KR20040005639A

KR20040005639A - 동압 베어링을 이용한 스핀들 장치

Info

Publication number: KR20040005639A
Application number: KR1020030045946A
Authority: KR
Inventors: 우에스기마사까즈; 쯔노후리마사히로; 미조부찌쇼따로
Original assignee: 티에치케이 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2003-07-08
Publication date: 2004-01-16
Also published as: DE10330798A1; US20040008913A1; JP2004044639A; JP4172957B2; US6834997B2; KR100953026B1

Abstract

굽힘 모멘트에 대해 충분한 부하 능력을 구비하고 있는 동시에, 레이디얼 동압 베어링에 기인하는 동력 손실이나 주축의 가열을 저감하는 것이 가능한 스핀들 장치를 제공한다. 이 스핀들 장치는 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부를 이용하여 스핀들 로터의 회전을 지지하여 구성되어 있고, 이들 레이디얼 동압 베어링부 사이에는 상기 스핀들 로터를 주위 방향으로 둘러싸도록 하여 제1 냉각실을 설치하고, 이 제1 냉각실에 대해 하우징 밖의 분위기를 취입하도록 구성되어 있다.

Description

동압 베어링을 이용한 스핀들 장치{SPINDLE DEVICE USING DYNAMIC PRESSURE BEARING}

본 발명은, 회전자의 회전에 수반하여 고압의 유체 윤활막을 발생시키고, 이 유체 윤활막에 의해 상기 회전자의 회전을 지지하는 스핀들 장치에 관한 것으로, 특히 이러한 동압 베어링의 윤활유체로서 물이나 냉각제액 등의 액체를 이용한 스핀들 장치에 관한 것이다.

일본 특허 공개 평6-241222호 공보, 일본 특허 공개 평6-249236호 공보, 일본 특허 공개 평7-19236호 공보 등에는 동압 베어링에 의해 주축의 회전을 지지한 스핀들 장치가 개시되어 있다. 이러한 스핀들 장치는 공작 기계의 주축 헤드 등에 고정되는 하우징과, 구동 수단에 연결되어 회전하는 주축과, 소정의 베어링 간극을 두고 대향하는 회전측 부재 및 고정측 부재로 구성되는 동시에 상기 주축을 하우징에 대해 회전 가능하게 지지하는 레이디얼 동압 베어링 및 스러스트 동압 베어링을 구비하고 있고, 각 동압 베어링의 회전측 부재에는 깊이 10 내지 15 ㎛ 정도의 동압 발생용 홈이 소정의 패턴으로 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 스핀들 장치에 있어서는, 상기 주축의 회전에 수반하여 동압 베어링의 베어링 간극에 개재하는 윤활유체가 가압되고, 주축은 고압의 유체 윤활막에 의해 부양 상태가 되어, 그 상태에서 회전이 지지된다. 이로 인해, 주축의 회전에 대해서는 매우 근소한 회전 저항밖에 작용하지 않고, 게다가 회전시에 있어서의 진동도 거의 발생하지 않으므로, 상기 주축에 대해 매분 1만 회전 이상의 고속 회전을 부여하여 사용하는 것도 가능한 등의 우수한 특질을 갖고 있다.

또한, 이러한 스핀들 장치에서는 주축의 회전에 수반하여 윤활유체를 가압하고 있으므로, 각 동압 베어링의 회전측 부재와 고정측 부재의 베어링 간극이 과대하면 상기 베어링 간극에 있어서 윤활유체의 압력을 충분히 높일 수 없고, 주축의 외부 하중에 대한 부하 능력 및 강성이 저하되어 버린다. 이로 인해, 전술한 종래의 스핀들 장치에서는 베어링 간극을 수 ㎛ 정도로 설정하여, 주축의 저속 회전에 있어서도 윤활유체를 충분히 가압할 수 있도록 하고 있다.

또한, 각 동압 베어링의 베어링 간극에서 가압되는 윤활유체로서는 공기 등의 기체 이외에 물이나 공작 기계용의 냉각제액 등의 액체를 이용하는 것이 가능하지만, 기체의 압축성에 비교하여 액체의 압축성이 작으므로, 액체를 윤활유체로서 이용한 경우의 쪽이 주축의 하중에 대한 부하 능력 및 강성은 향상하게 된다.

