고성능 베어링은 자동차, 정밀 공작기계, 풍력 발전 등 주요 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 고급 회전 성형 기술인 정밀 링 롤링을 사용하여 무단 베어링 링을 생산함으로써 베어링의 전반적인 수명을 향상시킵니다.
이 기사에서는 다양한 크기 범위의 베어링에 맞게 설계된 세 가지 정밀 링 롤링 방법을 간략하게 설명합니다.
- 콜드 링 롤링: 소형 베어링 생산에 적용됨.
- 열간 레이디얼 링 롤링: 중간 크기의 베어링에 적합합니다.
- 열간 방사-축 링 압연: 대형 베어링에 활용됩니다.
0.1소개
베어링은 하중을 지지하고 동력을 전달하는 기본적인 기계 부품으로, 공작기계, 자동차, 철도, 조선, 에너지, 항공우주 등 다양한 산업 분야에 널리 사용됩니다. 정밀 CNC 공작기계, 고속철도, 풍력 발전, 항공기 엔진 등 첨단 응용 분야에서 베어링은 높은 치수 정밀도를 달성할 뿐만 아니라 고속, 고하중, 고온, 충격력 등 가혹한 작동 조건에서도 긴 수명과 안정적인 성능을 보장해야 합니다. 이러한 베어링은 일반적으로 다음과 같이 정의됩니다. 고성능 베어링고성능 베어링의 기술 수준은 베어링 제품의 핵심 성능을 반영할 뿐만 아니라, 특정 제조 지역의 산업 역량을 어느 정도 나타냅니다.
베어링은 구조적으로 일반적으로 베어링 링, 전동체, 그리고 케이지로 구성됩니다. 이 중 베어링 링은 필수적인 기초 부품으로, 총 베어링 중량 및 비용의 60%–70%결과적으로 베어링 링의 정밀도와 성능은 베어링의 전반적인 품질을 직접적으로 좌우합니다. 전통적인 베어링 링 제조 방식인 "단조 블랭크 + 가공"은 높은 에너지 소비, 낮은 재료 사용량, 낮은 생산 효율, 거칠고 불균일한 미세 구조, 불완전한 입자 흐름, 그리고 낮은 기계적 특성과 같은 일반적인 단점에 직면합니다. 이러한 한계로 인해 고성능 베어링의 엄격한 요구 사항을 충족하는 데 어려움이 있습니다.
그림 1 – 링 롤링 원리의 개략도: a) 냉간 링 압연(CRR);b) 수직 열간 방사형 링 압연(HRRR);c) 수평 열간 방사형 링 압연(HRRR);d) 열간 방사형-축 방향 링 압연(HRARR).
링 롤링 기술는 무단 링을 위한 정밀 회전 성형 공법으로, 롤 회전과 선형 이송을 결합하여 구동되는 국부 소성 변형 원리를 기반으로 합니다. 이 공정은 벽 두께 감소, 직경 증가, 링 프로파일 성형을 가능하게 하여 궁극적으로 원하는 형상과 미세 구조적 특성을 달성합니다. 베어링 링 생산에 링 롤링을 적용하면 에너지 소비와 재료비를 절감하는 동시에 생산 효율과 기계적 성능을 향상시켜 베어링 수명을 연장할 수 있습니다. 링 롤링 베어링 링은 궤도 방향에 맞춰 정렬된 입자 흐름과 더욱 조밀한 미세 구조를 보입니다. 오늘날 링 롤링은 베어링 링 제조에 널리 채택되어 고성능 베어링에 필수적인 첨단 성형 기술 중 하나로 자리 잡았습니다.
1.0베어링 링에 대한 일반적인 링 롤링 기술
1.1소형 베어링 링용 냉간 링 압연(CRR)
냉간 링 압연(CRR)은 특수 CRR 밀을 사용하여 실온에서 수행되는 고급 회전 성형 공정입니다. 방사형 롤 패스의 제약 조건 하에서 링은 연속적인 국부 압축을 받아 방사형 두께가 점진적으로 감소하고, 동시에 직경이 증가하며, 목표 단면 형상이 점진적으로 형성됩니다.
