KR100859433B1 - 소형 에어 스핀들 장치 - Google Patents

소형 에어 스핀들 장치 Download PDF

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KR100859433B1
KR100859433B1 KR1020070088983A KR20070088983A KR100859433B1 KR 100859433 B1 KR100859433 B1 KR 100859433B1 KR 1020070088983 A KR1020070088983 A KR 1020070088983A KR 20070088983 A KR20070088983 A KR 20070088983A KR 100859433 B1 KR100859433 B1 KR 100859433B1
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housing
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노승국
박종권
경진호
신우철
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 소형의 공작기계나 치과용 핸드 드릴 등에 적용되어 회전동작되는 스핀들의 크기를 줄이기 위해서 샤프트가 공압에 의해서 회전되도록 할 뿐만 아니라 에어 베어링과 영구자석으로써 지지되도록 한 소형 에어 스핀들 장치에 관한 것이다. 본 발명은 일측으로 공작용 공구가 접속가능하도록 형성된 샤프트와, 상기 샤프트의 도중을 축지지하는 한편 샤프트에 공압을 제공하기 위한 에어 공급통로 및 에어 배출통로가 형성된 통형상의 하우징과, 상기 하우징의 후측에 조립되는 커버를 포함하여 구성되는 소형 에어 스핀들 장치에 있어서, 상기한 샤프트의 반경방향 지지를 위해서 다수의 에어 노즐이 일정간격을 두고 방사상의 방향으로 형성된 반경반향 에어 베어링과; 상기한 샤프트의 축방향 지지를 위해서 커버의 내측에 샤프트에 인력이 작용하도록 고정장착된 영구자석과; 상기한 영구자석에 의해서 샤프트에 작용하는 인력과는 반대방향의 힘이 제공되도록 샤프트의 내측단을 향하는 에어 노즐이 커버의 중앙부분에 형성된 축방향 에어 베어링; 을 더 포함하여 구성이 이루어진다.
스핀들, 에어 베어링, 영구자석, 샤프트

Description

소형 에어 스핀들 장치{The compacted air spindle apparatus}
본 발명은 소형 에어 스핀들 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소형의 공작기계나 치과용 핸드 드릴 등에 적용되어 회전동작되는 스핀들의 크기를 줄이기 위해서 샤프트가 공압에 의해서 회전되도록 할 뿐만 아니라 에어 베어링과 영구자석으로써 지지되도록 한 소형 에어 스핀들 장치에 관한 것이다.
소형의 공작기계 또는 치과 등에서 사용되는 핸드 드릴은 가공 대상물의 크기가 작고 미세한 가공이 요구되기 때문에 소형으로 제작되고, 소형 공작기계 또는 핸드 드릴에 장착되는 공구 또한 작은 크기로 형성되는 것이 일반적이다.
도 1 은 대한민국 특허청 공개특허공보(공개번호 특1995-0024745호)에 게재된 '소형유체구동 핸드피스'의 구조를 설명하기 위한 일부 도면이다. 핸드 피스의 본체(100) 일측에 마련되는 헤드(200) 내부측에는 본체(100)에 마련된 유체공급로(110)를 통해서 공급된 유체의 압력에 의해서 회전동작되는 터빈 블레이드(310)가 형성되는 한편 이 터빈 블레이드(310)는 터빈 회전축(300)에 고정된 구조로 형성된다. 즉, 유체공급로(110)를 통해서 고압으로 공급된 유체에 의해서 터빈 블레이드(310)가 회전되면서 터빈 회전축(300)이 회전 동작되는 한편 터빈 회전축(300) 에 장착된 공구가 회전되도록 구성되는 것이다. 그리고 유체공급로(110)에서 공급되어 터빈 블레이드(310)를 가압한 후의 유체는 유체배출로(120)를 통해서 배출이 이루어진다.
한편, 터빈 회전축(300)이 회전되는 과정에서 헤드(200)와 마찰되지 않도록 터빈 회전축(300)의 양측 외주연과 헤드 내측의 공간 사이에는 볼 베어링(210)이 개재된다.
