KR102250715B1

KR102250715B1 - 2축 진동형 절삭공구장치

Info

Publication number: KR102250715B1
Application number: KR1020190144977A
Authority: KR
Inventors: 편영식; 아웨즈한 아마노프; 루슬란 카림바예프; 잔 푸트라 바트라 아궁; 노준석; 산성충호; 최세이미
Original assignee: 선문대학교 산학협력단
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2021-05-11

Abstract

본 발명은 절삭공구에 관한 것으로, 모터의 구동에 의해 회전 작동하는 스핀들을 포함하는 구동부와; 상기 구동부의 스핀들 단부에 구비된 바이트척에 고정되어 회전에 의해 피가공물을 절삭하는 절삭공구와; 상기 스핀들에 동축으로 구비되며, 상기 절삭공구에 초음파 진동을 전달하는 초음파진동부와; 상기 스핀들에 동축으로 구비되며, 상기 초음파진동부에 전력을 제공하는 전력전송부와; 상기 초음파진동부 및 전력전송부를 커버하는 하우징을 포함하는 구성으로 CFRP의 절삭 가공이 용이하고, 기존 절삭공구에 비해 적은 출력으로 절삭 가공할 수 있는 2축 진동형 절삭공구장치에 관한 것이다.

Description

2축 진동형 절삭공구장치{2-axis vibratory cutting tool device}

본 발명은 절삭공구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 난삭재(CFRP, 세라믹, 티타늄 합금, 니켈 합금 등 가공이 어려운 금속)의 절삭 가공이 용이하고, 기존 절삭공구에 비해 적은 출력으로 절삭 가공할 수 있는 2축 진동형 절삭공구장치에 관한 것이다.

일반적으로, 밀링(milling)은 가공 대상물에 대하여 평면 방향으로 공구(tool)를 이동시켜 가면서 평면 가공을 하는 것을 말하며, 산업 현장에서 널리 사용되고 있는 가공 방법이다.

이러한, 가공 방법에 따른 밀링머신(milling machine)은 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.

한편, 고속 밀링 가공법의 경우 하나의 공구를 사용하여 고속 절삭 또는 소성 가공이 이루어짐으로써 공구에 걸리는 부하가 상당하여 공구 수명이 짧아지는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위하여 공구 자체의 재질을 변경하거나 공구에 별도의 다른 재질을 코팅하는 등과 같은 방법들이 제안되어 사용되어 왔다.

그러나, 다이아몬드와 같은 높은 경도 재질의 절삭팁을 사용하는 경우 다이아몬드와 금속 재질이 고속 절삭가공 중 화학반응에 의해 절삭팁의 수명이 짧아지는 문제점이 발생하였다.

또한, 절삭팁에 별도 재질의 코팅하는 경우 절삭팁의 수명이 향상될 수 있으나 날 끝의 형상이 무뎌 가공성이 나빠지는 문제점이 있었다.

최근, CFRP(carbon fiber reinforced plastics; 카본섬유를 강화재료로 하는 고강도, 고탄성의 경량 구조재.) 등의 신소재에 대하여 정밀가공 기술의 개발 필요성이 대두되고 있으며, 기존에 절삭 방법에서 탈비하여 새로운 절삭 가공 방식이 요구되어 초음파 진동 절삭 방식에 의한 가공 기술이 부각되고 있다.

이러한, 초음파 가공은, 양진 폭 10-150㎛, 주파수 15-30KHz로 진동하는 공구를 가공물에 일정한 압력으로 접촉시킨 후, 가공물에 충격을 줌으로서 절삭 등을 수행하는 것을 말한다.

한편, 절삭가공 장치에 구비되는 공구에는 가공 과정 중에 고열 고온이 불가피하게 발생하고, 가공의 종류에 따라 분진이 발생할 수 있으며, 특히, 초음파 절삭 가공에서는 공구뿐만 아니라, 초음파 진동을 생성하는 초음파 진 동 수단에서 열이 발생하여, 공구 및 가공 장치에 영향을 줄 수 있다.

초음파 진동 절삭의 가장 잘 알려진 구현은 가공 방향과 동일한 방향으로 한 방향 축 진동을 사용하여 가공 프로세스가 작고 얇은 칩을 달성하고 공구 수명을 연장시키는 절삭력을 감소시키는 데 도움이 되는 한 방향 축 진동을 사용하는 드릴링 공정이다.

