KR20190014420A

KR20190014420A - 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20190014420A
Application number: KR1020170098231A
Authority: KR
Inventors: 이재하; 김진호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-02-12
Also published as: KR102417747B1

Abstract

본 발명에 의한 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법은, 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되는 베이스 부재; 및 상기 베이스 부재에 비해 강성은 낮고 윤활성은 우수한 소재로 이루어지고, 상기 베이스 부재의 외주면에 일체로 구비되어 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되는 윤활 부재;를 포함하고, 상기 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)가 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.6% 이내를 만족하도록 사출->1차 가공->열처리->2차 가공 순으로 진행하여 형성될 수 있다.

Description

외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법{BUSH BEARING WITH EXTERNAL LUBRICANT LAYER AND MANUFACTORING METHOD FOR THIS}

본 발명은 압축기용 부시베어링에 관한 것으로, 특히 외주면이 윤활층을 형성하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 부시 베어링은 회전하는 부재와 그 회전하는 부재를 반경방향으로 지지하는 지지부재 사이에 구비되어, 회전 부재를 지지 부재에 대해 반경방향으로 지지하는 베어링이다.

이러한 부시 베어링으로는 바이메탈(BI METAL), 수지재료(PTFE,통상 테프론), 카본재료(CARBON) 등이 사용되고 있다. 이 중에서 바이메탈, 수지재료, 카본재료가 압축기에 주로 쓰이고 있으며, 수지재료의 부시 베어링이 가장 널리 사용되고 있다. 바이메탈, 카본재료로 된 부시 베어링은 내마모성이 우수하고 수지재료로 된 부시 베어링은 그 수지재료의 특성상 마찰계수가 낮아 마찰손실 측면에서 우수한 것으로 알려져 있다.

한편, 선행기술1(한국 등록특허 제10-1016431호: 베어링 부재) 및 선행기술2(한국 공개특허 제10-2012-0009355호: 밀폐형 압축기)에 개시된 부시 베어링은 금속으로 형성되어 백스틸(back steel)을 이루는 베이스 부재의 내주면에 윤활소재로 된 윤활 부재가 적층되거나 코팅되어 원통 형상으로 형성되어 있다. 이러한 부시 베어링은 선행기술2와 같이 넓은 강판에 윤활 부재를 도포한 후 원통 형상으로 말아서 제작하는 방법이 주로 알려져 있다. 그 외에 원통 형상으로 된 윤활 부재의 외주면에 씨링 형상의 강판을 삽입하거나 또는 원통 형상의 백스틸에 역시 원통 형상으로 된 윤활 부재를 압입하여 제작하는 방법도 알려져 있다. 하지만, 이들 후자는 전자에 비해 제조 공정이 상대적으로 복잡하여 대량 생산 시스템에 적용하기에는 적합하지 않다.

그러나, 상기와 같은 종래의 부시 베어링은, 앞서 설명한 바와 같이 윤활 부재가 베이스 부재의 내주면에 구비되는 소위 '내부윤활형 부시 베어링'이 주로 알려지거나 상용화되어 있을 뿐, 윤활 부재가 베이스 부재의 외주면에 구비되는 소위 '외부윤활형 부시 베어링'에 대해서는 널리 알려지거나 상용화되어 있지 않다. 이는, 외부 윤활형 부시 베어링의 경우에, 넓은 강판에 윤활 부재를 적층 또는 도포한 상태에서 그 윤활 부재가 외주면을 이루도록 원통 형상으로 말아서 부시 베어링을 형성하게 되면 외주면을 이루는 윤활 부재의 양단이 슬릿 형태의 이격면을 형성하게 되고, 이 이격면은 윤활 부재의 두께가 클수록 벌어지는 정도가 증가하게 되어 결국 외주면을 윤활층으로 사용하는데 한계가 있기 때문이다.

선행기술1: 한국 등록특허 제10-1016431호(2011.02.21) 선행기술2: 한국 공개특허 제10-2012-0009355호(2012.02.01)

본 발명의 목적은, 윤활 부재가 외주면을 형성하면서도 그 윤활 부재에 이격면이 없는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법을 제공하려는데 있다.

또, 본 발명의 다른 목적은, 윤활 부재가 외주면을 형성하면서도 그 윤활 부재에 이격면이 없고 윤활 부재의 두께가 균일하게 형성되는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법을 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 원통 형상으로 된 베이스 부재의 외주면에 윤활성 소재로 된 윤활 부재를 사출 성형하되, 상기 윤활 부재의 양단에 절단면이 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링이 제공될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 베이스 부재를 원통 형상으로 형성하고, 상기 베이스 부재를 금형에 넣고 사출물을 주입하여 사출품을 형성하며, 상기 금형에서 제작된 사출품을 상기 금형으로부터 빼내 상기 사출품의 외경을 1차 가공하고, 상기 1차 가공된 사출품을 소정의 온도와 시간동안 풀림 열처리를 실시하며, 상기 열처리 된 사출품의 외경을 2차 가공하여서 된 외부윤활층을 가지는 부시 베어링의 제조 방법이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 금형에 사출물을 주입할 때에는 상기 사출물을 길이방향으로 주입하고, 상기 사출물을 주입하는 금형 입구의 반대쪽에 상기 사출물이 상기 베이스 부재의 단부보다 바깥쪽으로 더 몰딩되도록 오버 몰딩하며, 상기 오버 몰딩된 부분은 상기 1차 가공할 때 절삭하여 제거할 수 있다.