그런데 전술한 바와 같은 스핀들 구조에서는 샤프트의 지지를 위한 볼 베어링의 장착공간이 필요하게 됨으로서 핸드 피스 전체의 크기를 줄이는 데에는 한계가 있었으며, 유체의 압력에 의한 터빈 회전축의 진동을 충분히 방진하지 못함으로서 터빈 회전축의 중심이 일정하지 못하고 언밸런스(unbalance)해지는 문제점이 있었다. 또한, 볼 베어링의 마찰에 의해 고속회전이 어려울뿐만 아니라 볼 베어링의 정밀도 자체가 우수하지 않기 때문에 터빈 회전축의 중심이 일정하지 못하고 언밸런스해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 소형의 공작기계나 치과용 핸드 드릴 등에 적용되어 회전동작되는 스핀들의 크기를 줄이면서 고속회전 및 보다 정밀한 회전이 가능하도록 하기 위해서 샤프트가 공압에 의해서 회전되도록 할 뿐만 아니라 에어 베어링과 영구자석으로써 지지되도록 한 소형 에어 스핀들 장치를 제공하는 데 목적이 있는 것이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 목적의 달성을 위한 수단으로서 다음과 같이 구성이 이루어진다. 즉, 본 발명은 일측으로 공작용 공구가 접속가능하도록 형성된 샤프트와, 상기 샤프트의 도중을 축지지하는 한편 샤프트에 공압을 제공하기 위한 에어 공급통로 및 에어 배출통로가 형성된 통형상의 하우징과, 상기 하우징의 후측에 조립되는 커버를 포함하여 구성되는 소형 에어 스핀들 장치에 있어서, 상기한 샤프트의 반경방향 지지를 위해서 다수의 에어 베어링 노즐이 일정간격을 두고 방사상의 방향으로 형성된 반경반향 에어 베어링과; 상기한 샤프트의 축방향 지지를 위해서 커버의 내측에 샤프트에 인력이 작용하도록 고정장착된 영구자석과; 상기한 영구자석에 의해서 샤프트에 작용하는 인력과는 반대방향의 힘이 제공되도록 샤프트의 내측단을 향하는 에어 베어링 노즐이 커버의 중앙부분에 형성된 축방향 에어 베어링; 을 더 포함하여 구성이 이루어진다.
또한, 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치에서 하우징은 아웃터 하우징과 인너 하우징으로 구분형성된 후 인너 하우징이 아웃터 하우징에 인서트되어 일체로 이루어지되, 인너 하우징의 외주연에는 샤프트 구동용 공압이 통과되기 위한 터빈용 에어 환상 공급통로와, 샤프트를 구동시킨 후 배출되는 공압이 통과되기 위한 터빈용 에어 환상 배출통로와, 반경방향 에어 베어링의 에어 베어링 노즐들로 공압이 공급되도록 하기 위한 반경방향 에어 환상 공급통로가 형성될 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치에서 하우징과 마주하는 커버의 내측면 도중에는 축방향 에어 베어링의 에어 베어링 노즐로부터 공급된 공기의 배 출이 이루어지도록 하는 축방향 지지용 에어 배출통로가 형성될 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치에서 샤프트의 외측 끝단부에는 공구가 끼워지기 위한 공구장착공이 형성되어지되, 공구장착공에 끼워진 공구의 고정될 수 있도록 공구장착공의 외주연에는 형상기억합금 재질로 된 고정링이 구성될 수 있는 것이다.
아울러, 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치에서 고정링이 위치되는 공구장착공의 소정 구간에는 탄성력 제공을 위한 슬롯이 형성될 수 있는 것이다.
전술한 바와 같이 구성되는 본 발명은 하우징 내부에 축지지되는 샤프트의 구조가 단일의 직경으로 형성됨으로서 샤프트의 조립을 위한 하우징의 구조가 복잡해질 필요가 없을 뿐만 아니라 샤프트의 반경방향 및 축방향 지지를 위한 볼 베어링 등의 부품이 필요없이 에어 베어링 및 영구자석으로써 이루어짐으로서 하우징 및 커버의 크기를 크게 줄일 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.
또한, 샤프트가 하우징 또는 커버와 마찰되지 않고 회전동작될 수 있도록 에어 베어링 및 영구자석에 의해서 지지됨으로서 샤프트가 회전되는 과정에서의 손실을 줄여 샤프트가 보다 고속으로 회전동작될 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.
특히, 본 발명에 따른 축방향 에어 베어링은 샤프트의 일측에만 형성되고 샤프트의 직경과 다른 크기를 갖는 디스크가 없게 됨으로서 언밸런스가 최소화되어 고속 회전과 정밀 회전에 유리하게 되는 장점이 있는 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 는 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 정단면도이고, 도 3 은 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 평단면도이며, 도 4는 도 2 에 표시된 A-A선 단면도이고, 도 5 는 도 2 에 표시된 B-B선 단면도이며, 도 6 은 도 3 에 표시된 C-C선 단면도로서, 도면 중에 표시되는 도면부호 10은 본 발명에 의해 형성된 소형 에어 스핀들 장치를 지시하는 것이다.
