KR20020095047A - 진동감쇠공구 - Google Patents

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KR20020095047A
KR20020095047A KR1020020016133A KR20020016133A KR20020095047A KR 20020095047 A KR20020095047 A KR 20020095047A KR 1020020016133 A KR1020020016133 A KR 1020020016133A KR 20020016133 A KR20020016133 A KR 20020016133A KR 20020095047 A KR20020095047 A KR 20020095047A
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KR1020020016133A
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타카하시히데부미
이시카와요이치
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미츠비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

진동감쇠공구는, 공구본체의 선단부의 내부에 중공부를 형성하고, 이 중공부의 선단측의 내벽면에, 웨이트(weight)부재의 일단을 연결한다. 웨이트부재의 외주면과 중공부의 내벽면과의 간극에 점탄성체를 충전한다. 웨이트부재의 일단을 소경의 축부에의해 구성한다. 공구본체를, 중공부의 기단측에 위치하는 분할면에서 착탈가능하게 분할할 수 있다. 또한, 웨이트부재의 타단의 내부를 파내어 구멍부를 형성한 진동감쇠공구가 제공된다. 절삭가공시의 열에 의한 영향을 받지 않고 간단한 구성으로 채터진동을 억제한다.

Description

진동감쇠공구{VIBRATION DAMPING TOOL}
본 발명은, 피삭재의 절삭가공시에 발생하는 진동을 억제할 수 있는 진동감쇠공구에 관한 것이다.
종래, 예를들면, 아버(arbor) 등의 공구본체에, 스로어웨이팁(throw away tip)이 장착된 헤드부(head portion)를 장착하고, 공구본체를 축선 둘레로 회전시키면서 이송을 부여함으로써 피삭재를 절삭가공하기도 하고, 보링바(boring bar) 등의 공구본체의 선단에 스로어웨이팁을 장착하여, 축선 둘레로 회전되는 피삭재를 절삭가공하기도 한다.
이 때, 공작기계의 고정부에서 공구본체의 기단을 외팔보식으로 지지하여, 스로어웨이팁의 절삭날로 피삭재를 절삭가공하면, 고정부로부터 절삭날까지의 돌출길이에 유래하는 공구의 고유진동과, 절삭저항 등에 의해 공구에 가해지는 진동이 공진하여 채터진동(chatter vibration)이 발생한다. 이 채터진동은, 공구본체의 직경(D)에 대한 돌출 길이(L)의 비(L/D)가 커짐에 따라 지나치게 되었을 때, 피삭재의 가공면의 면조도(surface roughness)가 악화되기도 하고, 지나친 경우에는 공구자체가 손괴된다거나 하는 경우가 있기 때문에, L/D가 3∼4정도에서 한계치로 되고, 예를들며느, 금형의 깊은 홈 가공(deep groove processing)이나 보링바에 의한 보링가공과 같이 L/D를 크게하고 싶은 경우에 특히 문제가 되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 예를들면, 특개평 제 11-19839호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 공구본체의 재질을 높은 영율(Young's modulus)의 재료로 구성한 것, 또는, 특개평 제 9-94706호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 공구본체의 외주부에, 그 축선방향을 따라 초경부재를 납땜 고정한 것이 있다.
이러한 공구는, 공구본체의 강성을 높임으로써, 공구본체의 고유진동수를 높여 공진이 발생되기 어렵게 하는 것을 목적으로 한 것이지만, L/D가 커짐에 따라채터진동이 커지게 되버리기 때문에, 근본적인 해결에는 이르지 않는다.
다른 해결수단으로서, 예를들면, 특개소 제 59-1106호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 공구본체의 내부에 중공부를 형성하고, 이 중공부내에, 고리형상을 이루는 2개의 탄성부재에 의해 웨이트(weight)부재를 탄성지지하면서 수납하고, 또한, 중공부의 내벽면과 웨이트부재 사이에 형성된 간극을 메우도록 실리콘 오일등의 점성유체를 봉입한 것이다.
도 10은, 이러한 구성을 회전절삭공구에 이용한 예를 나타내고 있다. 공구본체(100)에 발생하는 채터진동은, 탄성부재(101, 101)에 탄성지지되는 웨이트부재(102)의 진동을 야기하여, 이어서, 웨이트부재(102)의 진동이, 이 웨이트부재(102)의 주위에 충전된 점성유체(103)에 전달되어 감쇠됨으로써 공구본체(100)의 채터진동이 억제되는 것이다. 즉, 이 공구본체(100)는, 질량요소를 이루는 웨이트부재(102), 스프링요소를 이루는 탄성부재(101, 101), 및 감쇠요소를 이루는 점성유체(103)로 이루어진 동적진동흡수기(dynamic vibration absorber)를 구비하고 있고, 이 동적진동흡수기에 의해 공구본체(100)의 진동을 감쇠시켜 흡수하도록 한 것이다.
그러나, 동적진동흡수기의 감쇠요소로서 이용되는 점성유체(103)는, 열에 의한 영향을 받기 쉬워, 그 점성이 변화되어 버린다는 결점이 있고, 절삭시에 발생하는 열이 점성유체(103)에 전달되어 이 점성유체(103) 자체의 온도가 상승하면, 점성이 저하하여 감쇠효과가 저하되고, 채터진동을 억제하지 못할 우려가 있다.
