KR101312158B1 - 스핀들 유닛 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 롤러 베어링에 의해 고정자 요소로 연결되는 로터 요소, 롤러 베어링을 윤활하기 위한 그리스 저장고를 포함하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 그리스 저장고로부터의 그리스의 공급은 온도-의존 팽창 요소에 의해 제어될 수 있다.

Description

스핀들 유닛 장치{SPINDLE UNIT DEVICE}

본 발명은 회전하도록 설계된 로터 부분을 포함하며, 하나 이상의 감마 베어링에 의해 고정자 부분으로 연결되고, 감마 베어링의 윤활을 위한 그리스 리저버를 포함하는 장치에 관한 것이다.

예를 들어 JP 2003-048949 A호는 머신 툴의 작업 스핀들을 공개하며, 여기서 스핀들 샤프트는 볼 베어링에 의해 외부 하우징 내에 지지된다. 이에 따라 외부 하우징은 볼 베어링을 윤활하기 위한(lubricating) 그리스 리저버(grease reservoir)가 제공되며, 상기 그리스 리저버는 이동식 피스톤이 볼 베어링의 방향으로 그리스를 이송시키기 위하여 가압된 공기 또는 그 외의 다른 가압된 가스에 의해 이동됨에 따라 한 측부가 밀폐된다.

본 발명의 목적은 상기 언급된 타입의 개선된 장치를 발명하는 데 있으며, 이에 따라 극히 소량의 그리스가 정밀한 제어 방법으로 그리스 리저버로부터 감마 베어링으로 이송될 수 있다.

본 발명의 목적은 청구항 제 1항의 구성에 따라 구현된다. 선호되는 실시예는 종속항에 기술된다.

청구항 제 1항에 정의된 바와 같이, 회전하도록 설계된 로터 부분을 포함하며, 하나 이상의 감마 베어링에 의해 고정자 부분으로 연결되고, 감마 베어링의 윤활을 위한 그리스 리저버를 포함하는 장치 내에서 그리스 리저버로부터의 그리스 이송은 온도-의존 팽창 요소에 의해 제어될 수 있다.

본 발명은 특히 압축된 공기에 기초하여, 그리스 리저버로부터 그리스를 이송시키기 위한 공지된 메커니즘에 비교되는 도구(finding)를 기초로 하며, 1 mm³ 보다 작은 극히 미량의 그리스가 열적 작동식 팽창 요소를 이용함으로써 정밀 제어 방식으로 이송될 수 있다. 따라서, 종래의 윤활 시스템에 비해 본 발명의 청구항에 정의된 윤활 시스템은 감마 베어링의 레이스 영역으로 도달되는 그리스의 양은 완료된 재윤활 후 반복적인 러닝 공정이 수행될 필요가 없도록 정확히 수치화된다(demension). 이에 따라 스핀들 유닛과 같은 장치는 현재의 rpm을 고려하지 않고 연속적으로 작동이 유지되는 장점을 가진다.

게다가 5 바보다 큰 높은 압력이 미세한 홀을 통해 그리스를 감마 베어링으로 신뢰성있게 이송시키기 위하여 팽창 요소에 따라 형성되는 것이 선호된다. 게다가 팽창 요소는 그리스 리저버의 재충진 후 재사용 가능한 것이 선호된다.

본 발명에 정의된 윤활 도는 재윤활에 따라 그리스 윤활은 장기간의 그리스 사용이 허용되고, 상당히 높은 rpm에서 이용될 수 있다. 따라서 분당 200만 mm까지의 rpm 특성과 40,000시간까지의 수명이 구현된다.

한 선호되는 형상에 있어서, 그리스 리저버는 장치, 특히 고정자 부분 내의 공동으로서 구성되며, 한 단부는 피스톤이 팽창 요소에 의해 감마 베어링의 방향으로 그리스를 이송시키기 위해 가압될 수 있음에 따라 밀폐된다. 이에 따라 윤활 그리스는 채널 시스템에 의해 윤활되어지는 감마 베어링으로 가압되거나 또는 윤활되어지는 몇몇의 감마 베어링으로 가압된다.

선호되는 형상에 있어서, 예를 들어 스핀들 유닛 또는 머신 시스템과 같은 시스템에 포함된 그 외의 다른 부품들은 장치로 완전히 일체 구성되어 손상 및 외부 영향으로부터 차단된다.

선호되는 한 형상에 있어서, 윤활 그리스는 레이스의 바로 인접한 주변에서 외부 링으로 기계 가공된 윤활 홀을 통해 감마 베어링으로 공급된다. 이와 같은 방법으로, 측부로부터의 윤활에 비해, 사용된 그리스와 마모 입자들이 감마 베어링으로 재차 이동되지 않는 장점을 가지며, 이에 따라 마모의 증가가 방지되며, 최대 가능 rpm이 제한되지 않는다.

