KR102080948B1 - 공작 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작 기계에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계는 베드와, 상기 베드 상에 직선 왕복 가능하게 설치된 슬라이더, 그리고 상기 베드와 마주하는 상기 슬라이더의 일면에 설치된 슬라이딩 베어링을 포함한다. 그리고 상기 슬라이딩 베어링은 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트를 복수의 영역으로 분할시키는 분할 그루브, 그리고 상기 베어링 플레이트의 분할된 영역마다 형성되어 윤활유를 공급하는 오일 그루브를 포함한다.

Description

공작 기계{MACHINE TOOL}

본 발명의 실시예는 공작 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베드 상에서 직선 왕복 운동하는 슬라이더를 포함한 공작 기계에 관한 것이다.

공작기계는 여러 절삭 가공 방법 또는 비절삭 가공 방법으로 금속 또는 비금속의 공작물을 각종 공구를 이용하여 원하는 형상 및 치수로 가공할 목적으로 사용하는 기계를 말한다.

공작 기계는 크게 터닝 센터(Turning Center)와 머시닝 센터(Machining Center)로 분류된다. 그리고 공작 기계는 대부분 베드 상에서 직선 왕복 운동하는 슬라이더를 포함하는데, 이러한 슬라이더에는 정밀한 움직임이 요구된다. 특히, 수치 제어(numerical control, NC)를 이용하는 공작 기계는 공작물 또는 공구의 정확한 이동이 공작물의 가공 정밀도에 큰 영향을 미치므로, 슬라이더의 정밀한 움직임이 더욱 요구된다.

공작 기계에서, 공작물을 지지하는 척 또는 공구가 장착되는 스핀들은 슬라이더에 장착된다. 그리고 슬라이더는 레일 방식, 볼스크류 방식, 또는 리니어 가이드 방식을 통해 베드 상에서 이동할 수 있다. 이중에서, 리니어 가이드 방식의 슬라이더가 높은 정밀도를 가질 수 있다.

리니어 가이드 방식의 슬라이더는 베드와 대향하는 일면에 설치된 슬라이딩 베어링(sliding bearing)을 통해 미끄러운 이동이 가능하다. 그리고 슬라이딩 베이링과 베드의 접촉면에는 마찰을 줄이기 위하여 윤활제가 도포된다.

하지만, 슬라이더가 베드 상에서 이동 하여 가공을 위해 일정시간 정지한 후 다시 이동할 때 슬라이더와 베드의 접촉면의 윤활제는 유막이 형성 되지 않아 마찰이 발생되고 있다. 이러한 동작이 장시간 반복되면 베드와 슬라이딩 베어링 사이의 간극이 마모로 인하여 증가하게 되고, 이로 인해 공작 기계 가공 정밀도에 영향을 줄 수 있으며, 소음과 진동도 심각한 수준으로 증가되는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예는 베드 상에서 직선 왕복 운동하는 슬라이더의 마찰을 효과적으로 최소화한 공작 기계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 공작 기계는 베드와, 상기 베드 상에 직선 왕복 가능하게 설치된 슬라이더, 그리고 상기 베드와 마주하는 상기 슬라이더의 일면에 설치된 슬라이딩 베어링(sliding bearing)을 포함한다. 그리고 상기 슬라이딩 베어링은 베어링 플레이트와, 상기 베어링 플레이트를 복수의 영역으로 분할시키는 분할 그루브, 그리고 상기 베어링 플레이트의 분할된 영역마다 형성되어 윤활유를 공급하는 오일 그루브(oil groove)를 포함한다.

상기 베어링 플레이트의 분할된 영역이 상기 슬라이더의 이동 방향을 따라 배열되도록 상기 분할 그루브는 상기 슬라이더의 이동 방향에 교차하는 방향으로 길게 형성될 수 있다.

상기 분할 그루브와 상기 오일 그루브는 서로 평행하게 형성될 수 있다.

상기한 공작 기계에서, 상기 분할 그루브의 내부는 대기압 상태일 수 있다.

상기 분할 그루브가 1개 또는 2개 형성되어 상기 베어링 플레이트를 2분할 또는 3분할할 수 있다.

상기 분할 그루브은 1.5mm 초과 4.5mm 미만 범위 내의 깊이를 가질 수 있다.

상기 분할 그루브는 7mm 초과 11mm 미만 범위 내의 폭을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 공작 기계는 베드 상에서 직선 왕복 운동하는 슬라이더의 마찰을 효과적으로 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 요부를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 테이블을 지지하는 슬라이더의 배면도이다.
도 3은 도 2의 슬라이딩 베어링을 나타낸 사시도이다.
도 4는 비교예에 따른 슬라이딩 베어링을 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계(101)를 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계(101)는 베드(600)와, 슬라이더(400), 그리고 슬라이딩 베어링(sliding bearing)(500, 도 2에 도시함)을 포함한다.

