WO2011111902A1 - 5축 절삭가공장치 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a five-axis cutting machine, and more particularly, to the A-axis and B-axis rotation mechanism in the five-axis cutting machine.
  • the 5-axis cutting machine is a cutting machine based on CNC (Computerized Numerical Control), which allows cutting of work-pieces at various positions and angles.
  • CNC Computerized Numerical Control
  • it refers to a cutting machine factory that can feed or rotate in the A- and B-axis directions.
  • the conventional 5-axis cutting machine is configured so that the B-axis rotation mechanism is provided on the spindle and saddle on which the cutting tool is mounted, and the cutting tool mounted on the spindle rotates in the B-axis direction.
  • the conventional 5-axis cutting machine is equipped with a B-axis rotation mechanism on the spindle and saddle on which the cutting tool is mounted, the weight of the spindle and the saddle increases, so that the X, Y and Z axis feed rates of the spindle and the saddle are increased. Falling, the B-axis rotation mechanism does not operate independently of the X-axis, Y-axis and Z-axis transfer mechanism, there is a problem that the position accuracy is lowered.
  • An object of the present invention is to provide a 5-axis cutting machine capable of cutting a workpiece at more various positions and angles, and improving feed speed and position accuracy.
  • the spindle unit which is provided to be movable in the X-axis, Y-axis and Z-axis direction, the rotating cutting tool mounted; And supporting the workpiece to be processed by the cutting tool, and rotating the workpiece in the A-axis direction, which is the direction of rotation about the X axis, and the B-axis direction, which is the direction of rotation around the Y axis.
  • a five-axis cutting device characterized in that it comprises a rotation drive unit.
  • the spindle unit the spindle for clamping the cutting tool to rotate the cutting tool;
  • a magnetostrictive transducer provided on the main shaft of the spindle to apply ultrasonic vibration to the cutting tool through the spindle.
  • the magnetostrictive transducer may comprise Terfenol-D.
  • the rotation drive unit the A-axis servo motor for rotating the jig for clamping the workpiece in the A-axis direction; And it may include a B-axis servo motor for rotating the jig in the B-axis direction.
  • the rotation drive unit may further include a rotation bracket provided to be rotatable in the B-axis direction and interconnecting the A-axis servo motor and the B-axis servo motor.
  • the rotation drive unit may further include a rotation bracket coupled to one end of the A-axis servo motor and coupled to the other end of the B-axis servo motor, and rotated in the B-axis direction by the B-axis servo motor. have.
  • the rotating bracket may have a shape in which the other end is bent from the one end.
  • the jig may be connected to the A-axis servo motor with the rotation bracket interposed therebetween.
  • the jig is a ring-shaped base jig; A ring-shaped wick jig inserted into the base jig; And clamping means for fixing the workpiece on the wick jig.
  • the present invention is provided by the rotation drive unit for supporting the workpiece to rotate the workpiece in the A-axis as well as the B-axis direction, so that the cutting tool mounted on the spindle rotates in the B-axis direction 5
  • the rotation drive unit for supporting the workpiece to rotate the workpiece in the A-axis as well as the B-axis direction, so that the cutting tool mounted on the spindle rotates in the B-axis direction 5
  • the restriction on the rotational angles in the A-axis and B-axis directions is greatly reduced, the workpiece can be cut at more various positions and angles.
  • the present invention unlike the conventional five-axis cutting device that the B-axis rotation mechanism is provided in the spindle unit including the spindle and the saddle, the B-axis rotation mechanism is provided in the rotation drive unit for supporting the workpiece, so that the spindle Since the means for the B-axis rotation mechanism can be omitted from the unit, the lightening of the spindle unit improves the X, Y and Z axis feedrates of the spindle unit, while the B-axis rotation mechanism is the X, Y and Z axes. It works independently from the axis feed mechanism, thus improving positional accuracy.
  • the present invention can improve the cutting effect more efficiently as compared with the conventional ultrasonic cutting machine employing a piezoelectric element by employing a magnetostrictive element as a means for applying ultrasonic vibration to the cutting tool.
  • FIG. 1 is a perspective view of a five-axis cutting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the 5-axis cutting machine of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the 5-axis cutting machine of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a jig for clamping a workpiece in the 5-axis cutting apparatus of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged partial perspective view of an area 'F' of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a partial perspective view of the workpiece rotated in the A-axis direction in FIG.
  • FIG. 6 is a partial perspective view of the workpiece rotated in the B-axis direction in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of a five-axis cutting device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic side view of the five-axis cutting device of Figure 1
  • Figure 3 is working in the five-axis cutting device of Figure 1
  • 4 is an exploded perspective view of a jig for clamping an object
  • FIG. 4 is an enlarged partial perspective view of the 'F' region of FIG. 1
  • FIG. 5 is a partial perspective view of the workpiece rotated in the A-axis direction in FIG. 4
  • FIG. 6 is 4 is a partial perspective view of the workpiece rotated in the B-axis direction.
  • the 5-axis cutting apparatus 1 includes a spindle unit 10 to which the cutting tool T is mounted and rotates therein, and the spindle unit 10 to support the spindle.
  • the spindle unit 10 is provided to be movable in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the workpiece is rotatable in the A-axis and B-axis directions by the rotation drive unit 50. Prepared.
