KR20180122629A - 모터 내장 스핀들용 볼베어링 - Google Patents

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KR20180122629A
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inner diameter
spindle
ring
retainer
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미네오 코야마
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엔티엔 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 고속 운전시에 있어서의 윤활 특성을 유지하면서, 에어가 베어링 내부를 흐르는 조건하에서도, 그리스나, 기유(基油, base oil)가 배출되기 어렵고, 장기간에 걸친 안정된 윤활 수명을 가능하게 한 모터 내장 스핀들용 볼베어링을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기(保持器; 14)의 측면으로부터 내경(內徑)측에, 점도가 높은 그리스(G2)를 봉입하여, 이 점도가 높은 그리스(G2)에 의해, 외륜(12)의 내경측에 주로 위치하는 고속에서의 윤활 특성이 우수한 점도가 낮은 그리스(G1)나 기유가 배출되기 어렵게 함으로써, 장기간에 걸쳐 안정된 윤활 수명을 얻을 수 있도록 하였다.

Description

모터 내장 스핀들용 볼베어링
[0001] 본 발명은, 소형 스핀들, 특히 모터 내장 스핀들용 볼베어링에 관한 것이다.
[0002] 소형 스핀들은, 주로 알루미늄 가공 등의 경부하(輕負荷) 가공에 이용되고 있다.
[0003] 최근, 소형 스핀들은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 컴팩트화를 목적으로 스핀들의 하우징(1) 내에 모터(2)를 내장한 타입이 많아지고 있다(특허 문헌 1). 참고로, 도 7에 있어서, 피가공물(workpiece)을 연삭가공하기 위한 지석(砥石)을, 부호 W로 나타내고 있다.
[0004] 이러한 종류의 모터 내장 스핀들용 볼베어링(3)으로서는, 고속성이 우수하고, 가공시의 주축 선단으로부터의 외부 하중에 대해, 주축의 변위를 작게 하여, 고정밀도의 가공에 유리한 앵귤러 볼베어링(angular contact ball bearing)을 사용하는 경우가 많다.
[0005] 스핀들 내부에 모터(2)를 내장하고 있는 타입의 경우는, 연속 운전에서는 상기 모터(2)와, 베어링(3)이 발열하므로, 스핀들 전체의 사이즈 변화로 인한 가공 정밀도의 저하를 방지하기 위해 냉각 구조가 필요하다.
[0006] 그 냉각 구조로서는, 스핀들의 하우징(1)의 외주부에 냉각액이 순환하는 외통 냉각(外筒冷却) 구조가 있는데, 외통 냉각 구조는 스핀들 외경을 크게 할 필요가 있고, 또한 냉각액의 누락을 방지하는 시일(seal)이 필요해지는 등, 구조가 복잡해진다.
[0007] 이 때문에, 모터 내장 스핀들의 하우징(1) 내부의 냉각에는, 복잡한 구조가 불필요한 에어에 의한 냉각이 주류를 이루고 있다.
[0008] 이러한 스핀들의 하우징(1) 내부를 냉각하는 에어는, 후측으로부터 모터(2), 다음으로 베어링(3)을 냉각하고, 스핀들의 하우징(1)의 선단부로부터 스핀들의 하우징(1) 외부로 배출된다.
[0009] 스핀들의 하우징(1)의 선단부는, 비산되어 오는 것(飛來物)에 대한 시일을 겸하고 있으며, 에어 커튼, 래버린스 시일에 의해, 스핀들의 하우징(1) 내부의 압력을 높여서, 절삭액, 가공편(片) 등이 스핀들의 하우징(1) 내로 침입하는 것을 방지하고 있다.
[0010] 또한, 도 4에 나타낸 모터 내장 스핀들용 볼베어링(3)은, 시일 판(5)의 내경부와 내륜(6)의 외경부 사이는, 래버린스 구조로 되어 있고, 시일 판(5)의 내경부가, 내륜(6)의 외경부에 설치된 시일 홈(7)에 끼워져 있다. 참고로, 도 4에 있어서, 부호 8은 유지기(保持器), 9는 외륜, 10은 전동체(轉動體)를 나타내고 있다.
[0011] 상기 래버린스 구조에 의해, 베어링(3)의 내부로 침입한 에어의 배출이 시일 판(5)에 의해 방해를 받아, 도 4의 화살표로 나타낸 바와 같이, 베어링(3)의 내부로 침입한 에어가 베어링(3)의 내부에서 난류를 일으켜, 유지기(8)를 진동시키는 경우가 있다.
