KR20140080147A - 형상기억합금 구동기를 이용한 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 드로우바의 진퇴구동을 형상기억합금 구동기를 통해 실시하여 드로우바의 복귀를 위한 탄성부재 및 공압 또는 유압실린더의 구성을 생략한 공작기계의 주축장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치는 스핀들 하우징 내에 베어링과 로터에 의해 회전 가능하게 설치되는 스핀들과, 상기 스핀들의 내부에서 전후방향을 따라 연장되고 전후방향을 따라 소정거리 진퇴 가능하게 설치되며 후단에는 외경이 확장되어 전방을 향하는 단턱이 형성되도록 확장부가 형성된 드로우바와, 상기 스핀들의 내부에서 상기 드로우바와 연결되어 상기 드로우바의 전진시 가공용 툴을 탈착 또는 교체할 수 있도록 벌어지고, 상기 드로우바의 후퇴시 가공용 툴이 고정되도록 오므려지는 콜릿척과, 상기 드로우바를 진퇴구동시키도록 상기 스핀들에 설치되는 진퇴구동부를 구비하며, 상기 진퇴구동부는 전단이 상기 스핀들에 지지되고 후단이 상기 확장부의 단턱에 지지되며 온도에 따라 길이가 신축되는 형상기억합금 구동기와, 상기 형상기억합금 구동기를 가열하여 설정온도로 승온시키는 가열부를 구비한다.

Description

형상기억합금 구동기를 이용한 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치 {Clamping and unclamping device for tooling system of machine tools using shape-memory alloy actuator}

본 발명은 공작기계의 주축장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 드로우바의 진퇴구동을 형상기억합금 구동기를 통해 실시하여 드로우바의 복귀를 위한 탄성부재 및 공압 또는 유압실린더의 구성을 생략한 공작기계의 주축장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계의 주축은 스핀들의 하측에 공구가 장착되고, 스핀들이 회전하면서 공구를 회전시켜 가공물을 가공하게 된다.

가공물의 가공형태가 변경될 때에는 공구를 교환 장착하게 되는데, 공구를 교환하는 과정에서 공구의 장착을 해제하는 것을 언클램핑(un-clamping)이라하고, 공구를 장착하는 것을 클램핑(clamping)이라 한다.

상술한 공구는 툴 생크가 콜릿에 장착되고, 상술한 콜릿은 드로우바에 의해 승강되며, 드로우바가 상승한 위치에서 공구의 장착된 상태를 유지되고, 드로우바가 하강한 위치에서 공구의 장착이 해제상태가 된다.

상술한 드로우바를 상승시킬 때에는 스핀들의 내측에 배치되는 복원수단에 의해 이루어지고, 드로우바를 하강시킬 때에는 실린더의 구동에 의해 이루어진다.

특히 상술한 실린더는 유압이나 공압에 의해 이루어지는 것이고 상술한 복원 수단의 복원력보다 큰 힘을 드로우바에 가하는 것이다. 일례로서 상술한 복원 수단은 스프링와셔를 겹쳐 놓을 수 있고 복원력은 2ton으로 설정될 수 있으며, 상술한 실린더에 작용하는 압력은 3ton으로 설정될 수 있다.

다른 한편으로 공구가 교환 장착될 때에는 무척 짧은 시간에 순차적으로 이루어지는 것으로 일련의 과정을 살펴보면, 실린더가 작용하여 드로우바를 하강시키고, 드로우바의 하강에 의해 콜릿이 벌려지면서 공구를 장착해제하며, 자동공구교환장치의 그리퍼가 공구를 빼낸 후에 다른 공구를 삽입시키고, 드로우바가 상승하여 콜릿을 오므리면서 공구를 스핀들에 장착하는 것이다.

이때 실린더가 공압실린더인 경우 공압은 압축성이기 때문에 공압압력이 불안정하여 콜릿을 충분하게 벌려주지 못하는 경우가 발생할 수 있고, 반응속도가 느리며, 유압실린더를 적용하는 경우에는 유압구동기의 적용에 따른 제작비용의 상승 및 환경문제의 발생과 같은 문제점이 있다.