그리고, 상기 1차 가공의 가공 두께가 상기 2차 가공시 가공 두께보다 크게 가공할 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되는 베이스 부재; 및 상기 베이스 부재에 비해 강성은 낮고 윤활성은 우수한 소재로 이루어지고, 상기 베이스 부재의 외주면에 일체로 구비되어 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되는 윤활 부재;를 포함하고, 상기 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)가 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.6% 이내를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 윤활 부재의 양단 외경차이는 상기 윤활 부재의 외경을 기준으로 3% 이내가 되도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 베이스 부재의 외주면에는 상기 윤활 부재의 내주면과의 접촉면적이 확대되도록 널링부(knurling portion)가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 베이스 부재의 두께를 a, 상기 윤활 부재의 두께를 b, 상기 널링부의 깊이를 c라고 할 때, 아래의 범위를 만족할 수 있다. b/a = 1.09 ~ 1.15, c/a = 0.3 ~ 0.5

그리고, 상기 윤활 부재는 수지 계열에 탄소 섬유가 함유될 수 있다.

그리고, 상기 수지 계열은 피크(PEEK)소재로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 탄소 섬유는 상기 베이스 부재의 길이방향으로 배열될 수 있다.

그리고, 상기 탄소 섬유는 상기 윤활 부재의 양단에 절단면이 노출될 수 있다.

그리고, 상기 윤활 부재는 양단에 절단면이 형성될 수 있다.

그리고, 상기 윤활 부재가 210℃에서 2시간 노출된 후 그 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)는 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.3% 이내를 만족하도록 형성될 수 있다.

또 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 탄소 섬유가 포함된 윤활 부재가 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되며, 상기 윤활 부재가 210℃에서 2시간 노출된 후 그 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)는 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.3% 이내를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링이 제공될 수 있다.

또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 앞서 설명한 외부윤활층을 가지는 부시 베어링은, 베이스 부재의 외주면에 윤활성 소재로 된 윤활 부재를 사출하는 사출 단계; 사출된 상기 윤활 부재의 외경을 절삭하는 1차 가공 단계; 1차 가공된 상기 윤활 부재에 대한 열처리를 실시하는 열처리 단계; 및 열처리된 상기 윤활 부재의 외경을 절삭하는 2차 가공 단계;로 진행하여 제작되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링의 제조 방법이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 사출 단계에서는 상기 윤활 부재를 이루는 피크와 탄소섬유를 함께 사출하여서 형성될 수 있다.

그리고, 상기 사출 단계에서는 상기 윤활 부재를 이루는 사출물을 주입하는 쪽의 반대쪽 단부에 상기 베이스 부재의 단부보다 길게 오버 몰딩부를 형성하고,

그리고, 상기 1차 가공 단계에서 상기 오버 몰딩부를 절삭하여 제거할 수 있다.

그리고, 상기 1차 가공 단계에서의 가공 두께는 상기 2차 가공 단계에서의 가공두께보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법은, 베이스 부재의 외주면에 윤활 부재를 인서트 사출하여 사출품을 제작한 후, 그 사출품의 외주면을 절삭하는 1차 가공을 실시하고 나서, 풀림 열처리를 실시하고 외주면을 다시 절삭하는 2차 가공을 통해 제작함으로써, 가공시 발생되는 절삭열에 의해 부시 베어링의 외주면이 열변형되는 것을 최소화하고, 이를 통해 부시 베어링의 양단 사이에서의 외주면 원통도가 최소한으로 변형되도록 제작할 수 있다.

또, 본 실시예에 따른 부시 베어링의 베이스 부재에 윤활 부재를 인서트 사출할 때 오버 몰딩부가 형성되도록 함으로써, 사출물에 포함되는 탄소 섬유가 와류에 의해 오버 몰딩부에서 뭉치도록 하고, 가공시 이 오버 몰딩부를 절삭하여 제거하여 윤활 부재의 일부가 부풀어 오르는 것을 억제할 수 있다.

또, 본 실시예에 따른 부시 베어링은, 외경변화가 크지 않아 부시 베어링의 외경을 정밀하게 관리할 수 있고 이를 통해 부시 베어링에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

또, 본 실시예의 부시 베어링이 선회스크롤의 보스부에 압입되어 부시 베어링의 외주면이 회전축의 보스결합홈에 베어링 접촉되도록 삽입되는 경우, 부시 베어링의 내주면을 이루는 베이스 부재가 보스부와 동일하거나 유사한 물성치를 가지는 재질로 형성됨에 따라 운전시 열팽창에 의해 부시 베어링이 벗겨져 헛도는 것을 억제할 수 있고, 윤활 부재의 외주면 원통도가 적정범위를 유지하게 되어 마찰손실이나 마모를 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 윤활 부재가 베이스 부재의 외주면에 형성되어 보스결합홈의 내주면과 베어링면을 형성함에 따라 윤활 부재의 외주면 전체가 보스결합홈의 내주면과 접촉하게 되어 베어링의 수명을 연장할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 부시 베어링의 일부를 파단하여 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 부시 베어링을 단면하여 보인 반단면도,
도 3은 본 발명에 따른 부시 베어링을 제조하는 방식①을 설명하기 위한 블록도,
도 4는 방식①에 따라 제작된 부시 베어링을 보인 종단면도,
도 5는 본 발명에 따른 부시 베어링을 제조하는 방식②를 설명하기 위한 블록도,
도 6a 및 도 6b는 방식②에 따라 제작된 부시 베어링을 보인 종단면도,
도 7은 도 6b에서 "Ⅵ-Ⅵ"선단면도,
도 8은 부시 베어링의 제조 방법에 따른 윤활 부재의 외경 변화를 비교하여 보인 그래프,
도 9는 부시 베어링의 제조 방법에 따른 윤활 부재의 외주면 원통도를 비교하여 보인 그래프,
도 10은 본 실시예에 따른 부시 베어링을 스크롤 압축기에 적용한 예를 설명하기 위해 선회스크롤과 회전축을 분리하여 보인 단면도,
도 11 및 도 12는 도 10에 따른 스크롤 압축기의 운전조건에서 부시 베어링의 외경 변화 및 외주면 원통도 차이를 비교하여 보인 그래프.

