볼 베어링은 어떻게 만들어지나요? 깊은 홈 볼 베어링 가이드

볼 베어링은 어떻게 만들어지나요? 직접적인 답변

볼 베어링은 정밀한 다단계 공정을 통해 제조됩니다. 강철 와이어 또는 막대는 냉간 성형되어 거친 볼로 만들어진 다음 거의 완벽한 구형으로 연마 및 랩핑되고 경도를 위해 열처리된 후 최종적으로 내부 레이스, 외부 레이스, 케이지 및 때로는 실드 또는 씰과 조립됩니다. 원강부터 완성된 베어링까지 전체 과정은 정밀 등급과 베어링 크기에 따라 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있습니다.

깊은 홈 볼 베어링 세계에서 가장 널리 사용되는 베어링 유형인 DGBB(DGBB)는 동일한 핵심 프로세스를 따르지만 궤도 홈 형상에 특히 엄격한 공차가 필요합니다. 제조 단계를 자세히 이해하면 고품질 베어링이 프리미엄을 받는 이유와 모든 단계에서 사소한 편차라도 조기 고장을 일으킬 수 있는 이유를 알 수 있습니다.

원자재: 볼 베어링에는 어떤 강철이 들어가나요?

대부분의 볼 베어링의 시작 재료는 다음과 같습니다. AISI 52100 크롬강 (100Cr6 또는 GCr15라고도 함)은 고탄소 크롬 합금 베어링강입니다. 일반적인 구성에는 탄소 약 0.95~1.10%와 크롬 1.30~1.60%가 포함되어 있어 베어링이 요구하는 높은 경도(일반적으로 열처리 후 58~65 HRC), 내마모성 및 피로 수명을 모두 제공합니다.

까다로운 환경을 위해 대체 재료가 사용됩니다.

• 스테인레스 스틸(AISI 440C): 부식성 또는 습한 환경에서 사용됩니다. 경도는 약간 낮지만(~58HRC) 방청성은 우수합니다.
• 질화규소(Si₃N₄) 세라믹: 고속 또는 전기 절연 용도의 하이브리드 베어링에 사용됩니다. 밀도가 강철보다 약 40% 낮아 높은 RPM에서 원심력이 크게 감소합니다.
• 표면 경화강: 완전 경화가 불가능한 대형 베어링 링에 사용됩니다.

강철 용융물의 청결도가 중요합니다. 개재물(강에 갇힌 작은 비금속 입자)은 피로 균열이 시작되는 지점으로 작용합니다. 개재물 함량을 이하로 줄이기 위해 진공 탈기 또는 일렉트로슬래그 재용해(ESR)를 통해 프리미엄 베어링강을 생산합니다. 초음파 검사 시 100mm²당 입자 1개 .

공 제조: 와이어에서 완벽한 구까지

볼 제조 공정은 금속 가공에서 기하학적으로 가장 까다로운 공정 중 하나입니다. 표준 깊은 홈 볼 베어링의 완성된 볼은 일반적으로 다음 범위 내에 있어야 합니다. 0.25 µm (0.00001 인치)의 완벽한 진원도 10등급(ABEC-5 상당) 공의 경우.

1단계 - 냉간압조(냉간성형)

적절한 직경의 강선이 냉간압조 기계에 공급됩니다. 다이는 각각의 와이어 슬러그를 거친 공 모양으로 펀칭하고 압착하여 특징적인 적도의 "플래시" 또는 중간 주위에 링(분할선 또는 "링 플래시"라고 함)을 형성합니다. 이 플래시는 나중에 제거해야 합니다. 콜드 헤딩은 매우 빠릅니다. 현대 기계는 분당 300~600개의 거친 공을 생산할 수 있습니다. .

2단계 – 플래쉬 제거(소프트 그라인딩)

거친 볼은 두 개의 주철 홈이 있는 플레이트 사이에 배치됩니다. 플레이트가 서로에 대해 회전함에 따라 볼은 8자 모양의 경로로 굴러가며 플래시 링이 점진적으로 제거됩니다. 이 단계에서는 공이 약 안쪽으로 이동합니다. 최종 크기 100–200 µm .

