KR101198056B1 - 유체 베어링 구조 및 유체 베어링 구조에 베어링 오목부를 형성하는 방법 - Google Patents

유체 베어링 구조 및 유체 베어링 구조에 베어링 오목부를 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

균일한 깊이의 베어링 오목부를 갖는 유체 베어링 구조 및 유체 베어링 구조에 베어링 오목부를 형성하는 방법에 관한 것이다. 파이프부가 베어링 베이스에 형성되는 관통공 안으로 삽입되어 대향하는 베어링 표면 사이에 유체를 분출하기 위한 유체 분출구를 형성한다. 베어링 오목부는 유체 분출구 주위에 형성된다. 베어링 베이스와 파이프부는 상이한 재료로 만들어진다. 코팅층이 양극 산화 처리에 의해 베어링 베이스와 파이프부에 형성된다. 베어링 베이스의 코팅층의 두께는 파이프부의 코팅층의 두께와 상이한데 이는 베이스 부재와 파이프부가 상이한 재료로 만들어지기 때문이다. 코팅층이 신속하게 성장하는 재료는 베어링 베이스용으로 선택되고 코팅층이 천천히 성장하는 재료는 파이프부 용으로 선택된다.

Description

유체 베어링 구조 및 유체 베어링 구조에 베어링 오목부를 형성하는 방법{FLUID BEARING STRUCTURE AND METHOD OF FORMING BEARING CONCAVES IN FLUID BEARING STRUCTURE}
본 발명은 비접촉식으로 회전 가능하게 또는 직선적으로 이동 가능하게 부품을 지지하는 유체 베어링에 관한 것이다.
정압 유체 베어링 중 하나인 공기 베어링에서, 압축 공기가 공기 분출구로부터 베어링 표면 사이의 수 ㎛ 의 간극으로 이송된다. 공기 분출구 주위에 형성되는 수 ㎛ 의 깊이를 갖는 홈 또는 움푹한 부분의 형상인 베어링 오목부는 베어링 강성을 수 배 개선하는 것이 알려져 있다. 베어링 오목부의 깊이가 너무 얕다면, 베어링 강성은 낮아지고 베어링 오목부의 깊이가 너무 깊다면, 유체의 유량이 증가되며, 이는 미소 진동을 야기하는 경향이 있다. 따라서, 베어링 오목부의 깊이의 정확도는 공기 베어링의 성능에 큰 영향을 미치고, 따라서 베어링 오목부 형성시 높은 정확도가 요구된다.
유체 베어링의 베어링 오목부의 형성 방법으로서, 연삭 및 절삭과 같은 제거 기계가공이 이용되고 있다. 또한, 레이저 빔을 조사함으로써 소정의 폭, 깊이 및 길이를 갖는 베어링 오목부를 형성하는 것이 이용되고 있다.
JP 10-113832A 는 축의 회전에 의해 야기되는 유체의 유동에 의해 압력이 발생되는 동압 유체 베어링의 제조 방법을 기재하고 있다. 동압 발생 홈은 외주부에 홈 절삭 블레이드를 갖는 절삭 공구를 베어링 부재에 대하여 절삭 공구가 회전하는 동안 베어링 부재에 제공되는 관통공 안을 이동시킴으로써 형성된다. 다양한 동압 발생 홈이 절삭 공구의 회전 속도, 절삭 공구의 블레이드의 형상 및 블레이드의 개수를 변경시킴으로써 형성된다.
JP 2001-159426A 에서, 동압 유체 베어링의 베어링 표면 사이의 거리를 유지하고 또한 동압을 발생시키기 위해 베어링 표면의 적어도 하나에 동압 발생 홈을 절삭에 의해 형성하는 것이 설명되어 있다. 이 문서는 베어링 표면에 코팅을 형성하고 코팅 위에 레이저 빔과 같은 고에너지 빔을 조사하여 소정의 폭, 깊이 및 길이를 갖는 동압 발생 홈을 형성하는 것을 기재하고 있다.
