KR101997083B1

KR101997083B1 - 극저온 냉매용 스핀들조립체

Info

Publication number: KR101997083B1
Application number: KR1020180005579A
Authority: KR
Inventors: 하종식; 안호상; 김대희
Original assignee: 한국정밀기계(주)
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-07-05

Abstract

본 발명은 극저온 냉매용 스핀들조립체에 관한 것으로, 상기 절삭공구에 회전력을 전달하는 스핀들과; 상기 스핀들의 내부에 삽입되는 중공의 드로우바와; 상기 드로우바의 내부에 삽입되며 극저온 냉매를 상기 공구홀더로 안내하는 냉매이동로가 형성된 드로우파이프와; 상기 스핀들의 일단에 결합되어 상기 냉매이동로로 극저온 냉매를 공급하는 냉매공급유로가 형성된 냉매공급부재와; 상기 드로우파이프가 수용된 상기 드로우바를 회전가능하게 지지하며 상기 냉매공급부재와 연결시키는 연결소켓과;상기 냉매공급부재의 외측에 결합되어 상기 드로우파이프와 상기 드로우바 사이의 이격공간으로 공기를 공급하는 공기공급로가 형성된 공기공급부재를 포함하며, 상기 드로우파이프의 외경은 상기 드로우바의 내경 보다 일정길이 작게 형성되고, 상기 공기공급부재에 의해 공급된 공기는 상기 드로우파이프와 상기 드로우바 사이의 이격공간에 공기층을 형성하여 상기 극저온 냉매의 냉기가 드로우바 외부로 전달되는 것을 차단할 수 있다.

Description

극저온 냉매용 스핀들조립체{SPINDLE ASSEMBLY FOR EXTREAM LOW TEMPERATURE}

본 발명은 극저온 냉매용 스핀들조립체에 관한 것으로, 보다 자세히는 극저온 냉매를 절삭공구까지 안전하게 공급함과 동시에 극저온 냉매의 냉기에 의한 주변부품의 변형을 최소화할 수 있는 극저온 냉매용 스핀들조립체에 관한 것이다.

공작기계의 주축에는 절삭가공시 공구와 공작물 사이의 마찰을 감소시키고, 공구와 공작물을 냉각하며, 칩 배출을 용이하게 하기 위해 냉매가 공급되어야 한다. 최근에는 극저온 가공에 사용되는 LN2(액화질소)를 냉매로 사용하고 있다.

여기서, 극저온 냉매의 공급형태는 주축의 외부로 공급하는 외부공급 형태와, 주축을 관통하여 공급하는 형태가 있다. 최근에는 공구 수명 향상과 가공표면 냉각을 위해 주축을 관통하는 형태(THROUGH SPINDLE)의 사용이 증가하고 있다.

종래 주축을 관통하여 저온 냉매를 공급하는 구조는 스핀들 내에 장착되며 내부에 냉매유로가 형성된 드로우바를 이용한다. 드로우바의 냉매유로로 저온냉매가 통과하여 스핀들에 결합된 공구를 향해 배출된다.

이때, 일반적인 상온의 냉매를 사용할 경우라면 스핀들에 영향을 주지 않지만, 일례로, 온도가 -196℃인 LN2와 같은 극저온 냉매가 사용되면 냉매유로와 드로우바 사이의 온도차에 의해 냉매유로와 드로우바의 열팽창(수축)이 일어나게 되며, 급격한 열팽창(수축)은 냉매유로 및 드로우바의 변형을 일으키게 되고, 수증기의 응축에 의한 부식, 주축과 베어링 변형에 의한 정밀도 저하 등의 문제를 야기할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 드로우바 주변으로 진공층을 형성하여 극저온 냉매의 저온이 외부로 전달되지 않도록 하는 방법이 사용되고 있으나, 스핀들과 함께 회전하는 드로우바 주변으로 진공층을 형성하기가 어려우며, 형성된 진공층이 가공완료시까지 유지되기 어려운 문제가 있어 극저온 냉매의 저온에 의한 주변기기의 열변형을 줄이는데는 한계가 있었다.