  • the spindle unit 10 includes a spindle 13 for clamping the cutting tool T to rotate the cutting tool T, a saddle 11 on which the spindle 13 is mounted, and a spindle 14 of the spindle 13. And a magnetostrictive transducer 15 which is provided on and applies vibration to the cutting tool T via the spindle 13.
  • the magnetostrictive converter 15 includes a magnetostrictive device that converts magnetic energy into mechanical energy.
  • the magnetostrictive converter 15 is supplied with a predetermined power by a power generator (not shown).
  • a power generator not shown.
  • the ultrasonic vibration generated by the magnetostrictive transducer 15 is applied to the cutting tool T through the spindle 13 to improve the cutting effect.
  • a piezoelectric device mainly converting electrical energy into mechanical energy is conventionally used as a means for generating ultrasonic vibration.
  • the 5-axis cutting apparatus 1 includes a magnetostrictive transducer 15 that uses a magnetostrictive element instead of a conventional piezoelectric element as a means for applying ultrasonic vibration to the cutting tool T.
  • the magnetostrictive element is a device that has a characteristic of converting magnetic energy into mechanical energy (displacement or stress, etc.), that is, changing its length in order to conserve the total energy to a minimum when a magnetic field is applied around it. It is extremely limited in the fields of motor, micro displacement control and sensor.
  • Such a magnetostrictive element has a large displacement and a very high energy density compared with a piezoelectric element used in a conventional ultrasonic cutting apparatus. That is, the magnetostrictive element can obtain a large displacement compared to the piezoelectric element, that is, with a low input power.
  • Terfenol-D is used as the magnetostrictive element constituting the magnetostrictive transducer 15.
  • Such terphenol-di can generate almost constant and large displacement in a fairly wide frequency band, and there is an advantage that a much larger displacement can be obtained by using a resonant frequency band.
  • terphenol-di has the advantage that the fatigue characteristics (Fatigue) does not occur even if used for a long time, it is possible to keep the operating characteristics constant for a long time.
  • the 5-axis cutting apparatus 1 using the magnetostrictive element (terphenol-D) as a means for applying ultrasonic vibration to the cutting tool T is a conventional ultrasonic cutting using a piezoelectric element. Compared with the processing equipment, the cutting effect can be improved more efficiently.
  • the magnetostrictive element terphenol-D
  • the conventional ultrasonic cutting apparatus using a piezoelectric element since the displacement of the piezoelectric element itself is small, an amplification horn for amplifying the ultrasonic vibration generated by the piezoelectric element and transmitting it to the cutting tool is required.
  • the amplification horn uses a resonance phenomenon, and there is a problem in that a design limitation is required to match the resonance of the entire system in consideration of the characteristics of the piezoelectric element and the specification of the amplification horn.
  • the 5-axis cutting apparatus 1 according to the present embodiment uses a magnetostrictive element that generates an ultrasonic vibration having an amplitude of magnitude required to improve the cutting effect, the conventional ultrasonic cutting process as described above. The problem of the device can be solved.
  • the Z axis drive unit 20 is a means for supporting the spindle unit 10 to move the spindle unit 10 in the Z axis direction.
  • the Z-axis drive unit 20 is a Z-axis connecting frame 21 coupled to the upper end of the saddle 11 of the spindle unit 10, the Z-axis ball screw 28 and the Z-axis servo motor for rotating it
  • a column 24 provided with (25) and a Z-axis LM guide 23 (Linear Motion Guide) connecting the Z-axis connecting frame 21 and the column 24 are included.
  • the guide rails 23a of the Z-axis LM guide 23 are provided in pairs at the front of the column 24, and the guide blocks 23b of the Z-axis LM guide 23 are arranged at the rear of the Z-axis connecting frame 21. It is provided to correspond to the guide rail 23a and is coupled to the guide rail 23a.
  • the X axis drive unit 30 is a means for supporting the Z axis drive unit 20 together with the spindle unit 10 to move the spindle unit 10 in the X axis direction.
  • the X-axis drive unit 30 is the X-axis connecting frame 31 coupled to the lower end of the column 24 of the Z-axis drive unit 20, the X-axis ball screw 34 and the X-axis to rotate it
  • a servo base 35 is installed and includes a column base 36 for supporting the Z axis drive unit 20, and an X axis LM guide 33 for connecting the X axis connecting frame 31 and the column base 36. do.
  • the guide rails 33a of the X-axis LM guide 33 are provided in pairs on the upper surface of the column base 36, and the guide blocks 33b of the X-axis LM guide 33 are lower surfaces of the X-axis connecting frame 31. It is provided to correspond to the guide rail 33a is coupled to the guide rail 33a.
  • the Y-axis drive unit 40 supports the X-axis drive unit 30 together with the spindle unit 10 and the Z-axis drive unit 20 to move the spindle unit 10 in the Y-axis direction (front and rear direction). to be.
  • the Y-axis drive unit 40 is a Y-axis connecting frame 41 coupled to the lower end of the column base 36 of the X-axis drive unit 30, the Y-axis ball screw 45 and Y to rotate it
  • a shaft servo motor 46 is installed and includes a bed 44 for supporting the X-axis driving unit 30 and a Y-axis LM guide 43 for connecting the Y-axis connecting frame 41 and the bed 44. .
