KR101561531B1 - 초음파 밀링 가공 장치 - Google Patents

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KR101561531B1
KR101561531B1 KR1020140049872A KR20140049872A KR101561531B1 KR 101561531 B1 KR101561531 B1 KR 101561531B1 KR 1020140049872 A KR1020140049872 A KR 1020140049872A KR 20140049872 A KR20140049872 A KR 20140049872A KR 101561531 B1 KR101561531 B1 KR 101561531B1
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김현세
이양래
이재영
박종권
임의수
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한국기계연구원
이재영
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본 발명의 목적은 가공 대상물의 가공 상태, 가공 정도 등을 실시간 모니터링하여 초음파 밀링 가공을 수행할 수 있으며, 이에 따라 밀링 가공 장치로서도 표면 평탄화나 미세 패턴 형성 등과 같은 가공이 수행 가능하도록 하는, 초음파 밀링 가공 장치를 제공함에 있다.

Description

초음파 밀링 가공 장치 {Ultrasonic milling machine}
본 발명은 초음파 밀링 가공 장치에 관한 것이다.
밀링(milling)이란 가공 대상물에 대하여 평면 방향으로 공구(tool)를 이동시켜 가면서 평면 가공을 하는 것을 말하며, 산업 현장에서 아주 일반적으로 널리 사용되고 있는 가공 방법이다. 이에 따라 밀링 머신(milling machine) 자체도 가공 대상물의 강도 등과 같은 물질 특성, 가공 대상물의 부피나 형상, 원하는 가공 품질 등과 같은 다양한 변수에 따라 그에 적절한 형태로 아주 다양한 형태로 개발되어 사용되고 있다.
그 중 고속 밀링 가공법으로서, 열처리된 재료를 작은 직경의 볼 엔드 밀 등과 같은 프레이즈 공구를 고속 회전시켜서 밀링하는 방법이 있다. 이 방법을 사용하면 일반적인 밀링과 같이 평면 가공을 하면서 그와 함께 표면 평탄도를 원하는 수준으로 맞출 수 있어 가공 능률 및 품질 향상이 높아지는 장점이 있다. 그러나 고속 밀링 가공법의 경우 하나의 공구를 사용하여 고속 절삭 또는 소성 가공이 이루어짐으로써 공구에 걸리는 부하가 커침으로써 공구 수명이 짧아지는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위하여 공구 자체의 재질을 변경하거나 공구에 별도의 다른 재질을 코팅하는 등과 같은 방법들이 제안되어 사용되어 왔다.
공구의 재질을 변경하는 경우 소결 다이아몬드, 단결정 다이아몬드 등과 같이 가장 경도가 높은 재질을 사용하여 왔는데, 이 경우 다이아몬드 공구와 스틸 계열의 재질이 고속 가공 중 화학 반응을 일으켜서 공구 수명이 짧아지는 또다른 문제점이 발생하였다. 또한 공구에 별도 재질을 코팅하는 경우 다양한 재질의 경질막을 공구 끝단에 코팅함으로써 공구 수명을 향상하는 것은 성공적이나, 절삭 가공의 경우 공구 끝단에 코팅막이 형성됨으로써 날끝의 형상이 무뎌지게 되어 가공성이 나빠지는 등의 또다른 문제점이 발생하였다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 일본특허공개 제2002-219606호("초음파 밀링 장치", 2002.08.06, 이하 선행문헌) 등에서 밀링 장치에 초음파 진동을 인가하는 기술을 제안하였다. 상기 선행문헌에서는, 고속 밀링 가공 시 공구에 초음파 진동을 가함으로써 화학 반응을 방지할 수 있어, 다이아몬드 공구 - 스틸 계열 재질의 고속 밀링 가공 시 발생하던 화학 반응에 의한 공구 마모 및 수명 단축 문제를 해결할 수 있음을 제시하였다. 한편 종래에도 공구를 이용하여 가공을 함에 있어서 초음파 진동을 인가하는 장치로서 초음파 스핀들 장치가 있었으나, 종래의 초음파 스핀들 장치의 경우 연삭용 또는 드릴공 형성용으로서의 사용은 가능하나,초음파 밀링 장치의 경우 주축의 축방향 또는 원주방향으로 초음파 진동을 가하면서 20000rpm 이상의 고속 회전을 견딜 수 있어야 하는데 종래의 초음파 스핀들 장치는 구조적으로 이를 만족하지 못한다는 점을 제시하며, 이러한 문제를 해결할 수 있도록 고속 회전 부하를 견딜 수 있게 공구의 지지 구조를 개선한 초음파 진동 및 고속 밀링을 수행할 수 있는 초음파 밀링 장치 구성을 개시하고 있다.
