KR101451278B1

KR101451278B1 - 홈가공 및 정삭가공 겸용 마찰교반접합 복합장치

Info

Publication number: KR101451278B1
Application number: KR1020130043710A
Authority: KR
Inventors: 김주호; 김쌍호; 노중석
Original assignee: (주)태광테크
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-04-19

Abstract

한 대의 장치에서 기본적인 마찰교반접합은 물론, 홈가공 및 정삭가공 등의 공구를 회전운동시켜 작업할 수 있는 가공작업을 복합적으로 모두 수행할 수 있는 마찰교반접합 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치는 피가공물을 고정시키는 베드와, 베드의 주변에 설치되어 피가공물을 가공 및 접합시키기 위해 3차원운동하는 세로부재, 가로부재, 수직부재, 승하강부재 및 헤더와, 헤더에 장착되어 고속회전되는 공구와, 제어부를 포함하여 구성된다. 이때, 베드의 뒤쪽에는 제어부에 의해 헤더에 선택적으로 로딩 및 언로딩되도록 홈가공이나 정삭가공 또는 마찰교반접합을 위한 다수의 공구가 저장된 공구안착대가 설치되고, 헤더의 하부에는 제어부에 의해 작업모드에 따라 선택적으로 에어 또는 절삭유를 분출해주도록 에어노즐 및 절삭유노즐이 형성된다.

Description

홈가공 및 정삭가공 겸용 마찰교반접합 복합장치{APPARATUS FOR FRICTION STIR WELDING}

본 발명은 마찰교반접합 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마찰교반접합을 위한 소재의 전처리 작업 및 후처리 작업을 한 대의 장치내에서 모두 처리할 수 있도록 마련된 홈가공 및 정삭가공 겸용 마찰교반접합 복합장치에 관한 것이다.

최근, 각종 산업분야에 있어서 경량화 구조가 증가하고 있으며 특히 수송기계분야(철도차량, 자동차, 선박, 항공기 등)에 있어서 경량 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다.

기존의 용융용접을 이용하여 고강도/경량소재의 구조체를 제작하는 경우, 용접열에 의한 변형 및 잔류응력과 응고균열, 기공, 산화 등 용접결함 뿐만 아니라 접합부의 강도저하로 만족스러운 접합부를 얻기가 어려웠다.

이러한 문제점을 획기적으로 해결할 수 있는 환경 친화적 신 용접기술 즉, 마찰에 의한 가열 및 소성유동을 응용한 고상용접(마찰 교반 접합:Friction Stir Welding) 적용 시 용접에 의한 열 변형 및 잔류응력이 극히 적으면서 흄, 유해광선의 발생이 없이 고품질의 접합부를 얻을 수 있어 용접품질 및 경제적 측면에서 효과적이다.

접합대상이 기존의 알루미늄과 알루미늄 동종계의 경량합금에서 이종재의 경량합금의 접합 영역 뿐 아니라 경량합금과 철강재료 접합의 영역까지 연구가 진행 되고 있다.

이러한 마찰교반접합 기술에 의해 생산되는 제품중에서 스퍼터링 장치에 사용되는 마스크 수냉판을 일예로 들어 보기로 한다. 마스크 수냉판은 사각틀 형상으로 된 4개의 프레임으로 구성되어 있고, 이 프레임의 내부에 냉각수가 순환되기 위한 유로가 형성되어 있다.

마스크 수냉판을 마찰교반접합 장치를 이용하여 제작하는 방법은, 도 1에서 보는 것과 같이 4개의 프레임(53)을 사각틀 형태로 배치시킨 후, 그 접합부(54)를 마찰교반접합으로 용접하고(1단계), 프레임(53)의 상부면상에 중앙부를 따라 홈가공을 하여 안착부(55)를 형성하고(2단계), 다시 안착부(55)의 중앙부를 따라 홈가공하여 유로(56)를 형성하고(3단계), 덮개판(57)을 안착부(55)에 올려 놓은 후, 그 외곽을 마찰교반접합으로 용접하며(4단계), 마지막으로 표면을 정삭가공하는 마감작업(5단계)을 통해 완성된다.

