KR102417761B1 - 초음파 기계가공 모듈들과 함께 사용하기 위한 툴 어태치먼트 및 관통 스핀들 쿨란트 시스템들 - Google Patents

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 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치않는 진동들이 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지하는 초음파 기계가공 모듈에 관한 것이다. 초음파 기계가공 모듈은 또한 기계가공 공구 또는 타겟 기재에 모듈을 통해 냉각제 유체를 전달하기 위한 음향 튜닝된 시스템 및/또는 음향 튜닝된 콜레트를 포함할 수 있다.

Description

초음파 기계가공 모듈들과 함께 사용하기 위한 툴 어태치먼트 및 관통 스핀들 쿨란트 시스템들 {TOOL ATTACHMENT AND THROUGH SPINDLE COOLANT SYSTEMS FOR USE WITH ULTRASONIC MACHINING MODULES}

관련 출원들에 대한 교차 참조

본 특허 출원은 2014 년 9 월 5 일자로 출원된 발명의 명칭이 "초음파 기계가공 모듈; 공구 어태치먼트 및 관통 스핀들 냉각제(Ultrasonic Machining Module: Tool Attachment and Through Spindle Coolant)"인 미국 가특허 출원 일련번호 제 62/046,365 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. 이 디바이스는 공지된 음향 주파수를 갖는 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 초음파 트랜스듀서는, 전방 질량; 후방 질량; 전방 질량과 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들; 압전 세라믹들에 연결된 적어도 하나의 전기 소스; 전방 질량, 후방 질량 및 세라믹들을 관통하는 압축 부재; ― 압축 부재는 세라믹들에 압축력을 가하도록 작용함 ― 및 기계가공 공구를 수용하도록 적응되는 콜레트; 및 기계가공 시스템과 호환 가능하고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징을 더 포함하며, 방진 하우징은 기계가공 공구에 전달되는 축방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동 중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 발생된 모든 진동들을 차단하는 적어도 하나의 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치 않는 진동이 기계가공 시스템 내로 역으로 또는 상방으로 이동하는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 기계가공 시스템에 사용하기 위한 제 2 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 또한 공지된 음향 주파수를 갖는 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 초음파 트랜스듀서는, 전방 질량; 후방 질량; 전방 질량과 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들; 압전 세라믹들에 