CRR 압연기의 핵심 구성 요소는 메인 롤 시스템, 맨드렐 시스템, 가이드 시스템, 측정 시스템, 기계 프레임, 그리고 전력 및 제어 시스템입니다. 압연 중 메인 롤은 능동 회전을 제공하고, 맨드렐은 설정된 방향으로 선형 이송합니다. 가이드 롤은 링 직경이 확장됨에 따라 위치를 조정하고, 측정 롤은 직경 변화를 지속적으로 모니터링합니다. 미리 설정된 직경에 도달하면 압연 공정이 종료됩니다.
적용 범위: CRR은 주로 직경이 250mm 미만인 소형 베어링 링을 생산하는 데 적합합니다.
1.2중형 베어링 링용 열간 레이디얼 링 롤링(HRRR)
열간 레이디얼 링 압연(HRRR)은 고온에서 HRRR 압연기를 사용하여 수행하는 정밀 성형 공정입니다. CRR과 유사하게, HRRR은 레이디얼 롤 패스를 사용하여 국부 압축을 가하여 레이디얼 두께를 줄이고, 직경을 늘리고, 단면을 성형합니다.
롤 축의 상대적 방향과 수평 방향을 기준으로 HRRR 밀은 다음과 같이 분류됩니다.
- 수직 HRRR 밀: 롤 축은 수평면에 평행합니다. 압연 중 메인 롤은 선형 이송과 결합된 능동 회전을 수행하는 반면, 맨드렐은 수동 회전합니다. 가이드 롤은 메인 롤의 출구 쪽에 위치하며, 신호 롤은 가이드 롤 반대편에 배치됩니다. 링 직경이 팽창하여 신호 롤에 닿으면 압연이 멈춥니다.
- 수평 HRRR 밀: 롤 축은 수평면에 수직입니다. 메인 롤은 활발하게 회전하는 반면, 맨드렐은 선형 이송을 수행합니다. 두 개의 가이드 롤은 메인 롤의 양쪽에 대칭적으로 배치되어 직경이 증가함에 따라 위치를 조정합니다. 신호 롤은 메인 롤 반대편에 배치되어 직경을 실시간으로 모니터링합니다. 미리 설정된 직경에 도달하면 압연이 종료됩니다.
적용 범위: HRRR은 주로 직경이 50mm에서 1000mm 사이인 중형 베어링 링을 제조하는 데 사용됩니다.
1.3대형 베어링 링용 열간 방사-축 링 압연(HRARR)
열간 레이디얼-축 링 압연(HRARR)은 HRARR 압연기를 사용하여 고온에서 진행되는 첨단 회전 성형 공정입니다. 순수 레이디얼 압연과 달리, HRARR은 레이디얼 및 축 방향 롤 패스를 결합하여 직경 확대와 함께 레이디얼 두께와 축 방향 높이를 동시에 줄여 원하는 단면 형상을 형성합니다.
HRARR과 수평 HRRR 압연기의 주요 차이점은 링 높이를 조절하기 위한 한 쌍의 축 방향 롤이 추가되어 있다는 점입니다. 압연 중에는 상부 축 롤 하향 선형 공급과 결합된 활성 회전을 수행하는 동안 하부 축 롤 공급 없이 활발하게 회전합니다. 두 축 롤은 모두 축 프레임에 장착되어 팽창하는 링 직경에 맞춰 바깥쪽으로 이동합니다.
적용 범위: HRARR은 주로 직경이 1000mm를 초과하는 대형 베어링 링을 생산하는 데 사용됩니다.
2.0베어링 링 제조에 있어서 정밀 링 롤링 기술의 개발 및 적용
전 세계적으로 볼 때, 아시아의 특정 지역은 베어링의 주요 국제 시장이자 제조 기지 역할을 합니다. 이 지역의 베어링 시장은 약 전 세계 총량의 10%, 연간 생산량이 다가오고 있습니다 200억 대 그리고 연간 생산량이 초과합니다. $300억제조업의 세계화와 지속 가능한 발전 추세에 발맞춰, 이 지역은 베어링 산업을 '규모 중심' 모델에서 '기술 중심' 모델로 전환하고 있으며, 이를 통해 국내 고급 베어링 생산 역량을 점진적으로 강화하고 있습니다.