그리고 드로우바를 상승시켜 초기 위치로 복원시키는 복원수단으로는 주로 코일스프링 또는 판스프링과 같은 스프링부재가 사용되는데, 이러한 스프링의 경우 부식 또는 압축과 인장의 반복하중에 의해 스프링력의 감소, 조립불량 및 사용 중 일부분에 변형이 발생하는 등의 원인에 의해 스핀들의 회전 구동시 언밸런스한 회전이 발생하게 되는 문제가 있다.

한국 공개특허 제10-2009-0055262호 : 공작기계의 주축 장치 한국 공개특허 제10-2003-0092833호 : 공작기계용 스핀들 상기 선행기술에 공작기계의 주축장치와 관련된 선행기술들이 개시되어 있으나, 모두 드로우바를 진퇴 구동시키기 위하여 실린더와 탄성스프링을 채용하고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 드로우바의 진퇴 구동을 형상기억합금 구동기를 통해 실시함으로써 드로우바의 전진 및 후진을 위한 별도의 공압 또는 유압실린더 및 탄성스프링의 장착을 생략하고 단순화된 구성을 갖는 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치는 스핀들 하우징 내에 베어링과 로터에 의해 회전 가능하게 설치되는 스핀들과, 상기 스핀들의 내부에서 전후방향을 따라 연장되고 전후방향을 따라 소정거리 진퇴 가능하게 설치되며 후단에는 외경이 확장되어 전방을 향하는 단턱이 형성되도록 확장부가 형성된 드로우바와, 상기 스핀들의 내부에서 상기 드로우바와 연결되어 상기 드로우바의 전진시 가공용 툴을 탈착 또는 교체할 수 있도록 벌어지고, 상기 드로우바의 후퇴시 가공용 툴이 고정되도록 오므려지는 콜릿척과, 상기 드로우바를 진퇴구동시키도록 상기 스핀들에 설치되는 진퇴구동부를 구비하며, 상기 진퇴구동부는 전단이 상기 스핀들에 지지되고 후단이 상기 확장부의 단턱에 지지되며 온도에 따라 길이가 신축되는 형상기억합금 구동기와, 상기 형상기억합금 구동기를 가열하여 설정온도로 승온시키는 가열부를 구비한다.

상기 스핀들의 후단부에는 슬리브가 결합되고, 상기 형상기억합금 구동기의 전단이 상기 슬리브에 지지되어 있으며, 상기 가열부는 상기 형상기억합금 구동기와 인접하게 설치되는 가열판과, 상기 가열판을 가열시키기 위한 전열선을 구비하며, 상기 형상기억합금 구동기의 전단과 타단에는 각각 단열패드가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 스핀들에는 상기 드로우바와 스핀들의 내주면 사이에 장착홈이 전후방향을 따라 연장되도록 설치되어 있으며, 상기 형상기억합금 구동기는 전단이 상기 장착홈의 단부에 지지되도록 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치는 공압 또는 유압실린더가 아닌 형상기억합금 구동기에 의해 드로우바의 진퇴 구동이 이루어지기 때문에 공압 또는 유압을 공급하기 위한 압축기 또는 유압공급장치의 구성을 생략할 수 있어 구조가 단순하며 제작비용을 절감할 수 있고, 유압이나 공압 구동기에 비해 빠른 구동속도를 가지므로 공구 교환시간을 줄일 수 있다.

본 발명의 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치는 드로우바의 진퇴 구동이 안정적이며 탄성스프링이 생략되므로 회전구동 중 밸런스가 용이하게 유지되어 안정적인 기계가공을 실시할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치의 일 실시예를 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 드로우바를 진퇴구동시키는 진퇴구동부를 도시한 단면도,
도 3은 진퇴구동부의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치(1)의 전체 단면도이고, 도 2는 드로우바(70)를 진퇴구동시키는 진퇴구동부(80)를 발췌하여 도시한 단면도이다. 본 발명에 따른 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치(1)는 은 보링머신(boring machine), 밀링머신(milling machine), 드릴링머신(drilling machine), 그리고 상기 보링머신, 밀링머신, 드릴링머신을 하나로 복합한 머시닝센터 (machining center) 등에 유닛으로 적용되어 절삭가공, 홀가공 등의 가공작업을 수행하는 회전체로서, 스핀들(30) 모터(미도시)에 의해 고속으로 회전하며, 하부에 해당 가공용 툴(10)을 장착하여 이를 가공물에 대하여 회전시킴으로서 가공작업을 하게 되는 것이다.

