KR20100093257A - 내구성이 향상된 툴 클램핑 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 머시닝센터 주축의 중심에 위치한 드로바(6)에 장착된 헬리컬 디스크 스프링(8)을 강제적으로 인장한 후 그 복원력에 의하여 클램핑 유닛(도1)을 클램핑하고, 후방의 유압 실린더(도4)에 공급되는 유압에 의해 상기의 복원된 헬리컬 디스크 스프링(8)을 다시 인장하여 상기 클램핑 유닛을 언클램핑시키는 공작기계 주축의 툴 클램핑 장치에 관한 것으로서, 스핀들(5) 외주에 배치된 모터의 회전동력을 상기의 클램핑 유닛으로 전달시키는 스핀들과; 상기의 스핀들 내부 중심에 장착되어 상기의 클램핑 유닛과 언클램핑 유닛을 연결하는 드로바(6); 상기의 드로바에 끼워진 형태로 인장 후의 탄성 복원력을 이용하여 상기의 클램핑 유닛을 작동시키는 헬리컬 디스크 스프링(8); 상기 드로바의 끝에 고정되어 쐐기 효과에 의해 배력을 발생시키는 클램핑콘(2); 상기 클램핑콘 둘레에 배치되어 클램핑콘에 전달된 힘을 다시 공구를 물고 있는 툴홀더(HSK) 및 스핀들로 전달하고 그 힘에 의해 툴홀더와 스핀들을 분리가능하게 결합시키는 복수의 그리퍼(1)를 포함하여 구성되는 툴 클램핑 장치에 있어서, 상기의 그리퍼에서 클램핑콘과 슬라이딩 접촉하는 접촉면을 양분함으로서 접촉 지점의 수를 2배로 증가하고, 이에 따라 개별 접촉 지점에 가해지는 압력을 절반으로 감소시킴으로서 충격적 마찰에 의해 마모되는 클램핑 유닛의 가장 중요한 성능의 하나인 내구성을 향상시킨 장치를 제공한다.

스핀들, 드로바, 헬리컬 디스크 스프링, 클램핑콘, 그리퍼, 툴홀더.

Description

내구성이 향상된 툴 클램핑 유닛{Clamping unit having high durability}

본 발명은 고속용 머시닝센터에 있어서 주축장치의 툴 클램핑 유닛에 관한 것으로서, 상세하게는 드로바의 끝에 고정된 클램핑콘의 둘레에 등간격으로 배치된 복수 개의 그리퍼에 있어서, 이 클램핑콘의 경사면과 고속으로 슬라이딩 접촉하는 그리퍼의 경사면을 2개 영역으로 분리하여 접촉부에 가해지는 슬라이딩 운동 에너지의 양을 절반으로 줄임으로서 접촉면의 내마모성을 개선하여 작동 수명을 연장시킨 툴 클램핑 장치에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 초정밀 금형 분야나 우주항공 분야는 수 만 rpm 급의 초고속 회전의 주축 장치를 가진 머시닝센터가 요구되고 있으며, 툴(공구)을 장착하는 툴홀더 역시 HSK(독어:Hohl Shaft Kegel, 영어:Hollow-shank taper)라 부르는 2면 구속(Dual Contact)의 새로운 구조를 가진 홀더의 사용이 급증하고 있는 중이다.

4만 내지 5만 rpm 급의 초고속 머시닝 센터에서는 가공표면의 조도에 치명적인 영향을 미치는 회전정밀도와 더불어, 동력전달 매카니즘에 필연적으로 수반되는 툴홀더(4, HSK)와 스핀들(5) 간의 결합 및 결합 해제 과정에 소요되는 클램핑/언클 램핑 시의 슬라이딩 마찰로 인한 마모가 그 기본 성능을 크게 좌우하는 요소가 되어 왔다.

그러나 종래기술에 의한 클램핑 유닛은 클램핑콘 외주에 배치된 그리퍼의 개수가 4개 내지 6개로 구성되어 접촉 시에 그리퍼 1 개에 가해지는 힘이 수 백 Newton에 이른다.