위 작업순서에서 보는 것과 같이 하나의 마스크 수냉판을 만들기 위해서는 프레임을 잘라내는 작업은 둘째치고서라도, 프레임을 마찰교반접합 장치에서 용접으로 붙인후에, 이를 머시닝센터로 옮겨 홈가공을 한 후에, 다시 마찰교반접합 장치로 옮겨 용접을 한 다음, 또 다시 머시닝센터로 옮겨 정삭가공에 의한 마감작업하는 단계를 이동하면서 수행해야 하는 불편함이 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 한 대의 장치에서 기본적인 마찰교반접합은 물론, 홈가공 및 정삭가공 등의 공구를 회전운동시켜 작업할 수 있는 가공작업을 복합적으로 모두 수행할 수 있는 마찰교반접합 장치를 제공하려는 것이다.

더 나아가 본 발명은 각 가공별로 교체되어야 할 공구들을 자동으로 교체해 줄 수 있도록 하여 여러 작업들이 끊임없이 연속해서 자동으로 이어질 수 있는 마찰교반접합 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명은,

피가공물을 고정시키는 베드와, 베드의 주변에 설치되어 피가공물을 가공 및 접합시키기 위해 3차원운동하는 세로부재, 가로부재, 수직부재, 승하강부재 및 헤더와, 헤더에 장착되어 고속회전되는 공구와, 제어부를 포함하는 마찰교반접합 복합장치에 있어서,

베드의 뒤쪽에는 제어부에 의해 헤더에 선택적으로 로딩 및 언로딩되도록 홈가공이나 정삭가공 또는 마찰교반접합을 위한 다수의 공구가 저장된 공구안착대가 설치되고, 헤더의 하부에는 제어부에 의해 작업모드에 따라 선택적으로 에어 또는 절삭유를 분출해주도록 에어노즐 및 절삭유노즐이 형성됨을 특징으로 하는 마찰교반접합 복합장치를 제공한다.

구체적으로, 베드의 양옆에는 배출되는 칩을 베드의 뒤쪽 또는 앞쪽으로 배출시키도록 칩배출 컨베이어가 설치될 수 있다.

그리고 가로부재는 세로부재의 상부면상에 형성된 X축이송레일을 따라 가이드되고, 세로부재의 상부면상 중앙부에는 그 길이방향을 따라 X축이송레크가 형성되고, 가로부재에는 X축이송모터가 설치되며, X축이송모터에는 X축이송레크와 치합되는 X축피니언이 연결됨이 바람직하다.

또는, 다수의 공구안착대는 공구들이 삽입되도록 서로 오므라들었다 벌어졌다하는 조우로 구성되고, 조우의 조인트 뒤쪽에는 압축스프링이 삽입되어 조우가 탄력적으로 오므라들거나 벌어질 수 있다.

그리고 다수의 공구안착대들은 로터리를 중심으로 등간격 배열되고, 로터리의 하부에는 제어부에 의해 로터리를 원하는 방향 및 각도만큼 돌려주는 로터리모터가 설치될 수 있다.

또한, 로터리는 LM가이드 및 왕복실린더에 의해 수평왕복운동을 하도록 할 수도 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치는 베드위에 소재가 올려지면, 접합가공, 홈가공 및 정삭가공 등을 스스로 공구 교체를 해 가면서 연속해서 수행하여 완제품을 생산할 수 있는 잇점이 있게 된다.

도 1은 마스크 수냉판의 생산방법을 일예로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치를 나타낸 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치를 나타낸 평면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치를 나타낸 정면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치를 나타낸 측면도이고,
도 6은 마찰교반접합 복합장치의 X축 이동을 위한 세로부재를 보인 평면도이고,
도 7은 X축 이동을 위한 이송장치를 상세히 설명하기 위한 도 4의 A부분 확대도이고,
도 8은 Y축 이동을 위한 가로부재를 상세히 보인 정면도이고,
도 9는 도 8의 가로부재를 측면에서 바라본 도면이고,
도 10은 도 3에 도시된 공구안착대의 결합관계를 상세히 보인 도면이고,
도 11은 도 10의 공구안착대를 측면에서 바라본 도면이며, 그리고
도 12는 공구안착대의 움직임을 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 전체적인 모습을 잘 나타낸 도 2의 사시도와, 이의 평면도, 정면도 및 측면도를 나타낸 도 2 내지 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치(100)는 피가공물이 올려지는 베드(110)와, 이 베드(110)의 양쪽 및 상부쪽에 설치되어 피가공물을 가공하기 위해 3차원 운동 및 회전운동하는 세로부재(120), 가로부재(130), 수직부재(140), 승하강부재(150) 및 헤더(160)를 포함하여 구성된다.

