KR102417760B1

KR102417760B1 - 금속 가공 시스템들의 음향 진동을 차단하기 위한 디바이스들

Info

Publication number: KR102417760B1
Application number: KR1020177006271A
Authority: KR
Inventors: 매튜 에이. 쇼트; 칼 에프. 그라프
Original assignee: 에디슨 웰딩 인스티튜트, 인코포레이티드
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2022-07-05
Also published as: JP6389324B2; CA2959409C; EP3188864A4; WO2016036965A3; KR20170066328A; CA2959409A1; EP3188864A2; JP2017532209A; WO2016036965A2

Abstract

본 발명은, 초음파 트랜스듀서 ― 초음파 트랜스듀서는 기계 가공 공구를 수용하도록 적응됨 ―; 및 기계가공 시스템과 호환 가능하고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징(vibration-isolating housing)을 포함하며, 하우징은 기계가공 공구에 전달되는 축 방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리시키기 위한 적어도 하나의 변경을 더 포함하며, 이에 의해 원치않는 진동들이 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지하는 초음파 기계가공 모듈에 관한 것이다.

Description

금속 가공 시스템들의 음향 진동을 차단하기 위한 디바이스들 {DEVICES FOR ISOLATING ACOUSTIC VIBRATIONS IN METALWORKING SYSTEMS}

관련 출원들에 대한 교차 참조

본 특허 출원은 2014 년 9 월 5 일자로 출원된 발명의 명칭이 "금속 가공 시스템에서의 음향 방진용 디바이스들(Devices for Isolating Acoustic Vibrations in Metalworking Systems)"인 미국 가출원 일련번호 제 62/046,248 호의 이익을 주장하며, 그 개시내용은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함되며 모든 목적들을 위해 본 특허 출원의 일부가 된다.

기술분야

설명된 발명은 일반적으로 금속들 및 다른 재료들을 기계가공하기 위한 시스템들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 초음파 기계가공 모듈에 포함되어 있는 금속들 및 다른 재료들을 기계가공하기 위한 시스템에 관한 것으로, 여기서, 초음파 기계가공 모듈은 그의 방진 특성들로 인해서 다양한 기존의 기계가공 시스템들, 디바이스들, 및 프로세스들과 호환가능하다.

드릴링(drilling), 밀링(milling), 리밍(reaming), 태핑(tapping) 및 선삭(turning)에 대한 총괄적 용어인 기계가공(machining)은 미국 및 세계의 다른 나라들의 모든 제조 양상들에 사실상 영향을 주는 구현 기술(enabling technology)이다. 특정 예에서, 밀링 머신은 중실(solid) 재료들을 기계가공하는 데 사용되는 기계가공 공구이다. 밀링 머신들은 전형적으로 메인 스핀들(main spindle)의 배향을 지칭하는 수평(horizontal) 또는 수직(vertical)으로 분류된다. 양자 모두의 유형들은, 소형 벤치 장착식 디바이스들(small, bench-mounted devices)로부터 산업 목적들에 적합한 훨씬 더 대형인 머신들까지 크기가 다양하다. 드릴이 재료를 관통하도록 축 방향으로 움직일 때 피가공재(workpiece)를 정지 상태로 유지하는 드릴 프레스(drill press)와 달리, 밀링 머신들은 자신의 측면들 상에서 뿐만아니라 자신의 팁 상에서 절삭하는 회전 밀링 커터(rotating milling cutter)에 대해서 피가공재를 축 방향 및 반경 방향으로 움직인다. 밀링 머신들은 간단한 작업들(예컨대, 슬롯(slot) 및 키홈(keyway) 절삭, 평삭(planing), 드릴링)로부터 복잡한 작업들(예컨대, 컨투어링(contouring), 다이싱킹(diesinking))까지 수많은 작업들을 수행하는 데 사용된다.

기계가공 시스템들(밀링 머신들을 포함)과 함께 사용되는 절삭 및 드릴링 공구들과 액세서리들은 종종 "툴링(tooling)"으로서 집합체로 지칭된다. 밀링 머신들은 종종 CAT 또는 HSK 툴링을 사용한다. 때로는, V-플랜지(flange) 툴링으로 불리는 CAT 툴링이 미국에서 가장 오래되고 아마도 가장 보편적으로 사용되는 유형이다. CAT 툴링은 캐터필러(Caterpillar) 기계류(machinery)에 사용되는 툴링을 표준화하기 위해서 미국, 일리노이(Illinois), 피오리아(Peoria)의 Caterpillar Inc.에서 발명되었다. 때로는, "중공 섕크 툴링(hollow shank tooling)"으로 불리는 HSK 툴링은, 미국에서보다는 발명되었던 유럽에서 훨씬 더 보편적이다. HSK 툴링을 위한 유지 메커니즘(holding mechanism)이 공구의 중공 본체 내부에 배치되며, 그리고 스핀들 속도가 증가함에 따라, 이 유지 매커니즘은 스핀들 속도 증가에 의해 공구를 훨씬 단단하게 파지하는 것을 확장한다.

