KR102584750B1

KR102584750B1 - 공구 스핀들 및 이를 포함하는 공작 기계

Info

Publication number: KR102584750B1
Application number: KR1020160131928A
Authority: KR
Inventors: 이창호
Original assignee: 주식회사 디엔솔루션즈
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2023-10-06
Also published as: US20210129278A1; US11344986B2; WO2018070698A1; CN109890561A; KR20180040270A

Abstract

공작 기계용 공구 스핀들은 선단에 공구가 장착되고 선회 가능한 공구 스핀들, 및 상기 공구 스핀들의 후단에 장착되어 상기 공구 스핀들의 상기 선단에 발생하는 절삭 진동을 감쇠시키고 상기 공구 스핀들의 후단에 결합되는 강성 부재 및 상기 강성 부재에 의해 탄성 지지되는 동조 질량 부재를 구비하는 진동 감쇠 장치를 포함한다.

Description

공구 스핀들 및 이를 포함하는 공작 기계{TOOL SPINDLE AND MACHINE TOOL INCLDUING THE SAME}

본 발명은 공구 스핀들 및 이를 포함하는 공작 기계에 관한 것이다. 보다 상세하게는, B축 회전 가능한 공구 스핀들 및 이를 포함하는 5축 수직형 머시닝 센터에 관한 것이다.

복합 가공기는 B축 회전 가능한 공구 스핀들을 포함할 수 있다. 상기 B축 공구 스핀들은 B축 인덱스 장치의 회전 기구 장치에 의해 선회 가능하도록 설치될 수 있다. 그러나, 상기 공구 스핀들에 연결된 상기 회전 기구 장치의 강성이 상대적으로 취약한 구조를 가지므로, 절삭 공구가 장착되는 상기 공구 스핀들의 선단에 진동이 발생하게 되어, 절삭 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 일 과제는 진동을 저감시켜 절삭 성능을 향상시키고 절삭 주파수 영역에 대한 진동 감쇠 성능을 증가시킬 수 있는 공구 스핀들을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 과제는 상술한 공구 스핀들을 포함하는 공작 기계를 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 공작 기계용 공구 스핀들은 선단에 공구가 장착되고 선회 가능한 공구 스핀들, 및 상기 공구 스핀들의 후단에 장착되어 상기 공구 스핀들의 상기 선단에 발생하는 절삭 진동을 감쇠시키고 상기 공구 스핀들의 후단에 결합되는 강성 부재 및 상기 강성 부재에 의해 탄성 지지되는 동조 질량 부재를 구비하는 진동 감쇠 장치를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 강성 부재는 상기 공구 스핀들의 후단으로부터 후방으로 연장하는 복수 개의 강성 로드들을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 진동 감쇠 장치는 상기 동조 질량 부재의 수용홈 내에 이동 가능하도록 수용되는 부가 질량 부재를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 진동 감쇠 장치는 상기 동조 질량 부재의 상기 수용홈 내에 일정량 채워지는 점성 유체를 포함할 수 있다.

상기 본 발명의 다른 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 공작 기계는 베드 후방에 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하도록 설치된 칼럼, 상기 칼럼에 Z축 방향으로 이동 가능하도록 설치된 주축 하우징, 상기 주축 하우징에 설치된 B축 인덱스 장치, 상기 B축 인덱스 장치에 B축 회전 가능하도록 연결되고 선단에 공구가 장착되는 공구 스핀들, 및 상기 공구 스핀들의 후단에 장착되어 상기 공구 스핀들의 상기 선단에 발생하는 절삭 진동을 감쇠하기 위한 진동 감쇠 장치를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공작 기계는 상기 베드 전방에 C축 회전 가능하고 가공물이 장착되는 로터리 테이블을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 진동 감쇠 장치는 상기 공구 스핀들의 후단에 결합되는 강성 부재, 및 상기 강성 부재에 의해 탄성 지지되는 동조 질량 부재를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 공작 기계용 공구 스핀들은 공구 스핀들의 후단에 설치된 진동 감쇠 장치를 포함할 수 있다. 상기 진동 감쇠 장치는 절삭 공구가 설치되는 상기 공구 스핀들의 선단에 발생하는 진동을 저감시킬 수 있다. 상기 진동 감쇠 장치는 상기 공구 스핀들의 주요 진동 주파수를 조절하여 절삭 주파수 영역에 대한 진동 감쇠 능력을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 공구 스핀들 선단의 진동 저감을 통해 상기 공구 스핀들의 동강성을 증가시키고 절삭 성능을 향상시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 공작기계를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 공구 스핀들을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 공구 스핀들에서 진동 감쇠 장치의 조립 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 공구 스핀들을 나타내는 정면도이다.
도 5는 도 2의 공구 스핀들을 나타내는 우측면도이다.
도 6은 도 2의 공구 스핀들을 나타내는 평면도이다.
도 7은 도 4의 Ⅶ-Ⅶ'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 도 6의 Ⅷ-Ⅷ'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 9는 도 8의 A 부분을 나타내는 확대도이다.
도 10a 및 도 10b는 진동 감쇠 장치를 부착하기 전후의 공구 선단에서의 X 방향 및 Y 방향 주파수 응답 곡선들을 나타내는 그래프들이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 공작기계를 나타내는 사시도이다. 도 2는 도 1의 공구 스핀들을 나타내는 사시도이다. 도 3은 도 2의 공구 스핀들에서 진동 감쇠 장치의 조립 상태를 나타내는 분해 사시도이다. 도 4는 도 2의 공구 스핀들을 나타내는 정면도이다. 도 5는 도 2의 공구 스핀들을 나타내는 우측면도이다. 도 6은 도 2의 공구 스핀들을 나타내는 평면도이다. 도 7은 도 4의 Ⅶ-Ⅶ'라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 8은 도 6의 Ⅷ-Ⅷ'라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 9는 도 8의 A 부분을 나타내는 확대도이다.