한 방향의 초음파 진동 절삭은 드릴링 공정에 적합하지만, 진동이 밀링 공정의 절삭 방향과 직교하므로, 밀링 공정의 효율 향상에는 적합하지 않다.

따라서, 밀링 공정에서 초음파 진동의 효과를 얻기 위해서는, 밀링 절삭 방향과 동일한 방향으로 타원 모드 진동이 구현되어야 한다.

KR 10-1632206 B1

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 모터의 구동에 의해 절삭공구를 회전시키는 스핀들에 전력전송부 및 초음파진동부를 순차적으로 구비하여 모터의 적은 출력으로 고강도의 피가공물을 용이하게 절삭할 수 있는 2축 진동형 절삭공구장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 모터의 구동에 의해 회전 작동하는 스핀들을 포함하는 구동부와; 상기 구동부의 스핀들 단부에 구비된 척에 고정되어 회전에 의해 피가공물을 절삭하는 절삭공구와; 상기 스핀들에 동축으로 구비되며, 상기 절삭공구에 초음파 진동을 전달하는 초음파진동부와; 상기 스핀들에 동축으로 구비되며, 상기 초음파진동부에 전력을 제공하는 전력전송부와; 상기 초음파진동부 및 전력전송부를 커버하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 진동형 절삭공구장치를 제공한다.

여기서, 상기 초음파진동부는 절연재질의 하프링을 사이에 두고 제1스택과 제2스택이 구비되며, 상기 제1,2스택은 각각 디스크 압전 세라믹을 서로 다른 극성으로 배열되어 제1스택 및 제2스택이 각각 인장모드 및 압축모드로 상호 공명하여 각각 X방향 및 Y방향으로 굽힘 운동하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 전력전송부는 상기 스핀들에 동축으로 구비되며, 코어코일이 권선 내장되어 전력을 무선으로 송신하는 송신기와; 소정의 간격을 두고 상기 송신기에 대응하여 상기 스핀들에 동축으로 구비되며, 코어코일이 권선 내장되어 상기 송신기의 송신 전력을 비접촉으로 수신하는 수신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력전송부는 상기 하우징의 내측에 고정 구비되는 커넥터, 상기 커넥터에 연결되며, 상기 스핀들의 둘레에 소정으로 이격 구비되는 복수의 슬립링을 포함하여 전력을 송출하는 송신기와; 상기 스핀들에 동축으로 고정 구비되어 스핀들과 함께 회전되며, 상기 슬립링에 구름접촉으로 전력 수신하는 수신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 모터의 구동에 의해 절삭공구를 회전시키는 스핀들에 전력전송부 및 초음파진동부를 순차적으로 구비하여 모터의 적은 출력으로 고강도의 피가공물을 용이하게 절삭할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2축 진동형 절삭공구장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 2축 진동형 절삭공구장치에서 초음파진동부를 나타내는 일부 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 2축 진동형 절삭공구장치에서 전력전송부를 나타내는 일부 구성도.
도 4는 도 3의 전력전송부를 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 2축 진동형 절삭공구장치의 작동 및 2축 진동 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 2축 진동형 절삭공구장치의 작동에 따른 절삭 모식도.
도 7은 본 발명에 따른 2축 진동형 절삭공구장치를 나타내는 다른 실시예 구성도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

통상적인 절삭공구의 경우 모터(110)를 포함한 구동부(100)에서 스핀들(120)을 회전시켜 단부에 연결된 절삭공구(200)에 회전과 함께 피가공물(WP)을 절삭하여 가공할 수 있다.

본 발명의 2축 진동형 절삭공구장치는 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 모터(110) 및 스핀들(120)을 포함한 구동부(100)와, 상기 구동부(100)의 회전력에 의해 피가공물(WP)을 절삭하는 절삭팁(엔드밀, 드릴)(200)과, 초음파진동부(300), 전력전송부(400) 및 이를 수용하는 하우징(500)을 포함할 수 있다.

상기 구동부(100)는 모터(110)의 구동에 의해 회전 작동하는 스핀들(120)을 포함할 수 있다.

상기 절삭팁(200)은 상기 구동부(100)의 스핀들(120) 단부에 구비된 바이트척(130)에 고정되어 회전에 의해 피가공물(WP)을 절삭할 수 있다.

이때, 상기 초음파진동부(300)는 상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 상기 절삭팁(200)에 초음파 진동을 전달할 수 있다.

상기 전력전송부(400)는 상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 상기 초음파진동부(300)에 전력을 제공할 수 있다.