절삭에 의한 유체 베어링의 베어링 홈의 형성 방법은 형성된 홈의 외주부에 돌출부를 야기하고 따라서 돌출부를 제거하는 것이 요구되어, 제조 비용이 증가된다. 또한, 홈의 깊이는 대략 1 ㎛ 로 설정되고 크기와 위치가 매우 정확한 베어링 홈을 형성하는 것이 요구되며, 따라서 이러한 베어링 홈을 기계가공에 의해 형성하는 것은 어렵다. 또한, 코팅층에 레이저 빔과 같은 고에너지 빔을 조사하는 것에 의한 베어링 홈의 형성 방법은 레이저 기계가공 장치가 필요하게 되어 제조 비용을 증가시킨다.
본 발명은 균일한 깊이를 갖는 베어링 오목부를 갖는 유체 베어링 구조와 유체 베어링의 베어링 표면에 베어링 오목부를 형성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 유체 베어링 구조는 제 1 부재, 제 2 부재 및 코팅층을 포함하고, 상기 제 2 부재는 제 1 부재에 의해 회전 가능하게 또는 직선적으로 이동 가능하게 지지되고, 제 1 부재 및 제 2 부재는 서로 대향하는 베어링 표면을 갖고 베어링 표면 중 하나에는 유체 분출구 및 유체 분출구 주위의 오목부가 제공되고, 유체 분출구를 갖는 베어링 표면을 갖는 제 1 부재 및 제 2 부재 중 적어도 하나는 베어링 표면을 갖는 베어링 베이스와 유체 분출구를 갖는 오목한 부분을 일체화함으로써 구성되고, 이때 베어링 베이스와 오목한 부분은 상이한 특성을 갖는 상이한 종류의 알루미늄 합금으로 만들어지고, 상기 코팅 층은 오목부가 베어링 베이스의 코팅층의 두께와 오목한 부분의 코팅층의 두께의 차이에 의해 유체 분출구 주위에 형성되도록 양극 산화 처리에 의해 베어링 베이스와 오목한 부분에 형성된다.
베어링 베이스와 오목한 부분은 오목한 부분의 단부면이 베어링 베이스의 베이링 표면과 동일한 높이가 되도록 일체화된다.
본 발명의 베어링 오목부의 형성 방법은 제 1 부재 및 제 1 부재에 의해 회전 가능하게 또는 직선적으로 이동 가능하게 지지되는 제 2 부재를 포함하는 유체 베어링 구조를 위한 것이며, 제 1 부재 및 제 2 부재는 서로 대향하는 베어링 표면을 갖고 베어링 표면 중 하나에는 유체 분출구 및 유체 분출구 주위의 베어링 오목부가 제공된다. 이 방법은 : 베어링 표면을 갖는 베어링 베이스와 유체 분출구를 갖는 오목한 부분을 일체화함으로써 제 1 부재 및 제 2 부재 중 적어도 하나를 구성하는 단계, 이때 베어링 베이스와 오목한 부분은 상이한 특성을 갖는 상이한 알루미늄 합금으로 만들어지며; 베어링 오목부가 베어링 베이스의 코팅층과 오목한 부분의 코팅층의 두께의 차이에 의해 오목한 부분의 유체 분출구 주위에 형성되도록 양극 산화 처리를 수행함으로써 베어링 베이스와 오목한 부분에 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
대안적으로, 본 발명의 베어링 오목부의 형성 방법은 : 베어링 표면을 갖는 베어링 베이스와 오목한 부분을 일체화함으로써 제 1 부재 및 제 2 부재 중 적어도 하나를 구성하는 단계, 이때 베어링 베이스와 오목한 부분은 상이한 특성을 갖는 상이한 알루미늄 합금으로 만들어지며; 오목한 부분에 유체 분출구를 형성하는 단계; 및 오목부가 베어링 베이스의 코팅층과 오목한 부분의 코팅층의 두께의 차이에 의해 오목한 부분의 유체 분출구 주위에 형성되도록 양극 산화 처리에 의해 베어링 베이스와 오목한 부분에 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b 는 각각 본 발명에 따른 직선형 슬라이더 및 회전 지지 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2a 및 도 2b 는 직선형 슬라이더 또는 회전 지지 장치의 베어링 표면에 제공되는 유체 분출구와 일련의 유체 분출구를 각각 나타내는 개략도이다.
