KR101284286B1 - 형상기억합금을 이용한 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계 - Google Patents

형상기억합금을 이용한 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기계 가공을 위한 공구가 고정되는 공구홀더와, 상기 공구가 회전하도록 상기 공구홀더를 회전 구동시키기 위한 스핀들, 및 상기 공구와 스핀들이 동일 중심축을 갖도록 상기 공구홀더와 스핀들을 결합시키는 결합부를 포함하고, 상기 결합부는 상기 스핀들의 외주 가공시 선삭 가공에 의해 형성되며 상기 스핀들의 단부에 돌출 형성되는 결합축과, 상기 스핀들의 중심축과 동일 중심축을 갖도록 상기 공구홀더에 형성되며 상기 결합축과 공구가 삽입 고정되는 고정공을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계를 개시한다.

Description

형상기억합금을 이용한 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계{SPINDLE-TOOL ASSEMBLY USING SHAPE MEMORY ALLOY AND MACHINE TOOL HAVING THE SAME}
본 발명은 공구의 고정을 위한 공구홀더와 공구의 회전 구동을 위한 스핀들 사이에 결합 구조에 관한 것이다.
일반적으로, 공구홀더는 공작기계의 스핀들에 공구를 고정시키기 위한 체결 도구를 말한다. 도 1은 일반적인 구조의 스핀들-공구홀더 결합체를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 공구(30)의 회전 구동을 위한 스핀들(10)에는 원추 형태의 테이퍼 홀(11)이 형성되어 있으며, 공구홀더(20)의 외주면은 테이퍼 홀(11)에 대응되는 원추 형상을 가지고 있다. 공구홀더(120)는 테이퍼 홀(11)에 삽입되어 스핀들(10)에 고정되게 된다. 공구홀더(20)에는 공구(30)가 삽입 및 고정되는 삽입공(21)이 형성되어 있다.
이러한 스핀들-공구홀더 결합체의 구조에 있어 스핀들(10)의 중심축(Ⅰ)과 공구(30)의 중심축을 정렬하는 것이 매우 중요하다. 왜냐하면 스핀들(10)의 중심축과 공구(30)의 중심축이 일직선상에 있지 않을 경우 기계 가공시 공구(30)에 편심으로 인한 흔들림이 발생하기 때문이다.
스핀들-공구홀더 결합체는 테이퍼 홀(11)의 선삭 가공, 공구홀더(20) 외주면의 원추 형상 선삭 가공, 삽입공(21)의 선삭 가공을 통해 그 가공이 이루어진다. 이러한 경우, 스핀들(110)의 중심축(Ⅰ), 테이퍼 홀(11)의 선삭 가공 중심축(Ⅱ), 공구홀더(20)의 원추 가공 중심축(Ⅲ), 및 삽입공(21)의 선삭 가공 중심축(Ⅳ)의 정렬이 필요하다. 즉, 중심축 정렬을 위해 4개의 선삭 가공축을 정렬하는 것이 필요하며, 이로 인해 중심축 정렬이 매우 복잡하고 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중심축 정렬의 대상이 되는 선삭 가공축을 감소시켜 가공의 편의성을 향상시킨 스핀들-공구홀더의 결합구조를 제공하기 위한 것이다.
상기한 과제를 실현하기 위해 본 발명은 기계 가공을 위한 공구가 고정되는 공구홀더와, 상기 공구가 회전하도록 상기 공구홀더를 회전 구동시키기 위한 스핀들, 및 상기 공구와 스핀들이 동일 중심축을 갖도록 상기 공구홀더와 스핀들을 결합시키는 결합부를 포함하고, 상기 결합부는 상기 스핀들의 외주 가공시 선삭 가공에 의해 형성되며 상기 스핀들의 단부에 돌출 형성되는 결합축과, 상기 스핀들의 중심축과 동일 중심축을 갖도록 상기 공구홀더에 형성되며 상기 결합축과 공구가 삽입 고정되는 고정공을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계를 개시한다.
