KR20160060992A

KR20160060992A - 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들

Info

Publication number: KR20160060992A
Application number: KR1020140163304A
Authority: KR
Inventors: 윤성진
Original assignee: (주)하이드롬
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-31
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: KR101649973B1

Abstract

본 발명은 공작용 공구를 결착하여 디버링 등의 가공시에 가해지는 부하에 대처하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅을 할 수 있도록 함으로써 초고속, 고정밀 회전이 필요한 각종 가공 공정에서 공압 동력의 낭비를 줄일 수 있어 생산성과 가공 품질을 높일 수 있는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에 관한 것으로서, 전단부에 공작용 공구가 탈착 가능하도록 형성된 샤프트모듈과, 상기 샤프트모듈의 후단부에 결착하여 구비되는 에어터빈과, 상기 샤프트모듈과 에어터빈을 공압에 의하여 회전 구동하기 위한 에어베어링과, 상기 샤프트모듈과 에어터빈과 에어베어링을 내포하며 공압을 제공하기 위한 유로가 형성되어 있는 스핀들하우징을 포함하는 스핀들유닛; 및 상기 스핀들유닛의 후단부에 구비되어 공압을 이용하여 상기 스핀들유닛을 축선 기준 일정 각도로 틸팅시키는 에어틸터와, 상기 스핀들유닛의 후단 일정 부분과 상기 에어틸터를 내포하며 공압을 제공하기 위한 유로가 형성되어 있는 틸팅하우징을 포함하는 틸팅유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들{Air-Bearing Spindle Capable Of Tilting By Load In Machining}

본 발명은 에어베어링 스핀들에 관한 것으로서, 특히 공작용 공구를 결착하여 디버링 등의 가공 시에 가해지는 부하에 대처하여 일정 각도 범위 내에서 틸팅을 할 수 있도록 함으로써 초고속, 고정밀 회전이 필요한 각종 가공 공정에서 공압 동력의 낭비를 줄일 수 있어 생산성과 가공 품질을 높일 수 있는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에 관한 것이다.

일반적으로 스핀들은 샤프트와 베어링 등으로 구성되어 회전 가공 분야에 사용되는 장치로써, 일반적인 기계산업 분야뿐만 아니라 반도체 소자, PCB 기판, 소형전자부품의 가공을 위한 전자산업 분야나 광학렌즈 등의 연삭과 가공을 위한 광학기기산업 분야 등에 널리 이용되고 있다.

이와 같은 스핀들은 종래에 샤프트와 직접 접촉하는 볼베어링을 이용하였는데, 직접적인 접촉에 의한 구동으로 인하여 발생하는 마찰과 마모의 문제로 내구성이 최대 6개월 정도에 지나지 않아 정기적인 베어링 요소의 교체가 요구되어 번거로울 뿐만 아니라 유지 보수 비용의 상승의 문제점이 있었다.

또한, 볼베어링을 이용하는 경우 접촉식 베어링의 한계로 초고속 회전이 불가능하여 최대 60,000 rpm 정도의 회전 성능을 구현할 수밖에 없을 뿐만 아니라 회전 정밀도 또한 크게 떨어져 초고속, 고정밀 가공 분야에는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

이와 같은 접촉식 볼베어링의 문제를 해결하기 위하여 비접촉식 방식인 에어베어링을 이용한 스핀들이 제안되었는데, 종래의 에어베어링을 이용한 스핀들은 동력원으로 전기 모터를 채택하였으며, 외부에 회전모터를 구비하고 커플링 등 축이음 요소를 이용하여 회전 동력을 전달하는 구조이거나 스핀들 자체에 회전모터를 구비한 빌트인 모터 구조를 이루고 있다.

전기 모터를 이용하여 스핀들을 구성하는 경우, 전기 모터에서 발생하는 진동과 열 등에 의하여 회전 정밀도가 크게 저하될 뿐만 아니라 초고속으로 구동하기 위해서는 냉각에 필요한 여러 부수장비를 구비하여 두어야하는 문제점이 있었다.

