KR101576950B1 - 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 볼 베어링의 제조 방법은 소재를 소정 온도로 가열하여 열간 단조 금형으로 성형하는 열간 단조 공정을 통해 중앙이 관통된 몸체와, 상기 몸체에서 반경 방향으로 연장된 플랜지, 및 상기 몸체의 반경 방향 내측의 내주면에 외륜 궤도면을 성형하여 1차 예비 성형 외륜을 제작하는 제1단계; 상기 1차 예비 성형 외륜 전체를 열처리하여 2차 예비 성형 외륜을 제작하는 제2단계; 상기 2차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면 및 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜을 제작하는 제3단계; 상기 3차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 고주파 열처리하여 4차 예비 성형 외륜을 제작하는 제4단계; 상기 4차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 5차 예비 성형 외륜을 제작하는 제5단계; 상기 5차 예비 성형 외륜의 플랜지에 다수의 조립구멍과 살빼기 구멍을 드릴링하고, 상기 조립구멍 및 상기 살빼기 구멍의 모서리부를 면취하여 6차 예비 성형 외륜을 제작하는 제6단계; 및 상기 6차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜을 제작하는 제7단계;를 포함할 수 있다.

Description

볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜 {MANUFACTURING METHOD FOR OUTER RING OF BALL BEARING AND OUTER RING OF BALL BEARING USING THE SAME}

본 발명은 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외륜의 중량을 감소시키고, 가공성을 향상시킬 수 있는 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜에 관한 것이다.

일반적으로 베어링은 회전하는 요소와 회전하지 않는 요소 사이에 장착되어 회전하는 요소의 회전을 원활하게 하는 장치로서, 통상적으로는 내륜과 외륜 및, 내륜과 외륜 사이에 배치되는 볼이나 롤러 등과 같은 전동체를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 베어링이 빠른 속도로 회전하는 구동축을 지지하도록 설치되는 경우에는, 예를 들면 자동차의 변속기에 사용되는 경우에는, 베어링 부품들 사이, 즉 내륜과 외륜 및 전동체 사이의 마찰열에 의해 온도가 상승함에 따라 윤활 성능이 저하됨과 더불어 마모가 발생하게 되고, 이러한 마모가 지속적으로 이루어지면 베어링이 제기능을 원활하게 수행하지 못하고 파손될 수 있다.

따라서 베어링은 적절한 베어링 성능을 유지하고 그 수명을 연장시키기 위해 고청정 합금강 또는 고크롬 합금강으로 제작한 다음에 적절한 열처리 공정을 거쳐서 제조하고 있다.

최근에 개발되는 베어링은 외륜과 내륜 사이에 전동체 볼을 적용한 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing) 타입으로 개발되는 추세이다.

종래 기술에 의한 앵귤러 볼 베어링은 내륜과, 외륜, 및 내륜과 외륜의 사이에 구비되는 전동체 볼을 포함하여 구성된다.

이러한 종래의 외륜에는 다른 부품과의 결합을 위해 플랜지가 형성되는데, 볼 베어링의 중량을 감소시키기 위해 플랜지에는 장공 모양의 구멍을 형성한다. 그러나 플랜지에 장공 모양의 구멍을 형성하기 위해서는 매우 복잡한 작업 공정을 필요로 한다.

따라서, 볼 베어링을 제작하는데 있어서 가공성이 나빠지고, 이에 따라 가공비가 증가하는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 볼 베어링의 외륜의 중량을 감소시키고 가공성을 향상시킬 수 있는 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 볼 베어링의 제조 방법은 소재를 소정 온도로 가열하여 열간 단조 금형으로 성형하는 열간 단조 공정을 통해 중앙이 관통된 몸체와, 상기 몸체에서 반경 방향으로 연장된 플랜지, 및 상기 몸체의 반경 방향 내측의 내주면에 외륜 궤도면을 성형하여 1차 예비 성형 외륜을 제작하는 제1단계; 상기 1차 예비 성형 외륜 전체를 열처리하여 2차 예비 성형 외륜을 제작하는 제2단계; 상기 2차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면 및 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜을 제작하는 제3단계; 상기 3차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 고주파 열처리하여 4차 예비 성형 외륜을 제작하는 제4단계; 상기 4차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 5차 예비 성형 외륜을 제작하는 제5단계; 상기 5차 예비 성형 외륜의 플랜지에 다수의 조립구멍과 살빼기 구멍을 드릴링하고, 상기 조립구멍 및 상기 살빼기 구멍의 모서리부를 면취하여 6차 예비 성형 외륜을 제작하는 제6단계; 및 상기 6차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜을 제작하는 제7단계;를 포함할 수 있다.

