KR102464019B1 - 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법 - Google Patents

중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법은 중탄소강으로 이루어진 소재를 예열하는 예열 단계와, 예열된 소재를 반제품으로 성형하는 단조 단계와, 단조 단계에서 성형된 성형 반제품의 조직을 제어하는 제어 냉각 단계와, 조직이 안정화된 반제품을 베어링 단조품으로 가공하는 가공 단계로 이루어지며;
상기 가공 단계는 궤도로 되는 부분을 경화시켜 반제품을 고주파 열처리하는 고주파 열처리 단계와, 고주파 열처리된 반제품을 연삭하는 단계를 포함하며;
상기 제어 냉각 단계에서는 단조를 마친 성형 반제품이 상부에 폭 방향 양측과 상부를 가리는 커버가 구비된 컨베이어부에 의하여 이송되면서 실시되며, 단조 성형된 반제품의 잠열을 이용하여 단조 성형된 반제품의 조직을 안정화하는 것을 특징으로 하는 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법에 관한 것이다.

Description

중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법{A Manufacturing Method Of Hot Forged Product For Bearing Having A Flange With Medium Carbon Steel}
본 발명은 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법에 관한 것으로 조직이 균일하고 미세하며, 제조 방법이 단순화되는 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법에 관한 것이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 플랜지를 구비한 베어링은 외부부재(3)와, 내부부재(1)와, 전동체(8)로 이루어진다. 도 1에서 가로 방향을 축 방향으로 한다.
상기 외부부재(3)의 내주면에는 2개의 궤도면(3a,3b)이 형성된다.
상기 내부부재(1)의 외주면에는 상기 외부부재(2)의 궤도면(3a,3b)과 대향하는 궤도면(1a,1b)이 형성된다. 상기 내부부재(1)의 외주면에는 궤도면(1a,1b)이 형성되지 않고 별도의 내륜부재가 장착될 수도 있다. 상기 내부부재(1)에는 축 방향으로 관통된 스플라인 구멍(9)이 형성된다. 상기 내부부재(1)의 외주면 일측에는 반경 방향으로 확장된 플랜지(2)가 구비된다. 상기 플랜지(2)는 상기 내부부재(1)와 일체로 구비된다.
내부부재(1)의 2개의 궤도면(1a,1b)중에서 외부궤도면(1a)은 내부부재(1)의 외주면에 직접 형성되어 있는 한편, 내부궤도면(1b)은 허브휠(14)의 한쪽 끝에 형성된 숄더에 끼워지는 별개의 내부링(15)상에 형성되어 있다.
상기 전동체(8)는 상기 외부부재(3)와 내부부재(1) 사이에서 2열로 구비된다.
상기 플랜지를 구비한 베어링의 내부부재(1)는 도 3에 도시된 바와 같은 방법으로 제조된다. 상기 내부부재(1) 제조에 사용되는 소재는 중탄소강(0.4∼0.7중량％ 탄소 함유)이 사용된다.
상기 내부부재(1) 제조 방법은 소재 절단단계와, 예열단계(ST-10)와, 단조단계(ST-20)와, 강제 냉각단계(ST-30)와, 가공단계(ST-40)로 이루어진다.
상기 소재 절단단계에서는 소재를 일정한 크기로 절단한다.
상기 예열단계(ST-10)에서는 절단된 소재를 단조에 적합한 온도로 예열한다. 상기 예열단계(ST-10)에서 예열 온도는 예를 들면 1150∼1250℃ 범위로 예열 된다.
상기 단조단계(ST-20)에서는 가열된 소재를 단조 프레스에서 금형에 의하여 가압하며 열간 단조가 실행된다.
상기 강제 냉각단계(ST-30)에서는 열간 단조되어 온도가 950∼1050℃인 반제품을 팬이나 배기장치를 사용하여 400℃까지 강제 냉각시킨다. 강제 냉각단계(ST-30)에서 400℃까지 냉각되는 냉각 시간은 1분 정도 소요된다.
상기 반제품(P)은 강제 냉각된 후 상온(25℃)까지 냉각된 후 가공단계(ST-40)가 실행된다.
상기 가공단계(ST-40)는 선삭단계(ST-41)와, 고주파 열처리단계(ST-43)와, 후가공단계(ST-45)로 이루어진다.
