KR100774237B1 - 자동 조심 구름 베어링 및 그 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복렬 궤도를 갖는 내륜 (1), 복렬로 일체이며 구형인 궤도를 가지는 외륜 (2), 상기 내륜 궤도와 상기 외륜 궤도 사이에 복렬로 들어있는 다수의 롤러 (3), 상기 롤러 (3) 를 회전 가능하게 지지하는 리테이너 (4) 를 포함하며, 상기 외륜 (2) 의 구형 궤도의 궤도면 (2a) 에 서로 교차하는 가공흔 (5) 이 형성되어 있고, 상기 가공흔 (5) 은 상기 궤도면 (2a) 의 원주방향에 대해 90°~ 150° 범위의 교차각으로 거의 직선으로 절삭되어 있고, 상기 궤도면의 표면 거칠기는 적어도 상기 롤러와 접촉하는 부분에서 축방향과 원주방향에서 실질적으로 일정한 자동 조심 구름 베어링을 제공한다.

Description

자동 조심 구름 베어링 및 그 가공 방법{SELF-ALIGNING ROLLER BEARING AND METHOD OF PROCESSING THE SAME}

본 발명은 롤러의 경사 (skew) 에 기인한 마찰과 발열을 억제하여 긴 수명을 가지고 사용될 수 있는 자동 조심 구름 베어링과 그 가공 방법에 관한 것이다.

자동 조심 구름 베어링은 각종 롤 넥 베어링, 차랑용 베어링 및 각종 산업 장비용 베어링으로 널리 사용되고 있다.

베어링이 작동중 정상 상태에서 롤러가 회전하지 않았을 때, 예를 들면 롤러가 큰 음의 경사각에서 회전할 때, 베어링 내부의 마찰과 발열이 증가하는 것 같은 문제가 구름 접촉 피로를 야기시켜서 자동 조심 구름 베어링의 수명을 단축시키는 것으로 알려져 있다.

이런 상황에서 작동중의 롤러의 경사각을 제어하는 기술이 다양하게 개발되어 왔다. 예를 들면, 내륜과 외륜의 궤도면이 서로 다른 표면 거칠기를 갖게 만드는 방법이 제안되어 왔다. (JP-B-57-61933 참고) (외륜의 궤도면 표면 거칠기를 내륜 궤도면 표면 거칠기보다 크게 만든다.)

큰 음의 경사각을 피하는 방법으로서 내륜과 외륜의 롤러 접촉면 혹은 궤도면중 적어도 하나의 면에 관해서 베어링의 중심측 부분면과 베어링의 측면측 부분 면에서 표면 거칠기를 서로 다르게 하는 방법이 제안되어 있다. (일본 특허 NO. 2900527 참고)

상기 제안에 나온 해결책 중의 하나가 "베어링의 측면 근처에 위치한 접촉부에서 외륜 궤도면의 표면 거칠기를 상기 롤러 접촉부 이외의 적어도 베어링의 중심 근처에 위치한 롤러 접촉부의 표면 거칠기보다 작게 한다."는 구성이다.

JP-B-57-61933 에서 가공 방법의 일례로 내륜 궤도면을 슈퍼 피니싱 가공으로 마무리하고, 외륜 궤도면을 JP-A-11-226855 에서 설명된 컵형 숫돌을 이용한 연삭 가공으로 마무리하고, 외륜 궤도면을 내륜 궤도면보다 더 거칠게 마무리하는 방법이 있다.

그러나, 외륜 궤도면을 컵형 숫돌로 연삭 마무리한 경우, 도 7 에서 보이듯이 곡선 가공흔 (200) 이 궤도면 (101) 에 형성되기 때문에, 가공흔 (200) 간의 교차 부위 (201) 가 궤도면의 양단부 (120) 에서 가장 많고, 점진적으로 감소하여 궤도면의 중앙부 (110) 에서 가장 적게 되는 현상이 관찰된다.