상기 툴(10)이 장착되는 스핀들(30)은 스핀들 하우징(20) 내에서 베어링(40)에 의해 스핀들 하우징(20)에 대하여 회전 가능하게 설치되고, 로터(50)에 의해 스핀들(30) 모터의 구동력을 전달받아 회전 구동이 이루어지게 된다.

상기 스핀들(30)의 내부에는 툴(10)의 걸림돌기(11)를 통하여 결합 또는 분리가 이루어질 수 있도록 콜릿척(60)이 설치된다.

아울러 스핀들(30)의 내부에는 상기 콜릿척(60)과 일단이 연결되어 있고 긴 환봉형태의 드로우바(70)가 스핀들(30)의 전후 길이방향을 따라 진퇴 가능하게 설치되어 있고, 상기 드로우바(70)는 후술하는 진퇴구동부(80)를 통해 전진 또는 후진하게 된다. 드로우바(70)의 내부에는 툴(10)을 통한 기계가공 중 절삭유를 공급하기 위한 절삭유 공급홀(72)이 중공형태로 형성되어 있고, 드로우바(70)의 후단에는 직경이 확장되어 단턱을 형성하는 확장부(71)가 마련되어 있다.

여기서 상기 툴(10)이 끼워지는 스핀들(30)의 선단에는 전방에서 후방으로 진행할수록 내측으로 폭이 점점 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성된 장착구(31)가 마련되며, 장착구(31)의 테이퍼면에 대응하여 상기 툴(10)의 장착부 또한 테이퍼면을 갖도록 형성된다.

툴(10)의 장착 및 탈착은 상술한 것처럼 드로우바(70)의 전진 및 후진 구동에 따른 콜릿척(60)의 구동에 의해 이루어진다.

상기 드로우바(70)가 진퇴구동부(80)에 의해 전진하게 되면 콜릿척(60)이 스핀들(30)의 전방으로 돌출되면서 툴(10)의 걸림돌기(11)를 파지하고 있던 콜릿척(60)의 선단부가 벌어지게 된다. 이렇게 콜릿척(60)이 벌어져 있는 언클램핑 포지션에서 그리퍼가 장착되어 있던 툴(10)을 콜릿척(60)으로부터 인출한 뒤 교체대상의 툴(10)을 삽입한다. 이후 드로우바(70)가 진퇴구동부(80)에 의해 다시 후방으로 후퇴하면 콜릿척(60)이 교체된 툴(10)의 걸림돌기(11)를 파지하도록 오므려지게 되면서 클램핑 상태가 된다.

상기 진퇴구동부(80)는 도 2를 참조하면, 상기 스핀들(30)의 후방에 설치되는 슬리브(81)와, 상기 슬리브(81)와 드로우바(70)의 확장부(71)의 사이에 설치되어 일단과 타단이 각각 슬리브(81)와 확장부(71)에 각각 지지되는 형상기억합금 구동기(83)와, 상기 형상기억합금 구동기(83)를 가열하기 위한 가열부(84)를 포함한다.

슬리브(81)에는 스핀들(30)의 회전속도나 회전수 등을 감지할 수 있도록 엔코더(82)가 설치되어 있으며, 상기 형상기억합금 구동기(83)는 상기 슬리브(81)와 확장부(71) 사이에 설치되어 가열부(84)에 의해 가열되거나 냉각될 때 길이가 신축변형된다. 즉, 상기 형상기억합금 구동기(83)가 설정된 소정 온도로 가열되어 길이가 신장되면 확장부(71) 및 드로우바(70)가 스핀들(30)의 후방으로 후퇴하게 되면서 툴(10)을 클램핑하는 클램핑 포지션에 위치하게 된다. 반대로 가열부(84)의 발열이 중지되어 형상기억합금 구동기(83)의 온도가 낮아지면 초기 상태로 길이가 줄어들면서 확장부(71) 및 드로우바(70)가 전방으로 전진하여 툴(10)을 탈착 및 교체할 수 있는 언클램핑 포지션에 위치하게 된다.

상기 형상기억합금 구동기(83)를 가열하기 위한 가열부(84)는 스위치 또는 컨트롤러의 입력신호에 따라 전원을 공급받아 발열하게 되는데, 공급되는 전원을 통해 발열하는 전열선(85)과, 상기 전열선(85)을 지지하는 가열판(86)으로 이루어진다.