도 1 내지 도 9를 참조하면, 공작기계(10)는 B축으로 회전 가능하며 선단에 공구가 장착되는 공구 스핀들(60) 및 공구 스핀들(60)의 후단에 장착되어 공구 스핀들(60)에서 발생하는 절삭 진동을 감쇠할 수 있는 진동 감쇠 장치(100)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 공작기계(10)는 3개의 이송축(X, Y, Z) 및 2개의 회전축(B, C)을 갖는 5축 수직형 머시닝 센터일 수 있다.

구체적으로, 공작기계(10)는 베드(20) 후방에 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하도록 설치된 칼럼(30), 칼럼(30)에 설치된 레일 가이드를 따라 상하 방향(Z축 방향)으로 이동 가능한 주축 하우징(40), 주축 하우징(40)에 설치된 B축 인덱스 장치(50), B축 인덱스 장치(50)에 Y축을 중심으로 회전하는 방향, 즉, B축 회전 가능하도록 연결되고 선단에 공구가 장착되며 후단에 진동 감쇠 장치(100)가 설치되는 공구 스핀들(60), 베드(20) 전방에 Z축을 중심으로 회전하는 방향, 즉, C축 회전 가능하고 가공물이 장착되는 로터리 테이블(70)을 포함할 수 있다. 또한, 공작기계(10)는 베드(20) 후방에 칼럼(30)에 인접하게 설치되며 복수 개의 공구들을 공급하기 위한 공구 매거진(80)을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 공구 스핀들(60)는 B축 인덱스 장치(50)의 바디(52)의 전방 측부에 설치되며 바디(52) 내의 B축 샤프트(58)에 연결되어 B축으로 회전할 수 있다. 공구 스핀들(60)의 선단(62)에는 절삭 공구가 장착될 수 있다. 선단(62)에 반대하는 공구 스핀들(60)의 후단(64)에는 진동 감쇠 장치(100)가 장착될 수 있다. 진동 감쇠 장치(100)는 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)로서의 역할을 수행하여 공구 스핀들(60)에서 발생하는 절삭 진동을 감쇠할 수 있다.

공구 스핀들(60)는 스핀들 선회 장치로서의 B축 인덱스 장치(50)에 의해 선회 가능하도록 설치될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 공구 스핀들(60)은 B축 샤프트(58)에 연결되어 B축을 중심으로 선회 운동을 하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, B축 인덱스 장치(50)는 바디(52) 내에 구비되며 서보 모터(54)에 의한 구동 토크를 공구 스핀들(60)에 전달하기 위한 회전 기구부를 포함할 수 있다. 상기 회전 기구부는 바디(52) 내부에 장착된 웜 샤프트(56) 및 웜 휠(57)을 포함할 수 있다. 웜 샤프트(56)는 기어 메커니즘을 통해 서보 모터(54)의 구동축에 의해 회전 가능하고, 웜 샤프트(56)에 맞물린 웜 휠(57)은 지지 베어링(59)에 의해 지지된 B축 샤프트(58)를 B축으로 회전시킬 수 있다.

공구 스핀들(60)의 선단(62)은 가공물을 절삭하기 위하여 스핀들의 동축에 결합되며, 원하는 절삭 속도로 회전할 수 있다. 공구 스핀들(60)의 선단(62)에 장착된 공구는 가공시에 절삭력을 발생하게 되며, 이러한 절삭력은 공구 스핀들(60)을 포함한 장치 전체를 가진하게 된다. 이 때, 진동 감쇠 장치(100)는 B축 인덱스 장치(50)의 바디(52)와 공구 스핀들(60) 사이의 상기 회전 기구부의 상대적으로 취약한 강성으로 인해 공구 스핀들(60)의 선단(62)에 발생할 수 있는 진동을 감쇠시킬 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 진동 감쇠 장치(100)는 공구 스핀들(60)의 후단(64)에 설치되어 공구 스핀들(60)의 선단(62)에 발생하는 진동을 저감시킬 수 있다. 진동 감쇠 장치(100)는 공구 스핀들(60)의 B축 회전 운동 및 틸팅 운동에서의 진동을 감소시킬 수 있다.

