WO2016088994A1 - 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜 - Google Patents

볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜 Download PDF

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WO2016088994A1
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outer ring
manufacturing
outer race
ball bearing
preformed
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현준수
이운주
박지헌
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주식회사 베어링아트
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    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/04—Making machine elements ball-races or sliding bearing races
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P17/00—Metal-working operations, not covered by a single other subclass or another group in this subclass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/64—Special methods of manufacture

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing the outer ring of the ball bearing and the outer ring of the ball bearing produced by the same, more specifically, the outer ring is made of a high-purity alloy steel suitable for induction high frequency heat treatment, the outer ring through a controlled cooling or quenching and tempering process It relates to an outer ring manufacturing method of the ball bearing to improve the hardness of the raceway surface and the outer ring of the ball bearing produced through the same.
  • the bearing is a device that facilitates the rotation of the rotating element is mounted between the rotating element and the non-rotating element, typically a rolling element such as a ball or roller disposed between the inner and outer rings, and the inner and outer rings It is configured to include.
  • bearings are manufactured from high-clean alloy steel or high chromium alloy steel in order to maintain proper bearing performance and extend their lifespan, and then manufacture them through an appropriate heat treatment process.
  • bearings tend to be developed as an angular ball bearing type in which rolling element balls are applied between outer and inner rings.
  • the present invention is to solve the problems as described above, to provide an outer ring manufacturing method of the ball bearing to improve the hardness of the outer ring or the inner ring to increase the load capacity of the ball bearing and to provide an outer ring of the ball bearing produced through
  • an outer ring manufacturing method of the ball bearing to improve the hardness of the outer ring or the inner ring to increase the load capacity of the ball bearing and to provide an outer ring of the ball bearing produced through
  • Ball bearing manufacturing method for achieving the object as described above is a radius in the body through a hot forging process to form a body through the center and the hot forging mold by heating the material to a predetermined temperature
  • a first step of manufacturing a primary preformed outer ring by forming an outer ring raceway surface on a flange extending in a direction and an inner circumferential surface of a radially inner side of the body A second step of manufacturing a second preformed outer ring by heat-treating the entire primary preformed outer ring;
  • the second step may include a controlled cooling process of forcibly cooling the primary preformed outer ring manufactured through the hot forging process of the first step.
  • the second step is an quenching process of air cooling the primary preformed outer ring produced through the hot forging process of the first step, and then heating the primary preformed outer ring to a first set temperature and then cooling it. And a tempering process of heating to a second preset temperature lower than the first preset temperature and then cooling.
  • Hardness of the secondary preformed outer ring formed through the second step may be heat-treated to have a hardness of HRC 20 ⁇ 30 based on Rockwell hardness.
  • the cured layer formed on the outer ring through the fourth step is a homogeneous cured layer having a homogeneous thickness; And a variable cured layer having a thickness that decreases toward the outer side in the circumferential direction while being disposed left and right with respect to the homogeneous cured layer.
  • the material used in the first step may be a high-clean alloy steel including C 0.55 to 0.59% by weight, Si 0.15 to 0.30% by weight, Mn 0.75 to 0.90% by weight, and Cr 0.10 to 0.20% by weight.
  • the outer ring of the ball bearing according to another embodiment of the present invention can be produced through the manufacturing method of claim 1 to claim 8.
  • the outer ring manufacturing method of the ball bearing according to the embodiment of the present invention as described above and the outer ring of the ball bearing produced through the same the hardness of the outer ring through the control cooling process or quenching and tempering after hot forging the outer ring of the ball bearing As a result, the allowable contact surface pressure of the outer ring can be improved, and plastic deformation of the outer ring can be prevented when the ball bearing is used.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a ball bearing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the outer ring raceway surface according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the outer ring according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph illustrating a controlled cooling process according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph for explaining the quenching and tempering process according to an embodiment of the present invention.
