KR102222253B1

KR102222253B1 - 베어링 윤활 구조가 개선된 주축

Info

Publication number: KR102222253B1
Application number: KR1020140134863A
Authority: KR
Inventors: 이상규
Original assignee: 두산공작기계 주식회사
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2021-03-04
Also published as: CN205020820U; KR20160041268A

Abstract

본 발명은, 공구를 클램핑하여 회전하는 스핀들; 상기 스핀들을 지지하는 주축 바디; 상기 스핀들의 외주면 일측에 적어도 한 개 이상 배치되는 베어링과, 상기 베어링을 수용하여 상기 스핀들의 외측에 배치되며, 일측에 오일 미스트가 유입되는 유입공과 타측에 오일 미스트가 유출되는 유출공이 형성되는 베어링 하우징을 포함하는 베어링부; 및 상기 베어링이 수용되며 오일 미스트가 유동되는 중앙홀과, 상기 베어링의 일면을 지지하며 상기 스핀들과 함께 회전하는 내측부와, 상기 베어링의 타면을 지지하며 상기 베어링 하우징에 고정되되 일측에 상기 유입공과 연통되는 제1 통공과 타측에 상기 유출공과 연통되는 제2 통공이 형성되는 외측부를 포함하고, 상기 중앙홀은 적어도 한 번 이상 경사진 경사부가 형성되는 챔퍼 칼라;를 포함하는 베어링 윤활 구조가 개선된 주축을 제공한다.

Description

베어링 윤활 구조가 개선된 주축{SPINDLE OF MACHINE TOOL PROVIDED WITH IMPROVED STRUCTURE FOR LUBRICATING A BEARING}

본 발명은 베어링 윤활유의 유동 구조가 개선된 주축에 관한 것이다.

공작기계는 각종 절삭 가공방법 또는 비절삭 가공방법으로 금속 또는 비금속의 소재(이하 모재)를 적당한 공구를 사용하여 형상 및 치수로 가공하던가 또는 더욱 정밀한 가공을 추가할 목적으로 사용되는 기계를 말한다.

이러한 공작기계에서 모재를 가공하기 위한 주축은 주축 바디에 의해 지지되고 공구를 클램핑하여 회전하는 스핀들과, 상기 주축 바디와 스핀들 사이에 배치되는 스핀들 모터 및 베어링부를 포함할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 베어링과 윤활유 유동 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에서는 윤활유를 공급하기 위해 분사되는 공기와 윤활유가 혼합된 오일 미스트(Oil mist)가 노즐 스페이서(20)를 통해 베어링(10) 하우징(30)에 수용된 베어링(10) 궤도면 또는 베어링(10)에 직접 분사된다.

여기서, 상기 베어링(10)은 스핀들의 회전에 의해 고속으로 회전되고 있으므로, 상기 베어링(10)의 회전으로써 형성되는 공기막을 뚫고 강제적으로 윤활유를 공급해야 한다. 따라서, 상기 윤활유를 유동시키는 공기는 강한 압력을 가지고 상기 노즐 스페이서(20)를 통해 상기 베어링(10)을 강타할 수 밖에 없다.

이러한 구조에서는 상기 오일 미스트의 공기가 베어링(10)을 강타 시 소음의 주파수가 급상승하게 되어 공작기계 구동 시 소음이 심하게 발생할 수 있으며, 오일 미스트의 강제 주입으로 인해 윤활유 소비량이 증가하며, 과다한 윤활유 주입으로 인해 윤활유 배출이 원활하지 않을 경우 베어링(10)이 소손되거나, 스핀들 내부로 유입되어 가공중인 모재에 오염을 야기할 수 있다.

