KR101960346B1

KR101960346B1 - 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체

Info

Publication number: KR101960346B1
Application number: KR1020110133402A
Authority: KR
Inventors: 하승철; 김민기
Original assignee: 두산공작기계 주식회사
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2019-03-21
Also published as: KR20130066764A

Abstract

본 발명의 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체는 전열 베어링(3a)이 전열 베어링 지지 캡(5)에 의해 주축(2)의 선단과 전열 하우징(1a)에 고정 설치되고, 후열 베어링(3b)이 후열 베어링 지지 캡(6)에 의해 주축(2)의 후단과 후열 베어링 하우징(8)에 고정 설치되며, 후열 하우징(1b)과 후열 베어링 하우징(8)의 사이에 예압 스프링(4)이 설치되는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서, 상기 전열 하우징(1a)의 내부에 스토퍼(11)와 스페이서(12)를 고정 설치하고, 주축(2)의 선단부 외주에 상기 스토퍼(11)와 대응되는 걸림단턱(20)을 마련하여 공구 교환시 주축(2)에 순간적으로 발생하는 힘을 전열 하우징(1a)으로 전달함으로써 전열 베어링(3a)을 보호할 수 있도록 구성한 것이다.

Description

머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체 {A HIGH SPEED SPINDLE ASSEMBLY FOR A MACHINING CENTER }

본 발명은 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에 관한 것으로, 더 자세하게는 공구를 교환할 때에 발생되는 힘이 베어링에 직접 전달되지 않도록 하여 베어링을 보호할 수 있도록 함은 물론 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생할 경우 베어링 예압 조절 실린더를 사용하여 정위치예압 방식으로 전환할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

일반적으로 고속으로 회전하는 머시닝센터 주축의 경우 전열 베어링과 후열 베어링으로 지지되며, 주축 회전에 기인하는 원심력과 마찰열 등에 의해 주축과 베어링 내륜이 반경 방향으로 늘어남으로써 주축을 지지하는 베어링의 예압을 증가시키게 되는데, 이 증가된 예압을 해소하지 못하게 되면 베어링의 수명이 크게 단축되거나 심할 경우 베어링이 소착된다.

따라서 후열 베어링의 외륜을 축 방향으로 자유롭게 움직임으로써 증가된 예압을 흡수할 수 있는 구조가 필요하게 되며, 이러한 증가된 예압을 흡수 할 수 있는 구조에 있어서 도 1과 같이 주축(2)의 후단부에 설치되는 후열 베어링(3b)의 외륜(32b)측 단면에 예압 스프링(4)을 설치하여 일정 압력으로 후열 베어링(3b)과 전열 베어링(3a)을 지지하는 것을 정압예압 방식의 주축이라고 한다.

도 1과 같은 정압예압 주축에 있어서는 후열 베어링(3b)에 작용하는 하중에 따라 예압 스프링(4)의 길이가 조절되면서 후열 베어링(3b) 및 전열 베어링에 작용하는 예압을 일정하게 유지시켜 주는데, 이 때 예압 스프링(4)은 아주 작은 양의 압력을 조절해야 하므로 강성이 낮은 스프링을 여러 개 배치하여 사용하는 것이 보통이다.

도 1과 같은 예압 흡수 구조를 적용한 정압예압 방식의 주축에 있어서는 도 2와 같이 주축의 회전수가 증가하더라도 베어링에 일정한 예압이 걸린 상태를 유지하게 된다.

그러나 정위치 주축은 주축의 회전속도가 고속화될수록 베어링에 걸리는 예압이 크게 증가하므로 베어링의 소착이나 수명단축을 초래할 가능성이 커지게 되며, 그에 따라 고속회전이 필요한 주축구조에서는 정압예압 방식을 사용하는 것이 유리하게 된다.

일반적으로 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서 상기 전열 베어링(3a)은 전열 베어링 지지 캡에 의해 주축의 선단과 전열 하우징에 고정 설치되고, 후열 베어링은 후열 베어링 지지 캡에 의해 주축(2)의 후단과 후열 베어링 하우징에 고정 설치된다.

그리고 후열 베어링 하우징의 외경과 후열 하우징의 내경 사이에는 후열 베어링(3b)을 반경 방향으로 강성을 갖도록 지지하는 동시에 축 방향으로 자유로운 움직임이 가능하도록 지지하는 볼 가이드가 설치되며, 후열 하우징과 후열 베어링 하우징의 사이에는 예압 스프링(4)이 설치된다.

상기 정압예압 방식의 주축에서는 전열 베어링(3a)과 후열 베어링(3b)에 예압 스프링(4)의 힘이 작용함으로써 주축(2)이 반경 및 축 방향으로 강성을 유지하도록 지지된다.

