KR100417643B1 - 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치에 관한 것으로서 컴퓨터 수치제어 공작기계에 외부에서 연결되는 초음파 발진기에 연결되는 초음파 진동자와, 초음파 진동자의 진폭을 증폭시키기 위한 진동 증폭수단과, 진동에 의해 공작물을 연마가공하게 되는 공구부로 이루어진 초음파 진동공구를 컴퓨터 수치제어 공작기계에 회전가능하면서 고정되도록 연결하는 주축과, 피삭물의 작업면에 대하여 평행한 평면상에서 회전하도록 상기 주축과 연결된 제1구동수단과, 진동하는 진동공구를 포함하는 공구하우징을 작업면의 법선에 대하여 수직인 위치를 따라 평면상에서 회전하도록 연결된 제2구동수단을 포함하는 하우징에 설치하여 컴퓨터 수치제어 공작기계에 직접 장착하여 피절삭물을 절삭 작업위치에서 즉시 초음파 다듬질 작업이 가능하게 되는 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치에 관한 것이다.

Description

초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치{Automatic Polishing Apparatus for Mold using ultrasonic waves vibrating tool}

본 발명은 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시엔시 밀링머신(CNC Milling M/C) 또는 시엔시 머시닝 센터(CNC Machining center)와 같은 컴퓨터 수치제어 공작기계에 직접 장착하여 피절삭물을 절삭 작업위치에서 즉시 초음파 다듬질 작업이 가능하게 되는 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치에 관한 것이다.

금형은 자동차, 전기, 전자기기, 정밀기기, 산업기계, 광학기기를 비롯하여 사무용품, 스포츠, 레저용품, 식품포장, 완구류에 이르기까지 광범위한 제품의 생산수단으로 사용되고 있는데 근래에는 소비자들의 제품 디자인 중시 경향과 제품 라이프 사이클의 단축 등으로 인한 고품질, 고성능의 금형을 제작하는 금형기술이 더욱 필요하다.

이와 같은 금형기술은 상품의 품질과 직접적인 관련이 있는 매우 중요한 기술로서 상품의 외관이나 기능은 금형제작의 최종 마무리 작업에 의해 좌우된다고해도 과언이 아니다. 특히 금형 다듬질 작업은 1차 기계가공이 완료되면 가공된 표면을 연마하여 목표로 설정된 표면 거칠기 상태까지 가공하는 것을 말하며 이와 같은 금형 다듬질 작업은 금형산업에 있어서 모든 금형업체가 어려움을 겪고 있는 기술로서 이는 숙련공의 기능과 감각에 전적으로 의존하는 손 기술이면서도 축적된 노하우가 부족한 특수한 기술분야이다.

더구나, 국내에서는 숙련된 금형 다듬질 기술자를 찾기가 매우 어려워진 실정이며, 산업이 발달함에 따라 작업환경이 호전되고 있는 다른 제조업에 비하여 분진과 소음이 수반되는 열악한 환경에서 수작업으로 작업해야 하는 금형다듬질 분야는 사실상 신규 기능인력들로부터 취업기피 대상이 되고 있는 실정이다.

도 1은 종래의 연마공정 중 하나인 초음파를 이용한 연마가공을 위한 수작업용 초음파 연마기를 도시한 개략도로서, 초음파 연마기(1)는 고주파수에 의한 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환시켜 진동하게 함으로 가공물 표면이 연마되는 것으로, 1초당 28000사이클(cycle)의 주파수를 진동자(transducer)에 전달시켜 그 진동에 의해서 가공물의 표면을 연마하는 것이다.

즉, 다이아몬드 분말을 소결하여 #100∼#1000의 조도를 갖도록 형성한 다이아몬드 팁(tip)(2a)을 단부에 장착한 핸드피스(2)와, 이 핸드피스(2)에 전원을 공급하는 제너레이터(3)로 구성되어, 진동자에 의해 진동하는 다이아몬드 팁(2a)을 가공물의 표면에 접근시키면 다이아몬드 팁(2a)이 가공물의 표면을 타격하여 거친 표면을 연마하게 되는 것이다.

