KR20070032037A - 헤드가 진동하는 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한쪽끝에는 회전하는 축 드라이버(5)를 맞물리기 위한 공구홀더 리세스(4)가 있고, 반대편 다른쪽끝에는 공구 리세스(7)가 있는 공구 홀더를 포함하는 공구에 관한 것이다. 공구 홀더는 공구 리세스(7)에 삽입될 수 있는 공구 헤드를 포함하고 있다.

최적의 작업을 위하여, 과거에는 공구 헤드를 진동시키기 위해 진동 유닛을 기계에 설치하려는 시도가 있었다. 그러나 이러한 방법은 가능한 모든 공구가 진동유닛에 맞게 조정되어야 한다는 단점이 있었다.

본 발명은 진동모터(9)가 있는 공구 홀더(2)를 사용함으로서 이러한 문제점을 극복하고자 한다.

진동, 공구, 공작기계, 피에조시스템, 코일

Description

헤드가 진동하는 공구{Tool with an oscillating head}

본 발명은 공구 홀더(tool holder)와 공구 홀더에 삽입되는 공구 헤드(tool head)를 갖춘 공구에 관한 것으로서, 공구홀더는 한쪽 끝에는 회전축 드라이버(rotary spindle driver)에 맞물리는 공구 홀더 리세스(recess)가 있고, 반대편 끝에는 공구 리세스가 있다.

일반적으로 공작기계에는 한쪽 끝에는 축 드라이버가 있는 진동축이 있는데, 여기에는 작업할 제품이나 목적 형태에 따라서 여러가지 공구, 특히 커팅헤드(cutting head)가 삽입되어질 수 있다.

최적의 작업을 위하여, 과거에는 공구 헤드를 진동시키기 위해 공작기계의 축에 진동 유닛을 설치하는 것이 시도되어 졌다. 이러한 알려진 구조의 단점은 진동유닛에 적합하도록 모든 공구를 조정할 필요가 있다는 점이다. 이러한 방법은 공구 자체가 진동하기 때문에 진동수와 진폭을 상쇄하고 나아가 상당한 양의 열을 발생시키기 때문에, 비용이 많이 들고 종종 실패하였다.

본 발명은 예정된 진동수 범위내에서 가장 효과적인 방법으로 운전되어질 수 있는 공구를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적은 진동 모터를 포함하는 본 발명에 의한 공구에 의하여 달성되어 질 수 있다.

본 발명의 장점은 공구가 더 이상 공작기계의 진동유닛에 맞게 조정되어질 필요가 없다는 것이다. 오히려 본 발명에 의하면, 공구들은 거기에 맞추어 조정되어진 진동모터가 있으므로, 공구는 표준화된 방법으로 생산될 수 있다. 진동모터는 공구 밖에 있는 종래의 고주파 발전기(high frequency generator)에 연결된다. 상기 고주파 발생기는 17~60kHz 주파수 범위의 교류 전압을 발생하는데, 이는 기본적으로 공구의 진동수와 일치한다. 여기서 최대 40,000RPM의 속도로 회전하면서 동시에 100㎛의 축의 길이 방향 팽창이 가능하다. 여러 가지 다양한 적용을 위하여 다양한 진동수 범위에 적용될 수 있는 서로 다른 진동 모터를 제공하는 것이 가능하다. 능동적으로 공구를 작동시키는 것 이외에, 본 발명에 의한 공구는 공정 센서로서 사용되고, 제조공정에서 공정 데이터를 수집하기 위하여 사용될 수도 있다.

본 발명의 제1 실시예에 의하면, 진동 모터는 강자성 시스템(ferro-magnetic system)에 의해 공구 홀더를 진동시킨다. 본 실시예에서 공구 홀더는 가해지는 교류전압의 주파수의 극성에 따라 극성이 변하게 되어, 영구히 변화하는 전자기장에 의해 공구 홀더는 진동하게 된다. 본 실시예에서는 진동하는 공구로의 전기 에너지의 전달이 필요하지 않다.