또한, 종래와 같은 베어링(10)에 직접적인 분사 구조를 갖는 노즐 스페이서(20)는 가공이 복잡하여, 제조원가 상승 및 공기 소모량이 과다하게 발생될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 스핀들에 배치된 베어링부에 윤활의 신뢰도를 향상시키는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스핀들 회전으로 인하여 베어링에서 발생하는 소음을 감소시키고, 스핀들의 냉각 효율을 증대시켜 가공 성능이 향상된 스핀들을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 공구를 클램핑하여 회전하는 스핀들; 상기 스핀들을 지지하는 주축 바디; 상기 스핀들의 외주면 일측에 적어도 한 개 이상 배치되는 베어링과, 상기 베어링을 수용하여 상기 스핀들의 외측에 배치되며, 일측에 오일 미스트가 유입되는 유입공과 타측에 오일 미스트가 유출되는 유출공이 형성되는 베어링 하우징을 포함하는 베어링부; 및 상기 베어링이 수용되며 오일 미스트가 유동되는 중앙홀과, 상기 베어링의 일면을 지지하며 상기 스핀들과 함께 회전하는 내측부와, 상기 베어링의 타면을 지지하며 상기 베어링 하우징에 고정되되 일측에 상기 유입공과 연통되는 제1 통공과 타측에 상기 유출공과 연통되는 제2 통공이 형성되는 외측부를 포함하고, 상기 중앙홀은 적어도 한 번 이상 경사진 경사부가 형성되는 챔퍼 칼라;를 포함하는 베어링 윤활 구조가 개선된 주축을 제공한다.

또한, 상기 베어링 하우징의 외측에 배치되며, 일측에 오일 미스트 분사 노즐이 결합되어 상기 유입공과 연통되는 주입홀이 형성되고, 타측에 상기 유출공과 연통되는 토출홀이 형성되는 퀼을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 통공은 유입된 오일 미스트가 역류되지 않도록 내경이 좁아지는 링 형상이 돌출부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 경사부는 이격된 베어링 사이에서 오일 미스트의 유동방향으로 내경이 넓어지는 제1 경사면과, 상기 제1 경사면에서 내경이 다시 좁아지는 제2 경사면이 순차적으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 경사부는 상기 제1 통공에 인접한 내경보다 상기 제2 통공에 인접한 내경이 더 넓게 형성되되, 상기 제2 통공에 인접한 내경은 상기 제2 통공에 인접한 베어링 방향으로 갈수록 내경이 좁아질 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 구조적 특징으로 인해, 스핀들의 원심력을 이용하여 오일 미스트의 유동을 유도하므로 주축 구동 시 소음이 현저하게 감소되며, 베어링부의 내구성이 증가될 수 있다.

또한, 본 발명은 오일 미스트의 적정량 유동으로 인해 누유 현상이 제거되어 모재의 정밀 가공이 가능하며, 생산되는 제품의 불량 발생이 감소될 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 베어링과 윤활유 유동 경로를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀들의 측단면도.
도 3a는 도 2에 도시된 제1 베어링 및 제2 베어링에 오일 미스트가 유입되는 것을 도시한 도면.
도 3b는 도 2에 도시된 제1 베어링 및 제2 베어링에 오일 미스트가 유출되는 것을 도시한 도면.
도 4a는 도 2에 도시된 제3 베어링 및 제4 베어링에 오일 미스트가 유입되는 것을 도시한 도면.
도 4b는 도 2에 도시된 제3 베어링 및 제4 베어링에 오일 미스트가 유출되는 것을 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 당업자가 이해하는 용어의 일반적인 의미와 동일하고, 만약 본 명세서에서 사용된 용어가 당해 용어의 일반적인 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다.

다만, 이하에 기술될 발명은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것을 아니며, 명세서 전반에 걸쳐서 동일하게 사용된 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 발명은 베어링에 강제로 고압의 오일 미스트를 유동시키는 것과 달리, 오일 미스트가 베어링 내륜의 원심력에 의해 유동되는 구조적 특징을 제안한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스핀들의 측단면도이며, 도 3a는 도 2에 도시된 제1 베어링 및 제2 베어링에 오일 미스트가 유입되는 것을 도시한 도면이며, 도 3b는 도 2에 도시된 제1 베어링 및 제2 베어링에 오일 미스트가 유출되는 것을 도시한 도면이며, 도 4a는 도 2에 도시된 제3 베어링 및 제4 베어링에 오일 미스트가 유입되는 것을 도시한 도면이며, 도 4b는 도 2에 도시된 제3 베어링 및 제4 베어링에 오일 미스트가 유출되는 것을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 크게 스핀들(100), 주축 바디(200), 베어링부(300) 및 챔퍼 칼라(400, chamfer collar)를 포함할 수 있으며, 퀼(500, Quill) 또는 프론트 캡(600, Front cap)을 더 포함할 수 있다.