그래서, 이 가공 방법으로 완성되는 외륜 궤도면 (101) 의 축방향으로 측정한다면, 도 8a, 8b, 8c 에 나타나듯이, 외륜 (100) 의 궤도면 (101) 의 중앙부 (110) 와 궤도면 양단부 (120) 의 거칠기가 다르다는 것이 밝혀진다. (궤도면의 양단부 (120) 의 거칠기가 궤도면의 중앙부 (110) 보다 크다.) 도 8a 는 궤도면의 좌측단부의 표면 거칠기를, 도 8b 는 궤도면의 중앙부의 표면 거칠기를, 도 8c 는 궤도면의 우측단부의 표면 거칠기를 나타낸다. 그래서 컵형 숫돌로 연삭한다면, 가공흔에 의하여 베어링 중심측에 비하여 베어링의 측부측의 표면 거칠기가 크기 때문에, 일본 특허 No. 2900527 에 따라 음의 경사각이 발생하기 쉬운 표면 상태가 된다고 할 수 있다. 비록 롤러의 경사로 인한 발열과 마찰을 억제하기 위한 목적으로는 위한 일본 특허 No. 2900527 에서 공개된 구성도 바람직하지만, 베어링의 설계 제원, 사용 조건에 따라 외륜과 롤러 간의 접촉부분의 표면 거칠기 차의 정도와 표면 거칠기가 다른 영역 간의 경계를 바꾸는 것은 시간과 노력이 든다.

본 발명은 종래 기술이 가지는 이런 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 롤러의 과대한 음의 경사를 발생시키지 않는 자동 조심 구름 베어링 및 그 가공 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 복렬 궤도를 갖는 내륜, 복렬로 일체이며 구형인 궤도를 가지는 외륜, 상기 내륜 궤도와 상기 외륜 궤도 사이에 복렬로 들어있는 다수의 롤러,상기 롤러를 회전 가능하게 지지하는 리테이너를 포함하며, 상기 외륜의 구형 궤도의 궤도면에 서로 교차하는 가공흔이 형성되어 있고, 상기 가공흔은 상기 궤도면의 원주방향에 대해 소정의 교차각으로 거의 직선으로 절삭되어 있고, 상기 궤도면의 표면 거칠기는 적어도 상기 롤러와 접촉하는 부분에서 축방향과 원주방향에서 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 자동 조심 구름 베어링을 제공한다.

바람직하게는, 상기 가공흔은 궤도면의 원주방향에 대하여 90° ~ 150° 의 교차각을 가지면서 절삭되어 있다.

바람직하게는, 상기 외륜의 궤도면의 표면 거칠기는 축 방향과 원주 방향 모두에서 중심선 평균 거칠기로 0.15 ~ 0.4㎛Ra 이며, 축 방향과 원주 방향에서 측정된 표면 거칠기의 차가 0.1㎛Ra 이하이며, 경사도 (skewness) (Rsk) 는 -0.4 이하이며, 상기 내륜의 궤도면의 거칠기는 축 방향의 중심선 평균적 거칠기로 0.1 ㎛Ra 이하이다.

본 발명은 자동 조심 구름 베어링의 외륜의 궤도면에 서로 교차하는 가공흔을 슈퍼 피니싱 가공 (super-finishing process) 을 사용하여 형성하는 것을 포함하는 자동 조심 구름 베어링의 가공 방법을 제공한다.

바람직하게는, 서로 교차하는 상기 가공흔은 궤도면의 원주방향에 대하여 90° ~ 150°의 교차각으로 절삭된다.

바람직하게는, 상기 가공흔을 형성하는 공정은, 중심축을 중심으로 외륜을 회전시키는 단계, 외륜에 숫돌을 넣는 단계, 상기 숫돌로 상기 궤도면을 가압하면서, 상기 궤도면의 곡률을 따라서 상기 숫돌을 요동시키는 단계를 포함한다.

위에서 언급한 구성을 통하여, 외륜 궤도면의 거칠기가 축방향 및 원주방향으로 일정하게 만들어진다. 외륜 궤도면의 표면 거칠기는 내륜 궤도면의 표면 거칠기보다 크기 때문에 롤러의 큰 음의 경사가 발생하지 않는다. 추가적으로, 슈퍼 피니싱 가공은 표면의 잔류 응력을 줄이고, 연삭에 의해 생성되는 층보다 더 얇게 가공되는 층을 만드는 효과와 긴 수명을 제공한다.

