KR20100085724A - 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법 - Google Patents

리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법 Download PDF

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motion guide
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Abstract

본 발명에 따른 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법은, 부품의 직선 운동을 안내하기 위한 리니어 모션 가이드용 레일을 제조하는 방법으로서, 열간압연에 의해 형성된 환봉 형상의 모재 표면의 탈탄층을 제거하는 탈탄층 제거 단계; 상기 탈탄층 제거 단계를 거친 모재를 최종적인 가이드용 레일 형상과 근사한 형상으로 성형하도록 윤활, 냉간인발, 응력제거 어닐링을 1~4회 실시하여 중간형상재를 형성하는 중간인발 단계; 상기 중간형상재의 표면을 블라스팅 처리하는 표면제어 단계; 상기 표면제어 단계를 거친 모재의 표면에 윤활제를 도포하는 윤활 단계; 상기 윤활 단계를 거친 모재를 사용하여 그 모재의 단면 감소율을 1% 내지 13%로 제어하면서 인발 가공하는 최종인발 단계; 상기 최종인발 단계를 거친 레일의 표면을 연마하지 않고, 표면 경화를 위한 열처리를 행하는 경화 열처리 단계; 및 상기 경화 열처리 단계를 거친 레일에 부품 장착용 구멍을 가공하는 마무리 가공 단계; 를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법{Method for manufacturing a profile rail of non-grinding type for use in linear motion guide unit}
본 발명은 직선 운동을 안내하기 위한 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일은 직선 운동을 안내하기 위해 사용되는 부재이다. 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일은 그 레일의 정밀도에 따라 리니어 모션 가이드의 직선 운동의 성능이 좌우된다. 따라서, 리니어 모션 가이드의 직선 운동에 대한 성능 수준은 레일의 주행 정밀도 및 그 레일의 내구 수명 등에 의해 평가될 수 있다.
일반적으로 리니어 모션 가이드는 도1에 도시된 바와 같은 구조를 가지고 있다. 즉 레일(10)에는 그 레일(10)을 장착하기 위한 장착용 구멍(20)이 형성되어 있다. 상기 장착용 구멍(20)의 형태는 도 2에 도시된 형태가 일반적이다. 또한 레일(10)에는 리니어 모션 가이드 블록(50)이 가이드 볼(40)을 매개로 하여 상기 레일(10)에 슬라이딩 가능하게 결합되어 있다. 상기 레일(10)의 양 측면에는 상기 가 이드 볼(40)이 구름 접촉되는 볼 구름 접촉부(30, "전주면"이라 불림)가 형성되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일을 제조하는 방법을 설명한다. 먼저, 환봉 형태의 금속 모재를 냉간 인발하여 레일 형태로 성형한다. 그리고, 레일(10)의 표면 경도를 높이기 위하여 열처리를 하게 된다. 이 열처리 과정에서 레일(10)의 변형이 일어날 수 있기 때문에, 열처리가 끝나면 레일(10)을 곧게 펴는 공정이 수반된다. 그리고, 레일(10)의 설치에 필요한 구멍을 가공하고, 그 레일(10)의 열처리 과정에서 생성된 표면 산화층을 제거하기 위한 공정이 이어진다. 그리고 나서, 레일(10)의 품질을 결정적으로 좌우하는 공정으로서, 레일(10)의 표면을 성형 연마하는 공정이 행해진다. 일반적으로 레일(10)의 상면과 바닥면은 연마 공정이 적용되고, 레일(10)의 측면에는 성형 연마공정이 적용된다. 이와 같은 연마 공정 후에 그 레일(10)을 설치하기 위한 장착용 구멍(20)의 가공을 하고, 표면에 레이던트(raydent) 피막을 도포하여 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일(10)을 완성한다.
그런데, 이와 같은 종래의 방법은 성형 연마공정이 필수적으로 포함되어 있으므로, 몇 가지 문제점이 있다. 즉, 성형 연마공정은 레일(10)의 생산성을 저하시키는 문제점이 있다. 또한 성형 연마공정은 레일(10)의 원가를 상승시키는 주요 요인이 된다. 따라서, 성형 연마공정은 레일(10)의 제품 경쟁력을 저하시키는 문제를 초래하게 된다.
