KR20120041121A - 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더 - Google Patents

외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더 Download PDF

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KR20120041121A
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소우자 필호 루이 프로타 데
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케나메탈 아이엔씨.
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Abstract

공구 홀더는, 외부면을 가지는 몸체부 및 몸체부의 외부면에 장착된 동적 흡수장치를 포함한다. 동적 흡수장치는, 강성 지지 부재, 커버 부재, 및 강성 지지 부재와 커버 부재에 의해 형성된 공동 내부에 배치된 흡수 질량체를 포함한다. 제1 탄성 지지체가 강성 지지 부재와 흡수 질량체 사이에 배치되고, 제2 탄성 지지체가 커버 부재와 흡수 질량체 사이에 배치된다. 강성 지지 부재에 대해 커버 부재를 상대 이동시킴으로써 동적 흡수장치가 조정된다. 공구 홀더의 진동을 억제하는 방법은, 공구 홀더의 외부면에 동적 흡수장치를 외부 장착하는 단계를 포함한다.

Description

외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더{TOOLHOLDER WITH EXTERNALLY-MOUNTED DYNAMIC ABSORBER}
본 발명은 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더에 관한 것이다.
금속 절삭 작업 중 절삭 공구와 공작물 사이의 진동은, 표면 마감이 불량하게 되고 공작물이 공차를 벗어나 마감되는 등 바람직하지 않은 절삭 성능으로 이어질 수 있다. 더욱이, 이러한 진동은 절삭 공구 또는 결합된 공작 기계에 손상을 입힐 수 있다
이러한 진동을 줄이기 위해 절삭 속도를 감소시킬 수 있다. 그러나, 이러한 접근 방법은 금속 제거율을 감소시킴으로써 생산성에 부정적인 영향을 끼친다.
또 다른 접근 방법으로는 생크의 공동 내에 흡수 질량체를 내부 장착하는 것이 있다. 한 설계에서는, 탄성 지지체가 흡수 질량체의 각 단부를 둘러싸 공동 내부에 흡수 질량체를 현가(suspend)시킨다. 압력판이 탄성 지지체에 인접하게 위치되며, 흡수 질량체에 대해 각 탄성 지지체를 압축하도록 종축을 따라 이동 가능하다. 조절 나사를 사용하여 이동 가능한 압력판을 종축을 따라 변위시켜 흡수 질량체의 위치를 이동시킴으로써, 탄성 지지체의 강성을 변경시켜 공구 홀더의 동적 응답을 변화시킨다.
생크의 공동 내부에 흡수 질량체를 위치시킴으로써 진동을 억제하기는 하지만, 생크의 공동 내부에 흡수 질량체를 장착시킬 필요성은 공구 홀더의 전체적인 강성을 불필요하게 감소시킨다. 게다가, 흡수 질량체의 크기가 공동의 크기에 한정되므로, 진동 흡수장치는, 더 큰 흡수 질량체를 필요로 하는 더 큰 공구 홀더 설계에는 사용될 수 없다.
본 발명의 과제는, 공구 홀더의 전체적인 강성을 감소시키지 않으면서 공구 홀더의 진동을 억제하고자 하는 데에 있다.
상기 과제는, 통상적인 공구에서와 같이 생크의 공동에 흡수 질량체를 내부 장착하기 보다는, 공구 홀더의 외부면에 동적 흡수장치를 외부 장착함으로써 해결된다. 이상적으로, 동적 흡수장치는 공구 홀더 상에서 진폭이 최대인 곳에 장착된다.
일 양상에서, 공구 홀더는, 외부면을 가지는 몸체부 및 몸체부의 외부면에 장착된 동적 흡수장치를 포함한다.
또 다른 양상에서, 공구 홀더의 진동을 억제하는 방법은, 공구 홀더의 외부면에 동적 흡수장치를 외부 장착하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하여, 전체적인 강성이 감소되지 않으면서도 진동이 억제되는 공구 홀더가 제공된다.
본 발명의 다양한 실시형태가 예시되지만, 도시된 특정 실시형태가 청구범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한에서 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음이 예상된다.
