KR102665715B1 - 팽창 클램핑 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베이스 바디(2), 및 압력 챔버(8)를 형성하도록 상기 베이스 바디(2)에 삽입되거나 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸는 팽창 슬리브(5)를 갖는 팽창 클램핑 장치에 관한 것으로서, 상기 압력 챔버(8)는 상기 팽창 슬리브(5)의 탄성적 변형을 이용하여 유압 매체에 의해 작용될 수 있다. 팽창 슬리브(5)는, 마찰 용접 연결부(14)에 의해, 압력 챔버(8)의 전단 축방향 단부 영역(16) 및/또는 후방 축방향 단부 영역(17)에서 베이스 바디(2)에 일체로 고정된다.
Description
본 발명은 길이방향 축(longitudinal axis)을 정의하는 베이스 바디, 및 적어도 하나의 압력 챔버를 형성하기 위해 베이스 바디에 삽입되거나 베이스 바디를 둘러싸는 슬리브(sleeve)를 갖는 팽창 클램핑 장치에 관한 것으로서, 상기 압력 챔버는 클램핑 효과(clamping effect)를 달성하도록, 유압 매체에 의해 가압될 수 있다. 또한, 본 발명은 베이스 바디와, 상기 베이스 바디에 삽입되어 폐쇄된 압력 챔버를 형성하는 슬리브를 갖는 팽창 클램핑 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 폐쇄된 압력 챔버를 형성하기 위해, 베이스 바디와, 상기 베이스 바디를 둘러싸는 슬리브를 갖는 팽창 클램핑 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
이러한 유형의 팽창 장치(expansion device)는, 다양한 실시예로 알려져 있으며, 가령 드릴 또는 밀링 커터 샤프트(milling cutter shaft)와 같은 도구 샤프트를, 대응되는 머신 공구의 작업 스핀들에 고정하는데 주로 사용된다. 팽창 클램핑 장치의 2개의 유형, 즉 하나의 유형으로서, 탄성적으로 변형가능한 슬리브가 베이스 바디를 둘러싸고, 압력 챔버에 압력이 가해지면, 방사상 외부방향으로 팽창하는, 소위 팽창 맨드릴과, 다른 유형으로서, 슬리브가 베이스 바디에 삽입되고 샤프트 또는 샤프트를 클램핑하기 위해 방사상 내부방향으로 변형되는 팽창 척(expansion chuck)들이 서로 구별된다.
EP 2 347 842 A2는 베이스 바디와 탄성적으로 변형가능한 슬리브가 납땜 조인트(brazed joint)에 의해 서로 고정되는, 상술한 유형의 팽창 장치를 설명한다. 저합금 열처리 가능한 강철로 만들어진 베이스 바디 및/또는 슬리브와, 용융 온도가 열처리 가능한 강철의 경화 온도보다 높은 브레이징 재료가 제공된다. 베이스 바디와 익스팬션 슬리브 사이의 브레이징 조인트는, 슬리브가 베이스 바디에 위치하고, 어셈블리가 요구되는 브레이징 재료와 함께 고온 퍼니스(furnace)에서 가열되는 고온 브레이징 공정에 의해 생성되며, 이는 재료-대-재료의 결합으로 슬리브와 베이스 바디를 함께 결합시키기고, 브레이징 재료를 녹이기 위하여, 원하는 조인트 연역에서 이러한 목적으로 제공되는 홈들(grooves) 내에 수용된다.
이전에 공지된 종래 기술의 팽창 장치는, 실제적으로 그 자체가 입증되었다. 그러나 때때로, 압축 응력(compressive stress) 하에서 솔더 조인트가 균열되고, 팽창 장치에 장애가 생긴다. 또한, 팽창 장치의 제조를 더욱 단순화하고, 간단한 제조를 가능하게 하는 것이 지속적으로 요구되고 있다.
이에 기초하여, 본 발명의 과제는, 간단한 방식으로 제조될 수 있는 대안적인 팽창 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역(front axial end region) 및/또는 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역(rear axial end region)에서 마찰 용접에 의해, 슬리브가 베이스 바디(base body)에 고정되는, 위에서 언급된 유형의 팽창 클램핑 장치에 의해 상기 과제가 해결된다.
따라서, 본 발명은, 마찰 용접 조인트에 의해 베이스 바디에 슬리브/팽창 슬리브를 연결하는 아이디어에 기초한다. 마찰 용접 조인트의 한 가지 장점은 그것의 강도(strength)이며, 이는 베이스 바디 및 팽창 슬리브의 재료의 강도보다 높을 수 있다. 베이스 바디와 팽창 슬리브 사이의 갭(gap)에 재료가 들어갈 필요가 없기 때문에, 상대적으로 적은 노력으로 마찰 용접 조인트를 생산할 수 있다. 게다가, 베이스 바디와 팽창 슬리브 사이의 조인트는, 브레이징 조인트보다, 마찰 용접 조인트를 사용하여 훨씬 간단하게 만들 수 있다. 또한, 브레이징 조인트보다, 마찰 용접 조인트를 통해 더 많은 재료의 조합들을 결합할 수 있다. 마지막으로, 마찰 용접 조인트로 베이스 바디와 슬리브를 접합할 때, 강도와 경도가 높은 강철 재료를 사용할 수 있으며, 이는 블레이징 조인트에 비해 더 적은 열이 베이스 바디와 슬리브에 도입되기 때문이며, 따라서, 재료들에 대한 온도 관련 손상이 방지된다.
바람직하게는, 마찰 용접 조인트에 인접한 전방 및/또는 후방 축방향 단부 영역에서, 압력 챔버는, 축 방향에서 압력 챔버의 중심 영역에 대하여, 특히 방사 방향에서 넓어지고, 마찰 용접 조인트의 생성 동안 생성되는, 용접 비드를 수용한다.
베이스 바디와 슬리브가, 서로 축방향으로 가압되어서, 마찰 용접 조인트를 생성하고, 베이스 바디와 슬리브의 상대 회전 중에 발생하는 마찰에 의해 가열될 때, 슬리브 및 베이스 바디의 가열된 소성 변형 재료의 일부가 방사방향으로(radially) 변위된다. 마찰 용접 조인트에 인접한 영역에서 압력 챔버가 넓어졌다는 것은, 이 영역에서 용접 비드(welding bead)가 형성되도록 허용한다.
바람직한 실시예에 따르면, 슬리브는 길이방향 축 주위에서 환형으로 연장되는 단일 압력 챔버를 형성하기 위해 베이스 바디 내로 삽입되거나 베이스 바디를 둘러싸고, 마찰 용접 조인트에 의해 베이스 바디의 전방 및/또는 후방 단부 섹션에서 베이스 바디에 고정된다. 따라서, 슬리브의 거의 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 단부 섹션들 중 적어도 하나가, 마찰 용접 조인트에 의해 경계를 형성하고, 밀봉되는, 오로지 하나의 압력 챔버만이 제공된다. 다른 단부 섹션에서, 압력 챔버는 밀봉 수단, 예를 들어 O-링(O-ring)에 의해 밀봉될 수 있다. 유리하게는, 압력 챔버는 마찰 용접 조인트에 의해 그것의 양 단부에서 경계가 정해질 수 있고, 이로써 압력 챔버의 특히 신뢰할 수 있는 밀봉이 달성된다.
추가 실시예에 따르면, 슬리브가 베이스 바디 내로 삽입되거나 베이스 바디를 둘러싸서, 2개의 축방향으로 연속적인 압력 챔버를 형성하도록 제공된다. 2개의 축방향으로 연속적인 압력 챔버는, 작업물의 클램핑을 개선하고, 클램핑될 작업물의 보다 정밀한 축방향 정렬을 가능하게 한다.
바람직하게는, 슬리브는 마찰 용접 조인트에 의해 베이스 바디에 대한 압력 챔버들 사이에서 축방향으로 고정된다. 따라서, 2개의 압력 챔버는 마찰 용접 조인트에 의해 서로 밀봉된다. 전방 압력 챔버의 전단부 및 후방 압력 챔버의 후단부는 밀봉 수단, 예를 들어 O-링 또는 납땜 조인트(brazed joint)에 의해 밀봉될 수 있다.
더욱이, 슬리브는, 마찰 용접 조인트(friction weld joint)에 의해 후방 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역 및/또는 전방 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역에서 베이스 바디에 고정될 수 있다. 이 경우, 슬리브는, 마찰 용접 조인트에 의해 축방향 단부 섹션들의 양쪽에서 베이스 바디에 물질적으로 고정될 수 있는 반면, 2개의 압력 챔버 사이의 영역은, 예를 들어 O-링과 같은 밀봉 수단에 의해 밀봉될 수 있다. 이러한 방식으로 마찰 용접 조인트로 구분(delimit)되는 팽창 슬리브의 단부 섹션들은, 특히 신뢰할 수 있는 방식으로 밀봉된다.