상기한 소형 에어 스핀들 장치(10)는 소형 공작기계 또는 치과용 핸드 드릴 등에 적용되기 위한 것으로서, 소형이거나 정밀한 제품의 가공이 요구되는 회전 공구에 적용되기 위한 것이다.
특히, 소형 에어 스핀들 장치(10)에 사용되는 부품의 수를 크게 줄이기 위하여 샤프트(20)를 회전시키기 위한 구동력으로는 공압이 이용될 뿐만 아니라, 샤프트(20)의 반경방향 및 축방향을 지지하기 위한 수단으로는 에어 베어링(60,70) 및 영구자석(80)이 이용된다. 또한, 소형 에어 스핀들 장치(10)의 소형화를 위해서 샤프트(20)는 동일한 직경을 가진 형태로 이루어지고, 샤프트(20)를 축지지하는 하우징(30,40)의 일측에만 커버(50)가 형성된 구조로 이루어진다.
하우징은 도면에 도시된 바와 같이 인너 하우징(30)과 아웃터 하우징(40)으로 구분형성될 수 있는 것인데, 이는 샤프트(20) 주변으로 공압이 제공되도록 하기 위한 통로의 형성 및 샤프트 주변으로부터 공압이 배출되도록 하는 통로의 형성을 위한 것이다. 따라서 인너 하우징(30)은 아웃터 하우징(40)에 별도로 가공된 후에 열박음 등의 공정을 통해서 아웃터 하우징(40)의 내측에 인서트되는 구조로 이루어질 수 있는 것이다.
즉, 도면에 도시된 바와 같이 인너 하우징(30)의 외주연에는 샤프트 구동용 공압이 통과되기 위한 터빈용 에어 환상 공급통로(12)와, 샤프트를 구동시킨 후 배출되는 공압이 통과되기 위한 터빈용 에어 환상 배출통로(16)와, 후설할 반경방향 에어 베어링(60)의 에어 베어링 노즐(64)들로 공압이 공급되도록 하기 위한 반경방향 에어 환상 공급통로(62) 등이 형성된다.
그리고 터빈용 에어 환상 공급통로(12)는 도 4 의 단면도에 도시된 바와 같이 샤프트(20)의 도중 외주연을 향하여 비스듬한 각도로 공압이 분사될 수 있도록 하는 에어 터빈 노즐(13)이 형성되는데, 에어 터빈 노즐(13)은 서로 대칭된 방향으로 2개 또는 4개가 형성될 수 있는 것이다.
또한, 에어 터빈 노즐(13)을 통해서 샤프트(20) 측으로 공급된 공압의 배출을 위해서 에어 터빈 노즐(13)의 출구가 위치된 인너 하우징(30)의 내주연 측에는 환형상의 터빈용 에어 그루브(14)가 형성된다. 이 터빈용 에어 그루브(14)와 인너 하우징(30)의 외주연에 형성되는 터빈용 에어 환상 배출통로(16) 사이에는 터빈용 에어의 배출을 유도하기 위한 다수의 배출통로(15)가 방사상의 방향으로 형성된다.
반경방향 에어 환상 공급통로(62)로 공급된 공압은 샤프트(20)의 양측 도중의 외주연을 향해서 분사되면서 샤프트(20)의 외주연이 인너 하우징(30)의 축공(32)에 접촉되거나 마찰되지 않도록 하기 위한 것으로서, 반경방향 에어 환상 공 급통로(62)의 내측에는 다수의 에어 포켓(63)이 형성되고 각각의 에어 포켓(63) 내측에는 샤프트(20)를 향하는 관통된 에어 베어링 노즐(64)이 형성된다.
한편, 아웃터 하우징(40)의 도중에는 터빈용 에어 환상 공급통로(12), 터빈용 에어 그루브(14) 및 반경방향 에어 환상 공급통로(62)로의 공압의 공급 및 배출이 이루어질 수 있도록 하는 에어 공급통로(11,61) 및 에어 배출통로(17)가 형성된다.
그리고 샤프트(20)의 중앙부분 도중의 외주연에는 인너 하우징(30)에 마련된 에어 터빈 노즐(13)에서 분사되는 공압을 받아 샤프트(20)가 회전동작될 수 있도록 하기 위한 터빈(24)이 음각된 형태로 형성된다. 샤프트(20)의 외측단은 인너 하우징(30)의 외측으로 노출되는 형태로 조립이 이루어지는데, 이렇게 하우징의 외측으로 노출되는 샤프트(20)의 외측단에는 공구의 장착을 위한 공구장착공(21)이 형성된다.
