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선반의 특허출원 동향
 
 
월간 기계기술기자 | 2003.04.01 | 2003년 4월호
 
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지금 세계는 치열하게 전개되는 정보 전쟁 속에서 자국의 이익을 확보하기 위해 산업재산권 보호 노력을 급속히 강화하고 있다. 이러한 특허전쟁의 시대에서는 기술 경쟁력이 없이는 미래를 보장받을 수 없으며, 이를 위해 가장 기본이 되는 것은 특허기술정보의 효율적인 활용이다.
  지난호에 이어 본지에서는 한국특허정보원 내 선행기술조사본부에서 조사 작성한 기술리포트 “선반”에 대해 게재한다<편집자 주>.
1. 선반의 과거와 현재.
고대 밧줄을 이용하거나 활(弓)이나 페달식 막대를 이용한 선반에서부터 시작된 공작기계 가운데 가장 오래 전부터 중요한 기계로 사용되어 온것이 바로 선반(Lathe Turning Machines)이다.
  선반은 피가공물을 주축에 설치하여 주축과 함께 회전시키고 바이트를 접촉하여 절삭가공(선삭가공)을하는 기계로서, 원칙적으로는 피가공물의 외경을 원통 형상으로 절삭하는 기계로 평면, TAPER 등의 절삭, 환봉의 절단, 원추가공, 나사가공, 연삭 등의 작업이 가능하며 넓은 응용 범위를 가지고 있다.
  이의 발전 과정을 보면 보통선반과 터릿선반 또는 모방선반이라고 하는 수동형태의 각종 선반을 기본으로 여기에 NC화하는 방향으로 발전했다.
  NC 선반(Numerically Controlled Lathe)은 바이 트의 운동이 수치정보에 의한 지령으로 제어되는 선반으로 정의되어진다. 결국에는 지금까지 보아온 각종 선반에 걸린 절삭가공에 관한 모든 정보를 수치 기호화하여 종이Tape 등에 프로그래밍하 고, NC장치(수치제어장치)로 자동적으로 가공할수 있게 한 선반이다. 종래에는 설계도가 완성되면 바로 선삭 가공에 착수했지만 NC선반에서는 새로운 NC Data를 작성하는 프로그램 작업을 한다. 이것이 보통선반과 가장 큰 차이점이다.
  현재 선반의 경우 생산량으로 80%, 금액으로는 90% 이상(일본의 경우)을 NC선반이 점하고 있다.
  이러한 이유로 최근 선반이라 하면 보통 NC선반을 지칭하기도 한다.
2. 선반의 특징 및 구성
가) 범용선반 선반의 크기를 표시하는 데에는 베드상의 스윙 (Swing Over Bed), 왕복대의 스윙(Swing Over Carriage), 또는 양 센터간의 최대거리 (Distance Between Centers)가 있다.
  베드상의 스윙은 베드에 접촉되지 않고 주축에 취부할 수 있는 피가공물의 최대 직경이며, 왕복 대상의 스윙은 왕복대와 간섭 없이 주축에 취부할수 있는 최대 직경을 말한다. 센터간 최대 거리는 베드상에서 심압대를 주축으로부터 최대한으로 벌려 놓았을 때의 주축과 심압축에 끼워 넣을 수있는 센터간의 거리로 양 센터간 지지되는 피가공 물의 최대 길이를 표시한다.