[0012] 유지기(8)의 진동은, 스핀들의 하우징(1)에 진동이 전달되어, 정숙성에도 악영향을 미친다.
[0013] 이 때문에, 본원의 출원인은, 모터 내장 스핀들의 베어링 내로 냉각 에어가 침입하였을 때, 에어가 베어링 내부에서 난류를 일으키는 일 없이, 에어를 원활하게 베어링 외부로 배출하기 위해, 도 6에 나타낸 바와 같이, 시일 판(5)의 내경 방향의 길이를, 베어링 내를 통과하는 에어의 입구측으로부터 출구측을 향해, 에어가 저항 없이 거의 직선 형상으로 통과할 수 있는 길이로 규정함으로써, 유지기(8)의 진동이 발생하기 어렵고, 정숙성이 높은 모터 내장 스핀들용 볼베어링을 특허 출원한 바 있다(특허 문헌 2).
[0014] 1. 일본 실용신안등록 제3150371호 2. 일본 특허공개공보 제2016-23719호
[0015] 그런데, 모터 내장 스핀들용 볼베어링은, 그리스 윤활 조건하에서도, dn 50만 내지 dn 100만 정도의 고속 운전으로 사용되는 경우가 많다.
[0016] 이 때문에, 모터 내장 스핀들용 볼베어링에는, 고속 운전성이 우수한, 즉, 극소량의 윤활유로 오일막(油膜)을 형성하면서, 고속 운전시에도 교반(攪拌) 저항이 적고, 온도가 쉽게 상승되지 않는 그리스가 사용되고 있다. 또한, 교반 저항을 억제하기 위해, 그리스에 포함되는 기유(基油, base oil)의 점도는 낮은 것이 바람직하며, 점도 20∼40mm2/S(40℃), 혼화 조도 200∼300 정도인 그리스를 사용하는 경우가 많다.
[0017] 상기 그리스 중에서도, 특히 고속성을 중시하는 경우에는, 기유 점도가 20∼30mm2/S(40℃)이고, 혼화 조도가 200∼230 정도인 것을 사용한다.
[0018] 그런데, 특허 문헌 2의 모터 내장 스핀들용 볼베어링(3)은, 베어링 내부에 에어가 흐르는 구조이며, 에어량으로 10∼30NL/분이 흐르는 경우가 있다. 베어링 내부의 에어 유량이 많을수록, 초기에 봉입한 그리스나, 기유가 배출되기 쉬우며, 고속에서의 윤활 특성이 우수한 기유 점도가 20∼30mm2/S(40℃)이고, 혼화 조도가 200∼230인 그리스는, 특히, 배출되기 쉽다.
[0019] 따라서, 본 발명은, 고속 운전시에서의 윤활 특성을 유지하면서, 에어가 베어링 내부를 흐르는 조건하에서도, 그리스나, 기유가 배출되기 어렵고, 장기간에 걸친 안정된 윤활 수명을 가능하게 하고자 하는 것이다.
[0020] 상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 내륜과, 외륜과, 내륜과 외륜의 대향(對向)하는 전동면에 설치된 전동체와, 전동체를 유지하는 유지기(保持器)와, 외륜의 양단부의 내경면에 내륜측을 향해 돌출되는 시일 판(板)을 가지며, 시일 판의 내경 방향의 길이가, 베어링을 통과하는 에어의 입구측으로부터 출구측을 향해, 에어가 저항 없이 거의 직선 형상으로 통과할 수 있는 길이로 규정되어 있는 모터 내장 스핀들용 볼베어링에 있어서, 외륜과 내륜 사이에 봉입되는 그리스가, 외륜의 내경측에 주로 위치하는 점도가 낮은 그리스와, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기 측면으로부터 내경측에 위치하는 점도가 높은 그리스의 2 종류로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
[0021] 외륜의 내경측에 주로 위치하는 점도가 낮은 그리스는, 기유 점도가 20∼30mm2/S(40℃)이고, 혼화 조도(混和稠度)가 200∼230인 그리스이며, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기 측면으로부터 내경측에 위치하는 점도가 높은 그리스는, 기유 점도가 30∼40mm2/S(40℃)이고, 혼화 조도가 240∼260인 그리스이다.
[0022] 본 발명에 따른 모터 내장 스핀들용 볼베어링은, 베어링 내부에 에어가 흐르는 구조라 하더라도, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기 측면으로부터 내경측에, 점도가 높은 그리스가 봉입되어 있으므로, 이 점도가 높은 그리스에 의해, 외륜의 내경측에 주로 위치하는 고속에서의 윤활 특성이 우수한 점도가 낮은 그리스나 기유가 배출되기 어려워, 장기간에 걸친 안정된 윤활 수명을 얻을 수 있다.
