KR101854477B1

KR101854477B1 - 자석 고정구

Info

Publication number: KR101854477B1
Application number: KR1020127015330A
Authority: KR
Inventors: 개리 스로카; 오머 엘-사이드
Original assignee: 렘 테크놀로지스, 인코포레이티드
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2010-11-17
Publication date: 2018-05-03
Anticipated expiration: 2030-11-17
Also published as: MX2012005656A; KR20120120168A; CA2781075A1; PL2501520T3; EP2501520A1; AU2010320489A1; AU2010320489B2; JP2013510733A; WO2011061686A1; EP2501520B1; CA2781075C; JP5735974B2; CN102770238A

Abstract

매체 기반 마감처리 작업 공정 동안에 마감처리 매체가 접촉하는 금속 가공대상물을 지지하기 위해 고정구가 제공된다. 이 고정구는, 몸체 및 몸체와 접촉하여 가공대상물을 고정하기 위한 자석을 포함한다. 초자성재료를 이용함으로써 큰 고정력이 얻어질 수 있다.

Description

자석 고정구{MAGNETIC FIXTURE}

본 발명은, 일반적으로, 고정장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 매체 기반 마감처리 공정(media based finishing process)에서 취급되는 금속 부품을 떼어낼 수 있게 장착하기 위한 고정장치에 관한 것이다. 본 발명은, 또한, 엔지니어링 부품을 마감처리하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는, 많은 부품이 함께 마감처리되는 배치식 마감처리(batch finishing) 방법에 관한 것이다.

금속제 부품의 표면을 매끈하게 마감처리하기 위한 방법들이 일반적으로 공지되어 있다. 이러한 방법들은, 배럴 텀블링(barrel tumbling), 연마입자 진동 마감처리(abrasive vibratory finishing), 연삭(grinding), 호닝(honing), 연마입자 기계가공(abrasive machining) 및 래핑(lapping)을 포함한다. 이들 방법을 이용하여 마감처리할 수 있는 기계 부품의 예로서 스플라인(spline), 크랭크축, 캠축, 베어링, 기어, 연속 속도 조인트(continuous velocity(CV) joint), 커플링, 저널을 들 수 있다. 이러한 마감처리에 의해, 마모, 마찰, 소음, 진동, 접촉 피로(contact fatigue), 굽힘 피로(bending fatigue) 및 이들 방법이 관련된 메커니즘에서의 작동 온도의 감소를 포함한 다양한 이점이 얻어질 수 있다.

본 발명은, 자유롭게 움직이는 연마 또는 비연마 매체(abrasive or non-abrasive medium)의 입자나 미립자 또는 유체에 의해 가공대상물(workpiece)이 처리되는 매체 기반 공정들에 관한 것이다. 이들 공정은, 기계가공 공구(machining tool)가 가공대상물의 표면에 작용하는 기계가공 공정과 구별될 수 있다.

자동차 산업에서, 더 환경친화적인 운송 수단을 생산하기 위해, 효율과 성능을 향상시키는 것이 계속 요구되고 있다. 흥미있는 한 분야는 어떤 중요 부품의 마감처리를 개선하는데에 있다. 현재, 구동계 마찰(drive train friction)의 주요 원인은, 뒷 차축 링(rear axle ring) 및 피니언 기어 세트(pinion gear set)이다. 매체 기반 마감처리 공정들은 이러한 부품들에 대해, 요구된 평활도(required degree of smoothness)를 달성하는데 적절한 방식인 것으로 인정되어 왔다. US2005/0202921A1을 포함한 다수의 공개특허공보에서 이것이 검토되어 있다. 그러나 지금까지는, 이러한 공정들이 비용-효율이 높은 방식(cost-effective manner)으로 산업계가 요구하는 생산량을 달성할 수는 없었다.

다양한 매체 기반 기술들이 이용 가능하다. 초기의 진동 마감처리 기술들은 부품이 자유롭게 떠있으면서 연마 매체의 존재 하에 교반될 수 있는 전동식 진동 보울 또는 터브(motor-driven vibratory bowl or tub)를 이용했다. 자유롭게 떠있다는 것은 부품이 매체 집단(media mass)의 이동에 의해 용기 내에서 돌아다닐 수 있음을 의미한다. 마감처리 정도 및 속도(rate)는, 주로, 거칠기(coarseness), 매체 집단에 이용된 연마가루(abrasive grit)의 양 및/또는 보충(replenishment)에 의해 제어된다. 이러한 공정들은, 예를 들면, 요구된 마감처리 정도를 달성하기 위해, 언제나, 미세한 마감처리 매체가 이용되는 스테인리스스틸 공구 핸들을 마감처리하기 위해 이용된 대부분의 마감처리 기술에 기초를 두고 있다. 이들 방법은, 일반적으로, 침탄 기어세트(case-carburized gearset)처럼 단단해진 엔지니어링 부품에 이용하기에는 매우 느린 것으로 받아들여지고 있다.

또한, 상대적으로 정지해 있는 매체를 통과하여 부품을 이동시킴으로써, 수준이 증가된 기계적 에너지가 부품에 전해지는 방법들이 개발되어 있다. 이러한 방법 중 하나는 드래그 마감처리(drag finishing)로 알려져 있으며, 예를 들면, 고바야시(Kobayashi)의 US4,446,656에 개시되어 있고, 또 다른 드래그 마감처리 장치는 뵘(Bohm)의 US6,918,818에 개시되어 있으며, 그 내용들은 또한, 참조에 의해 전체로 본 명세서에 포함된다. 이 장치에서, 개개의 부품은 마감처리를 위해 구동축에 고정될 수 있다. 부품들의 전체 처리량은, 공정시간(process time)과, 부품들을 드래그축(drag spindle)에 결합하고 분리시키는 장착시간(fixturing time)에 의해 결정된다.

