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고성능 복합재 베어링 기술

글쓴이 : Riuheavy 날짜 : 2015-05-18 (월) 09:32

굴삭기 회전부, 트럭, 크레인, 트랙터 연결부에 적용 가능 기술

 

고성능 복합재료 베어링 설계 및 제작에 관한 원천 기술력을 확보 할 수 있는 기술이 소개됐다.
기존에 개발된 복합재료 베어링 제조법과는 달리 운영 범위가 다양하다.
고성능 복합재 베어링 기술은 자기 윤활 고성능 베어링(self-lubricating high performance bearing)에 관한 것으로 특히 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)수지와 Quartz/Glass(석영/유리)직물로 제조된 복합재료(composite material)가 고성능 베어링 부품으로 적용될 수 있는 제조방법에 관한 특허 기술이다.
본 발명의 복합재료 베어링 부품 제조 방법에서는 PTFE 필름, Quartz 직물, Glass 직물이 적층된 직물 혼합체를 베어링의 최종 형상을 감안하여 패턴이 설계된 다음, 복합재료 베어링을 구성하는 베어링 구조체의 스틸표면인 융착면에 적층하는 공정과 300~400℃의 열처리 온도, 30~100㎏f/㎠ 의 압력조건에서 동시에 성형·융착이 이루어지는 공정으로
수행됨으로써 복합재료 베어링(10-1)이 제조된다.
이러한 복합재료 베어링이 자기 윤활 고성능 베어링(self-lubricating high performance bearing)으로 기능함으로써 추력 제어(Thrust Vector Control)노즐인 B&S(Ball & Socket)노즐의 구동 마찰면에서 요구되는 고성능을 만족시키고, 유도무기 부품에서 요구되는 고 하중·저 마찰 계수 성능도 만족되는 특징을 갖는다.
출원번호 10-2013-0074444 「고성능 복합재 베어링 기술」은 국방과학연구소에서 지난 2014년 6월 3일 등록한 특허이다.


배경기술
일반적으로 추력제어노즐(Thrust Vector Control Nozzle)에는 B&S 노즐(Ball & Socket Nozzle)이 적용되고, B&S 노즐에는 얇은 층의 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 수지를 이용해 구동 마찰력을 낮춰줄 수 있는 자기 윤활 베어링(self-lubricating bearing)이 적용된다.
통상 순수한 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene) 수지만으로 이루어진 표면층은 급격한 하중에 의한 표면의 응력집중을 발생시키고, 마찰 표면 손상에 의한 마찰계수 증가의 원인이 될 수 있다.
이러한 응력집중과 마찰계수증가는 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)수지에 직물이 함유됨으로써 완화될 수 있으며, 이를 복합재료(composite material)로 칭한다.


기술 효과
상기 특허문헌은 유리섬유에 불소섬유와 합성섬유를 함께 성형함으로써 높은 베어링 압력이 작용되는 조건에서도 낮은 마찰을 유지할 수 있는 자기 윤활 베어링(self-lubricating bearing)에 관한 기술의 예를 나타낸다.
하지만 추력제어노즐(Thrust Vector Control Nozzle)의 B&S 노즐(Ball & Socket Nozzle)은 구형으로 이루어진 볼 형태의 가동부와 구형으로 떠받히는 고정부가 존재함으로써 연소가스의 배출압력은 소켓 영역에 응력으로 작용하고, 이러한 응력은 구동 마찰력을 발생시킴으로써 자기 윤활 베어링(self-lubricating bearing)의 복합재료(composite material)는 구조성능이 우수한 직물에 마찰성능이 우수한 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)수지로 이루어질 필요가 있다.
특히 직물 재료로 탄소계, 유리계, 무기계를 적용할 수 있으면, 복합재료(composite material)에서는 충분한 강도와 높은 강성을 갖는 마찰표면이 구현될 수 있다.
일례로 탄소계, 유리계, 무기계의 직물 재료와 마찰성능이 우수한 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)수지로 이루어진 복합재료(composite material)가 적용된 자기 윤활 베어링(self-lubricating bearing)은 높은 하중조건에서 운용이 가능할 수 있고, 특히 회전 중심이 어긋나 있는 경우에 갑작스러운 운용 하중이 부여 되었을 때에는 접촉 하중에 의한 재료의 파괴 없이 하중을 견디고 유연하게 회전중심의 어긋남에 의한 악작용을 소멸시키면서 운용 조건을 만족 시킬 수 있다.
그러므로 위와 같은 성능의 복합재료(composite material)를 이용한 자기 윤활 고성능 베어링(selflubricating high performance bearing)은 추력제어노즐(Thrust Vector Control Nozzle)과 같이 연소가스의 배출 압력에 의한 구동 마찰력을 발생시키는 B&S노즐(Ball & Socket Nozzle)에 적합하게 된다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 PTFE(Poly tetra fluoro ethylene)수지를 Quartz/Glass(석영/유리)직물과 일체 성형된 복합재료(composite material)가 베어링의 구조물에 융착됨으로써 자기 윤활 고성능 베어링(self-lubricating high performance bearing)의 제조에 적용되는 복합재료 베어링 부품 제조가 가능하다.