한편, 공작 기계 등에 사용되는 스핀들 장치에서는 주축의 선단부에 대해 축방향과 직교하는 레이디얼 방향으로부터 큰 하중이 작용하는 경우도 있어, 이 경우 이러한 주축에는 큰 굽힘 모멘트가 작용하게 된다. 그리고, 이 굽힘 모멘트에 대항하여 주축의 회전을 지지하기 위해서는, 베어링 간극을 더욱 작게 형성하거나 레이디얼 동압 베어링을 축방향으로 길게 형성하는 것이 유효하다.

그러나, 어떠한 대책에 있어서도 주축이 회전하면 윤활유체에 대해 큰 전단력이 작용하고, 게다가 윤활유체로서 기체보다도 압축성이 떨어지는 액체(이하, 「윤활액」이라 함)를 이용한 경우에는 한층 더 큰 전단력이 작용하여, 주축을 회전 구동하는 모터의 부하가 증대하는 외에, 전단 마찰열에 의해 주축이 열팽창하고, 공작 기계에 있어서의 워크의 가공 정밀도가 악화되어 버리는 등의 문제점이 있었다. 또한, 동압 베어링에 공급된 윤활액도 고온이 되어, 이러한 윤활액을 동압 베어링으로부터 회수하여 그대로 재공급하고자 하면, 오히려 주축을 가열해 버릴 우려가 있었다.

한편, 이와 같은 문제점을 회피하기 위해서는 고정측 부재의 주위에 워터 재킷을 설치하는 등하여 동압 베어링을 직접 냉각하거나, 베어링 간극으로부터 배출된 윤활액을 하우징 밖에서 일단 냉각한 후에 다시 베어링 간극에 공급하는 것이필요해져, 동압 베어링의 구조 자체가 복잡하면서 또한 대형화될 수 밖에 없는 등의 문제점이 있었다.

도1은 본 발명을 적용한 스핀들 장치의 실시예를 나타낸 개략도.

도2는 실시예에 관한 동압 베어링부의 구성을 간략화하여 도시한 도면.

도3은 실시예에 관한 레이디얼 동압 베어링부의 구성의 일예를 나타낸 확대도.

도4는 실시예에 관한 레이디얼 동압 베어링부의 구성의 다른 예를 나타낸 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 베어링 하우징

2 : 스핀들 주축

3 : 모터 하우징

4 : 모터

5 : 퀼부

20 : 저어널부

21 : 슬리브

22 : 베어링 링

23 : 스러스트판

24 : 제1 냉각실

25 : 동압 발생용 홈

26 : 공급 유로

27 : 흡기구

30 : 제2 냉각실

31 : 래버린스 밀봉부

40 : 모터 회전자

41 : 모터 고정자

B : 동압 베어링부

RB : 레이디얼 동압 베어링부

SB : 스러스트 동압 베어링부

본 발명은 이와 같은 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 것은 굽힘 모멘트에 대해 충분한 부하 능력을 구비하고 있는 동시에, 레이디얼 동압 베어링에 기인하는 동력 손실이나 주축의 가열을 저감하는 것이 가능한 스핀들 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 동압 베어링을 이용한 스핀들 장치는 하우징과, 일단부를 이 하우징으로부터 돌출하도록 하여 설치된 스핀들 로터와, 이 스핀들 로터 상에 축방향으로 소정의 간격을 두고 설치되어 이러한 스핀들 로터를 상기 하우징에 대해 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부와, 각 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극에 대해 윤활액을 유도하는 공급 유로와, 상기 스핀들 로터를 주위 방향으로 둘러싸도록 하여 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부 사이에 설치되는 동시에, 이러한 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극과 연통하는 제1 냉각실과, 이 제1 냉각실에 대해 하우징 밖의 분위기를 취입하는 흡기구를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같은 기술적 수단에 따르면, 스핀들 로터의 회전을 지지하는 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부가 축방향으로 소정의 간격을 두고 설치되어 있으므로, 스핀들 로터에 작용하는 굽힘 모멘트에 대해 충분한 강성을 발휘할 수 있다. 게다가 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부 사이에는 스핀들 로터의 주위를 둘러싸는 제1 냉각실이 형성되어 있으므로, 이 제1 냉각실의 형성 부위에서는 스핀들 로터에 대해 큰 전단력이 작용하는 일은 없고, 스핀들 로터의 발열이나 동력 손실을 저감할 수 있다.