이러한 전기 모터를 대신하여 베인(Vain) 형식의 블레이드를 적용하여 회전 동력원으로 사용하는 스핀들도 제안되고 있는데, 베인 블레이드를 이용한 스핀들은 정밀한 회전 성능을 구현할 수 없어 고정밀 가공 분야에는 적합하지 않을 뿐만 아니라, 베인 블레이드가 스핀들 원통 내경에 접촉하여 회전하기 때문에 마모가 발생하여 블레이드의 크기가 점차적으로 줄어들 수밖에 없어 이에 의한 회전 성능의 저하가 초래되고 장치의 수명도 줄어드는 문제점이 있었다.

한편, 스핀들을 이용하여 초고속 회전 가공 시에 스핀들을 이루는 샤프트의 선단부에서 발생하는 가공부하로 인하여 샤프트가 이탈하거나 한계 범위를 벗어나 진동하여 가공 품질이 떨어지게 되는데, 이를 방지하기 위하여 종래에는 과도한 대응 부하를 공급하여야 했고, 특히 에어베어링을 이용한 스핀들의 경우에는 공압 동력이 낭비되어 생산성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.

이에 대하여 대한민국 등록특허 제10-0851934호(2008.08.06.등록)는 샤프트를 축방향으로 자기적으로 구속시키는 마그넷을 구비함으로써, 샤프트가 축방향으로 스러스트 부상력과 자기적 구속력의 평형을 이루어 밸런스가 유지될 수 있는 에어 베어링 스핀들을 제안하고 있다.

그러나, 마그넷에 의한 자기적 구속력만으로는 샤프트 자체의 스러스트 부상력은 부담할 수 있을지라도 최소 80,000 rpm 이상의 초고속으로 회전하는 에어베어링 스핀들에 적용하는 경우 가해지는 가공부하를 감당할 수 없어 초고속, 고정밀 가공 분야에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 비접촉 방식의 에어베어링과 에어터빈을 이용함으로써 내구성이 매우 뛰어날 뿐만 아니라 초고속 회전 성능과 고정밀 가공 성능을 구현할 수 있으며, 샤프트의 선단에 가해지는 가공부하에 대응하여 일정 각도 내에서 샤프트가 틸팅할 수 있도록 구성함으로써 공압 동력의 낭비를 크게 줄여 생산성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 안정적인 초고속 회전 구동으로 인하여 가공 품질을 높일 수 있는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들을 제공하고자 하는 것이다.