도 1 은 본 발명의 실시예의 개략 단면도이다.

도 2 는 외륜 궤도면의 가공흔를 나타내는 개략도이다.

도 3a 내지 c 는 본 발명의 가공 방법에 따른 홈 거칠기 (축방향에서의) 를 나타내는 그래프이며, 도 3a 는 궤도면의 좌측부의 표면 거칠기를, 도 3b 는 궤도면의 중앙부의 표면 거칠기를, 도 3c 는 궤도면의 우측부의 표면 거칠기를 나타낸다.

도 4 는 본 발명의 가공방법에 따른 홈 거칠기 (원주방향에서의) 를 나타낸다.

도 5는 수명 실험 결과를 나타낸다.

도 6 은 테이프 (tape) 가공을 이용한 가공 방법의 한 실시 형태를 나타내는 개략도이다.

도 7 은 종래 기술의 가공 방법에 의하여 형성된 외륜 궤도면의 가공흔을 나타내는 개략도이다.

도 8a 내지 c 는 종래 기술의 가공 방법에 따른 홈 거칠기 (축방향에서의) 를 나타내는 그래프이며, 도 8a 는 궤도면의 좌측부의 표면 거칠기를, 도 8b 는 궤도면의 중앙부의 표면 거칠기를, 도 8c 는 궤도면의 우측부의 표면 거칠기를 나타낸다.

도 9 는 본 발명의 슈퍼 피니싱 가공의 개략도이다.

도 10 은 연마 입자의 운동 궤적을 나타낸다.

-도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 내륜

1a : 내륜 궤도면

2 : 외륜

2a : 외륜 궤도면

3 : 롤러

4 : 리테이너

5 : 가공흔

본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명하겠다.

본 실시 형태에서는 도 1 에서 나타나는 자동 조심 구름 베어링을 그 일례로 들고 설명하지만, 다른 구성의 자동 조심 구름 베어링을 본 발명에 적용하는 것도 가능하다. 자동 조심 구름 베어링은 복렬 궤도 (1a) 를 갖는 내륜 (1), 복렬로 일체이며 구형인 궤도 (2a) 를 가지는 외륜 (2), 상기 내륜 궤도 (1a) 와 상기 외륜 궤도 (2a) 사이에 복렬로 들어있는 다수의 롤러 (3), 및 롤러 (3) 를 회전 가능하게 지지하는 리테이너 (4) 로 구성된다.

본 발명은 상기 외륜 (2) 의 궤도면 (2a) 에 서로 교차하는 가공흔 (5) 을 형성한 것을 특징으로 하는 구성을 가지기 때문에, 그 특징적인 구성요소에 관한 설명만 하고, 그 밖의 각 구성요소에 관한 설명은 생략한다. 내륜 (1), 외륜 (2), 롤러 (3), 리테이너 (4) 같은 그 밖의 각 구성요소는 본 발명의 범위내에서 설계 변경이 가능하다.

외륜 (2) 의 궤도면 (2a) 은 원주 방향으로 연속적으로 형성되며 소망하는 깊이와 곡률을 가진 구형상 (외륜 축방향을 가로질러 외륜을 통과하여 반경 방향으 로 자른 단면 형상) 으로 형성되고, 도 2 에서 보이듯이 상기 궤도면 (2a) 에는 다수의 가공흔 (5) 이 형성된다. 도 2 는 외륜의 축 방향을 가로질러 그 외륜을 통과하여 반경 방향 (수직 방향) 으로 취한 상기 외륜의 단면을 나타내고, 가공흔 (5) 을 알기 쉽게 하기 위해 일부 과장되게 도시되어 있다.

가공흔 (5) 은 거의 직선이며, 상기 궤도면 (2a) 의 원주방향 (S) 에 대하여 소정의 각도를 가지고 서로 교차하면서 절삭되어 있다. 구체적으로는 상기 가공흔 (5) 는 상기 궤도면 (2a) 의 원주 방향 (S) 에 대하여 90° ~ 150°의 교차각 (θ) 으로 절삭되어 있다. 또한, 상기 외륜의 궤도면 (2a) 의 표면 거칠기는 축 방향 (A) 과 원주 방향 (S) 모두에서 중심선 평균 거칠기로 0.15 ~ 0.4㎛Ra 범위에 있게 된다. 축 방향 (A) 과 원주 방향 (S) 에서 측정된 표면 거칠기 간의 차는 0.1㎛Ra 이하이다. 경사도 (Rsk) 는 -0.4 이하이다. 상기 내륜의 거칠기는 0.1 ㎛Ra 이하이다.