바람직하게 강자성시스템은 위치상 고정된 여자코일(exciter coil)과 공구홀더에 토크를 보전할 수 있는 방법(torque-proof manner)으로 설치된 강자성 헤드를 포함하고 있다. 강자성헤드는 예를 들어 강자성 세라믹과 같이 강자성 물질로 만들어진다.

바람직하게, 진동모터는 여자코일과 비접촉방식으로 운전된다. 이로부터 나오는 장점은 특히 잘 닳지 않고, 예를들어 냉각제의 유출과 같은 문제가 없이 운전이 가능하다는 점이다.

강자성 헤드는 원주방향으로 여자 코일에 의해 둘러싸여질 수 있다. 이로서 진동 모터가 일정하고 강한 진동을 할 수 있는 균일한 전기장을 만들 수 있다.

바람직하게 피복 튜브(cladding tube)는 강자성헤드와 여자코일 사이에 위치하는데, 피복 튜브는 세라믹이나 탄소 화이바와 같은 물질로 만드는 것이 좋다. 어떤 경우에도 피복 튜브는 비자성물질로 만들어져야 하는데, 이는 강자성 헤드가 여자 코일의 전자기장내에 위치하기 때문이다.

피복 튜브는 회전 공구에 대하여 위치상 고정된 위치에 설치될 수도 있고, 또한 대안으로서 칼라(collar)와 같이 공구홀더에 결합되어질 수도 있다. 두 번째 실시예에서 튜브를 고정시키는 것(holding tube)은 칼라를 고정시키는 결합부분(integral component of the holding collar)이고 함께 회전하게 된다.

본 발명의 제2실시예에 의하면, 진동모터는 피에조 시스템(piezo-system)에 의해 공구 홀더를 진동시킨다. 이 경우에 전기 에너지는 회전하는 공구로 전달되어지고 진동이 공구 내에서 형성되어 진다.

피에조 시스템은 고정된 제1 코일, 그로부터 일정한 거리에 공구 홀더에 연결된 제2코일을 포함하는데, 제2코일은 피에조 작동기(actuator)에 연결되어 있다. 피에조 작동기는 원형으로 공구 리세스를 둘러싸고 교류전압이 가해지면, 예를 들어 8㎛의 진폭을 가지면서 진동하게 된다. 여러개의 피에조 작동기가 서로의 표면(top)위에 설치되어져서 전기적으로 연결이 되면, 진폭이 더욱 커질 수 있다.

제1과 제2코일은 서로의 표면위에 위치하며, 공구 홀더를 원형으로 감싼다. 이 실시예는 역시 진동모터의 비접촉(touchless) 여기를 가능하게 한다.

위에서 설명되어진 실시예의 대안으로서, 피에조 시스템은 공구홀더에 고정되는 슬립 링(slip ring)에 접하는 최소한 2개이상의 고정된 탄소 브러쉬를 포함하는 것이 바람직한데, 슬립링은 피에조 작동기에 연결되어진다. 이 실시예는 전기 코일을 사용하지 않고도 운전되어질 수 있는데, 이는 전기 에너지는 탄소 브러쉬와 슬립링을 거쳐서 공구에 전달되어지며, 피에조 작동기에 의해 공구에서 진동이 생성된다.

모든 실시예는 축방향으로 연장되어지는 냉각제 채널이 있는 공구 홀더를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 실시예는 공구 헤드 뿐 아니라, 진동모터도 냉각시킬 수 있다.

도 1은 강자성 시스템을 가지는 본 발명의 제1실시예로서 축 드라이버에 삽입된 공구홀더의 단면도,

도 2는 강자성 시스템을 가지는 본 발명의 제2실시예로서 공구의 단면도,

도 3은 피에조 시스템을 가지는 본 발명의 제3실시예로서 축 드라이버에 삽입된 공구 홀더의 단면도,

도 4는 피에조 시스템을 가지는 본 발명의 제4실시예로서 축 드라이버에 삽입된 공구 홀더의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 기호의 설명>

