KR20030036575A - 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링 - Google Patents

Abstract

이 발명은 외부가압형 다공질 정압 공기베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하중을 지지하는 베어링면에 다수의 미세한 급기공이 형성된 소재인 벤트를 열박음이나 압입의 방법으로 삽입고정함으로써 벤트의 급기공을 통해 분사되는 공기에 의해 베어링면과 축의 저어널 사이에서 발생하는 마찰을 없애고 강성 및 부하능력(하중지지용량)을 크게 향상시킨 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링에 관한 것이다.

상기한 다공성 소재인 벤트는 소결공정을 통하여 제작되며, 균일한 직경의 미세 급기공을 통해 베어링 면에 공기를 분사하는 분사구 역할을 하게 된다.

이와 같이, 이 발명에 따른 다공성 소재를 이용한 공기베어링은 기존의 공기베어링에 비해 월등한 강성과 부하능력을 가지는 것 뿐만 아니라 마찰이 거의 발생하지 않고, 고속운동 시 발열이 거의 일어나지 않아 고온과 저온에서 사용이 가능하며, 회전정밀도가 매우 높아지는 효과가 있다. 그리고, 시작과 정지 시에도 축과 베어링 사이의 직접적인 금속접촉을 피할 수 있어 진동과 소음이 거의 발생하지 않고, 거의 마모가 일어나지 않아 거의 영구적인 수명을 얻을 수 있는 효과도 있다.

그리고, 작동유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 분사구로 베어링 몸체에 삽입고정하기 쉬운 다공성 소재를 이용하므로 어떠한 형태의 베어링에도 적용하기 쉬운 이점이 있다.

Description

다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링{Air bearing with a porous material}

이 발명은 외부가압형 다공질 정압 공기베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하중을 지지하는 베어링면에 다수의 미세한 급기공이 형성된 소재인 벤트를 열박음이나 압입의 방법으로 삽입고정함으로써 벤트의 급기공을 통해 분사되는 공기에 의해 베어링면과 축의 저어널 사이에서 발생하는 마찰을 없애고 강성 및 부하능력(하중지지용량)을 크게 향상시킨 다공성 소재를 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, 네온가스를 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.

상기한 정압 공기베어링의 분사구의 종류는 도 1에 나타난 오리피스형, 도 2에 나타난 슬롯형, 도 3에 나타난 표면저항형(그루브형), 도 4에 나타난 오리피스-포켓형 등이 있다.

먼저, 도 1에 도시한 오리피스형 정압 공기베어링의 분사구(11)를 살펴보면, 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(슈퍼드릴가공)으로 작은 급기공(11b)을 형성한다. 그러나, 이러한 오리피스형 분사구(11)는 베어링 1개 당 24개에서 많은 경우에는 200개까지도 필요하므로 분사구를 가공하는 비용과 시간이 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.

다음은 도 2에 도시된 슬롯형 정압 공기베어링(20)의 분사구를 상세하게 살펴보면, 입구는 넓고 베어링면에 근접한 부근에서는 얇게 형성된 슬롯(21)을 원주방향으로 연속적으로 배치한 형태의 베어링으로, 상기한 오리피스형 분사구(11)와 유사한 방식의 베어링이다.

도 3에 도시된 표면저항형(그루브형) 정압 공기베어링(30)의 분사구(31)는 베어링면에 아주 얕게 형성된 그루브(31a)를 통하여 급기되는 공기가 압력강하를 일으키도록 한 형태로 넓은 면적에 압력을 발생시킬 수 있는 정압 공기베어링이다. 그러나, 그루브형 정압 공기베어링에서는 포켓과 같이 공기를 어느 정도 포함할 수 있는 공간을 가진 그루브(31a)가 있어 그 공간에 축적 압축된 공기가 폭발하듯이 빠져 나와 그 충격으로 축(A)을 밀어내는 현상인 공기햄머링현상이 발생하여 외부에서 하중이 없더라도 계속적인 진동현상이 일어나는 문제점이 있어 설계 및 제작에 있어서 상당한 주의가 요구된다.

마지막으로, 도 4에 도시된 오리피스형과 포켓형을 복합시킨 오리피스-포켓형 정압 공기베어링(40)의 분사구(41)에 관해 설명하면, 상기한 다수 급기공형(오리피스형)과 표면저항형(그루브형)을 결합시킨 형식으로 오리피스형 급기공(41a)의 하부에 깊은 포켓(42b)을 두어 적은 급기공으로 넓은 면적에 압력을 발생시킬 수 있도록 한 방식이다. 그러나, 오리피스-포켓형 정압 공기베어링도 상기한 공기햄머링현상이 발생하는 문제점과 상기 도 1의 오리피스형 분사구(11)와 마찬가지로 제작 상의 어려움과 많은 비용과 시간이 소요된다는 문제점을 가지고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래의 정압 공기베어링에서는 균일한 압력을 발생시키기 위해 공기를 어떻게 주입하느냐가 가장 중요한 해결과제여서 이를 해결하기 위해 다양한 형태의 분사구가 개발되었으나, 급기공의 직경이 미세하여 균일하게 가공하기 어려웠기 때문에 현재까지는 정압 공기베어링이 가진 여러 장점을 최대한 살리기가 어려웠다.