  • the ball bearing 10 is formed to have a cylindrical inner ring 20 having both sides facing each other and an inner diameter larger than the outer diameter of the inner ring 20. And an outer ring 30 that supports the inner ring 20 by inserting the inner ring 20 in the axial direction.
  • a portion of the outer circumferential surface located radially outer side of the inner ring 20 is formed with an inner ring raceway surface 22 of a recessed shape radially inward, and the inner circumferential surface of the outer ring 30 facing the inner ring raceway 22.
  • Edo outer raceway surface 32 of the form recessed radially outward is formed.
  • the outer ring raceway surface 32 and the inner ring raceway surface 22 are spaced apart from each other in the radial direction to form a gap, and the rolling element ball 40 is inserted through the gap so that the outer ring raceway surface 32 and the inner ring raceway It is seated on the face 22 and is rotatably supported.
  • the outer ring 30 and the inner ring 20 have a structure that can rotate relative to each other through the rolling element ball 40.
  • the outer ring raceway surface 32 forms a pair of outer raceway raceways 32 and 32 spaced apart from each other in the axial direction, respectively, and the pair of outer raceway raceways 32 and 32 refer to the center of the gap therebetween. Can be arranged symmetrically to each other.
  • the inner ring raceway surface 22 also forms a pair of inner raceway raceways 22 and 22 spaced apart from each other in the axial direction, and the pair of inner raceway raceways 22 and 22 respectively. May be arranged symmetrically with respect to the center of the gap therebetween.
  • the rolling ball 40 is received and supported by the pair of inner ring raceway surfaces 22 and 22 and outer ring raceway surfaces 32 and 32, and the rolling element balls 40 are arranged in a plurality in the circumferential direction.
  • the rows of the rolling elements are arranged to be spaced apart in the axial direction to form a double row.
  • a flange 34 extending radially outward may be integrally formed on an outer circumferential surface of the radially outer side of the outer ring 30.
  • One or more assembly holes 36 penetrate the flange 34 to fasten the outer ring 30 with other components.
  • FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the outer ring according to an embodiment of the present invention.
  • the outer ring 30 may be manufactured through the following first to sixth processes.
  • the first preformed outer ring 30A is manufactured by using a hot forging die after heating a material such as the high-clean alloy steel described above to an appropriate temperature.
  • the primary preformed outer ring 30A manufactured through the first process includes a body 31 having a central portion penetrated therein, a flange 34 extending radially from the body 31, and the body 31. It may include an outer ring raceway surface 32 is formed on the inner peripheral surface of the radially inner side.
  • the material of the primary preformed outer ring (30A) produced by the first process includes C 0.55 ⁇ 0.59 wt%, Si 0.15 ⁇ 0.30 wt%, Mn 0.75 ⁇ 0.90 wt%, Cr 0.10 ⁇ 0.20 wt% It is preferable to use a highly clean alloy steel.
  • the second step heat-treats the entire primary preformed outer ring 30A to improve the strength, hardness and toughness of the outer ring 30 to produce the secondary preformed outer ring 30B.
  • the material heat treatment process may be a controlled cooling process forcibly cooling the primary preformed outer ring (30A) produced through the hot forging process of the first process.
  • the hardness of the material may be improved.
  • the material heat treatment process is performed by air cooling the primary preformed outer ring 30A produced through the hot forging process of the first process at room temperature, and then heating to a first set temperature. It may include a quenching step of rapid cooling after the step, and a tempering step of air cooling to a second set temperature lower than the first set temperature.
  • the hardness of the material can be improved.
  • the contact surface pressure of the outer ring raceway surface 32 allowed by the bearing can be satisfied up to about 4200 MPa.
  • the warning of the material is 30HRC or more based on the Rockwell hardness, since turning is not easy, the hardness of the material increasing through the quenching and tempering process is preferably in the range of 20 ⁇ 30HRC.
  • the outer circumferential surface of the body 31 of the secondary preformed outer ring 30B and the outer circumferential surface of the flange 34 are turned to design dimensions to form the third preformed outer ring 30C. To make.