그런데, 선행문헌에 제시된 초음파 밀링 장치의 경우 사용자가 미리 설정한 고정적인 가공 조건을 따라 가공을 할 수밖에 없는 한계가 있다. 즉, 가공 대상물의 가공 상태나 가공 정도를 파악하거나 그에 맞추에 실시간으로 가공 조건을 조절하는 등의 동작을 수행하는 것이 불가능한 것이다.
1. 일본특허공개 제2002-219606호("초음파 밀링 장치", 2002.08.06)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 가공 대상물의 가공 상태, 가공 정도 등을 실시간 모니터링하여 초음파 밀링 가공을 수행할 수 있으며, 이에 따라 밀링 가공 장치로서도 표면 평탄화나 미세 패턴 형성 등과 같은 가공이 수행 가능하도록 하는, 초음파 밀링 가공 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 밀링 가공 장치는, 초음파 진동을 인가하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 장치(100)로서, 축을 중심으로 한 회전 운동 및 축과 나란한 방향의 초음파 진동이 동시 인가되어 밀링 가공을 수행하되, 초음파 진동의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서; 를 포함하여 이루어져, 상기 진동 측정 센서에 의하여 측정된 값을 사용하여 가공 장치의 가공 조건 및 가공 대상물의 가공 정도를 포함하는 상태 정보를 모니터링하면서 초음파 밀링 가공을 수행하도록 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로는, 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는, n x 104rpm ~ n x 105rpm 범위(n은 10 미만의 양수)의 고속 회전을 공구 툴 모듈에 인가하는 주축(151), 상기 공구 툴 모듈의 몸체에 상응하는 원통형의 홈 형태로 형성되며 내측 끝단면에 상기 주축(151)이 돌출 노출되도록 형성되어, 상기 공구 툴 모듈이 상기 주축(151)과 연결되도록 수용하되 상기 공구 툴 모듈이 착탈 가능하도록 형성되는 착탈부(152)를 포함하여 이루어지되, 상기 주축(151) 및 상기 착탈부(152) 쌍이 적어도 하나 이상 구비되는 본체(150); 상기 착탈부(152)에 연결 가능한 공구 툴 모듈로서, 원통형으로 형성되어 일측 끝단이 상기 주축(151)과 착탈 가능하도록 연결되는 몸체(111), 상기 몸체(111)의 내부에 구비되는 BLT 진동자(112), 상기 몸체(111)의 내부에 배치되도록 상기 BLT 진동자(112)의 일측 끝단에 연결되어 상기 BLT 진동자(112)의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서(113), 상기 BLT 진동자(112) 및 상기 몸체(111)를 연결하는 지지부(114), 상기 BLT 진동자(112)의 타측 끝단에 연결되어 가공 대상물에 밀링 가공을 수행하는 툴팁(115)을 포함하여 이루어지는 초음파 밀링 모듈(110); 상기 착탈부(152)의 측벽에 구비되는 전력 공급부(121), 상기 몸체(111)의 측벽에 구비되어 상기 전력 공급부(121)로부터 전력을 전달받아 상기 BLT 진동자(112)를 포함하는 전력 필요 수단에 전력을 공급하는 전력 전달부(122)를 포함하여 이루어지는 전력 전송 모듈(120); 을 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는, 상기 전력 전달부(122)로부터 전달된 전력 신호를 가공하여 상기 BLT 진동자(112)에 전달하여 진동을 발생시키되, 상기 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 값을 피드백하여 상기 전력 전달부(122)에서 인가된 구동 주파수에 맞는 전력 신호에 상응하는 진폭이 유지되도록 상기 BLT 진동자(112)에서 발생되는 진동 신호를 제어하도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 전력 전송 모듈(120)은, 상기 전력 공급부(121)가, 상기 주축(151)의 축 방향으로 병렬 배치되는 다수 개의 브러쉬(123)를 포함하여 이루어지며, 상기 전력 전달부(122)가, 각각이 상기 브러쉬(123)에 상응하도록 상기 주축(151)의 축 방향으로 병렬 배치되는 다수 개의 슬립 링(slip ring, 124)을 포함하여 이루어질 수 있다.
