KR20050018652A - 동압 베어링용 축, 동압 베어링 및 이 축의 제조 방법 - Google Patents

동압 베어링용 축, 동압 베어링 및 이 축의 제조 방법

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KR20050018652A
KR20050018652A KR10-2004-7015741A KR20047015741A KR20050018652A KR 20050018652 A KR20050018652 A KR 20050018652A KR 20047015741 A KR20047015741 A KR 20047015741A KR 20050018652 A KR20050018652 A KR 20050018652A
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켄지 카야마
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닛폰 하츠죠 가부시키가이샤
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Abstract

동압 베어링용 축(2)의 제조 방법은, 동압 베어링용 축(2)으로 가공되는 막대 형상의 재료(5)와 이 재료(5)의 외주면(5a)을 가공하는 연삭 지석(가공구)(11) 사이의 상대적인 진동을 제어함으로써, 복수의 홈(2b)이 외주면(5a)의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 홈(2b) 및 외주면(2a)의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공구가 갖춰져 있는 축(2)을 만든다.

Description

동압 베어링용 축, 동압 베어링 및 이 축의 제조 방법{SHAFT FOR FLUID DYNAMIC BEARING, FLUID DYNAMIC BEARING DEVICE, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SHAFT}
본 발명은, 베어링부와 상대적으로 회전함으로써 베어링부와의 사이에 동압(動壓)을 발생시키는 형상으로 외주면이 형성된 동압 베어링용 축과, 이 축을 구비하는 동압 베어링 및 이 축의 제조 방법에 관한 것이다.
동압 베어링에 있어서, 회전 축심의 안정성을 향상시키기 위해서 축과 베어링부의 미끄럼 이동면의 적어도 어느 한 쪽에 미끄럼 이동 방향을 가로지르는 방향으로 홈을 형성한 것이 있다. 홈은, 소위 삼목 무늬 모양으로 배치된 청어가시형(herringbone)(예컨대, 일본 특허 공개 2000-227119호 공보 참조)과, 회전 축심과 평행하게 배치된 것(예컨대, 국제 공개 제98/38433호 팜플렛 참조)의 두 가지 타입이 있다.
또한, 고정축과 이 고정축의 외주에 헐겁게 끼워서 회전하는 중공 회전축을 갖추고, 고정축 외주 형상을 등경(等徑)의 다원호 형상 혹은 등경의 왜곡된 원 형상으로 하여, 고정축 외주와 중공 회전축 내주와의 간극의 형상을 홀수(3개)의 정현파형으로 형성한 동압 공기 베어링이 있다. 이러한 타입은 광편향기에 이용된다(예컨대, 일본 특허 공개 평7-230056호 공보 참조). 축의 표면은 아노다이즈 처리가 되어 있다.
본 발명에 있어서의 동압 베어링 및 동압 베어링용 축이란, 저속 또는 고속으로 한 방향 회전 또는 왕복 회전(정역 회전) 혹은 연속 회전, 단속 회전하는 회전체 혹은 그것을 지지하는 부재이며, 회전에 의해 윤활 매체를 둘레 방향 또는 길이 방향으로 이동시키는 기능을 지니고 미끄럼 이동 저항을 저감시켜 회전을 안정화시키는 것이다.
동압 베어링의 고회전수 영역에 있어서의 하프 월(half whirl)의 발생을 제어할 수 있을 정도로, 또한, 축과 베어링부가 저회전수까지 충돌하지 않고서 안정적으로 회전할 정도로 동압 베어링의 회전 정밀도를 향상시키기 위해서는, 홈의 수를 늘리는 동시에 홈 형상을 보다 정밀도 좋게 가공해야만 한다. 청어가시형의 홈은 가공 비용을 줄이기 위해서, 마스킹을 실시한 막대재(rod-shaped material)에 에칭이나 블러스트 또는 피닝(peening)함으로써 형성된다. 이들 공법에 있어서, 어느 정도 이상의 가공 정밀도를 기대하기는 어렵다. 또, 청어가시형의 패턴 방향에 따라 회전 특성이 다르기 때문에 회전 방향을 고려한 조립이 요구된다.
에칭, 블러스트, 피닝, 연삭, 레이저 가공에 의해서 홈을 회전 축심을 따른 방향으로 형성하는 경우, 홈과 외주 형상과의 경계에 불연속부가 형성된다. 그 때문에, 회전수가 커지면 불연속부에서 회전 방향의 하류측으로 박리층이 형성되기 쉽다. 박리층이 형성되면 축과 베어링부 사이에 원하는 동압을 발생할 수 없게 되는 경우가 있다.
그리고, 어느 가공 방법에 있어서도 홈을 형성하는 가공과는 별도로 축이나 베어링부 그 자체의 진원도(circularity)를 높이기 위한 가공 공정을 두어야만 한다. 또, 진원도 가공과 홈 가공이 실시되는 축은 공정마다 재현성이 높은 가공 위치 결정 정밀도가 필요하다. 이 축의 가공 비용은 저감시키기가 어렵다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시형태의 동압 베어링의 베어링부를 일부 단면으로 하여 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 축과 베어링부의 축심을 가로지르는 단면의 일부 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시한 축의 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 축의 축심을 직각으로 가로지르는 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 축을 센터리스 연삭기로 가공하는 상태를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시한 축과 연삭 지석과 조정차와 블레이드의 위치 관계를 도시하는 모식도이다.
도 7은 도 5에 도시한 센터리스 연삭기에 의해 나선형의 홈이 형성된 축의 사시도이다.
도 8은 도 5에 도시한 센터리스 연삭기에 의해 물결형의 홈이 형성된 축의 사시도이다.
도 9는 도 5에 도시한 센터리스 연삭기에 의해 연속되는 홈을 여러 곳에 형성한 축의 사시도이다.
도 10은 도 3에 도시한 축을 원통 연삭기로 가공하는 상태를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 3에 도시한 축을 절삭 가공기로 가공하는 상태를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 12는 본 발명에 따른 제2 실시형태의 동압 베어링의 베어링부를 단면으로 한 사시도이다.
도 13은 도 12에 도시한 동압 베어링의 회전 축심에 수직인 면을 따른 단면도이다.
도 14는 도 12에 도시한 동압 베어링의 반경 방향의 변화량을 확대하여 전개한 원주 방향의 프로파일을 도시한 도면이다.
도 15는 도 12에 도시한 동압 베어링에 대해서, 클리어런스와 접촉 개시 회전수의 관계를 도시한 도면이다.
도 16은 도 12에 도시한 동압 베어링에 대해서, 외주 형상의 변화율과 접촉 개시 회전수의 관계를 도시한 도면이다.
도 17은 도 12에 도시한 동압 베어링에 대해서, 축의 안정성을 나타내는 지수와 접촉 개시 회전수의 관계를 도시한 도면이다.
도 18은 도 12에 도시한 동압 베어링에 대해서, 축의 안정성을 나타내는 지수와 베어링 강성의 관계를 도시한 도면이다.
