KR20030058480A - 공작기계용 주축의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공작기계용 주축의 냉각장치에 관한 것으로, 주축의 하우징 내부에 오일(Oil)공급로를 형성시키고 오일과 공기 입자를 분사 및 배출시키는 다수개의 칼라를 설치하여 주축의 회전에 따른 발열을 최소화함으로써 공작기계의 장시간 가동을 가능케 하고, 주축의 열팽창으로 인한 가공정밀도의 변화를 최소화시키기 위한 공작기계용 주축의 냉각장치에 관한 것이다. 이를 위해, 주축 몸체의 내경에 밀착하여 결합되고, 축선방향으로 오일공급로가 내부에 형성되어 있는 주축 하우징; 상기 주축 하우징의 내주면에 적어도 한 개 이상이 삽입 설치되고, 상기 오일공급로와 분배홈에 의해 연통되며, 적어도 한 개 이상의 분사 구멍이 형성되어 있는 분사 칼라; 및 상기 분사 칼라로부터 오일 입자와 공기의 혼합 유체가 배출되도록 상기 분사 칼라와 연통되어지고, 상기 분사 칼라와 병렬적으로 설치되며, 배출구가 일측에 형성되어 있는 배출 칼라를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공작기계용 주축의 냉각장치{Cooling System Of Main Spindle For Machine Tools}

본 발명은 공작기계용 주축의 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주축의 하우징 내부에 오일공급로를 형성시키고 오일과 공기 입자를 분사 및 배출시키는 다수개의 칼라를 설치하여 주축의 회전에 따른 발열을 최소화함으로써 공작기계의 장시간 가동을 가능케 하고, 주축의 열팽창으로 인한 가공정밀도의 변화를 최소화시키기 위한 공작기계용 주축의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 공작기계는 공구를 장착하여 회전시키기 위한 주축이 공작물 가공시 필요에 따라 고속으로 회전하게 된다. 이러한 고속회전으로 발생하는 높은 열로 인해 주축과 베어링이 팽창하게 된다. 주축과 베어링이 팽창하게 될 경우 베어링에는 과도한 예압이 걸리게 되는데, 예압이 일정 수준을 넘어서게 되면 주축과 베어링이 손상을 입게 되어 공작기계의 가공정밀도가 떨어지게 된다. 뿐만 아니라 주축과 베어링의 수명은 물론 공작기계 자체의 수명까지도 단축될 수가 있다.

특히, 종래의 공작기계용 주축의 경우 주축의 회전부와 주축 몸체간에 베어링이 조립되고, 이 때 베어링에 부과되는 적정 예압량, 베어링 틈 및 죔새량, 주축 하우징과 베어링간 현합가공 치수 및 조립방법에 따라 여러 가지 문제점이 발생하였다. 가령, 주축 베어링의 소착이나 주축의 발열, 헤드 진동 기타 소음 발생 등의 문제가 있었다. 따라서 주축의 윤활에 있어서 그리스 윤활이나 오일 윤활 등에 대하여 아직까지도 의견이 분분하다. 그러나 종래에는 보링기에 그리스 윤활방식을 채택하였으며, 이 경우 상기 베어링에 그리스를 주유하고 스핀들이 회전하게 될 때 주축 몸체의 온도가 급상승하게 되었다.

따라서, 전술한 이유들로 하여 주축이 회전함으로 인해 근본적으로 발생하게되는 열을 냉각시켜주기 위한 장치가 필요하였다.

도 1은 종래의 공작기계용 주축의 냉각장치에 관한 개략도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 주축 몸체(3)와 주축 하우징(5) 사이에는 오일자켓(Oil Jacket)(70)이 형성되어 있다. 그러나, 이러한 냉각방식으로는 그 구조상 주축(1)과 베어링(30,40)의 내·외륜을 전체적으로 골고루 냉각시켜줄 수가 없었다. 뿐만 아니라 냉각효과 자체도 그리 뛰어나지 못하였다. 따라서 장시간 장비를 가동하는 경우 가공 변화 및 윤활 온도 상승을 제대로 억제시켜주지 못하는 문제점이 있었다.

그리고, 발열 문제로 인해 언제나 오일자켓(70)이 표준으로 구비되어야 하고, 주축 열팽창에 대해서 열변위 보정장치 등을 부착해야만 하는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 주축의 하우징 내부에 오일공급로를 형성시키고 오일과 공기 입자를 분사 및 배출시키는 다수개의 칼라를 설치하여 주축의 회전에 따른 발열을 최소화함으로써 공작기계의 장시간 가동을 가능케 하고, 주축의 열팽창으로 인한 가공정밀도의 변화를 최소화시키기 위한 공작기계용 주축의 냉각장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 주축 몸체의 내경에 밀착하여 결합되고, 축선방향으로 오일공급로가 내부에 형성되어 있는 주축 하우징; 상기 주축 하우징의 내주면에 적어도 한 개 이상이 삽입 설치되고, 상기 오일공급로와 분배홈에 의해연통되며, 적어도 한 개 이상의 분사 구멍이 형성되어 있는 분사 칼라; 및 상기 분사 칼라로부터 오일 입자와 공기의 혼합 유체가 배출되도록 상기 분사 칼라와 연통되어지고, 상기 분사 칼라와 병렬적으로 설치되며, 배출구가 일측에 형성되어 있는 배출 칼라를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 주축의 냉각장치에 의하여 달성된다.