또한, 각 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극과 제1 냉각실은 연통하고 있으므로 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극에 공급되고, 이러한 베어링 간극에서 가압된 윤활액은 제1 냉각실로 직접 분출되지만, 이 제1 냉각실에는 흡기구로부터 하우징 밖의 분위기가 도입되고 있으므로, 이러한 제1 냉각실은 대기압에 대략 같은 압력으로 유지되고 있다. 이로 인해, 베어링 간극에서 매우 높은 압력으로까지 가압된 윤활액이 대기압에 대략 동등한 제1 냉각실로 분출될 때에는 미세화된 액적이 되어 안개형으로 분출되므로, 기화열에 의해 제1 냉각실 내부가 냉각되어, 이 제1 냉각실에 의해 둘러싸인 스핀들 로터를 적극적으로 냉각할 수 있는 것이다.

제1 냉각실에 분출한 윤활액은 여기서 액적이 되어, 최종적으로는 하우징 밖으로 배출되지만, 액적이 스핀들 로터에 부착된 상태에서 상기 스핀들 로터의 회전과 함께 회전하면, 그 만큼 스핀들 로터의 회전에 대한 부하가 되어, 동력 손실이 생긴다. 따라서, 이러한 관점으로부터, 제1 냉각실에 면한 스핀들 로터의 주위면에 대해 발수 가공을 실시하여, 윤활액과 스핀들 로터와 함께 회전하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 스핀들 장치를 실제로 사용하는 장면에 있어서는, 스핀들 로터의 축방향으로의 이동을 규제하는 스러스트 동압 베어링부를 설치해도 좋다.스핀들 장치의 소형화 및 양호한 밸런스성이라는 관점으로부터, 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부를 축방향으로부터 협지하도록 하여 한 쌍의 스러스트 동압 베어링부를 설치하고, 각 스러스트 동압 베어링부의 베어링 간극을 인접하는 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극과 연통시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 각 레이디얼 동압 베어링부에는 윤활액을 스러스트 동압 베어링부의 베어링 간극을 향해 가압하는 동압 발생용 홈을 설치하는 한편, 상기 제1 냉각실을 향해 윤활액을 가압하는 가압 배출 홈을 설치하는 것이 효과적이다. 이와 같이 하면, 레이디얼 동압 베어링부에 공급된 윤활액의 일부를 확실하게 제1 냉각실에 분출하고, 스핀들 로터의 냉각을 행하는 것이 가능해지는 외에, 반대로 하우징 밖으로부터 제1 냉각실 내로 도입된 분위기가 레이디얼 동압 베어링의 베어링 간극으로 유입되는 것을 방지할 수 있어, 레이디얼 동압 베어링부에 이물질이 끼어들어 버릴 위험성을 회피하는 것이 가능해진다.

게다가 또한, 하우징 내로 외부로부터 분진이 침입하는 것을 방지하는 관점으로부터, 스핀들 로터와 하우징 사이에는 래버린스 밀봉부를 설치하여 하우징 내의 분위기를 하우징 밖으로부터 밀봉하는 것이 바람직하다. 이 때, 이러한 래버린스 밀봉부에 발수 가공을 행하고 있으면, 이 래버린스 밀봉부에 외부로부터 냉각제액 등이 쏟아져도, 냉각제액 등이 모관 현상에 의해 래버린스부를 통하여 하우징 내로 진행하는 것을 막을 수 있어, 하우징 내의 밀봉성을 높일 수 있다.

이하, 첨부 도면을 이용하여 본 발명의 스핀들 장치를 상세하게 설명한다.

