KR101464000B1 - 공작 기계용 스핀들 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 간단한 구조에 의해 모터 기어를 지지하면서, 모터 기어와 이를 지지하는 베어링 사이의 거리를 최대한 가깝게 할 수 있는 구성의 공작 기계용 스핀들 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 본 발명의 과제는, 프레임과, 서로 다른 잇수를 가진 복수 개의 기어가 마련되어 상기 프레임에 별개의 구성에 의해 주회전을 가능하게 지지되는 스핀들 축, 상기 프레임의 일단부에 배치되고 추력을 발생시키는 모터와 이 모터에 연결되어 모터로부터의 추력을 상기 스핀들 축에 전달하기 위한 모터 기어 및 상기 모터로부터의 추력을 상기 스핀들 축으로 전달하며 상기 프레임에 회전 가능하게 지지되는 아이들 축을 포함하며, 상기 아이들 축에는 상기 모터 기어와 항상 맞물리며 아이들 축의 일측에 고정되는 아이들 기어와, 상기 아이들 축 상에서의 시프트에 의해 상기 스핀들 축에 마련되는 상기 복수 개의 기어와 선택적으로 맞물리는 서로 다른 잇수를 가진 복수 개의 기어부를 갖춘 중간 기어가 마련되고, 상기 모터 기어는 상기 모터가 설치되는 상기 프레임의 상기 일단부에서 지지되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치에 의해 달성된다.

Description

공작 기계용 스핀들 장치{SPINDLE APPRATUS FOR A MACHINE TOOL}

본 발명은 공작 기계용 스핀들 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 모터로부터의 동력을 기어 트레인에 의해 변속하여 스핀들축에 전달하는 유형의 스핀들 장치에 관한 것이다.

공작기계에서의 기계 가공에서 요구되는 가공 절삭력을 증대시키기 위해서는 스핀들축의 회전 토오크를 증대시켜야 하며, 일정한 모터의 출력 하에서 스핀들축의 토오크를 증대시키기 위하여 모터의 회전을 감속한다.

특히, 높은 절삭 능력을 보유한 기계에서는 스핀들축의 토오크 특성을 높이기 위하여 각종 전동요소 중 기어를 동력 전달 및 변속 매체로 이용하고 있으며, 모터의 축과 스핀들축 사이에 아이들 축을 설치하고 스핀들축과 아이들축에 다단 기어를 설치하여 아이들 축에서의 서로 다른 잇수를 가진 기어들을 시프트 시킴으로서 변속을 실시하여 스핀들 축에서 요구되는 토오크와 회전수를 제공하도록 하고 있다.

도 1은 이러한 종래 기술에 따른 공작 기계의 스핀들 장치를 나타내고 있는데, 이 스핀들 장치에서는, 프레임(1)의 상단측에 하나의 볼 베어링(5)이 배치되고 하단측의 하우징(10)에는 한쌍의 앵귤러 베어링(7)이 배치되어 있고, 이들 베어링에 의해 모터 기어(6)가 지지되어 있다. 모터 기어(6)는 프레임(1)의 상단에 배치된 커플링(4)에 의해 모터(2)에 연결되어 있다.

아이들 축(20)과 스핀들 축(30)이 모터 기어(6)의 축선과 평행하게 배치되는데, 아이들 축(20)에는, 대직경 기어부(22)와 소직경 기어부(23)를 갖추고 아이들 축의 축선을 따라 시프팅이 가능한 시프팅 장치(21)가 마련되어 있다. 아이들 기어(21)의 대직경 기어부(22)는 모터 기어(6)와 맞물리는데, 모터 기어(6)는 충분한 폭을 가지고 있으므로, 시프팅 장치(21)가 시프팅되어도 그 대직경 기어부(22)는 모터 기어(6)와의 맞물림 상태를 유지한다. 스핀들 축(30)는 각각 아이들 기어의 대직경 기어부(22) 및 소직경 기어부(23)와 맞물리는 고속 기어(31) 및 저속 기어(32)가 배치되어 있다.

이러한 구성의 종래 기술의 스핀들 장치에 있어서 모터(2)의 추력은 커플링(4)을 통하여 모터 기어(6)에 전달되고, 모터 기어(6)의 추력은 이것과 항상 맞물려 있는 시프팅 장치(21)의 대직경 기어부(22)로 전달되고 스핀들 축(30)의 저속 기어(32)로 전달되어 스핀들 축(30)이 구동된다.

시프팅 장치(21)가 상하 방향으로 시프트되는 데 따라, 아이들 기어의 대직경 기어부(22)와 스핀들축(30)의 고속 기어(31)가 맞물리거나 아이들 기어의 소직경 기어부(23)와 스핀들 축(30)의 저속 기어(32)가 맞물린다.