따라서, 냉간 인발 공정을 개선하여 연마 공정이 필요 없는 수준의 레일(10) 의 정밀도를 확보하는 것은 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일(10)의 제조공정에 있어서 매우 중요한 과제가 된다.
한편, 종래의 리니어 모션 가이드용 레일(10)의 내식성을 높이기 위하여 레일의 레이던트 피막을 도포하였다. 그러나, 레이던트 피막은 가격이 비싼 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연마 공정이 필요하지 않은 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일의 제조방법은, 부품의 직선 운동을 안내하기 위한 리니어 모션 가이드용 레일을 제조하는 방법으로서,
열간압연에 의해 형성된 환봉 형상의 모재 표면의 탈탄층을 제거하는 탈탄층 제거 단계;
상기 탈탄층 제거 단계를 거친 모재를 최종적인 가이드용 레일 형상과 근사한 형상으로 성형하도록 윤활, 냉간인발, 응력제거 어닐링을 1~4회 실시하여 중간형상재를 형성하는 중간인발 단계;
상기 중간형상재의 표면을 블라스팅 처리하는 표면제어 단계;
상기 표면제어 단계를 거친 모재의 표면에 윤활제를 도포하는 윤활 단계;
상기 윤활 단계를 거친 모재를 사용하여 그 모재의 단면 감소율을 1% 내지 13%로 제어하면서 인발 가공하는 최종인발 단계;
상기 최종인발 단계를 거친 레일의 표면을 연마하지 않고, 표면 경화를 위한 열처리를 행하는 경화 열처리 단계; 및
상기 경화 열처리 단계를 거친 레일에 부품 장착용 구멍을 가공하는 마무리 가공 단계; 를 포함한 점에 특징이 있다.
상기 경화 열처리 단계에서는 상기 레일의 표면 산화를 방지하도록 불활성 기체 분위기에서 고주파 열처리하는 것이 바람직하다.
상기 경화 열처리 단계를 거친 레일의 표면을 블라스팅 처리한 후, 상기 레일보다 경도가 높은 소재로 제조된 볼 또는 롤러로 상기 레일의 표면을 왕복 마찰시키는 것이 바람직하다.
상기 경화 열처리 단계를 거친 레일의 표면의 조도를 향상시키기 위해 알루미나, 유리, 모래 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 입자 형상의 분사재를 상기 레일의 표면에 분사하여 상기 레일의 표면 산화층을 제거하는 것이 바람직하다.
상기 마무리 가공단계 후에 상기 레일의 표면에 알칼리 화성 피막을 도포 하는 피막처리 단계;를 더 포함한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법은, 인발공정을 여러 인자를 정밀하게 제어하도록 공정을 개선함으로써, 연마공정이 필요하지 않도록 하여, 리니어 모션 가이드용 레일의 제품의 원가 및 가격 경쟁력을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 실시예와 같이 레일의 표면에 알칼리 화성 피막처리를 한 경우에는 레일의 내식성이 현저하게 향상되는 효과가 있다. 또한, 레일의 외관이 미려한 효과도 부수적으로 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다. 도 4는 도 3에 도시된 공정중 인발 단계를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 3에 도시된 공정중 경화 열처리 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면 본 실시예에 따른 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법(이하, "레일의 제조방법"이라 함)은 부품의 직선 운동을 안내하기 위한 리니어 모션 가이드용 레일을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 레일의 제조방법은 탈탄층 제거 단계(S1)와, 중간인발 단계(S2), 표면 제어 단계(S3)와, 윤활 단계(S4)와, 최종인발 단계(S5)와, 경화 열처리 단계(S6)와, 마무리 가공 단계(S7)와, 피막처리 단계(S8)를 포함하고 있다.
상기 탈탄층 제거 단계(S1)는 열간압연에 의해 형성된 환봉 형상의 모재 표면의 탈탄층을 제거하는 단계이다. 탈탄층은 열간 압연시 고온의 압연공정에서 형성되는 것으로서 인발 공정과 같은 후 공정에서 유해한 표면 결함으로서 작용할 가능성이 있기 때문에 제거하는 것이다. 탈탄층을 제거하는 방법은 예컨대 필링(peeling) 또는 그라인딩(grinding)과 같이 공지된 방법을 사용하여 행할 수 있다.
