KR101040416B1 - 열전소자와 형상기억합금을 이용하는 베어링 예압조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 스핀들 베어링에 적절한 예압을 가하기 위하여 열전소자와 형상기억합금을 이용한 가변조절장치에 관한 것으로, 베어링의 외륜과 결합된 부쉬가 하우징의 내면과 슬라이딩 가능하게 구성되고 부쉬에는 예압스프링이 탄력적으로 접촉하며, 예압스프링의 다른 쪽에는 형상기억합금을 삽입하고 형상기억합금과 접촉되게 열전소자를 구비하여 외부전원으로 열전소자에 흡열 또는 발열을 일으키게 하여 형상기억합금이 형상회복온도에 도달하는 것을 작업환경이나 작업조건에 맞추어 제어할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

스핀들 베어링, 예압조절, 형상기억합금, 열전소자

Description

열전소자와 형상기억합금을 이용하는 베어링 예압조절장치{bearing pre-load control device to use thermoelectric element and shape-memory alloy}

본 발명은 공작기계의 스핀들 베어링에 적절한 예압을 가하기 위하여 열전소자와 형상기억합금을 이용한 것에 관한 것이다.

공작기계의 하우징에 스핀들을 지지하고 있는 볼베어링에는 적절한 예압을 가해주는 것이 필요하다.

이는 하나의 공작기계에서 저속의 황삭가공과 고속의 정삭가공이 이루어지며, 저속의 황삭가공에서는 스핀들의 강성을 높이고 진동의 발생을 억제하기 위하여 큰 예압이 필요하며, 고속가공에서는 큰 강성 대신에 발열을 피하기 위하여 낮은 예압이 필요하다.

베어링의 예압조절방법에는 변환예압방법, 다단정위치예압방법, 자동가변예압방법 등이 제안되고 있으며, 변환예압방법은 스핀들의 회전수가 일정회전수 이상으로 변할 때 정위치에서 정압으로 예압을 변환시키는 방법으로 정압예압으로 변환 후의 중간속도에서 스핀들의 강성이 저하된다는 단점이 있으며, 다단정위치예압방법은 예압의 정확한 설정을 위한 베어링간의 간화의 변형 및 예압기구부의 변형을 충분히 고려하여야 하므로 설계상의 어려움이 있다.

자동가변예압방법은 스핀들의 회전수 및 가공조건에 따라 적절한 예압으로 가변시키는 방법으로 넓은 범위의 회전속도가 요구되는 스핀들에 적합한 예압조절방법으로 알려져 있다.

종래 자동가변예압방법으로는 스프링과 원심력에 의하여 이동하는 칼라에 의한 방법과, 피에조 전기센서에 의한 방법, 유압시스템을 이용한 방법 및 형상기억합금을 이용한 방법 등이 공지되어 있다.

형상기억합금을 이용한 스핀들의 가변예압조절방법으로는 미국특허 제5094551호(1992.03.10등록)에서 도 1 내지 2와 같이 스핀들(12)의 상부 볼베어링(16,17)을 가압하는 플레이트(24)와 프레임(15) 사이에 스핀들(12)의 둘레를 따라 다수의 원형오목부(24b)를 형성하고, 원형오목부에 형상회복온도를 달리하는 형상기억합금(26a,26b,26c)과 통상의 스프링(26d)을 일정한 간격으로 배치하여 스핀들(12)의 회전에 따라 발생하는 발열로 플레이트(24)와 프레임(15)을 가열하여 기설정된 형상회복온도에 도달하면 해당 형상기억합금(26a,26b,26c)이 수축변형을 일으켜 상부 볼베어링(16,17)에 가해지는 예압을 조절할 수 있게 한 것이 공지되어 있었다.

종래 형상합금을 이용한 예압조절방법은 스핀들의 회전에 따라 발생하는 발열로 형상기억합금을 수축변형시켜 예압을 조절하게 함으로써 작업환경이나 작업조건의 변화에 따라 형상기억합금에 가해지는 온도가 달라질 수 있는 점을 해결할 수 없다는 문제점이 있어 본 발명에서는 펠티어효과를 이용하는 열전소자를 부가하여 형상기억합금에 가해지는 온도를 필요에 따라 임의로 조절할 수 있게 하여 작업환경이나 작업조건이 변하더라도 스핀들에 가해지는 예압을 적절하게 조절할 수 있게 하는 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 스핀들의 상부베어링의 외륜을 지지고정하는 부쉬를 하우징에 대하여 슬라이딩 가능하게 구성하고 부쉬를 가압하여 베어링에 예압을 가하는 예압스프링을 스핀들의 축방향으로 탄력지지되게 구비하고, 예압스프링이 지지하는 부쉬의 방향과 반대방향으로 형상기억합금과 열전소자를 나란하게 구비하여 열전소자에 가해지는 전류의 방향과 전류를 조절하여 스핀들의 회전에 따라 발생하는 발열에 대하여 가열하거나 흡열할 수 있게 하여 형상기억합금의 형상회복온도를 조절할 수 있게 하여 작업환경이나 작업조건변화에 대응할 수 있는 예압조절수단을 제공한다.