극단적으로 평활하게 정밀가공된 표면(ultra-smooth superfinished surface)을 얻을 수 있는 또 다른 방법은 화학적으로 가속된 진동 마감처리(chemically accelerated vibratory finishing(CAVF))이다. 화학적으로 가속된 진동 마감처리 기술은 렘 케미컬 사(REM Chemicals. Inc.)에 의해 개발되었으며, 다수의 공개특허공보에 개시되어 있다. 이 기술은, 표면이 평활하면서도 광택 나도록, 금속 부품을 연마하는데 이용될 수 있으며, 여러 해 동안 상업적으로 이용되어 왔다. 그 내용이 참조에 의해 전체로 본 명세서에 포함되는, 미쇼(Michaud)의 미국특허 4,818,333과 홀랜드(Holland)의 미국특허 7,005,080에는 이러한 개량된 마감처리 기술이 개시되어 있다. 자동차 산업에서의 이러한 공정들의 이용은, AGMA 논문집(paper) 04FTM13에서 "정밀가공 자동차 링 및 피니언 기어(Superfinishing Motor Vehicle Ring and Pinion Gears)"로 명명된, 윙켈만,엘.(Winkelmann,L.), 제이.홀랜드(J.Holland) 및 알.내닝(R.Nanning)의 논문에 개시되어 있다. 이러한 공정에 의해, 약 0.25 미크론 Ra의 요구된 마감처리가 30-60분에 달성될 수 있다. 이러한 공정은, 생산라인 환경으로의 통합이라는 관점에서는, 일반적으로, 받아들이기 어려운 장기간이다.

다수의 매체 기반 공정은, 다수의 부품에 대해 동시에, 보울이나 터브 내에서 배치식 공정으로 행해질 수 있다. 이것은 부품당 공정시간을 감소시킬 수 있지만, 또한, 불행하게도, 부품들을 서로 부딪치게 해서 손상을 야기하고, 결과적으로는 부품들을 폐기시키게 만들 수 있다. 게다가, 개별적으로 식별해 놓았거나 짝지워 놓은 부품에 대해서는 적당치가 않다.

기어 조립체와 관련하여, 둘 이상의 부품이, 예를 들면, 래핑 공정에 의해 기어세트로 짝지워진 경우가 종종 있다. 그 후, 짝지워진 부품들은 후속 공정 중에 조립되는 것이 바람직하다. 이러한 부품들과 관련하여, 배치식 마감처리는, 모든 부품에 대해 복잡한 마킹과 그 후의 식별을 요구하기 때문에, 일반적으로 적합하지 않다.

배치식 공정들의 문제점을 타개하기 위해, 진동기계(vibratory machine)들이 칸막이로 구분되어 있다. 그러나 실제로는 칸막이의 개수가 적고, 이 때문에, 비교적 극소수의 기어세트만 각각의 기계에서 마감처리될 수 있다. 또 다른 문제점은, 부품들이 보울의 구석진 곳에 박히기 쉬워, 부품의 불균일한 마감처리와 폐기를 야기한다는 것이다. GB1018759A에 따르면, 가공대상물과 마감처리 매체(finishing medium)를 담고 있는 개개의 용기는 진동기계 위에 둘 수 있다. 용기들은 자석에 의해 캐리어 테이블(carrier table)에 장착된다. 이러한 개개 용기들의 배치는, 다수의 부품을 서로 분리된 상태로 유지하는데에는 효과적이지 않을 것이다. 또, 자석에 의해 끌어 당겨질 금속 부품에 대해 효과적일 것이라는 점도 의심스럽다.

종래의 기계가공 공정(machining process)에서는, 가공대상물을 위치시켜 움직이지 못하게 하기 위해 고정수단이 이용되고 있다. 클램프, 바이스, 척, 지그 등을 포함한 고정수단의 다양한 형태가 이 기술분야에서 공지되어 있다. 생산라인 제조와 관련하여, 이들 방법은 일반적으로 전체 공정시간에 추가될 것이기 때문에, 어떤 고정수단이라도 결합하고 분리하기에 쉬워야 한다. 그러나 이러한 유형의 고정수단들이 매체 기반 공정에서 흔한 것도 아니고 또 이러한 이용에 적합한 것이라고 선뜻 보이지도 않는다. 이용된 매체는 흔히, 비교적 작아, 나사산, 클램프, 스크류 및 볼트 머리와 같은 공구 틈(tool opening)에 쉽게 박힐 수 있다. 또한, 마감처리 공정 자체가 고정구를 열기 어렵게 만들어 이러한 고정구들에 대해 해로울 수 있다. 이러한 이유들로 인해, 종래의 기계식 고정구들은 매체 기반 마감처리 환경에서 이용하기에 이상적으로 적합한 것은 아니다.

가공대상물을 지지하고 분리하기 위해, 손쉽게 온(on)과 오프(off)로 스위칭될 수 있는 전자석 클램프(electromagnetic clamp)들이 이용되는 다수의 자석수단이 알려져 있다. 이러한 수단들의 예는, GB847394, EP1022089A2 및 US2,913,853에 나타나 있다. 이들 수단도, 가공대상물이 사실상 매체로 둘러싸여 매체 내에서 자유롭게 떠있는, 매체 기반 마감처리 환경에서 이용하기에는 적합하지 않다. 또한, 활성 수성 화학제품(active aqueous chemistry)으로 조업하는 것은 심각한 안전 위험성을 내포할 것이다. 게다가 이러한 고정수단들은 매체나 마감처리 화학제품의 침입으로부터 적절하게 보호되어야 한다.

JP57-189764A에 개시된 매체 기반 마감처리를 위한 다른 수단에서는, 가공대상물을 진동 보울 쪽으로 운반하기 위한 목적에서 전자석이 이용되고 있다. 가공대상물들은 안내부(guide part)에 의해 보울 내에서 나선상(spiral)으로 이동하여 안내된다. 부품 간 접촉 손상(contact damage)이 어느 정도 감소할 수 있지만, 이 장치는 짝지워진 부품들을 개별적으로 지지하지 않으며 또 가공대상물의 모든 형상과 크기에 적합한 것은 아니다.