이상의 설정치는 실험에 의하여 구한 최적값이다. 가공흔 (5) 의 교차각 (θ) 이 90° 미만일 때, 축 방향 (A) 의 표면 거칠기가 원주 방향 (S) 의 표면 거칠기보다 지나치게 크게 되고, 상기 설명한 축 방향 (A) 와 원주 방향 (S) 에서 측정된 표면 거칠기의 차가 0.1㎛Ra 이하로 유지될 수 없다.

가공흔 (5) 의 교차각 (θ) 이 150°을 초과하는 경우, 원주 방향 (A) 에서의 표면 거칠기가 축 방향 (A) 에서의 표면 거칠기보다 과도하게 커지고, 상기 설명한 축 방향 (A) 와 원주 방향 (S) 에서 측정된 표면 거칠기의 차가 0.1㎛Ra 이하로 유지될 수 없다.

표면 거칠기의 설정치가 0.15㎛Ra 이하이면, 내륜의 표면 거칠기와 작은 차이만 있기 때문에, 롤러의 과다한 음의 경사를 막을 수 없다. 상기 거칠기가 0.4㎛Ra 보다 크면, 고열이 마찰에 의해 생겨나고, 최악의 경우에는 늘어 붙음이 발생할 수 있다.

축 방향 (A) 와 원주 방향 (S) 에서 측정값 표면 거칠기 간의 차가 클 때, 롤러의 경사를 제어하는 것이 어렵다.

경사도 (Rsk) 가 -0.4 이하로 설정되면, 설사 유막이 닳더라도, 가공흔 (5) 을 형성한 결과 얻어지는 다수의 미소 돌기부 (6) 로 하중을 지지하기 때문에 큰 응력 집중을 막을 수 있다.

본 실시 형태에서는 가공흔 (5) 는 서로 교차하고 그 교차각 (θ) 은 120° 이다. 상기 가공면의 표면 거칠기는 축 방향 (A) 과 원주 방향 (S) 모두에서 대략 0.3㎛Ra 로 측정된다. (도 3a ~ c 및 도 4) 도 3a 는 궤도면 (2a) 의 좌측단부의 표면 거칠기를, 도 3b 는 궤도면 (2a) 의 중앙부의 표면 거칠기를, 도 3c 는 궤도면 (2a) 의 우측단부의 표면 거칠기를 나타내는 그래프이다. 도 4 는 원주 방향 표면 거칠기를 나타내는 도면이다. 축 방향 (A) 과 원주 방향 (S) 모두에서 궤도면 (2a) 의 표면 거칠기가 실질적으로 일정하나는 것을 상기 그래프에서 알 수 있다. 경사도 (Rsk) 는 -0.4 이하이다.

이와 같은 자동 조심 구름 베어링의 외륜 궤도면 (2a) 에 형성되는 가공흔 (5) 는 슈퍼 피니싱 가공을 통해 형성된다.

도 9 는 외륜 궤도면에 대한 슈퍼 피니싱 가공의 일례를 나타낸다. 회전 지그 (도시되지 않음) 에 지지되어 회전하는 외륜 (2) 의 궤도면에 봉형상의 숫돌 (8) 을 상부로부터 가압하고 (가압 장치는 도시되지 않음), 상기 숫돌 (8) 을 궤도면의 곡률에 따라 축 방향으로 요동시키면서 가공한다.

상기 숫돌 (8) 의 한 개의 연마 입자의 운동 궤적이 도 10 에서 보이는 사인파로 나타날 수 있다. 상기 숫돌은 무수히 많은 연마 입자를 갖기 때문에, 외륜의 회전수와 숫돌의 요동 횟수가 적정비로 설정되면, 외륜 궤도면에 가공흔 (5) 가 형성된다.

