WO2023074922A1 - 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더 및 이를 구비한 공작 기계 - Google Patents

경량화 및 제진 가능한 공구 홀더 및 이를 구비한 공작 기계 Download PDF

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WO2023074922A1
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tool
damping
tool holder
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남정수
김태곤
김성현
이석우
신강우
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B29/00—Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/02—Boring bars
    • B23B29/022—Boring bars with vibration reducing means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B29/00—Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/02—Boring bars
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2250/00—Compensating adverse effects during turning, boring or drilling
    • B23B2250/16—Damping of vibrations

Definitions

  • the present invention relates to a tool holder capable of reducing weight and damping vibration, and more particularly, to a tool holder capable of reducing weight and damping vibration manufactured to reduce the weight of tool work and preventing vibration, and to a machine tool having the same.
  • machine tools are used for the purpose of processing metal workpieces into desired shapes and dimensions using appropriate tools by various cutting or non-cutting processing methods, such as CNC (Computerized Numerical Control) lathes or semi-automatic machines.
  • CNC Computerized Numerical Control
  • Semi-automatic machines There are types such as NC machines or machining centers.
  • a tool holder which is a device coupled to a spindle, connects the spindle and a tool, and fixes the tool, is provided.
  • Tool manufacturers offer a variety of toolholder styles, each designed for optimal performance in a specific machining application.
  • toolholders designed to perform high-speed finishing operations often lack the necessary rigidity and strength to effectively deep rough rough raw cast steel.
  • holders for roughing are generally inferior in terms of balancing smooth operation at high speeds in finishing operations.
  • milling cutter bodies cannot be applied to high-speed processing due to the heavy weight of metal materials, and cause productivity problems during various processes, such as non-production time during tool replacement and increased energy and load during spindle acceleration/deceleration.
  • An object of the present invention to solve the above problems is to provide a structural response using 3D printing technology to reduce vibration occurring during cutting and to provide a lightweight structure, so that it can be applied to high-speed machining, cutting precision and stability And to provide a lightweight and vibration-removable tool holder capable of increasing productivity and a machine tool having the same.
  • the tool fixing portion to which the tool is coupled a spindle coupling unit connected to the tool fixing unit and coupled to a spindle; and a lightweight vibration damping part provided by being laminated with metal between the tool fixing part and the spindle coupling part, wherein the lightweight vibration damping part includes a plurality of first metal layers stacked and spaced apart from each other; and a second metal layer including a plurality of support bars connecting the plurality of first metal layers, wherein the lightweight vibration damping part is formed by 3D printing.
  • the plurality of support bars are formed upright between the plurality of first metal layers to connect the plurality of first metal layers, but have different numbers in one or more of the plurality of first metal layers. can be placed.
  • the plurality of support bars may include at least one of a rectangular cross section and a circular cross section.
  • a plurality of rubber layers disposed between the tool fixing unit and the lightweight vibration damping unit; and a ball bearing disposed between the plurality of rubber layers.
  • the tool fixing unit may include an oggetic structure.
  • the lightweight vibration damping unit may have a negative Poisson's ratio that contracts when compressed and expands when stretched.
  • the tool fixing portion to which the tool is coupled a spindle coupling unit connected to the tool fixing unit and coupled to a spindle; and a lightweight vibration damping part provided by being laminated with metal between the tool fixing part and the spindle coupling part. and a balanced metal layer coupled to at least one of an upper part and a lower part of the inclined metal layer, wherein the inclined metal layer and the balanced metal layer are alternately disposed, and the lightweight vibration damping part is formed by 3D printing.
  • the inclined metal layer includes a plurality of inclined bars disposed radially inclined at a central portion
  • the balanced metal layer includes an edge bar interconnecting outer sides of the inclined bars
  • An upper and lower connection bar vertically interconnecting the central portion and the balanced metal layers may be further included.
  • the lightweight vibration damping unit may be formed of a laminated organic structure.
  • the lightweight vibration damping unit may have a negative Poisson's ratio that contracts when compressed and expands when stretched.
  • the lightweight vibration damping unit may further include a plurality of vibration damping layers having different damping coefficients.
  • the plurality of vibration damping layer portion, the first vibration damping layer adjacent to the tool fixing portion; and a second vibration damping layer adjacent to the spindle coupling part, and a damping coefficient of the first vibration damping layer part may be greater than that of the second vibration damping layer part.
