KR20230094879A - 공작기계용 정압예압 주축장치 - Google Patents

공작기계용 정압예압 주축장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공작기계용 정압예압 주축장치에 관한 것으로, 특히 전방 하우징의 내부에 위치하는 제1 베어링과 제2 베어링 사이에 예압 스프링을 형성하여 무게를 줄임과 동시에 소정의 예압을 유지하여 원활하게 구동될 수 있도록 하는 공작기계용 정압예압 주축장치에 관한 것이다. 구성은 공작기계용 정압예압 주축장치에 있어서, 주축의 전방에 형성되는 전방 하우징의 내부에 배치되는 제1 베어링과, 상기 제1 베어링과 간격을 두고 배치되는 제2 베어링과, 상기 제1 베어링과 제2 베어링 사이에 배치되어 예압을 발생토록 하는 예압스프링 및 스페이서로 구성되는 전방 베어링부와; 상기 주축의 후방에 형성되는 후방 하우징의 내부에 배치되는 롤러 베어링을 구비하는 후방 베어링부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계용 정압예압 주축장치{Positive pressure pre-pressure main shaft device for machine tool}
본 발명은 공작기계용 정압예압 주축장치에 관한 것으로, 특히 전방 하우징의 내부에 위치하는 제1 베어링과 제2 베어링 사이에 예압 스프링을 형성하여 무게를 줄임과 동시에 소정의 예압을 유지하여 원활하게 구동될 수 있도록 하는 공작기계용 정압예압 주축장치에 관한 것이다.
일반적으로 공작기계는 기계공작의 기초가 되는 절삭·연삭 등과 같이 절삭 칩(chip)을 내면서 금속 등의 재료를 가공하여 필요한 모양을 만들어 내는 기계로서, 밀링머신, 보링머신, 머시닝센터, 드릴링머신 등을 비롯하여 다양한 종류가 작업의 용도에 맞게 널리 사용되고 있다.
그리고, 이러한 공작기계는 주축대에 끼워져 회전 절삭 운동을 하는 주축장치가 구비된다.
즉, 상기 밀링머신이나 머시닝센터와 같은 공작기계용 주축은 하우징과 툴홀더 사이에 배치된 전,후 앵귤라 콘택트 볼베어링(angular contact ball bearing)이나 롤러 베어링(roller bearing)과 같은 구름 베어링에 의해 지지된다.
그러나, 이러한 공작기계용 주축장치는 고속 회전에 기인한 원심력, 마찰열 등에 의해 주축과 베어링의 내륜이 반경 방향을 늘어남으로 인하여 주축을 지지하는 베어링의 예압을 증가시키게 된다. 이 증가된 예압을 해소하지 못하면, 베어링의 수명이 단축되거나 심할 경우 베어링이 소착된다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 후열 베어링의 외륜을 축방향으로 자유롭게 움직일 수 있도록 함으로써 증가된 예압을 흡수하도록 후열 베어링의 외륜측 단면에 스프링 등에 의해 일정 압력으로 지지하도록 한 정압예압 주축장치가 개발되었다.
그 한예로써, 도 1에 도시된 것과 같이, 공작기계용 정압예압 주축장치(20)는 구동모터(20a)가 주축 몸체(10)의 양단부에 배치된 전열 및 후열 하우징(10a, 10b)과 복수개의 전열 및 후열 베어링(30a, 30b)에 의해 지지된다.
또, 전열 베어링(30a)의 외륜과 내륜은 베어링 지지캡(50a, 60a)에 의해 지지된다. 베어링 지지캡(50a, 60a)은 베어링 외륜 지지캡(50a)과 베어링 내륜 지지캡(60a)으로 구성된다.
베어링 외륜 지지캡(50a)과 베어링 내륜 지지캡(60a)에 의해 주축장치(20)의 일단부측과 전열 하우징(10a)에 고정 조립되어 주축 몸체(10)의 전단부(도면의 좌측)에 고정 조립된다.
그리고 후열 베어링(30b)의 내륜과 외륜은 각각 베어링 외륜 지지캡(50b)과 베어링 내륜 지지캡(60b)에 의해 주축장치(20)의 타단부측과 후열 하우징(10b)에 고정 조립된다.
또한, 후열 하우징(10b)의 단면에 고정된 베어링 외륜 지지캡(50b)의 단면과 주축 몸체(10) 후단부 단면사이에는 스프링과 같은 예압용 탄성수단(40)이 마련된다.