초음파 연마의 가공원리를 간략히 설명하면 약 16kc/sec 이상의 음파를 초음파라고 하는데 전원공급장치로부터 공급받은 전원을 고주파 발진장치를 거쳐, 초음파 발진자에서 초음파 진동 16-29kc/sec를 발생시키고, 이것을 공구 고정장치를 통해 전달하는데 그 단부에 형성된 원추부의 작용으로 초음파 진동의 진폭을 증폭하여 공구에 공급하게 된다.

이와 같이 봉 또는 판상의 공구에 초음파 주파수의 진동을 가하면서 공작물과 공구사이에 연삭입자를 공급하면 연삭입자들이 진동하면서 공작물에 충돌하여 공작물의 표면을 미세하게 연마하게 되므로 공작물의 표면을 정밀하게 연마할 수 있는 것이다.

초음파 진동공구의 연마가공은 충격에 의한 파쇄작용과 캐비테이션(cavitation)에 의한 침식작용을 이용하는 것으로, 충격파쇄작용은 초음파진동(16cps 이상)으로 상하방향으로 진동하는 공구를 공작물에 대고 누르면서 공구와 공작물의 사이에 Al₂O₃등의 고운지립을 물에 섞은 공작액을 펌프로 순환시키면 지립은 매우 큰 가공속도로 공작물 표면에 충돌하여 표면에 미세한 원추 균열 또는 종방향 균열이 생기므로 이를 활용하여 반복시켜 가공하게 되면 표면을 연마시키는 효과를 얻을 수 있다. 따라서 경질 취성재료(인장력에 약한 재료)의 가공에 큰 효과를 얻을 수 있어서 매우 적합하다.

캐비테이션에 의한 침식작용은 고속으로 후퇴하는 공구로 인해 공작물 표면에 저압기포가 발생하여 물의 경우 50 - 100 기압 정도의 압력이 생겨 침식작용이 발생하는 것으로 전 가공량의 10% 이내 정도가 캐비테이션에 의한 효과로 얻어진다.

이와 같은 초음파를 이용한 연마가공은 연삭 입자에 의한 미세 절삭 가공으로 양도체, 부도체, 반도체, 취성재 및 경질재의 정밀 가공에 응용될 수 있어서 재료의 적용 범위가 대단히 넓다. 또한, 비회전 가공이므로 구멍파기, 홈파기, 형조각, 절단에 응용되며 회전과 이송의 조합을 통하여 나사절삭도 가능하고 가공액으로 주로 물이 사용되므로 가공작업에 소요되는 비용이 저렴하고 취급이 용이한 이점이 있다.

그러나, 이와 같은 초음파 연마기(1)에 의한 연마작업은 숙련된 작업자의 숙련된 기술에 의해서만 가능하며 숙련공의 감각에 전적으로 의존하는 손 기술인 것이 문제이다. 따라서, 숙련된 작업자가 급격히 감소하는 상태에서 초음파 연마에 의한 다듬질 작업은 숙련자를 구하기도 어려울 뿐만 아니라 숙련자라고 하더라도 수작업은 균일한 결과를 얻기가 매우 어렵고 작업능률이 낮은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 컴퓨터 수치제어 공작기계에 초음파 연마기를 직접 장착과 탈착이 가능하게 하여 피절삭물을 절삭 작업위치에서 즉시 다듬질 작업이 가능하게 되고, 컴퓨터 수치제어 공작기계에서 제공되는 위치자유도를 활용하여 정밀한 표면 연마를 할 수 있는 초음파 진동공구를 이용한 금형다듬질 자동화 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 수작업용 초음파 진동공구를 도시한 개략도이고,

도 2는 초음파 진동공구의 구성을 설명하기 위한 구성도이며,

도 3은 본 발명에 따른 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치가 컴퓨터 수치제어 공작기계에 장착된 상태를 나타낸 사시도이고,

도 4는 본 발명에 따른 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치의 정단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치의 우측단면도이고,

도 6은 본 발명에 따른 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치의 평단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