상기 스핀들(100)은 모재를 가공하기 위해 공구를 클램핑하여 회전하며, 상기 주축 바디(200)에 의해 지지될 수 있다. 구체적으로, 상기 스핀들(100)은 공구를 클램핑하는 콜릿(110)과, 상기 콜릿(110)의 후단에 배치되어 공구를 클램핑 또는 언클램핑 할 수 있는 힘을 제공하는 드로우바(120)와, 상기 콜릿(110) 및 드로우바(120)를 감싸는 스핀들(100) 바디를 포함할 수 있다.

한편, 상기 주축 바디(200)와 스핀들(100) 바디 사이에는 상기 스핀들(100)에 회전력을 제공하는 액추에이터(700)가 배치될 수 있다. 이러한 액추에이터(700)는 빌트인 모터로써 구현될 수 있으며, 상기 주축 바디(200) 또는 후술할 베어링 하우징(320) 내측에 배치되는 코일부(710)와, 상기 스핀들(100) 바디의 외측에서 상기 코일부(710)와 소정 간격 이격되어 배치되는 마그넷부(720)를 포함할 수 있다. 이러한 코일부(710)와 마그넷부(720)는 전원 인가시 발생되는 전자기력 및 자기력을 이용하여 상기 스핀들(100)을 회전시킬 수 있다. 물론, 상기 코일부(710)와 마그넷부(720)는 반대로 배치될 수 있다.

상기 베어링부(300)는 상기 주축 바디(200) 내부에 배치된 스핀들(100)의 원활한 회전을 가능하게 한다. 이러한 베어링부(300)는 상기 스핀들(100)의 외주면 일측에 적어도 한 개 이상 배치되는 베어링(310)(310)을 포함할 수 있으며, 예를 들어 도시된 것과 같이, 공구의 외측 위치에 배치되는 제1 베어링(310a) 및 제2 베어링(310b), 콜릿(110)의 외측 위치에 배치되는 제3 베어링(310c) 및 제4 베어링(310d) 및 상기 드로우바(120) 일측의 외측 위치에 배치되는 제5 베어링(310e)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 베어링부(300)는 상기 베어링(310)을 수용하여 상기 스핀들(100)의 외측에 배치되며, 일측에 오일 미스트가 유입되는 유입공(321)과 타측에 오일 미스트가 유출되는 유출공(322)이 형성되는 베어링 하우징(320)을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 베어링 하우징(320)의 외측에 배치되며, 일측에 미도시된 오일 미스트 분사 노즐이 결합되어 상기 유입공(321)과 연통되는 주입홀(501)이 형성되고, 타측에 상기 유출공(322)과 연통되는 토출홀(502)이 형성되는 퀼(500)을 더 포함할 수 있으며, 이러한 퀼(500)은 상기 베어링 하우징(320)과 일체형으로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 퀼(500)과 베어링 하우징(320)의 오일 미스트(Oil mist)의 유동 경로는 유입 경로와 유출 경로가 다르게 형성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 것과 같이, 퀼(500)의 주입홀(501)은 한 번 절곡되어 'ㄱ'자와 유사한 형상을 가지고, 이러한 주입홀(501)과 연통되는 유입공(321)은 세 번 절곡되어 'ㄷ'자와 유사한 형상을 가질 수 있다. 여기서, 퀼(500)의 토출홀(502)은 한 번 절곡되어 'ㄱ'자와 유사한 형상을 가지고, 이러한 토출홀(502)과 연통되는 유출공(322)은 한 번 절곡되어 'ㄴ'자와 유사한 형상을 가질 수 있다.