 

특허청구의 범위


청구항 1
Teflon계 필름, Quartz계 직물, Glass계 직물의 수량 및 적층 순서를 조합하고, 상기 Teflon계 필름이 상기 Quartz 직물과 상기 Glass 직물에 함침되어져 소결됨으로써 임의 형상으로 재단될 수 있는 직물혼합체로 형성되는 단계, 상기 직물혼합체를 재단하는 단계, 상기 직물혼합체가 적층되는 베어링 구조체의 융착면을 표면처리하는 단계, 상기 Teflon계
필름이 상기 베어링 구조체와 결합되는 대상체에 직접 접촉되는 마찰 표면을 형성하도록 상기 직물혼합체를 상기 베어링 구조체의 융착면에 조합하여 적층함으로써 복합재료 베어링 조립체가 형성되는 단계, 상기 복합재료 베어링 조립체와 치구를 결합하는 단계, 상기 치구와 상기 복합재료 베어링 조립체를 프레스의 챔버 공간으로 장착하는 단계, 상기 챔버 공간을 단열해주는 단계, 상기 챔버 공간에 설치된 상기 복합재료 베어링 조립체를 가열 및 가압해 소결해주는 단계로 수행되는 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조방법이다.

 

청구항 2
청구항 1에 있어서, 상기 직물혼합체는 Teflon계 필름, Quartz계 직물, Glass계 직물로 이루어지거나 Glass/Teflon계 필름이 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조 방법이다.

 

청구항 3
삭제

 

청구항 4
청구항 1에 있어서, 상기 직물혼합체는 부채꼴 형상으로 재단되는 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조 방법이다.

 

청구항 5
청구항 1에 있어서, 상기 베어링 구조체의 융착면은 샌딩, 탈지, 산화 및 염처리되는 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조 방법이다.

 

청구항 6
청구항 1에 있어서, 상기 치구는 상기 복합재료 베어링 조립체에 일치되는 형상인 구형 표면을 구비해 압착으로 고정해주는 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조방법이다.

 

청구항 7
청구항 1에 있어서, 상기 프레스 챔버공간에 위치된 상기 복합재료 베어링 조립체는 외곽이 유기계나 무기계 직물로 감싸여 단열 처리되는 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조방법이다.

 

청구항 8
청구항 1에 있어서, 상기 챔버 공간의 가열에 의한 소결 온도는 300℃ ~ 400℃ 인 것을 특징으로 하는 복합재료베어링 제조방법이다.

 

청구항 9
청구항 1에 있어서 상기 챔버 공간의 가압에 의한 소결 압력은 30~100㎏f/㎠ 인 것을 특징으로 하는 복합재료 베어링 제조방법이다.

본 발명 기술을 이용하려면 복합재료 베어링 부품 제조 방법은 Teflon계 필름, Quartz계 직물, Glass계 직물의 수량 및 적층 순서를 조합하여 직물혼합체로 형성시켜주는 단계, 상기 직물혼합체를 재단하는 단계, 상기 직물혼합체가 적층되는 베어링 구조체의 융착면을 표면처리하는 단계, 상기 직물혼합체를 상기 베어링 구조체의 융착면에 조합하여 적층함
으로써 복합재료 베어링 조립체가 형성되는 단계, 상기 복합재료 베어링 조립체와 치구를 결합하는 단계, 상기 치구와 상기 복합재료 베어링 조립체를 프레스의 챔버 공간으로 장착하는 단계, 상기 챔버 공간을 단열해주는 단계, 상기 챔버 공간에 설치된 상기 복합재료 베어링 조립체를 가열 및 가압해 소결해주는 단계로 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 직물혼합체는 Teflon계 필름, Quartz계 직물, Glass계 직물로 이루어지거나 Glass/Teflon계 필름이 더 포함되어 이루어진다.