상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 강제 냉각시키는 제어 냉각 공정을 포함할 수 있다.

상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 공랭시킨 후, 상기 1차 예비 성형 외륜을 제1 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 담금질 공정 및 상기 제1 설정 온도보다 낮은 제2 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 뜨임 공정을 포함할 수 있다.

상기 살빼기 구멍은 원형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의한 볼 베어링의 외륜은 제1항 내지 제6항의 볼 베어링 제조 방법을 통해 제작될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 제조 방법에 의하면, 외륜의 열처리 공정 후 조립구멍 및 살빼기 구멍을 가공함으로써, 외륜의 가공성을 향상시키고 가공비를 절감할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 외륜 궤도면의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 외륜의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 외륜의 제조 공정도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링(10)은 서로 마주보는 양측면이 개구된 원통 형상의 내륜(20)과, 상기 내륜(20)의 외경보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 상기 내륜(20)을 축방향 내측으로 끼워서 지지하는 외륜(30)을 포함한다.

상기 내륜(20)의 반경 방향 외측에 위치한 외주면의 일부에는 반경 방향 내측으로 함몰된 형태의 내륜 궤도면(22)이 형성되고, 상기 내륜 궤도면(22)에 대향하는 상기 외륜(30)의 내주면에도 반경 방향 외측으로 함몰된 형태의 외륜 궤도면(32)이 형성된다.

상기 외륜 궤도면(32)과 내륜 궤도면(22)은 반경 방향으로 서로 이격되게 배치되어 갭을 형성하고, 상기 갭을 통해 전동체 볼(40)이 삽입되어 외륜 궤도면(32)과 내륜 궤도면(22)에 안착되어 회전 가능하게 지지된다.

이에 따라, 상기 전동체 볼(40)을 매개로 상기 외륜(30)과 내륜(20)은 서로 상대 회전 가능한 구조를 가지게 된다.

상기 외륜 궤도면(32)은 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 외륜 궤도면(32, 32)을 각각 형성하고, 상기 1쌍의 외륜 궤도면(32, 32)은 그 사이 간격의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.

상기 내륜 궤도면(22)도 외륜 궤도면(32)과 마찬가지로 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)을 각각 형성하고, 상기 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)은 그 사이 간격의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.

상기 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)과 외륜 궤도면(32, 32)에 상기 전동체 볼(40)이 수용되어 지지되고, 상기 전동체 볼(40)은 원주 방향으로 다수개로 배열되어 열을 형성하게 되며, 상기 전동체 열은 축방향으로 이격되게 배열되어 복열을 형성하게 된다.

상기 외륜(30)의 반경 방향 외측의 외주면에는 반경 방향 외측으로 확장된 플랜지(34)가 일체로 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 플랜지(34)에는 조립구멍(36)이 하나 이상으로 형성되어, 상기 외륜(30)을 다른 부품들과 체결할 수 있다. 상기 조립구멍(36)은 상기 외륜(30)의 중심을 기준으로 원주 방향으로 다수개가 형성될 수 있다.

그리고 상기 플랜지(34)에는 다수의 살빼기 구멍(37)이 형성되어, 상기 외륜(30)의 강성은 유지한 상태로 상기 외륜(30)의 질량을 감소시킬 수 있다. 상기 살빼기 구멍(37)은 원형으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 다수의 살빼기 구멍(37)은 상기 조립구멍(36)보다 반경 방향 내측에 원주 방향으로 다수 개 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 외륜의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 의한 외륜의 제조 공정도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 외륜(30)은 다음의 제1공정 내지 제7공정을 통해 제작될 수 있다.

제1공정(열간 단조 공정)에서는 앞에서 설명한 고청정 합금강과 같은 소재를 적절한 온도로 가열한 다음에 열간 단조 금형으로 1차 예비 성형 외륜(30)을 제작한다.