따라서, 이들 문제점 중 적어도 일부를 타개할 수 있는 장치 및 방법에 대한 특별한 요구가 있다.

본 발명은, 매체 기반 마감처리 작업 동안에 금속 가공대상물을 지지하기 위해 자석을 이용함으로써, 이들 문제점에 대처한다. 이러한 방식으로, 단순화된 결합과 분리가 달성될 수 있으며 또한 가공대상물들이 배치식 공정에서조차 서로 부딪쳐서 손상되는 것을 방지할 수 있다. 게다가, 자석은 개개의 부품들을 함께 고정하여 이후의 식별을 단순화하는데 이용될 수 있다. 자석은 짧은 추가 공정시간에 신속하면서도 용이하게 해제되며, 예를 들면, 진동 보울에 작용되는 힘을 견딜 수 있을 만큼 일반적으로 충분히 강하다.

바람직한 일 실시형태에서, 본 방법은, 매체를 통하여 자석 고정구(magnetic fixture)를 구동하거나 밀도록 구성된 구동장치(drive arrangement)를 구비하고 있는 드래그 마감처리 기계(drag-finishing machine)에서 행해질 수 있다. 이 문맥에서, 드래그 마감처리 기계는 매체와 가공대상물 간 상대운동(relative movement)을 달성하기 위해, 합성력(resultant force)을 가공대상물에 작용시키는 기계이다. 이것은, 매체를 통과하여 가공대상물을 이동시킴으로써, 가공대상물을 지나쳐서 매체를 이동시킴으로써, 또는 둘 다를 조합함으로써, 달성될 수 있다. 일반적으로, 드래그 마감처리 동안에 가공대상물에 작용하는 힘은 종래의 진동 마감처리에서 경험되는 힘보다 더 크다. 이 때문에, 일반적으로, 자석 고정구는 상대운동 방향에서 가공대상물 뒤에 있는 것이 바람직하다. 게다가 매체의 힘은 가공대상물을 고정구 쪽으로 밀도록 작용할 것이므로, 요구되는 자석의 세기는 고정구가 가공대상물을 끌어당겼던 경우보다 낮출 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 본 방법은 진동 설치된 터브(tub) 또는 보울(bowl)에서 행해질 수 있다. 당업자라면 이해할 것이지만, 이러한 터브나 보울은 진동 마감처리 공정을 수행하기 위해 요구되는 적절한 매체와 화학제품으로 채워질 수 있다.

본 발명의 중요 특징에 따르면, 자석은, 적어도 하나의 회전축선(axis) 둘레로 리셉터클(receptacle) 내에서 자유롭게 움직일 수 있는 고정구 상에 또는 내에 제공된다. 이 문맥에서 자유 운동(free movement)은, 고정구가 기계장치 부분에 단단히 결합되거나 또는 기계장치 부분에 의해 구동되는 배치와 구분된다. 고정구가 회전축선 둘레로 자유롭게 회전할 수 있으므로, 가공대상물도 마찬가지로 자유롭게 회전할 수 있다. 이러한 자유 운동은, 고정구가 장착되는 자유회전 구동축(free-wheeling axle shaft) 또는 디스크(disk)에 의해 제공될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 고정구는 바람직하게는, 모든 운동방향으로 자유롭게 움직일 수 있다. 구체적으로는, 진동 터브나 보울에서 작업하기 위해, 가공대상물을 운반하는 보울 내에서 고정구 자체가 자유롭게 떠있을 수 있다. 아래의 설명으로부터 이해될 것이지만 이것은 다양한 이점을 가질 수 있다,

일 실시형태에서, 다수의 자석 고정구는 장착구조물(mounting structure) 하나에 함께 장착될 수 있다. 이것은 다수의 가공대상물이 단일 장착구조물에 장착(load)된 후 단일 유닛으로서 취급될 수 있게 한다. 고정구 및/또는 가공대상물의 개수는, 2개에서부터 100개 이상까지 다양할 수 있다. 가공대상물은 마감처리 기계 쪽으로 또한 마감처리 기계로부터 함께 이송될 수 있으며, 예를 들면, 장착구조물 전체가 매체 내에 잠김으로써 함께 마감처리될 수 있다.

또한, 일 실시형태에서, 각각의 가공대상물은 고정구에 함께 장착되는 다수의 짝지워진 부품들로 이루어질 수 있다. 따라서, 고정구는 짝지워진 부품들을 식별하는데 적합하며, 부품 전부가 동일 또는 유사한 마감처리 공정과 조건들로 처리되는 것을 보장할 수 있다. 부품들은, 링과 피니언처럼 한 쌍의 짝지워진 기어들로 이루어질 수 있다. 또는, 부품들은 개개의 기어박스로부터의 모든 기어들처럼, 완전한 기계기구(mechanism)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 구동장치(drive arrangement)는, 자석 고정구에 작용되는 힘을, 자석 고정구와 가공대상물 간 지지력(retention force)보다 감소된 값으로 억제하는 힘 제한 제어장치(force limiting control)를 포함할 수 있다. 구동장치의 능동제어(active control)는 이러한 방식으로 가공대상물들이 고정구들로부터 분리되는 것을 회피할 수 있게 한다. 당업자라면, 가공대상물과 고정구 사이에서 접촉 및 근접 센서(contact and proximity sensor)들을 포함하여 이탈을 방지하기 위해 다양한 지시기(indicator)가 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

여유력(excess force)이나 가공대상물의 (곧 닥쳐올) 분리에 대응하여, 구동장치는 정지되거나 감속될 수 있다.

또한, 본 발명은, 매체 기반 마감처리 작업 공정 동안에 마감처리 매체가 접촉하는 금속 가공대상물을 지지하기 위한 고정구(fixture)에 관한 것으로서, 고정구는, 몸체(body)와, 이 몸체와 접촉하여 가공대상물을 지지하기 위한 자석을 포함한다. 이러한 고정구를 이용함으로써, 상기한 바와 같이, 본 방법의 이익들이 실현될 수 있다.