상기와 같이 예압 스프링(4)을 이용하여 후열 베어링(3b)에 일정한 예압을 유지시켜주고 볼가이드를 통해 축방향의 자유로운 움직임이 가능하도록 한 정압예압 방식의 주축 조립체는 전열 베어링(3a)과 후열 베어링(3b)의 안전성을 확보해주는 장점이 있지만 주축(2) 전체가 안정적으로 작동하기 위해서는 해결해야 할 다음의 2가지의 문제점이 있다.

첫째, 복잡한 형상의 가공물을 가공하기 위해서는 주축(2)의 선단에 장착하는 공구를 다양하게 사용되게 되는데, 전체 가공시간을 줄이기 위해서는 신속한 공구 교환이 필수적이다.

보통의 공구 교환은 주축(2) 내부에 장착되는 드로바(2b)를 순간적인 힘으로 밀어내는 과정이 필요하게 되는데, 이 때 드로바(2b)가 선단 방향으로 밀림과 동시에 주축(2)도 큰 힘을 받게 되고 순간적인 움직임이 발생한다.

만약에 상기 순간적인 움직임을 잡아주는 장치가 설치되지 않았을 경우에는 전열 베어링(3a)의 내륜(31a)이 밀리면서 전열 베어링(3a)에 손상을 유발시키게 된다.

도 4에는 일반적인 머시닝 센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에서 공구교환 시 발생하는 힘의 전달경로를 나타낸 개략 단면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 일반적인 머시닝 센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에서는 주축(2)의 후단에 엔드 캡(41;End Cap)을 추가 설치하여 각 베어링(3a)(3b)으로 직접 힘이 전달되는 것을 막고, 이 힘을 스토퍼(42)를 통해 유압 실린더(43)로 전달하여 각 베어링(3a)(3b)에 손상이 가지 않도록 한다.

상기 일반적인 머시닝 센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에서 공구 교환을 위해 유압 실린더(43)가 드로바(2b)를 밀어내면 스토퍼(32)가 δ만큼 유압 실린더(43) 쪽으로 이동하여 엔드 캡(41)으로부터 힘을 전달받게 되는데, 이를 위해서는 유압 실린더(43)에 완충용 스프링(44)의 설치가 필요하게 된다.

그러나 상기 일반적인 머시닝 센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에서는 엔드 캡(41)이 마련된 주축(2) 후단의 무게가 증가하기 때문에 회전임계속도가 낮아지게 되어 고속회전을 하는 데에 있어 매우 불리한 조건으로 작용하게 된다.

또한 유압 실린더(43)를 후열 하우징(1b)에 완전히 고정하지 않고 완충용 스프링(44)을 사용하게 되면 진동이 발생하여 주축(2)에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

따라서 주축(2)의 고속회전을 위해서는 주축(2) 후단의 무게와 진동을 줄이면서 각 베어링(3a)(3b)에 과도한 힘이 전달되지 않도록 하는 장치가 필요하게 된다.

둘째, 도 5b와 같이 주축(2)이 그의 선단 방향으로 당겨지는 과도한 힘을 받게 될 경우 전열 베어링(3a)의 내륜(31a)이 당겨지면서 예압이 풀리게 되고, 그에 따라 각 베어링(3a)(3b)의 기능을 제대로 발휘할 수 없는 상태가 된다.

자세히 설명하면 도 5a와 같은 정상적인 상태에서는 전열 베어링(3a)과 후열 베어링(3a)은 각각 내륜(31a)(31b)과 외륜(32a)(32b) 사이의 볼(33a)(33b)이 예압을 받으면서 회전을 하게 되는데, 도 5b와 같이 전열 베어링(3a)의 내륜(31a)이 주축(2)의 선단 방향으로 당겨지게 되면 볼(33a)(33b)에 예압이 작용하지 않는 상태, 즉 볼(33a)(33b)이 언로딩(unloading) 상태가 되면서 과도한 진동이 발생함과 동시에 베어링의 주기능인 회전기능에 장애가 발생하게 된다.

그렇기 때문에 주축(2)이 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 백보링과 같은 가공을 수행할 때 초기 예압량 이상의 힘이 작용하게 되면 정상적인 가공이 불가능하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 공구를 교환할 때에 주축의 회전을 지지하는 전열 베어링과 후열 베어링에 순간적으로 강한 힘이 전달되는 것을 방지하여 각 베어링을 보호하면서 주축 후단의 무게와 진동을 감소시켜 고속회전이 가능하도록 하는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체를 제공하는 데에 있는 것이다.