상기 중간인발 단계(S2)에서는 상기 탈탄층 제거 단계(S1)를 거친 모재를 최종적인 가이드용 레일 형상과 근사한 형상으로 성형하도록 윤활, 냉간인발, 응력제 거 어닐링을 1~4회 실시하여 중간형상재를 형성한다. 상기 윤활, 냉각인발, 응력제거 어닐링에 관한 각각의 공정은 공지된 것이므로 상세한 서술은 생략하기로 한다. 상기 윤활, 냉각인발, 응력제거 어닐링 공정이 4회를 초과하는 경우에는 경제성이 나빠지는 문제점이 있다.
상기 표면 제어 단계(S3)에서는 상기 중간인발 단계(S2)에서 형성된 상기 중간형상재의 표면을 블라스팅 처리한다. 상기 표면 제어 단계(S3)에서는 상기 중간형상재의 표면에 존재하는 산화층을 직경이 0.025mm 내지 0.850mm 인 미세입자를 분사한다. 미세입자로 블라스팅 처리하는 목적은 상기 중간형상재의 표면의 조도를 손상시키지 않고 후술하는 최종인발 단계(S5)에서 표면의 조도가 최대한 좋아지도록 하기 위한 것이다.
상기 윤활 단계(S4)에서는 상기 표면 제어 단계(S3)를 거친 중간형상재의 표면에 윤활제를 도포한다. 윤활제로는 오일 또는 고체 윤활제를 사용할 수 있다. 상기 윤활 단계(S4)에서 중간형상재에 윤활제를 도포하는 것은 후술하는 최종인발 단계(S5)에서 인발 장치와의 마찰을 최소화하여 표면 결함의 발생이 억제되도록 하기 위한 것이다.
상기 최종인발 단계(S5)에서는 상기 윤활 단계(S4)를 거친 중간형상재를 사용하여 냉간 인발을 하게 된다. 상기 최종인발 단계(S5)에서는 중간형상재의 단면 감소율을 1% 내지 13%로 제어한다. 중간형상재의 단면 감소율이 1% 미만인 경우에는 레일의 형상이 제대로 가공되지 않으며, 가공경화 효과를 기대하기 힘든 문제점이 있다. 한편, 중간형상재의 단면 감소율이 13%를 초과하는 경우에는 상기 최종인 발 단계(S5)를 거친 레일의 표면에 결함이 지나치게 많이 발생하여 연마공정을 거쳐야 하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 최종인발 단계(S5)에서 중간형상재의 단면 감소율을 1% 내지 13%로 제어하는 것은 매우 중요한 공정인자가 된다. 도 4를 참조하면, 상기 최종인발 단계(S5)에서 피인발재(60)인 중간형상재가 드로우 헤드(80)가 잡아당기는 힘에 의해 인발 금형(70)을 통과하면서 레일 형태로 가공되는 과정을 도식적으로 이해할 수 있다.
상기 경화 열처리 단계(S6)에서는 상기 최종인발 단계(S5)를 거친 레일의 표면을 연마하지 않고 바로 그 레일의 표면 경화를 위해 열처리를 하게 된다. 상기 경화 열처리 단계(S6)에서는 고주파 유도 가열을 통해 레일 표면을 가열한 후에 냉각하여 그 레일의 표면을 경화시킨다. 본 실시예에서 상기 경화 열처리 단계(S6)는 불활성 기체 분위기에서 행해진다. 상기 경화 열처리 단계(S6)는 예컨대 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 기체가 충전된 챔버 내에서 열처리가 행해진다. 도 5를 참조하면 상기 경화 열처리 단계(S6)의 열처리 과정을 도식적으로 이해할 수 있다. 즉, 레일(10)이 통과하는 챔버(90)에는 불활성 가스를 분사하기 위한 노즐(100)이 설치되어 있다. 상기 챔버(90)의 내부에는 고주파 유도 코일(110)이 설치되어 있다. 상기 경화 열처리 단계(S6)에서 불활성 가스 분위기에서 열처리를 행하는 것은 레일의 표면 산화를 방지하도록 하기 위한 것이다. 즉, 상기 경화 열처리 단계(S6) 후에 종래와 같은 연마공정이 생략되기 때문에, 상기 경화 열처리 단계(S6)에서 레일의 표면이 산화되어 산화층이 형성됨으로써 표면 조도가 낮아지는 문제점을 방지하기 위해 불활성 가스 분위기에서 열처리가 행해지는 것이다. 특히, 도 1에 도시된 볼 구름 접촉부(30)의 표면 조도가 낮아지는 문제점을 방지하는 효과가 크다. 상기 경화 열처리 단계(S6)가 불활성 분위기 하에서 행해지므로 산화층을 제거하는 후공정이 필요하지 않게 된다. 상기 경화 열처리 단계(S6)를 거친 레일의 표면에 미세한 입자를 분사시켜 블라스팅 처리한다. 그 후에, 레일보다 경도가 높은 소재로 제조된 볼 또는 롤러로 그 레일의 볼 구름 접촉부(30)의 표면을 왕복 마찰시키는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 경화 열처리 단계(S6)를 거친 레일의 표면의 조도를 향상시키기 위해 알루미나, 유리, 모래 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 입자 형상의 분사재를 레일의 표면에 분사하여 레일의 표면 산화층을 제거할 수 있다. 이와 같은 처리를 거치면 레일의 볼 구름 접촉부(30) 표면 조도가 더욱 향상되는 효과가 있다. 상기 경화 열처리 단계(S6) 후에는 레일을 직선화하기 위한 공정이 수반될 수 있다.
