KR20140118113A - 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 공구 냉각 방법 - Google Patents

질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 공구 냉각 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법에 관한 것으로서, 공작 기계의 공구를 이용하여 공구를 절삭 가공함에 있어서, 공작물과 공구를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법에 관한 것이다.
본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은, 고속 회전하는 공구에 대해서도 절삭면까지 효과적으로 침투하여 공구와 공작물을 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은, 인체에 무해하고 공기의 주성분인 질소 가스를 사용하므로 친환경적이고 작업자의 안전에 영향을 미치지 않으면서도 공구의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 공구 냉각 방법{Apparatus for Cooling Machining Tool Using Nitrogen Gas and Method of Cooling Machining Tool Using Nitrogen Gas}
본 발명은 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법에 관한 것으로서, 공작 기계의 공구를 이용하여 공작물을 절삭 가공함에 있어서, 공작물과 공구를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법에 관한 것이다.
공작기계를 이용하여 공작물을 절삭, 연마, 연삭하는 공정은 전통적으로 기계 산업에서 오래 동안 사용되어 왔다.
최근에는 공구의 제조 기술이 발전하면서 고성능 고강도의 공구를 제조하는 것이 가능해졌다. 이와 같은 공구의 발전으로 인해, 고강도의 공작물을 고속으로 가공할 수 있게 되었다. 이와 같이 고강도의 공작물을 공구를 이용하여 고속으로 가공하면 절삭 과정에서 높은 열이 발생한다. 이와 같은 절삭열을 효과적으로 냉각하지 않으면, 공구의 수명이 단축되는 문제점이 있다. 고강도의 공구는 성능이 우수한 만큼 가격이 높기 때문에 절삭열에 의해 공구가 손상되면 결과적으로 공작물을 가공하는 공정의 원가가 상승하게 된다.
종래에는 수용성이나 비수용성의 절삭액을 공구의 절삭면에 분사하면서 공작물을 가공하는 방법을 흔히 사용하였다. 공구의 성능 향상과 함께 밀링 머신과 같은 공작기계의 성능이 향상되면서, 고속으로 공구를 회전시키는 경우에는 이와 같은 절삭액의 사용만으로는 효과적으로 공구를 냉각시킬 수 없는 문제점이 있다. 공구의 고속회전에 의한 원심력에 의해 절삭액이 절삭면까지 침투하지 못하고 비산되면서 공구를 냉각시키지 못하게 된다. 공구의 고속회전으로 인한 공구 주변의 기류 발생에 의해 절삭액이 절삭면까지 침투하지 못하기도 한다. 특히 연마 공정의 경우 공구를 더욱 고속으로 회전시키기 때문에 공구 및 공작물에 더욱 높은 열이 발생하지만, 종래의 절삭액 분사 방법으로는 공구를 충분히 냉각시킬 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 공작기계의 공구 및 공작물 사이에 발생하는 열을 효과적을 냉각시킬 수 있는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은, 고속으로 회전하는 공구의 절삭면에 효과적으로 냉각 물질을 침투시켜 공구를 냉각시킬 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치는, 공기중의 질소를 포집하여 질소 가스를 발생시키는 질소 발생 유닛; 공작 기계의 공구와 공작물을 냉각시키기 위한 절삭액을 공급하는 절삭액 공급 유닛; 상기 절삭액 공급 유닛에서 공급 받은 절삭액에 상기 질소 발생 유닛에서 공급 받은 질소 가스를 혼합하는 혼합 유닛; 및 상기 혼합 유닛에서 혼합된 절삭액과 질소 가스의 혼합물을 전달받아 절삭액 노즐을 통해 공작물의 절삭면에 대해 분사하는 분사 유닛;을 포함하는 점에 특징이 있다.
또한, 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은, (a) 공작 기계의 공구와 공작물을 냉각시키기 위한 절삭액을 공급하는 단계; (b) 공기중의 질소를 포집하여 질소 가스를 발생시키는 단계; (c) 상기 절삭액에 상기 질소 가스를 혼합하는 단계; 및 (d) 상기 질소 가스가 혼합된 절삭액을 상기 공작물의 절삭면에 분사하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.