아울러 본 발명은 그 다른 목적이 주축이 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생할 경우 임시적으로 정압예압 방식에서 정위치예압 방식으로 주축 지지 방식을 변환시켜 전열 베어링을 보호할 수 있도록 함은 물론 주축에 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 백보링 등의 가공작업을 원활하게 수행할 수 있도록 하는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체는 전열 베어링이 전열 베어링 지지 캡에 의해 주축의 선단과 전열 하우징에 고정 설치되고, 후열 베어링이 후열 베어링 지지 캡에 의해 주축의 후단과 후열 베어링 하우징에 고정 설치되며, 후열 하우징과 후열 베어링 하우징의 사이에 예압 스프링이 설치되는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서, 상기 전열 하우징의 내부에 스토퍼와 스페이서를 고정 설치하고, 주축의 선단부 외주에 상기 스토퍼와 대응되는 걸림단턱을 마련하여 공구 교환시 주축에 순간적으로 발생하는 힘을 전열 하우징으로 전달함으로써 전열 베어링을 보호할 수 있도록 구성한 것이다.

아울러 본 발명의 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체는 상기 후열 하우징의 내부 선단에 후열 베어링 하우징을 고정시킬 수 있도록 하는 후열 베어링 예압조절 실린더를 설치하여 백보링 등의 주축이 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 가공을 할 경우에 임시적으로 정압예압 방식에서 정위치예압 방식으로 전환시킬 수 있도록 구성한 것이다.

본 발명의 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서는 종래와 같이 주축의 후단에 중량물을 부가하고 이 중량물을 통해 힘을 전달하는 방식이 아닌 주축의 선단에 스토퍼와 스페이서를 마련하여 힘을 전달하는 방식을 사용함으로써 베어링에 순간적으로 높은 힘이 전달되는 것을 방지하여 베어링을 보호할 수 있게 되고, 주축 후단의 무게와 진동을 감소시켜 주축의 효과적인 고속회전이 가능하게 된다.

또한 본 발명의 머시닝 센터의 정압예압 방식의 주축 조립체은 후열 베어링 예압조절 실린더를 통해 백보링과 같은 주축이 주축의 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 가공을 할 경우에 임시적으로 후열 베어링 하우징과 후열 베어링의 위치를 고정해 줌으로써 전열 베어링에 예압이 풀리는 현상을 방지할 수 있게 되며, 그에 따라 전열 베어링을 보다 안전하게 보호하면서 백보링 작업 등을 보다 원활하게 수행할 수 있게 된다.

도 1은 주축 베어링의 정압 및 예압을 나타낸 상태도
도 2는 정압주축과 정위치주축의 주축 회전수에 따른 베어링 예압 변화 곡선
도 3은 일반적인 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체의 공구교환 시 발생하는 힘의 전달경로를 나타낸 개략 단면도
도 4a 및 도 4b는 주축 앞단에서 당기는 방향의 힘이 발생했을 때 베어링 작동 개념도
도 5는 본 발명의 한 실시예의 종단면도
도 6은 동 실시예의 예압 조절 실린더 설치 부위의 확대 단면도
도 7은 본 발명의 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체의 공구교환 시 발생하는 힘의 전달경로를 나타낸 개략 단면도

이하 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 기술 내용을 첨부도면에 의거하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 5에는 본 발명의 한 실시예의 종단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 동 실시예의 예압 조절 실린더 설치 부위의 확대 단면도가 도시되어 있다.

그리고 도 7에는 본 발명의 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체의 공구교환 시 발생하는 힘의 전달경로를 나타낸 개략 종단면도가 도시되어 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 한 실시예의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서 전열 베어링(3a)은 전열 베어링 지지 캡(5)에 의해 주축(2)의 선단과 전열 하우징(1a)에 고정 설치되고, 후열 베어링(3b)은 후열 베어링 지지 캡(6)에 의해 주축(2)의 후단과 후열 베어링 하우징(8)에 고정 설치된다.

그리고 후열 베어링 하우징(8)의 외경과 후열 하우징(1b)의 내경 사이에는 후열 베어링(3b)을 반경 방향으로 강성을 갖도록 지지하는 동시에 축 방향으로 자유로운 움직임이 가능하도록 지지하는 볼 가이드(7)가 설치되며, 후열 하우징(1b)과 후열 베어링 하우징(8)의 사이에는 예압 스프링(4)이 설치된다.

따라서 전열 베어링(3a)과 후열 베어링(3b)에 예압 스프링(4)의 힘이 작용함으로써 주축(2)이 반경 및 축 방향으로 강성을 유지하도록 지지된다.

