KR20040034948A - Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing - Google Patents

Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing Download PDF

Info

Publication number
KR20040034948A
KR20040034948A KR1020020063606A KR20020063606A KR20040034948A KR 20040034948 A KR20040034948 A KR 20040034948A KR 1020020063606 A KR1020020063606 A KR 1020020063606A KR 20020063606 A KR20020063606 A KR 20020063606A KR 20040034948 A KR20040034948 A KR 20040034948A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
spindle
air
bearing
thrust bearing
air supply
Prior art date
Application number
KR1020020063606A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR100878119B1 (en
Inventor
박보선
Original Assignee
대우종합기계 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대우종합기계 주식회사 filed Critical 대우종합기계 주식회사
Priority to KR1020020063606A priority Critical patent/KR100878119B1/en
Publication of KR20040034948A publication Critical patent/KR20040034948A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100878119B1 publication Critical patent/KR100878119B1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0603Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • F16C32/0614Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion the gas being supplied under pressure, e.g. aerostatic bearings
    • F16C32/0622Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion the gas being supplied under pressure, e.g. aerostatic bearings via nozzles, restrictors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0662Details of hydrostatic bearings independent of fluid supply or direction of load
    • F16C32/0666Details of hydrostatic bearings independent of fluid supply or direction of load of bearing pads

Abstract

PURPOSE: An aerostatic bearing unit of a high speed spindle for a milling machine is provided to improve surface roughness of a workpiece by using air as a medium of the aerostatic bearing unit. CONSTITUTION: An aerostatic bearing unit includes a plurality of radial bearing pads(3,4,5,8), a thrust bearing disc(2), at least one pair of thrust bearing pads(13), and at least one exhaust hole(14) formed in a spindle housing(16). An air feeding passage(22) is formed in the spindle housing(16) so as to feed air in radial and axial directions of a spindle(1). The radial bearing pads(3,4,5,8) have a plurality of air feeding holes(21) communicated with the air feeding passage(22). The thrust bearing disc(2) is provided at one end of the spindle(1). The thrust bearing pads(13) are formed with a plurality of air feeding holes(21).

Description

밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치{Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing}Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing

본 발명은 밀링머신이나 머시닝센터에 적용 가능한 고속 주축에 관한 것으로, 특히 공기를 베어링 매체로 하여 고속 주축을 지지하는 공기(空氣) 정압(靜壓) 베어링 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high speed spindle applicable to a milling machine or a machining center, and more particularly to an air static pressure bearing device for supporting a high speed spindle using air as a bearing medium.

가공정밀도 및 생산성을 향상시키기 위한 고속가공기술(high speed machining)이 발전함에 따라, 밀링머신이나 머시닝센터에서 주축 및 이송계의 고속화를 필요로 하고 있다. 일반적으로 밀링머신이나 머시닝센터의 주축은 앵귤러 콘택트 볼베어링(angular contact ball bearing)이나 롤러 베어링(roller bearing)과 같은 구름 베어링을 사용한다.As the development of high speed machining to improve machining precision and productivity, the speed of the spindle and feed system is required in milling machines or machining centers. Typically, the spindle of a milling machine or machining center uses rolling bearings such as angular contact ball bearings or roller bearings.

구름베어링(100,101)을 밀링 가공용 고속 주축(102)에 적용한 예시도가 도 1에 나타나 있다.An example of applying rolling bearings 100 and 101 to the high speed spindle 102 for milling is shown in FIG.

도 1과 같이 구름 베어링(100,101)을 적용한 주축(102)은 고속화를 위해서, 작은 압력각, 세라믹소재를 사용한 볼이나 롤러 등 전동체(rolling element), 내열 특성이 우수한 내륜 및 외륜 소재, 베어링 예압 변경 기구, 베어링 윤활기술 등이 선택적으로 적용되고 있다. 이러한 노력의 결과 주축 직경 65~70㎜의 경우 분당회전수 2만5천, 주축 직경 40㎜의 경우 분당회전수 4만5천의 최고속도를 가진 주축이 실용화되었고, 그 이상의 회전속도를 가진 주축에 대한 연구가 진행중이다.As shown in FIG. 1, the main shaft 102 to which the rolling bearings 100 and 101 are applied has a small pressure angle, a rolling element such as a ball or a roller made of ceramic material, inner and outer ring materials having excellent heat resistance, and bearing preload for high speed. Modification mechanisms, bearing lubrication techniques, etc. are being selectively applied. As a result of this effort, a spindle with a maximum speed of 25,000 revolutions per minute for spindle diameters of 65 to 70 mm and a speed of 45,000 revolutions per minute for spindle diameters of 40 mm was put into practical use. Research is ongoing.