도 3 은 직선형 슬라이더의 부분 확대 단면도이다.
도 4a 는 알루미늄 합금으로 만들어진 오목한 부분에 형성되는 미소 오목부를 나타내는 개략적인 사시도이고 도 4b 는 도 4a 에 나타낸 미소 오목부의 확대도이다.
도 5 의 (a) ~ (d) 는 알루미늄 합금의 특성에 의한 양극 산화 처리에 의해 알루미늄 합금 물질에 형성되는 다양한 코팅층의 개략적인 단면을 나타낸다.
도 6a 및 도 6b 는 양극 산화 처리에 의해 유체 분출구 주위에 형성되는 베어링 오목부의 개략적인 단면도이다.
도 7 은 알루미늄 합금의 특성의 차이에 의해 코팅층의 성장 속도의 차이를 나타내는 그래프이다.
도 1a 는 본 발명에 따른 직선형 유체 베어링으로서 직선형 슬라이드를 나타낸다. 슬라이딩 부재 (10) 가 안내 부재 (11) 를 둘러싸도록 배치된다. 슬라이딩 부재 (10) 및 안내 부재 (11) 는 서로 대향하는 유체 베어링 표면을 갖고 슬라이딩 부재 (10) 는 안내 부재 (11) 에 의해 직선적으로 이동 가능하게 지지된다. 유체 분출구가 압축 공기와 같은 압축된 유체를 분출하기 위해 슬라이드 부재 (10) 및 안내 부재 (11) 의 베어링 표면 중 하나에 제공되어 유체 베어링을 작동시키기 위해 충분한 압력을 갖는 유체가 베어링 표면에 공급된다. 직선형 슬라이드는 슬라이딩 부재 (10) 를 직선적으로 이동 가능하게 지지하기 위해 안내 부재 (11) 가 고정 부재로서 고정되는 경우, 및 안내 부재 (11) 를 직선적으로 이동 가능하게 지지하기 위해 슬라이딩 부재 (10) 가 고정 부재로서 고정되는 경우를 가질 수 있다. 유체 분출구를 안내 부재 (11) 의 측면 베어링 표면에 그리고 유체 분출구를 슬라이딩 부재 (10) 의 상부 및 하부 베어링 표면에 제공하는 것이 가능하다.
도 1b 는 본 발명에 따른 회전 유체 베어링을 나타낸다. 회전 부재 (20) 는 회전 축 그리고 확대된 직경을 갖는 디스크형 부분 (26) 을 포함한다. 회전 부재 (20) 의 디스크형 부분 (26) 의 상부, 하부 및 주변 표면, 및 디스크형 부분 (26) 의 상부, 하부 및 주변 표면에 대향하는 고정 부재 (21) 의 내부 표면은 유체 베어링 표면으로서 역할을 하여, 회전 부재 (20) 는 유체 베어링 표면 사이의 간극에 충분한 유체를 공급함으로써 비접촉식으로 고정 부재 (21) 에 의해 회전 가능하게 지지되게 한다.
도 2a 및 도 2b 는 도 1a 및 도 1b 에 나타낸 것과 같이 직선형 슬라이드 및 회전 유체 베어링의 유체 베어링 표면에 제공되는 유체 분출구와 베어링 오목부를 나타낸다. 베어링 오목부 (31) 가 도 2a 에 나타낸 것과 같이 각각의 움푹한 형태로 유체 분출구 주위에 형성될 수 있거나, 또는 도 2b 에 나타낸 것과 같이 홈의 형태로 다수의 유체 분출구 (30) 주위에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 도 2a 또는 도 2b 에 나타낸 것과 같이 하나의 유체 분출구 또는 다수의 유체 분출구가 하나의 베어링 오목부 (31) 의 영역에 형성될 수 있다. 유체 분출구 (30) 와 베어링 오목부 (31) 는 이동 가능한 부재 및 고정 부재의 대향하는 유체 베어링 표면 중 하나에 제공된다. 유체 베어링 표면에 베어링 오목부 (31) 를 제공하는 것은 베어링 강성을 개선시킨다.