이하, 본 발명에 의한 외부윤활층을 가지는 부시 베어링 및 그의 제조 방법을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 부시 베어링은 윤활성을 가지는 윤활 부재만으로 제작되는 경우에도 적용할 수 있다. 하지만, 본 실시예와 같이 금속으로 된 베이스 부재의 외주면에 윤활 부재가 도포되거나 적층되어 제작되는 경우에도 적용될 수 있다. 이하에서는 후자의 경우를 대표예로 삼아 살펴본다.

도 1은 본 발명에 의한 부시 베어링의 일부를 파단하여 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 부시 베어링을 단면하여 보인 반단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 부시 베어링(200)은 스크롤 압축기의 보스부 등에 압입되는 베이스 부재(210)와, 베이스 부재(210)의 외주면에 도포되거나 적층되어 윤활층을 이루는 윤활 부재(220)로 이루어질 수 있다.

베이스 부재(210)는 통상 본 실시예의 부시 베어링이 압입될 부재(예를 들어, 선회스크롤의 보스부)와 동일한 금속소재이거나 또는 그와 유사한 물성치를 가지는 금속소재로 형성될 수 있다. 하지만, 베이스 부재(210)는 금속소재로 한정되지 않고, 적어도 윤활 부재(220)보다는 큰 강성을 가지는 소재이면 족할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 부시 베어링은 압입될 부재에 견고하게 압입되어 고정될 수 있다.

그리고 베이스 부재(210)는 보스부와 같은 부재에 압입되어야 하므로 환형 단면 형상으로 형성되되, 내주면은 진원형으로 한정되지 않고 압입될 부재의 형태에 따라 다양하게 형성될 수도 있다. 아울러, 베이스 부재(210)의 외주면은 그 베이스 부재(210)의 외주면에 구비되는 윤활 부재(220)가 인서트 사출되어 도포되거나 적층됨에 따라, 윤활 부재(220)가 헛돌지 않도록 비진원형 단면 형상으로도 형성될 수 있다.

예를 들어, 베이스 부재(210)의 외주면은 윤활 부재(220)의 내주면과의 접촉면적을 확대하기 위해 널링부(knurling portion)(211)가 형성될 수 있다. 널링부(211)는 도 1에서와 같이 마름모 모양으로 형성하여 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)로부터 길이방향으로 이탈되는 것을 방지할 수도 있다.

여기서, 널링부(211)는 그 깊이가 깊을수록 윤활 부재(220)와의 접촉면적을 넓힐 수 있어 접착력을 높일 수 있다. 하지만, 널링부의 깊이가 너무 깊으면 베이스 부재(210)의 강성이 저하되어 부시 베어링(200)이 압입될 부재와의 결합력이 낮아질 수 있다.

이를 감안하여, 널링부의 깊이는 다음과 같이 정의될 수 있다. 즉, 도 2를 참조하여 베이스 부재의 두께를 a, 윤활 부재의 두께를 b, 널링부의 깊이를 c라고 할 때, 아래의 범위를 만족하도록 형성될 수 있다.

b/a = 1.09 ~ 1.15

c/a = 0.3 ~ 0.5

이로써, 외경이 29.9mm인 부시 베어링의 경우 베어링 부재의 두께는 0.8~1.5mm, 윤활 부재의 두께는 0.45~1.15mm로 할 때, 널링부의 깊이는 대략 0.24~0.75mm 정도가 되도록 형성될 수 있다.

한편, 널링부(211)가 마름모 모양으로 형성될 경우 베이스 부재(210)를 압출하여 사출 형성하는데 곤란할 뿐만 아니라, 윤활 부재(220)를 사출 형성하는데에도 사출물의 원활한 흐름을 다소 방해하여 장애가 될 수 있다.

따라서, 널링부(211)는 베이스 부재(210)의 외주면에 길이방향을 따라 길게 형성되는 적어도 한 개 이상의 돌기로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 베이스 부재(210)의 사출 형성을 용이하게 할 뿐만 아니라, 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)에 대해 헛도는 것을 억제할 수 있어 마름모 형상보다 유리할 수 있다. 또, 이 경우 널링부(211)는 길이방향은 물론 원주방향을 따라 복수 개씩 형성될 수 있다.

상기와 같이 베이스 부재(210)의 외주면에 복수 개의 널링부(211)가 형성되는 경우에는, 윤활 부재(220)가 널링부(211) 사이에 삽입되어 결합됨에 따라 베이스 부재(210)와 윤활 부재(220) 사이의 접합면적이 확대되어, 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)에 견고하게 결합될 수 있다. 아울러, 널링부(211)에 의해 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)에 대해 길이방향으로 이탈되는 것을 억제하는 동시에 원주방향으로 헛도는 것도 억제할 수 있다.

