KR20060069878A

KR20060069878A - 천공 가공 장치 및 천공 가공 방법

Info

Publication number: KR20060069878A
Application number: KR1020067007161A
Authority: KR
Inventors: 데루이에 다케마스; 이치키 데라시마
Original assignee: 가부시키가이샤 상가쿠렌케이키코큐슈; 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2004-10-14
Publication date: 2006-06-22
Also published as: DE112004001925T5; WO2005039800A1; US20070069003A1; CN1871077A; JPWO2005039800A1

Abstract

공구의 진행 방향으로만 진동을 입력함으로써 정밀한 천공 등의 천공 가공을 행한다. 진동체로서의 초음파 호른(1)과, 피가공물로서의 워크(W)를 천공 가공하는 천공 공구로서의 펀치(2)와, 펀치(2)의 진행 방향을 가이드하는 가이드 부시(3)와, 펀치(2)를 가이드 부시(3)에 대하여 부동 상태로 유지하기 위한 탄성체(4)와, 펀치(2)와 한 쌍의 천공 공구로서의 다이스(5)를 구비하며, 가이드 부시(3) 내에 펀치(2)를 탄성체(4)에 의해 부동 유지하고, 펀치(2)에 초음파 호른(1)에 의해 진동을 인가하여 워크(W)를 향하여 튕겨 내고, 펀치(2)를 워크(W)에 충돌시킴으로써 워크(W)를 천공 가공한다.

펀치, 천공, 부동 유지 부재, 탄성체, 가이드 부시, 다이스, 초음파 호른

Description

천공 가공 장치 및 천공 가공 방법{BORING DEVICE AND BORING METHOD}

본 발명은 피가공물을 초음파 등의 진동에 의해 천공 가공하는 천공 가공 장치 및 천공 가공 방법에 관한 것이다.

종래 피가공물에 대한 천공은 프레스 가공이나 방전 가공에 의해 행해지고 있다. 그런데, 프레스 가공에서는 구멍의 정밀도가 나쁘고, 방전 가공에 있어서는 비용이 든다는 문제가 있다. 따라서, 정밀하고 저렴한 천공을 행하는 것이 가능한 것으로서, 초음파 진동에 의한 초음파 가공이 알려져 있다.

초음파 진동을 이용하여 천공을 행하는 경우, 예컨대 특허 문헌 1에 기재된 바와 같이, 초음파 진동자 유닛에 공구를 직접 장착하고, 공구에 대하여 연속적으로 초음파 진동을 주면서 가공을 행한다. 또한 특허 문헌 1에는 초음파 진동자 유닛에 수직으로 정밀하게 공구를 부착함으로써 극미소 지름의 초음파 천공 가공을 가능하게 한다는 것이 기재되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 특허 공개 평 7-136818호 공보

특허 문헌 1에 기재된 바와 같이 초음파 진동자에 공구를 직접 부착한 것에서는, 공구의 진행 방향으로 종파의 초음파 진동을 인가하고 있지만, 공구의 진행 속도에 대하여 연속적으로 입력되는 진동이 너무 빠르기 때문에, 아무래도 공구에 대하여 횡파의 진동이 들어가게 된다. 따라서, 이러한 횡파의 진동을 받은 공구가 흔들려서 뚫린 구멍의 측벽에 닿게 되어 구멍의 측벽의 표면을 망가뜨리게 된다.

따라서 본 발명에서는, 정밀한 천공 가공을 행하는 것을 가능하게 한 천공 가공 장치 및 천공 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 천공 가공 장치는, 천공 공구와, 이 천공 공구의 진행 방향을 제한하는 가이드와, 천공 공구에 진동을 인가하여 튕겨 내기 위한 진동체와, 천공 공구를 소정 위치에 부동 유지함과 동시에, 소정 위치부터 변위된 경우 적어도 진동체에 접촉하는 위치까지 되돌리기 위한 복원력을 발생시키는 부동 유지 부재를 구비한 것이다. 한편, 본 발명에서 천공이란 펀칭 가공에 의해 형성하는 관통 구멍뿐만 아니라, 압출 가공에 의해 형성하는 바닥 있는 막힌 구멍을 포함한다.

진동체로는, 초음파 진동자에 의해 발생하는 초음파를 집속시키고, 그 끝단으로부터 초음파 진동을 발생하는 초음파 호른(ultrasonic horn), 압전 소자나 전왜 소자의 급속 변형에 따른 관성력을 이용하여 미소 진동을 발생하는 압전 액추에이터나, 해머로 펀치를 두드리고, 관성을 이용하여 해머의 타격력을 펀치를 통하여 전달하는 소위 해머 펀치 등의 간접 타격 공구에 의해 반복 타격을 가하는 것 등을 이용할 수 있다.