이러한 배경 하에 국내 베어링 제조업체, 대학, 연구 기관 등이 공동 연구를 진행하여 정밀 링 롤링 기술을 독자적으로 개발 고성능 베어링 생산을 위한 핵심 분야에서 상당한 기술적 혁신이 이루어졌습니다. 냉간 링 압연, 열간 방사형 링 압연 및 열간 방사형-축 방향 링 압연, 실제 생산에 이미 결과가 구현되었습니다.
2.1소형 및 중형 베어링 링을 위한 정밀 냉간 링 압연 기술
정밀 냉간 링 압연 공정
국제적인 반정밀 냉간 링 압연 기술을 기반으로 연구팀이 혁신적으로 개발했습니다. 정밀 냉간 링 압연 공정 베어링 링 생산에 적합합니다. 핵심 공정 흐름은 다음과 같습니다.
봉재절단 → 블랭크 열간단조 → 전처리 → 황삭 → 정밀 냉간 링 압연 → 담금질 → 연삭
이 공정은 성형 품질을 개선하기 위해 블랭크 정확도의 엄격한 제어를 강조하여 궁극적으로 달성합니다. 거의 그물 모양 베어링 링이 과정의 기술적 장점은 다음과 같습니다.
- 향상된 성형 정확도: 링 기하학은 표면 거칠기가 제어되는 등급 7~8에 도달할 수 있습니다. 라 0.8–1.6 μm기존의 반정밀 냉간 링 압연에 비해 1~2등급 개선되었습니다.
- 최적화된 리소스 효율성: 링 롤링을 통해 후속 선삭 없이 레이스웨이를 직접 형성할 수 있어 재료 낭비와 가공 시간을 효과적으로 줄일 수 있습니다.
- 향상된 기계적 성능: 정밀 냉간 링 롤링으로 형성된 레이스웨이는 조밀한 미세 구조와 연속적인 금속 흐름 라인을 유지하여 선삭으로 인한 기계적 특성 저하를 방지합니다.
그림 2a) 새로운 전기 기계식 서보 NC 정밀 CRR 밀; b) 공작 기계 및 자동차 베어링 링
정밀 콜드 링 롤링 장비
연구팀은 독립적으로 개발했습니다. 새로운 CNC 정밀 냉간 링 압연기혁신적인 기능을 갖춘 "서보 모터 - 감속기 - 고강도 볼스크류" 구동-피드 시스템 기존 유압 서보 시스템을 대체하는 주요 구동-공급 메커니즘입니다. 이 설계는 50톤 하중 조건에서 정밀 공급, 피드 정확도 달성 0.005mm 및 가공 정확도 φ100 ± 0.02mm, 많은 비교 가능한 국제 정밀 냉간 링 롤링 기계(일반적으로 φ100 ± 0.1 mm)를 능가합니다.
새로운 냉간 링 압연기는 구동 공급을 위해 주로 유압 실린더에 의존하는 기존 압연기의 한계를 극복하여 정밀 냉간 링 압연 중 안정적인 성형 그리고 제분소 구조 설계 및 제조 방식의 업그레이드를 추진했습니다. 이러한 기술과 장비를 바탕으로 기업들은 볼 베어링 링, 롤러 베어링 링, 조인트 베어링 링의 대량 생산, 제품이 널리 적용됨 고성능 공작기계 베어링 및 자동차 베어링, 그리고 다음과 같은 주요 국제 베어링 제조업체로 수출되었습니다. SKF, FAG, NSK, TIMKEN.
정밀 냉간 링 압연의 핵심 기술
고성능 베어링 링의 정밀 냉간 링 롤링을 위한 핵심 기술은 다음과 같습니다.