  또한 베드의 길이로 표시하는 경우도 있지만 실제로 절삭 가능한 피가공물의 길이와는 상당한 차이가 있다. 특별히 NC선반에서는 베드의 형상이 여러 종류가 있어 기계의 크기를 표시할 때Chuck 크기, 최대 가공경, 봉재 가공경 및 최대 가공길이로 표시한다.
  선반은 다음과 같이 주요 부분으로 구성되어 있다.
 ① 피가공물을 취부/회전운동을 시키는 주축 (Main-Spindle)
 ② 이것을 지지하는 베어링, 주축의 구동기구를 내장한 주축대(Head-Stock)
 ③ 주축대와 마주보고 있으며 베드 위에 고정되어 있는 심압대(Tail-Stock : 피가공물의 한끝을 고정시키기 위해 피가공물의 길이에 대해 베드 안내면을 좌·우로 이동하여 필요한 위치에서 고정시키는 것)
 ④ 베드상 안내면에 있으며 좌·우로 이동시킬수 있는 왕복대(Carriage)
 ⑤ 왕복대 상부에 있는 공구를 취부할 수 있는 공구대(Tool-Post)나) NC선반 작업자의 감(感)이나 힘에 의한 기계조작에 의존하지 않아도 좋을 정도로 숙련 기능자가 필요치 않고, 도면치수와 가공순서 등이 바로 프로그램으로 정리되어 있기 때문에 도면 오독이나 감(感) 등에 의한 가공 Miss를 방지할 수 있다. NC Data에 의한 제어로 가공시간·가공순서 등이 일정하므로 가공정도의 차(差)가 적고, 품질의 균일화와 불량품의 감소 및 융통성·범용성이 있다.
  공작물의 변화시 프로그램 교환만으로 임의의 형상가공이 가능하며 또한 Setting 작업도 용이하 고, 작업자가 종래에 실시했던 절삭조건의 설정은 NC Data화가 가능하므로 기계를 직접 조작하는 것이 감소되고, 한사람이 여러 대의 기계를 다룰수 있게 되었다.
  NC선반의 구성을 보면, 종래의 선반 구성을 기본으로 하고 제어장치로 NC장치 각 운동부를 이동시키는 서보(Servo) 기구를 부가한 것으로 베드, 공구대 이외 것의 강성은 NC기기의 기능을 만족할 수 있도록 대폭강화 시켰으며, 또한 Compact 화시킨 것이 특징이다.
3. 선반의 출원동향
가) 국내 선반류의 출원동향
  범용선반에서 NC 및 CNC자동선반으로 기술발 전이 되어 가는 이런 추세는 <표 1> 및 <그림 2>에 서도 나타난다.
  상기 종류중 범용선반은 소형선반 및 수직선반을 포함하고, 자동선반에는 다축 스핀들 및 NC선 반이 포함되었고, 특수선반은 시계, 차축, 크랭크축 등특수공작물가공선반을 포함한다.
 나) 선반의 주요 부문별 기술출원 현황
  상기 구분은 국제특허분류표(IPC)에 근거하여 조사된 내용이며, 제어, 구동, 이송, 측정 및 검사 부문은 타 공작기계와 공동으로 응용되는 장치도 포함하였으며, 범용선반에서 탈피하여 컴퓨터응용에 의한 자동화, 무인화 추세에 부응하기 위해 주요 구성부를 개발한 후 NC선반을 비롯한 여러 공작기계에 탑재나 병행 설치의 목적으로 특정 핵심부품의 출원이 증가되는 경향을 볼수 있다.
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4. 주요 특허출원분석
선반의 기능별 분류에 따른 대표적인 기술을 출원된 자료에서 살펴보면 다음과 같다.
 가) 수평형 공작기계
 