본 발명의 천공 가공 장치에 의하면, 소정 위치에 부동 유지된 천공 공구가 진동체로부터의 진동의 인가에 의해 튕겨져 나가 진동체로부터 벗어나고, 가이드에 의해 그 진행 방향을 제한받아 피가공물에 충돌한다. 이 때, 천공 공구는 진동체로부터 벗어나 있기 때문에, 그 진행 방향으로 진동하고 있으며, 충돌한 피가공물에 대하여 진행 방향의 힘을 가하여 천공 가공을 행한다.

또한 피가공물에 충돌한 천공 공구는, 부동 유지 부재의 복원력에 의해 적어도 진동체에 맞닿는 위치까지, 예컨대 튕겨져 나가기 전의 원래의 소정 위치로 되돌려져, 다시 진동체로부터의 진동의 인가를 받아 튕겨져 나간다. 즉, 천공 공구는 반복하여 진동체로부터 벗어나 피가공물에 충돌하게 되고, 반복하여 피가공물을 천공 가공한다.

여기서, 본 발명의 천공 가공 장치는 진동체를 천공 공구 측에 밀어넣는 압입 장치를 구비한 것이 바람직하다. 이러한 경우, 천공 공구는 피가공물 측에 밀려 들어가면서 진동체에 의해 진동이 인가되어 피가공물을 향하여 튕겨져 나가므로, 피가공물까지의 도달 거리가 작다. 따라서, 천공 공구는 전술한 경우보다 작은 진폭으로 진동체와 피가공물 사이를 왕복 운동하면서 서서히 피가공물을 천공 가공한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태의 천공 가공 장치를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 2A는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 2B는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 2C는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 2D는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 2E는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 2F는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 3A는 펀치와 워크간 접점부를 확대한 도면으로서, 바닥 있는 막힌 구멍을 형성하는 경우의 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 3B는 펀치와 워크간 접점부를 확대한 도면으로서, 바닥 있는 막힌 구멍을 형성하는 경우의 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 4A는 압입 장치에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 4B는 압입 장치에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 4C는 압입 장치에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 4D는 압입 장치에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 4E는 압입 장치에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 4F는 압입 장치에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

<부호의 설명>

1 : 초음파 호른 2 : 펀치

2a : 헤드부 2b : 가공부

2c : 몸체 축부 3 : 가이드 부시

3a, 3b : 가이드 구멍 4 : 탄성체

5 : 다이스 5a : 천공용 구멍

6 : 압입 장치

도 1은 본 발명의 실시 형태의 천공 가공 장치를 도시한 개략적인 단면도, 도 2A-F는 도 1의 천공 가공 장치에 의한 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 실시 형태의 천공 가공 장치는, 진동체로서의 초음파 호른(1)과, 피가공물로서의 워크(W)를 천공 가공하는 천공 공구로서의 펀치(2)와, 펀치(2)의 진행 방향을 가이드하는 가이드 부시(3)와, 펀치(2)를 가이드 부시(3)에 대하여 부동 상태에서 유지하기 위한 부동 지지 부재인 탄성체(4)와, 펀치(2)와 한 쌍의 천공 공구로서의 다이스(5)와, 초음파 호른(1)을 다이스(5) 측 즉 워크(W) 측으로 밀어넣는 압입 장치(6)를 구비한다.

초음파 호른(1)은 초음파 진동자(도시 생략)에 의해 발생하는 초음파를 집속시켜 그 끝단으로부터 초음파 진동을 발생하는 것이다. 초음파 호른(1)과 펀치(2)는 고정되어 있지 않다. 따라서, 초음파 호른(1)에 의해 펀치(2)의 후단부(헤드 부(2a))에 진동이 인가되면, 펀치(2)는 튕겨져 나가 초음파 호른(1)으로부터 벗어나서 진행한다.

펀치(2)는 초음파 호른(1)에 의해 진동이 인가되는 헤드부(2a)와, 워크(W)에 접촉하여 천공 가공을 실시하는 가공부(2b)와, 헤드부(2a)와 가공부(2b)를 연결하는 몸체 축부(2c)를 갖는다. 펀치(2)는 그 헤드부(2a)와 가이드 부시(3) 사이에 설치된 탄성체(4)에 의해 소정 위치(도 2A에 도시한 위치)에 부동 상태에서 유지되어 있다.

