[첨단 헬로티]
가오 펭 (高 峰) 서일본공업대학
1. 서론
절삭가공이나 연삭가공 등의 기계가공을 할 때에 바이스로 피가공 재료를 고정할 필요가 있다. 1개씩 가공하는 것보다 여러 개의 워크(중간 가공품과 초기 상태의 재료를 포함)를 동시에 바이스로 고정, 1회의 가공을 하는 것은 효율적이다.
한편 보통의 바이스를 사용하는 경우, 여러 개의 워크를 동시 고정하는 것은 고체 간의 작은 치수차에 의한 체결력의 편차가 발생해 불량품의 발생이나 가공 중에 워크 어긋남의 위험을 초래할 가능성이 있다.
이 문제를 해결하기 위해 이번 개발은 여러 개의 동일 규격의 워크를 1개의 바이스로 고정해 가공할 때에 작은 치수의 차이를 흡수하는 플로팅 바이스의 구조를 제안했다. 이 글에서는 그 구조와 동작 원리를 해설하고, 시제작품을 이용한 동작 확인과 평가의 평가를 보고한다.
2. 보통의 바이스로 고정하는 체결 방법과 문제점
(1) 보통 바이스의 체결 방법
밀링이나 머시닝센터, 연마기 등의 가공기를 이용해 부품을 가공할 때에 워크의 고정에는 끼우기 턱이 있는 지그인 바이스를 사용한다.
보통의 시판 바이스의 구조는 대부분 나사식으로, 회전운동을 직선 이동으로 변환해 평행하는 2개의 판 모양 부품에 의해 워크를 끼워 넣고 일정한 압력으로 대상 워크를 고정한다.
(2) 문제점
이러한 종류의 바이스는 구조 상에서 다음의 문제점이 존재한다. ①평행도가 낮은 1개의 워크를 고정할 때에 고정면의 치수차에서 체결력의 차이가 생기고 가공력의 반력이 큰 경우, 워크가 기울어져 고정의 안정성이 나빠진다.
②동일 규격의 여러 개의 워크를 고정할 때에 공차 내의 작은 치수 편차가 존재해 고정부의 치수 하한에 가까운 워크의 체결력이 약해지고, 고정 위치에서 어긋남이 생겨 가공 불량 또한 워크 벗어남에 의한 위험한 상황이 발생할 가능성이 있다.
그림 1에 여러 개의 연삭 중에 워크가 벗어난 예를 나타냈다. 다양한 시판 제품 중에 다련 바이스라고 불리는 여러 개의 단체 바이스를 조합한 것도 있는데, 체결의 복잡한 조작과 비싼 가격은 유저 측이 도입하기 힘든 주된 요인이 된다.
3. 플로팅 바이스
(1) 플로팅 클램프 블록 구조의 제안
워크를 체결하는 2개의 평행 판 부품의 1개를 몇 개의 블록으로 분할, 각각이 끼워 넣는 방식을 따라 부분적인 워크의 표면 치수 수준에 맞춰 내부 기구의 자율 조정으로 동일한 체결력이 생기도록 해당 국부 표면과 접촉시킨다.
1개 워크의 다른 국부 체결면, 또는 여러 개의 워크 각각의 체결면 사이의 작은 치수차를 흡수하는 분할 블록을 플로팅 클램프 블록이라고 부른다(이하 클램프 블록이라고 간략화한다). 또한 해당 구조를 채용한 바이스를 플로팅 바이스라고 부른다.
(2) 구성과 동작 원리
그림 2에 플로팅 바이스의 기본 구성과 동작 원리를 나타냈다. 워크 (a)에서 (d)가 동시에 체결되는 예로 하고, 워크 (c)만은 다른 3개의 워크와 치수차를 가진다. 이들 워크와 접촉하는 것은 동일한 형상을 가진 4개의 클램프 블록이다.
각 클램프 블록의 또 다른 1개의 끝단면은 인접하는 삼각형 슬라이드 B와 접촉한다. 삼각형 슬라이드 B는 이웃하는 2개의 삼각형 슬라이드 A와 접촉한다. A와 B는 고정되지 않고 이웃하는 부품과 밀착해 접촉면에서 미끌어질 수 있다.
양 끝단의 삼각형 슬라이드 C는 고정된 부품이다. 워크의 편차가 존재하는 경우 끼워 넣는 방향(그림 2, 상하 방향)으로 B가 이동하고, 이 이동량은 슬라이드면을 통해 끼워 넣는 방향에 수직하는(그림 2, 좌우 방향) A의 이동으로 전환된다.
이것은 A가 가이드가 되는 부품의 제한으로 이 일직선 상의 2방향 이동만 가능하기 때문이다. 미끄러짐 마찰이 충분히 작은 것을 가정, 이 구조는 역학적으로 모든 클램프 블록이 균일한 체결력이 될 때까지 자율적으로 위치를 조정해 안정된 균형 상태가 된다.
4. 시제작 및 평가
제안된 구조를 구체화한 평가용 모델의 구성을 그림 3에 나타냈다. 5개까지의 워크를 체결할 수 있게 워크 측으로 밀려나온 5개의 클램프 블록은 내부의 삼각형 슬라이드를 통해 연동시킨다.
앞에서 말한 삼각형 슬라이드 A와 B는 동일 부품에서 그 기능을 실현할 수 있다. 이들 기능 부품을 넣기 위해 강도를 가진 외주 틀 종류의 부품을 설정한다. 그림 3은 내부 구조를 나타내기 위해 바이스의 톱 커버를 떼어낸 모델이다.
그림 4는 평가용 시제작품이다. 2개 이상의 워크 고정을 가정해 임의의 2개, 3개, 4개, 또는 5개의 클램프 블록을 동시에 손가락으로 밀어 넣는 실험을 했다. 이 때에 블록 간의 상호 신축 및 하중의 분담을 확인했다.
섭동저항에 있어 이웃하는 블록은 가장 가볍고, 클램프 블록이 떨어질수록 점점 무거워지는 것을 느낄 수 있었다. 또한 동시 체결 워크의 개수가 증가하면 다소 무거워지는 것도 알 수 있었다. 그 원인은 내부 블록의 마찰면이 증가함으로써 마찰력이 커지는 것으로 추측된다.
5. 앞으로의 과제
다음의 3가지를 이번 개발의 향후 과제로 한다. ①구조의 개량 및 마찰계수가 작은 재료 사용에 의해 기능을 강화, 섭동저항을 조금 더 가볍게 한다. ②소형화․코스트 다운한다. ③사용 환경을 조사해 다양한 현장의 요구에 적용하도록 상품화한다.
6. 맺음말
삼각형 슬라이드의 미끄러짐 이동을 이용해 여러 개의 워크를 동시에 체결할 수 있으며, 작은 치수차의 흡수가 가능하고 또한 균일한 체결력을 제공하는 플로팅 바이스를 개발했다. 시제작품을 이용해 바이스의 동작을 확인했다.
앞으로는 기술 개량과 상품화를 추진, 저렴한 가격, 간단한 조작, 생산 효율 향상이 가능한 툴의 실현을 목표로 한다.
[감사]
이번 개발에 있어 시제작품 제작에 협력해 주신 ㈜大塚제작소에 감사의 마음을 표한다.
