KR100397972B1 - Spindle cooling device of machine tools - Google Patents
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- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
- F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
- F16C33/66—Special parts or details in view of lubrication
Abstract
본 발명은 스핀들의 회전에 따라 발생하는 열을 냉각시켜 스핀들의 고속회전(4000RPM)을 지지함에 따라 공작기계의 가공속도를 향상시킬 수 있는 공작기계의 스핀들 냉각장치에 관한 것이다. 본 발명은 외부 동력원의 공급에 따라 구동되어 회전 동력을 발생하는 스핀들 모터와; 상기 스핀들 모터의 동력을 전달하는 동력 전달부와; 상기 동력 전달부에 연결되는 상부와, 길이방향으로 신장된 단부에 공구가 장착되는 하부를 가지며 상기 스핀들 모터의 구동에 따라 직선운동과 회전운동을 하는 스핀들을 갖는 공작기계의 스핀들 냉각장치에 있어서, 상기 스핀들의 원주방향 외측에 결합되어 상기 스핀들의 직선운동과 회전운동을 지지하는 스핀들 하우징과; 상기 스핀들의 하부와 상기 스핀들 하우징의 사이에 결합되어 상기 스핀들의 회전운동을 지지하는 다수개의 베어링과; 상기 스핀들의 하부와 상기 각각의 베어링 사이에 결합되는 다수개의 내측 칼라와 상기 스핀들 하우징과 상기 각각의 베어링 사이에 결합되는 다수개의 외측 칼라로 구성되어 상기 다수개의 베어링 회전운동을 지지하는 칼라부와; 상기 다수개의 베어링 가운데 일부 베어링을 지지하는 외측 칼라와 상기 스핀들 하우징의 사이에 장착되어 냉각 오일 통로를 통해 냉각 오일이 순환되도록 입구와 출구를 가지며, 상기 냉각 오일 통로의 입구와 출구를 연결하는 냉각 오일 통로가 소정의 길이를 갖고 원주방향으로 감기도록 형성되는 오일 재킷을 포함하여 구성한다.The present invention relates to a spindle cooling apparatus of a machine tool that can improve the processing speed of a machine tool by cooling the heat generated by the rotation of the spindle to support a high speed rotation (4000 RPM) of the spindle. The present invention is a spindle motor that is driven in accordance with the supply of an external power source to generate rotational power; A power transmission unit for transmitting power of the spindle motor; In the spindle cooling apparatus of the machine tool having an upper portion connected to the power transmission portion, and a lower portion in which the tool is mounted in the longitudinally extending end portion, the spindle having a linear movement and a rotational movement in accordance with the drive of the spindle motor, A spindle housing coupled to the circumferential outer side of the spindle to support linear and rotational movements of the spindle; A plurality of bearings coupled between a lower portion of the spindle and the spindle housing to support a rotational movement of the spindle; A collar portion comprising a plurality of inner collars coupled between the lower portion of the spindle and the respective bearings and a plurality of outer collars coupled between the spindle housing and the respective bearings to support the plurality of bearing rotational movements; A cooling oil mounted between an outer collar for supporting some of the plurality of bearings and the spindle housing and having an inlet and an outlet for circulating the cooling oil through the cooling oil passage, and connecting the inlet and the outlet of the cooling oil passage; And an oil jacket formed so that the passage has a predetermined length and is wound in the circumferential direction.
Description
본 발명은 공작기계의 스핀들에 관한 것으로서, 특히 공작기계의 스핀들 냉각장치에 관한 것이다.The present invention relates to a spindle of a machine tool, and more particularly to a spindle cooling device of a machine tool.