원칙적으로, 전방 압력 챔버, 후방 압력 챔버, 및 후방 압력 챔버를 위한 2개의 축방향으로 연속적인 압력 챔버들을 갖는 실시예에서 각각의 경우에 마찰 용접 조인트에 의해 서로 제한되는 것이 가능하므로, 슬리브는 총 3개의 축 방향으로 연속적인 마찰 용접 조인트에 의해 메인 바디에 고정된다.
또한, 슬리브는, 2개 이상의 압력 챔버를 형성하는 메인 바디 내부로 삽입되거나 메인 바디를 둘러쌀 수도 있다.
바람직한 방식으로, 각각의 마찰 용접 조인트는, 슬립온 마찰 용접()에 의해 만들어지거나, 및/또는 각각의 마찰 용접 조인트는 회전 용접 공정에 의해 만들어진다. 그 결과, 베이스 바디와 슬리브 사이의 적어도 하나의 연결부가, 특히 간단한 방식으로 생성될 수 있다. 일반적으로 2개의 컴포넌트들이 마찰 용접에 의해 단면에서 함께 용접되는 반면, 슬라이딩 마찰 용접은, 2개의 컴포넌트들 중의 하나는 원통형이고 다른 하나는 중공 원통형인 상기 2개의 컴포넌트들이, 원통형 컴포넌트의 반경방향의 외부 원주 표면 상에, 그리고 중공 원통형 컴포넌트의 대응되는 반경방향의 내부 원주 표면 상에 함께 결합되는 마찰 용접 프로세스를 의미하는 것으로 이해된다. 이 경우, 마찰력을 가할 수 있도록, 상호 대응하는 원주 표면들이 원추형상으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 슬리브는 열처리되고, 특히 케이스-경화(case-hardened) 및/또는 강화(tampered) 및/또는 질화(nitrided)된다. 이것은 슬리브의 표면, 특히 그 내부 표면이 경화되도록 한다. 특히 바람직하게는, 베이스 바디 및 이에 연결된 슬리브가 질화, 특히 가스 질화되며, 마찰 용접 연결부를 통해 고정된 후에 발생하는 질화 프로세스가 발생될 수 있다. 바람직한 방식으로, 질화 공정은 500 내지 600℃의 온도, 특히 550℃에서 6 내지 10시간, 특히 7 내지 9시간의 지속기간 동안 수행된다. 이 과정에서 기본 조직이 강화되고, 적절한 부식 방지와 함께 650 내지 750 HV1(비커스 경도)의 높은 표면 경도가 달성된다.
바람직한 실시예에 따르면, 슬리브는: 비-합금강 및/또는 저-합금강 및/또는 고-합금강 및/또는 표면 경화강, 특히 20MnCrS5 표면 경화강(case-hardened steel) 및/또는 세라믹 재료를 갖거나 이로 구성된다. 20MnCrS5 표면 경화강은 저렴하고 약간의 노력으로도 기계가공이 가능하다. 결과적으로 팽창 슬리브를 가공하는 데 사용되는 가공 도구의 마모를 관리할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 슬리브는 클램핑 효과를 달성하기 위해, 압력 챔버가 가압될 때 탄성적으로 변형되는, 팽창 슬리브로 설계된다. 이 경우, 탄성 슬리브가 베이스 바디에 삽입될 수 있으며, 이 경우 슬리브의 내부 표면이 클램핑 표면을 형성한다. 이 경우, 팽창 클램핑 장치는, 팽창 척으로 설계되었으며, 이의 클램핑 표면은 도구를 수용하고 이를 마찰로 고정할 수 있다. 표면 코팅은 클램핑 표면을 부식 및/또는 마모로부터 보호하여 수명을 연장한다.
대안적으로, 슬리브는 클램핑 표면을 형성하는 슬리브의 외부 표면과 함께 베이스 바디를 둘러쌀 수 있다. 이 경우 팽창 클램핑 장치는, 컴포넌트, 특히 도구를 내부에서 방사방향으로 클램핑할 수 있는 팽창 맨드릴로 설계되었다.
본 발명의 다른 실시예에서, 베이스 바디의 축방향 전방 단부는, 팽창 슬리브로서 설계되고, 슬리브는 팽창 슬리브 상에 축방향으로 푸시(push)되며, 슬리브와 팽창 슬리브 사이에 적어도 하나의 압력 챔버가 형성되고, 팽창 슬리브의 내부 표면은 클램핑 표면을 형성하며, 팽창 슬리브는 클램핑 효과를 달성하기 위해 압력 챔버가 유압 매체에 의해 작용될 때 탄성적으로 변형된다. 여기에서도 팽창 클램핑 장치는, 팽창 척(expansion chuck)으로 설계되었으며, 팽창 슬리브는 베이스 바디의 필수적인 부분이다.
바람직하게는, 클램핑 표면에는, 특히 산화 또는 망간 인산염 처리에 의해 도포될 수 있는 표면 코팅이 제공된다. 이것은 클램핑 표면의 내식성과 내마모성을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 내식성(corrosion resistance)을 증가시키기 위해 클램핑 표면을 청색으로 처리하거나 산화시켜서, 준-흑청색(quasi black-blue)의 표면을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 생산된 팽창 척은, 이후 마무리 가공될 수 있으며, 이 경우 재료 제거로 인해 이의 경도가 손실되며, 수행된 테스트에 따르면 이는 약 550 내지 650 HV1이다. 대안적으로, 클램핑 표면은 망간 인산염 처리로 코팅될 수 있다. 이것은 순전히 화학적인 공정이다.
편리하게는, 팽창 클램핑 장치는, 유압 매체의 압력을 선택적으로 증가시키도록 설계된 클램핑 수단을 가질 수 있으며, 상기 클램핑 수단은 유압 매체 공급 채널을 통해 압력 챔버에 작동가능하게 연결된다. 따라서, 압력 챔버의 유압 매체는, 팽창 슬리브가 방사방향의 내측 또는 외측으로 변형되도록 간단한 방식으로 가압될 수 있고, 따라서 큰 노력 없이 도구 샤프트가 비-양극적으로(non-positively) 고정될 수 있다.
또한, 본 발명의 일목적은 팽창 클램핑 장치의 제조 방법을 개시하는 것이다.
이 과제는, 길이방향 축을 정의하는 베이스 바디와, 상기 베이스 바디에 삽입되어 하나 이상의 폐쇄된 압력 챔버를 형성하고, 클램핑 표면을 갖는 원통형 기본 형상의 중심 리셉터클(central receptacle)을 정의하는 탄성 팽창 슬리브 형태의 슬리브를 포함하는 팽창 척의 형태의 팽창 클램핑 장치의 제조 방법에 의해 해결되며, 상기 클램핑 표면 내에 클램핑될 컴포넌트는 팽창 척의 전면으로부터 삽입될 수 있고, 상기 제조 방법은, 하기의 단계들:
a) 베이스 바디의 전방 단면을 향해 개방된 중심축 보어(central axial bore)를 갖는 베이스 바디와, 상기 베이스 바디의 중심축 보어 내에 삽입될 수 있는 원통형 기본 형상의 팽창 슬리브 샤프트를 갖는 팽창 슬리브 워크피스를 제공하는 단계 - 적어도 하나의 압력 챔버를 형성하기 위한 리세스들(recesses)은 팽창 슬리브 샤프트의 외부 표면 및/또는 중심축 보어를 정의하는 베이스 바디의 내부 표면 내에 형성됨 - ,
b) 팽창 슬리브 샤프트를 베이스 바디의 중심축 보어에 삽입하는 단계,
c) 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스 사이의 상대적 이동을 생성하기 위해, 베이스 바디 및/또는 팽창 슬리브 워크피스가 길이방향 축을 중심으로 하는 움직임을 수행하는 동안, 특히 길이방향 축을 중심으로 회전하는 동안에 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스를 서로에 대하여 축방향으로 가압하는 단계 - 상기 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 상호 대응하는 정지면들(stop faces)은, 적어도 하나의 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역 및/또는 후방 축방향 단부 영역에서 서로에 대해 축방향으로 가압되고, 마찰력에 의해 가열되어서, 팽창 슬리브 워크피스가 마찰 용접 조인트에 의해 정지면들의 영역에서 베이스 바디에 고정되도록 함 - ,
d) 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가 냉각되도록 상기 상대적 이동을 중단하는 단계를 포함한다.
