KR20130116191A

KR20130116191A - 작업편 표면의 마감 가공을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20130116191A
Application number: KR1020130039846A
Authority: KR
Inventors: 올리버 힐데르브란트
Original assignee: 숩피나 그리에샤버 게엠베하 & 씨오. 케이쥐
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2013-10-23
Also published as: CN103372791B; IN2013DE00640A; BR102013008817A2; BR102013008817B1; EP2650081A1; EP2650081B1; CN103372791A; US20140134925A1

Abstract

본 발명은 마감 공구(26)를 이용하여 작업편 표면(24)을 마감 가공하기 위한 방법에 관한 것으로, 작업편 표면(24)은 마감 공구(26)의 작용면에 대해 상대적으로 작업편 축(20)을 중심으로 한 회전 방향에서 움직이고, 작업편 표면(24)과 작용면 사이의 상대적 운동에는 작업편 표면(24)에 대해 수직인 방향에서 진동적인 부가 운동이 중첩되며, 부가 운동의 진동 주파수는 20 kHz보다 더 작다.

Description

작업편 표면의 마감 가공을 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR FINISHING A WORKPIECE SURFACE}

본 발명은 마감 공구를 이용하여 작업편 표면의 마감 가공을 하기 위한 방법에 관한 것으로, 작업편 표면은 마감 공구의 작용면에 대해 상대적으로 작업편 축을 중심으로 한 회전 방향으로 움직이고, 작업편 표면과 작용면의 상대적 운동에는 작업편 표면에 대해 수직인 방향에서 진동성 부가 운동이 중첩된다.

"원통형 정밀 부품의 초음파 보조 초정밀 마감가공" (SoFi - Sonic Finish)"프로젝트로부터 작업편의 초정밀 가공을 위해 종래의 마감 공정과 초음파 가공이 조합되는 하이브리드 기술이 공지되어 있다. 종래의 마감 공정은 마감 공구에 대해 상대적인 작업편의 회전 운동뿐만 아니라 작업편의 회전축에 대해 평행한 방향에서 작업편 및 마감 공구의 저주파 진동성 상대 운동도 포함한다. 초음파 가공은 작업편과 관련하여 마감 공구의 방사방향 운동을 포함하고, 상기 마감 공구는 초음파 주파수로 진동한다.

앞서 설명한 하이브리드 기술은 실무에서 문제점이 있는 것으로 확인되었다. 예컨대, 마감 공구에 미치는 부하가 커서, 비교적 단시간이 경과한 후에 마감 공구의 교체가 필요하다. 또한, 높은 소음 레벨이 발생하여, 고비용의 방음 처리법이 필요하다. 또한, 냉각제 또는 윤활제의 분무에 의해 에어로졸이 발생할 수 있고, 에어로졸은 가장 나쁜 경우엔 폭발 위험의 원인이 된다. 마지막으로, 초음파 주파수로 마감 공구의 운동을 발생시키기 위해 소노트로드(sonotrode)를 포함한 고가의 구동부가 필요한데, 소노트로드는 각각 특정한 초음파 주파수 및 특정한 크기의 마감 공구를 위해서만 설계될 수 있을 뿐이다.

이로부터 시작하여 본 발명의 기초가 되는 과제는 작업편 표면의 마감 가공을 위한 최적의 방법을 제공하는 것이다.

이러한 과제는 서두에 언급한 종류의 방법에서 본 발명에 따르면, 부가 운동의 진동 주파수가 20 kHz보다 더 낮음으로써 해결된다.

본 발명에 따른 방법에서, 마감 공구의 작용면은 가공해야 할 작업편 표면의 방향 및 이와 반대 방향으로 주기적으로 움직인다. 이를 통해, 작업편 표면의 "망치질" 가공이 이루어지고, 진동 주파수에 상응하여 작용면과 작업편 표면의 접촉이 교번적으로 높은 가압력 및 낮은 가압력으로 이루어진다(이때 작업편 표면으로부터 작용면이 "들어 올려질" 수 있다).

마감 공구의 작용면의 운동은 가공해야 할 작업편 표면과 관련하여 수직으로 정렬된 부가 운동축을 따라 이루어진다. 부가 운동의 진동 주파수는 낮은 음역 내에 있다. 진동 주파수는 20 kHz 미만이고, 바람직하게는 16 kHz 미만이며, 특히 1 kHz 미만이다.

작업편 표면의 "망치질" 가공의 이점은, 작용면의 유효 구성요소, 즉 절단성 입자가 작업편의 물질안으로, 종래 마감 가공의 경우보다 더 깊게 들어갈 수 있다는 것이다. 따라서, 종래의 마감 가공에 비해 칩 제거율 또는 제거율이 증대된다.

작업편 표면의 "망치질" 가공의 다른 이점은, 작용면의 유효 구성요소, 즉 절단성 입자가 증대된 압력 부하에 단기적으로 노출된다는 것이다. 이로써, 파편 형성이 촉진될 수 있어서, 자가 깎음 효과가 발생하고, 이러한 효과는 물질 제거율의 증대에 기여한다.

본 발명에 따른 부가 운동은 단면 또는 칩 형성의 주기적 중단과 결부되며, 불연속적 연삭 구조를 야기한다. 종래의 마감 가공 시 연속적인 그루브형 함몰부들이 발생하고, 이러한 함몰부들에 의해 작업편 표면 가공 중에 사용된 냉각제 또는 윤활제가 배출된다.

