공작기계 고정구에 대한 종합 가이드: 위치 설정, 고정 및 선택

1.0공작기계 고정구란 무엇인가요?

선반, 밀링 머신, 드릴링 머신, 스피닝 머신, 스탬핑 프레스 및 기타 금속 가공 장비를 사용하여 부품을 가공할 때 가공 정확도를 확보하기 위해서는 먼저 공작물을 기계에 정확하고 고정된 위치에 놓아야 합니다. 이 과정은 두 가지 주요 단계로 구성됩니다.

• 공작물을 정확하게 위치시키십시오.
• 공작물을 단단히 고정하십시오.

위치 지정 및 고정의 전체 과정을 공작물 설정이라고 하며, 이러한 설정을 수행하는 데 사용되는 공정 장비를 공작기계 고정구라고 합니다.

2.0공작기계 고정구는 어떻게 분류되나요?

공작기계 지그는 다양한 관점에서 분류할 수 있으며, 주요 분류 방법은 다음과 같습니다.

2.1전문성 정도에 따른 분류

• 범용 고정구: 다양한 공작물을 별도의 조정 없이 또는 약간의 조정만으로 고정할 수 있는 표준화된 고정구입니다. 대표적인 예로는 3구 자동 센터링 척, 4구 독립형 척, 기계 바이스, 회전 테이블, 분할 헤드 등이 있습니다. 이러한 고정구는 주로 단일 제품 또는 소량 생산에 사용됩니다.
• 특수 목적용 지그: 특정 공작물의 특정 가공 작업을 위해 특별히 설계 및 제작된 지그입니다. 구조가 콤팩트하고 조작이 편리하며, 자동차 차체 패널용 전용 스탬핑 지그와 같이 대량의 안정적인 생산에 주로 사용됩니다.
• 조정 가능한 고정구: 한 종류의 공작물을 가공한 후 특정 부품을 조정하거나 교체하여 유사한 모양과 크기의 다른 공작물도 가공할 수 있도록 설계된 고정구입니다. 이러한 고정구는 일반적으로 소량에서 중량 생산에 사용됩니다.
• 모듈형 설비: 특정 공정 요구 사항에 따라 미리 제작된 표준 구성 요소 및 부품 세트를 사용하여 조립되는 설비입니다. 사용 후에는 분해하거나 재구성할 수 있습니다. 이러한 설비의 장점으로는 생산 주기 단축, 특수 설비의 종류 및 수량 감소 등이 있으며, 신제품 시험 생산 및 다양한 제품의 소량 생산에 적합합니다.
• 이송 고정구: 자동화 생산 라인에서 특정 공작물을 고정하는 데 사용되는 고정구입니다. 공작물을 고정하는 기능 외에도 자동화 라인을 따라 공작물을 이송하는 기능도 수행합니다.

2.2공작기계 종류별 분류

• 선반 고정 장치
• 밀링 머신 고정 장치
• 드릴링 머신 고정 장치
• 보링 머신 고정 장치
• 방적기 고정장치
• 스탬핑 프레스 고정 장치
• 기타 공작기계 고정 장치

2.3전원별 분류

• 수동 고정 장치
• 공압 고정 장치
• 유압 설비
• 전자기 조명기구
• 유사 유형

3.0공작기계 고정구의 기본 구성 요소는 무엇입니까?

공작기계 지그는 형태와 용도가 다양하지만 기본 구성 요소는 대부분 동일합니다. 커넥팅 로드 슬롯 밀링용 CNC 밀링 지그, 홀 가공용 드릴링 지그, 스탬핑 프레스용 판금 지그를 예로 들면, 핵심 구성 요소는 다음과 같습니다. 이러한 지그는 기본적인 구조가 유사하며, 주로 각기 다른 기계에 맞게 위치 지정 및 고정 요소에서 차이가 있습니다.

• 위치 결정 장치

• 위치 결정 요소 및 이들의 조합으로 구성됨
• 고정장치 내에서 공작물의 정확한 위치를 결정하는 데 사용됩니다.
• 대표적인 예로는 원통형 핀과 마름모꼴 핀이 있습니다.
  • 클램핑 장치
• 가공 중 외부 힘에 의해 공작물이 움직이지 않도록 미리 정해진 위치에 공작물을 고정하는 데 사용됩니다.
• 일반적으로 클램핑 요소, 변속 메커니즘 및 압력판, 너트, 와셔, 볼트, 스프링과 같은 동력 구성 요소를 포함합니다.
  • 고정 장치 본체
• 모든 고정 장치 요소와 기기를 견고하고 통합된 구조로 연결하는 기본 구성 요소
• 고정 장치의 전반적인 정확성과 강성을 보장합니다.
  • 기타 요소 및 장치
• 위치 파악 키, 작동 부품 및 표준화된 연결 요소를 포함합니다.
• 범용 공작기계에 사용되는 고정구에는 공구 설정 장치와 인덱싱 메커니즘이 장착될 수도 있습니다.