도 6을 참고하면, 베드(110)는 충분히 넓은 면적을 갖는 것으로, 피가공물이 올려진후 이를 고정시키기 위해 여러 개의 홈들이 상부면상에 형성되어 있고, 이 홈들은 "T"홈으로 형성되어 있다. 이러한 베드(110)의 양옆에는 피가공물을 가공하기 위해 X축방향(전후방향)으로 이동하기 위한 지지부재인 세로부재(120)가 설치된다.

이때, 세로부재(120)는 베드(110)로부터 일정거리 이격되게 설치되는데, 이러한 베드(110)와 세로부재(120)의 이격된 사이에 칩배출 컨베이어(180)가 설치된다. 칩배출 컨베이어(180)는 나선으로된 스크류축이 회전하도록 설치된 것으로, 베드(110)에서 발생된 가공칩들을 스크류축으로 된 칩배출 컨베이어(180)가 회전하면서 칩을 후방으로 배출시키는 역할을 한다.

세로부재(120)는 가로부재(130)가 움직이는 가이드 및 지지역할을 하는 것으로, 각 세로부재(120)의 상부면상 양옆에는 X축이송레일(121)이 형성되어 있고, 이 X축이송레일(121)들의 사이에는 X축이송레크(122)가 형성되어 있다. X축이송레크(122)는 레일과 같이 길다란 바아 형상을 가지면서 어느 일측면에 기어가 형성되어 있는 것이다.

본 발명의 가로부재(130)가 세로부재(120)위에서 이동되기 위한 결합관계를 더 상세하게 설명하면, 도 7에서 보는 것과 같이 세로부재(120)의 상부에는 X축이송레일(121)을 따라 움직이는 X축이송가이드(125)가 결합되고, 이 X축이송가이드(125)는 가로부재(130)의 양단 하부면상에 형성되거나, 또는 X축이송플레이트(126)의 하부면상에 형성되어 X축이송플레이트(126)가 가로부재(130)의 양단 하부면상에 결합된다. 그리고 가로부재(130)를 움직여주기 위한 X축이송모터(170)가 플레이트(126)의 위 또는 가로부재의 속에 설치되고, 이 X축이송모터(170)의 회전방향이나 회전수를 변환하여 아래쪽으로 출력되는 X축이송피니언(128)이 x축이송레크(122)와 치합되게 결합된다. 따라서 가로부재(130)는 X축이송모터(127)가 회전되면 X축이송피니언(128)이 회전되고, 이 회전이 X축이송레크(122)와 치합되면서 가로부재(130) 스스로가 X축이송레일(121)을 따라 전후로 왕복운동하게 된다.

다음으로 가로부재(130)는 도 8 및 도 9에서 보는 것과 같이, 상면측의 정면쪽과 정면측의 아래쪽에 그 길이방향을 따라 Y축이송레일(131a,131b)이 형성되고, 가로부재(130)의 정면측 중앙부에 그 길이방향을 따라 Y축볼스크류(138)가 설치되며, 이 Y축볼스크류(138)의 어느 일단에 Y축볼스크류(138)을 회전시켜주기 위한 Y축모터(137)가 설치된다. 그리고 Y축볼스크류(138)에는 이 볼스크류의 회전에 따라 좌우로 왕복운동하는 Y축이송플레이트(136)가 장착되어 이 Y축이송플레이트(136)가 수직부재(140)와 결합된다.

그리고 수직부재(140)의 배면쪽에는 Y축이송레일(131a,131b)에 대응되도록 Y축이송가이드(145a,145b)가 형성되어 Y축이송모터(137) 및 Y축볼스크류(138)의 회전에 따라 수직부재(140)가 가로부재(130)의 길이방향으로 따라 좌측 또는 우측으로 왕복운동하게 된다.