상기 Teflon계 필름은 상기 Quartz 직물과 상기 Glass 직물에 함침되어 소결된다.
상기 직물혼합체는 부채꼴 형상으로 재단되고, 상기 베어링 구조체의 융착면은 샌딩, 탈지, 산화 및 염처리 된다.
상기 치구는 상기 복합재료 베어링 조립체에 일치되는 형상인 구형 표면을 구비해 압착으로 고정된다.
상기 프레스 챔버공간에 위치된 상기 복합재료 베어링 조립체는 그 외곽이 유기계나 무기계 직물로 감싸여 단열처리된다.

상기 챔버 공간의 가열에 의한 소결 온도는 300℃ ~ 400℃ 이고, 상기 챔버 공간의 가압에 의한 소결 압력은30~100㎏f/㎠ 이다.

 

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용


이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

a10.jpg


<그림 1>은 본 발명에 따른 복합재료 베어링 부품 제조 방법의 동작흐름을 나타낸다.
S10에서 준비되는 복합재료는 S11의 PTFE(Teflon)계 필름과 S12의 Quartz계 직물 및 S13의 Glass계 직물로서, 복합재료 베어링이 이들 재료를 이용해 제조됨으로써 베어링 압력 40kgf/mm 이상의 성능과 마찰계수 0.02이하의 성능이 보증된다.

S20은 복합재료의 패턴(pattern)을 설계하는 과정으로서, 이러한 패턴(pattern)은 베어링 구조체로 형성되는 복합재료 베어링의 최종 형상을 감안하여 패턴 설계가 이루어진다.
일례로 복합재료의 패턴(pattern)은 부채꼴 형상으로 설계된다.
S30은 복합재료가 조합(combination)되는 과정으로서, 이러한 조합(combination)은 복합재료를 구성하는 PTFE(Teflon)계 필름과 Quartz계 직물 및 Glass계 직물을 순차적으로 적층함으로써 이루어진다.
일례로 PTFE(Teflon)계 필름에 Quartz계 직물을 적층하고, 이어 Quartz계 직물에 Glass계 직물을 적층하는 순서로 층구조(layer form)가 형성되며, PTFE(Teflon)계 필름은 0.1~0.2mm 두께이고, Glass계 직물은 0.1~0.2mm 두께이며, Quartz계 직물은 0.3~0.4mm 두께로 하여 준다.
특히 PTFE(Teflon)계 필름과 Glass계 직물 및 Quartz계 직물의 각각의 장수는 베어링 압력과 적층 두께를 고려해 결정된다.
S40은 복합재료 재단과정으로서 이러한 재단을 통해 PTFE(Teflon)계 필름-Quartz계 직물-Glass계 직물이 순차로 적층되어진 부채꼴 형상의 직물혼합체가 준비된다.
상기 직물혼합체는 Teflon계 필름, Quartz계 직물, Glass계 직물, Glass/Teflon계 필름으로 이루어지거나 Glass/Teflon계 필름으로 이루어질 수 있다.
S50은 베어링 구조체 표면처리과정으로서 이러한 표면처리는 S51의 샌딩(sanding)과 S52의 탈지(remove grease) 및 S53의 산화 및 염 처리(oxidation and salttreatment)로 수행된다.
상기 샌딩(sanding)에 의해 직물혼합체가 접촉되는 베어링 구조체 표면의 매끄러움이 증진되고, 상기 탈지(remove grease)에 의해 직물혼합체가 접촉되는 베어링 구조체 표면의 기름기가 제거되며, 상기 산화 및 염 처리(oxidation and salt treatment)에 의해 직물혼합체가 접촉되는 베어링 구조체 표면의 융착도를 높일 수 있다.
상기 베어링 구조체는 스틸(Steel)재질로 이루어지지만, 필요에 따라 다른 재질이 적용될 수 있다.
S60은 복합재료 베어링 조립체를 형성해주는 과정으로서, 이러한 복합재료 베어링 조립체는 S61과 같이 직물혼 합체가 베어링 구조체의 융착면으로 적층되어 이루어진다.