통상적으로, 공작기계(Plano Borer, Machining Center, Copy Milling, Boring M/C)의 축 이송은 4축으로 구성되어 움직이며, 스핀들 회전으로 각종 공작물을 가공한다. 스핀들의 회전은 스핀들 모터에서 기어의 동력 전달을 받아 이루어지며, 각 축의 이송은 CNC 시스템의 제어신호를 공급받아 축 모터가 구동됨에 따라 이루어진다. 참고적으로 CNC는 Computer Numerical Control의 약자로서, 컴퓨터를 내장한 NC(수신 제어 장치)를 말한다.Typically, the axis feed of machine tools (Plano Borer, Machining Center, Copy Milling, Boring M / C) is composed of four axes and moves and processes various workpieces by spindle rotation. The spindle is rotated by the transmission of gears from the spindle motor, and the movement of each axis is carried out by the control of the CNC system and driven by the shaft motor. For reference, CNC is an abbreviation of Computer Numerical Control and refers to NC (Receive Control Unit) with a computer.
도 1은 종래 기술에 따른 공작기계의 스핀들(10) 장치를 도시한 도면이다.1 shows a spindle 10 arrangement of a machine tool according to the prior art.
공작기계의 스핀들 최대 속도는 공작기계의 크기 및 가공 축의 이송 속도에 따라 다르게 설정된다. 비교적 큰 대형 공작기계의 스핀들 회전속도는 2000RPM으로 한정되며, CNC 시스템의 이송 속도를 1800mm/MIN 이상은 사용할 수 없다. 그 이유는, 공작기계의 특성상 가공을 위한 축의 이송 속도가 스핀들 회전속도보다 낮아야 하기 때문이다.The spindle maximum speed of the machine tool is set differently depending on the size of the machine tool and the feed rate of the machining axis. Spindle speeds for relatively large machine tools are limited to 2000 RPM and the feed rate of CNC systems cannot be used above 1800 mm / MIN. The reason is that the feed speed of the shaft for machining should be lower than the spindle rotation speed due to the nature of the machine tool.
따라서, 스핀들 베어링(12) 및 각종 회전 부품은 최대 2000RPM까지 회전할 수 있도록 구성되어 있고, 스핀들 베어링의 윤활을 위하여 스핀들 베어링에 그리스를 주입하도록 구성되어 있었다.Accordingly, the spindle bearing 12 and various rotating parts are configured to rotate up to 2000 RPM, and are configured to inject grease into the spindle bearing for lubrication of the spindle bearing.
그러나, 위와 같은 방법을 사용할 때 스핀들이 고속회전(예를 들어:2,000rpm 이상)되면 스핀들과 스핀들 베어링에서 발생하는 열에 의해 그리스가 소결되어 스핀들 베어링에 손상을 주는 문제점이 있었다. 또한, 열팽창에 의해 스핀들에 변형을 가져오게 되어 제품 가공 정밀도를 저하시키는 문제점이 있었다. 이와 같은 이유로 스핀들 최대 회전속도가 2000RPM으로 한정되고, 가공 축의 이송 속도는 1800mm/MIN 이상으로 가공할 수 없게 되어 제품 가공시간이 많이 걸리고 주요 원가상승의 요인이 되는 문제점이 있었다.However, when using the above method, when the spindle rotates at a high speed (for example, 2,000 rpm or more), grease is sintered by heat generated from the spindle and the spindle bearing, thereby causing damage to the spindle bearing. In addition, there is a problem in that the deformation caused to the spindle due to thermal expansion, thereby lowering the precision of product processing. For this reason, the maximum spindle rotation speed is limited to 2000 RPM, and the feed speed of the machining shaft cannot be processed at more than 1800 mm / MIN, which takes a long time to process the product and causes a major cost increase.
