KR100559790B1 - 다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링 - Google Patents

Abstract

이 발명은 다공질 세라믹 소재를 이용한 정압 공기베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코디어라이트 분말 또는 알루미나 분말을 주성분으로 하는 기공률 20~25%의 무수히 많은 미세 기공이 형성된 다공질 세라믹 소재를 베어링면으로 이용함으로써 베어링면의 가공에 소요되는 시간과 비용을 대폭 절감시키고, 세라믹 소재의 미세 기공을 급기공으로 이용하여 베어링면에 균일한 압력을 가하여 베어링의 성능을 향상시킨 다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링에 관한 것이다.

상기와 같은 이 발명에 의하면, 공기베어링의 베어링면의 급기공을 기계가공할 필요가 없으며, 베어링의 종류에 따라 다공질 세라믹 소재를 가공하여 베어링면에 고정시키기만 하면 간단하게 공기베어링을 완성할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

또한, 작동유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 베어링면으로 사용되는 다공질 세라믹이 내마모성, 내열성, 강도 등 기계적 특성이 뛰어나므로 베어링 수명이 향상되는 효과도 있다.

공기베어링, 다공질, 세라믹, 기공, 코디어라이트

Description

다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링{Air bearing using a porous ceramic}

도 1은 종래의 오리피스형 공기베어링을 나타낸 도면,

도 2는 이 발명에 따른 일실시예로, 다공질 세라믹 소재를 이용한 저널-스러스트 베어링을 나타낸 도면,

도 3은 이 발명에 따른 다공질 세라믹의 표면을 60배 확대 촬영한 사진,

도 4는 이 발명에 따른 제 이실시예로, 다공질 세라믹 소재를 이용한 슬라이더 베어링을 나타낸 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 오리피스형 정압 공기베어링 11 : 오리피스형 분사구

20 : 저널-스러스트 공기베어링 21 : 다공질 세라믹 소재

21a : 기공 30 : 슬라이더 공기베어링

31 : 다공질 세라믹 소재 32 : 슬라이더 베어링 몸체

A : 축

이 발명은 다공질 세라믹 소재를 이용한 정압 공기베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베어링면에 급기공을 기계적으로 가공하지 않고 직경 수 ㎛ ~ 수십 ㎛의 미세 기공이 형성된 다공질 세라믹소재 자체를 베어링면으로 사용하는 다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링에 관한 것이다.

일반적으로 베어링은 하중을 전달하면서 마찰저항을 줄여주는 역할을 하는 기계요소이다. 이러한 베어링의 통상적인 구조는 볼이나 롤러와 같은 전동체의 구름운동을 이용한 구름베어링인 데, 이는 회전운동 시 전동체의 구름의 영향으로 소음이 크며, 충격에 약하고, 외경이 크며, 회전속도의 한계가 낮다는 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 베어링과 축 사이에 얇은 유막을 형성시키고 이 유막에 압력을 발생시켜 그 압력의 합력으로 하중을 지지하는 미끄럼 베어링을 주로 사용한다. 이러한 미끄럼베어링은 사용하는 유체의 종류에 따라 오일베어링과 공기베어링으로 구분된다.

오일베어링은 작동유체로 광유와 같은 기름이나 물을 사용하며 압력이 변해도 체적의 변화가 거의 없으므로 비압축성 유체윤활베어링이라 불려진다. 그러나, 이러한 오일베어링은 작동유체로 기름을 주로 사용하기 때문에 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에는 사용하기 어려운 점이 있다.

유체베어링의 또 다른 형태인 공기베어링은 작동유체로 공기, 헬륨, 네온가 스를 사용하기 때문에 마찰이 거의 없고, 냉각효과가 있어 고속운동 시 발열이 거의 일어나지 않아 고온과 저온에서 사용이 가능하며, 축과 베어링의 가공 시 어쩔 수 없이 발생하는 진원도 오차를 공기의 압축성으로 축의 회전오차를 진원도 오차에 비해 1/10 이하로 줄여주는 평균화 효과도 갖게 되어 회전정밀도가 매우 높아지는 효과가 있다. 또한, 시작과 정지 시에도 축과 베어링 사이의 직접적인 금속접촉을 피할 수 있어 진동과 소음이 거의 발생하지 않고, 거의 마모가 일어나지 않아 수명이 거의 영구적이라는 장점이 있으나, 공기의 사용으로 인해 압력의 한계가 있어 하중지지용량은 볼 베어링이나 오일베어링에 비해 조금 떨어지기 때문에 고하중에는 잘 적용하지 않는다.

