KR102736645B1 - 공작기계의 주축 고정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 공작기계 주축 고정장치는 주축의 외경에 원주방향으로 브이홈이 형성된 브이블럭과, 핀을 상기 브이홈에 압입하여 주축을 고정시키는 유체실린더를 구비한 주축 고정장치에 있어서, 상기 유체실린더의 실린더몸체를 상기 주축 몸체에 죠인트 유니트를 통해 결합하되, 상기 죠인트 유니트는 실린더 몸체의 상부에서 하부로 관통하는 체결볼트와, 상기 체결볼트의 하부에 나사 결합되는 죠인트와, 상기 죠인트를 내부에 안치하며 하단부가 주축 몸체의 상부에 체결되는 죠인트 케이스로 형성되며, 상기 죠인트의 외경 중간부에는 상기 실린더 몸체의 하부면에 밀착 지지되는 캡너트가 체결되며, 상기 캡너트와 상기 죠인트의 하부 사이의 상기 조인트 외경에는 탄성체가 삽입되고, 상기 죠인트의 상부는 상기 실린더 몸체에 형성된 상기 체결볼트의 체결구멍으로 삽입되었을 때 상기 체결구멍의 직경보다 작은 직경으로 형성하여, 주축 고정장치의 가공오차 등으로 핀과 브이홈이 부정교합되었을 때 이를 정렬하여 주축을 고정함으로써 주축의 진동을 억제하고, 견고한 고정상태를 유지한다.

Description

공작기계의 주축 고정장치{Spindle clamping device of machine tool}

본 발명은 공작기계 주축의 고정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 CNC선반에서 밀링작업 등을 위해 주축의 회전을 억제하는 고정 장치에 관한 것이다.

CNC선반과 같은 복합가공이 가능한 공작기계는 주로 주축에 파지한 공작물을 고속으로 회전시키고 공구를 고정한 상태에서 공작물의 외경 또는 내경을 절삭하는 가공을 한다. 그러나 CNC선반은 주축의 회전을 정지시킨 상태에서 공구를 회전 및 축방향으로 이동시키는 밀링가공을 할 수도 있다.

도 1는 종래기술로서, CNC선반 주축 고정장치의 단면도이고, 도 2는 종래기술로서, 주축 고정장치가 부정교합으로 주축을 고정하는 실시예의 단면도이다.

도 1에 개시한 바와 같이, 종래의 CNC선반에서 밀링가공을 할 때는 주축(10)을 일정 각도로 회전시킨 상태에서 주축(10)이 회전하지 않도록 고정 상태를 유지한 상태에서 가공작업을 한다.

이 때 주축(10)이 회전하지 못하도록 고정하는 동작은, 주축(10)과 직결된 주축모터(20)의 회전을 정지시킴으로 이루어진다. 주축모터(20)는 회전속도 및 회전각도를 검출하는 엔코더(21)를 부착하고 있으며, 이 엔코더(21)가 주축모터(20)의 회전방향과 회전속도를 검출하여 제어부에 전송한다. 하지만 밀링가공을 위해 주축모터(20)가 정지한 상태에서 밀링가공에 의해 주축모터(20)에 회전력이 가해지면 엔코더(21)는 이를 검출하여 제어부에 전송하고, 제어부는 주축모터(20)가 회전하는 방향의 반대 방향으로 주축모터(20)를 회전하도록 제어함으로써 주축(10)이 지령된 위치에 정지 상태를 유지하도록 한다.

이러한 동작은 밀링가공 작업을 위해 공구가 공작물의 회전 중심축을 좌우로 벗어난 반경방향으로 가하는 공구의 힘이 커질수록 주축(10)에는 더욱 큰 회전력이 발생하고, 제어부는 엔코던의 회전각도 신호만큼 주축모터(20)를 반대 방향으로 회전하도록 제어함으로써 주축모터(20)에는 부하가 발생한다.

이와 같이 주축모터(20)가 정지 상태를 유지하기 위해서는 정회전과 역회전을 미세하게 반복함으로써 발생하는 주축모터(20)의 부하의 변동은 주축(10)을 통해 공작물에 미세한 진동현상으로 나타나고, 이러한 진동은 공작물의 가공정밀도를 떨어뜨리는 문제를 야기한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 도 1에서 개시한 바와 같이, 종래에는 주축(10)의 일부분에 원주방향으로 브이블럭(30)(V-block)을 형성하고, 주축(10)의 몸체에는 유체실린더(40)에 의해 작동되며 선단이 브이블럭(30)에 정합하는 형상을 가지는 핀(41)을 설치하여, 이 핀(41)이 브이블럭(30)에 압입됨으로써 주축(10)의 회전을 물리적으로 억제하는 주축 고정장치를 사용하고 있다.