본 발명은 스핀들의 회전에 따라 발생하는 발열에 의하여 수축하여 베어링의 예압을 조절하는 형상기억합금의 형상회복온도를 열전소자를 이용하여 임의로 제어할 수 있게 하여 작업환경이나 작업조건에 따라 스핀들에 가해지는 예압을 적절하게 조절할 수 있게 하는 효과가 있다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명 열전효과와 형상기억합금을 이용한 베어링 예압조절장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예이며, 도 5는 본 발명 형상기억합금(a)과 열전소자(b)가 스핀들의 주위에 배치되는 개략적인 예시도이다.

본 발명은 스핀들(101)에 억지끼움된 베어링의 내륜(102)의 레이스홈(102a)에 위치가 고정된 볼(103)과 하우징(104)의 내면에서 축방향으로 슬라이딩 가능하게 결합된 부쉬(105)에 고정된 베어링의 외륜(106)의 경사면(106a)에 의하여 볼(103)이 회전가능한 상태로 결합된다.

볼(103)은 외륜(106)의 경사면(106a)을 따라 낮은 쪽과 접촉하면 유격이 증가되어 예압이 감소되고, 경사면(106a)의 높은 쪽과 접촉하면 유격이 감소되면서 예압이 증가하게 된다.

하우징(104)의 내면, 부쉬(105)의 일측에는 예압조절장치(107)가 내장된다.

예압조절장치(107)는 부쉬(105)의 일측면에 베어링에 예압을 가하도록 구비 된 예압스프링(108)과, 예압스프링을 지지하는 지지부(109)와, 부쉬(105)와의 간격을 조절할 수 있게 하는 예압조절부(110)로 구성된다.

도 3의 예압조절부(110)는 형상기억합금(111)이 파형으로 굴곡지게 변형되어 길이가 단축되면 스프링 지지부(109)와 부쉬(105) 사이의 간격이 커져 예압이 감소되도록 구성되고, 도 4의 예압조절부(110)는 형상기억합금(111)의 형상이 파형으로 변형되어 길이가 단축되면 예압스프링(108)의 탄력이 부쉬(105)를 강하게 밀어 예압이 증가하고, 형상기억합금(111)의 형상이 직선으로 변형되어 길이가 길어지면 예압스프링(108)의 탄력에 저항하면서 베어링에 가해지는 예압을 감소되게 구성되어 있어 온도변화에 따라 보다 민감하게 예압을 조절할 수 있게 구성되어 있다.

따라서 도 3의 실시 예에 내장되는 형상기억합금은 파형으로 굴곡진 형태를 기억하는 합금을 직선형태로 변형시켜 내장하여 형상을 회복하면 길이가 단축되어 베어링에 가해지는 예압스프링(108)의 탄력을 감소되게 하고, 도 4의 실시 예에 내장되는 형상기억합금(111)은 직선형태를 기억하는 합금을 파형으로 변형시켜 내장하여 형상을 회복하면 길이가 늘어나 베어링에 가해지는 예압스프링(108)의 탄력을 감소되게 구성한다.

온도에 따라 형상이 변화되는 형상기억합금(111)은 하우징(104)의 내벽면에 형성된 홈에 삽입되는 실린더(112)에 열전소자(113)와 접촉되게 내장되며, 열전소자(113)는 외부로 연결되는 전선(114)에 의하여 전류가 인가된다.

열전소자(113)에 가해지는 전류는 전류의 방향에 따라 흡열부와 발열부가 바뀌며, 흡열량과 발열량은 전류에 비례하여 증감된다.

형상기억합금(111)은 변형된 다음 가열하여 일정한 온도에 도달하면 변형되기 전의 형상을 기억하고 원래의 형상으로 되돌아가며, 형상기억합금(111)이 원래의 모양으로 되돌아가는 온도를 '형상회복온도'라 하며 일단 형상을 기억하면 몇번을 변형하더라도 원래의 모양으로 되돌아가는 성질이 있다.

따라서 열전소자(113)와 접촉하는 형상기억합금(111)은 외부의 전원에 의하여 흡열과 발열을 제어할 수 있으므로 스핀들(101)의 회전에 의하여 발생하는 발열에 의하여 형상회복온도에 도달하는 것을 앞당기거나 지연되게 할 수 있다.

