KR20150050260A - 공작 기계의 주축 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 공작 기계의 주축 구조는, 압축 공기 유로 및 냉각수 요로가 형성된 하우징; 하우징 내에 배치되며, 외주부에 모터가 장착된 샤프트; 샤프트에 장착된 저널 공기 정압 베어링, 저널/스러스트 공기 정압 베어링 및 스러스트 공기 정압 베어링을 포함한다. 여기서, 샤프트의 선단부 외주면과 하우징 사이에 배치된 래비린스 실 부재를 더 포함하여 저널/스러스트 공기 정압 베어링에서 배출된 압축 공기는 샤프트와 래비린스 실 부재 사이의 공간을 통하여 외부로 배출된다. 또한, 저널/스러스트 공기 정압 베어링에는 외부와 연결되는 압축 공기 통로가 형성되되, 한 종단은 래비린스 실 부재와 대응한다. 저널 공기 정압 베어링부의 윙부 양측의 외곽부의 원주부에는 오링이 장착되되, 바람직하게는 이 외곽부는 하우징에 대하여 헐거운 끼워 맞춤 공차로 삽입되고, 윙부는 중간 끼워 맞춤 공차로 삽입된다.

Description

공작 기계의 주축 구조{Spindle structure of machine tool}
본 발명은 공작 기계의 주축 구조에 관한 것으로서, 특히 공기 정압 베어링을 이용하여 진동 특성을 향상시키고 동심도 등의 정렬 문제를 해결할 수 있는 구조를 갖는 공작 기계의 주축 구조에 관한 것이다.
일반적으로 공작 기계를 구성하는 고속 주축에는 주축용 베어링이 장착되며, 주축용 베어링으로는 주로 스트러스 하중에 강한 앵귤러 콘택트 볼 베어링(angular contact ball bearing), 롤러 베어링과 같은 구름 베어링 또는 오일 베어링이 사용되고 있다.
구름 베어링의 경우 정강성 및 동강성이 모두 높고, 구조가 간단한 등의 장점이 있으나, 그러나 고속 회전중의 마찰 손실과 이로 인한 열 발생에 의하여 공작물의 가공 정밀도를 악화시킨다는 단점을 갖고 있다. 또한, 주축의 회전시 베어링의 구름 운동에 의하여 마찰, 진동, 열 그리고 소음이 발생하여 가공면의 표면 품질을 저하시킬 뿐만 아니라, 베어링의 수명을 단축시키는 문제을 발생시킨다. 이와 함께, 구름 베어링은 원활한 작용을 위하여 예압이 필요하여 스프링 등과 같은 부가 요소의 사용이 요구된다.
한편, 오일 베어링(유정압 베어링)은 오일과 같은 매체를 이용하여 비접촉으로 주축의 반경 방향 및 축 방향 운동을 지지하기 때문에 그 수명이 반영구적이며, 강성과 감쇠에 대한 장점을 갖고 있다. 하지만, 윤활유가 유출될 수 있는 구조적 결함을 갖고 있으며, 이로 인한 오염의 문제가 발생한다. 또한, 점성이 큰 오일을 매체로 사용하기 때문에 발열이 커서 고속 회전에 한계가 있어 고속 주축에 적용하지 못하고 있으며, 주축을 지지하기 위해서는 베어링의 압력을 형성하기 위한 별도의 구성(예를 들어, 포켓)을 추가해야 하기 때문에 제작의 어려움 및 제작비의 상승을 유발한다.
이와 같은 오일 베어링과 구름 베어링이 장착된 구조에서 발생하는 문제를 해결하기 위하여 공기 정압 베어링(aerostatic bearing)이 샤프트에 장착되는 구조가 이용되고 있다.
공기 정압 베어링을 이용한 공작 기계의 주축에서는 저널 공기 정압 베어링 및 스러스트 공기정 압 베어링에 축적된 압축 공기를 배출하기 위한 공간이 필요하다. 따라서 압축 공기 배출 공간으로 인하여 샤프트의 길이를 줄이는 데 한계가 있으며, 이는 주축 진동에 큰 영향을 미친다.
