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KR100894499B1 - 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법 - Google Patents

초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법 Download PDF

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KR100894499B1
KR100894499B1 KR1020080044506A KR20080044506A KR100894499B1 KR 100894499 B1 KR100894499 B1 KR 100894499B1 KR 1020080044506 A KR1020080044506 A KR 1020080044506A KR 20080044506 A KR20080044506 A KR 20080044506A KR 100894499 B1 KR100894499 B1 KR 100894499B1
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KR
South Korea
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bearing
modifier
ultrasonic nano
processing
nano
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Application number
KR1020080044506A
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English (en)
Inventor
편영식
박정현
김창식
조인호
Original Assignee
(주)디자인메카
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Publication date
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Abstract

본 발명은 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파를 이용한 나노 개질기를 이용하여 베어링 가공시 베어링 표면에 가하는 타격속도, 타격진행속도 및 타격각도 등을 정밀하게 제어함으로써, 베어링 표면에 마이크로 딤플 또는 오일포켓(Oil Pockets)을 생성시키고, 표층부의 조직을 나노 결정질로 개질함과 동시에 압축잔류응력을 부가하며 경도를 향상시킴으로써, 슬라이딩(Sliding) 또는 롤링(Rolling)시에 베어링에 발생하는 마찰계수와 마모율을 줄이고, 접촉피로강도(Rolling Contact Fatigue Strength)를 향상시키며, 굽힘, 비틀림, 인장 또는 압축 상태에서 발생하는 피로수명을 향상시킬 수 있는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치는, 베어링 표면의 마이크로딤플의 밀도, 크기 및 방향성을 조절하기 위해 정압력, 타격강도, 이송속도, 가공속도, 타격팁 형상을 조합하여 선정된 가공파라메터로 제어되어 베어링의 표면을 타격하는 초음파 나노 개질기와, 상기 초음파 나노 개질기의 직선운동을 제어하는 최소 1개 이상의 이송계와, 상기 초음파 나노 개질기의 가공각도를 제어하며 타격팁이 베어링이 접촉면의 법선과 일치되도록 제어하는 최소 1개 이상의 구동계로 구성된 몸체, 및 선반 척 또는 마그넷부가 사용될 수 있으며, 상기 선반 척 또는 마그넷부에는 베어링 가공시 진동을 억제하고, 베어링의 구성품을 고정시키는 지그를 구비하여, 베어링을 고정하여 회전시키는 수단이 구비된 최소 1개 이상의 공작물회전축으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
초음파, 나노, 개질기, 타격, 이송계, 구동계, 타격팁, 베어링

Description

초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법{The bearing processing system using an ultrasonic nano crystal surface modifier and processing method using the same}
본 발명은 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파를 이용한 나노 개질기를 이용하여 베어링 가공시 베어링 표면에 가하는 타격속도, 타격진행속도 및 타격각도 등을 정밀하게 제어함으로써, 베어링 표면에 마이크로 딤플 또는 오일포켓(Oil Pockets)을 생성시키고, 표층부의 조직을 나노 결정질로 개질함과 동시에 압축잔류응력을 부가하며 경도를 향상시킴으로써, 슬라이딩(Sliding) 또는 롤링(Rolling)시에 베어링에 발생하는 마찰계수와 마모율을 줄이고, 접촉피로강도(Rolling Contact Fatigue Strength)를 향상시키며, 굽힘, 비틀림, 인장 또는 압축 상태에서 발생하는 피로수명을 향상시킬 수 있는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.
베어링이란 회전하고 있는 기계의 축(軸)을 일정한 위치에 고정하고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 역할을 하는 기계요소를 말 한다. 이와 같이 베어링은 높은 하중과 고속회전으로 인하여 상당한 마찰력과 굽힘, 비틀림, 인장 또는 압축력을 받기 때문에 높은 정밀도와 강도가 요구되는 기계요소이다. 따라서 베어링의 수명을 증가시키고, 마찰손실을 줄이기 위하여 다양한 특수가공법이 개발되고 있다.
베어링의 경도향상을 통한 마모율저감 또는 상대마찰계수저감을 위한 특수가공법으로 PVD(Physical Vapor Deposition, 물리적 증기 증착법) 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학적 증기 증착법)를 이용한 코팅이나 이온주입법(ion implanting) 등이 있다. 그러나 이러한 표면경화처리방법은 복잡한 형상에 고른 표면처리가 어렵고, 베어링이 구름운동을 하는 경우에 박리현상이 발생하는 문제점이 있다.