  • At least one of the plurality of vibration damping layer parts may include a non-metal layer.
  • the non-metal layer may include carbon nanotubes.
  • Another aspect of the present invention provides a machine tool including the tool holder.
  • the effect of the present invention according to the configuration as described above is applicable to high-speed machining by presenting a structural response using 3D printing technology to reduce vibration and lighten the structure that occurs during cutting, cutting precision, stability and productivity It is possible to provide a tool holder capable of reducing weight and damping vibration and a machine tool having the same.
  • FIG. 1 is a front view of tool installation of a tool holder capable of lightening and damping according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line I-I of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a II-II sectional view of FIG. 1 .
  • FIG. 4 is a front view of tool installation of a tool holder capable of reducing weight and damping according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an organic structure applied to FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a view in which a plurality of vibration damping layers are added to FIG. 4 .
  • the tool fixing portion to which the tool is coupled a spindle coupling unit connected to the tool fixing unit and coupled to a spindle; and a lightweight vibration damping part provided by being laminated with metal between the tool fixing part and the spindle coupling part, wherein the lightweight vibration damping part includes a plurality of first metal layers stacked and spaced apart from each other; and a second metal layer including a plurality of support bars connecting the plurality of first metal layers, wherein the lightweight vibration damping part is formed by 3D printing.
  • FIG. 1 is a front view of tool installation of a tool holder capable of reducing weight and damping dust according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line I-I of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG.
  • a tool holder 100 capable of reducing weight and damping according to an embodiment of the present invention is connected to a tool fixing part 101 to which a tool 10 is coupled and a tool fixing part 101 And, it includes a spindle coupling portion 105 coupled to the spindle, and a lightweight vibration damping portion 110 provided by metal laminating between the tool fixing portion 101 and the spindle coupling portion 105.
  • the lightweight vibration damping unit 110 includes a plurality of first metal layers 111 stacked and spaced apart from each other, and a second metal layer including a plurality of support bars 116 connecting the plurality of first metal layers 111 ( 115).
  • the lightweight vibration damping unit 110 is formed by 3D printing and has a structure in which a second metal layer 115 for disposing support bars 116 is disposed between a plurality of first metal layers 111, thereby having a structure in which a plurality of first metal layers 111 are disposed. Vibration and shock transmission between the metal layers 111 may be damped by the plurality of support bars 116 constituting the second metal layer 115 .
  • the plurality of support bars 116 are formed upright between the plurality of first metal layers 111 to connect the plurality of first metal layers 111, but have different numbers in one or more of the plurality of first metal layers 111. can be placed.
  • the plurality of support bars 116 disposed on the upper part of the lightweight vibration damping unit 110 may be composed of four, and the plurality of support bars 116 disposed above and below them may be provided with five. However, it is not limited thereto, and depending on the length and diameter of the lightweight vibration damping unit 110, fewer parts may be disposed that cause more vibration than other parts.
  • the plurality of support bars 116 may have a rectangular cross section, but are not limited thereto and may be provided with a circular cross section.
  • the arrangement structure and cross-sectional shape of the plurality of support bars 116 affect vibration damping, and are not necessarily limited to rectangular or circular cross sections, and practical axial and transverse vibration analysis of the lightweight vibration damping unit 110 can be appropriately selected according to
  • a rubber layer 121 and a ball bearing 122 may be disposed under the lightweight vibration damping unit 110 .
  • a plurality of rubber layers 121 may be disposed between the tool fixing part 101 and the lightweight vibration damping part 110 , and a ball bearing 122 may be disposed between the plurality of rubber layers 121 .
  • the outer surface of the lightweight vibration damping unit 110 in which the plurality of rubber layers 121 and the ball bearings 122 are disposed may be wrapped with metal or non-metal.
  • the non-metal graphene-carbon nanotube structure may be used.
  • the plurality of rubber layers 121 block vibration or impact transmitted from the tool fixing part 101 to the upper part of the lightweight vibration damping part 110, and the ball bearing 122 is a microstructure of the plurality of rubber layers 121. It absorbs transverse vibration by allowing relative motion.
  • the rubber layer 121 may be replaced with a structural plate made of a graphene-carbon nanotube structure.