또한, 상기와 같은 이유로 인해 정압 공기베어링을 사용하여 큰 하중지지용량을 가지기 위해서는 베어링 시스템 전체의 크기가 커져야 하고, 고강성을 요구하는 부분에 적용하기 곤란한 문제점이 있었다. 더구나, 근래의 산업발전이 고속 고정밀 고부하 능력을 지닌 소형화, 경량화된 기계를 요구하는 추세이므로 종래의 분사구를 가진 정압 공기베어링으로는 그 요구를 만족시키지 못하고 있는 실정이다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 이 발명의 주된 목적은, 베어링 몸체에 형성되는 베어링의 분사구를 기계가공에 의하지 않고 베어링의 몸체에 다수의 균일한 미세 급기공을 가진 다공성 소재인 벤트를 삽입고정하는 방식으로 설치함으로써 공기베어링 분사구의 설치를 간단하게 할 수 있으며, 벤트의 급기공을 통해 주입되는 적은 공기만으로도 베어링의 하중지지용량과 강성을 크게 증가시킬 수 있는 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 오리피스형 분사구를 나타낸 도면,

도 2는 종래의 슬롯형 분사구를 나타낸 도면,

도 3은 종래의 표면저항형(그루브형) 분사구를 나타낸 도면,

도 4는 종래의 오리피스-포켓형 분사구를 나타낸 도면,

도 5는 이 발명에 따른 다공성 소재인 벤트의 구조를 나타낸 도면,

도 6은 이 발명에 따른 다공성 벤트의 급기공 면을 60배 확대 촬영한 현미경사진,

도 7은 종래의 오리피스형 분사구가 베어링면에 가공된 슬라이더 베어링의 사진,

도 8은 이 발명에 따른 다공성 벤트가 삽입고정된 슬라이더 베어링의 사진,

도 9는 바이스를 이용하여 다공성 벤트를 베어링 몸체에 압입하는 것을 나타내는 도면,

도 10은 이 발명에 따른 다공성 벤트가 삽입고정된 저널베어링을 나타내는 도면,

도 11은 이 발명에 따른 다공성 벤트가 삽입고정된 스러스트베어링을 나타내는 도면,

도 12는 이 발명에 따른 다공성 벤트가 삽입고정된 저널-스러스트베어링을 나타내는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 오리피스형 정압 공기베어링 11 : 오리피스형 분사구

20 : 슬롯형 정압 공기베어링 21 : 슬롯형 분사구

30 : 표면저항형(그루브형) 정압 공기베어링 31 : 그루브형 분사구

40 : 오리피스-포켓형 정압 공기베어링 41b : 분사구의 포켓

50 : 다공성 벤트 51 : 다공성 벤트의 급기공

A : 축 B : 바이스

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명에 따른 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링의 구성은, 베어링 몸체와; 베어링 몸체에 드릴링이나 밀링가공으로 형성된 구멍과; 상기의 베어링 몸체의 구멍에 삽입고정되어 분사구의 역할을 하는 직경 0.03 ㎜ 이하의 급기공 수백 개가 형성된 다공성 소재인 벤트로 이루어진다.

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

상기한 공기베어링의 분사구 역할을 하는 다공성 소재인 벤트의 일실시예를 나타낸 도 5를 살펴보면, 다공성 소재로 사용되는 벤트(50)의 구조는 원통형의 관형태로 전체길이 10㎜, 외부직경 6㎜, 급기공(51)이 분포하고 있는 부분의 길이 4㎜, 급기공(51)이 분포하고 있는 부분의 유효직경 3.5㎜, 직경 0.003 ㎜ 정도의 균일한 급기공(51) 880개가 베어링 면에 접하는 유효직경 내에 분포하고 있다.

상기한 다공성 소재로 사용되는 벤트(50)의 형상과 치수는 일실시예에 불과한 것으로 베어링의 종류와 사양에 따라 다양한 형상과 치수로 제작될 수 있다.

도 6은 상기 다공성 벤트(50)의 급기공(51) 면을 현미경으로 60배 확대 촬영한 사진을 보여주고 있으며, 급기공(51) 면에 부착된 이물질은 세척과정을 통해 제거된다.

