KR20030040176A

KR20030040176A - 스핀들 장치

Info

Publication number: KR20030040176A
Application number: KR1020020070956A
Authority: KR
Inventors: 와따나베아끼라; 이찌끼자끼데쯔오; 미즈따게이지; 하마나까겐지
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2003-05-22
Also published as: EP1312442B1; TW592880B; US6674189B2; EP1312442A2; DE60211100T2; US20030094864A1; DE60211100D1; EP1312442A3; JP2003145393A

Abstract

공작 기계의 스핀들 장치는 베어링을 통해 하우징 내에서 회전 가능하게 지지되는 주 스핀들을 포함한다. 헬륨 순환 시스템이 하우징 내부의 주 스핀들의 외주연 상의 간극 내부의 헬륨 공급 포트를 통해 공기보다 밀도 및 유압이 낮은 헬륨을 도입시키고, 헬륨 배출 포트를 통해 외부로 헬륨을 배출시키기 위해 제공된다. 주 스핀들은 헬륨의 환경 내에서 회전된다. 주 스핀들은 구조면에서 간단하지만, 주 스핀들의 동력 손실을 최소화시키고 모터 동력을 감소시키며, 또한 냉각 효과를 제공할 수 있다.

Description

스핀들 장치 {SPINDLE APPARATUS}

본 발명은 머시닝 센터와 같은 공작 기계의 스핀들 장치에 관한 것이다.

모터의 회전자가 주 스핀들 상에 장착되고, 모터의 고정자가 스핀들 케이스의 내주연부 상에 장착되며, 모터가 스핀들 케이스 내부에 내장되는, 내장식 모터형 스핀들 장치는 머시닝 센터와 같은 공작 기계의 스핀들 장치로서 널리 알려져 있다.

이러한 내장식 모터형 스핀들 장치에 있어서, 베어링의 회전 마찰열의 전도 및 복사 외에 내장식 모터(스핀들 모터)의 열 발생에 의한 온도 상승에 기인한 주 스핀들의 열적 변형을 피하기 위해서 현재까지 다양한 냉각 기구가 제안되어 왔다.

예를 들면, 일본 특허 공개 제2000-15541호는 연속 나선형 홈이 그 전방부로부터 후방부까지 주 스핀들의 축 방향 외주연면 상에 제공되고, 내부 링 및 회전자를 직접적으로 냉각시키고 또한 주 스핀들 자체를 냉각시키도록 냉각액이 나선형 홈을 통해 순환되면서 전방 베어링 및 후방 베어링의 내부 링 및 스핀들 구동 모터의 내부와 접촉하게 되는 스핀들 장치를 개시한다.

일본 특허 공개 제2000-52188호는 스핀들 장치의 주 스핀들과 일체로 회전하는 링형 열 복사 핀 부재가 주 스핀들 상에 장착되고, 열 복사 핀 부재에 대해 냉각 공기를 불어넣기 위한 냉각 공기 통로가 스핀들 케이스 내에 형성되는 냉장식 모터형 스핀들 장치를 개시한다.

그러나, 전자의 스핀들 장치는 냉각액의 누출을 방지하기 위한 수단을 필요로 하여, 장치를 복잡하게 하고 비용의 증가를 초래한다. 후자의 스핀들 장치에 있어서, 냉각 공기는 다른 가스보다 밀도가 비교적 더 높고 유체 저항이 더 높아서, 회전하는 부분으로서 주 조립체에 상당한 동력 손실을 야기하고 큰 모터 동력이 필요하게 된다.

본 발명은 종래 스핀들 장치의 전술된 문제점에 비추어 제안되었다. 그 목적은 주 스핀들의 동력 손실을 최소화하고 모터 동력을 감소시킬 수 있고, 냉각 효율을 향상시키는 단순한 구조의 스핀들 장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 실시예를 따른 내장식 모터형 스핀들 장치의 종단면도.