  • the guide rails 43a of the Y-axis LM guide 43 are provided in pairs on the upper surface of the bed 44, and the guide blocks 43b of the Y-axis LM guide 43 are provided on the lower surface of the Y-axis connecting frame 41. It is provided to correspond to the guide rail 43a and is coupled to the guide rail 43a.
  • the X, Y, and Z axis drive units 30, 40, and 20 drive the spindle unit 10 equipped with the cutting tool T according to the given data by using a method of rotating the ball screw. , Y-axis and Z-axis direction.
  • the method of moving the spindle unit 10 equipped with the cutting tool T in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions in the present invention is not limited to the ball screw method as in the present embodiment, but a linear motor (Linear Motor) Of course, a variety of methods can be applied, including the method of using).
  • the rotation drive unit 50 supports the workpiece (not shown) to be processed by the cutting tool (T) mounted to the spindle unit 10 and the workpiece A-axis and B-axis Means for rotating in the direction.
  • the A-axis and B-axis rotation is a term generally used in a conventional 5-axis cutting machine
  • the A-axis rotation means the rotation around the X axis in Figs. 1 and 3
  • the B axis direction Rotation means rotation about the Y axis in Figs. 1 and 3.
  • the rotation drive unit 50 includes an A-axis servo motor 54 for rotating the jig 60 for clamping the workpiece in the A-axis direction, and a B-axis servo for rotating the jig 60 in the B-axis direction.
  • the jig 60 for clamping the workpiece includes a ring-shaped base jig 61 and a ring-shaped wick jig inserted into the base jig 61, as shown in FIG. 3. 63 and clamping means 65 for securing the workpiece on the wick jig 63.
  • the ring-shaped base jig 61 is formed with a cutting surface 61a on the opposite side of the portion to which the motor coupling bracket 55 is coupled.
  • the jig 60 has a structure that is separated into the base jig 61 and the weak jig 63 can clamp a variety of workpieces more stably.
  • the jig 60 since the jig 60 has a ring shape through which the center region is entirely penetrated, the jig 60 can cut the workpiece even at a position in which the workpiece is rotated by ⁇ 180 ° in the A-axis direction.
  • the shape and structure of the jig in the present invention is not limited to this embodiment and may be appropriately changed according to the type of the workpiece and the pattern of the cutting.
  • the A-axis servo motor 54 is disposed in front of the support frame 51 and is coupled to one end 52a of the rotating bracket 52. At this time, the A-axis servo motor 54 is inserted into the rotating bracket 52 in a state in which the rotating shaft penetrates one end 52a of the rotating bracket 52 and is inserted into the shaft groove 55a of the motor coupling bracket 55. Combined. Meanwhile, the jig 60 is connected to the A-axis servo motor 54 through the motor coupling bracket 55 with the rotation bracket 52 therebetween. Accordingly, the A-axis servo motor 54 rotates the jig 60 in which the workpiece is clamped in the A-axis direction.
  • the B-axis servo motor 53 is disposed at the rear of the support frame 51 and disposed opposite to the support frame 51 with its rotational axis penetrating the support frame 51, that is, the support frame 51. It is coupled to the other end 52b of the rotary bracket 52 disposed in front of the).
  • the B-axis servo motor 53 rotates the rotation bracket 52 in the B-axis direction to rotate the jig 60 in which the workpiece is clamped in the B-axis direction.
  • Rotation bracket 52 is a substantially 'b' shaped bent shape, one end 52a is coupled to the A-axis servo motor 54 and the other end 52b is coupled to the B-axis servo motor 53. do. Since the rotation bracket 52 is rotatably provided on the support frame 51 in the B-axis direction, the rotation bracket 52 rotates in the B-axis direction as the B-axis servo motor 53 coupled to the other end 52b rotates. . At this time, since the jig 60 is coupled to one end portion 52a of the rotating bracket 52 having the bent shape (a portion where the A-axis servo motor 54 is coupled), the jig 60 to which the workpiece is clamped. Rotates in the B-axis direction with the rotation bracket 52 rotates. As a result, the B-axis servo motor 53 rotates the jig 60 in the B-axis direction through the rotation bracket 52.
  • A-axis and B-axis rotation of the workpiece by the rotation drive unit 50 having the above configuration will be described in more detail with reference to FIGS. 3 to 5 as follows.
  • the workpiece mounted on the jig 60 is moved in the A-axis direction by a predetermined angle according to the operation of the A-axis servo motor 54 at the initial position of FIG. 3 (the rotation angles of the A and B axes are 0 °). It can rotate and move to the position shown in FIG. At this time, since the rotation angle in the A-axis direction is not substantially limited, for example, the workpiece mounted on the jig 60 can be cut even at a position rotated by ⁇ 180 ° in the A-axis direction. Thereby, the effect which the area
  • the workpiece mounted on the jig 60 may be rotated in the B-axis direction by a predetermined angle according to the operation of the B-axis servo motor 53 at the position shown in FIG. 4 to move to the position shown in FIG. 5. have.
  • the rotation angle in the B-axis direction can be freely set within a range where the B-axis servo motor 53 does not interfere with other components, for example, the workpiece mounted on the jig 60 is -90 in the B-axis direction.
  • the cutting can be performed at a rotational position, that is, a position where the cutting tool T mounted on the spindle 13 and the jig 60 on which the workpiece is mounted are perpendicular to each other.