다음으로, 베어링의 표면에 압축잔류응력을 부가하여 기계가공의 방향성을 제거하고, 피로수명을 향상시키기 위한 방법으로, 쇼트 피닝(Shot Peening), 레이저 쇼트 피닝(Laser Shot Peening), 딥 롤링(Deep Rolling), 초음파 쇼트피닝(Ultrasonic Shot peening), 워터젯 피닝(Water Jet Peening) 등이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 표면개질방법을 나타내는 도면이고, 도 2는 종래 기술에 따른 쇼트 피닝을 이용한 표면개질방법을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 가공원리와 쇼 트 피닝을 이용한 가공원리는 두 가지 모두 다수의 미세한 연마입자(abtasive particles, 13) 또는 쇼트(shot, ball, 23)를 가공물(14)에 충돌시키고 상대적으로 돌출된 부위에 국부적인 소성변형을 야기함으로써 매끄러운 표면 거칠기(surface roughness)를 얻을 수 있다.
각각의 가공원리를 좀더 상세히 설명하면, 우선 초음파를 이용한 가공방법은 전원을 공급받는 제너레이터(Generator, 18)가 일반전원을 고주파의 전기적 에너지로 변환하여 피에조 세라믹(17)으로 전달하면, 피에조 세라믹(17)은 이를 기계적 에너지로 변환한다. 피에조 세라믹(17)에 의해 변환된 기계적 에너지는 부스터(16)에 의하여 증폭되고, 증폭된 기계적 에너지는 부스터(16)의 끝단에 연결된 공구(15)를 초음파 진동(ultrasonic vibration)시켜서 용기(10)에 담긴 랩제(12)를 유동시킴으로써, 랩제(12)의 유동으로 인해 무질서하게 운동하는 다수개의 미세한 연마입자(13)를 무작위로 용기(10)의 내부에 담긴 가공물(14)의 표면을 타격하는 방법이다.
한편, 쇼트 피닝을 이용한 가공방법은 공기압, 원심력 등의 힘으로 무수히 많은 쇼트 볼(23)을 순간적으로 가공물(14)의 표면에 충돌시켜 가공물(14)의 표면층에 압축잔류응력을 부가하는 것을 주목적으로 하는 표면처리 기술로서, 소성가공딤플(dimples)을 형성시키는 표면처리를 수행하며, 쇼트 볼(23)이 분사되는 배출구(20)를 가공물(14)의 상단에서 이동시켜 연속적인 가공 영역을 얻을 수 있다.
위와 같은 종래의 가공방법은 일정한 가공영역 내에서 무작위로 다수개의 미세한 쇼트(23)를 순간적으로 가공물에 충돌시켜 타격(Hammering)하는 방법으로 가 공입자의 운동에 의한 균열, 파괴의 진전에 따른 칩핑(chipping) 현상을 이용한다. 즉, 이러한 종래의 가공방법은 가공입자의 운동에너지를 받아 소성변형의 흔적인 딤플을 가공물의 표면에 형성시키게 된다.
그런데 이러한 딤플이 형성되는 종래의 가공방법은 운동에너지를 가지는 무수히 많은 입자들을 가공물의 표면에 불규칙하게 충돌시키기 때문에 평균적인 표면 거칠기의 수치를 가지도록 가공할 수밖에 없으며, 대부분의 경우 가공전보다 표면 거칠기가 나빠지고, 표면층에 윤활유를 함유할 수 있는 오일 포켓이나 마이크로 딤플이 형성되나 크기, 밀도, 배열(pattern)을 제어할 수 없다. 따라서, 가공물의 특정 부위를 구분하여 제한적으로 특정 수치의 표면 거칠기를 갖도록 딤플 가공을 하는데 있어서 가공 방법상 그 적용이 어려운 문제점이 있다. 또한, 가공물의 형상이 매우 불규칙한 경우나 가공물의 내경 등에 딤플을 형성시키는 경우에도 종래의 가공방법을 적용하기 어려운 문제점이 있다. 그리고 상기 가공방법 중 딥 롤링(Deep Rolling)에 의한 표면가공방법은 큰 압축잔류응력을 부가하는 데는 유리하지만, 딤플구조를 만드는 것이 불가능할 뿐만 아니라 공작물의 표면경도와 형상에 한계가 있다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 가공방법을 사용하면 가공물의 표면에 가공입자에 의한 타격딤플이 무작위로 형성되기 때문에 고강도를 요구하는 특정 부위에만 압축잔류응력을 발생시키기 어려우며, 쇼트 볼이 가공물을 타격하는 강도가 약하면 압축응력의 크기나 깊이가 작아서 베어링 소재로 사용하기에 충분한 강도를 얻을 수 없고, 쇼트 볼이 가공물을 타격하는 강도가 커지면 압축응력의 크기나 깊이에서 우수한 효과를 얻을 수 있으나 표면층이 열 변형 또는 과도한 소성변형 칩핑(chipping)현상으로 인하여 표면이 거칠어 지기 때문에 추가가공이 필요한 단점이 있다.