고속 기어(31)가 아이들 기어(21)에 맞물려 모터의 추력을 전달받으면 스핀들축(30)은 낮은 토오크로 고속 회전을 하고, 저속 기어(32)가 아이들 기어(21)에 맞물려 추력을 전달받으면 스핀들 축(30)은 높은 토오크로 저속 회전을 하게 된다.

그러나, 이러한 종래 기술에 따른 구성의 스핀들 장치에서는 시프팅 장치(21)의 시프트 작동에 의한 고속 또는 저속 기어의 연결에 의해 회전수와 토오크를 변경하지만, 시프팅 장치(21)가 시프트 되는 중에도 아이들 기어의 대직경 기어부(22)와 모터 기어(6)는 항상 맞물림 상태를 유지한다. 이를 위해서는 시프팅 장치(21)의 시프트 스트로크가 충족되어야 하므로, 모터 기어(6)가 그 축선을 따라 넓은 폭을 가져야 할 뿐 아니라, 스핀들 장치의 어느 일측에 배치되어서는 곤란하고, 대체로 스핀들 장치의 축선 방향 중간측에 배치되어야 한다.

따라서, 종래 기술의 스핀들 장치에서는, 모터 기어(6)를 지지하기 위해, 프레임의 상단과 하단에 각각 베어링 지지 구조를 두어 모터 기어의 축을 지지하는 구조를 가질 수 밖에 없지만, 이러한 구조에서는 모터 기어와 모터의 장착 구조가 복잡하고 그 조립과 조정에도 상당한 시간과 조립 공수를 요하게 된다.

한편, 기어의 맞물림에 의한 동력 전달 시에 기어를 통하여 전달되는 굽힘 모멘트에 의하여 기어의 지지축에는 굽힘 하중이 작용하여 변형이 발생한다. 전술한 구성의 종래 기술의 스핀들 장치에서 프레임(1)의 상단과 하단에 각각 마련된 베어링들(5, 7)에 의해 모터 기어(6)가 지지되는 양단 지지 구조를 취하고 있고, 모터 기어는 이들 베어링 사이의 대략 중간 위치에 배치되어야 하므로, 굽힘 하중이 가해지는 모터 기어와 베어링에 의한 지지점 사이의 거리가 길다. 따라서, 모터 기어의 축에는 상당한 굽힘 변형이 발생하고, 이로 인하여 스핀들 장치 전체에서 상당한 진동과 소음이 유발된다는 문제점이 있다.

더욱이, 모터(2)의 회전에 의해 발생하는 열과 모터 기어의 축을 지지하는 베어링들(5, 7)에 의해 발생하는 열은 이들을 지지하는 프레임(1)에 전달되어 스핀들 장치 전체에서 오차를 유발한다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 감안하여, 간단한 구조에 의해 모터 기어를 지지하면서, 모터 기어와 이를 지지하는 베어링 사이의 거리를 최대한 가깝게 할 수 있는 구성으로 진동과 소음을 개선하는 스핀들 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 장치의 조립에 요하는 조립 공수와 조립 오차를 감소시킬 수 있도록 모터 기어와 베어링 같은 여러 개의 부품을 하나의 서브 어셈블리로 미리 조립하여 스핀들 장치에 장착할 수 있는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 모터의 추력을 정확하게 피동축들에 전달하는 수 있는 구조를 제공하고 열원 발생시키는 인자를 최소화하고 모터기어 지지구조의 외륜 냉각 구조로 스핀들 장치 오차를 줄이고자 하는 것이다.

전술한 본 발명의 과제는, 프레임과, 상기 프레임에 회전 가능하게 지지되는 스핀들 축을 구비한 공작기계의 스핀들 장치로서, 상기 스핀들 축에 마련되는 복수 개의 기어, 상기 프레임의 일단부에 배치되고 추력을 발생시키는 모터, 이 모터에 연결되어 모터로부터의 추력을 상기 스핀들 축에 전달하기 위한 모터 기어, 및 상기 모터로부터의 추력을 상기 스핀들 축으로 전달하며 상기 프레임에 회전 가능하게 지지되는 아이들 축을 포함하며, 상기 모터 기어는 상기 모터가 설치되는 상기 프레임의 상기 일단부에서만 지지되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치에 의해 달 성된다.