선호되는 한 형상에 있어서, 머신 툴의 작업 스핀들(work spindle)로 구성된다. 이에 따라 생산성을 증가시키고 제조 및 서비스 비용을 감소시키기 위하여 머신 공구 산업은 높은 rpm과 긴 수명을 요구한다. 게다가 스핀들 유닛은 가능한 단순한 구조로 형성되어야 하며, 연결 라인 또는 추가적인 외부 공급 유닛을 필요로 하지 않는다. 높은 rpm, 긴 수명 및 저렴한 작동 비용은 정밀한 베어링에 따라 구현되며, 이에 따라 깨끗한 윤활 그리스가 제공된다. 이에 따라, 레이스의 바로 인접한 주변에서 외부 링을 관통하는 윤활 홀을 포함하는 앵귤러 볼 베어링, 원통형 롤러 베어링 및 그 외의 다른 정밀 베어링을 이용하는 것은 좋은 생각이다. 그 외의 다른 실시예에서, 베어링은 그리스 유입부에 횡방향으로 부착되는 것이 적합하다.

게다가 오일-공기 윤활에 비해 그리스 윤활은 용이하고, 경제적이며 사용 시 높은 내구성을 가진다. 오일-공기 윤활 시, 1 내지 최대 3 ㎛보다 큰 입자는 사용된 공기로부터 여과될 수 있으며, 여과된 공기는 적어도 5 바보다 높은 압력에서 이용되어져야 한다. 예를 들어 70 mm의 홀을 포함하는 스핀들 베어링의 오일-공기 윤활을 위하여 작동 시간당 1.5 m³의 공기가 요구된다. 이에 따라 일반적인 수준의 머신 툴 스핀들은 3 내지 4개의 감마 베어링을 포함한다. 게다가 오일-공기 윤활의 오일은 직경이 3 내지 5 ㎛보다 큰 잔여 입자들이 신뢰성 있게 분리되도록 여과되어져야 한다. 이러한 오일-공기 윤활에 대해 2가지의 쉬프트 공정(shift operation)을 가정하면, 1년에 수 내지 수천 유로의 비용이 야기된다. 게다가 오일-공기 윤활용 장치의 초기 입수 시, 상당한 투자 금액이 예상될 수 있다. 게다가 오일-공기 윤활에 대한 장치의 적어도 일부분이 실제 스핀들 유닛의 그 외의 다른 측면에 외부적으로 부착되어져야 하며, 오일이 부분적으로 넓은 섹션에 대해 2.6 내지 4 mm의 직경을 가진 라인에 의해 감마 베어링으로 공급되어져야 하는 것이 바람직하지 못하며, 상기 라인은 꼬임(kinking), 핀칭(pinching) 또는 티어링(tearing)에 대해 매우 민감하며, 손상 시 스핀들 유닛의 고장이 야기된다. 게다가 스핀들 유닛에 손상을 입힐 수 있는 취급 결함과 부조에 대해 오일-공기 윤활은 상당히 민감하다. 따라서 라인 내에서 허용 공기 압력과 압력 강하는 오일-공기 윤활의 개별적인 부분들이 바람직하지 못한 방식으로 위치될 수 있는 라인 내에서의 간격을 한정한다.

본 발명의 그 외의 장점, 특징 및 세부 사항은 도면에 따르는 본 발명의 실시예로부터 명확해진다.

도 1은 일체 구성된 재윤활 시스템을 포함하는 스핀들 유닛을 부분적으로 절단한 투시도.

도 2는 도 1의 재윤활 시스템을 도시하는 도면.

도 3은 그 외의 다른 재윤활 시스템의 주요 부품을 도시하는 도면.

*도면 부호

12: 로터 부분 14: 고정자 부분

22: 내부 링 24: 볼

26: 외부 링 28: 윤활 홀

32: 채널 시스템 34, 34': 윤활 그리스 리저버

36, 36': 피스톤 38, 38': 스톱

39': 스프링 40, 40': 팽창 요소

42, 42': 하우징 44, 44': 매체

46, 46': 플런저 48: 가열 요소

52: 소형 스위치 54: 스프링

도 1은 일체 구성된 재윤활 시스템(integrated relubrication system)을 포함하는 머신 툴(machine tool)의 스핀들 유닛(spindle unit)을 세로 방향으로 절단한 투시도이며, 본 발명의 한 실시예로 도시된다. 스핀들 유닛은 로터 부분(rotor part, 12)에 대해 고정되는 고정자 부분(stator, 14)과 회전을 위해 구성된 로터 부분(12)을 포함한다. 이에 따라 로터 부분(12)은 몇몇의 볼 베어링에 의해 고정자 부분(14)에 피벗 회전하도록 장착된다.

