KR20010037052A - 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조에 관한 것으로서, 특히 스핀들과 풀리를 키이 사용없이 결합가능하도록 한 연결구조이다.

이러한 본 발명의 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조는, 스핀들(50)의 외경부에 나사부(52)가 마련되어, 이의 나사부(52)에 상기 엔드 플레이트(24)를 지지하기 위한 베어링너트(20)가 체결되며, 상기 나사부(52)로부터 연장된 스핀들(50)의 단부 부분에 소정의 직경을 갖는 파일럿 축부(54)가 형성됨과 아울러, 상기 풀리(70)의 보스부(72)에는 상기 스핀들(50)의 파일럿 축부(54)에 대응하여 소정 깊이를 갖는 파일럿 구멍부(74)가 형성되어서, 상기 파일럿 축부(54) 외경과 상기 파일럿 구멍부(74) 내경이 끼워맞춤으로 결합됨과 동시에 상기 파일럿 축부(54)의 단부면(56)이 상기 파일럿 구멍부(74)의 내저면(76)에 밀착되어 결합되고, 밀착된 상기 스핀들(50) 및 스핀들(50)의 단부면(56) 및 내저면(76)은 상기 풀리(70)의 외측단면으로부터 복수개의 볼트(90)으로써 축방향으로 체결고정됨을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 스핀들과 풀리 조립부의 틈새를 제거하여 주축의 회전 안정성을 향상시킴으로써 선반의 고속화 및 고정도화를 구현가능함과 아울러, 스핀들의 강성 향상과 분해.조립이 용이하도록 하고 있다.

Description

자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조{Connecting structure for coupling a pully to a spindle in a main shaft unit of automatic lathe}

본 발명은 자동선반의 주축에서 스핀들과 풀리 연결구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 키이(key)의 사용이 없는 단면 체결 구조의 연결방식을 채용하여 스핀들과 풀리 조립부의 틈새를 제거하여 주축의 회전 안정성을 향상시킴으로써 선반의 고속화 및 고정도화를 구현가능함과 아울러, 스핀들의 강성 향상과 분해.조립이 용이하도록 된 자동선반의 주축에서 스핀들과 풀리 연결구조에 관한 것이다.

잘 아는 바와 같이, NC 선반, CNC 선반, 머시닝센터 등의 자동선반은 크게 주축(센터)과 공구대(툴포스트)로 이루어지는 서보기구를 제어시스템에 의하여 자동으로 제어하면서 회전절삭작업을 수행하게 된다.

이러한 자동선반에서의 주축은 모터로부터 동력을 전달 받아 회전하는 스핀들상에 척을 갖추고 있으며, 이의 척에 공작물을 셋팅하여 공작물을 회전시키면서 절삭작업을 수행하게 되는 바, 스핀들의 회전 안정성은 공작물의 절삭 정밀도에 가장 큰 영향을 미치게 된다.

여기서, 스핀들의 회전 안정성은 스핀들 자체의 정밀도 뿐만 아니라, 베어링 지지 방법 및 모터로부터 동력을 전달받기 위한 풀리와 상기 스핀들과의 연결상태에 의하여 정해지게 되는데, 이중 스핀들의 정밀도나 베어링 지지방법은 이 분야에서 상당한 발전을 거듭하여 현재에는 매우 안정된 기술을 유지하고 있어, 실질적으로 스핀들의 회전 안정성은 풀리와 스핀들의 연결구조에 의하여 정해진다고 할 수 있다.

첨부도면 도 1a 및 도 1b는 종래의 풀리와 스핀들의 연결구조를 설명하기 위한 자동선반의 주축구조의 일례를 도시한 것으로서, 주축(2)의 회전부분을 이루는 스핀들(10)은 선반의 몸체 일측에 고정되는 헤드스톡(12)에 다수의 베어링(14a,14b,14c)으로 회전가능하게 지지되어 있고, 도 1a를 기준으로 스핀들(10)의 하단부에는 풀리(16)가 결합되어 있으며, 이의 풀리(16)는 선반 몸체의 또 다른 일측에 구비된 모터(도시생략)측의 풀리와 벨트(도시생략)로써 연결되어서 모터로부터의 동력을 전달받아 스핀들(10)을 회전시키게 되어 있다. 도면에도시된 상태를 기준으로 하면 상기 스핀들(10)의 상단부에 공작물을 셋팅하기 위한 척이 장착되게 된다.

