KR100414907B1 - 하이브리드형 초정밀 고속화 공기베어링 스핀들 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동압식 및 정압식을 복합하여 채택한 공기베어링을 이용한 스핀들 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 내부에 공기 공급시스템과 연통되는 공기유로를 구비하고, 후방측에 모터 고정자를 구비한 본체와; 후방단부측에 상기 본체의 모터 고정자에 대응하는 모터 회전자가 구비되고, 전방단부측에 다수의 미세홈이 형성된 칼라를 구비한 회전축과; 칼라의 양 측면에 인접배치되고, 원주면 상에 다수의 공기노즐을 구비한 한 쌍의 트러스트 베어링과; 회전축의 외주면 상에 인접배치되고, 원주면 상에 다수의 노즐을 구비한 레이디얼 베어링을 포함하고; 회전축의 칼라와 한 쌍의 트러스트 베어링의 상호 인접한 면에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성되며, 회전축과 레이디얼 베어링의 상호 인접한 면에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성된다.

Description

하이브리드형 초정밀 고속화 공기베어링 스핀들 시스템 { High Speed Spindle System Used Hybrid Air Bearing }

본 발명은 초정밀 가공 및 각종 정밀기기 등에 사용되는 공기정압 베어링 스핀들에 공기동압 베어링을 적용한 하이브리드형 초정밀 고속화 공기베어링 스핀들 시스템에 관한 것이다.

최근에 전자산업, 광학기기산업의 발전에 따라 초정밀 가공품에 대한 요구 정밀도가 높아지고 있다.

스핀들은 공작기계, 반도체 장비, 치과용 드릴, 각종 섬유기계, 원심분리기 등의 폭넓은 산업 분야에서 핵심 부품으로 사용되어 왔다. 산업의 고속화가 진행됨에 따라 가공시간 단축과 생산성 향상 등을 위해 고속 스핀들이 요구되고 있으며, 전자 산업과 광학기기 산업의 발전에 따른 컴퓨터용 하드디스크, 레이저 스케너용 다면경 등 정밀한 부품 가공의 필요성이 증대됨에 따라 진동이 적은 정밀한 스핀들이 요구되고 있다.볼 베어링을 사용하는 기존의 스핀들은 볼의 구름접촉에 의하여 마찰열이 발생하며, 볼과 궤도면의 진원도 차이에 의하여 진동이 발생하는 등의 문제점을 갖고 있기 때문에 회전 정밀도를 유지하면서 회전 속도를 높이는데 한계가 있으므로 초정밀 가공기용 스핀들로는 적합하지 않다.

따라서, 현재 개발되고 있는 초정밀 고속화 스핀들은 베어링의 회전 마찰력을 줄이기 위해서 공기 베어링이나 자기 베어링을 장착하고 있다.정압식 공기베어링을 적용한 스핀들 시스템은 외부로부터의 공기압에 의하여 축이 부상하는 방식으로 볼 베어링이 갖는 진원도 오차에 의한 진동 문제를 해결할 수 있으며, 마찰열을 충분히 감소시킬 수 있기 때문에 초고속, 초정밀이 요구되는 초정밀 가공기용 스핀들로 이용되고 있으며, 진원도 측정기, 소형 고속 연삭기, PCB 기판 가공기 등에 널리 사용이 증가되고 있다.

하지만, 이러한 종래의 정압식 공기베어링을 이용한 스핀들 시스템은 회전축의 질량과 레이디얼 베어링의 강성에 의하여 결정되는 고유진동수 및 회전축의 고유진동수에 의하여 운전가능 영역이 결정된다. 즉, 이들 주파수와 스핀들의 회전주파수가 일치되면 공진에 의하여 운전불능의 진동을 일으키게 된다.

이러한 문제점을 개선하기 위한 기존의 방법들은 상대적으로 낮은 강성을 갖는 레이디얼 베어링의 강성을 높이기 위하여 공급유체를 공기 대신에 고압의 불활성 가스를 사용하는 방법, 레이디얼의 유막의 크기를 극히 작게 하는 방법 등이 있었다.