본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은, 고속 회전하는 공구에 대해서도 절삭면까지 효과적으로 침투하여 공구와 공작물을 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은, 인체에 무해하고 공기의 주성분인 질소 가스를 사용하므로 친환경적이고 작업자의 안전에 영향을 미치지 않으면서도 공구의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 혼합 유닛의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 혼합 유닛의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 블록도이다.
도 5는 도 4에 도시된 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 가압 모듈을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 용해 유닛의 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 블록도이고, 도 2는 도 1에 도시된 혼합 유닛의 단면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 혼합 유닛의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1실시예의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치는 질소 발생 유닛(120)과 절삭액 공급 유닛(110)과 혼합 유닛(130)과 분사 유닛(160)을 포함하여 이루어진다.
질소 발생 유닛(120)은 공기중의 질소를 포집하여 질소 가스를 발생시킨다. 질소 방생 유닛(120)은 압력변동흡착(PSA; Pressure Swing Absorption) 방법에 의해 질소 가스를 발생시키는 것이 좋다. 압력변동흡착 방법에 의해 질소 가스를 발생시킴으로써 고순도의 질소를 비교적 적은 에너지를 사용하면서도 효율적으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 또한 공기에 포함된 가스 중에서 질소만을 흡착하여 분리하기 위하여 CMS(Carbon Molecular Sieve)를 흡착제로 사용함으로써 질소 가스 분리를 효과적으로 수행할 수 있다.
절삭액 공급 유닛(110)은 절삭액을 공급하는 구성이다. 공장기계에 의해 절삭되는 공작물(101) 및 공구(102)를 냉각하고 윤활시키기 위한 종래의 수용성, 비수용성 절삭액이 사용된다.
질소 발생 유닛(120)에서 공급되는 질소와 절삭액 공급 유닛(110)에서 공급되는 절삭액은 혼합 유닛(130)에 전달되어 서로 혼합된다. 혼합 유닛(130)은 질소 가스가 기포의 형태로 절삭액에 섞이도록 질소 가스와 절삭액을 혼합한다. 절삭액 공급 유닛(110)과 혼합 유닛(130)의 사이에는 절삭액 공급 펌프(111)가 배치되어 절삭액을 혼합 유닛(130)에 지속적으로 공급한다. 질소 발생 유닛(120)과 혼합 유닛(130) 사이에는 체크 밸브(121)가 설치되어 질소 가스가 역류하는 것을 방지한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 혼합 유닛(130)은 절삭액 유입구(132)와 질소 유입구(133)와 혼합 공간(134)을 구비한다. 절삭액 공급 유닛(110)에서 공급되는 절삭액은 절삭액 유입구(132)를 통해 혼합 공간(134)으로 전달된다. 질소 발생 유닛(120)에서 공급되는 질소 가스는 질소 유입구(133)를 통해 유입되어 혼합 공간(134)으로 전달된다. 절삭액과 질소 가스는 혼합 공간(134)에서 서로 만나 질소 가스가 마이크로 버블의 형태로 절삭액에 섞이게 된다.
질소 가스에 의한 마이크로 버블의 발생 효율을 향상시키기 위하여 질소 유입구(133)와 혼합 공간(134)의 사이에는 질소 경유 공간(135)이 배치된다. 질소 유입구(133)로 유입되는 질소 가스는 질소 경유 공간(135)을 거쳐서 혼합 공간(134)으로 전달된다. 본 실시예에서 혼합 공간(134)은 원통형으로 형성되고, 질소 경유 공간(135)은 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이 혼합 공간(134)의 외경을 감싸는 형태로 형성된다. 질소 경유 공간(135)과 혼합 공간(134)의 사이에는 질소 혼합 구멍(136)이 형성되어, 그 질소 혼합 구멍(136)을 통해서 질소 가스가 혼합 공간(134)의 내부로 분사된다. 도 3을 참조하면, 질소 혼합 구멍(136)은 혼합 공간(134)의 반경 방향을 따라 연장되도록 형성되며, 복수의 질소 혼합 구멍(136)이 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배치된다.