가장 바람직한 실시형태에서, 자석은 영구 자석(permanent magnet)이다. 구체적으로, 당업자라면, 전자석은, 진동기계 내에서 자유롭게 떠있게 될 고정구로 이용하기에 적합하지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 때문에, 바람직하게는, 고정구는, 전자석을 포함하지 않는다. 가장 바람직하게는, 자석은, 네오디뮴 (neodymium), 사마륨 (samarium) 등과 같은 희토류(rare earth material)에 기반한 자석처럼, 이른바 초자석(super-magnet)이다.

또한, 바람직한 일 실시형태에서, 몸체는, 플라스틱 재료로 이루어진다. 이러한 플라스틱 재료의 이점은 이용된 마감처리 매체와 화학제품에 사실상 견디도록 선택될 수 있다는 것이다. 게다가 비교적 유연하여 가공대상물이나 매체에 대한 손상을 방지할 수 있다. 바람직한 플라스틱 재료는, 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene(HDP)) 및 듀퐁사로부터 입수할 수 있는 델린(Delrin^TM)과 같은 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene)과 같이 유기 엔지니어링 폴리머(organic engineering polymer)이다. 제조의 용이성 및 내약품성(chemical resistance)과 관련하여, 플라스틱 재료가 바람직하지만, 많은 다른 재료들, 특히, 이용되는 화학제품에 견딜 수 있는 비자성체(non-magnetic material)가 사용될 수 있다. 이러한 재료들은 316 스테인리스스틸, 황동 및 심지어 나무도 포함할 수 있다.

본 발명의 구체적인 실시예에서, 자석은 몸체 내에 사실상 매립(embed)될 수 있다. 이것은 매체에 대한 노출로부터 자석이 몸체에 의해 보호되도록 할 수 있다. 또한, 자석과 가공대상물 간 직접 접촉(direct contact)을 방지할 수 있다. 자석은 몸체의 구멍(bore)이나 공동(cavity) 내에 설치되어 사실상 밀봉될 수 있다. 또는, 제조 처리나 몰딩 처리(manufacturing or moulding procedure) 동안에 자석이 플라스틱 몸체 내에 합체되거나 밀봉될 수 있다. 가장 바람직하게는, 몸체는 매체가 박힐 수 있는 틈이나 장소가 없는 평탄한 외표면(smooth outer surface)을 갖는다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 고정구는 다수의 자석을 포함할 수 있다. 자석들은, 예를 들면, 받아들이는 가공대상물의 형상에 대응하는 형상으로, 고정구의 외주(periphery)를 따라 배치될 수 있다. 또는, 다수의 자석이 서로 다른 가공대상물들이나 부품들을 지지할 수 있다.

고정구는 가공대상물을 받아들이기 위한 평탄면(flat face)을 구비할 수 있지만, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에서, 몸체는 맞춤설치부(profiled seat)를 포함할 수 있다. 이 설치부는, 바람직하게는, 맞물리게 하는 가공대상물의 표면에 대해 적어도 부분적으로 딱 맞는 형상(complementary shape)이다. 맞춤설치부를 구비함으로써 가공대상물의 위치가 더 정확하게 정해지거나 유지될 수 있다. 게다가 이 설치부와 가공대상물의 기계적 결합에 의해 횡력(lateral force)이 저지될 수 있으므로, 우발적인 분리가 방지될 수 있다. 이러한 설치부는 고정구와 가공대상물 사이에서 어느 정도의 기계적인 억지 끼워맞춤(mechanical interference fit)을 제공할 수 있다. 그럼에도, 가공대상물의 분리를 방지하는 축방향 지지력(axial retaining force)은, 바람직하게는, 자기적 인력(magnetic force of attraction)에 의해 주로 제공된다. 자력은, 바람직하게는 축방향 지지력의 60% 이상, 가장 바람직하게는 이러한 힘의 90% 이상을 제공한다. 또한, 이 설치부는, 가공대상물과 고정구 사이로의 매체 또는 화학제품의 침입을 방지하기 위해, 오-링(O-ring), 테두리(lip), 돌기부(ridge) 등과 같은 씰을 구비할 수 있다.

또한, 또 다른 바람직한 실시형태에서, 각각의 가공대상물은 다수의 짝지워진 부품들을 포함하며, 몸체는 각각의 부품을 받아들이기 위해 각각 배치된, 다수의 설치부(seat)를 구비한다. 이 설치부들은 고정구의 동일면(the same face)이나 서로 다른 면(different face)에 제공될 수 있다. 드래그 마감처리 실시형태에서, 부품들이 모두 유사한 매체 조건들에 노출되도록, 모든 부품이 동일면에 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 진동 마감처리 장치에서, 부품들은 대향면(opposing face)에 위치될 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이, 다수의 고정구를 포함하는 장착구조물에 관한 것이다. 장착구조물은, 마감처리되는 가공대상물들 및 사용된 마감처리 방법에 따라, 여러 가지 서로 다른 구조들을 취할 수 있다. 바람직한 일 형태에서, 장착구조물은, 각각이 서로에 대해 이격 관계(spaced relationship)로 각각의 고정구를 지지하는, 트리구조(tree structure)의 축(axle)에 장착된 다수의 아암을 포함한다.

상기와 같은 이유들 때문에, 각각의 고정구는, 바람직하게는, 적어도 하나의 회전축선 둘레로 장착구조물에 대해 자유롭게 회전할 수 있도록 장착된다. 장착구조물 자체도, 하나 이상의 회전축선 둘레로 자유롭게 회전할 수 있거나, 진동 터브 또는 보울 내에서 자유롭게 떠있도록 배치될 수 있다. 구체적인 일 실시예에서, 장착구조물은 또한, 가공대상물들에 대한 손상을 방지하기 위해, 고정구들을 다른 대상들로부터 떨어져 있게 하는 간격부재(spacing member)들을 구비한다. 간격부재는 회전체를 이룰 수 있으며, 그 내부에 가공대상물들과 고정구들이 설치된다.