따라서, 우수한 품질의 베어링을 얻기 위해서는 베어링의 표면경도 및 압축잔류응력을 증가시키고, 슬라이딩(Sliding) 또는 롤링(Rolling)시 발생하는 마찰계수를 줄이며 윤활을 원활하게 할 수 있는 표면개질장치 및 방법이 필요하며, 이를 위해서는 가공물의 표면에 타격을 강하게 하면서도 가공물의 표면에 열변형이나 표면거칠기를 악화시키지 않으면서 생성되는 딤플의 크기, 밀도, 배열을 제어할 수 있는 장치 및 방법이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초음파나노 개질기의 타격속도, 타격진행속도 및 타격각도 등을 정밀하게 제어함으로써, 마이크로 딤플의 크기, 방향성 및 단위면적당 수량 등을 제어하여 슬라이딩(Sliding) 또는 롤링(Rolling)시 베어링에 발생하는 마찰계수와 마모율을 줄이고, 굽힘, 비틀림, 인장 또는 압축 상태에서 발생하는 피로수명을 향상시킬 수 있는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치 및 가공방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치는, 베어링 표면의 마이크로딤플의 밀도, 크기 및 방향성을 조절하기 위해 정압력, 타격강도, 이송속도, 가공속도, 타격팁 형상을 조합하여 선정된 가공파라메터로 제어되어 베어링의 표면을 타격하는 초음파 나노 개질기와, 상기 초음파 나노 개질기의 직선운동을 제어하는 최소 1개 이상의 이송계와, 상기 초음파 나노 개질기의 가공각도를 제어하며 타격팁이 베어링이 접촉면의 법선과 일치되도록 제어하는 최소 1개 이상의 구동계로 구성된 몸체, 및 선반 척 또는 마그넷부가 사용될 수 있으며, 상기 선반 척 또는 마그넷부에는 베어링 가공시 진동을 억제하고, 베어링의 구성품을 고정시키는 지그를 구비하여, 베어링을 고정하여 회전시키는 수단이 구비된 최소 1개 이상의 공작물회전축으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법은, 베어링의 형상에 따라 초음파 나노 개질기의 타격팁이 베어링의 접촉면의 법선과 일치되도록 초음파 나노 개질기의 이동경로를 생성하는 단계와, 상기 베어링의 용도에 따라 요구되는 기계적 특성을 갖는 베어링을 가공하기 위하여 정압력, 타격강도, 이송속도, 가공속도, 타격팁의 형상을 조합하여 가공파라메타를 선정하는 단계와, 상기 이동경로 및 가공파라메타에 따라 가공프로그램을 작성하는 단계와, 상기 초음파 나노 개질기를 세팅하는 단계, 및 상기 베어링의 크기와 모양에 따라 진동을 방지하기 위한 전용 지그를 설치하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치에 의하면, 초음파 나노 개질기의 타격속도, 타격진행속도 및 타격각도 등을 정밀하게 제어함으로써, 마이크로 딤플의 크기, 방향성 및 단위면적당 수량 등을 자유롭게 제어하여 슬라이딩(Sliding) 또는 롤링(Rolling)시 베어링에 발생하는 마찰계수와 마모율을 줄이고, 압축잔류응력부가 및 표면경도 향상으로 접촉피로강도(Rolling Contact Fatigue Strenth)를 향상시키며, 굽힘, 비틀림, 인장 또는 압축 상태에서 발생하는 피로수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치는, 초음파 진동에 의하여 공작물을 타격하는 초음파 나노 개질기, 상기 초음파 나노 개질기의 직선운동을 제어하는 최소 1개 이상의 이송계, 상기 초음파 나노 개질기의 가공각도를 제어하는 최소 1개 이상의 구동계 및 공작물을 고정하여 회전시키는 최소 1개 이상의 공작물회전축을 포함하여 구성되어 있다.