그러나 초정밀도를 요구하는 스위스턴과 같은 초정밀 CNC선반에서는, 브이블럭(30)이나 핀(41), 유체실린더(40) 등의 가공정밀도와, 제조공장에서 발생하는 조립과정의 공차로 인해, 도 2와 같이, 브이블럭(30)과 핀(41)의 부정교합(misalignment)이 일어날 수 있다.

이러한 부정교합은 정위치를 유지하려는 방향으로 회전하려는 주축모터(20)에 부하를 발생시키게 된다. 또한, 주축 고정장치의 부정교합은 가공정밀도 또는 조립공차에 따라 원주방향으로 형성된 브이블럭(30)의 일부 구간 혹은 전 구간에서 발생할 수 있다.

이와 같이 밀링작업을 위해 정위치에 정지해 있어야 할 주축모터(20)에 부하가 발생함으로써, 주축(10)에는 미세한 진동이 발생하고, 이로 이해 주축(10)에 파지된 공작물은 정밀도가 떨어지게 된다.

이러한 주축(10)고정 장치의 부정교합을 완화시키기 위해 주축 고정장치를 조립하는 과정에 원주방방의 각도별로 반복적으로 핀(41)과 브이블럭(30)을 접촉시켜 가며 주축모터(20)의 부하량을 모니터링 하여 평균 부하 값이 가장 낮은 위치에 주축 고정장치를 조립한다.

그러나 이러한 주축 고정장치의 조립과정은 많은 시간이 소요되고, 또한 조립 작업자의 숙련도에 따라 공작기계의 정밀도가 불균형을 이루는 문제가 발생한다.

한편, 종래기술로 소개하는 특허문헌 1(일본 특허등록번호 5508167호)는 주축(10)의 원주 방향으로 클램프장치를 설치한 구조를 개시하고 있다. 그러나 특허문헌 1의 클램프장치는 설치구조가 복잡할 뿐만 아니라, 주축(10)의 내부에 설치면적을 과대하게 차지하는 문제가 있으며, 가공이나 조립상의 공차 문제가 해소되지 않아 정밀도에 한계가 있다.

또 다른 종래기술로 소개하는 특허문헌 2(한국 공개실용신안 2019940014882호)는 주축의 원주 방향에 홈을 가공하고, 주축(10)의 몸체에는 이 홈에 삽입되는 핀을 설치한 구조를 개시하고 있다. 이 장치는 홈의 개수와 그 설치 각도에 한정해서 주축을 분할 및 고정하는 한계가 있으며, 마찬가지로 가공이나 조립상의 공차 문제가 해소되지 않아 정밀도에 한계가 있다.

한편, 또 다른 종래기술로 소개하는 특허문헌 3(한국 공개실용신안 2019950013496호)은 주축의 원주방향으로 디스크를 설치하고, 주축의 몸체 일측에 디스크를 클램핑하는 브레이크를 설치한 구조를 개시하고 있다. 그러나 이 구조 역시 특허문헌 1과 마찬가지로, 디스크와 브레이크 장치의 설치구조가 복잡할 뿐만 아니라, 주축의 내부에 설치면적을 과대하게 차지하는 문제가 있으며, 가공이나 조립상의 공차 문제가 해소되지 않아 정밀도에 한계가 있다. 또한, 디스크 및 브레이크의 마모로 내부에 마모분말이 생성되어 공작기계의 회전부를 마모시키는 문제가 있다.

이와 같이 종래의 기술들은 CNC선반과 같이 주축(10)을 회전시키며 공작물을 가공하는 공작기계에서 밀링작업 등과 같이 주축(10)을 고정시켜서 수행하는 가공작업 시 주축(10)을 정위치에 부하의 변동없이 고정하는 것이 구조적으로 불완전하며, 그 결과 공작물의 정밀도를 향상시키는데 한계를 가진다. 더 나아가 조립정밀도를 향상시키기 위해 제조 과정에 지나치게 많은 시간이 소요되고, 조립작업자의 숙련도를 필요로 하는 문제가 있다.

