KR20210103459A - 표면 처리 방법, 롤러 베어링 구성품 및 장치 - Google Patents

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마르틴 부슈카
질피오 엔트
안드레 쿠쿠크
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명에 따르면, 공작물(1)의 경화된 공작물 표면(10)을 먼저 가공한 후 압연하는, 재료 제거 공정과 롤링 공정을 포함하는 가공 공정이 상기 공작물(1)이 회전하는 동안, 동일한 클램핑 설정으로 이루어진다. 상기 가공 공정과 롤링 공정 모두, 상기 가공에 사용되는 공구(3)와 상기 롤링에 사용되는 롤링 공구(12) 사이의 상기 공작물(1)의 축방향의 변환 방향(Tr)으로 측정되고, 가공 공정 중에 진동으로 변경되는 상기 가공 공정 중 진동으로 변경되는 거리로 인해 교차 가공 트랙(BS)(BW)이 생성된다.

Description

표면 처리 방법, 롤러 베어링 구성품 및 장치
본 발명은 공작물 표면 처리 방법에 관한 것으로, 공작물의 경화된 공작물 표면이 동시에 가공 및 압연되고, 재료 제거 공정과 롤링 공정으로 구성된 가공 공정이 공작물이 회전하는 동안 동일한 클램핑 설정으로 수행된다. 본 발명은 또한 롤 본체를 위한 궤도 트랙으로서 형성된 표면을 가지는 롤러 베어링 구성품 및 상기 방법을 수행하는 장치에 관한 것이다.
일반적인 방법은 유럽 특허(EP 1620 230 B1)서 알려져 있다. 이 방법의 일부로서, 기계 요소의 표면은 먼저 일련의 교차 능선과 홈을 가지는 거친 프로파일을 만드는 하드 터닝(hard turning) 공정을 거친다. 그런 다음 표면은 볼 캘린더링 공정, 즉, 거친 프로파일의 능선을 수평으로 만들기 위해 롤링 공정을 거친다. 알려진 방법에 있어서, 볼 캘린더링에는 직경 2mm와 13mm 사이의 볼이 사용된다. 50 bar ~ 400 bar 범위의 정압을 가진 압력 매체가 볼에 작용한다. 볼 캘린더링 공구를 사용하여 수행되는 롤링 공정에서는 볼 캘린더링 공구와 같은 롤링 공구의 변환 속도와 공작물의 회전 속도 사이에 비율이 설정된다. 이 비율은 재료 제거 공구, 즉 하드 터닝 재료 제거 공구의 변환 속도와 재료 제거 공정 중의 공작물의 회전 속도 사이의 비율과 동일하다.
재료 제거 공정과 후속 롤링 공정을 포함하는 또 다른 표면 처리 방법이 미국 특허(US 7,685,717 B2)에 개시되어 있다. 이 방법은 유럽 특허(EP 1620 230 B1)에 따른 방법과 마찬가지로 롤러 베어링 구성품의 궤도 트랙의 가공에도 제공된다.
본 발명의 목적은 특히 롤러 베어링 구성품의 표면 처리의 추가 개발 옵션을 명시하는 것이며, 이 구성품은 개시된 종래 기술과 비교하여 달성 가능한 표면 품질과 제조 시의 노력 사이에 특히 바람직한 관계로 특징되는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 발명의 목적은 청구항 1에 따른 표면 처리 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 방법은 특히 청구항 8에 따른 롤러 베어링 구성품을 생산하는 데 적합하다. 롤러 베어링 구성품과 관련하여 아래에서 설명하는 발명의 구성 및 장점도 표면 처리 방법에 아날로그 방식으로 적용되며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
표면 처리 방법은 경화 금속 공작물 표면을 가정한다. 특히 공작물 표면은 원통형 롤러 또는 테이퍼형 롤러와 같이 롤 본체의 궤도 트랙 역할을 하는 표면이다. 이러한 표면은 방법의 일부로 재료 제거에 의해 가공된 후 압연되며, 재료 제거와 압연 작업은 공작물이 하나의 클램핑 설정으로 회전하고, 한 손으로는 가공이, 다른 한 손으로는 롤링이, 재료 제거 시 사용되는 공구와 진동 방식으로 롤링 시 사용되는 공구 사이의 가공물의 축방향으로 가공되는 동안 측정된 거리를 변화함에 의해 중첩 가공 트랙으로 행해진다.
