KR102264898B1 - 탄소복합소재 모터스핀들 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무게를 줄이면서 열변이 특성이 개선된 새로운 구조의 탄소복합소재 모터스핀들에 관한 것이다.
본 발명에 따른 모터스핀들은 상기 하우징(10)의 지지관부(11)가 금속재로 구성된 내부관체(11a)와, 상기 내부관체(11a)의 외측에 결합된 탄소복합재재질의 외부관체(11b)로 구성됨으로, 하우징(10)의 무게를 절감할 수 있으면서, 하우징(10)의 강도를 향상시킬 수 있으며, 하우징(10)의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.

Description

탄소복합소재 모터스핀들{carbon composite motor spindle}
본 발명은 무게를 줄이면서 열변이 특성이 개선된 새로운 구조의 탄소복합소재 모터스핀들에 관한 것이다.
일반적으로, 공작기계 등에 사용되는 모터스핀들은 도 1에 도시한 바와 같이, 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 내부에 회전가능하게 구비되며 일단은 하우징(10)의 외부로 연장된 샤프트(20)와, 상기 샤프트(20)의 외주면과 하우징(10)의 내주면에 구비된 회전자(31)와 고정자(32)로 구성되어, 전원을 인가하면 상기 샤프트(20)가 회전된다.
상기 하우징(10)은 전후방향으로 연장된 지지관부(11)와, 상기 지지관부(11)의 전후단에 각각 결합된 전후방커버부재(12,13)로 구성된 것으로, 상기 지지관부(11)와 전후방커버부재(12,13)는 강도가 높은 금속재로 구성된다.
이때, 상기 전방커버부재(12)의 중앙부에는 전후면을 관통하는 관통공(12a)이 형성된다.
상기 샤프트(20)는 도 2에 도시한 바와 같이, 전후방향으로 연장된 강도가 높은 금속재질의 원봉형상으로 구성된 것으로, 상기 하우징(10)의 내부에 회전가능하게 결합되며 전단부는 상기 전방커버부재(12)의 관통공(12a)을 통해 하우징(10)의 전방으로 연장된다.
이때, 이러한 샤프트(20)는 강도가 높은 금속재로 구성되어, 충분한 강도를 확보할 수 있도록 구성된다.
그런데, 이러한 모터스핀들은 하우징(10)과 샤프트(20) 전체가 금속재로 구성됨으로, 무게가 많이 나가고, 온도변화에 따른 팽창률이 큰 문제점이 발생되었다.
따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 되었다.
등록특허 10-0428375호,
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무게를 줄이면서 열변이 특성이 개선된 새로운 구조의 탄소복합소재 모터스핀들을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 내부에 회전가능하게 구비되며 일단은 하우징(10)의 외부로 연장된 샤프트(20)와, 상기 샤프트(20)의 외주면과 하우징(10)의 내주면에 구비된 회전자(31)와 고정자(32)를 포함하고, 상기 하우징(10)은 전후방향으로 연장된 지지관부(11)와, 상기 지지관부(11)의 전후단에 각각 결합된 전후방커버부재(12,13)를 포함하는 탄소복합소재 모터스핀들에 있어서, 상기 지지관부(11)는 금속재로 구성된 내부관체(11a)와, 상기 내부관체(11a)의 외측에 결합된 탄소복합재재질의 외부관체(11b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 외부관체(11b)는 상기 내부관체(11a)의 외주면에 탄소섬유를 권취한 후 탄소섬유에 접착제를 함침 및 경화시켜 구성된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 샤프트(20)는 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(21a)가 형성된 샤프트본체(21)와, 상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(22)을 포함하며, 상기 보강봉(22)은 접착제에 의해 상기 공간부(21a)의 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 샤프트본체(21)에 형성된 공간부(21a)는 전단부는 막히고 후단부는 개방되도록 구성되며, 샤프트본체(21)의 전단부 중앙부에는 상기 공간부(21a)에 연결되는 연통공(21b)이 형성되고, 상기 공간부(21a)의 후단부에 나사결합되는 캡(23)을 더 포함하며, 상기 보강봉(22)은 탄소재질의 축부재(22a)의 둘레면에 탄소섬유(22b)를 권취하여 구성되고, 상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)에 상기 보강봉(22)을 삽입하고, 상기 공간부(21a)의 내부에 접착제를 주입하여 접착제가 보강봉(22)에 스며들어 보강봉(22)을 경화시킴과 동시에 보강봉(22)이 공간부(21a)의 내부에 고정되도록 하고 여분의 접착제는 상기 연통공(21b)을 통해 공간부(21a)의 외측으로 배출되도록 한 후, 상기 공간부(21a)의 후단부에 상기 캡(23)을 나사결합하여 샤프트(20)를 제조하도록 된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들이 제공된다.
