KR20130042999A - 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치 - Google Patents

Abstract

형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치는 공구를 척킹하는 공구 척킹장치에 있어서, 중공 형상으로 이루어지고 일측 외주에 수나사산이 형성된 회전축; 공구가 삽입, 장착될 수 있도록 중공 형상을 이루고, 일측에 복수개의 슬릿이 형성되어 공구의 삽입이 가능하며, 중앙에는 상기 회전축에 일부만 삽입되도록 외주에 상기 회전축의 단부에 걸릴 수 있는 플랜지가 형성되고, 타측 단부에 'V'형의 경사홈이 형성된 콜렛; 상기 콜렛이 관통하도록 원통형을 이루되, 일측에는 상기 플랜지에 걸릴 수 있도록 내측으로 연장되는 걸림턱이 형성되고, 타측 내주에는 상기 수나사산과 체결될 수 있도록 암나사산이 형성된 고정너트; 상기 슬릿의 외측을 둘러싸도록 상기 콜렛이 삽입되고 온도에 따라 내경이 변화함으로써 공구를 척킹할 수 있는 링 형상의 형상기억합금 홀더;및 상기 콜렛이 상기 회전축과 함께 회전하도록 상기 회전축을 관통하여 상기 경사홈에 걸리는 고정핀;을 포함하여 이루어져, 상기 고정너트는 상기 콜렛과 회전축의 중심선이 일치하도록 상기 콜렛을 가압하여 체결하는 것을 특징으로 한다.

Description

형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치{Tool chucking device by using shape memory alloy}

본 발명은 공구 척킹장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 형상기억합금을 이용하여 간단하게 공구를 척킹할 수 있고, 공구의 훨링을 방지할 수 있는 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 공구 척킹장치의 일례를 나타내는 단면도이다.

상기 종래기술에 의한 공구 척킹장치의 기본구조는 도시된 바와 같이 주축 선단의 회전축(1)에는 공구 생크부를 삽입할 구멍과 단부 외주에 수나사산이 형성되어 있고 내경에 경사지게 형성된다.

그리고 회전축(1)에는 공구(t)가 삽입된 콜렛(2)이 장착되는데, 콜렛(2)은 외주에 복수개의 슬릿이 형성된 형태이며 테이퍼진 형상을 가져 회전축(1)에 삽입된다.

또 회전축(1)의 수나사산과 결합될 수 있도록 고정너트(3)가 체결되어 있는데, 고정너트(3)가 조여지면 콜렛(2)을 밀어넣어 쐐기작용에 의해 공구가 고정된다.

이러한 공구 척킹구조에서는 공구가 중심선에서 일측으로 치우치는 미세한 편심이 생긴다. 왜냐하면, 고정너트를 체결하여 고정하면 고정너트가 콜렛을 회전축 직방향으로 가압하는 것이 아니라 기구학적으로 비스듬히 가압하기 때문에 결국 공구의 중심선이 회전축의 중심선과 정확하게 일치하지 않게 된다.

이것은 미세하기는 하지만 고속회전이 일반적인 정밀 가공에서는 공구의 훨링(Whirling)이 발생하여 가공품의 품질 저하를 초래한다.

더욱이 공구가 회전하면 편심량의 두 배의 오차가 발생하기 때문에 이러한 문제는 더 심각해진다.

그리고 최근에 링 형태의 형상기억합금을 이용하여 공구를 척킹하는 기술이 공지된 바 있다.

즉, 형상기억합금 링은 저온의 마르텐사이트 상에서 비교적 쉽게 확대 변형시켜 공구홀더부분에 끼울 수 있고 끼워진 형상기억합금 링이 다시 고온의 오스테나이트 상이 되면 원래 형상으로 돌아가려는 형상기억효과에 의해 복원 응력이 발생하여 그 결과 공구홀더부분에 반경 방향의 수축변형을 일으켜 삽입된 공구가 체결된다.

형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치는 척킹 부품을 줄여 외형상 소형화를 구현하고 질량 불균형 요소를 최소화하여 고속회전시 높은 회전 정밀도를 갖게 한다.

그러나 종래 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치의 구조에서도 상술한 문제가 동일하게 발생하였다.

본 발명의 실시 예들은 상술한 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로 본 발명의 목적은 형상기억합금을 이용하여 공구를 간편하게 교체, 장착할 수 있고 동시에 편심없이 회전축에 삽입될 수 있는 구조를 가진 콜렛을 구비하여 정밀 가공에서 공구의 훨링을 방지할 수 있는 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 공구를 척킹하는 공구 척킹장치에 있어서, 중공 형상으로 이루어지고 일측 외주에 수나사산이 형성된 회전축; 공구가 삽입, 장착될 수 있도록 중공 형상을 이루고, 일측에 복수개의 슬릿이 형성되어 공구의 삽입이 가능하며, 중앙에는 상기 회전축에 일부만 삽입되도록 외주에 상기 회전축의 단부에 걸릴 수 있는 플랜지가 형성되고, 타측 단부에 'V'형의 경사홈이 형성된 콜렛; 상기 콜렛이 관통하도록 원통형을 이루되, 일측에는 상기 플랜지에 걸릴 수 있도록 내측으로 연장되는 걸림턱이 형성되고, 타측 내주에는 상기 수나사산과 체결될 수 있도록 암나사산이 형성된 고정너트; 상기 슬릿의 외측을 둘러싸도록 상기 콜렛이 삽입되고 온도에 따라 내경이 변화함으로써 공구를 척킹할 수 있는 링 형상의 형상기억합금 홀더;및 상기 콜렛이 상기 회전축과 함께 회전하도록 상기 회전축을 관통하여 상기 경사홈에 걸리는 고정핀;을 포함하여 이루어져, 상기 고정너트는 상기 콜렛과 회전축의 중심선이 일치하도록 상기 콜렛을 가압하여 체결하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치가 제공될 수 있다.