  • the structural plate of the graphene-carbon nanotube structure generates additional bending and shear stress in the structure where vibration occurs, and at the same time quickly transfers the heat generated in the structure to the outside to further improve the damping efficiency. do. Moreover, since the graphene-carbon nanotube structure forms a three-dimensional structure, it can provide more improved spring and damping.
  • the lightweight vibration damping unit 110 may include an organic structure.
  • such an organic structure is a structure in which bars capable of absorbing vibration are three-dimensionally connected, and can provide a negative Poisson's ratio that contracts when compressed and expands when stretched.
  • This negative Poisson's ratio is used to increase the performance of vibration damping by providing elastic deformation opposite to the general structure.
  • FIG. 4 is a front view of tool installation of a tool holder capable of reducing weight and damping vibration according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is an organic structure applied to FIG. 4
  • FIG. 6 is a plurality of vibration damping layers added to FIG. it is a drawing
  • a tool holder 200 capable of reducing weight and damping according to another embodiment of the present invention is connected to a tool fixing part 201 to which a tool is coupled, a tool fixing part 201, and a spindle. It includes a spindle coupling portion 205 coupled to, and a lightweight vibration damping portion 210 provided by metal laminating between the tool fixing portion 201 and the spindle coupling portion 205.
  • the lightweight vibration damping unit 210 is formed by 3D printing, and includes an inclined metal layer 211 inclined outward from the central portion and a balanced metal layer 215 coupled to at least one of upper and lower portions of the inclined metal layer 211. Including, the inclined metal layer 211 and the balanced metal layer 215 are alternately disposed.
  • the inclined metal layer 211 includes a plurality of inclined bars 212 radially inclined at the center, and the balanced metal layer 215 includes an edge bar 216 interconnecting the outside of the inclined bars 212.
  • the inclined metal layers 211 and the balanced metal layers 215 are vertically interconnected by upper and lower connecting bars 217 .
  • the structure of the lightweight vibration damping unit 210 is an organic structure that is laminated and connected, and is a structure that can sufficiently absorb impact energy while making local reinforcement by increasing the density of the compression region.
  • the lightweight vibration damping unit 210 has an organic laminated structure, and may have a negative Poisson's ratio that contracts when compressed and expands when stretched.
  • a negative Poisson's ratio structure is a structure in which the material shrinks in the direction perpendicular to the load when placed in a contraction condition due to the characteristics of the structure shape, not the physical properties of the material, and expands in a tension condition.
  • the Oggetic structure not only improves overall stiffness by increasing the amount of strain energy absorbed per unit mass, but also increases the area of the connection line to relieve stress concentration, which can be expected to increase durability.
  • the plurality of slanted bars 212, the rim bar 216, and the upper and lower connecting bars 217 may be bent in a “(”, “)” or “S” shape to increase elasticity.
  • the Oggetic structure not only improves the overall stiffness by increasing the amount of strain energy absorbed per unit mass, but also increases the area of the connection line to relieve stress concentration, thereby forming a three-dimensional structure. Further improved spring and damping can be provided.
  • the lightweight vibration damping unit 210 may further include a plurality of vibration damping layers 221 and 222 having different damping coefficients.
  • the plurality of vibration damping layer parts 221 and 222 may include a first vibration damping layer 221 adjacent to the tool fixing part 201 and a second vibration damping layer 222 adjacent to the spindle coupling part 205.
  • the first vibration damping layer 221 may have a higher damping coefficient than the second vibration damping layer 222 .
  • the first vibration damping layer 221 blocks vibration transmitted from the tool fixing part 201 to the lightweight vibration damping part 210, and the second vibration damping layer 222 blocks vibration from the lightweight vibration damping part 210. Vibration toward the spindle coupling part 205 or vice versa is blocked.
  • At least one of the plurality of vibration damping layer parts 221 and 222 may include a non-metal layer.
  • first vibration damping layer 221 and the second vibration damping layer 222 may be provided with a plurality of love layers and ball bearings as described above, but are not limited thereto, and the second vibration damping layer 222 ball bearings can be omitted.
  • first vibration damping layer 221 and the second vibration damping layer 222 may include carbon nanotubes.