또한, 스핀들과 로터리조인트의 결합영역 사이의 틈으로 극저온 냉매가 누설되어 주변부품에 영향을 주는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 드로우바 내부를 이동하는 극저온 냉매의 저온이 외부로 영향을 미치는 것을 최소화할 수 있는 극저온 냉매용 스핀들조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 극저온 냉매가 흐르는 유로 주변을 단열시켜 극저온 냉매의 영향을 줄일 수 있는 극저온 냉매용 스핀들조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 극저온 냉매의 외부 누설을 방지하여 안전한 사용이 가능한 극저온 냉매용 스핀들조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명의 목적은 극저온 냉매를 공구홀더 내에 장착된 절삭공구로 전달하는 극저온 냉매용 스핀들조립체에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 극저온 냉매용 스핀들조립체는, 상기 절삭공구에 회전력을 전달하는 스핀들과; 상기 스핀들의 내부에 삽입되는 중공의 드로우바와; 상기 드로우바의 내부에 삽입되며 극저온 냉매를 상기 공구홀더로 안내하는 냉매이동로가 형성된 드로우파이프와; 상기 스핀들의 일단에 결합되어 상기 냉매이동로로 극저온 냉매를 공급하는 냉매공급유로가 형성된 냉매공급부재와; 상기 드로우파이프가 수용된 상기 드로우바를 회전가능하게 지지하며 상기 냉매공급부재와 연결시키는 연결소켓과;상기 냉매공급부재의 외측에 결합되어 상기 드로우파이프와 상기 드로우바 사이의 이격공간으로 공기를 공급하는 공기공급로가 형성된 공기공급부재를 포함하며, 상기 드로우파이프의 외경은 상기 드로우바의 내경 보다 일정길이 작게 형성되고, 상기 공기공급부재에 의해 공급된 공기는 상기 드로우파이프와 상기 드로우바 사이의 이격공간에 공기층을 형성하여 상기 극저온 냉매의 냉기가 드로우바 외부로 전달되는 것을 차단할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 드로우파이프와 상기 냉매공급부재의 결합영역과, 상기 드로우파이프와 상기 공구홀더의 결합영역에는 테프론재질로 형성된 커넥터가 각각 구비되며, 상기 커넥터와 상기 드로우파이프의 결합영역에는 상기 극저온 냉매의 누설을 방지하는 냉매실링부재가 구비될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 드로우바에는 공기를 상기 이격공간으로 유입시키는 공기유입공이 형성되고, 상기 연결소켓에는 상기 공기공급로와 상기 공기유입공을 서로 연결하는 공기연결로가 형성되고, 상기 공기연결로와 상기 공기유입공이 만나는 위치에는 공기의 외부누설을 방지하는 제1공기실링부재가 구비되고, 상기 드로우바와 상기 공구홀더가 결합되는 영역에는 상기 이격공간을 막아 공기의 외부누설을 방지하는 제2공기실링부재가 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체는 드로우바 내부에 드로우파이프를 중첩적으로 배치하여 극저온 냉매의 낮은 온도가 외부로 전달되는 것을 1차적으로 방지한다. 그리고, 드로우바와 드로우파이프 사이에 공기층을 형성하여 극저온 냉매의 낮은 온도가 외부로 전달되는 것을 2차로 방지한다.

그리고, 로터리조인트와 드로우파이프의 결합영역, 드로우파이프와 공기홀더의 결합영역에 실링부재를 복수로 배치하여 극저온 냉매의 외부누설을 방지하여 보다 안전한 작업공정이 진행될 수 있게 한다.

또한, 극저온 냉매의 유입 및 배출경로에는 테프론 재질의 커넥터를 배치하여 극저온 냉매의 저온이 주변 부품들로 전달되는 것을 차단한다.

이에 의해 주변부품의 수축, 팽창 및 파손을 방지할 수 있으며, 가공정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체의 단면구성을 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 극저온 냉매용 스핀들조립체의 극저온 냉매 유입부의 구조를 확대하여 도시한 확대단면도,
도 3은 도 1의 극저온 냉매용 스핀들조립체의 극저온 냉매 배출부의 구조를 확대하여 도시한 확대단면도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)의 단면구성을 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)는 일단부는 극저온 냉매공급부(미도시)와 연결되어 극저온 냉매를 공급받고, 타단부는 공구홀더(150)를 통해 절삭공구(미도시)와 결합된다. 이에 의해 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)는 절삭공구(미도시)가 회전할 수 있도록 회전력을 주고, 극저온 냉매공급부(미도시)로부터 공급받은 극저온 냉매를 절삭공구(미도시)로 전달한다.