한편, 윤활 부재(220)는 앞서 설명한 바와 같이 베이스 부재(210)의 외주면에 인서트 사출되어 윤활층을 형성하게 된다. 따라서, 윤활 부재(220)는 무급유 특성이 좋은 소재, 즉 에테르 케톤(ether ketone) 결합을 가진 플라스틱 소재인 피크(Polyether ether ketone ; PEEK) 소재로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 도 2와 같이 피크(221)와 함께 탄소 섬유(Carbon fiber)(222)를 혼합하여 함께 형성하는 것이 내구성을 높이는데 바람직할 수 있다.

물론, 윤활 부재(220)는 상기와 같이 베이스 부재(210)의 외주면에 인서트 사출되지 않고 압입하여 결합될 수도 있다. 하지만, 이 경우에는 윤활 부재(220)가 피크와 같은 수지 계열임에 따라, 윤활 부재(220)의 열팽창 계수, 최대 압입대 또는 최소 압입대 등을 적절하게 고려하여야 윤활 부재(220)가 운전열에 의해 베이스 부재(210)로부터 탈거되지 않고 원활하게 베어링 역할을 할 수 있다.

이를 위해서는, 윤활 부재(220)는 베이스 부재(210)의 외주면에 접착제를 이용하여 부착시킬 수도 있다. 그렇지만, 접착제를 이용하는 방법은 제조 공정이 상대적으로 복잡하다. 따라서, 금형을 이용하여 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)의 외주면에 인서트 사출되도록 하는 것이 신뢰성 측면이나 양산성 측면에서 바람직하다.

실제, 부시 베어링(200)이 압축기에 적용되는 경우, 부시 베어링(200)은 압축기의 높은 운전온도에 대해서도 안정적인 결합력을 유지할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 부시 베어링(200)의 치수 변화 역시 최소한으로 유지되어야 부재간 마찰손실을 줄일 수 있다. 그런데, 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)의 외주면에 압입되는 경우에는 앞서 본 바와 같이 압입대 등을 정확하게 산출하여야 하지만, 실제로 이를 정확하게 산출하기가 곤란할 수 있다. 그러면 압입 과정에서 윤활 부재(220)가 변형되어 압입력이 충분하지 않을 수 있으며, 이로 인해 윤활 부재(220)가 베이스 부재(210)로부터 탈거될 수 있다. 이는 접합제를 사용하는 방식 역시 마찬가지이다. 또, 이들 방식은 양산성에서도 사출 방식에 비해 유리하지 못하다. 따라서, 윤활 부재(220)를 인서트 사출하는 방식이 바람직할 수 있다.

하지만, 상기와 같이 베이스 부재(210)의 외주면에 윤활 부재(220)를 인서트 사출 방식으로 도포 또는 적층하는 방식에서는 윤활 부재(220)가 제조과정에서 변형될 수 있고, 이로 인해 부시 베어링의 외경이 설계값보다 크게 형성될 수 있다.

예를 들어, 베이스 부재에 윤활 부재를 인서트 사출하여 제작하는 과정은 다음과 같다. 이를 방식①이라고 구분하여 도 3 및 도 4와 함께 설명한다.

먼저, 금형의 사출공간에 베이스 부재(210)를 넣고 피크와 같은 사출물을 주입한 후, 일반적인 경화과정을 거쳐 사출 성형된 사출품을 금형으로부터 인출한다.(S11)

다음, 사출품을 가열하여 풀림 열처리하게 되는데, 대략 270℃에서 4시간 정도 유지한 후 상온에서 2시간 정도 냉각시키게 된다. 이를 통해, 사출 후 열수축에 따른 피크의 응력을 완화시키게 된다.(S12)

다음, 열처리된 사출품의 길이와 내경, 그리고 외경을 적정하게 절삭하여 부시 베어링에 대한 제작을 완료한다. 이를 통해, 부시 베어링의 외경이 원하는 설계값을 얻을 수 있도록 한다.(S13)

그렇지만, 상기와 같이 <사출→열처리→가공> 순으로 진행하여 제조되는 부시 베어링의 최종 외경은 설계된 외경보다 크게 제작될 수 있다. 즉, 사출단계 후 열처리단계를 거치고, 마지막으로 가공단계를 진행하게 되면 부시 베어링의 각종 치수 관리를 정밀하게 할 수 있을 것으로 인식되고 있었다.

하지만, 본 실시예를 제안하는 연구원들은 많은 시행착오와 실험, 그리고 분석을 통해 앞서 설명한 <사출→열처리→가공> 순으로 진행되는 종래의 제조 방식으로 인해 오히려 부시 베어링의 치수관리가 더 어렵게 된다는 사실을 찾아내게 되었다. 이에 대해서는 본 실시예에 따른 부시 베어링의 원형도를 비교하면서 나중에 다시 설명한다.

즉, 금속재로 된 베이스 부재(210)의 외주면에 윤활성 소재로 된 윤활 부재(220)를 사출 성형할 경우, 열에 민감한 특성을 가지는 윤활 부재(220)가 사출 과정과 열처리 과정에서 크게 변형될 것으로 인식되어 왔다. 하지만, 본 실시예를 제안한 연구원들의 연구 결과에 따르면 사출 조건이 동일하다고 할 때 윤활 부재(220)가 열처리 과정에서 변형되는 정도보다 오히려 절삭 가공 과정에 더 크게 열변형되는 것을 알아냈다.