본 발명에 따른 모터스핀들은 상기 하우징(10)의 지지관부(11)가 금속재로 구성된 내부관체(11a)와, 상기 내부관체(11a)의 외측에 결합된 탄소복합재재질의 외부관체(11b)로 구성됨으로, 하우징(10)의 무게를 절감할 수 있으면서, 하우징(10)의 강도를 향상시킬 수 있으며, 하우징(10)의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 모터스핀들을 도시한 측단면도,
도 2는 도 1의 모터스핀들에 구비된 샤프트를 도시한 측단면도,
도 3은 본 발명에 따른 모터스핀들을 도시한 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 모터스핀들의 지지관부를 도시한 측단면도,
도 5는 본 발명에 따른 모터스핀들의 지지관부의 내부관체를 도시한 측단면도,
도 6은 본 발명에 따른 모터스핀들의 샤프트를 도시한 측단면도,
도 7은 본 발명에 따른 모터스핀들의 샤프트의 분해상태를 도시한 측단면도,
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 모터스핀들의 샤프트의 제조방법을 도시한 참고도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 10은 본 발명에 따른 탄소복합소재 모터스핀들을 도시한 것으로, 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 내부에 회전가능하게 구비되며 일단은 하우징(10)의 외부로 연장된 샤프트(20)와, 상기 샤프트(20)의 외주면과 하우징(10)의 내주면에 구비된 회전자(31)와 고정자(32)로 구성된 것은 종래와 동일하다.
이때, 상기 하우징(10)은 전후방향으로 연장된 지지관부(11)와, 상기 지지관부(11)의 전후단에 각각 결합된 전후방커버부재(12,13)로 구성된다.
그리고, 본 발명에 따르면, 상기 지지관부(11)는 금속재로 구성된 내부관체(11a)와, 상기 내부관체(11a)의 외측에 결합된 탄소복합재재질의 외부관체(11b)로 구성된다.
상기 내부관체(11a)는 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 전체 형상은 종래의 모터스핀들의 하우징(10)에 구비된 지지관부(11)와 동일하게 구성되되, 중간부 외주면에는 오목부가 형성된다.
상기 외부관체(11b)는 상기 오목부에 탄소섬유를 권취한 후 탄소섬유에 접착제를 함침 및 경화시켜 구성된다.
상기 탄소섬유는 PAN based 탄소섬유나, Pitch based 탄소섬유를 이용할 수 있으며, 상기 하우징(10)에 부여하고자 하는 성질에 따라 적절한 것을 기타 다양한 종류의 탄소섬유를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 접착제는 액상의 에폭시수지에 경화재를 혼합한 것을 이용한다.
따라서, 상기 내부관체(11a)의 오목부에 정해진 두께만큼 탄소섬유를 권취한 후, 탄소섬유에 액상의 접착제를 도포하여 접착제가 탄소섬유에 스며들도록 하고, 일정시단동안 건조시키면 접착제가 경화되어 탄소섬유를 고정함으로써, 상기 외부관체(11b)가 상기 내부관체(11a)의 오목부에 견고하게 고정되도록 제조된다.
그리고, 상기 샤프트(20)는 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(21a)가 형성된 샤프트본체(21)와, 상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(22)으로 구성되며, 상기 보강봉(22)은 접착제에 의해 상기 공간부(21a)에 고정된다.
이를 자세히 설명하면, 상기 샤프트본체(21)는 외형은 종래의 샤프트(20)과 동일한 형태로 구성되며, 내부에는 전단부는 막히고 후단부는 개방된 공간부(21a)가 형성된다.
상기 공간부(21a)는 전후단의 내경이 일정한 원형 구멍형태로 구성된다.
이때, 상기 샤프트본체(21)의 전단부 중앙부에는 상기 공간부(21a)와 연결되는 연통공(21b)이 형성되고, 상기 공간부(21a)의 후단부에는 금속재질의 캡(23)이 나사결합된다.
상기 보강봉(22)은 탄소재질의 축부재(22a)의 둘레면에 탄소섬유(22b)를 권취하여 구성된다.
상기 축부재(22a)는 펄트루젼 탄소복합재 막대나 인발성형 탄소복합재 막대를 이용한다.
상기 탄소섬유(22b)는 PAN based 탄소섬유나, Pitch based 탄소섬유를 이용한다.
이러한 탄소섬유(22b)는 상기 샤프트(20)에 부여하고자 하는 성질에 따라 적절한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
따라서, 도 8에 나타난 바와 같이, 상기 축부재(22a)를 척 등에 고정하여 축부재(22a)를 일정한 속도로 회전시키면서, 탄소섬유(22b)가 축부재(22a)의 둘레면에 일정한 두께로 감기도록 함으로써 상기 보강봉(22)을 생산할 수 있다.
이때, 상기 보강봉(22)의 외경은 상기 공간부(21a)의 내경에 대응되도록 조절된다.
그리고, 상기 보강봉(22)의 외주면에 감겨진 탄소섬유(22b)는 접착제에 의해 경화됨과 동시에 상기 공간부(21a)의 내부에 고정된다.
이때, 상기 접착제는 액상의 에폭시수지에 경화재를 혼합한 것을 이용한다.
이러한 샤프트(20)의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 샤프트본체(21)와 보강봉(22)을 제조한다.
