KR100871278B1

KR100871278B1 - 일방향성 다공질 금속을 이용한 정압 에어 베어링 스핀들시스템

Info

Publication number: KR100871278B1
Application number: KR1020070066010A
Authority: KR
Inventors: 허보영; 엄용수; 윤재홍
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2008-11-28
Also published as: US20090010579A1; US7871200B2

Abstract

본 발명은 다공질 금속을 이용한 정압 에어 베어링 스핀들 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기공율이 높으며 방향성이 있도록 메탈로지 방법으로 만들어진 일방향성 다공질 금속 재료(Porous Metal)를 고속 회전 시 주축에 마찰이 되는 부분에 베어링의 역할을 하도록 적용하는 다공질 금속을 이용한 에어 베어링 스핀들 시스템에 관한 것이다.

일방향성 다공질 금속, 에어 베어링, 기공, 급기통로, 배기통로

Description

일방향성 다공질 금속을 이용한 정압 에어 베어링 스핀들 시스템{AEROSTATIC BEARING SPINDLE SYSTEM USING UNIDIRECTIONAL POROUS METAL}

도 1은 일방향성 구조의 다공질 금속 구리(Cu) 횡단면 및 종단면의 광학현미경 사진;

도 2는 다양한 기공크기를 가진 일방향성 구조의 다공질 금속 구리(Cu)의 사진;

도 3은 일방향성 구조의 다공질 금속 구리(Cu)의 경도 시편을 나타낸 사진;

도 4는 일방향성 구조의 다공질 금속 구리(Cu)의 경도 측정 결과를 나타낸 표;

도 5는 제조된 구리(Cu)시편의 주사 전자 현미경(SEM)을 분석 결과를 나타낸 사진;

도 6a는 일방향성 다공질 금속 재료를 에어 베어링으로서의 적용한 예시도;

도 6b는 도 6a의 일부분을 구체적으로 확대하여 도시한 확대도;

도 7은 에어 베어링으로서 적용되는 일방향으로 제작된 일방향성 다공질 금속의 기공이 중심축에 대해 90°로 형성되는 것을 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1 : 일방향성 다공질 금속 베어링 2 : 기공

3 : 주축 4 : 급기통로

5 : 에어 입구부 6 : 급기 홈

7 : 배기 홈 8 : 배기 통로

9 : 베어링 하우징 10 : 모터 하우징

11: 모터 12 : 에어 출구부

13: 에어 출입구 커버

본 발명은 일방향성 다공질 금속을 이용한 에어 베어링 스핀들 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기공율이 높으며 방향성이 있도록 제작된 다공질 금속(Porous Metal)을 고속 회전 시 마찰이 되는 부분에 베어링의 역할을 하도록 적용할 수 있는 일방향성 다공질 금속을 이용한 에어 베어링 스핀들 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 고속 회전 장치로서 에어 베어링 시스템을 채택하고 있는 장치의 경우 열원인 모터가 시스템의 내부에 내장되어 있는 구조이므로 주축의 고속회전 시에 진동, 마모, 마찰열로 인한 주축의 변형 및 소착 등 많은 문제점들이 발생하여 공작 기계의 정밀도 및 안정성에 결정적인 악영향을 미치게 된다.

또한, 기존의 에어 베어링 시스템에서는 베어링 소재로서 소결 재료 및 금속 파이프에 미소 드릴로 홈(직경 0.2∼0.3mm)을 내어 공기의 출입을 통하여 축과 베어링 사이에 유막을 형성시켜 기존의 축과 베어링 사이의 접촉을 없애는 베어링 역할을 하도록 하고 있다.