a-6.jpg


<그림 2>는 직물혼합체와 베어링 구조체의 예를 나타낸다.
직물혼합체는 복합재료 베어링을 구성하는 베어링 구조체의 융착면에 위치되고, 이러한 직물혼합체의 부채꼴 형상은 전체 구간을 소정 간격으로 분할한 형상으로 이루어지며, 또한 직물 혼합체의 층구조(layer form)는 PTFE(Teflon)계 필름과 Quartz계 직물 및 Glass계 직물이 순차적으로 배열된 형태로 이루어진다.
통상 PTFE(Teflon)계 필름은 복합재료 베어링이 결합되는 대상체와 직접 접촉되는 마찰 표면을 형성한다.
또한 베어링 구조체는 복합재료 베어링이 결합되는 대상체와 직접 결합되고 직물혼합체의 융착이 직접적으로 이루어지는 부분을 이룬다.
한편 S70은 복합재료 베어링 성형과정으로서, 이는 S71의 치구 결합, S72의 프레스 장착, S73의 단열처리, S74의 소결로 이어지는 순차적인 과정을 통해 수행된다.
S71에서 이루어지는 치구 작업으로 복합재료 베어링 조립체가 치구와 함께 이동 및 운반됨으로써 이어지는 프레스 장착 작업이 보다 용이하게 수행될 수 있다.
이때 상기 치구는 복합재료 베어링 조립체에 일치되는 형상인 구형 표면을 구비함으로써 치구의 압착으로 고정 상태를 형성한다.
S72에서 이루어지는 프레스 작업은 치구와 함께 복합재료 베어링 조립체가 프레스 챔버로 장착됨으로써 성형을 위한 준비상태로 세팅될 수 있다.
S73에서 이루어지는 단열은 복합재료 베어링 조립체가 수용된 프레스 챔버의 공간을 막아줌으로써 가열 및 가압 조건에 대한 제어성을 보다 높일 수 있고, 특히 열처리 온도의 정확한 제어가 이루어질 수 있다.
S74에서 이루어지는 소결 작업은 프레스 챔버내 온도를 올려주고 압력을 상승시켜줌으로써 직물혼합체가 베어링 구조체의 융착면에 융착되고, 이로부터 베어링 구조체와 직물 혼합체가 서로 일체화된 상태의 복합재료 베어링 조립체가 형성될 수 있다.
이때 열처리 온도는 300~400℃, 압력은 30~100㎏f/㎠ 이고, 소결 시간은 3시간이 적용된다.
특히 베어링 구조체나 복합재료 베어링 조립체는 그 외곽을 탄소계 또는 무기계 직물을 이용하여 단열 처리할 수 있으며, 이러한 단열 처리로부터 열처리 온도가 더욱 정확히 제어될 수 있다.
<그림 3>은 복합재료 베어링이 성형되는 프레스의 예를 나타낸다.
<그림 3>에서와 같이 복합재료 베어링 조립체를 고정한 치구는 프레스의 클램프와 결합되어져 프레스의 프레스 챔버로 위치된다.
상기 프레스에는 베어링 구조체와 직물혼합체를 일체화시켜주는 성형수단이 더 구비되고, 상기 성형수단은 프레스 챔버의 내부 공간의 온도를 상승시켜줄 수 있는 히터와 프레스 챔버의 내부 공간을 밀폐하여 온도 손실을 방지할 수 있는 단열재와, 프레스 챔버의 내부 공간의 압력을 상승시켜줄 수 있는 가압기를 포함한다.
상기 히터는 프레스 챔버의 위쪽부위로 설치된 상판 히터와 프레스 챔버의 아래쪽 부위로 설치된 하판 히터로 구성됨으로써 프레스 챔버의 내부공간이 상판 히터와 하판 히터에 의해 균일하게 가열될 수 있다.
상기 단열재는 상판 히터와 하판 히터에 각각 덧대어지는 상판 히터 단열재 및 하판 히터 단열재, 프레스 챔버의 좌우 양쪽 부위를 각각 밀폐하는 좌측 챔버 단열재 및 우측 챔버 단열재로 구성된다.
또한 상기 프레스에는 베어링 구조체와 직물혼합체를 일체화시켜주는 성형 공정을 정밀 제어하기 위한 검출 수단이 더 구비되고, 상기 검출수단은 치구와 함께 결합된 베어링 구조체의 크기에 맞춰 조정되도록 프레스 챔버의 높이를 측정 및 조절하는 높이 센서와 베어링 구조체와 직물혼합체의 일체화를 위한 소결공정 제어에 필요한 프레스 챔버의 내
부 온도를 검출하는 온도 센서를 포함한다.
통상 상기 프레스에서 이루어지는 베어링 구조체와 직물혼합체의 일체화를 위한 소결 공정 제어는 컨트롤러로 이루어지고, 이를 위해 전기회로와 데이터 입출력 회로가 컨트롤러와 함께 구성된다.
한편 S80은 S74의 고온 및 고압 소결 후 복합재료 베어링이 제조 완료됨을 나타내고, S90은 제조 완료된 복합재료 베어링에 대한 벤치시험이 이루어짐을 나타낸다.