본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)는 스핀들(110) 내부를 통해 극저온 냉매(L)가 절삭공구(미도시)로 공급되는 주축 관통 방식을 채용한다. 이 때, 스핀들(110) 내부의 드로우바(120)에 극저온 냉매의 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 드로우파이프(130)를 수용하여 종래 드로우바(120)만 사용하던 방식에 비해 극저온 냉매에 의한 주변 구성의 열변형(수축)을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)는 드로우바(120)와 드로우파이프(130) 사이의 이격공간(M)에 공기층을 형성하고, 공기층이 단열기능를 하여 스핀들(110) 주변 구성으로 저온이 전달되는 것을 줄여 극저온 냉매의 냉기에 의한 영향을 최소화하여 정밀한 가공이 가능하도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)는 스핀들(110)과, 스핀들(110)의 내부에 수용되는 드로우바(120)와, 드로우바(120)의 내부에 수용되어 극저온 냉매가 이동되는 드로우파이프(130)와, 스핀들(110)의 냉매유입구 측에 배치되어 극저온 냉매를 드로우파이프(130) 내부로 공급하는 냉매공급부재(140)와, 스핀들(110)의 냉매배출단 측에 배치되어 절삭공구(미도시)와 스핀들(110)을 연결하는 공구홀더(150)와, 냉매공급부재(140)를 감싸도록 배치되어 드로우바(120)와 드로우파이프(130) 사이의 이격공간(M)으로 공기를 공급하는 공기공급부재(160)와, 냉매공급부재(140)와 공기공급부재(160)를 드로우바(120)와 연결시키는 연결소켓(170)과, 드로우바(120)는 회전되고 연결소켓(170)은 고정되도록 드로우바(120)를 지지하는 로터리조인트(180)를 포함한다.

스핀들(110)은 스핀들모터(미도시)와 결합되어 스핀들모터(미도시)의 회전에 따라 회전하며, 스핀들(110)의 단부에 결합된 절삭공구(미도시)로 회전력을 전달한다. 절삭공구(미도시)는 공구홀더(150)에 결합된다.

스핀들(110)의 내부에는 드로우바(120)가 삽입되는 드로우바삽입공(111)이 길이방향을 따라 관통형성된다. 드로우바삽입공(111)에는 드로우바(120)가 삽입되고, 드로우바(120) 내부에는 드로우파이프(130)가 동심원상으로 배치된다. 드로우파이프(130) 내부에는 극저온 냉매(L)가 이동되는 냉매이동로(131)가 형성된다.

드로우바(120)는 중공관 형태로 형성되며, 일단은 도 1에 도시된 바와 같이 스핀들(110) 보다 길이가 길게 형성되어 로터리조인트(180)와 연결소켓(170)을 가로질러 냉매공급부재(140) 내부에 수용된다. 드로우바(120)의 타단은 공구홀더(150) 측으로 연장형성되어 극저온 냉매가 공구홀더(150) 측으로 배출되게 한다.

드로우바(120)는 냉매공급부재(140)에 수용되는 영역에 공기유입공(121)이 일정 크기로 관통형성된다.

본 발명의 극저온용 스핀들조립체(100)는 드로우바(120) 내부에 드로우파이프(130)를 중첩적으로 배치하고, 드로우파이프(130)를 통해 극저온 냉매(L)가 이동되도록 한다. 이렇게 드로우바(120)와 드로우파이프(130)를 이중으로 배치하는 것에 의해 극저온 냉매의 저온이 주변부품으로 전달되는 것을 1차적으로 차단할 수 있다.

드로우파이프(130)는 드로우바(120)의 내경보다 일정 길이 작은 외경을 갖도록 형성된다. 이에 의해 드로우바(120)와 드로우파이프(130) 사이에는 이격공간(M)이 형성된다.

드로우바(120)의 공기유입공(121)을 통해 공기공급부재(160)로부터 이격공간(M)으로 공기(A)가 공급되어 공기층이 형성되고, 공기층이 단열기능을 하여 극저온 냉매의 저온의 온도가 주변부품으로 전달되는 것을 2차적으로 차단한다.

이러한 2차에 걸친 극저온 냉매의 저온 전달 차단과정에 의해 주위 부품의 저온에 의한 제품 변형이 줄어들어 가공정밀도 영향을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

한편, 드로우파이프(130)의 냉매이동로(131)에는 냉매공급부재(140)와 연통되는 냉매유입구(133)와 공구홀더(150)가 냉매배출로(151)와 연통되는 냉매배출구(135)가 각각 형성된다.