본 발명은 하프 월을 억제하는 동시에, 저회전수 영역에 있어서 축과 베어링부의 접촉 개시 회전수를 저하시킬 수 있는 회전 안정성을 갖는 동압 베어링용 축과, 이 축을 구비하는 동압 베어링, 또한, 이 동압 베어링용 축을 저렴하고 정밀도 좋게 만들 수 있는 축의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 동압 베어링용 축은 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되어 있다. 동압 베어링의 회전축의 왜곡을 작게 하기 위해서 적어도 일부에 연속되는 홈을 형성한다. 또한, 회전축의 반경 방향으로 작용하는 힘의 축 방향을 따른 분포를 안정시키기 위해서, 축심 방향과 평행하게 뻗어 나가도록 홈을 형성한다. 또, 홈 속의 유체가 흐르는 방향을 제어하기 위해서, 축심을 중심으로 하는 회전 방향의 위상이 축심 방향을 따라서 변화되는 홈을 형성한다. 또한, 회전축의 안정성이 회전 방향에 따라 달라지지 않도록 하는 동시에, 축과 베어링부의 접촉을 순조롭게 하기 위해서, 둘레 방향을 따라서 외주면을 반경 방향으로 정현파형으로 변화시켜 홈을 형성한다.
본 발명에 따른 동압 베어링은, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되어 있는 축과, 이 축의 외주면을 둘러싸는 원통형의 내주면이 형성된 베어링부를 구비한다.
본 발명에 따른 동압 베어링용 축의 제조 방법은, 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 가공하는 가공구 사이의 상대적인 진동을 제어함으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 늘어서 배치되며, 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런히 되어 있는 축을 만든다. 이 경우, 제어되는 진동은 재료와 가공구 사이에 생기는 자려 진동(self-induced vibration) 또는 가공구를 갖춘 가공 장치에 발생하는 강제 진동이다.
본 발명에 따른 동압 베어링용 축의 제조 방법은, 센터리스(centerless) 연삭기에 의해서 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료를 이 가공 프로세스 중에 자려 진동시켜, 재료의 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 복수의 홈이 형성된 동압 베어링용 축을 만든다. 이 경우, 자려 진동의 진동수를 제어함으로써 외주면과 매끄럽게 연속되는 홈을 외주면의 둘레 방향으로 등간격으로 배치한다. 홈의 수와 깊이의 적어도 어느 한 쪽이 다른 동압 베어링용 축을 만드는 경우, 센터리스 연삭기의 연삭 조건 중, 조정차의 회전수, 조정차의 경도, 연삭 지석의 회전수, 연삭 지석의 입도, 연삭 지석의 결합재 경도, 연삭 지석의 지립 밀도, 블레이드의 꼭지각, 재료의 코어 높이, 연삭 지석에 대한 코어 높이, 조정차에 대한 코어 높이각, 재료의 회전축에 대한 조정차의 회전축의 경사각, 재료에 대한 연삭 지석의 컷팅량 중의 적어도 하나를 바꾼다. 또, 축심을 중심으로 하는 회전 방향의 위상이 축심 방향을 따라서 변화되는 홈을 형성하기 위해서, 센터리스 연삭기의 조정차와 연삭 지석의 적어도 한 쪽의 회전수, 또는 재료의 코어 높이를 가공 프로세스 중에 변화시킨다. 또한, 홈의 깊이를 바꾸기 위해서 센터리스 연삭기의 연삭 지석의 회전축을 강제 진동시키거나 발생하는 진동의 진폭을 변화시킨다.
본 발명에 따른 동압 베어링용 축의 제조 방법은, 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 연삭하는 지석을 갖춘 원통 연삭기를 달각달각(chatter) 진동시킴으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 된 동압 베어링용 축을 만든다. 또는, 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 절삭하는 날붙이를 갖춘 절삭 가공기를 달각달각 진동시킴으로써 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 늘어서 배치되며, 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런히 된 동압 베어링용 축을 만든다.
본 발명에 따른 다른 형태의 동압 베어링용 축은, 이 축에 외부 삽입되는 베어링부와 회전 축심을 중심으로 상대적으로 회전함으로써 동압을 발생하는 복수의 홈을 외주면에 갖는다. 홈은, 외주면을 회전 축심을 따른 방향으로 일정하게 뻗어 나가는 동시에 둘레 방향을 따라서 축의 반경이 완만하게 변화되는 형상이다. 반경의 최대치와 최소치의 치수차가 되는 홈의 깊이(D)는 0.1∼100 ㎛ 범위내인 것이 바람직하다. 이 경우, 회전 축심을 수직으로 가로지르는 방향을 따른 축의 외주면의 프로파일 f(θ)는 이 외주 형상에 외접(外接)하는 평균원이 직선이 되도록 전개하는 경우, 회전 축심에 대한 방위각을 θ라고 하면, 다음의 다항식으로 나타내어진다.
이 경우, 다음의 조건을 만족하여야 한다.
본 발명에 따른 또 다른 형태의 동압 베어링용 축은, 회전 축심에 수직인 면을 가로지르는 방향으로 일단에서부터 타단까지 연속해서 뻗어 나가는 홈이 회전 축심을 중심으로 하는 회전 대칭으로 홀수 늘어서 배치되어 있다. 회전 축심을 중심으로 하는 반경 방향의 변화량을 확대하여 전개한 둘레 방향을 따른 외주 형상의 프로파일은 정현파형이다. 이 경우, 홈의 수는 3∼15 중에서 하나 선택되는 홀수인 것이 바람직하다.
홀수는 그 회전 안정성의 점에서 바람직하다. 다만, 15 이상의 홀수이면, 외주 형상이 진원형에 가까워지기 때문에 발생하는 동압이 분산되어 원하는 효과를 얻을 수 없다. 한편, 하한치는 3으로 되어 있기는 하지만, 3이면 특히 고속측에서 회전이 불안정하게 되는 경우가 있다. 한편, 5∼9의 범위는 가공의 안정성(재현성)도 좋고 수율이 향상되어, 특히 우수한 특성을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 또 다른 형태의 동압 베어링은 축과 이 축에 외부 삽입되는 베어링부를 갖는 동압 베어링인 것을 전제로 한다. 축은 회전 축심을 중심으로 베어링부와 상대적으로 회전함으로써 동압을 발생하는 복수의 홈을 외주면에 갖는다. 홈은 외주면을 회전 축심을 따른 방향으로 일정하게 뻗어 나가는 동시에 둘레 방향을 따라서 축의 반경이 완만하게 변화되는 형상이다. 이 경우, 반경의 최대치와 최소치의 치수차가 되는 홈의 깊이(D)는 0.1∼100 ㎛의 범위내인 것이 바람직하다. 또한, 이 동압 베어링은 베어링부는 고정되고, 축이 회전한다. 축에 외접하는 원통면의 직경을 Φ, 원통면에서부터 외주 형상까지의 반경 방향의 치수의 평균치를 DAVE, 베어링부의 내주면과 원통면과의 직경 클리어런스의 평균 치수를 C라고 하면, 이들은 다음의 관계를 갖는 것이 바람직하다.