상기 프로세스에서, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스는, 먼저 서로 축방향으로 정렬되며, 이를 위해 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스는, 마찰 용접기에 단단히 클램핑될 수 있다. 팽창 슬리브 워크피스는 이제, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가, 적어도 2개의 상호 상관되는, 특히 원주방향의 정지 표면들과 접촉하게 될 때까지, 축방향 이송 운동에 의해 베이스 바디 내로 푸시(push)된다. 삽입 중 또는 삽입 후에 베이스 바디와 슬리브가 서로에 대해 회전한다.
베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가 서로에 대해 상대적으로 회전하도록 설정되는 동안, 팽창 슬리브 워크피스와 베이스 바디는, 특히 축방향 힘에 의해 상관관계를 갖는 정지 표면들에서 서로에 대해 가압된다. 이와 같이 발생하는 슬라이딩 마찰은, 정지 표면들에서 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크의 재료를 가열하고, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스에 열을 도입한다. 팽창 슬리브 워크피스를 재료 결합으로 베이스 바디에 고정하기 위해, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 상대적 회전은 감속되고, 팽창 슬리브 워크피스과 베이스 바디가 선택적으로 서로에 대해 추가적으로 가압되어서, 베이스 바디 및/또는 팽창 슬리브 워크피스가 뒤집어져서(upset) 용접 비드를 형성하고, 재료 결합이 생성되도록 한다.
전체 마찰 용접 공정 동안에, 팽창 슬리브 워크피스과 베이스 바디가 마찰 용접기에 클램핑된다는 사실은, 팽창 슬리브와 베이스 바디의 정확한 축의 정렬을 보장한다. 냉각 윤활유 또는 부식 방지 오일의 잔류물은, 일반적으로 마찰 용접 조인트의 품질에 영향을 미치지 않으므로, 팽창 슬리브 워크피스과 베이스 바디가 특정된 공정에 의해 팽창 고정물로 변환되기(turn into) 이전에 임의의 세정 공정을 거칠 필요가 없다.
이 프로세스를 통해, 적은 노력으로 마찰 용접을 통해 슬리브를 베이스 바디에 고정할 수 있으며, 결과적으로 발생하는 압력 챔버를 안정적으로 밀봉할 수 있다. 용접 프로세스는, 완전히 자동화되어 생산 라인에 통합될 수 있다. 마찰 용접 조인트는 단순한 설계로 인하여, 예를 들어 납땜 조인트(brazed joint)와 같이 선행 기술에서 알려진 다른 형태의 연결부보다 변형이 적은 높은 강도를 가지고 있다.
바람직하게는, 팽창 슬리브 워크피스는, 상대적 이동이 종료된 후에 베이스 바디 안으로 추가적으로 더 가압될 수 있다. 이러한 방식으로, 내구성있는 마찰 용접 조인트가 달성될 수 있으며, 이의 용접 비드가 압력 챔버의 인접한 축방향 단부 영역에 완전히 수용될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 단계 a) 내지 d)에서 팽창 슬리브 샤프트는, 길이방향 축 주위에서 환형으로 연장되는 단일 압력 챔버를 형성하기 위해 베이스 바디에 삽입될 수 있고, 팽창 슬리브 샤프트는 마찰 용접 조인트에 의해 전방 및/또는 후방 단부 섹션에서 베이스 바디(base body)에 고정될 수 있다. 이 프로세스에서 팽창 슬리브는, 오로지 하나의 환형의 원주방향 압력 챔버로 생산되며, 이는 마찰 용접 조인트에 의해 단부 섹션들 중의 적어도 하나에서 경계를 갖고, 밀봉된다. 다른 단부 섹션에서, 압력 챔버는 밀봉 수단, 예를 들어 O-링에 의해 밀봉될 수 있다. 바람직한 방식으로, 압력 챔버는, 각각의 경우 마찰 용접 조인트에 의해 2개의 단부들에서 경계를 갖고, 밀봉될 수 있으며, 이로써 압력 챔버의 특히 신뢰할 수 있는 밀봉이 달성될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예에 따르면, 단계 a) 내지 d)에서 팽창 슬리브 샤프트는 축방향으로 하나가 다른 하나 뒤에 위치되고, 길이방향 축의 주위에서 환형으로 연장되는 2개의 압력 챔버를 형성하도록, 베이스 바디에 삽입될 수 있고, 마찰 용접 조인트에 의해 베이스 바디에 고정될 수 있다. 이러한 방식으로, 팽창 척이 생산될 수 있으며, 이는 축방향으로 서로의 뒤에 있는 2개의 압력 챔버들로 인해, 클램핑될 워크피스의 개선된 클램핑 및 보다 정밀한 축의 정렬을 가능하게 한다.
바람직하게는, 단계 c)에서 베이스 바디 및 팽창 슬리브 워크피스의 각각의 상호 대응되는 정지면들이, 전방 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역 및/또는 후방 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역에 형성되도록 제공될 수 있다. 특히 바람직하게는, 각각의 상호 대응되는 정지면들은, 전방 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역 및 후방 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역에 형성될 수 있어서, 팽창 슬리브 워크피스가 이들에서 재료 결합으로 베이스 바디에 고정될 수 있다. 인접한 압력 챔버의 축방향 단부 영역, 또는 인접한 압력 챔버들의 축방향 단부 영역들은, 마찰 용접 조인트를 통해 경계가 구분되고, 밀봉되기 때문에, 이 인접한 단부 영역 또는 인접한 단부 영역들은 특히 안정적으로 밀봉된다. 2개의 압력 챔버들 사이의 영역은, 밀봉 수단, 예를 들어 O-링에 의해 밀봉될 수 있다.
대안적으로, 단계 c)에서, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 오로지 2개의 상응하는 정지면들이, 2개의 압력 챔버들 사이에서 축방향으로 형성되고, 팽창 슬리브 도구는 이들에서 재료 결합으로 베이스 바디에 고정된다.
편리하게는, 각각의 마찰 용접 조인트는, 슬립온 마찰 용접에 의해 만들어질 수 있고, 이에 의해 베이스 바디와 팽창 슬리브 사이의 적어도 하나의 마찰 용접 조인트는 특히 간단한 방식으로 만들어질 수 있다.
유리하게는, 단계 a) 내지 d) 이후에, 베이스 바디의 전방 단부면으로부터 돌출되는 팽창 슬리브 워크피스의 섹션이 절단된다(단계 e). 따라서, 팽창 슬리브 워크피스의 불필요한 부분이 절단된 후, 오로지 하나의 팽창 슬리브만 남게 되며, 이는 폐쇄된 압력 챔버를 형성하기 위해 베이스 바디에 삽입된다.
바람직한 실시예에 따르면, 단단한 팽창 슬리브 샤프트가 제공되고, 단계 e) 후에 이 샤프트에서 리셉터클(receptacle)이 생성되도록 제공될 수 있다. 따라서, 단단한 재료로 구성되는, 제공된 팽창 슬리브 샤프트에는 리셉터클, 특히 원형 원통형 단면을 갖는 리셉터클이 제공될 수 있다. 팽창 슬리브 워크피스의 불필요한 부분을 미리 절단함으로써, 제조될 리셉터클의 깊이는 압력 챔버의 길이로만 제한된다. 단단한(solid) 팽창 슬리브 샤프트를 사용하면, b) 내지 d)의 단계들에서 높은 축방향 힘에도 불구하고 우수한 힘 전달을 보장한다.
대안적으로, 제공된 팽창 슬리브 샤프트는 중공형 설계일 수 있고, 팽창 슬리브 샤프트는, 단계 b) 내지 d) 동안 내부에서 지지되거나 및/또는 홀더(holder)는 단계 e) 후에 팽창 슬리브 샤프트로부터 제조된 팽창 슬리브에서 생산된다. 중공형(hollow) 팽창 슬리브 샤프트는, 프로세스 단계들 b) 내지 d) 동안 지지되어 마찰 용접 또는 다른 손상 중에 가해지는 힘의 결과로서의 변형으로부터 보호될 수 있다. 선택적으로, 단계 e)에 후속하여, 중공형 팽창 슬리브 샤프트에서 리셉터클이 생성 및/또는 확장될 수 있다.
바람직한 방식으로, 기존 마운팅(mountings)이 있는 팽창 슬리브 워크피스는 열처리, 특히 케이스 경화 및/또는 담금질(quenched) 및 템퍼링 및/또는 질화 처리될 수 있다. 이것은 표면 경도와 내식성을 향상시킬 수 있다.