이렇게 조립된 전열 베어링(30a)과 후열 베어링(30b)에 예압용 탄성수단 (40)의 탄성력이 작용함으로서 주축장치(20)는 반경방향 및 축방향으로 강성을 유지하도록 지지된다.
이러한 베어링 구조에서는 후열 베어링(30b)의 외륜이 조립 고정되어 있는 후열 하우징(10b, 슬라이드용)과 주축 몸체(10) 사이에 볼 가이드(70)의 슬라이드 면을 가지도록 함으로써, 후열 하우징(10b) 및 그에 고정된 후열 베어링(30b)의 외륜이 자유롭게 축방향으로 움직일 수 있도록 하여, 그에 따라 주축 회전에 기인하는 원심력 및 마찰열로 인한 베어링 예압 증가분을 안정적으로 해소하는 구조이다.
또, 종래의 다른 예로써, 도 2에 도시된 바와 같이 공작기계용 정압예압 주축장치(100)는 주축(110)의 전방에 형성되는 전방 하우징(120)과, 상기 전방 하우징(120)의 내부에 배치되는 전방 베어링부(130)와, 주축(110)의 후방에 형성되는 후방 하우징(140)의 내부에 배치되는 후방 베어링부(150)와 예압 스프링(160) 및 볼/롤러 케이지(170)를 포함하여 이루어진다.
그러나, 상기와 같은 종래의 공작기계용 정압예압 주축장치는 4개의 앵귤러볼베어링과 리어부 베어링의 슬라이딩을 해주기 위해 볼/롤러 케이지가 반드시 필요하기 때문에 운동부인 하우징의 무게가 무거워 축방향 위험속도가 低rpm대로 나오는 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 종래의 공작기계용 정압예압 주축장치는 구조가 복잡하고 베어링 수량이 많기 때문에 유지보수가 번거롭고 제조비용이 증가하는 문제점이 있었다.
공개번호 제10-2016-0041658호
이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 베어링 수량을 줄이고 축방향 위험속도 구간을 상회(上廻) 하도록 하는 공작기계용 정압예압 주축장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공작기계용 정압예압 주축장치에 있어서, 주축의 전방에 형성되는 전방 하우징의 내부에 배치되는 제1 베어링과, 상기 제1 베어링과 간격을 두고 배치되는 제2 베어링과, 상기 제1 베어링과 제2 베어링 사이에 배치되어 예압을 발생토록 하는 예압스프링 및 스페이서로 구성되는 전방 베어링부와; 상기 주축의 후방에 형성되는 후방 하우징의 내부에 배치되는 롤러 베어링을 구비하는 후방 베어링부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공작기계용 정압예압 주축장치에 있어서, 상기 제1 베어링과 제2 베어링은 2열 앵귤러 볼베어링으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공작기계용 정압예압 주축장치에 있어서, 상기 스페이서는 예압스프링으로부터 받은 압력을 제2 베어링에 전달할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공작기계용 정압예압 주축장치에 있어서, 상기 후방 베어링부는 주축의 회전을 지지하기 위한 롤러 베어링만으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 정압예압 주축장치를 구비하는 공작기계를 더 제공한다.
이상에서와 같이 본 발명은 볼/롤러 케이지를 제거하여 운동부인 하우징의 무게를 감소시켜 축방향 위험속도를 상회하여 정압예압 주축의 원활한 동작을 이루도록 하는 효과가 있다.
또, 본 발명은 정압예압 주축장치의 구조를 간단히 하고 베어링 수량을 줄여 유지보수 횟수를 줄이고 제조비용을 현저하게 절감하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 공작기계용 정압예압 주축장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 다른 실시예에 따른 공작기계용 정압예압 주축장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공작기계용 정압예압 주축장치의 요부 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 케이지 역할을 하는 스페이서를 전방 하우징 내에 형성되는 예압스프링과 제2 베어링 사이에 작게 형성하여 축방향 고유진동수를 높일 수 있는 상태의 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 공작기계용 정압예압 주축장치의 예압이 가해지는 상태를 개략적으로 나타낸 요부 확대도이다.
도 6은 본 발명에 따른 공작기계용 정압예압 주축장치의 예압이 가해짐에 따라 제1 베어링과 예압스프링 및 제2 베어링이 동작되는 상태를 개략적으로 나타낸 요부 확대도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.
