KR20020059108A - 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양단을 볼베어링을 지지하도록 구성된 주축의 열변위를 흡수하기 위해 슬라이딩 구조로 된 후열하우징과 메인하우징 간의 미끄럼면의 마찰계수를 낮추기 위하여 후열하우징의 외주면에 그리스 포켓을 가공하거나 메인하우징에 오일리스 베어링을 설치한 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조에 관한 것으로, 볼베어링인 전열베어링(62a)(62b)과 후열베어링(72a)(72b)에 의해 주축(40)의 양단이 지지되고, 후열베어링(72a)(72b)을 지지하는 후열하우징(70)이 메인하우징(50)에서 축방향으로 움직일 수 있도록 구성된 주축에 있어서, 상기 후열하우징(70)의 외주면(70a)에 그리스 포켓(70b)을 형성하여 구성된 것이다.

Description

고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조{spindle bearing support structure for high speed}

본 발명은 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 양단을 볼베어링을 지지하도록 구성된 주축의 열변위를 흡수하기 위해 슬라이딩 구조로 된 후열하우징과 메인하우징 간의 미끄럼면의 마찰계수를 낮추기 위하여 후열하우징의 외주면에 그리스 포켓을 가공하거나 메인하우징에 오일리스 베어링을 설치한 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조에 관한 것이다.

일반적으로 머시닝센터의 주축의 회전정밀도는 가공정도에 직접적인 영향을 주기 때문에 회전시 축방향 및 축의 직각방향으로의 미동을 방지하여야 정밀가공이 가능하게 된다.

이와 같은 종래 머시닝센터용 주축의 구조를 첨부도면 도1에 도시하였는데, 이에 도시된 바와 같이 주축(20)의 앞쪽을 지지하는 전열베어링(22a)(22b)(22c)(22d)은 볼베어링의 일종인 앵귤러콘택트 베어링으로 구성되고, 주축(20)의 후미부분을 지지하는 후열베어링(24)은 롤러베어링으로 구성되어 있었다.

위와 같은 전열베어링(22a)(22b)(22c)(22d)의 외륜은 베어링커버(27)에 의해 하우징(26)에 고정되고, 그 내륜은 베어링 슬리브(28)에 의해 주축(20)에 형성된 턱에 고정되는 구조로 되어 있었으며, 각각의 전열베어링(22a)(22b)(22c)(22d)은 두 개씩 짝을 이루어 각각 상반된 축방향으로 예압이 걸리도록 설치되어 양쪽에서 작용되는 축방향 하중과 축의 직각방향으로 작용되는 하중을 동시에 지지하는 구조로 되어 있었다.

또한, 후미부분에 설치된 후열베어링(24)의 내륜은 주축(20)에 설치되는 베어링슬리브(30)에 의해 주축(20)의 턱부분에 고정되어 있었고, 그 외륜은 베어링커버(32)에 의해 하우징(26)에 고정되어 주축(20)의 휨강성을 향상시키고 회전시의 흔들림을 최소화하여 주축(20)의 회전안정성을 향상시키는 작용을 하도록 되어 있었다.

또한, 주축(20)의 후미부분에 설치된 후열베어링(24)은 전열베어링(22a)(22b)(22c)(22d)과는 달리 축방향으로는 구속하지 않고, 축의 직각방향으로 작용되는 하중만을 지지하는 구조로 되어 있었으며, 주축(20)의 열변위에 대해 축방향으로 움직이면서 열변형을 흡수하도록 구성되어 있었다.

즉, 주축(20)이 고속회전을 하게 되면, 구름접촉부위나 미끄럼접촉부위 등에서 발생되는 마찰열로 인해 열변형을 일으키게 되는데, 특히 주축(20)은 다른 구성품에 비해 축방향으로 길게 만들어지기 때문에 열변위가 누적되어 축방향으로 큰 움직임을 보이게 되며, 만일 전,후 베어링으로 주축(20)의 양단을 축방향으로 구속하게 되면, 주축(20)의 열변형이 전후 축방향으로 일어나게 되어 가공정밀도가 떨어지게 되며, 베어링 수명을 단축시키고, 열변형이 심할 경우 베어링이 파손될 수도 있게 된다.