본 발명의 목적은 스핀들의 회전에 따라 발생하는 열을 냉각시켜 스핀들의 고속회전(4000RPM)을 지지함에 따라 공작기계의 가공속도를 향상시킬 수 있는 공작기계의 스핀들 냉각장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a spindle cooling apparatus of a machine tool that can improve the processing speed of the machine tool by supporting the high speed rotation (4000 RPM) of the spindle by cooling the heat generated by the rotation of the spindle.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 외부 동력원의 공급에 따라구동되어 회전 동력을 발생하는 스핀들 모터와; 상기 스핀들 모터의 동력을 전달하는 동력 전달부와; 상기 동력 전달부에 연결되는 상부와, 길이방향으로 신장된 단부에 공구가 장착되는 하부를 가지며 상기 스핀들 모터의 구동에 따라 직선운동과 회전운동을 하는 스핀들을 갖는 공작기계의 스핀들 냉각장치에 있어서, 상기 스핀들의 원주방향 외측에 결합되어 상기 스핀들의 직선운동과 회전운동을 지지하는 스핀들 하우징과; 상기 스핀들의 하부와 상기 스핀들 하우징의 사이에 결합되어 상기 스핀들의 회전운동을 지지하는 다수개의 베어링과; 상기 스핀들의 하부와 상기 각각의 베어링 사이에 결합되는 다수개의 내측 칼라와 상기 스핀들 하우징과 상기 각각의 베어링 사이에 결합되는 다수개의 외측 칼라로 구성되어 상기 다수개의 베어링 회전운동을 지지하는 칼라부와; 상기 다수개의 베어링 가운데 일부 베어링을 지지하는 외측 칼라와 상기 스핀들 하우징의 사이에 장착되어 냉각 오일 통로를 통해 냉각 오일이 순환되도록 입구와 출구를 가지며, 상기 냉각 오일 통로의 입구와 출구를 연결하는 냉각 오일 통로가 소정의 길이를 갖고 원주방향으로 감기도록 형성되는 오일 재킷을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is a spindle motor that is driven in accordance with the supply of an external power source to generate a rotational power; A power transmission unit for transmitting power of the spindle motor; In the spindle cooling apparatus of the machine tool having an upper portion connected to the power transmission portion, and a lower portion in which the tool is mounted in the longitudinally extending end portion, the spindle having a linear movement and a rotational movement in accordance with the drive of the spindle motor, A spindle housing coupled to the circumferential outer side of the spindle to support linear and rotational movements of the spindle; A plurality of bearings coupled between a lower portion of the spindle and the spindle housing to support a rotational movement of the spindle; A collar portion comprising a plurality of inner collars coupled between the lower portion of the spindle and the respective bearings and a plurality of outer collars coupled between the spindle housing and the respective bearings to support the plurality of bearing rotational movements; A cooling oil mounted between an outer collar for supporting some of the plurality of bearings and the spindle housing and having an inlet and an outlet for circulating the cooling oil through the cooling oil passage, and connecting the inlet and the outlet of the cooling oil passage; And an oil jacket formed so that the passage has a predetermined length and wound in the circumferential direction.
도 1은 종래 기술에 따른 공작기계의 스핀들 장치를 도시한 도면.1 shows a spindle device of a machine tool according to the prior art;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 스핀들 냉각장치의 내부 구성을 도시한 도면.Figure 2 shows the internal configuration of the spindle cooling apparatus of the machine tool according to the embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오일 재킷의 형상을 도시한 도면.3 is a view showing the shape of the oil jacket according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. While many specific details, such as the following description and the annexed drawings, are shown to provide a more general understanding of the invention, these specific details are illustrated for the purpose of explanation of the invention and are not meant to limit the invention thereto. And a detailed description of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 스핀들 냉각장치의 내부 구성을 도시한 도면이다. 도 2는 스핀들(100)과 스핀들 냉각장치를 도시한 것이며, 스핀들 모터, 각종 기어들의 구성은 생략한다.2 is a view showing the internal configuration of the spindle cooling apparatus of the machine tool according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the spindle 100 and the spindle cooling apparatus, the configuration of the spindle motor, various gears are omitted.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오일 재킷(140)의 형상을 도시한 도면이다. 도 3은 냉각 오일 통로의 입구(142)와 출구(144), 공기 통로의 입구(146)와 오일 미스트 통로의 입구(148), 공기 배출구(150)가 도시된다. 참조번호 (149)는 오일 재킷(140)을 통해 순환되는 냉각 오일의 누유를 방지하는 오일 실을 도시한 것이다.3 is a view showing the shape of the oil jacket 140 according to an embodiment of the present invention. 3 shows the inlet 142 and outlet 144 of the cooling oil passage, the inlet 146 of the air passage and the inlet 148 of the oil mist passage, and the air outlet 150. Reference numeral 149 illustrates an oil seal that prevents leakage of cooling oil circulated through the oil jacket 140.