상기 선삭단계(ST-41)에서는 반제품의 궤도 부분 등을 선삭 가공한다.
상기 고주파 열처리단계(ST-43)에서는 선삭이 이루어진 반제품의 궤도 부분 등에 고주파 열처리가 이루어진다. 상기 고주파 열처리를 통해 열처리된 부분이 경화된다. 도 2에서 음영 부분(21,22)이 고주파 열처리에 의하여 경화된 부분이다.
상기 후가공단계(ST-45)에서는 고주파 열처리를 통하여 경화된 부분을 가공한다. 후가공단계(ST-45)에서는 연삭이 실시되고, 연삭 후 수퍼피니싱이 실시될 수 있다.
소재는 상기 소재 절단단계부터 플랜지 후가공단계(ST-45)까지 거치며 플랜지를 구비한 내부부재(1)가 제조된다. 내부부재(1)에 대하여 설명하지만 외부부재(3)도 같은 방법으로 제조된다. 이후 내부부재(1)는 전동체, 리테이너 등과 같은 부품과 함께 베어링으로 조립된다.
종래의 내부부재(1)와 외부부재(3) 즉, 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품은 조대한 조직을 포함하며 조직이 불균일하고, 후가공단계(ST-45) 후에 조립등을 위하여 소성가공이 필요한 경우 소성 변형이 어렵고 소성 변형시 크랙이 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1037742호(2011.05.23)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 조직이 미세하고 균일하여 소성 가공이 필요한 경우 소성 변형이 용이하고, 소성 변형에 의한 크랙이 방지되는 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법은 중탄소강으로 이루어진 소재를 예열하는 예열 단계와, 예열된 소재를 반제품으로 성형하는 단조 단계와, 단조 단계에서 성형된 성형 반제품의 조직을 제어하는 제어 냉각 단계와, 조직이 안정화된 반제품을 베어링 단조품으로 가공하는 가공 단계로 이루어지며;
상기 가공 단계는 궤도로 되는 부분을 경화시켜 반제품을 고주파 열처리하는 고주파 열처리 단계와, 고주파 열처리된 반제품을 연삭하는 단계를 포함하며;
상기 제어 냉각 단계에서는 단조를 마친 성형 반제품이 상부에 폭 방향 양측과 상부를 가리는 커버가 구비된 컨베이어부에 의하여 이송되면서 실시되며, 단조 성형된 반제품의 잠열을 이용하여 단조 성형된 반제품의 조직을 안정화하는 것을 특징으로 하는 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법을 제공한다.
상기에서, 예열 단계에서 소재는 1050∼1250℃ 범위의 온도로 가열되고, 가열된 소재가 단조 단계에서 성형 반제품으로 성형되며;
컨베이어부에서 이탈되는 성형 반제품의 표면 온도는 500∼600℃ 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치는 소재를 단조 예비 가열하는 가열장치와, 상기 가열장치의 일측으로 구비되어 가열된 소재를 성형하는 단조 장치와, 단조된 성형 반제품을 이송하는 컨베이어부로 이루어지며;
상기 컨베이어부에는 이송되는 반제품의 양측면과 상부를 덮고 컨베이어부의 이송 방향의 양단이 개구된 커버가 구비되는 것을 특징으로 하는 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법으로 제조된 열간 단조품은 조직이 미세하고 균일하여 후가공이 완료된 후 조립 등에 의해 소성 가공이 필요한 경우 소성변형이 용이하며, 소성변형에 의한 크랙이 방지되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 플랜지를 구비한 베어링의 조립체를 도시한 단면도이고,
도 2는 종래의 플랜지를 구비한 베어링의 내부부재를 도시한 단면도이며,
도 3은 종래의 플랜지를 구비한 베어링용 단조품 제조 방법을 도시한 순서도이고,
도 4는 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법을 도시한 순서도이며,
도 5는 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치를 도시한 단면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치 및 제조 방법을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법을 도시한 순서도이며, 도 5는 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치를 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치(100)는 가열장치(도시하지 않음)와, 단조장치(도시하지 않음)와, 컨베이어부(110)와, 포집부(120)로 이루어진다.
상기 베어링용 열간 단조품 제조 장치(100)로 제조되는 베어링용 열간 단조품을 제조하는 소재는 중탄소강 등이 사용된다. 상기 중탄소강은 0.4∼0.7중량％의 탄소가 함유된다.
