Ball Screw 분류 및 특징
Maker : DEUBLIN
Ball screw는 회전운동에서 직선운동 또는 직선운동에서 회전운동으로 전환 가능케 하는 Ball Screw Shaft 와 Ball Nut 를 포함하는 조립품이며 이 조립품의 구동 요소는 Ball 이다.
1. Ball screw의 기능.
운동의 전환 :
Ball screw는 회전운동을 직선운동으로 변환하는 (정작용) 과 직선운동을 회전운동으로
전환하는(역작용) 을 한다.
힘의 증폭:
작은 회전력(토크) 을 증폭해서 커다란 추진력을 발생 시킨다.
위치결정 :
직선방향의 정밀한 위치결정을 한다.
Ball screw 는 볼트, 너트와 같은 동작 원리이다.
2. Ball screw의 특징.
Lead Screw 의 기계적인 효율이 최대 50% 인 반면에 볼 스크류는 최대 98%로 높고,
구동 토크 손실이 작다.
윤활과 이물질 침입에 주의하면 거의 마모가 없고,평균수명이 길다.
Stick-Slip 현상이 일어나지 않는다.
위치 정밀도가 높고, 주행속도가 빠르다.
열 발생이 적다.
3. DN치
DN치는 원주속도에서 일정한 값을 갖는 변수들을 모두 삭제하였으므로 계산이 간단하여
Ball Screw Nut의 허용속도를 표현하는데 사용하는 아주 유용한 속도단위 이다.
V (선속도) = π · D · n ∴ D : 회전 직경 (mm) , n : 회전수(rpm)
여기서 부품에 따라 선속도(V) 도 일정한 한계 값을 가지므로
DN치 = D · n = V / π 로 표현된다.
Ball 의 선속도는
√{ (π · Dd) 2 +L} · n ≒ (π · D · n )
∴ D : Ball Screw의 호칭경 (mm) , L : Ball Screw Lead (mm) , n : 회전수(rpm)
[ 리턴 튜브 방식] : DN < 70,000
DN= 70,000일 경우 V = (70,000 · π) / (1000 · 60) = 3.6 m/sec
특히 DN치가 70,000이상이 되면 Lip부의 파손이 많이 발생한다
[ 디플렉터 방식 ] : DN < 120,000
DN=120,000일 경우 V = (120,000 · π) / (1000 · 60) = 6.3 m/sec
[ 엔드캡 방식 ] : DN < 50,000
DN= 50,000일 경우 V = (50,000 · π) / (1000 · 60) = 2.6 m/sec
Ball Screw의 원주 속도는 Ball bearing 의 한계 원주 속도 28.5 (m/sec) 와 비교하면 현저히
낮은 속도임을 알 수 있다.
Ball Screw의 원주 속도가 Ball bearing에 비교하면 현저히 낮은 것은
Ball Screw의 구조적인 문제로
일반적인 Ball Screw에는 리테이너가 없어 Ball과 Ball 사이의 접촉점은 회전방향이 서로 달라
상대 속도가 리테이너가 있는 것과는 2 배가 되며 상호 마찰에 의해 발열 및 진동이 발생되고
축방향 힘이 크게 작용하고
원주운동뿐만 아니라 축방향 순환 운동을 하기 때문이다.
또한 위의 문제점을 해결 방법으로 Ball 사이에 리테이너를 넣은 제품도 생산되고 있다.
참고로 Ball bearing 의 한계 원주 속도 28.5 (m/sec)로 디플렉터 방식 (6.3 m/sec)보다
약 5배 정도로 높다.
4. Ball 순환방식에 의한 Ball Screw 분류.
Ball Screw의 분류는 일반적으로 Ball 순환 방식에 의한 분류 및 예압방식에의 의한 분류가 대표적이며
Ball 순환 방식에는 리턴 파이프식, 디플랙트식, 엔드켑식으로 의 3종류로 분류된다.
4.1 리턴 파이프 방식 (리턴)
일반적으로 가장 많이 사용하는 방식으로 Ball 이 튜브 속을 순환 한다.
튜브의 재질과 튜브내경의 가공, 굽힘, Ball이 튜브 속으로 들어가는 부위(Lip) 등의 영향으로
DN < 70,000으로 사용된다.
