KR101053460B1 - 미세유압을 이용한 공작기계 스핀들 베어링의 자동예압조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계의 하우징에 내장되는 스핀들을 회전가능하게 지지하는 스핀들 후부 베어링을 스핀들의 저·중·고속회전수에 대응되게 예압을 자동으로 조절할 수 있게 한 것으로, 하우징에 고정되고 베어링 하우징에 예압을 가하는 예압스프링과, 베어링 하우징의 외주에 슬라이딩 가능하게 결합된 슬리브의 외주면에 구비된 피스톤에 미세유압을 가하여 스페이서와 완충스프링을 거쳐 스핀들과 결합된 플렌지에 가하는 압력을 스핀들의 회전수에 따라 저·중·고속으로 각각 달리하여 전달할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

스핀들, 볼베어링, 예압조절, 미세유압, 완충스프링

Description

미세유압을 이용한 공작기계 스핀들 베어링의 자동예압조절장치{Automatic pre-load control device of spindle bearing to use fine hydraulic}

본 발명은 공작기계의 스핀들을 하우징상에서 회전가능하게 지지하고 있는 후면베어링의 회전속도변화에 따라 적절한 예압을 가할 수 있게 하는 베어링 예압 자동조절장치에 관한 것이다.

공작기계는 절삭효율을 높이기 위하여 스핀들의 고속화가 금형가공분야를 중심으로 빠르게 진행되고 있다.

스핀들의 고속화는 가공시간의 단축과 가공정밀도의 향상, 후공정의 생략으로 원가절감, 표면거칠기 개선으로 생산성을 향상시킨다.

반면 스핀들의 고속화는 원심력과 발열량의 증가를 수반하여 베어링 내부에서 발생하는 접촉압력을 현저하게 증가시키고, 이로 인해 스핀들 내부에 발열을 일으키는 원인이 된다.

이 발열은 특히 스핀들을 축방향으로 많은 변위를 일으키므로 이를 감안하여 후면베어링과 스핀들은 2~3미크론 정도로 약간의 틈새를 가지게 하여 열변위에 대응하는 구조를 갖게 되는데 이 틈새는 고속회전시 스핀들 흔들림의 원인이 되어 중절삭을 불가능하게 한다.

이러한 문제점을 해결하고 고속화에 대응하기 위하여 후면베어링과 스핀들에 틈새를 만들지 않는 틈새없는 죔쇄조립을 실시하고 발열로 인한 변위에 대응하기 위하여 예압을 가변할 수 있는 자동예압조절방식이 채용되고 있다.

종래 공작기계 스핀들 후면 베어링의 예압자동조절방법에는 크게 두 가지로 분류된다.

첫째, 도1과 같이 록크너트(4)로 축방향 간격을 조정하며 조립하는 정위치예압이다.

이 방법은 예압의 관리가 어렵고 베어링이 기울어지는 경우가 있으므로 정도를 요하는 공작기계 스핀들에는 적당하지 않지만 주로 사용되는 방법이기도 하다.

록크너트로 고정하기 때문에 고속회전시 발열이나 열팽창에 의해 베어링에 과도한 예압이 작용하여 파손을 일으키는 주원인이 되어 고속회전하는 공작기계에서는 적용이 불가능하다.

둘째, 이러한 단점을 보완하기 위하여 운전 중의 모든 조건에 걸쳐 거의 일정한 예압량을 유지하기 위하여 코일스프링, 접시스프링 등을 이용하여 적당한 예압을 주는 방식을 정압예압방식이라고 한다.

이 방법은 운전 중에 베어링의 상대적인 위치가 축방향의 변위로 나타나 정도보정이 필요한 단점이 있었다.

한편 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 JP실개평6-15904호(1994.03.01공개)에서는 도2와 같이 하우징(1)의 내부에 이동이 자유로운 중간링(9)을 배치하고 단면적이 서로 다른 피스톤을 구비한 복동식 유체압력실(18,19)을 구비하여 유체압력실에 유압을 선택적으로 가함으로써 베어링(5,6)을 축방향으로 밀어 스핀들(2)의 회전수변화에 따라 예압을 가변적으로 조절할 수 있게 한 것이 제안된바 있었다.

그러나 상기와 같은 구성은 예압을 변경하기 위하여 유로를 변경시 베어링에 충격을 가하고 구성이 복잡하여진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 비교적 단순한 구성으로 스핀들의 회전수 변화에 대응하여 예압을 가변할 수 있게 하여 스핀들의 진동과 열팽창에 의한 베어링의 소착을 방지할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 예압의 변경시 충격을 완충할 수 있게 하는 수단을 제공하여 압력차에 의하여 발생하는 진동에 의하여 베어링이 손상되는 것을 방지할 수 있게 하는 것이다.