본 발명은 이렇게 오일 미스트의 유입 경로가 유출 경로보다 복잡하게 형성할 수 있으며, 이러한 구조적 특징은 오일 미스트의 역류를 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 챔퍼 칼라(400)는 상기 베어링 하우징(320)과 스핀들(100)의 사이에서 상기 베어링(310)을 지지할 수 있다. 구체적으로, 상기 챔퍼 칼라(400)는 상기 베어링(310)이 수용되며 오일 미스트가 유동되는 중앙홀(410)이 형성되며, 상기 베어링(310)의 일면을 지지하며 상기 스핀들(100)과 함께 회전하는 내측부(420)와, 상기 베어링(310)의 타면을 지지하며 상기 베어링 하우징(320)에 고정되되 일측에 상기 유입공(321)과 연통되는 제1 통공(431)과 타측에 상기 유출공(322)과 연통되는 제2 통공(432)이 형성되는 외측부(430)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 통공(431)은 유입된 오일 미스트가 역류되지 않도록 내경이 좁아지는 링 형상이 돌출부(431a)가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중앙홀(410)은 적어도 한 번 이상 경사진 경사부(415)가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 경사부(415)는 이격된 베어링(310) 사이에서 오일 미스트의 유동방향으로 내경이 넓어지는 제1 경사면(415a)과, 상기 제1 경사면(415a)에서 내경이 다시 좁아지는 제2 경사면(415b)이 순차적으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 경사면(415a)의 경사각은 상기 제2 경사면(415b)의 경사각보다 작게 형성되는 것이 원활한 오일 미스트의 유동을 위해 바람직할 수 있다.

또한, 상기 경사부(415)는 상기 제1 통공(431)에 인접한 내경보다 상기 제2 통공(432)에 인접한 내경이 더 넓게 형성될 수 있으며, 상기 제2 통공(432)에 인접한 내경은 상기 제2 통공(432)에 인접한 베어링(310) 방향으로 갈수록 내경이 좁아지도록 형성되어 원활한 오일 미스트의 유동을 도모할 수 있다.

또한, 이러한 경사면은 중앙홀(410)의 내측면 중 상기 외측부(430)의 내측면에 형성되는 것이 원심력을 이용함에 있어서 바람직하다.

이러한 오일 미스트의 유동 메카니즘을 설명하자면 다음과 같다.

일단, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상기 제1 베어링(310a) 및 제2 베어링(310b)에 대한 유동 구조를 살펴보자면 다음과 같다.

퀼(500)의 주입홀(501)에 오일 미스트(윤활유와 공기의 혼합물) 분사 노즐을 조립하면, 상기 미도시된 분사 노즐을 통해 상기 주입홀(501)과 연통된 유입공(321)까지 에어로 인해 소량의 오일이 이송된다.

이 후, 상기 오일은 제1 통공(431)의 내벽을 타고 낙하되고, 여기서 돌출부(431a)로 인해 오일의 역류가 효율적으로 방지될 수 있다.

이 후, 상기 낙하된 오일은 베어링(310)의 회전에 의해 의한 원심력으로 제1 베어링(310a)의 외륜을 타고 이송됨으로써 상기 제1 베어링(310a)의 윤활 및 냉각을 우수하게 도모하며, 이 후 경사면을 지나 제2 베어링(310b)의 윤활 및 냉각을 우수하게 도모할 수 있다.

이 후, 제1 베어링(310a) 및 제2 베어링(310b)의 윤활 및 냉각을 마친 오일은 유출공(322)과 제2 통공(432)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

즉, 스핀들(100) 회전으로 인해 회전하는 베어링(310)의 원심력을 통해 오일 미스트가 유동되는 것이며, 이러한 원심력에 의한 유동을 최대한 효과적으로 도모하기 위해 본 발명은 경사면을 두어 유동 효율성을 증대시킬 수 있다.

전술한 제1 베어링(310a) 및 제2 베어링(310b)의 윤활 구조는 제3 베어링(310c) 및 제4 베어링(310d)에도 그대로 적용될 수 있다.

도 4a 및 도 4b를 참조하여 상기 제3 베어링(310c) 및 제4 베어링(310d)에 대한 유동 구조를 살펴보자면 다음과 같다.

퀼(500)의 주입홀(501)에 오일 미스트(윤활유와 공기의 혼합물) 분사 노즐을 조립하면, 상기 미도시된 분사 노즐을 통해 상기 주입홀(501)과 연통된 유입공(321)까지 에어로 인해 소량의 오일이 이송된다. 여기서, 제1 베어링(310a) 및 제2 베어링(310b)을 위한 주입홀(501)과 토출홀(502)은 제3 베어링(310c) 및 제4 베어링(310d)을 위한 주입홀(501)과 토출홀(502)과는 별개로 형성될 수 있으며, 베어링 하우징(320)의 유입공(321)과 유출공(322) 또한 그러하다.