A : 컴퓨터 수치제어 공작기계 B : 피삭물

C : 코렛척 5 : 초음파 진동공구

10 : 제1구동수단 11 : 주축

12 : 제1연결수단 20 : 제2연결수단

25 : 제2구동수단 30 : 공구하우징

40 : 하우징

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 금형 다듬질 자동화 장치에 있어서 컴퓨터 수치제어 공작기계에 외부의 초음파 발진기와 연결되는 초음파 진동자와, 초음파 진동자의 진폭을 증폭시키기 위해 초음파 진동자와 공구부 사이에 형성하는 진동 증폭수단과, 상기 진동 증폭수단에 부착되어 진동에 의해 공작물을 연마가공하게 되는 공구부로 이루어진 초음파 진동공구를 장착하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 초음파 진동공구는 컴퓨터 수치제어 공작기계의 축에 회전가능하면서 고정되도록 연결하는 주축과, 작업면에 대하여 평행한 평면상에서 회전하도록 상기 주축과 제1연결수단으로 연결된 제1구동수단과, 진동공구를 포함하는 공구하우징을 작업면의 법선에 대하여 수직인 위치를 따라서 회전하도록 하는 제2연결수단으로 연결하는 제2구동수단을 포함하는 하우징에 설치되어 컴퓨터 수치제어 공작기계에 장착되는 것을 특징으로 한다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도 2 내지 도 6를 참조하여 설명한다.

즉 도 2는 초음파 진동공구의 구성을 설명하기 위한 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치가 컴퓨터 수치제어 공작기계에 장착된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 금형 다듬질 자동화장치의 내부 구성을 설명하기 위한 정단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 이용한 금형 다듬질 자동화장치의 내부 구성을 설명하기 위한 우측단면도이고, 도 6는 본 발명에 따른 금형 다듬질 자동화장치의 내부 구성을 설명하기 위한 평단면도이다.

본 발명에서 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치는 도 2에 도시된 바와 같이 외부의 초음파 발진기(6)와 연결되는 초음파 진동자(7)와, 초음파 진동자(7)의 진폭을 증폭시키기 위해 초음파 진동자(7)와 공구부(9) 사이에 형성하는 진동 증폭수단(8)과, 상기 진동 증폭수단(8)에 부착되어 진동에 의해 공작물을 연마가공하게 되는 공구부(9)로 초음파 진동공구(5)를 형성하고, 이 초음파 진동공구(5)를 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에 장착하도록 형성한다.

상기 초음파 발진기(6)는 고주파 전류를 자왜진동자에 공급하면 진동자의 팽창 수축에 의해 기계적인 상하방향의 진동(진동자의 피로 방지를 위해 수 μm 이하의 미소진폭을 가진 20 - 30 cps)이 발생되어 진동 증폭수단(8)으로 진폭이 전달된다. 상기 진동 증폭수단(8)은 초음파 진동공구(5)의 축과 동일한 축에 고정되며 일반적으로 호온(Horn)이라고 불리운다.

따라서, 초음파 진동공구(5)는 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에 회전가능하면서 고정되도록 연결하는 주축(11)과, 피삭물(B)의 작업면에 대하여 평행한 평면상에서 회전하도록 상기 주축(11)과 제1연결수단(12)으로 연결된 제1구동수단(10)과, 초음파 진동공구(5)를 포함하는 공구하우징(30)을 작업면의 법선에 대하여 수직인 위치를 따라서 회전하도록 하는 제2연결수단(20)으로 연결된 제2구동수단(25)을 포함하는 하우징(40)에 설치되어 컴퓨터 수치제어 공작기계에 장착된다.

상기 주축(11)은 도 3 에 도시된 바와 같이 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)의코렛척(collet chuck)(C)에 장착하여 연결한다. 또한, 하우징(40)과 베어링(11a)을 통해 결합되어 원활한 회전이 이루어지도록 한다.

상기 제1연결수단(12)은 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 일측이 주축(11)에 연결되고 타측은 제1구동수단(10)의 회전축(10a)에 연결되어 제1구동수단(10)이 작동하여 회전축(10a)이 회전하게 되면 회전축(10a)의 회전력을 주축(11)에 전달하여 주축(11)과 고정된 하우징(40)을 회전하게 하는 벨트로 이루어진다.

상기 공구하우징(30)의 내측에는 초음파 진동공구(5)를 설치하여 하우징(40) 또는 공구하우징(30)이 회전할 때 초음파 진동공구(5)가 함께 회전할 수 있게 된다.

상기 제2연결수단(20)은 제2구동수단(25)의 회전축(26)에 형성된 웜(27)과 공구하우징(30)에 부착 형성된 웜휠(33)이 연결되도록 한다.

즉, 상기 제2구동수단(25)의 회전에 의해 웜(27)과 웜휠(33)이 회전하면 웜휠(33)이 부착된 공구하우징(30)이 회전하여 초음파 진동공구(5)를 작업면에 대하여 수직한 평면상에서 회전시키게 된다.