연삭 구조의 불연속성으로 인하여, 더 많은 비율의 냉각제 또는 윤활제가 가공해야 할 작업편 표면에 잔류한다. 이는 가공해야 할 작업편 표면 안으로 마감 공구의 작용면이 더욱 양호하게 진입할 수 있게 한다. 마감 공구가 주기적으로 들어 올려짐으로써, 즉 마감 공구의 작용면과 작업편 표면이 주기적으로 분리됨으로써, 냉각 윤활제는 더욱 양호하게 접촉 영역 내에 도달하고, 제거된 물질은 더욱 양호하게 씻겨나가거나 이송되어 나갈 수 있다. 또한, 부가 운동의 범위 내에서 마감 공구 내에 도입된 운동학적 에너지는, 마감 공구로부터 작용면에 또는 작용면 내에 쌓인 마모물을 소제시키는 것을 촉진시킨다. 종합적으로, 마감 공구의 유효 구성요소의 절단 거동은 현저히 개선된다.

또한, 작용면과 작업편 표면이 주기적으로 압력 접촉함으로써, 작업편의 표면 근방 부분들에서 압축 잔류 응력이 증대되어, 작업편의(예컨대 압연 베어링부의 또는 크랭크축의) 피로 강도가 향상될 수 있다.

작업편 표면의 부가 가공으로 인해 작업편의 표면 근방 층들의 압축 잔류 응력이 증대됨으로써, 헤르츠 응력(hertzian stress)의 경우에 발생하는 노치 효과(notch effect) 및 인장 응력이 감소한다. 또한 이를 통해 본 발명에 따라 가공된 작업편의 유효수명이 증대된다.

마지막으로, 앞에 설명한 연삭 구조의 불연속성이 가지는 이점은, 가공이 완성된 작업편에서 배수 효과가 현저히 줄어들 수 있다는 것이다. 이러한 점은, 작업편이 베어링 링일 경우에 특히 유리하다. 베어링 링의 베어링면에 압연 몸체가 굴러내릴 때, 더 이상 윤활제가 밀려나가지 않는다. 이에 상응하는 이점은 유체 역학적인 미끄럼 베어링에서 나타나며, 이러한 베어링에서는 윤활제(특히 오일)이 더욱 양호하게 잔류하는 것이 보장된다.

바람직하게는, 부가 운동의 진동 주파수는 약 50 Hz보다 크고, 특히 약 100 Hz보다 크다. 특히, 진동 주파수 범위는 약 100 Hz 와 약 1 kHz 사이인 것이 바람직하며, 예컨대 진동 주파수는 200 Hz이다. 이때는 특히 부가 운동축을 따르는 마감 공구의 작용면의 운동 주파수를 가리킨다. 언급한 주파수 범위내에서의 운동은 양호하게 제어 가능하다; 이와 동시에 앞서 작업편 표면의 "망치질" 가공과 관련하여 설명한 이점이 달성될 수 있다.

부가 운동의 진폭은 예컨대 0.1 내지 5 마이크로미터일 수 있다. 그러나 물질 제거율의 현저한 증대를 달성하기 위해, 부가 운동의 진폭은(작용면의 스트로크의 절반에 상응함) 적어도 약 5 마이크로미터인 것이 제안된다. 이를 통해, 마감 물질의 통상적 입자 크기(약 10 마이크로미터)의 경우, 입자는 그 전체 연장부분이 작업편의 물질 안으로 진입할 수 있다.

부가 운동의 진폭은 예컨대 0.2 내지 수 밀리미터일 수 있다. 그러나, 가급적 양호한 마감 공정 제어성을 위해, 부가 운동의 진폭은 최대 약 200 마이크로미터인 것이 유리하다(유리하게는 진폭값은 50 마이크로미터이다). 이를 통해, 본 발명에 따른 방법의 유리한 효과가 가공해야 할 작업편의 거시 기하학적 불량화와 결부되는 것을 방지할 수 있다. 부가 운동의 진폭을 위한 유리한 값은 100 마이크로미터이다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서, 작업편 표면 및 작용면은 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 서로 상대적으로 움직이지 않는 것이 고려된다. 이때, 명시적으로, 종래 마감 방법에 사용되며 작업편 축에 대해 평행한 방향에서의 상대적 운동은 생략된다. 작업편 표면과 작용면의 상대적 운동은, 작업편 축을 중심으로 한 작업편 표면의 회전 및 작업편 표면에 대해 수직인 방향에서 마감 공구의 작용면의 운동에만 기인한다. 이러한 점은, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 작업편 및/또는 마감 공구의 진동 운동을 위한 비교적 고비용의 구동부가 생략될 수 있으며, 그럼에도 불구하고 다수의 응용 경우를 위해 충분히 높은 물질 제거율을 달성할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명의 대안적 실시예에서, 작업편 표면 및 작용면은 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 서로 상대적으로 왕복 운동하는 것이 고려된다. 이때, 종래의 진동 구동부가 고려된다. 이러한 진동 구동부는 특히 높은 물질 제거율의 구현을 위해 유리하다.

또한, 작업편 표면은 우선 본 발명에 따른 방법(즉 작업편의 회전 운동 및 작업편 표면에 대해 수직인 부가 운동, 그리고 경우에 따라서 부가적으로 작업편 축에 대해 평행한 진동 운동을 포함)을 이용하여 가공될 수 있어서, 높은 물질 제거율이 달성되고, 작업편은 기본 구조를 갖추며 증대된 압축 잔류 응력을 포함한다. 이러한 가공에 이어서, 작업편은 종래의 마감 방법(즉 작업편의 회전 운동을 포함하고, 작업편 표면에 대해 수직인 부가 운동을 미포함하며, 작업편 축에 대해 평행한 진동 운동을 포함)을 이용하여 계속 가공될 수 있어서, 특히 세밀한 작업편 표면이 제조될 수 있다.

작업편 축에 대해 평행한 방향에서 상대적 운동을 발생시키기 위해 앞에서 설명한 진동 구동부가 제공되는 경우에, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 왕복 운동의 진동 주파수는 적어도 약 1 Hz인 것이 바람직하다.

작업편 축에 대해 평행한 방향에서 상대적 운동을 발생시키기 위해 앞에서 설명한 진동 구동부가 제공되는 경우에, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 왕복 운동의 진동 주파수는 최대 약 50 Hz인 것이 바람직하다.