질소 경유 공간(135)의 폭(L)은 질소 유입구(133)의 내경보다 크고, 질소 혼합 구멍(136)의 내경은 질소 경유 공간(135)의 폭(L)보다 작은 것이 좋다. 질소 경유 공간(135)의 폭(L)이 질소 유입구(133)의 내경보다 크게 형성됨으로써, 질소 가스가 질소 경유 공간(135)의 내부에 와류(vortex)를 형성하면서 원활하게 질소 경유 공간(135)의 내부로 유입된다. 질소 혼합 구멍(136)의 내경을 질소 경유 공간(135)의 폭(L)보다 작게 함으로써, 질소 경유 공간(135)보다 높은 압력으로 질소 가스가 혼합 공간(134)의 내부에 유입되도록 한다. 이로 인해 질소 가스에 의한 마이크로 버블의 생성 효율이 향상되는 장점이 있다. 질소 경유 공간(135)의 폭(L)과 높이(D)의 비율을 조절함으로써 질소 가스에 의한 마이크로 버블의 발생 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
질소 혼합 구멍(136)의 내경을 질소 유입구(133)의 내경보다 작게 함으로써, 질소 가스가 질소 경유 공간(135)에 유입되는 압력보다 혼합 공간(134)의 내부에 유입되는 압력을 크게 할 수 있다. 이와 같은 구조를 이용하여, 질소 가스를 강한 압력으로 혼합 공간(134)의 내부에 밀어 넣어 마이크로 버블의 발생 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
혼합 공간(134)의 내부에서 질소 가스가 마이크로 버블의 형태로 혼합된 절삭액은 분사 유닛으로 전달되어 공구(102)의 절삭면에 분사된다. 본 실시예의 분사 유닛(160)은 도 2에 도시된 것과 같이 혼합 공간(134)에 설치된 노즐(160)과 같은 구조이다. 경우에 따라서는 혼합 공간(134)에 유로를 연결하여 혼합 유닛(130)과 이격된 위치에 분사 유닛을 배치하는 것도 가능하다.
절삭액에 마이크로 버블의 형태로 용해되어 있던 질소 가스는 대기압 상태에서 팽창하면서 공기중으로 배출된다. 절삭액에 용해되어 있던 질소 가스는 급격하게 팽창되면서 공기중으로 섞여 들어가게 된다. 질소 가스는 팽창하면서 순간적으로 고온을 발생시키다가 단열 팽창하면서 주위의 열을 흡수하게 된다. 이로 인해 고속으로 회전하거나 마찰하는 공구(102)와 공작물(101)의 절삭면을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 마이크로 버블 질소 가스가 팽창하는 과정에서 발생하는 초음파와 질소 가스의 증가하는 부피로 인해 고속으로 회전하는 공구(102)의 절삭면에 효과적으로 침투할 수 있는 장점이 있다.
종래의 절삭액 냉각 방법의 경우 고속으로 회전하거나 작동하는 공구의 경우에 공구의 회전속도와 공구 주변의 공기의 흐름으로 인해 절삭액을 분사하여도 절삭액이 공구의 절삭면까지 침투하지 못하여 공구와 공작물을 냉각시키지 못하는 문제점이 있었다. 이와 같은 경우 고가의 공구의 수명이 단축되고 공작물의 표면 조도도 높아지는 문제점이 발생한다. 그런데 본 실시예의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 경우 질소 가스에 의한 마이크로 버블과 질소 가스의 팽창 현상에 의해 공구(102)의 절삭면까지 절삭액 및 질소 가스가 침투하는 것이 가능하다. 분사 유닛(160)의 분사압에 의해 절삭액이 공구(102)의 근처까지만 이동하면 절삭액 내부의 질소 가스가 팽창하면서 주위 공간을 매우 빠른 속도로 채우게 되기 때문에 공구(102)의 절삭면까지 침투하는 것이 원활해 진다. 질소 가스는 윤활 특성이 있기 때문에 절삭액의 윤활 특성을 보완하게 되고, 질소 가스의 단열 팽창에 의한 흡열 반응이 공구(102)의 열을 냉각시키게 된다.