상술한 기술적 과제의 해결하기 위한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들은, 전단부에 공작용 공구가 탈착 가능하도록 형성된 샤프트모듈과, 상기 샤프트모듈의 후단부에 결착하여 구비되는 에어터빈과, 상기 샤프트모듈과 에어터빈을 공압에 의하여 회전 구동하기 위한 에어베어링과, 상기 샤프트모듈과 에어터빈과 에어베어링을 내포하며 공압을 제공하기 위한 유로가 형성되어 있는 스핀들하우징을 포함하는 스핀들유닛; 및 상기 스핀들유닛의 후단부에 구비되어 공압을 이용하여 상기 스핀들유닛을 축선 기준 일정 각도로 틸팅시키는 에어틸터와, 상기 스핀들유닛의 후단 일정 부분과 상기 에어틸터를 내포하며 공압을 제공하기 위한 유로가 형성되어 있는 틸팅하우징을 포함하는 틸팅유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 에어터빈의 외경의 중단부에는 일정한 폭과 깊이를 가지는 슬릿이 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 틸팅유닛의 틸팅하우징 내면은 고체 윤활 소재에 의하여 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 샤프트모듈은, 상기 스핀들하우징을 따라 축방향으로 길게 형성되어 있으며 후단부에 상기 에어터빈이 결착하는 메인샤프트와, 전단과 후단을 관통하는 내경이 형성되어 있으며 후단에 상기 메인샤프트가 결착하는 연결샤프트와, 상기 연결샤프트의 전단에 결합하는 콜릿을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 에어베어링은, 상기 메인샤프트의 전반부에 길게 구비되는 프론트 저널베어링과, 상기 메인샤프트의 후반부에 길게 구비되는 리어 저널베어링과, 상기 프론트 저널베어링과 리어 저널베어링 사이에 위치하여 일정 간격으로 이격시키는 베어링 스페이서와, 상기 에어터빈의 전방에 구비되는 프론트 쓰러스트베어링과, 상기 에어터빈의 후방에 구비되는 리어 쓰러스트베어링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 스핀들하우징은, 상기 메인샤프트와 프론트 저널베어링, 베어링 스페이스, 리어 저널베어링, 프론트 쓰러스트베어링을 내포하는 하우징본체와, 상기 하우징본체의 전단에 결착되며, 상기 연결샤프트의 후단부를 내포하는 프론트캡과, 상기 하우징본체의 후단에 결착되며, 상기 에어터빈을 내포하는 터빈 스페이서와, 상기 터빈 스페이서의 후단에 결착되며, 상기 리어 프론트 쓰러스트베어링을 내포하는 리어캡과, 상기 리어캡의 후단에 결착되며 공압을 제공하고 배출하기 위한 유로를 형성하는 서플라이-드레인 플레이트와, 상기 터빈 스페이서와 리어캡, 서플라이-드레인 플레이트를 내포하는 리어커버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 프론트캡의 후단 및/또는 상기 하우징본체의 전단의 내경에 일정한 폭과 깊이를 가지는 에어챔버가 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 틸팅하우징의 전단의 내경과 상기 리어커버의 후단의 외경 사이에 구비되는 마스터볼을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 서플라이-드레인 플레이트에 형성된 유로와 상기 틸팅하우징에 형성된 유로를 연통하는 가요성의 플렉시블 호스를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 틸팅하우징의 전단부 내경에 구비되어 상기 리어커버 외경과 틸팅하우징 내경 사이의 공간을 밀폐하며 상기 스핀들유닛의 틸팅을 지지하는 메카니컬 씰을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 에어틸터는, 상기 스핀들유닛의 후면과 접촉하여 가압하는 틸팅볼과, 상기 틸팅볼을 내포하며 공압을 제공하기 위한 에어실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 비접촉식으로 구현되는 에어베어링과 에어터빈을 이용하여 스핀들유닛을 구성하고, 상기 스핀들유닛을 가공부하에 대응하여 공압으로 틸팅할 수 있도록 틸팅유닛을 구성함으로써 회전수 80,000 rpm 이상의 초고속 회전을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 마찰과 마모에 의한 손실이 거의 존재하지 않아 반영구적인 내구성을 보유하고 있으며, 부가되는 가공부하에 의한 공압 동력의 낭비를 줄여 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 전기 모터나 베인 블레이드를 이용한 동력원을 대신하여 공압에 의하여 구동되는 에어터빈을 이용함으로써 진동이나 마찰 등에 의한 성능 저하를 방지하여 가공 품질과 내구성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 에어터빈을 구동하기 위하여 저온의 압축공기가 지속적으로 공급되기 때문에 별도의 냉각 장치를 구비하지 않고서도 스핀들을 일정 온도 이하로 유지할 수 있고 이에 따라 스핀들 장치를 구조적으로 소형화할 수 있는 다른 장점이 있다.

또한, 본 발명은 스핀들하우징의 선단에 에어챔버 구조를 형성하고, 틸팅하우징의 선단에 메카니컬 씰을 구비함으로써, 가공시 외부로부터 미세칩 등 이물질이 내부로 침입하는 것을 방지하여 에어베어링이나 에어틸터 등의 손상을 방지하여 내구성을 높일 수 있는 또 다른 장점이 있다.