상기 마무리 가공 단계(S7)에서는 상기 경화 열처리 단계(S6)를 거친 레일에 부품 장착용 구멍 등과 같이 필요한 기계 가공을 최종적으로 행한다. 상기 마무리 가공 단계(S7)를 거친 후에는 레일의 표면에 유리 또는 모래 입자를 사용하여 블라스팅 처리를 추가할 수 있다.
상기 피막처리 단계(S8)에서는 상기 마무리 가공 단계(S7) 후에 레일의 표면에 알칼리 화성 피막을 도포 한다. 알칼리 화성 피막은 레일의 내식성을 현저하게 향상시킨다. 또한, 알칼리 화성 피막은 레일의 외관을 미려하게 하는 효과도 제공한다. 알칼리 화성 피막은 착색된 피막에 의하여 치수 변화가 없는 이동 부품에 적합한 표면 처리방법이다. 알칼리 화성 피막의 색상은 흑색이다. 알칼리 화성 피막 처리(Alkali chemical conversion treatment)는 철강의 흑색 착색법의 일종이다. 알칼리 화성 피막 처리는 가성소다 용액에 산화제를 첨가하고 130℃ 내지 150℃의 온도에서 15분 내지 30분 동안 표면이 청정하게 처리된 철강제품을 침지시켜 흑색의 피막을 형성시킨다. 알칼리 화성 피막은 두께 0.2㎛~0.5㎛의 Fe3O4로 견고하게 철강 제품의 표면에 밀착되어 있다. 알칼리 화성 피막은 내마모성 및 내식성이 우수한 특성을 나타낸다. 알칼리 화성 피막을 도포하는 기술은 공지된 기술을 채용할 수 있으므로 상세한 서술은 생략하기로 한다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 레일의 제조방법의 효과를 더욱 구체적으로 서술한다.