도 2는 냉매유입구(133)의 구성을 확대하여 도시한 단면도이다. 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 드로우파이프(130)를 수용한 드로우바(120)와 로터리조인트(180) 사이에는 드로우바(120)를 회전가능하게 지지하는 드로우바회전용 베어링(113)이 구비된다. 드로우바회전용 베어링(113)은 로터리조인트(180)와 이에 결합된 연결소켓(170), 냉매공급부재(140) 및 공기공급부재(160)는 고정된 상태로 드로우바(120)만 회전되도록 지지한다.

드로우바회전용 베어링(113)의 하부에는 드로우바회전용 베어링(113)의 동작시 예압을 인가하기 위한 스프링(114)이 구비된다.

한편, 스핀들(110)과 로터리조인트(180)의 결합영역 외측에는 클램프동작부재(115)가 구비된다. 클램프동작부재(115)는 도면에 도시되지 않은 클램핌구동부(미도시)의 구동에 연동하여 스핀들(110)의 길이방향을 따라 전후로 이동하며 공구그립(153)과 공구홀더(150)가 절삭공구(미도시)와 클램핑 또는 언클램핑되도록 한다.

또한, 스핀들(110)과 공구홀더(150)의 결합영역의 외측에는 스핀들베어링(117)이 구비된다. 스핀들베어링(117)은 스핀들(110)을 감싸고 있는 스핀들하우징(미도시)은 위치가 고정되고 스핀들(110)만 회전되도록 스핀들(110)을 지지한다. 또한, 스핀들베어링(117)은 스핀들하우징(미도시) 내부에서의 스핀들(110)의 위치가 정렬되도록 한다.

냉매공급부재(140)는 드로우파이프(130)의 냉매유입구(133) 측에 구비되어 극저온 냉매를 냉매유입구(133)로 공급한다. 냉매공급부재(140)에는 냉매유입구(133)와 연통되게 형성된 냉매공급유로(141)가 형성된 제1테프론커넥터(142)가 수용된다. 제1테프론커넥터(142)는 테프론(PTPE)으로 형성되어 극저온 냉매의 낮은 온도가 주변 부품으로 영향을 미치지 않도록 한다.

테프론(PTFE)은 비점착성, 저마찰계수, 비유성, 내열성, 저온도 재구력, 내화확성을 갖는 재질이다. 테프론의 내열성은 205℃ 미만에서는 테프론의 분해가 불가능한 특성이다. 테프론의 저온도 내구력은 영하 270℃의 낮은 온도에서도 그 물리적 특성이 변치않고 유지되는 특성이다.

이러한 테프론의 고유특성에 의해 제1테프론커넥터(142)는 영하 196℃에 달하는 LN2(액화질소)와 같은 극저온 냉매를 이동시킬 때, 주변으로 극저온 냉매의 낮은 온도를 전달하지 않으면서 안전하게 이동시킬 수 있게 된다.

제1테프론커넥터(142)에는 드로우파이프(130)가 삽입되는 드로우파이프삽입관(145)과, 드로우바(120)가 삽입되는 드로우바삽입홈(145a)이 각각 형성된다. 드로우파이프(130)의 단부는 드로우파이프삽입관(145)에 끼워지고, 드로우바(120)의 단부는 드로우바삽입홈(145a)에 끼워진다. 그리고, 드로우파이프(130)의 냉매이동로(131)와 제1테프론커넥터(142)의 냉매공급유로(141)는 서로 직선상으로 연통된다.

냉매공급유로(141)의 단부에는 냉매공급포트(141a)가 관통형성된다. 냉매공급포트(141a)는 냉매공급호스(미도시)와 연결되어 극저온 냉매를 고압으로 공급받는다.

드로우바삽입홈(145a)에 삽입된 드로우바(120)의 단부와 드로우파이프삽입관(145)에 삽입된 드로우파이프(130) 사이에는 제1냉매실링부재(143)가 구비된다. 제1냉매실링부재(143)는 드로우바(120)와 드로우파이프(130) 사이의 이격간격을 밀봉한다. 제1냉매실링부재(143)에 의해 냉매공급유로(141)를 통해 냉매이동로(131)로 이동되는 극저온 냉매가 이격공간(M)으로 유입되는 것이 차단된다.