특정 재료들의 절삭성(machinability)을 개선시키는 것은, 머신 공구들의 빌더들(builders)에게 뿐만 아니라 군용 장비 및 특정 상용 하드웨어의 제조업체들에게 중요한 관심사이다. 보다 구체적으로, 장갑판들(armor plates) 및 복합재들(composites)과 같은 매우 진보된 재료들은 표준 시스템들 및 방법들로 기계가공하기에는 어려운 것으로 악명 높다. 고속 시스템들 및 초경(ultra-hard) 공구 비트들(bits)이 이러한 재료에 사용되지만, 단지 공구 수명 및 생산성의 미미한 증가(marginal increase)만을 제공한다. 레이저(laser), 워터제트(waterjet), 및 EDM 절삭과 같은 첨단 기술들을 구현함으로써 재료들의 절삭성의 상당한 개선들이 성취되고 있다. 그러나, 이들 프로세스들은 자본 비용이 높고, 적용에 제한이 있으며, 표준 머신 샵들에서 사용하기에는 너무 많이 상이하다. 또한, 이들 프로세스들의 적용은 재료들이 통상적으로 사용되는 곳에서의 재료들의 특정 유형들의 절삭들로 제한된다.

초음파-보조 기계가공은 1950 년대 미국에서 개발되었고 그당시 기계가공하기 어려운 것으로 간주되었던 재료들을 기계가공하는데 사용되었다. 초음파 기계가공(UM)의 보다 최신의 프로세스는, 보다 빠른 드릴링, 경질 재료들의 효과적인 드릴링, 공구 수명 증가 및 증가된 정확도의 관점에서 전반적인 성능을 개선하기 위해 고출력 초음파 진동들을 "전통적인" 기계가공 프로세스들(예컨대, 드릴링, 선삭, 밀링)에 적용하는 것을 포함한다. 이는, 전형적으로, 고속도강(high speed steel)(HSS), 카바이드, 코발트, 다결정 다이아몬드 복합재, 또는 초음파(US) 전송 선로에 부착된 콜레트(collet)(예컨대, 수축 끼워맞춤(shrink fit), 압축, 유압 또는 기계적)에 부착된 다른 적절한 재료들로 제조되는 드릴 비트들을 사용함으로써 성취된다. 이러한 맥락에서, UM은 유리, 세라믹들, 석영과 같은 극도의 경질 재료들을 절삭하는데 사용되는 기존의 초음파 기반 슬러리 드릴링(ultrasonic-based slurry drilling) 프로세스(즉, 충격 기계가공)가 아니다. 오히려, 이러한 유형의 UM은 최신 기계가공 시스템들에 사용되는 드릴들, 밀들, 리머들, 탭들, 선삭 공구들 및 다른 공구들에 고출력 초음파들을 적용하기 위한 방법들을 고려한다.

최신 기계가공 시스템들에서 초음파들의 사용이 중요하고 다양한 이점들을 제공하지만, 수반되는 소정의 기술적 어려움들이 존재하며, 이 유형의 에너지 출력을 수용하기 위해 원래에 설계되지 않았던 기계가공 시스템들 내로의 초음파 에너지의 통합은 최소가 아니다. 따라서, 그러한 시스템들의 성능을 손상시키거나 부정적인 영향을 미치지 않으면서 기존의 기계가공 시스템들과 호환될 수 있고 포함될 수 있는 초음파 기계가공 모듈이 지속적으로 필요하다.

이하, 본 발명의 특정의 예시적인 실시예들의 요약을 제공한다. 이러한 요약은 광범위한 개관이 아니며 본 발명의 핵심 또는 중요한 양태들 또는 엘리먼트들을 식별하거나 그 범위를 상세히 기술하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 기계가공 시스템에 사용하기 위한 제 1 디바이스가 제공된다. 본원에서 초음파 기계가공 모듈로서 지칭되는 이 디바이스는, 공지된 노달 포지션을 갖는 초음파 트랜스듀서 ― 초음파 트랜스듀서는 공구 비트(tool bit)를 수용하도록 적응됨 ―; 및 기계가공 시스템과 호환 가능하게 하는 것 그리고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하게 하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징(vibration-isolating housing)을 포함하며, 방진 하우징은 공구 비트에 전달되는 축 방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리시키기 위한 적어도 하나의 변형(modification)을 더 포함하며, 이에 의해 원치않는 진동이 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 기계가공 시스템에 사용하기 위한 제 2 디바이스가 제공된다. 본원에서 초음파 기계가공 모듈로서 지칭되는 이 디바이스는, 공지된 노달 포지션(nodal position)을 갖는 초음파 트랜스듀서 ― 초음파 트랜스듀서는 공구 비트를 수용하도록 적응됨 ―; 기계가공 시스템과 호환 가능하게 하는 것 그리고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하게 하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징 ― 방진 하우징은 공구 비트에 전달되는 축 방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리시키기 위한 적어도 하나의 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치않는 진동이 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지함 ―; 및 공구 홀더를 포함하고, 공구 홀더 및 하우징의 최상부 부분은 서로 기계적으로 커플링된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 기계가공 시스템에 사용하기 위한 제 3 디바이스가 제공된다. 본원에서 초음파 기계가공 모듈로서 지칭되는 이 디바이스는, 공지된 노달 포지션(nodal position)을 갖는 초음파 트랜스듀서 ― 초음파 트랜스듀서는 공구 비트를 수용하도록 적응됨 ―; 기계가공 시스템과 호환 가능하게 하는 것 그리고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하게 하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징 ― 방진 하우징은 공구 비트에 전달되는 축 방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리시키기 위한 적어도 하나의 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치않는 진동이 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지함 ―; 공구 홀더 ― 공구 홀더 및 하우징의 최상부 부분은 서로 기계적으로 커플링됨 ―; 및 내부 밀봉 시스템을 포함한다. 내부 밀봉 시스템은, 트랜스듀서의 노달 포인트에서 트랜스듀서에 형성된 원추형 정렬 보스(conical alignment boss); 하우징에 형성된 원추형 플랜지 ― 원추형 플랜지는 원추형 정렬 보스 위의 그의 탄성 한계들 내에서 신장되며 이에 의해 트랜스듀서 상에 형성된 수평 베이스에 대해서 하우징을 밀봉함 ―; 및 O-링을 수용하기 위해 트랜스듀서 상의 수평 베이스에 형성되는 홈을 포함하며, O-링은 디바이스들에 추가적인 밀봉 특징들을 제공한다.