종래의 정압 공기베어링은 베어링면에 압력을 가하기 위해 공기를 분사해 주는 분사구를 베어링 몸체에 기계가공하는 방법을 주로 사용하였으며, 그 분사구의 종류로는 오리피스형, 슬롯형, 표면저항형(그루브형), 오리피스-포켓형 등이 있다.

도 1은 상기의 오리피스형 정압 공기베어링의 분사구(11)를 나타낸 것으로, 베어링(10)에 형성된 넓은 급기공(11a)을 통하여 공기가 급기되다가 베어링 표면 부근에 직경이 0.1~0.3 ㎜ 정도, 길이는 1 ㎜~2 ㎜ 이하의 작은 급기공(11b)을 통해 공기가 베어링 면에 공급되도록 한 형태이다. 상기와 같은 오리피스형 분사구(11)를 가공하는 방법은 먼저 베어링(10) 외부에서 드릴로 넓은 급기공(11a)을 형성한 후 베어링면에서 약 1 ㎜~2 ㎜ 부근에서는 방전가공(슈퍼드릴링)으로 작은 급기공(11b)을 형성한다. 그러나, 이러한 오리피스형 분사구(11)는 베어링 1개 당 24개에서 많은 경우에는 200개까지도 필요하므로 분사구를 가공하는 비용과 시 간이 엄청나게 소요될 뿐만 아니라 급기공(11b)의 직경을 0.1 ㎜ 이하로 정밀하게 기계가공하기가 어려우므로 급기공(11b)의 직경이 각각 달라져 균일한 압력을 발생시키기 어려운 문제점이 있다.

상기와 같이 기계가공방법으로 베어링 몸체에 분사구를 형성하는 공기베어링은 직경이 미세하고 균일한 급기공을 얻기 어려워 필요로 하는 베어링 압력을 얻기 위해서는 베어링 몸체에 많은 분사구를 일일이 가공해야 하는 문제점이 있다.

또한, 기계가공에 의한 실수가 자주 발생하고, 급기공의 직경이 커 이물질로 인한 잦은 눈막힘현상이 발생하고, 불균일한 압력의 분포로 인해 베어링과 축 사이의 직접 접촉에 의한 마찰로 인해 베어링의 수명이 짧아지며, 분사구의 가공을 위해서 소요되는 시간과 비용이 너무 많아 공기베어링의 제작단가가 높아지는 문제점을 가진다.

최근에는 종래의 기계가공된 분사구를 가지는 공기베어링의 문제점을 해결하기 위해 베어링면 전체를 다공질 소재로 제작하는 다공질 공기베어링이 개발되고 있는 데, 현재 다공질 공기베어링의 베어링면의 소재로 사용되는 대표적인 재료는 소결금속, 카본그라파이트 및 다공질 세라믹 소재가 있다.

먼저, 소결금속재료는 주로 황동계열을 사용하며, 연삭가공 시의 눈막힘현상으로 공기베어링으로 사용 시 필요한 유량을 얻기위해서는 표면의 눈막힘현상을 제거해야 하는 단점을 가지고 있다. 좀 더 상세하게 살펴보면, 소결금속재료를 베어링면으로 사용하기 위해 직접 연삭할 경우 그 연삭깊이가 매우 커지게 되어 유량이 소재에 비해 1/100 이상으로 줄어들어 베어링으로 사용하기 어렵게 되며, 연삭량을 줄이기 위해 선반에 의한 절삭공정을 중간에 삽입하는 경우에도 절삭과정에서 이미 표면이 막혀 유량이 급격히 감소하게 된다. 상기한 표면 눈막힘현상을 제거하기 위해 연삭 후 래핑하는 방법, 표면이 막히지 않는 상태로 절삭된 재료를 직접 래핑하는 방법을 사용하기도 하는 데 이 또한 표면조도 및 형상정도가 떨어져 유량을 조절하기 어려운 문제점이 있다.

그 다음으로, 카본그라파이트(Carbon Graphite)재료의 경우에는 선삭, 연삭가공을 거쳐도 눈막힘현상이 크게 일어나지 않아 래핑 등의 특별한 가공이 필요하지 않으며 유량이 크게 변화하지 않으나, 다공질 공기베어링에 있어 공기의 압축성 및 소재의 특성상 눈막힘현상이 전혀 없는 경우에는 공기햄머링현상(pneumatic hammer)이라는 자려진동이 발생하기 쉬워 이를 방지하기 위해 인위적인 표면저항효과(눈막힘효과)를 주어야 하는 번거로움이 있다.