4.0공작물 위치 결정의 핵심 원칙

4.1공작물 위치 결정의 기본 원리는 무엇입니까?

6점 배치 원칙

• 공간에 있는 공작물은 6개의 자유도를 가지고 있습니다. 즉, x, y, z축을 따라 3개의 병진 자유도와 x, y, z축을 중심으로 하는 3개의 회전 자유도를 가지고 있습니다(그림 1-28).
• 공작물의 위치를 완벽하게 결정하기 위해서는 6개의 지지점(위치 결정 요소)을 필요한 위치에 배치하여 6개의 자유도를 제한해야 하며, 각 지지점은 해당 자유도 하나를 제한합니다.
• 이 개념은 6점 위치 결정 원리로 알려져 있습니다.
• 다양한 가공물에 대한 적용 사례:

• 직사각형 가공물: 평삭기에서 평면을 가공하거나 밀링 머신에서 슬롯을 가공할 때, 바닥면 A는 일직선상에 있지 않은 세 개의 지지점에 놓여 3자유도를 가지며, 측면 B는 길이 방향을 따라 배치된 두 개의 지지점에 접촉하여 2자유도를 가지며, 끝면 C는 하나의 지지점에 접촉하여 1자유도를 가집니다(그림 1-29).
• 원반형 가공물: 연삭기에서 외부 원통 연삭 또는 성형 작업 중 방적기평면은 세 개의 지지점에 놓여 있어 세 개의 자유도를 제한하고, 원통형 표면은 두 개의 측면 지지점과 접촉하여 두 개의 자유도를 제한하며, 슬롯의 한쪽 측면은 하나의 지지점과 접촉하여 한 개의 자유도를 제한합니다(그림 1-30).

제한된 자유도와 가공 요구사항 간의 관계

• 가공 요구사항에 영향을 미치는 자유도는 제한되어야 합니다.
• 가공 정밀도에 영향을 미치지 않는 자유도는 제한할 필요가 없습니다.
• 예: 그림 1-31과 같이 관통 슬롯을 밀링하거나 구멍을 뚫을 때 드릴링 머신 구멍의 직각도를 확보하기 위해 5개의 자유도가 가공 요구 사항에 영향을 미치는 반면, 1개는 영향을 미치지 않으므로 제약 없이 유지될 수 있습니다.

위치 측정 방법의 분류

• 완전 위치 결정: 공작물의 6자유도 모두가 제한됩니다(그림 1-29 및 1-30). 이 방법은 높은 정밀도가 요구되는 작업에 적합합니다.
• 불완전한 위치 결정: 6자유도 미만의 자유도가 제한되지만 가공 요구 사항은 여전히 충족됩니다(그림 1-31). 이는 실제 가공에서 가장 일반적으로 사용되는 위치 결정 방법입니다.
• 언더포지셔닝(Under-positioning): 가공 요구사항에 따라 제한되어야 하는 자유도를 제한하지 않아 가공 정밀도를 보장할 수 없는 경우. 이러한 방법은 엄격히 금지됩니다. 예를 들어, 그림 1-31에서 치수 정밀도나 평행도에 영향을 미치는 자유도를 제한하지 않으면 해당 가공 요구사항을 충족할 수 없습니다.
• 과위치 고정: 공작물의 하나 이상의 자유도가 서로 다른 위치 고정 요소에 의해 반복적으로 제한되는 현상입니다. 그림 1-32a에 나타낸 연결봉 위치 고정 방식에서는 긴 핀과 지지판이 두 개의 자유도를 반복적으로 제한하여 공작물이나 핀의 변형을 유발하고 가공 정밀도에 영향을 미칠 수 있습니다. 긴 핀을 짧은 핀으로 교체하면 과위치 고정 현상을 해결할 수 있습니다(그림 1-32d).
• 과적합 판단 기준: 사례별로 분석해야 하며, 변형을 유발하는 경우에는 사용해서는 안 되고, 위치 결정에 영향을 미치지 않고 정확도 향상에 도움이 되는 경우에는 적절히 적용할 수 있다.

4.2위치기준면과 위치표면의 차이점은 무엇인가요?

