KR101451279B1

KR101451279B1 - 수직형 마찰교반접합 장치

Info

Publication number: KR101451279B1
Application number: KR1020130043717A
Authority: KR
Inventors: 김주호; 김쌍호; 노중석
Original assignee: (주)태광테크
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-16

Abstract

본 발명은 수직형 마찰교반접합 장치에 관한 것으로서, 마찰교반접합 툴(Tool)을 수직하게 장착되게 한 상태에서 마찰교반접합 작업을 수행하는 수직형 마찰교반접합 장치에 관한 것으로, 용접대상물이 작업을 위해 고정되면서 X축 방향으로 왕복운동하는 X축 이송부와, X축 이송부의 상측에 설치되어 Y축 방향으로 왕복운동하는 Y축 이송부와, Y축 이송부에 설치되어 Z축 방향으로 왕복운동하는 Z축 이송부와, Z축 이송부에 설치되어 용접대상물에 마찰교반접합을 제공하도록 틀이 장착된 스핀들부를 포함하는 마찰교반접합 장치에 있어서, 스핀들부는, Z축 이송부에 결합되는 "ㄱ"자형 스핀들 가이드와, 스핀들 가이드의 상부 일측에 설치되는 주축모터와, 스핀들 가이드에 수직하게 결합되면서 주측모터의 동력을 받아 고속회전하는 스핀들 본체와, 스핀들본체에 수직하게 장착되는 마찰교반접합 툴을 포함하여 제공한다.

Description

수직형 마찰교반접합 장치{FRICTION STIR WELFING APPARATUS}

본 발명은 수직형 마찰교반접합 장치에 관한 것으로서, 마찰교반접합 툴(Tool)을 수직하게 장착되게 한 상태에서 마찰교반접합 작업을 수행하는 수직형 마찰교반접합 장치에 관한 것이다.

자동차나 항공기 등과 같은 운송장치 그리고 건축/토목 분야 등 다양한 산업분야에서 알루미늄이나 마그네슘 등 경량소재를 활용한 경량합금이 널리 사용되고 있다. 이러한 경량합금을 이용하여 각종 기기, 구조물 등을 생산/제작하기 위해서는 이들 경량 합금을 용접에 의하여 접합하게 되는 경우가 빈발하다.

따라서, 이들 경량합금을 용접하는 기술이 널리 연구되고 있으며, 근래에는 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding : FSW)이 소개되어 있다.

일반적으로 마찰교반용접은 접합모재를 고정시킨 후 이음부의 맞대기 면을 따라 접합모재에 비해 경한 재질을 지닌 비소모식 회식 툴(Tool)의 일부분이 삽입되도록 하여 상기 툴과 접합모재의 상대적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 연화시키기에 충분한 온도로 인접한 접합부를 가열시키게 된다. 이로 인하여 툴이 삽입된 부분 주위로 연화된 소위"서드바디(Third-body)"라고 불리는 영역이 생성되며, 이러한 서드바디에 기계적 힘을 가하여 툴이 접합선을 따라 이동하도록 함으로써 가열된 부위가 툴의 앞부분에서 뒤쪽으로 압출되고, 상기와 같은 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상접합부가 형성된다. 마찰 교반 용접기술은 접합하고자 하는 두 개의 피가공재를 서로 맞대어 접합 계면을 따라 마찰교반접합 툴(Tool)이 진행하면서 발생하는 마찰열과 피가공재 내부에서 발생하는 소성 가공 현상을 이용하여 피가공재를 접합하는 방법이다.

그리고, 최근에는 이러한 마찰 교반 용접 기술을 활용/개선함으로써 더욱 발전시키고자 하는 노력이 더해지고 있다.

그런데, 기존의 마찰교반용접 툴은 일정한 각도를 가지고 용접 작업을 수행하여 마찰교반대상의 형상에 따라 용접 방법의 제약이 발생하고 스핀들의 구조가 복잡해지는 문제가 있었다.

또한, 마찰교반용접 시 맞대어진 피가공재를 따라 진행하는 마찰교반접합 툴(Tool)을 회전시키기 위해서는 큰 하중을 가지는 통상의 대용량의 모터를 사용하였다.

이러한 대용량 모터는 프레임의 상부에 배치됨으로서, 하중으로 인해 장시간 이용 시 프레임이 변형되거나, 프레임간의 오차가 발생되어 정밀하게 제어할 수 없는 문제점이 있었다.

관련 선행기술로는 한국등록특허 제 10-0711778 호 (공개일자: 2007. 04. 19 명칭:"마찰 교반 점 용접장치")가 있다.

