30)의 로터리 조인트(37 또는 38)의 디스트리뷰터(37a, 38a)에 형성된 대응하는 유체 유로(37a3 또는 38a3)에 연통되어 있다. 따라서, 외부로부터 로터리 조인트(55)의 디스트리뷰터(55a)에 공급된 유체는 샤프트(55b)를 통하여 제1 지지 헤 드(30)의 로터리 조인트(37, 38)에 공급된다.

하우징(51)에 고정된 디스트리뷰터(55a)와 회전축(52)의 축부재(52a) 사이에는 회전축(52)의 회전 위치를 유지하기 위한 클램프 슬리브(54)가 형성되어 있다. 이 클램프 슬리브(54)는 그 플랜지부(54a)에서 복수의 나사부재에 의해 디스트리뷰터(55a)에 장착됨과 함께, 회전축(52)과의 상대 회전이 허용되도록 형성되어 있다. 또한 클램프 슬리브(54)의 원통부(54b)에는 디스트리뷰터(55a)의 원통부(55a2)측으로 개구되는 환형 홈(54c)이 형성되어 있고, 이 환형 홈(54c)과 디스트리뷰터(55a)의 원통부(55a2)의 외주면에 의해 압력실이 형성된다.

그리고, 이 압력실에 대해 디스트리뷰터(55a)에 형성된 유체 유로(54d)를 통하여 압력유체를 공급함으로써, 원통부(54b)의 환형 홈(54c)에 대응하는 박육부가 확경 방향으로 변형된다. 그 결과, 회전축(52)에 대해 확경 방향의 조임력이 작용하여 회전축(52)의 회전이 저지된 상태(클램프 상태)가 된다.

또한 도시된 예에서는 로터리 조인트(55)의 상단부에 회전축(52)의 회전량, 즉, 제1 지지 헤드(30)의 회전량을 검출하기 위한 회전 검출기(44)가 형성되어 있다. 이 회전 검출기(44)는 디스트리뷰터(55a) 상의 소정 위치에 배치된 한 쌍의 검출기 헤드(44a, 44a)와 이 검출 헤드(44a, 44a)에 대향하는 배치로 회전축(52)과 함께 회전하는 샤프트(55b)에 장착된 검출 링(44b)으로 되어 있다. 이 회전 검출기(44)의 검출 신호는 제1 지지 헤드(30)의 회전 검출기(41)와 동일하게, 공작기계의 제어장치에 보내져 제1 지지 헤드(30)의 회전 제어에 이용된다.

이상의 구성으로 이루어지는 가공용 헤드(10)에서는 스핀들 유닛(20)을 지지 하는 지지 헤드(제1 지지 헤드(30))는 스핀들 유닛(20)을 한 쌍의 다리부(30a, 30b)의 각 지지축에 끼운 형태로 양 지지축에 상대 회전할 수 없게 고정되어 지지되어 있다. 그리고, 다리부(30a)측의 구동지지축을 DD 모터(33)에 의해 회전 구동함으로써, 스핀들 유닛(20)을 지지축의 회전축선(=스핀들(21)의 회전축선에 직교하는 축선/A축)을 중심으로 하여 원하는 각도 위치를 향하여 회전 구동한다.

한편, 스핀들 유닛(20)의 스핀들축을 A축을 중심으로 하여 원하는 각도로 위치 결정 구동할 때, 회전축(32)(회전축(39))은 공작기계의 제어장치에 의해 그 회전량이 제어되는 DD 모터(33)를 통하여 회전 구동된다. DD 모터(33)의 구동은 미리 설정된 프로그램에 기초한 수치 제어에 따라 이루어지고, 스테이터(33b)를 구성하는 도시하지 않은 전자석을 선택적으로 여자하여 로터(33a)의 회전을 제어함으로써, 구동지지축을 통하여 스핀들 유닛(20)의 각도 위치가 제어된다. 따라서, 도시된 예에서는 다리부(30a) 내에 형성된 DD 모터(33) 및 DD 모터(33)에 연결된 구동지지축(회전축(32)＋샤프트(37b))이 스핀들 유닛(20)을 위한 분할기구로서 기능한다. 또한 DD 모터(33)를 구동하기 위한 여자 전류는 커넥터(16a)에 의해 DD 모터(33)(스테이터(33a))에 접속된 케이블(16)에 의해 공급된다.