산소 또는 질소 가스를 이용한 마이크로 버블을 다른 산업분야에 사용하는 사례는 있었으나 공작 기계를 용한 절삭, 연마 등의 공정에 이를 이용하는 사례는 없었다. 본 발명은 발상의 전환에 의해 장기간 미해결의 과제였으며, 특히 최근에 공작 기계의 성능이 향상되고 절삭 속도가 향상되면서 더욱 중요한 문제로 대두되는 공구(102) 및 공작물(101)의 냉각 및 윤활 문제를 획기적으로 해결한 점에 특징이 있다.
다음으로 도 4 내지 도 6을 참조하여, 제2실시예에 따른 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치에 대해 설명한다.
도 4는 제2실시예에 따른 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 블록도이고, 도 5는 도 4에 도시된 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 가압 모듈을 도시한 단면도이며, 도 6은 도 4에 도시된 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치의 용해 유닛의 단면도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치는 질소 발생 유닛(220)과 절삭액 공급 유닛(210)과 혼합 유닛(230)과 용해 유닛(240)과 저장 탱크(250)와 분사 유닛(260)을 포함하여 이루어진다.
질소 발생 유닛(220)과 절삭액 공급 유닛(210)은 제1실시예의 질소 발생 유닛(120) 및 절삭액 공급 유닛(110)과 동일하다.
질소 발생 유닛(220)에서 공급되는 질소와 절삭액 공급 유닛(210)에서 공급되는 절삭액은 혼합 유닛(230)에 전달되어 서로 혼합된다. 혼합 유닛(230)은 질소 가스가 기포의 형태로 절삭액에 섞이도록 질소 가스와 절삭액을 혼합한다. 한편, 질소 발생 유닛(220)과 혼합 유닛(230) 사이에는 체크 밸브(221)가 설치되어 질소 가스가 역류하는 것을 방지한다. 본 실시예의 혼합 유닛(230)은 앞에서 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 제1실시예의 혼합 유닛(130)과 유사한 구조로 형성될 수도 있고 이와 다른 구조로 절삭액과 질소 가스가 섞이도록 구성하는 것도 가능하다.
혼합 유닛(230)에서 질소 가스가 혼합된 절삭액은 용해 유닛(240)에 전달된다. 용해 유닛(240)은 용해 탱크(242)와 용해 펌프(241)와 가압 모듈(243)을 포함한다.
용해 펌프(241)는 혼합 유닛(230)에서 전달 받은 절삭액을 흡입하여 용해 탱크(242)로 압력을 가하면서 전달한다.
도 6을 참조하면, 용해 유닛(240)의 용해 탱크(242)에는 세라믹 볼(247)이 채워진다. 질소 가스가 혼합된 절삭액은 고압으로 다공성 세라믹 재질의 세라믹 볼(247)을 경유하여 흐르면서 질소 가스의 용해도가 향상된다. 이때, 용해 유닛(240)의 효율을 향상시키기 위하여, 용해 탱크(242) 내부로 질소 가스가 혼합된 절삭액이 유입되는 용해 유입구(244)는 용해 탱크(242)의 상측에 배치되고, 용해 탱크(242)의 내부에서 질소 가스가 혼합된 절삭액이 유출되는 용해 유출구(245)는 용해 탱크(242)의 하측에 배치되는 것이 좋다. 이와 같이 용해 유입구(244)는 상측에 배치하고 용해 유출구(245)는 하측에 배치함으로써, 용해 유입구(244)와 용해 유출구(245) 사이의 세라믹 볼(247)과의 접촉 기회와 접촉 시간이 증가하고 결과적으로 질소 가스의 용해도가 증가된 절삭액이 생산된다.