다시 도 2 내지 도 5를 참고하면, 수직부재(140)의 앞쪽에는 승하강부재(150)가 결합되는데, 이 승하강부재(150)는 Z축이송모터(147)의 회전에 의해 상,하로 왕복운동을 하게 된다. 이러한 움직임을 위해 Z축이송모터(147)에는 볼스크류가 하측으로 연장되도록 연결되고, 승하강부재(150)의 배면이 이 볼스크류에 나사결합된다. 그리고 수직부재(140)의 전면과 승하강부재(150)의 배면에는 서로 대응되는 레일과 가이드가 상하 방향으로 형성되어 승하강부재(150)의 상하 왕복운동을 안내하게 된다. 승하강부재(150)의 움직임은 단순한 볼스크류 및 LM가이드의 작동이므로 도면에서는 도시하였으나 도면부호를 이끌어내어 상세히 설명하는 것은 생략하기로 한다.

다음으로, 승하강부재(150)의 앞쪽에는 헤더(160)가 결합된다. 헤더(160)는 그 하부에 각종 공구를 클램핑하는 공구척(161)이 형성되고, 헤더(160)의 내부에는 공구척(161)을 고속으로 회전시키기 위한 회전모터가 내장된다. 따라서 공구척(161)은 마찰교반접합용 툴, 홈가공용 툴 및 정삭가공용 툴이 선택적으로 장착된 상태로 고속회전을 하게 되고, X축, Y축 및 Z축 방향으로 움직이면서 피가공물을 가공 및 접합하게 된다.

전술한 바와 같이 형성된 마찰교반접합 복합장치는 여러 작업을 끊임없이 연속해서 수행해야 하므로, 수동이 아닌 자동으로 공구 교체가 이루어져야 할 것이다. 이러한 필요에 의해 본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치(100)는 다양한 공구가 보관되어 로딩 및 언로딩되는 공구안착대(170)가 더 포함되도록 구성된다.

본 발명에 따른 공구안착대(170)는 도 10 및 도 11에서 보는 것과 같이, 다수의 공구안착대(170)가 원호로 등강격 배열되고, 이러한 다수의 공구안착대(170)들의 사이를 로터리(171)가 조인트하고 있다. 그리고 로터리(171)의 하부에는 이 로터리(171)를 원하는 각도만큼 돌려주기 위한 로터리모터(172)가 설치되고, 로터리(171)의 어느 측면에는 로터리(171)를 직선운동시키는 왕복실린더(174)가 설치되고, 로터리(171)의 하부는 LM가이드(173)가 설치된다. 따라서 공구안착대(170)는 왕복실린더(174)에 의해 원하는 거리만큼 수평왕복운동을 하게 되고, 또 원하는 각도만큼 로터리모터(172)에 의해 회전을 하게 된다.

이와 같이 형성된 공구안착대(170)는 공구척(161)이 공구(165) 교체를 하기 위해 교체장소로 이동하게 되면, 그 이동장소에 맞춰 공구안착대(170)와 공구척(161)을 상하로 일치시켜주기 위해 왕복운동 또는 회전운동을 시켜주게 된다. 또는, 공구척(161)이 원하는 공구(165)를 얻을 수 있도록 그 공구가 담겨져있는 공구안착대(170)를 공구척(161)쪽으로 돌려주기도 하며, 반대로 공구척(161)에서 언로딩할 공구를 빈 공구안착대에 내릴 수 있도록 돌려주기도 하는 것이다.

도 12를 참고하면, 본 발명에 따른 공구안착대(170)는 공구가 삽입될 수 있도록 서로 오므라들었다 벌어졌다하는 한쌍의 조우로 구성되고, 이 조우들의 조인트 뒤쪽은 그 사이에 압축스프링(175)이 장착되어 공구안착대(170)가 항상 오므리고 있도록 탄력있게 지지하게 된다.

참고로, 헤더(160)의 내부에는 공구의 자동 교체를 위해 공구척(161)이 자동으로 공구를 클램핑하거나 해제하는 단속장치가 내장되는데, 흔한 공지기술이므로 자세한 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치(100)는 그 목적하는 바와 같이 접합작업, 홈가공 및 정삭가공을 모두 수행하기 위해서는 작업모드에 따라 공구측으로 에어 또는 절삭유를 공급해 주어야 한다. 따라서 헤드(160)의 하부에는 공구쪽으로 향하도록 절삭유공급노즐(도시되지 않음) 및 에어노즐(도시되지 않음)이 설치된다.

