KR102185505B1

KR102185505B1 - 스핀들 장치

Info

Publication number: KR102185505B1
Application number: KR1020140136055A
Authority: KR
Inventors: 조영전
Original assignee: 두산공작기계 주식회사
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2020-12-02
Also published as: KR20160041658A

Abstract

본 발명은 스핀들 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 장치는 회전 동력을 전달하는 스핀들과, 상기 스핀들을 둘러싸는 하우징, 그리고 상기 스핀들과 상기 하우징 사이에 배치되어 상기 스핀들을 회전 가능하게 지지하는 가변 예압 베어링부를 포함한다. 또한, 상기 가변 예압 베어링부는 초기 예압이 걸린 상태로 상기 스핀들의 길이 방향을 따라 나란히 설치된 제1 베어링과 제2 베어링, 그리고 상기 제1 베어링의 일측에 설치되어 온도가 상승하면 상기 초기 예압이 걸리는 방향에 반대 방향으로 상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링의 일부를 가압하여 예압을 감소시키는 예압 조절부를 포함한다.

Description

스핀들 장치{SPINDLE APPARATUS}

본 발명은 스핀들 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변 예압이 가능한 베어링부를 포함하는 스핀들 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작 기계는 여러 절삭 가공 방법 또는 비절삭 가공 방법으로 금속 또는 비금속의 공작물을 각종 공구를 이용하여 원하는 형상 및 치수로 가공할 목적으로 사용하는 기계를 말한다.

공작 기계는 가공 방법에 따라 크게 터닝 센터(turning center)와 머시닝 센터(machining center)로 분류된다. 여기서, 머시닝 센터는 가공 공구가 회전하고 가공될 공작물이 이동하면서 공작물이 가공한다.

머시닝 센터는 보링 머신(Boring Machine), 밀링 머신(Milling Machine), 및 드릴링 머신(Drilling Machine) 등을 하나로 복합 구성하여 절삭과 천공 및 탭핑 등과 같은 모든 가공 작업이 가능하다.

공구를 회전시키기 위해 머시닝 센터에 사용되는 스핀들(spindle) 장치는 하우징 내부에 스핀들을 회전 가능하게 설치하고 있다.

이때, 스핀들 장치는 하우징 내부에서 스핀들을 지지하는 베어링부를 구비하고 있으며, 이러한 베어링부에는 적절한 예압(Preload)을 가해주는 것이 요구된다.

예압(Preload)이란 베어링에 미리 하중을 부가하는 것으로 스핀들의 강성을 증가시키고 베어링부의 내륜체와 외륜체의 틈새를 제거하여 볼의 미끄럼을 방지하고 백래쉬를 최소화하기 위한 목적으로 가해진다.

또한 스핀들 장치의 베어링에 예압을 주어 회전 정밀도를 향상 시킬 수 있다.

스핀들 장치의 베어링부에 예압을 주는 방식은 크게 정위치 예압과 정압 예압 방식으로 나눌 수 있다.

도 1은 정위치 예압 방식이 적용된 스핀들 장치(11)의 베어링부를 나타낸다.

도 1에 도시한 바와 같이, 정위치 예압은 큰 강성을 요구하는 저속 회전에는 적합하나, 스핀들(20)이 고속 회전을 하게 되면 원심력과 마찰력 등에 의해 늘어나게 됨으로써, 주축을 지지하는 베어링(30)의 예압은 증가하게 된다. 이렇게 증가된 예압은 베어링(30)의 수명 감소 및 소착 등의 원인이 된다. 도 1에서 참조부호 50은 하우징을 나타낸다.

즉, 정위치 예압은 간단한 구조로 가장 많이 사용하는 방식이지만 베어링(30)의 회전에 의한 발열에 따른 열팽창으로 인해, 예를 들어 20,000 rpm 이상의 상대적으로 높은 회전수(RPM)에서는, 적용하기 어려운 한계가 있다.