그러한 회전축(32)(회전축(39))의 분할 구동이 종료되면, 클램프 동작으로서 압력실(34d)에는 압력유체 공급원이나 개폐 밸브 등으로 구성되는 도시하지 않은 유체 제어 회로로부터 유체 유로(31b2)를 통하여 압축유가 공급된다. 그 때에는 압력실(34d)을 구성하는 박육부(34a5)는 A축에 대해 반경방향 내측을 향해 팽창하여 샤프트(38b)의 외주단(38b2)을 누름으로써, 회전축(39)은 하우징(31b)에 대해서 회 전할 수 없게 유지된다.

또한 클램프 동작에 수반되는 압력유체의 공급에 의해 압력실(34d)의 일부를 구성하는 수압 부재(34b)에도 압력이 가해지기 때문에, 수압 부재(34b)도 회전축 반경방향 외측으로 팽창하게 되지만, 하우징(31b)의 관통구멍(31b1)의 내주면(31b4)과 수압 부재(34b)의 외주면(34b2) 사이에 소정의 간극(34d2)이 형성되어 있기 때문에, 팽창하는 수압 부재(34b)의 외주면(34b2)이 적어도 관통구멍(31b1)의 내주면(31b4)에 맞닿을 때까지는 하우징(31b)의 관통구멍(31b1)을 누르는 힘(작용력)은 작용하지 않는다. 이러한 구조로 하는 것에 의해, 각도 분할된 회전축을 클램프 동작에 의해 기울어지지 않도록 할 수 있다. 그러나, 그러한 문제가 발생하지 않으면 관통구멍과의 사이에 소정의 간극을 가지는 수압 부재(34b)를 마련할 필요는 없고, 도 11에 나타내는 원테이블 장치와 같이, 관통구멍(102)이 압력실(112)의 일부로서 기능하도록 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 특징점인 제2 완화면(34e2, 34e2’)을 가지는 클램프 슬리브(34a)에서는 클램프 동작시에 압력유체가 압력실(34d)에 공급되면, 클램프 슬리브(34a)의 저부는 제2 완화면(34e2, 34e2’)이 형성되는 영역(q3, q3’), 제3의 완화면(34e3, 34e3’)이 형성되는 영역(q3, q3’) 및 홈 저면(34e0)으로 구분되는 두께(t1)의 직선 연장부(34a5)가 형성되는 영역(q1)으로 이루어지는 영역 전체, 즉 실질적으로 변형되는 도시한 영역(q5)의 박육 변형부가 전체적으로 휘듯이 변형되어, 실린더부(38b)의 외주단측으로 팽창되어 이것을 누른다. 이 때문에, 클램프 슬리브(34a)는 실린더부(38b)와 일체인 회전축(39a)을 하우징(31b)에 대해 회전할 수 없게 유지할 수 있다.

또한 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 직선 연장부(34a5)로부터 축단측의 종점(p3, p3’)에 가까워짐에 따라 그 두께가 서서히 두께(t3)를 향해 서서히 증가되도록, 바꿔 말하면, 제2 완화면이 형성되는 영역(q3, q3’)에서는 내측의 개시점(p2, p2’)에 가까워짐에 따라 그 두께가 직선 연장부(34a5)의 두께(t1)에 가까워지도록 서서히 얇게 형성되어 있다. 이 때문에, 압력실로의 압력유체 공급시에 제2 완화면(34e2, 34e2’)이 형성되는 영역(q3, q3’)에서의 변형량은 축단측에서 내측으로 진행됨에 따라(직선 연장부(34a5)에 가까워짐에 따라) 서서히 증대하고, 또한 홈 저면(34e0)이 형성되는 영역(q1)에서는 그 변형량은 일정해지고, 클램프 슬리브(34a)의 저부는 도 6에 점선으로 도시하는 바와 같이, 도시한 영역(q5)에 걸쳐 전체적으로 완만하게 휘듯이 변형되어 실린더부(38b)를 전체둘레방향에서 누른다. 즉, 곡률이 가파른 완화면에 의해 홈 저면에 연속되는 종래의 클램프 슬리브(도 8)와 같이 특정한 좁은 영역에서 크게 변형되는 개소는 존재하지 않는다. 따라서 본 발명의 클램프 슬리브에 의하면 압력유체의 공급에 의해 그러한 변형이 반복되었다고 해도, 환형 홈(34a1)의 저부에서의 피로 진행은 종래에 비해 느려지기 때문에 더욱 수명이 길어진다.