본 발명에 따른 마찰교반접합 복합장치(100)는 자동모드 또는 수동모드 및 각종 구성요소들을 콘트롤하기 위한 제어부(190)를 더 포함하여 구성된다. 제어부(190)는 전체적인 작업공정을 미리 프로그램화하여 마찰교반접합 복합장치(100)를 구동시킬 수도 있고, 각 공정별로 개별 구동 시킬 수도 있다. 특히 제어부(190)는 접합 및 가공을 위한 3차원 운동에 대한 제어와, 공구척(161)의 회전력 제어, 공구교체를 위한 공구의 로딩 및 언로링 제어를 총괄한다.

상기와 같은 홈가공 및 정삭가공 겸용 마찰교반접합 복합장치는 위에서 설명된 실시 예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 예들은 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

100 : 마찰교반접합 복합장치
110 : 베드 120 : 세로부재
121 : X축이송레일 122 : X축이송레크
127 : X축이송모터 128 : X축이송피니언
130 : 가로부재 131 : Y축이송레일
137 : Y축이송모터 138 : Y축볼스크류
140 : 수직부재 141 : Z축이송레일
147 : Z축이송모터 150 : 승하강부재
160 : 헤더 161 : 공구척
165 : 공구 170 : 공구안착대
171 : 로터리 172 : 로터리모터
173 : LM가이드 174 : 왕복실린더
175 : 압축스프링 180 : 칩배출 컨베이어
190 : 제어부

Claims

넓은 면적을 가지도록 제공되고 상부면 상에는 피가공물을 고정시킬 수 있도록 "T"자 형상의 홈들이 형성된 베드;
상기 베드의 양옆에 이격되어 X축 방향으로 연장되며, 각각의 상부면 상에는 X축이송레일 및 X축이송레크가 형성되는 한 쌍의 세로부재;
한 쌍의 상기 세로부재를 따라 안내될 수 있도록 양단 하부면 상에는 상기 X축이송레일에 슬라이딩 가능하게 장착되는 X축이송가이드, 상기 X축이송레크에 치합되는 X축이송피니언, 및 상기 X축이송피니언을 회전시키는 X축이송모터가 장착되며, 정면 상에는 Y축이송레일, 상기 Y축이송레일을 따라 Y축 방향으로 왕복운동하는 Y축이송플레이트, 및 Y축이송플레이트를 작동시키는 Y축이송모터가 장착되는 가로부재;
배면에는 상기 Y축이송레일에 슬라이딩 가능하게 장착되는 Y축이송가이드가 형성되며, 상기 Y축이송모터의 작동에 의해 상기 가로부재의 길이방향을 따라 안내되는 수직부재;
상기 수직부재의 앞쪽에 결합되과 아울러 상기 수직부재의 상부에 배치되는 Z축이송모터에 의해 상하 왕복운동하는 승하강부재;
상기 승하강부재의 앞쪽에 결합되며, 하부에는 각종 공구를 클램핑하는 공구척이 형성되고 내부에는 상기 공구척을 고속으로 회전시키는 회전모터가 내장되는 헤더; 및
상기 베드의 뒤쪽에 설치되며, 제어부에 의해 상기 헤더에 선택적으로 로딩 및 언로딩되도록 홈가공이나 정삭가공 또는 마찰교반접합을 위한 다수의 공구가 저장되는 공구안착대;를 포함하며,
상기 다수의 공구안착대는 상기 공구들이 삽입되도록 서로 오므라들었다 벌어졌다하는 조우로 구성되고, 상기 조우의 조인트 뒤쪽에는 압축스프링이 삽입되어 상기 조우가 탄력적으로 오므라들거나 벌어지고,
상기 다수의 공구안착대들은 로터리를 중심으로 등간격 배열되고, 상기 로터리의 하부에는 상기 제어부에 의해 상기 로터리를 원하는 방향 및 각도만큼 돌려주는 로터리모터가 설치되되, 상기 로터리는 LM가이드 및 왕복실린더에 의해 수평왕복운동을 하며,
상기 헤더의 하부에는 상기 제어부에 의해 작업모드에 따라 선택적으로 에어 또는 절삭유를 분출해주도록 에어노즐 및 절삭유노즐이 형성됨을 특징으로 하는 마찰교반접합 복합장치.
제 1 항에 있어서,
상기 베드의 양옆에는 배출되는 칩을 상기 베드의 뒤쪽 또는 앞쪽으로 배출시키도록 칩배출 컨베이어가 설치됨을 특징으로 하는 마찰교반접합 복합장치.
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