또한, 본 발명은 샤프트모듈을 메인샤프트와 연결샤프트, 콜릿으로 분리하여 탈착할 수 있도록 구성함으로써, 주회전축인 메인샤프트에 연결샤프트를 이용하여 콜릿의 종류를 변경하여 결착할 수 있어 작업 특성에 맞추어 다양한 형태와 종류의 공작용 공구를 간단하고 용이하게 장착할 수 있는 또 다른 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들의 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에서 스핀들하우징의 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에서 메인샤프트와 에어터빈을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에서 스핀들유닛의 선단부를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에서 스핀들하우징의 선단부를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들에서 틸팅유닛의 종단면도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들의 측면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들의 종단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들은 전단부에 공작용 공구를 장착하여 회전 구동시키는 스핀들유닛(100)과, 상기 스핀들유닛(100)을 일정 각도 내에서 틸팅시키는 틸팅유닛(200)을 포함하여 구성되는데, 상기 스핀들유닛(100)은 상기 틸팅유닛(200)에 의하여 가해지는 가공부하에 따라 축선을 기준으로 각도 Dㅀ의 변화폭을 가지면서 틸팅하면서 회전 구동하게 되어 특정 가공부하에 구애받지 않고 유연하게 대처하면서 초고속 고정밀 가공을 행할 수 있게 된다.

이때, 상기 스핀들유닛(100)은 공압에 의하여 구동되는 에어터빈(140)과, 상기 에어터빈(140)과 축 결합하여 회전 구동하는 샤프트모듈(120)과, 상기 에어터빈(140) 및 샤프트모듈(120)과 각각 비접촉 굴림 운동하는 에어베어링(130)과, 상기 에어터빈(140)과 샤프트모듈(120), 에어베어링(130)을 내포하는 스핀들하우징(110)을 포함하여 구성된다.

상기 샤프트모듈(120)은 상기 에어터빈(140)과 결착된 주 회전축인 메인샤프트(121)와, 상기 메인샤프트(121)의 전단에 결착하는 연결샤프트(122)와, 상기 연결샤프트(123)의 전단에 결착하는 콜릿(123)을 포함하여 이루어진다.

도 5에 도시되어 있듯이 상기 연결샤프트(122)는 내경이 형성되어 있는 관 형태를 이루고 있되, 상기 연결샤프트(122)의 후단의 내경은 상기 메인샤프트(121)의 전단이 삽입될 수 있도록, 전단의 내경은 상기 콜릿(123)이 삽입되어 결착될 수 있도록 형성되어 있다.

이와 같이 상기 메인샤프트(121)에 상기 연결샤프트(122)를 통하여 상기 콜릿(123)이 탈부착될 수 있도록 구성함으로써, 시행할 작업에 따른 필요한 공작용 공구를 결착할 수 있는 콜릿(123)을 선택하여 부착할 수 있어 하나의 에어베어링 스핀들로 다양한 작업을 행할 수 있게 된다.

한편, 상기 에어터빈(130)은 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 샤프트모듈(120)의 메인샤프트(121)의 후단에 축 결합하면서 결착되는데, 공압을 이용하여 상기 샤프트모듈(120)을 회전 구동하게 된다.

상기 에어터빈(130)은 원주 상으로 공급되는 공기의 압력과 유량을 효율적으로 회전력으로 변동하기 위하여 상기 에어터빈(130)이 이루고 있는 형상이 중요한데, 일반적으로 반경이 클수록 효율적인 측면에서 유리하지만 그 경우 공간 확보적인 측면에서는 불리하게 되므로, 제한적인 공간을 적절히 활용함과 동시에 필요한 동력을 충분히 확보할 수 있도록 형상을 결정하도록 한다.

본 발명에서는 상기 에어터빈(130)이 콤팩트한 형상을 이루고 있으면서도, 공급된 공기가 빠르게 배출되면서 회전 성능을 향상 시킬 수 있도록 상기 에어터빈(130)의 외경 중단부에 둘레를 따라 일정한 폭과 깊이를 가지는 슬릿을 형성하여 공기의 원활한 배출을 유도할 수 있도록 구성하였다.