JP 5508167 B KR 2019940014882 U KR 2019950013496 U

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, CNC선반과 같은 공작기계에서 주축을 고정하고 밀링작업을 할 때 주축을 정확하게 고정하는 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 주축을 정확하게 고정함으로써 주축 고정 시 주축모터의 부하의 변동으로 인한 진동을 최소화 하여 공작물의 가공정밀도를 향상 시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 주축 고정장치의 조립을 용이하게 하여 작업시간을 단축하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 공작기계의 주축 고정장치는 주축의 축방향으로 일정 지점의 주축 외경에 원주방향으로 브이(V)홈이 형성된 브이블럭(V-block)과, 상기 주축의 주축 몸체에 장착되며 상기 브이홈에 대응되는 형상의 핀을 상기 브이홈에 압입하여 주축을 고정시키는 유체실린더를 구비한 주축 고정장치에 있어서,

상기 유체실린더의 실린더몸체를 상기 주축 몸체에 죠인트 유니트를 통해 결합하되, 상기 죠인트 유니트는 실린더 몸체의 상부에서 하부로 관통하는 체결볼트와, 상기 체결볼트의 하부에 나사 결합되는 죠인트와, 상기 죠인트를 내부에 안치하며 하단부가 주축 몸체의 상부에 체결되는 죠인트 케이스로 형성되며, 상기 죠인트의 외경 중간부에는 상기 실린더 몸체의 하부면에 밀착 지지되는 캡너트가 체결되며, 상기 캡너트와 상기 죠인트의 하부 사이의 상기 조인트 외경에는 탄성체가 삽입되고, 상기 죠인트의 상부는 상기 실린더 몸체에 형성된 상기 체결볼트의 체결구멍으로 삽입되었을 때 상기 체결구멍의 직경보다 작은 직경으로 형성된다.

한편, 상기 죠인트는 하부에 곡률반경(R)을 가지는 곡면부가 형성되며, 상기 캡너트와 상기 죠인트의 하부 사이의 상기 조인트 외경에 삽입된 탄성체는 압축형 코일스프링이고, 상기 죠인트의 하부면과 죠인트 케이스의 내부 바닥면 사이에는 간극이 형성되며, 상기 간극에는 접시스프링이 삽입된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 CNC선반과 같은 공작기계에서 밀링작업을 위해 주축을 고정할 때, 주축 고정장치의 부정교합을 해소하여 주축을 정확하고 견고하게 고정할 수 있다.

또한, 주축 고정 시 주축 고정장치의 부정교합으로 인해 주축모터에 부하 변동이 발생하고, 이로 인해 발생하는 주축의 진동을 최소화하여 공작물의 가공정밀도를 향상 시킨다.

또한, 공작기계의 제조과정에 주축 고정정치를 지나치게 정밀하게 조립하지 않아도 됨으로, 공작기계의 조립이 용이할 뿐만 아니라, 조립시간을 단축할 수 있다.

도 1는 종래기술로서, CNC선반 주축 고정장치의 단면도이다.
도 2는 종래기술로서, 주축 고정장치가 부정교합으로 주축을 고정하는 실시예의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 주축 고정장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 주축 고정장치의 죠인트 유니트의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 주축 고정장치의 부정교합 상태를 정렬하는 개념도이다.

이하 본 발명에 따른 주축 고정장치의 바람직한 실시예에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

우선, 도 3 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 주축 고정장치의 실시예에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 주축 고정장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 주축 고정장치의 죠인트 유니트의 분해 사시도이다.

도 3과 도 4에 개시한 바와 같이, 주축(10)의 일측 선단에는 주축모터(20)와 주축(10)의 회전을 검출하는 엔코더(21)가 설치된다. 또한 주축(10)의 축방향으로 일정 지점의 주축(10) 외경에는 원주방향으로 브이홈(31)을 가지는 브이블럭(30)(V-block)이 설치된다.

또한, 주축(10)의 외경을 포위하고 있는 주축 몸체(11)의 일측에는 주축(10)의 길이방향에 대해 직각 방향으로 유체실린더(40)를 설치한다.

상기 유체실린더(40)는 실린더 몸체(42)가 죠인트 유니트(50)를 통해 주축 몸체(11)에 결합되며, 유체실린더(40)에는 상기 브이블럭(30)의 브이홈(31)에 대응되는 형상의 끝부분을 가지는 핀(41)이, 상기 브이홈(31)을 향하여 전진 또는 후진하도록 설치된다.

또한, 상기 유체실린더(40)에는 상기 핀(41)을 전진 또는 후진 시키는 고압의 유체를 공급 또는 배출한 한 쌍의 유체 출입구(43)가 형성된다.