용해 펌프(241)와 용해 탱크(242) 사이에는 도 2에 도시된 것과 같은 가압 모듈(243)이 설치되는 것이 좋다. 가압 모듈(243)은 질소 가스가 혼합된 절삭액의 유로 상에 배치되어 질소 가스의 절삭액에 대한 용해도를 향상시킨다. 가압 모듈(243)은 몸체부(2431)에 다수의 관통공(2432)이 형성된다. 관통공(2432)은 절삭액의 유동 방향을 따라 내경이 감소하도록 형성된다. 즉, 가압 모듈(243)의 관통공(2432)은 유입구보다 유출구의 내경이 작게 형성된다. 그에 따라 절삭액이 관통공(2432)을 경유하면서 자체 압력이 상승하게 된다. 베르누이 법칙을 이용한 가압 모듈(243)의 관통공(2432)의 작용에 의해 질소 가스는 절삭액에 점차적으로 더욱 높은 농도로 용해된다.
이와 같이 가압 모듈(243)을 경유한 절삭액은 용해 탱크(242)에 고압으로 저장된다. 용해 펌프(241)에서 가하는 높은 압력에 의해 용해 탱크(242) 내부에 절삭액이 머물면서 질소 가스가 점차적으로 절삭액에 용해되는 것이다.
이와 같이 용해 탱크(242)에서 질소 가스의 용해도가 향상된 절삭액은 바로 분사 유닛(260)에 전달되어 공구(102) 절삭면에 분사될 수도 있으나, 본 실시예의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치에서는 저장 탱크(250)를 거쳐서 분사 유닛(260)으로 절삭액이 전달된다. 용해 유닛(240)에서 질소 가스가 충분히 용해된 절삭액은 저장 탱크(250)에 전달되어 저장된다. 용해 유닛(240)은 질소 가스가 충분히 용해된 절삭액을 저장 탱크(250)로 전달하여 용해 탱크(242)를 비운 후, 다음 절삭액을 전달 받아 질소 가스를 용해시키는 작업을 수행하게 된다.
저장 탱크(250)는 질소 가스의 용해도를 유지시킬 수 있는 충분한 압력으로 잘삭유를 저장한다.
이와 같이 저장 탱크(250)에 저장된 절삭액은 분사 유닛(260)에 전달되어 공구(102) 및 공작물(101)에 분사된다. 분사 유닛(260)은 분사 펌프(261)와 노즐(262)을 구비한다. 분사 펌프(261)는 저장 탱크(250)에 저장된 절삭액을 흡입하여 노즐(262) 방향으로 가압한다. 노즐(262)에서 분사된 절삭액은 공작물(101)의 절삭면과 공구(102)에 뿌려져서 공구(102)를 보호하고 열을 식히게 된다. 노즐(262)은 공작기계의 공구(102)가 공작물(101)을 절삭하는 절삭면에 대해 절삭액을 공급할 수 있도록 설치된다. 경우에 따라서 분사 유닛(260)은 복수의 노즐(262)을 구비할 수도 있다. 복수의 분사 노즐(262)을 구비하는 경우, 하나의 공구(102)에 대해 2 이상의 방향에서 절삭액을 분사하도록 구성할 수도 있고, 복수의 공작기계에 대해 동시에 절삭액을 공급하도록 구성할 수도 있다.
고압으로 용해된 질소 가스는 절삭액이 노즐(262)을 통해 대기압 상태로 분출되면서, 절삭액 내부에서 마이크로 버블을 발생시킨다. 절삭액에 용해되어 있던 마이크로 버블 상태의 질소 가스는 대기압 상태의 공기중으로 배출된다.
이상, 본 발명에 대해 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 앞에서 용해 유닛(240)은 가압 모듈(243)을 구비하는 것으로 설명하였으나 이를 구비하지 않는 용해 유닛을 구성할 수도 있다.