일반적으로 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일의 성능을 평가하는 기준으로서 정밀도 보통급의 보급형 레일로서 사용되는 레일은 상기와 같은 본 발명의 레일의 제조방법에 의해 용이하게 구현할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 따른 레일의 제조방법은 연마공정이 필요하지 않다는데 특징이 있다. 따라서, 연마공정에 소용되는 공정비용, 생산시간이 절감된다. 이에 따라 레일의 제조원가가 현저하게 낮아지는 효과가 발생한다. 결과적으로 시장에서 본 발명에 따라 제조된 레일의 가격 경쟁력이 높아지는 효과가 발생한다. 또한, 본 발명에 따른 레일의 표면에는 알칼리 화성 피막이 도포되어 있으므로 가혹한 환경에서도 내식성이 우수한 효과가 있다. 또한, 부수적으로 알칼리 화성 피막은 제품의 외관을 미려하게 하는 효과도 제공한다. 따라서 본 발명에 따른 레일의 제조방법에 의해 제조된 리니어 모션 가 이드용 레일은 일반 공작기계 또는 산업 기계용으로 널리 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 레일의 제조방법은 레일의 표면에 알칼리 화성 피막을 도포하는 피막처리 단계(S8)를 거치므로, 종래의 레이던트 피막처리에 비해 표면의 내식처리를 하는데 소요되는 비용이 현저하게 절감되는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 경화 열처리 단계에서는 상기 레일의 표면 산화를 방지하도록 불활성 기체 분위기에서 고주파 열처리하는 것으로 서술하였으나 예컨대 진공분위기와 같이 상기 레일의 표면 산화를 방지할 수 있는 경우라면 불활성 기체가 사용되지 않더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 경화 열처리 단계를 거친 레일의 표면을 블라스팅 처리한 후, 상기 레일보다 경도가 높은 소재로 제조된 볼 또는 롤러로 상기 레일의 표면을 왕복 마찰시키는 것으로 서술하였으나, 이와 같은 처리가 행해지지 않더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 경화 열처리 단계를 거친 레일의 표면의 조도를 향상시키기 위해 알루미나, 유리, 모래 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 입자 형상의 분사재를 상기 레일의 표면에 분사하여 상기 레일의 표면 산화층을 제거하는 것으로 서술하였으나, 이와 같은 공정을 포함하지 않더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 마무리 가공단계 후에 상기 레일의 표면에 알칼리 화성 피막을 도포 하는 피막처리 단계;를 포함한 것으로 서술하였으나, 상기 피막처리 단계는 경우에 따라 포함되지 않을 수 있다.
이상, 바람직한 실시예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시예가 구체화될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 리니어 모션 가이드의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ 선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 리니어 모션 가이드용 프로파일 레일의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 4는 도 3에 도시된 공정중 인발 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 공정중 경화 열처리 단계를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...리니어 모션 가이드용 프로파일 레일
20...장착용 구멍 30...볼 구름 접촉면(전주면)
40...가이드 볼 50...가이드 블록
60...피인발재 70...인발 금형
80...드로우 헤드 90...챔버
100...노즐 110...고주파 유도 코일
S1...탈탄층 제거 단계 S2...중간인발 단계
S3...표면 제어 단계 S4...윤활 단계
S5...최종인발 단계 S6...경화 열처리 단계
S7...마무리 가공 단계 S8...피막처리 단계

Claims (5)

  1. 부품의 직선 운동을 안내하기 위한 리니어 모션 가이드용 레일을 제조하는 방법으로서,
    열간압연에 의해 형성된 환봉 형상의 모재 표면의 탈탄층을 제거하는 탈탄층 제거 단계;
    상기 탈탄층 제거 단계를 거친 모재를 최종적인 가이드용 레일 형상과 근사한 형상으로 성형하도록 윤활, 냉간인발, 응력제거 어닐링을 1~4회 실시하여 중간형상재를 형성하는 중간인발 단계;
    상기 중간형상재의 표면을 블라스팅 처리하는 표면제어 단계;
    상기 표면제어 단계를 거친 모재의 표면에 윤활제를 도포하는 윤활 단계;
    상기 윤활 단계를 거친 모재를 사용하여 그 모재의 단면 감소율을 1% 내지 13%로 제어하면서 인발 가공하는 최종인발 단계;
    상기 최종인발 단계를 거친 레일의 표면을 연마하지 않고, 표면 경화를 위한 열처리를 행하는 경화 열처리 단계; 및
    상기 경화 열처리 단계를 거친 레일에 부품 장착용 구멍을 가공하는 마무리 가공 단계; 를 포함한 것을 특징으로 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경화 열처리 단계에서는 상기 레일의 표면 산화를 방지하도록 불활성 기체 분위기에서 고주파 열처리하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경화 열처리 단계를 거친 레일의 표면을 블라스팅 처리한 후, 상기 레일보다 경도가 높은 소재로 제조된 볼 또는 롤러로 상기 레일의 표면을 왕복 마찰시키는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경화 열처리 단계를 거친 레일의 표면의 조도를 향상시키기 위해 알루미나, 유리, 모래 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 입자 형상의 분사재를 상기 레일의 표면에 분사하여 상기 레일의 표면 산화층을 제거하는 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마무리 가공단계 후에 상기 레일의 표면에 알칼리 화성 피막을 도포 하는 피막처리 단계;를 더 포함한 것을 특징으로 하는 리니어 모션 가이드용 무연마형 프로파일 레일의 제조방법.
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