본 발명은 대부분의 기계 부품에 적용 가능하지만, 본 발명의 바람직한 이용은, 링 및 피니언 기어 세트의 마감처리에 대한 것이다. 상기한 바와 같이, 이러한 부품들을 마감처리하는 것은 자동차 산업에 대단히 중요하지만, 짝지워진 링과 피니언 쌍들에 대한 효과적인 처리와 관련해서는 아직까지 적절한 해결법이 제공되어 있지 않다.

본 발명은, 다량의 마감처리 매체를 담을 수 있는 리셉터클, 자석 고정구가 마감처리 작업 동안에 리셉터클 내에 가공대상물을 지지함으로써 가공대상물과 매체 사이에서 상대운동을 일으키기 위한 구동장치를 포함하는 기계와 결합하여 이용될 수 있다.

바람직하게는, 가공대상물은 사실상 자석으로만 지지되며, 다른 수단에 의해 많이 지지되지는 않는다. 따라서 사용시에, 조작자는 자력을 이기기 위해 요구되는 힘으로 가공대상물을 자석으로부터 떼어놓기만 하면 된다. 부가적인 잠금(locking)과 고정(fixturing)은 필요하지 않으므로 고정과 관련된 공정시간이 상당히 감소된다.

바람직한 이용 방법에 따르면, 마감처리 작업은 화학적으로 가속된 마감처리를 포함한다. 이것은 진동 운동(vibratory motion)을 이용하여 또는 드래그 마감처리에 의해 행해질 수 있다. 후자의 경우에, 매체가 가공대상물에 힘을 가해 가공대상물을 고정구 쪽으로 미는데 도움이 되도록, 바람직하게는, 가공대상물이 자석 고정구보다 앞서서 매체를 통해 구동된다.

본 발명의 특징과 이점은 이하의 도면을 참조하여 검토될 것이다. 도면에서,
도 1은 본 발명의 제1 실시예와 함께 이용하기 위한 진동 보울의 개략 사시도이다.
도 2는 링과 피니언 기어의 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고정구의 사시도이다.
도 4a와 4b는 도 3의 고정구의 분해 사시도들이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 사용시의 고정구들의 사시도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예와 함께 이용하기 위한 드래그 마감처리 기계의 측면도를 나타낸다.
도 7a 내지 7d은 제2 실시예에 따른 고정구의 다양한 도면을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예와 함께 이용하기 위한 진동 터브의 사시도를 나타낸다.
도 9a는 제3 실시예에서 이용된 고정구의 분해 사시도를 나타낸다.
도 9b는 도 9a의 고정구의 저면도를 나타낸다.
도 10은 제3 실시예에 따른 장착구조물의 사시도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 장착구조물의 저면도를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따른 고정구의 개략 측면도를 나타낸다.
도 13a와 13b은 본 발명의 제6 실시예의 저면 및 측면 개략도들을 각각 나타낸다.

이하, 본 발명의 몇몇 실시예의 설명이 단지 예로서 도면을 참조하여 주어진다.

도 1을 참조하면, 진동 마감처리 기계(1)가 진동 보울(2)의 형태로 도시되어 있다. 보울은 사실상 비연마 마감처리 매체(4)와 마감처리 화학제품(6)으로 채워져 있다. 구동장치(5)는 보울(2)의 바로 밑에 설치되며, 선택된 진동 주파수와 진폭으로 보울을 진동시킨다. 종래의 방식에서는, 사용시에, 마감처리될 가공대상물(8)들이 보울(2) 내에 자유롭게 놓여져서, 예를 들면, 미쇼의 미국특허 No.4,818,333에 개시된 방법에 따라, 매체(4)와 화학제품(6)에 의해 처리된다. 이러한 방법에 따르면, 화학제품이 처리 중인 부품들의 표면에 개질 피막(conversion coating)을 형성한다. 매체(4)의 작용으로, 더 낮은 표면 영역(lower surface area)의 피막은 사실상 그대로 남지만, 표면의 고점부(high point)에서는 비교적 유연한 피막이 벗겨진다. 표면을 평탄화시키는 작업 동안에 피막은 노출된 금속 위에서 끊임없이 회복된다.

도 2에, 링(10) 및 피니언(12) 조립체가 나타나 있다. 링(10) 및 피니언(12)은 자동차 뒷 차축 부분을 형성하는데, 추가로 설명될 본 발명과 관련하여, 이하에서는 전형적인 가공대상물 부품으로 취급될 것이다. 당업자라면, 다른 부품들도 유사한 방식으로 마감처리될 수 있으며, 본 발명이 어떤 적절한 엔지니어링 부품들을 마감처리하기 위한 기계, 고정구 및 방법에 대해서 똑같이 확장된다는 것을 즉시로 이해할 것이다. 링(10)은 링 형상 기어면(ring shaped gear surface)(9)을 갖는 환상요소(annular element)이다. 피니언(pinion)(12)은 하이포이드 기어면(hypoid gear surface)(11)과 스터브 액슬(stub axle)(13)을 갖는다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고정구(14)를 나타낸다. 고정구(14)는 디스크(18) 형상을 이루는 몸체(16)와, 링(10) 및 피니언(12)이 각각 결합되어 있는 샤프트(shaft)(20)로 이루어져 있다. 도시된 실시예에서, 몸체(16)는 Delrin^TM으로 된 단체(single piece)를 이루고 있다.