  • the outer ring raceway surface 32 of the tertiary preformed outer ring 30C is subjected to high frequency heat treatment to form a hardened layer having improved hardness to produce the fourth preformed outer ring 30D.
  • an optimal hardened layer should be formed on the outer raceway raceway 32.
  • the double row ball bearing 10 according to an exemplary embodiment of the present invention may be used. Is applied to the vehicle transmission, when there is no internal clearance, the initial contact angle of the rolling element ball 40 in contact with the outer raceway surface 32 is changed in the range of about ⁇ 6 ⁇ 7 ° depending on the load, the gap exists In this case, the maximum range is ⁇ 15 ⁇ 16 °.
  • the hardened layer has a range of ⁇ 20 to 25 ° at the maximum initial contact angle (40 ° to 50 ° to the left and right based on the maximum initial contact angle) in consideration of the contact area where the rolling element ball 40 contacts the outer raceway surface 32.
  • the outer ring is formed by forming a homogeneous cured layer 32a having a constant thickness therein, and forming a variable cured layer 32b in which the thickness of the cured layer gradually decreases outward in the circumferential direction based on the homogeneous cured layer 32a. It is possible to minimize the thermal strain in the induction high-frequency heating heat treatment process of the raceway surface (32).
  • the radius of curvature (R) is preferably formed to be 8% or more of the diameter (D) of the rolling element ball (40).
  • the fifth step is to turn the outer circumferential surface of the body 31 of the fourth preformed outer ring 30D and the outer circumferential surface of the flange 34,
  • the fifth preformed outer ring 30E is manufactured by drilling to form an assembly hole 36 penetrating the flange 34.
  • Some dimensions of the outer ring 30 may be modified through the high frequency heat treatment process of the fourth process. Therefore, the outer circumferential surface of the body 31 of the fourth preformed outer ring 30D and the outer circumferential surface of the flange 34 may be processed according to design dimensions through a turning process after heat treatment. In addition, an assembly hole 36 penetrating the flange 34 may be formed through a drilling process.
  • the sixth process can produce the outer ring 30 by polishing the outer ring raceway surface 32 of the fifth preformed outer ring 30E and finishing it with high precision.
  • the strength and hardness of the outer ring 30 can be improved through a controlled cooling process or a heat treatment process such as a quenching and tempering process,
  • the contact surface pressure allowed by (30) can be improved. For this reason, it can prevent that plastic deformation generate

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 볼 베어링 제조 방법은 중앙이 관통된 몸체와, 소재를 소정 온도로 가열하여 열간 단조 금형으로 성형하는 열간 단조 공정을 통해 상기 몸체에서 반경 방향으로 연장된 플랜지, 및 상기 몸체의 반경 방향 내측의 내주면에 외륜 궤도면을 성형하여 1차 예비 성형 외륜을 제작하는 제1단계; 상기 1차 예비 성형 외륜 전체를 열처리하여 2차 예비 성형 외륜을 제작하는 제2단계; 상기 2차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜을 제작하는 제3단계; 상기 3차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 고주파 열처리하여 4차 예비 성형 외륜을 제작하는 제4단계; 상기 4차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하고, 상기 플랜지를 관통하는 조립구멍을 형성하는 드릴링을 하여 5차 예비 성형 외륜을 제작하는 제5단계; 및 상기 5차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜을 제작하는 제6단계;를 포함할 수 있다.

Description

볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜
본 발명은 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외륜은 유도 고주파 열처리에 적합한 고청정 합금강으로 제조되고, 제어 냉각 또는 담금질 및 뜨임 공정을 통해 외륜 궤도면의 경도를 향상시키는 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜에 관한 것이다.