[0023] 도 1은, 본 발명에 따른 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 부분 단면도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 유지기의 안내 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 다른 형태의 유지기의 안내 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 4는, 종래의 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 부분 단면도이다.
도 5는, 종래의 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 유지기의 안내 상태를 나타낸 부분 확대도이다.
도 6은, 특허 문헌 2의 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 부분 단면도이다.
도 7은, 모터 내장 스핀들의 개략도이다.
[0024] 이하에서는, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면에 근거하여 설명한다.
본 발명의 하나의 실시형태에 따른 모터 내장 스핀들용 볼베어링은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 앵귤러 볼베어링이다.
[0025] 본 발명에 따른 앵귤러 볼베어링은, 내륜(11)과, 외륜(12)과, 내륜(11)과 외륜(12)의 대향하는 전동면에 설치된 전동체(13)와, 전동체(13)를 유지하는 유지기(14)와, 내륜(11)과 외륜(12)의 양단면에 설치된 시일 판(15)으로 이루어지며, 내륜(11)의 외주면의 축방향의 일단부측에 카운터 보어(counterbore, 11b)를 마련하였다.
[0026] 시일 판(15)은, 외륜(12)의 내경면에 설치된 부착 홈(16)에 장착되어 있다.
[0027] 시일 판(15)의 내경부와 대면하는 내륜(11)의 외경면(11a)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 직선 형상으로 형성되며, 시일 판(15)의 내경부와 내륜(11)의 외경면과의 사이에, 도 4에 나타낸 종래의 베어링과 같이, 래버린스 구조를 형성하는 시일 홈이 형성되어 있지 않다.
[0028] 그리고, 도 1의 화살표(A)로 나타낸 바와 같이, 통과하는 에어의 입구측으로부터 출구측을 향해, 에어가 저항 없이 거의 직선 형상으로 통과할 수 있도록, 출구측의 내륜(11)의 외경면과 시일 판(15)의 내경부와의 사이의 틈새의 투영 면적이, 베어링을 통과하는 에어 유로의 통과 투영 면적과 거의 동등해지도록, 시일 판(15)의 내경 방향의 길이를 규정하고 있다.
[0029] 상기 시일 판(15)의 내경 방향의 길이는, 에어가 통과할 때의 유로 저항이 있기 때문에, 베어링을 통과하는 에어의 유로 투영 면적보다 투영 면적이 10％ 정도 작아지는 길이이면 된다.
[0030] 시일 판(15)의 내경부와 대면하는 내륜(11)의 외경면과의 사이의 틈새가, 상기와 같이, 에어가 저항 없이 거의 직선 형상으로 통과할 수 있는 투영 면적이 되도록, 시일 판(15)의 내경 방향의 길이를 규정함으로써, 베어링의 내부를 에어가 통과할 때, 시일 판(15)에 필요 이상의 힘이 가해지기 어렵고, 시일 판(15)의 넘어짐이나 변형을 방지하여, 안정된 시일성을 확보할 수 있다. 상기 조건을 만족한다면, 시일 판(15)의 내경부와 대면하는 내륜(11)의 외경면과의 사이의 틈새를 크게 해도 상관없지만, 베어링 내부 윤활유의 누설 방지를 위해, 유지기(14)의 내경보다 작은 것이 바람직하다.
[0031] 또한, 에어의 통과를 더욱 방해하지 않도록 하기 위해, 시일 판(15)의 내경부와 대면하는 내륜(11)의 외경면(11a)을 직선 형상으로 형성하는 것이 바람직하다.
[0032] 도 2 및 도 3은, 각각 본 발명에 의한 모터 내장 스핀들용 볼베어링의 실시형태에 따른 유지기(14)의 안내 상태를 나타낸 부분 확대도이다. 도 2 및 도 3에 있어서, 이점쇄선(二點鎖線)은, 전동체(13)의 피치원직경(PCD)을 나타내며, 부호 14a는, 전동체(13)를 수용하는 포켓을 나타내고 있다.
[0033] 유지기(14)의 내경부(14b)의 사이즈(d)는, 최대한 크게 하여, 에어의 통과를 방해하지 않도록 하는 것이 바람직하지만, 유지기(14)의 내경부(14b)를 크게 하면, 유지기(14)의 강도가 저하되므로, 유지기(14)의 내경부(14b)의 사이즈(d)는, 유지기(14)의 외경부(14c)의 사이즈를 D, 전동체(13)가 받는 하중을 Q, 전동체(13)와 궤도륜(軌道輪) 간의 마찰 계수를 μ, 유지기(14)를 형성하는 수지 재료의 허용 인장 강도를 σ, 유지기(14)의 축방향 두께 합계치를 B로 하였을 경우, 다음의 식을 만족하도록 결정하는 것이 바람직하다.
