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의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의Cylindrical Roller BearingCylindrical Roller BearingCylindrical Roller BearingCylindrical Roller Bearing
정밀가공기술 고안정밀가공기술 고안정밀가공기술 고안정밀가공기술 고안
의 정밀가공장치 고안:內外 球面ㆍ
구면가공 및 구면가공 을 효율적으로 가공할- Inner Race( ) Outer Race( )外 內
베어링 외곽칫수를 규정한 에 의한 표준형- DIN616(ISO15) Spherical Roller
의 기본설계 개발Bearing S/W
축하중과 반경하중에 따라 접촉각이 설계상 주어진 특수형- Spherical Roller
의 기본설계 개발Bearing S/W
나 구조해석 을 통한 의 최적화 설계. (FEM) Spherical Roller Bearing
의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의 정밀가공기술 고의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의 정밀가공기술 고의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의 정밀가공기술 고의 접촉각도에 변위를 준 내외구면의 정밀가공기술 고2. Spherical Roller Bearing2. Spherical Roller Bearing2. Spherical Roller Bearing2. Spherical Roller Bearing
안안안안
가 의 정밀가공장치 고안. 內外 球面
구면가공 및 구면가공 을 효율적으로 가공할 수 있- Inner Race( ) Outer Race( )外 內
는 장치고안
나 생산성 향상기술.
베어링제작 조립 검사공정의 효율적인 공정개발을 통한 생산성 향상기술지원, ,
의 열처리기술지원3. Spherical Roller Bearing
표면경도 를 목표로 열처리 향상기술 지원- 60~64 HRC
의 윤활기술지원4. Spherical Roller Bearing
접촉부분에서의 에 의한 윤활향상 기술 지원- EHD Theory
의 제작 조립 검사의 공정기술지원5. Spherical Roller Bearing , ,
생산성을 향상시킬 수 있는 개선공정기술의 체계구축을 지원-
제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222
제 절 의 기본설계제 절 의 기본설계제 절 의 기본설계제 절 의 기본설계1 Spherical Roller Bearing1 Spherical Roller Bearing1 Spherical Roller Bearing1 Spherical Roller Bearing
내외경을 이용한 여유간격계산1. Roller Bearing
그림그림그림그림 1.11.11.11.1 그림그림그림그림 1.21.21.21.2
( 외경: , 내경: ,
내경의반지름: , 롤러의 직경: ,
롤러의 반경: ,
:P.C.D의 직경,
Y 이론적: P.C.D와 실제 P.C.D와의 간격)
그림그림그림그림 1.31.31.31.3
( 선분: AF의 길이(AB=2AF), 롤러의 반경: , L 전체 각 롤러 사이 거리의 합:
, Z 롤러의 개수: , P.C.L:Pitch circle 호의 길이, 이론적: P.C.D와 실제 P.C.D와의
간격)
가정 호-∴ AB는 직선에 가깝다 호.( AB 직선≈ AB)
>> 베어링 설계시 과베어링 설계시 과베어링 설계시 과베어링 설계시 과, L L, L L, L L, L LPPPP를 검토한다를 검토한다를 검토한다를 검토한다....
결과결과결과결과))))
식 에 의하여( 1.4) Z 23.09965Z 23.09965Z 23.09965Z 23.09965≑≑≑≑ 이다.
식 에 의해서( 1.7) 이론적 와 실제 사이의 간격이론적 와 실제 사이의 간격이론적 와 실제 사이의 간격이론적 와 실제 사이의 간격Y( P.C.D P.C.D )Y( P.C.D P.C.D )Y( P.C.D P.C.D )Y( P.C.D P.C.D )는 약약약약 0.766970.766970.766970.76697 이다.
식 식 식 으로부터 필요한 각 을 얻는다( 2.1), ( 2.2), ( 2.3) , , .α β γ
앞에서 설명되어진 기본형 베어링의 기하학적 관계를Spherical Roller Program 化
하였으며 여기서 로써 의 가 임의로 주워질 수 있다, Variable Roller Diameter Ratio .