각각의 볼 베어링은 감마 베어링 스틸과 같은 내부 링(22), 세라믹과 같은 볼(24)로 구성된 롤 바디(roll body) 및 감마 베어링 스틸과 같은 외부 링(26)을 포함한다. 이에 따라, 볼 베어링에 윤활 그리스를 공급하기 위한 볼 베어링의 각각의 외부 링(26)은 대응 윤활 홀(lubricating hole, 28)을 가지며, 상기 윤활 홀에 의해 윤활 그리스는 외부 링(26)의 외부 재킷(outer jacket)으로부터 볼 베어링의 레이스 영역(raceway region) 내로 직접적으로 유입될 수 있다. 이에 따라 볼 베어링의 외부 링(26)의 외부 재킷 상에서 윤활 홀(28)은 채널 시스템(32)으로 연결되며, 상기 채널 시스템은 고정자 부분(14)으로 기계 가공되며 윤활 그리스 리저 버(34)로 연결된다.

이에 따라, 윤활 그리스 리저버(34)는 고정자 부분(14)에 구성된 홀에 의해 형성된다. 윤활 그리스 리저버(34)는 홀의 방향으로 이동될 수 있는 피스톤(36)에 의해 외부에 대해 밀폐된다. 볼 베어링의 방향으로 윤활 그리스를 이송시키기 위하여, 피스톤(36)은 적절히 내부로 압축될 수 있다. 이는 홀 내에 위치된 제어 가능한 팽창 요소(40)에 의해 수행되며, 도 2에 따라 상세히 기술된다.

팽창 요소(40)는 하우징(42), 열의 작용 하에서 부피를 증가시키는 왁스와 같은 매체(medium, 44) 및 플런저(plunger, 46)를 포함한다. 상기 팽창 요소는 가열 기술로부터 대략 생산된 물품(article)으로 공지되었다. 전기적으로 작동되는 가열 요소(48)는 팽창 요소(40)로 제공된다. 팽창 요소(40)의 플런저(46)는 그리스 리저버(34)의 피스톤(36) 상에서 작동되며, 피스톤(36)과 플런저(46) 사이에 소형 스위치(52)와 위크 스프링(weak spring, 54)이 위치된다.

재윤활 사이클의 개시 시 가열 요소(48)가 작동됨에 따라, 먼저 매체(44)가 가열되고, 이에 따라 팽창되며, 하우징(42)으로부터 플런저(46)를 압축시키며, 교대로 윤활 그리스 리저버(34)의 피스톤(36) 상에서 압축되어 윤활 그리스는 볼 베어링의 방향으로 이송된다. 이에 따라, 플런저(46)가 움직이기 시작할 때, 소형 스위치(52)는 작동되며 스프링(54)은 압축된다. 소형 스위치가 작동됨에 따라 가열 요소(48)의 한정 가능한 작동 시간(definable activation time)이 트리거된다(trigger). 가열 요소(48)로의 전류 공급이 차단됨에 따라 플런저(46)는 최종 도달 위치에 배열되며, 피스톤(36)과 플런저(46) 사이에 배열되는 스프링(54)은 재윤활 사이클의 종결 시 소형 스위치(52)를 재-해제(re-releasing)하기 위한 리셋팅 하중(resetting force)을 발생시키도록 느슨해질 수 있다(relax).

다른 실시예에서, 피스톤과 플런저의 움직임 방향으로 플로팅되는(floating) 팽창 요소의 하우징을 지지하고, 피스톤과 플런저 사이에 고정된 연결을 형성하기 위하여 고정자 부분에서 스프링과 소형 스위치는 하우징과 고정자 부분 사이에 적절히 위치될 수 있다.

도 3은 그 외의 다른 재윤활 시스템의 주요 요소를 도시하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 여기서 그 외의 다른 재윤활 시스템은 도 2의 팽창 요소(40)와 유사한 팽창 요소(40')를 포함하며, 상기 팽창 요소(40')는 하우징(42'), 열의 작용 하에서 부피를 증가시키는 매체(44') 및 플런저(46')를 포함한다. 상기 플런저(46')는 그리스 리저버(34')의 이동식 피스톤(36')을 통해 경로 이동하고, 윤활 그리스 리저보로 연장되며 플런저(46')가 이동됨에 따라 피스톤(36')은 동시에 이동되지 않고, 윤활 그리스는 윤활 그리스 리저버(34')로부터 윤활처리되어지는 베어링으로 이송된다.