또한 본 발명은 예압을 가변하는 유압장치에 이상이 발생하는 경우에도 정압예압으로 전환이 가능하게 하는 수단을 제공하는 것이다.

본 발명은 5000RPM이하의 저속과 15,000RPM이하의 중속에서는 가변되는 미세유압(1.8~2.5bar)에 의하여 작동하는 단동식 피스톤으로 예압을 조절하고 15,000RPM이상의 고속에서는 예압스프링으로 자동전환되게 구성하며, 미세유압과 예압스프링의 압력과 반대방향으로 작용하는 완충스프링을 구비하여 예압변경에 따른 충격을 완충할 수 있게 구성한다.

또한 미세유압라인의 유압호스에는 잔류압력을 남겨두어 압력가변에 의한 충격을 최소화할 수 있게 구성하며, 유압장치에 이상이 발생하는 경우에는 예압스프링에 의한 정압예압으로 전환이 가능하게 구성한다.

본 발명은 비교적 단순한 구성으로 저속에서 고속영역에 이르는 광범위한 스핀들의 회전수변화에 대응할 수 있는 예압을 자동으로 가변하게 할 수 있고, 예압변경시의 충격을 완화하면서 압력차에 의하여 발생하는 진동을 완충하게 할 수 있어 진동에 의한 베어링의 파손을 방지하게 할 뿐 아니라 유압장치에 이상이 발생하는 경우에도 예압스프링에 의한 정압예압으로 자동전환이 가능하여 공작기계의 가동율과 신뢰성을 향상하게 할 수 있다.

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

도 3은 본 발명 미세유압을 이용한 공작기계 스핀들 베어링의 자동예압조절장치의 요부단면도이고, 도 4는 본 발명 자동예압조절장치의 유압회로도이다.

도 3에 도시한 것과 같이 본 발명에 따른 자동예압조절장치는 하우징(101)에 내장되는 스핀들(102)의 후부에 구비되는 복수의 볼베어링(103)을 축방향으로 밀어주는 예압을 가할 수 있게 구성되어 있다.

하우징(101)에 내장되는 베어링 하우징(104)에는 볼베어링(103)의 외륜이 고정되어 있고, 스핀들(102)의 외경에는 볼베어링(103)의 내륜이 압입되어 고정되고 내·외륜 사이에는 볼이 삽입되어 있다.

볼베어링(103)의 외륜은 어느 한쪽으로 다소 경사지게 형성되어 볼이 외륜의 경사진 쪽으로 이동되면 볼과 외륜 사이에는 틈새가 없어져 볼과 내·외륜 사이의 접촉력을 증가시킨다.

볼과 내·외륜이 밀착하면 저속의 중절삭시에는 스핀들의 흔들림이 없어 진동의 발생은 억제할 수 있으나 고속회전시에는 볼과 내·외륜사이의 접촉압력이 높아져 발열이 되고, 발열은 볼베어링 소착의 원인이 된다.

따라서 스핀들(102)은 5,000RPM이하의 저속에서는 외륜을 경사진 방향으로 밀어 볼과의 틈새를 없게 하고, 15,000RPM이상의 고속에서는 외륜을 경사진 방향으로 밀어주는 예압을 감소시켜 볼과 내·외륜 사이에 틈새를 형성되게 하여 볼과 내·외륜 사이의 접촉압력에 의한 발열을 방지하게 하는 것이 필요하다.

고속회전시에는 원심력의 작용으로 틈새에 의한 진동은 방지된다.

본 발명은 볼베어링에 가해지는 예압을 5,000RPM이하의 저속과, 15,000RPM이하의 중속과 15,000RPM이상의 고속으로 구분하여 각각 적절한 예압이 자동으로 가해질 수 있도록 구성하고, 압력이 전환될 때 압력에 의한 떨림이 발생하지 않도록 예압이 가해지는 반대방향으로 압력이 작용하는 완충스프링(110)을 구비한다.

본 발명에서 볼베어링(103)에 예압을 가하는 수단으로는 볼베어링(103)을 경사진 방향으로 밀어주는 예압스프링(106)과, 스핀들(102)의 회전수에 따라 압력이 가변되는 미세유압에 의하여 작동하는 피스톤(105)을 이용한다.

예압스프링(106)은 하우징(101)에 고정되어 볼베어링(103)을 지지하는 베어링 하우징(104)에 예압을 가하도록 구성되고, 피스톤(105)은 베어링 하우징(104)의 외주면에서 슬라이딩이 가능하게 결합된 슬리브(107)의 외주면에 장착되고, 슬리브(107)와 스핀들(102)에 결합된 플렌지(108) 사이에 삽입된 스페이서(109)를 밀어 스페이서(109)가 완충스프링(110)을 밀어 플렌지(108)에 압력을 전달되게 구성된다.