일반적으로 베어링은 회전하는 요소와 회전하지 않는 요소 사이에 장착되어 회전하는 요소의 회전을 원활하게 하는 장치로서, 통상적으로는 내륜과 외륜 및, 내륜과 외륜 사이에 배치되는 볼이나 롤러 등과 같은 전동체를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 베어링이 빠른 속도로 회전하는 구동축을 지지하도록 설치되는 경우에는, 예를 들면 자동차의 변속기에 사용되는 경우에는, 베어링 부품들 사이, 즉 내륜과 외륜 및 전동체 사이의 마찰열에 의해 온도가 상승함에 따라 윤활 성능이 저하됨과 더불어 마모가 발생하게 되고, 이러한 마모가 지속적으로 이루어지면 베어링이 제기능을 원활하게 수행하지 못하고 파손될 수 있다.
따라서 베어링은 적절한 베어링 성능을 유지하고 그 수명을 연장시키기 위해 고청정 합금강 또는 고크롬 합금강으로 제작한 다음에 적절한 열처리 공정을 거쳐서 제조하고 있다.
최근에 개발되는 베어링은 외륜과 내륜 사이에 전동체 볼을 적용한 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing) 타입으로 개발되는 추세이다.
이러한 앵귤러 볼 베어링이 적용되는 자동차 변속기의 경우, 기존의 다른 레이아웃은 유지한 상태에서 앵귤러 볼 베어링이 지지할 수 있는 부하 용량을 증가시키기 위해서는 상대적으로 직경이 큰 전동체 볼을 사용해야 한다. 이러한 경우, 외륜의 살 두께가 얇아지기 때문에 외륜의 강성이 약해지는 문제가 발생한다.
종래의 외륜 제작 방법은 단조 공정 후 어닐링(annealing)하여 제작하였으나, 이러한 제조 공정에 의하면, 외륜의 경도를 충분히 증가시키지 못하고, 이에 따라 베어링 사용시에 외륜에 인가되는 면압에 의해 외륜의 일부가 소성 변형되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 볼 베어링의 부하 용량을 증가시킬 수 있도록 외륜 또는 내륜의 경도를 향상시키는 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 볼 베어링 제조 방법은 중앙이 관통된 몸체와, 소재를 소정 온도로 가열하여 열간 단조 금형으로 성형하는 열간 단조 공정을 통해 상기 몸체에서 반경 방향으로 연장된 플랜지, 및 상기 몸체의 반경 방향 내측의 내주면에 외륜 궤도면을 성형하여 1차 예비 성형 외륜을 제작하는 제1단계; 상기 1차 예비 성형 외륜 전체를 열처리하여 2차 예비 성형 외륜을 제작하는 제2단계; 상기 2차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜을 제작하는 제3단계; 상기 3차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 고주파 열처리하여 4차 예비 성형 외륜을 제작하는 제4단계; 상기 4차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하고, 상기 플랜지를 관통하는 조립구멍을 형성하는 드릴링을 하여 5차 예비 성형 외륜을 제작하는 제5단계; 및 상기 5차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜을 제작하는 제6단계;를 포함할 수 있다.
상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 강제 냉각시키는 제어 냉각 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 공랭시킨 후, 상기 1차 예비 성형 외륜을 제1 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 담금질 공정과, 상기 제1 설정 온도보다 낮은 제2 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 뜨임 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2단계를 통해 성형되는 상기 2차 예비 성형 외륜의 경도는 로크웰 경도를 기준으로 HRC 20~30의 경도를 갖도록 열처리 될 수 있다.
상기 제4단계를 통해 상기 외륜에 형성되는 경화층은 균질한 두께를 갖는 균질 경화층; 및 상기 균질 경화층을 기준으로 좌우로 배치되면서 원주 방향으로 외측으로 갈수록 두께가 감소하는 가변 경화층;을 포함할 수 있다.