마감 밴드의 형태를 가진 마감 공구의 경우에 (작업편 축에 대해 평행한 방향에서) 바람직한 진동 주파수는 1과 21.67 Hz 사이이며, 바람직하게는 5 Hz이다.

마감석의 형태를 가진 마감 공구의 경우에 (작업편 축에 대해 평행한 방향에서) 바람직한 진동 주파수는 5와 50 Hz 사이이며, 바람직하게는 33.33 Hz이다.

유리한 방식으로, 부가 운동의 진동 주파수는 작업편 축에 대해 평행한 방향에서의 왕복 운동의 진동 주파수에 비해, 1 내지 1000이란 계수(factor)만큼, 특히 6 내지 40이란 계수만큼 더 높다. 이러한 주파수 비율은 높은 물질 제거율, 표면 근방 작업편층의 압축 잔류 응력 증대와 종래 교차 연삭 구조에 비해 감소한 배수 효과의 최적 조합을 야기한다.

또한, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 왕복 운동의 진폭은 (전체 스트로크의 절반에 해당함) 약 0.1 ㎜와 약 3 ㎜ 사이인 것이 바람직하다. 이러한 진폭 범위는 물질 제거율 증대에 기여할 뿐만 아니라 이와 동시에 가공해야 할 작업편의 높은 치수 정확도에도 기여한다. 마감 밴드의 형태를 가진 마감 공구를 위한 바람직한 진폭은 0.5 ㎜이고, 마감석의 형태를 가진 마감 공구의 경우 적어도 0.5 ㎜이며, 바람직하게는 1 ㎜이다.

유리한 방식으로, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 왕복 운동의 진폭에 비해, 부가 운동의 진폭은 5 내지 600이란 계수만큼, 특히 10 내지 20이란 계수만큼 더 작다. 이러한 진폭 비율은 높은 물질 제거율, 표면 근방 작업편 층의 압축 잔류 응력 증대와 종래 교차 연삭 구조에 비해 감소한 배수 효과의 최적의 조합을 야기한다.

또한, 부가 운동의 진폭이 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 왕복 운동의 진폭에 비해 1 내지 5의 계수만큼 더 작은 것이 유리할 수 있다. 이러한 계수는 예컨대, 측방향에서 한정된 작업편 면(예컨대 크랭크축의 대단부 베어링(big end bearing))을 가공해야 하고, 이러한 면이 마감 공구보다 최소의 정도로만 더 넓은 경우에 특히 양호하게 적합하다. 극단적 경우에, 0.5 내지 1이란 계수 (작업편 축에 대해 평행한 방향에서 왕복 운동의 진폭에 대한 부가 운동의 진폭의 비율) 또는 더 작은 계수가 적합할 수 있다.

또한, 본 발명은 마감 공구를 이용하여 작업편 표면의 마감 가공을 하기 위한 장치에 관한 것으로, 이러한 장치는 작업편 축을 중심으로 한 회전 방향에서 마감 공구의 작용면에 대해 상대적인 작업편 표면의 회전 운동을 발생시키기 위한 회전 구동 장치를 포함한다. 이때 작업편 표면 및 작용면의 상대적 운동의 중첩을 위해 작업편 표면에 대해 수직인 방향에서 진동성 부가 운동의 생성을 위한 부가 구동부가 제공된다.

본 발명의 다른 과제는, 작업편 표면의 마감 가공을 위한 최적의 장치를 제공하는 것이다.

이러한 과제는 앞서 설명한 장치에서 본 발명에 따르면, 부가 구동부가 20 kHz 보다 낮은 진동 주파수를 생성하기 위해 형성됨으로써 해결된다.

본 발명에 따른 장치의 이점 및 형성방식은 부분적으로 이미 앞에서 본 발명에 따른 방법의 이점 및 형성방식과 관련하여 설명되었다. 이러한 점에서 앞의 설명이 참조된다.

유리한 방식으로 부가 구동부는 피에조 액츄에이터(piezo actuator)를 포함한다. 이러한 액츄에이터는 마감 공구의 작용면의 진동 운동을 발생시키기에 특히 양호하게 적합하다.

피에조 액츄에이터 대신 다른 액츄에이터, 예컨대 유압식, 공압식 액츄에이터 또는 전기적 구동부 또는 자기 변형(magnetostriction)에 기초를 둔 구동부가 사용될 수 있음은 물론이다.

피에조 액츄에이터의 사용 시, 구성적으로 간단한 구조를 위해, 피에조 액츄에이터는 부가 운동축을 따라 정렬되고, 특히 부가 운동축을 따라 적층된 피에조 소자들을 포함하는 것이 바람직하다.

유리한 방식으로, 피에조 액츄에이터 및 마감 공구는 상호 직접적으로 운동적으로 결합하여, 부가 운동축을 따르는 피에조 액츄에이터의 운동은 부가 운동축을 따르는 작용면의 운동과 동일하다. 이는, 부가 운동축에 대해 평행한 방향에서 피에조 소자들의 연신은 이에 상응하는 마감 공구의 작용면의 운동으로 직접적으로 변환되며, 즉 "1:1-변속"이 이루어지며, 기어를 이용한 어떠한 변속 또는 감속도 이루어지지 않는다.

이에 대해 대안적으로 기어 장치, 예컨대 레버가 제공될 수 있고, 레버는 피에조 액츄에이터의 운동을 마감 공구의 작용면의 (바람직하게는 더 큰) 운동으로 변속시킨다.

피에조 액츄에이터의 운동이 마감 공구에 특히 간단하게 전달되기 위해, 피에조 액츄에이터의 구동부면과 마감 공구는 서로 단단히 결합되어 있는 것이 제안된다.