도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 스핀들 냉각장치의 구성을 설명한다.2 and 3 will be described the configuration of the spindle cooling apparatus of the machine tool according to the embodiment of the present invention.
본 발명은 외부 동력원의 공급에 따라 구동되어 회전 동력을 발생하는 스핀들 모터와; 상기 스핀들 모터의 동력을 전달하는 동력 전달부와; 상기 동력 전달부에 연결되는 상부와, 길이방향으로 신장된 단부에 공구가 장착되는 하부를 가지며 상기 스핀들 모터의 구동에 따라 직선운동과 회전운동을 하는 스핀들(100)을 갖는 공작기계의 스핀들 냉각장치에 있어서, 스핀들 하우징(110), 베어링(120~126), 칼라부(130), 오일 재킷(140)을 포함하여 구성한다.The present invention is a spindle motor that is driven in accordance with the supply of an external power source to generate rotational power; A power transmission unit for transmitting power of the spindle motor; Spindle cooling apparatus of a machine tool having an upper portion connected to the power transmission unit, and a lower portion to which a tool is mounted at an end extended in a longitudinal direction, and a spindle 100 for linear and rotational movements according to the drive of the spindle motor. In the configuration, including a spindle housing 110, bearings 120 to 126, collar 130, oil jacket 140.
먼저, 스핀들 하우징(110)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스핀들(100)의 원주방향 외측에 결합되어 상기 스핀들(100)의 직선운동과 회전운동을 지지하는 기능을 한다. 상기 스핀들 하우징(110)은 종래의 스핀들 하우징과 대비하여 하부 구성이 상이하다. 즉, 상기 스핀들 하우징(110) 하부 내측으로 오일 재킷(140)이 삽입되고, 그에 따른 냉각 오일 통로의 입구와 출구(142, 144)가 배치되도록 형성된다.First, the spindle housing 110 is coupled to the circumferential outer side of the spindle 100, as shown in Figure 2 to support the linear motion and rotational movement of the spindle 100. The spindle housing 110 has a different lower configuration compared to the conventional spindle housing. That is, the oil jacket 140 is inserted into the lower portion of the spindle housing 110, and thus the inlet and the outlet 142 and 144 of the cooling oil passage are disposed.
베어링(120~126)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스핀들(100)의 하부와 상기 스핀들 하우징(110)의 사이에 결합되어 상기 스핀들(100)의 회전운동을 지지하는 기능을 하며, 다수개의 고속 앵귤라 콘택트 볼 베어링으로 구성한다. 앵귤라 콘택트 볼 베어링은 높은 운전 정밀도와 최고의 속도 적합성이 요구되는 경우에 주로 사용한다.Bearing 120 to 126 is coupled between the lower portion of the spindle 100 and the spindle housing 110, as shown in Figure 2 to support the rotational movement of the spindle 100, a plurality of Consists of high speed angular contact ball bearings. Angular contact ball bearings are often used where high operating accuracy and maximum speed suitability are required.
칼라부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스핀들(100)의 하부와 상기 각각의 베어링(120~126) 사이에 결합되는 다수개의 내측 칼라(132)와, 상기 스핀들 하우징(110)과 상기 각각의 베어링(120~126) 사이에 결합되는 다수개의 외측 칼라(134)로 구성되어 상기 다수개의 베어링(120~126) 회전운동을 지지하는 기능을 한다.As shown in FIG. 2, the collar 130 includes a plurality of inner collars 132 coupled between the lower part of the spindle 100 and the respective bearings 120 to 126, and the spindle housing 110. Composed of a plurality of outer collars 134 coupled between each of the bearings 120 to 126 serves to support the rotational movement of the plurality of bearings 120 to 126.