특히 DN치가 70,000이상이 되면 Lip부의 파손이 많이 발생한다
4.2 디플렉터(Deflector) 방식
STAR 디플렉트 방식 &nbbbb
고마식 디플렉트
리턴 튜브 방식의 튜브의 단점을 보완하여개발된 형식으로 튜브를 대신하여 정밀 가공된 플레이트를
Ball Screw Nut 내부에 조립하여 만든 제품으로 볼 튜브가 없어 튜브 손상이 없고,
Nut 외경이 리턴 튜브 방식보다 약 70 ~ 80 % 작아서 조립이 용이하고, Nut의 길이가 짧아 회전 성능이 좋습니다.
"DN < 120,000 으로 고속용"이다.
4.3 엔드 캡 방식 (End Cap)
Ball Screw Nut의 양단에 설치된 End Cap의 홈에서 Ball이 돌아 Nut속을 지나 반대측
End Cap에서 다시 부하영역에 이송되는 구조이다
대Lead의 제품으로 동일 회전에서 종래의 3배 이상의 고속이송이 가능한다.
볼 튜브가 없어 Nut 외경이 작고, End Cap이 볼 순환과 시일 플레이트를 겸하고 있어
길이가 짧아 장착공간에 유리한다.
일반적으로 정도가 낮아 정밀 가공용으로는 사용하지 않고 이송용으로 많이 사용한다.
DN < 50,000 이다.
5. Ball Screw 의 예압 방식.
볼 나사의 축방향 움직임을 제로로 하고 축방향하중에 대해서 변위량을 작게 하기 위하여
예압을 부여한다.
볼 나사에 예압을 가하면 너트 부의 강성이 증가하며 예압 너트와 예압을 부여하지 않은 너트의
탄성변위 곡선은 아래와 같습니다.
예압을 부여한 볼 나사는 예압하중(Fao) 의 약 3배의 축방향하중 (Ft = 3Fao) 이 외부에서 작용하면
변위량은 δao 가 되므로 예압이 없는 볼 나사의 변위량 2δao 에 비해 약 1/2 이 된다.
예압의 효과는 예압하중의 약 3배까지 효과가 있으므로 적정 예압 하중은 최대 축방향 하중의 1/3 이 적당하며,
또한 과대한 예압하중은 수명 및 발열에 악영향을 미치기 때문에 최대예압하중의 목표는
더블너트 예압 Ball Screw는 기본 동정격하중의(Ca)의 8% ~ 10%,
오버사이즈 볼 예압 Ball Screw는 기본 동정격하중의(Ca) 의 3% ~ 5%로 하는 것이 바람직한다.
5.1 예압 방식의
예압 방식 더블 너트
예압 옵셋
예압 스프링 더블 너트
예압 오버사이즈 볼
예압 너트길이 길다 보통 길다 짧다 토크특성 ○ ○ ◎ ○ 강성량 ◎ ◎ △ ○
구분 : ◎ : 크다 , ○ : 보통 , △ : 작다
5.2 더블너트 예압 (Double Nut Preload, 정위치 예압)
너트 2 개를 사용하여 그사이에 스페이셔를 삽입하여 예압을 준것.
너트 사이의 틈새보다 예압량 만큼 두꺼운 스페이셔를 넣는 것이 일반적이며,
특수한 경우 얇은 스페이셔를 넣는 경우도 있다.
일반적으로 더블너트에서는 가장 많이 사용하는 예압이다.
5.3 옵셋 예압
(Pitch Offset Preload,정위치
너트의 중앙 부근의 리이드를 예압량 α 만큼 크게해서 예압을 가한것.
싱글 너트이지만 더블 너트와 같은 예압방식을 가짐.
옵셋 예압은 제작이 어렵고, 축방향 예압의 조정이 어려우므로 거의 제작되고 있지 않음.
5.4 스프링 더블 너트 예압 (Spring Loadeheading
너트 2 개를 사용하여 그사이에 스프링을 삽입하여 예압을 준 것.
하중방향에 의해 강성이 변하기 때문에 사용상 주의하여야 함.
스프링 너트 예압은 더블너트(Spacer) 예압 보다 수명이 짧아서 현재에는 거의 사용하지 않음.
5.5 오버사이즈 볼 예압. (Balad)
볼 틈새의 공간보다 약간 큰 볼(오버사이즈 볼) 을 삽입하여 볼을 4 점 접촉시켜서 예압을 가한 것.
작동성 향상을 위하여 권수가 짧은 경우를 제외하고는 스페이셔 볼과 부하 볼을 1 : 1 로 사용함.