한편, 상기 샤프트모듈(120)과 에어터빈(130)은 스핀들유닛(100)의 외형을 형성하는 스핀들하우징(110)에 내포되어 있는데, 상기 스핀들하우징(110)의 종단면도가 도 3에 도시되어 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 스핀들하우징(110)은 상기 샤프트모듈(120)의 메인샤프트(121) 부분을 내포하는 하우징본체(111)와, 상기 에어터빈(130) 부분을 내포하는 터빈 스페이서(112)와, 상기 하우징본체(11)의 전단에 결착하는 프론트캡(113)과, 상기 터빈 스페이서(112)의 후단에 결착하는 리어캡(114)과, 상기 리어캡(114)의 후단에 결착하는 서플라이-드레인 플레이트(116)와, 상기 터빈 스페이서(112)와 리어캡(114), 서플라이-드레인 플레이트(116)를 내포하는 리어커버(115)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 스핀들하우징(110)에는 상기 샤프트모듈(120)의 메인샤프트(121)와 에어터빈(130) 각각과 비접촉 굴림 운동을 하는 에어베어링(130)이 구비되어 있는데, 상기 에어베어링(130)은 상기 메인샤프트(121) 전반부 외경과 상기 하우징본체(111) 전반부 내경 사이에 구비되는 프론트 저널베어링(131)과, 상기 메인샤프트(121) 후반부 외경과 상기 하우징본체(111) 후반부 내경 사이에 구비되는 리어 저널베어링(132)과, 상기 프론트 저널베어링(131)과 리어 저널베어링(132) 사이에 구비되는 베어링 스페이서(133)와, 상기 에어터빈(130)의 전방에 구비되는 프론트 쓰러스트베어링(134)과, 상기 에어터빈(130)의 후방에 구비되는 리어 쓰러스트베어링(135)을 포함하여 이루어진다.

상기 베어링 스페이서(133)는 상기 프론트 저널베어링(131)과 리어 저널베어링(132) 사이의 간격을 조절하기 위하여 장착되는 것인데, 상기 샤프트모듈(120)의 축 중심 방향에 대한 강성값을 향상시킬 뿐만 아니라 저널베어링(131, 132)에 공급된 공기의 원활한 배출을 위한 역할도 동시에 수행하게 된다.

아울러, 상기 프론트 저널베어링(131)과 리어 저널베어링(132)을 통과한 공기는 상기 스핀들유닛(100) 선단을 통해 외부로 배출되게 되는데, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 프론트캡(113)의 후단 내경과 상기 하우징본체(111)의 전단 내경에 일정한 폭과 깊이를 가지는 에어챔버를 둘레를 따라 형성함으로써 상기 프론트캡(113)의 내경과 연결샤프트(122)의 외경 사이로 공기가 빠른 속도로 빠져나가게 되어 외부로부터 미세칩 등과 같은 이물질이 상기 에어베어링(130)과 샤프트모듈(120) 사이로 유입되는 것을 방지하여 장치의 내구성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

상기 에어터빈(140)은 앞서 언급하였듯이 상기 터빈 스페이서(112)에 내포되어 있으며, 그 전방과 후방에 각각 프론트 쓰러스트베어링(134)과 리어 쓰러스트베어링(135)이 형성되어 있다.

상기 터빈 스페이서(112)에는 상기 에어터빈(140)으로 공급되는 공기의 유로가 형성되어 있는데, 상기 에어터빈(140)의 외주면에는 상기 슬롯(141)이 형성되어 자연스럽게 터빈 날개 부분이 2열로 나누어지게 되며, 각 터빈 날개 부분으로 공기를 공급할 수 있도록 공기의 유로도 2 라인으로 분리하여 형성하는 것이 바람직할 것이다.