도 2는 정압 예압 방식이 적용된 스핀들 장치(12)의 베어링부를 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같이, 정압 예압은 고속 가공에 적합하도록 큰 가성 대신 발열을 저하시키고, 많은 회전수에 적당한 양의 예압이 가해지도록 하는 방법이다. 정압 예압은 정위치 예압의 단점을 해소하기 위해 후열 배어링(32)의 외륜 축 방향을 자유로이 움직일 수 있도록 함으로써 일정한 예압이 가해지도록 한 구조이다.

일반적인 정압 예압은 하우징(50), 전열 베어링(31), 후열 베어링(32), 예압용 스프링(38)으로 구성된다. 스핀들(20)은 전열 베어링(31)과 후열 베어링(6)에 의해 지지된다.

스핀들(20)이 고속 회전을 하게 되면, 원심력과 마찰력 등으로 인해 늘어나게 된다. 그리고 스핀들(20)이 늘어난 양 만큰 축 방향으로 베어링(31, 32)을 통해 움직이게 되며, 예압용 스프링(38)의 탄성력이 하우징(50)에 전달되어 후열 베어링(32)에 일정한 예압이 가해지게 된다. 또한, 스핀들(20)을 통해 전열 베어링(31)에도 일정한 예압이 가해지게 된다.

이러한 정압 예압 방식은 코일 스프링을 이용하여 적절한 예압을 줄 수가 있어 사용하는 동안 어느 정도의 일정한 예압을 줄 수가 있다는 장점이 있다.

하지만, 정위치 예압 방식과 비교했을 때 높은 예압을 줄 수가 없다는 한계를 가지고 있다.

따라서, 강력 절삭에 중점을 두고 있는 공작 기계에는 정위치 예압 방식을 사용하고 금형 가공에 사용되는 공작 기계의 경우에는 정압 예압 방식을 주로 사용하고 있다.

근래에는, 공작 기계의 스핀들이 고강성과 고회전수(RPM)을 동시에 요구하고 있는 추세이다. 그러나, 정위치 예압 방식과 정압 예압 방식은 이러한 요구를 만족시키지 못하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 상대적으로 낮은 회전수(RPM)에서는 베어링에 상대적으로 높은 예압을 주어 스핀들의 강성을 키워 강력 절삭이 가능하고 상대적으로 높은 회전수(RPM)에서는 상대적으로 베어링의 예압을 감소시켜 스핀들에서 발생하는 열을 낮추게 함으로써 금형 절삭이 가능하도록 가변 예압 베어링부가 적용된 스핀들 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스핀들 장치는 회전 동력을 전달하는 스핀들과, 상기 스핀들을 둘러싸는 하우징, 그리고 상기 스핀들과 상기 하우징 사이에 배치되어 상기 스핀들을 회전 가능하게 지지하는 가변 예압 베어링부를 포함한다. 또한, 상기 가변 예압 베어링부는 초기 예압이 걸린 상태로 상기 스핀들의 길이 방향을 따라 나란히 설치된 제1 베어링과 제2 베어링, 그리고 상기 제1 베어링의 일측에 설치되어 온도가 상승하면 상기 초기 예압이 걸리는 방향에 반대 방향으로 상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링의 일부를 가압하여 예압을 감소시키는 예압 조절부를 포함한다.

상기 예압 조절부는 온도가 상승하면 팽창하는 형상 기억 합금을 소재로 만들어질 수 있다.

상기 제1 베어링은 상기 스핀들의 외주면에 결합된 제1 내륜체와, 상기 하우징의 내주면에 결합된 제1 외륜체, 그리고 상기 제1 내륜체와 상기 제2 내륜체 사이에 배치된 제1 볼을 포함할 수 있다.

상기 제2 베어링은 상기 스핀들의 외주면에 결합되고 상기 제1 내륜체와 이웃한 제2 내륜체와, 상기 하우징의 내주면에 결합되고 상기 제1 외륜체와 이웃한 제2 외륜체, 그리고 상기 제2 내륜체와 상기 제2 내륜체 사이에 배치된 제2 볼을 포함할 수 있다.

상기 예압 조절부는 상기 제1 내륜체와 이웃하게 배치되어 온도가 상승하면 상기 제1 내륜체를 가압할 수 있다.