여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공작기계용 정압예압주축장치(200)는 주축(210)의 전방에 형성되는 전방 하우징(220)의 내부에 배치되는 전방 베어링부(230)와, 주축(210)의 후방에 형성되는 후방 하우징(240)의 내부에 배치되는 후방 베어링부(250)로 대별되어 이루어진다.
상기 전방 베어링부(230)는 주축(230)의 전방에 형성되는 전방 하우징(220)의 내부에 배치되는 제1 베어링(231)과, 상기 제1 베어링(231)과 간격을 두고 배치되는 제2 베어링(232)과, 상기 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232) 사이에 배치되어 예압을 발생토록 하는 예압 스프링(233) 및 스페이서(234)로 구성된다.
즉, 상기 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232)은 초기 예압이 걸린 상태로 주축(210)의 길이 방향을 따라 나란히 설치된다.
그리고, 상기 제1 베어링(231)은 주축(210)의 외주면에 결합된 제1 내륜체(231a)와, 전방 하우징(220)의 내주면에 결합된 제1 외륜체(231b), 그리고 상기 제1 내륜체(231a)와 제1 외륜체(231b) 사이에 배치된 제1 볼(231c)로 이루어진다.
또, 상기 제2 베어링(232)은 주축(210)의 외주면에 결합되는 제2 내륜체(232a)와, 전방 하우징(220)의 내주면에 결합되는 제2 외륜체(232b), 그리고 상기 제2 내륜체(232a)와 제2 외륜체(232b) 사이에 배치된 제2 볼(232c)로 이루어진다.
여기서, 상기 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232)은 2열 앵귤러 볼베어링으로 이루어지며, 강력 절삭에 적합한 수준의 높은 초기 예압이 걸린 상태로 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 예압스프링(233)은 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232) 사이에 배치되어 예압구조를 단순화할 수 있다.
즉, 종래의 정압예압 주축장치는 전방 하우징(220)과 후방 하우징(240)의 내부에 배치되는 4열 앵귤러볼베어링과 예압스프링을 사용하여 주축(210)을 회전하는 구조였다.
이 경우, 4개의 앵귤러볼베어링과 리어부 베어링의 슬라이딩을 해주기 위해 볼/롤러 케이지가 필요한 구조이기 때문에 운동부인 후방 하우징의 중량이 무거워 축방향 위험속도가 低rpm대로 나오게 된다.
그리고, 종래의 정압예압 주축장치에서는 베어링 배열이 앵귤러 볼베어링 4열에 예압 스프링이 후방 하우징(240) 내부에 배치되어 있지만 예압구조 단순화와 운동부 중량을 감소시키기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 예압 스프링(233)의 위치를 전방 하우징(220)의 내부 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232) 사이에 배치하고, 운동부를 상기 스페이서(234)로 변경하였다.
즉, 본 발명은 상기 예압스프링(233)을 전방 하우징(220) 내에 위치하는 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232) 사이에 배치함으로써, 종래 정압예압을 위해 후방 하우징(240) 내부에 배치되는 앵귤러 베어링의 수량을 감소시킴과 동시에 무게를 가볍게 하여 축방향 위험속도 구간을 상회시킬 수 있다.
또, 상기 후방 하우징(240)의 내부에 배치되는 볼베어링 2열의 뒤쪽부분에 위치하는 볼케이지를 삭제하여 구조를 단순화 하였다.
상기 케이지 역할을 하는 스페이서(234)는 도 4에 도시된 바와 같이 예압스프링(233)과 제2 베어링(232) 사이에 위치하도록 작게 형성하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 스페이서(234)를 작게 하면 축방향 고유진동수를 높일 수 있고, 고유진동수가 높으면 실사용 회전수와 고유진동수와의 공진을 회피할 수 있다.
이러한 구성의 상기 스페이서(234)는 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232) 간의 간격을 조절하고, 상기 예압스프링(233)으로부터 받은 압력을 제2 베어링(232)에 전달할 수 있다.
상기 후방 베어링부(250)는 주축(210)의 후방에 형성되는 후방 하우징(240)의 내부에 배치되는 롤러 베어링(251)을 포함하여 구성된다.