또한, 강성이 낮은 경우 과도한 부하를 받거나 공기 공급이 중단되었을 경우에는 축과 하우징이 직접 접촉하여 마찰용접을 하는 것과 동일한 상황이 되어 스핀들에 치명적인 손상을 입힐 수 있다.

따라서, 종래의 정압식 공기베어링을 적용한 스핀들 시스템은 그 고속화 및 정밀화에 많은 제약을 받아왔다.

본 발명은 이와 같은 종래의 결점을 감안하여 안출한 것으로, 정압식 및 동압식 공기베어링의 장점만을 복합한 구조로 인해 공기소비량을 줄일 수 있고, 스핀들의 강성을 증대시킬 수 있으며, 외부로부터 공기공급 중단시에도 마찰용접 현상을 방지할 수 있으므로 스핀들의 치명적인 손상을 막을 수 있는 스핀들 시스템을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 공기베어링 스핀들 시스템 구성도.

도 2는 본 발명의 스핀들에 대한 단면도.

도 3은 본 발명의 회전축의 외형을 도시한 사시도.

도 4는 본 발명의 레이디얼 베어링을 도시한 단면도.

도 5는 본 발명의 회전축의 칼라 양측면에 구비된 홈 부분을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 트러스트 베어링의 홈 부분을 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 회전축

2,7 : 트러스트 베어링

5 : 회전축의 트러스트 칼라

8 : 레이디얼 베어링

11a,11b : 레이디얼 베어링 내측 면의 홈

19a,19b : 회전축 외측 면의 홈

20a,20b : 회전축 칼라의 면의 홈

21a,21b : 트러스트 베어링 면의 홈

22: 회전자 고정축

도 1은 본 발명의 공기베어링 스핀들 시스템 구성도를 나타내고 있는 것으로, 공기압을 제공하는 공기압축기(25)와, 압축공기의 수분을 제거하기 위한 공기건조기(26)와, 불순물제거를 위한 공기필터(27)와, 공기공급압 조절밸브(미도시)로 이루어진 공기 공급시스템과, 이 공기 공급시스템에 튜브(15)를 통해 연결된 스핀들(29)로 이루어진다.

스핀들(29)의 구동을 위한 전원(30)이 주파수변환기(28)를 통하여 스핀들(29)에 연결되고, 공기 공급시스템에 의하여 스핀들(29)에 압축공기가 공급되면 스핀들(29)의 회전축(1)이 공기압에 의하여 부상하며, 이때, 전원(30)이 공급됨에 따라 스핀들(29)은 회전운동하게 되고, 그 회전수의 조절은 공급전원의 주파수변환기(28)에 의해 이루어진다.

도 2는 본 발명의 스핀들에 대한 단면도로서, 회전축(1)은 모터의 회전자(18)를 직접 연결하는 모터일체형을 채택하며, 회전축(1)의 전단부에 트러스트 베어링(2, 7)에 대응되는 칼라(5)가 구비된다.

칼라(5)의 양 외측면에 트러스트 베어링(2, 7)이 근접배치되고, 각 트러스트 베어링(2, 7)의 칼라(5)와 인접하는 면에는 원주방향으로 공기노즐(3, 6)을 구비하며, 이 공기노즐(3, 6)은 공기 공급시스템으로부터 연장된 튜브(15)와 연통되는 본체(10)의 공기유로(13)를 통해 공급되는 공기가 분사되도록 구성된다.

이때, 칼라(5)와 각 트러스트 베어링(2, 7) 사이에는 유막이 형성되며, 이 유막 두께는 트러스트 유막조절용 스페이서(4)의 크기에 의하여 결정된다.

트러스트 베어링(7)의 일측에는 레이디얼 베어링(8)이 일체로 형성되고, 이 레이디얼 베어링(8)의 내면에 회전축(1)의 외주면이 인접배치되고, 레이디얼 베어링(8)의 원주면에는 다수의 노즐(9, 12)이 구비되고, 이 노즐(9, 12)은 공기 공급시스템으로부터 연장된 튜브(15)와 연통된 본체(10)의 공기유로(13)를 통해 공급되는 공기가 분사되도록 구성된다.

