The hydrostatic bearings have a relatively small run-out comparing to its shape error by fluid film effect in hydrostatic state as like pneumatic bearing and have a high stiffness, load capacity and damping characteristics. As there is no maintenance and semipermanent in these bearing type, it has been usually adopted as main spindle bearing for grinding machine. In this thesis, to develop hydrostatic bearing for high speed spindle, the cooler setting temperature, bearing clearance and nozzle pressure of belt-driven hydrostatic bearing are investigated. The bearing temperature is decreased, as the cooler setting temperature is lower, nozzle pressure is higher and bearing clearance is wider. The front temperature of bearing is nearly $8^{\circ}C$ higher than the rear one up to 13,000 rpm of spindle revolution. The thermal deflection of X-axis is ${\pm}16\;{\mu}m$ in range of 12,000 rpm-13,000 rpm. Therefore, it is conformed that the built-in motor hydrostatic bearing can be used to high speed spindle.
한국정밀공학회 2000년도 Handout for 2000 Inter. Machine Tool Technical Seminar
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pp.109-115
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2000
The spindle unit is core parts in high precision machine tools. Diverse static, dynamic and thermal charateristics of spindle unit are needed for special purpose of machine tools. Compromise between those charateristics will be done in concept design phase. High static stiffness at spindle nose may be very important performance for heavy cutting work. High dynamic stiffness is also useful to high precision and high speed machine tools. Improvement of thermal charateristics in spindle lead to high reliability of positioning accuracy. For high speed spindle structure, the design parameter such as, bearing span, diameter, bearing type and arrangement, preload, cooling and lubrication method should be in harmony.
High cutting speeds and feeds are essential requirements of a machine tool structure to accomplish its basic function which is to produce a workpiece of the required geometric form with an acceptable surface finish at as high a rate of production as is economically possible. Since the bearings in high speed spindle units are the main heat source of the total cutting system, in this work, the thermal characteristics of the spindle bearing system with a tilting axis were investigated using finite element methods to improve the performance of the spindle bearing system. Based on the theoretical results, a specially designed prototype spindle bearing system has been manufactured. Using the manufactured spindle bearing system, the thermal characteristics were measured. From the comparison of the experimental results with the theoretical ones, it was found that the finite element method predicted well the thermal characteristics of the spindle bearing system.
The spindle is the main component in machine tools. The static and dynamic stiffness of the spindle directly affect the machining productivity and surface integrity of the workpiece. The static and dynamic stiffness of the spindle depend on the shaft size, bearing arrangement, bearing span length, and so on. Therefore, the selection of shaft size and bearing span length are important to improve the spindle stiffness. This paper presents the determination of shaft size and bearing span length in spindle design step. In order to select the optimal bearing and built-in motor locations with constraint conditions, the extreme vertices design was applied. The results show that extreme vertices design is usable for spindle design with design constraints.
The purpose of this study is to investigate the effects of operation factors of a typical main spindle system on the efficiency of machine tool. In this study. both static and dynamic analysis of typical main spindle system of the machine tool are performed using a finite element method. These finite element results are then used to predict the bearing stiffness. the amount of heat generation as well as the bearing life in the spindle system. Effects of material type of ball-bearing. bearing-lubricant type and main spindle bearing preload are examined.
The spindle is the main component in machine tools. To develop high speed machine tools, a lot of studies have been carried out for high speed spindle. Bearing is very important part in spindle. The bearing clearance is influenced by shrink fit and thermal expansion during operation. The designer must take into account the reduction of shrink fits. The aims of this study are to grasp the shrink fits and behavior of a bearing which is a deeply connected with fatigue life of bearing and performance of spindle through FEM(Finite Element Method). This paper proposed optimum value of shrink fit considering deformation of spindle and stress of fitting area using design of experiments. Thus, the proposed formula can be used to obtain bearing internal clearance.
Since the spindle bearing systme is the main source of the total cutting point compliance of machine tool structures, in this work, the static and dynamic characteristics of the spndle bearing systme driven by the gear located on the bearing span were investigated using analytical and finite elemtn methods to improve the performance of the spindle bearing system. Based on the theretical results, a specially designed prototype spindle bvearing systme was manufactured. Using the manufactured spindle bearing system, the static and dynamic characteristics were measured. From the comparison of the experimental results with the theoretical results, it was found that the finite elemetn method predicted well the static and dynamic characteristics of the spindle bearing system.
Generally, it is said that the heat generation of air bearing is negligible. But the air bearing using at the built-in spindle is different from the general air bearing itself because of the thermal effects from the spindle motor and high-speed conditions. In this paper, in order to analysis the characteristics of air bearing by the heat, We made easy -heating-bearing-system (EHBS) and hard-heating-bearing-system (HHBS) and could identify the changes between the two bearing systems from the experiments and simulation. When spindle system reached at thermal steady-state, the changes means that the stiffness of air bearing becomes change due to the clearance change between bearing and journal. It is shown that the temperature rise and thermal effects to cause the thormal expansions have to be considered when designing air spindle system.
Angular contact ball bearings are often adopted for a high-speed spindle owing to their durability against axial and radial loads. The dynamic characteristics of an angular contact ball bearing, however, are very complicated because they are dependent on the applied loads as well as on the system configuration. This study systematically analyzes the radial-load-dependent characteristics of spindles as well as angular contact ball bearings. Toward this end, a spindle dynamic model along with the bearing dynamics model is established. An iterative solution algorithm is implemented to resolve the statically indeterminate problem associated with spindle-bearing systems subjected to radial load. Two numerical examples are provided to investigate the spindle and bearing characteristics as a function of radial load with regard to the system configuration.
The thermal characteristics of high-speed air spindle system with built-in motor are studied. Experiment and finite element method analysis obtain temperature rise and temperature distribution of housing. For the analysis three-dimensional model is built and temperature rise and distribution in thermal steady state are computed for each rotational frequency. Generally. It is said that the heat generation of air bearing is negligible. But it is certain that the heat generation of air bearing can not be negligible especially in high-speed conditions Frequency response test for air spindle system is executed. In case that the heat generation of air spindle system is high, natural frequency of the system becomes lower when it reaches thermal steady-state and it means that the stiffness of air hearing becomes smaller due to the change of bearing clearance. It is shown that the temperature rise of all spindle system causes thermal expansion md induces the variation of hearing clearance. In consequence the st illness of air bearing becomes smaller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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