• 위치 기준점

• 공작물의 정확한 위치를 결정하는 데 사용되는 공작물 상의 기준점
• 점, 선 또는 면일 수 있습니다.
• 어떤 경우에는 구멍이나 축의 축, 또는 두 표면 사이의 대칭 중심면과 같이 물리적으로 존재하지 않는 가상 요소가 있을 수 있습니다.
  • 표면 위치 파악
• 위치 기준점의 물리적 운반체
• 위치 결정 요소와 직접 접촉하는 공작물의 실제 표면
  • 구별을 위한 대표적인 예:
• 예시 1: 공작물을 구멍으로 위치시킬 때, 위치결정 기준점은 구멍의 축(가상)이고, 위치결정면은 구멍의 내면(실제 접촉면)이다.
• 예시 2: 공작물을 평면으로 위치시킬 때, 위치 기준면과 위치 결정면이 일치하고 동일한 평면이 됩니다.

5.0일반적으로 사용되는 공작물 위치 지정 요소

5.1평면 위치 지정을 위한 위치 요소

• 주요 지지대 (위치 지정 및 자유도 제한에 사용됨)

• 고정 지지대
  • 사용 중에는 움직이지 않는 지지 핀과 지지판을 포함하십시오(그림 1-33).
  • 유형별 적용 시나리오:
• 평두형 지지핀(그림 1-33a) 또는 지지판(그림 1-33d 및 1-33e)은 가공된 평면에서의 위치 조정을 위해 사용됩니다.
• 볼헤드 지지핀(그림 1-33b)은 거친 표면에 위치를 고정하는 데 사용됩니다.
• 톱니 모양 머리 지지 핀(그림 1-33c)은 측면 위치 조정을 통해 마찰력을 증가시키고 공작물의 미끄러짐을 방지하는 데 사용됩니다.
  • 다양한 지지판의 특징:
• 그림 1-33d에 나타낸 지지판은 구조가 간단하고 제조가 용이하지만, 구멍 주변의 칩 제거가 어렵다는 단점이 있다. 따라서 측면 및 상면 위치 결정에 적합하다.
• 그림 1-33e의 지지판은 칩 제거가 용이하며 바닥면 위치 지정에 적합합니다.

• 조절 가능한 지지대
  • 지지핀의 높이를 조정해야 할 때 사용합니다(그림 1-34).
  • 조정 단계: 잠금 너트 2를 풀고, 조정 핀 1을 필요한 높이로 설정한 다음, 잠금 너트 2를 조입니다.
  • 주로 공작물의 크기와 모양이 크게 다를 때 대략적인 위치 결정에 사용됩니다.
• 자동 정렬 지지대(부유형 지지대)
  • 위치 지정 중에 모든 접점이 공작물에 닿을 때까지 자동으로 위치를 조정합니다(그림 1-35a의 3점식 및 그림 1-35b의 2점식).
  • 이들의 기능은 단일 위치 지정 지지점과 동일하며, 하나의 자유도만 제한합니다.
  • 공작물의 강성과 안정성을 향상시킵니다.
  • 스탬핑 프레스와 같이 강성이 부족한 얇은 강판 가공에 적합합니다.
• 보조 지원

• 위치 조정 기능을 수행하지 않고 원래 위치에 영향을 주지 않으면서 클램핑 강성과 안정성을 향상시키는 데 사용됩니다(그림 1-36).
• 서로 다른 구조의 특징:
  • 그림 1-36a의 구조는 단순하지만 비효율적입니다.
  • 그림 1-36b는 스프링이 장착된 자체 정렬 보조 지지대를 보여주는데, 스프링 2가 슬라이딩 컬럼 1을 공작물과 접촉하도록 밀어주고, 지지봉 3이 이를 제자리에 고정시킨다.

5.2외부 원통형 표면 위치 지정을 위한 위치 결정 요소

• 지원 위치

• 가장 일반적으로 사용되는 방법은 V-블록 위치 지정입니다(그림 1-37).
• 다양한 V-블록 유형에 대한 적용 시나리오:
  • 그림 1-37a는 짧은 공작물(가공면)의 정밀 기준 위치 지정에 사용됩니다.
  • 그림 1-37b는 긴 공작물(가공되지 않은 표면)의 대략적인 기준 위치를 설정하는 데 사용됩니다.
  • 그림 1-37c는 서로 멀리 떨어져 있는 두 개의 정밀 기준점을 배치하는 데 사용됩니다.
• 긴 위치 기준 길이용 특수 V 블록: 주철 베이스와 경화강 인서트가 있는 V 블록이 사용됩니다(그림 1-37d).