그러나 구름 베어링을 사용한 주축은 몇 가지 측면에서 문제점을 갖고 있다.However, spindles using rolling bearings have some problems.

첫째, 주축의 수명이 짧다. 보통 고속주축이라 불리는 주축은 최고속도에서 2천시간에서 3천시간의 수명을 가진다. 10년 정도의 공작기계 수명을 가정할 때, 다른 장치에 비해서 매우 짧은 수명이다. 이로 인해 주축 교체 비용 등과 같은 고속 공작기계의 유지비용이 증가하고, 사용기간에 따라 성능 악화도 피할 수 없다.First, the life of the spindle is short. Spindles, commonly called high speed spindles, have a life span of 2,000 to 3,000 hours at full speed. Assuming a machine tool life of about 10 years, it is very short compared to other devices. This increases the maintenance cost of high speed machine tools such as spindle replacement costs, and performance deterioration is inevitable depending on the service life.

둘째, 윤활방식이나 압력각, 구조에 따라 다르긴 하지만 구름 베어링은 열의 발생이 많다. 특히 주축의 강성을 향상시키기 위해 예압을 가하면, 발열량은 더욱 많아진다. 이러한 주축의 발열에 의해 주축이 신장할 뿐만 아니라, 베어링 냉각을 위한 쿨러의 성능으로 인해 주축이 미세하게 신장 및 수축을 반복하는 현상이 발생한다. 이런 특성은 공작물의 가공 정밀도를 악화시킨다.Second, rolling bearings generate a lot of heat, depending on the lubrication method, pressure angle and structure. In particular, when preload is applied to improve the rigidity of the main shaft, the calorific value is further increased. Due to the heat generation of the main shaft, not only the main shaft is stretched, but also due to the performance of the cooler for cooling the bearing, the main shaft is repeatedly expanded and contracted. This property deteriorates the machining precision of the workpiece.

셋째, 구름 베어링을 사용한 고속 주축은 베어링의 구름요소의 운동, 주축의 회전으로 인해 진동과 소음이 발생한다. 주축의 진동은 주축에 연결된 공구의 떨림을 유발하고, 이로 인해 가공면의 표면 품위가 저하하고, 공구의 수명에도 악영향을 미친다. 또한 공장환경이나 공작기계의 상태에 따라 이러한 소음은 난청을 유발할 수 있을 정도로 큰 경우가 있다.Third, the high speed spindle using rolling bearings generates vibrations and noises due to the rolling elements of the bearings and the rotation of the spindle. Vibration of the spindle causes vibration of the tool connected to the spindle, resulting in a deterioration of the surface quality of the machining surface and adversely affecting the life of the tool. In addition, depending on the condition of the factory and the machine tool, such noise may be loud enough to cause hearing loss.

따라서 본 발명은 구름 베어링 고속 주축의 문제점인 짧은 수명, 발열, 진동 및 소음 문제를 해결하기 위하여, 구름 베어링에 사용되는 볼이나 롤러와 같은 전동체 대신, 공기를 베어링 매체로 사용함으로써 비(非) 접촉(接觸)에 의해 고속에서도 반영구적 수명을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 발열이 적고, 정숙한 운전이 가능하여 가공물의 표면 조도를 향상시키고, 정밀한 가공을 가능하기 위한 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치를 제공함에 그 목적이 있다.Therefore, in order to solve the short life, heat generation, vibration and noise problems of rolling bearing high speed spindles, the present invention uses air as a bearing medium instead of rolling elements such as balls and rollers used in rolling bearings. Not only can the semi-permanent life be obtained at high speeds by contact, but also the heat generation is low and the operation is quiet, so that the surface roughness of the workpiece can be improved and the high-speed spindle of the air constant pressure bearing device for milling can be used for precise machining. The purpose is to provide.

도 1은 일반적으로 사용되는 밀링 가공용 구름베어링 고속주축의 단면도.1 is a cross-sectional view of a rolling bearing high speed spindle for milling generally used.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀링 가공용 공기 정압 베어링 고속 주축의 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view of the air static pressure bearing high speed spindle for milling according to an embodiment of the present invention.

도 3은 공기 정압 베어링 간극의 예시도.3 is an illustration of the air static pressure bearing clearance.

도 4a,4b는 공기 정압 레이디얼 베어링의 정단면도 및 도 4a의 A-A선 단면도.4A and 4B are front cross-sectional views of the air static radial bearing and section A-A in FIG. 4A.

도 5a,5b는 공기 정압 스러스트 베어링의 정단면도 및 도 5b의 B-B선 단면도.5A and 5B are front sectional views of an air static thrust bearing, and a sectional view taken along line B-B in FIG. 5B.

도 6은 공구 클램프 장치와 공구 언클램프 실린더의 단면도.6 is a sectional view of a tool clamp device and a tool unclamp cylinder.