이와 같이 상기 에어터빈(140)의 날개 부분에 공급된 공기는 상기 에어터빈(140)을 회전시키고 앞서 언급하였듯이 상기 슬롯(141)을 통해 빠르게 빠져나가면서 회전 성능을 보다 향상시키게 된다.

상기 저널베어링(131, 132)과 쓰러스트베어링(134, 135)로 공급되는 공기는 상기 리어캡(114)과 서플라이-드레인 플레이트(116)에 의하여 형성된 유로를 통해 공급되고 배출되게 되는데, 특히 상기 스핀들유닛(100)이 회전 구동되는 동안 틸팅하면서 움직이게 되므로 상기 서플라이-드레인 플레이트(116)에 형성된 유로와 상기 틸팅하우징(210)에 형성된 유로를 가요성의 플렉시블 호스로 연통하여 틸팅 동작에 영향을 받지 않고 유로를 충분히 확보하도록 하는 것이 바람직할 것이다.

한편, 가동부하에 대응하여 상기 스핀들유닛(100)을 틸팅시키기 위하여 상기 스핀들유닛(100)의 후단부에 상기 틸팅유닛(200)을 구비하도록 하는데, 상기 틸팅유닛(200)의 종단면도가 도 7에 도시되어 있다.

도 2 및 도 7을 참조하면, 상기 틸팅유닛(200)은 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후단에 구비되어 공압으로 상기 스핀들유닛(100)을 일정 각도로 틸팅시키는 에어틸터(240)와, 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후단 일정 부분과 상기 에어틸터(240)를 내포하는 틸팅하우징(210)을 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 에어틸터(240)는 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후면과 접촉하는 틸팅볼(242)과, 상기 틸팅볼(242)을 일부 내포하며 공압을 제공하여 가압하는 에어실린더(241)를 포함하여 이루어지는데, 상기 에어틸터(240)는 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후면 둘레를 따라 일정 간격을 두고 6~8개 정도 형성하도록 한다.

상기 스핀들유닛(100)에 가공부하가 걸리지 않는 동안에는 다수개의 상기 에어틸터(240)가 동일한 힘으로 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후면을 가압하므로 균형을 이루어 상기 스핀들유닛(100)은 기준 위치를 유지하게 되며, 일정 크기의 가공 부하가 걸리는 경우에는 상기 에어틸터(240) 중 일부에 더 큰 힘이 전달되어 상이한 힘으로 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후면을 가압하게 되고 상기 스핀들유닛(100)이 일정 각도로 틸팅되면서 가동부하에 대한 균형을 유지하며 회전 구동하게 되는 것이다.

아울러, 상기 스핀들유닛(100)의 틸팅 기준점을 명확하게 하기 위하여 상기 틸팅유닛(200)의 틸팅하우징(210) 전단의 내경과 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 후단의 외경 사이 원주 상에 마스터볼(250)을 구비하도록 하는데, 상기 마스터볼(250)은 이와 같은 역할 이외에 상기 스핀들유닛(100)의 샤프트모듈(120)이 고속으로 회전하는 동안에 상기 스핀들유닛(100) 전체가 회전하지 못하도록 방지하는 역할도 하게 된다.

그리고, 상기 스핀들유닛(100)이 상기 틸팅유닛(200)의 틸팅 구조에서 이탈하지 않도록 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115)를 후단부에서 외측으로 돌출되어 프렌지 형태를 이루도록 하고, 상기 리어커버(115)의 외측으로 돌출된 후단부를 고정브라켓(220)으로 걸림 고정하도록 하여 준다.

한편, 상기 고정브라켓(220)의 전단부, 즉, 상기 틸팅유닛(200)의 틸팅하우징(210)의 선단부 내주면과 상기 스핀들유닛(100)의 리어커버(115) 외주면 사이의 공간을 통하여 이물질이 유입되지 않도록 메카니컬 씰(230)을 구비하도록 하는데, 상기 메카니컬 씰(230)의 단면을 U자 형태로 절곡되도록 형성하고 상기 메카니컬 씰(230)의 내측벽이 상기 리어커버(115)의 외주면을 가압하도록 하여 확실하게 밀폐함과 동시에 상기 스핀들유닛(100)이 초기 기준 위치로 용이하게 복귀하는데 일부 역할을 담당하도록 한다.