또 상기 형상기억합금 홀더는 한 쌍이 구비되되, 각 형상기억합금 홀더 사이에는 스페이서 링이 더 구비될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 형상기억합금을 이용함으로써 간편하게 공구를 교체할 수 있고, 상기 콜렛은 상기 회전축과 중심축이 일치되게 삽입되는 구조이며, 별도의 고정핀으로 고정하기 때문에 결국 공구가 회전축 중심선과 어긋나지 않게 되어 훨링을 방지한다. 따라서, 가공정밀도를 크게 향상시키고 공구의 수명을 연장시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 공구 척킹장치의 일례를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치를 나타내는 외관 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 내부 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 AA 부분의 단면도.
도 5는 본 발명의 사용상태도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치를 나타내는 외관 사시도, 도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 내부 단면도를 나타낸다.

본 발명은 온도에 따라 축소 혹은 확장될 수 있는 형상기억합금(Shape memory alloy)를 이용하여 회전하는 공작기계 등에 공구를 장착, 고정(Chucking)할 수 있는 공구 척킹장치에 대한 것인데, 도면을 참조하면, 크게 회전축(10), 콜렛(20), 고정너트(30), 형상기억합금 홀더(40) 및 고정핀(70)을 포함하여 구성될 수 있다.

먼저, 상기 회전축(10)은 공작기계의 주축과 같은 것이며 스핀들(Spindle)이라고도 할 수 있다. 상기 회전축(10)은 내부가 중공인 형상을 이루며 상기 콜렛(20)이 삽입될 수 있다.

그리고 상기 회전축(10)의 일측 외주에는 상기 고정너트(30)와 체결될 수 있도록 수나사산(12)이 형성될 수 있다.

다음으로 상기 콜렛(20)은 상기 회전축(10)에 삽입되어 고정되면서 내부에 공구(t)를 장착할 수 있는 수단이다.

따라서, 상기 콜렛(20)은 도시된 바와 같이 중공 형상을 이루고, 상기 회전축(10)에 삽입될 때 완전히 삽입되지 않고 일부만 삽입되도록 중앙 외주에 플랜지(24)가 형성된다. 즉, 상기 플랜지(24)는 상기 회전축(10)의 단부에 걸리게 된다.

그리고 상기 콜렛(20)의 일측 단부에는 상기 콜렛(20)의 길이 방향으로 슬릿(22)이 형성되는데, 상기 슬릿(22)은 공구(t)의 삽입이 용이하도록 한다.

또 상기 콜렛(20)이 삽입된 상태에서 고정너트(30)를 상기 회전축(10)의 단부와 체결함으로써 상기 콜렛(20)을 고정한다.

이때, 상기 고정너트(30)는 대략 원통형을 이루되, 내주에 암나사산(34)이 형성되어 상기 수나사산(12)과 체결될 수 있고, 일측에는 내측으로 연장되는 걸림턱(32)이 형성되어 상기 회전축(10)과 체결될 때 상기 플랜지(24)에 걸리면서 상기 콜렛(20)의 일부만 상기 회전축(10)에 삽입된 상태로 고정하게 된다.

한편, 상기 콜렛(20)의 일측 외주, 좀더 자세히 말하면, 상기 슬릿(22)이 형성된 콜렛(20)의 외측에는 링 형상의 형상기억합금 홀더(40)가 둘러싸도록 삽입된다.

상기 형상기억합금 홀더(40)는 온도 변화에 따른 가압 및 해제 작용에 의해 상기 콜렛(20)에 삽입된 공구(t)를 척킹 또는 교체할 수 있게 한다.

바람직한 것은 상기 형상기억합금 홀더(40)는 한 쌍(40', 40'')이 구비되어 각각 이격되게 삽입되고 그 사이에는 간격을 유지하는 별도의 스페이서링(50)이 구비되는 것이 좋다.

또한 가공 작업시 상기 회전축(10)이 회전할 때 상기 콜렛(20)과 회전축(10)이 서로 헛도는 것을 방지하기 위해 상기 회전축(10)에는 고정핀(70)이 관통하여 삽입될 수 있다.

이를 위해 상기 콜렛(20)의 단부에는 경사를 이루는 'V'형의 경사홈(26)이 형성될 수 있다.