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계(101)는 공작물 또는 공구를 각각 파지하는 테이블(200)과 스핀들(300)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 테이블(200)과 스핀들(300)은 각각 슬라이더(400) 위에 설치될 수 있다. 도 1에서는, 테이블(200)을 지지하는 슬라이더(400)와 스핀들(300)을 지지하는 슬라이더(400)를 모두 도시하고 있으나, 이하 슬라이더(400)는 테이블(200)을 지지하는 슬라이더(400)를 중심으로 설명한다. 스핀들(300)을 지지하는 슬라이더(400)도 테이블(200)을 지지하는 슬라이더(400)와 동일한 기술적 사상을 갖는다

베드(600)는 지면 또는 건축 구조물의 바닥면에 배치되어 공작 기계(101)의 여러 부품들을 받치는 역할을 수행한다.

본 발명의 일 실시예에서, 베드(600)는 슬라이더(400)가 직선 왕복 운동할 수 있도록 가이드하는 리니어 모션(linear motion, LM) 가이드부(650)를 포함할 수 있다.

슬라이더(400)는 베드(600) 상에 직선 왕복 가능하게 설치된다. 구체적으로, 슬라이더(400)는 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650)에 슬라이딩 가능하게 결합된다.

슬라이딩 베어링(500)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 베드(600)와 마주하는 슬라이더(400)의 일면에 설치되어 슬라이더(400)의 직선 왕복 운동을 돕는다.

구체적으로, 슬라이딩 베어링(500)은 슬라이더(400)의 일면에 설치되어 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650)와 면접촉한다.

슬라이딩 베어링(500)은 볼 베어링이나 롤러 베어링과 같은 다른 미끄럼 부재와 대비하여 상대적으로 높은 하중을 지지할 수 있다.

또한, 슬라이딩 베어링(500)은 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650)와 면접촉한 상태로 이동하므로, 장시간 사용하더라도 마모에 의하여 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600) 사이의 접촉면에 발생되는 간극이 상대적으로 적다. 따라서, 슬라이딩 베어링(500)을 사용할 경우, 공작 기계(101)에서 발생되는 소음과 진동을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계(101)는 슬라이딩 베이링(500)과 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650)의 접촉면에 도포된 윤활유를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 슬라이딩 베어링(500)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 베어링 플레이트(510)와, 분할 그루브(550), 그리고 오일 그루브(580)를 포함한다.

베어링 플레이트(510)는 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650)와 직접 접촉한다.

분할 그루브(550)는 베어링 플레이트(510)를 복수의 영역으로 분할시킨다. 즉, 베이링 플레이트(510)는 분할 그루브(550)에 의해 독립적인 복수 영역으로 분할된다.

분할 그루브(550)에 의해 베어링 플레이트(510)의 분할된 영역은 슬라이더(400)의 슬라이딩 이동 방향을 따라 배열된다. 즉, 분할 그루브(550)는 슬라이더의 이동 방향에 교차하는 방향으로 길게 형성된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 분할 그루브(550)의 내부는 대기압 상태이다. 따라서, 분할 그루브(550)에 의해 베어링 플레이트(510)의 분할된 영역은 서로 독립적으로 유막과 압력이 형성된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 분할 그루브(550)는 1개 또는 2개 형성될 수 있다. 즉, 분할 그루브(550)에 의해 베어링 플레이트(510)를 2분할 또는 3분할될 수 있다. 반면, 분할 그루브(550)가 3개 이상이면, 유막이 형성될 베어링 플레이트(510)의 접촉면이 상대적으로 작아져 마찰이 오히려 증가될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서, 분할 그루브(550)은 1.5mm 초과 4.5mm 미만인 범위 내의 깊이를 갖는다. 그리고 분할 그루브(550)는 7mm 초과 11mm 미만 범위 내의 폭을 갖는다.

분할 그루브(550)의 깊이가 1.5mm 이하이거나 분할 그루브(550)의 폭이 7mm 이하이면, 분할 그루브(550) 내부에 대기압이 형성되지 않아 분할 그루브(550)에 의해 분할된 영역에 독립적으로 유막이 형성되지 못한다. 그리고 분할 그루브(550)의 깊이가 4.5mm 이상이거나 분할 그루브(550)의 폭이 11mm 이상이면, 유막이 형성될 베어링 플레이트(510)의 접촉면이 상대적으로 작아져 마찰이 오히려 증가될 수 있다.