한편 본 발명의 정압예압 방식의 주축 조립체는 도 5 및 도 7과 같이 전열 하우징(1a)의 내부에 스토퍼(11)와 스페이서(12)를 고정 설치하고, 주축(2)의 선단부 외주에 상기 스토퍼(11)와 대응되는 걸림단턱(20)을 마련하여 공구 교환시 주축(2)에 순간적으로 발생하는 힘을 전열 하우징(1a)으로 전달함으로써 전열 베어링(3a)을 보호할 수 있도록 구성한 것이다.

아울러 본 발명의 정압예압 방식의 주축 조립체는 도 5 및 도 6과 같이 후열 하우징(1b)의 내부 선단에 후열 베어링 하우징(8)을 고정시킬 수 있도록 하는 후열 베어링 예압조절 실린더(13)를 설치하여 백보링 등의 주축(2)이 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 가공을 할 경우에 임시적으로 정압예압 방식에서 정위치예압 방식으로 전환시킬 수 있도록 구성한 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서 공구 교환을 할 때 힘을 전달하는 과정은 일차적으로 주축(2) 내부의 드로바(2b)가 주축(2)의 선단 방향으로 밀리게 되고, 이를 통해 주축(2)이 순간적으로 선단 방향으로 밀리면서 걸림단턱(20)이 스토퍼(11)와 닿는 순으로 진행된다.

본 발명의 정압예압 방식의 주축 조립체는 고정된 전열 하우징(1a)에 스토퍼(11)와 스페이서(12)를 설치함으로써 주축(2)의 후단에 큰 질량의 엔드 캡을 설치했을 때보다 주축(2)이 고속회전에 유리하게 되며, 유압 실린더(43)를 후열 하우징(1b)에 견고하게 조립할 수 있기 때문에 주축(2)의 후단에서 진동이 발생하는 것을 줄여줄 수 있다.

본 발명의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서 스토퍼(11)를 전열 하우징(1a)에 조립할 때에 스페이서(12)의 두께를 조절하여 스토퍼(11)와 주축(2)의 사이에 약간의 틈새를 줌으로써 주축(2)이 회전운동을 할 때 스토퍼(11)에 의해 방해 받지 않도록 하여야 함은 물론이다.

한편 본 발명의 머시닝 센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서 백보링 등의 주축(2)이 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 가공을 할 경우에 후열 베어링 예압조절 실린더(13)에 유압을 인가하게 되면 후열 베어링(3b) 및 후열 하우징(1b)을 고정시켜 임시적으로 정압예압 방식에서 정위치예압 방식으로 전환시킬 수 있게 된다.

상기에서 일반적인 가공을 하기 할 때에는 후열 베어링 예압조절 실린더(13)의 유압을 반대방향으로 인가하게 되면 후열 베어링 예압조절 실린더(13)는 원위치로 복귀하게 되고, 예압 스프링(4)에 의해 후열 베어링(3b)은 일정한 예압이 유지되는 정압예압 방식으로 돌아가게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1a : 전열 하우징
1b : 후열 하우징
2 : 주축
2a : 내장형 모터
2b : 드로바
3a : 전열 베어링
3b : 후열 베어링
4 : 예압 스프링
5 : 전열 베어링 지지 캡
6 : 후열 베어링 지지 캡
7 : 볼 가이드
8 : 후열 베어링 하우징
11 : 스토퍼
12 : 스페이서
13 : 후열 베어링 예압 조절 실린더
20 : 걸림단턱

Claims

전열 베어링(3a)이 전열 베어링 지지 캡(5)에 의해 주축(2)의 선단과 전열 하우징(1a)에 고정 설치되고, 후열 베어링(3b)이 후열 베어링 지지 캡(6)에 의해 주축(2)의 후단과 후열 베어링 하우징(8)에 고정 설치되며, 후열 하우징(1b)과 후열 베어링 하우징(8)의 사이에 예압 스프링(4)이 설치되는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체에 있어서,
상기 전열 하우징(1a)의 내부에 스토퍼(11)와 스페이서(12)를 고정 설치하고, 주축(2)의 선단부 외주에 상기 스토퍼(11)와 대응되는 걸림단턱(20)을 마련하여 공구 교환시 주축(2)에 순간적으로 발생하는 힘을 전열 하우징(1a)으로 전달함으로써 전열 베어링(3a)을 보호할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체.
제1항에 있어서, 상기 후열 하우징(1b)의 내부 선단에 후열 베어링 하우징(8)을 고정시킬 수 있도록 하는 후열 베어링 예압조절 실린더(13)를 설치하여 주축(2)이 선단 방향으로 당겨지는 힘이 발생하는 가공을 할 경우에 임시적으로 정압예압 방식에서 정위치예압 방식으로 전환시킬 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 머시닝센터의 정압예압 방식의 주축 조립체.