본 발명의 추가적인 특징들 및 양태들은 예시적인 실시예들의 하기 상세한 설명을 판독하고 이해함으로써 당업자에게 명백해질 것이다. 당업자라면 알 수 있듯이, 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 본 발명의 추가 실시예들이 가능하다. 따라서, 도면들 및 관련 설명들은 본질적으로 예시적인 것이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.

본 명세서에 통합되어 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면들은 본 발명의 하나 또는 그 초과의 예시적인 실시예들을 개략적으로 예시하고, 그리고 전술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이다.
도 2는 도 1의 초음파 기계가공 모듈의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 횡단 측면도이며, 그 하우징 컴포넌트의 제 1 대안의 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 횡단 측면도이며, 그 하우징 컴포넌트의 제 2 대안의 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 횡단 측면도이며, 그 하우징 컴포넌트의 제 3 대안의 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 횡단 측면도이며, 그 하우징 컴포넌트의 제 4 대안의 실시예를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이며, 그 하우징 컴포넌트의 제 5 대안의 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이며, 그 하우징 컴포넌트의 제 6 대안의 실시예를 도시한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 횡단 측면도들이며, 그 트랜스듀서 컴포넌트의 노달 포지션에 로케이팅되는 가요성 스프링형 구조를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈의 횡단 측면도들이며, 그 트랜스듀서 컴포넌트는 정렬 보스로서 작용하는 정밀한 기하학적 형상을 포함하고, 정렬 보스는 트랜스듀서의 노달 포지션에 포지셔닝된다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 이제 도면들을 참조하여 설명된다. 다음의 상세한 설명은 예시의 목적들을 위한 다수의 상세들을 포함하지만, 당업자는 이하의 상세한 설명들에 대한 많은 변경들 및 수정들이 본 발명의 범위 내에 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 다음의 실시예들은 청구된 발명에 대한 일반성(generality)의 어떠한 손실 없이 그리고 청구된 발명에 대한 제한들도 부과하지 않고 제시된다.

본 발명은 원래 그러한 초음파 모듈들을 수용하도록 설계되지 않은 기존의 상업적으로 이용 가능한 기계가공 시스템들에 통합하기 위해 적응된 다양한 초음파 기계가공 모듈들을 제공한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적 제 1 실시예는 기계가공 시스템에 사용되는 초음파 기계가공 모듈을 제공하며, 초음파 기계가공 모듈은, (a) 초음파 트랜스듀서 ― 초음파 트랜스듀서는 공구 비트를 수용하도록 적응되고, 초음파 트랜스듀서는, (i) 전방 질량(front mass); (ii) 후방 질량(back mass); (iii) 전방 질량과 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들(piezoelectric ceramics); (iv) 적어도 하나의 전기 커넥터; 및 (v) 전방 질량, 후방 질량 및 세라믹들을 관통하며 세라믹들에 압축력을 가하도록 작동하는 볼트를 더 포함함 ―; 및 (b) 기계가공 시스템과 호환가능할 수 있고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징(vibration-isolating housing)을 포함한다. 하우징은 전방 질량 상부에서 내부에 반경 방향으로 형성된 스프링형 피처를 더 포함하며, 스프링형 피처는 하우징의 만곡된 얇은 섹션을 더 포함하고, 하우징의 만곡된 얇은 섹션은 공구 비트에 전달되는 축 방향 진동들을 제외하고 상기 디바이스가 작동 중일 때 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 발생된 모든 진동들을 격리하기 위해 하우징 내에서 굴곡(flexion)을 허용하도록 작동하고, 이에 의해 원치않는 진동들이 기계가공 시스템 내로 역방향으로 또는 상방으로 이동하는 것을 방지하고 그리고 잠재적으로 시스템의 손상 또는 다른 문제들을 야기한다. 이 특정 실시예는 미국 특허 출원 제 13/046,099 호(현재, 미국 특허 제 8,870,500 호)에 개시되어 있으며, 이는 모든 목적들을 위해 그 전체가 본원에 인용에 의해 분명히 포함된다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 초음파 기계가공 모듈(10)의 예시적인 실시예는 공구 홀더(20), 하우징(40) 및 초음파 트랜스듀서 조립체(70)의 3 개의 기본 컴포넌트들을 포함한다. 공구 홀더(20)는 기계가공 시스템(도시 생략)의 메인 스핀들(예컨대, CAT(40, 60) 또는 HSK)에 기계가공 모듈(10)을 부착하기 위해 내부에 형성된 제 1 보어(24)를 더 포함하는 상부 부분(22)을 포함한다. 공구 홀더(20)의 하부 부분(26)은 커넥터들(49)(즉, 센터링 볼트들)을 사용하여 공구 홀더(20)를 하우징(40)에 기계적으로 커플링하기 위해 하우징(40) 내의 유사한 구조들과 협력하는 복수 개의 제 2 보어들(28)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 공구 홀더(20)는 하우징(40)에 볼트 체결되는 것 이외에 또는 그 대신에 하우징(40)에 수축 끼워 맞춤된다(shrink-fit).