연결된 적어도 하나의 전기 소스; 전방 질량, 후방 질량 및 세라믹들을 관통하는 압축 부재; ― 압축 부재는 세라믹들에 압축력을 가하도록 작동함 ― 및 기계가공 공구를 수용하도록 적응되는 콜레트; 및 기계가공 시스템과 호환 가능하고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징을 더 포함하며, 방진 하우징은 기계가공 공구에 전달되는 축방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동 중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 발생된 모든 진동들을 차단하는 적어도 하나의 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치 않는 진동이 기계가공 시스템 내로 역으로 또는 상방으로 이동하는 것을 방지한다. 콜레트는 초음파 트랜스듀서의 음향 주파수로 튜닝되며, 그리고 콜레트는 내부에 형성된 챔버; 챔버와 함께 장착된 슬리브 ― 슬리브는 기계가공 공구를 수용하도록 적응됨 ―; 슬리브 주위의 챔버 내로 유체를 도입하기 위한 적어도 하나의 포트; 및 슬리브 주위에서 챔버를 가압하고 내부에서 기계가공 공구를 고정하기 위해 기계가공 공구 주위 슬리브를 압축하기 위한 적어도 하나의 유압 플런저를 더 포함한다. 대안으로, 콜레트는 내부에 형성된 챔버; 챔버와 함께 장착된 압축성 슬리브 ― 압축성 슬리브는 기계가공 공구를 수용하도록 적응됨 ―; 및 기계가공 공구를 그 내부에 고정하기 위해 압축성 슬리브에 압축력을 가하기 위한 적어도 하나의 압축 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 기계가공 시스템에 사용하기 위한 제 3 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 공지된 음향 주파수를 갖는 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 초음파 트랜스듀서는, 전방 질량; 후방 질량; 전방 질량과 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들; 압전 세라믹들에 연결된 적어도 하나의 전기 소스; 전방 질량, 후방 질량 및 세라믹들을 관통하는 압축 부재; ― 압축 부재는 세라믹들에 압축력을 가하도록 작용함 ―; 및 기계가공 공구를 수용하도록 적응되는 콜레트; 및 기계가공 시스템과 호환 가능하고 내부에 초음파 트랜스듀서를 수용하는 것 양자 모두를 행하도록 적응되는 방진 하우징 ― 방진 하우징은 기계가공 공구에 전달되는 축방향 진동들을 제외하고 디바이스가 작동 중일 때 초음파 트랜스듀서에 의해 발생된 모든 진동들을 차단하는 적어도 하나의 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치 않는 진동이 기계가공 시스템 내로 역으로 또는 상방으로 이동하는 것을 방지함 ― ; 및 기계가공 공구에 냉각제 유체를 전달하기 위한 시스템을 더 포함하고, 유체 전달 시스템은 초음파 트랜스듀서의 주파수에 동조되고, 압축 부재 내에 길이 방향으로 형성된 유체 채널; 압축 부재의 최상부 단부에 포지셔닝되고 그와 함께 정렬된 격리 어댑터 ― 격리 어댑터는 내부에 길이 방향으로 형성된 유체 채널을 더 포함함 ― ; 및 격리 어댑터 둘레에 원주 방향으로 포지셔닝되는 복수 개의 O- 링들을 포함한다.