오일 재킷(140)은 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 상기 다수개의 베어링(120~126) 가운데 하측에 있는 두 개의 베어링(120~122)을 지지하는 외측 칼라와 상기 스핀들 하우징(110)의 사이에 장착되어 냉각 오일이 순환되도록 냉각 오일 통로의 입구(142)와 출구(144)를 가지며, 상기 냉각 오일 통로의 입구(142)와 출구(144)를 연결하는 냉각 오일 통로가 소정의 길이를 갖고 원주방향으로 감기도록 형성된다. 즉, 상기 오일 재킷(140)은 다수개의 베어링(120~126)이 장착되는 길이방향 전체에 걸쳐 장착되는 것이 아니라 도 3에 도시된 바와 같이 다수개의 베어링(12-~126) 가운데 일부 베어링(120~122)이 장착되는 길이방향으로 장착된다.The oil jacket 140 has an outer collar for supporting two bearings 120 to 122 at the lower side of the plurality of bearings 120 to 126 and the spindle housing 110 as shown in FIGS. 2 and 3. And a cooling oil passage connecting the inlet 142 and the outlet 144 of the cooling oil passage so that the cooling oil is circulated therebetween. It is formed so as to wind in the circumferential direction. That is, the oil jacket 140 is not mounted over the entire lengthwise direction in which the plurality of bearings 120 to 126 are mounted, but some bearings 120 among the plurality of bearings 12 to 126 as shown in FIG. 3. 122) is mounted in the longitudinal direction in which it is mounted.
상기 오일 재킷(140)은 도 3에 도시된 바와 같이 원통형의 형상을 갖는 보디(150)와, 상기 보디(150)로부터 신장되는 하부에 냉각 오일 통로가 형성되는 홈부(160)로 형성되며, 상기 홈부(160)에 형성되는 냉각 오일 통로의 형상이 상기 홈부(160)의 하부에 위치되는 냉각 오일 통로의 입구(142)로부터 상기 홈부(160)의 상부로 위치되는 냉각 오일 통로의 출구(144)를 따라 나선형으로 형성된다.The oil jacket 140 is formed of a body 150 having a cylindrical shape as shown in FIG. 3, and a groove 160 having a cooling oil passage formed at a lower portion extending from the body 150. The shape of the cooling oil passage formed in the groove 160 is from the inlet 142 of the cooling oil passage located below the groove 160 to the outlet 144 of the cooling oil passage located above the groove 160. It is formed spirally along.
상기한 바와 같이 본 발명은 공작기계의 스핀들(100) 회전속도를 높이기 위해 기존 스핀들 베어링을 고속 앵귤라 콘택트 볼 베어링으로 구성하고, 스핀들(100)의 고속 회전시에 발생하는 베어링(120~126) 발열을 방지하기 위하여 오일 냉각장치를 스핀들 하우징(110) 내부에 가공 부착하여 냉각 오일 통로를 통해 공급되는 냉각 오일로 스핀들(100) 주변의 부품을 냉각시킨다. 이와 같은 구성으로 스핀들(100)의 회전을 2000RPM에서 4000RPM으로 상승시킬 수 있다.As described above, the present invention constitutes an existing spindle bearing as a high-speed angular contact ball bearing to increase the rotational speed of the spindle 100 of the machine tool, and the bearings 120 to 126 generated during the high-speed rotation of the spindle 100. In order to prevent heat generation, the oil cooler is processed and attached to the inside of the spindle housing 110 to cool the parts around the spindle 100 with the cooling oil supplied through the cooling oil passage. In such a configuration, the rotation of the spindle 100 may be increased from 2000 RPM to 4000 RPM.
도 2와 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공작기계의 스핀들 냉각장치의 동작을 설명한다.2 and 3 will be described the operation of the spindle cooling apparatus of the machine tool according to the embodiment of the present invention.