본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 구체적인 형태는 공작물의 모양이나 크기 또는 설치장소 등에 따라 다양한 모양으로 구현될 수 있다. 이하에서는 베어링의 내륜 및 외륜을 가공하기 위하여 공작물회전축 수평면과 초음파 나노 개질기의 타격팁 중심이 비슷한 위치에 놓여 지며, 2개의 이송계와 1개의 구동계 및 1개의 공작물회전축을 갖춘 베어링 가공장치의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)는 공작물의 표면에 접촉하여 초음파 진동에 의해 공작물을 타격하는 초음파 나노 개질기(100); 상기 초음파 나노 개질기(100)의 하부에 설치되며 공작물회전축(260)에 대하여 수평방향으로 좌·우운동을 하는 X축 이송계(200), X축 이송계(200)와 직교방향으로 설치되어 있으며 초음파 나노 개질기(100)가 공작물회전축(260)에 대하여 수평방향으로 전·후운동을 할 수 있도록 하는 Y축 이송계(220) 및 초음파 나노 개질기(100)가 결합되며 초음파 나노 개질기(100)를 회전 단속 또는 연속시켜 가공각도를 제어하는 C축 구동계(240)로 구성되는 몸체(250); 및 공작물 즉, 베어링을 고정하여 회전시키는 척(Chuck, 300)이 구비되어 있는 공작물회전축(260);으로 구성되어 있다.
초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)의 몸체(250) 부분에 구비되어 있는 X축 이송계(200) 및 Y축 이송계(220)는 안내면 위에 X축 테이블(210) 및 Y축 테이블(215)이 놓여져 있고, 상기 X축테이블(210) 및 Y축 테이블(215)은 각각 이송스크류(Feed screw, 225) 및 서브모터(servomotor, 230)에 의하여 속도와 위치가 정밀하게 제어되면서 안내면 상에서 왕복 직선운동을 한다.
C축 구동계(240)는 초음파 나노 개질기(100)가 볼트 등과 같은 체결기구(미도시)에 의하여 결합 되는 공구대로서, 구동모터(미도시)에 의하여 좌우회전, 단속 또는 연속제어 되도록 구성되어 있다.
이상과 같은 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)는 통상의 CNC(computer numerical control)방식에 의해 구동·단속되는 것으로, X축 이송계(200)와 Y축 이송계(220)는 초음파 나노 개질기(100)를 좌·우방향과 전·후방향으로 이송제어하며, C축 구동계(240)는 초음파 나노 개질기(100)의 타격각도를 단속 또는 연속제어하여 베어링을 정밀하게 가공할 수 있으며, 특히 베어링의 곡면부분을 정밀하게 가공하는데에 유리하다.
서브모터에 의한 위치제어 장치 및 방법은 공지의 기술이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파를 이용한 나노 개질기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 초음파 나노 개질기(100)는 베어링 표면에 충격을 가하는 타격팁(112), 타격팁(112)이 고정되어 초음파 진동을 증폭 전달하는 혼(horn, 114), 초음파 진동을 증폭시키는 부스터(Booster, 116), 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 진동발생부(Transducer, 118) 및 고주파의 전기적 에너지를 초음파 나노 개질기(100)에 공급해 주는 제너레이터(Generator, 120)로 구성된다.
제너레이터(120)는 일반전원을 고주파수의 전기적 에너지로 변조하여 진동발생부(118)에 공급한다.
진동발생부(118)는 전기적 신호에 의하여 체적이 변하는 특성을 가진 소자로서, 제너레이터(120)로부터 고주파수의 전기적 에너지를 공급받으면 팽창과 수축을 반복하면서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꾼다.
부스터(116)는 진동발생부(118)에 의하여 발생한 진동을 증폭하여, 부스터(116)와 연결되어 있는 혼(114)를 통하여 타격팁(112)에 전달한다.
혼(114)은 부스터(116)에 의하여 증폭된 진동에너지를 타격팁(112)에 한번더 증폭 전달하거나 단순 전달하는 역할을 한다. 증폭비는 혼의 형상을 통하여 결정된다.
타격팁(112)은 가공물의 표면에 직접 접촉하여 타격하면서 강소성가공과 마이크로 딤플을 형성시키는데, 혼(114)에 연결되어 있으며, 금속강구 또는 다양한 형상의 돌출물이 노출된 상태로 고정되어 있다.
타격팁(112)의 돌출물은 초경함금재나 세라믹재가 사용된다.
타격팁(112)의 돌출물의 형상은 구(球, 타원구 포함), 삼각ㆍ사각ㆍ육각ㆍ팔각 등의 다양한 형상으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 가공물의 표면에 형성되 는 딤플의 모양이 달라진다.
한편, 베어링 표면을 초음파 나노 개질기(100)를 이용하여 일정한 힘으로 타격하기 위해서는 타격팁(112)을 일정한 압력으로 베어링 표면에 접촉시켜야 한다. 이를 위하여 초음파 나노 개질기(100)의 몸체 뒷부분에는 가압부(미도시)가 구비된다.
가압부는 스프링 등의 탄성력을 이용한 가압 방식, 유압·공기압 등을 이용한 가압 방식 등 다양한 방식으로 구비될 수 있다.