  • the cutting at the position rotated by -90 ° in the B-axis direction is very suitable for the hole processing of the implant bar. Accordingly, the area of the workpiece that can be processed by the cutting tool T mounted on the spindle 13 can thus be further enlarged.
  • the 5-axis cutting apparatus 1 is provided such that the rotation driving unit 50 supporting the workpiece can rotate the workpiece in the A axis direction as well as in the B axis direction.
  • This allows the cutting tool mounted on the spindle to be rotated in the B-axis direction, as compared with the conventional 5-axis cutting device, which greatly reduces the limitations on the rotational angles in the A-axis and B-axis directions.
  • Workpiece can be cut at
  • the 5-axis cutting device 1 is different from the conventional 5-axis cutting device in which the B-axis rotating mechanism is provided in the spindle unit including the spindle and the saddle.
  • the B-axis rotating mechanism is provided in the spindle unit including the spindle and the saddle.
  • the 5-axis cutting apparatus 1 employs a piezoelectric element by employing a magnetostrictive element (terphenol-D) as a means for applying ultrasonic vibration to the cutting tool T.
  • a magnetostrictive element terphenol-D
  • the cutting effect can be improved more efficiently.
  • the present invention is applicable to the technical field of a cutting machine for performing a cutting process on the workpiece.

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Abstract

본 발명에 따른 5축 절삭가공장치는, X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동 가능하게 마련되고, 장착된 절삭공구를 회전시키는 스핀들 유닛; 및 상기 절삭공구에 의해 가공되는 작업대상물을 지지하고, 상기 작업대상물을 A축 및 B축 방향으로 회전시키는 회전 구동유닛을 포함한다. 본 발명에 의하면, 보다 다양한 위치 및 각도에서 작업대상물을 절삭가공할 수 있고, 이송 속도 및 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

5축 절삭가공장치
본 발명은, 5축 절삭가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 5축 절삭가공장치에서 A축 및 B축 회전 메커니즘에 관한 것이다.
일반적으로 5축 절삭가공장치라 함은 CNC(Computerized Numerical Control) 기반의 절삭가공장치에서 작업대상물(Work-Piece)을 다양한 위치 및 각도에서 절삭가공할 수 있도록 X축, Y축 및 Z축 방향의 이송은 물론, A축 및 B축 방향의 이송 혹은 회전이 가능한 절삭가공장치를 말한다.
한편, 종래의 5축 절삭가공장치는 B축 회전 메커니즘이 절삭공구가 장착되는 스핀들 및 새들에 마련되고 스핀들에 장착된 절삭공구가 B축 방향으로 회전하도록 구성된다.
그런데, 위와 같은 구성을 갖는 종래의 5축 절삭가공장치는 스핀들에 장착된 절삭공구가 B축 방향으로 회전하도록 구성되기 때문에, A축 및 B축 방향의 회전 각도에 대한 제한이 커지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 5축 절삭가공장치는 B축 회전 메커니즘이 절삭공구가 장착되는 스핀들 및 새들에 마련되기 때문에 스핀들 및 새들의 중량이 증가하여 스핀들 및 새들의 X축, Y축 및 Z축 이송 속도가 떨어지고, B축 회전 메커니즘이 X축, Y축 및 Z축 이송 메커니즘과 독립적으로 작동하지 못하므로 위치 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 보다 다양한 위치 및 각도에서 작업대상물을 절삭가공할 수 있고, 이송 속도 및 위치 정밀도를 향상시킬 수 있는 5축 절삭가공장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동 가능하게 마련되고, 장착된 절삭공구를 회전시키는 스핀들 유닛; 및 상기 절삭공구에 의해 가공되는 작업대상물을 지지하고, 상기 X축을 중심축으로 하여 회전하는 방향인 A축 방향 및 상기 Y축을 중심축으로 하여 회전하는 방향인 B축 방향으로 상기 작업대상물을 회전시키는 회전 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 스핀들 유닛은, 상기 절삭공구를 클램핑하여 상기 절삭공구를 회전시키는 스핀들; 및 상기 스핀들의 주축 상에 마련되어 상기 스핀들을 통해 상기 절삭공구에 초음파 진동을 인가하는 자기변형 변환기를 포함할 수 있다.
상기 자기변형 변환기는, 터페놀-디(Terfenol-D)를 포함할 수 있다.
상기 회전 구동유닛은, 상기 작업대상물을 클램핑하기 위한 지그를 상기 A축 방향으로 회전시키는 A축 서보 모터; 및 상기 지그를 상기 B축 방향으로 회전시키는 B축 서보 모터를 포함할 수 있다.
상기 회전 구동유닛은, 상기 B축 방향으로 회전 가능하게 마련되어 상기 A축 서보 모터와 상기 B축 서보 모터를 상호 연결하는 회전 브라켓을 더 포함할 수 있다.
상기 회전 구동유닛은, 일단부에 상기 A축 서보 모터가 결합되고 타단부에 상기 B축 서보 모터가 결합되며, 상기 B축 서보 모터에 의해 상기 B축 방향으로 회전하는 회전 브라켓을 더 포함할 수 있다.
상기 회전 브라켓은, 상기 타단부가 상기 일단부로부터 절곡된 형상을 가질 수 있다.
상기 지그는, 상기 회전 브라켓을 사이에 두고 상기 A축 서보 모터와 연결될 수 있다.