도2는 내장식 모터형 스핀들 장치의 주요부의 확대 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 스핀들 핸들

2 : 하우징

4 : 후방 베어링

5 : 주 스핀들

6 : 공구 홀더

7 : 콜릿 척

8 : 중심 관통 구멍

9 : 드로우 바

10 : 너트

12 : 조인트

상기 목적을 달성하도록 설계된 본 발명에 따르면, 베어링을 통해서 하우징 내에서 회전 가능하게 지지되는 주 스핀들을 포함하고, 하우징 내에 공급되는 공기 보다 밀도 및 유압이 더 낮은 가스를 순환시키기 위한 수단이 하우징 내에 제공되고, 주 스핀들이 순환 가스의 환경 내에서 회전되는 공작 기계의 스핀들 장치가 제공된다. 따라서, 주 조립체의 동력 손실은 최소화될 수 있고, 모터 동력은 감소될 수 있으며, 냉각 효과가 얻어진다. 또한, 밀봉 구조가 단순화되도록 어느 정도의 순환 가스의 누출은 허용될 수 있다.

스핀들 장치에 있어서, 밀봉 가스가 하우징의 내부를 외부로부터 격리시키도록 하우징과 주 스핀들 사이의 간극에 공급될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 주 스핀들의 외주연 상의 간극(하우징의 내부)에 공급되는 순환 가스가 하우징과 주 스핀들 사이의 간극을 통해 외부로 누출되는 것이 방지될 수 있다. 또한, 냉각제 또는 부스러기가 하우징과 주조립체 사이의 간극을 통해 외부로부터 주 스핀들의 외주연 상의 간극으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

스핀들 장치에 있어서, 밀봉 가스를 분리시키고 배출하기 위한 밀봉 가스 분리기가 가스를 순환시키기 위한 순환 시스템 내에 개재될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 충분한 양의 순환 가스가 주 스핀들(하우징 내부)의 외주연 상의 간극 내에서 항상 순환된다.

스핀들 장치에 있어서, 순환 가스는 헬륨일 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 종래 장치에 비해 비용 및 안정도 면에서의 전술된 효과 이외의 장점이 얻어진다.

스핀들 장치에 있어서, 모터의 회전자는 주 스핀들 상에 장착될 수도 있고 모터의 고정자는 하우징의 내주연부 상에 장착될 수도 있으며, 주 스핀들의 모터는 하우징의 내부에 내장될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 소위 내장식 모터의 열 발생에 기인한 주 스핀들의 온도 상승은 효과적으로 억제될 수 있다.

본 발명은 단순한 예시로서 본 발명을 전혀 제한하지 않는 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명으로부터 더 확실하게 이해될 것이다.

본 발명에 따른 스핀들 장치가 본 발명을 제한하지 않는 첨부 도면을 참조하여 실시예에 의해 상세히 설명될 것이다.

(실시예)

도1은 본 발명의 실시예를 따른 내장식 모터형 스핀들 장치의 종단면도이다. 도2는 내장식 모터형 스핀들 장치의 주요부의 확대 단면도이다.

스핀들 헤드(1)는 ATC(자동 공구 교환기)를 갖춘 머시닝 센터의 아암(도시 생략) 상에서 도면 내에서 좌우 방향으로 이동 가능하고, 하우징(2, 케이스)은 스핀들 헤드(1) 상에 고정되며 하우징(2)의 오른쪽 반은 도1에 도시된 바와 같이 스핀들 헤드(1) 내에 수용된다.

하우징(2) 내부에서, 주 스핀들(5)은 전후 한 쌍의 전위 베어링(3a, 3b) 및 후위 베어링(4)을 통해 회전 가능하게 수용되고 보유된다. 풀 스터드(6a)를 가지는 공구 홀더(6)는 주 스핀들(5)과 일체식으로 회전 가능하도록 드로우 바[9, draw bar(후술됨)]에 의해 주 스핀들(5)의 전방 단부 내부로 후퇴되도록 구성된다.

상세하게는, 드로우 바(9)는 주 스핀들(5)의 중심 관통 구멍(8)을 통해 삽입되고, 드로우 바(9)는 중심 관통 구멍(8) 내에서 종방향으로 미끄러짐이 가능한 너트(10)에 나사 결합됨으로써, 드로우 바(9)는 그 중심 축이 주 스핀들(5)의 중심축과 일치하도록 중심이 설정되어 보유된다. 드로우 바(9)와 일체식으로 종방향으로 이동 가능한 조인트(12)는 너트(10)의 후방에 나사 결합된다.

드로우 바(9)는 드로우 바(9)의 전방 단부에 조립된 콜릿 척(7)에 의해 공구 홀더(6)의 풀 스터드(6a)를 후퇴시킨다. 이렇게 함으로써, 공구(도시 생략)가 보유되는 공구 홀더(6)는 콜릿 척(7)을 통해 주 스핀들(5)과 일체식으로 고정(클램핑)된다.