또한, 경우에 따라서는 저장 탱크(250)을 구비하지 않는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 질소 가스가 용해된 절삭액은 저장 탱크를 거치지 않고 용해 유닛(240)에서 직접 분사 유닛(260)으로 전달되어 공구(102)의 절삭면에 분사된다.
이하, 앞에서 설명한 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치를 이용하여 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법을 실시하는 과정을 설명한다.
먼저, 공작 기계의 공구(102)와 공작물(101)을 냉각시키기 위한 절삭액을 공급한다((a)단계). 앞서 설명한 절삭액 공급 유닛(110, 210)을 이용하여 절삭액을 공급한다.
동시에 앞서 설명한 질소 발생 유닛(120, 220)을 이용하여 공기중의 질소를 포집하여 질소 가스를 발생시킨다((b) 단계).
다음으로, 혼합 유닛(130, 230)에서 절삭액에 질소 가스를 혼합한다((c) 단계).
이와 같이 질소 가스가 혼합된 절삭액은 용해 유닛(240)으로 전달된다. 용해 유닛(240)은 질소 가스가 혼합된 절삭액에 압력을 가하여 질소 가스를 상기 절삭액에 용해시킨다((e) 단계). 앞서 설명한 바와 같이 절삭액의 유동 방향을 따라 내경이 감소하는 다수의 관통공(2432)이 형성된 가압 모듈(43)을 경유하여 용해 탱크(242)로 절삭액이 유입되도록 함으로써 질소 가스의 용해도를 향상시킬 수 있다. 이와 같이 용해 탱크(242)로 전달된 질소 가스와 절삭액은 용해 탱크(242)에 고압으로 저장된 상태로 시간이 경과함으로써 질소 가스의 절삭액에 대한 용해도가 향상된다.
이와 같이 질소 가스가 충분히 용해된 절삭액은 저장 탱크(250)에 저장될 수도 있고 용해 탱크(242)에서 바로 분사 유닛(260)으로 전달되어 마이크로 버블이 발생하도록 공구(102)의 절삭면에 분사된다((d) 단계).
앞에서 설명한 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치와 마찬가지로 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법에 의하면, 절삭액 및 질소 가스를 공구(102) 및 절삭면에 대해 깊이 침투시킬 수 있으며, 공구(102) 및 공작물(101)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 공기의 주성분인 질소 가스를 사용하므로 분사 후 배출되는 질소 가스가 환경을 오염시키지 않고 작업자의 안전을 해하지 않는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법을 실시하는 경우 친환경적인 방법으로 매우 효과적인 기계 가공 공정을 수행할 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치 및 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법은 절삭 공정뿐만 아니라 연마와 같은 공정에도 사용할 수 있다.
110, 210: 절삭액 공급 유닛 120, 220: 질소 발생 유닛
130, 230: 혼합 유닛 240: 용해 유닛
241: 용해 펌프 242: 용해 탱크
243: 가압 모듈 250: 저장 탱크
260: 분사 유닛 261: 분사 펌프
262: 노즐 101: 공작물
102: 공구

Claims (12)

  1. 공기중의 질소를 포집하여 질소 가스를 발생시키는 질소 발생 유닛;
    공작 기계의 공구와 공작물을 냉각시키기 위한 절삭액을 공급하는 절삭액 공급 유닛;
    상기 절삭액 공급 유닛에서 공급 받은 절삭액에 상기 질소 발생 유닛에서 공급 받은 질소 가스를 혼합하는 혼합 유닛; 및
    상기 혼합 유닛에서 혼합된 절삭액과 질소 가스의 혼합물을 전달받아 절삭액 노즐을 통해 공작물의 절삭면에 대해 분사하는 분사 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 유닛은, 상기 절삭액 공급 유닛에서 공급 받은 상기 절삭액이 유입되는 절삭액 유입구과, 상기 질소 발생 유닛에서 공급 받은 질소 가스가 유입되는 질소 유입구와, 상기 절삭액 유입구 및 질소 유입구와 연결되어 상기 절삭액과 질소가 혼합되는 혼합 공간과, 상기 질소 유입구와 상기 혼합 공간 사이에 배치되는 질소 경유 공간을 포함하고,