유리하게는, 팽창 슬리브 샤프트는: 비-합금강 및/또는 저-합금강 및/또는 고-합금강 및/또는 표면 경화강, 특히 20MnCrS5 표면-경화강, 및/또는 세라믹 재료를 포함하거나 구성될 수 있다. 20MnCrS5 표면-경화강은, 비교적 저렴하며, 이러한 용도로 사용되는 절삭 공구에 약간의 노력과, 관리가능한 마모로 가공할 수 있다.
바람직하게는, 클램핑 표면에는 표면 코팅이 제공될 수 있고, 특히 표면 코팅은 산화 또는 망간 인산염 처리에 의해 도포될 수 있다. 이것은 클램핑 표면의 내식성 및 내마모성과 마찰값(friction value)을 향상시킬 수 있다.
마지막으로, 본 발명에 따른 과제는, 길이방향 축을 정의하는 베이스 바디 및 적어도 하나의 폐쇄된 압력 챔버를 형성하는 베이스 바디를 둘러싸고, 클램핑될 컴포넌트가 팽창 장치의 전방측으로부터 푸쉬될 수 있도록 하는 클램핑 표면을 외부 표면 상에 정의하는, 팽창 슬리브를 갖는 팽창 맨드릴(expansion mandrel)로 설계된 팽창 클램핑 장치(expansion clamping device)의 제조 방법에 의해 해결되며, 상기 제조 방법은 다음의 단계들:
aa) 전방 단부면에 원통형 베이스 바디 샤프트가 있는 베이스 바디, 및 베이스 바디 샤프트에 밀어 넣을 수 있는 중공 팽창 슬리브 워크피스를 제공하는 단계 - 적어도 하나의 압력 챔버를 형성하기 위한 함몰부(depressions)가 베이스 바디 샤프트의 외부 표면 및/또는 팽창 슬리브 워크피스의 내부 표면에 형성됨 - ,
bb) 팽창 슬리브 워크피스를 베이스 바디로 슬라이딩시키는 단계,
cc) 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스 사이의 상대적 이동을 생성하기 위해, 베이스 바디 및/또는 팽창 슬리브 워크피스가 길이방향 축을 중심으로 이동을 수행하는 동안, 특히 길이방향 축을 중심으로 회전하는 동안에, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스를 서로에 대해 축방향으로 가압하는 단계 - 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 상호 대응되는 정지 면들은, 적어도 하나의 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역 및/또는 적어도 하나의 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역에서 서로에 대해 축방향으로 가압되고(pressed), 마찰에 의해 가열되어서, 팽창 슬리브 워크피스가 마찰 용접에 의해 정지 면들의 영역에서 상기 베이스 바디에 고정되도록 함 - ,
dd) 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가 냉각되도록 상대적 이동을 중단시키는 단계를 포함한다.
상기 프로세스에서, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스는, 먼저 서로 축방향으로 정렬되며, 이를 위해 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스는, 마찰 용접기에 단단히 클램핑될 수 있다. 팽창 슬리브 워크피스는 이제, 축방향 공급 움직임에 의해 베이스 바디 상으로 푸시된다. 특히, 팽창 슬리브 워크피스는, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가, 적어도 2개의 상호 상관되는, 특히 원주방향의 정지 표면들과 접촉하게 될 때까지, 베이스 바디 내로 푸시된다. 슬라이딩 중 또는 슬라이딩 후에 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가 서로에 대해 회전한다.
베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스가 서로에 대해 상대적으로 회전하도록 설정되는 동안, 팽창 슬리브 워크피스와 베이스 바디는, 특히 축방향 힘에 의해 상관관계를 갖는 정지 표면들에서 서로에 대해 가압된다. 생성되는 마찰의 결과로서, 정지 표면들에서 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 재료가 가열되고, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스에 열(heat)이 도입된다. 팽창 슬리브 워크피스를 재료 결합으로 베이스 바디에 고정하기 위해, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 상대적 회전은 감속(braked)되고, 팽창 슬리브 워크피스와 베이스 바디가 선택적으로 서로에 대해 추가적으로 가압되어서, 베이스 바디 및/또는 팽창 슬리브 워크피스가 뒤집어져서 용접 비드를 형성하고, 재료 결합이 생성되도록 한다.
전체 마찰 용접 프로세스 동안에, 팽창 슬리브 워크피스와 베이스 바디가 마찰 용접기에 클램핑된다는 사실은, 팽창 슬리브와 베이스 바디의 정확한 축의 정렬을 보장한다. 냉각 윤활유 또는 부식 방지 오일의 잔류물은, 일반적으로 마찰 용접 조인트의 품질에 영향을 미치지 않으므로, 팽창 슬리브 워크피스와 베이스 바디가 특정된 공정에 의해 팽창 고정물로 변환되기(turn into) 이전에 임의의 세정 공정을 거칠 필요가 없다.
이 프로세스를 통해, 적은 노력으로 마찰 용접을 통해 슬리브를 베이스 바디에 고정할 수 있으며, 결과적으로 발생하는 압력 챔버를 안정적으로 밀봉할 수 있다. 용접 프로세스는, 완전히 자동화되어 생산 라인에 통합될 수 있다. 마찰 용접 조인트는 단순한 설계로 인하여, 예를 들어 납땜 조인트(brazed joint)와 같이 선행 기술에서 알려진 다른 형태의 조인트 형태들보다 변형이 적은, 높은 강도를 가지고 있다.
바람직하게는, 팽창 슬리브 워크피스는, 상대적 이동이 종료된 후에 베이스 바디 안으로 추가적으로 더 가압될 수 있다. 이러한 방식으로, 내구성있는 마찰 용접 조인트가 달성될 수 있으며, 이의 용접 비드가 압력 챔버의 인접한 축방향 단부 영역에 완전히 수용될 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 단계 aa) 내지 dd)에서 팽창 슬리브 워크피스는, 마찰 용접 조인트에 의하여, 그것의 전방 및/또는 후방 단부 섹션에서 베이스 바디 샤프트에 고정되어서, 팽창 슬리브 워크피스가 길이방향 축 주위에서 환형으로 연장되는 단일 압력 챔버를 형성하기 위해 베이스 바디를 둘러쌀 수 있다. 이 프로세스에서, 맨드릴(mandrel)은, 팽창 슬리브의 거의 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 마찰 용접 조인트에 의해 단부 섹션들 중 적어도 하나에서 경계를 이루는, 하나의 환형 원주방향 압력 챔버로 생성된다. 다른 단부에서, 압력 챔버는 가령 O-링과 같은 밀봉 수단에 의해 밀봉될 수 있다. 바람직한 방식으로, 압력 챔버는 각각의 경우 마찰 용접 조인트에 의해 그것의 2개의 단부 부분들에서 경계를 갖고 밀봉될 수 있고, 따라서 압력 챔버에 대한 특히 신뢰성이 있는 밀봉을 제공한다.
대안으로, 단계 aa) 내지 dd)에서, 팽창 슬리브 워크피스는 마찰 용접 조인트에 의해 베이스 바디에 고정되고, 팽창 슬리브 워크피스는 길이방향 축 주의에서 환형으로 연장되고, 하나가 다른 하나 뒤에 축방향으로 위치하는 2개의 압력 챔버들을 형성하도록 베이스 바디를 둘러싼다. 이는 하나가 다른 하나 뒤에 축방향으로 위치하는 2개의 압력 챔버들을 갖는 팽창 맨드릴을 제조하는 것을 가능하게 하며, 이는 클램핑될 워크피스의 향상된 그립(gripping)과 보다 정밀한 축의 정렬을 가능하게 한다.
바람직한 방식으로, 팽창 슬리브 워크피스는, 재료 결합으로 압력 챔버들 사이에서 베이스 바디 샤프트에 축방향으로 고정된다. 또한, 바람직하게는, 단계 cc)에서, 베이스 바디 및 팽창 슬리브 워크피스의 각각의 상호 대응되는 정지면들이, 전방 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역 및/또는 후방 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역에 형성될 수 있다. 특히 바람직하게는, 각각의 상호 대응되는 정지면들은, 전방 압력 챔버의 전방 축방향 단부 영역 및 후방 압력 챔버의 후방 축방향 단부 영역에 형성될 수 있어서, 팽창 슬리브 워크피스가 이들에서 재료 결합의 방식으로 베이스 바디에 고정될 수 있다. 마찰 용접 조인트들을 통하여, 전방 압력 챔버의 전방 단부 영역과, 후방 압력 챔버의 후방 단부 영역은 특히 신뢰성있는 방식으로 경계가 구분되고 밀봉될 수 있다. 2개의 압력 챔버들 사이의 영역은, 예컨대 O-링과 같은 밀봉재(sealing agent)에 의해 밀봉될 수 있다.