상기한 다공성 벤트(50)는 종래의 오리피스형, 슬롯형, 그루브형, 오리피스-포켓형 분사구와 동일하게 베어링면에 분사되는 공기의 통로로 사용된다. 그러나, 다음의 표에서 소개하는 성능시험결과를 살펴보면 다공성 벤트를 이용한 정압 공기베어링의 성능이 현격하게 향상되었음을 알 수 있다.

구 분	분사구/벤트(개)	급기공직경(㎜)	급기압(㎏f/㎠)	소모유량(L/min)	최대허용하중(㎏)	부상높이(㎜)
종래 오리피스형 공기베어링	24~200	0.1 ~ 0.3	5기압	36	48	0.051
다공성 벤트 공기베어링	6~20	0.0028 ~ 0.03	5기압	25	120이상	0.095

위의 표에서 보듯이 다공성 벤트(50)를 사용할 경우 동일한 급기압(5㎏f/㎠)하에서 소모되는 공기량은 25 L/min로 종래의 오리피스형보다 2/3 수준으로 줄어들지만, 최대허용하중은 120kg으로 3~4배 정도 증가하게 된다. 또한, 베어링 몸체에 형성되는 분사구의 수도 확연하게 줄어든 것을 도 7에 도시된 종래 오리피스형 분사구(11)가 베어링면에 가공된 슬라이더 베어링과 도 8에 도시된 이 발명에 따른 제 일실시예인 다공성 벤트(50)가 삽입고정된 슬라이더 베어링을 비교하면 알 수 있다. 그리고, 도 7에서 알 수 있듯이 종래의 슬라이더 베어링에 적용되는 오리피스형 분사구(11)는 그 직경이 불규칙하고 그 갯수도 수십개에 이르며, 가공이 어려워 실수로 인해 사용이 불가능해 질 경우에는 다시 가공해야 하는 문제점이 있다. 그렇지만, 도 8에 도시된 바와 같이 이 발명에 따른 다공성 소재인 벤트(50)를 이용한 공기베어링의 경우에는 단지 몇 개의 다공성 벤트(50)를 베어링 몸체에 삽입고정함으로써 기존의 공기베어링보다 훨씬 향상된 성능을 얻을 수 있게 된다.

상기한 다공성 벤트(50)는 소결방법으로 제작되는 데 그 제작과정은 다음과 같다.

먼저, 사용될 베어링의 종류와 베어링이 필요로 하는 성능에 따라 원재료와 첨가제를 선정하고 윤활제와 함께 혼합기에서 혼합하고, 정압 공기베어링에 사용될 다공성 벤트의 외부형상과 동일한 형상으로 정밀하게 제작된 금형에 혼합된 분말을 채우고, 다공성 벤트의 급기공이 형성되어야 할 부분에 미세한 와이어를 용침한 후 가압하여 원하는 형상과 밀도의 성형체를 얻는다.

그 다음, 성형체를 보호분위기에서 재료의 융점 이하의 온도로 가열하여 다공성 벤트가 요구하는 물성을 갖도록 하는 데, 이때 전 단계에서 삽입한 와이어가완전소각되어 와이어가 차지하던 공간이 다공성 벤트의 급기공이 되는 것이다.

그 후, 재압과정에서 소결체를 정밀한 금형에 넣고 가압하여 다공성 벤트의 정도를 높혀 다공성 벤트를 완성하게 된다.

상기한 주공정 외에도 열처리, 세척, 함침, 디버링, 표면처리 등의 보조공정이 추가될 수도 있다.

이와 같이, 다공성 벤트의 급기공(51)은 소결과정에서 사용되는 와이어의 직경에의해 결정되며, 사용되는 와이어의 직경이 균일하므로 급기공 또한 균일하게 된다.

다음은, 상기와 같이 제작 완성된 다공성 소재인 벤트를 베어링의 몸체에 삽입고정하는 방법에 대해 설명한다.

첫번째 방법은 열박음을 이용하는 데, 열박음은 어떠한 다른 끼워맞춤방법보다 강력하고 정밀성이 요구되는 산업분야에서 사용되는 방법으로 열박음공차는 축 직경의 1/1,000 ~ 15/10,000 ㎜ 정도로 매우 정밀하다. 우선, 저널, 스러스트, 평면 슬라이드 베어링 몸체에 다공성 벤트의 외부직경보다 0.1㎜ 정도 작은 구멍을 뚫고 베어링 몸체를 200℃ 정도로 가열한 후 충분히 내경이 확대되었을 때 냉각수축시킨 다공성 벤트를 정확히 삽입고정한다. 그 후 시간이 경과하면서 베어링 몸체의 온도가 내려가게 되면 다공성 벤트와 베어링 몸체가 완전히 밀착 결합된다.