여기서, 상기 스핀들(10)과 풀리(16)의 결합관계를 상세히 살펴보면, 스핀들(10)의 외경과 풀리(16)의 보스(boss)부 내경에 서로 대응하는 키홈(10a)(16a)을 마련하고, 이의 키홈(10a)(16a)에 키이(18)를 박음하여 결합한 다음, 풀리(16)의 보스부 단부측에서 스핀들(10)에 베어링너트(20)를 체결하여 고정하고 있다. 상기 베어링너트(20)는 풀리(16)를 베어링(14b)측으로 밀착시켜, 풀리(16)의 다른쪽에서 스핀들(10)에 키이(22)로써 연결된 인너 엔드 플레이트(24)를 베어링(14b)의 내륜에 밀착시키게 된다. 상기 베어링(14b)의 외륜은 도시된 바와 같이 상기 헤드스톡(12)에 체결되는 아웃터 엔드 플레이트(26)에 의하여 지지된다.

위와 같은 종래의 스핀들과 풀리의 연결구조에서, 스핀들과 풀리를 원활하게 조립하기 위하여서는 스핀들의 외경과 풀리의 보스부 내경사이의 틈새를 통상 0.005mm ~ 0.015mm를 유지하는데, 스핀들과 풀리가 회전하면 벨트 장력으로 인하여 1회전마다 풀리가 반경방향으로 상기 틈새만큼 움직이는 현상이 반복하여 발생하게 된다. 이에따라 스핀들에 진동 및 소음이 발생함과 아울러 베어링과 각부분에 무리한 하중을 추가킴으로써, 결국에는 스핀들의 정도, 수명, 강성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 특히 공작물의 가공 정밀도를 저하시키게 되고, 나아가 정밀 가공을 위한 스핀들의 고속화를 이룰 수 없는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소코자 틈새를 줄이기 위해서는 풀리의 진원도, 원통도 등의 규제치도 같이 줄여줘야 하기 때문에 현실적으로 가공의 난점에 봉착하게 되며, 설사 가공이 가능하다고 하더라도 막대한 비용이 투입되는 관계로 현실적으로는 적정선에서 타협하는 결과를 초래하며, 틈새를 없애고 죔새를 유지하여서 억지끼워맞춤으로 변경하고자 할 경우에는 키이 맞춤까지 동시작업이 필요하여 조립작업이 불가능함과 아울러, 추후 보전시에 분해작업이 곤란해지는 문제가 발생하게 된다.

첨부도면 도 2는 종래의 다른 예를 도시한 것으로, 이는 앞선 예에서 발생하는 스핀들(10)과 풀리(16) 사이의 틈새를 없애기 위하여 스핀들(10)과 풀리(16)의 결합부를 테이퍼로 형성하여 결합시킨 구조를 나타내고 있다.

즉, 스핀들(10)의 외경과 풀리(16)의 보스부 내경을 테이퍼부(TP)로 형성하하여 결합하면서 풀리(16)의 보스부 단부와 인너 엔드 플레이트(24) 사이에 링 디스턴스(28)를 개재한 구조를 갖추고 있는 것으로, 조립시에는 상기 링 디스턴스(28)의 두께를 연삭 등의 방법으로 조절해 가면서 스핀들(20)과 풀리(16)의 테이퍼부(TP)의 결합정도를 조정하도록 하는 결합방식이다.

위와 같은 결합방식을 채용할 경우에는 테이퍼에 의하여 스핀들과 풀리의 틈새를 제거할 수 있으나, 테이퍼 가공에 원가가 상승함과 아울러, 링 디스턴스(28)의 두께를 미세하게 수차례에 걸쳐 조정해 가면서 조립하여야 하므로 조립시에 많은 시간과 노력을 투입하여야 하는 문제가 있다.

더욱이 각 스핀들과 각 풀리의 테이퍼부 가공 편차에 의하여 풀리가 결합되는 위치 즉, 풀리의 축방향 고정위치가 항상 변하게 된다. 이에 상응하여 상기 풀리와 벨트 연결되는 모터측의 풀리의 위치도 변화되어야 하기 때문에 모터측의 풀리 위치를 조정하기 위한 별도의 장치가 필요하게 되는 부담이 있다.

또한, 상기 두 가지의 종래예에서 공통적으로 안고 있는 문제는 두 가지의 예가 모두 키이 고정방식이기 때문에 키홈에 응력이 집중하게 되어 스핀들의 강성이 떨어지게 되고, 또한, 회전 밸런스를 맞추기 위하여 키이를 양쪽에 대칭으로 장착하여야 하는 바, 키이의 대칭도 편차에 의하여 회전 밸런스가 어긋나게 되는 문제가 있으며, 자연적으로 스핀들 및 풀리의 키홈과 키이의 측면 사이에 백래시(틈새)가 존재하여 스핀들이 정회전과 역회전을 반복적으로 수행하면 백래시 만큼 회전방향으로의 움직임이 발생하여 진동 및 소음을 가중시키는 원인이 된다.