상기 지그는, 링 형상의 베이스 지그; 상기 베이스 지그의 내측에 삽입 결합되는 링 형상의 위크 지그; 및 상기 작업대상물을 상기 위크 지그 상에서 고정시키기 위한 클램핑 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은, 작업대상물을 지지하는 회전 구동유닛이 작업대상물을 A축 방향은 물론 B축 방향으로도 회전시킬 수 있도록 마련됨으로써, 스핀들에 장착된 절삭공구가 B축 방향으로 회전하도록 구성된 종래의 5축 절삭가공장치와 대비하여, A축 및 B축 방향의 회전 각도에 대한 제한이 대폭 줄어들기 때문에, 보다 다양한 위치 및 각도에서 작업대상물을 절삭가공할 수 있다.
또한, 본 발명은, B축 회전 메커니즘이 스핀들 및 새들을 포함하는 스핀들 유닛에 마련되는 종래의 5축 절삭가공장치와 다르게, B축 회전 메커니즘이 작업대상물을 지지하는 회전 구동유닛에 마련됨으로써, 스핀들 유닛에서 B축 회전 메커니즘을 위한 수단을 생략할 수 있으므로 스핀들 유닛의 경량화를 통해 스핀들 유닛의 X축, Y축 및 Z축 이송 속도를 향상시키는 한편, B축 회전 메커니즘이 X축, Y축 및 Z축 이송 메커니즘과 독립적으로 작동하므로 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 절삭공구에 초음파 진동을 인가하는 수단으로 자기변형소자를 채용함으로써, 압전소자를 채용하는 종래의 초음파 절삭가공장치와 대비하여 보다 효율적으로 절삭효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 5축 절삭가공장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 5축 절삭가공장치의 개략적인 측면도이다.
도 3은 도 1의 5축 절삭가공장치에서 작업대상물을 클램핑하기 위한 지그의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 'F'영역을 확대한 부분 사시도이다.
도 5는 도 4에서 작업대상물을 A축 방향으로 회전시킨 부분 사시도이다.
도 6은 도 4에서 작업대상물을 B축 방향으로 회전시킨 부분 사시도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 5축 절삭가공장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 5축 절삭가공장치의 개략적인 측면도이며, 도 3은 도 1의 5축 절삭가공장치에서 작업대상물을 클램핑하기 위한 지그의 분해 사시도이고, 도 4는 도 1의 'F'영역을 확대한 부분 사시도이고, 도 5는 도 4에서 작업대상물을 A축 방향으로 회전시킨 부분 사시도이며, 도 6은 도 4에서 작업대상물을 B축 방향으로 회전시킨 부분 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는 절삭공구(T)가 장착되고 이를 회전시키는 스핀들 유닛(10)과, 스핀들 유닛(10)을 지지하여 스핀들 유닛(10)을 Z축 방향(상하 방향)으로 이동시키는 Z축 구동유닛(20)과, Z축 구동유닛(20)을 지지하여 스핀들 유닛(10)을 X축 방향(좌우 방향)으로 이동시키는 X축 구동유닛(30)과, X축 구동유닛(30)을 지지하여 스핀들 유닛(10)을 Y축 방향(전후 방향)으로 이동시키는 Y축 구동유닛(40)과, 스핀들 유닛(10)에 장착된 절삭공구(T)에 의해 가공되는 작업대상물(Work-Piece, 도시생략)을 지지하고 작업대상물을 A축 및 B축 방향으로 회전시키는 회전 구동유닛(50)을 포함한다. 다시 말해서, 본 실시예에서 스핀들 유닛(10)은 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동 가능하게 마련되고, 작업대상물은 회전 구동유닛(50)에 의해 A축 및 B축 방향으로 회전 가능하게 마련된다.
스핀들 유닛(10)은 절삭공구(T)를 클램핑하여 절삭공구(T)를 회전시키는 스핀들(13)과, 스핀들(13)이 장착되는 새들(11)과, 스핀들(13)의 주축(14) 상에 마련되어 스핀들(13)을 통해 절삭공구(T)에 진동을 인가하는 자기변형 변환기(15)를 포함한다.
자기변형 변환기(15)는 자기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 자기변형소자(Magnetostrictive Device)를 포함한다. 자기변형 변환기(15)는 전력 발생기(Power Generator, 도시생략)에 의해 소정의 전력이 인가된다. 자기변형 변환기(15)에 전력이 인가되면, 막대 형상의 자기변형소자의 주위에 자계가 형성되고, 형성된 자계에 의해 자기변형소자는 그 길이가 변화하여 기계적인 초음파 진동을 발생시킨다. 이처럼, 자기변형 변환기(15)에 의해 발생하는 초음파 진동은 스핀들(13)을 통해 절삭공구(T)에 인가되어 절삭효과를 향상시킨다.
절삭효과를 향상시키기 위해 절삭공구에 초음파 진동을 인가하는 초음파 절삭가공장치에 있어서, 초음파 진동을 발생시키는 수단으로서 종래에는 주로 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 압전소자(Piezoelectric Device)가 사용되고 있다. 그러나, 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는 절삭공구(T)에 초음파 진동을 인가하는 수단으로 종래의 압전소자 대신에 자기변형소자를 이용하는 자기변형 변환기(15)를 포함하고 있다. 여기서, 자기변형소자는 자기적 에너지를 기계적인 에너지(변위 혹은 응력 등)로 변환하는, 즉 주위에 자계가 인가되면 전체 에너지를 최소로 보존하기 위하여 길이가 변화하는 특성을 갖는 소자로서, 현재 선형모터, 미소변위조절, 센서 등의 분야에서 극히 제한적으로 사용되고 있다.