3단계 - 열처리

공은 대략적으로 오스테나이트화됩니다. 845°C(1550°F) 그런 다음 오일로 마르텐사이트로 담금질하고 약 150~175°C에서 뜨임하여 60~66 HRC의 목표 경도를 달성합니다. 적절한 열처리는 미세구조를 안정화시키고 담금질 응력을 완화시킵니다.

4단계 - 하드 그라인딩

이제 경화된 볼은 연마재(산화알루미늄 또는 탄화규소)가 충전된 주철판 사이에서 연마됩니다. 여러 번의 패스를 통해 볼이 타겟 직경의 몇 마이크로미터 이내로 줄어들고 진원도가 크게 향상됩니다.

5단계 - 래핑

래핑은 점점 더 미세한 연마제(때때로 0.25μm 다이아몬드 페이스트까지)를 사용하는 최종 크기 조정 작업입니다. 최종 크기와 거울 같은 표면 마감을 모두 달성합니다(정밀 등급의 경우 Ra < 0.025 µm). 표면 거칠기는 구름 접촉 피로 수명에 직접적인 영향을 미칩니다 - 볼 표면이 거칠면 베어링 L10 수명이 30~50% 감소할 수 있습니다.

링 제조: 내부 및 외부 레이스 생산

깊은 홈 볼 베어링의 링(레이스)은 베어링의 부하 용량과 정밀도를 정의하는 구성 요소입니다. 깊은 홈 볼 베어링의 경우 두 링 모두 연속적이고 중단되지 않는 홈을 갖고 있으며(충진 노치가 없음), 이는 반경방향 하중과 축방향 하중을 모두 전달할 수 있게 해줍니다.

단조 및 터닝

링은 일반적으로 강철 튜브나 스톡 바를 사용하여 생산됩니다. 더 작은 베어링의 경우 냉간 성형 링 블랭크가 "슬러그 및 튜브" 공정에서 펀칭됩니다. 더 큰 베어링의 경우 링이 열간 단조됩니다. 그런 다음 블랭크는 CNC 선반에서 대략적인 치수로 회전되어 남겨집니다. 연삭 스톡 0.1–0.5 mm 모든 중요한 표면에.

링의 열처리

볼과 마찬가지로 링도 완전 경화(52100 강철) 또는 표면 경화(큰 크기의 경우)된 후 템퍼링됩니다. 후속 연삭 중 치수 안정성이 중요합니다. ~15%를 초과하는 잔류 오스테나이트는 서비스 중에 크기 변화를 일으킬 수 있습니다. 따라서 이를 최소화하기 위해 극저온 처리(-70~-196°C에서 영하 담금질)를 사용하는 경우도 있습니다.

레이스웨이 그라인딩

궤도 연삭은 가장 중요한 가공 단계입니다. DGBB 궤도의 홈 반경은 일반적으로 볼 직경의 51.5~53% (적합성 비율 0.515–0.530). 너무 빡빡한 적합성은 마찰과 열을 증가시킵니다. 너무 느슨하면 부하 용량이 줄어듭니다. 공정 내 측정 기능을 갖춘 CNC 연삭기는 정밀 등급 베어링에서 궤도 반경 공차를 ±2 µm로 유지합니다.

슈퍼피니싱(호닝)

연삭 후 진동 연마석을 사용하여 궤도를 수퍼피니싱하여 아래의 Ra 값을 달성합니다. 0.05μm . 이 공정은 연삭으로 인해 남겨진 미세한 물결 모양도 교정합니다. 잘 마무리된 궤도는 지상 전용 표면에 비해 베어링 피로 수명을 2~4배 연장할 수 있습니다.