그러나 로 주어진 경우가 대부분이며 시에 로 계산Ratio 0.45 ~ 0.55 Default 0.5≈
된다
개발에는 이 사용되었으며 일반적인 베Program Visual Basic 6.0 , Spherical Roller
어링의 설계시 사용되는 은 다음과 같다 그림 은 프로그램 실Program Listing . ( 1.7)
행화면이다.
그림 표준형 프로그램 실행화면그림 표준형 프로그램 실행화면그림 표준형 프로그램 실행화면그림 표준형 프로그램 실행화면1.7 Spherical Roller Bearing1.7 Spherical Roller Bearing1.7 Spherical Roller Bearing1.7 Spherical Roller Bearing
그림 특수형 프로그램 실행화면그림 특수형 프로그램 실행화면그림 특수형 프로그램 실행화면그림 특수형 프로그램 실행화면1.9 Spherical Roller Bearing1.9 Spherical Roller Bearing1.9 Spherical Roller Bearing1.9 Spherical Roller Bearing
장치의 적용 해석자료장치의 적용 해석자료장치의 적용 해석자료장치의 적용 해석자료4. RWC-UNIT Roller bearing4. RWC-UNIT Roller bearing4. RWC-UNIT Roller bearing4. RWC-UNIT Roller bearing
플라스틱 사출성형작업에서 일반적인 의 마찰면 사이에Wedge Block Roller
또는 저마찰 베어링 재료를 삽입하여 마찰력 손실을 최소화 하고 소형의Bearing ,
유압실린더를 사용하여 수십배의 형체결력 배 을 증가시키는(15 ~ 20 ) RWC-UNIT
장치를 사출기의 형체결장비에 도입 사용한다.
그러나 장치의 도입 사용에 대한 현실적인 가공 및 공정능력에 의한, RWC-UNIT
설계 문제점이 있어 구조적인 내구성과 고정도의 을 확보하기 위해 모델링, Spec
및 해석을 수행하였다 모델링은 의 일부분만을 표현하기 위하여 평. Roller bearing
표 모델별 규격 및 해석조건표 모델별 규격 및 해석조건표 모델별 규격 및 해석조건표 모델별 규격 및 해석조건1.21.21.21.2
나 모델링 및 경계조건나 모델링 및 경계조건나 모델링 및 경계조건나 모델링 및 경계조건....
그림 모델링 및 경계조건그림 모델링 및 경계조건그림 모델링 및 경계조건그림 모델링 및 경계조건1.10 HWC-81.10 HWC-81.10 HWC-81.10 HWC-8
그림 모델링 및 경계조건그림 모델링 및 경계조건그림 모델링 및 경계조건그림 모델링 및 경계조건1.11 HWC-161.11 HWC-161.11 HWC-161.11 HWC-16
다 해석결과다 해석결과다 해석결과다 해석결과....
표 은 과 의 길이를 로 모델링 및 구조해석을 수( 1.3) Wedge Block Bearing 30mm
행하여 분포 및 변형률 정도를 비교한 것이다 네 개의 모델 모Von Mises Stress .
두 변형율은 탄소성 한계 변형 가정치 의 범위 안에 있지만( ) HWC-16_1,,
의 두 모델의 경우 본 해석의 재질로 사용된 의 항복응력HWC-16_2 SKD11, SUJ1
을 초과함을 알 수 있다.
좀 더 정확한 해석 결과를 얻기 위하여 과 의 길이를Wedge Block Bearing 15mm
로 변경하였으며 도 에서 로 조정하였다 표 는 수정된 모델, Mesh 1mm 0.5mm . ( 1.4)
을 가지고 구조해석을 수행하여 분포 및 변형률 정도를 비교한Von Mises Stress
것이다 네 개의 모델 모두 변형율은 탄소성 한계 변형 가정치 의 범위 안에 있지. ( )
만 의 두 모델의 경우 본 해석의 재질로 사용된, HWC-16_SE1, HWC-16_SE2
의 항복응력을 초과함을 알 수 있다SKD11, SUJ1 .