이러한 자기변형소자는 종래의 초음파 절삭가공장치에 사용되는 압전소자에 비해 변위가 크고 에너지 밀도가 매우 높다. 즉, 자기변형소자는 압전소자에 비해 즉 낮은 입력 전력으로 큰 변위를 얻을 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 자기변형 변환기(15)를 구성하는 자기변형소자로서 터페놀-디(Terfenol-D)를 사용한다. 터페놀-디는 가장 대표적인 자기변형소자로, Tbx Dy1-x Fey 의 화학식(x = 0.27 ~ 0.3, y = 1.9 ~ 2.0)을 갖는 단결정 합금이다. 이러한 터페놀-디는 상당히 넓은 주파수대역에서 거의 일정하고 큰 변위를 발생시킬 수 있으며, 공진주파수대를 이용하면 훨씬 큰 변위를 얻을 수 있는 이점이 있다. 또한, 터페놀-디는 상당히 긴 시간 동안 사용해도 피로 현상(Fatigue)이 일어나지 않으므로 동작 특성을 오랜 시간 동안 일정하게 유지시킬 수 있다는 이점이 있다.
이에 따라, 절삭공구(T)에 초음파 진동을 인가하는 수단으로 자기변형소자(터페놀-디)를 이용하는 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는, 압전소자를 이용하는 종래의 초음파 절삭가공장치와 대비하여 보다 효율적으로 절삭효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 압전소자를 이용하는 종래의 초음파 절삭가공장치에서는 압전소자 자체의 변위가 작으므로 압전소자에 의해 발생하는 초음파 진동을 증폭시켜 절삭공구에 전달하기 위한 증폭 혼(Horn)이 필수적으로 요구되는데, 이러한 증폭 혼은 공진 현상을 이용하는 것으로 압전소자의 특성과 증폭 혼의 규격 등을 고려하여 전체 시스템의 공진을 맞추어야 하는 설계상의 제한이 따르는 문제점이 있다. 반면, 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는 절삭효과를 향상시키기 위해 요구되는 크기의 진폭을 갖는 초음파 진동을 자체적으로 발생시키는 자기변형소자를 이용하기 때문에 위와 같은 종래의 초음파 절삭가공장치의 문제점을 해결할 수 있다.
Z축 구동유닛(20)은 스핀들 유닛(10)을 지지하여 스핀들 유닛(10)을 Z축 방향으로 이동시키는 수단이다. 이를 위해, Z축 구동유닛(20)은 스핀들 유닛(10)의 새들(11)의 상단부에 결합되는 Z축 연결 프레임(21)과, Z축 볼 스크루(28) 및 이를 회전시키는 Z축 서보 모터(25)가 설치되는 칼럼(24)과, Z축 연결 프레임(21)과 칼럼(24)을 연결하는 Z축 LM 가이드(23, Linear Motion Guide)를 포함한다. Z축 LM 가이드(23)의 가이드 레일(23a)은 칼럼(24)의 전면에 한 쌍으로 마련되고 Z축 LM 가이드(23)의 가이드 블럭(23b)은 Z축 연결 프레임(21)의 후면에 가이드 레일(23a)과 대응하도록 마련되어 가이드 레일(23a)과 결합된다.
X축 구동유닛(30)은 스핀들 유닛(10)과 함께 Z축 구동유닛(20)을 지지하여 스핀들 유닛(10)을 X축 방향으로 이동시키는 수단이다. 이를 위해, X축 구동유닛(30)은 Z축 구동유닛(20)의 칼럼(24)의 하단부에 결합되는 X축 연결 프레임(31)과, X축 볼 스크루(34) 및 이를 회전시키는 X축 서보 모터(35)가 설치되고 Z축 구동유닛(20)을 지지하는 칼럼 베이스(36)와, X축 연결 프레임(31)과 칼럼 베이스(36)를 연결하는 X축 LM 가이드(33)를 포함한다. X축 LM 가이드(33)의 가이드 레일(33a)은 칼럼 베이스(36)의 상면에 한 쌍으로 마련되고 X축 LM 가이드(33)의 가이드 블럭(33b)은 X축 연결 프레임(31)의 하면에 가이드 레일(33a)과 대응하도록 마련되어 가이드 레일(33a)과 결합된다.
Y축 구동유닛(40)은 스핀들 유닛(10) 및 Z축 구동유닛(20)과 함께 X축 구동유닛(30)을 지지하여 스핀들 유닛(10)을 Y축 방향(전후 방향)으로 이동시키는 수단이다. 이를 위해, Y축 구동유닛(40)은 X축 구동유닛(30)의 칼럼 베이스(36)의 하단부에 결합되는 Y축 연결 프레임(41)과, Y축 볼 스크루(45) 및 이를 회전시키는 Y축 서보 모터(46)가 설치되고 X축 구동유닛(30)을 지지하는 베드(44)와, Y축 연결 프레임(41)과 베드(44)를 연결하는 Y축 LM 가이드(43)를 포함한다. Y축 LM 가이드(43)의 가이드 레일(43a)은 베드(44)의 상면에 한 쌍으로 마련되고 Y축 LM 가이드(43)의 가이드 블럭(43b)은 Y축 연결 프레임(41)의 하면에 가이드 레일(43a)과 대응하도록 마련되어 가이드 레일(43a)과 결합된다.
