KR100947113B1 - 에어 스핀들 - Google Patents

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    • F16C37/00—Cooling of bearings
    • F16C37/002—Cooling of bearings of fluid bearings

Abstract

본 발명은 에어 스핀들에 관한 것으로서, 에어가 유입되는 하우징과, 상기 하우징 내부에 회전베어링 결합형성되어 유입된 에어에 의해 고속으로 회전가능하도록 형성된 회전자로 구성되어, 상기 회전자의 단부에 각종 공구가 장착되어 공구를 고속회전시키는 에어 스핀들에 있어서, 상기 하우징에 상기 회전자의 회전축에 대해 경사지게 경사공급로가 형성되고, 상기 회전자에는 상기 경사공급로와 연통되며 회전축과 평행하게 상하방향으로 회전마찰공이 형성되어, 상기 경사공급로를 통해 상기 회전마찰공으로 경사지게 에어가 공급되어 회전자가 회전되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들을 기술적 요지로 한다. 이에 의해, 고속으로 유입된 에어가 난반사되지 않고 경사공급로를 통해 회전자의 회전마찰공에 공급되도록 하여 진동을 최소화하고 밸란스 잡기가 용이하도록 하며, 또한, 회전자의 가공이 편리하고 이에 의해 오차를 줄일 수 있어 정밀성을 도모하였고, 경사분리벽을 통해 유입된 에어의 배출을 원활히 하여 더욱 진동을 줄였으며, 스트레이트 콜렛(collet)에 의해 공구 결합에 의한 결합 오차를 최소화하여 정밀성을 더욱 향상시킨 이점이 있다.
에어 스핀들 밸란스 진동 콜렛

Description

에어 스핀들{air spindle}
본 발명은 에어 스핀들에 관한 것으로서, 특히 고속으로 유입된 에어가 난반사되지 않고 경사공급로를 통해 회전자의 회전마찰공에 공급되도록 하여 진동을 최소화하고 밸란스 잡기가 용이한 에어 스핀들에 관한 것이다.
일반적으로 에어 스핀들은 초고속 회전 및 초정밀 가공 분야에 사용되는 장치로써, 특히 반도체 소자, PCB기판, 소형전자부품의 가공을 위한 전자산업분야나 광학렌즈 등의 연삭 및 가공을 위한 광학기기산업분야, 치아 치료를 위한 치과용 드릴에 널리 사용되고 있다.
이러한 에어 스핀들은 각종 산업분야에서 가공시간 단축과 생산성 향상을 위해 고속의 스핀들이 요구되고 있으며, 높은 속도와 더불어 부품의 소형화에 따른 정밀성이 더욱 필요함에 따라 진동이 적으면서 정밀한 에어 스핀들이 필요한 실정이다.
종래의 에어 스핀들은 일반적으로, 에어가 유입되는 하우징과, 상기 하우징 내에 형성되어 유입된 에어에 의해 고속으로 회전가능하도록 회전자로 크게 구성되며, 상기 회전자의 단부에 각종 공구가 장착되어 사용되게 된다.
상기 에어 스핀들의 회전자는 블래이드(blade)나 그루브(groove) 형상을 띄어 고속으로 유입된 에어와의 마찰에 의해 에어 유입 방향으로 회전되게 되며, 회전자의 회전력을 전달받아 공구는 회전되게 된다.
그러나 이러한 회전자의 형상은 고속으로 유입된 에어가 블래이드나 그루브에 직접적으로 부딪침과 동시에 여러 방향으로 분산되어 미세 가공 시 불측의 진동을 초래하게 된다. 즉, 밀폐된 공간 내부에서 고속으로 유입된 에어가 블래이드 면이나 그루브 면에 부딪쳐 분산된 후 신속하게 배출되지 않고 다른 면에 다시 부딪치는 난반사를 일으켜 고속으로 회전하는 회전자는 심각한 진동을 일으키게 되는 것이다. 이에 의해 에어 스핀들 전체의 진동과 밸란스가 흩트려져 미세 가공시 정밀성이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 종래의 회전자의 블래이드나 그루브 형상을 띄는 회전자는 그 가공이 용이하지 않으며, 가공 과정에서 정밀성이 떨어져 밸란스가 흩트려지거나 진동 및 소음을 초래할 수도 있다.