표 모델별 분포 및 비교표 모델별 분포 및 비교표 모델별 분포 및 비교표 모델별 분포 및 비교1.3 Von Mises Stress Strain1.3 Von Mises Stress Strain1.3 Von Mises Stress Strain1.3 Von Mises Stress Strain
표 모델별 분포 및 비교표 모델별 분포 및 비교표 모델별 분포 및 비교표 모델별 분포 및 비교1.4 Von Mises Stress Strain1.4 Von Mises Stress Strain1.4 Von Mises Stress Strain1.4 Von Mises Stress Strain
가 더 신빙성이 있다고 하겠다 그리고 보다는 로 직경을 줄이고. , 16 8 , Roller∅ ∅
의 개수를 배로 증가시키는 것을 권장한다2 ,
향후 성능이 허용하는한 로 더, PC W=16mm, H=5mm, L=15mm, Mesh=0.25mm
세분화하여 재해석을 시도하기로 한다.
특수형 의 해석자료특수형 의 해석자료특수형 의 해석자료특수형 의 해석자료5. Spherical Roller Bearing5. Spherical Roller Bearing5. Spherical Roller Bearing5. Spherical Roller Bearing
해석에 필요한 재질의 특성은 표 과 같으며 경계조건은 아래 그림 과( 1.1) , ( 1.20)
같다.
그림 특수형 의 모델링 및 경계조건그림 특수형 의 모델링 및 경계조건그림 특수형 의 모델링 및 경계조건그림 특수형 의 모델링 및 경계조건1.20 Spherical Roller Bearing1.20 Spherical Roller Bearing1.20 Spherical Roller Bearing1.20 Spherical Roller Bearing
가 해석결과가 해석결과가 해석결과가 해석결과....
표 특수형 의 분포 및 비교표 특수형 의 분포 및 비교표 특수형 의 분포 및 비교표 특수형 의 분포 및 비교1.5 Spherical Roller Bearing Stress Strain1.5 Spherical Roller Bearing Stress Strain1.5 Spherical Roller Bearing Stress Strain1.5 Spherical Roller Bearing Stress Strain
표 는 특수형 을 축방향 하중과 반경방향의 하중비를( 1.5) Spherical Roller Bearing
고려한 접촉각 에 따라 모델링 및 구조해석을 수행하여(5°~15°) Von Mises Stress
분포를 비교한 것이다 접촉각 두 모델은 본 해석의 재질로 사용된. 5°, 10° SKD11,
일반적인 베어링의 로울러 제작은 소재의 절단후 그림 과 같이 양Cylindrical ( 2.2)
쪽의 연삭돌의 속도 조절로 원하는 크기를 얻을 수 있고 공정의 반자동화 또한 그
리 어렵지 않다 하지만 베어링의 로울러의 경우는 그 모양의 특. Spherical Roller
성상 가공하기 어려울 뿐만 아니라 지금의 가공방법으로는 연삭돌의 모양이 그림(
과 같아야 하므로 연삭돌을 자주 갈아주어야 한다2.3) .
그러므로 단가가 높아질 수밖에 없는 실정이다 그러나 그림 와 같은 를 만. ( 2.4) Jig
들어 로울러를 가공하게 되면 보통 평연삭돌로 베어링의 로울러 제Spherical Roller
작이 가능해지므로 연삭돌을 자주 갈아줄 필요가 없으며 반자동화가 가능해지므로
제품의 단가를 낮출 수 있으며 작업 또한 용이하다.