도 7은 레이디얼 베어링 패드측 급기공의 위치에 따른 강성 관계를 나타낸 그래프.7 is a graph showing the stiffness relationship according to the position of the air supply hole on the radial bearing pad side.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1 : 주축1: main shaft

2 : 스러스트 베어링 원판2: thrust bearing disc

3,4,5,8 : 레이디얼 베어링 패드3,4,5,8: Radial Bearing Pads

7 : 스핀들모터7: spindle motor

12,17 : 압력간극12,17: Pressure gap

13 : 스러스트 베어링 패드13: thrust bearing pad

13a,21 : 급기공13a, 21: Supply air

14 : 배기공14: exhaust hole

16 : 주축 하우징16: spindle housing

20 : 열방출용 배기공20: exhaust vent for heat dissipation

22 : 가압공기 공급통로22: pressurized air supply passage

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 밀링 가공용 공기 정압 베어링 고속 주축의 단면도이고, 도 3은 공기 정압 베어링 간극의 예시도이고, 도 4a,4b는 공기 정압 레이디얼 베어링의 정단면도 및 도 4a의 A-A선 단면도이고, 도 5a,5b는 공기 정압 스러스트 베어링의 정단면도 및 도 5b의 B-B선 단면도이다.2 is a cross-sectional view of the air static pressure bearing high speed spindle for milling according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an illustration of the air static bearing gap, Figure 4a, 4b is a front sectional view of the air static radial bearing and of Figure 4a 5A and 5B are front sectional views of the air static pressure thrust bearing, and BB line sectional view of FIG. 5B.

본 발명에 적용되는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치는, 도 2와 같이 주축 하우징(16)의 외부로부터 도입된 가압공기를 주축(1)의 반경방향과 축방향으로 유입시켜서 발생된 압력으로 주축(1)을 부상시키도록 되어 있다.The air static pressure bearing device of the high speed spindle for milling processing applied to the present invention has a pressure generated by introducing pressurized air introduced from the outside of the spindle housing 16 in the radial direction and the axial direction of the spindle 1 as shown in FIG. 2. The main shaft 1 is to be raised.

상기 주축 하우징(16)에는 주축(1)의 반경방향 및 축방향으로 가압공기를 도입하기 위해 가압공기 공급통로(22)가 형성되어 있다. 이 가압공기 공급통로(22)는 도시안된 공압원과 연결되어 있다.The main shaft housing 16 is formed with a pressurized air supply passage 22 for introducing pressurized air in the radial and axial directions of the main shaft 1. This pressurized air supply passage 22 is connected to a pneumatic source (not shown).

상기 주축(1)의 외주면에는 주축(1)을 반경방향으로 지지하기 위한 복수개의 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)가 축방향으로 정열되어 있다.On the outer circumferential surface of the main shaft 1, a plurality of radial bearing pads 3, 4, 5, 8 for radially supporting the main shaft 1 are arranged in the axial direction.

상기 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)의 내주면과 주축(1)의 외주면과의 사이에는 일정한 반경방향의 베어링 압력간극(17)이 형성되어 있고, 이 베어링 압력간극(17)으로 가압공기를 주입하기 위해 도 4b와 같이 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)의 원주상 일정 간격하에는 반경방향으로 관통되고 주축(1)을 중심으로 방사상으로 배치되어 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통된 4개의 급기공(21)이 구비되어 있다.Between the inner circumferential surface of the radial bearing pads 3, 4, 5, and 8 and the outer circumferential surface of the main shaft 1, a constant radial bearing pressure gap 17 is formed, and this bearing pressure gap 17 In order to inject the pressurized air, radially penetrating radially and radially around the main shaft 1 are supplied to the pressurized air at a predetermined circumferential interval of the radial bearing pads 3, 4, 5, and 8 as shown in FIG. Four air supply holes 21 communicating with the passage 22 are provided.

본 실시예의 베어링 압력간극(17)은 15~25㎛로서 이물질의 혼입에 의한 소착의 위험도를 낮추도록 구성되어 있다. 이는 베어링 압력간극(17)이 15㎛ 이하가 되면 발열이 크고 이물질의 의한 소착의 위험도가 높아지기 때문이며, 그 간극(17)이 25㎛를 넘게 되면 부하능력이 작아지고 베어링 강성이 떨어지기 때문이다.The bearing pressure clearance 17 of this embodiment is 15-25 micrometers, and is comprised so that the risk of ignition by mixing of a foreign material may be reduced. This is because when the bearing pressure gap 17 is 15 μm or less, the heat generation is large and the risk of sintering by foreign matter increases. When the gap 17 exceeds 25 μm, the load capacity decreases and the bearing rigidity is reduced.