그러나, 기존의 소재에서는 미세 홈을 뚫기 위한 정밀 가공 기술의 한계성으로 인해 공기의 불균일한 압력 분포가 발생하여, 시스템 전체 밸런싱이 불안정해지고, 에어 해머 현상 등에 의한 에어 베어링 스핀들 시스템의 강성을 저하시키는 문제점이 발생하고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 공기의 균일한 흐름 분포를 가지도록 방향성을 가지는 일방향성 다공질 금속(Porous Metal)을 에어 베어링에 적용한 것으로서, 주축의 회전시 직접 마찰이 되는 부분에 일방향성을 가지는 다공질 금속(Porous Metal)을 소재로 한 에어 베어링을 장착함으로써, 구조가 간단해지고, 진동, 마모, 마찰열로 인한 주축의 변형 및 소착을 최대한 줄이는 동시에 시스템 전체 밸런싱의 안정과 에어 해머 현상을 제거할 수 있도록 한 일방향성 다공질 금속을 이용한 정압 에어 베어링 스핀들 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다공질 금속을 이용한 정압 에어 베어링 스핀들 시스템은,

모터 하우징; 상기 모터 하우징에 접하여 일체로 형성된 베어링 하우징; 상 기 모터 하우징과 베어링 하우징의 내부 중심부를 관통하여 설치되는 주축; 상기 모터 하우징의 내부에 상기 주축을 둘러싸며 설치되는 모터; 및 상기 베어링 하우징의 내부에 상기 주축의 외주면을 동축상으로 둘러싸며 설치되고, 그 외주면에 일정한 방향성을 갖는 다수의 기공이 형성된 다수의 일방향성 다공질 금속 베어링;을 포함하며,

상기 모터 하우징과 베어링 하우징의 일정 공간부에 상기 주축과 평행하게 에어입구부가 일체로 형성되고, 상기 모터하우징과 베어링 하우징의 또 다른 공간부에 상기 주축과 평행하게 에어출구부가 일체로 형성되며,

상기 에어입구부와 상기 각각의 일방향성 다공질 금속 베어링 사이에는 다수의 급기통로가 일체로 형성되고, 상기 급기통로와 각각의 다공질 금속 베어링 사이에는 급기홈이 일체로 형성되고,

상기 다수의 다공질 금속 베어링은 서로 이격되어 설치되고, 그들 각각의 사이에는 상부쪽에 배기홈이 형성된 금속링이 설치되며,

상기 금속링과 상기 에어출구부 사이에는 상기 배기홈과 연통되는 배기통로가 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 일방향성 다공질 금속 베어링의 외주면에 형성된 다수의 기공은 상기 일방향성 다공질 금속 베어링의 중심축에 대하여 90° 방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 일방향성 다공질 금속 베어링의 외주면에 형성된 다수의 기공은 상기 일방향성 다공질 금속 베어링의 중심축에 대하여 45° 방향으로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 일방향성 다공질 금속을 이용한 정압 에어 베어링 스핀들 시스템에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 일방향성 다공질 금속(Porous Metal)의 횡단면 및 종단면의 광학현미경 사진이며, 가스의 압력을 각각 0.4MPa 및 0.8 MPa 하에서 제조한 구리(Cu) 시편으로서, 일방향 멀티 기공을 가진 다공질 금속(Porous Metal)의 횡단면 및 종단면의 광학현미경 사진을 나타낸 것이다.

0.4 MPa의 압력 하에서 제조된 시편의 경우 평균 약 0.4mm의 기공크기를 가지며, 44.9%의 기공율을 가진 일방향성 다공질 구리(Cu)를 얻을 수 있었다. 0.8 MPa의 압력 하에서 제조된 시편의 경우 평균 기공의 크기는 약 0.1mm이며, 36.6%의 기공율을 가진 일방향성 다공질 재료를 얻을 수 있었다.

방향성을 가진 기공의 길이는 종단면 사진으로부터 성장방향(응고 계면의 이동 방향)으로 약 20mm에서 최고 200mm까지 성장한 것을 알 수 있다.

이상에서 알 수 있듯이 가스의 압력이 높을수록 기공의 크기와 기공율은 감소하며 압력 및 각 변수들을 제어함으로써 원하는 기공의 크기 및 기공율을 가진 재료를 제조할 수 있다.