1 공구

2 공구 홀더

3 공구홀더의 제1부분/상단부

4 공구 홀더 리세스

5 축 드라이버

6 공구홀더의 제2부분/하단부

7 공구 리세스

8 공구 헤드

9 진동모터

10a 강자성 시스템

10b 피에조 시스템

11 고정된 여자코일

12 피복 튜브

13 제1 고정 코일

14 제2 코일

15 고주파 발전기

16 피에조-작동기

17a 제1 탄소 브러쉬

17b 제2 탄소 브러쉬

18 슬립 링

19 냉각제 채널

20 주 축 샤프트

21 피복 튜브의 상단면

22 피복 튜브의 하단면

23 지지부

24 너트

25 강자성 헤드

아래에서 본 발명은 4개의 도면을 사용하여 상세하게 설명되어진다.

도 1은 공구 홀더(2)의 제1 실시예의 단면도인데, 공구홀더는 상단부(3)에 위치하는 원뿔형의 공구 홀더 리세스(4)에 의해, 자세히 도시하지는 않았지만 보완적인 형태의 공작기계의 축 드라이버(5)에 삽입되어져서 회전으로부터 완전하게 고정된다.

공구 홀더(2)는 2개의 부분으로 설계되어지며, 지지부(23)와 주축 샤프트(20)를 포함하며, 이는 너트(24)에 의해 고정되어지고 지지부(23)로부터 연장된다. 토크는 축 드라이버(5)로부터 지지부(23)의 결합 부분인 공구 홀더 리세스(4)로 전달되어지고, 다시 주 축 샤프트(20)로 전달된다.

주축 샤프트(20)는 일반적으로 지지부(23)의 공구 리세스(7)에 의해 지지되어지는데, 상기 지지는 축방향으로의 주축 샤프트(20)의 진동을 가능하게 하는 라비린스 베어링(labyrinth bearing)이다.

강자성 헤드(25)는 주 축 샤프트(20) 위에 위치하며, 공구 홀더(2)의 지지부(23)에 삽입된 피복 튜브(12)에 의해 둘러싸여져 있다. 이 실시예에서 피복 튜브(12)는 강자성 헤드(25)와 주 축 샤프트(20)와 함께 회전한다.

공구홀더(2)는 그로부터 방사형으로 일정거리에 고정된 여자 코일(11)에 의해 둘러싸여 있고, 이로서 전기장이 발생할 수 있다. 여자 코일(11)은 고주파 발전기(15)로부터의 교류 전압에 의해 영향을 받아서, 전자기장의 극성이 규칙적으로 변하게 한다. 전자기장은 강자성 헤드(25)와 주 축 샤프트(20)를 도 1에는 표시되지 않았지만 여기에 연결된 공구 헤드(8)와 함께 진동시킨다. 강자성 헤드(25)와 여자 코일(11)은 결합하여서 진동모터(9)의 강자성 시스템(10a)을 형성한다.

도 2에서의 공구 헤드(8)로의 냉각제의 공급은 축 드라이버(5)를 통해 지지부(23)와 속이 빈 주 축 샤프트(20)로 연장되는 냉각제 채널(19)을 거쳐 이루어진다. 여기서 냉각제는 공구 홀더(2)를 통하여 공급된다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 공구(1)의 단면도이다. 공구(1)는 공구 리세스(7)로서 원뿔형의 나사 구멍을 갖춘 하부(6)를 가지고 있는 공구 홀더(2)를 포함하고 있다. 원뿔형의 나사가 있는 공구 헤드(8)는 공구 리세스(7)에 끼워진다.

공구 홀더(2)는 중심에 위치하며, 도 2에서는 도시되지 않았지만 축 드라이버(5)로부터 말단에 결합되는 공구헤드(8)까지 관형태로 연결되어지는 주 축 샤프트(20)를 포함한다. 주 축 샤프트(20)는 공작 기계의 토크를 공구 헤드(8)로 전달하고, 나아가 공구헤드(8)로 냉각제를 일정하게 공급한다. 이러한 목적 때문에 주 축 샤프트(20)는 냉각제 채널(19)이 있는 원통형이다.