이에 대해 대안적으로, 피에조 액츄에이터는 피에조 액츄에이터에 의해 생성된 압축력을 마감 공구의 힘 흡수면에 전달하기 위한 힘 전달면을 포함한다. 이러한 점은, 작업편의 방향으로 지향된 힘의 "태핏(tappet) 방식의" 전달을 가능하게 한다. 반대 방향으로 지향된 마감 공구의 운동은 예컨대 마감 공구 홀더의 탄성적 회복에 의해 또는 부가적 스프링에 의해 생성될 수 있다.

본 발명의 범위 내에서, 마감 공구는 마감석의 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 범위 내에서, 마감 공구는 마감 밴드의 형태로 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 작업편 표면쪽으로 마감 밴드를 가압하기 위해 접시형 가압부가 제공되고, 접시형 가압부는 마감 밴드의 진행 방향을 가로질러 작용하는 가압면을 포함하는 것이 바람직하며, 이때 가압면의 적어도 일부는 부가 운동축을 따라 고정적인 접시형 세그먼트에 대해 상대적으로 움직일 수 있는 가압 세그먼트로 형성된다. 이러한 접시형 가압부에 의해 마감 밴드의 소정의 안내 및 위치 결정이 가능해지고, 이와 동시에 가압 세그먼트의 영역 내에서 작업편 표면의 "망치질" 가공이 가능해진다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서, 가압 세그먼트 및 고정적 접시형 세그먼트는 서로 일체형으로 형성되며, 결합 세그먼트에 의해 서로 결합되고, 이때 결합 세그먼트는 부가 구동부의 구동력이 부가 운동축을 따르는 가압 세그먼트의 운동을 야기하도록 형성된다. 이러한 방식으로, 작업편을 향해있는 가압 세그먼트의 표면 및 고정적인 접시형 세그먼트의 표면은 하나의 작업 공정 내에서 제조되며, 기하학적으로 서로 정확하게 맞춰져 제조될 수 있다. 이와 동시에, 가압 세그먼트 및 고정적인 접시형 세그먼트는 높은 정확도로 서로 상대적으로 위치 결정될 수 있는데, 이러한 세그먼트들 사이의 상대적 운동은 미변형된 출발 위치로부터 시작하여 결합 세그먼트의 (탄성적) 변형에 의해 시작되기 때문이다.

본 발명의 실시예에서는, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 작업편 표면과 작용면의 상대적인 왕복 운동을 발생시키기 위한 진동 구동부가 제공된다.

본 발명의 대안적 실시예에서는, 작업편 축에 대해 평행한 방향에서 작업편 표면과 작용면의 상대적 왕복 운동을 발생시키기 위한 진동 구동부는 명시적으로 제공되지 않는다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 이하의 설명 및 바람직한 실시예의 도해적 표현의 주제이다.

도 1은 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치의 실시예에 대한 측면도이다.
도 2는 도 1에서 II로 표시된 부분에 대한 확대도이다.
도 3은 도 2에 따른 부분의 전면도이다.
도 4는 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치의 다른 실시예에 있어서 도 2에 상응하는 부분의 도면이다.
도 5는 도 4에 따른 부분에 대한 도 3에 상응하는 도면이다.
도 6은 종래의 마감 공정을 이용하여 제조된 작업편 표면의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조된 작업편 표면의 개략도이다.
도 8은 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치의 다른 실시예에 대한 사시도이다.
도 9는 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치의 다른 실시예에 대한 사시도이다.
도 10은 도 8, 도 9에서 VI, VII로 표시된 장치부분의 측면도이다.
도 11은 도 10에서 XI로 표시된 부분에 대한 확대도이다.
도 12 내지 도 16은 도 8 내지 도 11에 따른 장치에 사용되기 위한 접시형 가압부의 실시예들에 대한 측면도들이다.
도 17은 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치의 실시예에 대한 측면도이다.
도 18은 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치의 다른 실시예에 대한 측면도이다.
도 19는 도 18에 따른 장치의 측면도이다; 그리고
도 20은 도 17 내지 도 19에 따른 장치를 이용하여 제조된 작업편 표면의 개략도이다.

도 1에는 작업편 표면의 마감 가공을 위한 장치가 전체적으로 참조 번호 10으로 표시되어 있다. 장치(10)는 설치면(14)상에 장치(10)를 세우기 위한 기계 받침대(12)를 포함한다. 받침대에는 마감식으로 가공해야 할 작업편(18)을 수용하기 위한 작업편 수용부(16)가 제공된다.

작업편(18)은 중앙의 작업편 축(20)을 포함한다. 작업편(18)은 예컨대 베어링 링을 가리킨다.

장치(10)는 작업편 수용부(16)에 보유된 작업편(18)을 작업편 축(20)을 중심으로 회전 구동시키기 위한 회전 구동 장치(22)를 포함한다. 작업편 축(20)은 회전 구동 장치(22)의 회전축에 대해 동축이다.

작업편(18)은 특히 작업편 축(20)에 대해 동심인 작업편 표면(24)을 포함하고, 작업편 표면은 이하에 설명하는 마감 공구(26)를 이용하여 마감식으로 가공된다.

마감 공구(26)는 예컨대 마감석(28)을 가리킨다. 마감 공구(26)는 마감 공구 홀더(30)에 지지되며 부가 운동축(32)(도 2 참조)을 따라 마감 공구 홀더(30)에 대해 상대적으로 진동성으로 구동할 수 있다. 이를 통해, 작업편 표면(24)을 향해있는 마감 공구(26)의 작용면(34)은 작업편 표면(24)의 방향 및 이와 반대 방향으로 움직인다.

마감 공구(26)의 운동을 발생시키기 위해, 장치(10)는 부가 구동부(36)를 특히 피에조 액츄에이터(38)의 형태로 포함한다. 부가 구동부(36)는 부가 운동축(32)을 따라 작용면(34)의 진동성 운동을 발생시킨다.

부가 구동부(36) 및 마감 공구(26)의 운동 결합을 위해 예컨대 전달 요소(40)가 제공되고, 전달 요소는 고정 장치(42)와 결합된다.