하우징(40)은 공구 홀더(20)를 수용하도록 적응되는 중앙에 로케이팅되는 구멍(aperture)(44) 및 초음파 트랜스듀서 조립체(70)가 삽입되는 저부 개구(54)를 더 포함하는 강성의 원통 본체(cylindrical body)(42)를 포함한다. 원주방향 전기 접점들(56)(즉, 슬립 링들)이 하우징(40)의 외부에 포지셔닝된다. 당업자라면 이해할 수 있듯이, 다른 유형들의 전기 접점들의 사용이 본 발명과 함께 가능하다. 예컨대, 스핀들을 통한 냉각 공기의 유동을 여전히 제공하거나 유지하면서, 단일 접점(56)이 이용될 수 있거나 접점이 기계가공 시스템의 스핀들을 통해 연장될 수 있다. 하우징(40)의 최상부(top) 또는 상부(upper) 부분은 기계가공 모듈(10)이 조립될 때 공구 홀더(20) 내의 보어들(28)의 배치에 대응하는 복수 개의 보어들(48)에 연결하는 복수 개의 구멍들(46)을 포함한다. 공구 홀더(20)를 하우징(40)에 볼트 결합시키기 위해 일련의 커넥터들(49)이 보어들(48 및 28)에 삽입된다. 복수 개의 공기 출구들(50)이 하우징(40)에 형성된다. 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 공기 출구들(50)은 사용시에 기계가공 모듈(10)을 냉각시키기 위해 초음파 트랜스듀서 조립체(70) 상의 특정 구조들과 협력하며, 이에 의해 압전 세라믹들(74)을 냉각하기 위한 임의의 분리된 또는 외부 시스템 또는 장치에 대한 필요성을 감소시키거나 없앤다.

하우징(40)은 또한 방진 스프링으로서 작용하는 원주 방향 영역(52)을 포함하며, 그 자체로 "스프링형 구조"로 특징 지워진다. 예시적인 실시예에서, 영역(52)은 하우징(40)이 제조되는 재료의 컨투어링된(contoured) 얇은(thinned) 섹션을 포함한다. 기계가공 모듈(10)이 사용 중일 때, 영역(52)은 하우징(40)에서 일정 정도의 굴곡을 가능하게 하여, 초음파 트랜스듀서 조립체(70)에 의해 생성된 음향 에너지를 흡수 및/또는 격리시키고 원치 않는 진동이 스핀들 또는 기계가공 시스템의 다른 기계 컴포넌트들로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지한다. 초음파 트랜스듀서 조립체(70)에 의해 생성된 축 방향 진동은 영역(52)에 의해 줄어들지 않으며; 그러므로, 토크가 전방 질량(76)에 부착되고 피가공재를 기계가공하는데 사용되는 공구 비트 또는 다른 아이템으로 여전히 전달된다. 본 발명의 맥락 내에서, 용어 "공구 비트"는 드릴 비트 또는 전방 질량(76)에 부착되는 임의의 다른 아이템을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 본질적으로, 영역(52)은 피가공재를 향해 지향된 축 방향 진동들을 제외하고 대부분의 또는 모든 진동 모드들을 흡수 및/또는 격리하도록 작동한다.

초음파 트랜스듀서 조립체(70)는 후방 질량(72), 전방 질량(76), 및 이들 2개의 구조 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들(74)을 포함한다. 복수 개의 전극들(75)은 압전 세라믹들(74) 사이에 끼워지고, 볼트(86)는 후방 질량(72), 세라믹들(74), 전극들(75) 및 전방 질량(76)의 일부를 통해 통과한다. 조여질 때, 볼트(86)는 압전 세라믹들(74)에 압축력을 가하도록 작동된다. 도면들에 도시되지는 않았지만, 전형적으로 일련의 전기 리드 와이어들이 전극들(75) 중 적어도 하나에 부착된다. 이들 와이어들은 하우징(40)을 통해 또는 공구 홀더(20)를 통해 하우징(40)의 내부를 빠져나오며 이들은 그 다음에 원주방향 전기 접점들(56)에 연결된다. 브러시 접점들 또는 다른 유형들의 전기 접점들이 기계가공 모듈(10)에 전기를 제공하는데 사용될 수 있다. 트랜스듀서 조립체(70)는 전형적으로 1 kW 내지 5 kW 범위의 파워 레벨들 및 25 ㎛ 내지 150 ㎛ 범위의 진폭들에서 작동한다.