또한, 종래의 에어 스핀들은 통상 콜렛(collet)에 결합되는 각종 공구가 나사 결합되므로, 콜렛가공시 나사산의 정밀도가 떨어질 수 있으며, 이에 공구를 나사 결합할 때에도 결합과정에서 틸팅(tilting)이 발생하여 오차가 발생할 수 있다. 또한, 이러한 오차를 최소한으로 줄이고자 공구의 나사 결합을 푼 뒤에 다시 결합하는 등 작업을 번거롭게 하거나, 작업이 반복되는 동안 정밀도가 현저하게 떨어지게 되는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 고속으로 유입된 에어가 난반사되지 않고 경사공급로를 통해 회전자의 회전마찰공에 공급되도록 하여 진동을 최소화하고 밸란스 잡기가 용이한 에어 스핀들을 그 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 경사분리벽을 통해 유입된 에어의 배출을 원활히 하여 진동을 줄이고, 스트레이트 콜렛(collet)에 의해 공구 결합 오차를 최소화한 에어 스핀들을 그 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 에어가 유입되는 하우징과, 상기 하우징 내부에 회전베어링 결합형성되어 유입된 에어에 의해 고속으로 회전가능하도록 형성된 회전자로 구성되어, 상기 회전자의 단부에 각종 공구가 장착되어 공구를 고속회전시키는 에어 스핀들에 있어서, 상기 하우징에 상기 회전자의 회전축에 대해 경사지게 경사공급로가 형성되고, 상기 회전자에는 상기 경사공급로와 연통되며 회전축과 평행하게 상하방향으로 회전마찰공이 형성되어, 상기 경사공급로를 통해 상기 회전마찰공으로 경사지게 에어가 공급되어 회전자가 회전되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들을 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 하우징의 경사공급로는 회전자의 회전축에 대해 직각이 되는 선을 기준으로 25°~ 45°범위에서 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 회전자의 회전축을 중심으로 2개~6개로 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 회전자의 회전마찰공은, 상기 회전자의 둘레를 따라 다수개로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경사공급로와 회전마찰공을 통과한 에어 및 오일은 하우징 내부에 형성된 경사분리벽을 통해 일부는 회전베어링으로 공급된 후 배출되고, 일부는 외부로 바로 배출되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징은, 중심부에 공간부가 형성되며, 일측에 오일 및 에어 공급 노즐이 형성되고, 상기 노즐과 연통되어 오일 및 에어가 이동되는 제1유로가 형성되고, 하측부에 오일 및 에어 스프레이 탱크가 형성되고, 그 하측에 연속하여 경사공급로가 형성된 백하우징과, 상기 백하우징 전단부에 결합되며, 상기 제1유로 및 상기 스프레이 탱크와 연통되는 제2유로가 형성되고, 하측부에는 에어를 배출시키는 배출구가 형성된 프론트하우징으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전자는, 상기 하우징의 공간부에 수용되며, 상측부 및 하측부에서 상기 백하우징과 각각 회전베어링 결합되고, 하측부에 결합구가 형성된 샤프트와, 상기 샤프트에 축결합되며, 상기 경사공급로와 연통되는 회전마찰공이 형성된 에어터빈으로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 샤프트의 결합구에는 내부에 공구취구부가 형성된 콜렛이 결합되는 것이 바람직하다. 여기에서 상기 콜렛의 공구취구부는, 공구가 스트레이트로 삽입되도록 형성되며, 일측으로 세트스크류 결합부가 형성되어 공구가 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 하우징의 공간부 내부의 에어터빈 하측에 상기 프론트하우징의 배출구에 인접되어 경사분리벽이 형성되어, 상기 경사공급로와 회전마찰공을 통과한 에어 및 오일은 상기 프로트하우징의 배출구를 통해 일부가 배출되며, 일부는 상기 회전베어링을 거쳐 상기 샤프트 전단부측으로 배출되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 수단에 의해 본 발명은, 고속으로 유입된 에어가 난반사되지 않고 경사공급로를 통해 회전자의 회전마찰공에 공급되도록 하여 진동을 최소화하고 밸란스 잡기가 용이하도록 한 효과가 있다.
또한, 회전자의 가공이 편리하고 이에 의해 오차를 줄일 수 있어 정밀성을 도모하였고, 경사분리벽을 통해 유입된 에어의 배출을 원활히 하여 더욱 진동을 줄였으며, 스트레이트 콜렛(collet)에 의해 공구 결합에 의한 결합 오차를 최소화하여 정밀성을 더욱 향상시킨 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에어 스핀들에 대한 종단면도를 나타낸 것으로, 화살표는 에어 및 오일이 이동하는 유로를 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명에 따른 에어 스핀들의 백하우징에 대한 종단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 에어 스핀들의 백하우징에 대한 상면도 및 경사공급로에 대한 상세도이고, 도 4는 본 발명에 따른 에어 스핀들의 에어터빈에 대한 상면도 및 종단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 백하우징의 경사공급로 및 에어터빈의 회전마찰공에 대한 작용 모식도이다.