그리고, 상기 하우징(500)은 상기 초음파진동부(300) 및 전력전송부(400)를 커버하여 외부 노출을 차단할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 초음파진동부(300)에 경우 절연재질의 하프링(330)을 사이에 두고 제1스택(310)과 제2스택(320)이 구비될 수 있다.

그리고, 상기 제1,2스택(310,320)은 각각 디스크 압전 세라믹을 서로 다른 극성으로 배열되어 제1스택(310) 및 제2스택(320)이 각각 인장모드 및 압축모드로 상호 공명하여 각각 X방향 및 Y방향으로 굽힘 이동할 수 있다.

즉, 상기 제1스택(310)에 경우 극성에 의해 인장모드가 발생하고, 반대로 제2스택(320)에 경우 압축모드가 발생할 수 있다.

이때, 제1스택(310)이 X방향으로 굽힘 이동하고, 제2스택(320)이 Y방향으로 굽힘 이동할 수 있다.

또한, 인장모드 및 압축모드가 서로 반대일 경우 제1스택(310)은 -X방향으로, 제2스택(320)은 -Y방향으로 굽힘 이동하여 도 5의 도시와 같이 상기 스핀들(120)이 X 및 Y 방향의 진폭을 갖는다.

상기에서 언급되는 하프링(330)은 절연체(절연재질)일 뿐만 아니라 압전자체도 반고리 모양으로 형성될 수 있으며, 위에서 설명한 두 개의 독립/분리된 입력 개념에 대한 정보를 추가하여 굽힘 이동 및 공구 동작 모양을 제어할 수 있다.

한편, 도 1에 도시와 같이, 상기 전력전송부(400)는 상기 스핀들(120)을 따라 제1무선전력전송부(400a) 및 제2무선전력전송부(400b)로 연속 구비될 수 있다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 스핀들(120)이 초음파 진동으로 절삭팁(200)의 끝단이 타원형의 궤적을 가지게 되어 피가공물(WP)을 절삭 가공하는 경우 타원형이 반복되는 동선(CW)을 가지게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전력전송부(400)는 전력을 송신하는 송신기(410)와 전력을 수신하는 수신기(420)를 포함한다.

상기 송신기(410)는 상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 코어코일(411)이 권선 내장되어 전력을 무선으로 송신할 수 있다.

그리고, 상기 수신기(420)는 소정의 간격을 갖는 에어갭(430)을 사이에 두고 상기 송신기(410)에 대응하여 상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 코어코일(411)이 권선 내장되어 상기 송신기(410)의 송신 전력을 비접촉으로 수신할 수 있다.

여기서, 상기 송신기(410) 및 수신기(420)에 코일을 감을 수 있는 코어로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 전력전송부(400)는 도 7에 도시된 바와 같이, 송신기(410)와 수신기(420)가 접촉으로 전력을 공급할 수 있다.

상기 송신기(410)는 상기 하우징(500)의 내측에 고정 구비되는 커넥터(413), 상기 커넥터(413)에 연결되며, 상기 스핀들(120)의 둘레에 소정으로 이격 구비되는 복수의 슬립링(415)을 포함하여 전력을 송출할 수 있다.

상기 수신기(420)는 상기 스핀들(120)에 동축으로 고정 구비되어 스핀들(120)과 함께 회전되며, 상기 슬립링(415)에 구름접촉으로 전력 수신할 수 있다.

상기 전력전송부(400)의 작동은 도 4를 참조하여 설명한다.

외부 전력을 공급하는 전원부(440)를 통해 전력을 제공하면, 제1전력안정부(450)를 통해 전류를 상승시켜 자기장을 확보하고, 전력송수신부(470)를 통해 공급되는 전력을 무선으로 송수신하여 제2전력안정부(460)를 통해 전류를 원상태로 복원하여 진동보상부(480)를 구동 시켜 진동출력부(490)를 통해 초음파진동부(300)를 전력을 제공하여 스핀들(120)을 X방향 및 Y방향의 2축으로 축 진동시킬 수 있다.

도 1과 같이, 비 접촉 전송을 위한 무선 전력 전송 개념과 도 7과 같이, 전력 전송을 위해 슬립링(카본 브러시 및 금속링 사용)을 사용하는 기존의 전력 전송할 수 있는 슬립링은 무선 전력 전송의 일부가 아니라 대체할 수 있는 두 가지 전력 전송 개념을 갖는다.

여기에 언급된 압전 세라믹은 도 2에 도시된 바와 같이, 극성 배열을 가진 2 개의 하프링 모양의 스택으로 구성될 수 있다.