  • first vibration damping layer 221 and the second vibration damping layer 222 are provided as a graphene-carbon nanotube structure, additional bending and shear stresses are generated in the structure in which vibration occurs, and at the same time in the structure. It is possible to further improve the attenuation efficiency by quickly transferring the generated heat to the outside. Moreover, since the graphene-carbon nanotube structure forms a three-dimensional structure, it can provide more improved spring and damping.
  • the graphene-carbon nanotube structure may be provided as a composition mixed with polyurethane and coated or adhered to a substrate in a viscoelastic manner.
  • a machine tool including the tool holders 100 and 200 may be provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시 예는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더를 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더는 공구가 결합되는 공구 고정부; 공구 고정부에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부; 및 공구 고정부와 스핀들 결합부 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부를 포함하며, 경량 진동 감쇠부는, 상호 이격되어 적층 배치된 복수의 제1 금속층; 및 상기 복수의 제1 금속층 사이를 연결하는 복수의 서포트 바를 포함한 제2 금속층을 포함하며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성된다. <대표도> 도 1

Description

경량화 및 제진 가능한 공구 홀더 및 이를 구비한 공작 기계
본 발명은 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 공구 작업의 경량화 및 진동 방지가 가능하도록 제작된 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더 및 이를 구비한 공작 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 공작 기계는 각종 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속의 공작물을 적당한 공구를 이용하여 원하는 형상 및 치수로 가공할 목적으로 사용하는 것으로서, 수치제어(CNC, Computerized Numerical Control) 선반이나 반자동 타입인 NC머신 또는 머시닝 센터 등이 있다.
이러한 공작 기계에는 스핀들에 결합되어 스핀들과 공구를 연결하며 공구를 고정하는 장치인 공구 홀더가 마련된다.
정밀한 기계 공구와 고급 절삭 공구는 모두 뛰어난 금속 절삭 생산성을 제공한다. 이때 생산성을 완전히 실현하려면 절삭 공구 및 기계 스핀들(툴 홀더)의 연결이 중요하다.
공구 제조업체는 다양한 툴 홀더 스타일을 제공하며 각 툴 홀더는 특정 가공 용도에서 최적의 성능을 발휘하도록 설계된다.
따라서 기계 공장은 특정 작업과 해당 공장의 생산 부품에 따라 툴 홀더를 선택해야 하지만, 최첨단 기계 기술과 절삭 공구 재질만 구하려고 할 뿐 특정 생산 요구사항에 최적의 툴 홀더를 선택하고 적용 및 유지 관리하는 일에는 소홀한 경우가 종종 있다.
예를 들어, 고속 정삭 작업을 수행하도록 설계된 툴 홀더는 보통 원료 주강을 효과적으로 깊게 황삭하는 데 필요한 강성과 강도가 부족하다. 반대로, 황삭 가공용 홀더는 일반적으로 정삭 작업에서 고속으로 부드럽게 작동하는 균형 면에서 성능이 떨어진다.
또한 황삭 홀더는 설계가 견고하고 크기가 커서 섬세하거나 깊이가 있는 부품에 접근하기 어려울 수 있다. 견고한 피삭재 재질에는 강도와 강성이 높은 툴 홀더가 필요하다. 또한 진동을 완화하고 절삭유를 전달하는 기능도 중요한 선택 기준이다.
작업자가 적합하지 않은 툴 홀더를 사용하면 기계 공구 스핀들의 과도한 마모, 공구 수명 단축, 공구 파손 증가를 비롯해 치수 오류와 부품 폐기의 문제를 낳을 수 있다. 물론 중요하지 않은 작업에서는 경제적인 툴 홀더가 만족스러운 결과를 낼 수 있다. 그러나 반복적 정밀도가 필수인 작업에서, 특히 고가의 피삭재를 폐기해야 한다면 부품 수익률은 낮아진다.
한편, 연마 과정 중 연마부재가 결합된 주축 스핀들에 심한 외력(예컨대, 축심 방향으로 충격 등)이 가해지게 되면 경도가 큰 연마부재가 파손되거나, 주축 스핀들에 피로 누적이 가해지는 문제점이 있다. 또한, 연마부재를 자주 교체하거나 장치 수리가 빈번히 발생되고 결국 연마 공정의 택트 타임 증가 및 생산성 저하가 초래되는 문제점이 있다.