나아가, 키홈의 형성에 의한 강성을 고려하여 풀리의 보스부 길이를 길게 하여야 하는 관계로 보스부의 내경연삭비용이 상승되고 풀리의 중량관성 모멘트가 상승하여 스핀들의 안정적인 회전에 좋지 않은 영향을 주게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 키이의 사용이 없는 단면 체결 구조의 연결방식 및 스핀들과 풀리의 억지끼워맞춤이 가능한 연결방식을 채용함으로써 스핀들과 풀리 조립부의 틈새를 제거하고, 이로써 주축의 회전 안정성을 향상시켜 궁극적으로 선반의 고속화 및 고정도화를 구현가능함과 아울러, 스핀들의 강성이 향상되고 분해.조립에도 유리한 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조를 제공함에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 선반의 주축에서 스핀들과 풀리 연결구조는, 상기 스핀들의 외경부에 나사부가 마련되어, 이의 나사부에 상기 엔드 플레이트를 지지하기 위한 베어링너트가 체결되며, 상기 나사부로부터 연장된 스핀들의 단부 부분에 소정의 직경을 갖는 파일럿 축부가 형성됨과 아울러, 상기 풀리의 보스부에는 상기 스핀들의 파일럿 축부에 대응하여 소정 깊이를 갖는 파일럿 구멍부가 형성되어서, 상기 파일럿 축부 외경과 상기 파일럿 구멍부 내경이 끼워맞춤으로 결합됨과 동시에 상기 파일럿 축부의 단부면이 상기 파일럿 구멍부의 내저면에 밀착되어 결합되고, 밀착된 상기 스핀들 및 스핀들의 단부면 및 내저면은 상기 풀리의 외측단면으로부터 복수개의 볼트으로써 축방향으로 체결고정됨을 특징으로 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 스핀들과 풀리 연결구조의 일례를 나타내는 것으로서, 도 1a는 주축 단면도, 도 1b는 도 1a의 A-A단면도

도 2는 종래의 스핀들과 풀리의 또 따른 연결구조를 나타내는 것으로서, 도 1a에 준하여 풀리의 연결부위만을 확대하여 도시한 확대 단면도

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 스핀들과 풀리의 연결구조를 나타내는 것으로서, 도 3a는 위부터 아래로 주축 전체 단면도와 저면도, 도 3b는 요부 분리 확대단면도, 도 3c는 요부 결합 확대단면도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

12 : 헤드스톡 14a,14b,14c : 베어링

18,22 : 키이 20 : 베어링너트

24 : 인너 엔드 플레이트 26 : 아웃터 엔드 플레이트

50 : 스핀들 52 : 나사부

54 : 파일럿 축부 56 : 단부면

70 : 풀리 72 : 보스부

74 : 파일럿 구멍부 76 : 내저면

90 : 볼트

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 스핀들과 풀리의 연결구조를 나타내는 것으로서, 도 3a는 위부터 아래로 주축 전체 단면도와 저면도이고, 도 3b는 요부 분리 확대단면도이며, 도 3c는 요부 결합 확대단면도이다.

도 1 및 도 2와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하며, 그 반복되는 설명은 생략한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 주축(100)에서 스핀들(50)과 풀리(70)의 연결구조는, 상기 스핀들(50)의 후단부를 지지하는 베어링(14b)으로부터 스핀들(50) 단부측으로 아웃터 및 인너 엔드 플레이트(26,24), 베어링너트(20), 그리고 풀리(70)가 순차적으로 배치된 구조로서, 베어링(14b)의 측단을 지지하는 아웃터 및 인너 엔드 플레이트(26,24)를 베어링너트(20)가 직접 지지하면서, 스핀들(50) 단부에 풀리(70)를 끼워맞춘 후, 스핀들(50) 단면과 풀리(70)의 단면을 다수의 볼트(90)로써 축방향으로 체결한 구조이다.

다음, 도 3b 및 도 3c는 상기한 연결구조를 보다 상세하게 도시한 것으로서, 상기 엔드 플레이트(24)로부터 연장된 상기 스핀들(50)의 외경부에 나사부(52)가 마련되고, 이의 나사부(52)에 베어링너트(20)가 체결되어 상기 엔드 플레이트(24)를 상기 베어링(14b)측으로 밀착지지하게 된다.