본 실시예에서는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5) 3개를 주축(1)의 전단부에 직열 설치하여 강성이 향상되도록 하였다.In this embodiment, three radial bearing pads 3, 4, and 5 are directly installed at the front end of the main shaft 1 to improve rigidity.

상기 복수개의 급기공(21)은 도 3에 도시된 바와 같이 지름 0.3~0.7㎜의 원뿔형 구멍(교축(絞縮)통로)으로 형성되어 교축이 일어나게 되어 있고, 그 단부에는 공기의 빠져나감을 원활히 하기 위해 확대통로를 더 가질 수 있다. 이때 확대통로의 단면크기는 공기의 압축을 고려하여 일정 크기로 제한된다.As shown in FIG. 3, the plurality of air supply holes 21 are formed as conical holes (orifice passages) having a diameter of 0.3 to 0.7 mm, and throttling occurs. It may further have an enlarged passage to do so. At this time, the cross-sectional size of the enlarged passage is limited to a predetermined size in consideration of the compression of air.

본 실시예에서 상기 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)는 2열의 급기공(21)을 갖고 있다.In this embodiment, the radial bearing pads 3, 4, 5, and 8 have air supply holes 21 in two rows.

상기 2열 급기공(21)의 위치가 바람직하게는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)의 각 길이(L)의 1L/7에 배치되어 있다. 이는 주축(1)이 30,000~50,000RPM 이상의 고속 회전시 베어링의 강성과 부하 능력을 극대화하기 위한 것이다. 이보다 클 경우는 베어링의 강성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이에 대한 실험치가 도 7에 그래프로 나타나 있다. 도 7은 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)측 급기공(21)의 위치에 따른 강성 관계를 나타낸 그래프로서, 급기공의 위치가 1L/7되는 곳에서 베어링 강성이 가장 높게 나타났다.The position of the second row air supply hole 21 is preferably arranged at 1 L / 7 of each length L of the radial bearing pads 3, 4, 5, 8. This is to maximize the rigidity and load capacity of the bearing when the spindle (1) is rotating at high speed of 30,000 ~ 50,000 RPM. In the case of larger than this, the rigidity of the bearing was inferior. The experimental value for this is shown graphically in FIG. 7. FIG. 7 is a graph showing the stiffness relation according to the positions of the air supply holes 21 on the radial bearing pads 3, 4, 5, and 8, and the bearing stiffness is highest when the air supply positions are 1 L / 7. .

상기 주축(1)의 일단에는 금속재의 스러스트 베어링 원판(2)이 일체로 구비되어 있다.One end of the main shaft 1 is integrally provided with a metal thrust bearing disc 2.

상기 스러스트 베어링 원판(2)의 양측면에는 주축(1)의 축방향 하중을 지지키 위해 금속재의 스러스트 베어링 패드(13,13)가 배치되어 있다. 이때 상기 스러스트 베어링 패드(13,13)의 소재는 스러스트 베어링 원판(2)의 소재보다 연한 금속으로 함이 바람직하다. 이는 스러스트 베어링 패드(13,13)가 상대적으로 교체가 쉽고 비용면에서 유리하기 때문이다. 따라서 예로, 상기 스러스트 베어링 원판(2)이 베어링강일 경우 스러스트 베어링 패드(13,13)는 구리로 제작될 수 있다.On both sides of the thrust bearing disc 2, thrust bearing pads 13 and 13 made of metal are arranged to support the axial load of the main shaft 1. In this case, the material of the thrust bearing pads 13 and 13 is preferably made of a softer metal than the material of the thrust bearing disc 2. This is because the thrust bearing pads 13 and 13 are relatively easy to replace and advantageous in terms of cost. Therefore, for example, when the thrust bearing disc 2 is a bearing steel, the thrust bearing pads 13 and 13 may be made of copper.

상기 스러스트 베어링 패드(13,13)는 각기 그 측면과 스러스트 베어링 원판(2)과의 사이에 축방향의 베어링 압력간극(12)을 갖고 있다. 상기 스러스트 베어링 패드(13,13)는 가압공기 공급통로(22)와 연통되어 있고 측면상 일정 간격하에4개의 관통된 급기공(13a)을 갖고 있다.The thrust bearing pads 13 and 13 each have an axial bearing pressure gap 12 between the side face and the thrust bearing disc 2. The thrust bearing pads 13 and 13 communicate with the pressurized air supply passage 22 and have four perforated air supply holes 13a at regular intervals on the side surface.

