KR102036768B1 - 기계가공 프로세스를 위한 회전 속도를 증가시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

기계가공 프로세스를 위한 회전 속도를 증가시키기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓에 조립되도록 구성된 스핀들 조립체에 있어서, 상기 툴 홀더 내에서 회전하기 위해 구성된 회전 샤프트; 전방 단부 베어링 조립체와 후방 단부 베어링 조립체를 포함하며, 상기 회전 샤프트를 상기 툴 홀더 내에 지지하고, 상기 툴 홀더 내에서 샤프트의 고속 회전을 가능하게 하기 위해 구성된 베어링 조립체; 상기 회전 샤프트에 작동 가능하게 연결되어 있으며, 상기 회전 샤프트를 회전시키도록 구성된 터빈; 및 상기 터빈을 구동하기 위해 고압 냉각 유체가 상기 툴 홀더로부터 흐를 수 있게 하도록 구성된 복수의 통로를 포함하며, 상기 베어링 조립체 중 하나 이상의 베어링은, 상기 툴 홀더의 테이퍼 소켓과 전방 클램핑 너트에 의해 정의된 공간에 위치되도록 구성된 상기 스핀들 조립체의 부분에 배치되어 있는, 스핀들 조립체를 제공한다.

Description

기계가공 프로세스를 위한 회전 속도를 증가시키기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR ROTATIONAL SPEED INCREASING FOR MACHINING PROCESS}
본 발명은 기계가공 프로세스를 위한 회전 속도를 증가시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
스핀들은 선반, 밀링기계, 천공기 등과 같은 기계가공 장치의 증가된 생산 및 향상된 전체 효율을 제공한다. 그러나, 공지된 스핀들은 매우 복잡하고, 자주 진전된 베어링 조립체 및 모터와 같은 매우 비싼 컴포넌트로부터 구성될 수 있다. 따라서, 스핀들은 매우 비싼 경향이 있고, 그것은 매우 높은 생산량 및 높은 절단 품질에만 그 사용을 제한한다.
다른 해결 방안은 스핀들 스피더(speeder)(스핀들 속도 증가기 또는 배가기라고도 지칭됨)이다. 이들 장치들은 기계가공 장치에 조립되고 기계가공 장치의 메인 스핀들과 함께 회전할 수 있다. 따라서, 조립체의 전체 회전 속도는 스핀들 스피더의 회전 속도와 기계가공 장치의 메인 스핀들의 회전 속도의 대수적 합일 수 있다.
또한, 많은 스핀들 스피더는 기계가공 장치에 대한 공기압, 수압 또는 전기와 같은 외부 파워 공급을 필요로 한다. 통상적으로, 이들 외부 파워 공급은 이전의 저비용의 기계가공 장치에서는 이용할 수 없다. 따라서, 이들 기계가공 장치에 의한 많은 스핀들 스피더의 사용은 비실제적이다. 이러한 사실은 이들 해결 방안을 위한 시장 규모를 지극히 감소시킨다.
그러나, 모든 규모의 공작소에서 볼 수 있는 것을 포함하여 많은 기계가공 장치는, 메인 스핀들을 통해 가압 냉각 유체를 공급하기 위한 시스템을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따라, 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓에 조립되도록 구성된 스핀들 조립체에 있어서, 상기 조립체의 툴 클램핑 시스템에 인접한 전방 단부, 상기 툴 클램핑 시스템에 대해 반대쪽인 상기 조립체의 단부에 인접한 후방 단부를 가진 스핀들 조립체가 제공되었다. 상기 조립체는, 상기 툴 홀더 내에서 회전하기 위해 구성된 회전 샤프트, 전방 단부 베어링 조립체와 후방 단부 베어링 조립체를 포함하며, 상기 회전 샤프트를 상기 툴 홀더 내에 반경 방향 및 축 방향으로 지지하고, 상기 툴 홀더 내에서 샤프트의 고속 회전을 가능하게 하기 위해 구성된 베어링 조립체, 상기 회전 샤프트에 작동 가능하게 연결되어 있으며, 상기 회전 샤프트를 회전시키도록 구성된 터빈, 및 상기 터빈을 구동하기 위해 고압 냉각 유체가 상기 툴 홀더로부터 흐를 수 있게 하도록 구성된 복수의 통로를 포함하며, 상기 베어링 조립체 중 하나 이상의 베어링은, 상기 툴 홀더의 테이퍼 소켓과 전방 클램핑 너트에 의해 정의된 공간에 위치되도록 구성된 상기 스핀들 조립체의 부분에 배치되어 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 스핀들 조립체는, 상기 스핀들 조립체의 컴포넌트들을 기계적으로 지지하기 위한 중공 하우징을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 중공 하우징은 콜릿을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 복수의 통로는 적어도 부분적으로 상기 하우징의 외면과 상기 툴 홀더의 상기 테이퍼 소켓의 내면에 의해 정의될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 복수의 통로는 또한, 상기 베어링을 냉각 및 윤활시키기 위해, 냉각 유체 중 적어도 일부가 상기 베어링 조립체를 통해 흐를 수 있게 하기 위해 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 복수의 통로는 냉각제 배출부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 냉각제 배출부는, 냉각 유체가 상기 스핀들 조립체에 장착된 툴의 작용점을 향해 흐를 수 있게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 냉각제 배출부는, 상기 스핀들 조립체의 전방 단부에 위치되어 있고, 개구, 제트 및 스프링클러로 구성된 그룹으로부터 선택된 수단을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 복수의 통로는 상기 회전 샤프트를 통한 중공 터널을 포함하며, 상기 중공 터널은, 냉각제의 일부가 고압으로, 상기 스핀들 조립체에 장착된 툴의 중앙 보어를 향해 흐르게 할 수 있도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 스핀들 조립체의 후방 단부는, 상기 회전 샤프트의 중공 터널을 통해 흐르는 냉각 유체의 누수를 실질적으로 방지하기 위한 동적 밀봉 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 동적 밀봉 시스템은 상기 동적 밀봉 시스템을 통한 냉각 유체의 누수를 가능하게 할 수 있으며, 상기 복수의 통로는, 누수 냉각 유체가 상기 후방 단부 베어링 조립체와 상기 전방 단부 베어링 조립체로 흘러, 상기 후방 단부 베어링 조립체와 상기 전방 단부 베어링 조립체에 윤활 및 냉각을 제공하도록 구성된 통로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 전방 단부 베어링 조립체와 상기 후방 단부 베어링 조립체는, 배면 맞댐, 상호 대면, 및 일렬 배열의 그룹으로부터 선택된 구성으로 장착될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 베어링 조립체 각각은 하나 이상의 스프링을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 터빈은, 상기 후방 단부 베어링 조립체 뒤, 상기 후방 단부 베어링 조립체와 상기 전방 단부 베어링 조립체 사이, 상기 전방 단부 베어링 조립체 앞으로 구성된 그룹으로부터 선택된 위치에 위치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 베어링 조립체는, 스프링에 의해 인가된 예비하중 압력에 의해 예비하중을 받을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 전방 단부 베어링 조립체와 상기 후방 단부 베어링 조립체는 서로 인접하여 위치될 수 있고, 상기 예비하중은 이러한 위치설정에 의해 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 터빈은, 축 방향 임펄스 터빈, 반경 방향 임펄프 터빈, 반작용 터빈으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 냉각제는 물 또는 오일의 에멀전(emulsion)일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 스핀들 조립체는 툴 클램핑 시스템을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 스핀들 조립체는 회전자 유지를 위한 준비 시스템을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 조립체는, 샤프트의 회전 속도를 측정하기 위한 홀 센서를 포함하는 속도 측정 시스템과 같은 회전 속도 측정 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명으로 간주되는 주제는 본 명세서의 결론부에서 구체적으로 지적되고 명백히 청구된다. 그러나, 본 발명은, 조직 및 작동 방법에 관해, 그 목적, 특징, 및 이점과 함께, 첨부 도면에 근거하여 판독할 때, 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 양호하게 이해될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 스핀들 시스템의 개략도이다.
