Micro drilling by high-speed air bearing spindle is very useful manufacturing technology in electronic industry For the design of high speed air bearing spindle, there are considered stability of air bearing spindle, allowable load of air bearing, run out and tooling system design for micro drill's attach and remove. According to suggested details, we designed and manufactured high-speed air bearing spindle and carried out performance estimation such as run out, temperature change in running air bearing spindle, stiffness, chucking torque. Results are follows; Run out was measured under $5{\mu}m$ at air bearing spindle revolution $20,000\sim125,000rpm$. High speed air bearing spindle's temperature rose about $20^{\circ}C$ after 5 minutes from running and then was fixed. Allowable thrust load of spindle was 17kgf. Chucking torque of collet was 15kgfcm.
A high speed spindle system for machine tools can be used to reduce the machining time, to improve the machining accuracy, to perform the machining of light metals and hard materials, and to unite the cutting and grinding processes. In this study, a high speed spindle system is developed by applying the oil-air lubrication method, angular contact ball bearings, injection nozzles with dual orifices, cooling jacket and so on. And an air cooling experiment for evaluating the performance of the spindle system is carried out. Especially, in ofder to establish the air cooling conditions related to the development of a high speed spindle system, the effects of cooling air pressure, oil supply rate, air supply rate and rotational spindle speed are studied and discussed on the bearing temperature rise and frictional torque. Also the effects of cooling air pressure, rotational spindle speed and spindle system structure is investigated on the bearing temperature distribution. The experiment on the test model reveals the usefulness of the air cooling method.
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.
The high precision spindle is essential fer mass and low cost production of aspherical glass lens. Especially, in the grinding process of micro glass lens the performance of the spindle determine the machined surface quality. For the aspheric micro glass lens grinding, we design and make a high precision spindle. We use air bearings for high speed and low motion errors of the spindle. And the driving mechanism is an air turbine to remove heat generation. In this study, we make basic performance requirements of the spindle through benchmarking. And we confirm the requirements by basic machining test. We test air consumption, static stiffness, run-out and vibration of the spindle.
Recently, motor integrated spindle is often used in a high speed spindle system of machine tools in order to increase machining speed. The important problem in high speed motor integrated spindle is to reduce thermal effect occured by motor and ball bearings. In this study, the effect of heat transfer from motor is investigated. The experimental equipment is composed with oil-air lubrication method, air cooling system and angular contact ball bearings. The results show that the thermal effect in motor is larger than in ball bearing until DmN 8000,000 with air cooling.
공기정압 주축 시스템의 동적 안정성을 향상시키기 위해 섬유강화 복합재료 주축 자성 분말이 함침된 에폭시 복합재료 회전자 및 알루미늄 재질의 공구 연결부로 구성된 주축 시스템을 설계 및 제작하였다. 복합재료 공기정압 주축 시스템의 최적 설계를 위해 구조의 공진 주파수와 변형량 등을 고려하여 복합재료 주축의 적층 각도와 두께를 결정하였다 해석결과 설계된 복합재료 주축 시스템은 기존의 금속 주축 시스템에 비해 36% 더 높은 공진 주파수를 가지는 것을 알 수 있었다. 계산 및 실험 결과를 통해서 섬유강화 복합재료 주축과 자성 분말이 함침된 에폭시 복합재료 회전자로 구성된 복합재료 주축-회전자 시스템은 높은 비 강성으로 인해 기존 주축 시스템의 동적특성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
In this paper, the machining characteristics of high speed ball end milling affected by the rotational error of high speed spindle using air bearing are investigated. The error motions of a spindle have generally influenced on the surface roughness, the form accuracy, the tool life, etc. in end milling. Experiments are carried out over a wide range of rotational speeds(10,000-50,000rpm). The rotational errors of the spindle are measured by the gap sensor mounted on the spindle shaft at various cutting speeds. The relations between the surface roughness and the spindle error motion are presented. Results show that the rotational accuracy of the spindle directly affects the surface roughness of the machined surface.
Recently as electronics and semi-conductor industry develop, ultra-precision machine tools that use air-spindle with externally pressurized air bearing appear in need of ultra-precision products which demand high precision property. Effects of air compressibility absorbs the vibration of shaft, this is called averaging effect, however, the higher running accuracy is demanded by degrees, the more important factor is machining errors that affect running accuracy of shaft. Actually, it would be very important in the view points of running accuracy to understand effects of machining errors on the running accuracy of the spindle system quantitatively to design and manufacture precision spindle system in the aspect that efficiency in manufacturing spindle system and performance in operation. So fu, there are some researches on the effects that machining error affect running accuracy. However, because these researches deal with one bearing of spindle system, these results aren't enough to explain how much machining errors affect running accuracy in the typical spindle system overall. In this study, we investigate the effects of the perpendicularity error of bearing and shaft on running accuracy of spindle system that consists of journal and thrust bearing theoretically, and suggest design guideline about shape tolerances.
This paper presents two methods for designing a high-speed air spindle operated over the rotational speed of 50,000 rpm. The first method is an approximate method, which assumes a symmetric spindle shape even though it is not symmetric in reality. The second is an analysis of rotordynamics using beam and solid models. The approximate method can be used to calculate the bearing load capacities, stiffness and damping coefficients, stability of the shaft system, and response of the forced excitation from the unbalanced mass. Designers can use this method to determine the dimensions of the desired spindle at the first stage of the design. The more detailed behavior of the spindle can be calculated using the rotordynamics theory using beam and solid models based on the Finite Element Method. In this paper, a spindle, with two air bearings, one motor at the end, and two air thrust bearings, is newly developed. The solutions from the two rotordynamics theories are compared with the solution obtained using the approximate method. The three calculations are in agreement, and the procedure for the design of a spindle system, supported on the externally pressurized air bearings, ispresented and discussed.
한국윤활학회 2002년도 proceedings of the second asia international conference on tribology
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pp.115-116
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2002
This study was carried out as one of efforts to overcome difficulties in air bearing design due to low stiffness and low damping. Hydrodynamic effects on hydrodynamic stiffness of a fluid film in a high speed air bearing with tow-row air sources are investigated. The hydrodynamic effects by the high speed over DN 1,000,000 and eccentricity of a proceeding which are not considered in conventional design of an air bearing need to be reconsidered. The hydrodynamic effects, which dominantly influence on the load capacity of air bearing, are caused mainly by proceeding speed, eccentricity, and the source positions. The two-row source arrangement in the air bearing produces quite unique hydrodynamic effects with respect to pressure distribution of the air film. Optimal arrangement of the two-row sources improves performance of an air bearing in film reaction force and loading capacity of high speed spindles. This study compares the pressure distribution by numerical simulation as a function of eccentricity of proceeding and the source positions. The air source position 1/7L form one end of an air bearing was found to be superior to source position of 1/4L. The dynamic stiffness were obtained using a two-dimensional cutting method which can directly measure the cutting reaction forces and the displacements of the spindle in two directions using a tool dynamometer and transducer sensors. Heat generation in the air film can not be negligible over the speed of DN 2,000,000. In order to analysis effects of heat generation on the characteristics of air bearing, high cooling bearing spindle and low cooling bearing spindle were tested and compared. Characteristics of the frequency response of shaft and motion of run out errors were different for the spindle. The test results show that, in the case of low cooling bearing spindle, the stiffness became smaller due to heat generation. The results, which were obtained for high speed region, may be used as a design information for spindle which can be applied to precision devices such as ultra precision grinding and ultra high speed milling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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