상기 가변 예압 베어링부는 상기 제2 외륜체와 이웃하게 배치되어 상기 제2 외륜체를 탄성 가압하는 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 예압 조절부가 팽창하면 상기 제1 내륜체를 가압하고, 상기 제1 내륜체는 제1 볼을 가압하며, 상기 제1 볼은 상기 제1 외륜체를 가압하고, 상기 제1 외륜체는 상기 제2 외륜체를 가압하며, 상기 제2 외륜체는 상기 탄성 부재를 가압하면서 예압을 감소시킬 수 있다.

상기한 스핀들 장치는 상기 제1 외륜체 및 상기 제2 외륜체와 상기 하우징 사이에 배치된 슬라이드 부쉬를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스핀들 장치는 가변 예압 베어링부를 적용하여 상대적으로 낮은 회전수(RPM)에서는 베어링에 상대적으로 높은 예압을 주어 스핀들의 강성을 키워 강력 절삭이 가능하고 상대적으로 높은 회전수(RPM)에서는 상대적으로 베어링의 예압을 감소시켜 스핀들에서 발생하는 열을 낮추게 함으로써 금형 절삭이 가능하다.

도 1은 종래의 정위치 예압 방식이 적용된 스핀들의 베어링부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 2은 종래의 정압 예압 방식이 적용된 스핀들의 베어링부를 나타낸 부분 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치의 부분 단면도이다.
도 4는 도 3의 베어링부를 확대 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치 (101)를 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(101)는 스핀들(spindle, 200), 하우징(500), 및 가변 예압 베어링부(300)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(101)는 슬라이드 부쉬(400), 잠금 너트(lock nut, 610, 620)를 더 포함할 수 있다.

스핀들(200)은 공작물을 가공하는 공구에 회전 동력을 전달한다. 하우징(500)은 스핀들(200)을 둘러싸며 스핀들 장치(101)의 외관을 형성한다.

가변 예압 베어링부(300)는 스핀들(200)과 하우징(500) 사이에 배치되어 스핀들(200)을 회전 가능하게 지지한다.

본 발명의 일 실시예에서, 가변 예압 베어링부(300)는 제1 베어링(310), 제2 베어링(320), 예압 조절부(370)를 포함한다.

또한, 가변 예압 베어링부(300)는 탄성 부재(380), 리테이너(390), 스페이서(350)를 더 포함할 수 있다.

제1 베어링(310)과 제2 베어링(320)은 초기 예압이 걸린 상태로 스핀들(200)의 길이 방향을 따라 나란히 설치된다.

구체적으로, 제1 베어링(310)은 스핀들(200)의 외주면에 결합된 제1 내륜체(311)와, 하우징(500)의 내주면에 결합된 제1 외륜체(315), 그리고 제1 내륜체(311)와 제2 내륜체(315) 사이에 배치된 제1 볼(312)을 포함한다.

제2 베어링(320)은 스핀들(200)의 외주면에 결합되고 제1 내륜체(311)와 이웃한 제2 내륜체(321)와, 하우징(500)의 내주면에 결합되고 제1 외륜체(315)와 이웃한 제2 외륜체(325), 그리고 제2 내륜체(321)와 제2 내륜체(325) 사이에 배치된 제2 볼(322)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 제1 베어링(310)과 제2 베어링(320)은 강력 절삭에 적합한 수준의 높은 초기 예압이 걸린 상태로 설치된다.

또한, 스페이서(350)는 제1 외륜체(315)와 제2 외륜체(325) 사이와 제1 내륜체(311)와 제2 내륜체(321) 사이에 각각 배치된다. 경우에 따라, 스페이서(350)는 생략될 수 있다.

스페이서(350)는 제1 베어링(310)과 제2 베어링(320) 간의 간격을 조절하고, 제1 베어링(310)으로부터 받은 압력을 제2 베어링(320)에 전달할 수 있다.

예압 조절부(370)는 제1 내륜체(311)와 이웃하게 배치된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 예압 조절부(370)는 온도가 상승하면 제1 내륜체(311)를 가압하도록 구성된다.