도 1의 B, B'로 표시된 경사부에서 클램핑콘의 후진에 따라 그리퍼의 반경방향 내면의 원추형 경사면이 클램핑콘 반경방향 외면의 원추형 경사면과 슬라이딩 접촉하게 된다. 이 때 그리퍼에서 2단계의 경사면 중 각도가 작은 하단의 경사면은 클램핑콘의 경사면 중 각도가 작은 상단의 경사면과 접촉하는 위치가 큰 클램프력이 걸리는 클램핑 동작의 마지막 단계인 데, 여기서도 클램핑콘의 볼록한 원추면과 그리퍼의 오목한 원추면이 100% 면접촉 상태를 유지되게 하는 것은 기계 가공의 현실적 측면에서 볼 때 어려운 과제이다. 실제로 수 백만회의 내구성 착탈 시험에서 나타난 결과는 점접촉 상태에서 출발하여 선접촉 상태를 거쳐, 다시 국부적 면접촉 상태로 되는 점진적 이행과정을 거치는 데, 내구성 착탈 시험기를 1일 12시간 가동하는 수준으로 수 개월에 걸쳐 약 50kg/cm2 의 압력을 걸어 150 만회 이상 시험을 한 결과, 최종적 마모 흔적은 그 면적이 몇 mm2에 불과하며, 전체 마모 과정의 대부분이 점접촉이나 선접촉 상태로 작동되거나 매우 작은 면 접촉의 상태로 작동되었음을 알 수 있다.

회전정밀도의 향상을 위해 클램핑 유닛(도1)의 부품들 및 드로바(6)/헬리컬 디스크 스프링(8) 조립체의 가공에서 초정밀급의 공차가 요구될 뿐만 아니라 엄격 한 밸런스 시험을 거치게 되어있다. 또한 내마모성 향상을 위해서는 특수 열처리를 거친 고가의 특수강이 요구되며, 아울러 슬라이딩 표면은 DLC(Diamond-like carbon)라는 고가의 코팅처리를 한 후, 수 백만회의 내구성 시험을 거치도록 되어있다.

본 발명에서 주로 다루어지는 내마모성의 향상 문제는 고가 장비의 운용 중 마모 부품의 교체로 인한 가동 중단에 따른 비용 뿐만 아니라, 또한 서로 접촉하는 상대 부품까지 모두 교체되야 함으로서 그 비용이 또한 만만하지 않다는 점에서 그 중요성이 크다.

또한 내구성 시험은 통상 100만 내지 200만회 정도의 시험을 거치며 분당 10회 정도의 정상적인 착탈 시험 주기를 감안할 때 그 시험에만 최소 몇 개월의 시간이 소요된다.

본 발명은 재질의 선택이나 열처리의 단계에서 최적의 경도를 찾아내고, 그리고 표면조도의 개선으로 마찰계수의 최소화를 도모한 후, 수 백만회의 내구성 시험을 실시한 결과에 따라 도출된 아이디어로서, 슬라이딩 운동시 면접촉이 되면 이상적이겠으나 현실적으로 클램핑 유닛의 구조적 특성상 면접촉을 기대하기는 힘들다는 점에 착안한 것이다.

또한 예를 들어 그리퍼가 6 개일 경우 12 개소의 접촉 지점이 형성되는 데, 이로 인한 힘의 분산 원리는 만약 그리퍼가 3 개일 경우 6 개소의 접촉 지점이 형성되는 경우와 비교해 보면 쉽게 이해가 된다. 그러나 그 이상이 되면 개별 그리퍼의 강도가 가해지는 힘에 비해 너무 약해지며 아울러 가공 및 조립상의 애로에 봉 착하게 된다.

그러나 접촉 초기부터 어느 정도의 면접촉이 이루어지면 사용에 따른 마모가 다소 완화되겠지만 현실적으로 사정이 그렇지 못함으로 인해 고압의 충격성 마찰에 인해 필연적으로 마모가 발생되고, 비록 적은 양의 마모라도 그 한계를 넘게 되면 초정밀 가공의 작업에선 가공 정밀도에 지대한 영향을 미친다. 따라서 우수한 내구성의 확보를 위해 엄청난 회수의 내구성 시험을 거치는 이유가 여기에 있다.