기존 부품 가공시 밀링 커터바디의 경우 금속소재의 무거운 중량으로 인하여 고속 가공에 적용을 못하고, 공구교체 시 비생산시간, 스핀들 가속/감속시 에너지와 부하 증대 등 다양한 공정 시 생산성 문제를 야기시키게 된다.
기존의 공구 홀더에서는 절삭 가공 시 발생하는 진동 저감 및 구조 경량화가 어려웠기에 상기와 같은 문제점들이 발생했다.
<선행기술문헌>
대한한국 공개특허 제10-2007-0012264호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 3D 프린팅 기술을 적용한 구조적인 대응을 제시하여 절삭 가공 중에 발생하는 진동 저감 및 구조 경량화를 마련함으로써 고속 가공에 적용이 가능하며, 절삭 정밀도와 안정성 및 생산성을 높일 수 있는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더 및 이를 구비한 공작 기계를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 공구가 결합되는 공구 고정부; 상기 공구 고정부에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부; 및 상기 공구 고정부와 스핀들 결합부 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부를 포함하며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 상호 이격되어 적층 배치된 복수의 제1 금속층; 및 상기 복수의 제1 금속층 사이를 연결하는 복수의 서포트 바를 포함한 제2 금속층을 포함하며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 복수의 서포트 바는, 상기 복수의 제1 금속층 사이에 직립 형성되어 상기 복수의 제1 금속층을 연결하되, 상기 복수의 제1 금속층 중 하나 이상의 층에서 다른 개수로 배치될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 복수의 서포트 바는 사각 및 원형 단면 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공구 고정부와 경량 진동 감쇠부 사이에 배치되는 복수의 러버층; 및 상기 복수의 러버층 사이에 배치되는 볼 베어링을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공구 고정부는 오그제틱 구조를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 경량 진동 감쇠부는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 구성은, 공구가 결합되는 공구 고정부; 상기 공구 고정부에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부; 및 상기 공구 고정부와 스핀들 결합부 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부를 포함하며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 중앙부에서 외측으로 경사진 경사 금속층; 및 상기 경사 금속층의 상부와 하부 중 하나 이상에 결합되는 평형 금속층을 포함하며, 상기 경사 금속층과 평형 금속층이 교대로 배치되며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 경사 금속층은 중앙부에서 방사상으로 경사 배치된 복수의 경사 바들을 포함하며, 상기 평형 금속층은 상기 경사 바들의 외측을 상호 연결하는 테두리 바를 포함하되, 상기 경사 금속층들의 중앙부와 평형 금속층들을 상하로 상호 연결하는 상하 연결 바를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 경량 진동 감쇠부는, 적층 연결된 오그제틱 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 경량 진동 감쇠부는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 경량 진동 감쇠부는, 감쇠 계수가 상이한 복수의 진동 감쇠층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 복수의 진동 감쇠층부는, 상기 공구 고정부에 인접한 제1 진동 감쇠층; 및 상기 스핀들 결합부에 인접한 제2 진동 감쇠층을 포함하며, 상기 제1 진동 감쇠층부의 감쇠 계수가 제2 진동 감쇠층부보다 더 크게 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 복수의 진동 감쇠층부 중 하나 이상은 비금속층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 상기 비금속층은 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구성은, 상기 공구 홀더를 구비하는 공작 기계를 제공한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 3D 프린팅 기술을 적용한 구조적인 대응을 제시하여 절삭 가공 중에 발생하는 진동 저감 및 구조 경량화를 마련함으로써 고속 가공에 적용이 가능하며, 절삭 정밀도와 안정성 및 생산성을 높일 수 있는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더 및 이를 구비한 공작 기계를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더의 공구 설치 정면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더의 공구 설치 정면도이다.
도 5는 도 4에 적용되는 오그제틱 구조이다.
도 6은 도 4에 복수의 진동 감쇠층이 추가된 도면이다.
본 발명에 따른 가장 바람직한 일 실시예는, 공구가 결합되는 공구 고정부; 상기 공구 고정부에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부; 및 상기 공구 고정부와 스핀들 결합부 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부를 포함하며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 상호 이격되어 적층 배치된 복수의 제1 금속층; 및 상기 복수의 제1 금속층 사이를 연결하는 복수의 서포트 바를 포함한 제2 금속층을 포함하며, 상기 경량 진동 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더의 공구 설치 정면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ 단면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 단면도이다.