여기서 스러스트 베어링을 구성하는 스러스트 베어링 원판(2)의 위치는 중요하다. 주축(1)의 열변형 중에서 가공 정밀도에 영향을 주는 것을 주로 축방향 열변형이며, 축방향 열변형은 스러스트 베어링 원판(2)을 기점 기점으로 발생되기 때문이다.The position of the thrust bearing disc 2 which comprises a thrust bearing is important here. This is because the thermal deformation of the main shaft 1 affects the machining accuracy mainly because of the axial thermal deformation, and the axial thermal deformation occurs from the thrust bearing disc 2 as a starting point.

따라서 본 실시예에서는 스러스트 베어링 원판(2)이 주축(1)의 공구가 장착되는 부위에 가까운 주축(1)의 전단부에 설치하여 주축(1)의 열변형이 가공 정밀도에 미치는 영향을 최소화하였다.Therefore, in this embodiment, the thrust bearing disc 2 is installed at the front end of the main shaft 1 close to the site where the tool of the main shaft 1 is mounted, thereby minimizing the effect of the thermal deformation of the main shaft 1 on the machining precision. .

상기 압력 간극(12,17)으로 분출된 공기를 배출시키도록 주축 하우징(16)에는 배기공(14)이 형성되어 있다.An exhaust hole 14 is formed in the main shaft housing 16 to discharge the air blown out into the pressure gaps 12 and 17.

이때, 레이디얼 및 스러스트 공기 정압 베어링의 부하 하중은 간극(12,17) 사이의 평균압력과 공기압이 미치는 면적의 곱이 된다.At this time, the load load of the radial and thrust air static pressure bearing is the product of the area of the average pressure and the air pressure between the gaps 12 and 17.

한편, 본 발명에서는 주축 하우징(16)의 급기공(21)으로 토출된 공기를 이용하여 스핀들모터(7)를 냉각시켜 주는 구조를 더 갖는다.On the other hand, the present invention further has a structure for cooling the spindle motor 7 by using the air discharged into the air supply hole 21 of the spindle housing 16.

즉, 주축(1)에 회전력과 회전운동을 부여하는 스핀들모터(7)를 냉각시켜 주기 위해, 상기 레이디얼 베어링 패드(5와 8)의 사이에 스핀들모터(7)가 설치되어 있고, 상기 스핀들모터(7)의 양측면에는 급기공(21)으로 토출된 공기의 일부가 배출되는 열방출용 배기공(20)이 더 형성되어 있다.That is, the spindle motor 7 is provided between the radial bearing pads 5 and 8 in order to cool the spindle motor 7 which imparts rotational force and rotational motion to the main shaft 1, and the spindle Both sides of the motor 7 are further provided with heat discharge exhaust holes 20 through which a part of the air discharged through the air supply holes 21 is discharged.

도 6은 상기 주축(1)의 중공(15)에 설치되는 공구 클램프 장치와 공구 언클램프 실린더의 단면도로서, 31은 공구 언클램프 실린더이고, 32는 푸시로드, 34는공구를 척킹하기 위한 콜렛이다.6 is a cross-sectional view of a tool clamp device and a tool unclamp cylinder installed in the hollow 15 of the main shaft 1, 31 is a tool unclamp cylinder, 32 is a push rod, and 34 is a collet for chucking a tool. .

미설명부호 6은 스피들 모터의 냉각자켓이고, 9는 주축의 회전속도와 위치를 감지하는 엔코더이다.Reference numeral 6 is a cooling jacket of the spindle motor, 9 is an encoder for detecting the rotational speed and position of the spindle.

이와 같이 구성된 본 실시예의 작용을 설명한다.The operation of this embodiment configured as described above will be described.

도시안된 공압원으로부터 가압된 공기는 주축 하우징(16)의 가압공기 공급통로(22)를 따라 각 급기공(21)을 통해 주축(1)과 베어링 패드(3,4,5,8,13,13) 사이의 베어링 간극(17,12)으로 유입된다. 급기공(21)을 통해 공급되는 공기는 교축되어 단열팽창하고 이에 의해 공기의 온도가 내려가 베어링 부분이 냉각된다.The pressurized air from the pneumatic source, not shown, passes through the air supply holes 21 of the main shaft 1 and the bearing pads 3, 4, 5, 8, 13, 13 is introduced into the bearing gaps 17 and 12 therebetween. The air supplied through the air supply hole 21 is throttled and adiabaticly expanded, whereby the temperature of the air is lowered to cool the bearing portion.

베어링 간극(17,12)에 유입된 공기는 해당 간극(17,12)을 통과하여 주축(1) 내부에 형성된 배기공(14)을 따라 주축(1)의 바깥쪽 대기 중으로 빠져나간다. 간극(17,12) 내부에는 공기의 점성에 의해 공급압력과 대기압 사이의 압력이 분포하게 되며, 이 압력과 면적의 곱이 지지 하중으로 작용한다.The air flowing into the bearing gaps 17 and 12 passes through the gaps 17 and 12 and exits to the outside atmosphere of the main shaft 1 along the exhaust hole 14 formed in the main shaft 1. In the gaps 17 and 12, the pressure between the supply pressure and the atmospheric pressure is distributed by the viscosity of the air, and the product of the pressure and the area acts as a supporting load.