도 5a 는 본 발명의 일실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 척에 베어링이 장착된 상태를 보여주는 도면이고, 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 척에 베어링이 장착된 상태를 보여주는 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파를 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)의 척(300)에는 베어링(400)을 밀착시킬 수 있는 마그넷부(Magnet, 310)가 구비되어 있으며, 상기 마그넷부(310)에는 베어링(400)의 외경 및 내경에 대응하는 지그(Jig, 320,330,350)가 하나 이상 구비될 수 있다.
베어링(400) 가공시 높은 정밀도와 우수한 품질을 얻기 위해서는 피 가공물인 베어링(400)의 진동을 최대한 억제할 필요가 있다. 그러나 일반적인 척을 사용할 경우에는 베어링을 단단하게 고정할 수는 있지만 베어링(400) 외부의 특정부위에 높은 하중을 가하게 되므로, 베어링(400) 외부의 특정부위에 손상을 주거나 소 성변형을 가하게 되는 문제점이 발생한다. 따라서 베어링 가공장치(500)를 이용하여 베어링(400)을 가공할 때에는 전용 지그(Jig, 320,330,350)를 구비하여, 베어링(400)이 척(300)에 단단히 밀착되도록 하고, 베어링(400)이 진동하는 것을 억제한다. 지그(320,330,350)의 형상은 베어링의 종류와 크기, 모양 등에 의하여 다양하게 선택될 수 있는데, 예를 들면 구름베어링의 외륜, 내륜, 볼 또는 롤러의 표면을 효율적으로 가공하기 위한 전용의 지그를 사용할 수 있다. 또한, 전용지그를 이용하는 경우 저널베어링 등 다양한 종류의 베어링 가공이 가능하다.
척은 전자석(電磁石, electromagnet), 유압, 공기압 또는 수동식(Manual) 등 다양한 고정수단이 사용될 수 있다.
도 6a 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치에 의하여 베어링의 내부곡면을 가공하는 상태를 보여주는 도면이고, 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치에 의하여 베어링의 외부곡면을 가공하는 상태를 보여주는 도면이고, 도 6c는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기의 타격위치를 보여주는 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)는 X축 이송계(200) 및 Y축 이송계(220)를 제어하여 베어링(400)의 평면을 가공할 수 있을 뿐만 아니라, C축 구동계(240) 즉, 초음파 나노 개질기(100)가 구비된 공구대의 회전을 동시에 제어함으로써 베어링(400)의 곡면부분(410)을 가공하는데 특히 유리하다.
초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)를 이용하여 베어링(400)의 곡면부분(410)을 가공하는 경우에, C축 구동계(240)는 초음파 나노 개질기(100)의 타격팁(112)이 항상 베어링의 곡면부분(410)의 법선과 일치하도록 제어되어야 한다.
또한, 도 6c를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기(100)의 타격팁(112)은 항상 베어링(400)의 동심축의 중심과 일직선상에 놓이도록 설치하거나 베어링의 방사선축과 타격팁(112)이 가능한한 일직선상에 있도록 설치한다. 초음파 나노 개질기(100)의 타격팁(112)이 베어링(400) 동심축의 중심과 일직선상에 놓이지 않거나 베어링(400)의 방사선축과 일직선상에 위치하지 않아서 가공면과 타격팁(112)이 수직으로 만나지 않으면, 베어링(400) 표면상에 마이크로 딤플의 형상이 일정하게 유지될 수 없을 뿐만 아니라 베어링(400) 표면에 불필요한 소성변형을 가할 수 있기 때문이다.
이와 같이 타격팁(112)이 베어링(400) 동심축의 중심과 일직선상에 놓여 지거나 베어링(400)의 방사선축과 일직선상에 놓여 져서, 곡면부분(410)을 수직방향에서 타격하는 경우에 마이크로 딤플의 형상, 크기 및 방향성을 일정하게 유지할 수 있고 불필요한 소성변형 또는 칩핑을 방지할 수 있기 때문에, 초음파 나노 개질기(100)가 고정되어 비스듬한 방향에서 타격하는 경우 또는 동심축의 중심보다 낮거나 높은 위치에서 타격하는 경우에 비하여 베어링의 경도 및 표면 거칠기가 더욱 개선되는 효과가 있다.
도 7은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 작업공정을 보여주는 순서도 이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치(500)를 이용하여 베어링(400)을 가공을 위해서는 먼저 공구 경로를 생성한다(S100). 공구경로는 베어링(400)의 형상에 따라 X축, Y축 및 C축을 동시에 또는 개별적으로 제어함으로써 초음파 나노 개질기(100)의 이동경로를 생성하는 것을 말한다.