마지막으로, 다공질 세라믹을 공기베어링의 베어링면으로 사용하기 위해서는 세라믹 소재에 미세한 기공을 생성시켜야 하는 데, 기공 생성방법으로는 기계가공, 발포방법 및 소결방법이 있다.

기계가공으로 세라믹 소재에 기공을 형성시키는 방법은 세라믹 소재를 먼저 소결한 후 방전가공(슈퍼드릴링) 등의 물리적인 가공방법을 사용하는 것으로 상기한 오리피스형 분사구와 마찬가지로 기공의 직경을 0.1 ㎜ 이하로 정밀하게 형성시키기 어려울 뿐만 아니라 균일한 직경의 기공을 얻기가 어려워 공기베어링에 사용하지 않는다.

발포방법으로 세라믹 소재에 기공을 형성시키는 방법은 세라믹 원료분말, 접 착제 및 물 등을 혼합한 슬러리에 발포제를 첨가하여 슬러리를 금형틀에 붓고 슬러리가 굳기 전에 발포시킴으로써 세라믹 성형체의 내부에 기공이 생성되게 하는 방법이다. 그러나, 이 발포방법은 높은 기공률의 세라믹을 얻기는 쉬우나 기공의 크기, 형상 및 기공률을 정확하게 조절하기 어렵고, 균일성이 낮아서 강도, 내마모성 등의 기계적 특성이 떨어져 공기베어링에 사용하기는 어렵다.

마지막으로, 일반적인 세라믹 제조공정을 이용하여 기공을 생성시키는 방법으로, 먼저 세라믹 원료분말과 열가소성 고분자 또는 탄소 입자를 습식 혼합하여 슬러리를 만들고, 슬러리를 금형틀에서 가압 성형하고 건조한 후, 고분자 또는 무기물을 휘발시킨 다음 세라믹 성형체를 소결하여 다공질 세라믹을 완성한다. 그러나, 이러한 방법은 기공이 전혀없는 세라믹이나 기공의 크기, 형상 및 기공률이 균일하지 않은 일반적인 세라믹을 제조하는 방법이기 때문에 공기베어링의 베어링면에 사용되는 균일한 미세기공을 가지는 세라믹을 제조하기에는 힘든 문제점이 있다.

상기와 같이 세라믹 소재는 현재까지 공기베어링에 사용하기에는 제조 및 가공 상의 문제로 인하여 거의 사용되지 않고 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 이 발명의 주된 목적은, 코디어라이트 분말 또는 알루미나 분말을 주성분으로 하는 기공률 20~25%의 무수히 많은 미세 기공이 형성된 다공질 세라믹 소재를 베어링면으로 이용함으로써 베어링면의 가공에 소요 되는 시간과 비용을 대폭 절감시키고, 세라믹 소재의 미세 기공을 급기공으로 이용하여 베어링면에 균일한 압력을 가하여 베어링의 성능을 향상시킨 다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명에 따른 다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링은, 코디어라이트분말 또는 알루미나분말의 혼합, 성형, 소결을 통해 제조된 20~25%의 기공률을 가진 다공질 세라믹을 베어링의 종류와 용도에 따라 적절한 형상으로 가공하여 베어링 몸체에 부착하여 세라믹 자체에 형성된 미세 기공을 통해 공기를 주입하는 것을 특징으로 한다.

이하, 이 발명에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 다공질 세라믹 소재를 저널-스러스트 공기베어링에 적용한 제 일실시예로서, 미세한 기공(21a)이 형성된 다공질 세라믹 소재(21)를 베어링 몸체의 회전운동을 지지하는 저널부와 축방향 하중을 지지하는 스러스트부에 삽입고정시켜 베어링을 완성한 것으로, 베어링면 대부분에 다공질 세라믹의 미세한 기공(21a)이 분포되도록 한 형태이다.

상기한 다공질 세라믹 소재(21)의 표면을 60배 확대촬영한 사진이 도 3에 도시되어 있는데, 어두운 부분으로 보이는 것이 다공질 세라믹의 표면에 형성된 미세한 기공(급기공)이며 그 직경은 수 ㎛ ~ 수십 ㎛ 정도이며, 이 기공을 통하여 공기 가 베어링면으로 주입된다.

이러한 다공질 세라믹을 베어링면으로 이용하는 정압 공기베어링과 종래 가장 일반적으로 사용되고 있는 오리피스형 공기베어링의 성능을 시험 비교한 결과를 다음의 표에서 소개한다.