고정 장치(42)는 예컨대 슬리브(sleeve)(44)를 포함하고, 슬리브는 전달 요소(40)를 이용하여 부가 구동부(36)에 의해 운동적으로 영향을 받는다. 슬리브(44)는 부가 운동축(32)을 따라 이동 가능한 방식으로 마감 공구 홀더(30)의 하우징(46) 내에 수용되어 있다.

고정 장치(42)는 고정 요소(48)를 더 포함하고, 고정 요소는 나사 결합을 이용하여 슬리브(44)와 결합함으로써, 마감석(28)은 고정 요소(48) 및 슬리브(44)를 이용하여 고정 가능하다.

마감 공구 홀더(30)는 위치 결정 장치(50)를 이용하여 위치 결정축(52)을 따라 받침대(12)에 대해 상대적으로 위치 결정될 수 있다(도 1 참조). 위치 결정축(52)은 작업편 축(20)에 대해 평행하다. 위치 결정 장치(50)는 받침대(12)에서 공급축(infeed axis)(53)을 따라 움직일 수 있는 홀더(54)를 포함하고, 이러한 홀더에는 위치 결정축(52)을 따라 움직일 수 있도록 구동되는 활판(sleigh)(56)이 지지되어 있다.

활판(56) 및 마감 공구 홀더(30)는 서로 결합되어, 마감 공구 홀더(30)는 작업편 축(20)에 대해 수직인 방향에서 활판(56)에 대해 상대적으로 위치 결정될 수 있다. 이를 위해, 마감 공구 가이드(57)가 제공되고, 마감 공구 가이드를 이용하여 마감 공구 홀더(30)는 공급축(59)에 대해 평행하게 위치 결정될 수 있다. 이는 마감 공구(26)의 마모를 보상하고, 장치- 또는 공구 교체 공정의 범위에서 마감 공구(26)의 간단한 취급을 가능하게 한다.

활판(56) 및 마감 공구 홀더(30)는 서로 결합되되, 마감 공구 홀더(30)가 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향에서 활판(56)에 대해 상대적으로 움직일 수 없도록 결합될 수 있다.

이에 대해 대안적으로, 장치(10)는 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향에서 공구 홀더(30)의 왕복 운동을 발생시키기 위한 진동 구동부(58)를 포함한다.

진동 구동부(58)는 예컨대 그 자체에 대해 공지되어 있으므로 더 상세히 설명되지 않는 편심체(eccentric)(60)를 포함하고, 편심체는 편심체 축(62)을 중심으로 회전 가능하게 구동되며, 이중 화살표(64)로 표시된 출력 요소(66)의 진동 운동을 발생시킨다. 출력 요소(66)는 마감 공구 홀더(30)와 단단히 결합되어, 출력 요소(66)의 진동 운동은 마감 공구 홀더(30) 및 마감 공구(26)에 전달된다.

도 2, 도 3에 도시되며 하우징(46) 내의 슬리브(44)의 (유체 동력학적 또는 유체 정역학적인) 미끄럼 베어링에 대해 대안적으로, 고정 장치(42)는 적어도 하나의 선형 압연 가이드를 이용하여 하우징(46) 내에 지지되어 있을 수 있다.

다른 가능성은, 고정 장치(42)를 적어도 하나의 멤브레인 요소(68)를 이용하여 마감 공구 홀더(30)의 하우징(46)에 대해 상대적으로 움직일 수 있도록 지지하는 것이다(도 4 및 도 5 참조). 멤브레인 요소(68)는 바람직하게는 부가 운동축(32)에 대해 수직인 방향으로 연장된다. 바람직하게는, 멤브레인 요소(68)는 링 디스크(ring disc)의 형태로 형성되며, 링 디스크는 방사 방향으로 바깥쪽에서 하우징(46)과 결합되고, 방사 방향으로 안쪽에서 슬리브(44)와 결합된다.

바람직하게는 2개의 멤브레인 요소들(68)이 제공되고, 멤브레인 요소들은 부가 운동축(32)과 관련하여 서로 등돌린 방향의 슬리브(44) 측면들에 배치된다.

작업편(18)이 종래 마감 공정을 이용하여 가공되면, 부가 운동축(32)을 따르는 작용면(34)의 운동이 일어나지 않는다. 이러한 종래의 공정에서, 작업편 표면(24)과 작용면(34) 사이의 상대적 운동은 작업편 축(20)을 중심으로 한 작업편 표면(24)의 회전 운동 및 작업편 축(20)에 대해 평행한 작용면(34)의 진동 운동(64)으로 구성된다. 이러한 방식으로 종래의 마감 공정을 위해 특징적인 교차 연삭 구조(70)가 발생하고, 이러한 구조는 도 6에 개략적으로 도시되어 있다. 교차 연삭 구조(70)는 적어도 일부 영역들에서 서로 실질적으로 평행하며 각각 연속적인 그루브들(72) 및 이와 교차하면서 마찬가지로 연속적인 그루브들(74)을 복수 개로 포함한다. 그루브들(72, 74)의 연속성은, 그루브들(72, 74)이 교차점들(76)에서 유체 효과적으로 상호 연결되도록 한다. 이를 통해, 종래의 마감 공정에서 증대된 배수 효과가 발생하고, 이러한 증대된 배수 효과에서 냉각제 또는 윤활제는 조기에 배출되고, 따라서 연속적으로 비교적 대량으로 새로 준비되어야 한다.

앞에서 도 6과 관련하여 설명된 작업편(19)과 마감 공구(26) 사이의 상대 운동이 다른 운동, 즉 부가 운동축(32)을 따르는 마감 공구(26)의 부가 운동과 중첩되면, 도 7에 도시된 표면 구조(78)가 생성된다.