또한, 각 베어링의 양측에 유입된 압축 공기 유출을 막기 위한 오-링이 배치되어 있다. 이러한 오-링으로 인하여 저널 공기 정압 베어링을 하우징에 장착하기 위해서는 하우징과 베어링 사이에 헐거운 끼워맞춤 공차가 필요하다. 이 경우, 오-링의 눌림에 의해 하우징에 베어링이 장착되기 때문에 저널 공기 정압 베어링의 동심도 등의 정렬 문제가 발생하며, 특히 이러한 정렬 문제는 공기 정압 베어링을 이용한 주축의 회전 궤적과 같은 성능에 악영향을 미친다.
본 발명은 공작 기계의 고속 주축에 장착된 공기 정압 베어링으로 인하여 발생하는 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 샤프트의 길이를 줄일 수 있고, 동심도 등의 정렬 문제를 해결할 수 있는 공작 기계의 주축 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 공작 기계의 주축 구조는, 압축 공기 유로 및 냉각수 요로가 형성된 하우징; 하우징 내에 배치되며, 외주부에 모터가 장착된 샤프트; 샤프트에 장착된 저널 공기 정압 베어링, 저널/스러스트 공기 정압 베어링 및 스러스트 공기 정압 베어링을 포함한다.
여기서, 샤프트의 선단부 외주면과 하우징 사이에 배치된 래비린스 실 부재를 더 포함하여 저널/스러스트 공기 정압 베어링에서 배출된 압축 공기는 샤프트와 래비린스 실 부재 사이의 공간을 통하여 외부로 배출된다.
또한, 저널/스러스트 공기 정압 베어링에는 외부와 연결되는 압축 공기 통로가 형성되되, 한 종단은 래비린스 실 부재와 대응하는 것이 바람직하다.
이와 함께, 저널 공기 정압 베어링의 원주면 상에는 원주 방향으로 연장되고 반경 방향으로 돌출된 2개의 윙부가 소정 간격 이격된 상태로 형성되며,윙부의 선단부는 하우징의 내주면과 대응한다. 특히, 저널 공기 정압 베어링부의 윙부 양측의 외곽부의 원주부에는 오링이 장착되되, 바람직하게는 이 외곽부는 하우징에 대하여 헐거운 끼워 맞춤 공차로 삽입되고, 윙부는 중간 끼워 맞춤 공차로 삽입된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 공작 기계의 주축 구조를 도시한 횡단면도로서, 샤프트의 길이 방향 중심선을 기준으로 다른 방향에서 본 도면.
도 3은 도 1 및 도 2 중에서 저널/스러스트 공기 정압 베어링이 장착된 부분의 상세도.
도 4는 도 3에 도시된 저널/스러스트 공기 정압 베어링의 구성을 도시한 도면.
도 5는 도 1에 도시된 저널 공기 정압 베어링의 상세도.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 공작 기계의 주축 구조를 첨부한 도면을 통하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 주축 구조를 도시한 횡단면도로서, 샤프트의 길이 방향 중심선을 기준으로 다른 방향에서 본 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 공작 기계의 주축 구조(100)는 하우징(120) 내에 배치되며 툴 홀더를 지지하는 그립퍼(도시되지 않음)가 장착된 샤프트(110), 샤프트(110)의 외주부에 장착된 비동기식 빌트 인 모터(101), 샤프트(110)에 순차적으로 장착된 저널/스러스터 공기 정압 베어링(130), 스러스트 공기 정압 베어링(140) 그리고 저널 공기 정압 베어링(150)을 포함한다.
