KR101487637B1 - 공작물을 가공하기 위해 두 개의 진동 요소를 가지는 시스템 - Google Patents

공작물을 가공하기 위해 두 개의 진동 요소를 가지는 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공작물 가공 장치에 관한 것으로, 상기 공작물 가공 장치는 공구(6)를 수용하기 위한 공구 고정 픽스처, 및 공작물(5)을 수용하기 위한 공작물 고정 픽스처를 포함하고, 가공 중에, Z-방향으로 하나 이상의 제 1 진동 성분과 X- 또는 Y-방향으로 제 2 진동 성분이 진동 요소(2, 2', 3, 3', 4, 7)에 의해 제공될 수 있고, 상기 진동 성분들은 경사진 진동 성분으로의 공구(6) 또는 공작물(5)의 공급 방향 또는 가공 방향에 대하여 X- 및 Y-방향 또는 X- 및 Z-방향 또는 Y- 및 Z-방향으로 조합되는 것을 특징으로 한다.

Description

공작물을 가공하기 위해 두 개의 진동 요소를 가지는 시스템{SYSTEM HAVING TWO OSCILLATION COMPONENTS FOR MACHINING A WORKPIECE}
본 발명은 제 1 항에 따른 공작물의 가공 장치 및 제 9항에 따른 공작물 고정 픽스처에 관한 것이다.
공작물의 금속 커팅, 특히 밀링을 위해 공지된 장치는 공구가 진동하는 기계가공 공정 동안 향상된 밀링 특성을 제공하고 공구가 회전하는 동안 18,000 Hz에서 20,000 Hz의 주파수가 사용된다.
특히, 예를 들어 SiC, SiN, B4N 과 같은 매우 단단한 공작물은 공구의 과도한 마모를 초래하기 때문에 장치에 대해 문제점을 가진다.
본 발명의 목적은, 따라서, 처리율, 즉 금속 커팅 볼륨 또는 시간의 유닛당 제거 볼륨의 증가뿐만 아니라 감소된 공구 마모 및 상응하는 더긴 서비스 수명이 달성될 수 있는 방법으로 일반적인 장치를 개선하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1 항 및 제 9 항의 특징으로 해결된다. 본 발명의 유리한 전개는 종속항에 명시된다. 본 명세서, 청구범위 및/또는 도면에 언급된 기능 중 적어도 두 가지의 조합 역시 본 발명의 범위에 속한다. 명시된 값의 범위에서, 명시된 한도 내의 값도 역시 제한하는 값으로 공개된 것으로 간주되고 어떤 조합으로 청구될 수 있다.
본 발명의 기본 개념은 프로세스 제어, 다차원 결합 및 동기화된 축 진동을 통해 개선된 금속 커팅 효과를 달성하기 위한 것이다.
따라서, 본 발명은 특히 예를 들어 산화물 세라믹스, 비 산화물 세라믹스, 단단한 금속 또는 유리와 같은 단단하고 매우 단단한 재료에 적합하다. 본 발명에 따라, 공작물 고정 픽스처와 공작물 및 공구 사이의 축 진동 관련 운동은 공구가 공작물과 연결될 때 즉, 금속 커팅하는 동안 발생한다. 공작물의 미세구조는 개선 된 금속 커팅 효과를 얻을 수 있는 방법으로 로드된다.
공구와 공작물 사이에 운동에 대해 축으로 연결 및 동기화된 공구의 마찬가지로 일반적인 축 가공으로 인해, X-, Y 및 Z 방향은 각 가공면에 관련되어 있다. 각 가공면은 도시된 바와 같이 반드시 정상적인 방향일 필요는 없지만, 이상적인 경우에 공작물의 개별 가공을 허용하기 위해 임의의 방향이다. X 및 Y 방향 및 가공 방향 또는 공구 및/또는 공작물의 공급 방향 즉, 다른 방향을 향한 공구 및/또는 공작물의 운동이 따라서 제공된다.
