볼 베어링은 어떻게 만들어지나요? 깊은 홈 가이드

볼 베어링은 고품질 강철 막대 또는 튜브 스톡에서 시작하여 공차에 맞게 연삭된 구성 요소로 끝나는 정밀한 다단계 제조 공정을 통해 만들어집니다. ±0.001mm . 이 공정에는 성형, 열처리, 연삭, 정밀 마무리, 조립 및 검사가 포함됩니다. 각 단계는 베어링이 제공해야 하는 하중 용량, 회전 정확도 및 서비스 수명을 달성하는 데 중요합니다.

깊은 홈 볼 베어링 — 세계에서 가장 널리 제조된 베어링 유형 —은 이와 동일한 프로세스를 따르며, 반경 방향 및 축 방향 하중을 동시에 처리할 수 있는 능력을 제공하는 깊은 궤도 홈에 대한 추가 정밀도 요구 사항을 따릅니다. 스테인레스 스틸 깊은 홈 볼 베어링 동일한 순서를 따르지만 수정된 열처리 매개변수가 필요한 내식성 강철 등급을 사용합니다. 이 문서에서는 모든 단계를 자세히 다룹니다.

원자재: 볼 베어링에 들어가는 강철

볼 베어링의 재료 선택은 경도와 피로 수명부터 내식성 및 최대 작동 온도까지 모든 것을 결정합니다. 대부분의 표준 깊은 홈 볼 베어링은 AISI 52100 크롬강 (유럽 표준의 100Cr6에 해당), 표면 경도를 달성하는 고탄소 크롬 합금 베어링강 58~65HRC 열처리 후 - 수억 번의 응력 주기에 걸쳐 접촉 피로를 견딜 만큼 충분히 단단합니다.

표준 크롬강(AISI 52100 / 100Cr6)

이 강철에는 대략 1.0% 탄소 및 1.5% 크롬 , 탁월한 경화성과 내피로성을 제공합니다. 이는 전체 경화되어 표면뿐만 아니라 전체 단면이 균일한 경도를 달성한다는 의미입니다. AISI 52100은 표준 깊은 홈 볼 베어링의 내부 링, 외부 링 및 볼에 대한 전역 기본 재료입니다.

부식 방지 베어링용 스테인레스 스틸

스테인레스 스틸 깊은 홈 볼 베어링은 마르텐사이트 스테인레스 스틸 등급을 가장 일반적으로 사용합니다. AISI 440C (고탄소 변형) 또는 AISI 440B. AISI 440C에는 대략적인 내용이 포함되어 있습니다. 1.0% 탄소 및 17% 크롬 , 습기, 약산 및 염수 분무에 대한 탁월한 저항성을 제공하는 수동 산화크롬 표면층을 형성합니다. 열처리 후 AISI 440C에 도달 58~62HRC — 52100보다 약간 부드러워서 대략적인 결과가 나옵니다. 20~30% 더 낮은 정격 부하 동급 크롬강 베어링과 비교.

오염 위험으로 인해 이러한 절충안이 필요한 식품 가공, 해양, 제약 및 화학 응용 분야의 경우 스테인리스 스틸 깊은 홈 볼 베어링이 표준 사양입니다. 일부 제조업체에서는 다음을 제공합니다. AISI 316 스테인레스 극심한 부식 환경의 경우, 이 오스테나이트 등급은 경화될 수 없으며 보상하기 위해 세라믹 볼이 필요합니다.

케이지 및 씰 재료

• 케이지: 스탬프 처리된 저탄소강(가장 일반적), 프레스 황동, 기계 가공된 폴리아미드(PA66) 또는 고온 응용 분야용 PEEK
• 실드(ZZ 접미사): 강판 - 내부 링에 접촉하지 않고 윤활유를 유지하고 거친 오염물을 차단합니다.
• 씰(2RS 접미사): 표준 용도용 니트릴 고무(NBR); 화학 또는 고온 서비스용 탄화플루오르(FKM/Viton); 비접촉식 저마찰 변형용 PTFE

1단계 - 내부 및 외부 링 형성

링 제조는 화학 성분 및 내부 청결도가 검증된 강철 막대 스톡 또는 심리스 튜브로 시작됩니다. 강철의 개재물과 미세 공극은 조기 베어링 피로의 주요 원인이므로 재료 검증은 선택 사항이 아닙니다.