예를 들어, 열처리 과정에서 윤활 부재(220)가 변형되는 양이 1㎛ 정도라면, 절삭가공 과정에서 변형되는 양은 7㎛ 정도가 된다. 이는 나중에 설명할 도 8의 실험 그래프를 통해서도 알 수 있다. 더욱이, 사출 후 열처리를 거쳐 절삭가공을 하게 되면, 열처리 과정에서 윤활 부재(220)가 좀더 부풀어 올라 윤활 부재(220)의 두께가 증가되고, 그만큼 절삭 가공할 양이 더 증가하게 된다. 이로 인해, 절삭 가공시 발생되는 절삭저항이 증가하게 되면서 절삭열이 크게 상승하게 되므로, 결국 윤활 부재(220)는 설계값에 따라 절삭 가공을 실시함에도 불구하고 최종 윤활 부재(220)의 두께는 설계값보다 더 두꺼워지게 된다.

이에 따라, 절삭가공을 완료한 후 부시 베어링의 원형도를 측정해 보면, 윤활 부재(220)의 외경에 대해 원하는 설계값에 도달하도록 최종적으로 절삭가공을 실시했음에도 불구하고 윤활 부재(220)의 외경은 원하는 설계값보다 더 크게 변형된 것을 볼 수 있었다.

게다가, 사출물에는 앞서 설명한 바와 같이 피크(221) 외에도 윤활 부재(220)의 내마모성이나 기계적 물성을 개선하기 위해 탄소 섬유(222)와 같은 부가물을 추가할 수 있다. 하지만, 이 경우에는 부가물이 피크와 함께 주입되면서 사출물이 주입되는 쪽(이하, 전방단)(201)의 반대쪽 단부(이하, 후방단)(202)에서 일종의 와류를 이루면서 부가물 뭉치(222a)를 형성하게 되고, 이 부가물 뭉치(222a)로 인해 윤활 부재(220)의 후방단 두께가 더욱 두꺼워지면서 절삭가공시 절삭열을 더욱 높이게 될 수 있다. 이로 인해 부시 베어링(200)의 전방단 외경(D1)과 후방단 외경(D2)의 차이는 더욱 증가하게 될 수 있었다.

이에, 본 실시예에서는 윤활 부재(220)의 열변형을 최소화하여 부시 베어링의 치수관리를 효율적으로 할 수 있는 부시 베어링의 제조 방법을 제시하였다. 이를 본 실시예에 따른 방식이라고 한다.

즉, 본 실시예에 따른 과정에서는 인서트 사출된 사출품에 대해 1차 절삭 가공(이하, 1차 가공)을 실시한 후에 열처리 과정을 실시하고, 열처리 과정을 마친 후에 다시 2차 절삭 가공(이하, 2차 가공)을 실시하여 윤활 부재(220)의 절삭 가공시 발생할 수 있는 열변형을 최소화하였다. 즉, <사출→1차 가공→열처리→2차 가공> 순으로 진행하는 것이다.

예를 들어, 도 5와 같이, 앞서 방식①에서 설명한 인서트 사출과정을 통해 베이스 부재(210)의 외주면에 윤활 부재(220)가 도포되는 사출품을 제작한다.(S21)

다만, 본 실시예에서는 도 6a와 같이 윤활 부재(220)의 일단에 오버 몰딩부(225)를 더 형성한다. 이를 위해, 금형에는 베이스 부재(210)의 양단 중에서 사출물의 후방단쪽에 몰딩공간에서 연장되는 오버 몰딩 공간이 연장 형성된다. 이 오버 몰딩 공간은 사출품의 후방단에 오버 몰딩부(225)가 형성되도록 오버 몰딩을 위한 공간이다. 이에 따라, 사출 성형된 사출품에는 사출물이 주입되는 반대쪽에 베이스 부재(210)의 단부보다 길게 오버 몰딩부(225)가 연장 형성된다.

그리고, 사출물에는 피크(221)와 함께 탄소섬유(22)가 함께 주입되는데, 이 탄소섬유(222)는 사출물이 주입되는 방향으로 길게 배열된다. 하지만, 사출물이 주입되는 몰딩입구쪽의 반대쪽, 즉 후방단(202)은 막힌 형태가 되므로 이 막힌 쪽에서는 앞서 설명한 바와 같이 사출물의 유동압력에 의해 사출물인 피크(221)와 부가물인 탄소섬유(222)가 일종의 와류를 형성하게 된다. 이로 인해 피크(221)와 탄소섬유(222) 중에서 결을 가지는 탄소섬유(222)가 뭉쳐지면서 부가물 뭉치인 섬유뭉치(222a)를 형성하게 된다.

하지만, 본 실시예에서는 몰딩공간에서 연장되는 오버 몰딩 공간이 베이스 부재(210)의 후방단 밖에 더 형성됨에 따라, 섬유뭉치(222a)는 몰딩공간에 형성되지 않고 오버 몰딩 공간에서 형성된다. 이는 사출품에서는 오버 몰딩부(225)를 형성하게 된다. 그리고 이 오버 몰딩부(225)는 베이스 부재(210)의 범위에는 존재하지 않으며 오로지 베이스 부재(210)의 범위 밖에서만 윤활 부재(220)를 이루는 소재로 형성된다.

다음, 사출품을 금형에서 인출하고, 외경을 1차 가공을 실시한다.(S22)

예를 들어, 원하는 부시 베어링의 최종 외경이 29.9mm라고 할 때 금형에서 빼낸 사출품의 외경이 30.6mm 정도로 제작되면, 1차 가공을 통해 대략 0.5~0.6mm 정도를 절삭한다.