그리고, 상기 제 1 분사 칼라는 로울러 베어링의 일측에 설치되고, 상기 제 2 분사 칼라가 상기 로울러 베어링의 타측과 앵귤러 볼 베어링의 사이에 설치되며, 상기 배출 칼라는 상기 앵귤러 볼 베어링의 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 주축의 냉각장치에 의하여 달성된다.

아울러, 상기 분사 구멍은 상기 각 분사 칼라의 원주상에 등간격으로 4개씩 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공작기계용 주축의 냉각장치에 의하여 달성된다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 발명의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래의 공작기계용 주축의 냉각장치에 관한 개략도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계용 주축의 냉각장치의 구성을 나타낸 단면도,

도 3은 종래의 그리스 윤활방식의 공작기계용 주축 및 본 발명의 일 실시예에 따른 오일 윤활방식의 공작기계용 주축에 대한 발열실험결과를 나타낸 그래프이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 주축 몸체 3: 주축 하우징

5: 오일공급로 7a,7b: 분배홈

10a,10b: 분사 칼라 12a,12b: 분사 구멍

20: 배출 칼라 22: 배출구

30: 로울러 베어링 40: 앵귤라 볼 베어링

이하 본 발명에 따른 공작기계용 주축의 냉각장치의 구성에 대하여 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계용 주축의 냉각장치의 구성을 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 주축 하우징(5)이 주축 몸체(3)의내경으로 상호 밀착되어 있고, 상기 주축 하우징(5) 내부에 오일공급로(7)가 형성되어 있다. 그리고, 통상의 공작기계용 주축에서처럼 보링스핀들(60)과 밀링스핀들(50)이 축선으로부터 바깥쪽으로 차례대로 위치해 있다. 한편, 밀링스핀들(50)과 상기 주축 하우징(5) 사이에 로울러 베어링(30)과 앵귤라 볼 베어링(40)이 결합되는데, 제 2 분사 칼라(10b)는 상기 두 베어링(30,40) 사이에서 주축 하우징(5)에 삽입 설치되어 있다. 또한, 제 1 분사 칼라(10a)가 상기 제 2 분사 칼라(10b)와 함께 상기 로울러 베어링(30) 양쪽으로 설치되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 분사 칼라(10a,10b)는 두 개를 구비하고 상기 분사 칼라(10a,10b)들이 상기 로울러 베어링(30) 양쪽으로 위치한 것을 채택하여 도시하였다. 그러나, 본 발명은 이에 국한되는 것이 아니고 상기 분사 칼라(10a,10b)의 갯수 및 위치를 다양하게 변화시켜 실시하는 것이 가능하다.

그리고, 상기 오일공급로(7)에는 주축 하우징(5)의 내주면 방향으로 분배홈(9a,9b)이 형성되어 있어 상기 제 1 분사 칼라(10a)와 제 2 분사 칼라(10b)와 연결된다. 이 때 상기 제 1 분사 칼라(10a)와 제 2 분사 칼라(10b)에는 각각 분사 구멍(12a,12b)이 원주면을 관통하여 축선을 중심으로 90도 각도로 4개씩 형성되어 있다. 상기 분사 구멍(12a,12b)은 미세한 구멍으로서 직경은 약 4mm정도인 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 분사 구멍(12a,12b)은 4개를 원주면에 방사형으로 분포시킨 것을 채택하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이에 국한되는 것이 아니고 상기 분사 구멍(12a,12b)의 갯수와 위치를 변화시켜 다양하게 적용할 수가 있다.

또한, 상기 제 1 분사 칼라(10a)와 제 2 분사 칼라(10b)와는 각각 상기 로울러 베어링(30)과 앵귤라 볼 베어링(40)을 통해 상호 연통되어지는 배출 칼라(20)가 제 1 분사 칼라(10a)와 제 2 분사 칼라(10b)와 병렬적으로 설치되어 있다. 이 때 상기 배출 칼라(20)의 일측에는 배출구(22)가 형성되어져 있다.

이하 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 공작기계용 주축의 냉각장치 의 결합 및 작용 효과에 대하여 설명하기로 한다.

먼저 본 발명의 일 실시예 따른 공작기계용 주축의 냉각장치의 조립 및 주축의 회전에 대하여 설명한다.