도 1내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더(100)는, 공구(10)가 결합되는 공구 고정부(101), 공구 고정부(101)에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부(105), 및 공구 고정부(101)와 스핀들 결합부(105) 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부(110)를 포함한다.
경량 진동 감쇠부(110)는, 상호 이격되어 적층 배치된 복수의 제1 금속층(111), 및 복수의 제1 금속층(111) 사이를 연결하는 복수의 서포트 바(116)를 포함한 제2 금속층(115)을 포함한다.
이러한 경량 진동 감쇠부(110)는, 3D 프린팅으로 형성됨으로써 복수의 제1 금속층(111) 사이에 서포트 바(116)들을 배치하는 제2 금속층(115)을 배치한 구조를 갖게 됨으로써 복수의 제1 금속층(111) 사이의 진동 및 충격 전달을 제2 금속층(115)을 이루는 복수의 서포트 바(116)들에 의해 감쇠시킬 수 있다.
복수의 서포트 바(116)는, 복수의 제1 금속층(111) 사이에 직립 형성되어 복수의 제1 금속층(111)을 연결하되, 복수의 제1 금속층(111) 중 하나 이상의 층에서 다른 개수로 배치될 수 있다.
예를 들어, 경량 진동 감쇠부(110)에서 상부에 배치되는 복수의 서포트 바(116)는 4개로 구성될 수 있으며, 그 위와 아래 측에 배치되는 복수의 서포트 바(116)는 5개로 마련될 수 있으나, 이에 한정되진 않으며 경량 진동 감쇠부(110)의 길이와 직경에 따라 다른 부분보다 진동이 더 많이 일어나는 부분이 더 적게 배치될 수 있다.
도시된 바와 같이, 복수의 서포트 바(116)는 사각 단면을 가질 수 있으나, 이에 한정되진 않으며 원형 단면으로 마련될 수 있다.
복수의 서포트 바(116)의 배치 구조와 단면 형상은 진동 감쇠에 영향을 주는 것으로서, 반드시 사각단면이나 원형 단면으로 제한하진 않으며, 경량 진동 감쇠부(110)의 실제적인 축방향 및 횡방향 진동 해석에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
한편, 경량 진동 감쇠부(110)의 하부에는 러버층(121)과 볼 베어링(122)이 배치될 수 있다.
즉, 복수의 러버층(121)이 공구 고정부(101)와 경량 진동 감쇠부(110) 사이에 배치되며, 복수의 러버층(121) 사이에 볼 베어링(122)이 배치될 수 있다.
이러한 복수의 러버층(121)과 볼 베어링(122)이 배치된 경량 진동 감쇠부(110)는 외면부가 금속 또는 비금속으로 감싸질 수 있다. 이때 비금속은 그래핀-탄소나노튜브 구조체가 사용될 수 있다.
복수의 러버층(121)은 공구 고정부(101)에서 경량 진동 감쇠부(110)의 상부로 전달되는 진동이나 충격을 차단하게 되며, 볼 베어링(122)은 복수의 러버층(121)의 미소한 상대 운동을 허용하여 횡 방향 진동을 흡수하게 된다.
러버층(121)은, 그래핀-탄소나노튜브 구조체로 이루어진 구조판으로 대체될 수 있다.
이러한 그래핀-탄소나노튜브 구조체의 구조판은, 진동이 발생하고 있는 구조에서 추가의 굽힙 및 전단 응력이 발생함과 동시에 구조체에서 발생되는 열을 외부로 빠르게 전달하여 감쇠 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이, 그래핀-탄소나노튜브 구조체는, 3차원적 구조를 형성하므로 더욱 향상된 스프링(spring) 및 댐핑(damping)을 제공할 수 있다.
한편, 경량 진동 감쇠부(110)는 오그제틱 구조를 포함할 수 있다.
이러한 오그제틱 구조는 후술되는 바와 같이, 진동을 흡수할 수 있는 바들이 입체적으로 연결된 구조로서, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 제공할 수 있다. 이러한 음의 프아송비는 일반적인 구조와 반대적인 탄성 변형을 제공하여 진동 감쇠의 성능을 높이는데 사용된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더의 공구 설치 정면도이고, 도 5는 도 4에 적용되는 오그제틱 구조이며, 도 6은 도 4에 복수의 진동 감쇠층이 추가된 도면이다.