- 베어링 강의 실온 냉간 변형을 위한 고가소성 전처리.
- 장수명 롤 패스 프로파일의 설계 및 제조.
- 정밀한 콜드 링 롤링을 위한 최적화된 공정 매개변수 설계.
- 냉간 링 압연 중 온라인 정밀 측정 및 폐쇄 루프 제어.
2.2대형 특수 베어링 링을 위한 정밀 열간 레이디얼 링 롤링 기술
정밀 열간 방사형 링 압연 공정
고속 철도 기관차와 대형 화차에 사용되는 대형 테이퍼 롤러 베어링 링의 경우, 기존의 열간 링 압연 공정은 먼저 링을 단순화된 단면으로 압연하고, 이후 완전한 형상을 얻기 위해 기계 가공을 거쳐야 하므로 기술적, 경제적 효율성이 낮습니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 정밀 열간 방사형 링 압연(HRRR) 공정 특히 이러한 반지에 적합합니다. 핵심 프로세스 흐름은 다음과 같습니다.
바 절단 → 블랭크의 열간 압출 → 정밀 열간 방사형 링 압연 → 가공 → 열처리 → 연삭
이 방법은 공백 치수 정확도를 개선하고 열간 방사형 링 압연 공정의 제어를 최적화함으로써 가능합니다. 복잡한 단면의 직접 형성, 후속 가공을 크게 줄이고 제품 성능을 향상시킵니다. 기존의 열간 레이디얼 링 압연과 비교하여 이 공정은 다음과 같은 이점을 제공합니다.
- 재료 활용 개선:15%–20% 증가.
- 생산 효율성:3배 더 높습니다.
- 생산 비용 절감: 약 20%.
그림 3. a) 새로운 전기 기계식 서보 NC 정밀 HRRR 밀; b) 정밀 HRRR로 형성된 고속 레일 베어링 링
정밀 열간 레이디얼 링 압연 장비
CNC 정밀 냉간 링 압연기 연구를 바탕으로 팀은 더욱 발전했습니다. CNC 정밀 열간 방사형 링 압연기주요 혁신 사항은 다음과 같습니다.
- 기존 유압 서보 시스템을 다음으로 교체 전기기계 서보 시스템 주요 구동-공급 메커니즘으로 달성 0.01mm의 공급 정확도 그리고 형성 정확도는 내부에서 제어됩니다. φ100 ± 0.25mm.
- 개선됨 자동 측정 및 제어 기능반CNC 밀에서 사용되는 수동 작업을 대체하여 안정적인 링 치수 정확도를 보장하고 열간 링 압연 공정의 자동화를 향상시킵니다.
이러한 기술과 장비를 바탕으로 기업들은 테이퍼 롤러 베어링, 원통 롤러 베어링, 볼 베어링의 대량 생산고성능 베어링 제조에 응용 가능 고속철도, 정밀 공작기계, 중장비 야금 압연기.
정밀 열간 레이디얼 링 압연의 핵심 기술
고성능 베어링 링의 정밀 열간 방사형 링 롤링을 위한 핵심 기술은 다음과 같습니다.
- 정밀 블랭킹 공정과 열간 방사형 링 롤링 공정을 조화롭게 설계했습니다.
- 열간 링 압연 공정 중 정밀 냉각 제어.
- 고온 방사형 링 압연 공정의 온라인 정밀 측정 및 동적 제어.
2.3초대형 베어링 링을 위한 정밀 열간 방사-축 링 롤링 기술
정밀 열간 방사-축 링 압연 공정
직경이 1m를 초과하는 초대형 풍력 터빈 베어링의 경우, 기존 제조 공정에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.