본 발명자는 클램프 슬리브의 실제 설계품의 단면 형상을 바탕으로, 또한 제2 완화면의 치수가 다른 값으로 설정되어 생성된 복수의 모델에 대해서 굽힘 응력(von Mises 응력)을 각각 해석했다. 그리고, 각 모델의 최대 응력치의 상황에 따라, 클램프 슬리브의 제2 완화면의 각 치수의 허용 범위를 이하와 같이 얻을 수 있 었다. 이러한 굽힘 응력 해석에 대해, 예를 들면 전자계산기 상에서 실행되는 유한 요소법 등의 공지의 해석 방법을 이용한다.

보다 자세하게는, 이 해석에는 그 단면을 예를 들면 수십개의 다면체 요소로 메시 분할한 유한 요소 모델을 이용하고, 또한 직선상으로 형성되는 제2 완화면(34e2)의 축방향의 구간 길이(L2) 및 제1 완화면에 이를 때까지의 사이의 두께 증가량(L1) 중 어느 하나가 다르게 설정된 것을 이용한다. 이 유한 요소 모델에는 해석시의 조건으로 실제 금속재료의 탄성 계수(세로 탄성 계수, 가로 탄성 계수, 프아송비 등)가 설정되는 한편, 환형 홈(압력실)을 구성하는 제1 완화면, 제2 완화면 및 직선 연장부의 외주면의 각 절점(節點)에 대해, 공급되는 유체 압력에 대응하는 하중이 가해지도록 설정되어 있고, 그러한 유한 요소법에 의한 응력 해석에 의해 각 다면체 요소에 작용하는 응력치(von Mises 응력)가 각 다면체 요소마다 구해진다. 구해진 응력치가 금속재료, 지지 형태를 바탕으로 결정되는 소정의 한계치 미만이면, 설정된 유한 요소 모델(클램프 슬리브), 바꾸어 말하면 제2 완화면(34e2)의 구간 길이(L2), 두께 증가량(L1)은 조건을 클리어했다고 판단하는 것으로 한다. 또한 도 7은 해석의 바탕이 된 클램프 슬리브에서의 치수(구간)를 나타내는 것이며, 도 8은 유한 요소법에 의한 응력 해석의 과정에서 부차적으로 얻어진 클램프 슬리브의 변형(비뚤어짐) 상태를 시각적으로 나타내는 것이다.

클램프 슬리브(34a)의 실제 치수, 환형 홈의 실제의 치수 및 제1 완화면 및 제3의 완화면의 설정 유무, 해석을 위해 설정한 제2 완화면의 치수, 나아가 응력 해석의 경계 조건에 관한 구체적인 설정 등에 대해 하나의 해석 사례로서 이하에 설명한다.

(1) 클램프 슬리브(34a)의 실제의 치수에 대해

가) 클램프 슬리브(34a)의 내주단(34a7)의 내경은 363㎜로 하고, 끼워 맞춰지는 샤프트(38b)의 외주단의 외경도 363㎜로 한다. 또한 내주단(34a7)과 샤프트(38b)의 외주단 사이의 간극(34 f1)은 0.05㎜의 간극이 있도록 외주단은 약간 소경으로 형성된다.

나) 클램프 슬리브(34a)의 축방향의 전체 길이는 135㎜로 하고, 플랜지부(34a3)의 외경은 490㎜, 원통부(34a2)의 외주단(34e5)의 외경은 380㎜로 한다.

(2) 환형 홈의 각 치수에 대해

가) 클램프 슬리브(34a)의 환형 홈(34a1)의 폭(L0)은 64㎜로 하고, 외주단(34e5)으로부터 홈 저면(34e0)까지의 거리인 환형 홈의 깊이(L3)는 55㎜로 한다. 이러한 관계에서 직선 연장부(34a5)의 두께(t1)는 1.5㎜가 된다.