구체적으로, 진동 감쇠 장치(100)는 공구 스핀들(60)의 후단(64)에 결합되는 강성 부재(120) 및 강성 부재(120)에 의해 공구 스핀들(60)의 후단에 탄성 지지되는 동조 질량 부재(110)를 포함할 수 있다. 또한, 진동 감쇠 장치(100)는 동조 질량 부재(110)에 이동 가능하도록 설치되는 부가 질량 부재(130)를 더 포함할 수 있다.

예를 들면, 강성 부재(120)는 강성 로드(stiffness rod)를 포함할 수 있다. 4개의 강성 로드들은 공구 스핀들(60)의 후단(64)에 각각 설치되고, 상기 후단으로부터 후방으로 연장할 수 있다. 상기 강성 로드들의 개수는 이에 제한되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.

동조 질량 부재(110)는 상기 강성 로드들에 의해 공구 스핀들(60)의 후단으로부터 기 설정된 거리만큼 이격 지지될 수 있다. 상기 강성 로드는 체결 스크류들(140)에 의해 공구 스핀들(60)의 후단(64) 및 동조 질량 부재(110)에 고정될 수 있다. 상기 강성 로드들이 길이를 조절하여 공구 스핀들(60)의 고유 진동수를 조절할 수 있다. 이 때, 고유 진동수는 아래 식(1)에 의해 정의될 수 있다.

------- 식 (1)

여기서, fn은 고유 진동수이고, K는 강성이고, M은 질량이다.

상기 고유 진동수의 조절(튜닝)에 있어서, 상기 강성 로드의 길이를 조절함으로써 강성(K)을 변화시킬 수 있고, 동조 질량 부재(110)의 질량(M)을 조절함으로써 질량(M)을 변화시킬 수 있다. 동조 질량 부재(110)는 공구 스핀들(60)의 진동과 반대되는 위상으로 진동함으로써, 공구 스핀들(60)의 선단(62)의 진동을 감소시킬 수 있다.

부가 질량 부재(130)는 동조 질량 부재(110)의 수용홈(112) 내에 이동 가능하도록 수용될 수 있다. 수용홈(112)은 동조 질량 부재(110)의 일측면으로부터 내부로 연장하여 형성될 수 있다. 부가 질량 부재(130)는 수용홈(112)의 내부면과 약 0.5 내지 1.0mm의 거리만큼 이격되도록 수용홈(112) 내에 배치될 수 있다. 부가 질량 부재(130)와 수용홈(112)의 내부면 사이의 이격 거리는 이에 제한되지는 않는다.

부가 질량 부재(130)와 수용홈(112)의 내부면 사이의 이격 공간에는 오일과 같은 점성 유체(132)가 일정량 채워질 수 있다. 수용홈(112)은 O-링(134)을 사이에 두고 밀봉 캡(136)으로 밀봉될 수 있다. 밀봉 캡(136)은 체결 볼트들(150)에 의해 수용홈(112)을 커버하도록 동조 질량 부재(110)의 일측면에 결합될 수 있다. 부가 질량 부재(130)는 수용홈(112)의 내부면과 충돌하여 진동 감쇠 능력을 증가시킬 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 진동 감쇠 장치를 부착하기 전후의 공구 선단에서의 X 방향 및 Y 방향 주파수 응답 곡선들을 나타내는 그래프들이다. 도 10a는 공구 선단에서의 회전 진동 모드(X 방향 진동 모드)에서의 주파수에 따른 컴플라이언스(compliance)(동강성(dynamic stiffness)의 역수)를 나타내며, 도 10b는 공구 선단에서의 틸팅 진동 모드(Y 방향 진동 모드)에서의 주파수에 따른 컴플라이언스를 나타낸다.