대안적으로, 단계 cc)에서, 베이스 바디와 팽창 슬리브 워크피스의 오로지 2개의 상응하는 정지면들이, 2개의 압력 챔버들 사이의 영역에 형성되고, 팽창 슬리브 도구는 재료 결합에 의해 이 면들에 고정된다. 팽창 슬리브 워크피스는 압력 챔버들 사이에 축방향으로 위치한 단일 마찰 용접 조인트에 의해 베이스 바디에 고정된다. 2개의 압력 챔버들 사이의 영역은, 마찰 용접 조인트에 의해 특히 신뢰성있는 방식으로 밀봉되는 한편, 전방 압력 챔버의 전단부 및 후방 압력 챔버의 후단부는 예컨대, O-링과 같은 밀봉 수단에 의해 밀봉될 수 있다.
편리하게는, 각각의 마찰 용접 조인트는, 슬립-온 마찰 용접에 의해 만들어질 수 있다. 이러한 방식으로, 베이스 바디와 팽창 슬리브 사이의 적어도 하나의 연결부가 특히 간단한 방식으로 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 단계 aa) 내지 dd) 이후에, 베이스 바디의 전방 단부면으로부터 돌출되는 팽창 슬리브 워크피스의 섹션이 절단된다(단계 ee). 따라서, 팽창 슬리브 워크피스의 불필요한 부분이 절단된 후, 오로지 하나의 슬리브만 남게 되며, 이는 폐쇄된 압력 챔버를 형성하기 위해 베이스 바디를 둘러싼다.
유리하게는, 단계 ee) 이후에, 베이스 바디에 고정된 팽창 슬리브의 외부 표면의 적어도 일부가, 특히 마찰 용접 조인트를 제조할 때 생성되는 용접 비드를 제거함으로써, 및/또는 클램핑 표면을 생성함으로써, 가공된다. 단계 ee)에서 팽창 슬리브 워크피스의 불필요한 부분을 이미 절단함으로써, 팽창 슬리브의 측방향 표면뿐만 아니라, 전체 팽창 슬리브 워크피스의 표면의 표면이 가공된다. 이는 클램핑 표면을 제조하는 것을 보다 용이하게 한다.
바람직한 실시예에 따르면, 존재하는 클램핑 표면을 갖는 팽창 슬리브 워크피스는, 열처리, 특히 케이스-경화(case-hardened) 및/또는 강화(tampered) 및/또는 질화(nitrided)된다. 이것은 표면 경도와 내식성, 특히 클램핑 표면의 표면 경도와 내식성을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 팽창 슬리브 워크피스는: 비-합금강 및/또는 저-합금강 및/또는 고-합금강 및/또는 세라믹 재료, 및/또는 표면 경화강, 특히 20MnCrS5 표면-경화강을 포함하거나 이로 구성될 수 있다. 이는 비용이 절감되며, 이러한 목적으로 사용되는 절삭 공구에 약간의 노력과 관리가능한 마모만으로 가공될 수 있다. 이는, 예컨대 베이스 바디의 전면 단부를 넘어서서 돌출하는 팽창 슬리브 워크피스의 섹션이 절단될 수 있고, 클램핑 표면이 절삭 공구에 약간의 노력과 관리가능한 마모로 생산될 수 있음을 의미한다.
보다 편리하게는, 클램핑 표면에는 표면 코팅이 제공될 수 있다. 특히 선호되는 방식에서, 표면 코팅은, 산화 또는 망간 인산염 처리에 의해 도포될 수 있다. 이것은 클램핑 표면의 내식성 및 내마모성과, 마찰값(friction value)을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예들과 관련하여, 첨부된 도면을 참조하여, 하기의 실시예들을 참조한다. 하기의 도면들은 아래와 같은 내용을 도시한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 팽창 클램핑 장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 메인 바디와 슬리브 사이에 형성된 압력 챔버의 축방향 단부 영역의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 압력 챔버의 다른 축방향 단부의 종단면도이다.
도 4는 도 1의 팽창 장치의 추가적인 종단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 팽창 클램핑 장치의 제2 실시예의 종단면도이다.
도 6은 도 1의 팽창 클램핑 장치를 제조하기 위한 베이스 바디의 종단면도이다.
도 7은 도 1의 팽창 장치를 제조하기 위한 팽창 슬리브 워크피스의 종단면도이다.
도 8은 도 7의 팽창 슬리브 워크피스의 측면도이다.
도 9는 도 6의 베이스 바디와, 상기 베이스 바디의 축방향 보어(axial bore)에 삽입된 도 7의 팽창 슬리브 워크피스의 종단면도이다.
도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팽창 척의 종단면도이다.
도 11a는 도 10의 팽창 클램핑 장치의 베이스 바디의 종단면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 팽창 클램핑 장치의 슬리브의 종단면도이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 팽창 클램핑 장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 메인 바디와 슬리브 사이에 형성된 압력 챔버의 축방향 단부 영역의 종단면도이다.
도 3은 도 1의 압력 챔버의 다른 축방향 단부의 종단면도이다.
도 4는 도 1의 팽창 장치의 추가적인 종단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 팽창 클램핑 장치의 제2 실시예의 종단면도이다.
도 6은 도 1의 팽창 클램핑 장치를 제조하기 위한 베이스 바디의 종단면도이다.
도 7은 도 1의 팽창 장치를 제조하기 위한 팽창 슬리브 워크피스의 종단면도이다.
도 8은 도 7의 팽창 슬리브 워크피스의 측면도이다.
도 9는 도 6의 베이스 바디와, 상기 베이스 바디의 축방향 보어(axial bore)에 삽입된 도 7의 팽창 슬리브 워크피스의 종단면도이다.
도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팽창 척의 종단면도이다.
도 11a는 도 10의 팽창 클램핑 장치의 베이스 바디의 종단면도이다.
도 12는 도 10에 도시된 팽창 클램핑 장치의 슬리브의 종단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 팽창 척(expansion chuck; 1)의 실시예를 도시한다. 팽창 척(1)은, 중공형 테이퍼 샤프트 툴홀더(HSK)로 설계되었으며, 20MnCrS5 표면-경화강으로 만들어진 베이스 바디(base body; 2)로 구성되며, 이 베이스 바디는, 가공 공구(machine tool)의 회전 구동 작업 스핀들에 클램핑하기 위해, 자체적으로 알려진 방식으로, 좌측 단부 영역에 고정 콘(fastening cone; 3)을 구비한다. 축방향 보어(axial bore; 4)는, 슬리브(5)가 삽입되는 베이스 바디(2)의 반대쪽 전방 단부 영역에 제공된다. 슬리브(5)는, 가령 드릴 또는 밀링 커터(milling cutter)와 같은 공구의 원통형 샤프트가 삽입될 수 있는 리셉터클(receptacle; 6)을 형성하고, 팽창 슬리브(5)의 내부 표면은 클램핑 표면(7)을 형성한다.
슬리브(5)와 베이스 바디(2) 사이에 압력 챔버(8)가 형성되며, 이는 리셉터클(6)을 둘러싸고 리셉터클과 동축으로 정렬된다. 축방향 길이가 클램핑 표면(7)의 길이와 대략 일치하는 압력 챔버(8)는, 슬리브(5)의 외부 표면과, 베이스 바디(2)의 축방향 보어(4)의 내부 표면 내의 고리형(ring-like) 리세스(recesses; 9)에 의해 형성된다.
리셉터클(6)을 향하여, 압력 챔버(8)는 슬리브(5)의 상대적으로 좁은 내벽(10)에 의해 경계가 지어지며, 베이스 바디(2)의 벽에 의해 방사상 외측으로 경계가 지어지며, 그 벽의 두께는 상기 내벽(10)의 벽 두께보다 몇 배 더 크다. 압력 챔버(8)는, 가령 오일과 같은 유압 매체로 충전되고, 유압 매체 공급 채널(11)을 통해 클램핑 수단에 작동가능하게 연결되어서, 유압 매체의 압력 증가가 클램핑 수단을 통해 선택적으로 영향을 받을 수 있다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 압력 챔버(8)는, 베이스 바디(2)에 형성된 유압 매체 공급 채널(11)을 통해 유압 매체 소스와 연통하고, 이를 통해 공구를 클램핑하기 위해 가압될 수 있다. 압력 매체 소스는, 베이스 바디(2)에 형성된 원통형 챔버(cylinder chamber)에 의해 자체적으로 알려진 방식으로 형성될 수 있으며, 이는 압력을 증가시키기 위해 원통형 챔버에 나사로 고정될 수 있는 피스톤-형(piston-like) 액추에이터에 의해 단부에서 폐쇄되거나, 또는 압력을 줄이기 위해 그 외부에 나사로 고정될 수 있다. 유압은, 유압 유체 공급 채널(11)을 통해 압력 챔버(8)로 전달되고, 내벽(10)이 홀더(6)에 삽입된 공구 샤프트를 강제로 둘러쌀 때까지(force-fittedly enclose) 반경 방향 내측으로 탄성적으로 팽창하게끔 야기한다.