표면 구조(78)는 서로 각을 이루는 그루브들(80, 82)을 포함한다. 그루브들(80, 82)은 연속적이지 않으며, 불연속 부분(84)을 포함하여, 서로 분리된 그루브 부분들(86)이 생성된다. 그루브 부분들(86)은 냉각제 및 윤활제를 위한 저장 공간으로서 역할하고, 이러한 냉각제 및 윤활제는 도 6에 따른 교차 연삭 구조와 달리 조기에 배출되지 않는다. 이를 통해, 마감 공구(26)의 냉각 및 윤활이 개선될 수 있을 뿐만 아니라, 특히 작업편(18)의 사용 시 작업편 표면(24)의 배수 효과가 감소할 수 있다.

도 8 내지 도 11에는 작업편 표면(24)의 마감 가공을 위한 장치들(10)에 대한 다른 실시예들이 도시되어 있다. 이러한 장치들(10)은 마감 밴드(88)의 형태로 마감 공구(26)를 포함한다(도 10 참조).

도 8에 따른 장치(10)는 설치면(14)상에 세워질 수 있는 받침대(12)를 포함한다. 받침대(12)는 전체에서 참조번호 58로 표시된 진동 구동부의 배치를 위해 역할하며, 진동 구동부를 이용하여 작업편 수용부(16) 및 작업편(18)의 진동 운동이 생성될 수 있다. 이러한 진동 운동은 이중 화살표 64로 표시되어 있다. 진동 운동은 작업편(18)의 작업편 축(20)에 대해 평행하게 정렬되어 있다.

작업편 수용부(16)는 회전 구동부 장치(22)의 일부이며, 이러한 회전 구동 장치를 이용하여 작업편(18)은 작업편 축(20)을 중심으로 회전하면서 구동될 수 있다. 회전 구동 장치(22)는 주축대(headstock)(90) 및 심압대(tailstock)(92)를 포함한다. 도 8에 도시된 실시예에서, 주축대(90) 및 심압대(92)는 진동 구동부(58)의 출력 요소(66)에 지지되어 있다.

도 9에 도시된 장치(10)에서는 어떠한 진동 구동부(58)도 제공되지 않는다. 주축대(90) 및 심압대(92)는 장치(10)의 받침대(12)에 직접적으로 지지되어 있다.

앞서 설명한 상이점(진동 구동부(58) 존재 또는 부재)을 제외하고, 도 8 및 도 9에 따른 장치들(10)은 동일한 구조를 가진다. 따라서, 이하의 설명은 도 8에 따른 장치(10)와 도 9에 따른 장치(10)에 관련한다.

작업편(18)의 가공해야 할 작업편 표면(24)은 예컨대 작업편 축(20)에 대해 방사 방향에서 어긋나게 배치된, 크랭크 축의 대단부 베어링면을 가리킨다. 이를 통해 반드시, 이러한 작업편 표면(24)은 작업편 축(20)을 중심으로 원형으로 움직인다. 따라서 마감 공구(26)가 작업편 표면(24)의 운동을 따라갈 수 있어야 한다.

따라서, 마감 공구(26)의 지지를 위해, 받침대(12)에 지지되기 위한 베어링 장치(94)가 제공되며, 베어링 장치는 2개의 자유도를 가지고, 작업편 축(20)에 대해 수직인 평면 내에서 마감 공구(26)의 운동을 가능하게 한다.

베어링 장치(94)는 선회부(96)를 포함하고, 선회부는 선회 베어링(98)을 이용하여 선회 축(100)을 중심으로 선회 가능하게 받침대(12)의 받침대부(102)에 보유되어 있다. 선회 축(100)은 작업편 축(20)에 대해 평행하게 연장된다.

선회부(96)는 적어도 하나의 선형 가이드(104)의 배치를 위해 역할하며(도 10 참조), 선형 가이드를 이용하여 베어링부(106)는 선형 가이드(104)의 안내축(108)을 따라 선회부(96)에 대해 상대적으로 이동 가능하게 지지되어 있다.

베어링부(106)는 실질적으로 작업편 축(20)에 대해 수직인 평면내에서 연장된다.

베어링부(106)는 관통부(18)를 포함하고, 관통부는 선회 베어링(98)에 의해 관통되어 있다.

베어링부(106)는 가압 장치(112)의 배치를 위해 작업편(18)을 향해있는 베어링부 말단(110)을 포함한다.

가압 장치(112)는 적어도 2개의 집게 암(114)을 포함한다. 집게 암(114)은 베어링부(106)에 대해 상대적으로 집게 암 선회축(116)을 중심으로(도 10 참조) 선회 가능하다. 집게 암 선회축(116)은 선회부(96)의 선회축(100)에 대해 평행하다.

집게 암(114)은 작업편(18)을 향해있는 말단에서 유닛(118)을 포함하고, 상기 유닛은 이하에서 도 11과 관련하여 더 상세히 설명된다.

가압력의 생성을 위해, 자체적으로 공지되어 있어서 더 상세히 설명되지 않은 가압 구동부(119)가 제공되고, 가압 구동부는 집게 암(114)의 유닛들(118)에 작업편(18)의 방향으로 작용하는 힘(120)을 인가한다.

유닛들(118)은 집게 암들(114)과 단단히 결합된 홀더(122)를 포함하고, 홀더는 마감 밴드(88)를 위한 클램프 장치의 배치를 위해 역할한다.

장치(10)는 피에조 액츄에이터(38)의 형태로 부가 구동부(36)를 포함한다. 피에조 액츄에이터(38)는 부가 운동축(32)을 따라 겹쳐서 적층된 복수 개의 피에조 소자들("Stack")을 포함한다.

부가 구동부(36)는 구동부 하우징(126)에서 집게 암(114)과 단단히 결합되어 있다. 전방측(128)에서 피에조 액츄에이터(38)는 힘 전달 요소(130)와 결합된다. 힘 전달 요소는 힘 전달면(132)을 포함하고, 힘 전달면은 피에조 액츄에이터(38)를 이용하여 생성된 압축력을 출력 요소(136)의 힘 흡수면(134)에 전달한다. 힘 전달면(132) 및 힘 흡수면(134)은 서로 단단히 결합될 수 있어서, 인장력은 피에조 액츄에이터(38)로부터 출력 요소(136)로 전달 가능하다.