도 1b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 1a의 예시적 스핀들 시스템의 단면도이다.
도 1c는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 1a의 예시적 스핀들 시스템의 확대 단면도이다.
도 1d는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 1c의 단면도의 하부 부분의 확대도이다.
도 2a는, 본 발명의 실시예에 따른, 표준 콜릿(collet)을 가진 예시적 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 2b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 2a의 예시적 스핀들 조립체의 확대 단면도이다.
도 2c는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 2a의 예시적 스핀들 조립체의 3D 도면이다.
도 3a는, 본 발명의 실시예에 따른, 예시적 중간 터빈 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 3b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 3a의 예시적 스핀들 조립체의 부분 단면도이다.
도 4a는, 본 발명의 실시예에 따른, 예시적 후방 터빈 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 4b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 4a의 예시적 스핀들 조립체의 도면이다.
도 5는, 본 발명의 실시예에 따른, 다른 예시적 후방 터빈 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 6a는, 본 발명의 실시예에 따른, 후방 반작용 터빈(640)을 가진 예시적 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 6b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 6a의 예시적 스핀들 조립체의 부분 단면도이다.
도 7a는, 본 발명의 실시예에 따른, 전방 반작용 터빈을 가진 예시적 스핀들 조립체의 길이 방향 단면도이다.
도 7b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 7a의 예시적 스핀들 조립체의 3D 도면이다.
도 7c는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 7a의 예시적 스핀들 조립체의 부분 단면도이다.
도 7d는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 7a의 예시적 스핀들 조립체의 횡 방향 단면도이다.
도 8a는, 본 발명의 실시예에 따른, 예시적 프레임 없는 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 8b는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 8a의 예시적 스핀들 조립체의 도면이다.
도 8c는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 8a의 예시적 스핀들 조립체의 부분 단면도이다.
도 9a는, 본 발명의 실시예에 따른, 예시적 회전자 베이스 스핀들 조립체의 수평 단면도이다.
도 9b는, 본 발명의 실시예에 따른, 예시적 샤프트의 도면이다.
도 9c는, 본 발명의 실시예에 따른, 다른 예시적 샤프트의 도면이다.
도 9d는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 9a의 예시적 스핀들 조립체의 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 실시예에 따른, 예시적 이중 베어링 스핀들 조립체의 수평 단면도이다.
도 11은, 본 발명의 실시예에 따른, 다른 예시적 이중 베어링 스핀들 조립체의 수평 단면도이다.
도시의 단순성 및 명확성을 위해 도면에 도시된 부재는 반드시 축적도에 따라 도시되지는 않았다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 몇몇 부재의 크기는 명확성을 위해 다른 부재에 비하여 과장될 수 있다 또한, 적절하다고 생각되는 경우에는, 도면 부호는 대응하는 또는 유사한 부재를 표시하기 위해 도면들 중에서 반복될 수 있다.
다음의 상세설명에서, 여러 가지 특정 상세사항은 본 발명의 완전한 이해를 위해 설정된다. 그러나, 당업자는, 본 발명이 이들 특정 상세사항 없이 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예에서, 공지된 방법, 절차 및 컴포넌트는 본 발명을 모호하게 하지 않기 위해 설명되지 않았다.
본 발명의 실시예는 이러한 점에서 제한되지 않지만, 여기에 사용된 용어 "복수"는 예를 들면 "다중" 또는 "2개 이상"을 포함할 수 있다. 용어 "복수"는 명세서를 통해 2개 이상의 컴포넌트, 장치, 부재, 유닛, 변수 등을 설명하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 조립체는 기계가공 장치의 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓에 조립되도록 구성될 수 있다. 스핀들 조립체는 스핀들 조립체의 길이 방향 크기를 따라 제1 부분과 제2 부분으로 분할될 수 있다. 스핀들 조립체는, 스핀들 조립체가 툴 홀더에 장착될 때, 스핀들 조립체의 제1 부분이, 툴 홀더의 테이퍼 소켓과 전방 클램핑 너트에 의해 정의되는 공간에 배치될 수 있도록, 디자인된다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 조립체의 길이 방향 크기의 반 이상이, 스핀들 조립체가 툴 홀더에 장착될 때, 툴 홀더의 테이퍼 소켓과 전방 클램핑 너트에 의해 정의되는 공간 내에 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 조립체의 제1 부분은 적어도 스핀들의 후방 단부 베어링을 포함한다.
본 출원에 걸쳐, 용어 "메인 스핀들"은 기계가공 장치에 일체인 스핀들을 지칭할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 조립체의 메인 컴포넌트는 지지 구조물, 툴 홀더 내에서 회전축(R) 주위의 회전을 위해 구성되는 회전 샤프트, 회전 샤프트를 툴 홀더 내에 반경 방향 및 축 방향으로 지지하고 샤프트의 고속 회전을 가능하게 하도록 구성되는 베어링 조립체, 및 회전 샤프트와 작동 가능하게 연결되는 터빈일 수 있다. 터빈은, 툴 홀더를 통해 기계가공 장치에 의해 공급되는 고압 냉각 유체와 같은 유체의 흐름에 따라 회전 샤프트를 회전시키도록 구성될 수 있다. 스핀들 조립체는, 터빈을 구동시키기 위해 스핀들 조립체를 통해 고압 냉각 유체가 툴 홀더로부터 흐를 수 있게 하도록 구성되는 복수의 통로를 더 포함할 수 있다. 스핀들의 하나 이상의 베어링 예를 들면 후방 단부 베어링 조립체는, 툴 홀더의 소켓 및 전방 클램핑 유닛에 의해 정의되는 공간인 원추형 공동 내에 위치된다. 원추 형상을 가지는 툴 홀더의 소켓은 테이퍼질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 스핀들은, 0.2 Nm의 모우먼트에 의해 예를 들면 40 Krpm의 회전 속도에 도달할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 스핀들은 높거나 낮은 회전 속도 및 다른 크기의 모우먼트에 도달할 수 있다. 본 발명의 몇 가지 실시예에 따른 스핀들과 함께 작동할 때, 기계가공 장치의 메인 스핀들은 회전하지 않는 것에 유의하여야 한다. 이것은, 툴 홀더와 스핀들에서의 허용오차의 누적 효과로 인해, 허용오차의 중첩을 제거하고, 스핀들 성능의 전체 정확성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예는 이러한 점에 제한되지 않고, 몇 가지 실시예에 따라, 기계가공 장치의 메인 스핀들은 스핀들과 함께 회전될 수 있어, 본 발명의 실시예에 따른 메인 스핀들과 스핀들의 특정한 회전 속도의 대수적 합인 높은 작동 속도에 도달할 수 있다.
회전축(R)은 스핀들과 툴 홀더에 대해 중심인 길이 방향 축일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 내의 부재의 위치를 설명하기 위해 본 출원에 걸쳐 사용되는 용어는, 회전축(R)을 따라, 본 발명의 실시예에 따른 스핀들의 툴 클램핑 시스템에 대해 이루어진다. 전방 방향은 툴 클램핑 시스템을 지칭하거나, 그러한 툴 클램핑 시스템에 인접하는 의미를 가질 수 있다. 유사하게, 반대쪽 후방 방향은 역방향을 지칭하고, 툴 클램핑 시스템에 대해 반대쪽 단부에 인접하는 뜻을 가질 수 있다. 유사하게, 용어 "전"은 다른 부재에 대해 회전축(R)을 따라 툴 클램핑 시스템에 가까이 위치되는 부재와 관련될 수 있고, 용어 "뒤"는 다른 부재에 대해 회전축(R)을 따라 툴 클램핑 시스템으로부터 더 멀리 위치되는 부재에 관련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 툴 홀더는 BT40 또는 HSK40 또는 특허 툴 홀더와 같은 표준 툴 홀더일 수 있다. 툴 홀더의 후방 테이퍼 단부는 선반 밀링기, 천공기 등과 같은 기계가공 장치(도시되지 않음)에 고정 장착될 수 있게 할 수 있다. 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓은 회전 툴 홀더에 대한 스핀들의 부착에 관한 임의의 공지된 관련 표준에 일치하고 따를 수 있다. 예를 들면, 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓은 ER40 또는 ER32, TG100, SC, R8, MT2 콜릿 표준에 일치할 수 있다.