또한, 이러한 점성유체를 공구본체의 내부에 밀봉하여 누설되지 않도록 하기위한 밀봉구조가 필요하고, 공구본체(100)의 구성이 복잡하게 된다.
또한, 웨이트부재(102)가 탄성부재(101, 101)에 지지된 구성이기 때문에, 이러한 동적진동흡수기를 구비한 공구본체(100)를 회전절삭공구로서 이용한 경우에는, 공구본체(100)의 회전에 따른 웨이트부재(102)의 편심이 발생되기 때문에, 회전속도를 낮출 필요가 있는 등, 회전절삭공구로서 이용하는 데는 부적합하다는 문제도 있다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 절삭가공시의 열에 의한 영향을 받지 않는 간단한 구성으로 채터진동을 억제할 수 있고, 공구본체의 직경(D)에 대한 돌출 길이(L)의 비(L/D)를 보다 크게 취할 수 있는 진동감쇠공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하여, 이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 선단부에 피삭재를 가공하는 가공수단이 설치되어 있는 공구본체의 내부에 중공부가 형성되고, 그 중공부의 내벽면에 웨이트부재의 일단이 열결됨과 아울러, 상기 웨이트부재의 연결부분을 제거하여 다른 부분과 상기 중공부의 내벽면 사이에 간극이 형성되고, 또한, 이 간극의 적어도 일부에 점탄성체가 충전되어 있고, 상기 웨이트부재와 상기 점탄성체에 의해 동적진동흡수기가 구성되어, 상기 공구본체의 진동을 감쇠시켜 흡수하도록 된 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 함으로써, 피삭재의 절삭가공시에 가공본체에 채터진동이 발생하면, 동적진동흡수기의 질량요소 및 스프링요소를 이루는 웨이트부재가, 중공부의 내벽면에 연결된 일단을 고정단으로 하여 공구본체의 진동에 대해 대략 역위상의 진동을 행한다. 이 웨이트부재의 진동은, 웨이트부재와 중공부의 내벽면과의 간극에 충전된 감쇠요소를 이루는 점탄성체에 전달되어 감쇠되고, 최종적으로는 웨이트부재의 진동 에너지가 점차 열에너지로 변환되어 산일(散逸)함으로써 채터진동이 억제된다.
여기서, 동적진동흡수기에 대한 감쇠요소로서 점탄성체를 이용함으로써, 점성유체보다 소량으로 높은 감쇠효과를 얻을 수 있고, 또한 절삭시 발생하는 열에 의한 영향을 받을 우려가 없고, 설계 단계에서의 감쇠성능을 안정적으로 유지할 수 있고, 또한, 점탄성체를 밀봉하기 위한 밀봉구조가 필요하지 않으며, 간단한 구성의 동적진동흡수기를 얻을 수 있다.
또한, 웨이트부재의 일단이 중공부의 내벽면에 연결되어, 공구본체와 일체구조로 되어 있기 때문에, 본 발명을 회전절삭기구에 적용했다고 해도, 질량이 편심된 그대로의 상태로 될 우려가 없다.
또한, 상기 중공부는, 상기 선단부로부터 상기 공구본체의 축선방향으로 연장되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 하면, 채터진동의 진폭이 커지는 공구의 선단부에, 웨이트부재 및 점탄성체로 이루어진 동적진동흡수기를 구비하고 있는 것으로 이루어지고, 공구본체의 선단부에서 제진력이 효과적으로 작용되도록하여, 채터진동을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 상기 웨이트부재의 일단은, 상기 중공부의 선단측 또는 기단측의 내벽면에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
채터진동은, 공구본체의 축선에 직교하는 방향의 진동이 주된 진동이기 때문에, 웨이트부재가 중공부의 선단측 또는 기단측의 내벽면에 연결됨으로써, 축선에 직교하는 방향으로 진동하기 쉬워지고, 제진효과를 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 웨이트부재의 일단은, 소경의 축부를 이루고 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성으로 하면, 웨이트부재의 일단인 소경의 축부에서 굴곡(flexure)이 일어나서, 웨이트부재의 진동이 야기되기 쉬워지고, 또한, 동적진동흡수기에 대한 고유진동수의 설정을 용이하게, 또한, 넓은 레벨로 행할 수 있고, 다양한 고유진동수를 가지는 공구본체에 본 발명을 적용하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 웨이트부재의 상기 내벽면에 연결된 일단과 반대측의 타단도 상기 내벽면에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 하면, 웨이트부재가 양단에서 공구본체에 고정되고, 이 양단을 고정단으로 하여 중앙부가 진동의 파복(loop)이 되는 진동을 행한다. 이 진동 모드는, 고정된 일단이 진동의 파절(node)이 되고, 자유단이 진동의 파복이 되는 진동보다 고차(高次, high order)의 진동모드이고, 높은 진동수의 채터진동에 공진하여 고차의 채터진동을 효과적으로 억제한다.
또한, 상기 웨이트부재의 상기 내벽면에 연결된 일단과 반대측의 타단에는, 그 웨이트부재의 내부를 파낸 구멍부가 형성되어 있고, 상기 웨이트부재와 상기 점탄성체에 의해 동적진동흡수기가 구성되어, 상기 공구본체의 진동을 감쇠시켜 흡수하도록 한 것을 특징으로 한다.