• 자유도 제한: 긴 V 블록은 4개의 자유도를 제한하는 반면, 짧은 V 블록은 2개의 자유도를 제한합니다.
• 일반적인 V-블록 각도: 60°, 90°(가장 일반적), 120°
• 표준화: V-블록 구조는 표준화되었으며(그림 1-38), 대부분의 매개변수는 공작기계 고정구 설계 매뉴얼에서 확인할 수 있습니다.
  • 자기중심 위치 조정
• 3구형 셀프 센터링 척 및 스프링 콜릿과 같은 장비에서 공작물 축을 필요한 위치에 자동으로 배치합니다.
• 슬리브는 위치 지정 요소로도 사용할 수 있습니다(그림 1-39).
• 슬리브에 대한 자유도 제한:
  • 그림 1-39a에 나타난 짧은 소매 구멍은 2점 위치 지정과 동일하며 2개의 자유도를 제한합니다.
  • 그림 1-39b에 나타난 긴 소매 구멍은 4점 위치 지정과 동일하며 4개의 자유도를 제한합니다.

5.3구멍 기반 위치 지정을 위한 위치 결정 요소

• 위치 지정 핀

• 일반적인 구조는 그림 1-40에 나와 있습니다.
• 구조적 특징:
  • 핀 직경 D가 3~10mm일 경우, 열처리 중 파손이나 담금질 균열을 방지하기 위해 핀 뿌리 부분에 필렛 반경 R을 적용한다.
  • 고정 장치 본체에는 카운터보어가 있어 핀이 안쪽으로 들어가 위치 조정에 영향을 미치지 않습니다.
  • 대량 생산을 위해 교체를 용이하게 하기 위해 부싱형 구조(그림 1-40d)가 사용됩니다.
  • 핀 머리에는 공작물 적재를 용이하게 하기 위해 15°의 모따기가 되어 있습니다.

• 원통형 맨드릴

• 일반적인 구조는 그림 1-41에 나와 있습니다.
• 다양한 맨드릴 유형의 특징:
  • 그림 1-41a는 간극 맞춤 맨드릴을 보여주는데, 이는 쉬운 로딩 및 언로딩을 가능하게 하지만 중심 맞춤 정확도는 중간 정도입니다.
  • 그림 1-41b는 가이드부, 작업부, 구동부로 구성된 간섭 끼워맞춤 맨드릴을 나타낸다. 이 맨드릴은 구조가 간단하고 높은 중심 정밀도를 제공하며 별도의 클램핑 장치가 필요 없지만, 장착 및 분리가 불편하고 위치 결정 구멍이 손상될 수 있다. 주로 높은 중심 정밀도가 요구되는 정밀 가공에 사용된다.
  • 그림 1-41c는 스플라인 구멍으로 위치를 지정한 공작물을 가공하는 데 사용되는 스플라인 맨드릴을 보여줍니다.

• 테이퍼 핀

• 테이퍼 핀의 구멍을 이용하여 공작물을 고정할 때(그림 1-42), 3자유도가 제한됩니다.
• 적용 시나리오: 그림 1-42a는 대략적인 기준점 위치 결정에 사용되고, 그림 1-42b는 정밀한 기준점 위치 결정에 사용됩니다.
  • 테이퍼 맨드릴(소형 테이퍼 맨드릴)
• 그림 1-43에 나타낸 바와 같이, 공작물은 테이퍼 맨드릴에 위치하고, 위치 결정 구멍과 맨드릴의 테이퍼 경계면 사이의 탄성 변형에 의해 고정됩니다.
• 성능 특성: 높은 중심 정밀도(최대 φ0.01–φ0.02 mm)를 제공하지만, 축 방향 위치 오차가 비교적 큽니다.
• 적용 범위: 위치 결정 구멍의 정밀도가 IT7 이상인 정밀 선삭, 연삭 및 스피닝 작업에 적합합니다. 이 방법으로는 단면 가공이 불가능합니다.

5.4한 평면과 두 개의 구멍을 이용한 위치 지정

• 위치 결정 방식은 그림 1-44에 나와 있으며, 여기서는 공작물의 큰 평면 하나와 그 평면에 수직인 두 개의 구멍이 위치 결정 기준으로 사용됩니다.
• 과위치 문제: 고정 장치가 평면 지지대 하나(3자유도 제한)와 원통형 핀 두 개(각각 2자유도 제한)를 사용하는 경우, 두 핀을 연결하는 선 방향으로 과위치 현상이 발생합니다.
• 해결책: 과도한 위치 지정을 방지하기 위해, 핀 중 하나는 x축 방향 자유도를 제한하지 않는 완화형 핀으로 설계해야 합니다.
• 참고 표준: 완화 핀의 치수는 표 1-5를 참조하여 선택할 수 있습니다.