각기 좌측 및 우측으로 나선형으로 감겨지는 동일한 전방 및 후방 나선형 압축 스프링(14a, 14b)은 드로우 바(9)를 후퇴시키는 방향으로 항상 가압하도록 세 개의 관형 스페이서(15a, 15b, 15c)를 통해 드로우 바(9)의 중간 외주연 둘레에 감겨진다. 다수의 일반 원뿔형 디스크식 스프링이 나선형 압축 스프링(14a, 14b) 대신에 사용될 수도 있다.

공구 홀더(6)의 클램핑 해제(결합 해제)를 위해서, 주 스핀들(5) 뒷면에 제공되는 수압 실린더(16)가 사용된다. 수압 실린더(16)는 중간 부재(13)를 통해 하우징(2)의 후방부에 일체식으로 조립된 헤드부(17a, 17b) 내에 미끄럼 가능하게 장착되어 수용되는 피스톤(18)을 포함한다.

포트(P1, P2)로부터 배출되고 포트로 공급되는, 유압 공급원(도시 생략)으로부터의 유압에 의해 신장하는 방향[주 스핀들(5)의 후방 단부로부터 전방 단부로 향함]으로의 피스톤(18)의 행정 시에, 피스톤(18)의 전방 단부(18)는 드로우 바(9)를 나선형 압축 스프링(14a, 14b)의 가압력에 대해 전방으로 이동(외향으로 밀어냄)시키도록 드로우 바(9)의 로드 단부[정확하게는 조인트(12)의 후방 단부 표면]와 접촉한다. 그 결과, 드로우 바(9)의 전방 단부에 조립된 콜릿 척(7)은 공구 홀더(6)를 클램핑 해제시키기 위한 해제 운동을 행한다.

공구 홀더(6)가 주 스핀들(5)의 전방 단부 내부로 삽입되는 상태로, 수축 방향[주 스핀들(5)의 전방 단부로부터 후방 단부로 향함]으로의 피스톤(18)의 행정 시에, 드로우 바(9)의 후방 이동(후퇴)은 공구 홀더(6)를 클램핑시키기 위해 콜릿 척(7)을 풀 스터드(6a)와 결합되게 한다.

모터는 주 스핀들(5)을 회전시키도록 본 스핀들 장치 내부에 내장된다. 즉, 회전자(23)는 주 스핀들(5)의 적절한 위치에서 외주연에 고정되고, 고정자(24)는 소위 내장식 모터를 형성하도록 회전자(23)와 대향되는 관계로 하우징(2)의 내주연에 고정된다.

본 실시예에 있어서, 도2에 도시된 바와 같이, 주 스핀들(5)의 장착 강도의대부분을 견디기 위해 후방 표면 정렬에 있어 앵귤러 베어링이 전위 베어링(3a, 3b)으로서 사용된다. 따라서, 롤러 베어링이 후위 베어링(4, 도1 참조)으로서 사용된다. 내부 링 스페이서(25) 및 외부 링 스페이서(26)는 전위 베어링(3a, 3b) 사이에 개재된다.

또한, 본 실시예에 있어서, 헬륨 공급 포트(28, 공급 통로)가 전방 단부 캡(27) 내에 형성되며, 헬륨 배출 포트(29, 배출 포트)는 헤드부(17a) 내에 형성된다.

압축된 가스 실린더(30) 내부의 헬륨(순환 가스)은 압력 조절 밸브(31)에 의해 소정의 압력(공기압 > 헬륨압)으로 조정되고, 이어서 냉각되는 열 교환기(33)로 송풍기(32)에 의해 압송되고, 그 후 헬륨 공급 포트(28)로 공급된다.

헬륨 배출 포트(29)로부터 배출된 헬륨(후술될 밀봉 가스로서 공기를 내장하는 헬륨)은 송풍기(32)로 복귀된다. 필요한 경우, 펌프(34)에 의해 헬륨 분리기(35)로 압송된다. 헬륨 분리기(35)에 있어서, 공기는 냉각 장치를 사용하는 헬륨 분리기(35)에 의해 액화 상태로부터 분리되고 배출된다. 분리된 헬륨은 송풍기(32)로 복귀된다.