본 발명은, 기존의 마찰교반용접 툴이 일정한 각도를 가지고 용접 작업을 수행하여 마찰교반대상의 형상에 따라 용접 방법의 제약이 발생되고 스핀들의 구조가 복잡해지는 문제점을 해결하기 위해 마찰교반용접 툴을 수직하게 배치하여 용접 시 발생하는 제약을 최소화하고 스핀들의 구조를 단순화한 수직 마찰교반접합 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 마찰 교반 용접을 위해 대용량 모터가 프레임의 상부에 설치됨으로서, 장시간 이용 시 하중으로 인한 프레임의 변형 및 작업 중 오차가 발생하는 문제점을 해결하기 위한 수직형 마찰교반접합 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치는, 용접대상물이 작업을 위해 고정되면서 X축 방향으로 왕복운동하는 X축 이송부와, X축 이송부의 상측에 설치되어 Y축 방향으로 왕복운동하는 Y축 이송부와, Y축 이송부에 설치되어 Z축 방향으로 왕복운동하는 Z축 이송부와, Z축 이송부에 설치되어 용접대상물에 마찰교반접합을 제공하도록 틀이 장착된 스핀들부를 포함하는 마찰교반접합 장치에 있어서, 스핀들부는, Z축 이송부에 결합되는 "ㄱ"자형 스핀들 가이드와, 스핀들 가이드의 상부 일측에 설치되는 주축모터와, 스핀들 가이드에 수직하게 결합되면서 주측모터의 동력을 받아 고속회전하는 스핀들 본체와, 스핀들본체에 수직하게 장착되는 마찰교반접합 툴을 포함할 수 있다.

구체적으로 스핀들 가이드의 상부 타측에는 주축모터의 하중에 반력을 가하도록 설치되는 처짐방지수단을 더 포함할 수 있다.

더 구체적으로 처짐방지수단은 공압 또는 유압의 실린더이며, 실린더의 본체가 Z축 이송부에 고정된 상태에서 그 로드가 스핀들 가이드의 타측 상부면에 결합될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치는, 마찰교반접합 툴이 수직하게 배치되어 있어, 마찰교반접합의 작업경로에 관계없이 용이하게 용접 작업을 수행할 수 있고 스핀들의 구조를 단순화 할 수 있으며, Z축 이송부의 상부에 처짐방지수단이 구비되어, Z축 이송부 프레임의 변형을 방지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치의 정면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치를 나타낸 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 마찰교반접합 툴이 수직하게 배치되어 있어, 마찰교반접합 작업을 수행할 수 있고, Z축 이송부의 상부에 처짐방지수단이 구비되어 Z축 이송부의 변형을 방지하는 수직형 마찰교반접합 장치를 제공하려는 것이다.

도 1 및 도2는 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치(100)를 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치(100)는 용접대상이 고정되면서, 고정된 용접대상을 전후측 방향인 X축 이동이 가능하게 하는 X축 이송부(110)와, X축 이송부(110)의 상측에 설치되어 좌우측 방향인 Y축 이동을 가능하게 하는 Y축 이송부(130)와, Y축 이송부(130)에 결합되어 상하측 방향인 Z축으로 이동 가능하게 하는 Z축 이송부(140)와, Z축 이송부(140)에 결합되어 마찰교반접합 작업을 수행하는 스핀들부(150)와, X축 이송부(110), Y축 이송부(130) 및 Z측 이송부(140)를 제어하는 제어부(170)를 포함한다.

먼저, X축 이송부(110)는 도면에 도시된 X축 방향으로 수평하게 연장되는 X축 이송부 본체(112)와, X축 이송부 본체(112)의 상부에 배치되어 X축으로 이동하는 X축 이동 프레임(116)과 X축 이동 프레임(116)을 움직여주는 제 1 구동모터(114)를 포함한다.

X축 이송부 본체(112)는 수평한 판 형상을 가지면서 X축 방향을 따라 연장된다. 이때, X축 이송부 본체(112)의 하부에는 지면을 향해 연장되어 장치를 지지하는 제 1 지지부(118)가 형성된다.

이러한 X축 이송부 본체(112)의 상부면에는 그 길이 방향을 따라 볼스크류가 설치되고, 볼스크류는 제 1 구동모터(114)와 연결되어 회전된다. 이때, 볼스크류에는 X축 이동 프레임(116)의 하부가 나사 결합되어 볼스크류의 회전을 통해 X축 이동 프레임(116)이 X축 방향으로 왕복운동을 하게 된다. 그리고 X축 이동 프레임(116)과 X축 이송부 본체(112)는 LM가이드로 결합되어 X축 이동 프레임(116)의 왕복운동을 가이드한다.