나) 이른바 R면으로서 형성되는 제1 완화면(34e1)의 곡률반경(R1)은 4㎜로 한다.

(3) 해석을 위해 설정한 제2 완화면(34e2)의 치수 그리고 제1 완화면(34e1) 및 제3의 완화면(34e3)의 설정 유무에 대해

가) 제2 완화면(34e2)이 형성되는 영역의 축방향 길이(L1)는 0.2㎜, 0.5㎜, 1㎜, 2㎜, 3㎜, 4㎜, 5㎜ 및 6㎜의 8가지로 한다.

나) 제2 완화면(34e2)가 형성되는 영역의 개시점(p2)에서 종점(p3) 사이에서 증대되는 두께 증대량(L2)은 3㎜, 4㎜, 5㎜, 10㎜, 15㎜, 20㎜ 및 25㎜의 7가지로 한다.

다) 제1 완화면(34e1)의 곡률반경(R1)은 4㎜이다. 또한 제3의 완화면(34e3)은 형성하는 것으로 하고, 그 곡률반경(R2)은 제2 완화면에 대응하여 수십㎜~수㎜로 한다.

(4) 응력 해석의 경계 조건에 관한 구체적인 설정에 대해

가) 환형 홈에 가해지는 하중에 대해 상정되는 유압의 최대치 100kgf/cm2로 하고, 환형 홈의 면에 대해서 직교하는 방향으로 하중을 가하는 것으로 한다.

나) 클램프 슬리브의 금속재료에 대해, 니켈, 크롬, 몰리브덴 등을 함유하는 기계 구조용 합금강(예를 들면 일본공업규격에서 SCM435)으로 하고, 재료의 탄성 계수로서 영률은 21088kgf/㎜3, 프아송비는 0.29, 또한 재료의 비중은 7.8로 각각 설정한다.

다) 해석의 편의상, 클램프 슬리브의 양 축단 부근의 내주단이 구속 상태로 설정된다.

라) 클램프 슬리브(34a)의 내주단(34a7)과 이것에 끼워 맞춰지는 샤프트의 외주단 사이의 간극은 0.05㎜로 설정한다.

이러한 조건하에서 유한 요소법에 의한 응력 해석을 하여 얻어진 응력치(von Mises 응력)의 최대치를 실험 데이터로서 도 9에 나타낸다. 도 9는 직선상으로 형성되는 제2 완화면(34e2)의 길이(L1)를 가로축으로 하고 얻어진 최대 응력치를 세로축으로 하며, 또한 두께 증대량(L2)마다 각각 그래프화한 것이다. 또한 최대 응력치(von Mises 응력)의 한계치로서 금속재료 고유의 피로 한계, 하중이 가해지는 방법(편재 하중)이나 재질의 편차, 해석 정밀도의 불확실성 등을 고려해 결정되는 안전율을 고려하여 한계치는 30kgf/cm2로 한다.

실험 결과에 따르면, 제2 완화면에서의 두께 증대량(L2)이 어느 경우에도 제2 완화면이 형성되는 축방향 길이(L1)가 4㎜보다 작아짐에 따라, 최대 응력치 σ는 급격하게 증대하고, 또한 길이(L1)가 5㎜를 넘으면 거의 일정해지는 경향을 볼 수 있다. 또한 상기 도출된 한계치에 못 미친 수치 범위로는 제2 완화면의 길이(L1)는 4㎜ 이상이며, 제2 완화면에 의한 두께 증가량(L2)은 0.5㎜ 이상일 때 범위내에 있는 것이 도출된다.

제2 완화면이 형성되는 축방향 길이(L1)를 길게 하면 응력이 완화되기 때문에 양호하지만, 제2 완화면을 필요 이상 길게 형성하는 것은 반대로 클램프력(유지력)이 저하되게 된다. 왜냐하면 상기한 바와 같이 클램프 슬리브 전체의 크기(구체적으로는 축방향 길이, 바꿔 말하면 환형 홈의 폭(L0))가 제약을 받는 관계상, 길이(L1)를 늘리는 것은 반대로 제2 완화면보다 얇은 두께(t1)의 직선 연장부의 길이를 짧게 하게 되기 때문이다. 본 발명자들의 연구에 의하면 원테이블 장치의 테이블 지름 등의 사양을 고려하면, 길이(L1)에 대해 15㎜ 이하여도 실용상 문제는 없는 것을 확인했다. 따라서 길이(L1)의 적합한 범위로는 5㎜ 이상 15㎜ 이하(바꾸어 말하면, 환형 홈의 폭(L0)에 대한 비율이 3분의 1 이하의 길이이다)로 하는 것이 바람직하다.