상기 제1공정을 통해 제작되는 상기 1차 예비 성형 외륜(30)은 중앙부가 관통된 몸체(31)와, 상기 몸체(31)에서 반경방향으로 연장되는 플랜지(34), 및 상기 몸체(31)의 반경 방향 내측의 내주면에 형성되는 외륜 궤도면(32)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1공정을 통해 제작되는 1차 예비 성형 외륜(30A)에는 상기 조립구멍(36) 및 상기 살빼기 구멍(37)은 형성되지 않는다.

상기 제1공정을 통해 제작되는 1차 예비 성형 외륜(30A)의 소재는 C 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 고청정 합금강을 사용하여 외륜(30)을 제작하면, 상기 외륜 궤도면(32)에 형성되는 경화층 두께를 얇게 형성할 수 있다.

제2공정(소재 열처리 공정)은 상기 1차 예비 성형 외륜(30A) 전체를 열처리하여 외륜(30)의 강도와 경도 및 인성을 향상시켜 2차 예비 성형 외륜(30B)을 제작한다.

이때, 상기 소재 열처리 공정은 상기 제1공정의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜(30A)을 강제 냉각시키는 제어 냉각 공정일 수 있다.

이와 같이, 상기 제어 냉각 공정을 통해 제1공정의 열간 단조 공정을 통해 제작된 1차 예비 성형 외륜(30A)을 팬 등을 통해 강제 냉각시키면, 소재의 경도를 향상시킬 수 있다.

또는, 상기 소재 열처리 공정은 상기 제1공정의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜(30A)을 상온에서 공랭시킨 후에, 제1 설정 온도로 가열한 후 급속 냉각시키는 담금질 공정 및, 상기 제1 설정 온도보다 낮은 제2 설정 온도로 가열하여 공랭시키는 뜨임 공정을 포함할 수 있다.

이와 같이, 열간 단조된 후의 1차 예비 성형 외륜(30A) 전체에 대해 담금질 및 뜨임 공정을 수행하면, 소재의 경도를 향상시킬 수 있다.

제3공정(열처리전 선삭 공정)은 상기 2차 예비 성형 외륜(30B)의 몸체(31)의 외주면, 상기 플랜지(34)의 외주면을 설계 치수대로 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜(30C)을 제작한다.

제4공정(고주파 열처리 공정)은 상기 3차 예비 성형 외륜(30C)의 외륜 궤도면(32)을 고주파 열처리하여 경도를 향상시킨 경화층(32a, 32b, 32c)(도 2 참조)을 형성하여 4차 예비 성형 외륜(30D)을 제작한다.

상기 경화층(32a, 32b, 32c)은 상기 고주파 열처리를 통한 열변형을 최소화하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전동체 볼(40)이 외륜 궤도면(32)에 접촉하는 접촉 면적을 고려하여 최대 초기 접촉각에서 ±20 ~ 25°범위(최대 초기 접촉각을 기준으로 좌우로 40° ~ 50°) 내에서 두께가 일정한 균질 경화층(32a)을 형성시키고, 상기 균질 경화층(32a)을 기준으로 원주 방향으로 외측으로는 경화층의 두께가 서서히 감소하는 가변 경화층(32b)을 형성시킨다.

그리고 외륜 궤도면(32)의 순간적인 유도 고주파 가열 및 냉각의 열처리 과정에 균열을 방지하기 위해 소경단부의 모서리부(32c)에는 적절한 곡률 반경(R)을 가진 곡면을 형성시키는 것이 바람직하다. 이때, 상기 곡률 반경(R)은 전동체 볼(40)의 지름(D)의 8% 이상이 되도록 형성하는 하는 것이 바람직하다.

상기 같이 외륜 궤도면(32)을 고주파 열처리하면, 열처리 변형을 최소한으로 저감할 수 있을 뿐만 아니라 열처리 이후의 선삭 가공 및 연삭 가공 취대량을 20% 이상으로 줄일 수 있으므로, 가공 시간 및 가공 단가를 저감할 수 있게 된다.