Single Nut는 일반적으로 예압을 가하지 않으나, 필요에 따라 예압을 가할 경우 많이 사용함.
6. Ball Screw 윤활.
볼 스크류에는 일반 볼 베어링 윤활 법이 적용된다. 하지만 축과 너트 사이에 축방향 움직임이 있으므로
볼 베어링 보다 윤활제 손실이 크다.
6.1 그리이스 윤활.
그리이스 윤활의 장점은 볼 스크류를 장시간 사용 후에 재 윤활 한다.는 것이나, 자동(무인) 운전을
하는 기계에서는 그리이스를 작업자가 재 충전하지 않으므로 필히 오일 윤활을 하여야 한다.
모든 볼 베어링용 그리이스가 사용가능하며, 가능한 재 윤활 간격이 긴 DIN 51825 K2K 에 따른
그리이스 및 높은 하중이 발생할 경우 DIN 51818에 따른 NLGI-등급2 에 KP2K 사용을 추천한다.
높은 하중이 발생할 경우 NLGI-등급2 가 NLGI-등급00 에 비해 가동성능이 2 배 이다.
재 윤활 간격은 오염 정도, 작동온도, 하중 등과 같은 요소에 의존하며 제작업체에서 제시하는 값들은
참고 값일 뿐 절대로 믿어서는 안 된다.
특히 볼 스크류에는 고체 윤활제 입자 (흑연 또는 MoS2) 를 포함한 그리이스를 사용하면 안되며
그리이스 량은 너트 내부 공간의 50% 적당한다.
6.2 오일 윤활
볼 스크류의 정밀도에 볼 스크류 길이 방향으로 열팽창이 영향을 미치므로 온도가 중요한 요소이다.
따라서 그리이스와 비교하여 오일 윤활의 장점은 특히 높은 회전 속도에서 사용할 경우 볼 스크류의
열 발생을 낮다는 장점이 있다.
윤활제는 시중에서 판매되는 볼 베어링용 광유를 사용할 수 있다.
요구 점도 등급은 회전수 온도의 및 하중에 의존한다.
(DIN 51501 , DIN 51017 , DIN 51519 및 GfT , ISO VG 68 ~ ISO VG 4600)
일반 적용 및 저속 운전 시 점도가 높은 오일 ISO VG 460 을 많이 사용한다.
오일 윤활 시 재 윤활량 및 재 윤활 간격
Ball Screw
호칭경
do 오일
초기 윤활
Ve(mℓ)
오일 재 윤활량 회전수
U
(1
(>6회전)
주행거리 (km) 추천
Vn(mℓ)/20 min
최소
Vn(mℓ)/10h 리드 P 5 10 16 20 25 32 40 8 0.3 0.01 0.03 1.3 7 13 21 26 33 42 52 12 0.3 0.01 0.03 1.3 7 13 21 26 33 42 52 16 0.3 0.01 0.03 1.3 7 13 21 26 33 42 52 20 0.6 0.01 0.06 1.0 5 10 16 20 25 32 40 25 0.6 0.01 0.06 1.0 5 10 16 20 25 32 40 32 0.6 0.01 0.06 1.0 5 10 16 20 25 32 40 40 2.0 0.03 0.40 1.0 5 10 16 20 25 32 40 50 4.0 0.03 0.80 1.0 5 10 16 20 25 32 40 63 4.0 0.03 , 0.06 0.80 1.0 5 10 16 20 25 32 40
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Note.
- 장비 전원 ON 시에 추천 오일량을 연속적으로 3~4회 공급할 것.
6.3 너트 오일 실의 종류
와이퍼 링
라비린스 실
브러쉬 실
밀봉은 : 와이퍼 링 > 라비린스 실 > 브러쉬 실 순이므로 와이퍼 링을 사용하는 것을 추천한다.
7. Ball Screw 제작
정밀 연삭
전조
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전조 Ball Screw Nut 는 정밀 연삭으로 제작한다. (Screw 만 전조 가능)
Ball screw는 회전운동을 직선운동으로 변환하는 (정작용) 과 직선운동을 회전운동으로 전환하는(역작용) 을 한다.
작은 회전력(토크) 을 증폭해서 커다란 추진력을 발생 시킨다.
직선방향의 정밀한 위치결정을 한다.
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2. Ball screw의 특징.