공구 경로를 생성하는 경우에, 초음파 나노 개질기(100)의 타격팁(112)은 항상 베어링(400)의 접촉면의 법선과 일치하도록 C축 구동계(240)의 경로를 설정하여야 한다.
공구 경로 생성이 완료되면, 베어링 가공에 필요한 가공 파라메타를 선정한다(S200). 가공 파라메타는 베어링(400)의 특성에 따라 적절한 강도와 적절한 크기 및 모양의 마이크로 딤플을 얻기 위한 조건을 설정하는 것으로, 가압부에 의하여 초음파 나노 개질기(100)에 가해지는 압력, 타격팁(112)에 공급되는 주파수와 진폭, 베어링 가공시 초음파 나노 개질기(100)의 타격팁(112)의 크기, 가공속도, 이송속도, 타격팁의 크기와 모양 등을 선정하는 것을 말한다.
초음파 나노 개질기(100)에 의하여 베어링(400)을 가공할 때에 베어링(400)에 가해지는 전체 힘(Total contact load)은 가압부에서 가해지는 정압력(Static load)과 타격 팁(112)이 베어링(400) 표면을 타격하는 타격강도(Dynamic load)에 의하여 결정되고, 단위면적당 마이크로 딤플의 개수(Contact count per unit area) 는 베어링(400)의 회전속도, 타격팁(112)에 공급되는 주파수(kHz), 이송속도(mm/rev) 및 가공속도(m/min)에 의하여 결정된다. 여기서 이송속도는 가공물이 1회전 하는 동안 초음파 나노 개질기(100)가 이송하는 거리를 말하며, 가공속도는 타격점에서의 선속도를 말한다. 각각의 가공조건이 베어링의 표면성질에 미치는 영향에 관하여는 이후에 설명하기로 한다.
가공 파라메타 선정(S200)이 끝나면, 상기 공구경로 및 파라메타를 이용하여 여 실제 가공에 필요한 프로그램을 생성한다(S300).
프로그램 생성이 완료되면, 초음파 나노 개질기(100)를 가공조건에 맞게 셋팅(seting)한다(S400). 셋팅 단계에서는 마이크로 딤플의 크기와 모양 및 깊이에 따라 초음파 나노 개질기(100)의 정압력, 타격 팁의 재질, 모양, 크기 및 주파수를 설정한다(S400).
가공프로그램 입력이 완료되고 초음파 나노 개질기의 세팅이 완료되면, 가공하고자 하는 베어링의 크기와 모양에 따라 전용 지그(Jig)를 설치하여 공작물을 세팅하고(S500), 가공을 시작 한다(S600).
초음파 나노 개질기(500)를 이용하여 가공된 베어링(400)의 성질은 각각의 가공파라메타 조건에 따라 달라지므로, 베어링의 용도와 이용환경 및 각각의 이용환경에서 자주 발생하는 고장원인 등을 파악하여 한다. [표 1]은 베어링의 파손내용, 파손원인 및 파손을 방지하기 위한 해결방안을 보여주고 있다.
고장 내용 파손원인 대책
피팅(Pitting), 스폴링(Spalling) 고하중, 진동하중 압축잔류응력인가, 경도향상
마모, 플래킹(Flaking), 프래팅(Fretting) 부적합한 윤활유, 진동하중 경도향상, 마찰계수 저감(표면거칠기 향상 및 Micro Dimple)
찍힘(Indentation/Brinnelling) 고하중, 진동하중, 충격하중 압축잔류응력인가, 경도향상
[표 1]에 나타난 바와 같이 피팅(Pitting) 및 스폴링(Spalling)은 고하중 또는 진동하중에 의하여 주로 발생하며, 이를 방지하기 위해서는 베어링에 압축잔류응력을 인가하고 표면경도를 증가시켜야 하고, 마모, 플래킹(Flaking) 또는 플래팅(Fretting)은 부적절한 윤활유 또는 진동하중에 의하여 주로 발생하며, 이를 방지하기 위해서는 베어링의 경도를 향상시키고 마찰계수를 저감시켜야 하며, 찍힘(Indentation 또는 Brinnelling)은 고하중, 진동하중 또는 충격하중에 의하여 주로 발생하며, 이를 방지하기 위해서는 베어링의 경도를 향상시키면서 압축잔류응력을 부가하여야 한다.