    상기 질소 경유 공간의 폭은, 상기 질소 유입구의 내경보다 크고,
    상기 질소 경유 공간과 혼합 공간 사이에 형성된 질소 혼합 구멍의 내경은, 상기 질소 경유 공간의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 공간은 원통형으로 형성되고,
    상기 질소 경유 공간은, 상기 혼합 공간의 외경을 감싸도록 형성되며,
    상기 질소 혼합 구멍은 상기 혼합 공간의 반경 방향으로 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 질소 혼합 구멍의 내경은 상기 질소 유입구의 내경보다 작은 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 유닛에서 혼합된 상기 질소 가스와 절삭액을 전달 받아 저장하는 용해 탱크와, 상기 용해 탱크 내부에서 상기 질소 가스가 상기 절삭액에 용해되도록 상기 용해 탱크에 압력을 가하는 용해 펌프를 구비하며, 상기 용해 탱크 내부에 저장된 질소 가스가 용해된 절삭액을 상기 분사 유닛으로 전달하는 용해 유닛;을 더 포함하며,
    상기 분사 유닛은, 상기 용해 유닛에서 질소 가스가 용해된 절삭액을 공급 받아 상기 공작물의 절삭면에 대해 분사하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용해 유닛의 용해 탱크에는 세라믹 볼이 채워지고,
    상기 용해 탱크 내부로 상기 질소 가스가 혼합된 절삭액이 유입되는 용해 유입구는 상기 용해 탱크의 상측에 배치되며,
    상기 용해 탱크의 내부에서 상기 질소 가스가 혼합된 절삭액이 유출되는 용해 유출구는 상기 용해 탱크의 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 용해 유닛과 상기 분사 유닛의 사이에 배치되어, 상기 용해 유닛에서 질소 가스가 용해된 절삭액을 전달받아 저장하는 저장 탱크;를 더 포함하며,
    상기 분사 유닛은, 상기 저장 탱크에 저장된 절삭액을 상기 노즐로 전달하는 분사 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 용해 유닛은, 상기 질소 가스가 혼합된 절삭액의 유로 상에 배치되어 상기 질소 가스의 상기 절삭액에 대한 용해도를 향상시킬 수 있도록 상기 절삭액의 유동 방향을 따라 내경이 감소하는 다수의 관통공이 형성된 가압 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 장치.
  9. (a) 공작 기계의 공구와 공작물을 냉각시키기 위한 절삭액을 공급하는 단계;
    (b) 공기중의 질소를 포집하여 질소 가스를 발생시키는 단계;
    (c) 상기 절삭액에 상기 질소 가스를 혼합하는 단계; 및
    (d) 상기 질소 가스가 혼합된 절삭액을 상기 공작물의 절삭면에 분사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    (e) 상기 (c) 단계에서 질소 가스가 혼합된 절삭액에 압력을 가하여 상기 질소 가스를 상기 절삭액에 용해시키는 단계;를 더 포함하며,
    상기 (d) 단계는, 상기 (e) 단계에서 상기 질소 가스가 용해된 절삭액을 분사하여 상기 절삭액에 상기 질소 가스 마이크로 버블을 발생시키는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 압력에 의해 상기 질소 가스가 용해된 상기 절삭액을 용해 탱크에 저장한 상태로 시간을 경과시킴으로써 상기 질소 가스의 용해도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (e) 단계는, 상기 절삭액의 유동 방향을 따라 내경이 감소하는 다수의 관통공이 형성된 가압 모듈을 경유하여 상기 용해 탱크로 상기 절삭액이 유입되도록 용해 탱크로 상기 절삭액에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 질소 가스를 이용한 공구 냉각 방법.
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