6.0V-블록 위치 조정 높이 및 핀 여유 공간 계산 방법

6.1V-블록 위치 높이 T 계산

• 공식: T=H+(d−N/2)/tan(α/2)
• 기호 정의:

• H: V 블록의 높이
• d: V-블록의 설계 맨드릴 직경
• N: V 블록의 개구부 너비
• α: V 블록의 두 작동면 사이의 포함각
  • 적용 목적: 이 공식은 원통형 표면 위치 결정에 V-블록을 사용할 때, 고정 장치의 기준면을 기준으로 공작물 축의 수직 위치 높이를 결정하는 데 사용됩니다.

6.2완화된 핀과 구멍 사이의 최소 맞춤 간극 Xmin 계산

• 공식: Xmin=(TLD+TLd)×(D/2)/L
• 기호 정의:

• TLD: 두 위치 결정 구멍 사이의 중심 거리 허용 오차
• TLd: 두 위치 결정 핀 사이의 중심 거리 허용 오차
• D: 완화된 핀과 결합되는 구멍의 직경
• L: 두 위치 결정 구멍(또는 위치 결정 핀) 사이의 중심 거리
  • 적용 목적: 이 계산은 위치 정밀도 요구 사항을 충족하면서도 완화된 핀으로 인해 과도한 위치 조정이 발생하지 않도록 보장합니다.

메모완화 핀의 구조적 치수(표 1-5, 단위: mm):

이러한 권장 치수는 위치 정확도와 조립 신뢰성의 균형을 맞추기 위해 고정 장치 설계에 일반적으로 사용됩니다.

7.0안정적인 공작물 고정을 위한 방법

7.1클램핑 장치의 기본 요구 사항

• 클램핑 과정 동안, 위치 고정 후 공작물의 정확한 위치는 변경되어서는 안 됩니다.
• 체결력은 적절해야 합니다. 즉, 가공 중 안정적인 위치 고정과 최소한의 진동을 보장하는 동시에 공작물의 과도한 체결 변형을 방지해야 합니다.
• 작동은 편리하고, 노동력을 절감하며, 안전해야 합니다.
• 클램핑 장치의 자동화 수준과 구조적 복잡성은 생산 물량 및 가공물의 배치 크기에 맞춰야 합니다.

7.2클램핑력의 방향 및 적용 지점 선택 방법

• 클램핑력은 주요 위치 결정 표면을 향해 작용해야 합니다(그림 1-45).

• 실제 사례: 가공된 구멍과 왼쪽 단면 사이에 직각도가 요구되는 경우, 클램핑력 FJ는 위치 결정면 A 방향으로 작용해야 합니다. 만약 위치 결정면 B 방향으로 작용하면, 왼쪽 단면과 바닥면 사이의 각도 오차로 인해 위치 결정이 틀어지고 구멍과 왼쪽 단면 사이의 직각도가 손상될 수 있습니다.
  • 체결력의 방향은 필요한 체결력을 최소화하는 데 도움이 되어야 합니다(그림 1-46).
• 실제 사례: 체결력 FJ가 절삭력 F 및 공작물 무게 W와 같은 방향으로 작용할 때, 필요한 체결력이 최소화됩니다.
  • 클램핑력을 가하는 지점은 공작물의 강성이 더 높은 위치와 방향으로 선택해야 합니다(그림 1-47).

• 실제 사례:
  • 선반 가공이나 성형 과정에서 얇은 벽 슬리브를 가공할 때 방적기축 방향 강성이 반경 방향 강성보다 크므로, 반경 방향 클램핑은 더 큰 변형을 유발합니다. 따라서 축 방향으로 클램핑력을 가하면 변형이 줄어듭니다.
  • 얇은 벽으로 된 박스형 부품을 고정할 때는 강성이 높은 플랜지에 힘을 가해야 합니다. 플랜지가 없는 경우에는 고정 변형을 줄이기 위해 1점 고정 대신 3점 고정(그림 1-47c)을 사용할 수 있습니다.
• 클램핑력 적용 지점은 가공 표면에 최대한 가까워야 합니다(그림 1-48).

• 실제 사례: 변속 포크에 슬롯을 밀링 가공할 때, 주요 클램핑력은 가공면에서 멀리 떨어진 곳에 작용합니다. 이 경우, 가공 영역 근처에 보조 지지대를 추가하고 클램핑력 FJ를 증가시켜 설정 강성을 향상시키고 가공 진동을 줄여야 합니다.
  • 클램핑력의 작용선은 위치 고정 지지대의 범위 내에 있어야 합니다(그림 1-49).
• 경고: 작업선이 지지 범위 밖에 있을 경우, 클램핑 과정에서 공작물의 위치가 손상될 수 있습니다. 이는 잘못되고 허용되지 않는 작업입니다.