또는 상기 전력 전송 모듈(120)은, 상기 전력 공급부(121)가, 상기 주축(151)의 축을 중심축으로 하는 제1코일(125)를 포함하여 이루어지며, 상기 전력 전달부(122)가, 상기 주축(151)의 축을 중심축으로 하며 상기 제1코일(125)에 의하여 전력이 유도되도록 이루어지는 제2코일(126)을 포함하여 이루어져, 상기 제1코일(125)로부터 상기 제2코일(126)로 상기 전력 공급부(121)에서 공급하는 전력이 전달되고, 상기 제2코일(126)로부터 상기 제1코일(125)로 상기 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 신호 정보가 전달되도록 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 초음파 밀링 가공 방법은, 초음파 진동을 인가하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 장치(100)를 사용하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 방법에 있어서, 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는, 축을 중심으로 한 회전 운동 및 축과 나란한 방향의 초음파 진동이 동시 인가되어 밀링 가공을 수행하되, 초음파 진동의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서; 를 포함하여 이루어지며, 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)에 가공 대상물이 놓여지는 단계; 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)에 구비된 툴팁이 축 방향 회전을 하며 상기 가공 대상물에 접촉하여 밀링 가공이 수행되는 단계; 상기 툴팁에 축에 나란한 방향의 초음파 진동을 발생시키기 위한 전력이 인가되어 초음파 밀링 가공이 수행되는 단계; 상기 진동 측정 센서에 의하여 상기 툴팁에서 발생되는 진동의 진폭이 측정되는 단계; 가공 장치의 가공 조건 및 가공 대상물의 가공 정도를 포함하는 상태에 따라 측정된 진폭 값과 인가된 전력에 상응하는 진폭 값 간에 발생하는 차이가 피드백되어 초음파 진동 인가가 제어되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 고속 밀링 가공 장치에 초음파 진동이 인가되도록 함으로써 화학 반응을 방지할 수 있어, 기본적으로는 다이아몬드 공구 - 스틸 계열 재질의 고속 밀링 가공 시 발생하던 화학 반응에 의한 공구 마모 및 수명 단축 문제를 해결하는 큰 효과가 있다.
무엇보다도 본 발명에 의하면, 초음파 밀링 모듈에 진폭 측정용 센서가 구비되도록 함으로써, 밀링 가공이 수행되는 동안 진동을 측정할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 인가하고자 설계한 진동 신호가 제대로 출력되고 있는지와 같은 상태를 모니터링하거나, 초음파 밀링 모듈과 가공 대상물과의 작용에 의하여 발생되는 진동 신호를 모니터링하는 등의 다양한 모니터링이 가능하다. 물론 이와 같은 모니터링을 통해, 가공 대상물의 가공 상태나 가공 정도에 따라 초음파 밀링 모듈에 인가하는 진동 신호의 진폭, 주파수 등을 적절하게 변경 조절함으로써 가공성을 향상하는 등의 고급 제어가 가능하다. 뿐만 아니라 이와 같은 효과에 의하여, 종래에는 밀링 장치를 사용하여 평면 가공을 수행하는 정도에 지나지 않았으나, 본 발명에 의하면 보다 정교한 가공을 수행할 수 있어, 밀링 가공을 수행함과 동시에 가공 대상물의 표면을 원하는 정도만큼 평탄화하는 가공을 수행하거나, 이를 좀더 확장하여 가공 대상물 표면에 원하는 미세 형상을 형성(즉 가공 대상물의 표면에 단순한 평면 가공을 하는 것이 아닌 미세 패턴 가공을 수행)하는 등의, 정교한 고급 가공을 수행할 수 있게 되는 큰 효과가 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 초음파 밀링 장치의 기본 구성.
도 2는 본 발명의 초음파 밀링 모듈 작동 회로의 일실시예.
도 3은 본 발명의 전력 전송 모듈의 제1실시예.
도 4는 본 발명의 전력 전송 모듈의 제2실시예.
도 5는 도 4의 전력 전송 모듈 작동 회로의 일실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 초음파 밀링 가공 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 초음파 밀링 장치의 기본 구성을 도시하고 있다. 본 발명의 초음파 밀링 장치(100)는, 기본적으로 초음파 밀링 모듈(110), 전력 전송 모듈(120), 본체(150)를 포함하여 이루어지되, 상기 본체(150) 상에 상기 초음파 밀링 모듈(110) 및 상기 전력 전송 모듈(120)이 구비되도록 이루어진다.
본 발명의 초음파 밀링 장치(100)는, 기본적으로 초음파 진동을 인가하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 장치(100)로서, 축을 중심으로 한 회전 운동 및 축과 나란한 방향의 초음파 진동이 동시 인가되어 밀링 가공을 수행한다. 여기에 더하여 특히 본 발명의 초음파 밀링 장치(100)는, 초음파 진동의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서를 포함하여 이루어져, 상기 진동 측정 센서에 의하여 측정된 값을 사용하여 가공 장치의 가공 조건 및 가공 대상물의 가공 정도를 포함하는 상태 정보를 모니터링하면서 초음파 밀링 가공을 수행하도록 이루어진다.