특히, 공구장착공(21)의 끝단부 외주연에는 공구를 정밀하게 고정시키기 위한 고정링(23)이 형성되는데, 이 고정링(23)은 형상기억합금(SMA)의 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 고정링(23)이 위치되는 공구장착공(21)의 소정 구간에는 탄성력의 제공을 위한 슬롯(22)이 형성됨으로서, 공구(T)가 장착되는 과정이 용이하고 고정링(23)의 수축작용시 공구에 힘이 전달된다.
한편, 샤프트(20)의 내측단 및 하우징(30,40)의 내측면을 감싸는 커버(50)의 중앙부분에는 인너 하우징(30)의 축공(32)에 위치된 샤프트(20)가 외측으로 이탈되지 않고 인너 하우징(30)에 지지된 상태로 회전동작될 수 있도록 하기 위한 영구자 석(80)이 고정장착된다. 즉, 영구자석(80)의 자력에 의해서 샤프트(20)가 커버(50) 측으로 당겨지도록 구속하게 됨으로서 샤프트의 도중에 이탈방지를 위한 턱의 가공이 불필요할 뿐만 아니라 볼 베어링 등과 같이 샤프트의 외주연을 구속하는 별도의 부품이 불필요하게 되는 것이다. 따라서 본 발명에 의해 소형 에어 스핀들 장치(10)에 적용되는 샤프트(20)는 동일한 직경으로 형성될 수 있는 것이다.
그리고 영구자석(80)에 의한 샤프트(20)와 커버(50) 사이의 인력과는 반대의 방향으로 힘이 작용됨으로서 샤프트(20)가 영구자석(80)에 밀착되는 것을 방지하기 위한 축방향 에어 베어링(70)이 커버(50)의 도중에 형성된다. 즉, 축방향 에어 베어링(70)은 샤프트(20)의 내측단을 향해서 공압을 제공하여 샤프트(20)와 커버(50) 사이에 작용하는 척력과 영구자석(80)에 의하여 샤프트(20)와 커버(50) 사이에 작용하는 인력이 서로 평형을 이루도록 함으로서 샤프트(20)의 축방향 움직임이 구속되도록 하기 위한 것이다.
축방향 에어 베어링(70)의 형성을 위해서 커버(50)의 중앙부분에는 샤프트(20)의 내측단을 향하여 공압이 분사되도록 하는 에어 베어링 노즐(73) 및 에어 포켓(72)이 형성된다. 그리고 에어 베어링 노즐(73)에서 분사된 공기의 배출을 위하여 영구자석(80)이 위치되는 외주연 측에는 축방향 지지용 에어 배출통로(74)가 형성된다.
물론, 커버(50)의 도중에는 아우터 하우징(40)에 마련되는 에어 공급통로(11,61) 및 에어 배출통로(17)와 연통되기 위한 에어 공급통로(11,61) 및 에어 배출통로(17)가 형성되는 한편 커버(50)에 형성된 에어 공급통로(11,61) 및 에어 배출통로(17)의 일측에는 에어 공급용 호스 또는 에어 배출용 호스가 접속되기 위한 니플 등이 결합될 수 있는 것이다.
도 7 은 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 작동을 설명하기 위한 도면으로서, 도면에 도시된 바와 같이 샤프트(20)의 내측단은 커버(50) 측에 고정장착된 영구자석(80)의 자력에 의해서 커버(50) 측을 향하는 상태가 된다.
한편, 샤프트(20)의 회전을 위한 에어 터빈 노즐(13)로 공압이 제공되기 전에 반경방향 에어 베어링(60) 및 축방향 에어 베어링(70)에는 샤프트(20)의 반경방향 지지 및 축방향 지지를 위한 공압이 공급된다. 따라서 샤프트(20)의 내측단은 축방향 에어 베어링(70)의 에어 베어링 노즐(73)에서 가해지는 공압에 의해서 커버(50)와 이격된 상태가 됨으로서 샤프트(20)의 회전에 장애가 되지 않도록 한다. 이때, 영구자석(80)과 샤프트(20)의 내측단 사이의 인력은 축방향 에어 베어링(70)과 샤프트 사이에 예압으로 작용된다.
또한, 반경방향 에어 베어링(60)을 구성하는 다수의 에어 베어링 노즐(64)에서 샤프트(20)의 외주연을 향해서 공압이 제공됨에 따라서 샤프트(20)는 인너 하우징(30)의 축공(32)에서 이격된 상태가 됨으로서 샤프트(20)가 회전동작되더라도 축공 주변과 마찰되지 않게 되는 것이다.