또한, 상기 틸팅하우징(210)의 경우 리어커버(115) 등과 같은 각종 부재와의 사이에 상대 운동이 많이 발생하기 때문에, 틸팅하우징(210)의 내면을 MoS₂(이황화몰리브덴) 등과 같은 고체 윤활 소재로 코팅하여 마모에 대한 저항성을 높임과 동시에 원활한 틸팅이 이루어지도록 하는 것이 바람직할 것이다.

이와 같이 상기 틸팅하우징(210)을 코팅함에 따라, 에어스핀들을 기계 가공 등에 사용할 때 기계의 오작동이나 과부하 등에 의하여 틸팅 한계점에 도달함에 따라 발생할 수 있는 상기 리어커버(115)의 후단 측면 모서리 부분의 끼임에 의한 고착 현상을 최대한 방지할 수도 있을 것이다.

한편, 상기 스핀들유닛(100)의 샤프트모듈(120)의 회전 속도는 상기 에어터빈(140)에 공급되는 공기의 유량에 의하여 결정되는데, 이를 제어하기 위하여 도면에는 도시되어 있지 않지만 외부에 별도의 공기 유량 조절부를 구비하도록 하며, 상기 샤프트모듈(120)과 에어터빈(140)은 에어베어링(130)에 의하여 비접촉 상태로 회전 구동하기 때문에 증속 속도가 매우 빠르게 되어 목표 회전수에 금방 도달하게 된다.

그리고, 회전 구동 속도를 감속하고자 하는 경우에는 단순히 공기의 공급 유량을 줄임으로써 자연스럽게 속도를 줄일 수도 있지만, 초고속 회전수에서 천천히 회전수가 감소하기 때문에 공진 영역에 장시간 머물 확률이 높아 상기 샤프트모듈(120)과 에어베어링(130) 등의 장치에 악영향을 미칠 수 있으므로, 상기 에어터빈(140)의 회전 구동 방향에 역방향으로 공기를 공급할 수 있도록 상기 터빈 스페이서(112)에 별도의 유로를 형성하여 브레이크 시스템을 구성할 수 있도록 하는 것도 바람직할 것이다.

또한, 상기 스핀들유닛(100)에 가해지는 가공부하에 대하여 특정 각도로 틸팅 각도를 유지하기 위하여는 상기 틸팅유닛(200)의 에어틸터(240)에 일정 압력의 공기가 공급되도록 하여야 하는데, 이를 제어하기 위하여 도면에는 도시되어 있지 않지만 외부에 별도의 공급압력 조절부를 구비하도록 한다.

이상에서는 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위하여 첨부한 도면과 함께 서술하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이지 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이나 치환 등에 의한 타 실시예가 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 - 스핀들유닛
110 - 스핀들하우징 111 - 하우징본체
112 - 터빈 스페이서 113 - 프론트캡
114 - 리어캡 115 - 리어커버
116 - 서플라이-드레인 플레이트 117 - 에어챔버
120 - 샤프트모듈 121 - 메인샤프트
122 - 연결샤프트 123 - 콜릿
130 - 에어베어링 131 - 프론트 저널베어링
132 - 리어 저널베어링 133 - 베어링 스페이서
134 - 프론트 쓰러스트베어링 135 - 리어 쓰러스트베어링
140 - 에어터빈 141 - 슬릿
200 - 틸팅유닛
210 - 틸팅하우징 220 - 고정브라켓
230 - 메카니컬 씰
240 - 에어틸터 241 - 에어실린더
242 - 틸팅볼
250 - 마스터볼 260 - 플렉시블 호스