상기 가열부(84)가 발열하여 형상기억합금 구동기(83)를 가열하면 형상기억합금 구동기(83)는 길이가 신장되고, 가열부(84)의 구동이 정지되면 상온으로 온도가 낮아지면서 형상기억합금 구동기(83)의 길이가 수축된다.

따라서 상기 가열부(84)의 구동제어를 통해 형상기억합금 구동기(83)를 신축구동할 수 있으며 그에 따라 상기 드로우바(70)를 진퇴구동할 수 있게 된다.

상기 형상기억합금 구동기(83)가 슬리브(81) 및 확장부(71)와 접촉하는 접촉부에는 열전달을 차단하기 위한 단열패드(87)가 장착되어 있다.

도 3에는 진퇴구동부(80)의 다른 실시예가 도시되어 있다.

본 실시예의 경우 스핀들(30)의 후방에 스핀들(30)과 드로우바(70) 사이에 장착홈(32)이 전후방향을 따라 연장되도록 형성되어 있으며, 형상기억합금 구동기(83)는 드로우바(70)의 확장부(71)와 장착홈(32)의 단부에 형성되는 단턱에 각각 단부가 지지되도록 형성된다.

본 실시예의 진퇴구동부(80) 역시 가열부(84)를 통해 형상기억합금 구동기(83)가 가열되거나 냉각되면, 형상기억합금 구동기(83)가 신축 구동을 하면서 드로우바(70)를 전진 또는 후퇴구동하여 언클램핑 포지션 또는 클램핑 포지션으로 이동시킨다.

본 실시예는 형상기억합금 구동기(83)가 스핀들(30)에 형성되는 단턱에 지지되도록 형성되어 있다는 것을 제외하면 앞선 실시예와 구성 및 작용이 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1; 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치
10; 툴 11; 걸림돌기
20; 스핀들 하우징 30; 스핀들
31; 장착구 32; 장착홈
40; 베어링 50; 로터
60; 콜릿척 70; 드로우바
71; 확장부 72; 절삭유 공급홀
80; 진퇴구동부 81; 슬리브
82; 엔코더 83; 형상기억합금 구동기
84; 가열부 85; 전열선
86; 가열판 87; 단열패드

Claims (3)

1. 스핀들 하우징 내에 베어링과 로터에 의해 회전 가능하게 설치되는 스핀들과;
   상기 스핀들의 내부에서 전후방향을 따라 연장되고 전후방향을 따라 소정거리 진퇴 가능하게 설치되며 후단에는 외경이 확장되어 전방을 향하는 단턱이 형성되도록 확장부가 형성된 드로우바와;
   상기 스핀들의 내부에서 상기 드로우바와 연결되어 상기 드로우바의 전진시 가공용 툴을 탈착 또는 교체할 수 있도록 벌어지고, 상기 드로우바의 후퇴시 가공용 툴이 고정되도록 오므려지는 콜릿척과;
   상기 드로우바를 진퇴구동시키도록 상기 스핀들에 설치되는 진퇴구동부;를 구비하며,
   상기 진퇴구동부는 전단이 상기 스핀들에 지지되고 후단이 상기 확장부의 단턱에 지지되며 온도에 따라 길이가 신축되는 형상기억합금 구동기와, 상기 형상기억합금 구동기를 가열하여 설정온도로 승온시키는 가열부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스핀들의 후단부에는 슬리브가 결합되고, 상기 형상기억합금 구동기의 전단이 상기 슬리브에 지지되어 있으며,
   상기 가열부는 상기 형상기억합금 구동기와 인접하게 설치되는 가열판과, 상기 가열판을 가열시키기 위한 전열선을 구비하며,
   상기 형상기억합금 구동기의 전단과 타단에는 각각 단열패드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 스핀들에는 상기 드로우바와 스핀들의 내주면 사이에 장착홈이 전후방향을 따라 연장되도록 설치되어 있으며,
   상기 형상기억합금 구동기는 전단이 상기 장착홈의 단부에 지지되도록 설치되고,
   상기 가열부는 상기 형상기억합금 구동기와 인접하게 설치되는 가열판과, 상기 가열판을 가열시키기 위한 전열선을 구비하며,
   상기 형상기억합금 구동기의 전단과 타단에는 각각 단열패드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공작기계 주축공구의 클램핑 및 언클램핑 장치.

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