펀치(2)의 헤드부(2a)는 도 1에 도시한 바와 같이 초음파 호른(1)과의 접점부가 원호형 면으로 되어 있다. 초음파 호른(1)과 펀치(2)가 평면끼리 접촉하는 경우, 어느 하나의 면이 조금이라도 기울어져 있으면 편접촉을 일으키고, 펀치(2)를 똑바로 하방으로 쳐내기 어려워진다. 이에 대하여, 펀치(2)의 헤드부(2a)가 원호형 면, 보다 바람직하게는 구면으로 되어 있으면, 항상 펀치(2)의 중심축 상에 가까운 점에서 펀치(2)의 헤드부(2a)와 초음파 호른(1)이 접촉하게 되어, 펀치(2)를 똑바로 쳐내기가 쉬워진다. 또한 펀치(2)의 가공부(2a)의 끝단부의 단면 형상은 원형, 날개 형상, 사각형상, 삼각형상이나 타원 형상 등 임의의 형상으로 할 수 있다.

탄성체(4)는 적어도 초음파 호른(1)에 접촉하는 위치, 예컨대 도 2A에 도시한 소정 위치로의 복원력을 갖는 것으로서, 이 복원력에 의해 소정 위치로부터 변위된 펀치(2)를 소정 위치로 되돌리는 것이다. 탄성체(4)는 예컨대 스프링(판 스프링, 코일 스프링, 태엽, 공기 스프링, 고무), 댐퍼나 이들의 조합 등에 의해 구성된다.

다이스(5)는 펀치(2)와 함께 워크(W)를 끼워 지지하는 것이다. 다이스(5)는 펀치(2)의 가공부(2b)에 대응하는 천공용 구멍(5a)과 이 천공용 구멍(5a)에 접속된 테이퍼 형태의 구멍(5b)을 갖는다. 테이퍼 형태의 구멍(5b)은 천공 방향, 즉 천공 용 구멍(5a)과의 접속부로부터 다이스(5)의 하방(개방측)을 향하여 확대되는 구멍이다. 이 테이퍼 형태의 구멍(5b)에 의해 가공 후에 발생하는 천공밥(chip:천공시 생기는 부스러기)이 하방으로 용이하게 배출되어, 천공밥이 구멍에 잘 막히지 않게 된다.

가이드 부시(3)는 펀치(2)의 진행 방향을 제한하기 위하여, 펀치(2)의 헤드부(2a)가 그 내측을 슬라이딩하는 통 형태의 가이드 구멍(3a)과 펀치(2)의 가공부(2b)가 그 내측을 슬라이딩하는 통 형태의 가이드 구멍(3b)을 갖는다. 펀치(2)는 이들 가이드 구멍(3a, 3b)에 의해 그 몸체 축부(2c)의 축 방향 이외의 동작을 제한받는다. 한편, 전술한 탄성체(4)는 이 가이드 구멍(3a)의 하단과 펀치(2)의 헤드부(2a) 사이에 설치되어 있다.

한편, 펀치(2)의 헤드부(2a), 몸체 축부(2c), 가공부(2b) 및 가이드 부시(3)의 가이드 구멍(3a, 3b)은 그 지름이 펀치(2)의 천공 방향을 향하여 축소된 단차진 형상으로 되어 있다. 직경이 가장 큰 펀치(2)의 헤드부(2a)와 가이드 구멍(3a)의 부분에서 끼워맞춤을 조정하여 가공부(2b)와 가이드 구멍(3b)의 부분에 공차(allowance)를 주기 위해서이다. 가공부(2b)와 가이드 구멍(3b)의 부분에 공차를 주는 것은, 가공중에 가공부(2b)의 끝단이 과잉 응력을 받아 굽힘이나 좌굴 등의 변형에 의해 파손되지 않도록 하기 위해서이다.

또한 탄성체(4)는 펀치(2)의 헤드부(2a)와 몸체 축부(2c)간 단차 부분과 가이드 구멍(3a, 3b)의 단차 부분 사이에 끼워져 들어가는 형태로 유지되어 있다. 이러한 유지 형태로 함으로써, 펀치(2)를 가장 단순한 구조로 부동 유지하는 것이 가능해진다. 한편 도시하지 않았으나, 가이드 구멍(3a, 3b)의 외측에 탄성체를 설치하여 펀치(2)를 부동 유지하는 것도 가능하다.