도 4와 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더(200)는, 공구가 결합되는 공구 고정부(201), 공구 고정부(201)에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부(205), 및 공구 고정부(201)와 스핀들 결합부(205) 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부(210)를 포함한다.
경량 진동 감쇠부(210)는, 3D 프린팅으로 형성되는 것으로서, 중앙부에서 외측으로 경사진 경사 금속층(211), 및 경사 금속층(211)의 상부와 하부 중 하나 이상에 결합되는 평형 금속층(215)을 포함하며, 경사 금속층(211)과 평형 금속층(215)이 교대로 배치된다.
경사 금속층(211)은 중앙부에서 방사상으로 경사 배치된 복수의 경사 바(212)들을 포함하며, 평형 금속층(215)은 경사 바(212)들의 외측을 상호 연결하는 테두리 바(216)를 포함한다.
경사 금속층(211)들과 평형 금속층(215)들은 상하 연결 바(217)에 의해 상하로 상호 연결된다.
예를 들어, 경량 진동 감쇠부(210)의 구조는, 적층 연결된 오그제틱 구조로서, 압축부위 밀도증가로 국부적 강화를 만들면서, 충격에너지를 충분히 흡수할 수 있는 구조이다.
경량 진동 감쇠부(210)는, 오그제틱 적층 구조로서, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 가질 수 있다.
양의 포아송 비를 갖는 일반적인 재료의 경우, 수축상태에서는 하중에 수직한 방향으로 재료가 팽창하고, 인장상태에서는 그 반대의 현상이 관찰된다.
반면에, 음의 포아송 비(negative poisson's ratio) 구조는 재료의 물성치가 아닌 구조 형상의 특성으로 인하여 재료가 수축 상황에 놓였을 때 하중에 수직한 방향으로 수축하며, 인장 상황에서 팽창하게 되는 구조를 말한다. 이러한 음의 포아송비 구조는 Lakes(1987)에 의해 제안된 이래로 다양한 형태로 개발되어 왔다.
오그제틱 구조는 단위 질량당 변형 에너지 흡수량을 높여 전반적인 강성을 개선시킬 뿐만 아니라, 연결선의 면적을 증대하여 응력 집중현상을 완화하여 내구성의 증가를 기대할 수 있는 구조이다.
도시되진 않았으나, 복수의 경사 바(212), 테두리 바(216), 및 상하 연결 바(217)는 탄력성을 높이기 위해 “(”, “)” 또는 “S”자 형상으로 휘어진 형상일 수 있다.
상기 오그제틱 구조는 단위 질량당 변형 에너지 흡수량을 높여 전반적인 강성을 개선시킬 뿐만 아니라, 연결선의 면적을 증대하여 응력 집중현상을 완화하여 내구성의 증가를 기대할 수 있는 구조로서, 3차원적 구조를 형성하므로 더욱 향상된 스프링(spring) 및 댐핑(damping)을 제공할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 경량 진동 감쇠부(210)는, 감쇠 계수가 상이한 복수의 진동 감쇠층(221, 222)을 더 포함할 수 있다.
이러한 복수의 진동 감쇠층부(221, 222)는, 공구 고정부(201)에 인접한 제1 진동 감쇠층(221), 및 스핀들 결합부(205)에 인접한 제2 진동 감쇠층(222)을 포함할 수 있다.
제1 진동 감쇠층(221)부는 감쇠 계수가 제2 진동 감쇠층(222)부보다 더 크게 마련될 수 있다.
제1 진동 감쇠층(221)은 공구 고정부(201) 측에서 경량 진동 감쇠부(210) 측으로 전달되는 진동을 차단하게 되며, 제2 진동 감쇠층(222)은 경량 진동 감쇠부(210)에서 스핀들 결합부(205) 측으로 또는 그 반대로의 진동을 차단하게 된다.
복수의 진동 감쇠층부(221, 222) 중 하나 이상은 비금속층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 진동 감쇠층(221)과 제2 진동 감쇠층(222)은 상기와 같은 복수의 러브층과 볼 베어링으로 마련될 수 있으나, 이에 한정되진 않으며 제2 진동 감쇠층(222)에는 볼 베어링이 생략될 수 있다.