공기공급부재(160)는 냉매공급부재(140)의 외부를 감싸게 구비되어 드로우바(120)와 드로우파이프(130)의 이격공간(M)으로 공기(A)를 공급한다. 공기공급부재(160)에는 공기공급로(161)가 관통형성된다. 공기공급로(161)는 연결소켓(170)의 공기연결로(171)와 연결되고, 공기연결로(171)는 드로우바(120)의 공기유입공(121)과 연통된다.

공기공급부재(160)의 공기공급로(161)의 단부에는 공기공급호스(미도시)가 결합되어 압축된 공기(A)를 연속하여 공급받는다.

연결소켓(170)은 로터리조인트(180)와 냉매공급부재(140) 사이에 구비되어 드로우바(120)가 냉매공급부재(140) 내부로 삽입될 수 있도록 지지한다. 또한, 연결소켓(170)은 공기공급부재(160)로부터 공급받은 공기를 드로우바(120)로 공급한다.

도 2에 도시된 바와 같이 연결소켓(170)에는 공기연결로(171)가 구비되고, 공기연결로(171)는 드로우바(120)의 공기유입공(121)과 연통된다. 이 때, 공기연결로(171)와 공기유입공(121) 사이에는 제1공기실링부재(144)가 구비된다.

제1공기실링부재(144)는 공기유입공(121)으로 유입되는 공기가 외부로 누설되는 것을 차단하고, 동시에 드로우파이프(130)로부터 누설된 극저온 냉매가 외부로 누설되는 것을 차단한다.

로터리조인트(180)는 연결소켓(170)과 스핀들(110) 사이에 구비되어 스핀들(110)과 함께 드로우바(120)와 드로우파이프(130)가 회전되도록 지지한다. 로터리조인트(180)의 위치는 고정되고, 내부에 구비된 드로우바회전용 베어링(113)에 의해 드로우바(120)가 회전되도록 한다.

도 3은 드로우파이프(130)의 냉매배출구(135) 측 구조를 확대하여 도시한 확대단면도이다. 도 1과 도 3에 도시된 바와 같이 스핀들(110)과 드로우바(120) 단부 사이에는 공구그립(153)이 배치되고, 공구그립(153)의 외부로 공구홀더(150)가 구비된다. 도면에 도시되지 않았으나 공구홀더(150)에는 절삭공구(미도시)가 결합된다.

공구홀더(150) 내부에는 냉매배출로(151)가 형성된다. 드로우파이프(130)의 냉매배출구(135)와 냉매배출로(151) 사이에는 극저온 냉매(L)의 저온이 공구그립(153)에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 제2테프론커넥터(147)와 제3테프론커넥터(149)가 직선상으로 배치된다. 제2테프론커넥터(147)는 드로우파이프(130)의 단부를 감싸도록 배치되고, 제3테프론커넥터(149)는 제2테프론커넥터(147)의 단부를 감싸도록 배치된다.

앞서 설명한 바와 같이 테프론재질은 극저온에서도 재질 특성이 유지되고 내열성과 비유성, 비점착성을 가지므로 극저온 냉매를 안전하게 공구홀더(150)로 이동시킨다.

여기서, 드로우파이프(130)의 냉매배출구(135) 측 외주면에는 제2공기실링부재(146)가 구비된다. 제2공기실링부재(146)는 드로우파이프(130) 외주면과 드로우바(120) 사이에 결합되어 이격공간(M)에 수용된 공기의 외부 누설을 방지하고, 극저온 냉매의 외부 누설을 방지한다.

또한, 제3테프론커넥터(149)와 공구그립(153)의 결합영역에는 제2냉매실링부재(148)가 구비된다. 제2냉매실링부재(148)는 제3테프론커넥터(149)를 통해 이동되는 극저온 냉매의 외부 누설을 방지한다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)의 냉매 이동과정을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

작업자는 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)의 사용을 위해 냉매공급포트(141a)에 냉매공급호스(미도시)가 연결되고, 공기공급부재(160)의 공기공급로(161)에는 공기공급호스(미도시)가 연결된다.

도 2에 도시된 바와 같이 공기공급호스(미도시)를 통해 공기공급로(161)로 공기(A)가 공급되면, 공기는 연결소켓(170)의 공기연결로(171)를 따라 이동된 후, 제1공기실링부재(144)의 공기구멍(144a)를 통해 드로우바(120)의 공기유입공(121)으로 유입된다.