특히 Z-방향 즉, 공급 방향으로 제공되는 제 1 진동 성분, 제 2 진동 성분에 의해 제공되는 가로 성분으로 인해 마이크로-치즐 효과 또는 마이크로-퍼커션 효과가 따라서 본 발명에 의해 생성된다.
공구의 치즐 효과가 진동 요소에 의해 생성되고, 지배적인 진동 성분 또는 진폭이 바람직하게 Z 방향 즉, 공급 방향으로 제공된다.
진동 성분의 제공은 특히 축 관련, 진동 댐핑(수동) 및/또는 특히 축관련 진동 여기(oscillation excitation)(능동)를 통해 이루어진다
본 발명에 따라, 도입 수단이 특히 공구에 제공된다.
본 발명에 따라, 각각의 진동 성분의 제공의 수동 제어는 공구에 의한 공작물의 가공을 통해 자극된 진동이 정의된 진폭, 주파수 및/또는 위상을 가지는 미리 선택된 진동 성분이 생성되는 방법으로 감소, 완화 또는 댐핑된다는 사실에 의해 이루어진다.
각각의 진동 성분의 제공의 능동 제어는 공구 자체에 의한 가공을 통해 여기된 진동이 존재함으로써 중첩되는 부가적인 특히, 외부로 자극된 진동을 통해 이루어진다.
본 발명에 따라, 능동 제어는 적절한 제어 프로그래밍으로, 특히 프로그래밍가능한, 축 방향으로 진동하는 공구의 경우 발생할 수 있다, 정의된 진폭, 주파수 및/또는 위상을 가진 정의된 진동 요소는 가공하는 동안 프로그래밍된 운동에 의해 생성된다.
각각의 진동 요소(댐핑된 및/또는 외부로 자극된)의 진동 주파수는 바람직하게는 바람직하게는 10 Hz 이상 1 kHz 미만, 특히 500 Hz 미만이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 제 1 및/또는 제 2 진동 성분의 진동 진폭 및/또는 진동 주파수가 특히 서로 독립적으로 조절될 수 있다. 상기 방법으로, 장치는 공구의 재료와 공작물의 결합 또는 가공되는 공작물의 주어진 재료에 대해 조절될 수 있다.
진동 주파수가 특히 1 GHz 이하, 특히 <100 MHz, 바람직하게 <1 MHz, 보다 바람직하게 <100 kHz, 더욱 더 바람직하게 <1 kHz, 이상적으로 100 Hz에서 600 Hz의 사이로 조절되는 경우 더 나은 금속 커팅 효과를 얻을 수 있다.
진동 진폭은 동시에 또는 독립적으로, <100 μm, 특히 <10μm, 바람직하게 <1μm, 더 바람직하게 <100μm, 및 이상적으로 1 nm와 10nm 사이로 조절될 수 있다는 사실에 따라, 장치의 금속 커팅 효과가 더욱 증가한다. 본 발명의 한 실시예에 따라 진동 성분이 압전 요소에 의해 생성되는 경우, 특히 유용한다.
X- 및/또는 Y-방향의 진동 진폭이 공구의 표면에 있는 미세구조, 특히 다이아몬드의 평균 크기만큼 대부분 큰 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 장점, 특징, 상세 구성은 바람직한 실시예와 도면을 기반으로 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예의 개략적인 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예의 개략적인 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예의 개략적인 사시도.
도 4a-4c는 진동 요소의 기능 모드.
동일하거나 동일한 작동 요소/특징은 도면에서 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1에 따른 장치는 공작물(5)의 가공을 위한 공구(6) 대하여 공작물(5)의 고정 및 운동을 위한 공작물 고정 픽스처(1)를 갖는 기계 공구이다.
도 1에 따른 실시예에서 공작물 고정 픽스처(1)는 Z-방향으로 진동 운동을 수행하는 제 1 진동 요소(2)를 포함한다. Z-방향은 공구(6) 또는 이와 이격된 방향의 이동에 해당한다. 진동 요소(2)는 특히 Z-방향의 단일 자유도를 가지며, 이에 따라 Z-방향으로 특히 전후 운동 특히 선형 운동을 수행한다.
