KR20180079483A - 마찰교반용접 고주파 스핀들 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들은 일면이 개방된 하우징; 상기 하우징에 삽입되어 회전가능하게 결합되는 샤프트; 및 상기 하우징과 상기 샤프트 사이에 개재되어 상기 샤프트를 회전가능하게 지지하며, 상호 대향되도록 이격 형성된 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링;을 포함한다.

Description

마찰교반용접 고주파 스핀들{High frequency spindle for friction stir welding}

본 발명은 마찰교반용접을 위한 고주파 스핀들에 관한 것이다.

일반적으로, 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW)이란 금속의 접합 부위에 회전도구를 설치하여 회전도구와 접합 금속 사이에서 발생하는 마찰열에 의하여 분할된 금속을 접합하는 방법을 말한다.

이러한 마찰교반용접은 서로 맞닿은 금속 접합 소재의 계면을 마찰열로서 맞대기 용접 접합하는 방식을 예로 들 수 있다.

상기와 같은 마찰교반용접은 고온의 용융 접합 시에 접합 균열과 접합 변형이 발생하기 쉬운 석출경화형 알루미늄 합금과 같은 비철재료의 판재에 주로 활용되고 있으며, 열 감수성이 높은 철강재료에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

상기한 마찰교반용접을 위한 마찰교반용접 장치는 도 1에 도시된 바와같이,?? 기본적으로, 접합 소재 보다 경도가 우수한 재질로 이루어진 회전부재(당 업계에서는 통상적으로 "용접 툴" 이라고 한다)와 상기 회전부재를 회전시키기 위한 구동부재를 구비하여 이루어진다.

이에 따라 회전부재가 접합 소재의 접합부를 가압하여 회전함에 따라 그 회전부재와 접합부 사이에서는 마찰열이 발생하고 이러한 마찰열과 회전부재가 가하는 압력에 의하여 연화된 접합부에 소성 유동에 의한 재질의 교반 작용이 활성화되면서 고상 접합이 이루어진다.

그런데, 마찰교반용접 장치는 축방향으로 높은 하중과 고상 접합시 열이 장치에 그대로 전달되는 구조적 특성을 가지고 있다. 이에 따라, 마찰교반용접 장치의 주축부와 이송부의 충분한 구조강성이 요구되며, 적절한 입열량을 확보하기 위해 마찰교반용접 장치는 고속 회전이 요구된다.

한국공개특허 제 10-2012-0073974호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 고속의 마찰교반용접시 구조적 안성성을 향상시키고 용접 부위의 교반특성 및 입열을 증대시키는 마찰교반용접 고주파 스핀들을 제공함에 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들은 일면이 개방된 하우징; 상기 하우징에 삽입되어 회전가능하게 결합되는 샤프트; 및 상기 하우징과 상기 샤프트 사이에 개재되어 상기 샤프트를 회전가능하게 지지하며, 상호 대향되도록 이격 형성된 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링;을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 샤프트는 그 외주면을 따라 복수의 단차부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 샤프트는 그 외주면을 따라 상기 단차부를 기준으로 제1영역, 제2영역, 제3영역 및 제4영역으로 구분되며, 상기 샤프트의 일단부에 상기 제1영역이 위치하고, 상기 샤프트의 타단부에 상기 제4영역이 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 샤프트의 제1영역은 상기 하우징 외부로 돌출되어 형성되며, 상기 샤프트의 제1영역은 마찰교반용접 부재가 수용되도록 삽입홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 샤프트의 제2영역은 상기 하우징 내부에 위치하며, 상기 제2영역의 외주면에 상기 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링 중 하나가 연접되어 결합할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 마찰교반용접 고주파 스핀들은 상기 샤프트를 회전시키는 로터를 더 구비하며, 상기 로터는 상기 샤프트의 제3영역의 외주면에 압입되어 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 샤프트의 제4영역의 외주면에 상기 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링 중 하나가 연접되어 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들에 있어, 상기 하우징은 그 외주방향을 따라 형성되는 냉각유로를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들은 로터와 샤프트가 일체화됨으로써 고속의 마찰교반용접이 가능하며, 용접부위의 교반 특성 및 입열을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들은 고속의 마찰교반용접 시 작용하는 축방향 하중과 반경방향 하중을 분산 또는 흡수함으로써 장치의 내구성을 증대시킬 수 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들의 단면도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들의 사시도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트의 단면도이다.