정리하면, X축, Y축 및 Z축 구동유닛(30,40,20)은 볼 스크루를 회전시키는 방식을 이용하여 절삭공구(T)가 장착된 스핀들 유닛(10)을 주어진 데이터에 따라 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시킨다. 다만, 본 발명에서 절삭공구(T)가 장착된 스핀들 유닛(10)을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동시키는 방식은 본 실시예와 같은 볼 스크루 방식에 한정되지 아니하고 리니어 모터(Linear Motor)를 이용하는 방식을 포함하여 다양한 방식이 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 회전 구동유닛(50)은 스핀들 유닛(10)에 장착된 절삭공구(T)에 의해 가공되는 작업대상물(도시생략)을 지지하고 작업대상물을 A축 및 B축 방향으로 회전시키는 수단이다. 여기서, A축 및 B축 방향 회전이란 통상의 5축 절삭가공장치에서 일반적으로 사용되는 용어로서, A축 방향 회전은 도 1 및 도 3에서 X축을 중심축으로 하는 회전을 의미하고, B축 방향 회전은 도 1 및 도 3에서 Y축을 중심축으로 하는 회전을 의미한다.
구체적으로, 회전 구동유닛(50)은 작업대상물을 클램핑하기 위한 지그(60)를 A축 방향으로 회전시키는 A축 서보 모터(54)와, 지그(60)를 B축 방향으로 회전시키는 B축 서보 모터(53)와, A축 서보 모터(54)와 B축 서보 모터(53)를 상호 연결하는 회전 브라켓(52)과, 베드(44) 상에 마련되어 이들 부품들을 지지하는 지지 프레임(51)을 포함한다.
본 실시예에서 작업대상물을 클램핑하기 위한 지그(60)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 링 형상의 베이스 지그(61)와, 베이스 지그(61)의 내측에 삽입 결합되는 링 형상의 위크 지그(63)와, 작업대상물을 위크 지그(63) 상에서 고정시키기 위한 클램핑 수단(65)을 포함한다. 이때, 링 형상의 베이스 지그(61)는 모터결합용 브라켓(55)이 결합되는 부분의 반대 쪽에 절단면(61a)이 형성된다. 지그(60)는 베이스 지그(61)와 위크 지그(63)로 분리되는 구조를 가짐으로써 다양한 작업대상물을 보다 안정적으로 클램핑할 수 있다. 또한, 지그(60)는 전체적으로 중앙 영역이 관통된 링 형상을 가짐으로써 작업대상물을 A축 방향으로 ±180° 회전한 위치에서도 작업대상물을 절삭가공할 수 있다. 다만, 본 발명에서 지그의 형상 및 구조는 본 실시예에 한정되지 아니하고 작업대상물의 종류 및 절삭가공의 패턴 등에 따라 적절히 변경될 수 있음은 물론이다.
A축 서보 모터(54)는 지지 프레임(51)의 전방에 배치되고 회전 브라켓(52)의 일단부(52a)에 결합된다. 이때, A축 서보 모터(54)는 그 회전축이 회전 브라켓(52)의 일단부(52a)를 관통하여 모터결합용 브라켓(55)의 축홈(55a)에 삽입된 상태로 회전 브라켓(52)에 결합된다. 한편, 지그(60)는 회전 브라켓(52)을 사이에 두고 모터결합용 브라켓(55)을 통해 A축 서보 모터(54)와 연결된다. 이에 따라, A축 서보 모터(54)는 작업대상물이 클램핑된 지그(60)를 A축 방향으로 회전시킨다.
B축 서보 모터(53)는 지지 프레임(51)의 후방에 배치되고 그 회전축이 지지 프레임(51)을 관통한 상태로 지지 프레임(51)을 기준으로 맞은 편에 배치된, 즉 지지 프레임(51)의 전방에 배치된 회전 브라켓(52)의 타단부(52b)에 결합된다. B축 서보 모터(53)는 회전 브라켓(52)을 B축 방향으로 회전시킴으로써 작업대상물이 클램핑되는 지그(60)를 B축 방향으로 회전시킨다.
회전 브라켓(52)은 실질적으로 'ㄱ'자의 절곡된 형상으로, 그 일단부(52a)에는 A축 서보 모터(54)가 결합되고 그 타단부(52b)에는 B축 서보 모터(53)가 결합된다. 회전 브라켓(52)은 지지 프레임(51) 상에서 B축 방향으로 회전 가능하게 마련되므로, 그 타단부(52b)에 결합된 B축 서보 모터(53)가 회전함에 따라 이와 함께 B축 방향으로 회전한다. 이때, 절곡된 형상을 갖는 회전 브라켓(52)은 그 일단부(52a, A축 서보 모터(54)가 결합된 부분)에 지그(60)가 결합되므로, 작업대상물이 클랭핑되는 지그(60)는 회전 브라켓(52)이 회전함에 따라 이와 함께 B축 방향으로 회전한다. 결과적으로, B축 서보 모터(53)는 회전 브라켓(52)을 통해 지그(60)를 B축 방향으로 회전시킨다.