이와 같이 진동 측정 센서를 이용하여 가공이 이루어지는 동안의 초음파 진동을 측정하게 되면, 실제 지금 가해지고 있는 진동의 특성(실제 출력되는 진폭 등)을 정확하게 알 수 있으며, 따라서 이를 이용하여 밀링 툴에 인가되는 초음파 진동을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
즉, 종래의 초음파 밀링 장치의 경우에는 단지 초음파 진동을 인가함으로써 툴팁과 가공 대상물 간의 화학 반응을 방지하는 효과를 얻는데 그쳤으나, 본 발명의 경우 여기에서 더 나아가 이 초음파 진동을 적극적으로 모니터링하고 제어에 활용함으로써, 밀링 장치를 가지고도 종래에 비해 훨씬 고급 품질의 가공을 수행할 수 있게 되는 것이다. 예를 들자면 본 발명의 초음파 밀링 장치는, 밀링 가공을 수행함과 동시에 가공 대상물의 표면을 원하는 정도만큼 평탄화하는 가공을 수행하거나, 이를 좀더 확장하여 가공 대상물 표면에 원하는 미세 형상을 형성(즉 가공 대상물의 표면에 단순한 평면 가공을 하는 것이 아닌 미세 패턴 가공을 수행)하는 등의, 정교한 고급 가공을 수행할 수 있다.
이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 본체(150)는 상술한 바와 같이 상기 초음파 밀링 모듈(110) 및 상기 전력 전송 모듈(120)이 구비되는데, 보다 일반적으로 설명하자면, 상기 본체(150)에는 밀링에 사용되는 공구 툴 모듈이 착탈 가능하게 장착되도록 이루어진다. 즉 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)의 상기 본체(150)에는, 가공 대상물을 배치하는 스테이지나, 상기 스테이지 또는 상기 공구 툴 모듈을 다양한 축에 따라 회전 운동 또는 병진 운동이 이루어지도록 적절하게 이동시키는 다축 이동 수단, 상기 공구 툴 모듈이나 상기 다축 이동 수단 등의 구동 수단에 전력을 공급하거나 그 움직임을 제어하는 제어부 등의 수단들이 갖추어짐은 당연하다. 다만 이러한 수단들은 공구 툴 모듈을 교체하여 사용 가능한 일반적인 밀링 장치에 공통적으로 포함되는 구성들이며, 이러한 구성들은 상용화된 밀링 장치나 공지된 기술 등으로 공지되어 당업자들 사이에 잘 알려진 사항이므로, 여기에서는 본 발명의 주요 구성과 관련된 부분 이외의 구성에 대한 설명은 생략한다.
상기 본체(150)에는 주축(151) 및 착탈부(152)가 구비되는데, 상기 주축(151)은 n x 104rpm ~ n x 105rpm 범위(n은 10 미만의 양수)의 고속 회전을 공구 툴 모듈에 인가하는 역할을 한다. 상기 착탈부(142)는 상기 공구 툴 모듈의 몸체에 상응하는 원통형의 홈 형태로 형성되며 내측 끝단면에 상기 주축(151)이 돌출 노출되도록 형성되어, 상기 공구 툴 모듈이 상기 주축(151)과 연결되도록 수용하되 상기 공구 툴 모듈이 착탈 가능하도록 형성된다. 여기에서 상기 주축(151) 및 상기 공구 툴 모듈의 착탈 구조는 공구 툴 모듈을 교체하여 사용 가능한 일반적인 밀링 장치에서 널리 알려진 구조로서 다양한 형태로 개시되어 있으므로, 그 중 적절한 것을 선택하거나 적절히 변경하여 사용하면 되며, 따라서 여기에서는 설명을 생략한다. 또한 상기 주축(151)의 회전 구조 역시 다양한 방식으로 이루어질 수 있는데, 상기 주축(151) 상에 코일이 구비되고 상기 본체(150) 상에 영구자석이 구비되어 이루어지는 회전 모터 방식으로 이루어질 수도 있고, 별도의 회전 모터에 상기 주축(151) 끝단이 연결되어 회전하는 방식으로 이루어질 수도 있고, 별도의 회전 모터에 풀리(pully)가 연결되고 상기 주축(151) 상에 또다른 풀리가 연결되며 이 두 개의 풀리에 동시에 걸쳐지는 연결링이 구비되어 상기 회전 모터 및 풀리의 회전에 따라 상기 주축(151)도 함께 회전하는 방식으로 이루어질 수도 있는 등, 다양한 변경 실시가 가능하다.