 명칭 : 수평형공작기계. / 출원번호 : 10-1998-0040619
 본 발명은 회전 가능한 공구주축을 수평으로 지지하는 주축헤드 및 워크서포트를 1개의 베이스의 인접하는 직교면 상에서 각각 안내하는 형식의 수평형(橫形)공작기계 및 이 수평형 공작기계에 적합한 워크서포트 이송기구에 관한 것과 수평형 공작기계에 적합한 자동공구교환장치 및 수평형 공작기계에 적합한 칩회 수장치에 관한 것이다. 수평의 축선 주위에서 공구주축을 회전 가능하게 지지하는 주축헤드를 베이스의 상면부에 있어서 상기 주축의 축선방향과 직각인 제1 수평방향 및 상기 주축의 축선과 평행한 제2 수평방향으로 이동 가능하게 안내하고, 또한 상기 베이스의 상면부보다 상방위치에 워크장착부를 가지는 워크서포 트를 상기베이스의 전측(前側)과 상기 상면부보다 하방으로 신장하는 수직 전면부에서 상하방 향으로 안내 하는 구성으로 한다.
 이 구성에 따르면, 워크서포트를 상하 안내하는 안내기구의 수평방향의 폭을 좁게 할 수 있고, 워크서포 트의 양측에는 칩의 자연낙하를 저해하지 않는 공간을 확보할 수 있다. 또 주축헤드를 수평방향의 2방향으로 안내하는 공통의 베이스의 수직 전면부에서 워크서포트를 지지함에 따른 기계강성의 향상에 더하여, 기계 전체의 신장을 낮게 할 수 있음으로써 기계강성의 향상도 도모할 수 있다.
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나) 다축자동선반
  명칭 : 다축 자동선반 / 출원번호 : 10-1988-0013646
 박자식으로 서로서로 이동될 수 있는 공작물 스핀들(10)을 가진 순서의 가공스테이션과 공구스 테이션에서 공작물을 제작하며, 거기에 있어 공작물 스핀들(10)의 수(n)는 공구스테이션의 수(n)와 같은 다축 자동 선반에 있어서, 일정수의 기본공구스테이션(1 내지 n)에 추가하여 다시 추가 공구스테이션(2내지 n)으로서 첫째 공구스테이션을 제외한 각 기본공구스테이션이 배치되어 있고 상기 추가 공구스테이션은 기본공구 스테이션(1 내지 n)앞에 동일한 가공순서로 배치되고, 그리하여 공작스테이션의 총수 N=2n- 1이 되며, 가공은 각 공작물이 공구스테이션에서의 각 가공후 박자식으로 직선적으로 다음 스테이션에 이동되고 n-1 이송단계 및 연이은 역진 또는 두 이송단계에서의 역전후 그의 출발가공스테이션에 도달하며, 또한 공작물에 대한 장전 및 방출장치가 적어도 한 공구스테이션에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다축 자동선반.
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다) 양측동시가공선반
  명칭 : 양측동시가공이 가능한 자동선반 / 출원번호 : 10-1995-0058209
 본 발명은 NC 또는 CNC선반이나 머시닝센터 등의 자동선반에 적용되어 양측에서 동시에 별개의 절삭가 공이 가능하도록 한 자동선반에 관한 것이다.
  이를 위해 본 발명은 개폐가 자유로운 룸(1)내에서, 베드(24)상에서 스윙이 자유로우며 서보모터(22)로 회전되는 센터(21)와 자동제어되는 툴포스트(23)등으로 이루어지는 서보계(2)와, 상기룸(1) 내부로 가공할 소재를 공급하기 위한 자재송급장치(5)로 구성되는 자동선반에 있어서, 상기 프로그램(3)에의하여 각각 독립적으로 제어되는 2세트의 서보계(2)가 상기 자재공급장치(5)로 공급된 소재를 룸(1) 내부로 공급하기 위한 로더(25)와 가공이 완료된 소재를 룸(1) 외부로 배출하기 위한 언로도 (25')가 구비되며, 상기 로더(25) 및 언로도(25')는 가이드레일(29)(29')상에서 슬라이딩되는 구조로 이루어지며 그 하부에는 소재를 주기 위한 파지구(51)(51')가 각각 결합되어진 것으 로, 로더(6)의 추가가 필요 없게 되며, 한 장비내에서의 이송이므로 공정간 이송이 신속하게 이루어지며, 특히 일반선 반에 비하여 고가가 되는 원인인 프로그램계(3)를 공유함으로써 성능좋은 장비를 저렴화 할수 있어서 경제성이 높고 효율 좋은 발명인 것이다.
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라) CNC선반
  명칭 : 컴퓨터 수치제어 자동복합선반 / 출원번호 : 10-1992-0008360
  후방 스핀들에서 가공되는 가공공정의 수를 증가시키는데 적합하여서, 후방 스핀들의 이용을 향상시킨 컴퓨터 수치제어 자동복합선반에 관한 것으로 후방 스핀들을 구비한 컴퓨터 수치제어 자동복합 선반은 터릿 공구대에서 유지되는 다수의 가공공구들로 복합가공공정을 수행한다. 후방스핀들은 가공물의 후방측부에 위치되어, 처음에 가공물을 파지하는 주스핀들에 마주한다. 가공물 및 드릴 또는 다른 공구들을 파지하기 위한 여러 종류의 척들이 후방 스핀들에 장착될 수 있어서, 척으로 가공물의 파지 또는 드릴로 가공물의 정면가공과 같은 후방스핀들에서 수행될 수 있는 다수의 가공물 공정들이 실제화 될 수 있게 된다 . 그러므로, 컴퓨터 수치제어 자동복합 선반은 후방 스핀들의 이용을 향상시켜서, 소형부품들의 대량 생산의 요구를 충족시킬 수 있다.
5. 결 론
앞으로 선반의 기술개발과제는 공작기계에서 요구하는 일반적인 사항인 고정도화, 고속화, 고능 률화 및 자동화이고, 고속화 고능률화를 위한 일환으로, SPINDLE회전수의 고속화, 공구자동교환 장치(ATC), 공작물 교환용 팔레트자동교환장치 (APC)등이 주요 개선기술로 대두되고 있다. 더 나아가서 CIM(컴퓨터통합생산관리시스템)에 의한 지능형 무인자동화가 가능한 선반도 출현할 것으로 사료된다.
  ■참고자료■
  특허청 신기술조사동향보고서
  최신 공작기계(문운당)
  http://www.machinet.com. http://www.kipris.or.kr/
  http://www.komma.org/

 
TAG :  선반  특허  CNC
 
 
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