여기에서 사용된 바와 같이, 지지 구조물은, 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들의 여러 가지 컴포넌트에 기계적 지지를 제공하기 위해 사용되는 부재를 지칭한다. 지지 구조물은 ET40-ER16 콜릿과 같은 특허 또는 표준 하우징을 포함할 수 있다. 또는, 본 발명의 몇 가지 실시예에서, 툴 홀더의 내부 테이퍼는 내부 테이퍼는 스핀들에 하우징을 제공할 수 있고, 지지 구조물은 베어링을 정 위치에 유지하기 위한 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 스핀들의 터빈은, 회전 샤프트와 작동 가능하게 연결될 수 있다. 터빈은 나사체결 아교와 같은 임의의 적절한 기술을 사용하여 회전 샤프트에 장착될 수 있다. 또는, 터빈과 샤프트는 일편으로서 제공될 수 있다. 터빈은 임펄스 터빈, 반작용 터빈 또는 그들의 임의의 조합일 수 있다. 터빈은 전방 단부 베어링과 클램핑 시스템 사이에서 샤프트 사이에서 샤프트의 전방 단부에 위치될 수 있고, 전방 단부 베어링과 후방 단부 베어링 사이에서 샤프트의 중간 부분에 위치될 수 있으며, 후방 단부 베어링 뒤에서 샤프트의 후방 단부에 위치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 베어링 조립체는 전방 단부 베어링 조립체와 후방 단부 베어링 조립체를 포함할 수 있다. 전방 단부 베어링 조립체와 후방 단부 베어링 조립체 각각은 하나 이상의 베어링을 포함할 수 있다. 베어링 조립체는, 반경 방향 및 축 방향 부하를 지지하는 임의의 형태의 베어링을 포함할 수 있다. 베어링 조립체의 허용오차는, ABEC 스케일의 ABEC 1 등급 또는 ISO 492 표준의 통상적 등급 6X와 같은 낮은 정밀도로부터, ABEC 스케일의 ABEC 9P 또는 ISO 492 표준의 통상적 등급 2와 같은 높은 정밀도까지의 범위에 있을 수 있다. 예를 들면, 베어링 조립체는, 깊은 홈 볼 베어링, 각도 접촉 볼 베어링, 4개의 볼 포인트 베어링 또는 자석 베어링과 같은 볼 베어링을 포함할 수 있다. 스냅 링 홈, 접촉 밀봉된 형태, 비접촉 밀봉된 형태, 차단 형태 또는 개방 형태 베어링을 가진 베어링은 특정 디자인 요구사항에 기초하여 사용될 수 있다. 전방 단부 베어링 조립체와 후방 단부 베어링 조립체는 배면 맞댐(BTB), 상호 대면(FTF), 또는 일렬 배열로 장착될 수 있다.
베어링 예비 하중은, 임의의 적절한 예비 하중 기술에 의해 달성될 수 있다. 예비 하중은, 베어링이 베어링 레일에 고정되도록 베어링을 밀기 위해 하중을 인가함으로써, 축 방향과 반경 방향에서 틈새를 제거하기 위한 것이다. 예를 들면, 전방 단부 베어링과 후방 단부 베어링은 일정한 접촉 기술을 사용하여 예비 하중을 받을 수 있다. 예를 들면, 베어링 예비 하중은, 예비 하중 스크루, 스크루 넛트, 터빈 등과 같은 견고한 스토퍼 부재에 대해 전방 단부 베어링 조립체 및 후방 단부 베어링 조립체에 일정한 압력을 인가하는 스프링을 사용하여 달성될 수 있다. O-링, 코일 스프링, 접시 스프링, 파형 스프링 및/또는 핑거 스프링과 같은 임의의 형태의 적절한 스프링이 전방 단부 베어링 조립체 및 후방 단부 베어링 조립체에 예비 하중을 주기 위해 사용될 수 있다. 전방 단부 베어링 조립체 및 후방 단부 베어링 조립체의 구성에 따라, 예비 하중은 전방 단부 베어링 조립체 및 후방 단부 베어링 조립체의 내부 레일 또는 외부 레일에 인가될 수 있다. 또는, 위치 설정 예비 하중도 사용될 수 있다. 위치 설정 예비 하중은, 축 방향 하중 하에서 전방 단부 베어링 및 후방 단부 베어링을 정 위치에 기계적으로 록킹함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 터빈을 구동시키기 위해 고압 냉각 유체가 툴 홀더로부터 흐를 수 있게 하기 위해 구성되는 복수의 통로 중 몇 개 이상은, 지지 구조물의 외면 및 툴 홀더의 테이퍼 소켓의 내면에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 통로는 스핀들의 내부에 있을 수 있다. 예를 들면, 통로는 지지 구조물에 의해 정의되는 터널, 샤프트의 중심에서 중공 터널에 의해 제공되는 중앙 통로, 베어링의 볼들 사이에 있는 통로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 스핀들의 회전 샤프트는, 툴 홀더로부터 흐르는 고압 냉각 유체가 고압 및 낮은 흐름 속도로, 툴의 중심을 따라 배치될 수 있는 중앙 통로를 향해 흐를 수 있게 하도록 구성되는 통로를 제공하는 중공 터널을 중심에 포함할 수 있다. 스핀들 조립체의 후방 단부는, 대표적으로 높지만 궁극적이 아닌 효율로, 회전 샤프트의 중공 터널을 통해 흐르는 냉각 유체의 누수를 방지하도록 의도되는 래비린스 시스템과 같은 동적 밀봉 시스템을 포함할 수 있다. 동적 밀봉 시스템은, 동적 밀봉 시스템을 통한 냉각 유체의 누수를 가능하게 할 수 있다. 누수 냉각 유체가 후방 단부 베어링 조립체 및 전방 단부 베어링 조립체로 흐를 수 있게 하도록 구성되는 통로가 제공될 수 있어, 후방 단부 베어링 조립체 및 전방 단부 베어링 조립체에 윤활 및 냉각을 제공한다.
냉각 유체는, 툴 홀더가 부착되는 기계가공 장치에 의해 공급되는 임의의 유체일 수 있다. 통상적으로, 냉각 유체는 약 95% 물과 5% 오일의 에멀전이다. 고압 냉각 유체는 통상적으로 8 내지 20 바의 압력에서 기계가공 장치에 의해 공급되고, 90 바에 도달할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 통로는, 터빈을 구동하기 위해 사용된 후에 냉각 배기를 가능하게 하기 위해 제동될 수 있다. 예를 들면, 냉각 배기는, 스핀들 조립체의 전방 단부에 구비되는 개구를 포함할 수 있고, 개구는 냉각제가 스핀들로부터 흐를 수 있게 한다. 예를 들면, 개구는, 스핀들 조립체에 장착되는 툴의 작용점을 향해 냉각제 흐를 수 있게 할 수 있다. 또는, 제트 또는 스프링클러는, 터빈 영역 및/또는 베어링 조립체를 떠나는 냉각제를 툴의 작용점을 향하게 하기 위해 스핀들 조립체의 전방 단부에 구비될 수 있어, 작용점으로부터의 먼지를 냉각 및 제거한다. 배기는, 소정 각도로 작용점으로 향하는 터널에 의해 제공될 수 있다. 툴의 작용점은 공작편과 툴의 접촉의 지점 또는 영역일 수 있다.