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 예시적인 제 1 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이다.
도 2는 도 1의 초음파 기계가공 모듈의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 제 2 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이며, 여기서 초음파 기계가공 모듈의 컴포넌트로서 유압 콜레트가 포함된다.
도 4는 도 3의 초음파 기계가공 모듈의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제 3 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이며, 여기서 너트는 초음파 기계가공 모듈의 컴포넌트로 포함되는 압축성 슬리브에 작용한다.
도 6은 도 5의 초음파 기계가공 모듈의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제 4 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈의 측면도이며, 여기서 초음파 기계가공 모듈에 포함된 관통 스핀들 냉각제 시스템은 격리 어댑터를 포함한다.
도 8은 도 7의 초음파 기계가공 모듈의 횡단면도이다.
도 9는 도 7의 초음파 기계가공 모듈의 분해 사시도이다.

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 두 구조들 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 및 도 4는 각각 본 발명의 예시적인 제 2 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈(110)의 측면도 및 단면도를 제공하며, 여기서 유압식 콜레트(177)는 초음파 기계가공 모듈(110)의 컴포넌트로서 포함된다. 이 실시예에서, 초음파 기계가공 모듈(110)은 공구 홀더(120), 하우징(140), 압축 스터드(141), 방진 영역(152), 초음파 트랜스듀서 조립체(170), 후방 질량(172), 전방 질량(콜레트 본체)(176), 유압 콜레트(177), 슬리브(179), 가압 챔버(181), 충진 포트들(183), 유압 플런저들(185) 및 스레디드 영역(187)을 포함한다. 종래의 유압 콜레트 시스템들과 달리, 유압 콜레트(177)의 물리적 본체는 음향 디바이스(acoustical device)로 구성된다. 따라서, 전방 질량 또는 콜레트 본체(176)는 λ / 4로 튜닝된다. 콜레트 본체(176) 내에서, 스레디드 표면들 또는 브레이징 프로세스들을 사용하여 부착될 수 있는 2 차 슬리브(179)가 있다. 바람직한 프로세스는 음향파(acoustic wave)를 효과적으로 전달하기 위해 이들 컴포넌트들을 커플링하기 위해 본체(176) 내에 브레이징 슬리브(brazing sleeve)(179)를 포함한다. 초음파 기계가공 모듈(110)이 적절하게 공진하기 위해서는, 다양한 설계 양상들이 관련된다. 먼저, 전방 질량(콜릿 몸체)(176)은 모든 변형이 슬리브(179) 내에서 발생되도록 유압 플런저들(185)에 의해 생성된 내부 압력을 지지하기에 충분히 강성이다. 둘째, 가압된 매체로서 오일 또는 그리스가 사용되며 가압 챔버(181) 내에 10 % 미만의 공기가 존재한다. 셋째로, 전방 질량(콜레트 본체)(176)의 본체를 중심으로 대칭으로 로케이팅된 최소 3 개의 압력/충전 포트들(183)이 있다. 이 설계 특징이 전방 질량(콜레트 본체)(176)의 원주 둘레로 질량을 변화시킬 수 있으며, 이는 이후에 불균일 변위를 구동할 것이기 때문에, 이것은 가장 중요한 양상들 중 하나이다. 예컨대, 오직 하나의 충진 포트(183)가 있다면, 가압 챔버(181)에서 질량 감소가 발생하며 이에 따라 주변 영역들과 비교하여 변위량을 감소시킨다. 이것은, 결국, 굽힘 운동(bending motion)을 도입하고, 이는 그 다음에 초음파 기계가공 모듈(110) 내에 장착된 공구의 팁으로 전달된다. 이는 단지 2 개의 충전 포트들(183)만 사용되는 경우에도 동일한 효과를 가지며; 따라서, 3 개의 충전 포트들(183)은 가압된 챔버(181)를 매체로 적절히 가압 또는 충진하여 균일한 변위를 생성시키는데 중요하다. 스레디드 슬리브(179)가 이 실시예에서 사용된다면, 슬리브 기하학적 형상은 전형적으로 대칭이며, 임의의 추가의 충전 포트들(183)도 이들의 배치에서 대칭이다. 스레디드 슬리브 실시예는 슬리브(179)를 전방 질량(콜레트 본체)(176) 상으로 밀어내는데 사용되는 2 차 너트(도시생략)에 의해 시프트되는 플로팅 슬리브(floating sleeve)(179)를 활용한다. 이것은 결국 체적 변화(volumetric change)를 생성하며, 이에 의해 보어 본체로서 작용하는 주변 슬리브(179) 상에 압력을 생성한다. 넷째, 슬리브(179)의 벽의 변형을 통해 절삭 공구를 단단히 커플링하기 위해 250psi의 최소 압력이 생성된다. 이것은 필요한 토크를 효과적으로 전달하고 필요한 기계가공력들을 부과한다. 또한, 커플링은 초음파 트랜스듀서 조립체(110)와 공진 상태로 부착된 공구를 구동시킨다.