도 8은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 타격강도가 경도에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 이송속도가 표면거칠기에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고, 도 10은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 타격강도 및 이송속도가 압축잔류응력에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고, 도 11은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 타격강도가 소재의 결정립이 나노 크기가 되는 깊이에 미치는 영향을 보여주는 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력, 타격강도 및 이송속도가 단위면적당 딤플개수와 딤플깊이에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 베어링(400) 가공시 정압력(Static Load)과 타격강도(Dynamic Load)를 높이면 소재의 결정립이 나노 크기가 되는 깊이가 깊어지고, 베어링(400)의 경도가 증가하게 된다. 그러나 정압력과 타격강도에 의하여 경도가 증가하는 것은 일정한 한계가 있으며, 정압력이 지나치게 높아지면 베어링(400)의 표면거칠기가 나빠지는 문제점이 발생하므로 베어링(400)의 재질과 타격 팁(112)의 형상 등을 고려하여 각각의 베어링(400)에 적절한 정압력과 타격강도를 설정할 필요가 있다.
초음파 나노 개질기의 정압력과 타격강도를 높여서 베어링(400)의 표면경도를 증가시키면, 베어링(400)의 표면마모(Wear)현상을 줄이고, 베어링(400)이 고속으로 회전하거나 높은 하중을 받을 때 표면이 벗겨지거나 떨어져 나가는 현상 또는 표면에 소성변형이 발생하는 현상 등을 방지할 수 있다.
도 9를 참조하면, 베어링(400)의 표면거칠기는 정압력에 반비례하고 이송속도에 비례한다. 다만, 정압력이 일정압력 이상이 되면 베어링(400)의 표면에 정압력에 의한 소성변형이 발생하므로 오히려 표면거칠기가 나빠지는 현상이 나타난다. 이 경우 정압력에 의한 베어링(400)의 표면거칠기는 베어링(400)의 재질과 타격형상에 따라 차이가 나므로 적절한 압력을 실험을 통하여 설정할 필요가 있다. 이송속도에 의한 표면거칠기는 이송속도가 느릴수록 단위면적당 타격횟수가 증가하기 때문에 표면거칠기가 좋아진다.
베어링(400)의 표면거칠기가 좋아지면, 베어링(400)의 마찰계수가 감소하므로 마모현상을 방지하는데 도움이 된다.
도 10을 참조하면, 베어링(400) 표면의 압축잔류응력은 정압력 및 타격강도에 비례하고 이송속도에 반비례하며, 도 11을 참조하면, 베어링(400) 표면의 나노화 깊이는 정압력과 타격강도에 비례한다.
베어링(400)의 압축잔류응력 및 표면층 소재의 결정립이 나노 크기가 되는 깊이가 증가하면, 베어링이 미끄럼(Sliding) 또는 회전(Rolling)시 접촉피로강도(Contact Fatigue Strength)가 향상되고, 굽힘, 비틀림, 인장/압축의 단독이나 복합상태에서 발생하는 피로수명을 향상시킬 수 있다.
도 12를 참조하면, 베어링 표면의 단위면적당 딤플의 개수는 일반적으로 정압력과 타격강도의 변화에 영향을 받지 않는다. 다만, 정압력이 일정 값을 초과하는 경우에는 타격팁의 압력에 의한 소성변형으로 정상적인 딤플이 형성되기 어려우며, 타격강도가 일정 값에 미달할 경우에는 가공물의 표면에 딤플을 형성하기 어려우므로 정상적인 딤플이 형성되지 않는다. 단위면적당 딤플의 개수는 가공속도가 증가할수록 줄어든다.
딤플의 깊이는 타격강도가 증가하면 함께 증가하고, 접촉점의 크기가 커지면 감소하는 관계를 나타낸다.
본 발명에서 각각의 가공 파라미터의 변환범위는 정압력의 경우 0.1kgf~10kgf, 타격강도는 1kgf~100kgf, 가공속도는 0.1~100 m/min, 이송속도 0.01~1mm/rev의 범위에서 결정되며, 타격팁은 곡면의 지름크기는 0.1~6mm 의 구(球)형 또는 삼각, 사각, 육각 등의 다각형이 이용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치는, X축, Y축 및 C축을 동시에 또는 각각 제어함으로써 베어링 가공장치의 이동경로를 생성하고, 베어링에 가해지는 정압력, 타격압력 및 이송속도 등을 조절하여 원하는 강도와 표면 거칠기를 가지는 베어링을 가공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치에 의하여 베어링을 가공할 경우에, 베어링의 표면에 열변형이나 칩핑(chipping)현상 또는 불필요한 소성변형을 발생시키지 않으면서 마이크로 딤플의 크기와 단위면적당 개수 및 모양을 정밀하게 생성시킬 수 있으므로, 베어링의 경도와 표면 거칠기를 향상시킬 수 있으며, 원하는 압축잔류응력을 부가하고, 마이크로 딤플에 의한 오일포켓(Oil Pockets)을 생성시켜 마모율 저감을 구현함과 동시에 발열량 저감, 접촉피로강도 향상 등으로 베어링의 수명을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 초음파를 이용한 표면개질방법을 나타내는 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 쇼트 피닝을 이용한 표면개질방법을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기의 구성을 보여주는 도면.