봉재 절단 → 봉재 가열 → 블랭크 자유 단조 → 맨드렐 확장 → 가공
맨드렐 확장 단계에는 여러 번의 가열 사이클이 필요하므로 높은 에너지 소비, 상당한 재료 손실 및 긴 생산 주기. 또한 베어링 레이스웨이를 완전히 형성할 수 없으므로 광범위한 후속 가공 및 제품 성능 보장의 어려움.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 정밀 열간 방사-축 링 롤링(HRARR) 공정 초대형 베어링 링용. 초기 단계 유지 막대 절단 → 막대 가열 → 블랭크의 자유 단조이 프로세스는 기존 맨드렐 확장을 대체합니다. 정밀 열간 방사형-축 방향 링 압연, 활성화 단일 가열 압연 및 직접 레이스웨이 형성. 이 프로세스를 적용하면 다음과 같은 이점이 있습니다.
- 에너지 절약: 30%–40% 감소.
- 재료 절약: 25%–30% 감소.
- 생산 효율성: 5배 이상 증가.
- 생산 비용 절감: 약 30%.
또한 이 공정은 맨드렐 확장의 크기 제한을 극복하여 직경이 100mm를 초과하는 초대형 베어링 링을 형성할 수 있습니다. 5미터.
그림 4. a) 초대형 HRARR 밀 RAM 9000; b) 정밀 HRARR로 성형한 초대형 풍력 베어링 링.
정밀 열간 방사형-축형 링 압연기
팀은 독립적으로 개발했습니다 초대형 CNC 정밀 열간 방사축 링 압연기(예: RAM 9000). 주요 기술 사양은 초대형 베어링 링에 대한 요구 사항을 충족합니다.
- 최대 링 직경: 10미터
- 최대 링 높이: 1.7미터
- 반경 방향 롤링 힘: 800톤
- 축방향 롤링 힘: 600톤
이러한 기술과 장비를 바탕으로 기업들은 직경 1m 이상의 볼베어링 링, 휠베어링 링 등 초대형 베어링 링 대량 생산, 널리 적용됨 고성능 풍력 터빈 베어링, 그리고 세계적인 풍력발전 회사들에 수출되었습니다. 제너럴 일렉트릭(GE, 미국)과 베스타스(덴마크).
정밀 열간 방사-축 링 압연의 핵심 기술
정밀 열간 방사-축 링 압연으로 생산되는 고성능 베어링 링의 핵심 기술은 다음과 같습니다.
- 링의 반경방향과 축방향 변형을 일치시킨 설계입니다.
- HRARR 프로세스 체계 및 전환 단계의 최적화.
- HRARR 공정의 안정성 제어.
3.0베어링 링 제조 분야의 정밀 링 롤링 기술 개발 동향
고성능 베어링은 첨단 주요 장비의 핵심 부품으로서 세계 베어링 산업의 핵심 발전 방향을 제시합니다. 고성능 베어링 제품, 기술 및 시장에 대한 끊임없이 변화하는 수요를 충족하기 위해, 베어링 링 제조 분야의 정밀 링 롤링 기술은 주로 다음 세 가지 측면을 중심으로 발전하고 있습니다.
3.1대형 베어링 링을 위한 콜드 링 롤링 기술 확장:
고탄소 크롬 베어링 강(GCr15)의 상온 특성으로 인해 현재 냉간 링 압연으로 제조되는 베어링 링의 직경은 일반적으로 다음과 같습니다. φ250mm. 앞으로의 연구는 개발에 집중해야 합니다. 직경 250mm~500mm의 대형 베어링 링을 위한 냉간 링 롤링 기술 및 특수 장비또한, 다양한 유형의 베어링 링에 대한 냉간 링 롤링의 적용 시나리오를 더욱 확장합니다.
3.2열간 링 압연 공정의 정밀 제어 기술:
현재 열간 링 압연 중 주요 공정 조건(블랭크 준비, 압연, 냉각 등)은 변동이 발생하기 쉽고 이로 인해 열간 링 압연의 안정성이 저하됩니다. 기하학적 치수 및 미세 구조적 특성 열간 압연 베어링 링의. 향후 연구는 강화되어야 합니다. 열간 링 압연을 위한 제어 기술, 달성하다 링 기하학 및 미세 구조의 조정된 제어 예열 조건, 압연 중 변형 매개변수, 압연 후 냉각 속도를 정확하게 조절하여 일관된 제품 성능을 보장합니다.