도 2 및 3에서, 슬리브(5)는 각각의 경우에, 마찰 용접 조인트(14)에 의해 그 전방 축방향 단부 섹션(12) 및 후방 축방향 단부 섹션(13)에서 베이스 바디(2)에 고정되어 있음을 알 수 있다. 각각의 마찰 용접 조인트(14)의 생성 동안에 생성된 용접 비드(15)를 수용하기 위해, 압력 챔버(8)는, 축 방향으로 압력 챔버(8)의 중앙 영역(18)에 대하여, 전방 축방향 단부 영역(16) 및 후방 축방향 단부 영역(17)에서 반경 방향으로 확장된다.
도 5는 본 발명에 따른 팽창 맨드릴(expansion mandrel; 19) 형태의 팽창 장치를 도시한다. 팽창 맨드릴(19)은, 내부로부터의 컴포넌트를 클램핑하도록 의도되고, 좌측에 도시된 단부 영역(20)에서 작업 기계의 작업 스핀들(spindle)에 클램핑될 수 있는 베이스 바디(2)를 갖는다. 우측에 도시된 단부 영역(21)에서, 베이스 바디(2)는 외부에서 방사상으로 슬리브(5)를 지지하는 베이스 바디 샤프트(22)를 가지며, 이는 2개의 마찰 용접된 연결부(14)에 의해 고정된다.
베이스 바디(2)와 슬리브(5)는 도 5에서 다른 해칭(hatching)으로 도시되어 있다. 도 1 내지 도 4에 도시된 팽창 척(1)과는 대조적으로, 팽창 슬리브(5)는 압력 챔버(8)를 형성하기 위해 베이스 바디(2)를 둘러싸고, 슬리브(5)의 외부 표면은 클램핑될 컴포넌트가 푸시될 수 있는 클램핑 표면(7)을 형성한다.
압력 챔버(8)는, 베이스 바디(2)의 중앙에 형성되고 유압 매체 공급 채널(11)을 통해 베이스 바디(2)를 축방향으로 통과하는, 유압 매체 채널(23)과 연통한다. 유압 매체 채널(23)은, 도시되지 않은 클램핑 나사들(screws)에 의해 폐쇄되는, 나사 구멍들(threaded holes; 24, 25)을 갖는 단부 영역에 제공된다. 컴포넌트를 클램핑하기 위해, 이러한 클램핑 나사들 중 하나가, 베이스 바디의 내부에 나사로 고정되어서, 유압 매체 채널(23), 유압 매체 공급 채널(11), 및 압력 챔버(8) 내의 유압을 증가시키고, 이러한 방식으로, 슬리브(5)는 푸시-온(push-on) 컴포넌트를 강제로 끼워 맞추기 위해서, 외측을 향해 탄성적으로 변형된다.
도 6 내지 9는, 도 1 내지 4에 도시된 바와 같은, 팽창 척(1)으로 설계된 팽창 척 장치를 제조하는 방법을 도시한다. 이 프로세스에서, 도 6에 도시된 바와 같은 베이스 바디(2)와, 도 7 및 8에 도시된 바와 같은 팽창 슬리브 워크피스(26)가 제공된다. 베이스 바디(2)는, 전방 단부면을 향해 개방된 중심 축방향 보어(4)를 갖는다. 팽창 슬리브 워크피스(27)는, 기본 원통형 형상을 가지며, 단단한 재료(solid material)로 견고하게 만들어진다. 또한, 팽창 슬리브 워크피스(27)에는 베이스 바디(2)의 축방향 보어(4)에 삽입될 수 있는 팽창 슬리브 샤프트(27)가 제공되며, 여기서 압력 챔버(8)를 형성하기 위한 링-형상의 리세스(9) 형태인 함몰부들(depressions)이, 팽창 슬리브 샤프트(27)의 외주 표면 및/또는 중심축 보어(4)를 정의하는 베이스 바디(2)의 내부 표면에 형성된다.
도 9는 팽창 슬리브 워크피스(26)의 팽창 슬리브 샤프트(27)가 삽입된, 베이스 바디(2)를 도시한다. 팽창 척(1)으로 설계된 팽창 장치를 제조하기 위한 프로세스에서, 팽창 슬리브 샤프트(27)는, 압력 챔버(8)의 전방 및 후방 축방향 단부 영역들(16, 17)에서 베이스 바디(2) 및 팽창 슬리브 워크피스(26)의 상호 상관되는 정지 표면들(28)의 2개의 개별 쌍들 사이에 접촉이 이루어질 때까지, 베이브 바디(2) 내에 삽입된다.
후속적으로, 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 이들이 상대적 회전에 있도록 설정되는 동안, 2개의 개별 쌍들의 상호 상관되는 정지면들(28)에서, 서로에 대해 가압된다. 이것은, 정지 면들(28)의 영역에서, 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26)의 재료를 가열하는 마찰을 생성한다. 팽창 슬리브 워크피스(26)와 베이스 바디(2)를 결합하기 위해 상대적 회전이 제동이 되고, 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26)는 서로에 대해 가압되어서, 용접 비드(15)를 형성하도록 뒤집어진다(upset). 이 프로세스에서 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 베이스 바디(2) 안으로 추가적으로 더 가압된다.
팽창 슬리브 워크피스(26)가, 2개의 마찰 용접 조인트(14)를 통해 베이스 바디(2)에 고정된 후, 베이스 바디(2)의 전방 단부면으로부터 돌출되는, 팽창 슬리브 워크피스(26)의 섹션(29)이 절단될 수 있도록, 오로지 팽창 슬리브(5)만이 잔존한다. 이어서, 원형의 원통형 단면을 갖는 리셉터클(6)은, 예를 들어 드릴링에 의해 팽창 슬리브 워크피스(26)에 생성될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예들에 의해 추가로 예시되고, 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예들에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않고, 당업자에 의해 다른 변형들이 도출될 수 있다.
도 10 내지 12는 본 발명에 따른 추가적인 팽창 척을 도시한다. 제1 실시예의 팽창 척(1)과 같이, 팽창 척은, 중공형 샤프트 테이퍼 공구 홀더(HSK)로 설계되고, 기계 공구에 클램핑하기 위해 좌측 단부 영역에 고정 콘(3)이 있는 베이스 바디(2)를 포함한다. 가령, 드릴 또는 밀링 커터와 같은 공구의 원통형 샤프트가 삽입될 수 있는 베이스 바디(2)의 반대측 전방 단부 영역에 중앙 리셉터클(6)이 제공된다. 베이스 바디(2)의 축방향 전방 단부는, 탄성적으로 변형될 수 있는 팽창 슬리브(2a)로서 설계된다. 슬리브(5)는 팽창 슬리브(2a) 상으로 축방향으로 푸쉬되고, 이에 의해 압력 챔버(8)가 슬리브(5)와 팽창 슬리브(2a) 사이에 형성되며, 이는 리셉터클(6)을 둘러싸고 그에 동축으로 정렬된다. 축방향 길이가 대략 클램핑 표면(7)의 길이에 상응하는 압력 챔버(8)는, 팽창 슬리브(2a)의 외부 측방향 표면 및 슬리브(5)의 내부 표면 내에 링-형 리세스(9)에 의해 형성된다.
리셉터클(6)을 향하여, 압력 챔버(8)는, 팽창 슬리브(2a)의 상대적으로 좁거나/얇은 벽에 의해 경계가 지정되고, 슬리브(5)의 벽에 의해 방사상 외측으로 경계가 지정되며, 이의 벽 두께는, 팽창 슬리브(2a)의 벽 두께보다 몇 배 더 크다. 제1 실시예에서와 같이, 압력 챔버(8)는, 팽창 슬리브(2a)를 내측으로 탄성적으로 변형시키고, 이에 따라 리셉터클(6)에 삽입된 컴포넌트를 인장(tension)하기 위해, 유압 매체로 가압될 수 있다.