상기 제1단계에서 사용되는 소재는 C 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, 및 Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 볼 베어링의 외륜은 제1항 내지 제8항의 제조 방법을 통해 제작될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 외륜 제조 방법 및 이를 통해 제작된 볼 베어링의 외륜에 의하면 볼 베어링의 외륜을 열간 단조한 후에 제어 냉각 공정 또는 담금질 및 뜨임 공정을 통해 외륜의 경도를 향상시킴으로써, 외륜의 허용 접촉 면압을 향상시킬 수 있고, 볼 베어링 사용시에 외륜에 소성 변형이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 외륜 궤도면의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 외륜의 제조 공정도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 제어 냉각 공정을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 담금질 및 뜨임 공정을 설명하기 위한 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링(10)은 서로 마주보는 양측면이 개구된 원통 형상의 내륜(20)과, 이 내륜(20)의 외경보다 큰 내경을 갖도록 형성되어 상기 내륜(20)을 축방향 내측으로 끼워서 지지하는 외륜(30)을 포함한다.
상기 내륜(20)의 반경 방향 외측에 위치한 외주면의 일부에는 반경 방향 내측으로 함몰된 형태의 내륜 궤도면(22)이 형성되고, 상기 내륜 궤도면(22)에 대향하는 상기 외륜(30)의 내주면에도 반경 방향 외측으로 함몰된 형태의 외륜 궤도면(32)이 형성된다.
상기 외륜 궤도면(32)과 내륜 궤도면(22)은 반경 방향으로 서로 이격되게 배치되어 갭을 형성하고, 상기 갭을 통해 전동체 볼(40)이 삽입되어 외륜 궤도면(32)과 내륜 궤도면(22)에 안착되어 회전 가능하게 지지된다.
이에 따라, 상기 전동체 볼(40)을 매개로 상기 외륜(30)과 내륜(20)은 서로 상대 회전 가능한 구조를 가지게 된다.
상기 외륜 궤도면(32)은 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 외륜 궤도면(32, 32)을 각각 형성하고, 상기 1쌍의 외륜 궤도면(32, 32)은 그 사이 간격의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
상기 내륜 궤도면(22)도 외륜 궤도면(32)과 마찬가지로 축방향으로 서로 이격된 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)을 각각 형성하고, 상기 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)은 그 사이 간격의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
상기 1쌍의 내륜 궤도면(22, 22)과 외륜 궤도면(32, 32)에 상기 전동체 볼(40)이 수용되어 지지되고, 상기 전동체 볼(40)은 원주 방향으로 다수개로 배열되어 열을 형성하게 되며, 상기 전동체 열은 축방향으로 이격되게 배열되어 복열을 형성하게 된다.
상기 외륜(30)의 반경 방향 외측의 외주면에는 반경 방향 외측으로 확장된 플랜지(34)가 일체로 형성될 수 있다.
상기 플랜지(34)에는 관통하는 조립구멍(36)이 하나 이상으로 형성되어, 외륜(30)을 다른 부품들과 체결할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링의 외륜의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 외륜의 제조 공정도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 외륜(30)은 다음의 제1공정 내지 제6공정을 통해 제작될 수 있다.
제1공정(열간 단조 공정)에서는 앞에서 설명한 고청정 합금강과 같은 소재를 적절한 온도로 가열한 다음에 열간 단조 금형으로 1차 예비 성형 외륜(30A)을 제작한다.
상기 제1공정을 통해 제작되는 상기 1차 예비 성형 외륜(30A)은 중앙부가 관통된 몸체(31)와, 상기 몸체(31)에서 반경방향으로 연장되는 플랜지(34), 및 상기 몸체(31)의 반경 방향 내측의 내주면에 형성되는 외륜 궤도면(32)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1공정을 통해 제작되는 1차 예비 성형 외륜(30A)의 소재는 C 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 고청정 합금강을 사용하여 외륜(30)을 제작하면, 후술할 제4 공정에서 형성될 상기 외륜 궤도면(32)의 경화층 두께를 얇게 형성할 수 있는 장점이 있다.
제2공정(소재 열처리 공정)은 상기 1차 예비 성형 외륜(30A) 전체를 열처리하여 외륜(30)의 강도와 경도 및 인성을 향상시켜 2차 예비 성형 외륜(30B)을 제작한다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 소재 열처리 공정은 상기 제1공정의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜(30A)을 강제 냉각시키는 제어 냉각 공정일 수 있다.