일반적인 3차원 공간에서 연마작업이 원활히 이루어지기 위해서는 연마수단이 피삭체(B)의 곡면과 접촉할 수 있도록 하는 3자유도의 위치 자유도와 곡면에 법선방향으로 접촉을 유지하도록 하는 2자유도의 회전자유도와 법선방향의 가공압력을 제어할 수 있도록 1자유도 이상의 힘 자유도가 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에서는 일반적인 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에서 3자유도의 위치자유도를 미리 확보하고, 제1구동수단(10) 및 제2구동수단(25)으로부터 2개의 위치 자유도를 추가로 제어하여 초음파 진공공구(5)의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있어서 초음파 진동공구에 의한 연마작업을 자동화할 수 있게 된다.

즉, 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에서 3자유도의 위치자유도를 확보하고, 공작물 표면의 법선방향으로 이동하도록 제1구동수단(10) 및 제2구동수단(25)을 제어하여2개의 회전자유도를 더 제공하므로초음파 진동공구(5)가 공작물의 표면을 가공하도록 이동시키면 수작업으로만 가능하던 초음파 진동공구에 의한 연마작업이 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에 의해서 수행가능하게 된다.

상기에서 설명한 본 발명의 효과를 설명하면 다음과 같다.

수작업으로 만 이루어지던 초음파 진동연마작업을 자동화시스템에 의해서 가능하게 되는 효과가 있다.

또한, 컴퓨터수치제어 공작기계에서 금형가공이 이루어진 후 금형을 이동시키지 않고 컴퓨터수치제어 공작기계에 본 발명의 초음파 진동공구를 이용한 금형다듬질 자동화장치를 용이하게 장착하여 연마작업을 수행 할 수 있게 되므로 금형 연마작업이 금형제작 공정과 연속성을 유지하게 되어 효율적인 작업이 이루어지게 되는 효과가 있으며, 수치제어 공작기계를 이용하여 3개의 위치 자유도를 확보하게 되므로 장치를 소형화시킬 수 있고, 본 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화장치에서 2개의회전자유도를 추가로 제어하여 복잡한 형상의 금형면도 용이하게 연마 가공할 수 있게 되는 효과가 있다.

초음파 진공공구의 범용적인 재료가공능력을 적극활용하여 컴퓨터 수치제어 공작기계 상에서 다양한 재료를 연마가공할 수 있을 뿐만 아니라, 비회전 가공이므로 구멍파기, 홈파기, 형조각, 절단에 응용되며 회전과 이송의 조합을 통하여 나사절삭도 가능하고 가공액으로 주로 물이 사용되므로 가공작업에 소요되는 비용이 저렴하고 취급이 용이 하게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 외부에서 연결되는 초음파 발진기(6)에 연결되는 초음파 진동자(7)와, 초음파 진동자(7)의 진폭을 증폭시키기 위해 초음파 진동자(7)와 공구부(9) 사이에 형성하는 진동 증폭수단(8)과, 상기 진동 증폭수단(8)에 부착되어 진동에 의해 공작물을 연마가공하게 되는 공구부(9)로 이루어진 초음파 진동공구(5)를 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에 장착하여 연마작업을 수행하도록 형성하되,

   상기 초음파 진동공구(5)는 컴퓨터 수치제어 공작기계(A)에 고정되도록 연결하는 주축(11)과, 피삭물(B)의 작업면에 대하여 평행한 평면상에서 회전하도록 상기 주축(11)과 제1연결수단(12)으로 연결된 제1구동수단(10)과, 공구하우징(30)을 작업면의 법선에 대하여 수직이 위치를 따라서 회전하도록 하는 제2연결수단(20)으로 연결된 제2구동수단(25)을 포함하는 하우징(40)에 설치되어 컴퓨터 수치제어 공작기계에서제공되는 3위치자유도에 2회전자유도를 더 갖게 되는 것을특징으로 하는 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 공구하우징(30)의 내측에 초음파 진동공구(5)를 설치하여 하우징(40) 또는 공구하우징(30)이 회전할 때 초음파 진동공구(5)가 함께 회전하게 되는 것을 특징으로 하는 초음파 진동공구를 이용한 금형 다듬질 자동화 장치.