그리고, 상기 나사부(52)로부터 연장된 스핀들(50)의 단부 부분에 소정의 직경을 갖는 파일럿 축부(54)가 소정길이로 형성되고, 상기 풀리(70)의 보스부(72)에는 상기 스핀들(50)의 파일럿 축부(54)에 대응하는 파일럿 구멍부(74)가 상기 파일럿 축부(54)의 길이보다 짧은 깊이로 형성되어서, 상기 파일럿 축부(54) 외경과 상기 파일럿 구멍부(74) 내경이 다소의 죔새를 유지하는 끼워맞춤으로 결합되며, 동시에 상기 파일럿 축부(54)의 단부면(56)이 상기 파일럿 구멍부(74)의 내저면(76)에 밀착결합된다.

또한, 상기 스핀들(50)의 단부면(56)에는 축방향으로 다수의 탭홀(58)이 등간격(등각)으로 형성되고, 상기 풀리(70)에는 이의 탭홀(58)에 대응하여 다수의 체결공(78)이 형성되며, 상기 탭홀(58)과 체결공(78)에 대응하여 나사부(92)와 섕크부(94)를 갖는 볼트(90)가 마련되어서, 전술한 바와 같이 상기 스핀들(50)에 풀리(70)를 끼워맞춤한 상태에서 상기 볼트(90)를 풀리(70)의 체결공(78)을 통과시켜 스핀들(50)의 탭홀(58)에 체결하는 구조를 갖는다.

여기서, 상기 파일럿 축부(54) 특히 파일럿 구멍부(74)의 길이는 조립시 풀리(70)와 스핀들(50)의 결합 동심도를 설계범위 이내로 유지가능한 범위내에서 가급적 짧게 유지하는 것이 바람직하다. 이렇게 끼워맞춤 길이를 짧게 유지함으로써 풀리의 분리.결합이 용이하게 되고, 또 이에따라 파일럿 축부(54)와 파일럿 구멍부(74)의 끼워맞춤에 있어 죔새를 유지하여도 분리,결합에 무리가 없으므로 결국, 끼워맞춤부에서의 틈새를 제거가 가능한 것이다. 파일럿 축부(54)와 파일럿 구멍부(74) 끼워맞춤시의 죔새는 앞서 설명한 바와 같이 풀리(70)의 분리.결합에 무리가 없을 정도로 설정하여야 함과 아울러 생산되는 물품마다 균일하면서 정밀한 품질을 유지할 수 있는 범위내에서 설정되어야 하는 바, 바람직하게는 0.007mm 이내의 죔새(다시말해, 파일럿 구멍부(74)의 내경에서 파일럿 축부(54)의 외경을 뺀 값이 -0.007mm ~ 0.000mm, 또는 파일럿 축부(54)의 외경에서 파일럿 구멍부(74)의 내경을 뺀 값이 0.000 ~ 0.007mm 임)를 유지하고, 보다 바람직하게는 0.003mm의 죔새를 유지하는 것이다.

본 발명에서 위와 같이 좁은 범위의 죔새를 유지할 수 있는 것은, 전술한 바와 같이 파일럿 축부(54)와 파일럿 구멍부(74)의 끼워맞춤 길이를 짧게 유지할 수 있는 관계로 이 부분의 가공성이 매우 향상되어 특히 풀리(70)의 파일럿 구멍부(74)의 원통도 및 진원도를 정밀하게 유지할 수 있기 때문이다. 잘 아는 바와 같이 내경연삭에서는 연삭숫돌의 직경이 가공부의 직경보다 매우 작으며 고속회전하기 때문에 연삭숫돌의 마모가 심하므로 내경 사상부의 길이가 긴 경우에는 원통도를 정밀하게 유지하기 어려운 것이 사실이며, 본 발명에서는 이러한 내경연삭의 난점을 고려하여 파일럿 구멍부(74)의 사상 길이를 최소로 할 수 있는 연결 구조를 제시하고 있는 것이다.

한편, 상기와 같은 본 발명에서, 절삭작업을 수행할 시, 모터로부터 풀리(70)에 동력이 전달되면, 풀리(70)의 회전력은 볼트(90) 체결에 의한 스핀들(50)의 단부면(56)과 풀리(70) 내저면(76) 사이의 접촉 마찰력, 그리고 볼트(90)의 전단력에 의하여 스핀들(50)에 전달되어 스핀들(50)을 회전시키게 된다.