그림 현재 의 제작시 연삭돌의 모양그림 현재 의 제작시 연삭돌의 모양그림 현재 의 제작시 연삭돌의 모양그림 현재 의 제작시 연삭돌의 모양2.3 Spherical Roller2.3 Spherical Roller2.3 Spherical Roller2.3 Spherical Roller
그림 의 반자동화 공정시 사용될 의 개념도그림 의 반자동화 공정시 사용될 의 개념도그림 의 반자동화 공정시 사용될 의 개념도그림 의 반자동화 공정시 사용될 의 개념도2.4 Spherical Roller Jig2.4 Spherical Roller Jig2.4 Spherical Roller Jig2.4 Spherical Roller Jig
의 제작의 제작의 제작의 제작3. Cage3. Cage3. Cage3. Cage
일반적으로 의 소재로는 과 가 사용된다 의 일반적인 제작순서Cage Al Bronze . Cage
로는 우선 주조로 원하는 의 틀을 만든다 기계가공을 한후 검사를 통해 불량Cage .
도를 측정한다 의 은 대량생산인 경우 경제성이 있으나 이. Cage Die Casting 150φ
상의 중대형 베어링용 는 일반적으로 가 경제적이며 일반적인Cage Machined Cage
경우라 할 수 있다.
베어링조립베어링조립베어링조립베어링조립4.4.4.4.
베어링의 각 의 제작이 끝나면 는 외경을 정밀히 측정하여Element Rolling Element
단위로 하며 각 를 조립하여 베어링을 완성한다 베어링10 m Grouping , Element .μ
조립시에는 외륜과 내륜을 고정시키고 그림 과 같이 내륜의 외경을 조정하여( 2.5)
로울러를 끼운다 베어링이 완성된 후에 최적의 성능을 내기 위해서는 베어링의 설.
치와 보수에 많은 신경을 써야한다 베어링 조립에서 최종적인 공차관리는 내륜 외.
경의 연삭작업을 통해 조절한다.
그림 베어링조립 과정그림 베어링조립 과정그림 베어링조립 과정그림 베어링조립 과정2.52.52.52.5
제 절 베어링의 유활제 절 베어링의 유활제 절 베어링의 유활제 절 베어링의 유활3333
베어링 윤활의 목적베어링 윤활의 목적베어링 윤활의 목적베어링 윤활의 목적1.1.1.1.
구름베어링 일지라도 베어링의 내부에서 금속과 금속이 접속하면서 구름운동 이외
에 미끄럼운동을 하고 있는 부문도 있다 즉 로울러의 단면과 턱과의 사이. , ,
의 안내면과 궤도륜과의 사이에는 주로 미끄럼운동을 하므로 구름 베어링Retainer
일지라도 충분한 윤활이 필요하다.
윤활의 목적은 다음과 같다.
접촉면의 마모 방지 또는 최대한의 감소*
마찰의 감소*
즉 금속 간 접촉 물리적인 접촉 을 윤할막 효과 화학적인 접속으로 전환, ( ) ( )
부식방지*
열 방산*
마모를 일이키는 입자 및 불순물의 방출*
윤활제의 씨일링*
베어링의 윤활방식베어링의 윤활방식베어링의 윤활방식베어링의 윤활방식2.2.2.2.
로울러 베어링의 윤활방식은 오일 윤활 과 그리이스 윤활(Oil Lubrication) (Grease
의 가지가 있다 베어링의 기능을 충분히 발휘하기 위해서는 사용조건Lubrication) 2 .
과 사용목적에 적합한 윤활방법을 사용하는 것이 대단히 중요하다.
윤활의 질적인 면을 보면 오일 윤활이 열 방출이 쉽고 접촉면에 기름의 출입이 쉽,
고 수분의 배출이 쉽고 주변의 기어나 캠과 동시에 윤활도 할 수가 있으므로 그리, ,
이스 윤활 보다 우수하다 그럼에도 불구하고 실제로 그리이스 윤활이 많이 사용되.
고 있는 것은 베어링의 내부에 그리이스를 가질 수 있는 공간을 갖고 있고 밀봉장,
치가 간단하고 보수가 쉽고 먼지나 이물질의 침입 방지가 쉽기 때문이다, , .
표 은 오일 윤활과 그리이스 윤활의 특정을 비교하여 나타내고 있다( 3.1) .