먼저, 스핀들 모터가 회전되면, 스핀들(100) 주변에 장착된 베어링(120)이 회전 마찰에 의해 열을 발생시켜 스핀들(100)을 비롯한 스핀들 하우징(110) 등으로 열이 전도된다. 즉, 스핀들 모터가 고속으로 회전하면 각종 기어 등으로 동력이 전달되고 스핀들(100)이 회전한다. 스핀들(100)이 회전하면 각종 회전부에서 열이 발생한다. 열 발생으로 온도가 상승하면 각종 베어링(120~126) 및 부품이 열화(소손) 된다.First, when the spindle motor is rotated, the bearing 120 mounted around the spindle 100 generates heat by rotational friction so that heat is conducted to the spindle housing 110 including the spindle 100. That is, when the spindle motor rotates at high speed, power is transmitted to various gears and the like, and the spindle 100 rotates. When the spindle 100 rotates, heat is generated in various rotation parts. When the temperature rises due to heat generation, various bearings 120 to 126 and parts are deteriorated (burned out).
위와 같은 상태에서 스핀들 하우징(110)에 형성된 냉각 오일 통로를 통해 윤활유가 공급된다. 공급된 윤활유는 냉각 오일 통로를 따라 스핀들 하우징(110)의 내측에 장착되는 오일 재킷(140)의 냉각 오일 통로 입구(142)로 유입된다. 오일 재킷(140)의 냉각 오일 통로 입구(142)에 유입된 냉각 오일은 상기 오일 재킷(140)에 형성되어 있는 나선홈(162)의 일측단으로 유입됨과 동시에 이 나선홈(162)을 타고 스핀들 하우징(110)의 외주를 돌면서 스핀들 하우징(110)에 전도된 열을 빼앗아 가게 된다. 이후에 오일 재킷(140)에 형성된 나선홈(162)을 타고 흐르면서 열을 빼앗은 윤활유는 오일 재킷(140)의 냉각 오일 통로 출구(144)와 오일 배출구(150)를 통해 리턴하게 된다.In the above state, the lubricating oil is supplied through the cooling oil passage formed in the spindle housing 110. The supplied lubricant flows into the cooling oil passage inlet 142 of the oil jacket 140 which is mounted inside the spindle housing 110 along the cooling oil passage. Cooling oil flowing into the cooling oil passage inlet 142 of the oil jacket 140 flows into one end of the spiral groove 162 formed in the oil jacket 140 and at the same time the spindle rides through the spiral groove 162. The heat conducted to the spindle housing 110 is taken away while the outer circumference of the housing 110 is taken away. Thereafter, the lubricating oil deprived of heat while flowing through the spiral groove 162 formed in the oil jacket 140 is returned through the cooling oil passage outlet 144 and the oil outlet 150 of the oil jacket 140.
한편, 스핀들(100) 주변의 온도 상승을 막기 위하여 베어링(120~126)에는 종래 기술과 같이 오일 미스트(Oil Mist) 공급부로 공기와 오일 미스트를 공급하여 냉각 및 윤활을 시키고, 베어링(120~126) 외부에는 냉각 오일을 순환시켜 스핀들(100) 회전에 따른 주변 부품의 온도 상승을 억제한다.On the other hand, in order to prevent the temperature rise around the spindle 100, the bearings 120 to 126 are cooled and lubricated by supplying air and oil mist to the oil mist supply unit as in the prior art, and the bearings 120 to 126. The outside of the cooling oil is circulated to suppress the temperature rise of the peripheral parts due to the rotation of the spindle 100.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 공작기계의 스핀들 냉각장치는 주축의 열팽창에 의한 변형 및 이에 따른 정밀도 저하를 감소시킬 수 있으며, 스핀들을 보다 고속으로 회전시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the spindle cooling apparatus of the machine tool according to the present invention can reduce the deformation caused by thermal expansion of the main shaft and the deterioration of precision thereof, and the spindle can be rotated at a higher speed.
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