도 3 은 도 1a 의 라인 A-A 를 따른 직선형 슬라이드의 부분 단면을 나타낸다. 안내 부재 (11) 는 베어링 베이스 (33) 와 오목부가 형성되는 오목한 부분으로서 파이프부 (32) 를 포함한다. 베어링 베이스 (33) 는 안내 부재 (11) 와 슬라이드 부재 (10) 의 대향하는 베어링 표면 (34) 사이의 간극에 유체를 공급하기 위한 관통공을 갖는다. 양 측이 개방된 파이프부 (32) 는 베어링 베이스 (33) 의 관통공 안으로 삽입된다. 슬라이드 부재 (10) 와 대향하는 측의 파이프부 (32) 의 개구가 유체 분출구 (30) 를 구성한다. 압축된 유체가 유체 분출구 (30) 로부터 유체 베어링 표면 (34) 사이의 간극으로 분출된다. 베어링 오목부 (31) 는 유체 분출구 (30) 근방에 형성된다. 유체 분출구 (30) 가 각각의 베어링 오목부 (31) 에 의해 에워싸이도록 베어링 오목부 (31) 를 유체 분출구 (30) 근방에 제공함으로써, 유체 베어링의 베어링 강성은 강화된다.
베어링 베이스 (33) 와 파이프부 (32) 는 상이한 특성을 갖는 상이한 재질로 만들어진다. 코팅층이 양극 산화 처리에 의해 베어링 베이스 (33) 와 파이프부 (32) 의 표면에 형성된다. 베이스 부재 (33) 와 파이프부 (32) 가 상이한 특성을 갖는 상이한 재료로 만들어졌기 때문에, 양극 산화 처리에 의해 형성되는 베어링 베이스 (33) 의 코팅층의 두께와 파이프부 (32) 의 코팅층의 두께는 상이하다. 코팅층이 신속하게 성장하는 재료는 베어링 베이스 (33) 를 만드는데 이용되고 코팅층이 베어링 베이스 (33) 에 이용되는 재료에 비해 천천히 성장하는 재료는 파이프부 (32) 를 만드는데 이용된다.
다음에, 도 4a, 도 4b 및 도 5 의 (a) ~ (d) 를 참조하여, 알루미늄 합금부 표면에 미소 오목부를 형성하는 것이 설명될 것이다. 도 4a 및 도 4b 는 알루미늄 합금부 (40) 의 표면에 움푹한 형태의 미소 오목부를 형성하는 예를 나타낸다. 도 4a 는 다수의 위치에서 알루미늄 합금부 (40) 의 표면에 형성되는 미소 오목부를 나타내고, 도 4b 는 미소 오목부 중 하나의 확대도를 나타낸다.
도 5 의 (a) ~ (d) 는 양극 산화 처리에 의해 2 개의 알루미늄 합금에 형성되는 코팅층의 깊이는 알루미늄 합금의 특성이 상이하기 때문에 서로 상이하다는 것을 나타낸다. 수 ㎛ ~ 수십 ㎛ 의 두께를 갖는 코팅층이 양극 산화 처리에 의해 알루미늄 합금의 베이스 재료에 형성된다. 코팅층의 두께는 양극 산화 처리가 동일한 조건에서 수행될 때 알루미늄 합금의 특성에 따라 변한다.
재료 (A) 와 재료 (B) 가 동일한 도 5 의 (a) 에 나타낸 경우에서, 재료 (A) 에 형성되는 코팅층의 두께 "a" 와 재료 (B) 에 형성되는 코팅층의 두께 "b" 사이에는 차이가 없다. 도 5 의 (b) 는 재료 (A) 에 형성된 코팅층의 두께 "a" 가 재료 (B) 에 형성된 코팅층의 두께보다 더 큰 것을 나타낸다. 도 5 의 (c) 는 재료 (A) 에 형성된 코팅층의 두께 "a" 가 재료 (B) 에 형성된 코팅층의 두께보다 더 작은 것을 나타낸다. 도 5 의 (d) 는 재료 (A) 의 표면에 층이 형성되지 않은 경우를 나타낸다. 본 발명에 따르면, 상이한 금속에 형성되는 코팅층의 두께 사이의 차이를 야기하는 특성을 갖는 상이한 금속이 선택되어 베어링 오목부가 양극 산화 처리에 의해 형성된다.