구 분	급기압 (㎏f/㎠)	소모유량 (L/min)	최대허용하중 (㎏)	축의 부상높이 (㎜)
종래 오리피스형 공기베어링	5기압	36	48	0.051
다공질 세라믹 공기베어링	5기압	15	45	0.054

상기의 성능시험은 동일한 급기압, 동일한 베어링형식, 동일한 베어링면의 면적에서 이루어진 것으로, 최대허용하중과 부상높이는 종래의 오리피스형 공기베어링과 거의 비슷한 성능을 나타냈지만 소모되는 공기의 유량이 훨씬 줄어든 것을 알 수 있다. 이는 다공질 세라믹에 형성된 무수히 많은 기공을 통하여 주입되는 공기가 베어링면의 전반에 걸쳐 균일하게 주입되므로 적은 공기만으로도 종래 베어링에 걸리는 하중을 지지할 수 있다는 것을 보여주는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 공기베어링에 사용되는 20~25%의 기공률(흡수율)을 가지는 다공질 세라믹을 제조하는 방법은 다음과 같다.

공기베어링의 베어링면으로 이용될 다공질 세라믹의 주원료로는 2MgO, 2Al₂O₃,5SiO₂로 구성되고 입자크기는 약 70㎛이며 세라믹 제품의 원료로 상용되고 있는 코디어라이트(Cordierite)분말 또는 세라믹 제품의 원료로 상용되고 있는 알루미나(Alumina)분말을 사용한다.

먼저, 코디어라이트(Cordierite)분말을 사용하는 경우의 제조공정을 살펴보면, 코디어라이트(Cordierite) 분말과 물을 7:3의 비율로 혼합하고, 결합제로 폴리 비닐알콜(PVA)을 총중량의 약 1.5% 정도 첨가하여 세라믹볼이 들어있는 원통형 용기에 넣어 36시간 회전시켜 슬러리 상태의 혼합물로 만드는 볼밀(Ball-Mill)공정을 거친다. 이러한 볼밀공정을 거치게 되면 세라믹볼에 의해 분말 입자의 크기가 약 50㎛로 균일하게 되고, 분말 입자간의 결합력이 향상된다.

그 다음은, 분체조정(Spray Dry) 공정을 거치는 데 이 공정은 혼합물 입자를 구형으로 만드는 과정으로, 슬러리 상태의 혼합물을 호스로 펌핑하여 챔버 속에서 10,000rpm으로 회전하는 원형디스크 위에 투입하여 슬러리 상태의 혼합물이 원심력에 의해 챔버의 가장자리 방향으로 비산되도록 하는 공정이다. 슬러리 상태의 혼합물을 비산시키면서 챔버 내에 100~120℃의 열풍을 분사하여 혼합물을 건조시켜 과립상태의 분말로 만든다.

상기의 분체조정을 거치게 되면 슬러리 상태의 혼합물의 입자가 구형의 과립형태로 만들어지는 데, 이는 다음 공정인 성형과정에서 입자 간의 유동성을 향상시켜 성형이 용이하게 되도록 하고, 입자간의 기공이 균일한 형상이 되도록 하는 작용을 한다.

상기의 과정을 거친 분말형태의 과립을 공기베어링의 베어링면의 형상을 가진 금형틀에 채워 프레스로 800~1200 ㎏/㎠의 압력을 가하여 성형한다. 한편, 대형제품의 경우에는 정수압성형기(CIP)를 이용한 정수압성형을 통해 성형체를 가공한다. 정수압성형 방법은 고무재질의 틀 속에 상기 분말형태의 과립을 채워 물이 가득 차있는 정수압성형기 내부에 넣고 1.2 ton/㎠ 정도의 수압을 가하게 되면 고무재질의 틀 전체에 압력이 가해져 성형이 이루어지게 되는 것이다.

상기의 성형과정을 거친 성형체를 노(爐) 안에 넣고 1350℃까지 시간 당 100℃로 가열하여 온도가 1350℃에 도달하면 1350℃에서 2시간 동안 그대로 유지시켜 소결한다. 이러한 소결과정에서 성형체 내부의 수분과 접착제로 사용된 폴리비닐알콜(PVA)이 연소되어 없어지는 데, 이 때 성형체에서 수분과 폴리비닐알콜이 차지하고 있던 공간은 주 원료 입자 간의 수축작용으로 메워지게 된다.