이와 같이 이루어지는 상기 주축(151) 및 상기 착탈부(152) 쌍은, 상기 본체(150) 상에 단일 개 형성될 수도 있고, 또는 다수 개가 형성될 수도 있다. 물론 상기 착탈부(152) 자체가 다양한 공구 툴 모듈을 바꿔 끼워 사용할 수 있도록 이루어지는 것이므로, 상기 본체(150) 상에 상기 주축(151) 및 상기 착탈부(152) 쌍이 단일 개 형성된다고 해도 공구 툴 모듈을 바꿔 줌으로써 다양한 가공 조건에 맞는 가공을 수행할 수 있다. 한편 가공 대상물의 가공되어야 하는 부위나 방향, 특정한 가공 단계의 반복적 수행 등 다양한 이유에 의하여 하나가 아닌 여러 개의 공구로 가공을 하는 것이 필요하거나 또는 그렇게 하는 것이 가공 효율을 향상시킬 것으로 기대되는 경우도 있을 수 있으며, 이러한 경우를 위해 상기 주축(151) 및 상기 착탈부(152) 쌍이 상기 본체(150) 상에 다수 개 형성되어 있도록 할 수도 있는 것이다.
상기 초음파 밀링 모듈(110)은 실제 가공 대상물에 가공을 수행하는 수단으로서, 상술한 바와 같이 상기 본체(150)의 상기 착탈부(152)에 끼워져서 동작하게 된다. 즉 상기 초음파 밀링 모듈(110)은 상기 착탈부(152)에 연결 가능한 공구 툴 모듈로서, 상기 주축(151)과 상기 초음파 밀링 모듈(110)이 연결되어 고속 회전이 이루어지며, 상기 초음파 밀링 모듈(110) 자체에는 BLT(Bolt clamped Langevin) 진동자가 구비되어 상하 방향의 초음파 진동이 인가된다.
상기 초음파 밀링 모듈(110)의 각부를 상세히 설명하면 다음과 같다. 상기 초음파 밀링 모듈(110)은 몸체(111), BLT 진동자(112), 진동 측정 센서(113), 지지부(114), 툴팁(115)을 포함하여 이루어진다.
상기 몸체(111)는 원통형으로 형성되어 도시된 바와 같이 일측 끝단이 상기 주축(151)과 착탈 가능하도록 연결된다.
상기 BLT 진동자(112)는 상기 몸체(111)의 내부에 구비되어, 상술한 바와 같이 외부로부터 전력을 전달받아 상하 방향의 진동을 발생시킨다.
상기 진동 측정 센서(113)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 몸체(111)의 내부에 배치되도록 상기 BLT 진동자(112)의 일측 끝단에 연결되어 상기 BLT 진동자(112)의 진폭을 측정한다.
상기 지지부(114)는 상기 BLT 진동자(112) 및 상기 몸체(111)를 연결하는 역할을 한다.
상기 툴팁(115)은 상기 BLT 진동자(112)의 타측 끝단에 연결되어 가공 대상물에 밀링 가공을 수행한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 상기 초음파 밀링 모듈(110)이 상기 BLT 진동자(112)에 의하여 밀링 가공 시 초음파 진동을 인가하되, 이 진동을 상기 진동 측정 센서(113)로 측정하고 그 측정된 값을 상기 BLT 진동자(112)의 진동을 제어하는 데에 사용함으로써 정교한 가공 제어를 할 수 있다.
이와 같이 할 수 있도록 하는 본 발명의 초음파 밀링 모듈 작동 회로의 일실시예가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 신호를 측정하여(Amplitude Sensing) 이를 적절히 가공한 후(도 2에서는 이 과정에서 노이즈를 제거하는 등의 Signal Conditioner, 진폭을 측정하는 Amplitude Measure Circuit을 사용하는 예시를 도시하고 있다) 이를 피드백해 줌으로써, 상기 BLT 진동자(112)에 전달되는 전력 신호를 조절하게 된다.
즉 보다 구체적으로는, 본 발명의 초음파 밀링 장치(100)는, 상기 전력 전달부(122)로부터 전달된 전력 신호를 가공하여 상기 BLT 진동자(112)에 전달하여 진동을 발생시키되, 상기 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 값을 피드백하여 상기 전력 전달부(122)에서 인가된 구동 주파수에 맞는 전력 신호에 상응하는 진폭이 유지되도록 상기 BLT 진동자(112)에서 발생되는 진동 신호를 제어하게 된다.