3.3베어링 링의 단기 공정 제조 혁신:
현재 대형 베어링 링용 블랭크 준비에는 일반적으로 여러 단계가 포함됩니다. 제련 → 주괴 주조 → 주괴 절단 → 업세팅 → 펀칭, 이로 인해 생산 주기가 길어집니다. 업세팅과 펀칭은 상당한 재료 손실을 초래하며, 공정 전반에 걸쳐 반복적인 가열은 에너지 소비 및 재료 소실내부 공백 품질에 영향을 미칠 가능성이 있습니다. 이를 해결하려면 "주조-압연 복합재" 공정 제안되어 허용되었습니다 주조 블랭크의 직접 압연생산 공정을 크게 단축하고, 블랭크 손실을 줄이며, 생산 효율을 향상시킵니다. 주조-압연 복합재 기술은 상당한 기술적 이점을 바탕으로 베어링 링의 링 압연 제조에 있어 중요한 미래 방향으로 자리 잡을 것으로 예상됩니다.
4.0결론
정밀 링 롤링 기술은 고성능 베어링 링 제조의 초석이 되었으며, 성형 정확도, 소재 활용도, 기계적 특성 및 생산 효율성 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 소형 베어링 링부터 초대형 베어링 링까지, 다음과 같은 첨단 공정이 적용됩니다. 냉간 링 압연, 열간 방사형 링 압연 및 열간 방사형-축 방향 링 압연 복잡한 단면의 직접 성형을 가능하게 하면서 후속 가공을 줄입니다. CNC 장비, 자동 제어 및 공정 최적화의 혁신과 더불어 정밀 링 롤링은 베어링 제조업체의 글로벌 경쟁력을 강화할 뿐만 아니라 자동차, 항공우주, 풍력 발전, 철도 및 기타 주요 산업 분야에서 고성능 베어링의 발전을 주도하고 있습니다. 앞으로의 통합은 정밀 제어, 단공정 제조, 주조-압연 복합 기술 링 롤링의 적용성과 효율성을 지속적으로 확대하여 차세대 베어링 생산에 필수적인 기술로서의 역할을 공고히 할 것입니다.
5.0자주 묻는 질문(FAQ)
Q1: 정밀 링 롤링이란 무엇입니까?
A1: 정밀 링 롤링은 회전 롤과 선형 공급을 사용하여 벽 두께를 줄이고, 직경을 늘리고, 이음매 없는 링의 단면을 성형하는 회전 성형 공정으로, 밀도가 높은 미세 구조와 최적화된 기계적 특성을 갖춘 고품질 베어링 링을 생산합니다.
Q2: 정밀 링 롤링을 사용하여 어떤 유형의 베어링 링을 제조할 수 있습니까?
A2: 정밀 링 롤링은 볼 베어링 링, 원통형 및 테이퍼 롤러 베어링 링, 고속철도, 풍력 터빈, 중장비 응용 분야를 위한 특수 링을 포함하여 소형, 중형, 대형 및 초대형 베어링 링을 생산할 수 있습니다.
Q3: 정밀 링 롤링의 주요 장점은 무엇입니까?
A3: 주요 장점은 다음과 같습니다.
- 높은 성형 정확도와 순형에 가까운 생산
- 향상된 재료 활용 및 감소된 가공
- 보존된 미세 구조와 지속적인 금속 흐름으로 인해 향상된 기계적 성능
- 생산 효율성 증가 및 에너지 소비 감소
Q4: 정밀 링 롤링을 이용한 베어링 링 제조의 미래 동향은 무엇입니까?
A4: 주요 추세는 다음과 같습니다.
- 더 큰 직경으로의 냉간 링 압연 확장
- 열간 링 압연의 정밀 제어 기술
- 효율성을 개선하고, 재료 손실을 줄이며, 일관된 제품 품질을 유지하기 위한 단축 공정 제조 및 주조-압연 복합 기술
참고문헌
https://www.iqsdirectory.com/articles/forging/rolled-ring-forging.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_(metalworking)