본 발명의 실시예는 특정 툴 클램핑 시스템 또는 특정 툴에 제한되지 않는다. 임의의 절단 툴, 연마 툴, 호닝 툴 등과 같은 임의의 적절한 툴이, 본 발명의 실시예에 따른 스핀들 조립체에 장착될 수 있다. 추가적으로, 클램핑 콜릿, 열 축소 클램핑, 탄성 변형 클램핑, 유압 또는 니켈-티탄(Nitinol), 형상 기억 합금(NiTi) 클램핑 등과 같은 임의의 적절한 툴 클램핑 시스템 및 기술이 사용될 수 있다. 유사하게, 본 발명의 실시예는, 툴을 조립 및 분해하는 동안에 스핀들 샤프트의 회전을 방지하기 위해 사용되는 임의의 특정한 회전자 유지 방법으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 2개의 평평한 영역(평평한 키에 적절함), 복수의 구멍, 6개의 평평한 영역, 특수한 슬롯 등과 같은 회전자 유지를 위한 준비부가 스핀들에 포함될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 회전자는, 샤프트 및 샤프트에 부착되는 부품과 같은 스핀들의 회전 부품을 지칭할 수 있다.
본 발명의 실시예는, 샤프트의 회전 속도를 측정하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 임의의 적절한 회전 속도 측정 방법 및 기술이 사용될 수 있다. 예를 들면, 자석은 회전 샤프트에 장착될 수 있고, 홀 효과를 포함하는 회전 속도 측정 시스템은 회전 속도 측정을 위해 사용될 수 있다.
이제, 본 발명의 실시예를 예시적 디자인에 의해 설명한다. 본 발명은 도시된 특정 예에 제한되지 않고, 여기에서 설명되는 원리의 실현은 특정 디자인 요구사항을 충족시키기 위해 필요한 바에 따라 변할 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 또한, 아래의 예 중 몇 가지는 본 발명의 실시예의 선택된 특징만 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 예시적 스핀들 시스템(100)을 도시하고 있는 도 1a를 참조한다. 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 시스템(100)은, 툴 홀더(190)에 장착되고 툴(180)을 유지하는 스핀들 조립체(110)를 포함할 수 있다. 툴(180) 및 스핀들 조립체(110)의 회전 샤프트(도 1a에 도시되지 않음)는, 회전축(R)으로서 지칭되는 공통 중앙축 위에서 회전할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 도 1a에 표시된 단면 평면 I-I를 따른 스핀들 시스템(100)의 단면을 도시하는 도 1b 및 도 1c를 참조한다. 도 1c는, 점선으로 표시된 프레임 "a" 내에 갇힌 스핀들 시스템(100)의 부분의 확대도이다. 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 조립체(110)는, 무엇보다, 회전 샤프트(112), 터빈(114), 베어링 조립체(120), 중공 지지 구조물(116), 전방 클램핑 너트(130), 후방 조립체(140), 및 툴 클램핑 시스템(150)을 포함할 수 있다.
샤프트(112)는, 터빈(114)의 회전이 회전 샤프트(112)를 회전시킬 수 있도록, 터빈(114)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들면, 터빈(114)은 샤프트(112)에 장착될 수 있거나, 터빈(114)과 회전 샤프트(112)는 일체로 이루어질 수 있다. 터빈(114)은 임펄스 터빈일 수 있고, 예를 들면 전방 단부 베어링(122)과 전방 클램핑 너트(130) 사이에서 샤프트(112)의 전방 단부에 위치될 수 있다.
베어링 조립체(120)는, 회전 샤프트(112)를 지지 구조물(116) 내에 반경 방향 및 축 방향으로 지지하고, 지지 구조물(116)과 툴 홀더(190) 내에서 샤프트(112)의 고속 회전을 가능하게 하기 위해 구성될 수 있다. 베어링 조립체(120)는 2개 이상의 베어링을 포함할 수 있다. 예를 들면, 베어링 조립체(120)는 전방 단부 베어링(122)과 후방 단부 베어링(124)을 포함할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 본 발명의 실시예에서 베어링 조립체(120)는 각도 접촉 볼 베어링을 포함하지만, 본 발명의 실시예는 이러한 형태의 베어링에 제한되지 않는다. 전방 단부 베어링(122)과 후방 단부 베어링(124)은 도 1c에 도시되었듯이 배면 맞댐(BTB) 구성으로 설치될 수 있거나, 본 기술분야에서 공지된 바와 같이 상호 대면(FTF) 또는 일렬 배열로 설치될 수 있다. 서로에 대한 전방 단부 베어링(122)과 후방 단부 베어링(124)의 특정 형태의 설치는 특정 디자인 요구사항을 충족시키기 위해 선택될 수 있다.
전방 단부 베어링(122)과 후방 단부 베어링(124)은, 일정 압력 기술, 예를 들면, 예비 하중 스크루(149)에 대해 전방 단부 베어링(122)과 후방 단부 베어링(124)에 일정 압력을 인가하는 스프링으로서의 O-링(125)을 사용함으로써, 압력으로 예비 하중을 받을 수 있다. 코일 스프링, 접시 스프링, 파형 스프링, 핑거 스프링과 같은 다른 형태의 스프링은 전방 단부 베어링(122)과 후방 단부 베어링(124)에 예비 하중을 주기 위해 사용될 수 있다.
스핀들 조립체는, L로 표시된 스핀들 조립체(110)의 길이 방향 크기를 따라, L1로 표시된 길이 방향 크기를 가진 제1 부분(111), 및 L2로 표시된 길이 방향 크기를 가진 제2 부분(113)으로 분할될 수 있다. 스핀들 조립체(110)는, 스핀들 조립체(110)가 툴 홀더(190)에 장착될 때, 스핀들 조립체(110)의 제1 부분(111)이, 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)와 전방 클램핑 너트(130)에 의해 정의되는 공간 내에 배치되도록, 디자인된다. 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 조립체(110)의 제1 부분(111)은 적어도 후방 단부 베어링(124)을 포함한다. 따라서, 적어도 후방 단부 베어링(124)은, 스핀들 조립체(110)가 툴 홀더(190)에 장착될 때, 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)의 내면과 전방 클램핑 너트(1330)에 의해 정의되는 공간인 원추형 공동 내에 배치될 수 있다.
지지 구조물(116)은, 터빈(114)을 구동시키기 위해 툴 홀더(190)로부터 고압 냉각 유체가 흐를 수 있게 하도록 구성되는 복수의 통로(도시되지 않음)를 가진 하우징(117)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하우징(117)은 그 외부 둘레부에, 하우징(117)의 최후방 부분으로부터 하우징(117)의 최전방 부분으로 연장되는 길이 방향 슬롯을 가질 수 있고, 냉각 유체는 터빈(114)의 블레이드를 향해 흐를 수 있다. 예를 들면, 표준 콜릿은 하우징(117)을 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예는 특정 슬롯 또는 터널 수 및 구성에 제한되지 않는다. 충분한 속도로 충분한 압력 및 터빈(114)을 회전시키기에 적절한 각도로 고압 냉각제가 터빈(114)에 도달할 수 있게 할 수 있는 임의의 통로 디자인이 사용될 수 있다. 예를 들면, 슬롯은 수직 베이스(148)일 수 있거나, 베이스(140)에 대해 소정 각도로 배치될 수 있다. 터빈을 구동한 후에, 통로는 냉각 배기를 가능하게 하도록 구비될 수 있다. 예를 들면, 개구(132)는 냉각제가 스핀들 조립체(110)로부터 멀어지는 방향으로 흐를 수 있게 하기 위해 전방 클램핑 유닛(130)에 구비될 수 있다. 또는, 제트 또는 스프링클러는 냉각제를 툴(180)의 작용점(185)을 향하게 하여 작용점(185)으로부터 먼지를 냉각 및 제거하기 위해 구비될 수 있다.