표 윤활 시스템의 구분표 윤활 시스템의 구분표 윤활 시스템의 구분표 윤활 시스템의 구분3.13.13.13.1
또한 베어링의 윤활방식을 선정하기 위해서는 아래와 같은 사항을 검토해야 한다, .
작동 조건*
회전 특성 소음 마찰 및 온도에 대한 요구 조건* , ,
작동 간의 안정성*
즉 마모 피로 부식 및 손상, , ,
설치 가격 및 시스템 보수 비용*
표 윤활 방식의 특성 비교표 윤활 방식의 특성 비교표 윤활 방식의 특성 비교표 윤활 방식의 특성 비교3.23.23.23.2
윤활제윤활제윤활제윤활제3.3.3.3.
구름 베어링의 윤활제 는 주로 그리이스와 오일이 사용되고 특수한 경우(Lubricant)
에는 고체 윤활저인 이유화 모리브덴(MoS2 그래화이트 등이 사용된다 아래 표들), .
중 표 은 그리이스의 선정을 위한 설계항목이다( 3.3) .
표 그리이스 선정을 위한 설계항목표 그리이스 선정을 위한 설계항목표 그리이스 선정을 위한 설계항목표 그리이스 선정을 위한 설계항목3.33.33.33.3
표 그리이스 종류 별 특성표 그리이스 종류 별 특성표 그리이스 종류 별 특성표 그리이스 종류 별 특성3.43.43.43.4
그림 베어링 프로그램 결과그림 베어링 프로그램 결과그림 베어링 프로그램 결과그림 베어링 프로그램 결과4.6 Spherical Roller4.6 Spherical Roller4.6 Spherical Roller4.6 Spherical Roller
기본설계용 베어링 프로그램을 이용하여 위 그림과 같은 결과를Spherical Roller
얻었다 제작할 시제품 는 베어링의. Spherical Roller Bearing 24030B Bore
가 이고 너비가 그리고 베어링의 의 외경이Diameter 150mm 75mm, Outer Race
이다 로울러의 를 로하였다225mm . Ratio 0.5 .
베어링의 내륜 외륜 그리고 로울러는 일반 베어링강인 가 사용되었다, , SUJ2 . Cage
의 재질로는 청동 가 사용되었다 이 베어링 역시 최적의 수명을 보장하기 위(PBR3) .
해서 이상의 경도를 요구한다 이상의 경도를 지니기 위해서는 열HRC 60 . HRC 60
처리 공정이 매우 중요하다.
아래 그림은 의 주 베어링에서 제작한 상세 설계도면이다24030B Model ( )HKT .
그림 베어링 의 조립도그림 베어링 의 조립도그림 베어링 의 조립도그림 베어링 의 조립도4.7 Spherical Roller (24030B)4.7 Spherical Roller (24030B)4.7 Spherical Roller (24030B)4.7 Spherical Roller (24030B)
그림 의 설계도그림 의 설계도그림 의 설계도그림 의 설계도4.8 Outer Race4.8 Outer Race4.8 Outer Race4.8 Outer Race
그림 의 설계도그림 의 설계도그림 의 설계도그림 의 설계도4.9 Inner Race4.9 Inner Race4.9 Inner Race4.9 Inner Race
그림 의 설계도그림 의 설계도그림 의 설계도그림 의 설계도4.10 Roller4.10 Roller4.10 Roller4.10 Roller
베어링강 의 열처리베어링강 의 열처리베어링강 의 열처리베어링강 의 열처리3. (100Cr6)3. (100Cr6)3. (100Cr6)3. (100Cr6)
베어링강 의 화학성분은 약 의 탄소와 을 함유하고100Cr6(DIN17230) 1% 1.5% Cr
있다 베어링 나 의 경도는 최소 는 되어야 한다 여기서. Race Roll Element 58HRC .
표면경도에 따라 베어링 수명단축 계수 fH는 그림 에서 설명되어 있다( 4.11) .