도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 예시적인 제 3 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈(210)의 측면도 및 단면도를 제공하며, 여기서 압축성 슬리브(279)는 초음파 기계가공 모듈(210)의 컴포넌트로서 포함된다. 이 실시예에서, 초음파 기계가공 모듈 (210)은 공구 홀더(220), 하우징(240), 압축 스터드(241), 진동 차단 영역(252), 초음파 트랜스듀서 조립체(270), 후방 질량(272), 전방 질량(콜레트 본체)(276), 압축성 슬리브(279) 및 스레디드 본체(너트)(289)를 포함한다. 이 실시예는 트랜스듀서 전방 질량(콜레트 본체)(276)과 통합된 압축성 슬리브(279)를 사용함으로써 부가적인 공구 부착 옵션을 제공한다. 가요성을 갖는 압축성 슬리브(279)는 내부에 배치된 기계가공 공구의 섕크를 효과적으로 유지하고 전방 질량(콜레트 본체)(276)과 효과적으로 결합하기 위해 압축성 슬리브(279)의 내경을 감소시키는 스레디드 본체 또는 너트(289)에 의해 기계적으로 압축된다. 본 실시예와 관련하여, (i) 압축성 슬리브(279)는 압축성 슬리브(279)가 압축력 하에서 그 직경을 변화시키는 것을 허용하는 특정 기하학적 형상에 의해 감소되는 그의 질량의 최대 45 %를 가지며; (ii) 압축성 슬리브(279)를 압축하기 위해 사용되는 각도는 적어도 1 °이지만 최대 20 °이며; (iii) 압축성 슬리브(279)의 각도 및 튜닝된 λ / 4 전방 질량/콜레트 내의 각이진 표면은 맞물림의 전체 길이 내내 라인 접촉을 유지하고(링 또는 다른 접촉은 음향파들을 전달하기 위해 컴포넌트들을 적절하게 커플링하지 않을 것이고); (iv) 압축성 슬리브(279)를 압축하는 본체는 너트, 스크류들의 배열체, 쥬스(Dzus) 패스너 또는 캠(기계적 클램핑 작용이 활용됨)일 수 있으며; 그리고 (v) 콜레트(277)는 통상적으로 다른 직경의 사용이 가능하지만, 1/16'' 내지 1.5'' 범위의 공구 생크 직경들을 수용한다.

도 7 내지 도 9는 초음파 기계가공 모듈(310)의 컴포넌트로서 관통 스핀들 냉각제 피처를 포함하는, 본 발명의 예시적인 제 4 실시예에 따른 초음파 기계가공 모듈(310)의 측면도, 단면도 및 사시도를 각각 제공한다. 본 실시예에서, 관통 스핀들 냉각제 피처들은 초음파 자극 하에서 작동하고, 고압 냉각제가 초음파 기계가공 모듈(310) 및/또는 타겟 기재(target substrate)에 부착된 기계가공 공구에 전달되도록 통로들 및 실링을 제공한다. 본 실시예에서, 초음파 기계가공 모듈(310)은 공구 홀더(320), 전기 커넥터(325), 하우징(340), 압축 스터드(341), 방진 영역(352), 초음파 트랜스듀서 조립체(370), 콜레트(377), 너트(389) 및 격리 어댑터(390)를 포함한다.

도 7 및 도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 세라믹들(374)에 적절한 예압을 가하기 위한 고강도 볼트 또는 압축 스터드를 채용하는 종래의 방식은 압축 스터드(341)가 이제 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 튜닝된 컴포넌트로서 기능하도록 수정되었다. 종래의 압축 스터드들/볼트들은 트랜스듀서 전방 질량의 노달 영역에 그리고 트랜스듀서 후방 질량에 대해서 압축력들의 적용을 위해 부착되며, 그리고, 전형적으로, 압축 스터드의 연장을 필요로 하지 않는다. 본 실시예에서, 압축 스터드(341)는 시스템 위로 그리고 공구 홀더(320)(이는 CAT, HSK, BT 등일 수 있음)의 공동 내로 훨씬 더 연장하여, 모듈을 통한 전류의 전달로 인해 초음파 트랜스듀서 조립체(370)에 도입되는 고압 냉각제들을 밀폐하기 위해 초음파 기계 기계가공 모듈(310)에 시일들이 포함될 수 있다. 본 구성에서, 압축 스터드(341)는 전체 시스템 주파수에 기초하여 튜닝된 엘리먼트로서 작용하도록 설계되고, 굽힘 모드가 공구 홀더(320)의 측벽들과의 간섭을 생성하고 냉각제 유체에 대한 잠재적 누출 경로를 생성하기 때문에 순수한 길이 방향 모드로 구동된다. 본 실시예에서, 압축 스터드(341)를 통과하는 유체 채널(343)은 초음파 트랜스듀서 조립체(370)에 의해 생성된 캐비테이션(cavitation)(이는 캐비테이션 침식을 초래할 수 있음)을 억제하기 위해 최대 1000 psi에서 작동하는 1/4 인치 이하이다. 압축 스터드(341)의 양 단부들은 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 전기 컴포넌트들을 보호하는 시일들을 수용하도록 적응된다.