도 5a 는 본 발명의 일실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 척에 베어링이 장착된 상태를 보여주는 도면.
도 5b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 척에 베어링이 장착된 상태를 보여주는 도면.
도 6a 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치에 의하여 베어링의 내부곡면을 가공하는 상태를 보여주는 도면.
도 6b는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치에 의하여 베어링의 외부곡면을 가공하는 상태를 보여주는 도면.
도 6c는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기의 타격위치를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치의 작업공정을 보여주는 순서도.
도 8은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 타격강도가 경도에 미치는 영향을 보여주는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 이송속도가 표면거칠기에 미치는 영향을 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 타격강도 및 이송속도가 압축잔류응력에 미치는 영향을 보여주는 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력과 타격강도가 나노화깊이에 미치는 영향을 보여주는 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공에 있어서 정압력, 타격강도 및 이송속도가 단위면적당 딤플개수와 딤플깊이에 미치는 영향을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100: 초음파 나노 개질기 200: X축 이송계
220: Y축 이송계 240: C축 구동계
210: X축 테이블 215: Y축 테이블
260: 공작물회전축 300: 척
310: 마그넷부 320,330,350: 지그

Claims (14)

  1. 베어링 표면의 마이크로딤플의 밀도, 크기 및 방향성을 조절하기 위해 정압력, 타격강도, 이송속도, 가공속도, 타격팁 형상을 조합하여 선정된 가공파라메터로 제어되어 베어링의 표면을 타격하는 초음파 나노 개질기;와
    상기 초음파 나노 개질기의 직선운동을 제어하는 최소 1개 이상의 이송계와, 상기 초음파 나노 개질기의 가공각도를 제어하며 타격팁이 베어링이 접촉면의 법선과 일치되도록 제어하는 최소 1개 이상의 구동계로 구성된 몸체; 및
    선반 척 또는 마그넷부가 사용될 수 있으며, 상기 선반 척 또는 마그넷부에는 베어링 가공시 진동을 억제하고, 베어링의 구성품을 고정시키는 지그를 구비하여, 베어링을 고정하여 회전시키는 수단이 구비된 최소 1개 이상의 공작물회전축;
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동계는 초음파 나노 개질기의 가공 각도를 조절할 수 있는 회전축과 상기 회전축의 각도를 제어할 수 있는 구동모터로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 나노 개질기의 타격팁의 형상은 구(球) 또는 다각형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 지그는 구름베어링의 외륜, 내륜, 볼 또는 롤러를 각각 지지하는 전용지그인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 지그는 저널베어링을 가공하기 위한 전용 지그인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공장치.
  8. 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법에 있어서,
    베어링의 형상에 따라 초음파 나노 개질기의 타격팁이 베어링의 접촉면의 법선과 일치되도록 초음파 나노 개질기의 이동경로를 생성하는 단계;
    상기 베어링의 용도에 따라 요구되는 기계적 특성을 갖는 베어링을 가공하기 위하여 정압력, 타격강도, 이송속도, 가공속도, 타격팁의 형상을 조합하여 가공파라메타를 선정하는 단계;
    상기 이동경로 및 가공파라메타에 따라 가공프로그램을 작성하는 단계;
    상기 초음파 나노 개질기를 세팅하는 단계; 및
    상기 베어링의 크기와 모양에 따라 진동을 방지하기 위한 전용 지그를 설치하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공파라메타를 선정하는 단계에 있어서,
    베어링의 경도를 조절하기 위한 파라메타는 정압력 및 타격강도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공파라메타를 선정하는 단계에 있어서,
    베어링의 표면 거칠기 및 마이크로 딤플의 구조를 조절하기 위한 파라메타는 정압력, 타격강도, 이송속도, 타격팁 돌출물의 곡면의 크기 및 형상 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공파라메타를 선정하는 단계에 있어서,
    베어링의 압축잔류응력을 조절하기 위한 파라메타는 정압력, 타격강도 및 이송속도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공파라메타를 선정하는 단계에 있어서,
    베어링 소재의 결정립이 나노 크기가 되는 깊이를 조절하기 위한 파라메타는 정압력 및 타격강도 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 가공파라메타의 변환범위는 정압력은 1Kgf~10Kgf, 타격강도는 5Kgf~100Kgf, 이송속도는 0.03~0.15mm/rev, 가공속도는 6~32 m/min, 타격팁 돌출물의 곡면의 지름 크기는 0.1~6mm 의 구(球)형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 초음파 나노 개질기를 이용한 베어링 가공방법.
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