이와 같이, 상기 제어 냉각 공정을 통해 제1공정의 열간 단조 공정을 통해 제작된 1차 예비 성형 외륜(30A)을 팬 등을 통해 강제 냉각시키면, 소재의 경도를 향상시킬 수 있다.
또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 소재 열처리 공정은 상기 제1공정의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜(30A)을 상온에서 공랭시킨 후에, 제1 설정 온도로 가열한 후 급속 냉각시키는 담금질 공정 및, 상기 제1 설정 온도보다 낮은 제2 설정 온도로 가열하여 공랭시키는 뜨임 공정을 포함할 수 있다.
이와 같이, 열간 단조된 후의 1차 예비 성형 외륜(30A) 전체에 대해 담금질 및 뜨임 공정을 수행하면, 소재의 경도를 향상시킬 수 있다.
상기 제어 냉각 공정 또는 상기 담금질 및 뜨임 공정을 통해 베어링이 허용하는 상기 외륜 궤도면(32)의 접촉 면압을 약 4200MPa까지 만족시킬 수 있다. 이때, 소재의 경고가 로크웰 경도를 기준으로 30HRC 이상이면, 선삭 가공이 용이하지 않기 때문에, 담금질 및 뜨임 공정을 통해 증가하는 소재의 경도는 20~30HRC의 범위인 것이 바람직하다.
다시 도 3을 참조하여 설명한다.
제3공정(열처리전 선삭 공정)은 상기 2차 예비 성형 외륜(30B)의 몸체(31)의 외주면, 상기 플랜지(34)의 외주면을 설계 치수대로 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜(30C)을 제작한다.
제4공정(고주파 열처리 공정)은 상기 3차 예비 성형 외륜(30C)의 외륜 궤도면(32)을 고주파 열처리하여 경도를 향상시킨 경화층을 형성하여 4차 예비 성형 외륜(30D)을 제작한다.
도 2를 참조하면, 상기 유도 고주파 열처리를 통한 열변형을 최소한으로 저감하기 위해서는 외륜 궤도면(32)에 최적의 경화층을 형성시켜야 하는 바, 본 발명의 실시 예에 따른 복열 볼 베어링(10)을 자동차 변속기에 적용할 경우에 내부 틈새가 없을 때에는 전동체 볼(40)이 외륜 궤도면(32)에 접촉하는 초기 접촉각이 하중에 따라 약 ±6 ~ 7°의 범위로 변화되고, 틈새가 존재할 경우에는 최대 ±15 ~ 16°이하의 범위로 변화하게 된다.
따라서 경화층은 전동체 볼(40)이 외륜 궤도면(32)에 접촉하는 접촉 면적을 고려하여 최대 초기 접촉각에서 ±20 ~ 25°범위(최대 초기 접촉각을 기준으로 좌우로 40° ~ 50°) 내에서 두께가 일정한 균질 경화층(32a)을 형성시키고, 상기 균질 경화층(32a)을 기준으로 원주 방향으로 외측으로는 경화층의 두께가 서서히 감소하는 가변 경화층(32b)을 형성시킴으로써, 외륜 궤도면(32)의 유도 고주파 가열 열처리 과정에 열변형을 최소한으로 저감할 수 있게 된다.
그리고 외륜 궤도면(32)의 순간적인 유도 고주파 가열 및 냉각의 열처리 과정에 균열을 방지하기 위해 소경단부의 모서리부(32c)에는 적절한 곡률 반경(R)을 가진 곡면을 형성시키는 것이 바람직하다.
상기 곡률 반경(R)은 전동체 볼(40)의 지름(D)의 8% 이상이 되도록 형성하는 하는 것이 바람직하다.
상기 같이 외륜 궤도면(32)을 열처리하면, 열처리 변형을 최소한으로 저감할 수 있을 뿐만 아니라 열처리 이후의 선삭 가공 및 연삭 가공 취대량을 20% 이상으로 줄일 수 있으므로, 가공 시간 및 가공 단가를 저감할 수 있게 된다.