도 2는 다양한 기공 크기를 가진 일방향 구조의 일방향성 다공질 금속 구리(Cu)의 사진으로서, 압력 및 각 변수들을 제어하여 제조된 다양한 기공의 크기 및 기공율을 가진 구리(Cu)시편의 사진을 나타내었다.

도 3은 일방향 구조의 다공질 금속 구리(Cu)의 경도 시편을 나타낸 사진으로서 도 1 및 도 2에서와 같이 제조된 구리(Cu) 시편의 경도를 측정하기 위해 4mm의 기공크기를 가진 시편을 1 x 1 x 1cm 크기로 절단하여 기공의 성장방향에 따른 각각의 부위를 표시한 후 비커스 경도시험을 실시하였다.

도 4의 일방향성 다공질 금속 구리(Cu)의 경도 측정 결과를 나타낸 표에서처럼, 기공의 성장방향이 90°일 경우 가장 높은 경도를 가졌으며, 기공의 성장방향에 관계없이 약 50Hv의 비교적 균일한 경도값을 나타내었다.

도 5는 제조된 구리(Cu)시편의 주사 전자 현미경(SEM)을 분석 결과를 나타낸 사진으로서, 기공의 형상은 양호하며 균열부는 관찰되지 않았다.

도 6a는 일방향성 다공질 금속 재료를 에어 베어링으로서의 적용한 예시도로서, 본 발명의 대표도이고, 도 6b는 도 6a의 일부분을 구체적으로 확대하여 도시한 확대도이다.

본 발명의 에어 베어링 스핀들 시스템은 주축을 회전시키는 모터(11)가 시스 템 내부에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 에어 베어링 스핀들 시스템은, 크게 모터 하우징(10), 상기 모터 하우징(10)에 접하여 일체로 형성된 베어링 하우징(9), 상기 모터 하우징(10)과 베어링 하우징(9)의 내부 중심부를 관통하여 설치되는 주축(3), 상기 모터 하우징(10)의 내부에 상기 주축(3)을 둘러싸며 설치되는 모터(11), 및 상기 베어링 하우징(9)의 내부에 상기 주축(3)의 외주면을 동축상으로 둘러싸며 설치되는 다수의 다공질 금속 베어링(1)을 포함한다.

이때, 상기 다수의 다공질 금속 베어링(1)은 상호간에 이격되어 설치되며, 그 다공질 금속 베어링(1)의 사이 사이에는 금속링(15)가 개재되어 설치된다. 상기 금속링(15)의 상단 위치에는 배기홈(7)이 형성되어 있다.

상기 각각의 다공질 금속(1)에는 일정한 방향성을 갖는 다수의 기공(2)이 형성되어 있어, 그 기공(2)들을 통해 공기가 유동할 수 있게 된다.

또한, 상기 모터 하우징(10)과 베어링 하우징(9)의 일정 공간부에 상기 주축(3)과 평행하게 에어입구부(5)가 일체로 형성되고, 상기 모터하우징(10)과 베어링 하우징(9)의 또 다른 공간부에 상기 주축(3)과 평행하게 에어출구부(12)가 일체로 형성된다. 이때, 상기 에어입구부(5)와 상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1) 사이에는 다수의 급기통로(4)가 일체로 형성되어 공기를 공급시키고, 상기 급기통로(4)를 통과한 공기는 급기홈(6)을 경유하여 기공(2)으로 급기된다. 상기 다공질 금속 베어링(1)과 상기 에어출구부(12) 사이에는 금속링(15)에 홈을 낸 배기홈(7)과 배기통로(8)가 연통되도록 형성되어 공기를 배출시킬 수 있게 되어 있다.

상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 일정 방향성으로 형성된 기공을 가질 수 있는데, 상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)의 중심축에 대하여 90° 방향으로 형성된 기공을 갖는 다공질 금속으로 제작될 수도 있다(도 7참조). 또 다른 실시예로서, 중심축에 대하여 45° 방향으로 형성된 기공을 갖는 다공질 금속으로 제작될 수도 있다.