도시된 바와 같이 본 발명은 크게 하우징(100) 및 그 내부에 회전베어링(211) 결합형성되어 공급된 에어에 의해 고속으로 회전하도록 형성된 회전자(200)로 구성되어, 회전자(200) 단부에 결합되는 각종 공구를 고속 회전시키도록 한 것이다.
먼저, 상기 하우징(100)에 대해 설명하고자 한다.
상기 하우징(100)은 중심부에 공간부(110)가 형성되어 있으며, 상기 공간부(110)에는 후술할 회전자(200)가 형성된다. 그리고, 상기 하우징(100)의 후측으로는 자루(shank)(s)가 결합되어, 스핀들 전체의 운반 및 적용하고자 하는 공작기 계 등에 착탈의 편의를 도모하였다.
그리고, 상기 하우징(100)은 크게 백하우징(120)과, 상기 백하우징(120)의 전단부에 결합되는 프론트하우징(130)으로 구성된다.
상기 백하우징(120)의 일측에는 에어 및 오일 공급 노즐(121)이 형성되어, 고속의 에어와 함께 오일을 함께 공급하도록 하였다. 여기에서 에어는 후술할 회전자(200)에 공급되어 회전자(200)를 회전시키도록 하는 것이며, 오일은 에어와 함께 회전베어링(211)에 공급되어 회전자(200)와 마찰없이 회전되도록 도와주게 된다.
그리고 상기 백하우징(120)에는 상기 백하우징(120)의 에어 및 오일 공급 노즐(121)과 연통되어 에어 및 오일이 이동되는 제1유로(122)가 수직으로 형성되어 있으며, 하측부에는 에어 및 오일 스프레이 탱크(123)가 형성되고, 그 하측에는 연속하여 경사공급로(124)가 형성되어 있다.
상기 에어 및 오일 스프레이 탱크(123)는 상기 경사공급로(124)에 비해 상대적으로 넓은 단면적을 가지도록 하여, 상기 경사공급로(124)에 공급되는 에어 및 오일을 일시적으로 저장되도록 함과 동시에 많은 용량의 에어 및 오일이 좁은 경사공급로(124)로 공급되도록 하여 고속으로 분사되도록 한 것이다.
또한, 상기 경사공급로(124)는 상기 백하우징(120)의 하측부에 형성되며, 상기 에어 및 오일 스프레이 탱크(123) 하측에 연속하여 형성되고, 그 각도는 회전자(200)의 회전축에 대해 직각이 되는 선을 기준으로 25°~ 45°범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 여기에서 공급된 에어의 백하우징(120) 내벽에서의 난반사를 최소화하고 적절한 힘으로 에어를 회전자(200)를 공급하기 위해 30°정도로 상기 경사공급로(124)가 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 경사공급로(124)는 외부에서 공급된 에어 및 오일, 특히 에어가 후술할 회전자(200)에 경사지게 공급되도록 한 것이다. 즉, 후술할 회전자(200)에 형성된 회전마찰공(221) 내벽으로 경사지게 에어가 부딪치도록 하여, 회전자(200)가 회전하도록 한 것이다.
상기 경사공급로(124)는 상기 회전자(200)에 적절한 회전력을 제공하기 위해 2개~6개 정도 형성되는 것이 바람직하며, 너무 많이 형성되면 회전력이 약해질 수도 있으므로, 4개 정도 형성되는 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 상기 프론트하우징(130)은 상기 백하우징(120) 전단부에 결합되며, 상기 제1유로(122) 및 상기 스프레이 탱크(123)와 연통되는 제2유로(131)가 형성되고, 하측부에는 에어를 배출시키는 배출구(132)가 형성된다.
즉, 상기 백하우징(120)의 에어 및 오일 공급 노즐(121)로부터 공급된 에어 및 오일은 상기 제1유로(122)를 통해 상기 제2유로(131)를 통과하고, 그 다음 상기 스프레이 탱크(123)에 순간적으로 저장되어 상기 경사공급로(124)로 이동되게 되며, 경사공급로(124)로 이동된 에어는 후술할 회전자(200)의 회전마찰공(221) 내벽에 부딪쳐 회전자(200)에 회전력을 제공하게 된다.
다음으로, 회전자(200)에 대해 설명하고자 한다.
상기 회전자(200)는 상기 하우징(100)의 공간부(110)에 수용되어 에어 및 오일 공급 노즐(121)로부터 공급된 에어에 의해 고속으로 회전되도록 한 것으로, 크게 샤프트(210)와 에어터빈(220)으로 구성된다.