다시 도 3에 도시된 바와 같이, 제5공정(열처리후 선삭 및 드릴링 공정)은 상기 4차 예비 성형 외륜(30D)의 몸체(31)의 외주면, 상기 플랜지(34)의 외주면을 선삭 가공하고, 상기 플랜지(34)를 관통하는 조립구멍(36)을 형성하는 드릴링을 하여 5차 예비 성형 외륜(30E)을 제작한다.
상기 제4공정의 고주파 열처리 공정을 통해 외륜(30)의 일부 치수가 변형될 수 있다. 따라서, 열처리후 선삭 공정을 통해 상기 4차 예비 성형 외륜(30D)의 몸체(31)의 외주면, 상기 플랜지(34)의 외주면을 설계 치수대로 가공할 수 있다. 그리고, 드릴링 공정을 통해 상기 플랜지(34)를 관통하는 조립구멍(36)을 형성할 수 있다.
마지막으로, 제6공정(연마 및 다듬질 공정)은 상기 5차 예비 성형 외륜(30E)의 외륜 궤도면(32)을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜(30)을 제작할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의한 볼 베어링 제작 방법에 의하면, 제어 냉각 공정, 또는 담금질 및 뜨임 공정과 같은 열처리 공정을 통해 외륜(30)의 강도 및 경도를 향상시킬 수 있고, 상기 외륜(30)이 허용하는 접촉 면압을 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 볼 베어링 사용시에 외륜(30)에 소성 변형이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 소재를 소정 온도로 가열하여 열간 단조 금형으로 성형하는 열간 단조 공정을 통해 중앙이 관통된 몸체와, 상기 몸체에서 반경 방향으로 연장된 플랜지, 및 상기 몸체의 반경 방향 내측의 내주면에 외륜 궤도면을 성형하여 1차 예비 성형 외륜을 제작하는 제1단계;
    상기 1차 예비 성형 외륜 전체를 열처리하여 2차 예비 성형 외륜을 제작하는 제2단계;
    상기 2차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하여 3차 예비 성형 외륜을 제작하는 제3단계;
    상기 3차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 고주파 열처리하여 4차 예비 성형 외륜을 제작하는 제4단계;
    상기 4차 예비 성형 외륜의 몸체의 외주면, 상기 플랜지의 외주면을 선삭 가공하고, 상기 플랜지를 관통하는 조립구멍을 형성하는 드릴링을 하여 5차 예비 성형 외륜을 제작하는 제5단계; 및
    상기 5차 예비 성형 외륜의 외륜 궤도면을 연마하고 초정밀하게 다듬질하여 외륜을 제작하는 제6단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 강제 냉각시키는 제어 냉각 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는 상기 제1단계의 열간 단조 공정을 통해 제작된 상기 1차 예비 성형 외륜을 공랭시킨 후, 상기 1차 예비 성형 외륜을 제1 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 담금질 공정과, 상기 제1 설정 온도보다 낮은 제2 설정 온도로 가열한 후 냉각시키는 뜨임 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계를 통해 성형되는 상기 2차 예비 성형 외륜의 경도는 로크웰 경도를 기준으로 HRC 20~30의 경도를 갖도록 열처리 되는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제4단계를 통해 상기 외륜에 형성되는 경화층은
    균질한 두께를 갖는 균질 경화층; 및
    상기 균질 경화층을 기준으로 좌우로 배치되면서 원주 방향으로 외측으로 갈수록 두께가 감소하는 가변 경화층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계에서 사용되는 소재는 C 0.55 ~ 0.59 중량%, Si 0.15 ~ 0.30 중량%, Mn 0.75 ~ 0.90 중량%, 및 Cr 0.10 ~ 0.20 중량%를 포함하는 고청정 합금강을 사용하는 것을 특징으로 하는 볼 베어링 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항의 제조 방법을 통해 제작되는 볼 베어링의 외륜.
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