형상기억합금으로 초정밀 공작 공구 5초만에 교환

형상기억합금(SMA)을 이용한 스마트 공구 클램핑 시스템

형상기억합금(shape memory alloy, SMA)는 일정한 온도가 되면 본래의 형상으로  되돌아가는 성질이 있어, 고온에서 기억된 형상을 저온에서 변형시켜 가열하면 본래의 형상으로 되돌아가는 특수금속입니다.

공작기계 공구를 정확하고 빠르게 교환 장착할 수 있는 '형상기억합금  이용 공구 클램핑 시스템'이 국내 최초로 개발됐습니다.

■ 한국기계연구원 초정밀시스템연구실 박종권 박사팀은 링 형상의 형상기억합금(SMA Ring)을 초소형 공구 클램핑 장치에 적용해 공구를 매우 정밀하고 견고하게 장착하고 교환할 수 있는 스마트 공구 클램핑 시스템을 개발했습니다.
 
이번 기술 개발로 공구를 장착하는 구성 요소와 시스템이 단순해지면서 공구를 5초 안에 교환할 수 있게 됐습니다.

기존 공구를 탈착하기 위해 200℃ 이상 가열하는 데에 1분 이상의 시간이 걸렸고, 콜렛(collet)이나 바이스(vice) 등의 부가적 작동부품 뿐만 아니라 고가의 클램핑-언클램핑 시스템도 필요했습니다.

SMA 클램핑 장치 가열 냉각

클램핑 힘 실험 결과

이번에 개발된 클램핑 시스템은 공구의 직경이 최소 0.5㎜로, 30만 rpm에 이르는 고속회전에서도 안정된 가공 상태를 보여 고속회전이 필요한 소형 마이크로 가공 분야에 응용될 수 있습니다.

또한 밀링이나 드릴링 등의 가공 시에 탈착 반복 정밀도가 기존보다 3배 이상 향상됐습니다.

또 기존 방식과 달리 가공에 따라 온도가 높아질수록 파악력이 더욱 커지는 장점도 있습니다.

이번 기술개발 성과는 기술가치 23억 원, 연매출 200억 원, 세후 영업이익 20억 원에 이를 것으로 추정됩니다.

박종권 박사는 이번에 개발된 시스템을 기반으로 단시간 내에 공구 교환이 가능한 ATC(자동 공구 교환장치)도 개발 중입니다.

 

SMA 공구 클램핑 시스템 프로토 타입

<형상기억합금(SMA)을 이용한 스마트 공구 클램핑 시스템> SMA 클램핑 원리(SMA; Shape Memory Alloys) 단일방향성 형상기억합금을 통해 클램핑 및 언클램핑의 양방향성 동작을 구현하기 위해서 상대적으로 외경이 큰 공구홀더와 내경이 작은 형상기억합금 링 사이의 직경 차이를 이용한 끼워 맞춤 구조가 핵심이 된다. 저온에서 확대 소성변형된 형상기억합금이 공구홀더에 끼워진 뒤 고온의 오스테나이트 상이 되면 형상기억합금 링의 원형 내경보다 큰 직경의 공구홀더로 인해 형상 복원이 제지되고 그 결과 복원응력이 발생하게 된다. 이 복원응력에 의해 공구홀더는 수축되는 탄성변형이 이루어져 삽입된 공구를 클램핑하게 된다. 반대로 형상기억합금이 다시 냉각되어 마르텐사이트 상으로 변해가면 복원응력은 줄어들고 자체 탄성도 떨어지게 된다. 그 결과 형상기억합금의 복원력이 공구홀더 자체의 탄성력보다 작게 되어 공구홀더는 초기 형상으로 점점 회복되고 삽입된 공구는 언클램핑 상태가 된다.