발명의 일 측면에 있어서, 상기 아이들 축에는 상기 모터 기어와 항상 맞물리며 아이들 축의 일측에 고정되는 아이들 기어와, 상기 아이들 축 상에서의 시프트에 의해 상기 스핀들 축에 마련되는 상기 복수 개의 기어와 선택적으로 맞물리는 서로 다른 크기의 복수 개의 기어부를 갖춘 중간 기어가 마련된다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 상기 모터 기어의 축은 상기 모터의 축과 결합되고, 그러한 결합은 키이에 의해 의하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 상기 모터 기어는 상기 프레임의 상기 일단부에 배치되는 복수 개의 베어링에 의해 지지되며 이 베어링을 지지하기 위해 냉각 재킷(Jacket) 구성을 가지며 모터를 고정하는 베이스로 구성한다.

이러한 본 발명의 스핀들 장치에서는 모터 기어를 프레임의 양단부가 아닌 일단부에서만 지지하므로, 모터 기어의 축에 굽힘 하중을 가하는 모터 기어와 그 지지점인 베어링 사이의 거리는 매우 가깝게 되고, 추력의 전달에 의해 발생하는 모터 기어에서의 굽힘 하중에 의해 모터 기어의 축선에 발생하는 굽힘 변형이 감소한다.

또한, 아이들 축에는 모터 기어로부터 추력을 전달받는 아이들 기어와 스핀들 기어에 맞물려 추력을 전달하는 중간 기어를 별도로 마련하는 구성에 따르면, 아이들 기어와 모터 기어를 프레임의 중간에 배치할 필요가 없고, 특히 모터 기어를 프레임의 일단부에 가깝게 배치할 수 있다.

특히, 굽힘 변형은 축의 지지점과 굽힘 하중이 작용하는 지점 사이의 거리의 세제곱에 비례하는데, 본 발명에서와 같이 프레임의 일단부에서만 모터 기어를 지지하고 모터를 이 일단부에 가깝게 배치하는 구성에서는 굽힘 변형이 최소화하고, 그 결과로서, 진동과 소음도 최소화한다.

또한, 모터 기어는 모터가 설치된 프레임의 일단부에서 지지되므로, 모터 기어를 모터의 축에 직접 연결하는 구성을 취할 수 있다. 이러한 구성에 따라, 본 발명에서는 모터 기어를 프레임의 양단부에서 지지하는 종래 기술의 스핀들 장치에 비하여 모터 기어의 지지 구조를 매우 단순하게 하고, 그 조립 공수도 절감되므로, 스핀들 장치의 제조 원가를 상당히 낮출 수 있다.

또한, 모터 기어의 축을 키이에 의해 모터의 축에 결합하는 본 발명의 구성에 따르면, 급격한 추력의 변화에 의해 모터 기어가 모터의 축에 대해 미끄러지는 현상이 방지되어, 확실한 추력 전달을 기대할 수 있으며 종래기술에서는 프레임의 양단에 배치되었던 베어링을 본 발명에서는 모터기어 측으로만 배치함으로써 열원 발생을 최소화하였고 상기 베어링의 발열도 억제하기 위해 모터를 조립하는 베이스에 냉각 재킷(jacket)을 구성하여 냉각된 오일을 순환시킴으로 발생열이 프레임에 전달되지 않도록 함에 따라 스핀들 장치 전체의 오차를 줄인다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 스핀들 장치의 실시예를 나타내고 있다.

스핀들 장치의 프레임(40) 내에는 서로 평행하게 스핀들 축(50), 아이들 축(60) 및 모터 기어(70)가 회전 가능하게 배치되어 있다. 추력을 발생하는 모터(80)는 모터 기어(70)와 동일 축선 상에서 프레임(40)의 단부에 인접하여 그 외측에 배치되어 있다.

스핀들 축(50)에는 고속 기어(51)와 저속 기어(52)가 마련되어 있으며, 아이들 축(60)에는 대직경 기어부(62)와 소직경 기어부(63)가 마련된 중간 기어(61)가 마련되어 있으며, 중간 기어(61)는 아이들 축(60)에 형성한 스플라인(65) 상에서 시프트됨으로써, 대직경 기어부(62)가 스핀들 축의 고속 기어(51)와 맞물리거나 소직경 기어부(63)가 저속 기어(52)와 맞물릴 수 있다. 도면에서는 이해의 편의를 위하여 2가지의 맞물림 상태를 모두 도시하고 있다.

아이들 축(60)에는 중간 기어(61)의 상측에서 프레임(40)에 인접하여 아이들 기어(67)가 마련되어 있는데, 이 아이들 기어(67)는 시프트되지 않고 그 축방향 위치가 고정되어 모터 기어(70)와 맞물려 있다.

프레임(40)의 일측에는 베이스(42)가 결합되어 있는데, 베이스(42) 내에는 서로 간격을 두고 한쌍의 베어링(44)이 배치되어 있고, 모터 기어(70)는 그 축(71)이 베어링(44)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

베이스(42)의 외측 단부에는 모터(80)가 고정되어 있으며, 모터의 축(81)은 모터 기어의 축(71) 내에 삽입되어 키이(83)에 의해 모터 기어(70)에 일체로 회전하도록 고정되어 있다.