슈퍼 피니싱 공정에 사용되는 슈퍼 피니싱 기계는 종래 주지의 공작 기계가 본 발명의 범위 내에서 적절히 선택되고 사용된다.

도 6 은 테이프 가공을 이용한 실시예를 나타낸다. 이 실시예는 숫돌을 사용하지 않으나, 숫돌의 아치형 형상과 동일한 형상의 끝단 (tip) 을 갖는 가압 지그 (7) 와 지그의 끝단에 밀착되는 연마 테이프가 사용된다.

연마 테이프의 일면 또는 연마면에는 연마재가 부착되어 있고, 가공은 가압 지그 (7) 에 의하여 궤도면을 가압하는 연마 테이프로, 가압 지그 (7) 와 연마 테이프가 일체로 궤도면의 곡률을 따라 요동하여 수행된다.

도 5 는 구름 피로 수명 실험의 결과를 나타낸다. 종래 가공 방법에 의하여 가공되는 외륜을 가진 자동 조심 구름 베어링 (종래의 제품) 에 비하여 본발명의 가공 방법에 의하여 가공되는 외륜을 가진 자동 조심 구름 베어링은 L10 수명비가 많이 큰 것으로 밝혀지고, 종래 제품의 수명보다 수배 긴 수명을 갖는 것을 상기 결과로 알 수 있다.

본 발명은 특정 실시예를 참고하여 자세히 설명하였으나, 본 발명의 범위와 요지 내에서 당업자라면 다양한 변화와 수정하는 것이 가능하다. 본 출원은 2003년 9월 17일에 출원한 일본 특허 (No. 2003-324011) 을 기반으로 하였으며, 이 특허의 내용이 여기에 참조 된다.

본 발명은 각종 롤 넥 베어링, 차랑용 베어링 및 각종 산업 장비용 베어링으로 사용되는 자동 조심 구름 베어링으로 응용될 수 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 자동 조심 구름 베어링에서,

   복렬 궤도를 갖는 내륜,

   복렬로 일체이며 구형인 궤도를 가지는 외륜,

   상기 내륜 궤도와 상기 외륜 궤도 사이에 복렬로 들어있는 다수의 롤러,

   상기 롤러를 회전 가능하게 지지하는 리테이너를 포함하며,

   상기 외륜의 구형 궤도의 궤도면에 서로 교차하고 슈퍼 피니싱 가공(super-finishing process)에 의해 형성되는 가공흔이 형성되어 있고,

   상기 가공흔은 상기 궤도면의 원주방향에 대해 소정의 교차각으로 직선으로 절삭되어 있고,

   상기 궤도면의 표면 거칠기는 적어도 상기 롤러와 접촉하는 부분에서 축방향과 원주방향에서 실질적으로 일정하며,

   상기 외륜의 궤도면의 표면 거칠기는 축 방향과 원주 방향 모두에서 중심선 평균 거칠기로 0.15 ~ 0.4㎛Ra 인 것을 특징으로 하는 자동 조심 구름 베어링.
4. 제 3 항에 있어서,

   축 방향과 원주 방향에서 측정된 표면 거칠기의 차가 0.1㎛Ra 이하이며,

   경사도 (skewness) (Rsk) 는 -0.4 이하인 것을 특징으로 하는 자동 조심 구름 베어링.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 내륜의 궤도면의 거칠기는 축 방향의 중심선 평균적 거칠기로 0.1 ㎛Ra 이하인 것을 특징으로 하는 자동 조심 구름 베어링.
6. 삭제
7. 삭제
8. 자동 조심 구름 베어링의 외륜의 궤도면에 서로 교차하는 가공흔을 슈퍼 피니싱 가공 (super-finishing process) 을 사용하여 형성하는 것을 포함하며,

   상기 가공흔은 상기 궤도면의 원주방향에 대해 소정의 교차각으로 직선으로 절삭되며,

   상기 가공흔을 형성하는 공정은,

   중심축을 중심으로 외륜을 회전시키는 단계,

   외륜에 숫돌을 넣는 단계,

   상기 숫돌로 상기 궤도면을 가압하면서, 상기 궤도면의 곡률을 따라서 상기 숫돌을 요동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동 조심 구름 베어링의 가공 방법.

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