헬륨 공급 포트(28)에 공급되는 헬륨은 주 스핀들의 외주연 상의 간극을 통해 통과하여, 헬륨 배출 포트(29)에 도달하고, 이어서 순환한다. 구체적으로는, 헬륨은 다음의 경로에 걸쳐 유동한다. 헬륨 공급 포트(28) →전위 베어링(3a)의 내부 →내부 링 스페이서(25)와 외부 링 스페이서(26)의 사이 →전위 베어링(3b)의 내부 →하우징(2)의 내부 →후위 베어링(4)의 내부 →중간 부재(13)와 헤드부(17a)사이의 공간 →헬륨 배출 포트(29).

압축 공기 공급원(도시 생략)으로부터 전술된 밀봉 가스로서의 공기가 공급되는 공기 공급 포트(36, 공급 통로)가 전방 단부 캡(27)과 베어링 홀드-다운(37) 사이의 간극을 공기 밀봉시키도록 전방 단부 캡(27) 내에 형성된다. 즉, 밀봉 공기는 주 스핀들의 외주연 상의 간극에 공급되는 헬륨이 전술된 간극을 통해 외부로 누출되는 것을 방지하고, 또한 냉각제 또는 부스러기가 전술된 간극을 통해 외부로부터 주 스핀들의 외주연 상의 간극으로 유입하는 것을 방지한다.

공급원(도시 생략)으로부터 냉각제(냉각 부재)가 공급되는 냉각제 공급 포트(38, 공급 통로)는 피스톤(18) 내에 형성된다. 피스톤(18) 및 조인트(12) 사이의 초기 간격(C)이 폐쇄될 때, 냉각제는 드로우 바(9)의 내부 통로(39) 및 공구 홀더(6)의 내부를 통해 작업편(도시 생략)의 가공점으로 공급된다.

전술된 특징에 따라, 드로우 바(9)는 공구 홀더(6)를 클램핑시키도록 주 스핀들(5)의 후단부를 향해 후퇴하고, 초기 간격(C)은 피스톤(18)의 미세한 연장 운동(운동은 공구 홀더(6)를 클램핑 해제시킬 만큼 크지 않음)으로 폐쇄된다.

이러한 상태에서, 주 스핀들(5)은 작업편(도시 생략)을 가공하기 위해 회전자(23) 및 고정자(24)를 포함하는 소위 내장식 모터에 의해 회전된다.

이 때에, 주 스핀들(5)은 주 스핀들의 외주연 상의 간극에 공급되는 헬륨의 가스의 환경 내의 하우징(2) 내부에서 회전된다. 이러한 헬륨은 회전부로서의 주 스핀들(5)의 동력 손실(W)이 감소되어 요구되는 모터 동력이 감소되도록 공기보다 낮은 밀도 및 낮은 유체 저항을 가진다. 결과적으로, 주 스핀들(5)의 고속 회전이이루어진다. 특히 공기 내에서 음속(약 340m/s)을 초과하는 모터 회전자의 외주연의 원주 속도로의 회전과 함께, 충격파가 발생하고 공기의 흔들림으로 인해 소모되는 모터 동력의 급격한 증가의 결과로서 진동 및 소음이 증가한다. 한편, 헬륨의 음속은 공기보다 높다.(헬륨 및 수소의 음속은 각각 1,000m/s 및 1,300m/s 임) 따라서, 충격파의 발생이 방지될 수 있고, 모터 동력, 진동 및 소음이 감소될 수 있다.

본 발명자는 아래에 주어진 등식(1)으로부터 다양한 가스에 대한 동력 손실(W)을 계산하였다. 공기 및 헬륨에 대한 동력 손실의 비는 1 : 0.22 이었고, 헬륨의 경우에 동력 손실(W)에 있어 큰 감소를 보였다. 공기 및 수소에 대한 동력 손실의 비는 1 : 0.11 였다.

W = l·C_M·2πρrm⁴ω²··· (1)

C_M= 0.00759Rω^-0.24(단 Rω에서임)(레이놀즈 상수)

= 약 10⁵

여기서l : 회전부(주 스핀들)의 길이

C_M: 모멘트 계수

ρ : 가스 밀도

rm : (ri + ro)/2 (ri : 회전부의 반경, ro : 컨테이너의 반경)

ω : 각속도

또한, 헬륨은 공기보다 더 높은 가열계수를 가진다. 따라서, 고속에서의 헬륨의 순환은 베어링(3a, 3b, 4)의 회전 마찰열의 전도 및 복사 이외에 회전자(23) 및 고정자(24)를 포함하는 소위 내장식 모터의 열 발생 때문에 그 온도가 상승하는 주 스핀들(5)을 냉각시키는 효과를 나타낸다.