종래의 방법과 비교하여, 본 발명에 따른 표면 처리 방법은 실질적으로 시간의 추가 또는 감소를 유발하지 않으며, 상당히 개선된 표면 품질을 달성할 수 있다. 한편으로 재료 제거 공구와 공작물 사이 및 다른 한편으로 롤링 공구와 공작물 사이의 다양한 상대적인 움직임이 중첩되면, 공작물 표면의 다양한 가공 트랙 사이에 수많은 교차점이 생긴다. 공작물 표면에 있는 더 길고, 중단되지 않고, 홈 모양의 구조물은 피한다. 특히 회전 대칭 공작물의 경우, 공작물의 전체 원주를 따라 중단 없이 작동하는 단일 가공 트랙은 없다.
재료 제거 및 후속 롤링으로 구성된 표면 처리는, 공작물이 회전하는 동안 하나의 동일한 클램핑 설정에서 수행된다. 따라서 재료 제거는 특히 하드 터닝이다. 또한 후속 롤링은 롤러 버니싱(roller burnishing)이라 한다.
재료 제거 및 롤러 버니싱을 포함하는 가공 중, 재료 제거 공구와 롤링 공구 사이의 거리는 공작물 회전축의 세로 방향에서 측정되며, 진동 방식으로 변화한다. 재료 제거 공구의 가공 트랙과 롤링 공구의 가공 트랙 사이에 복수의 교차점을 만드는 몇 가지 뚜렷한 방법이 있다.
제1 옵션에 따르면, 재료 제거 공구는 일정한 속도로 전진하는 반면, 롤링 공구는 진동 속도로 전진한다.
제2 옵션에 따르면, 롤링 공구는 일정한 속도로 전진하는 반면, 재료 제거 공구는 진동 속도로 전진한다.
이 경우 바람직한 방법으로는 가공 대상 공작물 표면의 원주는 재료 제거 공구의 가공 트랙 파장의 적분 배수이다.
제3 옵션에 따르면, 두 재료 제거 공구는 진동 속도로 전진하고, 롤링 공구는 공작물 회전축의 종방향으로 다른 진동 속도로 전진한다.
이 경우에도 가공할 공작물 표면의 원주는 재료 제거 공구의 가공 트랙 파장의 적분 배수가 바람직하다. 한편으로 재료 제거 공구로 가공되지 않은 표면 영역이 공작물 표면에 남아 있지 않도록 한다. 반면에 재료 제거 공구를 사용하여 공작물의 표면적을 불필요하게 자주 횡단하는 것은 피한다.
제4 옵션에 따르면, 가공 중 롤링 공구의 이송 방향이 진동 방식으로 반전되는 반면. 재료 제거 공구의 이송 방향은 유지된다.
제5 옵션에 따르면, 재료 제거 공구의 이송 방향은 가공 중에 진동으로 반전되며, 롤링 공구의 이송 방향은 유지된다.
제6 옵션에 따르면, 재료 제거 공구의 이송 방향은 진동 방식으로 반전되고, 롤링 공구의 이송 방향은 가공 중에 진동 방식으로 반전된다.
제4 내지 제6 옵션에 있어서, 재료 제거 공구의 가공 트랙과 롤링 공구의 가공 트랙 사이에 특히 많은 교차점이 생성될 수 있다.
제1 내지 제3 옵션에 따른 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구의 공급 속도의 진동과 제4 내지 제6 옵션에 따른 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구의 공급 방향의 진동을 결합할 수 있다.
절단 및 롤링에 사용되는 공구의 진동 생성에 있어서는, 이러한 목적으로 사용되는 장치의 다른 설계는 기본적으로 서로 구별될 수 있다.
따라서 재료 제거 공구와 롤링 공구로 구성된 장치는 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구가 진동 공급 속도로 이동될 수 있는 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적합하다. 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구의 이송 속도를 독립적으로 설정하고 변경해야 한다.
두 공구, 즉 한 손에는 재료 제거에 사용되는 공구가, 다른 한 손에는 롤링 공구는, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 기계에 독립적으로 고정되어 공급 속도의 필요한 진동이 이 기계의 가공 축에서 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구가 캐리지로 구성되어, 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구의 공급 방향을 진동으로 반전시킬 수 있는 재료 제거 공구와 롤링 공구로 구성된 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 의해 추가로 달성된다.
재료 제거 공구와 롤링 공구가 부착된 장치에는 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구를 위한 진동 장치가 하나 이상 장착되어 캐리지를 구동한다.
특히 바람직한 장치는 재료 제거 공구 및/또는 압연 공구의 이송 속도의 독립적 설정과 변형이 모두 가능하며, 또한 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구가 재료 제거 공구 및/또는 롤링 공구의 이송 방향의 반전을 진동시킬 수 있는 캐리지로 구성되는 장치이다.