이 후, 상기 낙하된 오일은 베어링(310)의 회전에 의해 의한 원심력으로 제3 베어링(310c)의 외륜을 타고 이송됨으로써 상기 제3 베어링(310c)의 윤활 및 냉각을 우수하게 도모하며, 이 후 경사면을 지나 제4 베어링(310d)의 윤활 및 냉각을 우수하게 도모할 수 있다.

이 후, 제3 베어링(310c) 및 제4 베어링(310d)의 윤활 및 냉각을 마친 오일은 유출공(322)과 제2 통공(432)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

이러한 본 발명의 실시예는 오일 미스트의 유동 경로 구조를 효과적으로 개선하여 소량의 오일 미스트로도 안정적으로 유동시켜 가공 부위에 누유 없이 베어링(310)의 윤활 및 냉각을 우수하게 도모할 수 있으며, 이로 인해 소음 감소, 내구성 향상, 제품 정밀도와 생산성이 증가할 수 있다.

이상, 상기 설명에 의해 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이며, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위 및 그와 균등한 범위에 의하여 정해져야 한다.

100: 스핀들 110: 콜릿
120: 드로우바 130: 스핀들 바디
200: 주축 바디 300: 베어링부
310: 베어링 320: 베어링 하우징
400: 챔퍼칼라 410: 중앙홀
415: 경사부 420: 내측부
430: 외측부 500: 퀼
600: 프론트 캡 700: 액추에이터

Claims

공구를 클램핑하여 회전하는 스핀들(100);
상기 스핀들(100)을 지지하는 주축 바디(200);
상기 스핀들(100)의 외주면 일측에 적어도 한 개 이상 배치되는 베어링(310)과, 상기 베어링(310)을 수용하여 상기 스핀들(100)의 외측에 배치되며, 일측에 오일 미스트가 유입되는 유입공(321)과 타측에 오일 미스트가 유출되는 유출공(322)이 형성되는 베어링 하우징(320)을 포함하는 베어링부(300); 및
상기 베어링(310)이 수용되며 오일 미스트가 유동되는 중앙홀(410)과, 상기 베어링(310)의 일면을 지지하며 상기 스핀들(100)과 함께 회전하는 내측부(420)와, 상기 베어링(310)의 타면을 지지하며 상기 베어링 하우징(320)에 고정되되 일측에 상기 유입공(321)과 연통되는 제1 통공(431)과 타측에 상기 유출공(322)과 연통되는 제2 통공(432)이 형성되는 외측부(430)를 포함하고, 상기 중앙홀(410)은 적어도 한 번 이상 경사진 경사부(415)가 형성되는 챔퍼 칼라(400);를 포함하고,
상기 경사부(415)는 이격된 베어링(310) 사이에서 오일 미스트의 유동방향으로 내경이 넓어지는 제1 경사면(415a)과, 상기 제1 경사면(415a)에서 내경이 다시 좁아지는 제2 경사면(415b)이 순차적으로 형성되고,
상기 제1 경사면(415a)의 경사각은 상기 제2 경사면(415b)의 경사각보다 작게 형성되는, 베어링 윤활 구조가 개선된 주축.
제1항에 있어서,
상기 베어링 하우징(320)의 외측에 배치되며, 일측에 오일 미스트 분사 노즐이 결합되어 상기 유입공(321)과 연통되는 주입홀(501)이 형성되고, 타측에 상기 유출공(322)과 연통되는 토출홀(502)이 형성되는 퀼(500)을 더 포함하는 베어링 윤활 구조가 개선된 주축.
제1항에 있어서,
상기 제1 통공(431)은 유입된 오일 미스트가 역류되지 않도록 내경이 좁아지는 링 형상의 돌출부(431a)가 형성되는 베어링 윤활 구조가 개선된 주축.
삭제
제1항에 있어서,
상기 경사부(415)는 상기 제1 통공(431)에 인접한 내경보다 상기 제2 통공(432)에 인접한 내경이 더 넓게 형성되되, 상기 제2 통공(432)에 인접한 내경은 상기 제2 통공(432)에 인접한 베어링(310) 방향으로 갈수록 내경이 좁아지는 베어링 윤활 구조가 개선된 주축.