도 1 및 도 2에 도시된 초음파 기계가공 모듈(10)의 예시적인 실시예에서, 초음파 트랜스듀서 조립체(70)는 또한 전방 질량(76)에 형성되는 복수 개의 공기 입구들(80) 바로 아래에서 전방 질량(76) 둘레에 원주 방향으로 로케이팅되는 복수 개의 냉각 부재들, 핀들(fins) 또는 베인들(78)을 또한 포함한다. 초음파 기계가공 모듈(10)이 회전할 때, 압축기 휠을 시뮬레이팅하는 베인들(78)은 공기를 공기 입구들(80)을 통해 상방으로 흡입하기 위해 작동한다. 그 다음에, 공기는 냉각 목적들을 위해 세라믹들(74)을 가로질러 하우징(40)의 내부를 통해 유동하고, 공기 출구들(50)을 통해 하우징(40)을 빠져나간다. 도면들에 도시된 바와 같이, 전방 질량(76)의 전방 또는 바닥 영역은 드릴 비트, 밀링 공구 또는 다른 아이템을 수용하도록 적응되는 보어(84)를 더 포함하는 테이퍼진 콜레트(tapered collet)(82)를 포함한다. 당업자에 의해 이해될 수 있듯이, 드릴 비트 또는 다른 아이템(도시생략)은 수축 끼워 맞춤(shrink-fitting)으로서 공지된 프로세스를 사용하여 콜레트(82)에 부착될 수 있다. 보어(84) 주위로 질량을 균일하게 가열함으로써, 보어의 직경을 상당히 확장시킬 수 있다. 드릴 비트 또는 기타 아이템의 샤프트는 그 다음에 확장된 보어에 삽입된다. 냉각시, 보어 주위의 질량은 자신의 원래 직경으로 줄어들고 마찰력들이 매우 효과적인 조인트를 생성한다. 예시적인 실시예에서, 하우징(40)의 바닥 에지는 초음파 기계가공 모듈(10)을 보수하기 위한 케이스(40)의 제거를 용이하게 하기 위한 수축 끼워 맞춤 프로세스를 사용하여 전방 질량(76)의 최상부 부분에 부착된다. 당업자에 의해 인식할 수 있듯이, 공구 아이템들을 전방 질량(76)에 부착하고 그리고/또는 하우징(40)을 트랜스듀서 조립체(70)에 부착하는 다른 수단이 가능하고 본 발명과 호환 가능하다.

초음파 기계가공 모듈(10)의 금속 컴포넌트들의 일부 또는 전부는 통상적으로 A2 공구 강으로 제조된다. 대안으로, D2, SS, 4140 및/또는 350-M 공구 강이 사용될 수 있다. 사용된 재료와 관계없이, 전방 질량(76) 및 후방 질량(72) 양자 모두는 진폭을 감소시키는 수단과 동일한 재료로 제조될 수 있다. 일반적으로, 이러한 컴포넌트들의 질량은 혼합은 진폭을 조정한다. 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 총 모듈 길이는 약 7.5 인치(19.1cm)이다. 그러나, 본 발명은 초음파 기계가공 모듈(10)의 확장 가능하고(scalable) 소형화된 변형들이 다른 적용들 중에서도 의료 및 수술 시스템들 및 디바이스들과 호환 가능하다.

도 3 내지 도 8을 참조하면, 본 발명은 굴곡 부재(flexural member)로서 작용하는 추가적인 구조들(하우징 벽에 형성된 원형 기하학적 형상 릴리프들을 넘어서)을 제공한다. 본 발명은 초음파 시스템으로부터 기계 스핀들/구조로 되돌아가거나 또는 기계로부터 공구 팁으로 통과되는 진동들을 실질적으로 제거하는 다양한 대안의 방음(acoustic isolation) 피처들을 제공한다. 본 발명의 이들 실시예들의 신규 양태들은 하기를 포함한다: (i) 초음파 에너지의 격리를 돕기 위한 다양한 기하학적 피처들의 사용; (ii) 케이스/하우징으로부터의 기계적 진동들을 완충시키는 2 차 재료들의 사용; (iii) 기계 스핀들/구조로의 진동들의 전달을 제거하는 방식으로 굴곡된 상태에서 기계가공력들을 가하기에 충분한 방음 피처의 설계; 및 (iv) 비틀림 자극들(torsional excitations)과 같은 2 차 운동을 향상시키기 위한 특수 형상의 설계 및 통합.

도 3은 공구 홀더(120)와 초음파 트랜스듀서 조립체(170) 사이에 배치되는 제 1 대체 하우징 컴포넌트(140)를 도시하는, 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(110)의 횡단 측면도이다. 이 실시예는, 초음파 자극(ultrasonic excitation)과 함께 굴곡 또는 진동하도록 의도되는 얇은 벽 구조(152)를 사용함으로써 초음파 기계가공 모듈(110) 내에서 초음파 자극에 의해 생성된 진동들을 격리시킨다. 이 실시예는 트랜스듀서 전방 질량(176)의 노달 포지션에 부착되어 2 개의 바디들을 단단히 연결하여 음향 에너지를 전달하는 제 1 강성체(rigid body)(177)를 포함한다. 위쪽으로 이동하면, 하우징(140)의 벽들은 노달 강성체로부터 두께가 감소되고, 따라서 노달 강성체는 그 다음에 구부러지거나 진동하도록 의도된다. 그 다음에, 하우징(140)의 가장 위의 부분(upper most portion)은 종래 공구 홀더(120)에 통합된 제 2 강성 질량(179)에 도달하는 두께가 증가한다. 이 접근법은 초음파 기계가공 모듈(110)을 견고하게 지지하며, 이에 의해 하우징(140)에 대한 원치 않는 진동들을 격리시킨다.