상기 구성의 소성 가공 장치에 있어서, 초음파 진동을 발생하고 있는 초음파 호른(1)을 도 2A에 도시한 바와 같이 펀치(2)의 헤드부(2a)에 맞닿게 하면, 이 초음파 호른(1)으로부터 펀치(2)에 초음파 진동이 인가되어, 펀치(2)는 초음파 호른(1)에서 벗어나 워크(W)를 향하여 튕겨져 나간다. 이 때, 펀치(2)는 가이드 부시(3)의 가이드 구멍(3a, 3b)에 의해 그 헤드부(2a) 및 가공부(2b)의 축방향 이외의 동작이 제한되어 있다. 따라서, 펀치(2)는 좌우로 흔들리지 않고 워크(W)를 향하여 똑바로 진행하여 워크(W)에 도달한다.

그런 다음, 펀치(2)는 도 2B에 도시한 바와 같이 탄성체(4)의 복원력에 의해 초음파 호른(1)을 향하여 되튕겨 나와, 도 2C에 도시한 바와 같이 펀치(2)의 초기 위치로 되돌아간다. 그리고, 펀치(2)는 다시 초음파 호른(1)으로부터 초음파 진동의 인가를 받아 워크(W)를 향하여 튕겨져 나간다. 펀치(2)는 도 2D에 도시한 바와 같이 워크(W)에 도달하면, 다시 탄성력(4)의 복원력에 의해 초음파 호른(1)을 향하여 되튕겨 나온다.

이와 같이 펀치(2)는 초음파 호른(1)에서 벗어나 워크(W)에 충돌하는 동작을 반복하여 수행한다(도 2D, E 참조) . 이에 따라 워크(W)는 펀치(2)로부터 받는 반복력에 의해 정밀한 천공 가공이 이루어진다(도 2F 참조).

한편, 상기 실시 형태에서는 천공 가공으로서 펀칭 가공에 의해 관통 구멍을 형성하는 예에 대하여 설명하였으나, 이 천공 가공 장치를 이용하여 압출 가공함으로써 바닥 있는 막힌 구멍을 형성하는 것도 가능하다. 도 3A 및 도 3B는 펀치(2)와 워크(W)간 접점부를 확대한 도면으로서, 바닥 있는 막힌 구멍을 형성하는 경우의 천공 가공 공정을 도시하고 있다.

전술한 바와 같이, 초음파 호른(1)에 의해 진동이 인가되어, 도 3A에 도시한 바와 같이 되튕겨져 나온 펀치(2)의 가공부(2b)가 워크(W)에 반복 충돌하는 동작을 반복하여, 도 3B에 도시한 바와 같이 워크(W)를 다이스(5)의 천공용 구멍(5a)에 압출해 간다. 이에 따라 워크(W)에는 바닥(B)을 구비한 바닥 있는 막힌 구멍(C)이 형성된다.

한편, 상기 실시 형태에서는 천공 가공시에는 압입 장치(6)를 구동하지 않고, 초음파 호른(1)의 위치를 고정한 상태에서 천공 가공을 행한 예이지만, 천공 가공시에 이 압입 장치(6)에 의해 초음파 호른(1)을 워크(W) 측으로 밀어넣으면서 가공하는 것도 가능하다.

도 4A-4F는 압입 장치(6)에 의한 압입 동작을 수반하는 천공 가공 공정을 도시한 도면이다.

이 경우, 먼저 도 4A, 도 4B에 도시한 바와 같이 압입 장치(6)에 의해 초음파 호른(1) 및 펀치(2)를 펀치(2)의 몸체 축부(2c)의 끝단이 워크(W)의 상면과 접촉할 때까지 정적으로 밀어넣는다. 다음, 압입 장치(6)에 의해 밀어넣으면서, 초음파 호른(1)에 의해 펀치(2)에 초음파 진동을 인가한다(도 4C 참조).

이 때, 펀치(2)는 초음파 호른(1)으로부터 벗어나 워크(W)를 향하여 튕겨져 나오고, 탄성체(4)의 복원력에 의해 초음파 호른(1)을 향하여 되튕겨져 나와 초음파 호른(1)과 접촉한다. 펀치(2)는 이 동작을 반복하여 워크(W)에 대한 정밀한 천공 가공을 행하는데(도 4D, 도 4E, 도 4F 참조), 펀치(2)는 압입 장치(6)에 의해 워크(W) 측으로 밀려 들어가면서 튕겨져 나오고 있으므로, 워크(W)까지의 도달 거리가 작다.

따라서, 펀치(2)는 작은 진폭으로 초음파 호른(1)과 워크(W) 사이를 왕복 운동하면서 서서히 워크(W)를 천공 가공하게 된다. 이에 따라 펀치(2)의 끝단에 가해지는 충격력이 경감되므로, 펀치(2)의 수명을 연장시킬 수 있다. 워크(W)가 섬유 재료, 후재, 복합 재료 등인 경우에는, 이와 같이 압입 장치(6)에 의해 초음파 호른(1)을 워크(W) 측으로 밀어넣으면서 가공하는 것이 바람직하다.