상기 고정공은 상기 공구홀더를 관통하도록 형성되며, 상기 결합축과 공구는 상기 고정공의 양단에 삽입 고정될 수 있다.
상기 결합축은 굽힘 강성을 보강할 수 있게 상기 공구보다 상대적으로 큰 외경을 갖도록 형성 가능하다. 이러한 경우, 상기 고정공은 상기 공구가 고정되는 공구 고정공과, 상기 고정공에서 연장되며 상기 결합축이 고정되도록 상기 공구 고정공보다 큰 내경을 갖는 결합축 고정공을 포함하는 구성을 가질 수 있다. 그리고, 상기 결합축에는 상기 공구의 일단이 삽입되어 위치할 수 있도록 삽입홀이 형성될 수 있다.
상기 고정공의 내벽에는 상기 공구를 클램핑하기 위한 제1형상기억합금 링이 설치될 수 있으며, 상기 공구홀더의 외주면에는 상기 결합축을 클램핑하기 위한 제2형상기억합금 링이 설치될 수 있다. 상기 제1 및 제2형상기억합금 링은 냉각 또는 가열에 의해 변형되어 상기 고정공의 내경을 가변시키도록 구성된다. 여기서, 상기 제1형상기억합금 링은 상기 고정공보다 큰 내경을 갖는 링 고정공에 억지 끼움 방식으로 고정되고, 상온보다 고온에서 오스테나이트 상으로 변태하여 상기 고정공의 내경을 확장시키는 특성을 갖는다. 그리고, 상기 제2형상기억합금 링은 상기 공구홀더 외주면의 요입부에 억지 끼움 방식으로 고정되며, 상온에서 오스테나이트 상으로 변태하여 상기 고정공의 내경을 축소시키는 특성을 갖는다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 결합축의 선삭 가공축과 공구의 선삭 가공축만을 정렬(2축 정렬)하면 되므로, 종래 기술(4축 정렬)에 비해 보다 용이한 중심축 정렬이 가능하다.
또한, 형상기억합금 링을 이용하여 공구 및 결합축을 클램핑/언클램핑하는 구조를 통해 보다 간단한 구조의 클램핑 구조의 구현이 가능하며, 공구홀더의 초소형화시킬 수 있을 뿐 아니라 공구교환의 편의성 또한 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 구조의 스핀들-공구홀더 결합체를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 구조를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 구조를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 구조를 나타낸 도면.
도 5 및 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 작동 상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체에 적용된 공구홀더를 나타낸 도면.
이하, 본 발명과 관련된 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 스핀들-공구홀더 결합체는 공구홀더(120), 스핀들(110), 및 결합부(140)를 포함한다. 도 2의 (a)는 공구(130), 공구홀더(120), 스핀들(110)이 분리된 상태를 나타내고 있으며, (b)는 이들 구성들이 결합된 상태를 나타내고 있다.
공구홀더(120)는 기계 가공을 위한 공구(130), 예를 들어 드릴을 고정하기 위한 것으로서, 스핀들(110)에 고정되어 스핀들(110)의 구동에 의해 회전한다.
스핀들(110)은 공작 기계에 회전 구동 가능하게 설치되어 공구(130)가 회전할 수 있도록 공구홀더(120)를 회전 구동시킨다.
결합부(140)는 공구(130)와 스핀들(110)이 동일 중심축을 갖도록 공구홀더(120)와 스핀들(110)을 결합시키는 기능을 한다. 본 발명에 따르면, 결합부(140)는 스핀들(110)의 단부에 돌출 형성되는 결합축(141)과, 결합축(141)과 공구(130)를 삽입 고정시킬 수 있도록 공구홀더(120)에 형성되는 고정공(142)을 포함한다.