도 1은 절삭 공구(예컨대, 밀링 커터)를 위한 본 발명의 실시형태에 따른 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더의 부분 확대 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더를 이용한 시뮬레이션으로부터의 주파수 응답 함수를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더를 이용한 시뮬레이션으로부터의 주파수 응답 함수를 나타낸 또 다른 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 공구 홀더의 후방부에 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 외부 장착 동적 흡수장치가 구비된 공구 홀더를 이용한 시뮬레이션으로부터의 주파수 응답 함수를 나타낸 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시형태에 따른 공구 홀더(10)가 대략 도시되어 있다. 예시된 실시형태에서, 공구 홀더(10)는 그 일 단부의 절삭 공구(12), 예를 들어 밀링 커터와 함께 사용된다. 그러나, 공구 홀더(10)가 엔드 밀 등과 같은 금속 가공 작업을 위한 어떤 바람직한 절삭 공구와도 함께 사용될 수 있음은 물론이다.
공구 홀더(10)는, 밀링 커터(12)와 인접한 전단부(16) 및 밀링 커터(12)로부터 먼 쪽의 후단부(18)가 구비된 실질적으로 원통형의 몸체부(14)를 포함한다. 공구 홀더(10)는 선택적인 내부 공동(20)을 포함할 수 있으며, 내부 공동은 후단부(18)로부터 전단부(16)까지 몸체부(14)의 전체 길이를 통해 연장되고 절삭 공구(12)에 냉각수를 전달하기 위한 냉각수 채널의 역할을 한다. 몸체부(14)는 주위 환경에 노출된 외부면(22) 및 중앙의 종축(24)을 포함한다.
본 발명의 일 양상에 의하면, 공구 홀더(10)는, 그 전체가 도면번호 "30"으로 표시되며 공구 홀더(10)의 외부면(22)에 장착된 동적 흡수장치를 포함한다. 예시된 실시형태에서, 동적 흡수장치(30)는, 공구 홀더(10)의 전단부(16)에 인접한 외부면(22)에 장착되며 절삭 공구(12)에 인접한 환형 링 형태로 이루어진다.
동적 흡수장치(30)는 강성 지지 부재(32) 및 커버 부재(34)를 포함한다. 예시된 실시형태에서, 강성 지지 부재(32)는 공구 홀더(10)의 종축(24)을 따른 방향으로 축방향으로 이동하지 않도록 외부면(22)에 장착된다. 강성 지지 부재(32)의 축방향 이동을 더욱 방지하기 위해, 외부면(22)은 강성 지지 부재(32)에 접경한 레지(ledge, 56)를 포함할 수 있다. 강성 지지 부재(32)는 외부면(22) 상에 나사 결합될 수 있다. 종축(24)을 중심으로 커버 부재(34)를 회전시킴으로써 커버 부재(34)가 강성 지지 부재(32) 상에 나사 결합될 수 있도록, 강성 지지 부재(32) 및 커버 부재(34)는 둘 다 나사산(36)을 포함한다. 커버 부재(34)가 강성 지지 부재(32)에 대해 상대 이동할 수 있도록 하기 위해, 두 부재들(32, 34) 사이에 여유 간격(35)이 존재하도록 강성 지지 부재(32) 및 커버 부재(34)의 치수가 정해진다. 강성 지지 부재(32)와 커버 부재(34) 사이의 상대 이동은, 공구 홀더(10)의 종축(24)을 중심으로 커버 부재(34)를 회전시킴으로써 달성된다. 커버 부재(34)가 회전됨으로써, 커버 부재(34)는 회전 방향에 따라 화살표(38) 방향으로 공구 홀더(10)의 종축(24)을 따라 이동한다. 예를 들어, 커버 부재(34)는, (전단부(16) 측에서 볼 때) 시계 방향으로 회전하는 경우 (도 2에서 오른쪽 화살표로 도시된 바와 같이) 오른쪽으로 이동할 수 있고, (전단부(16) 측에서 볼 때) 반대 방향인 반시계 방향으로 회전하는 경우, (도 2에서 왼쪽 화살표로 도시된 바와 같이) 왼쪽으로 이동한다.