냉간 또는 열간 단조

더 큰 베어링(보어 직경이 약 30mm 이상)의 경우 강철 빌렛이 사용됩니다. 열간 단조 900~1,100°C의 온도에서 거친 링 블랭크로 변환됩니다. 단조는 링의 원주를 따라 강철의 입자 구조를 정렬합니다. 이는 링의 사용 시 경험하는 후프의 응력에 저항할 수 있도록 가장 강한 입자 방향을 지정하기 때문에 중요한 이점입니다. 더 작은 깊은 홈 볼 베어링의 경우, 냉간 성형 튜브 스톡이 일반적이므로 재료 낭비가 적고 후속 가공이 덜 필요합니다.

터닝(가공)

단조 후 링 블랭크를 CNC 선반에서 회전시켜 기본 치수(외경, 내부 보어, 너비 및 궤도 홈의 초기 형태)를 생성합니다. 이 단계에서는 치수가 다음과 같이 절단됩니다. 0.1~0.5mm 특대 후속 연삭을 위해 재고를 남겨 둡니다. 볼과 접촉하는 반원형 채널인 깊은 홈 프로파일이 여기에 형성되어 여러 연삭 작업을 통해 다듬어질 예비 형상이 됩니다.

그런 다음 회전된 링을 세척하고 치수를 검사한 후 열처리를 준비합니다. 이 단계에서 발견된 표면 결함(균열, 랩 또는 솔기)은 거부 사유가 됩니다. 열처리를 하면 기존 결함이 고정되기 때문입니다.

2단계 - 열처리: 베어링 경도 달성

열처리는 볼 베어링 제조에서 야금학적으로 가장 중요한 단계입니다. 이는 부드럽고 기계 가공이 가능한 강철 링을 단단하고 피로에 강한 베어링 구성 요소로 변환합니다. 잘못된 열처리(잘못된 온도, 잘못된 담금질 속도 또는 불충분한 템퍼링)로 인해 몇 년이 아닌 몇 시간 내에 서비스가 중단되는 베어링이 생성됩니다.

AISI 52100의 경화 공정

1. 오스테나이트화: 링은 다음과 같이 가열됩니다. 820~860°C 분위기가 조절되는 용광로에서(표면의 탈탄을 방지하기 위해) 완전히 오스테나이트화될 때까지 온도를 유지합니다. 단면 두께에 따라 일반적으로 20~60분 정도 소요됩니다.
2. 담금질: 링은 오일에 담그거나(가장 일반적으로) 강제 가스 담금질을 통해 빠르게 냉각됩니다. 급속 냉각은 오스테나이트를 마르텐사이트(베어링 강에 경도를 부여하는 단단한 몸체 중심의 정방정계 결정 구조)로 변형시킵니다. 담금질 속도는 더 부드러운 펄라이트 또는 베이나이트 상의 형성을 방지할 수 있을 만큼 충분히 빨라야 합니다.
3. 극저온 처리(선택 사항이지만 점차 보편화됨): 액체질소에 담그다 -196°C 4~24시간 동안 더 부드러운 준안정상인 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환하여 치수 안정성과 피로 수명을 최대 20%까지 향상시킵니다.
4. 템퍼링: 링은 다시 가열됩니다. 150~180°C 경도를 유지하면서 담금질 응력을 완화하기 위해 1~4시간 동안 유지합니다. 템퍼링 후 최종 경도: 60~64HRC . 뜨임 온도가 높을수록 취성은 더욱 감소하지만 경도는 약간 희생됩니다.