그림 표면경도에 따른 베어링 수명 단축계수그림 표면경도에 따른 베어링 수명 단축계수그림 표면경도에 따른 베어링 수명 단축계수그림 표면경도에 따른 베어링 수명 단축계수4.11 f4.11 f4.11 f4.11 fHHHH
베어링 부품의 열처리 과정에서 경도를 내기 위해 가열후 기름이나 소금물에 담근
다 즉 오스테나이트 조직에서 마르텐사이트 조직으로 변환시킨다 베어링강. .
의 열처리 곡선 온도 시간 관계 은 그림 에서 잘 설명되어 있다100Cr6 ( - ) ( 4.12) .
그림 베어링강 의 열처리 곡선 온도 시간 관계그림 베어링강 의 열처리 곡선 온도 시간 관계그림 베어링강 의 열처리 곡선 온도 시간 관계그림 베어링강 의 열처리 곡선 온도 시간 관계4.12 100Cr6 ( - )4.12 100Cr6 ( - )4.12 100Cr6 ( - )4.12 100Cr6 ( - )
베어링강 의 경우 로 가열 후 오일이나 소금물에서 급냉을 시키면100Cr6 850 65℃
경도를 얻을 수 있고 후열처리 에서 시간정도 풀림처리를 하면- 66HRC 200 2℃
약 의 경도를 얻게된다62HRC .
고유응력을 적절히 풀어주기 위해서는 바니티쉬경도 등온경도방법 를 적용하며 소( )
재에 따라 급냉온도를 조절하므로써 담금질과 후열처리를 연속적으로 행한다 그림(
이때 표면 층에 압축응력이 발생하여 서서히 조직의 변환이 이루어 진다4.13). .
심하게 부하가 반복적으로 걸리는 경우 미세한 크랙이 성장하여 베어링에 손상을
주는 것을 방지하는 효과가 있으며 대량 생산인 경우 온도조절 기능을 갖춘 자동화
라인을 통해 열처리 공정을 수행한다 이 경우 열처리 원가상승의 단점이 있으나.
품질의 균일화를 기할 수 있다.
그림 베어링강 의 등온경도 열처리 곡선그림 베어링강 의 등온경도 열처리 곡선그림 베어링강 의 등온경도 열처리 곡선그림 베어링강 의 등온경도 열처리 곡선4.13 100Cr64.13 100Cr64.13 100Cr64.13 100Cr6
온도 시간 관계온도 시간 관계온도 시간 관계온도 시간 관계( - )( - )( - )( - )
열처리 과정에서 조직의 형성 인성 치수 안정성 등에 영향을 주는 다른 요소들을, ,
고려해야만 한다 그림 와 그림 에서는 오스테나이트화 온도와 열처리. ( 4.14) ( 4.15)
풀림 온도가 표면경도에 영향을 주는 경우 그림 를 설명하였고 그림 에( 4.14) ( 4.15)
서는 잔류 오스테나이트 성분 에 주는 영향을 개괄적으로 설명하였다% .
또 다른 경우 열처리 과정에 따라 고유응력 분포 상태가 베어링 부품의 수명에 영
향을 준다.
그림 열처리 조건에 따라 달라지는 경도그림 열처리 조건에 따라 달라지는 경도그림 열처리 조건에 따라 달라지는 경도그림 열처리 조건에 따라 달라지는 경도4.14 (HRC)4.14 (HRC)4.14 (HRC)4.14 (HRC)
그림 열처리 조건에 따라 영향을 받는 잔류 오스테나이트 성분그림 열처리 조건에 따라 영향을 받는 잔류 오스테나이트 성분그림 열처리 조건에 따라 영향을 받는 잔류 오스테나이트 성분그림 열처리 조건에 따라 영향을 받는 잔류 오스테나이트 성분4.15 %4.15 %4.15 %4.15 %
제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333
본 기술지원 사업을 통하여 의 설계 제작 기술개발을 위하Spherical Roller Bearing