동적 흡수장치(30)는 또한, 강성 지지 부재(32)와 커버 부재(34)에 의해 형성된 공동(42) 내에 배치된 흡수 질량체(40)를 포함한다. 흡수 질량체(40)는 제1 단부(44) 및 제2 단부(46)를 가진다. 제1 탄성 지지체(48)가 흡수 질량체(40)의 제1 단부(44)에 인접하며, 질량 물질(40)의 경사면(52)과 커버 부재(34) 사이에 위치되어 공동(42) 내부에 흡수 질량체(40)를 현가시킨다. 제2 탄성 지지체(50)가 흡수 질량체(40)의 제2 단부(46)에 인접하며, 흡수 질량체(40)의 경사면(54)과 강성 지지 부재(32) 사이에 위치되어 공동(42) 내부에 흡수 질량체(40)를 현가시킨다.
공구 홀더(10)는, 그 종축(24)을 따라 임의의 방향으로 강성 지지 부재(32)에 대해 커버 부재(34)를 상대 이동시킴으로써 미세하게 조정될 수 있다. 커버 부재(34)가 (도 2에서 볼 때) 오른쪽으로 이동함에 따라, 커버 부재(34)는 제1 탄성 지지체(48)에 더 많은 압력을 가한다. 결과적으로 흡수 질량체(40)는 제2 탄성 지지체(50)에 대해 더 많이 가압되고, 그러면 강성 지지 부재(32)에 대해 더 많이 가압되어, 흡수 질량체(40)에 대해 제1 탄성 지지체(48) 및 제2 탄성 지지체(50) 둘 다 더 압축하게 된다. 반대로, 커버 부재(34)가 (도 2에서 볼 때) 왼쪽으로 이동함에 따라, 커버 부재(34)는 제1 탄성 지지체(48)에 더 적은 압력을 가한다. 결과적으로 흡수 질량체(40)는 제2 탄성 지지체(50)에 대해 더 적게 가압되고, 그러면 강성 지지 부재(32)에 대해 더 적게 가압되어, 흡수 질량체(40)에 대해 제1 탄성 지지체(48) 및 제2 탄성 지지체(50) 둘 다 덜 압축하게 된다. 강성 지지 부재(32) 및 커버 부재(34)는, 통상적인 설계에서 흔히 볼 수 있는 조절 나사 및 압력판의 필요성을 없애줌으로써, 더 간단하고 비용 효율적인 설계를 제공한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 외부 장착 동적 흡수장치(30)가 구비된 공구 홀더(10)의 시뮬레이션으로 얻은 주파수 응답 함수를 보여주는 그래프이다. 도 3 및 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 결과들은 각각 표준 1% 및 2% 감쇠비를 가진 공구 홀더에 비해 외부 장착 동적 흡수장치(30)가 구비된 공구 홀더(10)가 우수한 결과를 제공한다는 것을 보여준다.
실제로, 감쇠 효과가 최대가 될 수 있도록 흡수 질량체(40)는 공구 홀더 상에서 진폭이 최대인 곳에 위치되어야 한다. 예를 들어, 밀링 커터를 위한 공구 홀더(10)의 최대 진폭은 공구 홀더의 전단부(16)에 인접하여 위치될 수 있다. 또 다른 예에서, 엔드밀 커터를 위한 공구 홀더의 최대 진폭은 후단부에 인접하여 위치될 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 외부 장착 동적 흡수장치(30)의 원리들은 다수의 다양한 공구 홀더 설계에 적용될 수 있다. 이제 도 5를 참조하면, 엔드밀 커터를 위한 외부 장착 동적 흡수장치(30)가 구비된 공구 홀더(10)가 도시되어 있다.