축 및 베어링에 이용되는 재료는, 적어도 한 쪽이 알루미나, 질화규소, 지르코니아, 질화알루미늄, 표면을 굳힌 강(case-hardened steel), 스프링강, 합금공구강, 마레이징강(Maraging steel), Ti 합금, 알루미늄, 스테인리스강 혹은 이들 재질의 모재에 도금·용사(溶射) 등에 의해 코팅된 재질 중에서 선택되는 적어도 하나의 재료인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 제1 실시형태의 동압 베어링(1)에 대해서, 도 1에서부터 도 8을 참조하여 설명한다. 도 1에 도시하는 것과 같이 동압 베어링(1)은 축(2)과 베어링부(3)를 구비하고 있다. 축(2)은 외주면(2a)에 복수(도 1에서부터 도 4에서는 25개)의 홈(2b)이 형성되어 있다. 한편, 본 실시형태에서는, 홈(2b) 부분을 분명히 알 수 있도록, 홈(2b)의 깊이(D)를 실제의 것보다도 크게 과장하여 나타내고 있다. 예컨대, 유체로서 공기를 이용하는 동압 베어링(1)에 있어서, 축(2)의 직경(최대 직경)이 10 mm 정도인 경우, 도 2에 도시하는 홈(2b)의 깊이(D)는 수 ㎛ 정도이다.
이 홈(2b)의 깊이(D)는 축(2)의 직경에 비례하여 크게 하는 쪽이 바람직하다. 단, 동압을 발생시키는 원리에 따르면, 축 직경에 상관없이 홈(2b)의 깊이(D)는 사용되는 회전수에 따라서 0.1∼100 ㎛의 범위에서 형성된다. 특히, 0.5 ㎛ 이상이면 홈 형성의 안정성이 특히 향상되는 효과를 얻을 수 있으며, 특히, 10 ㎛ 이하이면 그 효과가 현저히 향상되는 경우가 있다.
도 3에 도시한 바와 같이 홈(2b)은 축(2)의 회전 축심(2c)과 평행하게 한 쪽 끝에서부터 다른 쪽 끝에까지 연속하여 형성되어 있으며, 도 4에 도시한 바와 같이 외주면(2a)의 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 홈(2b) 및 외주면(2a)은 표면 거칠기가 균일하고, 가공선이 둘레 방향으로 가지런하게 되어 있다. 한편, 본 명세서에서, 「가공선」이라고 하는 것은 제거 가공에 의해서 피가공부에 형성되는 현저한 싱글컷(single-cut)을 말한다.
도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이 홈(2b)은 외주면(2a)에서부터 매끄럽게 연속되고 있으며, 본 실시형태에서는, 둘레 방향을 따라서 외주면(2a)이 반경 방향으로 정현파형으로 매끄럽게 변화됨으로써 형성되고 있다. 베어링부(3)는 축(2)의 외주면(2a)을 둘러싸는 원통형의 내주면(3a)이 형성되어 있다. 또, 이 내주면(3a)과 축(2)의 외주면(2a) 사이에는 유체의 막이 형성될 정도의 간극(4)을 갖고 있다.
이상과 같이 구성된 동압 베어링(1)에 있어서, 홈(2b)의 단면 형상은 둘레 방향에 대해서 대칭이다. 따라서, 축(2)과 베어링부(3)가 상대적으로 회전하는 경우, 어느 방향으로 돌더라도 회전의 특성이 같다. 즉, 회전의 기동시와 정지시에 걸리는 부하 토크가 동일하며, 회전의 기동시 및 정지시에 축(2)의 외주면(2a)과 베어링부(3)의 내주면(3a)이 접촉함으로써 서로의 면이 마모되는 조건이 동일하다. 그 때문에, 회전 방향에 따라 동압 베어링(1)의 내구성에 차이가 생기지 않는다. 또한, 안정된 회전 상태가 될 때까지 걸리는 시간 및 안정된 회전 상태가 되는 회전수 등도, 회전 방향에 상관없이 동일한 성능을 얻을 수 있다.
그리고, 홈(2b)이 외주면(2a)과 매끄럽게 연속되고 있기 때문에, 외주면(2a)에서부터 홈(2b)에 걸쳐서 회전 방향으로 하류측으로 되는 축(2)과 베어링부(3)와의 간극(4)이 넓어지는 부분(구체적으로는, 도 2에서 화살표 방향으로 축(2)이 회전하는 경우, A로 나타내는 부분)의 흐름에 난류가 발생하기 어렵다. 또한, 축(2)의 홈(2b) 및 외주면(2a)은 표면 거칠기가 균일하며, 또, 가공선이 둘레 방향으로 가지런히 되어 있다. 따라서, 동압 베어링(1)의 축(2)과 베어링부(3)를 상대적으로 회전시킨 경우, 축(2)의 외주면(2a) 및 홈(2b)과 베어링부(3)의 내주면(3a) 사이의 유체가 가공선을 따라서 흐르기 때문에, 난류가 발생하기 어려운 동시에 하류측에 박리가 생기기 어렵다. 이 때문에, 축(2)과 베어링부(3)의 상대적인 회전 속도에 대해서, 회전 속도가 느린 영역에서부터 빠른 영역까지 폭넓은 영역에서 회전 축심(2c)이 안정적으로 되기 쉽다.
이어서, 축(2)의 제조 방법에 대해서 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 축(2)은 도 5에 도시한 바와 같은 센터리스 연삭기(10)에 의해서 가공된다. 센터리스 연삭기(10)는 연삭 지석(grinding wheel)(11)과 조정차(regulating wheel)(12)와 블레이드(13)를 구비한다. 연삭 지석(11)은 동압 베어링용 축(2)으로 가공되는 막대 형상 재료(5)의 외주면(5a)을 연삭한다. 조정차(12)는 재료(5)를 회전시켜 연삭 지석(11)에 대한 접촉면(5b)을 바꾼다. 블레이드(13)는 연삭 지석(11) 측에서부터 조정차(12) 측으로 내려가도록 정상부에 형성된 경사면(13a)에서 재료(5)를 지지한다. 연삭 지석(11)과 조정차(12)는 도 5 에서 화살표 14, 15로 나타낸 바와 같이 동일한 방향으로 회전한다.
연삭 지석(11), 조정차(12), 블레이드(13) 및 동압 베어링용 축(2)으로 가공되는 재료(5)의 위치 관계를 도 6에 도시한다. 재료(5)는 연삭 지석(11), 조정차(12), 블레이드(13)의 각각에 접촉하고 있다. 또한, 재료(5)의 중심(5c)은 연삭 지석(11)의 중심(11a)과 조정차(12)의 중심(12a)을 연결하는 기준선(U)보다도 코어 높이(H)의 거리만큼 위에 위치한다.