그리고, 도 9에 도시한 바와 같이, 상기 연통공(21b)이 하측을 향하도록 샤프트본체(21)를 고정한 후, 상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)의 내부에 상기 보강봉(22)을 삽입한다.
그리고, 도 10에 도시한 바와 같이, 주입기(33)를 이용하여 상기 공간부(21a)의 내부로 충분한 양의 접착제를 주입한다.
이와 같이, 공간부(21a)에 접착제를 주입하면, 접착제는 하측으로 흘러내리면서 보강봉(22)의 탄소섬유(22b)에 흡수되면서 보강봉(22) 전체가 접착제에 함침되는 효과를 얻게 된다.
이때, 상기 공간부(21a)의 내부로 주입된 접착제 중에서 여분의 접착제는 도 10에 화살표로 도시한 바와 같이, 상기 연통공(21b)을 통해 공간부(21a)의 외측으로 배출된다.
그리고, 상기 공간부(21a)의 내부로 주입된 접착제가 연통공(21b)을 통해 배출되는 것이 확인되면, 상기 공간부(21a)의 후단부에 상기 캡(23)을 나사결합하여 공간부(21a)의 후단부를 밀폐한다.
이와 같이 캡(23)을 공간부(21a)의 후단부에 나사결합한 후 시간이 경과되면 상기 접착제가 경화되며, 이와 같이 경화된 접착제에 의해 보강봉(22)이 보강함과 동시에 보강봉(22)이 공간부(21a)의 내부에 고정된다.
따라서, 완성된 샤프트(20)에 강도와 탄성이 향상됨과 동시에 완성된 샤프트(20)가 적절한 열변이 특성을 갖게 된다.
이와 같이 구성된 모터스핀들은 상기 하우징(10)의 지지관부(11)가 금속재로 구성된 내부관체(11a)와, 상기 내부관체(11a)의 외측에 결합된 탄소복합재재질의 외부관체(11b)로 구성됨으로, 하우징(10)의 무게를 절감할 수 있으면서, 하우징(10)의 강도를 향상시킬 수 있으며, 하우징(10)의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 샤프트(20)는 금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(21a)가 형성된 샤프트본체(21)와, 상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(22)으로 구성되고, 상기 보강봉(22)은 접착제에 의해 상기 공간부(21a)의 내부에 고정됨으로, 전체가 금속재로 구성된 종래의 샤프트(20)에 비해 20~25%의 무게 감소효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 강도가 향상되고, 샤프트(20)의 열변이 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
10. 하우징 20. 샤프트

Claims (4)

  1. 하우징(10)과,
    상기 하우징(10)의 내부에 회전가능하게 구비되며 일단은 하우징(10)의 외부로 연장된 샤프트(20)와,
    상기 샤프트(20)의 외주면과 하우징(10)의 내주면에 구비된 회전자(31)와 고정자(32)를 포함하고,
    상기 하우징(10)은
    전후방향으로 연장된 지지관부(11)와,
    상기 지지관부(11)의 전후단에 각각 결합된 전후방커버부재(12,13)를 포함하는 탄소복합소재 모터스핀들에 있어서,
    상기 지지관부(11)는
    금속재로 구성된 내부관체(11a)와,
    상기 내부관체(11a)의 외측에 결합된 탄소복합재재질의 외부관체(11b)를 포함하고,
    상기 샤프트(20)는
    금속재질의 봉형상으로 구성되며 내부에는 공간부(21a)가 형성된 샤프트본체(21)와,
    상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)의 내부에 삽입고정되는 탄소복합재 재질의 보강봉(22)을 포함하며,
    상기 보강봉(22)은 접착제에 의해 상기 공간부(21a)의 내부에 고정되는 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 외부관체(11b)는
    상기 내부관체(11a)의 외주면에 탄소섬유를 권취한 후 탄소섬유에 접착제를 함침 및 경화시켜 구성된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트본체(21)에 형성된 공간부(21a)는 전단부는 막히고 후단부는 개방되도록 구성되며,
    샤프트본체(21)의 전단부 중앙부에는 상기 공간부(21a)에 연결되는 연통공(21b)이 형성되고,
    상기 공간부(21a)의 후단부에 나사결합되는 캡(23)을 더 포함하며,
    상기 보강봉(22)은 탄소재질의 축부재(22a)의 둘레면에 탄소섬유(22b)를 권취하여 구성되고,
    상기 샤프트본체(21)의 공간부(21a)에 상기 보강봉(22)을 삽입하고, 상기 공간부(21a)의 내부에 접착제를 주입하여 접착제가 보강봉(22)에 스며들어 보강봉(22)을 경화시킴과 동시에 보강봉(22)이 공간부(21a)의 내부에 고정되도록 하고 여분의 접착제는 상기 연통공(21b)을 통해 공간부(21a)의 외측으로 배출되도록 한 후, 상기 공간부(21a)의 후단부에 상기 캡(23)을 나사결합하여 샤프트(20)를 제조하도록 된 것을 특징으로 하는 탄소복합소재 모터스핀들.
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