중공부의 선단측의 내벽면에 연결된 웨이트부재의 일단과 반대측의 타단에, 그 내부를 파낸 구멍부가 형성되어 있기 때문에, 웨이트부재의 중심이, 공구본체의 선단측, 즉, 채터진동의 진폭이 큰 공구본체의 선단측에 모이게 되기 때문에, 채터진동을 억제하는 효과를 높일 수 있다.
또한, 한편으로, 웨이트부재에 구멍부를 형성함으로써, 구멍부가 형성되어 있지 않은 동일 질량의 웨이트부재와 비교하여, 그 외주면의 표면적이 커지고, 점탄성체를 충전하는 간극을 충분하게 확보할 수 있기 때문에, 감쇠효과가 부족한 경우에는, 점탄성을 보다 많이 충전하는 것으로 이에 대응할 수 있다.
또한, 상기 공구본체는, 상기 구멍부까지 도달하는 축부를 가지고 있어서, 상기 점탄성체가, 적어도, 상기 축부와 상기 구멍부 사이에 설치되는 간극의 일부에 충전되어 있는 것을 특징으로 한다.
채터진동에 공진하여 진동하는 웨이트부재의 진폭은, 연결된 일단으로부터 멀리 떨어지게 했기 때문에, 이와 같이, 진폭이 큰 웨이트부재의 타단에 형성된 구멍부에 감쇠요소를 이루는 점탄성체가 충전되어 있으면, 열로 변환되는 채터진동의 진동에너지가 많아지기 때문에, 소량의 점탄성체로도 높은 제진효과를 얻는 것이 가능해진다.
또한, 상기 공구본체가, 상기 중공부의 기단측에서 착탈가능하게 분할될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성으로 하면, 동적진동흡수기가 내장된 공구본체의 선단측 부분을 꺼내고, 공구본체의 기단측 부분에 직접 가공수단을 장착함으로써, 돌출길이가 짧은 공구로 하여 이용할 수 있다.
또한, 상기 웨이트부재가, 고밀도 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성으로 하면, 웨이트부재의 질량을 확보한 채, 그 크기를 작게하는 것이 가능하기 때문에, 이에 따라, 공구본체에 형성하기 위한 중공부의 크기를 작게할 수 있고, 공구본체의 강성을 높게 유지할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 특징들은 첨부도면과 함께 취해진 다음의 설명으로 더욱 명백해질 것이다
도 1a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 1b는 도 1a에 대한 A-A선 단면도;
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 3은 본 발명의 제 3실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 4a는 본 발명의 제 4실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 4b는 도 4a에 대한 B-B선 단면도;
도 5는 본 발명의 제 5실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 6은 본 발명의 제 6실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 7은 본 발명의 제 7실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도;
도 8a는 종래의 진동감쇠공구의 일부 파단측면도; 및
도 8b는 도 8a에 대한 B-B선 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1a는 본 발명의 제 1실시예에 의한 진동감쇠공구의 측면도, 도 1b는 도 1a에 대한 A-A선 단면도이다.
본 제 1실시예에 의한 진동감쇠공구(10)는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 예를들면, 강으로 이루어지고, 그 기단이 공작기계의 고정부에 외팔보식으로 지지하여, 축선(O) 둘레로 회전되는 거의 원기둥형상을 이루는 공구본체(11)와, 헤드본체(12)의 선단외주에 복수의 스로어웨이팁(13,...)이 장착된 헤드부(가공수단)(14)를 주로하여 구성되는 회전절삭공구이다.
헤드부(14)는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 스로어웨이팁(13,...)의 절삭날이 진동감쇠공구(10)의 선단측 및 외주측에 돌출하도록, 도시되지 않은 연결나사에 의해, 공구본체(11)의 선단부에 축선(O)과 동축으로 착탈가능하게 장착되어 있다.
이 헤드부(14)가 설치된 공구본체(11)의 선단부의 내부에는, 이 선단부로부터 공구본체(11)의 축선(O)방향을 따라 연장되도록 거의 원기둥형상의 중공부(15)가 형성되어 있다. 그리고, 중공부(15)내에는, 공구본체(11)와 동일한 강으로 이루어지고, 중공부(15)의 내경보다 작은 외경을 가진 거의 원기둥형상의 웨이트부재(17)가, 중공부(15)의 내벽면(16)과 간극을 통해 수납되어 있고, 또한, 웨이트부재(17)의 축선방향의 일단(17A)이, 중공부(15)의 내벽면(16)에 대한 선단측의 내벽면(16A)에 연결되어, 웨이트부재(17)가 공구본체(11)와 일체구조로 되어 있다. 또한, 웨이트부재(17)는 그 축선이, 공구본체(11)의 축선(O)과 동축으로 되도록 연결되어 있다.
그리고, 웨이트부재(17)의 내벽면(16A)에 연결되는 일단(17A)의 연결부분을 제거한 다른 부분과, 중공부(15)의 내벽면(16) 사이에 형성된 간극의 적어도 일부에 점탄성체(18)가 충전되어 있고, 본 실시예에 있어서는, 웨이트부재(17)와 내벽면(16) 사이에 형성된 간극 전체에 점탄성체(18)가 충전되어 있다.