도 4a와 4b는 도 3의 고정구(14)를 서로 다른 두 방향에서 본 분해 사시도를 나타낸다. 도면에 도시된 바와 같이, 디스크(disk)(18)는 상면(top face)(22)과 저면(bottom face)(24)을 갖는다. 상면(22)의 구멍(26)들은 저면(24)으로부터 약 1.5㎜ 거리까지 디스크를 관통하여 뻗어 있다. 자석(28)들은 구멍(26)들 내에 받아들여지며, Delrin^TM으로 된 마개(plug)(30)들로 폐쇄된다. 자석(28)은 네오디뮴 재료(Nd₂Fe₁₄B)로 형성되며, 이 방식에서, 디스크(18)의 저면(24) 재료를 통해 작용할 때 각각이 약 4㎏의 지지력을 발휘할 수 있다. 5개의 구멍(26)은 디스크(18)의 외주 둘레에 간격을 두고 형성되어 있으며, 그 중 4개는 도면에서 볼 수 있다. 또한, 샤프트(20)가 관통하는 중앙 구멍(central bore)(36)도 볼 수 있다. 오-링(40)은 샤프트(20)의 상면(42) 둘레를 밀봉하기 위해 설치되어 있다. 저면(24)에는 계단 형태의 설치부(32)가 형성되어 있다. 이 계단부는 지름이 링 기어(10)의 내경과 같다. 중앙 구멍(36)의 하단에 자석(38)이 추가로 설치된 것을 볼 수 있다. 추가된 자석(38)은 자석(28)들보다 지름이 더 크다.

따라서 스터브 액슬(13)은 추가된 자석(38)에 맞부딪힐 때까지 샤프트(20)의 중앙 구멍(36) 안으로 삽입될 수 있다. 이것은 하이포이드 기어(11)의 기부(base)가 샤프트(20)의 상면에 고정되어 오-링(40)과 밀봉 결합(sealing engagement)하는 위치에 해당한다. 사용하는 동안, 이러한 밀봉 결합은 마감처리 화학제품과의 접촉으로부터 하이포이드 기어(11) 및 스터브 액슬(13)의 후측(rear side)을 보호한다. 고정구(14)로부터 링(10)과 피니언(12)을 떼어내기 위해, 샤프트(20)는 단단히 파지되며, 또, 링(10)이나 피니언(12)에 대해서는 자기적 인력을 깨뜨리기 위해 비틀림운동(twisting motion)이 가해진다. 다른 장치들과 지그(jig)들이 이러한 고정구들로부터의 부품 제거에 도움을 주기 위해 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

장착된 고정구(14)는 도 1에 도시된 바와 같이, 진동 기계(1)에서 이용될 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이, 장착구조물(42)이 다수의 고정구(14)를 장착하기 위해 제공된다. 장착구조물(42)은 외주 둘레에 다수의 개구(opening)(46)가 형성된 환형 테(annulus)(44)를 포함한다. 각 고정구(14)의 샤프트(20)는, 피니언 기어(12)를 장착하기 전, 각각의 개구(46)를 통해 삽입될 수 있다. 고정구(14)는 개구(46) 내에서 자유롭게 회전 가능하다. 이러한 방식으로, 다수의 고정구(14)가 장착구조물(42)에 장착될 수 있다. 일단 장착이 완료되면, 완성된 장착구조물(42)은 진동 기계(1)의 보울(2) 안으로 내려져서 매체(4) 내에 떠있게 된다. 사용하는 동안, 고정구(14)들은, 부품에 대한 마감처리 작용의 균일한 분포를 허용하는 각각의 샤프트(20) 둘레로 자유롭게 회전한다. 상기와 같은 방법을 이용하면, 약 60분의 전체 공정시간에, 최대 40개의 부품이 함께 마감처리될 수 있다. 고정구(14) 및 장착구조물(42)에 대한 부품들의 고정은 오프라인(off-line)으로 행해질 수 있으므로 기계(1)에 대한 전체 공정시간을 증가시키지는 않는다.

도시되지 않은 다른 실시예에서, 고정구는 보울이나 터브 내에서 자유롭게 회전(tumbling)될 수 있다. 이것은 가공대상물 간 충돌이 중요 문제가 아니나, 짝지워진 부품들의 결합(pairing)이 요구되는 경우일 것이다. 자유롭게 회전하는 변형(freely tumbling version)인 경우에, 회전을 활성화하기 위해, 고정구의 동일면에 링과 피니언 둘 다를 위치시키는 것이 또한 바람직할 것이다. 이러한 배치는 후술하는 본 발명의 제2 실시예의 문맥에 나타나 있다.

드래그 마감처리에 이용하기 위한 본 발명의 제2 실시예가 도 6에 나타나 있다. 이 실시예의 설명에서, 100만큼 증가시킨 비슷한 도면부호들이 유사한 특징들을 나타내기 위해 이용될 것이다.

도 6에 의하면, 비연마 매체(104)를 담고 있는 보울(102)을 갖는 드래그 마감처리 기계(100)가 도시되어 있다. 구동장치(105)는 가공대상물(108)을 매체(104)를 통해 강제로 밀어 넣기 위해 아암(107)을 회전시킨다. 각각의 가공대상물(108)은 고정구(114)에 의해 지지된다. 아암(107)은 보울(102) 둘레로 함께 회전하며, 각각이 또한, 그 자신의 회전축선 둘레로 회전한다. 아암(107)은 수직선에 대해 각도 α로 배치되어 있다. 매체(104) 외에, 마감처리 화학제품(106)이 동시계속출원 No.61/215,981에 개시된 바와 같이 보울(102)에 공급되며, 동시계속출원의 내용은 전체로 본 명세서에 포함된다. 본 발명은 종래의 드래그 마감처리 방법들에서 행해지는 바와 같이 가속시키는 화학제품이 없는 경우에, 연마 매체를 이용하여 똑같이 적용할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 7a 내지 7d는 기계(100)에서의 마감처리를 위해, 링(110) 및 피니언(112)을 지지하기 위한 고정구(114)를 더 상세히 도시한 것이다. 도 7a을 참조하면, 디스크(118)를 이루는 몸체(116)와 샤프트(120)가 모두 표현되도록 고정구(114)가 측면도로 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 디스크(118)는 Delrin^TM으로 된 단체를 이루고 있다. 샤프트(120)는 강철로 만들어지며, 볼트(119)에 의해 디스크(118)의 상면(122)에 반영구적으로 결합된 플레이트(121)를 지지한다. 사용시, 샤프트(120)는 기계(100)의 각각의 아암(107)에 결합된다. 저면(124)에는 설치부(132)와 계단부(133)가 형성되어 있다.