우선 주축 하우징(5)에 제 1 분사 칼라(10a), 로울러 베어링(30), 제 2 분사 칼라(10b), 앵귤라 볼 베어링(40), 그리고 배출 칼라(20)가 순차적으로 조립이 이루어져 냉각장치로서 하나의 어셈블리를 구성하게 된다. 그리고 상기 어셈블리가 외부로는 주축 몸체(3)에 조립되고, 내부로는 밀링스핀들(50)과 보링스핀들(60)이 조립되어 회전하게 된다. 따라서, 주축 모터(미도시)에 의해 상기 주축 몸체(3)와 제 2 분사 칼라(10b)가 회전하고, 상기 주축 하우징(5)과 주축의 축선 사이의 로울러 베어링(30)과 앵귤라 볼 베어링(40)이 고속으로 회전하게 된다. 이러한 상기 베어링들(30,40)의 고속회전시 윤활이 필요하게 되는 것이다.

둘째, 본 발명의 일 실시예에 따른 공작기계용 주축의 냉각장치의 냉각 및 주축의 윤활 작용에 대하여 설명한다.

우선 윤활의 경우는 공기와 오일입자가 혼합된 상태인 오일 미스트(OilMist)가 오일공급로(7)를 따라 공급된다. 상기 오일 미스트는 주축 하우징(5)에 난 분배홈(9a,9b)으로 이동된다. 이 때의 오일은 큰 압력차를 이용한 기화기나 기타 분사장치를 사용하여 액체를 기화시킴으로써 액체 상태가 아닌 기체 상태로 공급되게 된다.

이렇게 이동된 오일 미스트는 두 곳으로 분배되는데, 하나는 제 1 분사 칼라(10a)의 측면에 나있는 분사 구멍(12a)으로, 다른 하나는 제 2 분사 칼라(10b)의 분사 구멍(12b)으로 각각 흡입된다. 그리고 흡입된 오일 미스트는 상기 로울러 베어링(30)과 앵귤라 볼 베어링(40)의 내륜과 외륜에 윤활 및 냉각 작용을 수행하게 된다. 그런 다음 상기 배출 칼라(20)의 뒤 틈새로 즉, 배출구(22)를 통하여 상기 오일 미스트는 빠져나가게 된다.

도 3은 종래의 그리스 윤활방식의 공작기계용 주축 및 본 발명의 일 실시예에 따른 오일 윤활방식의 공작기계용 주축에 대한 발열실험결과를 나타낸 그래프이다. 실험은 주축(1)을 2500rpm으로 회전시켰으며, 실온은 그리스 윤활방식의 경우 25℃, 오일 윤활방식의 경우는 27℃에서 하였다. 점선은 종래의 냉각장치를 나타낸 것이고 실선은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치를 나타낸 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 종래의 냉각장치의 경우 주축(1)은 가동된 후 온도가 증가하다가 32분만에 약 50℃에 이르게 된다. 그리고 가동을 정지시키지 않을 경우 계속해서 주축의 온도가 상승하게 됨을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치의 경우 가동된지 약 90분만에 43℃에 이르게 되며, 가동을 멈추지 않고 계속 가동하게 되더라도 주축의 온도는더이상 상승하지 않고 43℃를 계속 유지하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 공작기계용 주축의 냉각장치는, 주축의 발열 및 열팽창량을 최소화시켜 장시간 장비의 가동을 가능케 하고, 가공정밀도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 발열로 인해 밀링스핀들과 보링스핀들이 붙게 되는 보링(boring)의 소착현상으로 인한 문제의 발생을 방지하는 효과를 갖게 된다.

비록, 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정과 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (3)

1. 주축 몸체(3)의 내경에 밀착하여 결합되고, 축선방향으로 오일공급로(7)가 내부에 형성되어 있는 주축 하우징(5);

   상기 주축 하우징(5)의 내주면에 적어도 한 개 이상이 삽입 설치되고, 상기 오일공급로(7)와 분배홈(9a,9b)에 의해 연통되며, 적어도 한 개 이상의 분사 구멍(12a,12b)이 형성되어 있는 분사 칼라(10a,10b); 및

   상기 분사 칼라(10a,10b)로부터 오일 입자와 공기의 혼합 유체가 배출되도록 상기 분사 칼라(10a,10b)와 연통되어지고, 상기 분사 칼라(10a,10b)와 병렬적으로 설치되며, 배출구(22)가 일측에 형성되어 있는 배출 칼라(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공작기계용 주축의 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 분사 칼라(10a)는 로울러 베어링(30)의 일측에 설치되고,

   상기 제 2 분사 칼라(10b)가 상기 로울러 베어링(30)의 타측과 앵귤러 볼 베어링(40)의 사이에 설치되며,

   상기 배출 칼라(20)는 상기 앵귤러 볼 베어링(40)의 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 공작기계용 주축의 냉각장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 분사 구멍(12a,12b)은 상기 각 분사 칼라(10a,10b)의 원주상에 등간격으로 4개씩 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공작기계용 주축의 냉각장치.