상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)은 베어링 하우징(9)의 공간부와 주축(3) 사이에서 베어링 역할을 하는 것으로, 상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)에 형성된 다수의 기공(2)들 사이로 공기가 유동함으로써, 주축과 베어링 사이에 공기에 의한 유막을 형성시켜 주축(3)이 고속회전 할 수 있도록 하는 것이다.

미설명 부호 13은 에어출입구 커버를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 따른 에어 베어링 스핀들 시스템의 작동에 대하여 설명한다.

모터(11)가 동력에 의해 고속 회전하게 되면, 그에 따라 주축(3)이 회전하게 된다. 이때, 상기 에어입구부(5)와 급기통로(4)와 급기홈(6)을 통해 상기 다공질 금속 베어링(1)에 공기를 공급하게 되고, 공급된 공기는 일방향성 다공질 금속 베어링(1)의 다수의 기공(2)들을 통과해 주축(3)과 금속 베어링(1) 사이 및 주축(3)과 금속링(15) 사이의 유로를 경유하여, 배기홈(7), 배기통로(8) 및 에어출구부(12)를 거쳐 배출되게 된다. 공기의 순환과정은 도 6a 및 도 6b에 화살표로 도시한 경로와 같다.

이런 과정에서, 일방향성 다공질 금속 베어링(1)에 공급되는 공기로 인해 주축(3)과 일방향성 다공질 금속 베어링(1) 사이 및 주축(3)과 금속링(15) 사이에는 공기 유막에 의한 유로(25)이 형성되어서, 주축(3)과 베어링(1) 사이에 접촉이나 마찰 없이 고속 회전이 가능하게 되는 것이다.

상기에 언급된 바와 같이, 일방향성 다공질 금속을 이용하여 에어 베어링으로서 장착한 구조는, 공기에 의해 주축의 회전 시 직접 마찰이 되는 부분에 공기 유막을 형성시킴으로써, 진동, 마모, 마찰열로 인한 주축의 변형 및 소착을 최대한 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims

모터 하우징(10);

상기 모터 하우징(10)에 접하여 일체로 형성된 베어링 하우징(9);

상기 모터 하우징(10)과 베어링 하우징(9)의 내부 중심부를 관통하여 설치되는 주축(3);

상기 모터 하우징(10)의 내부에 상기 주축(3)을 둘러싸며 설치되는 모터(11); 및

상기 베어링 하우징(9)의 내부에 상기 주축(3)의 외주면을 동축상으로 둘러싸며 설치되고, 그 외주면에 일정한 방향성을 갖는 다수의 기공(2)이 형성된 다수의 일방향성 다공질 금속 베어링(1);을 포함하며,

상기 모터 하우징(10)과 베어링 하우징(9)의 일정 공간부에 상기 주축(3)과 평행하게 에어입구부(5)가 일체로 형성되고, 상기 모터하우징(10)과 베어링 하우징(9)의 또 다른 공간부에 상기 주축(3)과 평행하게 에어출구부(12)가 일체로 형성되며,

상기 에어입구부(5)와 상기 각각의 일방향성 다공질 금속 베어링(1) 사이에는 다수의 급기통로(4)가 일체로 형성되고, 상기 급기통로(4)와 각각의 다공질 금속 베어링(1) 사이에는 급기홈(6)이 일체로 형성되고,

상기 다수의 다공질 금속 베어링(1)은 서로 이격되어 설치되고, 그들 각각의 사이에는 상부쪽에 배기홈(7)이 형성된 금속링(15)이 설치되며,

상기 금속링(15)과 상기 에어출구부(12) 사이에는 상기 배기홈(7)과 연통되는 배기통로(8)가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 일방향성 다공질 금속을 이용한 에어 베어링 스핀들 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)의 외주면에 형성된 다수의 기공(2)은 상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)의 중심축에 대하여 90° 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 일방향성 다공질 금속을 이용한 에어 베어링 스핀들 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)의 외주면에 형성된 다수의 기공(2)은 상기 일방향성 다공질 금속 베어링(1)의 중심축에 대하여 45° 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 일방향성 다공질 금속을 이용한 에어 베어링 스핀들 시스템.