때문에 공구가 물리는 부분인 전열베어링(22a)(22b)(22c)(22d)이 위치된 부분의 반대방향으로 열변형을 유도하기 위하여 후열베어링(24)에 축방향 예압을 가하지 않고 축방향으로 움직일 수 있는 구조로 만들어지게 되었다.

그러나, 이와 같은 종래의 주축은 전열베어링(22a)(22b)(22c)(22d)에 사용된 앵귤러콘택트 베어링이 볼베어링의 일종이어서 허용회전수가 높은 반면, 후열베어링(24)에 사용된 롤러베어링은 볼베어링에 비해 현저하게 낮은 허용회전수를 갖기때문에 주축의 고속화에 저해요인으로 작용되어 주축의 회전수를 높이는데 한계에 부딪치게 되었다.

한편, 주축의 양단을 볼베어링으로 지지하여 고속화를 꾀한 주축이 제안되었는데, 이는 주축의 중앙에는 모터가 내장형으로 구성되고, 주축의 양단을 지지하는 전열베어링과 후열베어링이 모두 앵귤러콘택트 베어링으로 구성되어 고속회전이 가능하도록 만들어졌으며, 이는 후열베어링을 지지하는 후열하우징이 메인하우징에서 슬라이드면을 따라 움직이면서 열변위를 흡수하도록 구성되어 있었다.

또한, 후열하우징을 안내하기 위해 메인하우징과 후열하우징의 사이의 마찰계수를 낮추기 위해 볼부쉬를 개재시키게 되는데, 이는 볼부쉬를 설치하기 위해 메인하우징의 직경을 크게 하여야 되는 설계상의 제약조건을 새롭게 만들게 되었으며, 특히 볼부쉬를 구성하는 볼의 직경에 대한 각각의 상대 편차가 허용값을 만족하여야만 가공정밀도를 보장할 수 있기 때문에 볼부쉬의 정밀도에 따라 주축의 정밀도가 떨어질 수 있다는 문제점이 있었고, 볼부쉬를 조립하는 과정에서 예압을 약간 가하여야 되는데, 측정오차로 인해 오히려 틈새로 작용될 우려가 있었으며, 볼부쉬의 특성상 볼의 구름이 점접촉의 형태로 나타나게 되는데, 접촉면에서 표면찍힘이 발생되어 정밀도를 저하시키는 문제점이 발생될 수 있고, 이를 방지하기 위해 볼부쉬의 볼과 접촉하는 후열하우징의 슬라이드면 표면경도를 높이기 위하여 열처리과정을 추가할 경우 제작 공정이 난해하게 된다는 새로운 난제가 발생되는 문제점이 있었다.

또, 볼부쉬에는 여러 개의 볼이 설치되는데, 볼이 구름운동되는 과정에서 서로 접촉되는 것을 방지하기 위하여 볼의 간격을 일정하게 유지시켜 주는 리테이너를 설치하였는데, 이때 리테이너와 볼간에 주어진 틈새 때문에 주축이 고속회전을 할 때 발생되는 진동에 의해 볼이 리테이너 안에서 미동되면서 소음이 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 주축의 고속화가 가능하면서 동시에 단순한 구조를 갖고, 후열하우징을 안내하기 위한 안내기구에 의한 메인하우징의 직경을 확대를 줄일 수 있으며, 후열하우징과 메인하우징간의 미끄럼면의 마찰계수를 허용치 이하로 낮출 수 있고, 후열하우징을 안내하기 위한 슬라이딩 부위에서 발생될 수 있는 소음을 방지할 수 있는 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조를 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 볼베어링인 전열베어링과 후열베어링에 의해 주축의 양단이 지지되고, 후열베어링을 지지하는 후열하우징이 메인하우징에서 축방향으로 움직일 수 있도록 구성된 주축에 있어서, 후열하우징의 외주면에 그리스 포켓을 형성한 특징을 갖는다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 볼베어링인 전열베어링과 후열베어링에 의해 주축의 양단이 지지되고, 후열베어링을 지지하는 후열하우징이 메인하우징에서 축방향으로 움직일 수 있도록 구성된 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조에 있어서, 후열하우징을 안내하기 위한 오일리스 베어링을 메인하우징의 내주면에 열박음으로 압착결합시켜서 구성한 특징을 갖는다.