Claims

전단부에 공작용 공구가 탈착 가능하도록 형성된 샤프트모듈과, 상기 샤프트모듈의 후단부에 결착하여 구비되는 에어터빈과, 상기 샤프트모듈과 에어터빈을 공압에 의하여 회전 구동하기 위한 에어베어링과, 상기 샤프트모듈과 에어터빈과 에어베어링을 내포하며 공압을 제공하기 위한 유로가 형성되어 있는 스핀들하우징을 포함하는 스핀들유닛; 및
상기 스핀들유닛의 후단부에 구비되어 공압을 이용하여 상기 스핀들유닛을 축선 기준 일정 각도로 틸팅시키는 에어틸터와, 상기 스핀들유닛의 후단 일정 부분과 상기 에어틸터를 내포하며 공압을 제공하기 위한 유로가 형성되어 있는 틸팅하우징을 포함하는 틸팅유닛;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 에어터빈의 외경의 중단부에 일정한 폭과 깊이를 가지는 슬릿이 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 틸팅유닛의 틸팅하우징 내면은 고체 윤활 소재에 의하여 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 1에 있어서,
상기 샤프트모듈은,
상기 스핀들하우징을 따라 축방향으로 길게 형성되어 있으며 후단부에 상기 에어터빈이 결착하는 메인샤프트와, 전단과 후단을 관통하는 내경이 형성되어 있으며 후단에 상기 메인샤프트가 결착하는 연결샤프트와, 상기 연결샤프트의 전단에 결합하는 콜릿을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 4에 있어서,
상기 에어베어링은,
상기 메인샤프트의 전반부에 길게 구비되는 프론트 저널베어링과, 상기 메인샤프트의 후반부에 길게 구비되는 리어 저널베어링과, 상기 프론트 저널베어링과 리어 저널베어링 사이에 위치하여 일정 간격으로 이격시키는 베어링 스페이서와, 상기 에어터빈의 전방에 구비되는 프론트 쓰러스트베어링과, 상기 에어터빈의 후방에 구비되는 리어 쓰러스트베어링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 5에 있어서,
상기 스핀들하우징은,
상기 메인샤프트와 프론트 저널베어링, 베어링 스페이스, 리어 저널베어링, 프론트 쓰러스트베어링을 내포하는 하우징본체와,
상기 하우징본체의 전단에 결착되며, 상기 연결샤프트의 후단부를 내포하는 프론트캡과,
상기 하우징본체의 후단에 결착되며, 상기 에어터빈을 내포하는 터빈 스페이서와,
상기 터빈 스페이서의 후단에 결착되며, 상기 리어 프론트 쓰러스트베어링을 내포하는 리어캡과,
상기 리어캡의 후단에 결착되며 공압을 제공하고 배출하기 위한 유로를 형성하는 서플라이-드레인 플레이트와,
상기 터빈 스페이서와 리어캡, 서플라이-드레인 플레이트를 내포하는 리어커버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 6에 있어서,
상기 프론트캡의 후단 및/또는 상기 하우징본체의 전단의 내경에 일정한 폭과 깊이를 가지는 에어챔버가 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 6에 있어서,
상기 틸팅하우징의 전단의 내경과 상기 리어커버의 후단의 외경 사이에 구비되는 마스터볼을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 6에 있어서,
상기 서플라이-드레인 플레이트에 형성된 유로와 상기 틸팅하우징에 형성된 유로를 연통하는 가요성의 플렉시블 호스를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 6에 있어서,
상기 틸팅하우징의 전단부 내경에 구비되어 상기 리어커버 외경과 틸팅하우징 내경 사이의 공간을 밀폐하며 상기 스핀들유닛의 틸팅을 지지하는 메카니컬 씰을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 에어틸터는,
상기 스핀들유닛의 후면과 접촉하여 가압하는 틸팅볼과, 상기 틸팅볼을 내포하며 공압을 제공하기 위한 에어실린더를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가공부하에 따른 틸팅이 가능한 에어베어링 스핀들.