이 실시예에서, 베이스 바디(2)와 슬리브 샤프트(5)는, 그들의 전방 및 후방 축방향 단부 섹션에서 마찰 용접(14)에 의해 결합된다. 후방 단부면은, 팽창 슬리브(2a)가 또한, 그로부터 돌출하는, 베이스 바디(2)의 슬리브(5)의 전방 단부면에 대하여 지지되고(rest against), 슬리브(5)의 안쪽으로 돌출되는 칼라(collar)는 팽창 슬리브(2a)의 전방 단부면에 대하여 지지된다. 축방향 접촉 표면의 영역에서 컴포넌트들은, 마찰 용접 조인트(14)에 의해 서로 고정된다. 각각의 마찰 용접 조인트(14)를 생성하는 동안, 생성된 용접 비드(15)를 수용하기 위해, 압력 챔버(8)는 축방향에서 중앙에 있는 압력 챔버(8)의 영역(18)에 대하여, 방사 방향에서 그것의 후방 축방향 단부 영역(17) 및 전방 축방향 단부 영역(16)에서 넓어진다. 추가로, 돌출되는 팽창 슬리브(2a) 주위에 베이스 바디(2)의 전방 단부면에서 환형 홈(annular groove; 30)이 형성된다.
1 팽창 클램핑 장치
2 베이스 바디
2a 팽창 슬리브
3 고정 콘(fixing cone)
4 축방향 보어(axial bore)
5 슬리브
6 리셉터클
7 클램핑 표면
8 압력 챔버
9 링-형상 리세스들
10 팽창 슬리브의 내벽
11 유압 유체 공급 채널
12 전방 축방향 단부 섹션
13 후방 축방향 단부 섹션
14 마찰 용접 조인트
15 용접 비드(welding bead)
16 전방 축방향 단부 영역
17 후방 축방향 단부 영역
18 축 방향에서의 중앙 영역
19 맨드릴
20 좌측에 도시된 단부 영역
21 우측에 도시된 단부 영역
22 베이스 바디 샤프트
23 유압 유체 채널
24 후방 나사 구멍(rear threaded hole)
25 전방 나사 구멍
26 팽창 슬리브 워크피스
27 팽창 슬리브 샤프트
28 정지면
29 섹션
30 링 그루브
2 베이스 바디
2a 팽창 슬리브
3 고정 콘(fixing cone)
4 축방향 보어(axial bore)
5 슬리브
6 리셉터클
7 클램핑 표면
8 압력 챔버
9 링-형상 리세스들
10 팽창 슬리브의 내벽
11 유압 유체 공급 채널
12 전방 축방향 단부 섹션
13 후방 축방향 단부 섹션
14 마찰 용접 조인트
15 용접 비드(welding bead)
16 전방 축방향 단부 영역
17 후방 축방향 단부 영역
18 축 방향에서의 중앙 영역
19 맨드릴
20 좌측에 도시된 단부 영역
21 우측에 도시된 단부 영역
22 베이스 바디 샤프트
23 유압 유체 채널
24 후방 나사 구멍(rear threaded hole)
25 전방 나사 구멍
26 팽창 슬리브 워크피스
27 팽창 슬리브 샤프트
28 정지면
29 섹션
30 링 그루브
Claims (17)
- 길이방향 축을 정의하는 베이스 바디(2)와, 적어도 하나의 압력 챔버(8)를 형성하도록 상기 베이스 바디(2)에 삽입되거나 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸는 슬리브(sleeve; 5)를 갖는 팽창 클램핑 장치로서,
상기 압력 챔버(8)는, 클램핑 효과(clamping effect)를 달성하도록 유압 매체에 의해 가압될 수 있고,
상기 슬리브(5)는, 상기 압력 챔버(8)의 전방 축방향 단부 영역(16) 및 상기 압력 챔버(8)의 후방 축방향 단부 영역(17)에서 마찰 용접 조인트(friction weld joint; 14)에 의해 상기 베이스 바디(2)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항에 있어서,
상기 압력 챔버(8)는, 마찰 용접 조인트(14)에 인접한 전방 및 후방 축방향 단부 영역(16, 17) 내에, 상기 마찰 용접 조인트(14)의 생성 동안에 제조된 용접 비드(welding bead; 15)를 수용하고, 이 영역에서, 축방향에서 중심이 되는 상기 압력 챔버(8)의 영역(18)에 대하여, 방사 방향으로 확장되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬리브(5)는, 상기 베이스 바디(2) 내에 삽입되거나, 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸서, 상기 길이방향 축을 중심으로 환형으로(annularly) 연장되는 단일 압력 챔버(8)를 형성하고,
상기 슬리브(5)는, 마찰 용접 조인트(14)에 의해, 전방 및 후방 단부 섹션(12, 13)에서 상기 베이스 바디(2)에 고정되는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬리브(5)는, 축방향으로 연속적인 2개의 압력 챔버(8)를 형성하기 위해 상기 베이스 바디(2) 내에 삽입되거나, 또는 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸고,
상기 슬리브(5)는, 마찰 용접 조인트(14)에 의해 상기 압력 챔버(8) 사이에서 상기 베이스 바디(2)에 축방향으로 고정되며,
상기 슬리브(5)는, 마찰 용접 조인트(14)에 의해, 전방 압력 챔버(8)의 전방 축방향 단부 영역(16) 및 후방 압력 챔버(8)의 후방 축방향 단부 영역(17)에서 상기 베이스 바디(2)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
하나 또는 각각의 마찰 용접 조인트(14)는, 슬라이딩(sliding) 마찰 용접 조인트에 생성되고, 하나 또는 각각의 마찰 용접 조인트(14)는 회전 용접 프로세스에 의해 생성되고;
상기 슬리브(5)는, 열처리되며;
상기 슬리브는: 비-합금강(non-alloy steel), 저-합금강(low-alloy steel), 고-합금강(high-alloy steeel), 세라믹 재료, 또는 케이스-경화강 중의 적어도 하나를 포함하거나, 이로 구성되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬리브(5)는, 클램핑 효과를 달성하기 위해 상기 압력 챔버(8)가 가압될 때, 탄성적으로 변형되는 팽창 슬리브로 설계되고,
상기 슬리브(5)는, 상기 베이스 바디(2) 내에 삽입되고 상기 슬리브(5)의 내부 표면이 클램핑 표면(7)을 형성하거나, 또는 상기 슬리브(5)는 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸고 상기 슬리브(5)의 외부 표면이 클램핑 표면(7)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 베이스 바디(2)의 축방향 전방 단부는 팽창 슬리브(2a)로 설계되고, 상기 슬리브(5)는 상기 팽창 슬리브(2a) 상에 축방향으로 푸쉬(push)되고, 적어도 하나의 압력 챔버(8)가 상기 슬리브(5) 및 상기 팽창 슬리브(2a) 사이에 형성되어서, 상기 팽창 슬리브(2a)의 내부 표면이 클램핑 표면(7)을 형성하고, 상기 팽창 슬리브(2a)는 클램핑 효과를 달성하기 위해 상기 압력 챔버(8)가 유압 매체(hydraulic medium)에 의해 가압될 때 탄성적으로 변형되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제6항에 있어서,
상기 클램핑 표면(7)에는 표면 코팅이 제공되고,
상기 표면 코팅은, 산화 또는 망간 인산염 처리에 의해 상기 클램핑 표면(7)에 도포되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 팽창 클램핑 장치는, 유압 매체의 압력 증가를 선택적으로 발생시키도록 설계된 인장 수단(tensioning means)을 갖고,
상기 인장 수단은, 유압 매체 공급 채널(23)을 통해, 압력 챔버(8)에 작동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치. - 길이방향 축을 정의하는 베이스 바디(2)와, 상기 베이스 바디(2)에 삽입되어 적어도 하나의 폐쇄된 압력 챔버(8)를 형성하고, 클램핑 표면(7)을 갖는 원통형 기본 형상의 중심 리셉터클(central receptacle)을 정의하는 팽창 슬리브(2a) 형태의 슬리브(5)를 포함하는 팽창 척(1) 형태의 팽창 클램핑 장치의 제조 방법으로서,
상기 클램핑 표면(7) 내에 클램핑될 컴포넌트는, 상기 팽창 척(1)의 전면으로부터 삽입될 수 있고, 상기 제조 방법은:
a) 베이스 바디(2)의 전방 단면(front end face)을 향해 개방된 중심축 보어(central axial bore; 4)를 갖는 베이스 바디(2)와, 상기 베이스 바디(2)의 중심축 보어(4) 내에 삽입될 수 있는 원통형 기본 형상의 팽창 슬리브 샤프트(27)를 갖는 팽창 슬리브 워크피스(26)를 제공하는 단계 - 상기 적어도 하나의 압력 챔버(8)를 형성하기 위한 리세스들(recesses)은, 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)의 외부 표면 및 중심축 보어(4)를 정의하는 베이스 바디(2)의 내부 표면 내에 형성됨 - ;
b) 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)를 베이스 바디(2)의 중심축 보어(4)에 삽입하는 단계;
c) 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26) 사이의 상대적 이동을 생성하기 위해, 베이스 바디(2) 및 팽창 슬리브 워크피스(26)가 길이방향 축을 중심으로 하는 움직임을 수행하는 동안에, 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26)를 서로에 대하여 축방향으로 가압하는 단계 - 상기 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26)의 상호 대응하는 정지면들(stop faces; 28)은, 적어도 하나의 압력 챔버(8)의 전방 축방향 단부 영역(16) 및 후방 축방향 단부 영역(17)에서 서로에 대해 축방향으로 가압되고, 마찰력에 의해 가열되어서, 팽창 슬리브 워크피스(26)가 마찰 용접 조인트(14)에 의해 정지면들(28)의 영역에서 베이스 바디(2)에 고정되게 함 - ;