이 점탄성체(18)의 물성으로서는, 영율(속도 50mm/min 표준경도품을 사용)이 1000[kPa]이하, JIS K 2207에 규정되는 침입도(針入度, penetration)(경도)가 20[1/10mm]∼300[1/10mm], JIS K 6251에 규정되는 인장강도가 1[kPa]∼4000[kPa], JIS K 6251에 규정되는 연신율이 50[%]∼800[%]의 범위인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는, 영율이 100[kPa]이하, 침입도가 100[1/10mm]∼180[1/10mm], 인장강도가 1[kPa]∼100[kPa], 연신율이 200[%]∼400[%]의 범위인 것이 바람직하다. 그리고, 본 실시예에 있어서는, 영율이 13[kPa], 침입도가 150[1/10mm], 인장강도가30[kPa], 연신율이 340[%]인 점탄성체(18)가 사용되었다.
여기서, 중공부(15)는, 공구본체(18)의 선단으로부터 기단측을 향해 축선(O)과 동축의 구멍이 형성되고, 또한, 점탄성체(18)가 둘러싸여진 웨이트부재(17)가 장착되어진 기판(19)을 이용하여, 예를들면, 나사고정이나 납땜 등에 의해 이 구멍을 막음으로써 형성된 것이다. 따라서, 공구본체(11)는, 웨이트부재(17) 및 점탄성체(18)를 내장한 상태에서 단독으로 일체로하여 취급되도록 이루어져 있다.
이 때, 기판(19)의 웨이트부재(17)에 둘러싸인 점탄성체(18)의 두께는, 이 웨이트부재(17) 및 점탄성체(18)가 중공부(15)내에 수납되었을 때, 웨이트부재(17)의 외주면과 중공부(15)의 내벽면(16) 사이에 형성되는 간극의 두께보다 약간 크게 되어 있다. 즉, 웨이트부재(17) 및 점탄성체(18)가 중공부(15)내에 수납되었을 때, 점탄성체(18)가 약간 압축되어 있는 상태로 되어 있다.
또한, 공구본체(11)가, 중공부(15)의 기단측에 위치하고, 축선(O)에 직교하는 분할면(P)을 경계로 하여, 중공부(15)를 포함하는 선단측부분(11A)과 기단측부분(11B)에 분할가능하게, 또한, 착탈가능하게 되도록 형성되어 있다. 선단측부분(11A)의 분할면(P)에는, 축선(O)에 직교하는 방향으로 사각형단면의 키부(key portion)(PA)가 형성됨과 아울러, 기단측부분(11B)의 분할면(P)에는 마찬가지로 축선(O)에 직교하는 방향으로 상기 키부(PA)가 끼워맞춤 가능한 키홈(key groove)(PB)이 형성되어 있는 것이고, 선단측부분(11A)은, 키부(PA)를 키홈(PB)에 끼워맞춰진 위에서, 예를들면, 장착볼트에 의해 기단측부분(11B)에 견고하게 일체화되어 있다.
본 제 1실시예에 의한 진동감쇠공구(10)는, 상기 구성을 구비하고 있고, 다음에 그 작용을 설명한다.
헤드부(14)가 선단부에 장착된 공구본체(11)는, 그 기단에서 공작기계의 고정부에 외팔보식으로 지지된다. 여기서, 웨이트부재(17)가 공구본체(11)에 동축으로 일체로 되도록 편단고정되어 있기 때문에, 공구본체(11)를 회전시켜도 편심한 그대로의 상태로는 되지 않고, 절삭가공시에 대한 진동감쇠공구(10)의 회전시, 안정적인 회전상태가 유지된다.
이런식으로, 스로어웨이팁(13,...)의 절삭날이 피삭재를 향해 축선(O)방향의 선단측을 향하는 이송을 부여하여 절삭가공을 개시하면, 절삭저항에 의해 공구본체(11)의 축선(O)방향으로 직교하는 방향으로 채터진동이 발생해 버린다. 이 때, 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결된 웨이트부재917)가 공진하여, 그 연결된 일단(17A)를 고정단으로 하여 축선(O)에 직교하는 방향으로, 공구본체(11)의 진동과 거의 역위상의 진동을 개시한다.
그러면, 웨이트부재(17)의 진동은, 웨이트부재(17)와 중공부915)의 내벽면(16) 사이에 충전된 점탄성체(18)에 전달되어 감쇠되고, 최종적으로는, 이 채터진동의 에너지를 점차 열에너지로 변환하여 산일함으로써, 공구본체(11)의 채터진동이 억제된다. 즉, 본 제 1실시예에 있어서는, 제진공구(10)가 그 공구본체(11)의 내부에, 질량요소 및 스프링요소를 이루는 웨이트부재(17)와, 감쇠요소를 이루는 점탄성체(18)에 의해 구성되는 동적진동흡수기를 구비하여, 이 동적진동흡수기에 의해 채터진동을 감쇠시켜 흡수하도록 한 것이다.
여기서, 상술한 바와 같은 동적진동흡수기의 설계에 있어서는, 이하의 식을 만족하도록 조정된다.
동적진동흡수기의 고유진동수(ω)(웨이트부재의 고유진동수)에 있어서는,
ω / Ω = 1 / (1 + μ)
Ω: 공구본체의 고유진동수
μ: 등가질량비(=m/M)
M : 공구본체의 등가질량
m : 동적진동흡수기의 등가질량(웨이트부재의 등가질량)
을 만족하도록 설정되고,
C=Cc ×(3μ/ (8 (1 + μ)3))1/2(Cc = 2(mk)1/2)
k : 동적진동흡수기의 스프링상수(웨이트부재의 스프링상수)
를 만족하도록 설정된다.