또한 두께 증대량(L2)에 대해서도 증대될수록 응력이 보다 완화되므로 더욱 양호하지만, 두께가 증대됨에 따라 압력유체 공급시에 실질적으로 변형되는 영역의 길이가 짧아져 반대로 클램프력이 저하되는 것을 생각할 수 있다. 본 발명자의 현재의 실험에서는 두께 증가량(L2)을 7㎜ 이상으로 한 해석은 하지 않지만, 현재의 원테이블 장치 등의 사양 등을 고려하면 그 상한은 10㎜ 정도라고 생각된다. 바꾸어 말하면, 환형 홈의 깊이에 대한 비율을 5분의 1 이하로 하는 것이 바람직하다.

이처럼 도출된 제2 완화면이 형성되는 영역의 축방향 길이(L1) 및 그 영역에서의 두께 증가량(L2)에 관련하여 본원 발명의 샘플품(1)과 종래품에 대해 제1 및 제2 검증으로서의 클램프력의 실측 및 내구 시험을 실시했다.

이 비교 실험에서 이용한 샘플품 및 종래품의 완화면의 상세에 대해서는 이하에 서술한다.

가) 본원 발명의 샘플품(1)에 대해 제2 완화면의 길이(L1)는 8㎜, 또한 두께 증가량(L2)은 1.5㎜이다. 또한 원호면으로 형성되는 제3의 완화면(34e3)은 형성하지 않는다.

나) 샘플품(1) 및 종래품의 제1 완화면의 곡률반경(R1)은 모두 4㎜이다. 또한 직선 연장부의 두께(t1)는 모두 1.5㎜로 한다. 그 이외의 클램프 슬리브의 치수에 대해서는 상기 응력 해석에서 채용한 실제품 치수이다.

제1 검증에서는 클램프력을 실측하여 샘플품(1)의 클램프력(클램프 토크)이 종래품에 대해 어느 정도 저하되는지를 검증하는 것으로 한다. 그러므로, 표준적인 압력인 35kg·f/cm2의 압축유를 압력실에 공급했을 때의 클램프력(클램프 토크)을 실측한 바, 종래품에서는 3400Nm, 샘플품(1)에서는 3060Nm가 되어 샘플품(1)은 종래품에 대해서 클램프력이 10% 정도 저하되는 것이 확인되었다. 또한 약간 높은 압 력인 50kg·f/cm2의 압력을 공급했을 때에는 종래품에서는 4900Nm, 샘플품(1)에서는 4650Nm가 되어 샘플품(1)은 종래품에 대해서 클램프력이 5% 정도 저하되는 것이 확인되었다. 또한 이 정도의 클램프력의 저하는 실용상 지장을 미치지 않는 것이다.

제2 검증에서는 내구 시험으로서 압력실로의 압축유 공급에 의한 가압, 압축유 방출에 의한 감압을 1사이클로 하는 이른바 클램프 동작 언클램프 동작을 계속하여 실행하여 박육부에 균열이 발생하는 시점(바꾸어 말하면 균열에 기인하는 오일 누출의 검출시)의 적산 사이클수에 의해 샘플품(1)의 수명이 종래품에 대해 어느 정도 길어졌는지를 검증하는 것으로 한다. 조건으로는 약간 높은 압력인 50kg·f/cm2의 압축유를 공급하는 것으로 하여, 5초간 압축유의 공급, 그 후 5초간 압축유의 개방을 1사이클로 하여 수십만~백수십만 사이클을 기준으로 실행한다.

그 결과, 종래품에서는 40만 사이클 부근에서 클램프 슬리브의 저부에서 오일 누출이 발생한 것에 반해, 샘플품(1)에서는 120만 사이클에 이르러도 오일 누출은 발생하지 않았다. 이것에 의해 샘플품(1)은 종래품에 비해 수명이 3배 이상 늘어나는 것이 확인되었다.