도 7b는 디스크(118)가 중앙 구멍(136)을 갖는 것을 볼 수 있게 하는 고정구(114)의 분해 사시도를 나타낸다. 총 5개의 구멍(126)이 디스크(118)의 외주 둘레에 분포되어 있다. 5개의 다른 구멍(126)은 중앙 구멍(136) 둘레의 계단부(133)에 분포되어 있다. 구멍(126)들 각각은 자석(128)을 수용하며, 또한, 이전의 실시예에서와 같이, 도시되지 않은 마개에 의해 폐쇄된다.

도 7c는 설치부(132) 및 계단부(133)에 의해 장착되어 자리가 정해진 링 기어(110)를 갖는 고정구(114)의 사시도를 나타낸다.

도 7d에서는 피니언 기어(112)가 또한 장착되어 있다. 도시된 바와 같이, 피니언(112)은 링 기어(110) 내의 계단부(133)에 놓여 있다. 스터브 액슬(113)은 중앙 구멍(136) 내에 삽입되며, 하이포이드 기어(111)의 후측과 오-링의 상호 작용에 의해 밀봉된다.

기계(100) 사용시, 구동장치(105)는 각도 α로 매체(104)를 통해 아암(107)을 구동한다. 이것은 부품(110)(112)들이 고정구(114)에 의해 매체(104)를 통과하는 쪽으로 항상 밀리게 하는 것을 보장한다. 드래그 마감처리 기계의 사용시에 대항하는 힘들이 비교적 크지만, 매체(104)가 링(110) 및 피니언(112)을 그들 각각의 설치부 쪽으로 밀도록 작용한다는 사실에 의해 자석(128)의 이탈이 방지된다. 게다가, 설치부(132), 계단부(133) 및 중앙 구멍(136) 모두는 어떤 측방 운동(lateral movement)도 억제하도록 작용한다. 마감처리 작업이 완료되면, 아암(107)들은 보울(102)로부터 들어 올려질 수 있으며, 링(110) 및 피니언(112)이 고정구(114)로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 필요에 따라 이러한 작업에 도움이 되는 적절한 레버, 쐐기(wedge) 또는 그 밖의 수단(implement)들이 이용될 수 있다는 것이 당연히 이해될 것이다. 고정구(114)로부터 링(110) 및 피니언(112)을 제거한 후에, 이들은 종래의 방법을 이용하여 소자(demagnetize)될 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 기계(200)가 도 8에 도시되어 있다. 이하에서는, 제1 실시예와 비슷한 특징들은 200만큼 증가시킨 유사한 도면부호들로 표시된다. 도 8의 기계는 이전의 실시예들에서와 같이 매체(204)와 화학제품(206)으로 채워지는 기다란 진동 터브(202)의 형태이다. 터브(202)는 구동장치(205)에 의해 진동하도록 구동된다.

도 9a는, 링(210) 및 피니언(212)과 함께 분해 도시된, 도 8의 터브(202)에서 이용하기 위한 고정구(214)를 나타낸다. 고정구(214)는 사실상 도 7a 내지 7d의 그것과 동일하며, 디스크(218), 도시되지 않은 구멍 내의 자석(228) 및 중앙 구멍(236)을 포함한다.

도 9b는 고정구(214)를 저면도로 나타낸 것이다. 디스크(218)는 장착구조물(242)의 아암(207)에 설치된 플레이트(221)에 볼트(219)로 결합된다.

완성된 장착구조물(242)이 도 10에 사시도로 도시되어 있다. 이것은 스포크(spoke)처럼 축(axle)(248)으로부터 방사상으로 뻗은 다수의 아암(207)을 지지하는 축(248)을 포함한다. 아암(207)들은 또한, 축(248)의 길이방향을 따라 서로 간격을 두고 떨어져 있으며, 원주방향으로 오프셋(offset)되어 있다. 각 아암(207)은 각각의 고정구(214) 및 가공대상물(208)을 지지한다. 도시된 실시예에서, 총 48개의 고정구가 서로 간섭함이 없이 장착구조물(242)에 의해 지지될 수 있다. 축(248)의 양단에는 휠(250)이 있다. 휠(250)은, 평면에 놓였을 때, 이들이 고정구(214)들을 수용하면서 가공대상물(208)들은 평면에 접촉하지 않는 그러한 크기이다.

사용시에, 가공대상물(208)들이 만재된(fully loaded) 장착구조물(242)은 터브(202) 안으로 내려진다. 구동장치(205)를 조작할 때, 장착구조물(242)은 잠길 때까지 매체(204) 안으로 내려앉는다. 매체(204)의 운동은 매체를 천천히 회전하게 하는데, 이에 의해 휠(250)들은 매체를 터브(202)의 측면 및 저부(base)에 대해 안내한다. 매체가 회전함으로써, 서로 다른 가공대상물(208)들이 비슷한 마감처리 조건에 전부 노출된다. 완료되면, 이전의 실시예들처럼 장착구조물 전체가 터브(202)로부터 제거되어 가공대상물(208)들이 제거될 수 있다. 만재된 또 다른 장착구조물(242)이 교체될 수 있으므로 터브(202)에서의 처리가 거의 중단없이 계속될 수 있다.

마감처리되는 가공대상물 및 부품과 이용할 수 있는 마감처리 기계에 따라, 그 밖의 많은 실시예와 구조들이 생각될 수 있다. 도 11에 따르면, 또 다른 실시예는, 그들 자신이 회전할 수 있는 장착구조물(342)들 상에 고정구(314)들이 회전 가능하게 장착되어 있는 장치(300)의 저면이 도시되어 있다. 고정구(314)가 더 상세히 도시되지는 않지만, 도 7의 그것들과 본질적으로 동일할 수 있다. 장치(300)는 매체 내에 가라앉히는 링(310)들 및 피니언(312)들과 함께, 진동 보울의 허브(hub) 위에 놓일 수 있다. 장착구조물(342)들은 회전하도록 구동될 수도 있고 매체에 의해 자유롭게 회전될 수도 있다.