피스톤(105)에 가해지는 미세유압은 스핀들(102)의 회전수에 따라 압력이 조절된다.

즉, 5000RPM이하의 저속에서는 2.5bar(2.5kgf/cm²)가 되게 하고, 중속에서는 1.8bar(1.8kgf/cm²)가 되게 유압회로상의 감압밸브(111) 등을 사용하여 조절한다.

스핀들(102)의 회전수가 15,000RPM을 초과하는 고속에서는 미세유압에 의한 예압조절작업은 중지되고 예압스프링(106)에 의한 예압만 작동하게 된다.

이하에서 본 발명의 실시 예에서 스핀들의 회전수 변화에 따른 예압의 조절을 설명하기로 한다.

예압의 종류를 F₁= 미세유압(1.8~2.5bar)

F₂= 예압스프링의 압력(38kgf)

F₃= 완충스프링의 압력(-41kgf)

피스톤의 단면적을 27.2cm²이라 가정할 경우.

◎ RPM5,000이하의 저속일 경우 예압

F₁=27.2cm²x 2.5kgf/cm² = 68kgf

P = (F₁+F₂)-F₃= 65kgf

◎ RPM15,000이하의 중속일 경우 예압

F₁=27.2cm²x 1.8kgf/cm² = 49kgf

P = (F₁+F₂)-F₃= 46kgf

◎ RPM15,000이상의 고속일 경우 예압

P = F₂- (베어링하우징자중2kgf) = 36kgf

※ 완충스프링(110)에 의한 마이너스 압력은 미세유압에 의한 피스톤(105)이 작동할 때만 작용하고, 미세유압이 오프되면 완충스프링(110)에 의하여 스페이서(109)와 슬리브(107)가 베어링 하우징(104)의 외주면을 따라 슬라이딩 되어 완충스프링(110)의 압력을 해소시킴.

본 발명의 자동유압조절장치는 머시닝센터와 같은 공작기계의 스핀들은 물론이고 베어링의 예압을 조절할 필요가 있는 각종기계분야에 적용이 가능하다.

도 1은 종래 정위치 예압조절장치의 단면도

도 2는 JP실개평 6-15904호의 단면도

도 3은 본 발명 미세유압을 이용한 공작기계 스핀들 베어링의 자동예압조절장치의 요부단면도

도 4는 본 발명 자동예압조절장치의 유압회로도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101. 하우징 102. 스핀들

103. 볼베어링 104. 베어링 하우징

105. 피스톤 106. 예압스프링

107. 슬리브 108. 플렌지

109. 스페이서 110. 완충스프링

111. 감압밸브

Claims (3)

1. 하우징(101)에 내장되는 스핀들(102)을 회전가능하게 지지하는 볼베어링(103)에 스핀들(102)의 회전수에 대응하는 예압을 자동으로 가하는 조절장치에 있어서,

   하우징(101)에 고정되고 베어링 하우징(104)에 예압을 가하는 예압스프링(106)과, 베어링 하우징(104)의 외주에 슬라이딩 가능하게 결합된 슬리브(107)의 외주면에 구비된 피스톤(105)을 포함하고,

   상기 피스톤(105)에 미세유압을 가하여 스페이서(109)와 완충스프링(110)을 거쳐 스핀들(102)과 결합된 플렌지(108)에 가하는 압력을 스핀들(102)의 회전수에 따라 저·중·고속으로 구분하여 전달하고,

   상기 스핀들(102)의 회전수가 저속인 경우보다 중속인 경우에 상기 미세유압이 더 작게 상기 피스톤(105)에 가해지도록 유압회로 상에 설치된 감압밸브(111)를 통하여 유압을 조절하고, 상기 스핀들(102)의 회전수가 고속인 경우에는 상기 미세유압에 의한 예압조절작업은 중지되고, 상기 예압스프링(106)에 의한 예압만 작동하는 것을 특징으로 하는 미세유압을 이용한 공작기계 스핀들 베어링의 자동예압조절장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 미세유압은 1.8bar 내지 2.5bar이고,

   상기 스핀들(102)의 회전수는 저속인 경우 5,000RPM이하이고, 중속인 경우 5,000RPM초과 15,000RPM이하이며, 고속인 경우 15,000RPM을 초과이고,

   상기 스핀들(102)의 회전수가 5,000RPM이하의 저속에서는 상기 미세유압이 2.5bar가 되게 하고, 상기 스핀들(102)의 회전수가 5,000RPM초과 15,000RPM이하의 중속에서는 상기 미세유압이 1.8bar가 되도록 상기 감압밸브(111)에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 미세유압을 이용한 공작기계 스핀들 베어링의 자동예압조절장치.
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