그리고 X축 이동 프레임(116)의 상부면에는 마찰교반접합 대상이 고정될 수 있도록 T홈(122)이 X축 이동 프레임(116)의 길이 방향을 따라 연장되게 형성되고, T홈(122)에 대응되는 형상의 이동블록(도시되지않음)이 T홈(122)을 따라 결합 가능하도록 배치되어 이동블록에 의해 접합 대상물이 고정된다.

한편, Y축 이송부(130)는 도면에 도시된 Y축 방향으로 수평하게 연장되는 Y축 이송부 본체(132)와 Y축 이송부 본체(132)의 측면에 결합되면서 제 2 구동모터(134)와 결합된 Y축 이동 프레임(136)을 포함한다.

Y축 이송부 본체(132)는 직육면체의 형상을 가지며 Y축 이송부 본체(132)의 일측과 타측에는 Y축 이송부 본체(132)를 X축 이송부 본체(112)와 수평하게 일정간격 이격시키는 제 2 지지부(138)가 형성된다.

이러한, Y축 이송부 본체(132)와 Y축 이동 프레임(136)은 LM가이드에 의해 결합되어 Y축 이동 프레임(136)을 슬라이딩 시킨다. 그리고 제 2 구동모터(134)에는 Y축 이동 프레임(136)과 Y축 이동부 본체(132)의 사이로 연장되도록 볼스크류가 결합되며, 이 볼스크류에 Y축 이동 프레임(136)이 나사결합되어 볼스크류의 회전에 따라 Y축 이동 프레임(136)이 Y축 방향으로 왕복운동 하게 된다.

한편, Z축 이송부(140)는 도면에 도시된 Z축 방향으로 수직하게 연장되는 Z축 이송부 본체(142)와 Z축 이송부 본체(142)에 배치되고 제 3 구동모터(144)와 결합되어 모터의 동작에 따라 상하로 이동 가능한 Z축 이동 프레임(146)을 포함한다.

Z축 이송부 본체(142)는 도면에 도시된 바와같이 직육면체의 수평한 판 형상을 가지며 Y축 이동 프레임(136)에 일체로 결합된다. 이러한 Z측 이송부 본체(142)의 측면에는 통상의 LM가이드 및 볼스크류가 설치되어 제 3 구동모터(144)의 회전에 따라 Z축 이동 프레임(146)이 상하로 직선왕복운동을 하게 된다.

한편, 스핀들부(150)는 Z축 이동 프레임(146)에 결합되는 스핀들 가이드(152), 스핀들 가이드(152)의 상부 일측에 배치되는 주축모터(154), 스핀들 가이드(152)의 하부에 수직하게 설치되어 결합되는 스핀들 본체(158), 스핀들 본체의 하부에 결합되는 마찰교반접합 툴(160)을 포함한다.

먼저 스핀들 가이드(152)는 "ㄱ"형상을 갖는 것으로, 주측모터(154)와 스핀들 본체(158)를 동축으로한 직렬로 연결할 수도 있으나 주축모터(154)가 대용량으로 제공되기 때문에 후방의 구조물과 간섭이 되어 부득이하게 스핀들 가이드(152)를 "ㄱ"자로 형성하여 그 상부의 앞쪽으로 설치하게 된 것이다. 따라서 주축모터(154)와 스핀들 본체(158)는 직결되지 않기 때문에 그 중간에 동력을 연결하는 기어, 벨트 등의 동력전달 수단이 필요하게 될 것이다.

그렇지만, 스핀들 가이드(152)의 상부 일측에 주축모터(154)를 배치할 경우 모터의 하중으로 인해 스핀들 가이드(152)에 변형이 오는 문제점이 발생한다. 따라서, 스핀들 가이드(152)의 상부 타측으로 주축모터(154)의 하중에 반력을 가하는 처짐방지수단(156)이 더 제공된다.

여기서 처짐방지수단(156)은 공압, 또는 유압의 실린더이며, 실린더 본체가 Y측 이동 프레임(136) 또는 Z축 이동부 본체(142)에 고정된 상태에서 실린더의 로드가 스핀들 가이드(152)에 결합되어 Y축 이동 프레임(136)에 지지된 상태에서 가압을 하게 되는 것이다.

즉, 스핀들가이드(152)가 주축 모터(154)의 편하중으로 인해 그 형상이 변형되거나 마찰교반접합 작업 시 오차가 발생하는 것을 방지하기 위해 주축모터(154)의 하중에 반하도록 처짐방지수단(156)이 일정한 힘을 스핀들 가이드(152)에 제공함으로서, 형상의 변형 및 작업중 발생하는 오차를 방지 할 수 있게 된다.