즉, 본 발명은 상기 전방 하우징(220)의 내부 제1 베어링(231)과 제2 베어링(232) 사이에 예압 스프링(233)과 스페이서(234)를 배치함으로써, 종래와 달리 후방 하우징(240)의 내부에 배치되는 앵귤러 베어링을 슬라이딩시키기 위한 볼/롤러 케이지가 불필요하다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 후방 베어링부(250)는 주축(210)의 회전을 지지하기 위한 롤러 베어링(251)만으로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 상기 주축장치(200)을 구비하는 공작기계(미도시)를 더 제공한다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계용 정압예압 주축장치의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 따른 정압예압 주축장치(200)를 구비하는 공작기계(미도시)를 이용하여 공작물을 가공시, 강력 절삭을 하고자할 경우 주축(210)은 저속회전을 하게 된다.
이후, 필요에 따라 주축(210)의 회전 속도를 증가시키면, 원심력과 마찰력이 증가하면서 발열되고, 주축(210) 및 전, 후방 베어링부(230),(250)의 온도가 상승하게 된다.
이때, 별도의 예압 조절부(미도시)가 도 5에 도시한 바와 같이, 제1 베어링(231)의 제1 내륜체(231a)를 가압하게 된다.
이에 연동하여 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제1 내륜체(231a)는 제1 볼(231c)을 가압하고, 제1 볼(231c)은 경사진 방향으로 힘을 전달하여 제1 외륜체(231b)를 가압한다.
이에 따라, 상기 제1 베어링(231)은 전방 하우징(220)과 예압 스프링(233)을 가압하고, 상기 예압 스프링(233)은 다시 스페이서(234)와 제2 베어링(232)의 제2 외륜체(232b)와, 제2 볼(232c) 및 제2 내륜체(232a)를 가압하면서 예압을 감소시킨다.
이때, 예압은 공작물 가공에 적합한 수준이 된다.
그리고, 상기 주축(210)의 회전이 감속되거나 정지되면, 온도가 내려가면서 예압 조절부가 수축하게 된다.
이에 의해, 상기 예압 조절부에 의해 밀려 이동했던 제1 베어링(231)과 전방 하우징(220) 및 스페이서(234)와, 제2 베어링(232)은 예압 스프링(233)의 탄성복귀력에 의해 원래 위치로 이동하면서 초기 예압으로 복원하게 된다.
따라서, 본 발명은 주축장치의 구조를 단순화하여 베어링의 수량을 감소시키고, 예압 스프링의 구조를 콤팩트화하여 무게를 가볍게 하여 축방향 위험속도 구간을 상회시켜 작업성과 안전성 향상을 이룰 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
200 : 공작기계용 정압예압 주축장치 210 : 주축
220 : 전방 하우징 230 : 전방 베어링부
231 : 제1 베어링 231a : 제1 내륜체
231b : 제1 외륜체 231c : 제1 볼
232 : 제2 베어링 232a : 제2 내륜체
232b : 제2 외륜체 232c : 제2 볼
233 : 예압 스프링 234 : 스페이서
240 : 후방 하우징 250 : 후방 베어링부
251 : 롤러 베어링

Claims (5)

  1. 공작기계용 정압예압 주축장치에 있어서,
    주축의 전방에 형성되는 전방 하우징의 내부에 배치되는 제1 베어링과, 상기 제1 베어링과 간격을 두고 배치되는 제2 베어링과, 상기 제1 베어링과 제2 베어링 사이에 배치되어 예압을 발생토록 하는 예압스프링 및 스페이서로 구성되는 전방 베어링부와;
    상기 주축의 후방에 형성되는 후방 하우징의 내부에 배치되는 롤러 베어링을 구비하는 후방 베어링부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 정압예압 주축장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 베어링과 제2 베어링은 2열 앵귤러 볼베어링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작기계용 정압예압 주축장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 예압스프링으로부터 받은 압력을 제2 베어링에 전달할 수 있는 것을 특징으로 하는 공작기계용 정압예압 주축장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후방 베어링부는 주축의 회전을 지지하기 위한 롤러 베어링만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공작기계용 정압예압 주축장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 상기 주축장치를 구비하는 공작기계.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160041658A (ko) 2014-10-08 2016-04-18 두산인프라코어 주식회사 스핀들 장치

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KR20160041658A (ko) 2014-10-08 2016-04-18 두산인프라코어 주식회사 스핀들 장치

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