Lead Screw 의 기계적인 효율이 최대 50% 인 반면에 볼 스크류는 최대 98%로 높고,
구동 토크 손실이 작다.
윤활과 이물질 침입에 주의하면 거의 마모가 없고,평균수명이 길다.
Stick-Slip 현상이 일어나지 않는다.
위치 정밀도가 높고, 주행속도가 빠르다.
열 발생이 적다.
3. DN치
DN치는 원주속도에서 일정한 값을 갖는 변수들을 모두 삭제하였으므로 계산이 간단하여
Ball Screw Nut의 허용속도를 표현하는데 사용하는 아주 유용한 속도단위 이다.
V (선속도) = π · D · n ∴ D : 회전 직경 (mm) , n : 회전수(rpm)
여기서 부품에 따라 선속도(V) 도 일정한 한계 값을 가지므로
DN치 = D · n = V / π 로 표현된다.
Ball 의 선속도는
√{ (π · Dd) 2 +L} · n ≒ (π · D · n )
∴ D : Ball Screw의 호칭경 (mm) , L : Ball Screw Lead (mm) , n : 회전수(rpm)
[ 리턴 튜브 방식] : DN < 70,000
DN= 70,000일 경우 V = (70,000 · π) / (1000 · 60) = 3.6 m/sec
특히 DN치가 70,000이상이 되면 Lip부의 파손이 많이 발생한다
[ 디플렉터 방식 ] : DN < 120,000
DN=120,000일 경우 V = (120,000 · π) / (1000 · 60) = 6.3 m/sec
[ 엔드캡 방식 ] : DN < 50,000
DN= 50,000일 경우 V = (50,000 · π) / (1000 · 60) = 2.6 m/sec
Ball Screw의 원주 속도는 Ball bearing 의 한계 원주 속도 28.5 (m/sec) 와 비교하면 현저히
낮은 속도임을 알 수 있다.
Ball Screw의 원주 속도가 Ball bearing에 비교하면 현저히 낮은 것은
Ball Screw의 구조적인 문제로
일반적인 Ball Screw에는 리테이너가 없어 Ball과 Ball 사이의 접촉점은 회전방향이 서로 달라
상대 속도가 리테이너가 있는 것과는 2 배가 되며 상호 마찰에 의해 발열 및 진동이 발생되고
축방향 힘이 크게 작용하고
원주운동뿐만 아니라 축방향 순환 운동을 하기 때문이다.
또한 위의 문제점을 해결 방법으로 Ball 사이에 리테이너를 넣은 제품도 생산되고 있다.
참고로 Ball bearing 의 한계 원주 속도 28.5 (m/sec)로 디플렉터 방식 (6.3 m/sec)보다
약 5배 정도로 높다.
4. Ball 순환방식에 의한 Ball Screw 분류.
Ball Screw의 분류는 일반적으로 Ball 순환 방식에 의한 분류 및 예압방식에의 의한 분류가 대표적이며
Ball 순환 방식에는 리턴 파이프식, 디플랙트식, 엔드켑식으로 의 3종류로 분류된다.
4.1 리턴 파이프 방식 (리턴)
일반적으로 가장 많이 사용하는 방식으로 Ball 이 튜브 속을 순환 한다.
튜브의 재질과 튜브내경의 가공, 굽힘, Ball이 튜브 속으로 들어가는 부위(Lip) 등의 영향으로
DN < 70,000으로 사용된다.
특히 DN치가 70,000이상이 되면 Lip부의 파손이 많이 발생한다
4.2 디플렉터(Deflector) 방식
STAR 디플렉트 방식 &nbbbb
고마식 디플렉트
리턴 튜브 방식의 튜브의 단점을 보완하여개발된 형식으로 튜브를 대신하여 정밀 가공된 플레이트를
Ball Screw Nut 내부에 조립하여 만든 제품으로 볼 튜브가 없어 튜브 손상이 없고,
Nut 외경이 리턴 튜브 방식보다 약 70 ~ 80 % 작아서 조립이 용이하고, Nut의 길이가 짧아 회전 성능이 좋습니다.
"DN < 120,000 으로 고속용"이다.
4.3 엔드 캡 방식 (End Cap)
Ball Screw Nut의 양단에 설치된 End Cap의 홈에서 Ball이 돌아 Nut속을 지나 반대측
End Cap에서 다시 부하영역에 이송되는 구조이다
대Lead의 제품으로 동일 회전에서 종래의 3배 이상의 고속이송이 가능한다.