센터리스 연삭기(10)는 연삭 조건으로서, 블레이드(13)의 꼭지각(α), 재료(5)의 코어 높이(H), 재료(5)의 중심(5c)과 연삭 지석(11)의 중심(11a)을 연결하는 선과 기준선(U)이 이루는 각도(연삭 지석(11)에 대한 코어 높이각)(β), 재료(5)의 중심(5c)과 조정차(12)의 중심(12a)을 연결하는 선과 기준선(U)이 이루는 각도(조정차(12)에 대한 코어 높이각)(γ), 재료(5)의 회전축(16)에 대한 조정차(12)의 회전축(17)의 경사각(δ), 연삭 지석(11)의 회전수, 조정차(12)의 회전수, 연삭 지석(11)의 입도, 조정차(12)의 경도, 연삭 지석(11)의 결합재 경도, 연삭 지석(11)의 지립 밀도, 재료(5)에 대한 연삭 지석(11)의 컷팅량을 바꿈으로써 가공 상태가 변화된다. 블레이드(13)의 꼭지각(α)은 다른 각도로 형성된 경사면(13a)을 갖는 블레이드(13)로 교환함으로써 변경된다. 재료(5)의 코어 높이(H)는 블레이드(13)의 위치, 연삭 지석(11)과 조정차(12)의 중심 사이 거리를 조정함으로써 변경된다. 연삭 지석(11)에 대한 코어 높이각(β)은 반경이 다른 연삭 지석(11)으로 교환함으로써 변경된다. 조정차(12)에 대한 코어 높이각(γ)은 반경이 다른 조정차(12)로 교환함으로써 변경된다. 종래에는, 센터리스 연삭기(10)는 막대 형상 재료(5)의 진원도나 원통도를 향상시키기 위해서 각 연삭 조건이 설정된다.
이에 대하여, 본 실시형태에서는, 센터리스 연삭기(10)의 가공구인 연삭 지석(11)과 동압 베어링용 축(2)으로 가공되는 재료(5)의 상대적인 진동, 소위 달각달각 진동이 생기도록, 각 연삭 조건을 설정한다. 달각달각 진동에는 재료(5)와 연삭 지석(11) 사이에 생기는 자려 진동과, 센터리스 연삭기(10)에 생기는 강제 진동이 있다. 이들 진동이 가공 중에 발생하면, 설정한 연삭 조건이 진동의 주기에 맞춰 근소하게 변동되기 때문에, 가공 상태가 주기적으로 변화된다. 이 결과, 축(2)의 외주면(2a)의 둘레 방향을 따라서, 복수의 홈(2b)이 나란히 늘어서 형성된다. 홈(2b)의 수는 진동의 주파수에 의존하며, 홈(2b)의 깊이(D)는 진동의 진폭에 의존한다. 따라서, 연삭 조건을 조정하여, 달각달각 진동의 주파수를 제어함으로써, 원하는 홈(2b) 수의 축(2)을 용이하게 만들 수 있다. 마찬가지로, 연삭 조건을 조정하여, 달각달각 진동의 진폭을 제어함으로써, 원하는 홈(2b) 깊이(D)의 축(2)을 용이하게 만들 수 있다. 특히, 재료(5)에 대하여, 연삭 지석(11)과 조정차(12)와 블레이드(13)의 상대적인 위치 관계를 변화시킴으로써 상이한 홈(2b) 수의 축(2)이 형성되며, 연삭 지석(11)을 지지하는 지석축의 코어 진동량 및 연삭 지석(11)의 면 성상(연삭 지석(11)의 입도, 지석 결합재의 강도)을 변화시킴으로써, 상이한 홈(2b) 깊이(D)의 축(2)이 형성된다.
한편, 달각달각 진동의 주파수나 진폭은 재료(5)의 고유 진동수, 블레이드(13)의 고유 진동수, 연삭 지석(11) 및 조정차(12)를 지지하는 부재의 고유 진동수 및 센터리스 연삭기(10)의 고유 진동수에도 의존한다. 따라서, 전술한 연삭 조건을 변경하는 것 외에, 이들 고유 진동수가 변하도록, 센터리스 연삭기(10)의 적절한 위치에 제진 기구를 장착하더라도 좋다. 또한, 달각달각 진동을 제어하기 위해서, 연삭 조건을 조정하는 것 외에, 자려 진동이나 강제 진동을 유발하거나 혹은 여기하도록 외부로부터 진동을 가하여 진동을 제어하더라도 좋다.
즉, 본원 발명에 따른 축(2)의 제조 방법은, 진동을 제어함으로써 복수의 홈(2b)이 외주면(2a)의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치된 축(2)을 만든다. 또, 축(2)을 회전시켜, 외주면(2a) 및 홈(2b)을 둘레 방향으로 균일하게 연삭하기 때문에, 외주면(2a) 및 홈(2b)의 표면 거칠기는 균일하게 마무리되는 동시에, 연삭에 의해서 형성된 가공선은 둘레 방향으로 가지런하게 되고 있다. 그리고, 연삭 지석(11)의 회전축(18)과 재료(5)의 회전축(16)이 평행하게 배치되어 한 쪽 끝에서부터 다른 쪽 끝까지 전체적으로 접촉하기 때문에, 축(2)의 외주면(2a)에 가공되는 홈(2b)은 축(2)의 회전 축심(2c)과 평행하게 형성된다. 진동의 주파수 및 진폭이 일정하게 유지되도록 제어함으로써, 홈(2b)은 축(2)의 외주면(2a)에 등간격으로 배치된다. 또한, 본 실시형태의 축(2)의 제조 방법에 따르면, 재료(5)를 원하는 원통도 및 진원도로 가공하는 동시에 홈(2b)이 가공된다.
또, 재료(5)의 회전축(16)에 대하여 조정차(12)의 회전축(17)을 경사시킴으로써, 재료(5)가 연삭되면서 도 5에서 화살표 V로 나타내는 회전축(16)을 따른 방향으로 반송되는, 소위 관통이송 연삭(through-feed grinding)으로 된다.
그래서, 연삭 지석(11)을 재료(5)의 전체 길이에 대하여 부분적으로 접촉하도록 배치하여, 달각달각 진동의 주파수를 재료(5)가 회전축(16)을 중심으로 회전하는 회전수의 자연수배 이외의 값으로 되도록 연삭 조건을 설정하여 관통이송 연삭을 실시한다. 이와 같이 하면, 도 7에 도시한 바와 같이, 축(2)의 회전 축심(2c)을 중심으로 하는 회전 방향의 위상이 회전 축심(2c) 방향을 따라서 변화되는 홈, 예컨대 나선형의 홈(2s)이 형성된다.
즉, 도 2에 도시하는 축(2)은 달각달각 진동의 주파수를 자연수배로 고정함으로써, 회전 축심(2c) 방향을 따른 홈(2b)을 형성한 일례이다. 또한, 관통이송 연삭 도중인 임의의 자연수를 기준으로 달각달각 진동의 주파수를 변동시키면, 나선의 방향이 회전 축심(2c)에 대해서 시계 방향과 반시계 방향으로 방향이 바뀐다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이 청어가시형의 물결형으로 홈(2h)이 형성된 축(2)을 만들 수 있다.
또한, 관통이송 연삭을 실시하고 있는 도중에, 진동을 발생(여기)시키거나 억제하거나 변화시킴으로써 도 9에 도시한 바와 같이 부분적으로 연속되는 홈(2p)이 형성된 축(2)을 만들 수 있다.