이와 같이, 예압 조절부(370)는 제1 베어링(310)의 일측에 설치되어 온도가 상승하면 초기 예압이 걸리는 방향에 반대 방향으로 제1 베어링(310)과 상기 제2 베어링(320)의 일부를 가압하여 예압을 감소시킨다. 이때, 예압 조절부(370)에 의해 감소된 예압은 금형 가공에 적합한 수준이 된다.

일례로, 예압 조절부(370)는 온도가 상승하면 팽창하는 형상 기억 합금을 소재로 만들어질 수 있다.

탄성 부재(380)는 제2 외륜체(325)와 이웃하게 배치되어 제2 외륜체(325)를 탄성 가압한다. 탄성 부재(380)는, 일례로, 코일 스프링일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 예압 조절부(370)가 팽창하면서 제1 내륜체(311)를 가압한 힘은 최종적으로 탄성 부재(380)에 전달된다. 반대로, 예압 조절부(370)의 온도가 내려가 수축되면 탄성 부재(380)의 탄성력에 의해 예압 조절부(370)의 팽창으로 이동하게 된 여러 구성들이 초기 예압 상태로 복원하게 된다.

리테이너(390)는 탄성 부재(380)를 수용하여 제2 외륜체(325)와 이웃하게 탄성 부재(380)를 위치시킨다.

슬라이드 부쉬(400)는 제1 외륜체(315) 및 제2 외륜체(325) 및 하우징(500) 사이에 배치된다. 슬라이드 부쉬(400)는 예압 조절부(370)의 팽창 가압으로 제1 외륜체(315)와 제2 외륜체(325)가 이동하면서 하우징(500)이 손상되는 것을 방지하고 제1 외륜체(315)와 제2 외륜체(325)가 마모되는 것을 최소화한다.

잠금 너트(610, 620)는 제1 베어링(310)의 일방향 움직임을 제한한다. 구체적으로, 잠금 너트(610, 620)는 제1 잠금 너트(610)와 제2 잠금 너트(620)를 포함할 수 있다.

제1 잠금 너트(610)는 예압 조절부(370)를 사이에 두고 제1 내륜체(311)와 대향하도록 스핀들(200)에 고정 설치된다. 제2 잠금 너트(620)는 제1 외륜체(315)와 이웃하게 하우징(500)에 고정 설치된다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(101)의 동작 원리를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(101)의 가변 예압 베어링부(300)는 강력 절삭에 적합한 상대적으로 높은 초기 예압이 걸린 제1 베어링(310)과 제2 베어링(320)을 포함한다. 그리고 강력 절삭시 스핀들(200)은 저속 회전을 하게 된다.

이후, 필요에 따라 스핀들(200)의 회전 속도를 증가시키면, 원심력과 마찰력이 증가하면서 발열되고, 스핀들(200) 및 가변 예압 베어링부(300)의 온도가 상승된다.

이때, 형상 기억 합금 소재로 만들어진 예압 조절부(370)가 팽창하면서, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 내륜체(311)를 가압하게 된다. 제1 내륜체(311)는 제1 볼(312)을 가압하고, 제1 볼(312)은 경사진 방향으로 힘을 전달하여 제1 외륜체(315)를 가압한다. 그리고 제1 외륜체(315)는 스페이서(350)를 거쳐 제2 외륜체(325)를 가압하고, 제2 외륜체(325)는 다시 탄성 부재(380)를 가압하면서 예압을 감소시킨다.

이때, 예압은 금형 가공에 적합한 수준이 된다.