7.3체결력 추정 방법

클램핑력의 크기는 설치 신뢰성, 클램핑 변형, 위치 정확도 및 가공 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적으로 사용되는 두 가지 추정 방법은 다음과 같습니다.

• 유추 방법

• 체결력은 유사한 고정 장치의 작동 조건을 참조하여 추정합니다.
• 이 방법은 생산 현장에서 널리 사용됩니다.
  • 정적 평형법
• 고정장치와 공작물은 강체 시스템으로 간주된다.
• 가공 중 가장 불리한 순간적인 조건을 파악하고, 정적 평형을 기반으로 이론적인 체결력을 계산한다.
• 그 결과에 안전 계수 K(황삭 가공의 경우 2.5~3, 정삭 가공의 경우 1.5~2)를 곱하여 실제 체결력을 구합니다.
• 일반적인 계산 예시:
  • 밀링 예시(그림 1-50): 절삭력 Fr이 최대에 도달하고 Fr에서 정지핀 O까지의 거리 L이 최대가 될 때, 공작물은 점 O를 중심으로 회전하려는 경향이 있습니다. 정적 평형에 따라 FJ1 = FJ2 = FJ 및 μ1 = μ2 = μ라고 가정하면, 체결력 공식은 FJ=Fr×L/[μ×(L1+L2)]입니다. 실제 체결력은 F=K×Fr×L/[μ×(L1+L2)](단위: N)입니다. 여기서 Fr은 최대 절삭력(N), μ는 공작물과 위치 결정 요소 사이의 마찰 계수, L1은 절삭력 방향에서 정지핀까지의 거리(mm), L2는 두 지지핀에서 정지핀까지의 거리(mm)입니다.
  • 드릴링 예시(그림 1-51): 클램핑력은 절삭 토크 Mz에 의한 공작물 회전과 이송 저항 Ff에 의한 공작물 이동을 극복해야 합니다. 힘의 평형에 따라 실제 클램핑력 공식은 FJ=K×(Mz/(d/2)+Ff)/[2μ/sin(α/2)](단위: N)입니다. 여기서 Mz는 절삭 토크(N·mm), d는 공작물 직경(mm), Ff는 이송 저항(N), α는 V-블록의 두 작업면 사이의 각도(°), μ는 V-블록과 공작물 사이의 마찰 계수입니다.

7.4일반적인 클램핑 메커니즘

• 쐐기형 클램핑 메커니즘

• 쐐기를 힘 전달 또는 클램핑 요소로 사용하는 클램핑 메커니즘(그림 1-52)
• 실제 적용 사례:
  • 그림 1-52a에서, 구동 쐐기 1이 아래쪽으로 밀어내리면 슬라이딩 컬럼 2가 아래로 이동하고, 동시에 부유 압력판 3이 두 개의 공작물 4를 고정합니다. 가공 후, 쐐기 1의 작은 끝부분을 치면 공작물이 분리됩니다.
  • 실제 응용 분야에서 쐐기 메커니즘은 다른 메커니즘과 결합되는 경우가 많습니다. 그림 1-52b는 쐐기와 나사 클램핑 메커니즘의 조합을 보여줍니다. 나사를 회전시키면 쐐기가 움직여 경첩식 압력판이 공작물을 고정합니다.
• 나사 클램핑 메커니즘

• 나사, 너트, 와셔 및 압력판으로 구성된 클램핑 메커니즘
• 특징: 간단한 구조, 쉬운 제조, 우수한 자체 잠금 성능 및 큰 클램핑력으로 인해 고정구에 가장 널리 사용되는 클램핑 메커니즘입니다.
• 실제 적용 사례:
  • 그림 1-53은 단일 나사 클램핑 메커니즘을 보여줍니다. 그림 1-53a에서는 나사가 공작물을 직접 누르기 때문에 공작물이 손상되거나 회전할 수 있습니다. 그림 1-53b는 나사 머리 아래에 압력 블록을 추가하여 이러한 단점을 해결합니다.
  • 그림 1-54는 일반적인 나사식 압력판 클램핑 메커니즘을 보여줍니다. 그림 1-54a와 1-54b는 지렛대 원리를 이용하여 클램핑하는 이동식 압력판 유형입니다. 클램핑 지점, 받침점, 그리고 힘 작용점의 상대적인 위치가 다르기 때문에 지렛대 비율과 클램핑 힘이 달라지며, 그림 1-54c는 가장 높은 힘 증폭률을 제공합니다.
• 편심 클램핑 메커니즘