센터리스 연삭기(10)에 의해서 동압 베어링용 축(2)을 가공한 예를 이하에 나타낸다. 동압 베어링용 축(2)으로 가공되는 재료(5)로서, 외경이 약 8 mm인 막대 형상의 알루미나계의 세라믹스를 이용했다. 변화시키는 연삭 조건으로서, 코어 높이(H)를 0∼15 mm 사이로 설정하여, 축(2)의 외주면(2a)에 형성된 홈(2b)의 개수를 측정했다. 그 결과, 진동이 발생하지 않는 조건(원하는 진원도 및 원통도로 축(2)을 마무리하는 조건)의 코어 높이(H)를 기준으로 하면, 이 코어 높이(H)에 대하여 2∼10% 코어 높이(H)가 낮은 조건에서는 3∼21 라인의 홈(2b)이 형성되고, 2∼10% 코어 높이(H)가 높은 조건에서는 22∼50 라인의 홈(2b)이 형성된다고 하는 결과를 얻었다.
이들 홈(2b)의 수가 각각 다른 축(2)에 대해서, 회전 진동과 내구성 시험을 했다. 회전 진동은 홈(2b)의 수가 늘어남에 따라 작아졌다. 다만, 축(2)의 직경에 따라서, 원하는 동압을 발생할 수 있는 홈(2b)을 형성할 수 있는 수에는 한계가 있기 때문에, 홈(2b)의 수가 지나치게 많으면, 반대로 회전 진동이 생기기 쉽게 되었다. 외형이 약 8 mm인 축(2)에 대해서 실시한 이 시험에서는, 홈(2b)의 수가 3∼40 범위에서 회전축 진동이 원하는 값보다도 작은 것을 확인할 수 있었다. 또, 내구성은 회전진동이 미리 설정한 허용치를 넘을 때까지의 회전수로 평가했다. 홈(2b)의 수가 증가하면, 내구성은 저하되었다.
또한, 5 라인의 홈(2b)이 형성되는 조건의 코어 높이(H)에 있어서, 외부에서 진동을 가하여 연삭 지석(11)의 회전축(18)의 코어 진동량을 변화시켰다. 연삭 지석(11)의 회전축(18)의 코어 진동량이 커지면 홈(2b)은 깊어지고, 반대로 코어 진동량이 작아지면 홈(2b)은 얕아졌다.
한편, 전술한 가공예 및 결과는 일례에 불과하다. 따라서, 연삭 조건으로서 앞서 예로 든, 조정차의 회전수, 조정차의 경도, 연삭 지석의 회전수, 연삭 지석의 입도, 연삭 지석의 결합재 경도, 연삭 지석의 지립 밀도, 블레이드의 꼭지각, 재료의 코어 높이, 연삭 지석에 대한 코어 높이각, 조정차에 대한 코어 높이각, 재료의 회전축에 대한 조정차의 회전축의 경사각, 재료에 대한 연삭 지석의 컷팅량 중의 하나를 변화시키거나, 혹은 이들 중에서 몇 개의 조건을 복합적으로 변화시킴으로써, 원하는 주파수 및 진폭의 진동을 발생시키면, 원하는 홈 수 및 홈 깊이의 축을 용이하게 만들 수 있다.
이어서, 재료(5)와 가공구의 상대적인 진동을 제어함으로써, 복수의 홈(2b)이 외주면(2a)에 형성된 축(2)을 만드는 축(2)의 제조 방법을 실시할 수 있는 센터리스 연삭기(10) 이외의 장치로서, 원통 연삭기(20)로 축(2)을 만드는 상태를 도 10에 모식적으로 나타내고, 절삭 가공기(30)로 축(2)을 만드는 상태를 도 11에 모식적으로 도시한다. 도 10에서, 원통 연삭기(20)는 가공구로서 연삭 지석(21)을 구비하고 있다. 도 11에서, 절삭 가공기(30)는 가공구로서 날붙이(31)를 구비하고 있다. 어느 경우도, 재료(5)는 주축(22)과 심압축(tail spindle)(23)에 의해서 센터링되어 회전이 자유롭게 지지되고 있다. 원통 연삭기(20)에 있어서는, 재료(5)와 연삭 지석(21)이 달각달각 진동을 발생시키는 조건으로, 절삭 가공기(30)에 있어서는, 재료(5)와 날붙이(31)가 달각달각 진동을 발생시키는 조건으로 가공한다. 이에 따라, 센터리스 연삭기(10)와 마찬가지로, 복수의 홈(2b)이 외주면(2a)의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 홈(2b) 및 외주면(2a)의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되어 있는 동압 베어링용 축(2)을 만들 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태의 축(2)의 제조 방법에 따르면, 동압 베어링용 축(2)으로 가공되는 막대 형상의 재료(5)와 이 재료(5)를 가공하는 가공구의 상대적인 진동을 제어함으로써, 외주면(2a)의 원주 방향을 따라서 늘어서는 복수의 홈(2b)을 갖춘 동압 베어링용 축(2)을 만들기 위해서 필요한, 원하는 진원도 및 원통도의 축(2)으로 하기 위한 가공 공정과, 축(2)의 외주면(2a)에 홈(2b)을 형성하는 홈 성형 공정을 동시에 행할 수 있다. 또한, 홈(2b)을 가공할 때에 생기는 버어(burr) 등을 제거하는 마무리 공정이 불필요하다. 또한, 홈(2b)의 개수에 상관없이 복수 라인의 홈(2b)이 동시에 가공된다.
본 실시형태에서 나타낸 축(2)은, 복수 라인의 홈(2b)이 외주면(2a)에 형성된 동압 베어링용 축(2)의 일례이며, 이 실시형태에서 설명한 홈(2b)의 수에 한정되지 않는다. 또, 본 실시형태에서 나타낸 동압 베어링(1)의 축(2)과 베어링부(3)의 간극(4)에 개재하는 유체는 공기나 불활성 가스 등의 기체 이외에, 물이나 기름, 또는 물보다도 점성 저항이 작은 유기 용매 등의 액체라도 좋다.
본 발명에 따른 제2 실시형태의 동압 베어링(1)에 대해서, 도 12에서부터 도 17을 참조하여 설명한다. 한편, 제1 실시형태의 동압 베어링(1)과 동일한 기능을 갖는 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략하는 경우도 있다. 도 12에 도시한 바와 같이 동압 베어링(1)은 축(2)과 베어링부(3)를 구비하고 있다. 축(2)은 회전 축심(2c)을 중심으로 하는 회전 대칭으로, 3 이상 15 이하의 홀수의 홈(2b), 본 실시형태에서는, 도 13에 도시한 바와 같이 5개의 홈(2b)이 둘레 방향으로 늘어서 배치된 외주면(2a)을 갖고 있다. 특히, 홈(2b)의 수를 홀수로 함으로써, 직경 방향의 양측에 홈이 배치되지 않기 때문에, 회전 축심(2c)의 움직임을 적게 할 수 있다. 각 홈(2b)은 회전 축심(2c)에 수직인 면을 가로지르는 방향으로 축(2)의 일단(2e)에서부터 타단(2f)까지 연속해서 뻗고 있다.
이 경우, 축(2)이 회전함으로써 발생하는 동압의 분포가, 축(2)의 둘레 방향을 따라서 주기적으로 변화되도록, 각 홈(2b)은 회전 대칭으로 등배(等配) 배치되며, 또한, 평행하게 연장되고 있는 것이 바람직하다. 또, 축(2)의 외주면(2a)의 프로파일을 도 14에 도시한다. 이 프로파일은 외주면(2a)에 접하는 외접원을 직선으로 전개한 상태로 나타내어져 있다. 도 14에서, 프로파일은 회전 축심(2c)을 중심으로 하는 반경 방향의 변화량이 확대되어 있다. 프로파일은 축(2)의 회전 방향을 따라서, 반경이 매끄럽게 연속해서 변화되는 형상이다.