형상기억합금(111)으로는 Ni-Ti, Au-Cd, Cu-Au-Zn, In-Ti, In-Cd, Ti-Ni-Cu, Cu-Zn-Al과 Cu-Al-Ni 등을 이용할 수 있다.

형상기억합금(111)이 내장되는 실린더(112)는 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 스핀들(101)의 외주면을 따라 방사상으로 다수 개를 배치하여 베어링에 가해지는 예압이 원주면을 따라 균등하게 가해지게 구성하며, 실린더(112)에 내장되는 형상기억합금(111)은 형상회복온도가 각기 다른 합금을 일정한 간격으로 배치하여 스핀들(101)의 발열상태에 따라 다양한 온도에서 예압을 조절할 수 있게 구성하는 것이 바람직하며, 형상기억합금(111)과 접촉하는 열전소자(113)는 도 5의 (b)와 같이 스핀들(101)의 원주면 둘레에 링형태로 삽입하여 하나의 전선(114)에 의하여 전류를 제어할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 다양한 변경이 가능한 것임을 밝혀둔다.

본 발명의 베어링 예압조절장치는 특히 고속으로 회전하는 스핀들을 장착한 공작기계에 적용할 수 있다.

도 1은 미국특허 제5094551호의 요부측단면도

도 2는 도 1의 정단면도

도 3은 본 발명 열전효과와 형상기억합금을 이용한 베어링예압조절장치의 단면도

도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예

도 5는 본 발명 형상기억합금(a)과 열전소자(b)가 스핀들의 주위에 배치되는 개략적인 예시도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101. 스핀들 102. 내륜

103. 볼 104. 하우징

105. 부쉬 106. 외륜

107. 예압조절장치 108. 예압스프링

109. 지지부 110. 예압조절부

111. 형상기억합금 112. 실린더

113. 열전소자 114. 전선
102a. 레이스홈 106a. 경사면

Claims (2)

1. 내측에 베어링을 수용하는 하우징(104)과,

   상기 하우징(104)에 삽입되고 상기 베어링에 의하여 지지되는 스핀들(101)을 포함하고,

   상기 베어링은, 상기 스핀들(101)에 억지끼움된 베어링 내륜(102)과, 상기 베어링 내륜(102)의 레이스홈(102a)에 위치가 고정된 베어링 볼(103)과, 상기 베어링 내륜(102)을 바라보는 내측면에 경사면(106a)이 형성되어 상기 볼(103)을 상기 경사면(106a)을 따라 회전 가능하게 지지하는 베어링 외륜(106)으로 구성되고,

   상기 베어링 외륜(106)과 결합되고, 상기 하우징(104)의 내측면을 따라 상기 베어링 외륜(106)과 함께 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된 부쉬(105)와,

   상기 부쉬(105)의 일측에 예압을 탄력적으로 가하도록 설치된 예압스프링(108)과,

   상기 예압스프링(108)을 지지하면서 상기 하우징(104)의 내측면을 따라 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된 지지부(109)와,

   일단이 상기 지지부(109)와 결합되며, 타단에는 외부전원으로부터 전류를 인가받는 열전소자(113)와 접촉되고, 상기 열전소자(113)의 흡열 또는 발열에 따라 길이가 변형하는 형상기억합금(111)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자와 형상기억합금을 이용하는 베어링 예압조절장치.
2. 내측에 베어링을 수용하는 하우징(104)과,

   상기 하우징(104)에 삽입되고 상기 베어링에 의하여 지지되는 스핀들(101)을 포함하고,

   상기 베어링은, 상기 스핀들(101)에 억지끼움된 베어링 내륜(102)과, 상기 베어링 내륜(102)의 레이스홈(102a)에 위치가 고정된 베어링 볼(103)과, 상기 베어링 내륜(102)을 바라보는 내측면에 경사면(106a)이 형성되어 상기 볼(103)을 상기 경사면(106a)을 따라 회전 가능하게 지지하는 베어링 외륜(106)으로 구성되고,

   상기 베어링 외륜(106)과 결합되고, 상기 하우징(104)의 내측면을 따라 상기 베어링 외륜(106)과 함께 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된 부쉬(105)와,

   상기 부쉬(105)의 일측에 예압을 탄력적으로 가하도록 설치된 예압스프링(108)과,

   일단이 상기 부쉬(105)의 타측과 결합되며, 타단에는 외부전원으로부터 전류를 인가받는 열전소자(113)와 접촉되고, 상기 열전소자(113)의 흡열 또는 발열에 따라 길이가 변형하는 형상기억합금(111)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자와 형상기억합금을 이용하는 베어링 예압조절장치.

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