이전의 실시형태와 다르게, 도 5에 도시된 공구 홀더(10)는, 공구 홀더(10)의 전단부(16)에 장착된 생크(58)를 포함한다. 또한, 공구 홀더는(10)는, 공구 홀더(10)의 몸체부(14)의 일부 둘레에 원주방향으로 배치된 슬리브(60)를 포함한다. 슬리브(60)는 금속, 플라스틱 등과 같은 강성의 재료로 제조된다. 슬리브(60)는, 동적 흡수장치(30)를 배치시킬, 공구 홀더(10)의 진폭(즉, 변위)이 최대인 위치를 생성하는 목적을 가진다. 이처럼 특정한 경우에, 통상의 내부 동적 흡수장치가 사용된다면, 동적 흡수장치는 엔드밀의 뒤 또는 공구 홀더의 중간에 배치될 필요가 있게 되는데, 여기에서는 진폭이 공구 끝부분(관심 지점)에서의 진폭보다 훨씬 더 적다. 공구 홀더(10)의 일부에만 연결되는 슬리브(60)를 사용함으로써, 흡수 질량체(40)가 배치될 지점에서 슬리브(60)가 자유롭게 진동하도록 하는 피봇점이 생성된다. 이러한 경우, 슬리브(60)는 "시소"와 같이 작용함으로써, 공구 홀더(10)의 후단부(18)에 인접한 슬리브(60)의 후방부가 생크(58)와 반대 방향으로, 더 높은 진폭으로 이동한다. 결과적으로, 내부 장착 동적 흡수장치가 동일한 축방향 위치에 구비된 통상적인 솔리드 공구 홀더에 비해, 슬리브(60)는 동적 흡수장치와 함께 개선된 감쇠(damping) 능력을 제공한다.
슬리브(60)는 밀링 커터를 위한 공구 홀더(10)의 이전 실시형태 및 기타 공구 홀더 유형에도 사용될 수 있음은 물론이며, 본 발명은 예시된 실시형태의 공구 홀더(10)에서의 슬리브(60) 사용으로 한정되지 않는다.
도 6은 본 발명의 외부 후방 장착 동적 흡수장치(30)가 구비된, 엔드 밀 커터를 위한 공구 홀더(10)의 시뮬레이션으로부터 얻은 주파수 응답 함수를 보여주는 그래프이다. 결과들은, 동적 흡수장치가 구비되지 않은 솔리드 공구 홀더에 비해, 외부 후방 장착 동적 흡수장치(30)가 구비된 공구 홀더(10)가 우수한 결과를 제공한다는 것을 보여준다. 결과들은 또한, 진폭이 최대인 곳에 흡수 질량체(40)가 배치되고, 적절한 주파수로 적절히 조절된 경우, 슬리브(60)에 대한 진폭이 상당히 최소화됨으로써 생크(58)의 진동을 감소시키는 것을 보여주는데, 이는 본 발명의 주 목적 중 하나이다.
동적 흡수장치(30)의 한 가지 이점은, 흡수 질량체(40)가 공구 홀더(10)의 내부 공동에 위치하지 않기 때문에 일반적으로 공구 홀더의 강성이 감소되지 않는다는 것이며, 이는 횡단면 관성 모멘트의 감소를 요구한다. 도 6에서, 몸체의 직경이 약간 감소하면서 고유 주파수가 약 850 Hertz에서 약 600 Hertz로 이동함에 따라 슬리브(60)를 추가하므로 솔리드 공구 홀더(10)에 대한 강성이 감소하는 것을 주목할 수 있지만, 공구 홀더(10)의 외경은 유지된다. 도 5에 나타난 공구 홀더(10)는 또한, 공작물(미도시)과의 간격이 문제가 될 수 있는 경우 동일한 유효 길이를 유지하기 위해 길게 연장될 수 있다. 강성이 감소되더라도, 도 5에 도시된 공구 홀더(10)는 솔리드 엔드밀 홀더 또는 수축 끼워맞춤 홀더보다 훨씬 높은 동강성을 가진다. 공구 홀더(10)의 동강성의 이득은, 1% 감쇠의 표준 공구 홀더와 비교할 때 약 10 내지 20배이며, 2% 감쇠의 표준 공구 홀더와 비교할 때 약 5 내지 10배이다. 또한, 본 발명의 외부 장착 동적 흡수장치(30)는, 공구 홀더(10)의 전체 강성을 감소시키지 않으면서 더 큰 절삭 공구에 흡수 질량체(40)의 크기가 최적화될 수 있게 한다.