보다 구체적으로 축(2)의 외주 형상(외주면(2a)의 프로파일)을 표현하면, 도 14에 도시한 바와 같이, 외주 형상에 외접하는 평균원이 직선이 되도록 전개한 경우, 도 13 및 도 14에 있어서, 축(2)의 회전 축심(2c)에 대한 방위각을 θ라고 하면, 축(2)의 외주 형상의 프로파일 f(θ)는 다음의 다항식으로 나타내어진다.
또한, 이 경우, 다음의 조건을 만족하는 것으로 한다.
본 실시형태에서는, 홈(2b)의 형상 및 배치를 알기 쉽도록, 도 13 이외에서도 홈(2b)의 깊이(회전 축심을 중심으로 하는 반경 방향의 변화량)(D)를 실제의 것보다도 크게 과장하여 나타내고 있다. 치수의 일례를 나타내면, 동압 베어링(1)의 작동 유체로서 공기를 이용하는 경우, 축(2)의 직경(최대 직경)이 10 mm 정도이면, 도 13에 도시하는 홈(2b)의 깊이(D)는 0.1 ㎛∼100 ㎛ 정도이다.
베어링부(3)는 축(2)의 외주면(2a)에 외접하는 원통면보다도 큰 내주면(3a)을 갖고 있다. 내주면(3a)과 외주면(2a) 사이에는 유체(본 실시형태에서는, 공기)의 막이 형성될 정도의 간극(4)을 갖고 있다.
이상과 같이 구성된 동압 베어링(1)에 있어서, 홈(2b)의 단면 형상은 둘레 방향에 대해서 대칭이다. 따라서, 축(2)과 베어링부(3)가 상대적으로 회전하는 경우, 어느 방향으로 회전하더라도 회전의 특성이 같다. 즉, 회전의 기동시와 정지시에 걸리는 부하 토크가 동일하며, 회전의 기동시 및 정지시에 축(2)의 외주면(2a)과 베어링부(3)의 내주면(3a)이 접촉함으로써 서로의 면이 마모되는 조건이 동일하다. 그 때문에, 회전 방향에 따라서 동압 베어링(1)의 내구성에 차이가 생기지 않는다. 또한, 안정된 회전 상태가 될 때까지 걸리는 시간 및 안정된 회전 상태로 되는 회전수 등도, 회전 방향에 상관없이 동일한 성능을 얻을 수 있다.
그리고, 외주면(2a)의 원주 방향을 따른 프로파일이 매끄럽게 연속되고 있기 때문에, 축(2)의 외주면(2a)과 베어링부(3)의 내주면(3a)과의 거리가 넓어지는 홈(2b)의 회전 방향으로 상류 부근 부분(구체적으로는, 도 13에서 화살표 방향으로 축(2)이 회전하는 경우, A로 나타내는 부분)의 흐름에 혼란이 생기기 어렵다.
축(2)은 앞의 실시형태의 도 5에서 도시한 센터리스 연삭기(10)로 관통이송 연삭된다. 따라서, 축(2)의 외주면(2a)은 표면 거칠기가 균일하며, 또한, 가공선이 둘레 방향으로 가지런하게 되어 있다. 한편, 본 명세서에서 「가공선」이라고 하는 것은 제거 가공에 의해서 피가공부에 형성되는 현저한 싱글컷을 말한다. 동압 베어링(1)의 축(2)과 베어링부(3)를 상대적으로 회전시킨 경우, 축(2)의 외주면(2a) 및 홈(2b)과 베어링부(3)의 내주면(3a) 사이의 유체가 가공선을 따라서 흐른다. 따라서, 축(2)과 베어링부(3) 사이에 난류가 발생하기 어려운 동시에, 하류측에 박리가 생기기 어렵다. 이 때문에, 축(2)과 베어링부(3)의 상대적인 회전 속도에 대해서, 회전 속도가 느린 저회전수 영역에서부터 회전 속도가 빠른 고회전수 영역까지 폭넓은 영역에서, 회전 축심(2c)이 안정적으로 되기 쉽다.
축(2)과 베어링부(3)는 경량화하기 위해서 적어도 한 쪽을 알루미나, 질화규소, 지르코니아, 질화알루미늄, 표면을 굳힌 강, 스프링강, 합금공구강, 마레이징강, Ti 합금, 알루미늄, 스테인리스강 혹은 이들 재질의 모재에 도금·용사 등에 의해, 코팅된 재질 중에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 구성한다. 특히, 동압 베어링(1)의 가속 및 감속을 용이하게 하기 위해서, 적어도 회전하는 쪽에 이들 재료를 적용하는 것이 바람직하다. 한편, 합금공구강이란, 일본 공업 규격에 의해 분류되는 SKD계 및 SKS계의 합금공구강 강재에 상당하는 부재이다.
이어서, 홈(2b) 깊이(D)의 평균 치수를 DAVE, 외주면(2a)에 외접하는 원통면의 직경(이후, 외경이라 함)을 Φ, 원통면과 내주면(3a)의 직경 클리어런스의 평균 치수를 C로 하는 경우, 각각의 적정 범위를 선정하는 실험을 실시하여, 그 결과를 도 15에서부터 도 17에 도시한다.
실험에 있어서, 축(2)을 회전측으로 하고, 베어링부(3)를 고정측으로 했다. 축(2)은 외경(Φ)이 8 mm, 홈의 수(n)가 5인 것으로 실시했다. 베어링부(3)는 축(2)의 외경(Φ)에 대하여 내주면(3a)의 직경(이후, 내경이라 함)과의 클리어런스(C)의 평균 치수가 5 ㎛ 전후가 되는 것을 여러 개 준비했다. 각 조건에 대해서, 회전수 24000 rpm일 때의 동압을 측정했다. 또, 회전수를 24000 rpm까지 증가시킨 후, 구동력의 공급을 정지하고, 감속하여 축(2)과 베어링부(3)가 접촉할 때의 접촉 개시 회전수를 계측했다.
도 15에 도시한 바와 같이, 클리어런스(C)가 작아지면, 회전 축심의 근소한 흔들림에 의해 축(2)과 베어링부(3)가 접촉하기 때문에, 접촉 개시 회전수가 커진다. 또, 클리어런스(C)가 어느 값을 넘어 커지면, 축(2)과 베어링부(3) 사이의 동압이 작아지기 때문에, 회전 축심이 흔들거리기 쉬워 접촉 개시 회전수가 커진다.