스테인레스 스틸 깊은 홈 볼 베어링의 열처리 (AISI 440C)

AISI 440C는 더 높은 온도에서 오스테나이트화를 요구합니다. 1,010~1,065°C 오일 또는 공기 담금질 후 템퍼링 150~175°C . 이 등급에 존재하는 크롬 탄화물을 용해하려면 더 높은 오스테나이트화 온도가 필요합니다. 최종 경도 도달 58~62HRC . 중요한 것은 400°C 이상의 템퍼링은 피해야 한다는 것입니다. 이는 결정립 경계에 크롬 탄화물을 침전시켜 예민화라고 불리는 과정에서 내식성을 크게 감소시킵니다.

3단계 - 링을 최종 치수로 연마

열처리 후 링은 기존 도구로는 절단하기가 너무 어렵습니다. 연마 휠을 사용하여 연삭해야만 필요한 치수 정확도와 표면 조도를 얻을 수 있습니다. 연삭은 각 작업이 특정 표면을 목표로 하고 공차가 점진적으로 강화되는 다중 패스 프로세스입니다.

깊은 홈 볼 베어링 링의 연삭 순서

1. 페이스 연삭: 양쪽 측면은 ±0.005mm 이상의 공차로 평행하고 평평하게 연마되어 모든 후속 작업에 대한 기준 데이텀을 설정합니다.
2. 외경(OD) 연삭: 외부 링의 OD와 내부 링의 보어는 지정된 직경으로 연마됩니다. 표준 P0(일반) 공차 등급 베어링의 경우 보어 공차는 일반적으로 0 / -0.012mm 20mm 보어의 경우.
3. 궤도 홈 연삭: 가장 중요한 작업. 폼 드레싱 연삭 휠은 깊은 반원형 홈 프로파일을 지정된 반경으로 절단합니다. 일반적으로 볼 직경의 51.5~53% 깊은 홈 볼 베어링용. 홈 반경은 볼 접촉각, 하중 분포 및 주행 소음을 직접적으로 결정하므로 엄격하게 제어됩니다.
4. 궤도의 슈퍼피니싱(호닝): 진동하는 연마석은 휠이 남긴 방향성 연삭 흔적을 제거하여 Ra 값이 다음과 같은 평탄한 표면 마감을 생성합니다. 0.02~0.1μm . 이 거울에 가까운 마감은 접촉 응력을 최소화하고 마찰을 줄이며 윤활막을 유지하는 브리넬 패턴을 달성하는 데 필수적입니다.

정밀 등급 베어링(ISO 492에 따른 P6, P5, P4)은 각 연삭 단계에서 점점 더 엄격한 공차를 요구합니다. P4 등급 베어링의 치수 공차는 대략 다음과 같습니다. 4배 더 단단함 표준 P0 베어링보다 공작기계 스핀들, 의료영상장비, 정밀기기 등에 사용됩니다.

4단계 - 공 제작

롤링 요소(볼 자체)는 전체 베어링 공급망에서 가장 까다로운 완전히 별도의 프로세스를 통해 제조됩니다. 볼 진원도, 표면 마감 및 직경 일관성은 베어링 소음, 진동 및 피로 수명을 직접적으로 결정합니다.

1. 콜드 제목: 강철 와이어는 작은 슬러그를 절단하고 두 다이 사이에서 특성 적도의 "플래시" 링이 있는 거친 구형으로 냉간 성형하는 냉간 압조 기계에 공급됩니다. 플래시 링은 다이 사이에 압착된 과도한 재료이므로 다음 단계에서 제거해야 합니다.
2. 플래시 제거(플래싱 제거): 거친 볼이 두 개의 주철판 사이의 홈에서 굴러가면서 플래시 링이 부서지고 보다 구형이 됩니다. 이 단계에서 공은 여전히 대략적으로 0.1~0.3mm 특대 표면 거칠기는 Ra 0.8–1.6 µm입니다.
3. 열처리: 볼은 링과 동일한 경화 과정을 거칩니다. 즉, 오스테나이트화, 담금질, 템퍼링을 통해 62~66HRC . 볼은 베어링에서 가장 높은 헤르츠 접촉 응력을 경험하기 때문에 일반적으로 링보다 약간 더 높은 값으로 경화됩니다.
4. 하드 연삭: 경화된 볼은 연마제를 사용하여 회전하는 주철판 사이에서 연마되어 거의 최종 크기로 줄어들고 구형도가 향상됩니다. 점점 더 미세한 연마재를 사용하여 여러 번 통과하면 과잉 재고가 대략적으로 줄어듭니다. 5~25μm .
5. 래핑 및 수퍼피니싱: 정밀 플레이트 사이의 최종 래핑은 다음과 같은 구형도 오류(완벽한 구로부터의 편차)가 있는 볼을 생성합니다. 0.1~0.25μm 표준 깊은 홈 볼 베어링에 사용되는 10~25등급 볼용입니다. 고정밀 베어링에 사용되는 정밀 3등급 볼은 0.08μm Ra 0.012 µm 이하의 표면 거칠기.
6. 직경 분류: 완성된 볼은 공차가 다음과 같은 직경 그룹으로 분류됩니다. ±0.25μm 그룹당. 단일 베어링에 사용되는 모든 볼은 보완물에 있는 모든 볼 간에 동일한 하중 공유를 보장하기 위해 동일한 직경 그룹에서 나와야 합니다.