[0034] d≤D-(4*Q*μ)/(σ*B)
[0035] 다음으로, 유지기(14)의 내경부(14b)의 사이즈(d)는, 에어의 통과를 방해하지 않도록 시일 판(15)의 내경 사이즈보다 크게 하는 것이 바람직하지만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 회전 중인 유지기(14)의 포켓(14a)의 전동체(13)와의 둘레 방향 접촉부(14d)가 전동체(13)의 PCD보다 외경측이 되는 구조가 더욱 바람직하다. 유지기(14)의 포켓(14a)의 전동체(13)와의 둘레 방향 접촉부(14d)가 전동체(13)의 PCD보다 외경측이 되도록 함으로써, 굵은 선(太線) 화살표로 나타낸 바와 같이, 전동체(13)의 원주 방향 운동에 대해 항상 유지기(14)에 외경 방향의 힘이 작용하기 때문에, 유지기(14)와 내륜(11)의 외경면(11a)과의 틈새가 확보되어, 에어의 통과가 방해받지 않는다.
[0036] 또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 전동체(13)의 원주 방향 운동에 대해 항상 유지기(14)에 외경 방향의 힘이 작용하도록, 유지기(14)의 내경부(14b)를, 전동체(13)의 PCD보다 외경측에 위치시켜도 된다.
[0037] 즉, 종래예에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 유지기(8)의 포켓(8a)의 전동체(10)와의 둘레 방향 접촉부(8b)는 전동체(10)의 PCD 상(上)이 되지만, 도 2에 나타낸 본 발명의 실시형태에서는, 유지기(14)의 포켓(14a)의 전동체(13)와의 둘레 방향 접촉부(14d)는 전동체의 PCD보다 외경측에 위치하고 있다.
[0038] 또한, 도 1의 실시형태에서는, 외륜(12)의 궤도륜과 전동체(13)와의 사이, 외륜(12)의 궤도륜과 유지기(14)와의 사이에, 안정적으로 윤활제를 공급하기 위해, 외륜(12)의 일부에 그리스 포켓(17)을 설치하였다.
[0039] 본 발명에 따른 앵귤러 볼베어링을 2열의 배면맞댐식으로 사용하는 경우에는, 에어의 흐름에 대해 베어링의 방향이 2열 간에 상이하기 때문에, 베어링의 좌우 양측에 그리스 포켓(17)을 형성하도록 한다.
[0040] 또한, 그리스 봉입량은, 정지(靜止) 공간 용적의 40％∼50％로 한다. 40％ 이하인 경우, 에어압에 의한 그리스의 치우침으로 인해, 안정된 내구 효과를 얻을 수 없다. 50％ 이상인 경우, 에어압에 의한 그리스의 치우침으로 인해, 그리스가 과다하게 다시 말려들게 되어, 큰 온도 변동, 진동 변동으로 연결되어 안정된 회전을 얻을 수 없다.
[0041] 봉입하는 그리스는, 외륜(12)의 내경측에 주로 위치하는 점도가 낮은 그리스(G1)와, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기(14)의 측면으로부터 내경측에 위치하는 점도가 높은 그리스(G2)의 2 종류를 사용하고 있다.
[0042] 베어링에 그리스를 봉입할 때, 우선 제일 먼저, 그리스 중에서도, 특히, 고속성이 우수한, 기유 점도가 20∼30mm2/S(40℃)이고, 혼화 조도가 200∼230인 스핀들용 그리스를, 외륜(12)의 내경측에 주로 위치하도록 봉입한다.
[0043] 또한, 봉입 후, 축방향의(axial) 하중을 가하여, 회전시킴으로써, 봉입한 그리스(G1)를, 외륜(12)의 내경면, 전동체(13), 유지기(14)의 표면에 친화되도록 한다.
[0044] 이때, 외륜(12)의 내경에 있는, 그리스 포켓(17)이나, 유지기(14)의 포켓면, 외륜(12)과의 안내면에 충분히 그리스를 유지시킨다.
[0045] 다음으로, 에어 유량으로 10∼30NL/분이 흐르는 것을 상정하고, 초기에 봉입한 그리스(G1)보다, 기유 점도가 30∼40mm2/S(40℃), 혼화 조도가 240∼260인 점도가 높은 그리스(G2)를 유지기(14)의 측면으로부터 내경측에 위치하도록 봉입한다.