따라서, 상기 고정핀(70)이 상기 회전축(10)을 관통하여 삽입될 때 상기 경사홈(26)의 경사면에 밀착되면서 고정되기 때문에 상기 콜렛(20)과 공구(t)는 상기 회전축(10)과 함께 회전하여 안정된 가공이 가능하다.

이러한 구조를 가지기 때문에 공구는 상기 회전축의 축중심과 어긋나지 않고 일렬로 장착될 수 있다. 즉, 종래에는 콜렛이 테이퍼진 형상을 가져 회전축에 장착될 때 외력이 가해지면 쐐기작용에 의해 고정되었다. 이때, 콜렛의 모든 외면이 균일하게 가압되는 것이 아니어서 결국 콜렛에 삽입되는 공구가 회전축과 미세하게 어긋나는 문제가 있었다.

그러나 본 발명에서 상기 콜렛은 테이퍼진 형상이 아니고 상기 회전축과 중심축이 일치되게 삽입되는 구조이며, 별도의 고정핀으로 고정하기 때문에 결국 공구가 회전축 중심선과 어긋나지 않게 된다. 이것은 가공정밀도를 크게 향상시킨다.

도 4는 도 3에 도시된 AA 부분의 단면도이다. 여기서, (a)는 형상기억합금 홀더가 확장된 상태이고, (b)는 수축된 상태이다.

도시된 바를 참조하면, (a)는 공구를 교체할 경우인데, 상기 형상기억합금은 저온에서 확장되고 고온(보통 상온)에서 수축되도록 기억을 시켜 놓기 때문에, 공구를 교체할 때 상기 형상기억합금 홀더(40)만 냉각 스프레이나 국부적인 냉각수단을 이용해 냉각시키면 내경이 확장된다.

그리고 확장된 상태에서 공구를 빼고 다른 공구를 장착하고 시간이 지나면 상온에서 다시 상기 형상기억합금 홀더(40)는 수축하여 (b)와 같이 공구를 강하게 척킹한다.

이하에서는 부가적으로 도 5를 참조하여 다른 직경의 공구를 사용할 경우 콜렛을 교체하는 과정을 간단하게 설명한다. 도 5는 본 발명의 사용 상태도이다.

상기 형상기억합금 홀더(40)를 국부적으로 냉각하고 공구(t)를 분리한 다음 상기 고정너트(30)를 풀고 상기 콜렛(20)을 상기 회전축(10)으로부터 제거한다.

그리고 교체하고자 하는 다른 콜렛(20)을 상기 회전축(10)에 삽입하고 상기 경사홈(26)이 상기 고정핀(70)에 접촉하도록 맞춘 후 상기 고정너트(30)를 체결한다.

다음으로 사용하고자 하는 공구(t)를 상기 콜렛(20)에 장착하기 위해 다시 상기 형상기억합금 홀더(40)를 국부적으로 냉각시켜 확장되면 공구(t)를 삽입하고 상온에 이르면 상기 형상기억합금 홀더(40)가 수축함으로써 공구(t) 장착이 완료된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 특허청구범위에서 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 회전축 12 : 수나사산
20 : 콜렛 22 : 슬릿
24 : 플랜지 26 : 경사홈
30 : 고정너트 32 : 걸림턱
34 : 암나사산
40(40', 40'') : 형상기억합금 홀더
50 : 스페이서링
70 : 고정핀
t : 공구

Claims (2)

1. 공구를 척킹하는 공구 척킹장치에 있어서,
   중공 형상으로 이루어지고 일측 외주에 수나사산(12)이 형성된 회전축(10);
   공구(t)가 삽입, 장착될 수 있도록 중공 형상을 이루고, 일측에 복수개의 슬릿(22)이 형성되어 공구의 삽입이 가능하며, 중앙에는 상기 회전축(10)에 일부만 삽입되도록 외주에 상기 회전축(10)의 단부에 걸릴 수 있는 플랜지(24)가 형성되고, 타측 단부에 'V'형의 경사홈(26)이 형성된 콜렛(20);
   상기 콜렛(20)이 관통하도록 원통형을 이루되, 일측에는 상기 플랜지(24)에 걸릴 수 있도록 내측으로 연장되는 걸림턱(32)이 형성되고, 타측 내주에는 상기 수나사산(12)과 체결될 수 있도록 암나사산(34)이 형성된 고정너트(30);
   상기 슬릿(22)의 외측을 둘러싸도록 상기 콜렛(20)이 삽입되고 온도에 따라 내경이 변화해서 공구(t)를 척킹할 수 있는 링 형상의 형상기억합금 홀더(40); 및
   상기 콜렛(20)이 상기 회전축(10)과 함께 회전하도록 상기 회전축(10)을 관통하여 상기 경사홈(26)에 걸리는 고정핀(70);을 포함하여 이루어져,
   상기 고정너트(30)는 상기 콜렛(20)과 회전축(10)의 중심선이 일치하도록 상기 콜렛(20)을 가압하여 체결하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 형상기억합금 홀더(40)는 한 쌍이 구비되되, 각 형상기억합금 홀더(40',40'') 사이에는 스페이서 링(50)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 공구 척킹장치.

Images