본 실시예의 중요한 양태는 압축 어댑터(390)를 압축 스터드(341)의 후방 또는 최상부 단부 상에 통합하는 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서와 같이, 초음파 트랜스듀서 조립체(370)는 λ/2(1/2 파장) 구조를 활용한다. 따라서, 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 노달 영역은 전방 질량(376)의 최상부 면에 위치하며, 여기서 구동 엘리먼트들은 부착되고 압축 상태로 설정된다. 이는, 결국, 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 최상부 단부에 있는 안티-노드들에 로케이팅한다. 이것은, 특히, 전방 질량(376)의 단부(나사산의 위치) 및 압축 스터드(341)의 최상부 단부에 로케이팅된다. 따라서, 압축 스터드(341)의 최상부 단부가 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 안티 노드의 일부이기 때문에, 이 구조는 또한 공진 상태로 설정되고 그리고 가장 높은 변위의 정도를 갖는다. 이러한 이유로, 압축 스터드(341)의 길이는 초음파 기계가공 모듈(310)의 구동 엘리먼트들에 4 내지 8 ksi의 허용 가능한 응력 레벨들을 전달하면서 인장시 본체 작용을 통한 유체 통로 또는 유동을 원활하게 하기 위한 중요한 설계 양태이다. 압축 스터드(341)의 길이의 변화들은 양쪽 안티 노드들에서 공진 주파수 및 변위에 직접적으로 영향을 미친다.

초음파 트랜스듀서 조립체(370) 상의 대향하는 안티 노드(공구 부착 로케이션)가 공진 주파수에 대한 질량의 증가들/감소들에 의해 영향을 받는 것과 마찬가지로, 압축 스터드(341)의 최상부 단부는 질량 변화에 의해 영향을 받지만, 또한, 압축 스터드(341)의 최상부 단부와 공구 홀더(320) 사이의 정렬 문제들에 의해 유도된 제약들 또는 과도한 측면 하중들(side loads)에 의해 유발되는 2 차 모드들로 놓여질 수 있다. 이러한 가능성은 탄성 중합체 시일들 또는 O-링들(347)의 사용을 통해 제거되며, 이는 격리 어댑터(390)가 하우징(340)의 공구 홀더(320) 컴포넌트 내에서 "부유하는(float)" 것을 허용한다. 냉각제 유체의 누설을 방지하기 위해, 압축 스터드(341) 및 격리 어댑터(390)는 일련의 O-링들(345 및 347)을 각각 사용하여 초음파 트랜스듀서 조립체(370) 내에서 밀봉되는 한편, O-링(349)은 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 상부 부분을 그의 하부 부분에 밀봉한다. 일련의 부착 패스너들 및 정렬 부재들(391 및 392) 각각은 초음파 트랜스듀서 조립체(370)의 메인(상부 및 하부) 컴포넌트들을 함께 유지한다. 전기는 전기적 커넥터(325)를 통해 초음파 트랜스듀서 조립체(370)에 공급되며, 너트(389)가 콜레트(377)에 기계가공 공구를 장착하기 위한 압축력을 제공한다. 다른 공구 부착 시스템들 및 디바이스들이 본 실시예와 호환 가능하다.