도1은 공작 기계의 주축 헤드 등에 장착되는 스핀들 장치를 도시한 것이다.이 스핀들 장치는 동압 베어링부(B)를 거쳐서 베어링 하우징(1)에 회전 가능하게 지지된 스핀들 주축(2)과, 상기 베어링 하우징(1)에 고정된 모터 하우징(3) 내에 수용되는 동시에 상기 스핀들 주축(2)을 회전 구동하는 모터(4)로 구성되어 있고, 상기 스핀들 주축(2)의 선단부에는 퀼부(5)를 거쳐서 지석 등의 공구를 장착할 수 있도록 되어 있다.

스핀들 주축(2)을 구동하는 모터(4)는 스핀들 주축(2) 상에 고정된 모터 회전자(40)와, 모터 하우징(3)에 고정된 모터 고정자(41)로 구성되어 있고, 모터 하우징(3)에 부착된 커넥터(도시하지 않음)를 거쳐서 모터 구동 신호가 외부로부터 상기 모터 고정자(41)에 입력되도록 되어 있다. 또한, 이 모터(4)에서 발생한 열이 스핀들 주축(2)으로 유입하여 상기 스핀들 주축(2)이 팽창되는 것을 최대한 방지하기 위해, 상기 모터 하우징(3)과 모터 고정자(41) 사이에는 워터 재킷(42)이 설치되어 있다.

도2는 상기 동압 베어링부(B)의 구성을 간이화하여 그린 것이다. 상기 베어링 하우징(1)에 대해 스핀들 주축(2)의 회전을 지지하고 있는 레이디얼 동압 베어링부(RB)는 이러한 스핀들 주축(2)의 저어널부(20)에 고정된 회전측 부재로서의 슬리브(21)와, 이 슬리브(21)의 외측에 헐겁게 끼우는 동시에 상기 베어링 하우징(1)의 중공부 내에 고정된 고정측 부재로서의 베어링 링(22)으로 구성되어 있고, 상기 슬리브(21)의 외주면과 베어링 링(22)의 내주면 사이에는 소정의 베어링 간극(예를 들어 5 내지 15 ㎛)이 형성되어 있다. 이들 슬리브(21) 및 베어링 링(22)은 열팽창 계수가 작은 세라믹스 재료로 형성되어 있다. 또한, 레이디얼 동압 베어링의내륜으로서의 슬리브(21)를 스핀들 주축(2)의 저어널부(20)에 끼워 맞추게 하였지만, 이러한 저어널부(20)를 그대로 내륜으로서 기능시켜, 상기 슬리브(21)를 생략하여 레이디얼 동압 베어링을 구성할 수도 있다.

한편, 상기 스러스트 동압 베어링부(SB)는 레이디얼 동압 베어링부(RB)를 축방향으로부터 협지하도록 하여 한 쌍 설치되어 있고, 이들 스러스트 동압 베어링부(SB)에 의해 스핀들 주축(2)의 축방향으로의 이동이 규제되어 있다. 이 스러스트 동압 베어링부(SB)는 상기 슬리브(21)를 협지하도록 하여 스핀들 주축(2)에 고정된 회전측 부재로서의 한 쌍의 스러스트판(23, 23)과, 전술한 베어링 링(22)으로 구성되어 있고, 각 스러스트판(23)과 베어링 링(22)의 축방향의 단부면 사이에는 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극과 연통하는 소정의 베어링 간극이 형성되어 있다. 여기서, 어느 한 쪽의 스러스트판(23)은 슬리브(21)와 일체로 형성하는 것도 가능하고, 그 방면이 동압 베어링부(B)의 조립 수고를 경감할 수 있다.

따라서, 도2에 도시된 바와 같이, 스핀들 주축(2)은 상기 슬리브(21) 및 한 쌍의 스러스트판(23)과 함께 회전하도록 구성되어 있어, 이들이 일체가 되어 본 발명에 있어서의 스핀들 로터가 구성되어 있는 것이 된다.

또한, 상기 베어링 슬리브(22)의 내주면에는 스핀들 로터의 외주면, 즉 슬리브(21)의 외주면을 주위 방향으로 둘러싸도록 하여 함몰형의 제1 냉각실(24)이 형성되어 있다. 이 제1 냉각실(24)의 직경 방향으로의 깊이는 베어링 슬리브(22) 내경의 0.02 내지 0.2배 정도로 설정되어 있다. 따라서, 베어링 슬리브(22)는 이제1 냉각실(24)의 양측 영역에서만 전술한 베어링 간극에서 슬리브(21)와 대향하고 있고, 레이디얼 동압 베어링부(RB)는 제1 냉각실(24)에 의해 두 개로 나뉘어, 축방향으로 소정의 간격을 둔 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부를 구성하고 있는 것이 된다.