표면 처리를 위해 제공된 기계로 통합되는 방법과 관계없이, 롤링 공구는 예를 들어 볼(ball)을 롤링 요소로 가지고 있다. 원칙적으로 원통형 롤러 또는 배럴 롤러와 같이 다른 모양의 회전 대칭형 본체는 롤링 요소로 사용될 수 있다.
다음에서, 본 발명의 몇 가지 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 예제로 설명된다.
도면에서:
도 1은 공작물의 표면 처리를 위한 제1 장치의 단면을 나타내는 개략 사시도이고,
도 2는 공작물의 표면 처리를 위한 추가 장치의 단면을 나타내는 개략 사시도이고,
도 3 내지 도 5는 도 2에 따른 장치로 발생될 수 있는 가공 트랙의 다른 변형예를 나타내고 있다.
참조 번호 (11)로 전체적으로 식별되는 제1 장치는 터닝 툴 형태의 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)로 구성된다. 공구(3)(12)는 공작물(1)(부분적인 단면만 도시됨), 즉 롤러 베어링의 베어링 링의 동시 가공을 위해 제공된다. 공정에서, 가공처리된 가공물 표면(2)이 생성되며, 이 표면은 생산될 롤러 베어링 내에서 롤 바디 궤도 트랙으로서 기능한다.
장치(11)로 수행할 수 있는 방법의 시작점은 이미 경화된 공작물 표면(10)이다. 터닝 툴(turning tool)을 사용하는 하드 터닝은 터닝에 의해 생성되는 일반적인 구조를 가지는 표면(9)이 생성된다. 터닝 과정은 변환 속도(Vax3)와 접선 속도(Vtan)으로 이루어진다. 변환 속도(Vax3)의 방향은 공작물(1)의 회전 축의 정렬, 즉 축 방향에 해당한다.
롤링 공구(12)는 재료 제거 공구(3)에 대해 공작물(1)의 회전 축의 세로 방향으로 오프셋으로 배열되며, 볼이 롤링 요소(4)로 구성된다. 볼은 알려진 방식으로 유압 매체의 압력을 받는다. 공작물(1)의 가공 과정에서, 볼을 포함한 롤링 공구(12)가 변환 속도(Vax12)로 상대적으로 발전하는데, 이는 아래 설명과 같이 변환 속도(Vax3)에 비례하여 다양한 방식으로 변화할 수 있다. 이와 반대로, (Vtan)으로 표시된 공작물(1)에 대한 롤링 공구(12)의 접선 속도는 재료 제거 공구(3)의 접선 속도(Vtan)에 해당한다. 이는 예시적인 실시예에 설명된 대로 공작물(1)의 가공할 표면이 원통형인 경우에 적용된다. 공작물(1)의 원뿔형 또는 구형 만곡 표면의 경우, 가공 공정을 근본적으로 변경하지 않고 접선 속도가 서로 달라진다. 어떤 경우에도 가공처리된 표면(2)는 롤링 공구(12)에 의해 생성된다.
공구(3)(12), 즉 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)는 각각 본 발명에 따른 방법을 수행하는 제1 장치(11)에 독립적으로 클램핑되어, 공급 속도의 필요한 진동이 가공 축에서 발생하도록 한다. 여기서 재료 제거 공구(3)의 이송 속도(Vax3) 및/또는 롤링 공구(12)의 이송 속도(Vax12)는 회전 및 압연 중에 형성된 가공 트랙 영역의 교차점 형성에 특별히 영향을 미치기 위해 진동 방식으로 변경할 수 있다.
도 2는 터닝 툴의 형태의 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)를 구성하는 참조 기호 (11')로 전체적으로 식별된 추가 장치를 나타내고 있다. 도 1과 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
추가 장치(11')로 수행할 수 있는 방법의 시작점은 마찬가지로 이미 경화된 공작물 표면(10)이다. 터닝 툴을 사용하는 하드 터닝은 터닝에 의해 생성되는 일반적인 구조를 가지는 공작물 표면(9)이 생성된다. 터닝 과정은 변환 속도(Vax3)와 접선 속도(Vtan)로 이루어진다. 변환 속도(Vax3)의 방향은 공작물(1)의 회전 축의 정렬, 즉 축 방향에 해당한다.