드로우바(120)의 공기유입공(121)으로 유입된 공기(A)는 드로우바(120)와 드로우파이프(130) 사이의 이격공간(M)으로 유입되고, 드로우바(120)의 길이방향을 따라 이격공간(M)에 공기층을 형성한다. 공기층은 드로우파이프(130) 외부를 감싸 단열층을 형성한다.

한편, 냉매공급포트(141a)를 통해 유입된 극저온 냉매(L)는 제1테프론커넥터(142)의 냉매공급유로(141)를 따라 이동된 후, 드로우파이프(130)의 냉매유입구(133)로 유입된다. 이렇게 드로우파이프(130)로 유입된 극저온 냉매(L)는 냉매이동로(131)를 따라 이동된다.

이 때, 극저온 냉매는 테프론 재질의 제1테프론커넥터(142)를 따라 이동되므로 냉매공급부재(140)와 이를 둘러싼 공기공급부재(160)에 저온 영향을 미치지 않게 된다. 또한, 제1냉매실링부재(143)와 제1공기실링부재(144)의 이중 실링과정에 의해 저온냉매의 외부 누설이 차단된다. 이렇게 외부 누설이 차단되므로 스핀들모터(미도시)가 구동되고 스핀들(110)과 함께 드로우바(120)와 드로우파이프(130)가 회전할 때 로터리조인트(180) 내부에서 누설없이 안정적으로 회전구동될 수 있다.

한편, 드로우파이프(130)의 냉매이동로(131)를 따라 이동된 극저온 냉매(L)는 냉매배출구(135)까지 이동된다. 종래 주축관통 스핀들은 스핀들의 내부의 드로우바(120)를 따라 극저온 냉매가 바로 이동되나, 본 발명의 극저온 냉매용 스핀들조립체(100)는 스핀들 내부에 드로우바(120)가 구비되고, 드로우바(120) 내부에 드로우파이프(130)가 수용되고, 드로우파이프(130)를 따라 극저온 냉매(L)가 이동되는 구조를 채용한다. 또한, 드로우파이프(130)와 드로우바(120) 사이에 공기층이 형성된다.

이에 따라 드로우파이프(130)에 의해 극저온 냉매의 저온이 외부로 전달되는 것이 1차로 차단되고, 공기층에 의한 단열기능에 의해 저온이 외부로 전달되는 것이 2차로 차단된다. 이에 따라 드로우바(120)와 스핀들(110)의 열팽창 및 수축이 이루어지지 않게 되고, 주변 부품의 변형도 줄어들게 된다.

드로우파이프(130)의 냉매배출구(135)를 통해 극저온 냉매(L)는 제2테프론커넥터(147)와 제3테프론커넥터(149)를 순차적으로 거쳐 공구홀더(150)의 냉매배출로(151)로 이동되고, 절삭공구(미도시)로 공급된다.

이 때도 제2테프론커넥터(147)와 제2테프론커넥터(147)에 의해 극저온 냉매(L)의 저온이 공구그립(153)과 공구홀더(150)로 전달되는 것이 줄어들게 된다. 이에 의해 공구그립(153)과 공구홀더(150)의 변형과 파손이 줄어들어 가공정밀도를 유지할 수 있게 된다.

절삭 공정이 진행되는 동안에는 공기공급로(161)를 통해 강제로 공기가 연속하여 주입된다. 이격공간(M)으로 공급된 공기는 도면에 도시되지 않았으나, 스핀들(110)의 앞쪽에서 배출된다. 공구홀더(150)와 연결되는 방향에서는 제2공기실링부재(146)에 의해 공기의 외부 배출이 방지되고, 스핀들(110)의 앞쪽에서 공기가 외부로 배출된다.

작업자는 절삭 공정 동안 스핀들(110)의 앞쪽에서 공기가 배출되는 소리를 듣게 된다. 종래 진공층을 형성하여 단열층을 형성할 때 진공압이 형성되는지를 작업자가 인지하지 못하여 진공압이 누설되는 상태로 공정이 진행된 반면, 본 발명에서는 공기가 배출되는 소리를 작업자가 들을 수 있으므로 공기층의 형성을 작업자가 항상 인지할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 극저온 냉매용 스핀들조립체는 드로우바 내부에 드로우파이프를 중첩적으로 배치하여 극저온 냉매의 낮은 온도가 외부로 전달되는 것을 1차적으로 방지한다. 그리고, 드로우바와 드로우파이프 사이에 공기층을 형성하여 극저온 냉매의 낮은 온도가 외부로 전달되는 것을 2차로 방지한다.

