KR100878119B1 - 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기를 베어링 매체로 하여 고속 주축을 지지하는 공기(空氣) 정압(靜壓) 베어링 장치에 관한 것으로, 본 발명의 구체적인 수단은 주축 하우징(16)내에 축설되어 스핀들모터(7)에 의해 구동되는 중공형 주축(1)을 공기 정압으로 회전 지지하기 위한 밀링가공용 주축의 베어링 장치에 있어서, 상기 주축(1)의 반경방향 및 축방향으로 가압공기를 도입하기 위해 주축 하우징(16)에 형성된 가압공기 공급통로(22)와, 상기 주축(1)의 외주면에 삽입되어 축방향으로 정열되고 그 외주면과 일정한 반경방향의 레이디얼 베어링 압력간극(17)을 갖고, 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통된 원주상에 일정 간격하에 반경방향으로 관통된 복수개의 급기공(21)을 갖는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)와, 상기 주축(1)의 일단에 구비된 스러스트 베어링 원판(2)과, 상기 스러스트 베어링 원판(2)의 양측면에 각기 배치되어 그 측면과 축방향의 스러스트 베어링 압력간극(12)을 갖고, 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통되고 측면상 일정간격하에 복수개의 관통된 급기공(13a)을 갖는 적어도 한쌍의 스러스트 베어링 패드(13,13)와, 상기 압력 간극(12,17)으로 분출된 공기를 배출시키도록 주축 하우징(16)에 구비된 적어도 하나의 배기공(14)을 포함한다.

주축, 밀링, 머시닝센터, 베어링, 공기 정압, 교축

Description

밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치{Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing}

도 1은 일반적으로 사용되는 밀링 가공용 구름베어링 고속주축의 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀링 가공용 공기 정압 베어링 고속 주축의 단면도.

도 3은 공기 정압 베어링 간극의 예시도.

도 4a,4b는 공기 정압 레이디얼 베어링의 정단면도 및 도 4a의 A-A선 단면도.

도 5a,5b는 공기 정압 스러스트 베어링의 정단면도 및 도 5b의 B-B선 단면도.

도 6은 공구 클램프 장치와 공구 언클램프 실린더의 단면도.

도 7은 레이디얼 베어링 패드측 급기공의 위치에 따른 강성 관계를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 주축

2 : 스러스트 베어링 원판

3,4,5,8 : 레이디얼 베어링 패드

7 : 스핀들모터

12,17 : 압력간극

13 : 스러스트 베어링 패드

13a,21 : 급기공

14 : 배기공

16 : 주축 하우징

20 : 열방출용 배기공

22 : 가압공기 공급통로

본 발명은 밀링머신이나 머시닝센터에 적용 가능한 고속 주축에 관한 것으로, 특히 공기를 베어링 매체로 하여 고속 주축을 지지하는 공기(空氣) 정압(靜壓) 베어링 장치에 관한 것이다.

가공정밀도 및 생산성을 향상시키기 위한 고속가공기술(high speed machining)이 발전함에 따라, 밀링머신이나 머시닝센터에서 주축 및 이송계의 고속화를 필요로 하고 있다. 일반적으로 밀링머신이나 머시닝센터의 주축은 앵귤러 콘택트 볼베어링(angular contact ball bearing)이나 롤러 베어링(roller bearing)과 같은 구름 베어링을 사용한다.

구름베어링(100,101)을 밀링 가공용 고속 주축(102)에 적용한 예시도가 도 1 에 나타나 있다.

도 1과 같이 구름 베어링(100,101)을 적용한 주축(102)은 고속화를 위해서, 작은 압력각, 세라믹소재를 사용한 볼이나 롤러 등 전동체(rolling element), 내열 특성이 우수한 내륜 및 외륜 소재, 베어링 예압 변경 기구, 베어링 윤활기술 등이 선택적으로 적용되고 있다. 이러한 노력의 결과 주축 직경 65~70㎜의 경우 분당회전수 2만5천, 주축 직경 40㎜의 경우 분당회전수 4만5천의 최고속도를 가진 주축이 실용화되었고, 그 이상의 회전속도를 가진 주축에 대한 연구가 진행중이다.

그러나 구름 베어링을 사용한 주축은 몇 가지 측면에서 문제점을 갖고 있다.

첫째, 주축의 수명이 짧다. 보통 고속주축이라 불리는 주축은 최고속도에서 2천시간에서 3천시간의 수명을 가진다. 10년 정도의 공작기계 수명을 가정할 때, 다른 장치에 비해서 매우 짧은 수명이다. 이로 인해 주축 교체 비용 등과 같은 고속 공작기계의 유지비용이 증가하고, 사용기간에 따라 성능 악화도 피할 수 없다.