따라서 스핀들 모터(7)를 중심으로 전단부 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,) 와 후단부 레이디얼 베어링 패드(8) 그리고 전단부의 스러스트 베어링 패드(13)는 공구에 작용하는 절삭하중 등과 같은 외부 하중을 지지한다.Accordingly, the front end radial bearing pads 3, 4, 5, the rear end radial bearing pad 8, and the front end thrust bearing pad 13 are driven by the cutting load acting on the tool. Support the same external load.

이와 같이 공기 정압 베어링에서는 구름 베어링과 같은 기계적 접촉부위는 없다. 따라서 구름 베어링에서 보이는 부하하중에 따른 마찰력의 변화도 없다. 상대운동에 따른 베어링 매체의 저항은 공기의 점성에 의해 결정되며, 공기의 필름에 의해 주축의 회전표면에 미세한 요철이 존재하더라도 베어링의 기하학적 오차가 평준화되는 효과가 있다.As such, there is no mechanical contact such as rolling bearings in air static bearings. Therefore, there is no change of friction force due to the load load seen in rolling bearings. The resistance of the bearing medium due to the relative motion is determined by the viscosity of the air, and even if there are minute irregularities on the rotational surface of the main shaft by the film of air, the geometric error of the bearing is equalized.

한편, 스핀들 모터(7)에서 발생된 열은 스핀들 모터(7) 외측에 위치한 냉각 자켓(6) 내부를 순환하는 냉각수에 의해 주축(1) 밖으로 배출된다. 또한 간극(17,12)을 통해 흘러나온 공기는 스핀들 모터(7)에서 방사된 열에 의해 덥혀져 주축 배기공(20)을 통해 주축 외부로 빠져나간다.On the other hand, heat generated in the spindle motor 7 is discharged out of the main shaft 1 by the cooling water circulating inside the cooling jacket 6 located outside the spindle motor 7. In addition, the air flowing out through the gaps 17 and 12 is warmed by the heat radiated from the spindle motor 7 and exits the main shaft through the main shaft exhaust hole 20.

주축(1) 내부에 위치한 공구 클램핑 장치는 도 6과 같이 스프링(33)에 의해 푸시로드(32)에 연결된 콜렛(34)을 후퇴시켜 공구(10)를 주축(1) 앞쪽에 개설된 접촉면(11)에 밀착시킨다. 밀착력은 스프링(33)에 의해 유지되며, 주축(1) 뒤쪽에 위치한 공구 언클램프 실린더(31)가 푸시 로드(32)를 밀면, 공구홀더(10)는 주축(1)에서 이탈할 수 있게 된다. 이때 별도의 공구교환장치에 의해 공구가 교환되면, 공구 언클램프 실린더(31)의 푸시로드(32)가 후퇴하고, 푸시로드(32)는 스프링(33)에 의해 복귀하며, 공구홀더(10)는 주축(1)에 밀착되어 구속된다.The tool clamping device located inside the main shaft 1 retracts the collet 34 connected to the push rod 32 by the spring 33 as shown in FIG. 6 so that the tool 10 is opened in front of the main shaft 1. 11). Adhesion is maintained by the spring 33, when the tool unclamp cylinder 31 located behind the spindle 1 pushes the push rod 32, the tool holder 10 can be released from the spindle 1 . At this time, if the tool is replaced by a separate tool changer, the push rod 32 of the tool unclamp cylinder 31 is retracted, the push rod 32 is returned by the spring 33, the tool holder 10 Is tightly constrained to the spindle 1.

주축 내부(1)에는 공구(10)를 주축(1)에 고정할 수 있도록 공구 클램핑 장치를 내장하고 있다. 공구 클램핑 장치는 뒤쪽에 설치된 언클램프 실린더(31)가 동작하면 공구 홀더를 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 밀링머신이나 머시닝센터의 자동 공구 교환 기능을 수행할 수 있다.Inside the main shaft 1, a tool clamping device is incorporated to fix the tool 10 to the main shaft 1. The tool clamping device serves to separate the tool holder when the unclamp cylinder 31 installed at the rear is operated. Therefore, the automatic tool change function of a milling machine or a machining center can be performed.

상술한 바와 같이 본 발명의 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치에 따르면, 밀링용 공기 정압 베어링 고속 주축은 점성이 매우 낮은 공기를 베어링 매체로 사용함으로써 기계적 접촉부가 없어지므로, 구름 베어링 고속 주축에 비해 장구한 수명을 제공할 수 있다.As described above, according to the air static pressure bearing device of the high speed spindle for milling, the air constant pressure bearing high speed spindle for milling has no mechanical contact by using air having a very low viscosity as a bearing medium, and thus compared with the rolling bearing high speed spindle. Can provide long life.