[0046] 이때, 2열의 앵귤러 볼베어링을 배면맞댐식으로 사용하는 경우도 고려하여, 에어의 흐름에 대해 베어링의 방향이 2열간에 상이하므로, 베어링의 좌우 양측에 그리스를 봉입한다.
[0047] 2 종류의 그리스(G1, G2)는, 일부 서로 섞이는 경우도 고려하여, 기유 점도, 혼화 조도 이외의, 기유의 종류, 증조제(增稠劑)의 종류는, 동일한 것을 선택한다.
[0048] 본 발명은, 먼저 점도가 낮은 그리스를 봉입하여 길들임 운전을 하고, 이후, 점도가 높은 그리스를 좌우 양측에 봉입하는 효과로서, 한쪽에 한 번에 많이 봉입한 경우, 길들임 운전시, 봉입측의 시일 립으로부터 교반에 의해 흘러 넘친 그리스가 배출되는데, 선행하여 봉입한 그리스에 의해 길들임 운전을 하고, 이후 양측의 공간에 그리스를 배분하여 봉입함으로써, 길들임 운전시의 시일 립(15)으로부터의 배출을 억제할 수 있다.
[0049] 이에 따라, 그리스 봉입량은 전체로서 정지 공간 용적의 50％∼70％로 한다.
[0050] 70％ 이상인 경우, 주축 조립 후의 길들임 운전 시간이 길어지거나, 혹은 그리스가 과다하게 다시 말려듦으로써, 큰 온도 변동, 진동 변동으로 연결되어 안정된 회전을 얻을 수 없는 경우가 있다.
[0051] 제일 먼저 봉입하는 그리스(G1)는, 전체 봉입 그리스량의 50％ 정도로 한다. 나머지 50％는, 점도가 높은 그리스(G2)를 25％씩, 베어링 양측에 봉입한다.
[0052] 그리스의 증조제로서는, 예컨대, 우레아계나, Ba 복합 비누계, Li 비누계 등이 있다. 또한, 기유는, 에스테르계나, 합성 오일 등이 있다.
[0053] 11 : 내륜
11a : 외경면
12 : 외륜
13 : 전동체
14 : 유지기
14a : 포켓
14b : 내경부
14c : 외경부
14d : 둘레 방향 접촉부
15 : 시일 판
16 : 부착 홈
17 : 그리스 포켓
G1 : 점도가 낮은 그리스
G2 : 점도가 높은 그리스

Claims (6)

  1. 내륜과, 외륜과, 내륜과 외륜의 대향(對向)하는 전동면(轉動面)에 설치된 전동체와, 전동체를 유지하는 유지기(保持器)와, 외륜의 양단부의 내경면에 내륜측을 향해 돌출되는 시일 판(板)을 가지며, 시일 판의 내경 방향의 길이가, 베어링을 통과하는 에어의 입구측으로부터 출구측을 향해, 에어가 저항 없이 거의 직선 형상으로 통과할 수 있는 길이로 규정되어 있는 모터 내장 스핀들용 볼베어링으로서, 외륜과 내륜 사이에 봉입되는 그리스가, 외륜의 내경측에 주로 위치하는 점도가 낮은 그리스와, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기 측면으로부터 내경측에 위치하는 점도가 높은 그리스의 2 종류로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터 내장 스핀들용 볼베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    외륜의 내경측에 주로 위치하는 점도가 낮은 그리스가, 기유 점도 20∼30mm2/S(40℃), 혼화 조도(混和稠度) 200∼230의 그리스이며, 에어의 영향을 받기 쉬운 유지기 측면으로부터 내경측에 위치하는 점도가 높은 그리스가, 기유 점도 30∼40mm2/S(40℃), 혼화 조도 240∼260의 그리스인 모터 내장 스핀들용 볼베어링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    내륜 일측(片側)에 카운터 보어(counterbore)가 있고, 외륜 내경면의 일측 또는 양측에 그리스 포켓을 가지며, 상기 그리스 포켓에 점도가 낮은 그리스가 위치하는 것을 특징으로 하는 모터 내장 스핀들용 볼베어링.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시일 판의 내경부와 대면하는 내륜의 외경면은 직선 형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 모터 내장 스핀들용 볼베어링.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유지기의 포켓의 전동체와의 둘레 방향 접촉부는, 전동체의 PCD보다 외경측에 위치하는 것을 특징으로 하는 모터 내장 스핀들용 볼베어링.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유지기의 내경부가, 전동체의 PCD보다 외경측에 위치하는 것을 특징으로 하는 모터 내장 스핀들용 볼베어링.


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