아울러, 1차 가공 단계에서는 부시 베어링(200)의 내주면을 이루는 베이스 부재(210)의 내경에 대한 절삭 및 외주면을 이루는 윤활 부재(220)의 길이도 절삭하게 된다. 이때, 도 6b와 같이, 몰딩입구를 이루는 전방단(201)을 절삭하는 것은 물론, 그 반대쪽인 후방단(202)의 오버 몰딩부(225)도 절삭하여 제거하게 된다. 그러면, 사출품은 부시 베어링(200)의 최종 길이를 가지는 원통 형상을 이루게 된다. 이로써, 도 7과 같이, 윤활 부재(220)의 전방면(220a)과 후방면(220b)에는 각각 탄소 섬유(225)의 절단된 면이 외부로 노출될 수 있다.

다음, 1차 가공된 사출품을 앞서 방식①에서 설명한 조건에서 풀림 열처리를 실시한다.(S23)

이를 통해, 윤활 부재(220)를 이루는 피크 소재의 내부 응력을 완화시키게 된다. 이 과정에서 윤활 부재(220)는 약간 부풀어 오를 수 있으나, 이는 1차 가공에서 절삭열로 인해 발생되는 변형에 비하면 무시할 수 있는 정도에 불과하다.

다음, 열처리 된 사출품의 외경을 절삭 가공하는 2차 절삭 가공을 실시한다.(S24)

예를 들어, 1차 가공 단계에서 대략 0.5~0.6mm 정도를 가공했다면 2차 가공 단계에서는 대략 0.1~0.2mm정도를 가공함으로써, 부시 베어링의 외경이 최초 설계값인 29.9mm에 도달하도록 할 수 있다.

이를 통해, 1차 가공 과정에서 상대적으로 많이 절삭하면서 상대적으로 높은 절삭열이 발생되고 이로 인해 윤활 부재(220)가 추가적으로 변형될 수 있지만, 이는 2차 가공시 상대적으로 적게 절삭하면서 상대적으로 낮은 절삭열과 그로 인해 윤활 부재(220)의 추가적인 변형이 최소화될 수 있다. 이에 따라 2차 가공을 통해 나머지 부분이 절삭되어 제거됨에 따라, 부시 베어링의 외경에 대한 원래의 설계값을 만족할 수 있다.

도 8은 부시 베어링의 제조 방법에 따른 윤활 부재의 외경 변화를 비교하여 보인 그래프이다. 이 비교는 베이스 부재의 외주면에 피크와 탄소섬유로 된 윤활 부재를 인서트 사출 방식으로 사출품을 제작한 후, 앞서 설명한 2가지 방식에 의해 가공 공정을 진행하여 베어링의 외경을 비교 분석하였다.

이에 도시된 바와 같이, 사출 후 열처리를 실시하고 사출품의 외경을 절삭 가공하는 방식①로 부시 베어링을 제작하는 경우에는 몰딩입구인 전방단에서 반대쪽인 후방단 인근까지는 거의 동일한 외경을 유지하게 된다. 하지만, 후방단에 근접할수록 외경이 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는, 절삭 가공시 발생하는 절삭 저항이 베어링의 후방단에서 크게 상승하면서 피크 소재로 된 윤활 부재(220)의 외경이 크게 변형된 것으로 볼 수 있다.

특히, 방식①의 경우는 금형에서 오버 몰딩 공간을 형성하지 않음에 따라, 사출품에 오버 몰딩부가 형성되지 못해 베어링의 후방단 부근에서 부가물 뭉치(섬유 뭉치)가 형성되고, 이에 따라 절삭 가공시 부가물 뭉치에 의해 절삭해야 하는 양이 증가할 뿐만 아니라 절삭 저항이 증가하여 그만큼 절삭열이 올라가게 되고, 이로 인해 실제로는 최초 설계값에 도달하도록 최종적으로 절삭 가공을 실시하였음에도 불구하고 실제 베어링의 외경은 전방단에 비해 후방단에서 큰 폭으로 증가한 것을 볼 수 있다.

반면, 사출 후 1차 가공을 실시하고 나서 열처리를 실시한 후 다시 2차 가공을 실시하는 본 실시예에 따른 방식(이하, 방식②)으로 부시 베어링을 제작하는 경우에는 몰딩입구인 전방단에서 반대쪽인 후방단 끝까지 베어링의 외경이 거의 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 물론, 후방단에서의 베어링 외경이 미세하게 증가하기는 하였으나, 이는 방식①에 비하면 무시할 수 있는 정도이다. 이렇게 방식②에 따라 부시 베어링의 윤활 부재(220)를 형성하는 경우에는 사출품에 대해 1차 가공과 2차 가공으로 나눠 외경을 가공함에 따라, 한 번에 깊게 가공하는 것에 비해 절삭열의 발생을 낮출 수 있고, 이를 통해 피크 소재로 된 윤활 부재(220)가 절삭열에 의해 변형되는 것을 최소화할 수 있기 때문인 것으로 파악될 수 있다. 더군다나, 방식②에서는 금형에 오버 몰딩 공간을 형성하여 사출품에 오버 몰딩부(225)를 형성하고, 이 오버 몰딩부(225)에 섬유 뭉치(222a)가 형성되도록 한 후 절삭하여 제거함으로써, 섬유 뭉치(222a)가 후방단에 몰려 절삭열을 가중시키는 것을 미연에 방지할 수 있다. 이를 통해, 방식①과 같이 베어링의 외경이 후방단쪽에서 급격하게 증가하는 것을 억제할 수 있게 된다.