진동 요소(2)에 연결된 두 개의 추가 진동 요소(3, 4)는 X-방향 또는 Y-방향의 공작물(5)을 움직이거나 진동시킨다. 상기 X-방향, Y-방향 및 Z-방향은 각각 서로 수직으로 진행한다. 진동 요소(3, 4)은 역시 단일 자유도를 가진다.
진동 요소(2, 3, 4)의 운동은 특히 서로 독립적으로 각 진동 요소(2, 3, 4)에 대해 조절될 수 있는 주어진 진동 진폭과 주어진 진동 주파수를 갖는 진동의 형태로 이루어진다. 이러한 방법으로 공작물 고정 픽스처(1)에 고정된 공작물(5)의 축 진동 여기(oscillation excitation)가 발생될 수 있다. 본 발명에 따라, 적어도 제 1 진동 성분은 진동 요소(2)에 의해 Z-방향에 제공되고, 진동 요소(4)에 의해 X-방향으로 및/또는 진동 요소(3)에 의해 Y-방향에 제공되어 제 1 및 제 2 진동 성분이 전체 가공 공정 동안 서로 일정한 위상 관계를 가지게 된다.
진동 요소(2, 3, 4)는 진동 여기에 대해 특히 압전 요소(8, 9)를 포함한다. 상기 진동 여기는 필요한 진동 주파수 및/또는 진동 진폭에 따라 축을 가진 스핀들에 의해 선택적으로 생성될 수 있다.
진동 성분의 진동 위상 및/또는 진동 주파수 및/또는 진동 진폭에 대해 동시에 조절될 수 있는 것이 특히 유리하다. 즉, 진동 위상 및/또는 진동 주파수 및/또는 진동 진폭은 동기화된 방식으로 작동하도록 설계된다.
진동 요소(2, 3, 4)와는 독립적으로 공작물의 운동을 위한 구동 수단(여기에 도시되지 않음)이 의도된 공작 기계 또는 원하는 가공에 따라 제공된다.
도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 진동 요소(2', 3')는, 서로를 향해 진동 요소(2', 3')의 관련 운동에 따라, 도 3에 나타난 예시와 같이 각각의 경우 X-방향 및 Y-방향 또는 X-방향 및 Z-방향 또는 Y-방향 및 Z-방향의 하나 이상의 진동 요소를 동시에 생성하는 경사진 진동 성분이 안내되는 방법으로 서로 안내된다. 따라서, 두 개의 진동 성분의 조합은, 경사진 진동 평면을 갖는 경사진 진동 성분이 제공되도록, 공구 및/또는 공작물의 가공 방향 또는 공급 방향에 대한 경사의 결과로 일어난다. 따라서, 경사진 진동 평면은, 진동 평면의 법선이 Z 방향(공구 및/또는 공작물의 가공 방향 또는 공급 방향)에 대해 경사지는 것을 나타낸다.
삭제
이 방법으로, Y-방향 및 Z-방향으로 두 가지의 진동 성분이 진동 진폭 및 진동 주파수 및 특히 진동 위상에 대해 동시 또는 동기로 및 둘다로 기계적으로 미리 선택된 설계 요소 즉, 경사진 평면에 의해 자동으로 구성된다. 제 1 실시예와는 반대로, 분리 수단은, 축을 따르는 두 진동 성분이 상기 정의된 경사진 진동 평면을 따라 하나의 진동 성분으로 교체되기 때문에, 두 진동 성분의 두 분리된 진동 사이의 일정한 위상 관계를 유지하기 위해 제공될 필요가 없다.
삭제
진동 요소(4)는 진동 요소(2', 3')로 인해 특히 진동과 동시에 X-방향의 진동을 더 생성할 수 있다.
진동 요소(2', 3')에 의해 생성된 진동은 X-방향으로의 진동 성분을 포함하지 않는 것이 바람직하다.