한편, 마찰교반접합 장치(100)는 사용자가 자동으로 마찰교반접합 수행모드를 변경하고, 장치를 수동으로 제어가 가능하도록 제공하는 제어부(170)를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수직형 마찰교반접합 장치(100)는 수직으로 용접하여 마찰교반접합 대상의 형상에 관계없이 용이하게 용접 작업을 수행할 수 있고 용접 작업시 발생하는 공간의 제약을 최소화할 수 있으며 스핀들부(150)의 구조를 단순화 할 수 있다.

또한, 스핀들부(150)의 상부에 처짐방지수단(154)을 구비함으로서, 프레임의 변형 및 작업 시 발생하는 오차를 방지할 수 있다.

상기와 같은 수직형 마찰교반접합 장치(100)는 위에서 설명된 실시 예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 예들은 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

100 : 마찰교반접합 장치 110 : X축 이송부
112 : X축 이송부 본체 114 : 제 1 구동모터
116 : X축 이동 프레임 118 : 제 1 지지부
122 : T홈 124 : 이동블록
130 : Y축 이송부 132 : Y축 이송부 본체
134 : 제 2 구동모터 136 : Y축 이동 프레임
138 : 제 2 지지부 140 : Z축 이송부
142 : Z축 이송부 본체 144 : 제 3 구동모터
146 : Z축 이동 프레임 150 : 스핀들 부
152 : 스핀들 가이드 154 : 주축 모터
156 : 처짐방지수단 158 : 스핀들 본체
160 : 마찰교반접합 툴 170 : 제어부

Claims

수평한 판 형상을 가지면서 X축 방향으로 수평하게 연장되는 X축 이송부 본체와, 상기 X축 이송부 본체의 상부에 배치되어 X축 방향으로 이동 가능하게 장착됨과 아울러 상부면에는 용접대상물이 고정되는 X축 이동 프레임, 및 상기 X축 이동 프레임을 이동시키는 제 1 구동모터를 가지는 X축 이송부;
상기 X축 이동 프레임의 상부에 이격 배치되면서 Y축 방향으로 수평하게 연장되고 일측 및 타측이 상기 X축 이동 프레임에서 연장되는 제 2 지지부에 의해 지지되는 Y축 이송부 본체와, Y축 방향으로 이동 가능하게 상기 Y축 이송부 본체의 측면에 장착되는 Y축 이동 프레임, 및 상기 Y축 이동 프레임을 이동시키는 제 2 구동모터를 가지는 Y축 이송부;
상기 Y축 이송부 본체에 일체로 결합됨과 아울러 Z축 방향으로 수직하게 연장되는 Z축 이송부 본체와, Z축 방향으로 이동 가능하게 상기 Z축 이송부 본체에 장착되는 Z축 이동 프레임, 및 상기 Z축 이동 프레임을 이동시키는 제 3 구동모터를 가지는 Z축 이송부; 및
상기 Z축 이동 프레임에 장착되면서 상기 용접대상물을 마찰교반접합 방식으로 접합시키는 스핀들부;를 포함하고,
상기 스핀들부는,
상기 Z축 이동 프레임에 결합됨과 아울러 상기 제 3 구동모터의 작동에 의해 상하로 안내되는 상기 Z축 이동 프레임을 따라 Z축 방향으로 직선왕복운동하는 "ㄱ"자형 스핀들 가이드; 주변 구조물들에 간섭되지 않게 상기 스핀들 가이드의 상부면 전방 측에 설치되는 주축모터; 상기 스핀들 가이드의 하부 측에 수직하게 설치되고 하부에는 수직하게 상기 용접대상물의 용접부위에 대하여 수직하게 툴이 장착되며, 동력전달수단에 의해 상기 주축모터와 연결되어 고속으로 회전하는 스핀들 본체; 및 상기 주축모터의 변하중에 의해 상기 스핀들 가이드가 변형되거나, 또는 마찰교반접합 시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 상기 스핀들 가이드의 상부면 타측에 배치되는 처짐방지수단;을 포함하며,
상기 처짐방지수단은,
공압 또는 유압의 실린더이며, 상기 실린더의 본체는 상기 Z축 이송부 본체의 상부에 고정되고, 상기 실린더의 로드는 상기 스핀들 가이드의 타측 상부면에 결합되는 것을 특징으로 하는 마찰교반접합 장치.
삭제
삭제