상기 가열장치는 로 또는 고주파 히터로 이루어진다. 상기 가열장치에서 상기 소재는 단조를 위해 예비 가열된다. 상기 가열장치에 소재가 투입되어 가열된다. 상기 가열장치에서 소재는 1050∼1250℃ 범위로 가열된다.
상기 단조장치는 상기 가열장치의 일측에 구비된다. 상기 단조장치는 다이와 펀치로 이루어진다. 상기 단조장치에서는 상기 가열장치에서 가열된 소재가 가압되어 단조 성형된다. 상기 단조장치에 의해 상기 소재는 성형 반제품(P)으로 성형 제조된다.
상기 컨베이어부(110)는 상기 단조장치의 일측에 구비된다. 상기 컨베이어부(110)에서 단조된 성형 반제품(P)이 이송된다. 상기 컨베이어부(110)는 제1 메인롤러(111)와, 제2 메인롤러(113)와, 지지롤러(117)와, 리턴롤러(119)와, 벨트(115)와, 브라켓(112)과, 커버(114)로 이루어진다.
도 6에서 가로 방향을 "길이 방향"으로 하고, 세로 방향을 "상하 방향"으로 하고, 지면에 수직인 방향을 "폭 방향"으로 하여 설명한다.
상기 제1 메인롤러(111)와 제2 메인롤러(113)는 길이 방향으로 서로 이격 구비된다. 상기 제1 메인롤러(111)와 제2 메인롤러(113)의 회전축은 브라켓(112)에 회전 가능하게 구비된다.
상기 제1 메인롤러(111)의 회전축에는 모터가 연결되고, 상기 모터는 제어부와 연결되어 제어부에 의해 작동이 제어된다. 따라서, 상기 제어부의 제어에 따라 모터의 회전 속도가 조절되며 제1 메인롤러(111)의 회전 속도가 조절된다.
상기 지지롤러(117)는 상기 제1 메인롤러(111)와 제2 메인롤러(113) 사이에 구비된다. 상기 지지롤러(117)는 복수로 구비된다. 상기 지지롤러(117)는 길이 방향으로 이격 구비된다. 상기 지지롤러(117)의 회전축은 브라켓(112)에 회전 가능하게 구비된다.
상기 지지롤러(117)는 상부에 벨트(115)에 구름 접촉하며, 벨트(115) 회전시 벨트(115)의 하부를 지지한다.
상기 리턴롤러(119)는 상기 제1 메인롤러(111)와 제2 메인롤러(113) 사이에 구비된다. 상기 리턴롤러(119)는 복수로 구비된다. 상기 리턴롤러(119)는 길이 방향으로 이격 구비된다. 상기 리턴롤러(119)의 회전축은 브라켓(112)에 회전 가능하게 구비된다.
상기 리턴롤러(119)의 회전축은 상기 지지롤러(117)의 회전축보다 하향 이격되어 위치한다. 상기 리턴롤러(119)의 회전축은 상기 지지롤러(117)의 회전축과 어긋나는 위치에 구비된다.
상기 리턴롤러(119)는 하부 또는 상부에 벨트(115)가 접하며, 벨트(115) 회전시 벨트의 상부와 구름 접촉하며 벨트의 늘어짐을 방지한다.
상기 벨트(115)는 상기 제1 메인롤러(111)와 제2 메인롤러(113)에 감기어 구비된다. 상기 벨트(115)는 폐회로를 이루어 구비된다. 상기 벨트(115)의 길이 방향 길이는 5∼15m 범위로 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 벨트(115)의 길이 방향 길이는 10m로 구비된다. 상기 벨트(115)는 스틸과 같은 금속 재질로 이루어진다. 상기 벨트(115)의 상부에서는 동시에 복수의 성형 반제품(P)이 이동된다. 상기 성형 반제품(P)은 벨트(115)의 폭 방향 및 길이 방향으로 서로 이격되어 이동되거나 복수의 성형 반제품(P)이 적치되어 이동된다.
상기 브라켓(112)은 판상으로 구비된다. 상기 브라켓(112)은 길이 방향으로 연장 형성된다. 상기 브라켓(112)은 2개 구비되어 상기 롤러를 사이로 폭 방향으로 이격 구비된다. 상기 브라켓(112)의 하부는 지면 등에 고정 구비된다. 상기 브라켓(112) 사이에는 롤러가 구비되며, 상기 롤러의 회전축이 회전 가능하게 고정 구비된다.