케이지: 공의 간격을 균등하게 유지

케이지(리테이너라고도 함)는 볼 사이의 균일한 간격을 유지하고 볼 간 접촉을 방지하며 로드 영역을 통해 볼을 안내합니다. 케이지 설계는 고속 및 고온 성능에 중요한 영향을 미칩니다.

스탬핑 강철 케이지는 강판을 프로그레시브 다이 스탬핑하여 만든 다음 함께 리벳으로 고정합니다. 사출 성형 폴리머 케이지(PA66 또는 PEEK)는 강성을 높이기 위해 유리 섬유 강화를 사용하는 기존 사출 성형 장비에서 생산됩니다.

깊은 홈 볼 베어링 조립 공정

깊은 홈 볼 베어링의 조립은 정밀한 작업입니다. DGBB에는 충전 슬롯이 없기 때문에 특정 편심 삽입 방법을 사용하여 볼을 로드해야 합니다.

1. 링 검사: 내부 및 외부 링은 조립 전에 보어, OD, 폭 및 궤도 치수를 100% 측정합니다.
2. 편심 하중: 내부 링은 외부 링 내에서 오프셋되어 초승달 모양의 개구부를 만듭니다. 이 구멍에 들어갈 수 있는 공의 최대 개수가 삽입됩니다. 이는 항상 최종 개수보다 적은 개수입니다.
3. 볼 센터링: 링은 동심원 위치로 돌아가서 볼이 궤도 주위에 고르게 분포됩니다.
4. 케이지 삽입: 간격을 유지하기 위해 케이지는 볼 주위에 고정되거나 리벳으로 고정되어 있습니다. 스냅형 나일론 케이지의 경우 두 개의 절반이 함께 딸깍 소리를 냅니다. 리벳이 달린 강철 케이지의 경우 각 리벳이 개별적으로 압착됩니다.
5. 기름칠: 측정된 양의 그리스(일반적으로 내부 여유 공간의 25~35%)가 주입됩니다. 그리스가 너무 적으면 기아가 발생합니다. 너무 많으면 휘젓고 과열됩니다.
6. 밀봉 또는 차폐: 비접촉 실드(ZZ 유형) 또는 접촉 고무 씰(2RS 유형)이 외부 링 홈에 압착되거나 압착됩니다.
7. 최종 검사 및 표시: 레이저 또는 잉크 마킹 전에 완성된 베어링의 내부 틈새, 소음 수준(진동에 민감한 스핀들에서 테스트) 및 외관상의 결함을 측정합니다.

정밀 등급: ABEC 및 ISO 공차는 무엇을 의미합니까?

베어링 정밀도는 공차 등급에 따라 분류됩니다. 공차가 엄격할수록 더 많은 제조 단계가 필요하고 비용도 높아집니다.

대부분의 산업용 깊은 홈 볼 베어링(예: 유비쿼터스 6200 또는 6300 시리즈)의 경우, ABEC 1 / P0 등급이 표준입니다. . ABEC 1에서 ABEC 5로 이동하면 일반적으로 베어링 비용이 20~50% 추가됩니다. ABEC 7로 이동하면 두 배 또는 세 배가 될 수 있습니다.

프로세스 전반에 걸친 품질 관리

최신 베어링 생산 라인에서는 공정 중 품질 검사와 최종 라인 품질 검사를 모두 사용합니다. 주요 검사 방법은 다음과 같습니다.

• 치수 측정: 공압 또는 전자 공기 측정은 자동화 라인에서 분당 100개 부품을 초과하는 속도로 보어 및 OD를 마이크론 이하의 정확도까지 측정합니다.
• 진원도(원형성) 테스트: Talyrond 또는 CMM 장비는 링과 볼 모두에서 형태 편차를 확인합니다.
• 소음 및 진동 테스트(안데론 미터): 조립된 베어링은 보정된 스핀들에서 회전합니다. 진동 수준은 세 가지 주파수 대역에서 측정됩니다. C3(고주파) 0.8 이상의 Anderon 값은 일반적으로 베어링을 거부합니다. 저소음 등급.
• 경도 테스트: 로크웰 C 척도; 열처리 로트를 기준으로 한 샘플 기반.
• 자분/염료침투검사: 특히 연삭 후 표면 균열을 감지합니다(연삭 화상 위험).
• 내부 틈새 측정: 방사형 내부 틈새(RIC)를 확인하고 애플리케이션 예압 요구 사항에 맞게 틈새 등급(C2, CN/일반, C3, C4)으로 분류합니다.