둘째, 윤활방식이나 압력각, 구조에 따라 다르긴 하지만 구름 베어링은 열의 발생이 많다. 특히 주축의 강성을 향상시키기 위해 예압을 가하면, 발열량은 더욱 많아진다. 이러한 주축의 발열에 의해 주축이 신장할 뿐만 아니라, 베어링 냉각을 위한 쿨러의 성능으로 인해 주축이 미세하게 신장 및 수축을 반복하는 현상이 발생한다. 이런 특성은 공작물의 가공 정밀도를 악화시킨다.

셋째, 구름 베어링을 사용한 고속 주축은 베어링의 구름요소의 운동, 주축의 회전으로 인해 진동과 소음이 발생한다. 주축의 진동은 주축에 연결된 공구의 떨림을 유발하고, 이로 인해 가공면의 표면 품위가 저하하고, 공구의 수명에도 악영향 을 미친다. 또한 공장환경이나 공작기계의 상태에 따라 이러한 소음은 난청을 유발할 수 있을 정도로 큰 경우가 있다.

따라서 본 발명은 구름 베어링 고속 주축의 문제점인 짧은 수명, 발열, 진동 및 소음 문제를 해결하기 위하여, 구름 베어링에 사용되는 볼이나 롤러와 같은 전동체 대신, 공기를 베어링 매체로 사용함으로써 비(非) 접촉(接觸)에 의해 고속에서도 반영구적 수명을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 발열이 적고, 정숙한 운전이 가능하여 가공물의 표면 조도를 향상시키고, 정밀한 가공을 가능하기 위한 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀링 가공용 공기 정압 베어링 고속 주축의 단면도이고, 도 3은 공기 정압 베어링 간극의 예시도이고, 도 4a,4b는 공기 정압 레이디얼 베어링의 정단면도 및 도 4a의 A-A선 단면도이고, 도 5a,5b는 공기 정압 스러스트 베어링의 정단면도 및 도 5b의 B-B선 단면도이다.

본 발명에 적용되는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치는, 도 2와 같이 주축 하우징(16)의 외부로부터 도입된 가압공기를 주축(1)의 반경방향과 축방향으로 유입시켜서 발생된 압력으로 주축(1)을 부상시키도록 되어 있다.

상기 주축 하우징(16)에는 주축(1)의 반경방향 및 축방향으로 가압공기를 도 입하기 위해 가압공기 공급통로(22)가 형성되어 있다. 이 가압공기 공급통로(22)는 도시안된 공압원과 연결되어 있다.

상기 주축(1)의 외주면에는 주축(1)을 반경방향으로 지지하기 위한 복수개의 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)가 축방향으로 정열되어 있다.

상기 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)의 내주면과 주축(1)의 외주면과의 사이에는 일정한 반경방향의 베어링 압력간극(17)이 형성되어 있고, 이 베어링 압력간극(17)으로 가압공기를 주입하기 위해 도 4b와 같이 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)의 원주상 일정 간격하에는 반경방향으로 관통되고 주축(1)을 중심으로 방사상으로 배치되어 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통된 4개의 급기공(21)이 구비되어 있다.

본 실시예의 베어링 압력간극(17)은 15~25㎛로서 이물질의 혼입에 의한 소착의 위험도를 낮추도록 구성되어 있다. 이는 베어링 압력간극(17)이 15㎛ 이하가 되면 발열이 크고 이물질의 의한 소착의 위험도가 높아지기 때문이며, 그 간극(17)이 25㎛를 넘게 되면 부하능력이 작아지고 베어링 강성이 떨어지기 때문이다.

본 실시예에서는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5) 3개를 주축(1)의 전단부에 직열 설치하여 강성이 향상되도록 하였다.

상기 복수개의 급기공(21)은 도 3에 도시된 바와 같이 지름 0.3~0.7㎜의 원뿔형 구멍(교축(絞縮)통로)으로 형성되어 교축이 일어나게 되어 있고, 그 단부에는 공기의 빠져나감을 원활히 하기 위해 확대통로를 더 가질 수 있다. 이때 확대통로의 단면크기는 공기의 압축을 고려하여 일정 크기로 제한된다.

본 실시예에서 상기 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)는 2열의 급기공(21)을 갖고 있다.

상기 2열 급기공(21)의 위치가 바람직하게는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)의 각 길이(L)의 1L/7에 배치되어 있다. 이는 주축(1)이 30,000~50,000RPM 이상의 고속 회전시 베어링의 강성과 부하 능력을 극대화하기 위한 것이다. 이보다 클 경우는 베어링의 강성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이에 대한 실험치가 도 7에 그래프로 나타나 있다. 도 7은 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)측 급기공(21)의 위치에 따른 강성 관계를 나타낸 그래프로서, 급기공의 위치가 1L/7되는 곳에서 베어링 강성이 가장 높게 나타났다.