상기 샤프트(210)는 상기 하우징(100)의 공간부(110)에 수용되며, 상측부 및 하측부에서 상기 백하우징(120)과 각각 회전베어링(211) 결합되고, 하측부에는 결합구(212)가 형성되어 있다. 상기 결합구(212)에는 각종 공구의 후단부가 삽입되어 결합되는 부분이다. 여기에서, 상기 회전베어링(211)에도 에어 및 오일이 동시에 공급되어 스핀들에 있어서 회전이 발생하는 부분을 윤활시킴과 동시에 자체 냉각되도록 한 것이다.
그리고 상기 에어터빈(220)은 상기 샤프트(210)에 축결합되며, 상기 경사공급로(124)와 연통되는 회전마찰공(221)이 형성되어 있으며, 상기 회전마찰공(221)은 상기 에어터빈(220)의 둘레를 따라 다수개가 형성되도록 하여, 상기 경사공급로(124)에서 공급된 에어의 힘을 균일하고도 연속적으로 전달받도록 하였다. 따라서, 좁은 경사공급로(124)를 통해 경사지게 공급된 에어는 상기 회전마찰공(221)의 내벽에 부딪쳐 에어터빈(220)에 회전력을 제공하게 되는 것이다.
이는 상기 회전마찰공(221)은 회전축에 평행하게 즉 단순히 상하방향으로 관통된 홀의 형상으로 형성된 것으로, 종래의 블래이드나 그루브 형상보다는 가공하기가 월등히 용이하며, 좁은 경사공급로(124)를 통해 회전마찰공(221)의 내벽에 경사지게 부딪쳐 에어의 난반사가 최소화되어 회전자(200)의 진동을 최소화한 것이다. 이에 의해 스핀들의 밸란스 잡기가 용이하며, 정밀성이 향상되게 된다.
또한 샤프트(210)의 결합구(212)에는 내부에 공구취구부(310)가 형성된 콜렛(collet)(300)이 결합되며, 상기 콜렛(300)의 공구취구부(310)는 공구가 나사결합이 아닌 직접 끼우는 방식의 스트레이트로 삽입되도록 민자로 형성되며, 일측으 로는 결합된 공구를 고정시키는 세트스크류 결합부(311)가 형성된다.
이는 공구를 콜렛(300)의 공구취구부(310)에 나사결합하게 되면 발생하게 되는 공구의 틸팅현상을 최소화하여, 오차를 줄이고, 반복적인 사용에도 공구취구부(310)의 손상을 최소화하기 위한 것이며, 이에 의해 정밀성을 더욱 향상시킨 것이다.
또한 상기 하우징(100)의 공간부(110) 내부의 에어터빈(220) 하측에 상기 프론트하우징(130)의 배출구(132)에 인접되어 경사분리벽(400)이 형성되어, 상기 경사공급로(124)와 회전마찰공(221)을 통과한 에어 및 오일 특히, 에어는 상기 프론트하우징(130)의 배출구(132)를 통해 일부가 배출되며, 일부는 상기 회전베어링(211)을 거쳐 상기 샤프트(210) 전단부측으로 배출되도록 한다. 이는 경사공급로(124)와 회전마찰공(221)을 통과한 에어가 하우징(100)의 각종 내벽에 부딪쳐 난반사하지 않도록 배출방향을 잡아주어 효과적으로 드레인(drain)이 이루어지도록 한 것이다. 이에 의해 스핀들의 진동을 더욱 최소화하였다.
상기 경사분리벽(400)은 중심에 대해 바깥쪽이 안쪽보다 높은 경사로 형성되도록 하여, 상기 회전마찰공(221)에서 이동된 에어는 회전베어링(211) 측으로 더 많이 공급되도록 하여, 회전부위의 냉각이 이루어지도록 하였다. 물론 오일의 공급은 기본적으로 이루어져 윤활 및 냉각이 동시에 이루어지고 있는 것이다.
상기 구성에 의해 본 발명은 에어 및 오일이 동시에 하우징(100) 내부로 공급되어 제1유로(122), 제2유로(131) 및 스프레이 탱크(123)를 통과하여 경사공급 로(124)를 통해 에어터빈(220)의 회전마찰공(221)에 경사지게 공급되어 에어터빈(220)을 회전시키게 되며, 그 후 경사분리벽(400)을 통해 효과적으로 에어가 배출되도록 하여 진동을 최소화하였다.