한편, 제1냉매실링부재(143) 및 제2냉매실링부재(148)은 고무 재질로 이루어질 수 있고, 고무 재질의 제1냉매실링부재(143) 및 제2냉매실링부재(148)는 원료 함량비가 고무 60중량%, 카아본블랙 33~36중량%, 산화방지제 2~5중량%, 촉진제인 유황 1~3중량%를 혼합하여서 이루어진다.

카아본블랙은 내마모성을 증대시키는 것이므로 이를 첨가하되, 함유량이 33중량% 미만이면, 탄성과 내마모성이 줄어들며, 36중량%가 초과 되면 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 33~36중량%를 혼합한다.

산화방지제는 3C (N-PHENYL-N'-ISOPROPYL- P-PHENYLENEDIAMINE) 또는 RD(POLYMERIZED 2,2,4-TRIMETHYL-1,2- DIHYDROQUINOLINE)을 선택하여 2~5중량%를 첨가하는 것으로, 2중량% 미만이면, 제품이 산화가 되기 쉽고, 너무 많이 첨가하여 5중량%를 초과하면, 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 또한 산화방지제의 가격이 비싸기 때문에 2~5중량%가 적정하다.

촉진제인 유황은 1~3중량%를 혼합한다. 1 중량% 미만은 성형시 가열공정에서 가황작용 효과가 미미하므로, 1 중량% 이상을 첨가한다. 3중량%를 초과하면, 주 성분인 고무의 함량이 상대적으로 적게 되어 탄성력이 떨어질 우려가 있으므로, 1 ~ 3중량%가 적정하다.

따라서 본 발명은 여러 방향에 탄성을 갖는 합성고무로 보강되므로 제1냉매실링부재(143) 및 제2냉매실링부재(148)의 탄성, 인성 및 강성이 증대되므로 내구성이 향상되며, 이에 따라 제1냉매실링부재(143) 및 제2냉매실링부재(148)의 수명이 증대된다.

또한, 드로우파이프(130)에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 효과적으로 달성할 수 있도록 오염 방지도포용 조성물이 도포된 오염방지도포층이 형성될 수 있다.

상기 오염 방지 도포용 조성물은 알카놀아마이드 및 암포프로피오네이트가1:0.01 ~ 1:2 몰비로 포함되어 있고, 알카놀아마이드 및 암포프로피오네이트의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~10 중량%이다.

상기 알카놀아마이드 및 암포프로피오네이트는 몰비로서 1:0.01 ~ 1:2가 바람직한 바, 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 기재의 도포성이 저하되거나 도포후 표면의 수분흡착이 증가하여 도포막이 제거되는 문제점이 있다.

상기 알카놀아마이드 및 암포프로피오네이트는 전제 조성물 수용액중 1 ~ 10 중량%가 바람직한 바, 1 중량% 미만이면 기재의 도포성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 도포막 두께의 증가로 인한 결정석출이 발생하기쉽다.

한편, 본 오염 방지 도포용 조성물을 기재 상에 도포하는 방법으로는 스프레이법에 의해 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기재 상의 최종 도포막 두께는 500 ~ 2000Å이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1000~2000Å이다. 상기 도포막의 두께가 500 Å미만이면 고온 열처리의 경우에 열화되는 문제점이 있고, 2000 Å을 초과하면 도포 표면의 결정석출이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

또한, 본 오염 방지 도포용 조성물은 알카놀아마이드 0.1 몰 및 암포프로피오네이트 0.05몰을 증류수 1000 ㎖에 첨가한 다음 교반하여 제조될 수 있다.

그리고, 스핀들(110)에는, 금속표면의 부식현상을 방지하기 위해 부식방지도포층이 도포될 수 있으며, 이 부식방지도포층은, 토일트리아졸 20중량%, 벤즈이미다졸 15중량%, 트리옥틸아민 10중량%, 하프늄 15중량%, 산화알루미늄40중량%로 구성되며, 코팅두께는 8㎛로 구성된다.

토일트리아졸, 벤즈이미자졸 및 트리옥틸아민은 부식방지 및 변색방지 등의 역할을 한다.

하프늄은 내부식성이 있는 전이 금속원소로 뛰어난 방수성, 내식성 등을 갖도록 역할을 한다.