상기 커버(114)는 판상이며, 폭 방향 양단이 하향 절곡되어 연장된 형태로 형성된다. 상기 커버(114)의 단면은 "┌┐" 형태로 형성된다. 상기 커버(114)는 길이 방향 양단이 개구되도록 형성된다. 상기 커버(114)는 길이 방향으로 연장 형성된다. 예를 들어, 상기 커버(114)의 크기는 폭 방향 길이가 400㎜이고, 상하 방향 높이가 400㎜로 구비된다.
상기 커버(114)는 스틸과 같은 금속 재질로 이루어진다. 상기 커버(114)의 하단은 상기 브라켓(112)에 고정 구비된다. 상기 커버(114)는 상기 벨트(115)의 상부에서 이송되는 성형 반제품(P)의 양측면과 상부를 덮도록 구비된다.
상기 커버(114)의 두께는 2∼4㎜범위로 구비된다. 상기 커버(114)의 두께가 2㎜보다 얇으면 복수의 성형 반제품(P)으로부터 방출되는 열이 외부로 빠르게 방출되어 반제품(P)의 조직의 안정화를 이루기 위한 내부 온도를 조절하기 어려우며, 4㎜보다 두꺼우면 열의 방출이 느려져 제조 시간이 길어지게 된다.
따라서, 커버(114)의 두께를 2∼4㎜범위로 하여 복수의 성형 반제품(P)으로부터 방출되는 열이 외부로 급속하게 방출되는 것을 막아 성형 반제품(P)이 서서히 냉각되도록 하는 역할을 한다.
상기 커버(114)가 구비됨으로써 베어링용 열간 단조품 제조시 상기 컨베이어부(110)에서 성형 반제품(P)은 반제품(P)의 잠열에 의해서 충분히 지연되는 상태로 냉각되어 조직의 안정화가 이루어진다. 상기 컨베이어부(110)로부터 배출되는 반제품(P)의 표면온도는 500∼600℃ 범위가 된다.
상기 베어링용 열간 단조품 제조 장치(100)를 이용하여 제조되는 베어링용 단조품은 도 4에 도시된 바와 같은 방법으로 제조된다.
본 발명에 따른 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법은 소재 절단단계와, 예열단계(ST-110)와, 단조단계(ST-130)와, 제어냉각단계(ST-150)와, 가공단계(ST-170)로 이루어진다.
상기 소재 전단단계에서는 소재를 일정한 크기로 전단한다. 상기 소재로는 0.4∼0.7중량％의 탄소가 함유된 중탄소강이 사용된다.
상기 예열단계(ST-110)에서는 절단된 소재가 가열장치로 투입되고 예열된다. 상기 예열 단계(ST-110)에서 소재는 1050∼1250℃ 범위의 온도로 가열된다.
상기 단조단계(ST-130)에서는 상기 가열장치에서 예열된 소재가 가압되어 반제품(P)으로 성형된다. 성형된 반제품(P)은 상기 단조 장치의 일측에 위치한 컨베이어부(110)로 배출된다. 이때 성형 반제품(P)의 표면 온도는 900∼1100℃범위로 배출된다.
상기 제어냉각단계(ST-150)에서는 단조를 마친 성형 반제품(P)은 상기 컨베이어부(110)에서 반제품(P)의 잠열에 의해서 충분히 지연되는 상태로 냉각된다. 반제품(P)은 상기 컨베이어부(110)를 통과하며 잠열에 의해 서서히 냉각되어 조직이 안정화된다.
상기 컨베이어부(110)의 벨트(115)의 회전 속도는 일정하게 유지된다. 상기 컨베이어부(110)에서 이탈되는 성형 반제품(P)의 표면 온도는 500∼650℃ 범위로 배출된다. 바람직하게는 상기 컨베이어부(110)에서 이탈되는 성형 반제품(P)의 표면 온도는 500∼600℃ 범위로 배출된다. 상기 컨베이어부(110)에서 이송되는 시간은 5분∼27분 범위가 되도록 제어된다. 상기 컨베이어부(110)에서 이송되는 시간은 바람직하게는 7분∼22분 범위가 되도록 제어된다.