상기 주축(1)의 일단에는 금속재의 스러스트 베어링 원판(2)이 일체로 구비되어 있다.

상기 스러스트 베어링 원판(2)의 양측면에는 주축(1)의 축방향 하중을 지지키 위해 금속재의 스러스트 베어링 패드(13,13)가 배치되어 있다. 이때 상기 스러스트 베어링 패드(13,13)의 소재는 스러스트 베어링 원판(2)의 소재보다 연한 금속으로 함이 바람직하다. 이는 스러스트 베어링 패드(13,13)가 상대적으로 교체가 쉽고 비용면에서 유리하기 때문이다. 따라서 예로, 상기 스러스트 베어링 원판(2)이 베어링강일 경우 스러스트 베어링 패드(13,13)는 구리로 제작될 수 있다.

상기 스러스트 베어링 패드(13,13)는 각기 그 측면과 스러스트 베어링 원판(2)과의 사이에 축방향의 베어링 압력간극(12)을 갖고 있다. 상기 스러스트 베어링 패드(13,13)는 가압공기 공급통로(22)와 연통되어 있고 측면상 일정 간격하에 4개의 관통된 급기공(13a)을 갖고 있다.

여기서 스러스트 베어링을 구성하는 스러스트 베어링 원판(2)의 위치는 중요하다. 주축(1)의 열변형 중에서 가공 정밀도에 영향을 주는 것을 주로 축방향 열변형이며, 축방향 열변형은 스러스트 베어링 원판(2)을 기점 기점으로 발생되기 때문이다.

따라서 본 실시예에서는 스러스트 베어링 원판(2)이 주축(1)의 공구가 장착되는 부위에 가까운 주축(1)의 전단부에 설치하여 주축(1)의 열변형이 가공 정밀도에 미치는 영향을 최소화하였다.

상기 압력 간극(12,17)으로 분출된 공기를 배출시키도록 주축 하우징(16)에는 배기공(14)이 형성되어 있다.

이때, 레이디얼 및 스러스트 공기 정압 베어링의 부하 하중은 간극(12,17) 사이의 평균압력과 공기압이 미치는 면적의 곱이 된다.

한편, 본 발명에서는 주축 하우징(16)의 급기공(21)으로 토출된 공기를 이용하여 스핀들모터(7)를 냉각시켜 주는 구조를 더 갖는다.

즉, 주축(1)에 회전력과 회전운동을 부여하는 스핀들모터(7)를 냉각시켜 주기 위해, 상기 레이디얼 베어링 패드(5와 8)의 사이에 스핀들모터(7)가 설치되어 있고, 상기 스핀들모터(7)의 양측면에는 급기공(21)으로 토출된 공기의 일부가 배출되는 열방출용 배기공(20)이 더 형성되어 있다.

도 6은 상기 주축(1)의 중공(15)에 설치되는 공구 클램프 장치와 공구 언클램프 실린더의 단면도로서, 31은 공구 언클램프 실린더이고, 32는 푸시로드, 34는 공구를 척킹하기 위한 콜렛이다.

미설명부호 6은 스피들 모터의 냉각자켓이고, 9는 주축의 회전속도와 위치를 감지하는 엔코더이다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 작용을 설명한다.

도시안된 공압원으로부터 가압된 공기는 주축 하우징(16)의 가압공기 공급통로(22)를 따라 각 급기공(21)을 통해 주축(1)과 베어링 패드(3,4,5,8,13,13) 사이의 베어링 간극(17,12)으로 유입된다. 급기공(21)을 통해 공급되는 공기는 교축되어 단열팽창하고 이에 의해 공기의 온도가 내려가 베어링 부분이 냉각된다.

베어링 간극(17,12)에 유입된 공기는 해당 간극(17,12)을 통과하여 주축(1) 내부에 형성된 배기공(14)을 따라 주축(1)의 바깥쪽 대기 중으로 빠져나간다. 간극(17,12) 내부에는 공기의 점성에 의해 공급압력과 대기압 사이의 압력이 분포하게 되며, 이 압력과 면적의 곱이 지지 하중으로 작용한다.

따라서 스핀들 모터(7)를 중심으로 전단부 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,) 와 후단부 레이디얼 베어링 패드(8) 그리고 전단부의 스러스트 베어링 패드(13)는 공구에 작용하는 절삭하중 등과 같은 외부 하중을 지지한다.