도 1에 따른 실시예와 비교하여, 경사 평면을 가진 실시예는, 도 2에 예시적으로 도시된 Y- 및 Z- 방향의 두 개의 진동 성분에 동일한 진동 진폭, 진동 위상 및 진동 주파수가 제공되는 반면, 도 1에 따른 실시예에서, 진동 요소(2, 3)의 정확한 제어 또는 조절이 제공되어야 하는 장점을 가진다.
경사진 평면의 각도는 X-방향 또는 XY 평면에 바람직하게는 20° 내지 70°사이에서 자유롭게 특히 선택가능하다. 본 발명에 따라, 이것은 특히 진동 요소(2', 3')가 다른 방향으로 회전할 수 있으며, 특정 조정 각도로 잠겨질 수 있다는 사실에 의해 달성될 수 있다. 평면의 경사 변화 및 이에 따른 진동 성분의 방향 변화가 가능하다. 상기 제어는 제어 장치를 통해 이루어진다.
압전 요소(8, 9)를 통한 진동 요소(2', 3')의 운동에 의한 진동 성분의 발생 기능 모드는 도 4a-4c에 도시된다. 도시된 실시예에서, 진동 요소(2')는 X-Y 평면에 대해 20°의 각도로, 특히 경사진 평면을 따라 진동 요소(3)에 대하여 슬라이딩 방식으로 안내된다.
도 4a에서, 두 압전 요소(8, 9)는 초기 위치 특히 비강조(unstressed) 위치에 있다. 압전 요소(8)는 진동 요소(3')의 스톱(10)에 대해 압전 요소(9)의 방향에 있다. 압전 요소(9)는 진동 요소(3')의 해당 스톱(11)에 대해 압전 요소(8)의 방향에 있다.
도 4b에 따라, 압전 요소(9)의 연장은, 압전 요소(9)가 스톱(11)에 대해 놓여지고, 진동 요소(2')의 스톱(13)에 대해 놓여지며, 따라서 진동 요소(3')를 따라 변위하도록, 압전 요소(9)를 활성화함으로써 발생한다. 따라서, 압전 요소(8)는 진동 요소(2')에 대향하여 배치된 진동 요소(2')의 스톱(10)과 스톱(12) 사이에 압축된다. 압전 요소(8)가 도 4c에 따라 활성화 될 때에는 반대가 적용된다.
본 발명의 실시예에 따라, 공구(6)에 제공된 진동 요소에 의해 제공되는 Z-방향으로의 진동 성분이 제공될 수 있다. 이것은 진동 요소(2)에 대해 선택적 또는 적층적으로 제공될 수 있다.
제 1 실시예에 따른 진동 요소와 유사한 진동 요소(2)가 도 3에 도시된 실시예에 제공된다. X- 및 Y-방향의 진동에 대한 진동 요소(3, 4) 대신, 진동 요소(7)가, 진동 성분이 회전 방향으로 생성되는 한편, 축(A)이 특히 Z-방향에 배치되도록 제공된다. 축(A)는 여기서는 바람직하게 드릴인 공구(6')의 축과 일치하는 것이 바람직하다.
진동 진폭 및/또는 진동 요소(2, 2 ', 3, 3', 4, 7)의 진동 주파수는 주어진 공작물(5)에 대한 최적의 진동 진폭 또는 진동 주파수를 조절하기 위해 제어 장치를 통해 개별적으로 조절될 수 있다.
공작물(5)을 가공할 수 있도록 하기 위하여, 도시되지는 않았으나 공작물 고정 픽스처(1)와 공구(6) 사이의 상대 운동을 발생시키는 추가적인 모터가 필요하다. 상기 모터는 거의 진동 없이 작동하는 것이 바람직하다. 모터는 공작물 고정 픽스처(1) 및/또는 공구(6)를 구동 방식으로 설치될 수 있다.