상기의 소결과정을 거치게 되면 기공률 20~25%, 기공크기 약 0.7~0.8㎛, 밀도 1.99g/ml, 겉보기 밀도 2.53g/ml를 가지는 공기베어링의 베어링면에 적합한 다공질 세라믹이 완성된다.

다음은 마무리 가공공정으로, 소결 성형체를 공기베어링의 베어링면 형상에 맞추어 절단, 연마하고, 세라믹 성형체를 1,000℃로 가열하여 마무리 가공공정에서 기공사이에 유입될 수 있는 수분과 이물질을 완전히 제거하여 다공질 세라믹을 완성한다.

상기와 같은 공정을 거쳐 완성된 다공질 세라믹은 균일한 기공을 가질 뿐만 아니라 뛰어난 기계적 특성 즉, 1350℃ 정도의 고온에서도 열변형이 거의 없으며 열충격에 강하고, 내마모성과 강도가 높은 특징을 가지게 된다.

두 번째로, 알루미나 분말을 주원료로 사용하여 다공질 세라믹을 제조하는 방법은 상기 코디어라이트의 제조공정과 소결온도와 시간이 상이할 뿐 나머지 공정은 동일하다.

알루미나 분말을 주원료로 사용할 경우의 소결공정은 성형체를 노 안에 넣고 1500℃까지 시간 당 100℃로 가열하여 온도가 1500℃에 도달하면 1500℃에서 2시간 동안 그대로 유지시켜 성형체를 소결한다.

상기와 같이 알루미나 분말을 주원료로 다공질 세라믹을 제조하게 되면, 기공률 20~25%, 기공크기 약 10㎛의 균일한 미세 기공을 가지는 공기베어링의 베어링면에 적합한 다공질 세라믹이 완성된다.

상기한 코디어라이트 또는 알루미나 분말을 주성분으로 하여 제조된 다공질 세라믹을 베어링의 형상에 따라 재가공하여 베어링의 몸체에 삽입고정시켜 공기베어링을 완성시킨다.

도 4는 이 발명에 따른 제 이실시예로 다공질 세라믹소재(31)를 베어링 몸체(32)에 삽입고정시켜 완성한 슬라이더 베어링(30)을 보여주는 실물사진이다.

여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 그 변형과 응용이 가능할 것이다.

이상의 실시예에서 살펴 본 바와 같이 이 발명은, 무수히 많은 기공을 가진 다공질 세라믹을 베어링면으로 사용하기 때문에 베어링면에 별도의 급기공을 기계가공할 필요가 없으며, 베어링의 종류에 따라 다공질 세라믹 소재를 가공하여 베어링면에 고정시키기만 하면 간단하게 공기베어링을 완성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 다공질 세라믹의 가공 시 눈막힘현상이 발생하지 않아 별도의 표면처리를 하지 않아도 되는 효과가 있다.

그리고, 베어링면으로 다공질 세라믹의 전체 표면에 걸쳐 공기가 균일하게 공급되므로 베어링면에 걸리는 압력이 균일하게 되며, 베어링에 걸리는 하중을 지지하기 위해 공급되는 공기량이 확연히 줄어드는 효과가 있다.

또한, 작동유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 베어링면으로 사용되는 다공질 세라믹이 내마모성, 내열성, 강도 등 기계적 특성이 뛰어나므로 베어링 수명이 향상되는 효과도 있다.

Claims (2)

1. (정정)

   정압 공기베어링에 있어서,

   코디어라이트 분말과 물을 7:3의 비율로 혼합하고, 결합제로 폴리비닐알콜(PVA)을 총중량의 약 1.5% 정도 첨가하여 세라믹볼이 들어있는 원통형 용기에 넣어 36시간 회전시켜 슬러리 상태의 혼합물로 만든 후,

   슬러리 상태의 혼합물을 비산시키면서 챔버 내에 100~120℃의 열풍을 분사하여 혼합물을 건조시켜 과립상태의 분말로 만든 다음,

   공기베어링의 베어링면의 형상을 가진 금형틀에 채워 프레스로 800~1200 ㎏/㎠의 압력을 가하여 성형한 후,

   노 안에 넣고 1350℃까지 시간당 100℃로 가열하여 온도가 1350℃에 도달하면 1350℃에서 2시간 동안 그대로 유지시켜 기공률 20~25%, 기공크기 약 0.7~0.8㎛의 다공질 세라믹 소재를 완성한 다음,

   이를 베어링 몸체에 고정시켜 베어링면으로 사용하는 것을 특징으로 하는 다공질 세라믹을 이용한 정압 공기베어링.
2. (삭제)

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