도 12에 따른 또 다른 장치에서, 고정구(414)는 축(448)에 장착된, 도 9 또는 도 10에서 이용된 형태의 아암(407)에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 이 실시예에서, 고정구(414) 상에 설치된 플레이트(421)는 링(410) 및 피니언(412)이 고정되는 디스크(418)에 볼트고정되어 있다. 플레이트(421)는 떨어져 있는 플랜지(452)들 사이에 지지된다. 이것은 아암(407)에 대해 횡방향과 축방향으로 고정구(414)가 더 자유롭게 이동할 수 있게 하며, 또, 매체의 운동으로 회전할 수 있게 한다.

도 13a 및 13b에 따른 또 다른 장치에서, 장착구조물(542)은 진동 터브를 가로질러 장착하기 위해 배치된다. 링(510) 및 피니언(512)은 장착구조물(542)에 회전 가능하게 장착되는 자석 고정구(514)들에 대해 따로따로 장착된다.

이렇게 하여, 본 발명이 상기의 몇몇 실시예를 참조하여 설명되었다. 이들 실시예는, 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어남이 없이 상술한 것들 외에, 또 다른 변형들과 이 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 다른 형태들을 허용할 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 특정 실시예들이 설명되었지만, 이들은 단지 예일 뿐이고 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

Claims

매체 기반 마감처리 작업(media based finishing operation) 동안에 금속 가공대상물(metal workpiece)을 지지(retain)하기 위한 자석 고정구(magnetic fixture)의 이용 방법으로서, 자석 고정구는 몸체(body) 및 몸체와 접촉하여 가공대상물을 지지하기 위한 영구 자석을 포함하며, 매체에 대한 노출로부터 자석을 보호하기 위해 자석이 몸체 내에 사실상 매립(embed)되는 것을 특징으로 하는 자석 고정구의 이용 방법.
제1항에 있어서,
가공대상물은 사실상 자석으로만 지지되는 자석 고정구의 이용 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
자석은, 초자석(super magnet)으로 이루어지는 자석 고정구의 이용 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
마감처리 작업은, 화학적으로 가속된 마감처리(chemically accelerated finishing)로 이루어지는 자석 고정구의 이용 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
가공대상물은, 링 및 피니언 기어 세트(a ring and pinion gear set)로 이루어지는 자석 고정구의 이용 방법.
제1항에 있어서,
매체 기반 마감처리 작업은,
다량의 마감처리 매체(finishing media)를 담기 위한 리셉터클(receptacle);
가공대상물과 매체 사이의 상대운동(relative motion)을 유도하기 위한 구동 장치(drive arrangement);
를 포함하는 기계에서 행해지며,
이에 의해 마감처리 작업 동안에 자석 고정구가 가공대상물을 리셉터클 내에 지지하는 자석 고정구의 이용 방법.
제6항에 있어서,
상기 기계는 드래그 마감처리 기계(drag-finishing machine)이고, 상기 방법은 매체를 통과하도록 자석 고정구를 구동하는 것을 포함하며, 이에 의해 매체가 가공대상물에 힘을 가해 가공대상물을 고정구 쪽으로 미는 자석 고정구의 이용 방법.
제6항에 있어서,
리셉터클은 진동 설치된 터브 또는 보울(vibratory mounted tub or bowl)인 자석 고정구의 이용 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
자석 고정구는 적어도 하나의 회전축선(axis) 둘레로 리셉터클 내에서 자유롭게 움직일 수 있는 자석 고정구의 이용 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 자석 고정구는 장착구조물(mounting structure)에 함께 장착되는 자석 고정구의 이용 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 가공대상물은 고정구에 함께 장착되는 다수의 짝지워진 부품(matched component)으로 이루어지는 자석 고정구의 이용 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
자석 고정구에 작용되는 힘을, 자석 고정구와 가공대상물 사이의 지지력(retention force)보다 감소된 값으로 제한하기 위해, 구동장치를 제어하는 것을 더 포함하는 자석 고정구의 이용 방법.
매체 기반 마감처리 작업 공정 동안에, 마감처리 매체가 접촉하는 금속 가공대상물을 지지하기 위한 고정구(fixture)로서, 고정구는 몸체(body) 및 몸체와 접촉하여 가공대상물을 지지하기 위한 영구 자석을 포함하며, 매체에 대한 노출로부터 자석을 보호하기 위해 자석이 몸체 내에 사실상 매립(embed)되는 것을 특징으로 하는 고정구.
제13항에 있어서,
자석은 초자석(super-magnet)인 고정구.
제13항 또는 제14항에 있어서,
몸체는 플라스틱 재료로 이루어지는 고정구.
제13항 또는 제14항에 있어서,
다수의 자석을 포함하는 고정구.
제13항 또는 제14항에 있어서,
몸체는 가공대상물을 설치하기 위한 윤곽(profile)을 갖는 설치부(seat)를 포함하는 고정구.
제13항 또는 제14항에 있어서,
각각의 가공대상물은 다수의 짝지워진 부품으로 이루어지며, 몸체는, 각각의 부품을 받아들이기 위해 각각 배치된 다수의 설치부를 갖는 고정구.
제13항에 따른 다수의 고정구를 포함하는 장착구조물.
제19항에 있어서,
서로에 대해 이격 관계(spaced relationship)로 각각의 고정구를 각각 지지하는 다수의 아암(arm)을 포함하는 장착구조물.
제19항 또는 제20항에 있어서,
각각의 고정구는 적어도 하나의 회전축선 둘레로 장착구조물 상에서 자유롭게 회전할 수 있도록 장착되는 장착구조물.
제19항 또는 제20항에 있어서,
장착구조물은 진동 터브 또는 보울 내에서 적어도 하나의 회전축선 둘레로 자유롭게 회전할 수 있도록 배치되는 장착구조물.
제13항에 있어서,
가공대상물이 링 및 피니언 기어 세트(ring and pinion gear set)로 이루어지는 고정구.
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