제5공정(열처리후 선삭 공정)은 상기 4차 예비 성형 외륜(30D)의 몸체(31)의 외주면, 상기 플랜지(34)의 외주면을 선삭 가공하여, 5차 예비 성형 외륜(30E)를 제작한다.

상기 제4공정의 고주파 열처리 공정을 통해 외륜(30)의 일부 치수가 변형될 수 있다. 따라서, 열처리후 선삭 공정을 통해 상기 4차 예비 성형 외륜(30D)의 몸체(31)의 외주면, 상기 플랜지(34)의 외주면을 설계 치수대로 가공할 수 있다.

제6공정(드릴링 및 면취 공정)은 상기 플랜지(34)에 다수의 조립구멍(36)과 다수의 살빼기 구멍(37)을 형성하여 6차 예비 성형 외륜(30F)를 제작한다. 이때, 상기 살빼기 구멍(37)은 한 번의 드릴링 가공으로 형성될 수 있도록 원형으로 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 조립구멍(36)은 상기 플랜지(34)의 바깥 쪽에 원주 방향으로 다수 개 형성되고, 상기 살빼기 구멍(37)은 상기 조립구멍(36)의 반경 방향 내측에 구비되고, 원주 방향으로 다수 개 구비될 수 있다.

그리고 드릴링 공정을 통해 상기 조립구멍(36)과 살빼기 구멍(37)의 날카로운 부분(burr)를 제거하기 위해 상기 조립구멍(36)과 살빼기 구멍(37)의 모서리를 부드럽게 가공하는 면취(chamfering) 공정을 수행한다.

이와 같이, 상기 살빼기 구멍(37)을 원형으로 형성하면, 한번의 드릴링 가공을 통해 상기 살빼기 구멍(37)을 제작할 수 있기 때문에, 가공성이 용이해지고, 이에 따라 가공비를 절감할 수 있다.

또한, 열처리후 선삭 공정 이후에 드릴링 공정을 수행하기 때문에, 선삭 공정을 위한 가공 툴이 상기 조립구멍(36) 또는 살빼기 구멍(37)을 통과하면서, 상기 조립구멍(36) 또는 살빼기 구멍(37)의 모서리부에 부딪혀 망가지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 선삭 공정을 위한 가공 톨이 상기 조립구멍(36) 또는 살빼기 구멍(37)의 모서리부에 부딪히면서 진동이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

마지막으로, 제7공정(연마 및 다듬질 공정)은 상기 6차 예비 성형 외륜(30F)의 외륜 궤도면(32)을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜(30)을 제작할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 볼 베어링
20: 내륜
22: 내륜 궤도면
30: 외륜
31: 몸체
32: 외륜 궤도면
34: 플랜지
36: 조립구멍
37: 살빼기 구멍
40: 전동체 볼

Claims (5)

1. 소재를 소정 온도로 가열하여 열간 단조 금형으로 성형하는 열간 단조 공정을 통해 중앙이 관통된 몸체와, 상기 몸체에서 반경 방향으로 연장된 플랜지, 및 상기 몸체의 반경 방향 내측의 내주면에 외륜 궤도면을 성형하여 1차 예비 성형 외륜을 제작하는 제1단계;
   상기 1차 예비 성형 외륜 전체를 열처리하여 2차 예비 성형 외륜을 제작하는 제2단계;
   상기 2차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면 및 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜을 제작하는 제3단계;
   상기 3차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 고주파 열처리하여 4차 예비 성형 외륜을 제작하는 제4단계;
   상기 4차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 5차 예비 성형 외륜을 제작하는 제5단계;
   상기 5차 예비 성형 외륜의 플랜지에 다수의 조립구멍과 살빼기 구멍을 드릴링하고, 상기 조립구멍 및 상기 살빼기 구멍의 모서리부를 면취하여 6차 예비 성형 외륜을 제작하는 제6단계; 및
   상기 6차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜을 제작하는 제7단계;
   를 포함하고,
   상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 공랭시킨 후, 상기 1차 예비 성형 외륜을 제1 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 담금질 공정 및 상기 제1 설정 온도보다 낮은 제2 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 뜨임 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 강제 냉각시키는 제어 냉각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 살빼기 구멍은 원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
5. 제1항의 볼 베어링 제조 방법을 통해 제작된 볼 베어링의 외륜.

Images