한편, 압입 장치(6)에 의한 압입 속도는 판 두께(mm)×0.05~판 두께(mm)×5(/초) 정도, 즉 판 두께 1mm의 경우 0.05~5mm/초가 가장 바람직하다. 또한 초음파 진동수는 20~80kHz 정도, 최적의 초음파 진동수는 40kHz이다. 또한 초음파 출력은 워크(W)의 소재에 따라 크게 변화되는데, 50~1000W 정도, 예컨대 판 두께 O.5~1.0mm의 강판에서는 500~800W 정도, 판 두께 0.1mm의 호일에서는 200~400W 정도가 가장 바람직하다.

본 발명은 초음파 등의 진동을 이용하여 피가공물의 천공 가공을 행하는 장치 및 방법으로서 유용하며, 특히 정밀한 천공 가공에 적합하다.

본 발명에 의하면, 진행 방향을 제한하는 가이드 내에 천공 공구를 소정 위 치에 부동 유지하고, 천공 공구에 진동체에 의해 진동을 인가하여 피가공물을 향하여 튕겨 내고, 천공 공구를 피가공물에 충돌시키고, 소정 위치로부터 변위된 천공 공구를 적어도 진동체에 접촉하는 위치까지 되돌림으로써 피가공물에 대하여 천공 공구에 의해 진행 방향으로 진동을 입력하여 천공 가공을 행할 수 있으므로, 천공 공구의 진행 방향 이외의 흔들림이 방지되어 정밀한 천공 가공을 행하는 것이 가능해진다.

또한 천공 공구를 피가공물 측으로 밀어넣으면서 튕겨 냄으로써 천공 공구의 피가공물까지의 도달 거리가 작아지고, 작은 진폭으로 진동체와 피가공물 사이를 왕복 운동하면서 서서히 피가공물을 천공 가공하므로, 그 끝단에 가해지는 충격력이 경감된다. 이에 따라 천공 공구의 수명을 연장시키는 것이 가능해진다.

Claims

천공 공구와,

이 천공 공구의 진행 방향을 제한하는 가이드와,

상기 천공 공구에 진동을 인가하여 튕겨 내기 위한 진동체와,

상기 천공 공구를 소정 위치에 부동 유지함과 동시에, 상기 소정 위치로부터 변위된 경우에 적어도 상기 진동체에 접촉하는 위치까지 되돌리기 위한 복원력을 발생시키는 부동 유지 부재를 구비한 천공 가공 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 부동 유지 부재는 상기 천공 가공 공구를 상기 소정 위치로부터 변위시킨 경우 상기 소정 위치로 되돌리는 것을 특징으로 하는 천공 가공 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 진동체를 상기 천공 공구측으로 밀어넣는 압입 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 천공 가공 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 진동체는 상기 천공 공구에 대하여 상기 진동을 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 장치.
제 2 항에 있어서,

상기 진동체는 상기 천공 공구에 대하여 상기 진동을 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 진동체는 상기 천공 공구에 대하여 상기 진동을 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 장치.
진행 방향을 제한하는 가이드내에 천공 공구를 소정 위치에 부동 유지하고,

상기 천공 공구에 진동체에 의해 진동을 인가하여 피가공물을 향하여 튕겨 내고,

상기 천공 공구를 상기 피가공물에 충돌시키고,

상기 소정 위치로부터 변위된 상기 천공 공구를 적어도 상기 진동체에 접촉하는 위치까지 되돌림으로써 상기 피가공물을 천공 가공하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 소정 위치로부터 변위된 상기 천공 공구를 상기 소정 위치로 되돌리는 것을 특징으로 하는 천공 가공 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 천공 공구에 진동체에 의해 진동을 인가하여 피가공물을 향하여 튕겨낼 때, 상기 천공 공구를 상기 피가공물 측으로 밀어 넣으면서 튕겨 내는 것을 특징으로 하는 천공 가공 방법.
제 7 항에 있어서,

상기 천공 공구에 대하여 상기 진동체에 의해 상기 진동을 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 천공 공구에 대하여 상기 진동체에 의해 상기 진동을 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 방법.
제 9 항에 있어서,

상기 천공 공구에 대하여 상기 진동체에 의해 상기 진동을 반복 인가하는 것을 특징으로 하는 천공 가공 방법.