롤링 공구(12)는 재료 제거 공구(3)에 대해 공작물(1)의 회전 축의 세로 방향으로 오프셋으로 배열되며, 볼이 롤링 요소(4)로 구성된다. 볼은 알려진 방식으로 유압 매체의 압력을 받는다. 공작물(1)의 가공 과정에서, 볼을 포함한 롤링 공구(12)가 변환 속도(Vax12)로 상대적으로 발전하는데, 이는 아래의 더욱 상세한 설명과 같이 변환 속도(Vax3)에 비례하여 다양한 방식으로 변화할 수 있다. 이와 반대로, (Vtan)으로 표시된 공작물(1)에 대한 롤링 공구(12)의 접선 속도는 재료 제거 공구(3)의 접선 속도(Vtan)에 해당한다. 이는 예시적인 실시예에 설명된 대로 공작물(1)의 가공할 표면이 원통형인 경우에 적용된다. 공작물(1)의 원뿔형 또는 구형 만곡 표면의 경우, 가공 공정을 근본적으로 변경하지 않고 접선 속도가 서로 달라진다. 어떤 경우에도 가공처리된 표면(2)은 롤링 공구(12)에 의해 생성된다.
한편의 재료 제거 공구(3)와 다른 한편의 롤링 공구(12)는 각각 편향성에 따라 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)의 공급 방향(도면에서 왼쪽에서 오른쪽으로)을 진동으로 반전시킬 수 있는 캐리지(S3)(S12)로 구성된다. 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)가 부착된 추가 장치(11')에는 캐리지(S3)(S12) 각각을 수평 방향으로 진동 이동(Ow)(Oz)하는 두 개의 진동 장치가 장착되어 있다.
따라서 공작물(1)에 상대적인 재료 제거 공구(3)의 위치를 캐리지(S3)의 진동에 의해 수평 방향으로 변경하여, 터닝 툴로 이미 가공된 영역이 다시 터닝 툴과 결합되도록 할 수 있다.
또한, 공작물(1)에 상대적인 롤링 공구(12)의 위치를 변경할 수 있다. 이는 수평 방향으로 캐리지(S12)가 진동하여 롤링 공구(12)에 의해 이미 반전된 영역이 롤링 공구(12)와 다시 결합되도록 할 수 있다.
따라서 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12) 사이의 거리도 또한 터닝 및 압연 중에 형성되는 가공 트랙 영역의 교차점 형성에 특별히 영향을 주기 위해 진동 방식으로 변경될 수 있다.
물론, 본 발명에 따른 장치는 캐리어(S3)(S12) 중 어느 하나만 가지고도 구현될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시되지는 않았지만, 도 1에 따른 실시예와 도 2에 따른 실시예의 조합에 따른 장치의 구현도 가능하다.
도 3 내지 도 5에 있어서, 다양한 가공 트랙(BW)(BS)은 도 2에 따른 추가 장치(11')를 사용하여 롤링 공구(12) 또는 가공처리된 공작물 표면(2)상의 재료 제거 공구(3)에 의해 생성된다. 접선 방향(Ta)은 접선 속도(Vtan)가 측정되는 방향에 해당한다. 여기에 직교하는 변환 방향(Tr)은 공작물(1)의 회전 축의 세로 방향, 즉 변환 속도(Vax3)(Vax12)가 측정되는 방향을 말한다.
도 3의 경우, 재료 제거 공구(3)는 하드 터닝 중에 일정한 변환 속도(Vax3)로 진보한다. 이와 대조적으로, 롤링 공구(12)는 변환 방향(Tr)에서 진동을 수행한다. 현재의 경우, 이러한 진동은 거의 사인파이다. 이 방법의 변형된 실시예에서는, 예를 들어 지그재그 모양의 트랙일 수 있다.
그 결과, 재료 제거 공구(3)의 가공 트랙(BS)과 롤링 공구(12)의 가공 트랙(BW) 사이에 수많은 교차점(KP)이 발생한다. 가공 파라미터에 따라 공작물(1)의 가공처리된 공작물 표면(2)에 있는 가공 트랙(BS)(BW)은 매우 약하거나 기존의 방법으로 더 이상 인식할 수 없다. 그러나 추가 장치(11')를 제어함으로써 가공 트랙(BS)(BW)은 모든 경우에 정의된 방식으로 사전 결정된다. 이는 도 4 및 도 5에 따른 가공 변형에도 적용된다.
도 4의 경우, 재료 제거 공구(3)는 변환 방향(Tr)에서 진동을 수행한다. 이와 반대로, 이 경우 롤링 공구(12)는 공작물(1)에 대해 일정한 변환 속도(Vax12)로 이동한다. 이렇게 하면 전체적으로 나선형으로 감긴 모양의 가공 트랙(BW)이 생성되는 반면, 축방향의 변환 방향(Tr), 즉 공작물(1)의 회전축 방향의 진동은 나선형 모양의 가공 트랙(BS)에 중첩된다.