다음, 스핀들(200)의 회전이 감속되거나 정지되면, 온도가 내려가면서 형상 기억 합금 소재로 만들어진 예압 조절부(370)가 수축하게 된다. 그리고 예압 조절부(370)의 팽창에 의해 밀려 이동했던 제1 내륜체(311), 제1 볼(312), 제1 외륜체(315), 스페이서(350), 및 제2 외륜체(325)는 예압 조절부(370)의 수축과 탄성 부재(380)의 탄성력에 의해 원래 위치로 이동하면서 초기 예압으로 복원된다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(101)는 가변 예압 베어링부(300)를 적용하여 상대적으로 낮은 회전수(RPM)에서는 베어링에 상대적으로 높은 예압을 주어 스핀들(200)의 강성을 키워 강력 절삭이 가능하고 상대적으로 높은 회전수(RPM)에서는 상대적으로 베어링의 예압을 감소시켜 스핀들(200)에서 발생하는 열을 낮추게 함으로써 금형 절삭이 가능하다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치(101)는 고강성과 고회전수(RPM)을 동시에 요구하는 공작 기계에 효과적으로 사용될 수 있다.

또한, 베어링의 내구성과 수명을 크게 증가시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

101: 스핀들 장치 200: 스핀들
300: 가변 예압 베어링부 310: 제1 베어링
311: 제1 내륜체 312: 제1 볼
315: 제1 외륜체 320: 제2 베어링
321: 제2 내륜체 322: 제2 볼
325: 제2 외륜체 350: 스페이서
370: 예압 조절부 380: 탄성 부재
390: 리테이너 400: 슬라이드 부쉬
500: 하우징 610, 620: 잠금 너트

Claims

회전 동력을 전달하는 스핀들;
상기 스핀들을 둘러싸는 하우징; 및
상기 스핀들과 상기 하우징 사이에 배치되어 상기 스핀들을 회전 가능하게 지지하는 가변 예압 베어링부
를 포함하며,
상기 가변 예압 베어링부는 초기 예압이 걸린 상태로 상기 스핀들의 길이 방향을 따라 나란히 설치된 제1 베어링과 제2 베어링, 그리고 상기 제1 베어링의 일측에 설치되어 온도가 상승하면 상기 초기 예압이 걸리는 방향에 반대 방향으로 상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링의 일부를 가압하여 예압을 감소시키는 예압 조절부를 포함하고,
상기 제1 베어링은 상기 스핀들의 외주면에 결합된 제1 내륜체와, 상기 하우징의 내주면에 결합된 제1 외륜체, 그리고 상기 제1 내륜체와 상기 제1 외륜체 사이에 배치된 제1 볼을 포함하고,
상기 제2 베어링은 상기 스핀들의 외주면에 결합되고 상기 제1 내륜체와 이웃한 제2 내륜체와, 상기 하우징의 내주면에 결합되고 상기 제1 외륜체와 이웃한 제2 외륜체, 그리고 상기 제2 내륜체와 상기 제2 외륜체 사이에 배치된 제2 볼을 포함하며,
상기 예압 조절부는 상기 제1 내륜체와 이웃하게 배치되어 온도가 상승하면 상기 제1 내륜체를 가압하고,
상기 예압 조절부를 사이에 두고 상기 제1 내륜체와 대향하도록 상기 스핀들에 고정 설치되는 제1 잠금 너트와;
상기 제1 외륜체와 이웃하게 상기 하우징에 고정 설치된 제2 잠금 너트
를 더 포함하는 스핀들 장치.
제1항에서,
상기 예압 조절부는 온도가 상승하면 팽창하는 형상 기억 합금을 소재로 만들어진 스핀들 장치.
삭제
제1항에서,
상기 가변 예압 베어링부는 상기 제2 외륜체와 이웃하게 배치되어 상기 제2 외륜체를 탄성 가압하는 탄성 부재를 더 포함하는 스핀들 장치.
제4항에서,
상기 예압 조절부가 팽창하면 상기 제1 내륜체를 가압하고, 상기 제1 내륜체는 제1 볼을 가압하며, 상기 제1 볼은 상기 제1 외륜체를 가압하고, 상기 제1 외륜체는 상기 제2 외륜체를 가압하며, 상기 제2 외륜체는 상기 탄성 부재를 가압하면서 예압을 감소시키는 스핀들 장치.
제1항에서,
상기 제1 외륜체 및 상기 제2 외륜체와 상기 하우징 사이에 배치된 슬라이드 부쉬를 더 포함하는 스핀들 장치.