• 편심 요소를 이용하여 공작물을 직접 또는 간접적으로 고정하는 메커니즘(그림 1-55)
• 실제 적용 사례:
  • 그림 1-55a에서, 손잡이 1을 누르면 원형 편심 캠 2가 축 3을 중심으로 회전하면서 원통형 표면을 지지판 4에 누릅니다. 이때 발생하는 반력으로 축 3이 들리면서 압력판 5가 작동하여 공작물을 고정합니다.
  • 그림 1-55b와 1-55c는 각각 편심축과 편심포크를 사용하는 메커니즘을 보여준다.
• 성능 특성: 조작이 간편하고 빠른 클램핑이 가능하지만, 클램핑력과 스트로크는 상대적으로 작습니다.
• 적용 범위: 소형 판금 부품 스탬핑과 같이 절삭력이 낮은 작업이나 드릴링 전 빠른 위치 지정 및 고정 작업에 적합합니다.

7.5일반적인 공압 및 유압 구동 시스템의 특징은 무엇입니까?

수동 클램핑은 힘 전달 메커니즘을 통해 사람이 직접 힘을 가하여 공작물을 고정하는 방식입니다. 현대의 고효율 고정구에서는 동력 클램핑이 널리 사용됩니다. 동력 시스템에는 공압, 유압, 전기, 전자기 및 진공 구동 방식이 있으며, 그중 공압 및 유압 전달 시스템이 가장 일반적으로 사용됩니다.

• 공압 변속 시스템

• 작동 원리: 압축 공기를 동력원으로 사용합니다.
• 성능 특성: 빠른 작동, 압력 조절 가능, 낮은 오염도, 간단한 장비 유지 보수; 그러나 상대적으로 낮은 클램핑 강성과 일반적으로 더 큰 구조적 크기가 필요합니다.
• 일반적인 시스템 구성(그림 1-56): 공기 공급원 1에서 공급된 압축 공기는 윤활기 2(여기서 분무된 윤활유와 혼합되어 실린더를 윤활함), 감압 밸브 3(작동 압력 수준으로 압력을 낮춤), 체크 밸브 4(공기 공급 중단 또는 급격한 압력 강하 시 클램핑 메커니즘의 풀림을 방지함)를 통과합니다. 공기는 방향 제어 밸브 5에 의해 흡입 및 배출이 제어되고, 유량 제어 밸브 6은 피스톤 이동 속도를 조절합니다. 압력은 압력 게이지 7에 표시됩니다. 실린더 8은 피스톤을 구동하고, 피스톤은 클램핑 메커니즘을 작동시켜 공작물을 고정합니다.

• 일반적으로 사용되는 공압 실린더:
  • Piston-type cylinders (Figure 1-57a): Provide a long working stroke, and the output force is not affected by stroke length
  • 다이어프램형 실린더(그림 1-57b): 우수한 밀봉 성능, 소형 및 간단한 구조, 적은 마찰 부품, 긴 수명 등의 특징을 갖습니다. 그러나 작동 스트로크가 짧고 출력 힘이 스트로크 길이에 따라 변하는 단점이 있습니다.

• 적용 범위: 스탬핑 프레스 자동화 라인 및 머시닝 센터의 고속 클램핑에 널리 사용됩니다.
  • 유압 변속 시스템
• 작동 원리: 가압된 오일을 작동 매체로 사용하며 공압 시스템과 유사한 원리로 작동합니다.
• 공압 시스템과 비교했을 때 성능 특성은 다음과 같습니다. 더 큰 클램핑력, 더 높은 클램핑 강성, 더 안정적인 클램핑, 더 작은 실린더 크기, 그리고 더 낮은 소음 수준을 제공합니다. 주요 단점은 오일 누출 가능성과 유압 부품에 요구되는 높은 제조 정밀도입니다.

• 실제 적용 예(그림 1-58): 밀링 머신용 양방향 유압 클램핑 장치. 파이프라인 A를 통해 가압 오일이 작동 유압 실린더 5의 챔버 G로 유입되면 두 피스톤 4가 동시에 바깥쪽으로 밀려나면서 압력판 3을 구동하여 공작물을 클램핑합니다. 파이프라인 B를 통해 가압 오일이 유압 실린더 5의 양 끝단에 있는 챔버 E와 F로 유입되면 피스톤 4가 뒤로 밀려납니다. 그러면 스프링 2가 양쪽 압력판을 원래 위치로 되돌려 공작물을 해제합니다.
• 적용 범위: 특히 높은 체결력, 높은 강성 및 안정적인 위치 정밀도가 요구되는 가공 작업에 적합합니다.