본 발명은 따라, 공구(6)의 운동 방향, 어택 각도, 주파수 등과는 관련이 없다. 부가적인 축에 의해 특히 초경도의 물질의 경우 미세구조를 분쇄하는 진동 위상, 진동 주파수 및 진동 진폭의 도움으로 제공된 동시 진동 성분이 실제로 마이크로 미터 범위에서 심지어 나노 미터 범위에서 발생한다.
공구(6)는 특히, 경성 또는 초경성 물질로, 특히 다이아몬드 코팅으로 코팅되며, 공구(6)의 표면에서 돌출하는 개별 다이아몬드 크리스털은 마이크로-/나노- 구조의 마이크로-/나노- 치즐로 작용한다.
참조 번호
1: 공작물 고정 픽스처 2, 2': 진동 요소
3, 3': 진동 요소 4: 진동 요소
5: 공작물 6: 공구
7: 진동 요소 8: 압전 요소
9: 압전 요소 10: 스톱
11: 스톱 A: 축
X: X-방향 Y: Y-방향
Z: Z-방향

Claims (11)

  1. 공작물 가공 장치로서,
    - 공구(6)를 수용하기 위한 공구 고정 픽스처, 및
    - 공작물(5)을 수용하기 위한 공작물 고정 픽스처를 포함하고,
    가공 중에, Z-방향으로 하나 이상의 제 1 진동 성분과 X- 또는 Y-방향으로 제 2 진동 성분이 진동 요소(2, 2', 3, 3', 4, 7)에 의해 제공될 수 있고, 상기 진동 성분들은 경사진 진동 성분으로의 공구(6) 또는 공작물(5)의 공급 방향 또는 가공 방향에 대하여 X- 및 Y-방향 또는 X- 및 Z-방향 또는 Y- 및 Z-방향으로 조합되는 공작물 가공 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 경사진 진동 성분은 미리설정된 경사 평면에 의해 형성되는 공작물 가공 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 진동 주파수가 <1 GHz로 조절될 수 있는 공작물 가공 장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 진동 주파수가 <100 μm로 조절될 수 있는 공작물 가공 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 진동 성분의 진동 위상 또는 진동 주파수 또는 진동 진폭이 동시에 조절될 수 있는 공작물 가공 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 진동 성분이 압전 요소에 의해 생성될 수 있는 공작물 가공 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 진동 성분은 진동 댐핑 또는 진동 여기를 통해 제공되는 공작물 가공 장치.
  8. 가공 중에, Z-방향으로 하나 이상의 제 1 진동 성분과 X- 또는 Y-방향으로 제 2 진동 성분이 제공될 수 있는, 공작물 가공 장치를 위한 공작물 고정 픽스처로서,
    상기 진동 성분들은 경사진 진동 성분으로의 공구(6) 또는 공작물(5)의 공급 방향 또는 가공 방향에 대하여 X- 및 Y-방향 또는 X- 및 Z-방향 또는 Y- 및 Z-방향으로 조합되는 공작물 고정 픽스처.
  9. 제 8항에 있어서, 제 2 진동 성분이 X- 및 Y-방향으로 연장되는 X-Y 평면에서 진동 요소(7)의 회전에 의해 제공될 수 있는 공작물 고정 픽스처.
  10. 공작물 가공 방법으로서,
    - 공구(6)를 수용하기 위한 공구 고정 픽스처, 및
    - 공작물(5)을 수용하기 위한 공작물 고정 픽스처를 포함하고,
    가공 중에, Z-방향으로 하나 이상의 제 1 진동 성분과 X- 또는 Y-방향으로 제 2 진동 성분이 진동 요소(2, 2', 3, 3', 4, 7)에 의해 제공되고, 상기 진동 성분들은 경사진 진동 성분으로의 공구(6) 또는 공작물(5)의 공급 방향 또는 가공 방향에 대하여 X- 및 Y-방향 또는 X- 및 Z-방향 또는 Y- 및 Z-방향으로 조합되는 것을 특징으로 하는 공작물 가공 방법.
  11. 삭제
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