도 2의 재윤활 시스템과는 상이한 도 3의 다른 재윤활 시스템은, 플런저(46')의 상대적으로 큰 스트로크 모션(stroke motion)이 이용되는 도 2의 재윤활 시스템에 비해, 플런저(46')의 각각의 재윤활 사이클이 정확하게 정해진 양의 윤활 그리스를 이송시키기 위하여 한정된 거리로 이동되도록 설계된다. 이를 위해 도 3의 그 외의 다른 재윤활 시스템은 플런저(46')가 재윤활 사이클마다 그리스 리저버(34')에 대해 스톱(38')을 타격할 때까지(strike) 이동되도록 형성된다.

게다가 플런저(46')와 그리스 리저버(34')는 재윤활 사이클마다 플런저(46')의 한정 가능한 스트로크에 따라 정확히 측정된 양의 윤활 그리스가 이송되도록 기하학적으로 치수가 형성된다. 도 2의 재윤활 시스템과는 상이하게, 도 3의 재윤활 시스템에서는, 재순환 사이클 당 윤활 그리스의 이송 량은 기계적으로 정해지지만 한정 가능한 시간 차이(definable time interval)에 의존되지 않으며, 시간에 대한 재윤활 공정의 의존성(dependency)은 도 2의 재윤활 시스템에 비해 제거되는 것이 선호된다.

그리스 리저버(34')는 플런저(46')의 대응 모션과 이후의 플런저(46')의 귀환 모션에 의해 그리스가 이송된 후 형성되는 공동이 제거되고, 게다가 피스톤(36')과 스프링(39')의 유닛에 의해 그리스가 이송되지 않도록 스프링(39')과 피스톤(36')에 의해 다소 예비 인장되어 밀폐될 수 있다. 이에 따라, 재윤활 사이클이 종결될 때 플런저(46')의 해당 수축은 대응하도록 구성된 팽창 요소(40')에 의해 구현될 수 있으며, 대응하도록 배열된 스프링 요소에 의해 구현될 수 있다.

더욱 더 정확한 양의 윤활 그리스가 이송됨에 따라, 한 실시예에서 스톱(38')은 피스톤(36')의 개별적인 위치에 대해 적합하도록 형성될 수 있다.

도 3의 재윤활 시스템의 실시예에서, 신뢰성 있는 윤활 그리스 흐름이 오직 베어링의 방향으로 보장되도록 체크 밸브와 같은 기계적인 요소가 제공될 수 있다.

도 2의 재윤활 시스템과 유사한 도 3의 그 외의 다른 재윤활 시스템에 대한 실시예에서, 그리스 리저버(34')의 하우징과 플런저(46') 사이에 스프링과 소형 스위치가 제공될 수 있다.

상기 언급된 제윤활 시스템에 따라 윤활제의 상당히 작고 정확한 양이 즉시 볼 베어링으로 이송될 수 있다. 이와 같은 러닝 타임, 온도, rpm, 진동 수준, 등등과 같은 작동 상태를 고려하지 않고 정확히 요구된 양의 윤활제가 공급될 수 있다. 이에 따라 발생되거나 또는 요구되어 지는 신호의 제어 및/또는 평가는 상대적으로 높은 수준의 제어 상태로 수행될 수 있거나 또는 윤활 유닛으로 직접적으로 일체 구성될 수 있다.

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11. 스핀들 유닛 장치에 있어서, 상기 장치는

    -하나 이상의 감마 베어링에 의해 고정자 부분으로 연결되고, 회전하도록 설계된 로터 부분을 포함하며,

    -감마 베어링의 윤활을 위해 그리스를 수용하는 그리스 리저버를 포함하고,

    -개구부를 포함하는 하우징으로 구성된 팽창 요소를 포함하며, 상기 개구부를 통해 플런저의 일부분이 연장되며, 하우징 내에 수용된 매체는 열의 작용 하에 팽창되어 매체로 열이 공급 시 플런저는 그리스 리저버를 향하는 방향으로 이동되고,

    -하우징 내의 매체로 열을 공급하기 위하여 팽창 요소에 대해 배치된 작동 가능한 전기적 가열 요소를 포함하고, 이의 작동 시 플런저를 그리스 리저버를 향하는 방향으로 이동시켜 그리스는 감마 베어링으로 이송되고,

    -그리스 리저버는 이동 가능한 피스톤에 의해 한 단부가 밀폐되며,

    -플런저의 일부분은 피스톤을 통해 연장되는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 피스톤이 탄성적으로 지지되어 플런저의 해당 이동 및 후속하는 귀환 움직임(return motion)에 의해 그리스가 이송된 후 형성된 공동이 제거되고, 이에따라 그리스가 탄성적으로 지지된 피스톤에 의해 이송되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 스핀들 유닛 장치.
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