또한, 기계적 마찰이 없고, 공기의 낮은 점성으로 인해 베어링부의 발열이 적을 뿐 아니라 단열팽창에 의한 냉각 효과가 존재하여 발열량이 매우 적다. 더욱이 스러스트 베어링 패드를 공구에 가까운 주축 전단부에 배치하여 열변형의 영향을 최소로 억제할 수 있다.In addition, there is no mechanical friction, and due to the low viscosity of the air, not only the heat generation of the bearing portion is low, but also the cooling effect by the adiabatic expansion is present, so the heat generation amount is very small. Furthermore, thrust bearing pads can be placed at the spindle front end close to the tool to minimize the effects of thermal deformation.

또한, 비접촉운동, 주축 및 하우징의 가공 오차를 줄여주는 공기 필름 효과에 의해 정숙한 운전이 가능하므로 표면조도가 매우 양호한 가공면을 얻을 수 있다.In addition, since a quiet operation is possible by the non-contact motion, the air film effect to reduce the machining error of the main shaft and the housing, a very good surface roughness can be obtained.

이러한 특성으로 인해 본 발명은 절삭가공만으로 최종 형상에 가장 근접한 가공을 수행하고, 가공면의 표면 품위를 높여 후가공 시간을 줄이고자 하는 고속가공의 목표와 잘 부합된다.Due to these characteristics, the present invention satisfies the goal of high-speed machining to perform machining closest to the final shape only by cutting, and to reduce the post-processing time by increasing the surface quality of the machining surface.

Claims (4)

주축 하우징(16)내에 축설되어 스핀들모터(7)에 의해 구동되는 중공형 주축(1)을 공기 정압으로 회전 지지하기 위한 밀링가공용 주축의 베어링 장치에 있어서,In the bearing device of the milling machining spindle for rotating support of the hollow spindle (1) driven in the spindle housing (16) driven by the spindle motor (7) at a constant air pressure, 상기 주축(1)의 반경방향 및 축방향으로 가압공기를 도입하기 위해 주축 하우징(16)에 형성된 가압공기 공급통로(22)와,A pressurized air supply passage 22 formed in the spindle housing 16 for introducing pressurized air in the radial and axial directions of the spindle 1; 상기 주축(1)의 외주면에 삽입되어 축방향으로 정열되고 그 외주면과 일정한 반경방향의 레이디얼 베어링 압력간극(17)을 갖고, 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통된 원주상에 일정 간격하에 반경방향으로 관통된 복수개의 급기공(21)을 갖는 레이디얼 베어링 패드(3,4,5,8)와;Inserted into the outer circumferential surface of the main shaft 1 and aligned in the axial direction, and having a radial bearing pressure gap 17 in a constant radial direction with the outer circumferential surface, at regular intervals on a circumference in communication with the pressurized air supply passage 22. Radial bearing pads (3, 4, 5, 8) having a plurality of radially supplied air supply holes (21); 상기 주축(1)의 일단에 구비된 스러스트 베어링 원판(2)과;A thrust bearing disc 2 provided at one end of the main shaft 1; 상기 스러스트 베어링 원판(2)의 양측면에 각기 배치되어 스러스트 베어링 압력간극(12)을 갖고, 상기 가압공기 공급통로(22)와 연통되고 측면상 일정간격하에 복수개의 관통된 급기공(13a)을 갖는 한쌍 이상의 스러스트 베어링 패드(13,13); 및It is disposed on both sides of the thrust bearing disk (2), respectively, and has a thrust bearing pressure gap (12), which communicates with the pressurized air supply passage (22) and has a plurality of perforated air supply holes (13a) at a predetermined interval on the side surface. One or more pairs of thrust bearing pads 13 and 13; And 상기 압력 간극(12,17)으로 분출된 공기를 배출시키도록 주축 하우징(16)에 구비된 하나 이상의 배기공(14)을 포함한 것을 특징으로 하는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치.And at least one exhaust hole (14) provided in the spindle housing (16) for discharging the air blown out into the pressure gap (12,17). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 스러스트 베어링 원판(2)은 주축(1)의 공구가 장착되는 부위에 가까운 전단부에 설치된 것을 특징으로 하는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치.The thrust bearing disc (2) is an air static pressure bearing device of a high speed spindle for milling, characterized in that installed in the front end portion close to the site where the tool of the spindle (1) is mounted. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 레이디얼 베어링 패드(5와 8)의 사이에 상기 스핀들모터(7)가 내설되고, 상기 스핀들모터(7)의 양측면에는 열방출용 배기공(20)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치.The spindle motor 7 is interposed between the radial bearing pads 5 and 8, and both sides of the spindle motor 7 are further provided with heat exhaust vents 20. Air static pressure bearing device of high speed spindle for machining. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 급기공(13a)은 단열 팽창이 일어나도록 원뿔형 교축통로를 갖는 것을 특징으로 하는 밀링 가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치.The air supply hole (13a) is a high-speed spindle of the air constant pressure bearing device for milling, characterized in that it has a conical axial passage so that adiabatic expansion occurs.
KR1020020063606A 2002-10-17 2002-10-17 Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing KR100878119B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020020063606A KR100878119B1 (en) 2002-10-17 2002-10-17 Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020020063606A KR100878119B1 (en) 2002-10-17 2002-10-17 Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040034948A true KR20040034948A (en) 2004-04-29
KR100878119B1 KR100878119B1 (en) 2009-01-14