이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들의 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들은 크게 일면이 개방된 하우징(100); 상기 하우징(100)에 삽입되어 회전가능하게 결합되는 샤프트(200); 및 상기 하우징(100)과 상기 샤프트(200) 사이에 개재되어 상기 샤프트(100)를 회전가능하게 지지하며, 상호 대향되도록 이격 형성된 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링(300);을 포함한다. 이때, 상기 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링(300)은 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310) 및 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320)을 포함할 수 있다.

먼저, 상기 샤프트(200)는 그 일단에 삽입되어 결합되는 용접툴(10)을 회전시키도록 회전력을 전달하는 부위이다.

상기 샤프트(200)는 상기 하우징(100) 내에 위치되면서 하우징(100)의 축방향을 따라 설치된다.

또한, 상기 샤프트(200)는 그 타단에 홈(미도시)이 형성되며, 상기 홈에 상기 하우징(100)의 내부 바닥면에 돌출구(미도시)가 결합됨으로써, 상기 샤프트(200)는 회전가능하게 된다.

또한, 상기 샤프트(200)는 상기 용접툴(10)이 삽입 고정되도록, 그 일단에 함몰부(100h)가 형성될 수 있다.

한편, 상기 샤프트(200)는 그 외주면을 따라 복수의 단차부(200s)가 형성될 수 있다. 상기 단차부(200s)는 상기 하우징(100) 및 상기 테이퍼 롤러 베어링(300)이 상기 샤프트(200)의 외주면에 고정시키는 역할을 한다.

또한, 상기 샤프트(200)는 그 외주면을 따라 샤프트(200)의 타단으로 갈수록 직경이 감소할 수 있다. 이는 고속의 마찰교반용접 시 작용하는 축방향 하중과 반경방향 하중을 고려한 설계일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트(200)는 그 외주면을 따라 상기 단차부(200s)를 경계로 하여 제1영역(200a), 제2영역(200b), 제3영역(200c) 및 제4영역(200d)으로 구분될 수 있다.

상기 제1영역(200a)에는 상술한 용접툴(10), 함몰부(200h) 등이 위치한다. 또한, 상기 제1영역(200a)은 상기 하우징 외부로 돌출되어 형성된다.

상기 제2영역(200b)은 상기 하우징(100) 내부에 위치하며, 상기 제2영역(200b)의 외주면에 상기 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310)이 연접되어 결합한다.

상기 제3영역(200c)은 상기 제2영역(200b) 타단에 위치하며, 상기 제3영역(200c)의 외주면에 로터(420)가 압입되어 결합될 수 있다. 또한 상기 제3영역(200c)의 외주면에는 상기 로터(420)가 상기 샤프트(200)와 결합되어 회전되도록 로터결합홈이 형성될 수 있다.

상기 제4영역(200d)은 상기 제3영역(200c) 타단에 위치하고, 상기 제4영역(200d)의 타단은 상기 하우징(100)의 내부 하부면과 맞닿아 결합될 수 있다. 또한 상기 제4영역(200d)은 상기 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320)이 연접되어 결합된다.

또한 상기 제4영역(200d)의 타단에는 샤프트 베어링 너트(210)가 나사식으로 결합될 수 있다. 상기 샤프트 베어링 너트(210)는 상기 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320)을 고정하며, 또한 상기 샤프트(200)의 발란싱을 조절할 수 있다.

다음으로, 상기 테이퍼 롤러 베어링(300)은 상기 샤프트(200)의 회전 구동을 지지하는 부위이다.

상술한 바와 같이, 상기 테이퍼 롤러 베어링(300)은 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310) 및 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320)을 포함할 수 있다.

상세하게, 상기 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310)은 상기 샤프트(200)의 외주방향을 따라 샤프트(200)의 타단으로 갈수록 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310)의 폭이 감소하는 반면, 상기 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320)은 샤프트(200)의 타단으로 갈수록 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320) 폭이 증가한다. 이에 따라, 고속의 마찰교반용접 시 작용하는 축방향 하중과 반경방향 하중을 분산 또는 흡수함으로써 본 발명에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들의 내구성을 증대시킬 수 있으며, 용접부위에 균일한 힘을 가함으로써 용접부위의 교반 특성 및 입열을 증대시킬 수 있다.

다음으로, 상기 하우징(100)은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰교반용접 고주파 스핀들의 외관을 형성하는 부위이다.

이때, 상기 하우징(100)은 양면이 개방된 하우징 몸체(110), 상기 하우징 몸체(110)과 결합하며 상기 후단부 테이퍼 롤러 베어링(320)을 감싸는 후단부 하우징(120), 및 상기 후단부 하우징(120)과 결합하며 상기 샤프트(200)의 타단을 회전가능하게 지지하는 후단부 하우징 커버(130)를 포함하여 이루어진다.