제2 완화면을 갖추는 클램프 슬리브에 대해 이하와 같이 변형할 수 있다.

상기한 제1 실시예에서는 제2 완화면에 대해 두께(t1)의 직선 연장부의 양측에 마련하고 있지만, 클램프력의 저하를 최대한 억제하기 위해, 예를 들면 플랜지부(34a3)측(내측 단면(34e6)측)에만 형성하거나 플랜지부 반대측(내측 단면(34e6’)측)에만 형성하도록 해도 된다. 또한 직선 연장부(34a5)의 두께(t1)에 대해 1.5 ㎜로 했지만, 이것보다 얇게(구체적으로는 0.8㎜ 정도까지) 형성할 수도 있다.

제2 완화면에 대해 상기 제1 실시예에서는 그 단면 형상이 직선상(평면)으로 형성되는 예지만, 곡선상(원호면 등)으로 형성하도록 해도 된다. 도 10에 나타내는 제2 실시예는 상기 제1 실시예와 같은 직선상의 제2 완화면(34e2) 대신에 곡률반경(R2)을 가지고 또한 그 개시점 및 종점을 연결하는 직선에 대해서 오목 형상(아래에 볼록)의 원호면을 축단측으로 감에 따라 그 두께가 서서히 증대되는 제2 완화면(34e7)으로서 형성하고, 홈 저면(34e0)과 제1 완화면(34e1)에 연속시키는 예이며, 또한 제3의 완화면이 생략된 예이기도 하다. 원호면으로 도시한 영역(q4)에 걸쳐 형성되는 제2 완화면의 축방향 길이(L1) 및 두께 증가량(L2)의 적합한 범위는 상기한 제1 실시예와 동일하고, 보다 구체적으로는 원호면의 곡률반경(R2)은 수㎜가 되는 제1 완화면의 곡률반경(R1)보다 큰 값으로 하여 수십㎜ 이상(구체적으로는 20㎜ 이상)으로 할 수 있다. 그러나, 제3의 완화면을 생략하지 않는 형태, 즉 제2 완화면 및 제3의 완화면을 모두 원호면으로서 형성하고 또한 제3의 완화면이 제2 완화면에 대해서 큰 곡률반경을 가지도록 형성할 수도 있다.

제1 실시예에서는 직선상의 제2 완화면(34e2, 34e2’)과 직선 연장부(34a5) 사이에 제3의 완화면(34e3, 34e3’)이 형성되어 있지만, 그 곡률반경은 제2 완화면의 곡률반경보다 커지도록 하고, 그 곡률이 보다 완만하게 되도록 형성하면 된다. 또한 제3의 완화면에 대해 제1 실시예에서는 수십㎜ 정도의 곡률반경을 가지는 원호면으로 형성했지만, 이것 대신에 직선상의 테이퍼면으로 해도 된다. 이 경우, 제2 완화면보다 완만하게 되도록 그 경사 각도가 결정된다.

상기한 2개의 실시예에서는 제1 완화면(34e1, 34e1’)을 곡률반경을 가지는 원호면으로 형성했지만, 직선상의 경사면으로 형성할 수도 있다.

상기 실시예에서는 회전축(39)의 구동원이 이른바 DD 모터로 구성되는 예이지만, 이외의 모터, 회전 구동 기구로 구성할 수도 있다.

또한 상기 실시예에서는 공구가 장착되는 스핀들 유닛(20)의 분할기구로서 공작기계용의 가공용 헤드에 내장되는 장치를 일례로서 설명했지만, 그 이외의 분할장치에 적용 가능하다. 예를 들면, 워크가 재치되는 테이블의 각도를 분할하기 위한 상기 회전축을 갖추는 분할장치(즉 원테이블 장치)로 할 수도 있다. 예를 들면, 제1 실시예(도 5)를 예로 생각하면 스핀들 유닛(20)이 생략되고 또한 회전축을 구성하는 플랜지 부재(39b)의 단면(39b1)이 단차가 없는 평면으로 형성되며, 또한 축부재(39a)와 베어링(36)과 플랜지 부재(39b)를 결합하는 나사부재(15)는 플랜지 부재(39b)의 단면(39b1)측으로부터 파묻히는 형태로 축부재(39a)에 대해서 나사 삽입되도록 형성된다. 플랜지 부재(39b)에 평면으로 탑재되는 단면(39b1)에는 워크를 고착하는 도시하지 않은 지그가 형성되는 이른바 원테이블 장치의 테이블면으로서 기능한다.