한편, 이는 도 9에 도시된 외주면 원통도를 비교해 봐도 알 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 결과는 방식①과 방식②에 따라 제작된 각각의 부시 베어링에 대해 외주면 원통도를 비교하여 보인 것으로, 각 방식에 따른 복수 개씩의 부시 베어링에 대한 외주면 원통도의 평균치를 구한 것이다. 여기서, 외주면 원통도 값은 각 부시 베어링에 대한 전방단에서부터 후방단까지의 범위 중에서 복수의 위치에 대한 외경을 측정하고, 그 복수의 위치에 대한 외경변화 값의 평균을 구한 값이다.

이에 도시된 바와 같이, 방식①에서는 평균 원통도(이하, 원통도)는 12㎛ 정도가 되는 반면, 방식②에서는 원통도는 4㎛ 정도가 되는 것을 볼 수 있다. 즉, 본 실시예에 적용되는 부시 베어링에서 윤활 부재의 평균두께가 대략 1mm라고 할 때, 그 윤활 부재의 평균두께 대비 방식①에서의 원통도는 대략 1.2%이나, 방식②에서는 원통도는 대략 0.4% 정도가 된다. 따라서, 측정오차 등을 고려하면 원통도가 0.5~0.6% 이내가 될 수 있다. 하지만, 앞서 본 바와 같이 방식①에서는 원통도가 적어도 1% 이상이 될 수 있어, 방식①에 비해 방식②는 원통도가 대략 1/3로 크게 개선된 것을 알 수 있다.

이는, 방식②의 경우가 방식①의 경우에 비해 부시 베어링의 일단(후방단)에서 외경이 변형되는 것을 억제하면서 원통도가 개선되는 것이므로, 결국 베어링 부시의 외경변화 역시 방식②가 방식①에 비해 감소될 수 있다. 이에 대해서는 도 8을 다시 참조하여 알 수 있다. 즉, 방식②의 경우는 윤활 부재의 양단 외경차이가 대략 1~2㎛ 정도가 되는데, 이를 가공오차 등을 고려하더라도 윤활 부재의 평균두께 대비 대략 3% 이내가 될 수 있다. 반면, 방식①에서는 윤활 부재의 양단 외경차이가 대략 7~8㎛ 정도가 되는 것을 볼 수 있다.

상기와 같이 원통도가 작다는 것은 그만큼 부시 베어링의 외경변화가 크지 않다는 것을 의미하는 것이므로, 이는 부시 베어링의 외경을 정밀하게 관리할 수 있어 그만큼 부시 베어링에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

한편, 상기와 같이 부시 베어링이 압축기를 비롯한 다른 제품에 적용되는 경우 그 부시 베어링의 변형정도는 해당 제품의 성능이나 신뢰성에 큰 영향을 미치게 된다.

예를 들어, 도 10과 같이, 스크롤 압축기에 적용되는 부시 베어링(200)이 선회스크롤(150)의 보스부(153)에 압입되어 그 보스부(153)가 삽입되는 회전축(123)의 보스결합홈(123d)과의 사이에서 베어링 역할을 하게 될 수 있다.

이 경우, 방식①에 따른 부시 베어링은 그 윤활 부재(220)의 외경이 균일하지 못하고 후방단(하단)(202)으로 갈수록 크게 증가함에 따라, 부시 베어링(200)의 외주면이 보스결합홈(123d)의 내주면에 과도하게 밀착되면서 마찰손실을 발생시키는 동시에 부시 베어링(200)의 편마모가 발생될 수 있다. 이로 인해 선회스크롤(150)의 기울어짐이 증가되어 압축실 누설이 발생되면서 압축효율도 저하될 수 있다.

반면, 방식②에 따른 부시 베어링(200)은 윤활 부재(220)의 외경이 균일하게 유지됨에 따라, 그 부시 베어링(200)이 보스부(153)에 압입되더라도 부시 베어링(200)의 외주면과 보스결합홈(123d)의 내주면과의 마찰손실이나 부시 베어링의 편마모를 억제할 수 있다. 뿐만 아니라, 선회스크롤(150)의 기울어짐을 억제하여 압축실 누설을 억제할 수 있다.

특히, 부시 베어링(200)이 스크롤 압축기에 적용되는 경우, 그 압축기의 운전시 발생되는 열에 의해서도 윤활 부재(220)가 열팽창을 하면서 앞서 지적한 문제들이 더욱 가중될 수 있다. 이는 윤활 부재(220)의 두께가 두꺼울수록 열팽창되는 정도가 심해질 수 있다.

하지만, 본 실시예인 방식②에 따른 부시 베어링(200)은 윤활 부재(220)의 두께가 전방단(상단)(201)에서 후방단(하단)(202)까지 거의 일정하게 유지됨에 따라 부시 베어링(200)의 후방단(하단) 외경(D2)이 전방단(상단) 외경(D1)에 비해 거의 증가하지 않게 될 수 있다. 이에 따라, 압축기의 운전시 발생하는 열에 의해서도 윤활 부재(220)가 열팽창하는 정도가 상대적으로 작게 유지될 수 있다.

도 11 및 도 12는 방식①에 따른 부시 베어링과 방식②에 따른 부시 베어링이 각각 스크롤 압축기에 적용된 경우, 동일한 운전조건(210℃)에 노출된 후 각각의 부시 베어링에 대한 외경변화 및 원통도의 차이를 보인 그래프이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 앞서 설명한 동일한 운전조건에 노출된 후 부시 베어링의 외경변화를 보면, 방식①은 대략 22㎛ 내외, 방식②는 대략 6㎛ 내외 정도가 변형되는 것을 볼 수 있다. 그만큼 방식①에 비해 방식②에서의 윤활 부재(220) 두께가 얇게 유지되기 때문인 것으로 볼 수 있다.