한편, 도 4에 개시한 바와 같이, 상기 죠인트 유니트(50)는 실린더 몸체(42)의 상부에서 하부로 관통하는 체결볼트(51)와, 상기 체결볼트(51)의 하부에 나사 결합되는 죠인트(53)와, 상기 죠인트(53)를 내부에 안치하며 하단부가 주축 몸체(11)의 상부에 체결되는 죠인트 케이스(57)로 형성된다.

또한, 상기 죠인트(53)는 하부에 곡률반경(R)을 가지는 곡면부(55)가 형성되며, 중간부의 외경에는 실린더 몸체(42)의 하부면에 밀착 지지되는 캡너트(52)가 체결되는 나사부(54)가 형성되며, 캡너트(52)가 체결되는 나사부(54)와 하부의 곡면부(55) 사이의 외경에는 탄성을 가지는 압축형 코일스프링(58)이 삽입된다.

또한, 상기 죠인트(53)의 상부는 실린더 몸체(42)에 형성된 체결구멍(44)에 결합 시 상기 체결구멍(44)과의 사이에 틈새(L)가 형성되도록 상기 체결구멍(44)의 직경보다 작은 직경으로 형성된다.

한편, 상기 죠인트(53)의 하부 곡면부(55)와 죠인트 케이스(57)의 내부 바닥면 사이에는 간극이 형성되며, 이 간극에는 접시스프링(56)이 삽입된다.

이하에서는 상기와 같이 형성된 본 발명의 주축 고정장치가 밀링작업을 위해 주축(10)을 고정하는 동작을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 주축 고정장치의 부정교합 상태를 정렬하는 개념도이다.

주축(10)은 밀링작업을 위해 엔코더(21)가 주축(10)의 회전각도를 검출하여 제어부(미도시)에 피드백함으로써 제어부로부터 지령된 각도에 회전을 정지하게 된다.

주축(10)의 회전이 정지되면 유체실린더(40)의 유체 출입구(43)로 유체가 공급되고, 공급된 유체는 유체실린더(40)의 핀(41)을 주축(10) 방향으로 전진시킨다.

전진한 핀(41)은 브이(V) 형상으로 된 끝부분이 주축(10)의 브이블럭(30)에 형성된 브이홈(31)으로 전진한다. 이 때 브이홈(31)과 핀(41)은 제조 과정이나 조립과정에서 발생한 공차로 인해, 핀(41)의 중심이 브이홈(31)으로부터 미세하게 어긋난 부정교합상태로 결합을 시작한다. 그러나 유체실린더(40)에 유체가 더욱 높은 압력으로 공급되면 핀(41)의 끝부분은 브이홈(31)의 내부로 안내되어 삽입되면서, 핀(41)을 지지하는 실린더 몸체(42)는 핀(41)의 반발력에 의해 핀(41)의 전진방향의 반대 방향으로 가압된다. 즉 실린더 몸체(42)는 주축(10)의 반경방향인 상부 방향으로 밀려올라 가려는 힘을 받는다.

실린더 몸체(42)가 주축(10)의 반경방향으로 가압되면 실린더 몸체(42)를 주축 몸체(11)에 체결하고 있던 체결볼트(51)에 인장력이 발생한다. 이 인장력은 체결볼트(51)의 선단에 체결된 죠인트(53)에 작용하게 되고, 죠인트(53)는 캡너트(52)와의 사이에 삽입된 코일스프링(58)을 압축시키며 압축된 량 만큼 실린더 몸체(42)와 함께 상부로 이동한다.

이 때 죠인트(53)의 상부 직경이 실린더 몸체(42)에 형성된 체결구멍(44) 보다 틈새(2L) 만큼 작으므로, 죠인트(53)가 상부로 이동하면서 핀(41)의 중심과 브이홈(31)의 중심이 어긋난 틈새(L) 만큼 실린더 몸체(42)를 좌우로 이동시킬 수 있게 된다.

실린더 몸체(42)가 좌우로 이동함으로써 실린더 몸체(42)에 조립된 핀(41)은 주축(10)의 브이블럭(30)에 형성된 브이홈(31)에 안내되어 정렬된 상태로 압입되어 주축(10)을 고정시킨다.