또한 제1 실시예(도 5)에서는 테이블면과 일체인 회전축(39)을 회전 구동하는 기구가 구성되어 있지 않지만, 공지의 원테이블 장치와 같이 회전축(39a)에 대해서 웜 휠을 일체로 형성함과 함께, 예를 들면 회전량을 제어할 수 있는 서보모터에 연결되는 웜 스핀들을 상기 웜 휠에 맞물리도록 구성하거나 제1 실시예에서의 다리부(30a)와 같이 DD 모터에 의해 회전축(39)을 회전 구동하도록 구성된다.

또한 원테이블 장치는 공작기계의 베드에 대해 직교하는 회전축만을 가지는 장치에 한정되지 않는다. 구체적으로는 2축 이상의 회전축의 분할 기능을 가지는 원테이블 장치에 적용하고 그것의 1축 이상의 각 클램프 기구에 본 발명을 적용할 수 있다.

또한 본 발명은 상기의 어느 실시 형태로도 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 청구 범위를 일탈하지 않는 한 여러 가지로 변경하는 것이 가능하다.

Claims (5)

1. 관통구멍과 외주 주위에 연속되어 압력유체가 공급되는 압력실(34d)의 일부를 구성하는 환형 홈(34a1)을 가지고, 회전축(39)과 상기 회전축(39)의 외측 프레임(31b, 34b) 사이에 배치되는 클램프 슬리브(34a)로서,

   상기 환형 홈(34a1)은 축선에 대해서 반경방향으로 연장되고 또한 서로 이간되어 대향되는 한 쌍의 내측 단면(34e6, 34e6’)과 상기 관통구멍에 대해서 평행하게 연장되는 홈 저면(34e0)을 가짐과 함께, 상기 내측 단면(34e6, 34e6’)과 상기 홈 저면(34e0) 사이에는 원호상의 제1 완화면(34e1, 34e1’)이 각각 형성되어 있고,

   상기 홈 저면(34e0)이 형성되는 영역에서의 두께(t1)가 상기 압력실(34d)로의 유체 공급에 의해 변형될 수 있는 두께를 가지도록 상기 환형 홈(34a1)이 형성되는 클램프 슬리브(34a) 에 있어서,

   상기 2개의 내측 단면(34e6, 34e6’) 중 적어도 어느 일방측에서의 상기 제1 완화면(34e1, 34e1’)과 상기 홈 저면(34e0) 사이에는 상기 제1 완화면(34e1, 34e1’)보다 완화된 곡률을 가지는 제2 완화면(34e2, 34e2’)이 형성되는 것을 특징으로 하는 클램프 슬리브(34a).
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 상기 홈 저면(34e0)측의 개시점에서 종점측으로 진행됨에 따라 상기 관통구멍 사이의 거리가 서서히 증대되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 클램프 슬리브(34a).
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 상기 홈 저면(34e0)측의 개시점에서 종점까지의 축방향 길이(L1)가 4㎜ 이상 15mm 이하이고, 또한 상기 홈 저면(34e0)의 개시점에서 종점까지의 구간에서의 상기 관통구멍과의 사이의 거리의 증대량(L2)이 0.5㎜ 이상 6㎜ 이하가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 클램프 슬리브(34a).
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 완화면(34e2, 34e2’)은 상기 홈 저면(34e0)측의 개시점에서 종점까지의 구간에 걸쳐 연속되는 직선상의 경사면 혹은 오목 형상의 원호면 중 어느 하나에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 클램프 슬리브(34a).
5. 제4항에 있어서,

   추가로 상기 홈 저면(34e0)과 상기 제2 완화면(34e2, 34e2’) 사이에는 상기 제2 완화면(34e2, 34e2’)보다 더욱 완화된 곡률을 가지는 제3의 완화면(34e3, 34e3’)이 형성되는 것을 특징으로 하는 클램프 슬리브(34a).

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