샤프트(112)는, 툴 홀더(190)로부터 흐르는 고압 냉각 유체가 툴(180)의 중심을 따라 배치될 수 있는 중앙 통로(도시되지 않음)에 도달할 수 있게 하도록 구성되는 통로를 제공하는 중공 섹션(162)을 포함할 수 있다. 후방 조립체(140)는, 높지만 궁극적이 아닌 효율을 가지고, 중공 섹션(162)을 통해 흐르는 냉각 유체의 누수를 방지하기 위한 동적 밀봉 시스템(142)을 포함할 수 있다. 동적 밀봉 시스템(142)은 그러나 동적 밀봉 시스템(142)을 통한 냉각 유체의 누수를 가능하게 할 수 있다. 동적 밀봉 시스템(142)을 통해 누수되는 냉각 유체는, 후방 단부 베어링(124)으로 흐르고 터널(164)을 통해 전방 단부 베어링(122)으로 흘러, 후방 단부 베어링(124)과 전방 단부 베어링(122)에 윤활 및 냉각을 제공할 수 있다. 따라서, 냉각 유체는 후방 단부 베어링(124)과 전방 단부 베어링(122)을 윤활시킬 수 있다.
이제 도 1d를 참조하면, 도 1d는, 도 1b의 점선 프레임 "b" 내에 있는 스핀들 시스템(100)의 하부 부분의 확대도이다. 후방 조립체(140)는 베이스(148)를 포함할 수 있다. 베이스(148)는 샤프트(112)에 대해 정적(즉 회전하지 않음)이고, 예를 들면 나사체결 나사산(147)에 의해 지지 구조물(116)에 고정될 수 있다.
추가적으로 또는 대안으로서, 베이스(148)는 아교결합, 용접 등과 같은 임의의 다른 적절한 방법에 의해 지지 구조물(116)에 고정될 수 있다. 중공 핀(143)은 베이스(148)의 중심 통로에 위치되고, 나사체결, 아교결합 등과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 베이스(148)에 고정될 수 있다. 중공 핀(143)은, 샤프트(112)의 중공 섹션(162)으로 돌출되는 섕크(144)를 가질 수 있다. 중공 핀(143)은 밀봉부(145)에 의해 밀봉될 수 있다. 밀봉되지 않았을 때, 중공 핀(143)은, 툴 홀더(190)로부터 툴(180)을 향해 흐르는 고압 냉각제를 위한 통로를 제공할 수 있다. 한 가지 예시적 흐름 과정이 일련의 화살표(146)에 의해 도 1D에 표시된 동적 밀봉 시스템(142)은, 정적 중공 핀(143)(지지 구조물(116)에 대해)과 회전 예비하중 스크루(149)의 경계면을 따라 구비될 수 있다. 정적 중공 핀(143)은, 테플론과 같이, 낮은 정지마찰 계수에 의해 특징지어지는 재료로 코팅될 수 있다. 동적 밀봉 시스템(142)은 고압 냉각제의 흐름에 대해 높은 저항을 가져, 대부분의 고압 냉각제가 중공 섹션(162)으로부터 누수되는 것을 방지하여 압력 손실을 방지할 수 있다. 냉각 유체의 흐름에 대한 동적 밀봉 시스템(142)의 저항은, 베어링을 윤활 및 냉각시키기에 필요한 양으로, 후방 단부 베어링(124)으로 흐르고 터널(164)을 통해 전방 단부 베어링(122)으로 흐를 수 있는 동적 밀봉 시스템(142)을 통한 누수를 가능하게 하기 위해 설정될 수 있다.
이제 도 1c로 돌아가면, 스핀들 조립체(110)는 툴 클램핑 시스템(150)을 포함할 수 있다. 툴 클램핑 시스템(150)은 클램핑 콜릿(151)과 툴 클램핑 너트(152)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 특정 툴 클램핑 장치 및 방법에 제한되지 않고, 축소, 유압 또는 형상 기억 장치와 같은 임의의 다른 적절한 툴 클램핑 장치 및 기술이 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다.
이제 도 2a 및 도 2b를 참조하는데, 이제 도 2a 및 도 2b는, 본 발명의 실시예에 따라, 표준 콜릿(210)을 가진 예시적 스핀들 조립체(200)의 단면도를 도시하고 있다. 도 2b는, 점선 프레임 A내에 있는 스핀들 조립체(200)의 부분 확대도이다. 스핀들 조립체(200)는 대체로 스핀들 조립체(110)와 유사할 수 있다. 스핀들 조립체(200)의 지지 구조물은 표준 콜릿(210)을 사용하여 실시될 수 있다. 콜릿(210)은 그 내경이 전방 단부 베어링(230)을 수용하기 위해 조절되도록, 그 전방 단부(250)에서 기계가공될 수 있다.
이제 도 2c를 참조하면, 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 스핀들 조립체(200)의 3D 도면을 도시하고 있다. 콜릿(210)은, 콜릿의 후방 단부로부터 적어도 주변 터널(214)로 연장되는 복수의 길이 방향 하부 슬롯(212), 및 적어도 주변 터널(214)로부터 콜릿(210)의 전방 단부로 연장되는 복수의 길이 방향 상부 슬롯(216)을 가질 수 있다. 툴 홀더(190)(도 1a 및 도 1b에 도시됨)에 조립될 때, 하부 슬롯(212), 주변 터널(214), 및 상부 슬롯(216)은, 외부 "엔빌로우프"를 형성하는, 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)의 내면 및 전방 클램핑 너트(130)(도 1b에 도시됨)의 내면과 함께, 고압 냉각 유체의 통로를 정의할 수 있다. 작동 동안에, 툴 홀더(190)에 의해 제공되는 고압 냉각제는 하부 슬롯(212)을 통해 주변 터널(214)로 흐르고 상부 슬롯(216)을 통해 흘러 임펄스 터빈(220)을 때릴 수 있다. 상부 슬롯(216)은, 필요에 따라, 가스켓(도시되지 않음)에 의해 밀봉될 수 있는 구멍(218)을 포함할 수 있다. 구멍 중 몇 개를 밀봉함으로써, 콜릿(210)에 대해 회전할 수 있는 터빈(220)으로 흐르는 냉각제의 압력, 따라서 터빈(220)의 회전 속도 및 모우먼트에 대한 몇 가지 제어가 제공될 수 있다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 중간 터빈 스핀들 조립체(300)의 단면도를 도시하고 있고, 도 3b는 예시적 중간 터빈 스핀들 조립체(300)의 부분 단면도를 도시하고 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(340)은 전방 단부 베어링(330)과 후방 단부 베어링(332) 사이에서 샤프트(320)의 중심부에 위치될 수 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(340)의 블레이드(342)의 길이는 전방 단부 터빈(114, 220)(도 1c 및 도 2a에 도시됨)에 증가된다. 블레이드(342)의 길이를 증가시키면 블레이드 표면이 증가될 수 있으며, 그것은, 터빈이 전방 단부 베어링과 클램핑 시스템(331) 사이에서 전방 단부에 위치되는 스핀들 조립체(110, 200)에 대해 반경 방향 임펄스 터빈(340)과 스핀들 조립체(300)의 효율을 증가시킬 수 있다. 샤프트(320)의 중심부에 반경 방향 임펄스 터빈(340)을 위치시키면, 전방 단부 터빈 구성에 비해 전방 단부 베어링과 툴의 작용점 사이의 거리가 감소될 수 있다. 이것은 바람직하게 전방 단부 베어링(330)에 대한 반작용 모우먼트를 감소시킬 수 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(340)을 샤프트(320)의 중심부에 위치시키기 위해, 전방 단부 베어링(330)과 후방 단부 베어링(332)의 FTF 구성이 필요할 수 있다. 예비하중은 샤프트(320)의 영역(322)에 대한 O-링의 누름에 의해 달성될 수 있다. 터빈(340)은 샤프트(320)의 통합 부분일 수 있다.