강자성 헤드(25)는 주 축 샤프트(20)에 토크를 보전할 수 있는 방법으로 연결된다. 알려진 샤프트-칼라 연결(shaft-collar connection)이 회전을 정지시키는데 사용된다.

강자성헤드(25)는 강자성 시스템(10a)의 구성요소인데, 강자성시스템은 그 외에 위치상 고정되어진 여자코일(11)을 추가로 포함하고 있다.

여자코일(11)은 여자코일(11)의 축배열이 강자성헤드(25)의 축 배열과 일치하며, 강자성 헤드(25)의 주위에 그 중심축이 일치하게 배치된다.

탄소화이버로 만든 고정된 피복 튜브(12)는 강자성 헤드(25)로부터 기계적으 로 분리되고 강자성헤드를 둘러싼다. 상기 피복 튜브(12)는 여자 코일(11)로부터 진동 모터(9)를 전기적으로 분리시킨다.

피복 튜브(12)는 원주방향으로 강자성헤드(25)를 완전히 둘러싸고, 상단부(21)와 하단부(22)에서 열려(open) 있다. 공작기계가 운전되는 동안에는 냉각제는 여러지점에 존재하게 되고, 냉각제 채널(19)을 통하여 공구헤드(8)에 공급될 뿐 아니라, 주 축 샤프트(20)의 외벽을 통해서도 흐리게 된다. 피복 튜브(12)가 외부에 노출되어 설치되었기 때문에 주 축 샤프트(20) 및/또는 강자성 헤드(25)와 피복 튜브(12)사이의 원형 공간에서의 냉각제가 막히는 현상을 피할 수 있다.

피복 튜브(12)의 축 길이는 고정된 강자성헤드(25) 또는 고정된 여자 코일(11)의 축 연장길이보다 상당히 길어야 한다. 이렇게 함으로서 여자 코일(11)과 강자성 헤드(25)사이의 냉각제의 튀김에 의한 단락을 방지할 수 있다.

본 발명의 세 번째 실시예는 도 3에서 보여지는데, 공구(1)의 진동은 진동모터(9)로서 피에조 시스템(10b)에 의해 이루어진다. 피에조 시스템(piezo system)(10b)의 기본적인 구성요소는 제1과 제2 코일(13,14)과 공구홀더에 위치하는 피에조-작동기(16)이다. 여기서 공구홀더(2)는 공구 홀더 리세스(4)를 통하여 축 드라이버(5)에 토크를 보전할 수 있는 방법으로 연결되어진다.

공구홀더(2)의 구조는 두부분이 아니라 세부분이다. 지지부(23)와 주 축 샤프트(20)이외에 도 3에서의 실시예는 지지부(23)에 고정되어지는 제2코일(14)을 포함한다.

제1 고정코일(13)은 축 드라이버(5)와 제2코일(14)사이에 위치한다. 상기 제1코일(13)은 공구(1) 외부에 위치하는 고주파발전기(15)에 전선으로 연결되어져 있고, 고주파 전압이 이로부터 공급되어진다.

제2코일(14)은 원주방향으로 공구 홀더(2)를 완전히 감싸고, 공구홀더(2)에서 서로의 표면위에 설치된 2개의 피에조-작동기(16)에 연결된다. 여기서 제2코일(14)은 피에조 작동기(16)의 높이에서 축방향으로 위치한다. 양 코일(13,14)은 기본적으로 공구홀더(2)로부터 분리될 수 있도록 설계된다.

본발명의 4번째 실시예는 도 4에서의 피에조 시스템에 기초한다. 위에서 언급된 실시예와의 차이점은 공구 헤드(2)로의 전기 공급이 비접촉식은 아니지만, 2개의 케이블 브러쉬(17a, 17b)와 공구홀더(2)에 위치하는 슬립링(18)을 구비하고 있다.

케이블 브러쉬(17a,17b)는 공구홀더(2)의 반대편에 위치하며, 제1 탄소 브러쉬(17a)는 전압 출력(voltage output)에 연결되고, 제2 탄소 브러쉬(17b)는 고주파 발전기(15)의 접지(ground)에 연결된다. 각각의 케이블 브러쉬(17a, 17b)는 슬립링(18)에 접촉하는데, 2개의 슬립링(18)은 전기적으로 각각 분리되어 있다.