작업편 표면(24)에 마감 밴드(88)의 가압을 누르기 위해, 유닛들(118)은 각각 접시형 가압부(138)를 포함하고, 접시형 가압부는 각각 굴곡진 가압면(140)을 포함한다.

접시형 가압부(138)는 고정적 접시형 세그먼트(142)를 포함하고, 고정적 접시형 세그먼트는 예컨대 나사 결합(144)을 이용하여 집게 암(114)과 단단히 결합되어 있다. 고정적 접시형 세그먼트(142)는 가압 세그먼트(146)의 배치를 위해 역할하며, 가압 세그먼트는 고정적 접시형 세그먼트(142)에 대해 상대적으로 움직일 수 있으며, 더욱이 부가 운동축(32)을 따라 움직일 수 있다.

가압 세그먼트(146)는 곡면(148)을 포함하고, 가압 세그먼트는 가압면(140)의 일 부분을 형성한다(가압면(140)의 타 부분은 고정적인 접시형 세그먼트(142)에 의해 형성된다). 가압 세그먼트(146)는 고정적인 접시형 세그먼트(142)와 일체형으로 형성되고, 적어도 하나의 결합 세그먼트(150)를 통해 이와 결합된다.

예컨대, 결합 세그먼트(150)는 얇은 가로대(152)의 형태로 형성되고, 이러한 가로대는 부가 운동축(32)을 가로지르는 방향으로, 특히 수직으로 연장된다. 가압 세그먼트(146)는 출력 요소(136)와 단단히 결합되어, 피에조 액츄에이터(38)의 연신은 힘 전달 면(132)을 거쳐 힘 흡수면(134)에 작용하고, 출력 요소(136)를 이용하여 직접적으로 가압 세그먼트(146)의 운동 및 이로 인하여 곡면(148)의 운동으로 전달된다.

도 12 내지 도 16과 관련하여, 이하에서 접시형 가압부(138)의 다양한 실시예들이 설명된다. 도 11에 따른 접시형 가압부(138)에서 가압 세그먼트(146)를 이용하여 형성된 곡면(148)은 마감 밴드(88)의 진행 방향에서 볼 때 비교적 좁아서, 상기 곡면(148)은 전체 가압면(140)의 절반보다 더 작다.

도 12에 도시된 접시형 가압부(138)의 실시예에서 가압 세그먼트(146)가 확대되어 있어, 가압 세그먼트(146)에 의해 형성된 곡면(148)은 전체 가압면(140)의 절반보다 더 크다.

도 13에 도시된 접시형 가압부(138)의 특이성은, 얇은 벽을 포함한 가로대의 형태를 가지며 표면(154)을 포함한 결합 세그먼트(150)도 마찬가지로 가압면(140)의 일부를 형성한다는 것에 있다. 즉 가압면(140)은 결합 세그먼트(146)에 의해 형성된 곡면(148), 하나 이상의 결합 세그먼트(152)에 의해 형성된 적어도 하나의 부분면(154) 및 경우에 따라서 정적인 접시형 세그먼트(142)에 의해 형성된 부가적 부분면(156)으로 구성된다.

극단적 경우에, 전체 가압면(140)은 가압 세그먼트(146)에 의해 형성될 수 있다; 이러한 점은 도 14에 도시되어 있다.

도 15 및 도 16에 도시된 접시형 가압부(138)의 실시예에서, 가압면(140)도 마찬가지로 완전히, 가압 세그먼트(146)의 곡면(148)으로 형성된다. 부가적으로, 고정적 접시형 세그먼트(142)는 측면 부재들(158)을 포함하고, 측면 부재들은 그 자유 말단에서 가압 요소들(160)을 예컨대 가압 롤러의 형태로 구비한다. 가압 요소(160)는 작업편(18)상에서 지지를 위해 역할하여, 가공해야 할 작업편 표면(24)은 정확히 가압면(140)에 대해 상대적으로 위치 결정될 수 있다.

힘(120)이 가압 요소(160)를 통해 작업편(18) 안으로 도입되면, "망치질" 가공해야 할 작업편 표면(24)의 영역은 힘(120)의 영향을 받지 않은 채로 남아있다. 즉, 가압 구동부(119)를 이용하여 생성된 힘(120) 및 피에조 액츄에이터(38)를 이용하여 생성된 표면 가공 힘은 서로에 대해 무관하게 조절될 수 있다.

가압 요소(160)는 실질적으로, 힘(120)의 방향(도 10 참조)에 대해 평행한 방향에서 작용할 수 있고, 이는 도 15에 도시된 실시예의 경우와 같다.

한편, 가압 요소(160)는 실질적으로 힘(120)(도 10 참조)의 방향에 대해 가로지르는 방향으로 작용할 수 있고, 이는 도 16에 따른 실시예의 경우와 같다.

도 17 내지 도 19에는 작업편 표면(24)의 마감 가공을 위한 장치들(10)에 대한 실시예들이 도시되어 있으며, 이때 부가 운동축(32)은 가공해야 할 작업편 표면(24)에 대해 수직이 아니라, 이에 대해 평행하거나(도 17 참조) 이에 대해 접선을 이룬다(tangent)(도 18 참조).

도 17에 따른 장치(10)에서, 작업편 축(20)을 중심으로 한 작업편(18)의 회전 운동에는 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향에서 마감 공구(26)의 작용면(34)의 부가 운동이 중첩되며, 이는 도 17에서 작은 이중 화살표(162)로 표시되어 있는 바와 같다. 부가 운동(162)은 예컨대 피에조 액츄에이터(38)에 의해 생성되며, 피에조 액츄에이터는 마감석 홀더(30) 및 이로 인하여 마감석(28)이 진동성 부가 운동(162)을 하도록 한다.