이와 같은 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 클램핑 장치는 클램핑콘 외주에 등간격으로 배치되어 반경방향 내측의 경사면에서 상기의 클램핑콘의 외주 경사면과 슬라이딩 접촉하고, 반경방향 외측에서 상기 스핀들 내경의 경사면 및 상기 툴홀더의 섕크부 내경의 경사면과 단속적으로 접촉하는 그리퍼; 그 외경의 경사면이 상기 그리퍼의 내측 경사면과 슬라이딩 접촉하고, 그 내경의 나사부에 의해 상기 드로바 축과 고정결합되어 있는 클램핑콘; 상기 그리퍼의 상단 경사부와 접촉하며 이 그리퍼와 경사 접촉하고 있는 스페이서로 구성된 클램핑 장치에 있어서, 상기의 그리퍼의 하단 머리 부분의 반경방향 내측 경사부 및 상단 꼬리 부분의 반경방향 내측 경사부가 2개의 영역으로 분리된 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이, 본 발명의 클램핑 장치는 다음에 설명되는 여러 실시예에 따른 방법에 의해 접촉 지점을 2 분할 함으로서 개별 그리퍼에 가해지는 충격성 슬라이딩력을 절반으로 줄일 수 있고, 이는 내구 수명의 연장을 가져와 교체 부품비 의 감소, 부품 교체를 위한 작업 중단 시간의 감소를 통해 가공 원가를 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 첨부한 도면에 의거 본 발명의 구조와 작동을 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 클램핑 유닛을 도시한 도 1에서, 외주에 고속 모터(도시 안됨)로 둘러싸인 스핀들(5)의 내경 하방 테이퍼 소켓부에 툴홀더(4)가 분리/결합 가능하게 위치하고, 클램핑 유닛 조립체는 스핀들(5)과 툴홀더(4)가 결합되는 부분의 내부 대략의 중심에 위치한다. 클램핑 동작에서는 언클램핑 동작에서 하방으로 강제 인장되었던 헬리컬 디스크 스프링(8)이 언클램핑 유닛(도2 참조)에 가압된 하방 유압이 유압 피스톤의 작용에 의해 상방 유압으로 변함에 따라 반대 방향 즉, 상방으로의 복귀 저항 조건이 해소된 후 스프링(7) 자체의 탄성 복원력에 의해 상방으로 당겨진다. 이 때 드로바(6)의 하방 끝 부분에 나사 결합 고정된 클램핑콘(2)은 그 외주에 등간격으로 배치된 복수 개의 그리퍼(1)를 쐐기(wedge) 작용에 의해 반경방향 외측으로 밀면서 소정의 스트로크만큼 상방으로 이동한다.

참고로 상기 쐐기 작용에 의해 증폭되는 힘의 원리는 다음의 계산식에 따른다.

P = R * 2 sin Q

여기서 Q는 쐐기 꼭지각의 1/2이며, R은 원추 경사면에 수직으로 작용하는 분력이고 P는 쐐기의 진행 방향으로 가해진 힘이다. 이 공식에 의하면, 쐐기각(2Q)이 60도이면 배력의 이득은 없고 30도이면 약 2배의 이득, 20도이면 약 3배의 이득을 얻게 된다.

이 후 다시 언클램핑 동작으로 전환될 때는 상기 유압실린더의 유압 피스톤에서 클램핑 동작 때와는 달리 반대 쪽 유압실에 유압이 작용되고 이 피스톤과 직결된 드로바(6) 축은 하방으로 밀려진다. 그리고 드로바(6) 축의 최하단에 나사 결합에 의해 고정식으로 결합된 클램핑콘(2)은 소정의 스트로크만큼 하방으로 이동한다. 이 때 그리퍼(1)에서 상단 꼬리부(1b)의 또 다른 경사면과 비스듬히 접촉해 있는 스페이서(3)의 돌출부의 경사부는, 압축 스프링(7)의 힘에 의해 그리퍼(1)를 항상 축방향의 하방 및 반경방향 내측으로 밀고 있다.

그리퍼(1)의 반경방향 외측에는, 스핀들(5)의 내경부에 있는 경사면과, 축방향의 하측에 있는 툴홀더(4)의 중공 테이퍼 섕크부의 내경부에 있는 경사면을 동시에 단속적으로 접촉하여 상기 스핀들과 상기 툴홀더를 축방향으로 서로 끌어당겨 밀착시킴으로서 회전력을 전달하는 2개의 경사면(A, A')을 가진다.

여기서 그리퍼(1)의 반경방향 외측의 그리퍼 꼬리 부분(1b) 쪽 경사면은 항상 스핀들(5) 내경의 경사부와 면접촉 상태를 유지하고 있으나 언클램핑 시에는 그 접촉 면적이 줄어들어 대응하는 경사면과 서로 끝 부분만이 걸린 상태가 된다. 상기 그리퍼(1)의 머리 부분(1a)은 반경방향의 내측으로 경사져 있음으로서 복수 개의 전체 그리퍼(1)들은 클램핑콘(2)의 외주의 상대적으로 큰 직경의 원추형 외주에서 상대적으로 작은 직경을 가진 그리퍼(1) 몸통부 외주 위로 내려오게 된다. 즉, 소정의 개수의 그리퍼(6)들의 머리부는 전체적으로 볼 때 서로 반경방향 내측으로 모아지게 된다. 물론 여기에서 모아지는 현상은 상부의 스페이서(3) 돌출부의 경사부에서 하방으로 밀어주는 힘이 있기 때문에 가능한 일이다.