깊은 홈 볼 베어링이 글로벌 생산을 지배하는 이유

깊은 홈 볼 베어링은 전 세계적으로 생산되는 모든 볼 및 롤러 베어링 장치의 약 30~35% , 가장 일반적인 베어링 유형입니다. 글로벌 베어링 시장은 2023년에 450억 달러를 초과했으며, DGBB가 상당한 점유율을 차지했습니다.

이들의 지배력은 세 가지 제조 및 설계 이점에서 비롯됩니다.

• 충전 노치가 필요하지 않습니다. 깊은 궤도 홈은 노치로 링을 약화시키지 않고 충분한 수의 볼을 로드할 수 있도록 하여 링 가공 공정을 단순화합니다.
• 다양한 하중 처리: 이 베어링은 수정 없이 양방향으로 반경방향 및 축방향(추력) 하중을 모두 전달합니다. 이는 많은 응용 분야에서 한 쌍의 앵귤러 콘택트 베어링이 필요하지 않은 설계상의 이점입니다.
• 표준화된 크기: ISO 15는 표준화된 보어/OD/폭 조합(6000, 6200, 6300, 6400 시리즈)의 전체 범위를 정의하여 글로벌 호환성과 대량 생산 효율성을 가능하게 합니다.

예를 들어, 단일 6205 깊은 홈 볼 베어링(25mm 보어)은 다음과 같은 정적 반경 방향 하중을 처리할 수 있습니다. 6.55kN 및 14.8kN의 동적 레이디얼 하중 , 그리스 윤활을 사용하여 최대 13,000RPM의 속도로 작동하고 적당한 부하에서 1,000시간을 초과하는 L10 수명을 달성합니다. 이 모든 것이 상용 수량 기준으로 단가가 3달러 미만입니다.

일반적인 제조 결함과 그 원인

베어링 제조에서 무엇이 잘못될 수 있는지 이해하면 엔지니어는 공급업체 품질을 평가하고 현장 실패를 진단하는 데 도움이 됩니다.

• 연삭 화상: 과도한 연삭열로 인해 발생합니다. 궤도에 흰색(재경화) 또는 어두운(과도하게 강화된) 층이 생성됩니다. 연삭화상은 피로수명을 감소시킨다. 최대 80% Barkhausen 노이즈 또는 Nital Etch 검사를 통해 감지할 수 있습니다.
• 볼 직경 변화: 볼 세트 사이에 직경이 1μm만 퍼져도 하중 공유 불균형이 발생합니다. 하나 또는 두 개의 볼이 불균형적으로 높은 하중을 전달하여 예상보다 일찍 파손이 시작됩니다.
• 궤도의 굴곡: 궤도의 주기적인 기복(거칠기와 구별됨)은 특정 주파수(볼 패스 주파수)에서 진동을 유발합니다. 잘못된 슈퍼피니싱이 일반적인 원인입니다.
• 잔류 오스테나이트: 부적절한 열처리는 미세구조에 불안정한 오스테나이트를 남깁니다. 하중 및 온도 순환 시 이는 마르텐사이트로 변형되어 치수 성장과 궤도 왜곡을 유발합니다.
• 잘못된 그리스 충전: 과도한 윤활과 과소 윤활 모두 베어링 수명을 단축시킵니다. 최적의 채우기는 응용 프로그램마다 다릅니다. 평생 봉인된 DGBB는 일반적으로 25~35% 보이드 채우기 공장에서.