전술한 바와 같이 샤프트(20)가 반경방향 에어 베어링(60) 및 축방향 에어 베어링(70)에 의해서 인너 하우징(30) 및 커버(50)로부터 이격된 상태에서 샤프트 구동용 공압이 에어 터빈 노즐(13)로 공급된다. 이렇게 에어 터빈 노즐(13)로 공급된 공압은 터빈(24)에 힘을 가하게 됨으로서 샤프트(20)의 회전동작이 이루어지게 된다. 이때, 샤프트(20)는 반경방향 에어 베어링(60)에 의해서 반경방향이 지지되는 한편 영구자석(80) 및 축방향 에어 베어링(70)에 의해서 축방향이 지지됨으로서, 에어 터빈 노즐(13)로부터 제공되는 공압에 의한 회전력의 손실이 거의 발생되지 않아 고속회전이 가능하게 되는 것이다.
특히, 샤프트(20)는 전체적으로 동일한 직경으로 형성되어도 무방함으로서 샤프트의 가공에 따른 비용 및 공정의 절감이 가능할 뿐만 아니라, 샤프트를 지지하거나 회전시키기 위한 장치의 구비를 위한 하우징(30,40) 및 커버(50)의 구조가 상대적으로 단순화될 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1 은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 정단면도.
도 3 은 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 평단면도.
도 4 는 도 2 에 표시된 A-A선 단면도.
도 5 는 도 2 에 표시된 B-B선 단면도.
도 6 은 도 3 에 표시된 C-C선 단면도.
도 7 은 본 발명에 따른 소형 에어 스핀들 장치의 작동상태를 설명하기 위한 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 소형 에어 스핀들 장치 12 : 터빈용 에어 환상 공급통로
13 : 에어 터빈 노즐 14 : 터빈용 에어 그루브
16 : 터빈용 에어 환상 배출통로 20 : 샤프트
21 : 공구장착공 24 : 터빈
30 : 인너 하우징 32 : 축공
40 : 아웃터 하우징 50 : 커버
60 : 반경방향 에어 베어링 62 : 반경방향 에어 환상 공급통로
63 : 에어 포켓 64 : 에어 베어링 노즐
70 : 축방향 에어 베어링 72 : 에어 포켓
73 : 에어 베어링 노즐 80 : 영구자석

Claims (5)

  1. 일측으로 공작용 공구가 접속가능하도록 형성된 샤프트(20)와, 상기 샤프트(20)의 도중을 축지지하는 한편 샤프트(20)에 공압을 제공하기 위한 에어 공급통로(11,61) 및 에어 배출통로(17)가 형성된 통형상의 하우징과, 상기 하우징의 후측에 조립되는 커버(50)를 포함하여 구성되는 소형 에어 스핀들 장치(10)에 있어서,
    상기한 샤프트(20)의 반경방향 지지를 위해서 다수의 에어 베어링 노즐(64)이 일정간격을 두고 방사상의 방향으로 형성된 반경반향 에어 베어링(60)과;
    상기한 샤프트(20)의 축방향 지지를 위해서 커버(50)의 내측에 샤프트(20)에 인력이 작용하도록 고정장착된 영구자석(80)과;
    상기한 영구자석(80)에 의해서 샤프트(20)에 작용하는 인력과는 반대방향의 힘이 제공되도록 샤프트(20)의 내측단을 향하는 에어 베어링 노즐(73)이 커버(50)의 중앙부분에 형성된 축방향 에어 베어링(70); 을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소형 에어 스핀들 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기한 하우징과 마주하는 커버(50)의 내측면 도중에는 축방향 에어 베어링(70)의 에어 베어링 노즐(73)로부터 공급된 공기의 배출이 이루어지도록 하는 축방향 지지용 에어 배출통로(74)가 형성된 것을 특징으로 하는 소형 에어 스핀들 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기한 샤프트(20)의 외측 끝단부에는 공구(T)가 끼워지기 위한 공구장착공(21)이 형성되어지되, 공구장착공(21)에 끼워진 공구(T)의 고정될 수 있도록 공구장착공(21)의 외주연에는 형상기억합금 재질로 된 고정링(23)이 구성된 것을 특징으로 하는 소형 에어 스핀들 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기한 고정링(23)이 위치되는 공구장착공(21)의 소정 구간에는 탄성력 제공을 위한 슬롯(22)이 형성된 것을 특징으로 하는 소형 에어 스핀들 장치.
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