동적진동흡수기에 대한 고유진동수(ω) 및 감쇠계수(C)의 조정은, 웨이트부재917)의 크기 및 형상을 변화시키거나, 점탄성체(18)의 양을 변화시킴으로써 조정할 수 있고, 상기 식을 만족하도록 설계된 동적진동흡수기에 의하면, 전체 외력에 대해 진동을 효과적으로 억제하는 작용을 가질 수 있다.
또한, 점탄성체(18)의 감쇠계수(C)를 크게하여 감쇠효과를 높이기 위해, 점탄성체(18)의 두께를 증가시켰을 때도, 어느 정도로 포화(飽和)되어 버리기 때문에, 점탄성체(18)의 감쇠계수(C)를 크게 하여 감쇠효과를 높이는 경우에는, 웨이트부재(17)에 접촉하는 점탄성체(18)의 면적을 증가시키면 좋다.
본 제 1실시예의 진동감쇠공구(10)에 의하면, 웨이트부재(17)가 공구본체(11)의 채터진동과 역위상의 진동을 행하는 동시에, 점탄성체(18)가 그 진동을 감쇠시켜 흡수하기 때문에, 채터진동을 억제할 수 있다. 그로인해, 공구본체(11)의 직경(D)에 대한 돌출길이(L)의 비(L/D)를 크게 해도, 가공면의 면조도의 악화나, 공구본체(11)의 손괴가 발생하지 않고, 예를들면, L/D가 보다 크게 설정되는 금형의 깊은 홈 가공 등에도 문제점이 발생되지 않는다.
또한, 이 채터진동은, 공구본체(11)의 선단측을 향해 가까워질수록 진폭이 커지고, 또한, 공구본체(11)의 축선(O)에 직교하는 방향에서의 진동이 주된 진동이지만, 이에 대해, 공구본체(11)의 선단부의 내부에 중공부915)가 형성되어 동적진동흡수기가 내장되고, 또한, 웨이트부재(17)의 일단(17A)이 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 축선(O)과 동축으로 연결되어, 축선(O)에 직교하는 방향으로 웨이트부재(17)가 진동하기 쉽게 되어 있기 때문에, 채터진동의 진폭이 큰 헤드부(14) 근방(선단부)에 있어서 이 채터진동을 효과적으로 억제할 수 있다.
그리고, 동적진동흡수기에 대한 감쇠요소로서 점탄성체(18)를 이용함으로써, 점성유체보다 소량으로 높은 감쇠효과를 얻을 수 있고, 또한, 절삭가공시에 발생하는 열에 의한 영향을 받을 우려가 없기 때문에, 설계 단계에서의 동적진동흡수기의 감쇠성능을 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 점성유체를 이용한 경우와 같이, 그 산화방지대책이나 누설이 없도록 하기 위한 밀봉구조가 필요하지 않고, 간략한 구성의 진동감쇠공구(10)를 얻을 수 있다.
또한, 웨이트부재(17)의 일단(17A)이 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 공구본체(11)와 동축으로 연결되어, 웨이트부재(17)와 공구본체(11)가 일체구조로 되어 있기 때문에, 회전절삭공구로 된 제 1실시예에 의한 진동감쇠공구(10)를 축선(O)둘레로 회전시켜도, 그 원심력에 의해 웨이트부재(17)가 편심된 그대로의 상태로 되지 않고, 안정적으로 회전상태를 유지할 수 있다.
또한, 본 제 1실시예에 있어서는, 공구본체(11)가, 분할면(P)에서, 중공부(15)를 가지는 선단측부분(11A)과, 기단측부분(11B)에 분할가능하게 되어 있어, 그것들이 착탈가능하게 되어 있기 때문에, L/D를 크게할 필요가 없는 경우에는, 중공부(15)를 가지는 선단측부분(11A), 즉, 동적진동흡수기를 구비한 선단측부분(11A)을 꺼낸 후, 기단측부분(11B)에 대해 헤드부(14)를 직접 장착함으로써 대응할 수 있다. 이로 인해, 공구본체(11)의 기단을 공작기계의 고정부로부터 꺼내지 않고, 돌출길이를 변경하는 것이 가능하다.
또한, 이러한 경우에는, L/D가 커지지 않기 때문에, 채터진동이 발생하지 않고, 동적진동흡수기가 구비되어 있지 않아도 문제가 없다.
이어서, 본 발명의 제 2실시예를 설명하지만, 상술한 제 1실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 이용하여 그 설명을 생략한다. 도 2는 본 제 2실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도이다.
제 2실시예에 의한 진동감쇠공구(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 웨이트부재(17)의 일단(17A)이, 공구본체(11)의 축선(O)과 동축으로 되는 소경의 축부를 드러내고 있고, 이 소경의 축부를 드러내는 일단(17A)에 의해 웨이트부재(17)가 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결되어 있는 것이다. 또한, 이 진동감쇠공구(20)에서는, 점탄성체(18)가, 웨이트부재(17)의 일단(17A)을 제외한 원통형상의 외주면과 중공부(15)의 내벽면(16) 사이에 충전되어 있지만, 동적진동흡수기의 설계에 따라 충전되는 양을 감소시키거나, 다른 간극에 충전해도 좋다.