그리퍼(1)의 반경방향 내측에는, 클램핑콘(2)의 반경방향 외측에 있는 원추형 경사면과 대응하는 2개의 경사면(B, B')을 가지며, 이 2개의 경사면도 반경방향 외측의 경사면과 마찬가지로 축방향으로 소정의 거리만큼 이격되어 있을뿐만 아니라 반경방향으로도 동일한 거리만큼 소정의 양만큼 옵셋되어 있으며, 동작시에는 약간의 축방향 이동을 하지만 기본적인 동작은 반경방향 외측으로 상하방이 평행하게 이동해서 툴홀더(4)를 스핀들(5) 쪽으로 당겨 붙였다 뗐다 하는 역할을 한다.

도 1은 종래 기술의 클램핑 장치에서 클램핑 및 언클램핑 상태를 동시에 보여주는 단면 개략도이다.

도 2는 종래 기술의 클램핑 장치 및 언클램핑 장치를 포함한 조립도이다.

도 3은 종래 기술의 클램핑 장치 중 그리퍼, 클램핑콘 및 스페이서를 보여주는 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼를 보여주는 사시도이다.

도 5은 본 발명의 다른 실시예에 따른 그리퍼를 보여주는 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 그리퍼 2 : 클램핑콘

3 : 스페이서 4 : 툴홀더

5 : 스핀들 6 : 드로바

7 : 압축스프링 A,A' : 클램핑 원추형 경사면

B,B' : 슬라이딩 원추형 경사면 1a : 그리퍼의 머리 부분

1b : 그리퍼의 꼬리 부분

Claims (5)

1. 내경부에 클램핑 유닛(도1) 및 드로바(6)를 담고 있으며 외주부에 고속 모터(도시 안됨)로 둘러싸인 실린더형의 스핀들(5), 상기 스핀들의 내경 하방 테이퍼 소켓부에 분리/결합 가능하게 위치하여 공구(툴)를 물고 있는 툴홀더(4), 상기 스핀들(5)과 툴홀더(4)의 단속적인 결합을 위해 드로바(6)의 하방 단부에 고정결합된 클램핑콘(2), 상기 클램핑콘(2)의 외주부에 등간격으로 배치된 복수 개의 그리퍼(1), 상기 그리퍼(1)를 상방에서 스프링의 힘에 의해 항상 밀고 있는 스페이서(3)로 구성된 클램핑 장치에 있어서,

   상기 클램핑 유닛(도1)의 그리퍼(1)의 반경방향 내측 머리 부분(1a) 원추형 경사면 및 반경방향 내측 꼬리 부분(1b) 원추형 경사면이 클램핑력을 발생하기 위해 상기 경사면에 가해지는 힘을 분산함으로써, 마모를 감소하기 위해 2개 부분으로 분리되는 구조를 특징으로 하는 클램핑 유닛.
2. 제1항에 있어서,

   상기 분리 구조는 그리퍼(1)의 머리 부분(1a) 내측 및 꼬리 부분(1b) 내측에서 클램핑콘(2)의 대응하는 경사면과 슬라이딩 접촉하는 원추형 경사면에 노치형의 홈을 형성하여 접촉면을 분리하는 것을 특징으로 하는 클램핑 유닛.
3. 제1항에 있어서,

   상기 분리 구조가 그리퍼(1) 내측의 클램핑콘(2)과 접촉하는 원추형 경사면을 포함한 머리 부분(1a) 전체를 소정의 폭으로 슬리팅하여 분리하는 것을 특징으로 클램핑 유닛.
4. 상기 분리 구조가 그리퍼(1) 내측의 클램핑콘(2)과 접촉하는 꼬리 부분을 커터에 의해 소정의 폭 및 깊이로 가공하여 분리하는 것을 특징으로 클램핑 유닛.
5. 제2항에 있어서,

   상기 노치형 홈은 그 단면의 형상 및 외형이 직사각형, 다각형 또는 변형된 원형으로 가공하는 것을 특징으로 클램핑 유닛.

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