상기 부가 운동(162)에는 종래의 진동 구동부를 이용하여 생성된 종래 진동 운동도 중첩될 수 있다(도 17에서 더 큰 이중 화살표 64로 표시되어 있음).

도 18 및 도 19에 도시된 장치(10)에서, 마감 공구(26)의 작용면(34)에 대해 상대적인 작업편 표면(24)의 회전 운동에는 작업편 표면(24)에 대해 접선을 이루는 작용면(34)의 부가 운동(162)이 중첩된다. 이를 위해, 피에조 액츄에이터의 형태로 부가 구동부(36)가 제공될 수 있고, 피에조 액츄에이터는 마감석 홀더(30)를 부가 운동축(32)을 따라 지향된 운동으로 구동시킨다. 여기서도, 선택적으로, 작업편 축(20)에 대해 평행한 종래의 진동성 운동이 제공될 수 있다(도 19에서 이중화살표 64 참조).

도 20을 참조하면, 종래 기술에 공지된 기존의 마감 공정에서는 마감 공구(26)의 작용면(34)의 유효한 구성 요소, 즉 예컨대 입자가 작업편 축(20)을 중심으로 작업편 표면(24)상에서 에두르는 정현형(sine-shaped) 작용선(164)을 생성한다. 도 18 및 도 19에 도시된 장치(10)를 이용하면, 이러한 작용선(164)과 달리 전체적으로 정현형이나 더 작은 치수의 파형 작용선(166)이 생성될 수 있다. 작용선(166)은 실질적으로 작용선(164)의 흐름을 따라 배향된 파동 세그먼트들로 구성된다.

도 17에 따른 장치(10)의 사용 시, 작용선(164)과 달리, 그 대략적인 흐름이 마찬가지로 작용선(164)에 배향되어 있으나 실질적으로 작용선(164)에 대해 수직으로 연장된 파동 세그먼트들을 포함하는 작용선(168)이 생성될 수 있다.

Claims

마감 공구(26)를 이용하여 작업편 표면(24)을 마감 가공하기 위한 방법으로서, 상기 작업편 표면(24)은 상기 마감 공구(26)의 작용면(34)에 대해 상대적으로 작업편 축(20)을 중심으로 한 회전 방향으로 움직이고, 상기 작업편 표면(24)과 작용면(34)의 상대적 운동은 상기 작업편 표면(24)에 대해 수직인 방향으로 진동성 부가 운동이 중첩되며,
상기 부가 운동의 진동 주파수는 20 kHz 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 부가 운동의 진동 주파수는 16 kHz 미만이고, 특히 1 kHz 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 부가 운동의 진동 주파수는 50 Hz 초과, 특히 100 Hz 초과인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부가 운동의 진폭은 적어도 약 5 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부가 운동의 진폭은 최대 약 200 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업편 표면(24) 및 작용면(34)은 상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향에서 서로 상대적으로 움직이지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업편 표면(24) 및 작용면(34)은 상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향에서 서로 상대적으로 왕복 운동하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향으로의 왕복 운동의 진동 주파수는 적어도 약 1 Hz인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향으로의 왕복 운동의 진동 주파수는 최대 약 50 Hz인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부가 운동의 진동 주파수는 상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향으로의 왕복운동의 진동 주파수에 비해 1 내지 1000 계수만큼, 특히 6 내지 40 계수만큼 더 큰 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향으로의 왕복운동의 진폭은 약 0.1 ㎜내지 약 3 ㎜인 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부가 운동의 진폭은 상기 작업편 축(20)에 대해 평행한 방향으로의 왕복 운동의 진폭에 비해 5 내지 600 계수만큼, 특히 10 내지 20 계수만큼 더 작은 것을 특징으로 하는 방법.
마감 공구(26)를 이용하여 작업편 표면(24)을 마감 가공하기 위한 장치(10)로서, 상기 장치는 작업편 축(20)을 중심으로 한 회전 방향에서 상기 마감 공구(26)의 작용면에 대해 상대적으로 상기 작업편 표면(24)의 회전 운동을 발생시키기 위한 회전 구동 장치(22)를 포함하고, 이때 상기 작업편 표면(24)과 상기 작용면(34)의 상대적 운동의 중첩을 위해 상기 작업편 표면(24)에 대해 수직인 방향에서 진동성 부가 운동을 발생시키기 위한 부가 구동부(36)가 제공되며,
상기 부가 구동부(36)는 20 kHz 미만의 진동 주파수를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치(10).
청구항 13에 있어서,
상기 부가 구동부(36)는 피에조 액츄에이터(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
청구항 14에 있어서,
상기 피에조 액츄에이터(38)는 부가 운동축(32)을 따라 정렬되고, 특히 부가 운동축(32)을 따라 적층된 피에조 소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(10).
청구항 11 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마감 공구(26)는 마감석(28)의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(10).
청구항 11 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마감 공구(26)는 마감 밴드(88)의 형태로 형성되고, 상기 마감 밴드(88)를 작업편 표면(24)쪽으로 가압하기 위해 접시형 가압부(138)가 제공되며, 상기 접시형 가압부는 상기 마감 밴드(88)의 진행 방향을 가로질러 작용하는 가압면(140)을 포함하고, 이때 상기 가압면(140)의 적어도 일부분은 부가 운동축(32)을 따라 고정적 접시형 세그먼트(142)에 대해 상대적으로 움직일 수 있는 가압 세그먼트(146)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(10).
청구항 17에 있어서,
상기 가압 세그먼트(146) 및 고정적 접시형 세그먼트(142)는 서로 일체형으로 형성되고 결합 세그먼트(150)를 통해 서로 결합되며, 이때 상기 결합 세그먼트(150)는 부가 구동부(36)의 구동력이 상기 부가 운동축(32)을 따르는 상기 가압 세그먼트(146)의 운동을 야기하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(10).