d) 베이스 바디(2)와 팽창 슬리브 워크피스(26)가 냉각되도록 상기 상대적 이동을 중단하는 단계
를 포함하고,
상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 상기 상대적 이동이 완료된 이후, 상기 베이스 바디(2) 안으로 추가적으로 가압(press)되는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 제10항에 있어서,
단계 a) 내지 d)에서, 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)는, 길이방향 축을 중심으로 환형으로 연장되는 단일 압력 챔버(8)를 형성하기 위해, 베이스 바디(2)에 삽입되고, 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)는 마찰 용접 조인트(14)에 의해, 전방 및 후방 단부 섹션(12, 13)에서 상기 베이스 바디(2)에 고정되고,
단계 a) 내지 d)에서, 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)는, 축방향으로 하나가 다른 하나 뒤에 위치되고, 길이방향 축을 중심으로 환형으로 연장되는 2개의 압력 챔버(8)를 형성하도록, 상기 베이스 바디(2)에 삽입될 수 있고, 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)는, 마찰 용접 조인트(14)에 의해, 상기 압력 챔버(8) 사이에서 축방향으로, 상기 베이스 바디(2)에 고정되고, 단계 c)에서, 상기 베이스 바디(2) 및 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 각각의 상호 대응되는 정지면들(28)은, 전방 압력 챔버(8)의 전방 축방향 단부 영역(16) 및 후방 압력 챔버(8)의 후방 축방향 단부 영역(17) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
각각의 마찰 용접 조인트(14)는 슬라이딩 마찰 용접(sliding friction welding)에 의해 제조되고,
단계 a) 내지 d) 이후에:
e) 상기 베이스 바디(2)의 전방 단부면으로부터 돌출되는 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 섹션(29)이 절단되는 단계가 추가적으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
단계 e) 이후에, 단단한(solid) 팽창 슬리브 샤프트(27)가 제공되고, 상기 샤프트(27) 내에서 리셉터클(receptacle; 6)이 생성되며,
단계 a)에서 제공되는 팽창 슬리브 샤프트(27)는 중공형 설계(hollow design)이고, 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)는 단계 b) 내지 d) 동안에 내부가 지지되고, 단계 e) 이후에, 리셉터클(6)이 상기 팽창 슬리브 샤프트(27) 상에서 생성되며, 상기 리셉터클(6)이 존재하는 상기 팽창 슬리브 샤프트(27)는, 열처리되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 팽창 슬리브 샤프트(26)는: 비-합금강(non-alloy steel), 저-합금강(low-alloy steel), 고-합금강(high-alloy steeel), 세라믹 재료, 또는 케이스-경화강 중의 적어도 하나를 포함하거나, 이로 구성되며,
상기 클램핑 표면(7)에는, 산화 또는 망간 인산염 처리에 의해 도포되는 표면 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 길이방향 축을 정의하는 베이스 바디(2), 및 적어도 하나의 폐쇄된 압력 챔버(8)를 형성하는 베이스 바디(2)를 둘러싸고, 클램핑될 컴포넌트가 팽창 클램핑 장치의 전방측으로부터 푸쉬될 수 있도록 하는 클램핑 표면(7)을 외부 표면 상에 정의하는, 팽창 슬리브 형태의 슬리브(5)를 갖는 팽창 맨드릴(expansion mandrel; 19) 형태의 팽창 클램핑 장치의 제조 방법으로서,
aa) 전방 단부면에 원통형 베이스 바디 샤프트(22)가 있는 베이스 바디(2), 및 베이스 바디 샤프트(22)로 밀어 넣을 수 있는 중공형 팽창 슬리브 워크피스(26)를 제공하는 단계 - 적어도 하나의 압력 챔버(8)를 형성하기 위해, 함몰부(depressions)가 상기 베이스 바디 샤프트(22)의 외부 표면 및 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 내부 표면 상에 형성됨 - ,
bb) 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)를 상기 베이스 바디(2)로 슬라이딩시키는 단계,
cc) 상기 베이스 바디(2)와 상기 팽창 슬리브 워크피스(26) 사이의 상대적 이동을 생성하기 위해, 상기 베이스 바디(2) 및 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)가 길이방향 축을 중심으로 이동을 수행하는 동안, 상기 베이스 바디(2)와 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)를 서로에 대해 축방향으로 가압하는 단계 - 상기 베이스 바디(2)와 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 상호 대응되는 정지면들(28)은, 적어도 하나의 압력 챔버(8)의 전방 축방향 단부 영역(16) 및 적어도 하나의 압력 챔버(8)의 후방 축방향 단부 영역(17)에서 서로에 대해 축방향으로 가압되고, 마찰에 의해 가열되어서, 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)가 마찰 용접 조인트(14)에 의해 정지면들(28)의 영역에서 상기 베이스 바디(2)에 고정되게 함 - ,
dd) 상기 베이스 바디(2)와 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)가 냉각되도록 상대적 이동을 중단시키는 단계
를 포함하고,
상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 상기 상대적 이동의 완료 이후에 상기 베이스 바디(2) 상으로 추가적으로 가압되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
단계 aa) 내지 dd)에서, 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸서, 상기 길이방향 축을 중심으로 환형으로(annularly) 연장되는 단일 압력 챔버(8)를 형성하고, 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 마찰 용접 조인트(14)에 의해, 전방 및 후방 단부 섹션(16, 17)에서 상기 베이스 바디(2)에 고정되거나, 또는
단계 aa) 내지 dd)에서, 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 축방향으로 하나가 다른 하나 뒤에 위치되고, 상기 길이방향 축을 중심으로 환형으로 연장되는 2개의 압력 챔버(8)를 형성하도록, 상기 베이스 바디(2)를 둘러싸고, 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는, 마찰 용접 조인트(14)에 의해, 상기 압력 챔버(8) 사이에서 축방향으로, 상기 베이스 바디(2)에 고정되고,
단계 cc)에서, 상기 베이스 바디(2) 및 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 각각의 상호 대응되는 정지면들(28)은, 전방 압력 챔버(8)의 전방 축방향 단부 영역(16) 및 후방 압력 챔버(8)의 후방 축방향 단부 영역(17) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
각각의 마찰 용접 조인트(14)는 슬라이딩 마찰 용접(sliding friction welding)에 의해 제조되고,
단계 aa) 내지 dd) 이후에:
ee) 상기 베이스 바디(2)의 전방 단부면으로부터 돌출되는 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 섹션(29)이 절단되는 단계가 추가적으로 수행되고,
단계 ee) 이후에, 베이스 바디에 고정된 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)의 외부 원주 표면(outer circumferential surface)의 적어도 일부가, 마찰 용접 조인트(14)를 제조할 때 생성되는 용접 비드를 제거하고 클램핑 표면(7)을 생성함으로써, 가공되고,
상기 클램핑 표면(7)이 존재하는 상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는: 열처리되며,
상기 팽창 슬리브 워크피스(26)는: 비-합금강(non-alloy steel), 저-합금강(low-alloy steel), 고-합금강(high-alloy steeel), 세라믹 재료, 또는 케이스-경화강 중의 적어도 하나를 포함하거나, 이로 구성되고;
상기 클램핑 표면(7)에는, 산화 또는 망간 인산염 처리에 의해 도포되는 표면 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는, 팽창 클램핑 장치의 제조 방법.
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