도 1 은 종래 머시닝센터용 주축의 베어링지지구조를 나타낸 단면도

도 2 는 본 발명에 따른 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조의 일실시예를 나타낸 단면도

도 3 은 본 발명에 따른 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조의 다른 실시예를 나타낸 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

62a,62b : 전열베어링72a,72b : 후열베어링

40 : 주축70 : 후열하우징

50 : 메인하우징70a : 외주면

70b : 그리스 포켓80 : 오일리스 베어링

50b,80a : 내주면80d : 고체윤활제

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 주축(40)과 메인하우징(50)의 앞쪽에는 전열하우징(60)이 고정되고, 후미부분에는 후열하우징(70)이 축방향으로 움직일 수 있도록 설치되어 있으며, 전열하우징(60)과 후열하우징(70)에는 축방향의 대향형으로 예압을 가할 수 있는 볼베어링(앵귤러콘택트 베어링) 형태의 전열베어링(62a)(62b)과 후열베어링(72a)(72b)이 설치된다.

즉, 전열베어링(62a)(62b)의 외륜은 베어링 지지캡(64)에 의해 전열하우징(60)에 고정되고, 그 내륜은 슬리브(66)에 의해 주축(40)에 고정된다.

또한, 후열베어링(72a)(72b)의 외륜은 베어링 지지캡(74)에 의해 후열하우징(70)에 고정되고, 그 내륜은 슬리브(76)에 의해 주축(40)에 고정되며, 후열하우징(70)은 메인하우징(50)의 슬라이딩면(52)에서 축방향으로 미끄럼운동이 가능하도록 결합된다.

그리고, 후열베어링(72a)(72b)의 외륜을 지지하는 베어링 지지캡(74)과 메인하우징(50)의 사이에는 주축(40)이 축방향을 열변위를 일으키는 방향으로 이 베어링 지지캡(74)을 밀어내는 예압스프링(90)이 양측으로 반발하도록 설치되어 있고, 베어링 지지캡(74)은 후열하우징(70)과 결합된다.

한편, 첨부도면 도2는 후열하우징(70)과 메인하우징(50)간의 마찰계수를 낮추기 위한 본 발명의 일실시예를 나타낸 것으로, 여기에 도시된 바와 같이 후열하우징(70)의 외주면(70a)에 조립시 그리스(100)를 주입할 수 있는 그리스 포켓(70b)을 형성하여 메인하우징(50)과 후열하우징(70)간의 마찰계수를 낮춤으로써 미끄럼운동이 보다 원활하게 일어나도록 구성하였다.

즉, 상기 그리스 포켓(70b)은 예컨대, 그 단면모양이 원호모양을 이루고, 원주방향으로 단면형상이 일정하게 연속되는 환형으로 형성될 수 있으며, 축방향으로 일정한 간격을 두고 여러 개 형성할 수 있다.

또, 첨부도면 도3은 후열하우징(70)과 메인하우징(50)간의 마찰계수를 낮추기 위한 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 이에 도시된 바와 같이 카본(흑연)으로 이루어진 고체윤활제(80d)가 원주에 방사형으로 본딩된 오일리스 베어링(80)을 메인하우징(50)의 내주면(50b)에 열박음으로 압착결합시켜서 고정한 후 오일리스 베어링(80)의 내주면(80a)을 가공한 다음 후열하우징(70)을 조립함으로써 후열하우징(70)과 오링리스 베어링(80)과의 마찰계수가 낮아지도록 구성하였다.

도면중 미설명 부호 120은 내장형 모터를 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 주축(40)이 고속회전을 하여 베어링의 구름접촉면, 내장형 모터(120) 등에서 열이 발생되면, 주축(40)이 축방향으로 열팽창 된다.