결합축(141)은 스핀들(110)의 외주 가공시 선삭 가공에 의해 형성되며, 고정공(142)은 결합축(141)과의 결합시 스핀들(110)의 중심축과 동일 중심축을 갖도록 형성된다. 고정공(142) 또한 선삭 가공을 통해 공구홀더(120)에 관통 형성될 수 있으며, 결합축(141)과 공구(130)는 고정공(142)의 양단에 삽입 고정된다. 본 실시예의 경우, 결합축(141)과 공구(130)의 외경은 고정공(142)의 내경과 동일하게 이루어진다.
이와 같은 구조에 따르면, 스핀들(110)의 중심축, 즉 결합축(141)의 선삭 가공축(Ⅰ)과 공구(130)의 선삭 가공축(Ⅱ)만을 정렬(2축 정렬)하면 되므로, 종래 기술(도 1 참조)에 비해 보다 용이한 중심축 정렬이 가능하며, 그에 따라 가공 편의성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 구조를 나타낸 도면이다. 도 3의 (a)는 공구(130), 공구홀더(120), 스핀들(110)이 분리된 상태를 나타내고 있으며, (b)는 이들 구성들이 결합된 상태를 나타내고 있다.
본 실시예의 결합부(150)는 앞선 실시예의 결합부(140)의 구성을 변형 실시한 것으로서, 이를 제외한 구성은 앞선 실시예와 동일하므로 동일한 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
결합부(150)는 결합축(151)과 고정공(152)를 포함하는 구조를 가지며, 본 실시예의 결합축(151)은 굽힘 강성을 보강할 수 있게 공구(130)에 비해 상대적으로 큰 외경을 갖는다. 그리고, 고정공(152)은 공구(130)가 고정되는 공구 고정공(152a)과, 결합축(151)의 고정이 가능하도록 고정공(152)에서 연장되는 결합축 고정공(152b)을 포함한다. 여기서, 결합축 고정공(152b)은 결합축(151)의 외경에 대응하도록 공구 고정공(152a)보다 큰 내경을 갖는다. 이와 같이, 결합축(151)의 직경을 상대적으로 크게 하여 결합축(151)의 굽힘 강성을 보강함으로써 난삭재 가공에 용이한 구조를 제공한다.
결합축(151)에는 공구(130)의 일단이 삽입되어 위치할 수 있도록 삽입홀(153)이 형성될 수 있다. 그에 따라 공구(130)의 일단을 삽입홀(153)의 바닥까지 삽입시킬 수 있게 되어 공구(130)의 위치 가변 거리를 증가시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 구조를 나타낸 도면이며, 도 5 및 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체의 작동 상태를 나타낸 도면이다.
본 실시예는 앞서 설명한 제1실시예에 따른 구성에 제1 및 제2형상기억합금 링(160,170)을 추가한 구성을 갖는다.
도 4를 참조하면, 제1형상기억합금 링(160)은 공구(130)를 클램핑하거나 언클램핑하기 위한 것으로서, 고정공(142)의 내벽에 고정 설치된다. 그리고 제2형상기억합금 링(170)은 결합축(141)을 클램핑하거나 언클램핑하기 위한 것으로서, 공구홀더(120)의 외주면에 설치된다.
제1 및 제2형상기억합금 링(160,170)은 특정온도에 도달했을 때 변형 전 형태로 복원할 수 있는 금속인 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)으로 형성된다. 제1 및 제2형상기억합금 링(160,170)은 Ni과 Ti의 합금으로 이루어지며, 마르텐사이트 상이 되는 저온에서는 소성 변형이 쉽게 이루어지나 오스테나이트 상이 되는 고온에서는 원래 형상으로 회복되는 특성을 갖는다. Ni와 Ti의 조성비 조절을 통해 오스테나이트 변태 온도를 조절할 수 있다. 제1 및 제2형상기억합금 링(160,170)은 냉각 또는 가열에 의해 변형되어 고정공(142)의 내경을 가변시키도록 구성된다.
공구홀더(120)에는 고정공(142)의 내경이 용이하게 가변될 수 있도록 관통 슬릿(123,124)가 형성되며, 이들은 공구홀더(120)의 원주 방향을 따라 등간격(예를 들어 120°)을 이루도록 형성될 수 있다.