하우징(310)의 하부 외면에 위치되는 슬롯(354)은, 툴 홀더(190)(도 1b에 도시됨)의 테이퍼 소켓(192)의 내면과 함께, 고압 냉각 유체를 위한 통로를 정의할 수 있다. 작동 동안에, 고압 냉각제는 툴 홀더(190)로부터 슬롯(354)을 통해 터널(356)로 흘러 반경 방향으로부터 반경 방향 임펄스 터빈(340)의 블레이드(342)를 때릴 수 있다. O-링은, 하우징(310)과 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)의 내면 사이에서 고압 냉각제가 스핀들 조립체(300)로부터 누수되는 것을 방지하기 위해 필요한 밀봉을 제공할 수 있다.
반경 방향 임펄스 터빈(340)의 블레이드(342)를 때린 후에, 냉각제는, 하우징(310)에 정의된 터널(352)을 통해, 또한 제트(350)를 통해 스핀들 조립체(300)로부터 흐를 수 있다. 제트(350)는, 냉각제가 스핀들 조립체(300)에 조립된 툴의 작용점을 향하도록, 냉각제 흐름의 소정 각도를 제어하기 위해 조절될 수 있다.
이제 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 후방 터빈 스핀들 조립체(400)의 단면을 도시하고 있고, 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 후방 터빈 스핀들 조립체(400)를 도시하고 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(440)은 베이스(448)와 후방 단부 베어링(432) 사이에서 샤프트(420)의 후방 부분에 위치될 수 있다. 터빈(440)은 예를 들면 나사체결, 아교결합 또는 둘 다에 의해 샤프트(420)에 고정될 수 있다.
하우징(410)의 하부 외면에 있는 슬롯(454)은, 툴 홀더(190)(도 1b에 도시됨)의 테이퍼 소켓(192)의 내면과 함께, 고압 냉각 유체를 위한 통로를 정의할 수 있다. 작동 동안에, 고압 냉각제는, 툴 홀더(190)로부터 슬롯(454)을 통해 터널(456)로 흐를 수 있어, 반경 방향으로부터 반경 방향 임펄스 터빈(440)의 블레이드(도시되지 않음)를 때릴 수 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(440)의 블레이드를 때린 후에, 냉각제는, 후방 단부 베어링(432)으로, 또한 하우징(410)에 정의된 터널(460)을 통해 전방 단부 베어링(430)으로 흐를 수 있어, 후방 단부 베어링(432) 및 전방 단부 베어링(430)에 윤활 및 냉각을 제공할 수 있다. 냉각제는 하우징(410)에 정의되고 개구(450)에서 종료되는 터널(462)을 통해 통풍될 수 있다.
스핀들 조립체(400)의 전방 단부 베어링(430)은, 스핀들 조립체(400)의 후방 단부 베어링(432)보다 클 수 있다. 전방 단부 베어링(430)의 사이즈를 증가시키면, 전방 단부 베어링(430)이 견딜 수 있는 부하를 증가시킬 수 있어, 스핀들 조립체(400)가 견딜 수 있는 전체 하중은, 더 작은 전방 단부 베어링(430)을 가진 실시예에 비해 증가될 수 있다. 그러나, 예비 하중 압력이 통상적으로 베어링 사이즈와 관련되기 때문에, 예비 하중 레벨을 디자인할 때 주의하여야 한다. 예를 들면, 각각의 베어링은, 허용된 예비 하중 레벨의 범위를 가질 수 있어, 후방 단부 베어링(432) 및 전방 단부 베어링(430)의 허용된 예비 하중 레벨 내에 있는 예비 하중 레벨이 선택될 수 있다. 후방 단부 베어링(432) 및 전방 단부 베어링(430)은 BTB 구성으로 위치되며, 예비 하중은, 터빈(440)에 대해 후방 단부 베어링(432)을 누르는 O-링을 사용하여 수행된다.
스핀들 조립체(400)는, 높은 효율에 의해, 샤프트(420)의 중공 섹션(422)을 통해 흐르는 냉각 유체의 누수를 방지하도록 의도된 동적 밀봉 시스템(446)을 포함할 수 있다. 동적 밀봉 시스템(446)을 통해 누수되는 냉각 유체는, 터빈(440)으로 흐를 수 있지만 터빈(440)을 회전시키지 못할 수 있다. 동적 밀봉 시스템(446)은, 정적 중공 핀(443)의 섕크(444)의 외면과 회전 터빈(440)의 섕크(441)의 내면 사이에 정의될 수 있다.
이제 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다른 예시적 후방 터빈 스핀들 조립체(500)의 단면도를 도시하고 있다. 스핀들 조립체(500)는, 후방 단부 베어링(432)에만 스핀들 조립체(400)와 매우 유사하며, 전방 단부 베어링(430)은 실질적으로 동일한 사이즈를 가진다. 도 5는 터널(460, 462)에 대한 다른 도면을 준다.
이제 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 후방 반작용 터빈(640)을 가진 예시적 스핀들 조립체(600)의 단면도를 도시하고 있고, 도 6B는본 발명의 실시예에 따른 후방 반작용 터빈(640)을 가진 예시적 스핀들 조립체(600)의 부분 단면도를 도시하고 있다. 도 6b는 후방 측을 위로하여 도시되어 있다. 반작용 터빈(640)은 후방 단부 베어링(632) 뒤에서 샤프트(620)의 후방부에 위치될 수 있다. 터빈(640)은 예를 들면 나사체결, 아교결합 또는 둘 다에 의해 샤프트(620)에 고정될 수 있다. 고압 냉각제는 툴 홀더(190)(도 1b에 도시됨)로부터 터빈(640)의 블레이드(622)로 직접 흐를 수 있다. 반작용 터빈(640)은, 비교적 높은 모우먼트이지만 임펄스 터빈에 대해 낮은 속도에 의해 특징지어지는 프로펠러 형태의 터빈일 수 있다. 스핀들 조립체(600)는, 열 축소 툴 클램핑 시스템(650)을 포함할 수 있다. 열 축소 클램핑 시스템은 콜릿 클램핑에 비해 정확한 것으로 사료된다.
반작용 터빈(640)의 블레이드를 때린 후에, 냉각제는 하우징(610) 및 전방 단부 베어링(630)에 정의된 터널(642)을 통해 후방 단부 베어링(632)을 통해 흐를 수 있어, 후방 단부 베어링(632)과 전방 단부 베어링(630)에 윤활 및 냉각을 제공한다. 냉각제는 하우징(610)에 정의된 개구(662)를 통해 배출될 수 있다. 개구(662)는 회전축(R)에 대해 예각으로 경사질 수 있어, 냉각제는 가정된 작용점의 일반적인 방향으로 흐를 수 있다.
이제 도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 도 7a는, 본 발명의 실시예에 따른 후방 반작용 터빈(740)을 가진 예시적 스핀들 조립체(700)의 길이 방향 단면도를 도시하고 있고, 도 7b는 3D 도면을 도시하고 있으며, 도 7c는 부분 단면도를 도시하고 있고, 도 7d는 횡방향 단면도를 도시하고 있다. 도 7d는, 도 7a에 표시된 단면 라인 V-V를 따른 스핀들 조립체(700)의 단면도를 도시하고 있다.
스핀들 조립체(700)는, 중앙 터널(770)과 주변 터널(771)을 포함하는 터널 시스템(780)으로서 구현되는 반작용 터빈(740)을 포함할 수 있다. 주변 터널(771)은 좁은 각도 또는 둔각(α)를 가지고 배치될 수 있다. 작동 동안에, 고압 냉각제는 툴 홀더(190)(도 1a에 도시됨)로부터 샤프트(720)의 중공 섹션(722)을 통해 터널 시스템(770)으로 흐를 수 있어, 터빈(740)을 회전시킬 수 있는 스러스트를 발생시킨다. 중앙 터널(770)은, 중심을 가로지는 반대 방향으로부터 전체 길이로 천공되어 주변 터널(771)에 도달할 수 있고, 가스켓(772)으로 밀봉될 수 있다. 또는, 중앙 터널(770)은, 둘레부로부터, 밀봉된 둘레부 및 주변 터널(771) 사이에 있는 중앙 터널(771)의 부분을 가진 중심으로 천공될 수 있다. 예를 들면, 터빈(740)은, 3개의 쌍의 중앙 터널(770), 및 서로로부터 약 120도의 각도로 배치되는 주변 터널(771)을 포함할 수 있다.