볼 튜브가 없어 Nut 외경이 작고, End Cap이 볼 순환과 시일 플레이트를 겸하고 있어
길이가 짧아 장착공간에 유리한다.
일반적으로 정도가 낮아 정밀 가공용으로는 사용하지 않고 이송용으로 많이 사용한다.
DN < 50,000 이다.
5. Ball Screw 의 예압 방식.
볼 나사의 축방향 움직임을 제로로 하고 축방향하중에 대해서 변위량을 작게 하기 위하여
예압을 부여한다.
볼 나사에 예압을 가하면 너트 부의 강성이 증가하며 예압 너트와 예압을 부여하지 않은 너트의
탄성변위 곡선은 아래와 같습니다.
예압을 부여한 볼 나사는 예압하중(Fao) 의 약 3배의 축방향하중 (Ft = 3Fao) 이 외부에서 작용하면
변위량은 δao 가 되므로 예압이 없는 볼 나사의 변위량 2δao 에 비해 약 1/2 이 된다.
예압의 효과는 예압하중의 약 3배까지 효과가 있으므로 적정 예압 하중은 최대 축방향 하중의 1/3 이 적당하며,
또한 과대한 예압하중은 수명 및 발열에 악영향을 미치기 때문에 최대예압하중의 목표는
더블너트 예압 Ball Screw는 기본 동정격하중의(Ca)의 8% ~ 10%,
오버사이즈 볼 예압 Ball Screw는 기본 동정격하중의(Ca) 의 3% ~ 5%로 하는 것이 바람직한다.
5.1 예압 방식의
예압 방식 더블 너트
예압 옵셋
예압 스프링 더블 너트
예압 오버사이즈 볼
예압 너트길이 길다 보통 길다 짧다 토크특성 ○ ○ ◎ ○ 강성량 ◎ ◎ △ ○
구분 : ◎ : 크다 , ○ : 보통 , △ : 작다
5.2 더블너트 예압 (Double Nut Preload, 정위치 예압)
너트 2 개를 사용하여 그사이에 스페이셔를 삽입하여 예압을 준것.
너트 사이의 틈새보다 예압량 만큼 두꺼운 스페이셔를 넣는 것이 일반적이며,
특수한 경우 얇은 스페이셔를 넣는 경우도 있다.
일반적으로 더블너트에서는 가장 많이 사용하는 예압이다.
5.3 옵셋 예압
(Pitch Offset Preload,정위치
너트의 중앙 부근의 리이드를 예압량 α 만큼 크게해서 예압을 가한것.
싱글 너트이지만 더블 너트와 같은 예압방식을 가짐.
옵셋 예압은 제작이 어렵고, 축방향 예압의 조정이 어려우므로 거의 제작되고 있지 않음.
5.4 스프링 더블 너트 예압 (Spring Loadeheading
너트 2 개를 사용하여 그사이에 스프링을 삽입하여 예압을 준 것.
하중방향에 의해 강성이 변하기 때문에 사용상 주의하여야 함.
스프링 너트 예압은 더블너트(Spacer) 예압 보다 수명이 짧아서 현재에는 거의 사용하지 않음.
5.5 오버사이즈 볼 예압. (Balad)
볼 틈새의 공간보다 약간 큰 볼(오버사이즈 볼) 을 삽입하여 볼을 4 점 접촉시켜서 예압을 가한 것.
작동성 향상을 위하여 권수가 짧은 경우를 제외하고는 스페이셔 볼과 부하 볼을 1 : 1 로 사용함.
Single Nut는 일반적으로 예압을 가하지 않으나, 필요에 따라 예압을 가할 경우 많이 사용함.
6. Ball Screw 윤활.
볼 스크류에는 일반 볼 베어링 윤활 법이 적용된다. 하지만 축과 너트 사이에 축방향 움직임이 있으므로
볼 베어링 보다 윤활제 손실이 크다.
6.1 그리이스 윤활.
그리이스 윤활의 장점은 볼 스크류를 장시간 사용 후에 재 윤활 한다.는 것이나, 자동(무인) 운전을
하는 기계에서는 그리이스를 작업자가 재 충전하지 않으므로 필히 오일 윤활을 하여야 한다.
