볼 베어링: 높은 힘의 내마모성 연구

소개

볼 베어링은 볼을 사용하여 회전 마찰을 줄이고 반경방향 및 축방향 하중을 지원합니다. 베어링 레이스 사이의 롤링 볼은 서로 미끄러지는 두 개의 평평한 표면에 비해 훨씬 낮은 마찰 계수(COF)를 생성합니다. 볼 베어링은 종종 높은 접촉 응력 수준, 마모 및 고온과 같은 극한 환경 조건에 노출됩니다. 따라서 높은 하중과 극한 환경 조건에서 볼의 내마모성은 볼 베어링의 수명을 연장하고 수리 및 교체에 드는 비용과 시간을 줄이는 데 중요합니다.
볼 베어링은 움직이는 부품과 관련된 거의 모든 응용 분야에서 찾을 수 있습니다. 이는 항공우주, 자동차 등 운송 산업뿐만 아니라 피젯 스피너 및 스케이트보드와 같은 품목을 제조하는 장난감 산업에서도 일반적으로 사용됩니다.

높은 하중에서의 볼 베어링 마모 평가

볼 베어링은 광범위한 재료 목록으로 만들 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 재료는 스테인리스강과 크롬강 같은 금속이나 텅스텐 카바이드(WC), 실리콘 질화물(Si3n4) 같은 세라믹 사이입니다. 제조된 볼 베어링이 해당 응용 분야의 조건에 이상적으로 요구되는 내마모성을 갖도록 보장하려면 높은 하중에서 신뢰할 수 있는 마찰 공학 평가가 필요합니다. 마찰 공학 테스트는 제어 및 모니터링 방식으로 다양한 볼 베어링의 마모 동작을 정량화하고 대조하여 대상 응용 분야에 가장 적합한 후보를 선택하는 데 도움이 됩니다.

측정 목표

이번 연구에서는 Nanovea를 선보입니다. 트라이보미터 높은 하중에서 다양한 볼 베어링의 내마모성을 비교하기 위한 이상적인 도구입니다.

그림 1: 베어링 테스트 설정.

테스트 절차

다양한 재료로 만들어진 볼 베어링의 마찰 계수, COF 및 내마모성은 Nanovea Tribometer를 사용하여 평가되었습니다. 카운터 재료로는 P100 그릿 사포를 사용했습니다. 볼 베어링의 마모 흔적은 다음을 사용하여 검사되었습니다. 나노베아 마모 테스트가 완료된 후의 3D 비접촉 프로파일러. 테스트 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 마모율, K는 다음 공식을 사용하여 평가되었습니다. K=V/(F×s)여기서 V 는 착용한 볼륨입니다, F 는 정상 부하이고 s 슬라이딩 거리입니다. 볼 마모 흉터는 나노베아 3D 비접촉 프로파일러는 정확한 마모량 측정을 보장합니다.
자동화된 전동 방사형 위치 지정 기능을 통해 마찰계는 테스트 기간 동안 마모 트랙의 반경을 줄일 수 있습니다. 이 테스트 모드를 나선형 테스트라고 하며 볼 베어링이 항상 사포의 새 표면에서 미끄러지는지 확인합니다(그림 2). 이는 볼의 내마모성 테스트의 반복성을 크게 향상시킵니다. 내부 속도 제어를 위한 고급 20비트 인코더와 외부 위치 제어를 위한 16비트 인코더는 정밀한 실시간 속도 및 위치 정보를 제공하여 회전 속도를 지속적으로 조정하여 접점에서 일정한 선형 슬라이딩 속도를 달성할 수 있습니다.
본 연구에서는 다양한 볼 재료 간의 마모 거동을 단순화하기 위해 P100 Grit 사포를 사용했으며 다른 재료 표면으로 대체할 수 있습니다. 액체 또는 윤활제와 같은 실제 적용 조건에서 다양한 재료 커플링의 성능을 시뮬레이션하기 위해 모든 고체 재료를 대체할 수 있습니다.

그림 2: 사포 위의 볼 베어링에 대한 나선형 패스 그림.

표 1: 마모 측정의 테스트 매개변수.