두번째 방법은 압입으로, 베어링 몸체에 다공성 벤트의 외부직경보다 0.1㎜ 정도 작은 구멍을 뚫고, 다공성 벤트의 끝단은 베어링 몸체의 구멍 직경보다 약간작게 테이퍼 가공한 후, 유압바이스나 정밀바이스 등으로 다공성 벤트를 가압하여 강제로 베어링 몸체의 구멍에 삽입고정시킨다. 도 9에서 바이스(B)를 이용하여 다공성 벤트(50)를 베어링 몸체(C)에 압입하는 것을 보여주고 있다.

도 10, 도 11 및 도 12는 상기한 다공성 벤트가 여러 종류의 정압공기베어링에 삽입고정된 것을 나타내는 도면이다.

도 10은 이 발명에 따른 제 이실시예인 다공성 벤트가 삽입고정된 저널베어링을 보여주는 사진으로, 축의 회전운동을 지지하는 베어링면에 다공성벤트(50)가 삽입고정되어 있다.

도 11은 이 발명에 따른 또 다른 실시예인 다공성 벤트가 삽입고정된 스러스트베어링을 보여주는 사진으로, 축방향 하중을 지지하는 베어링면에 다공성벤트(50)가 삽입고정되어 있다.

도 12는 이 발명에 따른 또 다른 실시예인 다공성 벤트가 삽입고정된 저널-스러스트베어링을 보여주는 사진으로, 축의 회전운동을 지지하는 베어링면과 축방향 하중을 지지하는 베어링면에 다공성벤트(50)가 삽입고정되어 있다.

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, 공기베어링 분사구로 균일한 크기의 미세한 급기공 수백 개가 형성된 다공성 소재인 벤트를 사용하므로 기존의 공기베어링에 비해 베어링의 하중지지용량과 강성을 크게 증가시키는 효과가 있다.

또한, 마찰이 거의 없고, 냉각효과가 있어 고속운동 시 발열이 거의 일어나지 않아 고온과 저온에서 사용이 가능하며, 회전정밀도가 매우 높아지는 효과가 있다. 그리고, 시작과 정지 시에도 축과 베어링 사이의 직접적인 금속접촉을 피할 수 있어 진동과 소음이 거의 발생하지 않고, 거의 마모가 일어나지 않아 거의 영구적인 수명을 얻을 수 있는 효과가 있다.

그리고, 작동유체로 공기를 사용하므로 기름에 의한 오염이 없어 청정이 요구되는 식품기계나 반도체 장비 등에 쉽게 적용할 수 있으며, 분사구로 베어링 몸체에 삽입고정하기 쉬운 다공성 소재인 벤트를 이용하므로 어떠한 형태의 베어링에도 적용하기 쉬운 이점이 있다.

Claims (4)

1. 정압 공기베어링에 있어서,

   베어링 몸체에 기계가공으로 구멍을 형성한 후, 상기의 베어링 몸체의 구멍에 0.03 ㎜ 이하의 급기공(51) 수백 개가 형성된 다공성 소재인 벤트(50)를 삽입고정시켜 분사구로 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기의 다공성 소재인 벤트(50)는, 급기공(51)이 형성되어야 할 부분에 미세한 와이어를 용침하는 과정을 포함하는 소결방법으로 제작되는 것을 특징으로 하는 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링.
3. 제 1항에 있어서,

   상기의 다공성 소재인 벤트(50)를 베어링 몸체에 삽입고정시키는 방법은,

   베어링 몸체에 다공성 벤트(50)의 외부직경보다 0.1㎜ 정도 작은 구멍을 뚫고 베어링 몸체를 200℃ 정도로 가열한 후 상기의 구멍이 팽창되었을 때 냉각수축시킨 다공성 벤트를 상기 구멍에 정확히 삽입고정시키는 열박음 방법을 사용하는것을 특징으로 하는 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링.
4. 제 1항에 있어서,

   상기의 다공성 소재인 벤트(50)를 베어링 몸체에 삽입고정하는 또 다른 방법은,

   베어링 몸체에 다공성 벤트(50)의 외부직경보다 0.1㎜ 정도 작은 구멍을 뚫고, 다공성 벤트의 끝단은 베어링 몸체의 구멍 직경보다 약간 작게 테이퍼 가공한 후, 다공성 벤트를 가압하여 강제로 베어링 몸체의 구멍에 삽입고정시키는 압입 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 다공성 소재를 이용한 정압 공기베어링.