8.0생산 요구사항에 따라 적절한 공작기계 고정구를 선택하는 방법

9.0공작기계 고정구 코어 관련 FAQ (자주 묻는 질문)

질문: 공작기계 고정장치란 무엇입니까?

A: 공작기계 지그는 가공 시 공작물 설정을 위해 사용되는 공정 장비입니다. 공작물을 정확한 위치에 고정하고 단단히 고정하여 가공 정확도를 보장합니다. 공작물의 정밀한 위치 설정과 안정적인 고정이 핵심 기능입니다.

질문: 공작기계 고정구의 주요 분류는 무엇입니까?

A: 전문성 정도에 따라 고정구는 범용, 특수용, 조절식, 모듈식 및 이송 고정구로 분류할 수 있으며, 공작기계 유형에 따라 선반, 밀링 머신, 드릴링 머신, 보링 머신 등에 사용되는 고정구가 포함됩니다. 또한 동력원에 따라 수동식, 공압식, 유압식 또는 전자기식 고정구로 분류할 수 있습니다.

질문: 공작물 위치 결정의 핵심 원리는 무엇입니까?

A: 핵심 원리는 6점 위치 결정 원리입니다. 공작물은 공간에서 6자유도(3개의 병진 운동과 3개의 회전 운동)를 가지고 있습니다. 6개의 지지점을 사용하여 이 6자유도를 제한함으로써 공작물의 위치를 완벽하게 정의할 수 있습니다.

질문: 완전 위치 설정, 불완전 위치 설정, 과다 위치 설정, 그리고 부족 위치 설정의 차이점은 무엇입니까?

A: 완전 위치 지정은 6자유도 모두를 제한합니다. 불완전 위치 지정은 6자유도 미만의 자유도를 제한하지만 가공 요구 사항은 충족하며, 둘 다 일반적으로 사용됩니다. 불완전 위치 지정은 필요한 자유도를 제한하지 못하므로 엄격히 금지됩니다. 과잉 위치 지정은 동일한 자유도를 여러 번 제한하며 정확도에 영향을 미치는지 여부를 기준으로 평가해야 합니다.

질문: 클램핑 장치의 기본 요구 사항은 무엇입니까?

A: 클램핑 과정에서 공작물의 위치가 변경되어서는 안 되며, 클램핑력은 적절해야 하고(진동이나 과도한 변형 없이 안정적이어야 함), 조작은 편리하고 노동력을 절감하며 안전해야 하고, 자동화 수준은 생산량에 맞춰야 합니다.

질문: 일반적으로 사용되는 공작물 위치 결정 요소는 무엇입니까?

A: 평면 위치 조정의 경우: 지지 핀, 지지판, 조절식 지지대 및 자동 정렬 지지대; 외부 원통형 표면의 경우: V 블록, 슬리브 및 3구 자동 센터링 척; 구멍 기반 위치 조정의 경우: 위치 결정 핀, 원통형 맨드릴, 테이퍼 핀 및 테이퍼 맨드릴; 1평면-2구멍 위치 조정의 경우: 평면 지지대와 원통형 핀 및 완화형 핀을 조합하여 사용.

질문: 적절한 공작기계 지그를 어떻게 선택해야 할까요?

A: 단일 부품 및 소량 생산용 범용 또는 모듈형 고정구, 중소량 생산용 조절식 고정구, 대량 생산용 특수 목적 또는 이송 고정구, 신제품 시험용 모듈형 고정구, 그리고 과도한 위치 지정을 방지하면서 고정밀 가공을 위한 고정밀 중심 맞춤 요소(예: 테이퍼 맨드릴) 등이 있습니다.

질문: 클램핑력은 어떻게 측정하나요?

A: 일반적으로 두 가지 방법이 사용됩니다. 하나는 유사한 고정 장치와 경험을 바탕으로 힘을 추정하는 유추 방법이고, 다른 하나는 이론적인 체결력을 계산하고 안전 계수(황삭 가공의 경우 2.5~3, 정삭 가공의 경우 1.5~2)를 곱하는 정적 평형 방법입니다.

 

참조

www.gressel.ch/en/wedge-clamping-element-kse/

eng.libretexts.org/Bookshelves/Mechanical_Engineering/Introduction_to_Aerospace_Structures_and_Materials_(Alderliesten)/03%3A_Analysis_of_Statically_Indeterminate_Structures/13%3A_Influence_Lines_for_Statically_Indeterminate_Structures/13.02%3A_Static_Equilibrium_Method