스핀들 조립체(700)는, 고효율로, 샤프트(720)의 중공 섹션(722)을 통해 흐르는 냉각 유체의 누수를 방지도록 의도된 동적 밀봉 시스템(746)을 포함할 수 있다. 동적 밀봉 시스템(746)을 통해 누수되는 냉각 유체는 후방 단부 베어링(732), 통로(742), 및 전방 단부 베어링(730)으로 흐를 수 있다. 동적 밀봉 시스템(746)은 정적 중공 베이스(743)의 섕크(744)의 외면과 회전 샤프트(720)의 내면 사이에 정의될 수 있다. 냉각제는 개구(762)를 통해 배출될 수 있다.
후방 단부 베어링(732)과 전방 단부 베어링(730)은 BTB 구성으로 위치되며, 예비 하중은, 샤프트(720)에 고정되는 너트(733)에 대해 후방 단부 베어링(732)을 누르는 O-링을 사용하여 수행될 수 있다. 지지 구조물은 콜릿(711)과 추가적 지지부(710)에 의해 제공될 수 있다.
이제 도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조하면, 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 프레임 없는 스핀들 조립체(800)의 수형 단면도를 도시하고 있고, 도 8b는 부분 단면도를 도시하고 있으며, 도 8c는 개략도를 도시하고 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(840)은 전방 단부 베어링(830)과 후방 단부 베어링(832) 사이에서 샤프트(820)의 중앙 부분에 위치될 수 있다. 반경 방향 임펄스 터빈(840)은 샤프트(820)의 통합 부분일 수 있다. 따라서, 반경 방향 임펄스 터빈(840)과 샤프트(820)는 단일편으로서 제공될 수 있다. 전방 단부 베어링(830)은 전방 단부 지지부(882)에 장착될 수 있고, 후방 단부 베어링(832)은 후방 단부 지지부(884)에 장착될 수 있다. 작동 측면으로부터, 툴 홀더(190)는, 후방 단부 지지부(884), 샤프트(820), 및 전방 단부 지지부(882)를 유지하는 하우징으로서 기능할 수 있다. 전방 클램핑 너트(880)는, 프레임 없는 스핀들 조립체(800)의 부품들을 함께 더 유지하기 위해 툴 홀더(190)에 나사체결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 적어도 후방 단부 베어링(832)은, 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)의 내면과 전방 클램핑 너트(880)에 의해 한정되는 공간인 원추형 공동에 배치될 수 있다.
후방 단부 지지부(884)는 그 외부 둘레부에서 대각선 슬롯(886)을 가질 수 있다. 툴 홀더(190)에 조립될 때, 대각선 슬롯(886)은, 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)의 내면과 함께, 고압 냉각 유체를 위한 통로를 정의할 수 있다. 작동 동안에, 고압 냉각제는 툴 홀더(190)로부터 대각선 슬롯(886)을 통해 임펄스 터빈(840)의 블레이드(822)로 흐를 수 있다. 대각선 슬롯(886)은, 고압 냉각 유체가 임펄스 터빈(840)의 블레이드(822)를 약 45도로 때려, 터빈(840)과 프레임 없는 스핀들 조립체(800)의 효율을 증가시킬 수 있도록, 임펄스 터빈(840)의 블레이드(822)에 대해 직각일 수 있다. 전방 단부 베어링(830)과 후방 단부 베어링(832)은 FTF 배열로 위치될 수 있고, 예비 하중은, 샤프트(820)의 영역(836)에 대해 전방 단부 베어링(830)을 누르는 파형 스프링(834)과 같은 스프링을 사용하여 수행될 수 있다.
프레임 없는 스핀들 조립체(800)는 탄성 변형 툴 클램핑 시스템(850)을 포함할 수 있다. 샤프트(820)의 둥근 중공 섹션(822)이 샤프트(820)의 제조 단계 동안에 천공될 때, 샤프트(820)의 전방부는 예를 들면 유지 시스템에 의해 2개의 지점에 클램핑될 수 있다. 클램핑이 릴리스될 때, 중공 섹션(822)은 타원형 단면을 얻는다. 툴 교체는 유지 시스템에 의한 샤프트(820)의 전방부의 클램핑 및 툴의 삽입을 필요로 한다. 클램핑이 릴리스될 때, 툴은, 타원의 단축에 위치되는 2개의 접촉 지점에 유지될 수 있다.
이제 도 9a를 참조하면, 도 9a는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 회전자 베이스 스핀들 조립체(900)의 단면도를 도시하고 있다. 스핀들 조립체(900)는, 샤프트(920)를 제외하고 볼 베어링, O-링, 예비 하중 너트, ER 콜릿(스핀들 하우징으로서), 툴 홀더(또한 스핀들 하우징의 부품), 및 툴 클램핑 시스템(콜릿 및 너트)과 같은 표준 선반 재고 부품으로 조립될 수 있다. 반작용 터빈(940)은, 예를 들면 전방 단부 베어링(930)과 툴 클램핑 시스템(950) 사이에서 샤프트(920)의 전방 단부에 위치될 수 있다. 반작용 터빈(940)은 샤프트(920)의 통합 부분일 수 있다. 따라서, 반작용 터빈(940)과 샤프트(920)는 단일편으로서 구비될 수 있다. 전방 단부 베어링(930)과 후방 단부 베어링(932)은 서로 맞대어 BTB 배열될 수 있고, 위치설정 예비하중 기술을 사용하여 예비하중을 받을 수 있다. 전방 단부 베어링(930)과 후방 단부 베어링(932)은 터빈(940)과 스크루 너트(945) 사이에서 정위치에 유지될 수 있다. 회전자 유지를 위한 준비는 복수의 구멍(960)에 의해 달성될 수 있다.
이제 도 9b를 참조하면, 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 예시적 샤프트(920)의 개략도를 도시하고 있다. 샤프트(920)는 후방 측면을 위로하여 도시되어 있다. 반작용 터빈(940)은 샤프트(920) 내에 새겨진다. 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 제2 예시적 샤프트(925)의 개략도를 도시하고 있다. 샤프트(925)는, 여기에서 6개의 평평한 영역에 의해 이루어지는 회전자 유지를 위해 이루어지는 준비를 제외하고, 샤프트(920)와 유사하다.
이제 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 고압 냉각 유체는 툴 홀더(190)로부터, 샤프트(920 또는 925) 쪽에 형성되는 터널(902)을 통해 터빈(940)을 향하여 흐를 수 있다. 터널(902)은 샤프트(920 또는 925) 사이의 고압 냉각제를 위한 통로를 제공한다. 추가적으로, 고압 냉각 유체는 툴 홀더(190)로부터 베어링(930, 932)을 통해 터빈(940)을 향해 흐를 수 있고, 전방 단부 베어링(930)의 외부 레일은, 고압 냉각 유체가 터빈(940)에 도달하기 전에, 고압 냉각 유체가 스핀들 조립체(900)로부터 누수되는 것을 방지하기 위해 밀봉을 제공할 수 있다.