오일 그루브(oil groove, 580)는 분할 그루브(550)에 의해 베어링 플레이트(510)의 분할된 영역마다 형성되어 윤활유를 공급한다. 그리고 오일 그루브(580)는 분할 그루브(550)와 평행하게 형성될 수 있다.

또한, 오일 그루브(580)의 일 영역에는 오일 공급홀(581)이 형성될 수 있다. 오일 공급홀(581)은 오일 그루브(580)에 수용될 윤활유를 공급할 수 있다.

오일 그루브(580)의 오일 공급홀(581)을 통해 공급된 윤활유에 의해 베이링 플레이트(510)와 베드(600) 사이에는 유막이 형성되고 이러한 유막에는 일정한 압력이 걸린다. 이때, 오일 그루브(585)에 의해 유막 압력의 증대되고, 윤활유의 공급이 원활해진다. 구체적으로, 슬라이딩 베어링(500)에 오일 그루브(580)가 형성되면, 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650)를 따라 슬라이더(400)가 슬라이딩 이동할 때, 윤활유의 유막 두께가 미끄러지는 방향을 따라 감소하는 쐐기 효과를 발생시켜 유막의 압력을 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 유막의 압력이 증가되면 슬라이더(400)와 베드(600) 사이에 가해지는 압력을 지탱하여 슬라이딩 베어링(500)과 리니어 모션 가이드부(650) 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다.

슬라이더(400)는 직선 왕복 운동을 하는데, 직선 왕복 운동은 그 물리적인 운동 특성상 이동 방향이 바뀌는 지점에서 운동 속도가 0이 되며, 직선 왕복 운동 1주기당 운동 속도가 0이 되는 횟수는 2회 발생된다. 그리고 유체 윤활 이론 상 운동 속도가 0이 되면 유막의 형성이 어렵다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 오일 그루브(580)에 윤활유가 수용되므로, 슬라이더(400)가 가공을 위해 정지 후 다시 이동할 때 오일 그루브(580)에 수용된 윤활유가 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650) 사이의 윤활 상태를 효율적으로 향상 및 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는, 베어링 플레이트(510)가 분할 그루브(550)에 의해 복수의 영역으로 분할되며 분할 그루브(550)는 대기압 상태이므로, 분할된 각 영역에는 독립적으로 유막이 형성된다.

따라서, 오일 그루브(580)를 통해 공급된 윤활유에 의한 유막과 압력이 베어링 플레이트(510)에 전체적으로 보다 균일하게 형성될 수 있다.

즉, 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600)의 접촉면에 형성된 유막의 압력을 증대시켜 슬라이더(400)는 상대적으로 높은 하중을 지지할 수 있다. 그리고 오일 그루브(580)는 윤활유를 원활하게 공급하여 마모의 발생을 줄일 수 있다.

또한, 오일 그루브(580)와 분할 그루브(550)는 각각 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650) 간의 마모에서 발생된 이물질을 포획하여 저장할 수 있다. 이러한 이물질은 마찰을 증가시켜 슬라이딩 베어링(450)의 수명을 단축시키거나 베드(500)의 리니어 모션 가이드부(540)를 손상시킬 수 있다.

또한, 분할 그루브(550)와 오일 그루브(580)는 레이저를 사용하여 형성하거나, 에칭, 집속 이온빔, 또는 이온 식각 등의 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 이때, 분할 그루브(550)와 오일 그루브(580)는 마이크로 미터 단위로 미세 가공될 수 있다.

이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계(101)는 테이블(200) 또는 스핀들(300)을 지지하여 베드(500) 상에서 직선 왕복 운동하는 슬라이더(400)의 마찰을 효과적으로 최소화할 수 있다.

구체적으로, 슬라이딩 베어링(500)에 형성된 분할 그루브(550) 및 오일 그루브(580)는 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650) 사이의 마찰을 줄일 수 있다.

특히, 오일 그루브(580)에 수용된 윤활유는 윤활 상태를 개선하여 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600)의 리니어 모션 가이드부(650) 간의 경계면에서 발생하는 마모를 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분할 그루브(550) 및 오일 그루브(580)를 통해 슬라이딩 베어링(500)과 베드(600)의 접촉면에 형성된 유막의 분포를 균일화하고 유막의 압력을 증대시켜 상대적으로 높은 하중을 지지할 수 있다.

또한, 분할 그루브(550) 및 오일 그루브(580)는 마모 입자를 포획하여 슬라이딩 베어링(500) 및 베드(600)의 손상을 억제할 수 있다.

이하, 슬라이딩 베어링(400)의 베어링 플레이트(510)를 분할하는 분할 그루브(550)의 치수별 한정에 따른 효과를 여러 실험들을 통해 살펴본다.

실험1은 분할 그루브(550)의 개수와, 깊이, 그리고 폭을 각각 변화시켜가며 마찰 계수를 측정하는 방식으로 진행하였다.