5단계 - 케이지 제조

케이지(리테이너)는 볼 사이의 원주 간격을 동일하게 유지하고 볼 간 접촉을 방지하며 윤활유를 접촉 영역으로 안내합니다. 링이나 볼보다 기계적으로 덜 까다롭음에도 불구하고 그 자체로 정밀한 부품입니다.

• 각인된 강철 케이지: 강판을 블랭킹하고, 성형하고, 피어싱하여 볼 보완물 주위에 함께 리벳으로 고정되는 2개의 하프 케이지를 만듭니다. 이는 저렴한 비용과 중간 속도까지 적절한 성능으로 인해 표준 깊은 홈 볼 베어링에서 가장 일반적인 케이지 유형입니다.
• 가공된 황동 케이지: 밀링되거나 브로치된 포켓이 있는 황동 튜브를 CNC로 가공했습니다. 강철 케이지가 피로해지는 고속, 고온 또는 고진동 응용 분야에 사용됩니다. 황동은 석유 윤활유와의 상용성이 뛰어나고 마모 위험이 낮습니다.
• 사출 성형 폴리아미드 케이지: 유리 섬유 강화 PA66 케이지는 단일 부품으로 사출 성형됩니다. 금속 케이지보다 가볍고 어느 정도 자체 윤활이 가능하며 많은 설계에서 강철 케이지보다 더 높은 허용 속도를 허용합니다. 최대 작동 온도에 적합 120°C 지속적으로.

6단계 - 깊은 홈 볼 베어링 조립

깊은 홈 볼 베어링 어셈블리는 베어링의 기하학적 구조를 활용하는 특정 기술을 사용합니다. 즉, 외부 링 내에서 내부 링을 오프셋함으로써 전체 볼 보완물을 삽입할 수 있을 만큼 큰 초승달 모양의 틈이 한쪽에 열립니다. 이것은 편심 변위 방법 — 기존 방식으로 고정된 어셈블리의 열린 면을 통해 삽입할 경우 맞는 것보다 더 많은 볼을 로드할 수 있습니다.