한편, 상기 하우징 몸체(110)는 반경방향으로 내부로 돌출된 하우징 돌출부(110h)이 형성되며, 상기 하우징 돌출부(110h)를 기준으로 일측에는 상기 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310)이 위치하며, 타측에는 스테이터(410)가 위치한다. 상기 스테이터(410)는 상기 하우징 몸체(110) 내주면에 고정될 수 있다.

또한, 상기 하우징 몸체(110)와 상기 샤프트(200)가 결합되기 위해, 상기 샤프트(200)의 제1영역(200a)에 위치한 단차부(200s)와 상기 하우징 몸체(110) 사이에 샤프트 커버링(220) 및 하우징 선단부 커버(150)가 위치할 수 있다.

상기 샤프트 커버링(220)은 상기 하우징 선단부 커버(150)와 끼움 결합되며, 상기 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310)을 지지한다. 또한 상기 샤프트 커버링(220)은 상기 제1영역(200a)와 상기 제2영역(200b) 사이에 형성된 제1단차부(미도시)에 형성된 결합홈과 결합할 수 있다.

상기 하우징 선단부 커버(150)는 볼트에 의해 상기 하우징 몸체와 나사 결합된다. 상기 하우징 선단부 커버(150)와 상기 선단부 테이퍼 롤러 베어링(310) 사이에는 하우징 선단부 커버링(111)이 위치할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하우징(100)은 그 외주방향을 따라 형성되는 냉각유로(160)를 구비할 수 있다.

상기 냉각유로(160)는 상술한 하우징 몸체(110), 후단부 하우징(120), 및 후단부 하우징 커버(130)을 각각 관통하며, 상기 하우징(100) 내부에서 발생하는 열을 냉각시킨다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하우징(100)은 그 외주면에 플랜지(170)을 구비할 수 있다. 상기 플랜지(170)는 본 발명의 마찰교반용접 고주파스핀들을 축방향 및 반경방향으로 이동가능하게 하고 축방향 하중과 반경방향 하중을 지지하는 이송부(미도시)와 결합될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 용접툴
100: 하우징, 110: 하우징 몸체, 110h: 하우징 돌출부, 120: 후단부 하우징, 130: 후단부 하우징 커버, 111: 하우징 선단부 커버링, 150: 하우징 선단부 커버, 160: 냉각유로, 170: 플랜지
200: 샤프트, 200s: 단차부, 200a: 제1영역, 200b: 제2영역, 200c: 제3영역, 200d: 제4영역, 200h: 함몰부, 210: 샤프트 베어링 너트, 220: 샤프트 커버링
300: 테이퍼 롤러 베어링, 310: 선단부 테이퍼 롤러 베어링, 320: 후단부 테이퍼 롤러 베어링
410: 스테이터, 420: 로터

Claims (8)

1. 일면이 개방된 하우징;
   상기 하우징에 삽입되어 회전가능하게 결합되는 샤프트; 및
   상기 하우징과 상기 샤프트 사이에 개재되어 상기 샤프트를 회전가능하게 지지하며, 상호 대향되도록 이격 형성된 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 샤프트는 그 외주면을 따라 복수의 단차부가 형성되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 샤프트는 그 외주면을 따라 상기 단차부를 기준으로 제1영역, 제2영역, 제3영역 및 제4영역으로 구분되며,
   상기 샤프트의 일단부에 상기 제1영역이 위치하고, 상기 샤프트의 타단부에 상기 제4영역이 위치하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 마찰교반용접 고주파 스핀들은 소정 접합 소재의 용접부를 가압하여 마찰열을 가하는 용접툴을 포함하며,
   상기 샤프트의 제1영역은 상기 하우징 외부로 돌출되어 형성되며,
   상기 샤프트의 제1영역은 상기 용접툴이 결합되도록 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 샤프트의 제2영역은 상기 하우징 내부에 위치하며, 상기 제2영역의 외주면에 상기 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링 중 하나가 연접되어 결합하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
6. 제 3항에 있어서,
   상기 마찰교반용접 고주파 스핀들은 상기 샤프트를 회전시키는 로터를 더 구비하며,
   상기 로터는 상기 샤프트의 제3영역의 외주면에 압입되어 결합되는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
7. 제 3항에 있어서,
   상기 샤프트의 제4영역의 외주면에 상기 한 쌍의 테이퍼 롤러 베어링 중 하나가 연접되어 결합하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징은 그 외주방향을 따라 형성되는 냉각유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 마찰교반용접 고주파 스핀들.
   

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