한편, 도 1 및 도 2는 저널/스러스터 공기 정압 베어링(130), 스러스트 공기 정압 베어링(140) 그리고 저널 공기 정압 베어링(150)이 샤프트(110)에 순차적으로 장착된 상태를 도시하였으나, 동력학적 설계에 따라 각 베어링의 장착 위치가 달라질 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 다른 주축(100)에서는 샤프트(110)의 반경 방향 지지는 저널 공기 정압 베어링(150)과 저널/스러스트 공기 정압 베어링(130)을 통하여 이루어지고, 샤프트(110)의 축 방향 지지는 저널/스러스트 공기 정압 베어링(130)과 스러스트 공기 정압 베어링(140)에 의하여 이루어진다.
각 공기 정압 베어링(130, 14 및 150)에는 외부로부터 압축 공기가 공급되어야 하며, 이를 위해 하우징(120)에 외부와 연결된 압축 공기 유로(124)가 구성되어 있다. 한편, 유입된 외부 압축 공기로 인하여 내부 압력이 높아지는 것을 막기 위해서는 유입된 압축 공기를 외부로 배출하여야 하며, 이를 위해 압축 공기 유로(124)의 선단은 외부와 연결된다.
이와 함께, 샤프트(110)의 회전시 (샤프트(110)의 외주부에 장착된) 빌트인 모터(101) 및 각 공기 정압 베어링(130, 140 및 150)에서 발생하는 열을 효율적으로 낮추기 위하여 하우징(110) 내에 (외부의 냉각수 공급부와 연결된) 냉각수 유로(121)가 형성되며, 이 냉각수 유로(121)의 한 종단은 하우징(110) 외부로 연장된다.
이하에서는, 각 공기 정압 베어링의 구조 및 기능에 대해서 설명한다.
도 3은 도 1 및 도 2 중에서 저널/스러스트 공기 정압 베어링이 장착된 부분의 상세도 그리고 도 4는 도 3에 도시된 저널/스러스트 공기 정압 베어링의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명이 적용되는 공작 기계는 공작물을 가공하기 위한 것이며, 공작물을 가공하는 동안에는 칩이 발생하며, 또한 절삭유가 공급되야 한다. 공작 기계의 주축으로 유입된 칩 및 절삭유는 공작 기계의 고장의 원인이 되며, 따라서 이 칩과 절삭유를 외부로 강제 배출시켜야 한다.
본 발명에서는 이를 위하여 저널/스러스트 공기 정압 베어링(130)에서 배출된 압축 공기를 이용하였다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이,저널/스러스트 공기 정압 베어링(130)에는 외부(즉, 샤프트(110)와 저널/스러스트 공기 정압 베어링(130) 사이)와 연결되는 압축 공기 통로(133)가 형성되어 있으며, (툴 홀더가 장착되는) 샤프트(110)와 하우징(120) 사이에는 래비린스 실 부재(180; labyrinth seal)가 배치되어 있다.
여기서, 저널/스러스트 공기 정압 베어링(130)에 형성된 압축 공기 통로(133)의 한 선단은 래비린스 실 부재(180)에 대응하며, 따라서 하우징(120) 내의 압축 공기, 즉 저널/스러스트 공기 정압 베어링(130)에서 배출된 압축 공기는 샤프트(110)와 래비린스 실 부재(180) 사이에 형성된 좁은 공간(간극)을 통하여 외부로 배출된다(도 3에서의 화살표로 나타냄). 따라서, 외부로 배출되는 공기는 칩과 절삭유가 샤프트(110)의 표면을 따라서 하우징(120) 내로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 샤프트와(110)와 사이에 다수의 틈새를 형성하여 소정 압력의 공기가 외부로 배출되는 것을 허용하는 반면에, 압력이 낮은 공기의 배출 및 외부의 대기 유입을 차단하는 래비린스 실 부재(180)는 본 기술 분야에서 공지된 기계 요소이며, 따라서 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 저널/쓰러스트 공기 정압 베어링(130)에 축적된 압축 공기 배출 공간을 없애고, 공기 통로(131)를 통하여 축적된 압축 공기를 배출한다. 이를 통해 저널/쓰러스트 공기 정압 베어링(130)에 따로 압축 공기를 공급하는 방식에서 저널 공기 정압 베어링(150)에 유입된 압축 공기를 이용하여 쓰러스트 베어링(140)을 작동시킬 수 있다.