도 4는 공구 홀더(220)와 초음파 트랜스듀서 조립체(270) 사이에 배치되는 제 1 대체 하우징 컴포넌트(240)를 도시하는, 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(210)의 횡단 측면도이다. 본 실시예에서, 하우징(240)은 방진 영역(252)을 포함하며, 하우징(240)의 벽들 내에 원형 또는 둥근 피처들을 채용하는 것 보다는 오히려 삼각형의(triangular) 기하학적 형상 릴리프들이 추가된다. 도 5는 공구 홀더(320)와 초음파 트랜스듀서 조립체(370) 사이에 배치되는 제 1 대체 하우징 컴포넌트(340)를 도시하는, 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(310)의 횡단 측면도이다. 본 실시예에서, 하우징(340)은 방진 영역(352)을 포함하며, 하우징(340)의 벽들 내에 원형 또는 둥근 피처들을 채용하는 것 보다는 오히려 직사각형의(rectangular) 기하학적 형상 릴리프들이 추가된다.

도 6은 공구 홀더(420)와 초음파 트랜스듀서 조립체(470) 사이에 배치되는 제 1 대체 하우징 컴포넌트(440)를 도시하는, 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(410)의 횡단 측면도이다. 본 실시예는 식별 가능한 릴리프들 또는 격리 피처들을 하우징(440)에 통합하지 않고, 오히려 하우징 벽들이 초음파 기계가공 모듈(410)과 공진하도록 λ/4 파장 시스템이 되도록 하우징(440)의 벽들을 변경한다. λ/4 파장에 도달하는 것은, 작동 주파수(operating frequency)에 기초한 하우징(440)에 대한 미리 정해진 벽 길이를 포함한다. 예컨대, 20kHz 공진기(resonator)는 대략 2.63 인치의 하우징 벽 길이를 활용할 것이다.

도 7은 공구 홀더(520)와 초음파 트랜스듀서 조립체(570) 사이에 배치된 제 5 대체 하우징 컴포넌트(540)를 도시 하는, 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(510)의 측면도이다. 본 실시예는 내부에 직접 내장된 진동 감쇠 피처들(552)을 포함하는 강성의 하우징(540)을 제공한다. 진동 감쇠 피처들(552)은 본질적으로 하우징(540)의 벽들에 형성된 절취부들(cutouts)이고, 이러한 절취부들에는 예컨대 고무, 엘라스토머, 주석 또는 인코넬과 같은 합금들 및/또는 다른 적절한 재료들과 같은 진동 감쇠 재료들이 다시채워질(backfilled) 수 있다. 진동 감쇠 피처들(552)은 원들, 정사각형들, 직사각형들, 삼각형들, 타원들 또는 이들의 조합일 수 있으며, 또한, 다양한 다른 기하학적 형상들도 가능하다.

도 8은 공구 홀더(620)와 초음파 트랜스듀서 조립체(670) 사이에 배치된 제 6 대안의 하우징 컴포넌트(640)를 도시하는, 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(610)의 측면도이다. 본 실시예는 또한 음향 에너지가 기계가공 공구로 잠재적으로 다시 전달되는 것을 방지하는 특정의 기하학적 형상을 갖는 하우징(640)에 형성된 절취부들 또는 피처들(652)을 포함한다. 본 실시예에서, 특정 기하학적 형상은 진동들을 격리하지만, 절취부들은 또한 초음파 기계가공 모듈(610)과 함께 사용되는 공구의 팁에서 발생된 진동을 향상시킨다. 예컨대, 초음파에 의해 구동될 때 길이방향 변위에 의해 발생되는 것을 넘어 공구 팁에 존재하는 비틀림 변위의 양을 증가시킬 수 있다. 이는, 결국, 길이방향 모드에 의해 구동될 때 길이 방향 자극(longitudinal excitation)이 절취부들을 구부리고, 그 다음에 전체 본체를 비틀림 방식으로 구동시키는 혼합 모드 디바이스를 생성한다. 이의 예가 도 8에 도시되며, 여기서, 슬롯 직경, 길이, 각도, 및 방향이 비틀림 변위의 양을 지시할 것이다.