 

결과 및 토론

마모율은 볼 베어링의 수명을 결정하는 중요한 요소이며, 베어링 성능과 효율성을 향상시키려면 낮은 COF가 바람직합니다. 그림 3은 테스트 중 사포에 대한 다양한 볼 베어링의 COF 변화를 비교합니다. Cr 강철 볼은 SS440 및 Al2O3 볼 베어링의 ~0.32 및 ~0.28에 비해 마모 테스트 중 ~0.4의 증가된 COF를 나타냅니다. 반면, WC 볼은 마모 테스트 전반에 걸쳐 ~0.2의 일정한 COF를 나타냅니다. 거친 사포 표면에 대한 볼 베어링의 슬라이딩 움직임으로 인해 발생하는 진동으로 인해 각 테스트 전반에 걸쳐 관찰 가능한 COF 변화를 볼 수 있습니다.

 

그림 3: 마모 테스트 중 COF의 진화.

그림 4와 그림 5는 각각 광학현미경과 Nanovea 비접촉 광학 프로파일러로 측정한 후 볼 베어링의 마모 흔적을 비교하고 있으며, 표 2는 마모 추적 분석 결과를 요약한 것입니다. Nanovea 3D 프로파일러는 볼 베어링의 마모량을 정확하게 결정하여 다양한 볼 베어링의 마모율을 계산하고 비교할 수 있습니다. Cr강과 SS440 볼은 마모 테스트 후 세라믹 볼, 즉 Al2O3 및 WC에 비해 훨씬 더 큰 편평한 마모 흉터를 나타내는 것을 볼 수 있습니다. Cr 강철 및 SS440 볼은 각각 3.7×10-3 및 3.2×10-3 m3/N·m의 유사한 마모율을 갖습니다. 이에 비해 Al2O3 볼은 7.2×10-4m3/Nm의 마모율로 향상된 내마모성을 나타냅니다. WC 볼은 얕은 마모 트랙 영역에서 작은 긁힘을 거의 나타내지 않아 마모율이 3.3×10-6mm3/Nm로 크게 감소했습니다.

그림 4: 테스트 후 볼 베어링의 마모 흉터.

그림 5: 볼 베어링 마모 흉터의 3D 형태.

표 2: 볼 베어링의 마모 흉터 분석.

그림 6은 4개의 볼 베어링에 의해 사포에 생성된 마모 트랙의 현미경 이미지를 보여줍니다. WC 볼이 가장 심각한 마모 트랙(경로에 있는 거의 모든 모래 입자 제거)을 생성하고 최고의 내마모성을 갖고 있다는 것이 분명합니다. 이에 비해 Cr Steel과 SS440 볼은 샌드 페이퍼의 마모 트랙에 많은 양의 금속 파편을 남겼습니다.
이러한 관찰은 나선형 테스트의 이점의 중요성을 더욱 입증합니다. 이는 볼 베어링이 항상 사포의 새로운 표면에서 미끄러지도록 보장하여 내마모성 테스트의 반복성을 크게 향상시킵니다.

그림 6: 다양한 볼 베어링에 대해 사포 위의 트랙을 마모시킵니다.

결론

고압에서 볼 베어링의 내마모성은 서비스 성능에 중요한 역할을 합니다. 세라믹 볼 베어링은 높은 응력 조건에서 내마모성이 크게 향상되었으며 베어링 수리 또는 교체로 인한 시간과 비용을 줄여줍니다. 본 연구에서 WC 볼 베어링은 강철 베어링에 비해 훨씬 더 높은 내마모성을 나타내므로 심각한 마모가 발생하는 베어링 응용 분야에 이상적인 후보입니다.
Nanovea 트라이보미터는 최대 2000N의 부하에 대한 높은 토크 성능과 0.01~15,000rpm의 회전 속도에 대해 정밀하고 제어되는 모터로 설계되었습니다. ISO 및 ASTM 준수 회전 및 선형 모드를 사용하여 반복 가능한 마모 및 마찰 테스트를 제공하며, 사전 통합된 하나의 시스템에서 선택적으로 고온 마모 및 윤활 모듈을 사용할 수 있습니다. 이 비교할 수 없는 범위를 통해 사용자는 높은 응력, 마모 및 고온 등을 포함한 볼 베어링의 다양한 가혹한 작업 환경을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 높은 하중에서 우수한 내마모성 재료의 마찰학적 거동을 정량적으로 평가하는 이상적인 도구 역할을 합니다.
Nanovea 3D 비접촉 프로파일러는 정확한 마모량 측정을 제공하고 마모 트랙의 상세한 형태를 분석하는 도구 역할을 하여 마모 메커니즘에 대한 근본적인 이해에 대한 추가 통찰력을 제공합니다.

작성자
Duanjie Li, PhD, 조나단 토마스, 피에르 르루