도 6a 및 도 6b 는 양극 산화를 이용하는 베어링 오목부의 형성 과정을 나타낸다. 도 6a 에 나타낸 것과 같이, 안내 부재 (11) 는 베어링 부재 (33) 와 베어링 부재 (33) 에 형성된 관통공 안으로 삽입되는 파이프부 (32) 에 의해 구성된다. 베어링 베이스 (33) 와 파이프부 (32) 는 파이프부와 베어링 베이스의 상부면이 서로 동일한 높이가 되도록 접착 또는 압입에 의해 일체화된다.
이 실시형태에서, 알루미늄 합금 A7075 가 베어링 베이스 (33) 의 재료로서 사용되고 알루미늄 합금 A2024 가 파이프부 (32) 의 재료로서 사용된다. 알루미늄 합금 A7075 의 양극 산화 코팅이 알루미늄 합금 A2024 의 양극 산화 코팅보다 더 신속하게 성장한다. 알루미늄 합금 A2024 는 초 두랄루민 (super duralumin) 이라고 하고 알루미늄 합금 A7075 는 초초 두랄루민 (extra super duralumin) 이라고 한다. 알루미늄 합금 A2024 는 주로 알루미늄과 구리를 포함하고, 알루미늄 합금 A7075 는 주로 알루미늄, 아연 및 마그네슘을 포함한다.
도 6b 에 나타낸 것과 같이, 양극 산화 처리는 베어링 베이스 (33) 와 파이프부 (32) 를 일체화함으로써 구성되는 안내 부재 (11) 에 대하여 수행된다. 베어링 베이스 (33) 에 형성되는 코팅층의 두께는 베어링 오목부 (31) 를 형성하기 위해 베어링 베이스 (33) 와 파이프부 (32) 의 재료의 특성의 차이에 의해 파이프부 (32) 에 형성되는 코팅층의 두께와 상이하다. 양극 산화 코팅의 두께는 정확하게 제어될 수 있고 요구되는 정확도를 갖는 깊이를 갖는 베어링 오목부 (31) 가 형성될 수 있다.
베어링 오목부 (31) 의 소정의 깊이 (DEP) 를 얻기 위해, 양극 산화 처리의 실험이 베어링 오목부를 형성하기 위해 상이한 재료의 조합에 대하여 수행되었고, 소정의 깊이를 갖는 오목부를 형성하기 위한 양극 산화 처리의 적절한 조건이 얻어졌다. 양극 산화 코팅의 깊이는 코팅층의 두께와 양극 산화 처리에 인가되는 전압, 화학제에 재료를 침지시키는 시간 기간, 화학제의 온도 등의 사이의 관계를 나타내는 실험에 의해 얻어진 데이터를 기본으로 하여 제어된다.
도 7 은 코팅층의 성장 속도가 코팅층이 성장하는 알루미늄 합금의 종류에 따라 변하는 것을 나타내는 그래프이다. 베어링 베이스의 양극 산화 코팅의 두께와 양극 산화 처리의 경과 시간 사이의 관계 및 오목한 부분의 양극 산화 코팅의 두께와 양극 산화 처리의 경과 시간 사이의 관계가 미리 얻어진다. 따라서 얻어진 그래프를 기본으로 하여, 베어링 오목부의 깊이가 소정의 값 (DEP) 이 되는 경과 시간 (t1) 이 얻어질 수 있다.
상기 실시형태에서, 오목부가 형성되는 오목한 부분으로서 파이프부는 베어링 베이스에 형성된 관통공 안으로 삽입되어 대향하는 베어링 표면 사이의 유체 분출을 위한 유체 분출구를 형성한다. 대안적으로, 구멍을 갖지 않는 오목한 부분이 베어링 베이스에 형성되는 관통공 안으로 삽입될 수 있고 유체 분출구는 베어링 베이스와 오목한 부분이 일체화된 후에 드릴링 또는 천공에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 균일한 깊이를 갖는 베어링 오목부는 유체 베어링 표면에 형성되어 베어링 오목부를 형성하는 과정을 간소화하고 효과적인 생산을 달성한다. 베어링 움푹한 부분의 깊이 및 베어링 표면을 구성하는 파이프부의 면적에 따라 유체 분출구의 개수와 유체 분출구의 직경을 변경함으로써, 베어링 강성이 개선되고 유체의 유동은 조절될 수 있다.