Family

ID=37333934

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020020063606A KR100878119B1 (en) 2002-10-17 2002-10-17 Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100878119B1 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100829861B1 (en) * 2007-09-03 2008-05-16 한국기계연구원 The compacted nc lathe
KR100859433B1 (en) * 2007-09-03 2008-09-23 한국기계연구원 The compacted air spindle apparatus
KR200460963Y1 (en) * 2009-09-03 2012-06-14 다항산업 주식회사 Air bearing and spindle device having the same
CN106151274A (en) * 2016-08-23 2016-11-23 苏州陈那自动化技术有限公司 Two-part annulus throttling arrangement
WO2021244023A1 (en) * 2020-06-05 2021-12-09 广州市昊志机电股份有限公司 Air bearing spindle and machine tool

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4436156C1 (en) * 1994-10-10 1996-03-21 Heinzl Joachim Aerostatic bearing and method for manufacturing an aerostatic bearing
KR200153197Y1 (en) * 1996-12-31 1999-08-02 추호석 Spindle unit using high stiffness cylinderical hydrostatic air bearing
WO2001010002A2 (en) * 1999-07-29 2001-02-08 Encap Motor Corporation Spindle motor for hard disk drive
DE10106204A1 (en) * 2001-02-10 2002-08-14 Rieter Ingolstadt Spinnerei Open-end spinning device with an aerostatic radial bearing for a spinning rotor

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100829861B1 (en) * 2007-09-03 2008-05-16 한국기계연구원 The compacted nc lathe
KR100859433B1 (en) * 2007-09-03 2008-09-23 한국기계연구원 The compacted air spindle apparatus
KR200460963Y1 (en) * 2009-09-03 2012-06-14 다항산업 주식회사 Air bearing and spindle device having the same
CN106151274A (en) * 2016-08-23 2016-11-23 苏州陈那自动化技术有限公司 Two-part annulus throttling arrangement
CN106151274B (en) * 2016-08-23 2019-05-14 苏州陈那自动化技术有限公司 Two-part annular gap throttling set
WO2021244023A1 (en) * 2020-06-05 2021-12-09 广州市昊志机电股份有限公司 Air bearing spindle and machine tool

Also Published As

Publication number Publication date
KR100878119B1 (en) 2009-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2010247257A (en) Rotational resistance applying device in main shaft driving device for machine tool
JP2004508509A (en) Adjustable bearings
CN113894300B (en) Porous and micropore combined throttling gas static pressure turning electric spindle
JPS61290232A (en) Gas static pressure bearing
KR100878119B1 (en) Aerostatic bearing device of high speed spindle for milling processing
US6494620B1 (en) Fluid bearing and rotary drive apparatus using the same
JP3262395B2 (en) Spindle device of machine tool
TWI680029B (en) Main spindle device
US5820272A (en) Bearing structure for a rotating shaft
JP2009138896A (en) Rolling bearing and its lubrication method
JPH11336767A (en) Cylindrical roller bearing
JP2506129Y2 (en) Spindle head
JPH09257037A (en) Spindle head for machine tool
CN113427400B (en) High-speed air-float grinding main shaft
JP2008110426A (en) Spindle device
WO2022059573A1 (en) Bearing device
JP2007177900A (en) Tapered roller bearing
JP2007247783A (en) Lubricating structure of roller bearing
KR20150050259A (en) Spindle structure of machine tool
JPH0751903A (en) Main spindle device of machine tool
WO2020090277A1 (en) Spindle device having built-in motor
JP3965252B2 (en) Bearing device and spindle device
KR20150050260A (en) Spindle structure of machine tool
JP7096742B2 (en) Bearing device cooling structure
JP2002054631A (en) Main spindle device and pre-load adjustment method for the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20111208

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121226

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151201

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161222

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee