KR101201717B1 - 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법 - Google Patents

하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법 Download PDF

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김광곡
정유진
유준일
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(주)동서기연
유준일
정유진
김광곡
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Abstract

본 발명인 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법은 원통 형상의 금속 하우징의 내경에 접착제를 도포하는 단계, 접착제가 도포된 상기 금속 하우징의 내경에 소정 두께의 하이브리드 복합 소재의 프리프레그를 삽입하는 단계, 동시 경화를 위해 상기 프리프레그의 내경면 전체를 외경 방향으로 직접 접촉에 의해 균일하게 회동 가압하는 단계, 그리고, 상기 회동 가압을 통해 하이브리드 복합 소재의 라이너가 내경에 접착된 금속 하우징을 완성하는 단계를 포함한다.

Description

하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF HYBRID COMPOSITE MATERIALS PLAIN BEARING OR MECHANICAL SEAL RING}
본 발명은 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 원형 단면 공간을 갖는 금속 하우징의 내측면에 하이브리드 복합 소재 라이너를 적층 위치시켜 회동축과의 마찰이나 마모 또는 강도 특성 등을 향상시키거나 물이나 오일 등의 냉각제 또는 윤활제의 외부 유출을 차단하는데 사용하는 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법에 관한 것이다.
선박, 발전 시스템이나 터보 컴프레셔 등에 사용되는 회동 기기의 핵심 구성인 회동축은 원활한 회동을 돕고 회동축을 지지하는 핵심 구성 요소인 플레인 베어링(plain bearing)이나 액상의 윤활제나 냉각제 등의 외부 유출을 차단하는 미케니컬 씰링(mechanical seal ring)과 함께 결합되어 사용되어 오고 있다. 이러한 플레인 베어링이나 미케니컬 씰링은 종래에는 회동축의 손상을 방지하기 위해 회동 축보다 작은 마찰 계수와 상대적으로 경도가 약한 주석, 납, 구리, 안티몬 등을 함유하는 화이트메탈(white metal) 합금을 금속 하우징 내면에 적층(주조 융착)하여 주로 사용하여 왔다. 그러나 이러한 화이트메탈(white metal) 합금을 금속 하우징 내면에 적층한 플레인 베어링이나 미케니컬 씰링은 저융점, 낮은 압축 강도, 금속간 마찰 시 발생하는 급 마모 현상이나 열 충격에 의한 용융 또는 고착 등의 물리적 특성의 한계가 있는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 가혹한 운용 조건하에서 그 기능을 수행할 수 있는 새로운 소재인 카본 섬유와 페놀 수지 구성된 탄소 섬유 페놀 복합 소재나 글래스 화이버와 에폭시로 구성된 복합 소재와 같은 고분자 타입의 하이브리드 복합 소재의 라이너를 성형하여 하우징 내면에 적층하는 구조의 플레인 베어링을 개발하여 적용하기 위한 시도가 이루어 지고 있다.
이러한 복합 소재의 라이너가 적층된 플레인 베어링 및 그 제조 방법의 대표적인 예로 후기된 선행기술문헌 중 특허문헌인 등록특허공보 제10-0707977호에 개시된 “수윤활식 하이브리드 복합재료 저널베어링 및 그 제조방법”등이 있다.
상기 특허 문헌은 먼저 맨드릴에 복합 재료로 이루어진 프리프레그를 감아 오토크래이브와 같은 가압 및 가열 장치에서 경화 및 성형하여 제작된 복합소재 라이너를 베어링 금속 하우징에 접착제를 활용하여 접착시켜 베어링을 제작하는 방법을 개시하고 있다. 또한 상기 특허 문헌은 맨드릴에 프리프레그를 감아 베어링 금속 하우징 내면에 삽입한 후 맨드릴을 제거하고 진공백을 감싼 후 진공을 가해 베어링 금속 하우징 내면에 프리프레그를 밀착시키고 다시 오토크래이브와 같은 가압 및 가열 장치에서 경화 및 성형을 통해 제작된 복합소재 라이너를 동시 경화법을 통해 베어링 금속 하우징에 동시에 바로 접착하여 베어링을 제작하는 다른 방법을 개시하고 있다. 뿐만 아니라 상기 특허 문헌은 상기 방법으로 제작된 후 분리시킨 복합소재 라이너를 다른 베어링 금속 하우징의 내면에 접착제를 활용하여 적층함으로써 베어링을 제작하는 방법을 개시하고 있다.
그런데 이러한 특허 문헌에 따른 종래 기술은 진공백 또는 오토크래이브를 이용한 제작 방법이 갖는 가압력 및 가압 균일성의 한계와 복잡한 제조 공정 과정에서 발생하는 품질 편차와 같은 제약에 의해 각 프리프레그 층간에 기포가 잔존하거나 견고하고 치밀한 복합 소재의 성형이 용이하지 않은 문제점이 있다. 이러한 문제점은 플레인 베어링의 사용 환경에서 열이 인가되거나 높은 하중이 인가 되었을 때 층간 매트릭스 크랙(Matrix cracking) 또는 국부적인 파손이 발생할 수 있는 원인이 된다. 이러한 원인을 제거하기 위해 베어링 금속 하우징을 제외하고 복합소재만으로 베어링을 제작하여 사용하기도 하나 이 또한 그 두꺼운 두께로 인해 물리적 특성이 저하되고 그 내부로 오일이 흡수되어 치수 정밀도를 저하시키는 다른 문제점을 유발한다. 또한 이러한 문제점들은 최종적으로 플레인 베어링은 물론 플레인 베어링이 적용된 전체 시스템의 중단 사고와 같은 치명적인 시스템 파손으로 이러질 수 있는 문제점을 내재하고 있다.
KR 10-0707977 B1
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기의 문제점을 해결하여 종래의 진공백 또는 오토크레이브를 활용하여 베어링 금속 하우징의 내면에 복합 소재 라이너를 복잡하게 적층하는 방법에 비해 제조 공정이 매우 간단하고 제조가 용이하여 제조 효율이 우수할 뿐만 아니라, 복합 소재 라이너의 적층 과정에서 높은 가압력과 가압 균일성의 확보가 가능하고 제어 변수를 감소시킴으로써 고품질의 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제 해결을 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법은 원통 형상의 금속 하우징의 내경에 접착제를 도포하는 단계, 상기 접착제가 도포된 상기 금속 하우징의 내경에 소정 두께의 하이브리드 복합 소재의 프리프레그를 삽입하는 단계, 동시 경화를 위해 상기 프리프레그의 내경면 전체를 외경 방향으로 직접 접촉에 의해 균일하게 회동 가압하는 단계, 그리고, 상기 회동 가압을 통해 하이브리드 복합 소재의 라이너가 내경에 접착된 금속 하우징을 완성하는 단계를 포함한다.
상기 회동 가압 단계에서, 상기 회동 가압은 회동하는 가압 롤러 또는 가압 패드를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 가압 롤러 또는 상기 가압 패드는 상기 프리프레그의 내경에 삽입 시 길이 수축이 가능하고, 회동 가압 공정 시에서 상기 프리프레그의 외경 방향으로 길이 확장이 가능한 것이 바람직하다.
상기 회동 가압 단계에서, 회동 속도는 10 내지 4000rpm 인 것이 바람직하다.
상기 회동 가압 단계에서, 가압력은 2 내지 1000 kg/㎠인 것이 바람직하다.
상기 회동 가압 단계에서, 상기 프리프레그의 주변 온도는 프리프래그의 경화 온도를 고려하여 30 내지 200℃인 것이 바람직하다.
상기 프리프레그를 삽입하는 단계에서, 삽입되는 상기 프리프레그의 두께는 0.25 내지 15 mm인 것이 바람직하다.
또한, 상기의 과제 해결을 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법은 원통 형상의 금속의 내경에 이형제를 도포하는 단계, 상기 이형제가 도포된 상기 금형의 내경에 소정 두께의 하이브리드 복합 소재의 프리프레그를 삽입하는 단계, 성형을 위해 상기 프리프레그의 내경면 전체를 외경 방향으로 직접 접촉에 의해 균일하게 회동 가압하는 단계, 그리고, 상기 회동 가압을 통해 상기 금형의 내경에 위치하는 하이브리드 복합 소재의 라이너를 완성하는 단계, 완성된 상기 라이너를 상기 금형으로부터 분리하는 단계, 접착제가 도포된 원통 형상의 금속 하우징의 내경에 분리된 상기 라이너를 삽입하는 단계, 그리고, 가압 공정을 통해 상기 라이너가 내경에 접착된 금속 하우징을 완성하는 단계를 포함한다.
상기 회동 가압 단계에서, 상기 회동 가압은 회동하는 가압 롤러 또는 가압 패드를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 가압 롤러 또는 상기 가압 패드는 상기 프리프레그의 내경에 삽입 시 길이 수축이 가능하고, 회동 가압 공정 시에서 상기 프리프레그의 외경 방향으로 길이 확장이 가능한 것이 바람직하다.
상기 회동 가압 단계에서, 회동 속도는 10 내지 4000rpm 인 것이 바람직하다.
상기 회동 가압 단계에서, 가압력은 2 내지 1000 kg/㎠인 것이 바람직하다.
상기 회동 가압 단계에서, 상기 프리프레그의 주변 온도는 프리프래그의 경화 온도를 고려하여 30 내지 200 ℃인 것이 바람직하다.
상기 프리프레그를 삽입하는 단계에서, 삽입되는 상기 프리프레그의 두께는 0.25 내지 15 mm인 것이 바람직하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법에 의하면, 정밀 제어 공정 및 공정 변수를 감소시킬 수 있어 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 공정이 매우 간단하고 그 제조가 용이하여 제조 효율이 우수할 뿐만 아니라, 높은 가압력과 가압의 균일성 확보가 가능하여 보다 치밀하고 기포와 기공 등과 같은 결함을 포함하지 않는 고품질의 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링을 용이하게 제조할 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도,
도 2 내지 도 13는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링 제품의 제조 과정을 설명하기 위한 도면으로써,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합소재 플레인 베어링 및 미케니컬 씰링의 제조에 사용되는 금속 하우징의 사시도,
도 3은 금속 하우징의 내경에 접착제를 도포하는 상태를 도시한 상태도,
도 4는 접착제가 도포된 금속 하우징의 내경에 적층된 하이브리드 복합 소재 프리프레그를 삽입시킨 상태를 도시한 상태도,
도 5 및 도 6은 회동 가압 장치 시스템의 내부에 수용된 프리프레그가 내경에 삽입된 금속 하우징의 내경에 회동 가압 장치를 삽입시킨 상태를 도시한 사시도 및 측면도,
도 7은 프리프레그가 내경에 삽입된 금속 하우징의 내경에 롤러 타입의 회동 가압 장치가 삽입되어 회동과 동시에 프리프레그를 내경에서 외경 방향으로 가압하는 상태를 도시한 사시도,
도 8은 도 7의 배면도,
도 9는 도 8의 A-A 선을 따라 잘라 도시한 단면도,
도 10은 프리프레그의 회동 가압이 완료되어 동시 경화에 의해 하이브리드 복합 소재 라이너가 내경에 적층 형성된 금속 하우징의 사시도,
도 11은 도 10의 B-B 선을 따라 잘라 도시한 단면도,
도 12는 회동 가압을 통해 하이브리드 복합 소재 라이너가 내경에 적층 형성된 금속 하우징의 외부 표면 가공을 통해 최종적으로 제조된 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링의 사시도,
도 13은 회동 가압을 통해 금속 하우징의 내경에 적층 형성된 하이브리드 복합 소재 라이너의 내경을 표면 가공을 통해 최종적으로 제조된 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링의 사시도,
도 14는 프리프레그가 내경에 삽입된 금속 하우징의 내경에 패드 타입의 회동 가압 장치가 삽입되어 회동과 동시에 프리프레그를 내경에서 외경 방향으로 가압하는 상태를 도시한 사시도,
도 15는 도 14의 배면도,
도 16은 도 15의 C-C 선을 따라 잘라 도시한 단면도,
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도,
도 18은 이형제를 도포시킨 금형의 내경에 적층된 하이브리드 복합 소재 프리프레그를 삽입시킨 다음 회동 가압 장치를 이용하여 프리프레그를 회동 가압을 통해 성형하여 완성된 하이브리드 복합 소재 라이너를 금형으로부터 분리하는 과정을 설명하기 위한 상태도, 그리고,
도 19는 분리된 하이브리드 복합 소재 라이너를 접착제가 도포된 금속 하우징의 내경에 삽입하여 최종적으로 제조된 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링을 완성하는 과정을 설명하기 위한 상태도이다.
본 발명의 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 순서도, 사시도, 상태도, 배면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다.
이하, 첨부한 도면인 도 1 내지 도 19을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 설명한다.
설명에 앞서 본 발명에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 및 미케니컬 씰링 중 도 12에 도시된 바와 같이 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100)은 회동 기기 시스템에 고정되며 내부가 원형 단면 공간을 갖는 표면 처리된 금속 하우징(111)과 그 내측면인 내경에 균일한 두께로 적층되어 회전축과의 마찰을 방지하고 회전축을 지지하는 하이브리드 복합 소재 라이너(121)로 구성됨을 밝혀둔다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링(101)은 회동 기기 시스템의 끝단에 고정되며 내부에 원형 단면 공간을 갖는 금속 하우징(110)과 그 내측면인 내경에 균일한 두께로 적층된 후 내경 표면에 요철홈(122a) 가공 처리를 통해 물이나 오일 등의 냉각제 또는 윤활제의 외부 유출을 차단하는데 사용되는 하이브리드 복합 소재 라이너(122) 층으로 구성됨을 밝혀둔다.
또한, 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100)과 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링(101)은 그 기능은 다르나 요철홈(122a) 처리를 할 필요가 있느냐에 따라 공정이 추가되는 것일 뿐이므로 그 형상은 유사한 것으로 추가 공정을 제외하고는 동일 제조 방법으로 제조가 가능함을 미리 밝혀둔다. 또한 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100)과 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링(101)의 형상 및 규격은 선박의 크기, 발전용 터빈/제너레이터의 용량, 터보 컴프레셔의 용량이나 그 외 회동기기의 용량 및 용도에 따라 다양하게 변형 가능함은 물론임을 미리 밝혀둔다.
이하에서는 먼저 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 도 1 내지 13을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도, 도 2 내지 도 13는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링 제품의 제조 과정을 설명하기 위한 도면으로써, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합소재 플레인 베어링 및 미케니컬 씰링의 제조에 사용되는 금속 하우징의 사시도, 도 3은 금속 하우징의 내경에 접착제를 도포하는 상태를 도시한 상태도, 도 4는 접착제가 도포된 금속 하우징의 내경에 적층된 하이브리드 복합 소재 프리프레그를 삽입시킨 상태를 도시한 상태도, 도 5 및 도 6은 회동 가압 장치 시스템의 내부에 수용된 프리프레그가 내경에 삽입된 금속 하우징의 내경에 회동 가압 장치를 삽입시킨 상태를 도시한 사시도 및 측면도, 도 7은 프리프레그가 내경에 삽입된 금속 하우징의 내경에 롤러 타입의 회동 가압 장치가 삽입되어 회동과 동시에 프리프레그를 내경에서 외경 방향으로 가압하는 상태를 도시한 사시도, 도 8은 도 7의 배면도, 도 9는 도 8의 A-A 선을 따라 잘라 도시한 단면도, 도 10은 프리프레그의 회동 가압이 완료되어 동시 경화에 의해 하이브리드 복합 소재 라이너가 내경에 적층 형성된 금속 하우징의 사시도, 도 11은 도 10의 B-B 선을 따라 잘라 도시한 단면도, 도 12는 회동 가압을 통해 하이브리드 복합 소재 라이너가 내경에 적층 형성된 금속 하우징의 외부 표면 가공을 통해 최종적으로 제조된 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링의 사시도, 그리고, 도 13은 회동 가압을 통해 금속 하우징의 내경에 적층 형성된 하이브리드 복합 소재 라이너의 내경을 표면 가공을 통해 최종적으로 제조된 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링의 사시도이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 미케니컬 씰링의 제조 방법은 먼저 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 미케니컬 씰링의 기본 형상에 대응하는 원통 형상의 금속 하우징(110)을 마련하여 그 내경에 접착제를 도포한다(S110).
금속 하우징(110)은 도 12 및 도 13에 도시된 제조하고자 하는 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100) 또는 미케니컬 씰링(101)의 제품 규격 및 형상에 맞추어 강 또는 주철 등의 금속 재질을 사용하여 일반적인 단조 방법이나 주조 방법으로 제조될 수 있다. 금속 하우징(110)은 제조하고자 하는 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100) 또는 미케니컬 씰링(101)의 제품 규격 및 형상에 따라 다양하게 구현될 수 있으며, 그 화학 조성 성분 및 열처리 방법은 특정하게 구애됨이 없이 요구되는 제품 사양에 맞추어 기존의 방법이 다양하게 선택적으로 적용될 수 있다.
금속 하우징(110)은 그 내측면 즉 내경에 하이브리드 복합 소재 라이너(121) 가 성형과 동시에 경화가 이루어지면서 접착 형성되어 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100) 또는 미케니컬 씰링(101)이 형성되는 방법인 동시 경화법에 사용되는 경우 내경에 복합 소재 라이너(121) 층과의 접착 강도를 높이기 위해 그 단면적을 증가시킬 수 있는데 이 경우 블라스팅 및 세레이션(serration) 가공 등의 방법을 이용하여 단면적을 증가시킬 수 있다.
이렇게 제조된 금속 하우징(110)의 내경에 하이브리드 복합 소재 라이너(121)를 동시 경화법에 의해 접착 형성시키기 위해 소정 두께로 여러 겹이 적층된 복합 소재 프리프레그(120, prepreg)가 삽입 부착될 금속 하우징(110)의 내경에 도 3에 도시된 바와 같이 접착제 도포 장치(200)를 이용하여 접착제(210)를 도포한다.
그런 다음, 도 4에 도시된 바와 같이 접착제가 도포된 금속 하우징(110)의 내경 소정 위치에 소정 두께로 적층된 복합 소재 프리프레그(120)를 개구부를 통해 삽입 부착한다(S120).
삽입 부착되는 하이브리드 복합 소재 프리프레그(120)는 회전축의 보호를 위해 회전축보다 경도가 낮거나 최대 같아야 하며, 회동 기기의 구동 조건에 따라 다양한 종류의 섬유와 수지를 사용하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 프리프레그(120)는 탄소 섬유와 페놀 수지로 구성된 탄소 섬유 페놀 복합 소재, 탄소 섬유와 에폭시로 구성된 탄소 섬유 에폭시 복합 소재, 유리 섬유와 에폭시로 구성된 유리 섬유 에폭시 복합 소재, 유리 섬유와 폴리에스터로 구성된 유리 섬유 폴리에스터 복합 소재 등을 여러겹 적층하여 제작할 수 있다.
하이브리드 복합 소재 프리프레그(120)는 이 중 특히 탄소 섬유 페놀 복합소재가 가장 바람직하며 이는 우수한 윤활 특성과 높은 압축 강도 그리고 높은 열전도율과 같은 우수한 물리적 특성을 보유하고 있음으로부터 기인한다. 또한 이러한 특성에 의해 다른 복합 소재 보다 얇은 두께로 사용이 가능하여 제조 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 동시 경화 공정에 의해 제조되는 복합 소재 라이너의 물리적 특성 및 사용 조건 등을 고려하여 복합 소재 프리프레그(120)의 두께는 0.25 내지 15 mm 가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 내지 7 mm의 두께를 가지나 이에 한정되는 것은 아니며 각 운용 조건별로 요구되는 복합 소재 라이너(121) 층의 두께에 따라 다양하게 구현이 가능하다.
예를 들어 탄소 섬유 페놀 복합 소재의 경우 0.27 mm의 두께의 복합 소재 프리프레그(120)를 금속 하우징(110) 내경에 1 내지 60장을 단순 적층하거나 1 내지 60회로 감아서 적층한다. 이 때 복합 소재 프리프레그(120)에 함유된 수지의 점도에 의한 적층 시 발생하는 가압 전 각 복합 소재 프리프레그(120) 간의 접착을 방지하기 위해 분위기 온도를 10도 이하로 냉각할 수 있는 냉각 장치나 후술할 회동 가압 성형 공정에서 동시 경화를 용이하게 하기 위해 30도 이상으로 예열할 수 있는 가열 장치를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 후술할 회동 가압 장치 시스템(300)의 일측에 냉각 장치(310)와 가열 장치(320)를 구비하여 연결 배관(315, 325)을 통해 지지 및 운반 장치(305)에 안착된 복합 소재 프리프레그(120)가 내경에 삽입 부착된 금속 하우징(110)을 냉각하거나 가열하도록 하였으나, 냉각 장치(310)나 가열 장치(320) 대신 금속 하우징(110)의 외경을 감싸는 쿨링 쟈켓이나 히트 쟈켓으로 대체하여도 무방함은 물론이다.
다음으로, 금속 하우징(110)의 내경에 삽입 부착된 복합 소재 프리프레그(120)의 내경면 전체를 외경 방향으로 균일하게 회동 가압하는 동시 경화 공정을 수행한다(S130).
본 실시예에서는 회동 가압력을 제공하기 위해 먼저 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 회동 가압 장치 시스템(300)을 사용하였다.
회동 가압 장치 시스템(300)은 상술한 지지 및 운반 장치(305), 냉각 장치(310) 및 가열 장치(320) 외에 별도로 개발된 회동 가압 장치(330)를 구비하고 있다.
회동 가압 장치(330)는 도 6에 도시된 바와 같이 일점 쇄선 방향으로 지지 및 운반 장치(305)와 상대 이동을 할 수 있어 후술할 가압 롤러(338)를 복합 소재 프리프레그(120)가 내경에 삽입 부착된 금속 하우징(110) 내경으로 삽입하거나 이탈시킬 수 있다. 회동 가압 장치(330)는 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 회동력 공급부(332), 회동축(334), 연결부(336), 가압 롤러(338)로 구성되어 있으며, 이들의 상세한 구성 및 기술적 특징에 관해서는 본 출원인에 의해 본 출원과 별도의 출원을 예정하고 있다.
회동력 공급부(332)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 회동축(334) 및 연결부(336)를 통해 가압 롤러(338)에 실선 화살표 방향으로 소정 각도로 회동하거나 360도 회동을 하면서 점선 화살표 방향으로 가압력을 발생시킨다.
연결부(336)는 중심 부분이 회동축(334)의 일단에 연결되어 있으며, 내경에서 외경 방향으로 돌출된 복수개의 지지체의 끝단에 가압 롤러(338)를 복수개 결합하고 있다. 연결부(336)는 내경에서 외경 방향으로 점선 화살표와 같이 수축과 확장이 가능하도록 마련되는 것이 수축을 통한 가압 롤러(338)의 복합 소재 프리프레그(120)의 내경 안으로의 삽입의 편의성 확보와 확장을 통한 가압 롤러(338)의 복합 소재 프리프레그(120)의 내경에서 외경 방향으로의 프리프레그(120) 내경 전체에 균일한 회동 가압력을 제공하기 위해 바람직하다. 연결부(336)의 확장 및 수축은 탄성 스프링 구조, 수축 확장이 가능한 힌지 구조나 토글(toggle) 구조 등이 사용될 수 있다.
가압 롤러(338)는 길이 방향으로 긴 원기둥 형상으로 자유 회전이 가능하도록 연결부(336)의 끝단에 결합되어 있으며, 연결부(336)의 확장에 의해 복합 소재 프리프레그(120)의 내경에 접촉된 상태에서 회동을 함으로써 프리프레그(120)의 내경 전체면을 외경 방향으로 균일하게 가압한다.
이때 가압 롤러(338)에 의해 프리프레그(120)의 내경 전체면에 가해지는 압력은 적층된 프리프레그(120)층 간에 기포와 같은 기공이 발생하지 않도록 하면서 프리프레그(120)의 과도한 마찰이나 압력에 의한 저항이나 열 발생 등에 의한 물리적 특성 저하를 방지하기 위해 2 내지 1000 kg/㎠인 것이 바람직하며, 50 내지 300 kg/㎠ 인 것이 더욱 바람직하다. 또한 프리프레그(120)의 내경 전체면에 균일한 가압을 하면서 과도한 마찰에 의한 저항이나 열 발생 등에 의한 프리프레그(120)의 물리적 특성 저하를 방지하기 위해 회동력 공급부(332)에 의한 가압 롤러(338)의 회동 속도는 10 내지 4000rpm 인 것이 바람직하며, 50 내지 150 rpm 인 것이 더욱 바람직하다.
이때 동시 경화의 효율성 확보를 위해 가열 장치(320)를 이용하여 가압 공정 중에 프리프레그(120)의 주변 온도는 프리프레그(120)가 라이너(121) 층으로써 적합한 물리적 특성을 가지기 위해 경화되어야 하므로 그 경화 온도를 고려하여 30℃ 내지 200℃로 유지하는 것이 바람직하다. 이때 가열장치(320)을 활용하여 주변 온도를 상기 수치 범위 내로 유지하는 방법 이외에도 상술한 히트 자켓을 활용하여 금속 하우징(110)을 직접 가열할 수도 있다.
이처럼 회동 가압 장치(330)를 이용한 직접 접촉에 의한 회동 가압 방식은 금속 하우징(110)의 내경에 삽입 부착된 복합 소재 프리프레그(120)의 내경면 전체를 외경 방향으로 가압 롤러(338)가 회동을 하면서 직접 접촉에 의해 균일하게 회동 가압력을 제공할 수 있다. 따라서 종래의 진공백이나 오토크래이브에 의한 가압 공정에 비해 금속 하우징(110)의 내경에 복합 소재 라이너(121)를 용이하고 간편하게 접착 형성할 수 있을 뿐만 아니라 접착 형성된 복합 소재 라이너(121)의 물리적 특성 또한 종래의 방법에 비해 매우 우수하다.
이와 같이 회동 가압을 통한 동시 경화 공정을 수행하면, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 기포와 같은 기공이 없고 더욱 치밀할 뿐만 아니라 균일한 두께를 가지며 물리적 특성이 매우 우수한 경화된 복합 소재 라이너(121)가 내경에 접착 형성된 금속 하우징(110)이 완성된다(S140).
이 후 금속 하우징(111) 표면을 클리닝하거나 필요한 규격 및 형상으로 가공 처리하는 후 공정을 거치면(S150), 도 12에 도시된 바와 같이 복합 소재 라이너(121)가 내경에 접착 형성되어 있으며, 표면 처리된 금속 하우징(111)으로 구성된 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100)이 완성되게 된다(S160).
한편, 상기 공정들(S140 또는 S150) 다음에 상술한 세레이션 공정 등을 이용하여 복합 소재 라이너(121)의 내경 표면 가공 공정을 통해 요철홈(122a)을 형성시키면(S155), 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링(101)이 완성되게 된다(S165).
한편, 사용 조건에 따른 필요에 의해 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링(100)의 경우에도 복합 소재 라이너(121)의 내경 표면을 상술한 세레이션 공정을 통해 요철홈(122a)을 형성할 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 한 실시예에서 사용되는 회동 가압력을 제공하는 회동 가압 장치(330)의 가압 롤러(338)는 필요에 따라 도 14 내지 도 16에 도시된 회동 가압 장치(331)의 가압 패드(339)로 변경하여 사용할 수도 있다.
도 14는 프리프레그가 내경에 삽입된 금속 하우징의 내경에 패드 타입의 회동 가압 장치가 삽입되어 회동과 동시에 프리프레그를 내경에서 외경 방향으로 가압하는 상태를 도시한 사시도, 도 15는 도 14의 배면도, 그리고, 도 16은 도 15의 C-C 선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
회동축(334)의 회동과 동시에 프리프레그(120)와 접하는 가압 롤러(338)는 같이 회동하므로 감겨져 있는 프리프레그(120)에 대해 회동 방향으로 힘이 잘 전달되지 않아 압착력이 다소 떨어질 염려가 있을 수 있다. 가압 패드(339)는 회동축(334)의 회동 시에도 회동하지 않아 저항을 발생시킬 수 있어 회동 방향으로의 압력을 부가시킬 수 있는 장점이 있다. 가압 패드(339)는 통상 스텐레스 스틸 또는 강으로 만들어지나 프리프레그(120)와의 접착을 방지하기 위해 표면에 크롬 도금, 테프론 코팅 등과 같은 저 마찰 계수 표면 처리를 실시할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 도 17 내지 도 19을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법과의 차이점을 중심으로 설명한다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 순서도, 도 18은 이형제를 도포시킨 금형의 내경에 적층된 하이브리드 복합 소재 프리프레그를 삽입시킨 다음 회동 가압 장치를 이용하여 프리프레그를 회동 가압을 통해 성형하여 완성된 하이브리드 복합 소재 라이너를 금형으로부터 분리하는 과정을 설명하기 위한 상태도, 그리고, 도 19는 분리된 하이브리드 복합 소재 라이너를 접착제가 도포된 금속 하우징의 내경에 삽입하여 최종적으로 제조된 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링을 완성하는 과정을 설명하기 위한 상태도이다.
설명에 앞서 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법은 본 발명의 한 실시예와 같이 동시 경화법이 의해 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링을 제조하는 것이 아니라, 금속 하우징에 대응하는 금형을 제작하여 복합 소재 프리프레그를 내경에 삽입한 후 성형하여 우선 복합 소재 라이너층을 형성한 후 이를 금형으로부터 분리한 다음 금속 하우징에 접착하는 성형 방법을 사용하여 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링을 제조하는 근본적인 제조 방법상의 차이가 있음을 밝혀둔다. 여기서, 금속 하우징과 금형은 그 형상은 유사하나 금속 하우징의 경우는 이를 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조에 직접 사용하지만, 금형의 경우는 복합소재 라이너층을 성형하는 틀로써만 사용되는 점이 크게 다르다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 미케니컬 씰링의 제조 방법은 먼저 도 17에 도시한 바와 금속 하우징(110)과 유사하며 복합 소재 라이너층을 성형하는 틀로써만 사용되는 금형(400)에 접착제 대신 이형제(미도시)를 도포한다(S111).
접착제가 아닌 이형제를 도포하는 이유는 복합 소재 라이너(121)의 성형이 완성된 경우 금형(400)으로부터 복합 소재 라이너(121)를 용이하게 분리해 내기 위함이다.
그런 다음, 이형제가 도포된 금형(400)의 내경 소정 위치에 소정 두께로 적층된 복합 소재 프리프레그를 개구부를 통해 삽입 부착한다(S121).
다음으로, 금형(440)의 내경에 삽입 부착된 복합 소재 프리프레그의 내경면 전체를 외경 방향으로 균일하게 회동 가압하는 성형 공정을 수행한다(S131).
이를 통해 금형(440)의 내경에 복합 소재 라이너(121)의 성형을 완성한다(S133).
그런 다음 도 18에 도시된 바와 같이 하이브리드 복합 소재 복합 소재 라이너(121)를 금형(400)으로부터 분리하고(S135), 도 19와 같이 접착제가 도포된 금속 하우징(110)의 내경에 하이브리드 복합 소재 라이너(121)를 삽입한다(S138).
이 후 공지의 방법이나 상술한 본 발명의 한 실시예에서 소개한 회동 가압 공정을 통해 하이브리드 복합 소재 라이너(121)가 접착된 금속 하우징(110)을 완성한다(S141).
그런 다음 본 발명의 한 실시예에 따른 공정과 동일한 공정(S150, S160, S155, S165)을 수행하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링이 제조된다.
한편 상술한 본 실시예들과 같은 회동 가압 장치(330, 331)만이 회동 가압력을 제공하는 것은 아니며, 금속 하우징(110)의 내경에 삽입 부착된 복합 소재 프리프레그(120)의 내경면 전체에 회동 가압력을 제공하여 균일하게 동시 경화나 성형 공정을 수행할 수 있으면, 다른 회동 가압력 발생 수단을 변경 사용할 수 도 있음은 물론이다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태의 공정 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 하이브리드 복합 소재 플레인 베어링
101 : 하이브리드 복합 소재 미케니컬 씰링
110 : 금속 하우징 111 : 표면 처리된 금속 하우징
120 : 하이브리드 복합 소재 프리프래그
121, 122 : 하이브리드 복합 소재 라이너
122a : 요철홈
200 : 접착제 도포 장치 210 : 접착제
300 : 회동 가압 장치 시스템305 : 지지 및 운반 장치
310 : 냉각 장치 315, 325 : 연결 배관
320 : 가열 장치 330, 331 : 회동 가압 장치
332 : 회동력 공급부 334 : 회동축
336 : 연결부 338 : 가압 롤러
339 : 가압 패드 400 : 금형

Claims (14)

  1. 원통 형상의 금속 하우징의 내경에 접착제를 도포하는 단계,
    상기 접착제가 도포된 상기 금속 하우징의 내경에 소정 두께의 하이브리드 복합 소재의 프리프레그를 삽입하는 단계,
    동시 경화를 위해 상기 프리프레그의 내경면 전체를 외경 방향으로 직접 접촉에 의해 균일하게 회동 가압하는 단계, 그리고,
    상기 회동 가압을 통해 하이브리드 복합 소재의 라이너가 내경에 접착된 금속 하우징을 완성하는 단계를 포함하며,
    상기 회동 가압 단계에서,
    상기 회동 가압은 회동하는 가압 롤러 또는 가압 패드를 이용하여 수행되며,
    회동 속도는 10 내지 4000 rpm 이며,
    가압력은 50 내지 300 kg/㎠ 인
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 가압 롤러 또는 상기 가압 패드는
    상기 프리프레그의 내경에 삽입 시 길이 수축이 가능하고,
    회동 가압 공정 시에서 상기 프리프레그의 외경 방향으로 길이 확장이 가능한
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 회동 가압 단계에서,
    상기 프리프레그의 주변 온도는 30 내지 200 ℃인
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 프리프레그를 삽입하는 단계에서,
    삽입되는 상기 프리프레그의 두께는 0.25 내지 15 mm인
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  8. 원통 형상의 금형의 내경에 이형제를 도포하는 단계,
    상기 이형제가 도포된 상기 금형의 내경에 소정 두께의 하이브리드 복합 소재의 프리프레그를 삽입하는 단계,
    성형을 위해 상기 프리프레그의 내경면 전체를 외경 방향으로 직접 접촉에 의해 균일하게 회동 가압하는 단계, 그리고,
    상기 회동 가압을 통해 상기 금형의 내경에 위치하는 하이브리드 복합 소재의 라이너를 완성하는 단계,
    완성된 상기 라이너를 상기 금형으로부터 분리하는 단계,
    접착제가 도포된 원통 형상의 금속 하우징의 내경에 분리된 상기 라이너를 삽입하는 단계, 그리고,
    가압 공정을 통해 상기 라이너가 내경에 접착된 금속 하우징을 완성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 회동 가압 단계에서,
    상기 회동 가압은 회동하는 가압 롤러 또는 가압 패드를 이용하여 수행되며,
    회동 속도는 10 내지 4000 rpm 이며,
    가압력은 50 내지 300 kg/㎠ 인
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에서,
    상기 가압 롤러 또는 상기 가압 패드는
    상기 프리프레그의 내경에 삽입 시 길이 수축이 가능하고,
    회동 가압 공정 시에서 상기 프리프레그의 외경 방향으로 길이 확장이 가능한
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제8항에서,
    상기 프리프레그의 주변 온도는 30 내지 200 ℃인
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
  14. 제8항에서,
    상기 프리프레그를 삽입하는 단계에서,
    삽입되는 상기 프리프레그의 두께는 0.25 내지 15 mm인
    하이브리드 복합 소재 플레인 베어링 또는 미케니컬 씰링의 제조 방법.
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