상기 BLT 진동자(112)에 전력을 전달하는 전력 전송 모듈(120)은, 외부로부터 전력을 끌어와 공급해 주는 전력 공급부(121) 및 상기 전력 공급부(121)로부터 공급받은 전력을 상기 BLT 진동자(112)에 전달해 주는 전력 전달부(122)로 이루어진다. 이러한 전력 공급 모듈(120)의 구성에 대한 구체적인 실시예에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
이와 같이 진동을 측정하여 피드백 제어를 하는 이유에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 초음파 진동을 인가하여 가공을 수행하도록 할 때, 가공될 형상의 깊이나 형상 등에 따라 적절한 진폭을 가지는 초음파 진동을 설계하여 인가하게 됨은 당연하다. 그런데, 실제로 가공 수행 시 가공 대상물의 재질이 상당히 강성이 높다거나, 또는 반대로 지나치게 강성이 낮다거나 하는 등의 이유로 인하여 원래 인가하고자 하였던 진동의 진폭이 올바르게 인가되지 못하게 될 수 있다. (예를 들어 가공 대상물의 재질 강성이 높을 경우 실제로는 인가하고자 하였던 진동의 진폭보다 작은 진폭의 진동이 이루어지게 될 수 있다.) 이는 원하던 설계와 다른 가공 조건이 부여되게 하는 것으로서, 결과적으로 원하던 가공 품질의 결과물을 얻을 수 없게 하는 요인이 될 수 있다. 본 발명에서는 바로 이러한 요인을 제거해 주기 위하여 실제 발생되는 진동을 측정하여 진동을 제어하는 것이다.
보다 구체적으로 단계별로 설명하면 다음과 같다. 초음파 진동을 인가하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 장치(100)를 사용하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 방법에 있어서, 상술한 바와 같이 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는, 축을 중심으로 한 회전 운동 및 축과 나란한 방향의 초음파 진동이 동시 인가되어 밀링 가공을 수행하되, 초음파 진동의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서; 를 포함하여 이루어지며, 가공 단계는 다음과 같이 이루어진다.
먼저 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)에 가공 대상물이 놓여져 가공 시작을 준비한다. 다음으로 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)에 구비된 툴팁이 축 방향 회전을 하며 상기 가공 대상물에 접촉하여 밀링 가공이 수행되기 시작하게 된다. 이와 동시에 상기 툴팁에 축에 나란한 방향의 초음파 진동을 발생시키기 위한 전력이 인가되어 초음파 밀링 가공이 수행된다. 이 때, 본 발명에서는 상기 진동 측정 센서에 의하여 상기 툴팁에서 발생되는 진동의 진폭이 측정되게 된다.
상술한 바와 같이, 가공 장치의 가공 조건 및 가공 대상물의 가공 정도를 포함하는 상태에 따라, 측정된 진폭 값과 인가된 전력에 상응하는 진폭 값 간에는 차이가 발생할 수 있다. 이 차이에 의하여, 원래 설계된 진동에 의해 가공됨으로써 어떤 수준의 가공 품질이 얻어질 것으로 기대되었다 해도, 실제로는 원래 설계된 진동만큼의 진동이 나오지 못함으로써 기대되었던 수준의 가공 품질을 얻을 수 없게 되는 것이다. 따라서 이 차이를 보정하여 줄 수 있도록, 이 발생된 차이가 피드백되어 초음파 진동 인가가 제어되게 된다. 이러한 제어는, 예를 들자면, 가공 대상물이 예상보다 단단하여 원래 설계된 진동의 진폭 값보다 크기가 작은 진폭이 발생되고 있다면 인가 전력을 좀더 높여 줌으로써 원래 설계된 진동의 진폭 값으로 맞추어 줄 수 있도록 하는 등과 같은 방식으로 이루어질 수 있다.
이처럼 본 발명에 의하면, 원래 설계하였던 진동이 올바르게 인가되고 있는지를 실시간으로 모니터링하면서, 만일 원래 설계하였던 진동과 다른 진폭의 진동이 인가되고 있다면 이를 피드백하여 좀더 강하거나 또는 약한 진동 신호를 줌으로써 원하던 진폭으로 맞추어 줄 수 있는 등의 제어를 실현할 수 있다. 물론 이에 따라 사용자가 원래 가공 조건 등의 설계 시 원하였던 가공 품질을 올바르게 얻을 수 있게 해 줄 수 있으며, 궁극적으로는 가공의 정밀도를 훨씬 향상시켜 줄 수 있게 되는 것이다.