이제, 도 9d를 참조하면, 도 9d는, 본 발명의 실시예에 따른, 도 1a에 표시된 단면 I-I를 따른 예시적 스핀들 시스템(901)의 단면도를 도시하고 있다. 본 발명의 실시예에 따라, 스핀들 시스템(901)은, 툴 홀더(190)에 장착되며 툴(180)을 유지하는 스핀들 조립체(900)를 포함할 수 있다. 스핀들 조립체(900)는 콜릿(210)을 포함할 수 있다. 콜릿(210)은 표준 선반 재고 콜릿일 수 있다. 콜릿(210)은 그 외부 둘레에 길이 방향 슬롯(212)을 가질 수 있다. 냉각제가 바람직하지 않은 방향으로 튀기는 것을 방지하기 위해, 콜릿(210)은 밀봉될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 적어도 후방 단부 베어링(932)은, 툴 홀더(190)의 테이퍼 소켓(192)의 내면과 전방 클램핑 너트(980)에 의해 정의되는 공간인 원추형 공동에 배치될 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 예시적 이중 베어링 스핀들 조립체(1000)의 단면도를 도시하고 있다. 스핀들 조립체(1000)의 작동 원리는 스핀들 조립체(900)의 원리와 유사하다. 스핀들 조립체(1000)는, 스핀들 조립체(900)에 사용되는 반작용 터빈(940)과 유사한 반작용 터빈(940)을 포함할 수 있다. 전방 단부 베어링(1030)과 후방 단부 베어링(1032)은 각각 한 쌍의 인접 베어링을 포함할 수 있다. 각각의 쌍은 BTB 배열로 조립되고, 전방 단부 베어링(1030)과 후방 단부 베어링(1032)은 FTF 배열로 조립될 수 있다. 외부 슬리브(1010)는, 툴을 조립 및 분해하는 동안에 발생할 수 있는 가능한 손상을 방지하기 위해, 전방 단부 베어링(1030)과 후방 단부 베어링(1032)에 지지를 제공할 수 있다. 일정 압력 예비하중은, 터빈((40)에 대해 전방 단부 베어링(1030)과 후방 단부 베어링(1032)을 누르는 접시 스프링(1034)과 같은 스프링에 의해 달성될 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 다른 예시적 이중 베어링 스핀들 조립체(1100)의 단면도를 도시하고 있다. 스핀들 조립체(1100)의 작동 원리는 스핀들 조립체(900)의 원리와 유사하다. 스핀들 조립체(1100)는, 스핀들 조립체(900)에 사용되는 반작용 터빈(940)과 유사한 반작용 터빈(940)을 포함할 수 있다. 전방 단부 베어링(1130)과 후방 단부 베어링(1132)은 서로 인접하여 위치될 수 있고, 각각 한 쌍의 인접 베어링을 포함할 수 있다. 각각의 쌍은 BTB 배열로 조립될 수 있고, 전방 단부 베어링(1130)과 후방 단부 베어링(1132)은 FTF 배열로 조립된다.
본 발명의 특정 특징이 여기에 도시되고 설명되었지만, 많은 수정, 대치, 변경 및 균등물이 당업자에게 발생할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 참 정신 내에 있는 모든 그러한 수정 및 변경을 포함하도록 의도되었다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (20)

  1. 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓에 조립되도록 구성된 스핀들 조립체에 있어서,
    상기 조립체의 툴 클램핑 시스템에 인접한 전방 단부,
    상기 툴 클램핑 시스템에 대해 반대쪽인 상기 조립체의 단부에 인접한 후방 단부,
    상기 툴 홀더 내에서 회전하도록 구성된 회전 샤프트,
    전방 단부 베어링 조립체와 후방 단부 베어링 조립체를 포함하며, 상기 회전 샤프트를 상기 툴 홀더 내에 지지하고, 상기 툴 홀더 내에서 샤프트의 고속 회전을 가능하게 하도록 구성된 베어링 조립체,
    상기 회전 샤프트에 작동 가능하게 연결되어 있으며, 상기 회전 샤프트를 회전시키도록 구성된 터빈,
    상기 스핀들 조립체의 컴포넌트들을 기계적으로 지지하기 위한 중공 하우징, 및
    상기 중공 하우징의 외면 상에 형성되는 복수의 슬롯으로서, 상기 툴 홀더의 내부 테이퍼 소켓의 내면과 함께, 상기 툴 홀더로부터 고압 냉각 유체가 흘러 상기 터빈을 구동할 수 있도록 하는 통로를 형성하도록 구성되는, 복수의 슬롯을 포함하며,
    상기 베어링 조립체 중 하나 이상의 베어링은, 상기 툴 홀더의 테이퍼 소켓과 전방 클램핑 너트에 의해 형성된 공간에 위치되도록 구성된 상기 스핀들 조립체의 부분에 배치되어 있는,
    스핀들 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공 하우징은 콜릿을 포함하는, 스핀들 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 통로는 또한, 상기 베어링을 냉각 및 윤활시키기 위해, 냉각 유체 중 적어도 일부가 상기 베어링 조립체를 통해 흐를 수 있게 하기 위해 구성되어 있는, 스핀들 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 통로는 냉각제 배출부를 포함하는, 스핀들 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각제 배출부는, 냉각 유체가 상기 스핀들 조립체에 장착된 툴의 작용점을 향해 흐를 수 있게 하며,
    상기 냉각제 배출부는, 상기 스핀들 조립체의 전방 단부에 위치되어 있고, 개구, 제트 및 스프링클러로 구성된 그룹으로부터 선택된 수단을 포함하는,
    스핀들 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 통로는 상기 회전 샤프트를 통한 중공 터널을 포함하며,
    상기 중공 터널은, 냉각제의 일부가 고압으로, 상기 스핀들 조립체에 장착된 툴의 중앙 보어를 향해 흐르게 할 수 있도록 구성되어 있는,
    스핀들 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스핀들 조립체의 후방 단부는, 상기 회전 샤프트의 중공 터널을 통해 흐르는 냉각 유체의 누수를 실질적으로 방지하기 위한 동적 밀봉 시스템을 포함하는, 스핀들 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 동적 밀봉 시스템은 상기 동적 밀봉 시스템을 통한 냉각 유체의 누수를 가능하게 하며,
    상기 통로는, 누수 냉각 유체가 상기 후방 단부 베어링 조립체와 상기 전방 단부 베어링 조립체로 흘러, 상기 후방 단부 베어링 조립체와 상기 전방 단부 베어링 조립체에 윤활 및 냉각을 제공하도록 구성된 통로를 포함하는,
    스핀들 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전방 단부 베어링 조립체와 상기 후방 단부 베어링 조립체는, 배면 맞댐(BTB), 상호 대면(FTF), 및 일렬 배열의 그룹으로부터 선택된 구성으로 장착되어 있는, 스핀들 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 조립체 각각은 하나 이상의 베어링을 포함하는, 스핀들 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 터빈은, 상기 후방 단부 베어링 조립체 뒤, 상기 후방 단부 베어링 조립체와 상기 전방 단부 베어링 조립체 사이, 상기 전방 단부 베어링 조립체 앞으로 구성된 그룹으로부터 선택된 위치에 위치되어 있는, 스핀들 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 조립체는, 스프링에 의해 인가된 예비하중 압력에 의해 예비하중을 받는, 스핀들 조립체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 스프링은, O-링, 코일 스프링, 접시 스프링, 파형 스프링 및 핑거 스프링으로 구성된 그룹으로부터 선택되어 있는, 스핀들 조립체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전방 단부 베어링 조립체와 상기 후방 단부 베어링 조립체는 서로 인접하여 위치되어 있고,
    이러한 위치설정에 의해 예비하중이 이루어지는,
    스핀들 조립체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 터빈은, 축 방향 임펄스 터빈, 반경 방향 임펄프 터빈, 반작용 터빈으로 구성된 그룹으로부터 선택되어 있는, 스핀들 조립체.
  16. 제1항에 있어서,
    냉각제는 물 또는 오일의 에멀전인, 스핀들 조립체.
  17. 제1항에 있어서,
    툴 클램핑 시스템을 더 포함하는, 스핀들 조립체.
  18. 제1항에 있어서,
    회전자 유지를 위한 준비 시스템을 더 포함하는, 스핀들 조립체.
  19. 삭제
  20. 삭제
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