슬립링(18)은 원주방향으로 공구 홀더(2)를 완전히 둘러싸고, 각각의 표면위에 연결된 4개의 피에조 작동기(16)에 연결된다. 이들은 진동모터(9)의 진동수를 결정한다.

원뿔형의 구멍이 공구 홀더(2)의 제2 말단(6)에서 공구 리세스(7)로서 인식될 수 있다. 공구 리세스(7)는 공구 홀더(2)를 통하여 축방향으로 연장되는 냉각제 채널(19)에 연결된다.

본 발명에 의하여 예정된 진동수 범위내에서 가장 효과적인 방법으로 운전되어질 수 있는 공구를 제공할 수 있다.

Claims (16)

1. 한쪽끝은 진동하는 축 드라이버(5)를 수용하는 공구 홀더 리세스(4)가 있으며, 반대편 다른쪽은 공구 리세스(7)와 공구 리세스(7)에 삽입될 수 있는 공구 헤드(8)가 있는 공구홀더(2)를 구비한 공구에 있어서, 상기 공구 홀더(2)가 진동모터(9)를 구성하는 것을 특징으로 하는 헤드가 진동하는 공구.
2. 제1항에 있어서, 진동모터(9)는 강자성시스템(10a)을 통하여 공구 홀더(2)를 진동시키는 것을 특징으로하는 공구.(도 1, 2)
3. 제2항에 있어서, 상기 상자성 시스템(10a)은 위치상 고정된 여자 코일(11)과 토크를 보전할 수 있는 방법으로 공구 홀더(2)에 위치하는 강자성 헤드(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
4. 제3항에 있어서, 강자성 헤드(25)는 비접촉방식으로 여자 코일(11)과 상호 운전되는 것을 특징으로 하는 공구.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 강자성 헤드(25)는 중심이 같은 여자 코일(11)에 의해 원주 방향으로 완전히 둘러싸인 것을 특징으로 하는 공구
6. 제3항 내지 제5항중 어느 한 항에 있어서, 피복 튜브(12)가 강자성 헤드(25)와 여자 코일(11)사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 공구.
7. 제6항에 있어서, 피복튜브(12)는 비자성 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 공구.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 피복튜브(12)는 위치상 고정되어진 방법으로 설치된 것을 특징으로 하는 공구.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 피복튜브(12)는 공구홀더(2)와 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 공구.
10. 제1항에 있어서, 진동모터(9)는 피에조 시스템(10b)을 통하여 공구 홀더(2)를 진동시키는 것을 특징으로 하는 공구.
11. 제10항에 있어서, 피에조 시스템(10b)은 제1 고정 코일(13)과 이로부터 일정거리 떨어져서 공구 홀더(2)에 결합된 제2 고정 코일(14)을 포함하며, 제2코일(14)이 피에조-작동기(16)에 연결된 것을 특징으로 하는 공구.
12. 제11항에 있어서, 제1과 제2 코일(13,14)이 원형으로 공구홀더(2)를 둘러싸 는 것을 특징으로 하는 공구.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 제1과 제2코일(13,14)이 서로의 표면 위에 설치되는 것을 특징으로 하는 공구.
14. 제10항에 있어서, 피에조 시스템(10b)은 최소한 2개의 고정된 탄소 브러쉬(17a,17b)를 포함하며, 상기 탄소 브러쉬는 공구 홀더(2)에 위치하는 슬립링(18)과 접촉하며, 슬립링은 피에조-작동기(16)에 연결되는 것을 특징으로 하는 공구.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 코일(11,13)이 고주파 발전기(15)에 연결된 것을 특징으로 하는 공구.
16. 제 1항 내지 제15항 중 어느 한 한에 있어서, 공구 홀더(2)는 축방향으로 연장되는 냉각제 채널(19)을 가지는 것을 특징으로 하는 공구.

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