한편, 홈(2b)의 깊이(D)는 외주면(2a)의 반경 방향의 변화율(tanξ), 축(2)의 외경(Φ), 홈의 수(n)와 함께, tanξ≒2nD/πΦ로 나타낼 수 있다. 홈(2b)이 얕아지는 하류측 부분(B)에서는, tanξ이 커지면 축(2)과 베어링부(3) 사이의 압력이 높아지고, 홈(2b)이 깊어지는 방향으로 변화되는 상류측 부분(A)에서는, tanξ 커지면 축(2)과 베어링부(3) 사이의 압력이 저하된다. 또한, 상류측 부분(A)에서는 tanξ이 어느 값을 넘으면, 축(2)과 베어링부(3) 사이의 흐름에 혼란이 생겨, 회전 축심을 중심으로 하는 압력 분포가 불안정하게 되기 때문에, 회전 축심이 흔들려 축(2)이 베어링부(3)에 접촉하기 쉽게 된다. 즉, 접촉 개시 회전수는 도 16에 도시한 바와 같이, 변화율(tanξ)이 0에서부터 커짐에 따라서 작아지고, 어떤 값에서 극소가 된 후, 서서히 커진다.
따라서, 축(2)과 베어링부(3) 사이에 발생하는 동압의 압력 분포에 의한 축(2)의 안정성의 지수가 되는 접촉 개시 회전수는 클리어런스(C) 및 변화율(tanξ), 즉, 홈(2b)의 평균 깊이(DAVE)를 변수로 하는 함수로 나타낼 수 있다.
그래서, 평균 깊이(DAVE)와 클리어런스(C)를 로 하여, 접촉 개시 회전수를 도 17에 도시한 바와 같이 플로팅했다. 의 관계를 갖고 있는 경우에, 접촉 개시 회전수가 3000 rpm 이하가 되는 것을 알 수 있다. 또한, 실험 결과, 이 관계식은 축(2)의 회전수가 100∼100000 rpm인 범위에서 유효했다.
베어링과 베어링부의 끼워맞춤 정밀도 한계를 고려하면, DAVE 및 C의 현실적인 제작 가능 범위는 모두 0.1 ㎛ 정도의 서브 미크론 오더가 한계이다. 또한, 축과 베어링 사이에 존재하는 축 지지 매체의 체적 감소를 고려하면, C가 미소한 영역에서는, 동압으로 변환할 수 있는 에너지량이 극단적으로 감소된다. 마찬가지로, C가 미소할 때에 DAVE를 크게 하더라도, 간극 방향의 유속의 경사치가 증대되어 동압을 효율적으로 발생할 수 없다. 결과적으로, 도 18에 도시한 바와 같이, 축 지지력인 베어링 강성은 가 예컨대 0.25 이하와 같이 작아졌다고 해도 일정한 값밖에 취할 수 없다.
베어링 강성이 일정하다고 한다면, 축과 베어링의 접촉 상태는 클리어런스의 거리에만 관련된다. 정상 회전시에는, 회전체의 밸런스 불균형에 기인하는 일정량의 진동회전이 발생한다. 이 진동회전량보다도 클리어런스가 작으면, 축과 베어링은 접촉하게 된다. 결과적으로, 가 작은 영역에서는, 접촉 회전수가 높아진다는 것을 추측할 수 있다.
도 15로부터 클리어런스(C)의 상한 및 하한을 설정하여, 이것을 기초로 도 16에서 홈(2b) 깊이(D)의 상한 및 하한을 결정한다. 또한, 깊이(D)와 도 16을 기초로, 축(2)의 외경(Φ)에 따른 홈(2b)의 수(n)가 결정된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 동압 베어링용 축에 의하면, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되고 있다. 따라서, 이 축을 동압 베어링에 채용한 경우, 동압 베어링의 베어링부와 상대적으로 회전함으로써 축과 베어링부 사이의 유체에 생기는 흐름이 가공선을 따라서 흐르기 때문에, 난류로 되기 어렵다. 즉, 동압 베어링의 회전 축심이 안정적으로 되기 쉽고, 동압 베어링의 회전수가 큰(회전 속도가 빠른) 상태에 있어서의 회전 축심의 코어 진동을 작게 할 수 있다. 그리고, 이 축을 갖춘 본 발명에 따른 동압 베어링은 전술한 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전술한 동압 베어링용 축에 있어서, 축의 적어도 일부에 홈을 연속해서 형성한 축에 의하면, 축심을 따른 방향으로 넓은 범위에서 축이 유체의 동압에 의해서 유지되기 때문에, 회전 축심이 안정되기 쉽다. 또한, 홈이 둘레 방향으로 등간격으로 배치된 축에 의하면, 베어링부의 내주면과의 사이에 작용하는 동압을 축에 대하여 균등하게 작용시킬 수 있다. 축심 방향과 평행하게 홈이 형성된 축에 의하면, 회전 축심의 원주 진동을 작게 억제할 수 있다. 축심을 중심으로 하는 회전 방향의 위상이 축심 방향을 따라서 변화하고 있는 홈이 형성된 축에 의하면, 베어링부와의 사이에 작용하는 동압이 축심 방향에 대해 균질화되기 때문에, 회전 축심의 전체 진동을 작게 억제할 수 있다. 그리고, 원주 방향을 따라서 외주면이 반경 방향으로 완만하게 또 주기적으로 변화되도록 복수의 홈이 형성된 축에 의하면, 외주면과 홈이 매끄럽게 연속되기 때문에, 외주면에서부터 홈에 걸쳐 회전 방향으로 하류측으로 되는, 축과 베어링부와의 간극이 넓어지는 부분의 흐름에 난류가 발생하기 어렵고, 홈 안에 있어서 흐름이 박리를 일으키기 어렵다. 따라서, 회전 속도가 느린 영역에서부터 빠른 영역까지 회전 축심이 안정적으로 되기 쉽다.
본 발명에 따른 축의 제조 방법에 의하면, 동압 베어링용 축으로 가공되는 재료와 이 재료의 외주면을 가공하는 가공구 사이의 진동을 제어함으로써, 외주면의 원주 방향을 따라서 늘어서는 복수의 홈을 구비한 동압 베어링용 축을 만든다. 따라서, 원하는 진원도 및 원통도의 축으로 하기 위한 가공 공정과, 축의 외주면에 홈을 형성하는 홈 성형 공정과, 홈을 가공할 때에 생기는 버어 등을 제거하는 마무리 공정을 동시에 행할 수 있다. 따라서, 종래 나누어 이루어지고 있었던 공정을 동시에 행할 수 있기 때문에, 가공 비용을 내릴 수 있다. 또한, 홈의 개수에 상관없이 복수 라인의 홈을 동시에 가공할 수 있기 때문에, 홈의 개수를 늘림에 따른 가공 비용의 증가가 생기지 않는다.
본 발명에 따른 동압 베어링용 축에 의하면, 홈에서 외주부에 걸쳐 반경이 커지는 방향으로 변화되는 부분에 압력이 높은 영역이 발생하고, 외주부에서부터 홈에 걸쳐 반경이 작아지는 방향으로 변화되는 부분에 압력이 낮은 영역이 발생한다. 즉, 축이 회전함으로써 발생하는 동압이 높은 영역과 낮은 영역이 축의 외주의 결정된 위치에 교대로 발생한다. 이 축은 압력 분포를 축의 둘레 방향으로 의도적으로 만들어냄으로써 하프 월이 억제된다.