이때, 회전축(1)의 외주면 및 레이디얼 베어링(8)의 내주면 각각에 홈(19a, 19b ; 도 3참조), 홈(11a, 11b ; 도 4참조)이 선택적으로 형성된다.

또한, 회전축(1) 및 레이디얼 베어링(8)의 상호 인접한 면은 그 사이에 유막이 형성되도록 아주 미세한 간극을 이루도록 구성된다.

그리고, 회전축(1)의 트러스트 방향의 칼라(5)의 양측면 및 트러스트 베어링(2, 7)의 측면에 홈(20a, 20b ; 도 5참조), 홈(21a, 21b ; 도 6참조)이 선택적으로 형성된다.

공기유로(13)는 튜브(15)와 커넥터(14)에 의해 공기 공급시스템에 연결되며, 회전자(18)의 외측에는 모터고정자(17)가 인접배치되고, 하우징(16) 측면에는 소음기(23)를 설치해 소비된 공기를 대기 중으로 방출할 때 소음을 줄이도록 하였다.

도 3은 본 발명의 회전축(1)의 외형을 도시한 사시도로서, 회전축(1)과 회전자 고정축(22)은 구조용강을 이용하여 제작하며, 열처리하여 강의 기계적 성질을 향상시키고 레이디얼 베어링(8) 및 트러스트 베어링(2, 7)과 인접하는 부분에는 크롬과 같은 경질금속 또는 세라믹재료를 코팅하고 초정밀 가공 및 경면연마하여 마찰계수를 최소화하면서 부식 방지처리를 한다.

회전축(1)의 레이디얼 베어링(8)과 인접하는 부분에는 도 3에 도시된 바와 같이, 미세홈(19a, 19b)을 정밀 가공하여 회전시에 레이디얼 방향으로 동압이 발생되도록 한다.

도 4는 본 발명의 레이디얼 베어링(8)을 도시한 측단면도로서, 레이디얼 베어링(8)의 내측면에 미세홈(11a, 11b)을 정밀 가공하여 회전시에 레이디얼 방향으로 동압이 발생되도록 한다.

도 5는 본 발명의 회전축(1)의 칼라(5)의 양측면 상에 형성된 미세홈(20a, 20b)을 도시한 도면으로, 회전축(1)의 트러스트 방향의 칼라(5)에 미세홈(20a, 20b)을 정밀 가공하여 회전시에 트러스트 방향으로 동압이 발생되도록 한다.

도 6은 본 발명의 트러스트 베어링(2, 7)의 각 측면에 형성된 미세홈(21a, 21b)을 도시한 도면으로, 트러스트 베어링(2, 7)의 각 측면에 미세홈(21a, 21b)을 정밀 가공하여 회전시에 트러스트 방향으로 동압이 발생되도록 한다.

상기와 같은 본 발명은, 공기소비량을 줄일 수 있고, 스핀들의 강성을 증대시킬 수 있으며, 외부로부터 공기공급 중단시에도 마찰용접 현상을 방지할 수 있으므로 스핀들의 치명적인 손상을 막을 수 있다.

Claims (4)

1. 회전축의 선단에 드릴이나 각종 치공구를 부착하여 압축공기 공급으로 축을 부상시킨 후 모터에 의해 회전되도록 하는 스핀들 시스템에 있어서,

   내부에 공기 공급시스템과 연통되는 공기유로를 구비하고, 후방측에 모터 고정자를 구비한 본체와;

   후방단부측에 상기 본체의 모터 고정자에 대응하는 모터 회전자가 구비되고, 전방단부측에 다수의 미세홈이 형성된 칼라를 구비한 회전축과;

   상기 칼라의 양 측면에 인접배치되고, 원주면 상에 다수의 공기노즐을 구비한 한 쌍의 트러스트 베어링과;

   상기 회전축의 외주면 상에 인접배치되고, 원주면 상에 다수의 노즐을 구비한 레이디얼 베어링을 포함하고;

   상기 회전축의 칼라와 한 쌍의 트러스트 베어링의 상호 인접한 면에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성되며,

   상기 회전축과 레이디얼 베어링의 상호 인접한 면에는 다수의 미세홈이 선택적으로 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드형 초정밀 고속화 공기베어링 스핀들 시스템.
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