위와 같은 구성을 갖는 회전 구동유닛(50)에 의한 작업대상물의 A축 및 B축 방향 회전을 도 3 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 지그(60)에 장착된 작업대상물은 도 3의 초기 위치(A축 및 B축의 회전 각도가 0° 위치)에서 A축 서보 모터(54)의 동작에 따라 소정의 각도만큼 A축 방향으로 회전하여 도 4에 도시된 위치로 이동할 수 있다. 이때, A축 방향의 회전 각도는 실질적으로 제한이 없으므로, 예컨대 지그(60)에 장착된 작업대상물은 A축 방향으로 ±180° 회전한 위치에서도 절삭가공이 가능하다. 이에 따라, 스핀들(13)에 장착된 절삭공구(T)에 의해 가공할 수 있는 작업대상물의 영역이 확대되는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 지그(60)에 장착된 작업대상물은 도 4에 도시된 위치에서 B축 서보 모터(53)의 동작에 따라 소정의 각도만큼 B축 방향으로 회전하여 도 5에 도시된 위치로 이동할 수 있다. 이때, B축 방향의 회전 각도는 B축 서보 모터(53)가 다른 부품들과 간섭되지 않는 범위 내에서 자유롭게 설정될 수 있으므로, 예컨대 지그(60)에 장착된 작업대상물은 B축 방향으로 -90° 회전한 위치, 즉 지그(60)가 스핀들(13)에 장착된 절삭공구(T)와 작업대상물이 장착된 지그(60)가 수직을 이루는 위치에서도 절삭가공이 가능하다. 특히, 이러한 B축 방향으로 -90° 회전한 위치에서의 절삭가공은 임플란트 바(Implant Bar)의 홀(Hole) 가공에 매우 적합하다. 이에 따라, 이에 따라, 스핀들(13)에 장착된 절삭공구(T)에 의해 가공할 수 있는 작업대상물의 영역은 더욱 확대될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는, 작업대상물을 지지하는 회전 구동유닛(50)이 작업대상물을 A축 방향은 물론 B축 방향으로도 회전시킬 수 있도록 마련됨으로써, 스핀들에 장착된 절삭공구가 B축 방향으로 회전하도록 구성된 종래의 5축 절삭가공장치와 대비하여, A축 및 B축 방향의 회전 각도에 대한 제한이 대폭 줄어들기 때문에, 보다 다양한 위치 및 각도에서 작업대상물을 절삭가공할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는, B축 회전 메커니즘이 스핀들 및 새들을 포함하는 스핀들 유닛에 마련되는 종래의 5축 절삭가공장치와 다르게, B축 회전 메커니즘이 작업대상물을 지지하는 회전 구동유닛(50)에 마련됨으로써, 스핀들 유닛(10)에서 B축 회전 메커니즘을 위한 수단을 생략할 수 있으므로 스핀들 유닛(10)의 경량화를 통해 스핀들 유닛(10)의 X축, Y축 및 Z축 이송 속도를 향상시키는 한편, B축 회전 메커니즘이 X축, Y축 및 Z축 이송 메커니즘과 독립적으로 작동하므로 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 5축 절삭가공장치(1)는, 절삭공구(T)에 초음파 진동을 인가하는 수단으로 자기변형소자(터페놀-디)를 채용함으로써, 압전소자를 채용하는 종래의 초음파 절삭가공장치와 대비하여 보다 효율적으로 절삭효과를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명은 작업대상물에 대해 절삭 가공을 수행하는 절삭가공기의 기술분야에 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동 가능하게 마련되고, 장착된 절삭공구를 회전시키는 스핀들 유닛; 및
    상기 절삭공구에 의해 가공되는 작업대상물을 지지하고, 상기 X축을 중심축으로 하여 회전하는 방향인 A축 방향 및 상기 Y축을 중심축으로 하여 회전하는 방향인 B축 방향으로 상기 작업대상물을 회전시키는 회전 구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스핀들 유닛은,
    상기 절삭공구를 클램핑하여 상기 절삭공구를 회전시키는 스핀들; 및
    상기 스핀들의 주축 상에 마련되어 상기 스핀들을 통해 상기 절삭공구에 초음파 진동을 인가하는 자기변형 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자기변형 변환기는,
    터페놀-디(Terfenol-D)를 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전 구동유닛은,
    상기 작업대상물을 클램핑하기 위한 지그를 상기 A축 방향으로 회전시키는 A축 서보 모터; 및
    상기 지그를 상기 B축 방향으로 회전시키는 B축 서보 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전 구동유닛은,
    상기 B축 방향으로 회전 가능하게 마련되어 상기 A축 서보 모터와 상기 B축 서보 모터를 상호 연결하는 회전 브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 회전 구동유닛은,
    일단부에 상기 A축 서보 모터가 결합되고 타단부에 상기 B축 서보 모터가 결합되며, 상기 B축 서보 모터에 의해 상기 B축 방향으로 회전하는 회전 브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회전 브라켓은,
    상기 타단부가 상기 일단부로부터 절곡된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지그는,
    상기 회전 브라켓을 사이에 두고 상기 A축 서보 모터와 연결되는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 지그는,
    링 형상의 베이스 지그;
    상기 베이스 지그의 내측에 삽입 결합되는 링 형상의 위크 지그; 및
    상기 작업대상물을 상기 위크 지그 상에서 고정시키기 위한 클램핑 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 5축 절삭가공장치.
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