이러한 진동감쇠공구(20)에 의하면, 웨이트부재(17)의 일단(17A)에 있는 소경의 축부에 굴곡을 일으키기 쉽고, 웨이트부재(17)의 진동이 야기되기 쉬워진다. 또한, 동적진동흡수기에 대한 고유진동수(ω), 즉, 등가질량(m) 및 스프링상수(k)의 설정이 용이하고, 또한, 넓은 레벨로 행할 수 있기 때문에, 다양한 고유진동수(Ω)를 가지는 공구본체(11)에 대해, 채터진동을 억제하는 효과를 확보할 수 있게 된다.
이어서, 본 발명의 제 3실시예에 의한 진동감쇠공구에 대해 설명하지만, 상기 제 1 및 제 2실시예와 동일한 부분에는 동일 부호를 이용하여 그 설명을 생략한다. 도 3은, 본 제 3실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도이다.
제 3실시예에 의한 진동감쇠공구(30)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이트부재(17)의 일단(17A)이 소경의 축부를 드러냄과 아울러 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결고정되고, 또한, 상기 일단(17A)고 반대측의 타단(17B)도 소경의 축부를 드러냄과 아울러 중공부(15)의 기단측의 내벽면(16B)에 연결고정되어 있는 것이다. 여기서, 웨이트부재(17)의 타단(17B)은, 웨이트부재(17) 및 점탄성체(18)가 기판(19)과 함께 중공부(15)내에 삽입될 때, 기단측의 내벽면(16B)에 설치되어 있는 지지구멍(16C)에 끼워맞춤 삽입되도록 이루어져 있다.
이러한 진동감쇠공구(30)에 의하면, 웨이트부재(17)의 양단(17A, 17B)이 소경의 축부에서 구성되어 있는 동시에, 이 양단(17A, 17B)에서 공구본체(11)와 일체로 연결고정되어 있기 때문에, 공구본체(11)에 채터진동이 발생했을 때는, 이들 양단(17A, 17B)를 고정단으로 하여 중앙부가 진동의 파복으로 되도록 웨이트부재(17)의 진동이 야기된다.
여기서, 웨이트부재(17)는, 그 양단(17A, 17B)에서 굴곡을 일으키기 쉽게 되어 있어 진동이 야기 되기 쉽다.
또한, 웨이트부재(17)에 야기되는 진동모드는, 고정된 일단이 진동의 파절이 되고, 자유단이 진동의 파복으로 되는 진동보다 고차의 진동모드이고, 높은 진동수의 채터진동에 공진하여 고차의 채터진동을 효과적으로 억제하는 것이 가능해진다.
이어서, 본 발명의 제 4실시예에 의한 진동감쇠공구를 설명하지만, 상기 제 1 내지 제 3실시예와 동일한 부분에는 동일 부호를 이용하여 그 설명을 생략한다. 도 4는, 본 제 4실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도이다.
제 4실시예에 의한 진동감쇠공구(40)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2실시예에 의한 진동감쇠공구(20)와 거의 동일한 구성을 이루고 있고, 다른 점은, 또한, 웨이트부재(17)에 대한, 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결되는 일단(17A)과 반대측의 타단(17B)에는, 그 타단(17B)의 내부를 파내어, 거의 원기둥 형상을 이루는 중공 구멍부(17C)가, 공구본체(11)의 축선(O)과 동축으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 진동감쇠공구(40)에는, 점탄성체(18)가, 웨이트부재(17)의일단(17A)을 제외한 원통형상의 외주면과 중공부(15)의 내벽면(16) 사이에 충전되어 있지만, 동적진동흡수기의 설계에 따라 충전되는 양을 줄이거나, 다른 간극에 충전해도 좋다.
본 제 4실시예의 진동감쇠공구(40)에 의하면, 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결된 웨이트부재(17)의 일단(17A)과 반대측의 타단(17B)에, 그 내부를 파낸 구멍부(17C)가 형성되어 있기 때문에, 웨이트부재(17)의 중심이, 공구본체(11)의 선단측, 즉, 채터진동의 진폭이 큰 공구본체(11)의 선단측에 모이게 되기 때문에, 채터진동을 억제하는 효과를 높일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 점탄성체(18)의 감쇠계수(C)를 크게 하여 감쇠효과를 높이기 위해서는, 점탄성체(18)의 두께를 크게 하는 것이 아니고, 웨이트부재(17)에 접촉하고 있는 점탄성체(17)에 구멍부(17C)가 형성되어 있으면, 웨이트부재(17)의 원통 형상의 외주면의 표면적을 크게 확보할 수 있게 되고, 이로 인해, 동적진동흡수기의 감쇠효과가 부족한 경우에는, 점탄성체(18)를 보다 많이 충전하여 웨이트부재(17)의 원통형상의 외주면에 접촉하는 면적을 많게 함으로써 대응할 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 5실시예에 의한 진동감쇠공구를 설명하지만, 상기 제 4실시예와 동일한 부분에는 동일 부호를 이용하여 그 설명을 생략한다. 도 5는, 본 제 5실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도이다.
제 5실시예에 의한 진동감쇠공구(50)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 공구본체(11)가, 그 중공부(15)의 기단측의 내벽면(16B)로부터, 축선(O)과 동축으로 돌출함과 아울러, 웨이트부재(17)의 타단(17B)에 형성된 구멍부(17C) 내부까지 도달하는 축부(11C)를 구비하고 있다. 그리고, 적어도, 이 축부(11C)와 구멍부(17C) 사이에 형성된 간극의 일부에 점탄성체(18)가 구비되어 있는 것이고, 본 실시예에 있어서는, 이 축부(11C)의 외주면과, 구멍부(17C)의 내주면 사이에 형성된 간극에 점탄성체(18)가 충전되어 있다.