상기 베어링 링(22)의 내주면과 베어링 간극을 두고 대향하는 슬리브(21)의 외주면에는 헤링본형의 동압 발생용 홈(25)이 형성되어 있다. 이 동압 발생용 홈(25)은 스핀들 주축(2)의 회전, 즉 슬리브(21)의 회전에 수반하여 베어링 간극에 존재하는 윤활유체를 가압하고, 윤활유체를 인접하는 스러스트 동압 베어링의 베어링 간극으로 압입하도록 작용한다. 또한, 베어링 링(22)에는 직경 방향으로 관통하도록 하여 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극과 연통하는 공급 유로(26)가 형성되어 있고, 이러한 공급 유로(26)를 거쳐서 윤활유체인 물이나 오일 등의 윤활액이 각 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극에 공급되도록 되어 있다. 이로 인해, 스핀들 주축(2)이 회전하면, 이러한 동압 발생용 홈(25)의 가압 작용에 의해 상기 공급 유로(26)로부터 베어링 간극으로 윤활액이 흡인되는 동시에, 이러한 베어링 간극 내에서 윤활액이 가압되고, 이러한 베어링 간극에 고압의 유체 윤활막이 형성된다. 이에 의해, 스핀들 로터는 베어링 링(22)에 대해 비접촉 상태에서 그 회전이 지지되게 된다.

도3에 도시한 바와 같이, 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극 내에서 가압된 윤활액의 일부는 인접하는 스러스트 동압 베어링부(SB)의 베어링 간극으로 유입하지만, 나머지 윤활액은 인접하는 제1 냉각실(24)로 분출된다. 제1냉각실(24)이 형성된 베어링 링(22)에는 직경 방향으로 관통하도록 하여 흡기구(27)가 관통 형성되어 있고, 이 흡기구(27)는 베어링 하우징(1) 밖의 공기를 제1 냉각실(24) 내로 도입하고 있다. 이와 같이 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극 내에서 가압된 고압의 윤활액을 상기 베어링 간극보다도 큰 개구 단면적을 갖는 제1 냉각실(24)로 분출시키도록 구성한 경우, 베어링 간극이 수십 ㎛인 것으로부터, 예를 들어 깊이 3 ㎜ 정도의 제1 냉각실(24)이라도 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극의 약 200배의 넓이를 갖고 있게 된다. 또한, 베어링 간극에 있어서 발생하고 있는 윤활액의 압력은 수십 기압에나 달하고 있으므로, 베어링 간극보다도 충분히 넓은 제1 냉각실(24)로 윤활액을 분출시키면, 윤활액은 기체 속에 분무된 것과 동일한 상태가 된다. 그 결과, 윤활액은 레이디얼 동압 베어링부(RB)로부터 상기 제1 냉각실(24)로 분출할 때에 기화열을 빼앗기게 되어, 레이디얼 동압 베어링부(RB)에서 고온이 된 윤활액의 온도를 저하시킬 수 있는 외에, 제1 냉각실(24)에 면한 슬리브(21)의 온도, 나아가서는 스핀들 주축(2)의 온도를 저하시킬 수 있는 것이다.