도 9a 및 도 9b는 방진 피처(752)를 도시하는 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(710)의 횡단 측면도이며, 방진 피처(752)는 트랜스듀서(770)의 노달 포지션에 로케이팅되는 가요성 스프링형 구조(753)를 포함하고, 트랜스듀서(770)는 하우징(740) 및 공구 홀더(720) 아래에 로케이팅된다. 스프링형 구조(753)는 트랜스듀서(770)에 의해 생성된 원치않는 진동을 격리시키는데 적절한 굴곡을 나타내지만, 스프링형 구조(753)는 기계가공 작동들을 받을 때 축방향 및 측면 하중들을 견디기에 충분한 강성을 보유한다. 이 실시예에서, 가요성 스프링형 구조(753)는 축 방향 및 반경 방향 양자 모두로 진동할 수 있다. 그러나, 500 파운드를 초과하는 힘들 하에서, 초음파 기계가공 모듈(710)은 변형, 이동 또는 합력(resultant force)에 의해 변위될 수 없어야만 한다. 또한, 시스템은 상기 하중을 받을 때 진동들을 감쇠시켜서는 안된다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명에 따른 초음파 기계가공 모듈(810)의 횡단 측면도이며, 여기서, 초음파 트랜스듀서 조립체(870)는 전방 질량(876)의 노달 포지션(851)에 포지셔닝되는 정렬 보스(843)로서 작용하는 정밀한 기하학적 형상을 포함한다. 본원에 개시된 다른 실시예들에서와 같이, 본 발명의 본 실시예는 공구 홀더(820) 및 하우징(840)과 결합되는 초음파 트랜스듀서 조립체(870)를 포함한다. 본 실시예는 또한 공구 축의 정밀한 정렬, 초음파 기계가공 모듈(810)의 밀봉 및 진동 제어를 제공하기 위한 특정 기하학적 피처들을 포함한다. 이 정밀한 기하학적 형상은 또한 하우징(840)에 형성된 테이퍼진 또는 원추형 플랜지(841)가 테이퍼진 또는 원추형 정렬 보스(843) 위에서 그의 탄성 한계들 내에서 연신되며 이에 의해 초음파 트랜스듀서 조립체(870) 상에 형성되는 수평 방향 베이스(847)에 대한 시일을 생성하는 내부 밀봉 시스템으로서 작용한다. 수평 방향 베이스(847)에 형성된 작은 그루브(854)는 추가적인 밀봉을 제공하기 위한 O 링 그루브로서 작용한다. 정렬 보스(843)는, 상세하게는, 수평방향 베이스(847)가 전단, 굽힘 및/또는 축방향 모드에서 구동하는 것을 방지하기 위해 λ/2 공진기 내의 λ/4 노달 포지션(최대 반경 방향 변위 지점)에서 로케이팅되며, 이에 의해 하우징(840) 및 영역(852)의 방진 특성을 유지한다.

본 발명은 그의 예시적인 실시예들의 설명에 의해 예시되고 있고, 실시예들이 소정의 상세에서 설명되어 있지만, 이러한 소정의 상세로 첨부된 청구항들의 범위를 한정하거나 소정 방식으로 제한하고자 하는 의도는 없다. 부가적인 장점들 및 수정들이 당업자에게 용이하게 나타날 것이다. 따라서, 그의 보다 광범위한 양태들에서의 본 발명은 특정 상세들, 대표적인 디바이스들 및 방법들, 및/또는 도시되고 설명된 예시적인 예들로 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명의 일반적인 개념의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 그러한 상세들로부터의 이탈들이 이루어질 수 있다.