이러한 진동감쇠공구(50)에서는, 감쇠요소를 이루는 점탄성체(18)가, 웨이트부재(17)의 구멍부(17C)내에 조금 존재하고 있는 것이다. 그러나, 채터진동에 공진하여 진동하는 웨이트부재(17)의 진폭은, 공구본체(11)에 연결된 일단(17A)으로부터 떨어질수록 커지기 때문에, 진폭이 큰 웨이트부재(17)의 타단(17B)에 형성된 구멍부(17C)내에 존재하는 점탄성체(18)는, 그 압축되는 비율이 크고, 그로인해, 열로 변환되는 채터진동의 에너지가 많아지기 때문에, 본 제 5실시예와 같이 소량의 점탄성체(18)에서도 충분한 제진효과를 얻는 것이 가능해진다.
이어서, 본 발명의 제 6실시예에 의한 진동감쇠공구를 설명하지만, 상기 제 1 내지 제 5실시예와 동일한 부분에는 동일 부호를 이용하여 그 설명을 생략한다. 도 6은 본 제 6실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도이다.
제 6실시예에 의한 진동감쇠공구(60)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2실시예에 의한 진동감쇠공구(10)와 거의 동일한 구성을 이루고 있는 것이고, 다른 점은, 웨이트부재(17)가, 밀도가 7.9g/cm이상의 고밀도재료(41), 예를들면, 밀도가 18g/cm정도로 되는 중금속으로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상세하게 설명하면, 웨이트부재(17)가, 강으로 이루어진 소경의 축부(42)의주위에, 중금속으로 이루어진 고밀도재료(41)를 둘러싼 구성을 이루는 것이다. 그 소경의 축부(42)에서 고밀도재료(41)가 둘러싸여 있지 않은 부분이, 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결되는 일단(17A)으로 된다.
이러한 진동감쇠공구(60)에 의하면, 웨이트부재(17)를 모두 강으로 구성한 경우와 동일한 질량을, 이 보다 작은 체적에서 실현할 수 있기 때문에, 공구본체(11)에 형성하기 위한 중공부(15)의 체적을 작게하는 것이 가능해지고, 이로 인해, 공구본체(11)의 강성을 높게 유지하여, 보다 채터진동이 발생되기 어렵게 할 수 있다. 또한, 이 제 6실시예에 있어서는, 제 2실시예에 의한 진동감쇠공구(10)에 대한 웨이트부재(17)를 고밀도재료로 구성하도록 했지만, 예를들면, 제 1, 제 3, 제 4, 및 제 5실시예에 대한 웨이트부재(17)를 고밀도재료(41)로 구성하도록 해도 좋다.
이상, 제 1 내지 제 6실시예에 있어서, 본 발명을 회전절삭공구에 이용한 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명의 제 7실시예로서, 본 발명을 선삭공구에 적용한 경우를 설명한다. 또한, 상기 제 1 내지 제 6실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 이용하여 그 설명을 생략한다. 도 7은, 본 제 7실시예에 의한 진동감쇠공구의 일부 파단측면도이다.
제 7실시예에 의한 진동감쇠공구(70)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 예를들면, 강으로 이루어지고, 그 기단이 공작기계의 고정부에 외팔보식으로 지지되는 거의 원기둥 형상을 이루는 공구본체(51)와, 헤드본체(52)의 선단 모서리부에 스로어웨이팁(53)이 장착된 헤드부(가공수단)(54)를 주로하여 구성되는 선삭공구이다.
헤드부(54)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 스로어웨이팁(53)의 절삭날이 진동감쇠공구(50)의 선단측에 돌출되도록, 도시되지 않은 연결나사에 의해, 공구본체(51)의 선단부에 축선(O)과 동축으로 착탈가능하게 장착되어 있다.
그리고, 이 헤드부(54)가 설치되는 공구본체(51)의 선단부의 내부에는, 상기 제 2실시예와 동일한 구성을 이루는 웨이트부재(17) 및 점탄성체(18)로 이루어진 동적진동흡수기가 내장되어 있는 것이다.
제 7실시예에 의한 진동감쇠공구(70)는, 상기 구성을 구비하고 있고, 회전하는 피삭재에 대해 헤드부(54)에 장착된 스로어웨이팁(53)의 절삭날로 깊은 절삭을 행하면, 절삭저항에 의해 공구본체(51)의 축선(O)방향에 직교하는 방향으로 채터진동이 발생한다. 이 때, 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결고정된 웨이트부재(17)가 공진하여, 그 연결된 일단(17A)을 고정단으로 하여 축선(O)에 직교하는 방향으로, 공구본체(51)의 진동과 역상위의 진동을 개시한다.
그러면, 웨이트부재(17)의 진동은, 점탄성체(18)에 전달되어 감쇠되고, 최종적으로는, 이 채터진동의 에너지를 점차 열에너지로 변환하여 산일함으로써, 공구본체(51)의 채터진동이 억제된다.