이러한 구조에 의하여, 쓰러스트 공기 정압 베어링(130)에 장착되는 오-링을 2개로 최소화(도 4에 도시된 A 및 B 부분에 장착)시킬 수 있고, 이는 쓰러스트 공기 정압 베어링(130)의 설치 공간을 최소화하여 샤프트(110)의 길이 최소화, 즉 주축의 진동 특성을 향상시킨다.
도 5는 도 1에 도시된 저널 공기 정압 베어링(150)의 구성을 도시한 도면으로서, 편의상 하우징(120)의 일부를 함께 도시하였다.
저널 공기 정압 베어링(150)의 본체(151) 원주면 상에는 원주 방향으로 연장되고 반경 방향으로 돌출된 2개의 윙부(152-1, 152-2)가 형성되어 있다. 이 윙부(152-1, 152-2)는 소정 간격 이격되어 있으며, 각 선단면은 하우징(110)의 내주면과 접촉한다.
샤프트(110)의 한 종단부에 배치된 이와 같은 저널 공기 정압 베어링(150)과 또다른 종단부에 배치된 저널/스러스트 공기 정압 베어리(130)의 동심도가 향상될 수 있다.
한편, 2개의 윙부(152-1, 152-2) 양측의 외곽부(153, 154)의 원주부에는 소정 깊이의 그루브(153-1, 154-1)가 원주 방향으로 각각 연장 형성되며, 이 그루브에 오-링(도시되지 않음)이 각각 장착된다.
이때, 오-링이 장착되는 외곽부(153, 154)는 하우징(110)에 대하여 헐거운 끼워 맞춤 공차로 제작하고, 윙부(152-1, 152-2)는 중간 끼워 맞춤 공차로 제작하는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 의하여 하우징(110)에 저널 공기 정압 베어링(150)을 장착할 때, 윙부(152-1, 152-2)가 중간 끼워 맞춤에 의해 장착이 되므로 동심도등의 정렬 문제를 향상시켜 회전 궤적과 같은 주축 성능을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 이에 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

Claims (5)

  1. 공작 기계의 주축 구조에 있어서,
    압축 공기 유로 및 냉각수 요로가 형성된 하우징;
    하우징 내에 배치되며, 외주부에 모터가 장착된 샤프트;
    샤프트에 장착된 저널 공기 정압 베어링, 저널/스러스트 공기 정압 베어링 및 스러스트 공기 정압 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 공작 기계의 주축 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 샤프트의 선단부 외주면과 하우징 사이에 배치된 래비린스 실 부재를 더 포함하여 저널/스러스트 공기 정압 베어링에서 배출된 압축 공기는 샤프트와 래비린스 실 부재 사이의 공간을 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 공작 기계 주축 구조.
  3. 제 2 항에 있어서, 저널/스러스트 공기 정압 베어링에는 외부와 연결되는 압축 공기 통로가 형성되되, 한 종단은 래비린스 실 부재와 대응하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 주축 구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 저널 공기 정압 베어링의 원주면 상에는 원주 방향으로 연장되고 반경 방향으로 돌출된 2개의 윙부가 소정 간격 이격된 상태로 형성되며,윙부의 선단부는 하우징의 내주면과 대응하는 것을 특징으로 하는 공작 기계 주축 구조.
  5. 제 1 항에 있어서, 저널 공기 정압 베어링부의 윙부 양측의 외곽부의 원주부에는 오링이 장착되되, 이 외곽부는 하우징에 대하여 헐거운 끼워 맞춤 공차로 삽입되고, 윙부는 중간 끼워 맞춤 공차로 삽입되는 것을 특징으로 하는 공작 기계 주축 구조.
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