도 10a 및 도 10b를 참조하면, 진동 감쇠 장치가 부착된 공구 스핀들(B)의 X 방향 동강성은 상기 진동 감쇠 장치가 부착되지 않은 공구 스핀들(A)보다 2배 이상 증가하였으며, 상기 진동 감쇠 장치가 부착된 공구 스핀들(B)의 Y 방향 동강성은 상기 진동 감쇠 장치가 부착되지 않은 공구 스핀들(A)보다 1.5배 이상 증가함을 확인할 수 있다. 상기 진동 감쇠 장치가 부착된 공구 스핀들(A)의 동강성이 증가됨에 따라, 최대 안정 절삭 깊이가 증가하여 높은 가공 생산성을 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 공구 스핀들(60)은 후단(64)에 진동 감쇠 장치(100)가 설치될 수 있다. 진동 감쇠 장치(100)는 공구 스핀들(60)의 선단(62)에 발생하는 진동을 저감시킬 수 있다. 진동 감쇠 장치(100)는 공구 스핀들(60)의 B축 회전 운동 및 틸팅 운동에서의 진동을 감소시킬 수 있다. 진동 감쇠 장치(100)는 공구 스핀들(60)의 고유 진동수를 조절하여 절삭 주파수 영역에 대한 진동 감쇠 능력을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 공구 스핀들(60) 선단의 진동 저감을 통해 상기 공구 스핀들의 동강성을 증가시키고 절삭 성능을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 공작 기계 20: 베드
30: 칼럼 40: 주축 하우징
50: B축 인덱스 장치 52: 바디
54: 서보 모터 56: 웜 샤프트
57: 웜 휠 58: B축 샤프트
59: 지지 베어링 60: 공구 스핀들
70: 로터리 테이블 80: 공구 매거진
100: 진동 감쇠 장치 110: 동조 질량 부재
112: 수용 홈 120: 강성 부재
130: 부가 질량 부재 132: 점성 유체
134: O-링 136: 밀봉 캡
140: 체결 스크류 150: 체결 볼트

Claims

선단에 공구가 장착되고 선회 가능한 공구 스핀들; 및
상기 공구 스핀들의 후단에 장착되어 상기 공구 스핀들의 상기 선단에 발생하는 절삭 진동을 감쇠시키고, 상기 공구 스핀들의 후단에 결합되는 강성 부재, 상기 강성 부재에 의해 탄성 지지되는 동조 질량 부재 및 상기 동조 질량 부재의 수용홀들 내에 모든 방향으로 이동 가능하고 상기 수용홈의 내부면에 탄성 지지되지 않도록 각각 수용되는 복수 개의 부가 질량 부재들을 구비하는 진동 감쇠 장치를 포함하고,
상기 강성 부재는 상기 공구 스핀들의 후단으로부터 후방으로 연장하는 복수 개의 강성 로드들을 포함하고, 상기 동조 질량 부재는 상기 강성 로드들에 의해 결합되어 상기 공구 스핀들의 후단으로부터 기 설정된 거리만큼 이격 지지되고,
상기 수용홈들 각각은 상기 동종 질량 부재의 외측면으로부터 기 설정된 깊이로 연장하고,
밀봉 캡은 상기 수용홈을 커버하도록 상기 동조 질량 부재의 상기 외측면에 결합되는 공작 기계용 공구 스핀들.
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제 1 항에 있어서, 상기 진동 감쇠 장치는 상기 동조 질량 부재의 상기 수용홈 내에 일정량 채워지는 점성 유체를 포함하는 공작 기계용 공구 스핀들.
베드 후방에 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하도록 설치된 칼럼;
상기 칼럼에 Z축 방향으로 이동 가능하도록 설치된 주축 하우징;
상기 주축 하우징에 설치된 B축 인덱스 장치;
상기 B축 인덱스 장치에 B축 회전 가능하도록 연결되고 선단에 공구가 장착되는 공구 스핀들; 및
상기 공구 스핀들의 후단에 장착되어 상기 공구 스핀들의 상기 선단에 발생하는 절삭 진동을 감쇠하기 위한 진동 감쇠 장치를 포함하고,
상기 진동 감쇠 장치는,
상기 공구 스핀들의 후단에 결합되는 강성 부재;
상기 강성 부재에 의해 탄성 지지되는 동조 질량 부재; 및
상기 동조 질량 부재의 수용홈들 내에 모든 방향으로 이동 가능하고 상기 수용홈의 내부면에 탄성 지지되지 않도록 각각 수용되는 복수 개의 부가 질량 부재들을 포함하고,
상기 강성 부재는 상기 공구 스핀들의 후단으로부터 후방으로 연장하는 복수 개의 강성 로드들을 포함하고, 상기 동조 질량 부재는 상기 강성 로드들에 의해 결합되어 상기 공구 스핀들의 후단으로부터 기 설정된 거리만큼 이격 지지되고,
상기 수용홈들 각각은 상기 동종 질량 부재의 외측면으로부터 기 설정된 깊이로 연장하고,
밀봉 캡은 상기 수용홈을 커버하도록 상기 동조 질량 부재의 상기 외측면에 결합되는 공작 기계.
제 5 항에 있어서, 상기 베드 전방에 C축 회전 가능하고 가공물이 장착되는 로터리 테이블을 더 포함하는 공작 기계.
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