이 배열은 제1스택(310)의 경우 x 방향으로, 제2스택(320)의 경우 y 방향으로 굽힘 이동을 생성할 수 있으며, 이 동작을 제어하려면 제1스택(310)과 제2스택(320)의 입력 신호가 서로 다른 위상(90o 위상이 상이)이 반복되어야 한다.

따라서, 각 스택은 서로 다른 2 개의 초음파 발생기 또는 2 개의 제어 가능한 출력을 가진 1 개의 발생기로부터 독립/분리된 입력이 필요하다.

즉, 독립/분리된 입력으로 인해 입력 신호의 진폭이 굽힘 진동의 진폭을 제어하기 때문에 타원형 공구 동작의 모양 또는 크기를 결정하는 각 신호에 대해 서로 다른 진폭을 제어할 수 있다.

한편, 상기 하우징(500)의 어느 한 부분에는 초음파진동부(300)를 통해 입력되는 위상과 진폭의 변화로 절삭공구(200)의 굽힘 운동으로 타원형 진동의 크기와 형상을 제어하는 제어부(600)를 더 포함할 수 있다.

즉, 상기 제어부(600)를 통해 입력 위상과 진폭을 변화하여 공구의 굽힘운동을 제어함으로써, 밀링 가공의 효율을 높이는 데 필요한, 절삭공구(200)에서 타원 모드 진동의 크기와 형상을 제어할 수 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 만한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100: 구동부
110: 모터
120: 스핀들
130: 바이트척
200: 절삭공구
300: 초음파진동부
310: 제1스택
320: 제2스택
330: 하프링
400: 전력전송부
400a: 제1무선전력전송부
400b: 제2무선전력전송부
410: 송신기
411: 코어코일
413: 커넥터
415: 슬립링
420: 수신기
430: 에어갭
440: 전원부
450: 제1전력안정부
460: 제2전력안정부
470: 전력송수신부
480: 진동보상부
490: 진동출력부
500: 하우징
600: 제어부
CW: 동선
WP: 피가공물

Claims

모터(110)의 구동에 의해 회전 작동하는 스핀들(120)을 포함하는 구동부(100)와;
상기 구동부(100)의 스핀들(120) 단부에 구비된 바이트척(130)에 고정되어 회전에 의해 피가공물(WP)을 절삭하는 절삭공구(200)와;
상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 상기 절삭공구(200)에 초음파 진동을 전달하는 초음파진동부(300)와;
상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 상기 초음파진동부(300)에 전력을 제공하는 전력전송부(400)와;
상기 초음파진동부(300) 및 전력전송부(400)를 커버하는 하우징(500)을 포함하고,
상기 초음파진동부(300)는,
절연재질의 하프링(330)을 사이에 두고 제1스택(310)과 제2스택(320)이 구비되며, 상기 제1스택(310) 및 제2스택(320)은 각각 디스크 압전 세라믹을 서로 다른 극성으로 배열되어 제1스택(310) 및 제2스택(320)이 각각 인장모드 및 압축모드로 상호 공명하여 각각 X방향 및 Y방향으로 굽힘 운동하는 것을 특징으로 하는 2축 진동형 절삭공구장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 전력전송부(400)는,
상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 코어코일(411)이 권선 내장되어 전력을 무선으로 송신하는 송신기(410)와;
소정의 간격을 두고 상기 송신기(410)에 대응하여 상기 스핀들(120)에 동축으로 구비되며, 코어코일(411)이 권선 내장되어 상기 송신기(410)의 송신 전력을 비접촉으로 수신하는 수신기(420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 진동형 절삭공구장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력전송부(400)는,
상기 하우징(500)의 내측에 고정 구비되는 커넥터(413), 상기 커넥터(413)에 연결되며, 상기 스핀들(120)의 둘레에 소정으로 이격 구비되는 복수의 슬립링(415)을 포함하여 전력을 송출하는 송신기(410)와;
상기 스핀들(120)에 동축으로 고정 구비되어 스핀들(120)과 함께 회전되며, 상기 슬립링(415)에 구름접촉으로 전력 수신하는 수신기(420)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 진동형 절삭공구장치.
청구항 1에 있어서,
초음파진동부(300)를 통해 입력되는 위상과 진폭의 변화로 절삭공구(200)의 굽힘 운동으로 타원형 진동의 크기와 형상을 제어하는 제어부(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 진동형 절삭공구장치.