특히, 본 실시예에서는 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극으로부터 제1 냉각실(24)로의 윤활액의 분출을 촉진할 목적으로, 동압 발생용 홈(25)의 제1 냉각실(24)측에 인접하여 가압 배출 홈(28)을 설치하고 있다. 동압 발생용 홈(25)은 베어링 간극 내의 윤활액을 스러스트 동압 베어링부(SB)를 향해 가압하고 있으므로, 스핀들 주축(2)의 회전이 높아지고, 동압 발생용 홈(25)의 가압 작용이 높아지면, 공급 유로(26)로부터 베어링 간극으로 유입한 윤활액의 대부분이 스러스트동압 베어링부(SB)에 공급되어 버려, 제1 냉각실(24)에 대한 윤활액의 분출이 전무해질 뿐만 아니라, 반대로 제1 냉각실(24) 내의 공기가 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극으로 유입해 버려, 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 하중 부하 능력이 격감해 버릴 우려가 있다. 상기 가압 배출 홈(28)은 스핀들 주축(2)의 회전에 수반하여, 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극에 존재하는 윤활액을 제1 냉각실(24)을 향해 가압하고, 제1 냉각실(24) 내의 공기가 베어링 간극으로 역류하는 것을 방지하고 있다. 즉, 이 가압 배출 홈(28)은 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극을 제1 냉각실(24)로부터 밀봉하는 밀봉으로서의 기능을 발휘하고 있다.

이 가압 배출 홈(28)은 도3에 도시한 바와 같이 제1 냉각실(24)과 공급 유로(26) 사이의 영역 가득히 형성해도, 도4에 도시한 바와 같이 제1 냉각실(24)과 공급 유로(26) 사이의 영역의 축방향 길이보다도 짧게 형성해도 지장을 주지 않는다. 전자의 예에 따르면, 윤활액은 가압 배출 홈(28)을 통해 직접 제1 냉각실(24)로 배출되게 되고, 배출시에 가압 배출 홈(28)으로부터 부여되는 원심력에 의해 제1 냉각실(24) 내로 비산하여 기화가 촉진되게 된다. 또한, 후자의 예에 따르면, 윤활액에 작용하는 압력은 가압 배출 홈(28)과 제1 냉각실(24) 사이의 경계부, 즉 가압 배출 홈(28)이 조금도 형성되어 있지 않은 베어링 간극에 있어서 최고가 되므로, 고압의 윤활액을 저압의 제1 냉각실(24)로 배출함으로써 기화를 촉진할 수 있다.

이와 같이 윤활액은 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극으로부터 제1 냉각실(24)로 분출되므로, 이러한 제1 냉각실(24) 내에는 베어링 하우징(1) 밖으로부터 도입된 공기와 윤활액이 공존하고 있는 상태가 되어, 이들 윤활액 및 공기는 베어링 링(22)을 직경 방향으로 관통하도록 하여 형성된 배출 유로(29)를 거쳐서 베어링 하우징(1) 밖으로 배출된다. 이 때, 제1 냉각실(24) 내에서는 윤활액의 물방울이 회전하는 슬리브(21)와 함께 돌아, 이것이 스핀들 주축(2)의 회전 저항이 되므로, 회전 저항의 증가에 의한 모터(4)의 동력 손실을 경감하게 하는 관점으로부터 보면, 제1 냉각실(24)에 면한 슬리브(21)의 외주면에 대해 발수 가공을 행하는 것이 바람직하다. 이 발수 가공으로서는 불소 농도가 높은 니켈 도금 피막이나 디크롤 에틸렌 등의 발수성을 갖는 수지 피막을 형성하는 것을 생각할 수 있다. 이와 같은 발수 가공을 행하면, 윤활액이 제1 냉각실(24) 내에서 스핀들 로터와 함께 회전하는 것을 억제할 수 있으므로, 스핀들 주축(2)의 회전시의 동력 손실을 저감할 수 있는 것이다.

한편, 상기 베어링 링(22)의 축방향 단부면과 대향하는 스러스트판(23)의 일면에는 스파이럴형의 동압 발생용 홈이 형성되어 있고, 상기 스핀들 주축(2)이 회전하면, 이러한 동압 발생용 홈에 의해 베어링 링(22)과 스러스트판(23)의 베어링 간극, 즉 스러스트 동압 베어링부(SB)의 베어링 간극에 개재하는 윤활유체가 가압되어, 이러한 베어링 간극에 고압의 유체 윤활막이 형성되도록 되어 있다. 그 결과, 스핀들 주축(2)은 상기 베어링 링(22)을 협지하여 설치된 한 쌍의 스러스트 동압 베어링(SB)에 의해 그 축방향의 이동이 규제되게 된다.