이 경우, 반경 방향의 변화량을 확대하여 전개한 둘레 방향을 따른 프로파일이 반경 방향으로 완만하게 또 주기적으로 변화되는 형태로 형성되고 있기 때문에, 외주부에서부터 홈에 걸쳐서 회전 방향으로 하류측에 흐름의 혼란이 형성되기 어렵다. 또한, 회전축에 수직인 면을 가로지르는 방향으로 축의 일단에서부터 타단까지 연속해서 홈이 형성되고 있기 때문에, 축의 도중에 난류나 박리층을 유발하는 요인이 없다.
따라서, 이 축을 갖춘 본 발명에 따른 동압 베어링 구조에 의하면, 축과 베어링부 사이에 발생하는 동압이, 회전 속도가 느린 저회전수 영역에서부터 회전 속도가 빠른 고회전수 영역까지 안정적으로 되기 쉽다. 즉, 동압 베어링의 회전 축심이 안정적으로 되어, 축과 베어링부의 접촉 개시 회전수가 저하되기 때문에, 동압 베어링의 회전 시동시 및 정지시에 있어서의 축과 베어링부의 접촉 횟수가 저하되어, 동압 베어링의 내구성을 향상시킬 수 있다.

Claims (27)

  1. 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 홈은 적어도 일부에 연속해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 홈은 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 홈은 축심 방향과 평행하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 홈은 축심을 중심으로 하는 회전 방향의 위상이 축심 방향을 따라서 변화되고 있는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 홈은 둘레 방향을 따라서 상기 외주면이 반경 방향으로 정현파형으로 변화되어 형성된 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  7. 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되어 있는 축 및;
    상기 축의 외주면을 둘러싸는 원통형의 내주면이 형성된 베어링부를 구비하는 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
  8. 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 가공하는 가공구와의 상대적인 진동을 제어함으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되고 있는 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  9. 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 가공하는 가공구와의 사이에 생기는 자려 진동을 제어함으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되고 있는 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  10. 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료에 대하여 이 재료의 외주면을 가공하는 가공구를 갖춘 가공 장치에 발생하는 강제 진동을 제어함으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되고 있는 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  11. 센터리스 연삭기에 의해서 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료를 가공 프로세스 중에 자려 진동시켜, 상기 재료의 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 복수의 홈이 형성된 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 홈은 상기 외주면의 둘레 방향으로 등간격으로 배치되며, 외주면과 매끄럽게 연속되는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 센터리스 연삭기의 연삭 조건 중, 조정차의 회전수, 조정차의 경도, 연삭 지석의 회전수, 연삭 지석의 입도, 연삭 지석의 결합재 경도, 연삭 지석의 지립 밀도, 블레이드의 꼭지각, 재료의 코어 높이, 연삭 지석에 대한 코어 높이각, 조정차에 대한 코어 높이각, 재료의 회전축에 대한 조정차의 회전축의 경사각, 재료에 대한 연삭 지석의 컷팅량 중의 적어도 하나를 바꿈으로써, 상기 홈의 수와 깊이의 적어도 어느 한 쪽이 다른 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 센터리스 연삭기의 조정차와 연삭 지석의 적어도 한 쪽의 회전수를 상기 가공 프로세스 중에 변화시키는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 센터리스 연삭기의 연삭 조건 중, 재료의 코어 높이를 상기 가공 프로세스 중에 변화시키는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  16. 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료에 대하여 센터리스 연삭기의 연삭 지석의 회전축을 강제 진동시켜, 상기 재료의 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 복수의 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  17. 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 연삭하는 지석을 갖추는 원통 연삭기를 달각달각 진동시킴으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 외주면의 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되고 있는 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  18. 동압 베어링용 축으로 가공되는 막대 형상의 재료와 이 재료의 외주면을 절삭하는 날붙이를 갖춘 절삭 가공기를 달각달각 진동시킴으로써, 복수의 홈이 외주면의 둘레 방향으로 나란히 늘어서 배치되며, 상기 홈 및 표면 거칠기가 균일하고, 둘레 방향으로 가공선이 가지런하게 되고 있는 동압 베어링용 축을 만드는 것을 특징으로 하는 축의 제조 방법.
  19. 제1항에 기재한 동압 베어링용 축에 있어서, 이 축의 외접원의 직경(Φ)이 1∼50 mm의 범위인 것을 특징으로 한다.
  20. 동압 베어링용 축으로서 상기 축은 이 축에 외부 삽입되는 베어링부와 회전 축심을 중심으로 상대적으로 회전함으로써 동압을 발생하는 복수의 홈을 외주면에 가지며,
    상기 홈은 상기 외주면을 상기 회전 축심을 따른 방향으로 일정하게 뻗어 나가는 동시에 둘레 방향을 따라서 상기 축의 반경이 완만하게 변화되는 형상이며, 상기 반경의 최대치와 최소치의 치수차가 되는 상기 홈의 깊이(D)가 0.1∼100 ㎛의 범위내인 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  21. 제20항에 있어서, 회전 축심을 수직으로 가로지르는 방향을 따른 외주면의 프로파일 f(θ)는 이 프로파일에 외접하는 평균원을 직선이 되도록 전개한 경우, 상기 회전 축심에 대한 방위각을 θ라고 하면,
    로 나타내어지고, 다음 조건
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  22. 회전 축심에 수직인 면을 가로지르는 방향으로 일단에서부터 타단까지 연속해서 뻗어 나가는 홈이 상기 회전 축심을 중심으로 하는 회전 대칭으로 홀수 개 늘어서 배치되어 있고,
    상기 회전 축심을 중심으로 하는 반경 방향의 변화량을 확대하여 전개한 둘레 방향을 따른 프로파일이 정현파형인 외주 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  23. 제20항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 홈의 수는 3∼15 중에서 하나 선택되는 홀수인 것을 특징으로 하는 동압 베어링용 축.
  24. 축과 이 축에 외부 삽입되는 베어링부를 갖는 동압 베어링으로서,
    상기 축은 회전 축심을 중심으로 베어링부와 상대적으로 회전함으로써 동압을 발생하는 복수의 홈을 외주면에 가지며,
    상기 홈은 상기 외주면을 상기 회전 축심을 따른 방향으로 일정하게 뻗어 나가는 동시에 둘레 방향을 따라서 상기 축의 반경이 완만하게 변화되는 형상이며, 상기 반경의 최대치와 최소치의 치수차가 되는 상기 홈의 깊이(D)가 0.1∼100 ㎛의 범위내인 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
  25. 제24항에 있어서, 상기 베어링부는 고정되고 상기 축이 회전하는 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
  26. 제24항에 있어서, 상기 축에 외접하는 원통면의 직경을 Φ, 상기 원통면에서부터 상기 외주 형상까지의 반경 방향의 최대 치수의 평균치가 되는 평균 홈 깊이를 DAVE, 상기 베어링부의 내주면과 상기 원통면과의 직경 클리어런스의 평균 치수를 C라고 하면, 이들이
    의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
  27. 제24항에 있어서, 상기 축 및 상기 베어링부의 적어도 한 쪽은 알루미나, 질화규소, 지르코니아, 질화알루미늄, 표면을 굳힌 강, 스프링강, 합금공구강, 마레이징강, Ti 합금, 알루미늄, 스테인리스강 혹은 상기 재질의 모재에 도금·용사 등에 의해 코팅된 재질 중에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 동압 베어링.
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