도 5에 설명된 경우, 재료 제거 공구(3)의 진동과 롤링 공구(12)의 진동 둘 다 있으며, 각각 변환 방향(Tr)에 있다. 이 경우에도 다른 가공 트랙(BS)(BW) 사이에 수많은 교차점(KP)이 발생한다. 각 교차점(KP)은 표면 요소(OE) 내에 위치하며, 이 표면 요소(OE)에는 어떠한 가공 트랙(BS)(BW)도 정확하게 접선 방향(Ta)으로 구동되지 않는다. 도 5의 경우 변환 속도(Vax3)가 진동하는 주파수는 변환 속도(Vax12)가 진동하는 주파수와 동일하다. 대신, 언급된 주파수 사이의 다른 비율도 선택할 수 있다. 어쨌든, 공구(3)(12) 중 적어도 하나의 변환 속도(Vax3)(Vax12)가 진동하는 주파수는 공작물(1)이 회전하는 주파수보다 높다.
1 : 공작물
2 : 가공처리된 공작물 표면
3 : 재료 제거 공구
4 : 롤링 요소로서의 볼
9 : 하드 터닝되었지만, 아직 압연되지 않은 공작물 표면
10 : 경화되었거나, 그렇지 않으면 아직 더 처리되지 않은 공작물 표면
11, 11' : 장치
12 : 롤링 공구
S3 : 재료 제거 공구의 캐리지
S12 : 롤링 공구의 캐리지
BS : 재료 제거 공구의 가공 트랙
BW : 롤링 공구의 가공 트랙
KP : 교차점
OE : 표면 요소
Oz : 캐리지 S3의 진동 이동
Ow : 캐리지 S12의 진동 이동
Tr : 축방향의 변환 방향
Ta : 접선 방향
Vax3 : 재료 제거 공구의 변환 속
Vax12 : 롤링 공구의 변환 속도
Vtan : 접선 속도

Claims (10)

  1. 경화된 공작물 표면(10)을 먼저 가공한 후 압연하는 공작물(1)의 표면 처리 방법으로서,
    가공 공정이 재료 제거 공정 및 롤링 공정을 포함하고, 상기 공작물(1)이 회전하는 동안, 동일한 클램핑 설정 하에서 이루어지는 공작물 표면 처리 방법에 있어서,
    한편으로는 상기 가공 공정이, 다른 한편으로는 상기 롤링 공정이 중첩된 가공 트랙(BS)(BW)으로 수행되고,
    상기 재료 제거에 사용되는 공구(3)와 상기 롤링에 사용되는 공구(12) 사이의 상기 공작물(10)의 축방향의 변환 방향(Tr)으로의 상기 가공 공정 중 측정된 거리가 진동 방식으로 변경되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가공 중, 상기 재료 제거 공구(3)는 일정한 속도로 전진하는 반면, 상기 롤링 공구(12)는 진동 속도로 전진하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가공 중, 상기 롤링 공구(12)의 이송은 일정한 속도로 이루어지는 반면, 상기 재료 제거 공구(3)는 진동 속도로 전진하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가공 중, 상기 롤링 공구(12)의 이송과 상기 재료 제거 공구(3)의 이송은 서로 다른 진동 속도로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가공 중, 상기 재료 제거 공구(3)의 이송 방향이 유지되는 동안, 상기 롤링 공구(12)의 이송 방향이 진동 방식으로 반전되거나, 상기 가공 중, 상기 롤링 공구(12)의 이송 방향이 유지되는 동안, 상기 재료 제거 공구(3)의 이송 방향이 진동 방식으로 반전되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가공 중, 상기 재료 제거 공구(3)의 이송 방향이 진동 방식으로 반전되고, 상기 롤링 공구(12)의 이송 방향이 진동 방식으로 반전되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(1)의 원주는 상기 재료 제거 공구(3)의 가공 트랙(BS) 파장의 적분 배수인 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 롤 본체의 궤도 트랙으로 제공되고, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 가공처리된 공작물 표면(2)을 가지는, 롤러 베어링 구성품.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한항에 따른 방법을 수행하기 위하여, 상기 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)를 포함하는 장치(11')에 있어서,
    상기 재료 제거 공구(3) 및/또는 롤링 공구(12)는 상기 재료 제거 공구(3)와 롤링 공구(12)의 이송 방향을 진동으로 반전시키는 캐리지(S3)(S12)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 롤링 공구(12)는 롤링 요소(4)로서 볼을 가지는 것을 특징으로 하는, 장치(11').
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