그런데, 제 1 내지 제 6실시예와 같이, 본 발명을 회전절삭공구에 적용한 경우에는, 그 공작기계의 고정부로부터 절삭날까지의 돌출길이가 항상 동일한 길이로 사용되지만, 본 제 7실시예와 같이, 본 발명을 선삭공구에 적용한 경우에는, 공작기계로의 장착상태에 있어서, 공작기계의 고정부로부터 절삭날까지의 돌출길이가 변화되는 경우가 있다. 그러면, 공구본체(51)의 고유진동수가 변화하고, 설계단계에서 상정(想定)된 동적진동흡수기의 감쇠성능을 발휘할 수 없을 우려가 생기기 때문에, 제 7실시예에 있어서는, 예를들면, 도 7의 파선으로 나타낸 바와 같이, 공구본체(51)에 먼저, 돌출길이를 규정하는 멈춤부재(55)를 장착하도록 한다. 이러한 멈춤부재(55)를 사용하면, 선삭공구로 되는 진동감쇠공구(70)에 있어서, 그 돌출길이가 변화되는 일이 없고, 이로 인해, 공구본체(51)의 고유진동수도 변화하지 않기 때문에, 설계했던 대로의 성능을 가지는 동적진동흡수기를 구비한 진동감쇠공구(70)를 얻을 수 있다.
여기서, 선삭공구로 된 제 7실시예의 진동감쇠공구(70)에 있어서도, 상기 제 1, 3, 4, 5, 및 제 6실시예와 같이, 거의 원기둥 형상을 이루는 웨이트부재(17)를 사용하거나, 웨이트부재(17)의 양단을 고정하거나, 또한, 웨이트부재(17)에 대한 중공부(15)의 선단측의 내벽면(16A)에 연결되는 일단(17A)와 반대측의 타단의 내부를 파낸 구조로 하거나, 공구본체(11)에 축부(11C)를 형성하여, 축부(11C)와 웨이트부재(17)의 구멍부(17C) 사이의 간극에 점탄성체(18)를 충전하거나, 또는, 웨이트부재(17)를 고밀도재료(41)로 구성해도 좋고, 또한, 중공부(15)의 기단측의 위치에서 공구본체(11)를 탈착가능하게 분할할 수 있는 구성이어도 좋은 것은 물론이다.
본 발명에 따른 진동감쇠공구에 의하면, 절삭가공시의 열에 의한 영향을 받지 않는 간단한 구성으로 채터진동을 억제할 수 있고, 공구본체의 직경(D)에 대한 돌출 길이(L)의 비(L/D)를 보다 크게 취할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 진동감쇠공구는, 동적진동흡수기에 대한 감쇠요소로서 점탄성체를 이용함으로써, 점성유체보다 소량으로 높은 감쇠효과를 얻을 수 있고, 또한 절삭시 발생하는 열에 의한 영향을 받을 우려가 없고, 설계 단계에서의 감쇠성능을 안정적으로 유지할 수 있고, 또한, 점탄성체를 밀봉하기 위한 밀봉구조가 필요하지 않으며, 간단한 구성의 동적진동흡수기를 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 선단부에 피삭재를 가공하는 가공수단이 설치되는 공구본체의 내부에 중공부가 형성되고,
    상기 중공부의 내벽면에 웨이트부재의 일단이 연결됨과 아울러, 상기 웨이트부재의 연결부분을 제외한 다른 부분과 상기 중공부의 내벽면 사이에 간극이 형성되고, 또한, 이 간극의 적어도 일부에 점탄성체가 충전되어 있고,
    상기 웨이트부재와 상기 점탄성체에 의해 동적진동흡수기가 구성되어, 상기 공구본체의 진동을 감쇠시켜 흡수하도록 한 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 중공부는, 상기 선단부로부터 상기 공구본체의 축선방향으로 연장되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 웨이트부재의 일단은, 상기 중공부의 선단측 또는 기단측의 내벽면에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 웨이트부재의 일단은, 소경의 축부를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 웨이트부재의 상기 내벽면에 연결된 일단과 반대측의타단도 상기 내벽면에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 공구본체가, 상기 중공부의 기단측에서 착탈가능하게 분할될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 웨이트부재가, 고밀도재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  8. 선단부에 피삭재를 가공하는 가공수단이 설치되는 공구본체의 내부에 중공부가 형성되고,
    상기 중공부의 선단측의 내벽면에 웨이트부재의 일단이 연결됨과 아울러, 상기 웨이트부재의 연결부분을 제외한 다른 부분과 상기 중공부의 내벽면 사이에 간극이 형성되고, 또한, 이 간극의 적어도 일부에 점탄성체가 충전되어 있고,
    또한, 상기 웨이트부재의 상기 내벽면에 연결된 일단과 반대측의 타단에는, 상기 웨이트부재의 내부를 파내서 구멍부가 형성되어 있고,
    상기 웨이트부재와 상기 점탄성체에 의해 동적진동흡수기가 구성되어, 상기 공구본체의 진동을 감쇠시켜 흡수하도록 한 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 공구본체는, 상기 구멍부 내부까지 도달하는 축부를 가지고 있고,
    상기 점탄성체가, 적어도, 상기 축부와 상기 구멍부 사이에 형성되는 간극의 일부에 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 중공부는, 상기 선단부로부터 상기 공구본체의 축선방향으로 연장되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 웨이트부재의 일단은, 소경의 축부를 이루고 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 공구본체가, 상기 중공부의 기단측에서 착탈가능하게 분할될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 웨이트부재가, 고밀도재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 진동감쇠공구.
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