스러스트판(23)에 형성된 스파이럴형의 동압 발생용 홈은 스핀들 주축(2)이회전하면, 이러한 회전에 수반하여 베어링 간극의 윤활액을 스러스트판(23)의 내경으로부터 외경을 향해 가압하는 소위 펌프 아웃형으로 형성되어 있고, 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극으로부터 유입해 온 윤활액을 스러스트판(23)의 외주로부터 배출하도록 되어 있다. 또한, 베어링 하우징(1) 내에는 스러스트판(23)의 외주를 둘러싸도록 하여 제2 냉각실(30)이 설치되어 있고, 스핀들 주축(2)의 회전에 수반하여 베어링 간극 내를 스러스트판(23)의 외부 직경 방향으로 향해 가압된 윤활액은 최종적으로 이 제2 냉각실(30)로 분출된다. 제2 냉각실(30)에는 제1 냉각실(24)과 마찬가지로 베어링 하우징(1) 밖의 공기가 도입되고 있고, 스러스트 동압 베어링부의 베어링 간극보다도 충분히 넓은 제2 냉각실(30)로 윤활액을 분출시키면, 윤활액은 기체 중에 분무된 것과 동일한 상태가 된다. 그 결과, 윤활액은 스러스트 동압 베어링부로부터 상기 제2 냉각실(30)로 분출할 때에 기화열을 빼앗기게 되어, 스러스트 동압 베어링부에서 고온이 된 윤활액의 온도를 저하시킬 수 있는 외에, 제2 냉각실(30)에 면한 스러스트판(23)의 온도, 나아가서는 스핀들 주축(2)의 온도를 저하시킬 수 있는 것이다.

또한, 이 스핀들 장치에서는 퀼부(5)가 설치된 스핀들 주축(2)의 축단부와 베어링 하우징(1) 사이에 래버린스 밀봉부(31)가 설치되어 있고, 스핀들 장치에 내려와 떨어지는 기계 오일이나 냉각제액 등이 베어링 하우징(1) 내로 침입하는 것을 방지하고 있다. 이 래버린스 밀봉부(31)는 수십 ㎛의 간극을 두고 스핀들 주축(2)의 주위면과 대향하고 있으며, 이러한 스핀들 주축(2)과 비접촉의 상태에서 분진이나 액체 등의 침입을 방지하고 있다. 래버린스 밀봉부(31)와 대향하는 스핀들 주축(2)의 주위면에는 전술한 발수 가공이 실시되고 있고, 스핀들 주축이 내려와 떨어지는 냉각제액 등에 대해 젖기 어렵게 되어 있다. 이로 인해, 가령 냉각제액 등의 액적이 래버린스 밀봉부와 스핀들 주축과의 간극으로 침입해도, 이러한 액적의 모관 현상에 의한 진행을 억제하여, 결과적으로 냉각제액 등이 하우징 내로 침입하는 것을 효과적으로 방지하고 있다.

또한, 모터 하우징(3)과 스러스트판(23) 사이에도 래버린스 밀봉부가 설치되어 있고, 마찬가지로 래버린스 밀봉부와 대향하는 스러스트판(23)의 외주면에 대해 발수 가공을 실시함으로써, 스러스트 동압 베어링부(SB)로부터 제2 냉각실(30)로 배출된 윤활액이 모터 하우징(3) 내로 누출되는 것을 방지하고 있다.

즉, 본 실시예의 스핀들 장치에서는 동압 발생용 홈의 형성 부위를 제외하고, 스핀들 주축(2), 슬리브(21) 및 스러스트판(23)으로 구성되는 스핀들 로터의 외주면 전체 영역에 대해 발수 가공이 실시되어 있게 된다.

그리고, 이상과 같이 구성된 본 실시예의 스핀들 장치에 따르면, 제1 냉각실(24)을 거쳐서 축방향으로 소정의 간격을 두고 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부(RB)를 형성하고 있으므로, 가령 스핀들 주축(2) 선단부의 퀼부(5)에 대해 큰 레이디얼 하중이 작용하고, 그 결과, 스핀들 주축(2)에 큰 모멘트 하중이 작용했다고 해도, 이러한 모멘트 하중에 저항한 충분한 강성을 스핀들 주축(2)에 부여할 수 있고, 또한 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부(RB) 사이에는 제1 냉각실(24)이 설치되어 있으므로 스핀들 주축(2)의 회전에 대해 작용하는 전단력을 작게 설정할 수 있어, 스핀들 주축(2)에 대해 충분한 강성을 부여하면서도 이러한 스핀들 주축(2)의 회전 저항을 저감하여, 모터(4)의 동력 손실을 경감하는 것이 가능해지는 것이다.