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 (20)

1. 기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스에 있어서,
   (a) 공지된 음향 주파수(acoustic frequency)를 갖는 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer) ― 상기 초음파 트랜스듀서는, (i) 전방 질량; (ii) 후방 질량; (iii) 전방 질량과 후방 질량 사이에 포지셔닝된 복수 개의 압전 세라믹들; (iv) 상기 압전 세라믹들에 연결된 적어도 하나의 전기 소스; (v) 상기 전방 질량, 상기 후방 질량 및 상기 세라믹들을 관통하는 압축 부재 ― 상기 압축 부재는 상기 세라믹들에 압축력을 가하도록 작동함 ―; (vi) 기계가공 공구를 수용하도록 적응되는 콜레트(collet); 및 (vii) 공구 홀더를 포함함 ―;
   (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 변형을 더 포함하며, 이에 의해 원치 않는 진동이 상기 기계가공 시스템 내로 역방향 또는 상방으로 이동하는 것을 방지하며,
   상기 적어도 하나의 변형은 상기 전방 질량 상부에서 상기 하우징 내에서 반경 방향으로 형성된 스프링형 피처를 더 포함하며, 상기 스프링형 피처는 상기 하우징의 만곡된 얇은 섹션을 더 포함하고, 상기 하우징의 만곡된 얇은 섹션은 상기 기계가공 공구에 전달되는 축 방향 진동들을 제외하고 상기 디바이스가 작동 중일 때 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 생성된 모든 진동들을 격리하기 위해 하우징 내에서 굴곡(flexion)을 허용하도록 작동되는, 방진 하우징; 및
   (c) 상기 기계가공 공구에 고압 냉각제 유체(coolant fluid)를 전달하기 위한 시스템을 포함하고, 상기 유체 전달 시스템은 상기 초음파 트랜스듀서의 주파수에 튜닝되고, 상기 유체 전달 시스템은,
   (i) 상기 압축 부재 내에 길이 방향으로 형성된 유체 채널;
   (ii) 상기 압축 부재의 최상부 단부에 포지셔닝되고 상기 압축 부재와 함께 정렬된 격리 어댑터 ― 상기 격리 어댑터는 내부에 길이 방향으로 형성된 유체 채널을 더 포함함 ―; 및
   (iii) 상기 격리 어댑터와 상기 압축 부재 둘레에 원주 방향으로 위치된 복수 개의 O-링들을 더 포함하며, 상기 O-링들은 상기 격리 어댑터와 상기 공구 홀더 사이에 존재하고, 그리고 상기 O-링들은 상기 격리 어댑터와 상기 압축 부재 사이에 그리고 상기 상기 압축 부재와 상기 전방 질량 사이에 존재하는,
   기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 콜레트는 상기 초음파 트랜스듀서의 음향 주파수로 튜닝되며, 상기 콜레트는,
   (a) 내부에 형성된 챔버;
   (b) 상기 챔버와 함께 장착된 슬리브 ― 상기 슬리브는 상기 기계가공 공구를 수용하도록 적응됨 ― ;
   (c) 상기 슬리브 주위의 챔버 내로 유체를 도입하기 위한 적어도 하나의 포트; 및
   (d) 상기 슬리브 주위에서 챔버를 가압하고 내부에서 상기 기계가공 공구를 고정하기 위해 상기 기계가공 공구 주위 슬리브를 압축하기 위한 적어도 하나의 유압 플런저를 더 포함하는,
   기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 콜레트는 상기 초음파 트랜스듀서의 음향 주파수로 튜닝되며, 상기 콜레트는,
   (a) 내부에 형성된 챔버;
   (b) 상기 챔버와 함께 장착된 압축성 슬리브 ― 상기 압축성 슬리브는 상기 기계가공 공구를 수용하도록 적응됨 ―;
   (c) 내부에서 상기 기계가공 공구를 고정하기 위해 상기 압축성 슬리브에 압축력을 가하기 위한 적어도 하나의 압축 부재를 더 포함하는,
   기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
4. 제 1 항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공구 홀더 및 상기 하우징의 최상부 부분은 서로 기계적으로 커플링되거나 서로 일체로 되어 있는,
   기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
5. 제 1 항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징의 외부 표면은 상기 하우징의 외부 표면 상에 장착되는 적어도 하나의 전기 접점을 더 포함하는,
   기계가공 시스템에서 사용하기 위한 디바이스.
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