상기 전력 전송 모듈(120)은 상기 초음파 밀링 모듈(110)로 전력을 전송하는 역할을 하는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 초음파 밀링 모듈(110)은 상기 주축(151)에 의하여 회전을 하면서 밀링 가공을 수행하는 것이 기본 역할인데, 여기에 내부에 구비된 상기 BLT 진동자(112)로 상기 툴팁(115)에 초음파 진동을 인가하고 또한 상기 진동 측정 센서(113)로 초음파 진동의 진폭을 측정해야 한다. 즉 일반적인 공구 툴 모듈이라면 별도의 전력 공급을 필요로 하지 않겠으나, 상기 초음파 밀링 모듈(110)에서는 이와 같이 별도의 작용을 하는 부품들을 포함하고 있으므로 상기 초음파 밀링 모듈(110)에 별도의 전력이 공급되어야 하는 것이다. 이 때 상기 초음파 밀링 모듈(110)이 고속 회전하고 있으므로, 이러한 점을 감안하여 전력을 전송할 수 있는 수단이 구비되어야 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 상기 전력 전송 모듈(120)이, 상기 착탈부(152)의 측벽에 구비되는 전력 공급부(121), 상기 몸체(111)의 측벽에 구비되어 상기 전력 공급부(121)로부터 전력을 전달받아 상기 BLT 진동자(112)를 포함하는 전력 필요 수단에 전력을 공급하는 전력 전달부(122)를 포함하여 이루어지도록 한다. 이를 구체적으로 실현한 실시예가 도 3, 도 4에 각각 도시된다.
도 3은 본 발명의 전력 전송 모듈의 제1실시예로서, 상기 전력 전송 모듈(120)이 슬립 링 전력 전송 형태로 이루어진 실시예를 나타내고 있다. 이 경우에는, 상기 전력 공급부(121)는 상기 주축(151)의 축 방향으로 병렬 배치되는 다수 개의 브러쉬(123)를 포함하여 이루어진다. 또한 상기 전력 전달부(122)는 각각이 상기 브러쉬(123)에 상응하도록 상기 주축(151)의 축 방향으로 병렬 배치되는 다수 개의 슬립 링(slip ring, 124)을 포함하여 이루어진다. 슬립 링 및 브러쉬를 사용하여 전력을 전송하는 원리에 대해서는 브러쉬-슬립링 전력 전송 모듈이 다양하게 상용화된 제품으로도 나와 있는 만큼 널리 알려져 있는 것이므로 여기에서는 상세한 설명은 생략한다. 이처럼 상기 브러쉬(123)에 상기 슬립 링(124)이 접촉 및 회전 가능하도록 이루어짐으로써 상기 몸체(111)가 회전하더라도 원활하게 상기 BLT 진동자(112)로 전력을 전송하여 진동을 발생시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 전력 전송 모듈의 제2실시예로서, 상기 전력 전송 모듈(120)이 무선 전력 전송 형태로 이루어진 실시예를 나타내고 있다. 이 경우에는, 상기 전력 공급부(121)는 상기 주축(151)의 축을 중심축으로 하는 제1코일(125)를 포함하여 이루어지며, 상기 전력 전달부(122)는 상기 주축(151)의 축을 중심축으로 하며 상기 제1코일(125)에 의하여 전력이 유도되도록 이루어지는 제2코일(126)을 포함하여 이루어진다. 도 5는 도 4의 전력 전송 모듈 작동 회로의 일실시예를 상세히 도시하고 있는데, 도 5에서도 알 수 있는 바와 같이 본 실시예에서는, 상기 제1코일(125)로부터 상기 제2코일(126)로 상기 전력 공급부(121)에서 공급하는 전력이 전달되고, 상기 제2코일(126)로부터 상기 제1코일(125)로 상기 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 신호 정보가 전달되도록 형성된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 초음파 밀링 가공 장치
110: 초음파 밀링 모듈
111: 몸체 112: BLT 진동자
113: 진동 측정 센서 114: 지지부
115: 툴팁
120: 전력 전송 모듈
121: 전력 공급부 122: 전력 전달부
150: 본체
151: 주축 152: 착탈부

Claims (6)

  1. 초음파 진동을 인가하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 장치(100)로서, 축을 중심으로 한 회전 운동 및 축과 나란한 방향의 초음파 진동이 동시 인가되어 밀링 가공을 수행하되,
    초음파 진동의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서;
    를 포함하여 이루어져, 상기 진동 측정 센서에 의하여 측정된 값을 사용하여 가공 장치의 가공 조건 및 가공 대상물의 가공 정도를 포함하는 상태 정보를 모니터링하면서 초음파 밀링 가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 초음파 밀링 가공 장치(100)로서,
    상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는