치수			평균 마찰 계수
개수(개)	깊이(mm)	폭(mm)
1	2	8	0.0166
1	2	10	0.0162
1	2	12	0.0180
1	4	8	0.0185
1	4	10	0.0183
1	4	12	0.0190
1	6	8	0.0235
1	6	10	0.0211
1	6	12	0.0260
2	2	8	0.0158
2	2	10	0.0156
2	2	12	0.0172
2	4	8	0.0184
2	4	10	0.0182
2	4	12	0.0189
2	6	8	0.0215
2	6	10	0.0211
2	6	12	0.0218
3	2	8	0.0251
3	2	10	0.0241
3	2	12	0.0272
3	4	8	0.0261
3	4	10	0.0244
3	4	12	0.0287
3	6	8	0.0288
3	6	10	0.0272
3	6	12	0.0291

표 1은 실험1의 결과값을 나타낸다. 표 1은 다른 조건은 동일한 상태로 분할 그루브(550)의 개수와, 깊이, 그리고 폭을 각각 달리하여 측정한 마찰 계수의 평균값을 나타낸다.

표 1에서, 분할 그루브(550)가 1개 또는 2개 일 때, 마찰 계수가 상대적으로 감소됨을 확인할 수 있다. 또한, 분할 그루브(550)의 깊이가 2mm 내지 4mm 이고 분할 그루프(550)의 폭이 8mm 내지 10mm 일 때, 마찰 계수가 상대적으로 감소됨을 확인할 수 있다.

특히, 분할 그루브(550)의 개수가 2개이고 분할 그루브의 깊이(550)가 2mm이며 분할 그루브(550)의 폭이 10mm일 때, 마찰 계수가 현저하게 낮아짐을 확인할 수 있다.

실험2는, 도 4에 도시한 바와 같이, 베어링 플레이트(51)에 도 3의 분할 그루브(550)는 형성되지 않으며 직각으로 절곡된 지그재그 패턴의 오일 그루브(58)를 갖는 슬라이딩 베어링(50)인 비교예와, 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 분할 그루브(550)가 형성된 슬라이딩 베어링(500)에서 분할 그루브(550)의 깊이가 2mm이고 분할 그루브(550)의 폭이 10mm인 실험예를 대비하여 마찰 계수를 측정하였다.

	오일 그루브 형상	분할 그루브 치수			평균 마찰 계수
		개수(개)	길이(mm)	폭(mm)
실험예	직선	2	2	10	0.0156
비교예	형상	분할 그루브 없음			0.0336

표 2는 실험2의 결과값을 나타낸다. 실험예와 비교예는 분할 그루브(550)의 유무에서 차이가 있다. 그리고 실험예와 비교예에서, 오일 그루브(580, 58)는 각각 형상만 상이하며, 폭과 깊이 등 전체적인 치수는 대동소이하다.

표 2에 나타난 바와 같이, 실험예는 비교예와 대비하여 마찰 계수가 2배 이상 현저히 낮음을 확인할 수 있다.

이와 같이, 실험1 및 실험2를 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계(101)의 슬라이딩 베어링(500)은 베드(600)와의 사이에서 마찰을 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

101: 공작 기계 200: 테이블
300: 스핀들 400: 슬라이더
500: 슬라이딩 베어링 510: 베어링 플레이트
550: 분할 그루브 580: 오일 그루브
600: 베드 650: 리니어 가이드 모션

Claims (7)

1. 베드;
   상기 베드 상에 직선 왕복 가능하게 설치된 슬라이더; 및
   상기 베드와 마주하는 상기 슬라이더의 일면에 설치된 슬라이딩 베어링(sliding bearing)
   을 포함하며,
   상기 슬라이딩 베어링은,
   베어링 플레이트와;
   상기 베어링 플레이트를 복수의 영역으로 분할시키는 분할 그루브; 그리고
   상기 베어링 플레이트의 분할된 영역마다 형성되어 윤활유를 공급하는 오일 그루브(oil groove)
   를 포함하고,
   상기 분할 그루브는 상기 슬라이더의 이동 방향에 교차하는 방향으로 길게 형성되며,
   상기 오일 그루브는 상기 분할 그루브와 평행하게만 형성되고,
   상기 분할 그루브가 1개 또는 2개 형성되어 상기 베어링 플레이트를 2분할 또는 3분할하며,
   상기 분할 그루브은 2mm 이상 4mm 이하 범위 내의 깊이를 가지고,
   상기 분할 그루브는 8mm 이상 10mm 미만 범위 내의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 공작 기계.
2. 제1항에서,
   상기 분할 그루브의 내부는 대기압 상태인 공작 기계.
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