또 다른 이점은, 흡수 질량체가 공구 홀더 내에 내부 장착된 통상의 설계와 달리, 본 발명의 동적 흡수장치(30)는 다수의 다양한 공구 홀더 유형에 적용될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 동적 흡수장치(30)는, 소소한 변경으로 셸 엔드밀 공구 홀더 상에 조정 가능한 질량체를 적용할 수 있게 한다. 본 발명의 동적 흡수장치(30)는, 진동 감쇠가 열악한 것으로 알려진 곳에서, 엔드밀 어댑터, 슬로팅 커터(slotting cutter), 수축 끼워맞춤 공구 홀더 등에 맞게 구성될 수도 있다. 또한, 본 발명의 원리들은 모듈식 공구를 위한 익스텐션 기구(extension) 및 리듀서(reducer)에 적용될 수 있다.
본원에 참조된 특허 및 공개는 이에 참조로써 통합된다.
본 발명의 실시형태에 대한 현재 바람직한 설명은, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 다르게 구현될 수 있다.
10: 공구 홀더 12: 밀링 커터
14: 몸체부 16: 전단부
18: 후단부 20: 내부 공동
22: 외부면 24: 종축
30: 동적 흡수장치 32: 강성 지지 부재
34: 커버 부재 35: 여유 간격
36: 나사산

Claims (10)

  1. 외부면(exterior surface)을 가지는 몸체부(body portion); 및
    몸체부의 외부면에 장착된 동적 흡수장치(dynamic absorber);를 포함하는, 공구홀더(toolholder).
  2. 제1항에 있어서,
    동적 흡수장치는, 강성 지지 부재(rigid support member), 커버 부재(cover member), 및 강성 지지 부재와 커버 부재에 의해 형성된 공동(cavity) 내에 배치된 흡수 질량체(absorber mass)를 포함하는, 공구 홀더.
  3. 제2항에 있어서,
    동적 흡수장치는, 강성 지지 부재와 흡수 질량체 사이에 배치된 제1 탄성 지지체, 및 커버 부재와 흡수 질량체 사이에 배치된 제2 탄성 지지체를 더 포함하는, 공구 홀더.
  4. 제3항에 있어서,
    강성 지지 부재는 공구 홀더의 종축(longitudinal axis)을 따라서 커버 부재에 대해 상대 이동하도록 구성된, 공구 홀더.
  5. 제4항에 있어서,
    커버 부재가 제1 방향으로 이동함에 따라, 커버 부재는 제1 탄성 지지체에 대해 압력을 가하고 흡수 질량체는 제2 탄성 지지체에 대해 가압되며, 그러면 제2 탄성 지지체가 강성 지지 부재에 대해 가압되어, 흡수 질량체에 대한 제1 탄성 지지체 및 제2 탄성 지지체 둘 다의 압축이 제공되고,
    커버 부재가 제2 방향으로 이동함에 따라, 커버 부재는 제1 탄성 지지체에 대해 덜한(less) 압력을 가하고 흡수 질량체는 제2 탄성 지지체에 대해 덜 가압되며, 그러면 제2 탄성 지지체가 강성 지지 부재에 대해 덜 가압되어, 흡수 질량체에 대한 제1 탄성 지지체 및 제2 탄성 지지체 둘 다의 덜한 압축이 제공되는, 공구 홀더.
  6. 제1항에 있어서,
    몸체부의 외부면의 일부분 주위에 배치된 슬리브(sleeve)를 더 포함하는, 공구 홀더.
  7. 제1항에 있어서,
    동적 흡수장치는 공구 홀더의 전단부(front end)에 인접한, 공구 홀더.
  8. 제1항에 있어서,
    동적 흡수장치는 공구 홀더의 후단부(rear end)에 인접한, 공구 홀더.
  9. 공구 홀더의 외부면에 동적 흡수장치를 외부에서 장착하는 단계를 포함하는, 공구 홀더의 진동 억제 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    공구 홀더의 진폭이 최대인 곳에 동적 흡수장치를 배치하는 단계를 더 포함하는, 공구 홀더의 진동 억제 방법.
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