고정공(142)의 일측에는 고정공보다 큰 내경을 갖는 링 고정공(121)이 형성되며, 제1형상기억합금 링(160)은 링 고정공(121)에 억지 끼움 방식으로 고정된다. 제1형상기억합금 링(160)은 상온(제1온도영역)보다 고온(제2온도영역, 예를 들어 100℃ 이상)에서 오스테나이트 상으로 변태하는 특성을 갖는다. 제1형상기억합금 링(160)은 상온에서 소성 변형이 쉽게 일어나는 마르텐사이트 상을 가지는바, 상온에서 링 고정공(121)에 억지 끼움되면서 소성 변형(압축)되게 된다.
제1형상기억합금 링(160)은 공구(130)가 관통할 수 있도록 공구(130)의 외경(D2)보다 큰 내경을 갖는 것이 바람직하며, 고정공(142)의 내경(D1)은 공구(130)의 외경(D2)보다 약간 작게 형성되어 공구(130)를 클램핑할 수 있게 된다.
공구홀더(120)의 외주면에는 리세스되게 형성된 요입부(122)가 형성되며, 제2형상기억합금 링(170)은 요입부(122)에 억지 끼움 방식으로 고정된다. 제2형상기억합금 링(170)은 상온에서 오스테나이트 상으로 변태하고, 상온보다 저온(제3온도영역, 예를 들어 3℃ 이하)에서 마르텐사이트 상을 갖는 특성을 갖는다. 제2형상기억합금 링(170)은 저온 영역에서 마르텐사이트 상을 가지는바, 저온 영역에서 요입부(122)에 억지 끼움되면서 소성 변형(인장)되게 된다. 여기서, 결합축(141)의 외경(D3)은 고정공(142)의 내경(D1)과 동일하거나 약간 크게 형성되는 것이 바람직하다.
도 5는 공구(130)를 고정공(142)에 클램핑시키는 과정을 나타내고 있다.
가열원을 이용하여 제1형상기억합금 링(160)을 가열하면 제1형상기억합금 링(160)이 오스테나이트 상으로 변태하면서 원래의 형상으로 복원하게 된다. 제1형상기억합금 링(160)은 원상태로 인장되면서 링 고정공(142)의 외측 방향(도 5의 화살표 방향)으로 공구홀더(120)를 가압하게 되며, 그에 따라 고정공(142)의 내경이 확장되게 되는 것이다. 따라서, 공구(130)를 고정공(142) 내로 쉽게 삽입할 수 있게 되며, 공구(130)가 설치 위치에 놓여진 상태에서 냉각원을 이용하여 제1형상기억합금 링(160)을 냉각시킨다. 제1형상기억합금 링(160)이 상온으로 냉각되어 마르텐사이트 상으로 변태하면, 공구홀더(120)의 자체 복원력에 의해 고정공(142)의 내경이 축소된다. 고정공(142)의 내경이 축소됨에 따라 공구(130)가 고정공(142)에 견고히 고정되게 되는 것이다. 이상에서는 공구의 클램핑 과정에 대해 설명하였으나 언클램핑 과정도 동일하게 수행하면 된다.
도 6은 스핀들(110)의 결합축(141)을 고정공(142)에 클램핑시키는 과정을 나타내고 있다.
냉각원을 이용하여 제2형상기억합금 링(170)을 저온 영역까지 냉각하여 마르텐사이트 상으로 변태시킨다. 저온 상태에서 결합축(141)을 고정공(142)에 삽입하면, 제2형상기억합금 링(170)의 소성 변형이 쉽게 이루어지므로 간섭 없이 결합축(141)의 삽입이 가능하다. 결합축(141)의 삽입 완료 후 가열원을 이용하여 제2형상기억합금 링(170)을 가열하면 제2형상기억합금 링(170)이 상온에서 오스테나이트 상으로 변태하여 원래의 형상으로 복원되게 된다. 제2형상기억합금 링(170)은 압축 변형되면서 공구홀더(120)의 외주면을 가압하게 되며, 그에 따라 고정공(142)이 축소하여 결합축(141)을 클램핑하게 되는 것이다. 결합축(141)의 언클램핑은 저온 영역으로의 재냉각을 통해 수행 가능하다.