Claims

기계가공 시스템(machining system)에서 사용하기 위한 디바이스에 있어서,
(a) 공지된 노달 포지션(nodal position)을 갖는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer) ― 상기 초음파 트랜스듀서는 기계가공 공구를 수용하도록 적응됨 ―;
(b) 기계가공 시스템과 호환가능할 수 있고 내부에 상기 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응된 방진 하우징(vibration-isolating housing)으로서, 상기 방진 하우징은, 상기 기계가공 공구에 전달된 축방향 진동들을 제외하고 상기 디바이스가 작동할 때 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리하기 위한 적어도 하나의 변형(modification)을 더 포함하며, 이에 의해 원치 않는 진동이 상기 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지하는, 방진 하우징;
(c) 상기 트랜스듀서의 노달 포인트(nodal point)에서 상기 트랜스듀서에 형성된 원추형 정렬 보스(conical alignment boss);
(d) 상기 하우징에 형성된 원추형 플랜지 ― 상기 원추형 플랜지는 상기 원추형 정렬 보스 위의 그의 탄성 한계들 내에서 신장되며 이에 의해 상기 하우징을 상기 트랜스듀서 상에 형성된 수평방향 베이스(horizontal base)에 대해서 밀봉함 ―; 및
(e) O-링을 수용하기 위해 상기 트랜스듀서 상의 상기 수평 방향 베이스에 형성된 그루브(groove)를 포함하며, 상기 O-링은 상기 디바이스에 추가적인 밀봉 특징들(sealing properties)을 제공하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
공구 홀더(tool holder)를 더 포함하고, 상기 공구 홀더 및 상기 하우징의 최상부 부분은 서로 기계적으로 커플링되거나 서로 일체로 되어 있는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는, 전방 질량(front mass); 후방 질량(back mass); 상기 전방 질량과 상기 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들(piezoelectric ceramics); 상기 압전 세라믹들에 연결된 적어도 하나의 전기 소스; 및 상기 전방 질량, 후방 질량 및 세라믹들을 통과하는 압축 부재(compression member)를 더 포함하며, 상기 압축 부재는 상기 세라믹들에 압축력을 가하도록 작동하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는 상기 기계가공 공구를 수용하도록 적응된 변형된 콜레트(modified collet)를 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 3 항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는 적어도 하나의 전기 커넥터(electrical connector)를 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 로케이션들에서 하우징 내에 형성된 얇은 영역(thinned region)을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 로케이션들에서 상기 하우징 내에 형성된 삼각형 기하학적 형상 릴리프들(triangular geometric reliefs)을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 로케이션들에서 상기 하우징 내에 형성된 직사각형 기하학적 형상 릴리프들(rectangular geometric reliefs)을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 상기 하우징을 λ/4 파장 장치로 변형시키는 것을 더 포함하고, 상기 변형된 하우징은 그 다음에 전체 디바이스와 공진 상태로 되는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 상기 하우징에 형성된 진동 감쇠 절취부들(vibration dampening cutouts)을 더 포함하고, 상기 진동 감쇠 절취부들은 적어도 하나의 미리 정해진 기하학적 형상을 더 포함하며, 선택적으로, 상기 진동 감쇠 절취부들에는 적어도 하나의 진동 감쇠 재료가 충전되는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 하우징 내에 형성된 진동 감쇠 절취부들을 더 포함하고, 상기 진동 감쇠 절취부들은 적어도 하나의 미리 정해진 기하학적 형상을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 미리 정해진 기하학적 형상은 미리 정해진 직경들, 길이들, 각도들 및 방향들을 갖는 슬롯들(slots)을 포함하고, 상기 슬롯들은 상기 기계가공 공구의 팁에서 비틀림 변위(torsional displacement)를 증가시키도록 작동하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변형은 상기 트랜스듀서의 노달 포지션에 로케이팅되는 가요성 리프형(leaf type) 구조; 및 기계가공 작동들을 받게될 때 축 방향 하중과 측면 하중에 견딜 수 있는 강성의 리프형 메커니즘을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스에 있어서,
(a) 공지된 노달 포지션을 갖는 초음파 트랜스듀서 ― 상기 초음파 트랜스듀서는 기계가공 공구를 수용하도록 적응됨 ―;
(b) 기계가공 시스템과 호환가능할 수 있고 내부에 상기 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응된 방진 하우징 ― 상기 방진 하우징은, 상기 기계가공 공구에 전달된 축방향 진동들을 제외하고 상기 디바이스가 작동할 때 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리하기 위한 적어도 하나의 변경을 더 포함하며, 이에 의해 원치 않는 진동이 상기 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지함 ―;
(c) 공구 홀더 ― 상기 공구 홀더와 상기 하우징의 최상부 부분은 서로 기계적으로 커플링되거나 서로 일체형임 ―; 및
(d) 내부 밀봉 시스템을 포함하며, 상기 내부 밀봉 시스템은,
(i) 트랜스듀서의 노달 포인트에서 상기 트랜스듀서에 형성된 원추형 정렬 보스;
(ii) 상기 하우징에 형성된 원추형 플랜지 ― 상기 원추형 플랜지는 상기 원추형 정렬 보스 위의 그의 탄성 한계들 내에서 신장되며 이에 의해 상기 하우징을 상기 트랜스듀서 상에 형성된 수평방향 베이스에 대해서 밀봉함 ―; 및
(iii) O-링을 수용하기 위해 상기 트랜스듀서 상의 상기 수평 방향 베이스에 형성된 그루브를 포함하며, 상기 O-링은 상기 디바이스에 추가적인 밀봉 특징들을 제공하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는, 전방 질량; 후방 질량; 상기 전방 질량과 상기 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들; 상기 압전 세라믹들에 연결된 적어도 하나의 전기 소스; 및 상기 전방 질량, 후방 질량 및 세라믹들을 통과하는 압축 부재를 더 포함하며, 상기 압축 부재는 상기 세라믹들에 압축력을 가하도록 작동하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는 상기 기계가공 공구를 수용하도록 적응된 변경된 콜레트(collet)를 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 초음파 트랜스듀서는 적어도 하나의 전기 커넥터를 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 로케이션들에서 하우징 내에 형성된 얇은 영역을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 로케이션들에서 상기 하우징 내에 형성된 삼각형 기하학적 형상 릴리프들을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 하나 또는 그 초과의 미리 정해진 로케이션들에서 상기 하우징 내에 형성된 직사각형 기하학적 형상 릴리프들을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 상기 하우징을 λ/4 파장 장치로 변경하는 것을 더 포함하고, 상기 변경된 하우징은 그 다음에 전체 디바이스와 공진 상태로 되는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 상기 하우징에 형성된 진동 감쇠 절취부들을 더 포함하고, 상기 진동 감쇠 절취부들은 적어도 하나의 미리 정해진 기하학적 형상을 더 포함하며, 선택적으로, 상기 진동 감쇠 절취부들에는 적어도 하나의 진동 감쇠 재료가 충전되는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 하우징 내에 형성된 진동 감쇠 절취부들을 더 포함하고, 상기 진동 감쇠 절취부들은 적어도 하나의 미리 정해진 기하학적 형상을 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 미리 정해진 기하학적 형상은 미리 정해진 직경들, 길이들, 각도들 및 방향들을 갖는 슬롯들을 포함하고, 상기 슬롯들은 상기 기계가공 공구의 팁에서 비틀림 변위를 증가시키도록 작동하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
제 26 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 방진 변경은 상기 트랜스듀서의 노달 포지션에 로케이팅되는 가요성 리프형 구조; 및
기계가공 작동들을 받게 될 때 축 방향 하중과 측면 하중에 견딜 수 있는 강성의 리프형 메커니즘을 더 포함하는,
기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.