산화알루미늄은 내화도 및 화학적 안정성 등을 목적으로 첨가된다.

상기 구성 성분의 비율 및 코팅두께를 상기와 같이 수치한정한 이유는, 본 발명자가 수차례시험결과를 통해 분석한 결과, 상기 비율에서 최적의 부식방지 효과를 나타내었다.

이상에서 설명된 본 발명의 극저온 냉매용 스핀들조립체의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 극저온용 스핀들조립체 110 : 스핀들
111 : 드로우바삽입공 113 : 드로우바회전용 베어링
114 : 스프링 115 : 클램프동작부재
117 : 스핀들베어링 120 : 드로우바
121 : 공기유입공 130 : 드로우파이프
131 : 냉매이동로 133 : 냉매유입구
135 : 냉매배출구 140 : 냉매공급부재
141 : 냉매공급유로 141a : 냉매공급포트
142 : 제1테프론커넥터 143 : 제1냉매실링부재
144 : 제1공기실링부재 144a : 공기구멍
145 : 드로우파이프삽입관 145a : 드로우바삽입홈
146 : 제2공기실링부재 147 : 제2테프론커넥터
148 : 제2냉매실링부재 149 : 제3테프론커넥터
150 : 공구홀더 151 : 냉매배출로
153 : 공구그립 160 : 공기공급부재
161 : 공기공급로 170 : 연결소켓
171 : 공기연결로 180 : 로터리조인트
A : 공기 L : 극저온 냉매
M : 이격공간

Claims

극저온 냉매를 공구홀더 내에 장착된 절삭공구로 전달하는 극저온 냉매용 스핀들조립체에 있어서,
상기 절삭공구에 회전력을 전달하는 스핀들(110)과;
상기 스핀들(110)의 내부에 삽입되는 중공의 드로우바(120)와;
상기 드로우바(120)의 내부에 삽입되며 극저온 냉매를 상기 공구홀더(150)로 안내하는 냉매이동로(131)가 형성된 드로우파이프(130)와;
상기 스핀들(110)의 일단에 결합되어 상기 냉매이동로(131)로 극저온 냉매를 공급하는 냉매공급유로(141)가 형성된 냉매공급부재(140)와;
상기 드로우파이프(130)가 수용된 상기 드로우바(120)를 회전가능하게 지지하며 상기 냉매공급부재(140)와 연결시키는 연결소켓(170)과;
상기 냉매공급부재(140)의 외측에 결합되어 상기 드로우파이프(130)와 상기 드로우바(120) 사이의 이격공간(M)으로 공기를 공급하는 공기공급로(161)가 형성된 공기공급부재(160)를 포함하며,
상기 드로우파이프(130)의 외경은 상기 드로우바(120)의 내경 보다 일정길이 작게 형성되고,
상기 공기공급부재(160)에 의해 공급된 공기는 상기 드로우파이프(130)와 상기 드로우바(120) 사이의 이격공간(M)에 공기층을 형성하여 상기 극저온 냉매의 냉기가 드로우바(120) 외부로 전달되는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매용 스핀들조립체.
제1항에 있어서,
상기 드로우파이프(130)와 상기 냉매공급부재(140)의 결합영역과, 상기 드로우파이프(130)와 상기 공구홀더(150)의 결합영역에는 테프론재질로 형성된 커넥터(142,147,149)가 각각 구비되며,
상기 커넥터(142,147,149)와 상기 드로우파이프(130)의 결합영역에는 상기 극저온 냉매의 누설을 방지하는 냉매실링부재(143,148)가 구비되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매용 스핀들조립체.
제2항에 있어서,
상기 드로우바(120)에는 공기를 상기 이격공간(M)으로 유입시키는 공기유입공(121)이 형성되고,
상기 연결소켓(170)에는 상기 공기공급로(161)와 상기 공기유입공(121)을 서로 연결하는공기연결로(171)가 형성되고,
상기 공기연결로(171)와 상기 공기유입공(121)이 만나는 위치에는 공기의 외부누설을 방지하는 제1공기실링부재(144)가 구비되고,
상기 드로우바(120)와 상기 공구홀더(150)가 결합되는 영역에는 상기 이격공간(M)을 막아 공기의 외부누설을 방지하는 제2공기실링부재(146)가 구비되는 것을 특징으로 하는 극저온 냉매용 스핀들조립체.