이러한 본 발명에 따른 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조는 종래의 키이 결합방식을 배제하고 스핀들(50)의 파일럿 축부(54)와 풀리(70)의 파일럿 구멍부(74)가 죔새를 유지하는 상태로 결합됨과 아울러, 스핀들(50)의 단부면(56)과 풀리(70)의 내저면(76)이 볼트(90) 체결에 의하여 단단하게 밀착되는 구조로서, 스핀들(50)과 풀리(70) 조립부의 틈새가 제거됨에 따라서 회전시 진동 및 소음을 현격하게 줄일 수 있으며, 이에따라 주축의 회전 안정성(회전 밸런스)이 향상되게 된다.

또한, 스핀들(50)의 파일럿 축부(54) 외경과 풀리(70)의 파일럿 구멍부(74) 내경은 동력전달과 거의 관계없이 조립시에 동심도를 유지하는 목적으로만 사용되는 구조로서, 그 끼워맞춤 길이를 짧게 유지할 수 있으므로 이 부분의 가공성이 향상되는 것이다. 따라서, 스핀들(50)의 파일럿 축부(54) 외경과 특히 풀리(74)의 파일럿 구멍부(74) 내경부의 원통도 및 동심도를 정밀하게 유지할 수 있으므로 끼워맞춤부를 좁은 범위의 죔새로 정밀하게 유지할 수 있다.

또한, 키이가 없는 연결구조로서, 스핀들(50)과 풀리(70)에 키홈 가공이 필요 없고, 도 1에서 제시한 종래의 예에서와 같은 조립시 키이의 추가 다듬질이나, 도 2에서 제시한 종래의 예에서와 같은 링 디스턴스의 추가 다듬질도 필요 없으며, 키홈에 의한 응력집중 현상을 예방하여 스핀들(50)의 강성을 향상시킴과 아울러, 키이와 키홈 사이의 백래시 문제도 없어 스핀들(50)의 보다 안정적인 회전 상태를 유지할 수 있다.

나아가, 스핀들(50)과 풀리(70)의 결합시 각각의 단부면(54)과 내저면(74)이 밀착 조립되는 구조이기 때문에 풀리(70)의 결합위치가 항상 일정하여 도 2에서 제시한 종래의 예에서와 같이 모터측의 풀리 위치를 별도로 조정할 필요가 없으며, 끼워맞춤부의 길이를 짧게 할 수 있는 구조이기 때문에 스핀들(50)과 풀리(70)가 억지끼워맞춤 되더라도 조립과 분리가 용이하다.

본 발명은 이상과 같은 잇점들에 따라서 주축의 생산비용의 저감과 보전의 편리함을 제공하며, 특히 주축의 회전 안정성 향상에 따른 주축의 고속화 및 고정도화에 유리하므로 결국, 자동선반에서의 절삭정밀도를 향상시킬 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 자동선반의 몸체 일측에 고정되는 헤드스톡(12) 내측에 다수의 베어링에 의하여 회전가능하게 지지되는 스핀들(50)과, 이의 스핀들(10) 단부에 결합되어서 선반 몸체의 또 다른 일측에 구비된 모터측 풀리와 벨트로써 연결되는 풀리(70)를 포함하는 자동선반의 주축에 있어서,

   상기 베어링 중 상기 풀리(60)에 근접한 베어링의 측단을 지지하는 엔드 플레이트(24)로부터 연장된 상기 스핀들(50)의 외경부에 나사부(52)가 마련되어, 이의 나사부(52)에 상기 엔드 플레이트(24)를 지지하기 위한 베어링너트(20)가 체결되며,

   상기 나사부(52)로부터 연장된 스핀들(50)의 단부 부분에 소정의 직경을 갖는 파일럿 축부(54)가 형성됨과 아울러, 상기 풀리(70)의 보스부(72)에는 상기 스핀들(50)의 파일럿 축부(54)에 대응하여 소정 깊이를 갖는 파일럿 구멍부(74)가 형성되어서, 상기 파일럿 축부(54) 외경과 상기 파일럿 구멍부(74) 내경이 끼워맞춤으로 결합됨과 동시에 상기 파일럿 축부(54)의 단부면(56)이 상기 파일럿 구멍부(74)의 내저면(76)에 밀착되어 결합되고,

   밀착된 상기 스핀들(50) 및 스핀들(50)의 단부면(56) 및 내저면(76)은 상기 풀리(70)의 외측단면으로부터 복수개의 볼트(90)으로써 축방향으로 체결고정됨을 특징으로 하는 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 스핀들(50)의 파일럿 축부(54) 외경과 상기 풀리(70)의 파일럿 구멍부(74) 내경의 끼워맞춤은 0.007mm 이내의 죔새를 유지함을 특징으로 하는 자동선반 주축에서의 스핀들과 풀리 연결구조.