이는, 도 12에 도시된 원통도의 변화를 비교해 봐도 알 수 있다. 즉, 앞서의 운전조건에 노출된 후 부시 베어링에 대한 외주면 원통도의 변화를 보면, 확실히 방식②의 경우가 방식①의 경우에 비해 원통도 변화가 적은 것을 볼 수 있다. 즉, 방식①의 경우 평균 원통도가 대략 22㎛ 정도가 되는데 반해, 방식②의 경우는 평균 원통도가 대략 6㎛ 정도가 되는 것을 볼 수 있다.

결국, 방식②의 경우는 절삭 가공시 발생하는 절삭열을 낮춰 실제 윤활 부재(220)의 두께증가를 최소한으로 유지하는 한편, 압축기 등에 적용하였을 경우 압축기의 운전열에 의해 열팽창하는 것을 최소한으로 유지할 수 있다. 이에 따라, 부시 베어링의 전체 외경 변화는 방식①의 경우에 비해 크게 낮아져 그만큼 부시 베어링이 적용되는 압축기의 성능과 신뢰성을 높일 수 있다. 이는, 부시 베어링과 보스결합홈 사이의 간격을 100㎛ 이내로 관리하는 점을 감안할 때, 방식②에 따른 부시 베어링을 압축기에 적용하는 경우 압축기의 성능과 신뢰성을 높이는데 더욱 효과적일 것으로 기대할 수 있다.

한편, 전술한 실시예들은 스틸 재질로 된 베이스 부재가 내주면을 이루고, 윤활소재로 된 윤활 부재가 외주면을 이루는 이중 부시 베어링에 관한 것이나, 경우에 따라서는 부시 베어링 전체가 윤활 소재로 된 단일 부시 베어링에도 동일하게 적용할 수 있다.

상기와 같이 단일 부시 베어링의 경우에는 앞서 본 이중 부시 베어링에 비해 윤활 부재의 두께가 더욱 두껍게 되므로, 앞서 설명한 작용 효과 측면에서 더욱 유리할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 앞서 이중 부시 베어링에 대한 설명으로 대신한다.

123 : 회전축 123d : 보스결합홈
150 : 선회스크롤 153 : 보스부
200 : 부시 베어링 201 : 사출품의 전방단
202 : 사출품의 후방단 210 : 베이스 부재
211 : 널링부 220 : 윤활 부재
220a : 윤활 부재의 전방단 220b : 윤활 부재의 후방단
221 : 피크 222 : 탄소 섬유
222a : 섬유 뭉치 225 : 오버 몰딩부

Claims

원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되는 베이스 부재; 및
상기 베이스 부재에 비해 강성은 낮고 윤활성은 우수한 소재로 이루어지고, 상기 베이스 부재의 외주면에 일체로 구비되어 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되는 윤활 부재;를 포함하고,
상기 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)가 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.6% 이내를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제1항에 있어서,
상기 윤활 부재의 양단 외경차이는 상기 윤활 부재의 외경을 기준으로 3% 이내가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제1항에 있어서,
상기 베이스 부재의 외주면에는 상기 윤활 부재의 내주면과의 접촉면적이 확대되도록 널링부(knurling portion)가 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제3항에 있어서,
상기 베이스 부재의 두께를 a, 상기 윤활 부재의 두께를 b, 상기 널링부의 깊이를 c라고 할 때, 아래의 범위를 만족하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
b/a = 1.09 ~ 1.15,
c/a = 0.3 ~ 0.5
제1항에 있어서,
상기 윤활 부재는 수지 계열에 탄소 섬유가 함유되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제5항에 있어서,
상기 수지 계열은 피크(PEEK)소재인 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제5항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 상기 베이스 부재의 길이방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제7항에 있어서,
상기 탄소 섬유는 상기 윤활 부재의 양단에 절단면이 노출되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제1항에 있어서,
상기 윤활 부재는 양단에 절단면이 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제1항에 있어서,
상기 윤활 부재가 210℃에서 2시간 노출된 후 그 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)는 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.3% 이내를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
탄소 섬유가 포함된 윤활 부재가 원주방향을 따라 이격면이 없는 원통 형상으로 형성되며,
상기 윤활 부재가 210℃에서 2시간 노출된 후 그 윤활 부재의 외주면 원통도(cylindricty)는 상기 윤활 부재의 평균두께 대비 0.3% 이내를 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 외부윤활층을 가지는 부시 베어링은,
베이스 부재의 외주면에 윤활성 소재로 된 윤활 부재를 사출하는 사출 단계;
사출된 상기 윤활 부재의 외경을 절삭하는 1차 가공 단계;
1차 가공된 상기 윤활 부재에 대한 열처리를 실시하는 열처리 단계; 및
열처리된 상기 윤활 부재의 외경을 절삭하는 2차 가공 단계;로 진행하여 제작되는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 사출 단계에서는 상기 윤활 부재를 이루는 피크와 탄소섬유를 함께 사출하여서 된 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 사출 단계에서는 상기 윤활 부재를 이루는 사출물을 주입하는 쪽의 반대쪽 단부에 상기 베이스 부재의 단부보다 길게 오버 몰딩부를 형성하고,
상기 1차 가공 단계에서 상기 오버 몰딩부를 절삭하여 제거하는 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 1차 가공 단계에서의 가공 두께는 상기 2차 가공 단계에서의 가공두께보다 큰 것을 특징으로 하는 외부윤활층을 가지는 부시 베어링의 제조 방법.