상기와 같이 제1 및 제2형상기억합금 링(160,170)의 오스테나이트 변태 온도에 차등을 둠으로써 공구(130)와 결합축(141)의 클램핑/언클램핑을 독립적으로 수행할 수 있게 된다. 즉, 공구(130)의 언클램핑은 고온 영역에서 이루어지게 하고, 결합축(141)의 언클램핑은 저온 영역에서 이루어지게 하여 공구(130) 또는 결합축(141)의 교체를 선택적으로 수행할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 스핀들-공구홀더 결합체에 적용된 공구홀더를 나타낸 도면이다.
본 실시예의 경우 앞서 설명한 제2실시예에 따른 구성에 제1 및 제2형상기억합금 링(160.170)을 추가한 구성을 갖는다. 제1 및 제2형상기억합금 링(160.170)의 구성 및 이를 이용한 클램핑/언클램핑 동작은 제3실시예의 경우와 동일하게 이루어지므로, 이에 대한 설명은 앞선 설명에 갈음하기로 한다.
이상에서는 본 발명에 따른 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계를 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 (9)

  1. 기계 가공을 위한 공구가 고정되는 공구홀더;
    상기 공구가 회전하도록 상기 공구홀더를 회전 구동시키기 위한 스핀들; 및
    상기 공구와 스핀들이 동일 중심축을 갖도록 상기 공구홀더와 스핀들을 결합시키는 결합부를 포함하고,
    상기 결합부는,
    상기 스핀들의 외주 가공시 선삭 가공에 의해 형성되며, 상기 스핀들의 단부에 돌출 형성되는 결합축;
    상기 스핀들의 중심축과 동일 중심축을 갖도록 상기 공구홀더에 형성되며, 상기 결합축과 공구가 삽입 고정되는 고정공;
    상기 고정공의 내벽에 설치되며, 상기 공구를 클램핑하기 위한 제1형상기억합금 링; 및
    상기 공구홀더의 외주면에 설치되며, 상기 결합축을 클램핑하기 위한 제2형상기억합금 링을 포함하며,
    상기 제1 및 제2형상기억합금 링은 냉각 또는 가열에 의해 변형되어 상기 고정공의 내경을 가변시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정공은 상기 공구홀더를 관통하도록 형성되며,
    상기 결합축과 공구는 상기 고정공의 양단에 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결합축은 굽힘 강성을 보강할 수 있게 상기 공구보다 상대적으로 큰 외경을 갖는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 고정공은,
    상기 공구가 고정되는 공구 고정공; 및
    상기 고정공에서 연장되며, 상기 결합축이 고정되도록 상기 공구 고정공보다 큰 내경을 갖는 결합축 고정공을 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 결합축에는 상기 공구의 일단이 삽입되어 위치할 수 있도록 삽입홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1형상기억합금 링은 상기 고정공보다 큰 내경을 갖는 링 고정공에 억지 끼움 방식으로 고정되며, 상온보다 고온에서 오스테나이트 상으로 변태하여 상기 고정공의 내경을 확장시키는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2형상기억합금 링은 상기 공구홀더 외주면의 요입부에 억지 끼움 방식으로 고정되며, 상온에서 오스테나이트 상으로 변태하여 상기 고정공의 내경을 축소시키는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 스핀들-공구홀더 결합체.
  9. 제1항을 따르는 스핀들-공구홀더 결합체를 구비하는 공작 기계.
KR1020110047834A 2011-05-20 2011-05-20 형상기억합금을 이용한 스핀들-공구홀더 결합체 및 이를 구비하는 공작기계 KR101284286B1 (ko)

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