이때 공구가 물리는 주축(40)의 앞부분을 지지하는 전열베어링(62a)(62b)은 메인하우징(50)에 고정되어 있는 전열하우징(60)에 베어링 지지캡(64)과슬리브(66)에 의해 축방향으로 움직일 수 없도록 설치되어 있고, 후열하우징(70)만 축방향으로 슬라이딩되도록 구성되어 있기 때문에 주축(40)이 후열베어링(72a)(72b)이 위치된 후방측으로 변형되면서 팽창된다.

이 과정에서 후열베어링(72a)(72b)의 내륜과 슬리브(76)가 주축(40)과 함께 축방향으로 움직이게 되고, 동시에 베어링 지지캡(74)이 예압스프링(90)의 탄성력에 의해 주축(40)이 열팽창되는 방향으로 밀리게 된다.

이때 베어링 지지캡(74)과 후열하우징(70)이 결합되어 있기 때문에 이 베어링 지지캡(74)을 따라 후열하우징(70)도 함께 축방으로 밀리면서 후열베어링(72a)(72b)의 외륜을 밀어서 베어링의 예압을 유지하도록 하는 작용을 하게 된다.

한편, 도2에 도시된 바와 같이 후열하우징(70)의 외주면(70a)에 형성된 그리스 포켓(70b)이 형성된 경우 후열하우징(70)이 슬라이딩되는 과정에서 그리스 포켓(70b)에 주입된 그리스에 의해 메인하우징(50)과 후열하우징(70)의 사이에는 유막이 형성되면서 미끄럼면의 마찰계수가 낮아지게 되고, 움직임이 부드럽게 된다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이 메인하우징(50)의 내주면(50b)에 오일리스 베어링(80)이 압착된 경우 후열하우징(70)이 슬라이딩되는 과정에서 오일리스 베어링(80)의 원주에 형성된 고체윤활제(80d)에 의한 윤활작용에 의해 오일리스 베어링(80)과 후열하우징(70) 사이의 미끄럼면 마찰계수가 낮아지게 되고, 움직임이 부드럽게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 주축의 양단이 볼베어링으로 지지되어 있기 때문에 주축의 고속화가 가능하게 되는 것은 물론이고, 주축이 열팽창될 때 축방향으로 미동되도록 구성된 후열하우징에 그리스 포켓을 형성하거나 메인하우징에 오일리스 베어링이 설치되는 구조로 되어 있으므로, 기존과 같은 볼부쉬를 사용하지 않고도 후열하우징과 메인하우징간의 마찰계수를 현저하게 낮출 수 있게 되며, 이에 따라 메인하우징의 직경을 보다 작게 할 수 있게 되어 주축 설계를 보다 자유롭게 할 수 있는 효과가 있게 되며, 후열하우징과 메인하우징 사이에 운동체가 개재되지 않기 때문에 주축의 정밀도를 보장할 수 있고, 구조가 단순화되어 제작이 쉽게 되는 효과가 있고, 슬라이딩부위에서 일어날 수 있는 소음을 방지할 수 효과를 기재할 수 있다.

Claims (4)

1. 볼베어링인 전열베어링(62a)(62b)과 후열베어링(72a)(72b)에 의해 주축(40)의 양단이 지지되고, 후열베어링(72a)(72b)을 지지하는 후열하우징(70)이 메인하우징(50)에서 축방향으로 움직일 수 있도록 구성된 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조에 있어서,

   상기 후열하우징(70)의 외주면(70a)에 그리스 포켓(70b)을 형성한 것을 특징으로 하는 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조.
2. 볼베어링인 전열베어링(62a)(62b)과 후열베어링(72a)(72b)에 의해 주축(40)의 양단이 지지되고, 후열베어링(72a)(72b)을 지지하는 후열하우징(70)이 메인하우징(50)에서 축방향으로 움직일 수 있도록 구성된 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조에 있어서,

   상기 후열하우징(70)을 안내하기 위한 오일리스 베어링(80)을 메인하우징(50)의 내주면(50b)에 열박음으로 압착결합시켜서 구성한 것을 특징을 하는 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 오일리스 베어링(80)은 그 원주에 방사방향으로 고체윤활제(80d)가 형성된 것을 특징으로 하는 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 고체윤활제(80d)는 카본으로 구성된 것을 특징으로 하는 고속회전을 위한 주축의 베어링 지지구조.