그리고, 상기 하우징(100)의 전단부에는 공구가 결합될 수 있도록 스트레이트 콜렛(300)이 형성되어 공구 결합시 결합 오차를 최소화하여 정밀성을 도모하였다.
도 1 - 본 발명에 따른 에어 스핀들의 종단면도.
도 2 - 본 발명에 따른 에어 스핀들의 백하우징에 대한 종단면도.
도 3 - 본 발명에 따른 에어 스핀들의 백하우징에 대한 상면도 및 경사공급로에 대한 상세도.
도 4 - 본 발명에 따른 에어 스핀들의 에어터빈에 대한 상면도 및 종단면도.
도 5 - 본 발명에 따른 백하우징의 경사공급로 및 에어터빈의 회전마찰공에 대한 작용 모식도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
100 : 하우징 110 : 공간부
120 : 백하우징 121 : 노즐
122 : 제1유로 123 : 스프레이 탱크
124 : 경사공급로 130 : 프론트하우징
131 : 제2유로 132 : 배출구
200 : 회전자 210 : 샤프트
211 : 회전베어링 212 : 결합구
220 : 에어터빈 221 : 회전마찰공
300 : 콜렛 310 : 공구취구부
311 : 세트스크류 결합부 400 : 경사분리벽

Claims (10)

  1. 에어가 유입되는 하우징(100)과, 상기 하우징(100) 내부에 회전베어링(211) 결합형성되어 유입된 에어에 의해 고속으로 회전가능하도록 형성된 회전자(200)로 구성되어, 상기 회전자(200)의 단부에 각종 공구가 장착되어 공구를 고속회전시키는 에어 스핀들에 있어서,
    상기 하우징(100)에 상기 회전자(200)의 회전축에 대해 경사지게 경사공급로(124)가 형성되고, 상기 회전자(200)에는 상기 경사공급로(124)와 연통되며 회전축과 평행하게 상하방향으로 회전마찰공(221)이 형성되어, 상기 경사공급로(124)를 통해 상기 회전마찰공(221)으로 경사지게 에어가 공급되어 상기 회전자(200)가 회전되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)의 경사공급로(124)는 회전축과 직각이 되는 선을 기준으로 25°~ 45°범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 경사공급로(124)는,
    상기 회전자(200)의 회전축을 중심으로 2개~6개로 형성된 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 회전자(200)의 회전마찰공(221)은,
    상기 회전자(200)의 둘레를 따라 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 경사공급로(124)와 회전마찰공(221)을 통과한 에어 및 오일은 하우징(100) 내부에 형성된 경사분리벽(400)을 통해 일부는 회전베어링(211)으로 공급된 후 배출되고, 일부는 외부로 바로 배출되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)은,
    중심부에 공간부(110)가 형성되며;
    일측에 에어 및 오일 공급 노즐(121)이 형성되고, 상기 노즐(121)과 연통되어 에어 및 오일이 이동되는 제1유로(122)가 형성되고, 하측부에 에어 및 오일 스프레이 탱크(123)가 형성되고, 그 하측에 연속하여 경사공급로(124)가 형성된 백하우징(120)과;
    상기 백하우징(120) 전단부에 결합되며, 상기 제1유로(122) 및 상기 스프레이 탱크(123)와 연통되는 제2유로(131)가 형성되고, 하측부에는 에어를 배출시키는 배출구(132)가 형성된 프론트하우징(130);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 회전자(200)는,
    상기 하우징(100)의 공간부(110)에 수용되며, 상측부 및 하측부에서 상기 백하우징(120)과 각각 회전베어링(211) 결합되고, 하측부에 결합구(212)가 형성된 샤프트(210)와;
    상기 샤프트(210)에 축결합되며, 상기 경사공급로(124)와 연통되는 회전마찰공(221)이 형성된 에어터빈(220);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 샤프트(210)의 결합구(212)에는 내부에 공구취구부(310)가 형성된 콜렛(300)이 결합되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 콜렛(300)의 공구취구부(310)는,
    공구가 스트레이트로 삽입되도록 형성되며, 일측으로 세트스크류 결합부(311)가 형성되어 공구가 고정되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 하우징(100)의 공간부(110) 내부의 에어터빈(220) 하측에 상기 프론트하우징(130)의 배출구(132)에 인접되어 경사분리벽(400)이 형성되어, 상기 경사공급로(124)와 회전마찰공(221)을 통과한 에어 및 오일은 상기 프론트하우징(130)의 배출구(132)를 통해 일부가 배출되며, 일부는 상기 회전베어링(211)을 거쳐 상기 샤프트(210) 전단부측으로 배출되는 것을 특징으로 하는 에어 스핀들.
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