 

a13.jpg

<그림 4>는 제조 완료된 복합재료 베어링의 예로서 상기 복합재료 베어링은 베어링 구조체와 베어링 구조체의 융착면으로 일체화된 직물혼합체와 베어링 구조체의 외곽을 이루는 외곽체로 구성된 경우를 나타낸다. 이러한 복합재료 베어링은 자기 윤활 고성능 베어링(self-lubricating high performance bearing)을 의미한다.
한편 이하에서는 전술된 방법으로 제조되는 복합재료 베어링의 실시예 및 비교 실시예를 통해 그 성능의우수성이 예시된다.
<그림 1>로 설명되어진 복합재료 베어링 제조 방법과 같이, 복합재료 베어링이 융착되는 스틸 구조체인 베어링 구조체의 융착면을 샌딩, 탈지, 산화 및 염처리 한다.
최종적인 복합재료 베어링을 감안하여 부채꼴로 패턴을 설계 및 재단하여 직물혼합체를 만들고, 직물혼합체는 PTFE(Teflon)계 필름은 0.1~0.2mm 두께이고, Glass계 직물은 0.1~0.2mm 두께이며, Quartz계 직물은 0.3~0.4mm 두께로 하여 준다.
이어 직물혼합체를 베어링 구조체의 스틸표면인 융착면에 고정한 다음 치구와 조립하여 프레스로 장착하고, 압력 30~100㎏f/㎠, 온도 300~400℃, 3시간 조건에서 일체 성형함으로써 복합재료 베어링을 제조한다.

 

[비교 실시예]
복합재료 베어링이 융착되는 스틸 구조체인 베어링 구조체의 융착면을 샌딩, 탈지, 산화 및 염처리 한다.
이어 일체형 Glass-PTFE 테이프 표면을 Na계열 에칭액을 이용하여 처리 한다. 이후, 에칭 표면을 아세톤으로 처리 후 건조한 다음 에폭시 접착제를 에칭된 면에 도포하여 구조체 표면에 접착함으로써 복합재료 베어링을 제조한다.

 

[실험예]
상기 실시예 및 비교실시예의 복합재료 베어링의 특성을 실험하여 하기 <표 1>에 나타내었다.

 

a14.jpg

<표 1>에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 복합재료 베어링 부품은 누적각도 3000 deg 에서도 접착면 파괴가 일어나지 않았으며 마찰계수도 0.02 이하를 계속 유지하였다. 반면에 비교예의 복합재료 베어링은 누적각도 500 deg 시점에 마찰면 파괴가 일어났으며 접착면은 100 deg 시점에 이미 분리가 되어있었다.
따라서 본 발명에 따른 실시예가 갑작스런 높은 하중에서 장시간 운용이 가능한 복합재료 베어링 제조에 더 효과적임이 증명된다.
그리고 본 발명에 따른 실시예의 융착재료는 PTFE계 이므로 온도, 습도에 의한 화학적 파괴 현상이 일반 유기계 (에폭시계, PEEK계) 접착제에서 일어나는 가능성 보다 현저히 줄어듬도 증명된다.
전술된 바와 같이 본 발명에 따른 복합재료 베어링 부품 제조 방법에서는 PTFE 필름, Quartz 직물, Glass 직물이 적층된 직물혼합체(1)를 베어링의 최종 형상을 감안하여 패턴이 설계된 다음 복합재료 베어링를 구성하는 베어링 구조체의 스틸표면인 융착면에 적층하는 공정과, 300~400℃의 열처리 온도 30~100㎏f/㎠ 의 압력조건에서 동시에 성
형·융착이 이루어지는 공정으로 수행됨으로써 복합재료 베어링이 제조된다. 이러한 복합재료 베어링이 자기 윤활 고성능 베어링(self-lubricating high performance bearing)으로 기능함으로써 추력제어(Thrust Vector Control)노즐인 B&S(Ball & Socket)노즐의 구동 마찰면에서 요구되는 고성능을 만족시키고, 유도무기 부품에서 요구되는 고 하중·저 마찰 계수 성능도 만족될 수 있다.

hi
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