이상의 구성에 따른 스핀들 장치는 다음과 같이 작동한다.

모터(80)가 회전하면, 그 추력은 모터 기어(70)를 통하여 아이들 축(60)의 아이들 기어(67)에 전달되어 아이들 축이 회전한다.

스핀들 축의 구동에 높은 회전수가 요구되는 경우에는, 아이들 축(50)에서 스플라인(65)을 따라 중간 기어(61)를 상향 시프트하면, 중간 기어의 대직경 기어부(62)는 스핀들 축(50)의 고속 기어(51)와 맞물리면서, 이들 사이의 맞물림에 의해 모터의 회전이 증속되어 스핀들이 고속 회전하게 된다.

스핀들 축의 구동에 높은 토오크가 요구되는 경우, 아이들 축(60)에서 스플라인(65)을 따라 중간 기어(61)를 하향 시프트하면, 중간 기어의 소직경 기어부(63)는 스핀들 축(50)의 저속 기어(52)와 맞물리면서, 이들 사이의 맞물림에 의한 스핀들 축의 회전은 감속되고 토오크는 증대된다.

이러한 작동에 있어서, 모터 기어의 축(71)은 아이들 기어(67)로부터의 반력에 의한 굽힘 하중을 받지만, 굽힘 하중이 작용하는 모터 기어의 축(71)을 지지하고 있는 베어링들(44) 사이의 거리가 매우 짧으므로, 그 굽힘 변형은 매우 작고, 그 결과, 스핀들 장치의 구동 시에 발생하는 진동, 소음 및 발열은 대폭 저감된다.

이러한 스핀들 장치에 있어서, 모터 및 모터 기어의 조립 작업은 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 베이스(42)에 한쌍의 베어링(44)을 끼워 런아웃(runout) 맞추면서 조립하고, 여기에 모터 기어의 축(71)를 삽입하여 끼워 넣어 결합한다. 이 서브 어셈블리를 모터 기어(70)와 아이들 기어(57)가 맞물리도록 조정하면서 프레임(40)에 삽입하여 고정한다.

이어서, 모터 기어의 축(71)에 모터의 축(81)을 삽입하면서 모터(80)를 베이 스(42)에 조립하고, 모터 기어의 축(71)에 키이(83)를 끼워 넣어 모터의 축(81)과 고정한다.

이와 같이, 모터 기어(70)를 그 지지 장치(베어링 및 베이스)와 함께 미리 조립하여 서브 어셈블리를 형성한 후에 스핀들 장치에 조립하므로, 조립에 요하는 시간과 공수가 상당히 절감될 수 있다. 또한, 모터(80)와 모터 기어(70)를 직접 결합하고 이들의 축(71, 81)을 키이(83)에 의해 결합하므로, 모터와 모터 기어 사이의 추력 전달이 확실하게 보장된다.

도 1은 종래 기술에 따른 스핀들 장치의 구성을 나타내는 단면도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀들 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.

Claims (3)

1. 프레임(40)과, 상기 프레임(40)에 회전 가능하게 지지되는 스핀들 축(50)을 구비한 공작 기계용 스핀들 장치로서,

   상기 스핀들 축(50)에 마련되는 복수 개의 기어(51, 52),

   모터의 축(81)을 가지며, 상기 프레임(40)의 일단부에 배치되어 추력을 발생시키는 모터(80),

   상기 모터의 축(81)의 회전시 함께 회전되며, 일단부에 상기 모터의 축(81)이 삽입 결합되도록 형성된 모터 기어의 축(71)과 타단부에 형성된 치형을 포함하는 모터 기어(70),

   상기 프레임(40)에 회전 가능하게 지지되고, 상기 모터의 축(81)과 상기 스핀들 축(50) 사이에 설치되어 상기 모터(80)로부터의 추력을 상기 스핀들 축(50)으로 전달하는 아이들 축(60),

   상기 아이들 축(60)의 일측에 배치되어 상기 모터 기어(70)의 치형과 맞물려 회전되는 아이들 기어(67),

   상기 아이들 축(60)의 타측에 배치되어 상기 복수 개의 기어(51,52)와 선택적으로 맞물리는 복수 개의 기어부(62,63)를 포함하는 중간 기어(61), 및

   상기 모터 기어의 축(71)의 외주면과 상기 프레임(40) 사이에 설치되어 상기 모터 기어(70)의 회전을 지지하는 복수 개의 배어링(44)

   을 포함하는 공작 기계용 스핀들 장치.
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