이와 같이 주축(10)의 브이홈(31)과 핀(41)이 미세하게 어긋난 부정교합 상태일지라도 유체실린더(40)의 핀(41)이 브이홈(31)에 가압되면서 실린더 몸체(42)와 주축 몸체(11)를 결합하는 죠인트 유니트(50)에서 브이홈(31)과 핀(41)의 부정교합을 흡수함으로써, 주축(10)이 더욱 견고하게 고정되고, 나아가 주축모터(20)에 부하를 발생시키지 않게 되므로 주축모터(20)에 진동도 발생하지 않게 된다.

한편, 밀링가공을 완료하여 주축(10)의 고정을 해제하고자 할 경우에는 유체실린더(40)의 핀(41)이 후퇴하는 방향으로 유체 출입구(43)에 고압유체를 공급하면 핀(41)은 브이홈(31)으로부터 후퇴하여 주축(10)의 고정상태를 해제한다.

이 때 죠인트 유니트(50)는 유체실린더(40)의 핀(41)이 후퇴함에 따라 체결볼트(51)에 가해지던 인장력은 소멸되고, 죠인트(53)는 코일스프링(58)의 반발력에 의해 체결볼트(51)와 죠인트(53)를 죠인트 케이스(57)의 바닥면으로 밀게 된다. 이 과정에 죠인트(53)는 죠인트(53)의 하부가 골률반경(R)을 가지는 곡면부(55)로 형성되고, 죠인트 케이스(57)의 바닥면과의 사이에 삽입된 접시스프링(56)의 탄력에 죠인트 케이스(57) 내부에서 정렬된 상태로 복원 된다. 죠인트(53)의 정렬 상태가 복원됨에 따라 죠인트(53)에 체결된 체결볼트(51)도 정렬된 상태로 복원된다.

상기 실시예와 같이, 본 발명은 CNC선반과 같은 공작기계에서 밀링작업을 위해 주축(10)을 고정할 때, 주축 고정장치의 부정교합을 해소하여 주축(10)을 정확하고 견고하게 고정할 수 있다. 또한, 주축(10) 고정 시 주축 고정장치의 부정교합으로 인해 주축모터(20)에 부하 변동이 발생하고, 이로 인해 발생하는 주축(10)의 진동을 최소화하여 공작물의 가공정밀도를 향상 시킨다.

또한, 공작기계의 제조과정에 주축(10) 고정정치를 지나치게 정밀하게 조립하지 않아도 됨으로, 공작기계의 조립이 용이할 뿐만 아니라, 조립시간을 단축할 수 있다.

10 주축
11 주축 몸체
20 주축모터
21 엔코더
30 브이블럭
31 브이홈
40 유체실린더
41 핀
42 실린더 몸체
43 유체 출입구
44 체결구멍
50 죠인트 유니트
51 체결볼트
52 캡너트
53 죠인트
54 나사부
55 곡면부
56 접시스프링
57 죠인트 케이스
58 코일스프링

Claims (4)

1. 주축의 축방향으로 일정 지점의 주축 외경에 원주방향으로 브이(V)홈이 형성된 브이블럭(V-block)과, 상기 주축의 주축 몸체에 장착되며 상기 브이홈에 대응되는 형상의 핀을 상기 브이홈에 압입하여 주축을 고정시키는 유체실린더를 구비한 주축 고정장치에 있어서,
   상기 유체실린더의 실린더몸체를 상기 주축 몸체에 죠인트 유니트를 통해 결합하되, 상기 죠인트 유니트는 실린더 몸체의 상부에서 하부로 관통하는 체결볼트와, 상기 체결볼트의 하부에 나사 결합되며, 하부에는 곡률반경(R)을 가지는 곡면부가 형성된 죠인트와,
   상기 죠인트를 내부에 안치하며 하단부가 주축 몸체의 상부에 체결되는 죠인트 케이스와,
   상기 죠인트의 외경 중간부에는 상기 실린더 몸체의 하부면에 밀착 지지되어 체결되는 캡너트와,
   상기 캡너트와 상기 죠인트의 하부 사이의 상기 죠인트 외경에 삽입되는 탄성체와,
   상기 죠인트의 상부는 상기 실린더 몸체에 형성된 상기 체결볼트의 체결구멍으로 삽입되었을 때 상기 체결구멍의 직경보다 작은 직경으로 형성된 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 고정장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 캡너트와 상기 죠인트의 하부 사이의 상기 죠인트 외경에 삽입된 탄성체는 압축형 코일스프링인 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 고정장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 죠인트의 하부면과 죠인트 케이스의 내부 바닥면 사이에는 간극이 형성되며, 상기 간극에는 접시스프링이 삽입된 것을 특징으로 하는 공작기계의 주축 고정장치.