또한 본 발명자는 아래에 주어진 등식(2)으로부터 다양한 가스의 열전달에 의한 열량(Qc)을 계산하였다. 공기 및 헬륨에 의해 전달되는 열량의 비는 1 : 12.8 이었고, 이에 기초할 때 헬륨의 경우 더 큰 전달 열량이 기대될 수 있다. 공기 및 수소에 의해 전달되는 열량의 비는 1 : 16.5 였다.

Qc = S·0.135{(0.5Re_WD ²+ Re∞²)Pr}^1/3·(λ/D)(Ts - To)·····(2)

여기서 S : 회전부(주 스핀들)의 표면 영역

Re_WD: 회전 레이놀즈 상수

Re∞: 균일 유동의 레이놀즈 상수

Pr : 플란틀(Prandtl) 상수

λ : 열전도도

D : 회전부의 직경

Ts : 회전부의 표면 온도

To : 컨테이너(하우징)의 입구 온도

본 실시예에 있어서, 전술된 바와 같이, 공기 공급 포트(36)로부터 도입되는공기는 주 스핀들[하우징(2)의 내부]의 외주연 상의 간극으로 공급되는 헬륨이 전방 단부 캡(27)과 베어링 홀드-다운(37) 사이의 간극을 통해 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있고, 또한 냉각제 또는 부스러기가 그 간극을 통해 외부로부터 주 스핀들의 외주연부 상의 간극으로 유입하는 것을 방지할 수 있다. 도입된 공기는 헬륨과 혼합한다.

그러나, 본 실시예에 있어서, 앞에서 언급된 바와 같이, 헬륨 분리기(35)가 잉여 공기를 분리시키고 배출시키도록 헬륨용 순환 시스템 내에 제공된다. 따라서, 충분한 양의 헬륨이 주 스핀들[하우징(2) 내부]의 외주연 상의 간극 내에서 항상 순환된다. 밀봉 구조가 단순화될 수 있는 장점을 제공함과 동시에 어느 정도의 헬륨의 누출은 허용될 수 있다.

본 발명이 상술한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명은 그것에 제한되지 않고 많은 다른 방식으로 변형될 수도 있음을 알아야 한다. 예를 들면, 본 발명의 스핀들 장치는 ATC 또는 냉장식 모터를 가지지 않는 공작 기계의 스핀들 장치로서 적용될 수 있다. 또한, 공기보다 밀도 및 유압이 낮은 수소 가스가 헬륨을 대신하는 순환 가스로서 순환될 수도 있다. 그러나, 가스의 선택은 안정성, 환경 친화성 및 비용을 고려할 필요가 있다. 냉각액은 부수적으로 주 스핀들(5) 및 베어링(3a, 3b, 4)의 냉각용으로 사용될 수도 있다. 공기 대신에, 다른 가스가 밀봉 가스로서 사용될 수도 있다. 이러한 변경은 본 발명의 사상 및 범위 내의 것이며, 이 기술 분야의 숙련자에게는 명백한 모든 이러한 변형은 첨부된 청구범위 내에 포함된다.

본 발명에 의하면, 주 조립체의 동력 손실을 최소화하고 모터 동력을 증가시킬 수 있고, 냉각 효율을 향상시키는 단순한 구조의 스핀들 장치가 제공된다.

Claims

공작 기계의 스핀들 장치이며,

베어링을 통해 하우징 내에서 회전 가능하게 지지되는 주 스핀들을 포함하고,

공기 보다 밀도 및 유압이 낮은 가스를 순환시키기 위한 수단이 하우징 내에 제공되고, 주 스핀들은 순환 가스의 환경 내에서 회전되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제1항에 있어서, 밀봉 가스가 하우징의 내부를 외부로부터 격리시키도록 하우징과 주 스핀들 사이의 간극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제2항에 있어서, 밀봉 가스를 분리시키고 배출시키기 위한 밀봉 가스 분리기가 순환 가스용 순환 시스템 내에 개재되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제1항에 있어서, 순환 가스가 헬륨인 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제1항에 있어서, 모터의 회전자가 주 스핀들 상에 장착되고, 모터의 고정자가 하우징의 내주연부 상에 장착되며, 주 스핀들용 모터가 하우징 내에 내장되는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.