한편, 제1 진동 감쇠층(221)과 제2 진동 감쇠층(222)은 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
제1 진동 감쇠층(221)과 제2 진동 감쇠층(222)은, 그래핀-탄소나노튜브 구조체로 마련됨으로써, 진동이 발생하고 있는 구조에서 추가의 굽힙 및 전단 응력이 발생함과 동시에 구조체에서 발생되는 열을 외부로 빠르게 전달하여 감쇠 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이, 그래핀-탄소나노튜브 구조체는, 3차원적 구조를 형성하므로 더욱 향상된 스프링(spring) 및 댐핑(damping)을 제공할 수 있다.
그래핀-탄소나노튜브 구조체는 폴리우레탄과 혼합된 조성물로 마련되어 기재에 코팅되거나 접착된 점탄성으로 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 공구 홀더(100, 200)를 구비하는 공작 기계가 제공될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
<부호의 설명>
100, 200: 공구 홀더
101, 201: 공구 고정부
105, 205: 스핀들 결합부
110, 210: 경량 진동 감쇠부
111: 제1 금속층
115: 제2 금속층
116: 서포트 바
121: 러버층
122: 볼 베어링
211: 경사 금속층
212: 경사 바
215: 평형 금속층
216: 테두리 바
217: 상하 연결 바
221: 제1 진동 감쇠층
222: 제2 진동 감쇠층

Claims (15)

  1. 공구가 결합되는 공구 고정부;
    상기 공구 고정부에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부; 및
    상기 공구 고정부와 스핀들 결합부 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부를 포함하며,
    상기 경량 진동 감쇠부는,
    상호 이격되어 적층 배치된 복수의 제1 금속층; 및
    상기 복수의 제1 금속층 사이를 연결하는 복수의 서포트 바를 포함한 제2 금속층을 포함하며,
    상기 경량 진동 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 서포트 바는,
    상기 복수의 제1 금속층 사이에 직립 형성되어 상기 복수의 제1 금속층을 연결하되,
    상기 복수의 제1 금속층 중 하나 이상의 층에서 다른 개수로 배치되는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 서포트 바는 사각 및 원형 단면 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 공구 고정부와 경량 진동 감쇠부 사이에 배치되는 복수의 러버층; 및
    상기 복수의 러버층 사이에 배치되는 볼 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공구 고정부는 오그제틱 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 경량 진동 감쇠부는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 갖는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  7. 공구가 결합되는 공구 고정부;
    상기 공구 고정부에 연결되며, 스핀들에 결합되는 스핀들 결합부; 및
    상기 공구 고정부와 스핀들 결합부 사이에 금속 적층되어 마련되는 경량 진동 감쇠부를 포함하며,
    상기 경량 진동 감쇠부는,
    중앙부에서 외측으로 경사진 경사 금속층; 및
    상기 경사 금속층의 상부와 하부 중 하나 이상에 결합되는 평형 금속층을 포함하며,
    상기 경사 금속층과 평형 금속층이 교대로 배치되며,
    상기 경량 진동 감쇠부는, 3D 프린팅으로 형성되는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 경사 금속층은 중앙부에서 방사상으로 경사 배치된 복수의 경사 바들을 포함하며,
    상기 평형 금속층은 상기 경사 바들의 외측을 상호 연결하는 테두리 바를 포함하되,
    상기 경사 금속층들의 중앙부와 평형 금속층들을 상하로 상호 연결하는 상하 연결 바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 경량 진동 감쇠부는, 적층 연결된 오그제틱 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 경량 진동 감쇠부는, 압축시 수축하며 인장시 팽창하는 음의 프아송비를 갖는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 경량 진동 감쇠부는, 감쇠 계수가 상이한 복수의 진동 감쇠층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 진동 감쇠층부는,
    상기 공구 고정부에 인접한 제1 진동 감쇠층; 및
    상기 스핀들 결합부에 인접한 제2 진동 감쇠층을 포함하며,
    상기 제1 진동 감쇠층부의 감쇠 계수가 제2 진동 감쇠층부보다 더 크게 마련되는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 복수의 진동 감쇠층부 중 하나 이상은 비금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 비금속층은 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화 및 제진 가능한 공구 홀더.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 따른 공구 홀더를 구비하는 공작 기계.
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