Claims (4)

  1. 유체 베어링 구조로서,
    제 1 부재, 제 2 부재 및 코팅층을 포함하고,
    상기 제 2 부재는 상기 제 1 부재에 의해 회전 가능하게 또는 직선적으로 이동 가능하게 지지되고, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재는 서로 대향하는 베어링 표면을 갖고 베어링 표면 중 하나에는 유체 분출구 및 유체 분출구 주위의 오목부가 제공되고, 유체 분출구를 갖는 베어링 표면을 갖는 상기 제 1 부재 및 제 2 부재 중 하나는 베어링 표면을 갖는 베어링 베이스와 유체 분출구를 갖는 오목한 부분을 일체화함으로써 구성되고, 상기 베어링 베이스와 상기 오목한 부분은 상이한 특성을 갖는 상이한 종류의 알루미늄 합금으로 만들어지고,
    상기 코팅 층은 오목부가 베어링 베이스의 코팅층의 두께와 오목한 부분의 코팅층의 두께의 차이에 의해 유체 분출구 주위에 형성되도록 양극 산화 처리에 의해 베어링 베이스와 오목한 부분에 형성되는 유체 베어링 구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 베어링 베이스와 상기 오목한 부분은 오목한 부분의 단부면이 베어링 베이스의 베어링 표면과 동일한 높이가 되도록 일체화되는 유체 베어링 구조.
  3. 제 1 부재 및 상기 제 1 부재에 의해 회전 가능하게 또는 직선적으로 이동 가능하게 지지되는 제 2 부재를 포함하는 유체 베어링 구조에서의 베어링 오목부의 형성 방법으로서, 상기 제 1 부재 및 상기 제 2 부재는 서로 대향하는 베어링 표면을 갖고 베어링 표면 중 하나에는 유체 분출구 및 유체 분출구 주위의 오목부가 제공되며, 상기 방법은 :
    베어링 표면을 갖는 베어링 베이스와 유체 분출구를 갖는 오목한 부분을 일체화함으로써 제 1 부재 및 제 2 부재 중 하나를 구성하는 단계, 이때 상기 베어링 베이스와 상기 오목한 부분은 상이한 특성을 갖는 상이한 알루미늄 합금으로 만들어지며;
    오목부가 베어링 베이스의 코팅층의 두께와 오목한 부분의 코팅층의 두께의 차이에 의해 오목한 부분의 유체 분출구 주위에 형성되도록 양극 산화 처리를 수행함으로써 상기 베어링 베이스와 상기 오목한 부분에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 유체 베어링 구조에서의 베어링 오목부의 형성 방법.
  4. 제 1 부재 및 제 1 부재에 의해 회전 가능하게 또는 선형적으로 이동 가능하게 지지되는 제 2 부재를 포함하는 유체 베어링 구조에서의 베어링 오목부의 형성 방법으로서, 상기 제 1 부재 및 상기 제 2 부재는 서로 대향하는 베어링 표면을 갖고 베어링 표면 중 하나에는 유체 분출구 및 유체 분출구 주위의 베어링 오목부가 제공되며, 상기 방법은 :
    베어링 표면을 갖는 베어링 베이스와 오목한 부분을 일체화함으로써 제 1 부재 및 제 2 부재 중 하나를 구성하는 단계, 이때 상기 베어링 베이스와 상기 오목한 부분은 상이한 특성을 갖는 상이한 알루미늄 합금으로 만들어지며;
    상기 오목한 부분에 유체 분출구를 형성하는 단계; 및
    오목부가 베어링 베이스의 코팅층의 두께와 오목한 부분의 코팅층의 두께의 차이에 의해 오목한 부분의 유체 분출구 주위에 형성되도록 양극 산화 처리에 의해 상기 베어링 베이스와 상기 오목한 부분에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 유체 베어링 구조에서의 베어링 오목부의 형성 방법.
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JP2009541696A (ja) 2006-06-30 2009-11-26 レニショウ パブリック リミテッド カンパニー 気体軸受製造方法
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