    n x 104rpm ~ n x 105rpm 범위(n은 10 미만의 양수)의 고속 회전을 공구 툴 모듈에 인가하는 주축(151), 상기 공구 툴 모듈의 몸체에 상응하는 원통형의 홈 형태로 형성되며 내측 끝단면에 상기 주축(151)이 돌출 노출되도록 형성되어, 상기 공구 툴 모듈이 상기 주축(151)과 연결되도록 수용하되 상기 공구 툴 모듈이 착탈 가능하도록 형성되는 착탈부(152)를 포함하여 이루어지되, 상기 주축(151) 및 상기 착탈부(152) 쌍이 적어도 하나 이상 구비되는 본체(150);
    상기 착탈부(152)에 연결 가능한 공구 툴 모듈로서,
    원통형으로 형성되어 일측 끝단이 상기 주축(151)과 착탈 가능하도록 연결되는 몸체(111), 상기 몸체(111)의 내부에 구비되는 BLT 진동자(112), 상기 몸체(111)의 내부에 배치되도록 상기 BLT 진동자(112)의 일측 끝단에 연결되어 상기 BLT 진동자(112)의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서(113), 상기 BLT 진동자(112) 및 상기 몸체(111)를 연결하는 지지부(114), 상기 BLT 진동자(112)의 타측 끝단에 연결되어 가공 대상물에 밀링 가공을 수행하는 툴팁(115)을 포함하여 이루어지는 초음파 밀링 모듈(110);
    상기 착탈부(152)의 측벽에 구비되는 전력 공급부(121), 상기 몸체(111)의 측벽에 구비되어 상기 전력 공급부(121)로부터 전력을 전달받아 상기 BLT 진동자(112)를 포함하는 전력 필요 수단에 전력을 공급하는 전력 전달부(122)를 포함하여 이루어지는 전력 전송 모듈(120);
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 밀링 가공 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는
    상기 전력 전달부(122)로부터 전달된 전력 신호를 가공하여 상기 BLT 진동자(112)에 전달하여 진동을 발생시키되, 상기 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 값을 피드백하여 상기 전력 전달부(122)에서 인가된 구동 주파수에 맞는 전력 신호에 상응하는 진폭이 유지되도록 상기 BLT 진동자(112)에서 발생되는 진동 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 밀링 가공 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 전력 전송 모듈(120)은
    상기 전력 공급부(121)가, 상기 주축(151)의 축 방향으로 병렬 배치되는 다수 개의 브러쉬(123)를 포함하여 이루어지며,
    상기 전력 전달부(122)가, 각각이 상기 브러쉬(123)에 상응하도록 상기 주축(151)의 축 방향으로 병렬 배치되는 다수 개의 슬립 링(slip ring, 124)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 밀링 가공 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 전력 전송 모듈(120)은
    상기 전력 공급부(121)가, 상기 주축(151)의 축을 중심축으로 하는 제1코일(125)를 포함하여 이루어지며,
    상기 전력 전달부(122)가, 상기 주축(151)의 축을 중심축으로 하며 상기 제1코일(125)에 의하여 전력이 유도되도록 이루어지는 제2코일(126)을 포함하여 이루어져,
    상기 제1코일(125)로부터 상기 제2코일(126)로 상기 전력 공급부(121)에서 공급하는 전력이 전달되고, 상기 제2코일(126)로부터 상기 제1코일(125)로 상기 진동 측정 센서(113)에서 측정된 진폭 신호 정보가 전달되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 밀링 가공 장치.
  6. 제 1, 3, 4, 5항 중 선택되는 어느 한 항에 의한 초음파 밀링 가공 장치(100)를 사용하여 밀링 가공을 수행하는 초음파 밀링 가공 방법에 있어서,
    상기 초음파 밀링 가공 장치(100)는, 축을 중심으로 한 회전 운동 및 축과 나란한 방향의 초음파 진동이 동시 인가되어 밀링 가공을 수행하되, 초음파 진동의 진폭을 측정하는 진동 측정 센서; 를 포함하여 이루어지며,
    상기 초음파 밀링 가공 장치(100)에 가공 대상물이 놓여지는 단계;
    상기 초음파 밀링 가공 장치(100)에 구비된 툴팁이 축 방향 회전을 하며 상기 가공 대상물에 접촉하여 밀링 가공이 수행되는 단계;
    상기 툴팁에 축에 나란한 방향의 초음파 진동을 발생시키기 위한 전력이 인가되어 초음파 밀링 가공이 수행되는 단계;
    상기 진동 측정 센서에 의하여 상기 툴팁에서 발생되는 진동의 진폭이 측정되는 단계;
    가공 장치의 가공 조건 및 가공 대상물의 가공 정도를 포함하는 상태에 따라 측정된 진폭 값과 인가된 전력에 상응하는 진폭 값 간에 발생하는 차이가 피드백되어 초음파 진동 인가가 제어되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 밀링 가공 방법.
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