1. 링 청소: 내부 및 외부 링은 조립 전에 모든 분쇄 잔여물, 금속 입자 및 오염 물질을 제거하기 위해 초음파로 세척됩니다. 조립 중 베어링에 갇힌 단일 금속 입자로 인해 궤도면의 조기 구멍이 발생합니다.
2. 볼 로딩: 내부 링은 외부 링의 한쪽으로 변위되고 가능한 최대 개수의 볼이 초승달 모양의 틈에 로드됩니다. 그런 다음 내부 링이 중앙에 위치하여 볼이 원주 주위에 고르게 분포됩니다.
3. 케이지 설치: 케이지는 볼을 동일한 간격으로 고정하기 위해 볼 보완물 주위에 스냅되거나 리벳으로 고정되어 있습니다. 스탬핑된 강철 케이지의 경우 두 개의 하프 케이지를 함께 누르고 미리 형성된 보스를 통해 리벳으로 고정합니다.
4. 내부 틈새 측정: 조립된 베어링은 반경방향 내부 틈새(RIC), 즉 내부 링과 외부 링 사이의 전체 반경 방향 유격을 측정합니다. 표준 C3 간격(간섭 끼워맞춤 용도의 경우 정상보다 큼)은 다음 범위에 속하는 것으로 확인되었습니다. ISO 5753에 따라 지정된 제한 .
5. 윤활: 정확한 양과 등급의 그리스가 베어링 공간에 주입됩니다. 일반적으로 충진됩니다. 여유 볼륨의 25~35% 밀봉형 베어링용. 과충진은 작동 온도와 휘젓기 손실을 증가시킵니다. 언더필은 그리스 수명을 단축시킵니다.
6. 쉴드 또는 씰 설치: 금속 실드(ZZ)는 내부 링과 접촉하지 않고 외부 링의 홈에 압입됩니다. 고무 씰(2RS)은 내부 링 표면의 씰 홈에 억지 끼워 맞춤 방식으로 유사하게 장착됩니다.

7단계 - 품질 검사 및 테스트

완성된 모든 깊은 홈 볼 베어링은 포장 전에 일련의 자동 검사를 거칩니다. 검사 엄격성은 정밀 등급에 따라 다르지만, 표준 P0 베어링도 아래의 중요 매개변수에 대해 샘플링이 아닌 100% 검사됩니다.

고정밀 베어링(P5 및 P4 클래스)은 축 방향 흔들림 테스트, 진원도 측정기를 사용하여 링 및 볼의 진원도 측정을 추가로 수행합니다. 0.01μm , 그리고 어떤 경우에는 소음 등급(V1, V2, V3)에 따른 자동 분류를 통해 100% 진동 테스트를 수행합니다.

크롬강 대 스테인리스강 깊은 홈 볼 베어링: 제조상의 차이점

제조 순서는 동일하지만 스테인리스강 깊은 홈 볼 베어링은 표준 크롬강 장치에 비해 몇 가지 중요한 공정 수정이 필요합니다.

공차 클래스 및 실제 의미

깊은 홈 볼 베어링은 ISO 492 및 ABMA 표준에 정의된 국제 표준 공차 등급에 따라 제조됩니다. 클래스는 완성된 베어링의 치수 정확도와 작동 정확도를 결정하고 비용과 제조 복잡성을 직접적으로 결정합니다.

• P0(일반/ABMA ABEC-1): 표준 상업 등급. 펌프, 모터, 컨베이어, 기어박스 및 가전제품을 포함한 대부분의 응용 분야를 포괄합니다. 베어링 부품 번호에는 특별한 지정이 필요하지 않습니다.
• P6(ABEC-3): 보어, OD 및 런아웃 공차가 더욱 엄격해졌습니다. 공작기계, 정밀펌프, 중속전동기에 사용됩니다. 대략 2배 더 단단함 P0보다.
• P5(ABEC-5): 높은 정밀도. 공작 기계 스핀들, 정밀 측정 기기 및 15,000RPM 이상의 고속 애플리케이션에 필요합니다. 대략 4배 더 단단함 P0보다.
• P4(ABEC-7): 초정밀. CNC 연삭 스핀들, 자이로스코프 및 항공우주 응용 분야에 사용됩니다. 20mm 베어링의 보어 런아웃 공차는 다음과 같습니다. 불과 2.5μm — 사람 머리카락 굵기의 약 1/40입니다.
• P2(ABEC-9): 상업용 최고 정밀도 등급입니다. 주로 정밀 의료 영상 장비, 반도체 제조, 과학 기기에 사용됩니다.

스테인레스 스틸 깊은 홈 볼 베어링은 가장 일반적으로 P0 및 P6 공차 등급으로 제조됩니다. 더 높은 정밀도 등급을 사용할 수 있지만 AISI 440C의 추가 연삭 난이도로 인해 훨씬 ​​더 비싸며 일반적으로 내식성과 정밀도가 동시에 요구되는 특수 클린룸 또는 의료 응용 분야에 사용됩니다.