또한, 게다가, 레이디얼 동압 베어링부(RB)의 베어링 간극에서 가압된 윤활액을 제1 냉각실(24) 내로 의도적으로 분출시키고, 이러한 분출시에 윤활액의 기화를 촉진시키고 있으므로, 기화열에 의해 윤활액 및 스핀들 주축(2)을 냉각할 수 있다. 그 결과, 고속 회전시의 전단 마찰열에 의한 스핀들 주축(2)의 열팽창을 억제하고, 퀼부(5)에 장착한 공구의 위치 정밀도를 높여, 결과적으로 스핀들 장치를 이용하여 가공되는 워크의 가공 정밀도를 높이는 것이 가능해진다.

또한, 스핀들 로터의 외주면에 대해 발수 가공을 실시함으로써, 동압 베어링부로부터 배출된 윤활액이나, 베어링 하우징 밖에서 내려와 떨어지는 냉각제액 등이 회전하는 스핀들 주축과 함께 회전하는 것을 방지할 수 있어, 이 점에 있어서도 모터의 동력 손실을 저감화할 수 있는 것이다.

이상 설명해 온 바와 같이, 본 발명의 스핀들 장치에 따르면, 제1 냉각실을 거쳐서 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부를 배치하고, 이들 레이디얼 동압 베어링부에 의해 스핀들 로터의 회전을 지지하고 있으므로, 스핀들 로터에 작용하는 굽힘 모멘트에 대해 충분한 강성을 발휘할 수 있고, 게다가 스핀들 로터에 대하여 큰 전단력이 작용하는 일은 없어, 스핀들 로터의 발열이나 동력 손실을 저감하는 것이 가능해진다.

또한, 각 레이디얼 동압 베어링부에서 가압된 윤활액을 제1 냉각실로 분출시킴으로써, 이 제1 냉각실에 의해 둘러싸인 스핀들 로터를 적극적으로 냉각하는 동시에, 윤활액 자체도 냉각할 수 있어, 스핀들 주축의 열팽창을 억제하는 것이 가능해진다.

Claims

하우징과, 일단부를 이 하우징으로부터 돌출하도록 하여 설치된 스핀들 로터와, 이 스핀들 로터 상에 축방향으로 소정의 간격을 두고 설치되어 이러한 스핀들 로터를 상기 하우징에 대해 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부와, 각 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극에 대해 윤활액을 유도하는 공급 유로와, 상기 스핀들 로터를 주위 방향으로 둘러싸도록 하여 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부 사이에 설치되는 동시에 이러한 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극과 연통하는 제1 냉각실과, 이 제1 냉각실에 대해 하우징 밖의 분위기를 취입하는 흡기구를 구비한 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 냉각실에 면한 스핀들 로터의 주위면에 대해 발수 가공이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제1항에 있어서, 한 쌍의 레이디얼 동압 베어링부를 축방향의 외측으로부터 협지하도록 하여 한 쌍의 스러스트 동압 베어링부를 설치하고, 상기 스핀들 로터의 축방향으로의 이동을 규제하는 동시에, 이들 스러스트 동압 베어링부의 베어링 간극을 인접하는 레이디얼 동압 베어링부의 베어링 간극과 연통시키고,

각 레이디얼 동압 베어링부에는 그 베어링 간극에 공급된 윤활액을 인접하는 스러스트 동압 베어링부의 베어링 간극을 향해 가압하는 동압 발생용 홈과, 상기냉각실을 향해 가압하는 가압 배출 홈을 설치한 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스핀들 로터와 하우징 사이에는 이러한 하우징 내부를 하우징 밖으로부터 밀봉하는 래버린스 밀봉부가 설치되고, 이 래버린스 밀봉부에는 발수 가공이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.