이와 같이 공기 정압 베어링에서는 구름 베어링과 같은 기계적 접촉부위는 없다. 따라서 구름 베어링에서 보이는 부하하중에 따른 마찰력의 변화도 없다. 상대운동에 따른 베어링 매체의 저항은 공기의 점성에 의해 결정되며, 공기의 필름에 의해 주축의 회전표면에 미세한 요철이 존재하더라도 베어링의 기하학적 오차가 평준화되는 효과가 있다.

한편, 스핀들 모터(7)에서 발생된 열은 스핀들 모터(7) 외측에 위치한 냉각 자켓(6) 내부를 순환하는 냉각수에 의해 주축(1) 밖으로 배출된다. 또한 간극(17,12)을 통해 흘러나온 공기는 스핀들 모터(7)에서 방사된 열에 의해 덥혀져 주축 배기공(20)을 통해 주축 외부로 빠져나간다.

주축(1) 내부에 위치한 공구 클램핑 장치는 도 6과 같이 스프링(33)에 의해 푸시로드(32)에 연결된 콜렛(34)을 후퇴시켜 공구(10)를 주축(1) 앞쪽에 개설된 접촉면(11)에 밀착시킨다. 밀착력은 스프링(33)에 의해 유지되며, 주축(1) 뒤쪽에 위치한 공구 언클램프 실린더(31)가 푸시 로드(32)를 밀면, 공구홀더(10)는 주축(1)에서 이탈할 수 있게 된다. 이때 별도의 공구교환장치에 의해 공구가 교환되면, 공구 언클램프 실린더(31)의 푸시로드(32)가 후퇴하고, 푸시로드(32)는 스프링(33)에 의해 복귀하며, 공구홀더(10)는 주축(1)에 밀착되어 구속된다.

주축 내부(1)에는 공구(10)를 주축(1)에 고정할 수 있도록 공구 클램핑 장치를 내장하고 있다. 공구 클램핑 장치는 뒤쪽에 설치된 언클램프 실린더(31)가 동작하면 공구 홀더를 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 밀링머신이나 머시닝센터의 자동 공구 교환 기능을 수행할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치에 따르면, 밀링용 공기 정압 베어링 고속 주축은 점성이 매우 낮은 공기를 베어링 매체로 사용함으로써 기계적 접촉부가 없어지므로, 구름 베어링 고속 주축에 비해 장구한 수명을 제공할 수 있다.

또한, 기계적 마찰이 없고, 공기의 낮은 점성으로 인해 베어링부의 발열이 적을 뿐 아니라 단열팽창에 의한 냉각 효과가 존재하여 발열량이 매우 적다. 더욱이 스러스트 베어링 패드를 공구에 가까운 주축 전단부에 배치하여 열변형의 영향을 최소로 억제할 수 있다.

또한, 비접촉운동, 주축 및 하우징의 가공 오차를 줄여주는 공기 필름 효과에 의해 정숙한 운전이 가능하므로 표면조도가 매우 양호한 가공면을 얻을 수 있다.

이러한 특성으로 인해 본 발명은 절삭가공만으로 최종 형상에 가장 근접한 가공을 수행하고, 가공면의 표면 품위를 높여 후가공 시간을 줄이고자 하는 고속가공의 목표와 잘 부합된다.

Claims (4)

1. 주축 하우징(16)내에 축설되어 스핀들모터에 의해 구동되는 중공형 주축(1)을 공기 정압으로 회전 지지하기 위한 밀링가공용 주축의 베어링 장치에 있어서,

   상기 주축(1)의 반경방향 및 축방향으로 가압공기를 도입하기 위해 주축 하우징(16)에 형성된 가압공기 공급통로(22)와,

   상기 주축(1)의 외주면에 삽입되어 축방향으로 정열되고 그 외주면과 일정한 반경방향의 레이디얼 베어링 압력간극(17)을 갖고, 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통된 원주상에 일정 간격하에 반경방향으로 관통된 복수개의 급기공(21)을 갖는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)와;

   상기 레이디얼 베어링 패드(5와 8)의 사이에 내설되고, 양측면으로는 열방출용 배기공(20)이 더 형성되는 스핀들모터(7)와;

   상기 주축(1)의 공구가 장착되는 부위에 가까운 전단부에 설치되는 스러스트 베어링 원판(2)과;

   상기 스러스트 베어링 원판(2)의 양측면에 각기 배치되어 스러스트 베어링 압력간극(12)을 갖고, 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통되고 측면상 일정간격하에 복수개로 관통되어 원뿔형 교축통로를 형성한 급기공(13a)을 갖는 한쌍 이상의 스러스트 베어링 패드(13,13); 및

   상기 압력 간극(12,17)으로 분출된 공기를 배출시키도록 주축 하우징(16)에 구비된 하나 이상의 배기공(14)을 포함한 것을 특징으로 하는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치.
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