상기 제어냉각단계(ST-150)에서 상기 성형 반제품(P)은 커버(114)에 의하여 열 방출이 억제되어 상기 컨베이어부(110)에서 잠열에 의하여 충분히 지연되면서 냉각되어 조직의 입도는 50∼150㎛로 조직이 균일하게 되고, 3차 가공단계(ST-175) 후에 조립등을 위하여 소성가공이 필요한 경우 소성 변형이 용이하고, 소성 변형시 크랙 발생이 방지된다.
상기 제어냉각단계(ST-150)를 지나 컨베이어부(110)로부터 배출된 반제품(P)은 상향 개구된 수집함(120)에 적재되어 상온에서 서서히 냉각된다. 상기 컨베이어부(110)로부터 배출된 반제품(P)은 상기 수집함(120)에 적재되고, 수집함(120)이 밀폐되어 냉각될 수도 있다.
상기 가공단계(ST-170)에서는 조직이 안정화된 반제품을 베어링용 열간 단조품으로 가공된다. 상기 가공단계(ST-170)는 2차 가공단계(ST-171)와, 고주파 열처리단계(ST-173)와, 3차 가공단계(ST-175)로 이루어진다.
상기 2차 가공단계(ST-171)에서는 상기 제어냉각단계(ST-150)를 거친 반제품의 궤도 부분 등이 선삭 또는 냉간 단조된다.
상기 고주파 열처리단계(ST-173)에서는 선삭 또는 냉간 단조가 이루어진 반제품의 궤도 부분에 고주파 열처리가 이루어진다. 상기 고주파 열처리를 통해 열처리된 궤도 표면층이 경화된다.
상기 3차 가공단계(ST-175)에서는 고주파 열처리된 반제품을 연삭하거나, 연삭 후 수퍼피니싱하여 베어링용 열간 단조품이 완성된다.
지금까지 본 발명에 따른 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 장치
110 : 컨베이어부 111 : 제1 메인롤러
112 : 브라켓 113 : 제2 메인롤러
114 : 커버 115 : 벨트
117 : 지지롤러 119 : 리턴롤러
120 : 수집함

Claims (4)

  1. 중탄소강으로 이루어진 소재를 예열하는 예열 단계(ST-110)와, 예열된 소재를 반제품으로 성형하는 단조 단계(ST-130)와, 단조 단계(ST-130)에서 성형된 성형 반제품의 조직을 제어하는 제어냉각단계(ST-150)와, 조직이 안정화된 반제품을 베어링용 단조품으로 가공하는 가공 단계(ST-170)로 이루어지며;
    상기 제어냉각단계(ST-150)에서는 단조를 마친 성형 반제품이 컨베이어부(110) 상에서 이송될 때 폭 방향 양측에서 브라켓(112)까지 내려와 브라켓(112)에 고정되어 컨베이어부(110)의 폭 방향 양측과 상부를 덮도록 구비되고 길이 방향 양측은 개구되어 성형 반제품으로부터 방출되는 열이 외부로 방출되는 것을 막아 서서히 냉각되도록 하는 커버(114)가 구비된 컨베이어부(110)에 의하여 이송되면서 실시되어, 단조 성형된 반제품 자체의 잠열이 이용되어 단조 성형된 반제품의 조직이 안정화되며;
    컨베이어부에서 이탈되는 성형 반제품의 표면 온도는 500∼600℃ 범위이고, 제어냉각단계(ST-150)를 지나 컨베이어부(110)로부터 배출된 반제품(P)들은 상향 개구된 수집함(120)에 적재되어 상온에서 서서히 냉각되는 것을 특징으로 하는 중탄소강으로 이루어진 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서, 컨베이어부(110)에 의하여 이송되는 단조 성형된 반제품은 커버(114) 내에서 이송되는 것을 특징으로 하는 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 커버(114)는 스틸로 이루어지며, 두께는 2∼4㎜ 범위이며, 컨베이어(110)에서 이송되는 시간은 7∼22분 범위인 것을 특징으로 하는 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 컨베이어부(110)로부터 배출된 반제품(P)은 상기 수집함(120)에 적재되고, 수집함(120)은 밀폐되어 냉각되는 것을 특징으로 하는 플랜지를 구비한 베어링용 열간 단조품 제조 방법.
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