모든 볼 베어링용 그리이스가 사용가능하며, 가능한 재 윤활 간격이 긴 DIN 51825 K2K 에 따른
그리이스 및 높은 하중이 발생할 경우 DIN 51818에 따른 NLGI-등급2 에 KP2K 사용을 추천한다.
높은 하중이 발생할 경우 NLGI-등급2 가 NLGI-등급00 에 비해 가동성능이 2 배 이다.
재 윤활 간격은 오염 정도, 작동온도, 하중 등과 같은 요소에 의존하며 제작업체에서 제시하는 값들은
참고 값일 뿐 절대로 믿어서는 안 된다.
특히 볼 스크류에는 고체 윤활제 입자 (흑연 또는 MoS2) 를 포함한 그리이스를 사용하면 안되며
그리이스 량은 너트 내부 공간의 50% 적당한다.
6.2 오일 윤활
볼 스크류의 정밀도에 볼 스크류 길이 방향으로 열팽창이 영향을 미치므로 온도가 중요한 요소이다.
따라서 그리이스와 비교하여 오일 윤활의 장점은 특히 높은 회전 속도에서 사용할 경우 볼 스크류의
열 발생을 낮다는 장점이 있다.
윤활제는 시중에서 판매되는 볼 베어링용 광유를 사용할 수 있다.
요구 점도 등급은 회전수 온도의 및 하중에 의존한다.
(DIN 51501 , DIN 51017 , DIN 51519 및 GfT , ISO VG 68 ~ ISO VG 4600)
일반 적용 및 저속 운전 시 점도가 높은 오일 ISO VG 460 을 많이 사용한다.
오일 윤활 시 재 윤활량 및 재 윤활 간격
Ball Screw
호칭경
do 오일
초기 윤활
Ve(mℓ)
오일 재 윤활량 회전수
U
(1
(>6회전)
주행거리 (km) 추천
Vn(mℓ)/20 min
최소
Vn(mℓ)/10h 리드 P 5 10 16 20 25 32 40 8 0.3 0.01 0.03 1.3 7 13 21 26 33 42 52 12 0.3 0.01 0.03 1.3 7 13 21 26 33 42 52 16 0.3 0.01 0.03 1.3 7 13 21 26 33 42 52 20 0.6 0.01 0.06 1.0 5 10 16 20 25 32 40 25 0.6 0.01 0.06 1.0 5 10 16 20 25 32 40 32 0.6 0.01 0.06 1.0 5 10 16 20 25 32 40 40 2.0 0.03 0.40 1.0 5 10 16 20 25 32 40 50 4.0 0.03 0.80 1.0 5 10 16 20 25 32 40 63 4.0 0.03 , 0.06 0.80 1.0 5 10 16 20 25 32 40
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Note.
- 장비 전원 ON 시에 추천 오일량을 연속적으로 3~4회 공급할 것.
6.3 너트 오일 실의 종류
와이퍼 링 라비린스 실 브러쉬 실
밀봉은 : 와이퍼 링 > 라비린스 실 > 브러쉬 실 순이므로 와이퍼 링을 사용하는 것을 추천한다.
7. Ball Screw 제작
정밀 연삭
전조
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전조 Ball Screw Nut 는 정밀 연삭으로 제작한다. (Screw 만 전조 가능)
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3. DN치
DN치는 원주속도에서 일정한 값을 갖는 변수들을 모두 삭제하였으므로 계산이 간단하여 Ball Screw Nut의 허용속도를 표현하는데 사용하는 아주 유용한 속도단위 이다.
V (선속도) = π · D · n ∴ D : 회전 직경 (mm) , n : 회전수(rpm)
여기서 부품에 따라 선속도(V) 도 일정한 한계 값을 가지므로
DN치 = D · n = V / π 로 표현된다.
Ball 의 선속도는
√{ (π · Dd) 2 +L} · n ≒ (π · D · n )
∴ D : Ball Screw의 호칭경 (mm) , L : Ball Screw Lead (mm) , n : 회전수(rpm)
[ 리턴 튜브 방식] : DN < 70,000
DN= 70,000일 경우 V = (70,000 · π) / (1000 · 60) = 3.6 m/sec
특히 DN치가 70,000이상이 되면 Lip부의 파손이 많이 발생한다
[ 디플렉터 방식 ] : DN < 120,000 [ 엔드캡 방식 ] : DN < 50,000
DN=120,000일 경우 V = (120,000 · π) / (1000 · 60) = 6.3 m/sec
DN= 50,000일 경우 V = (50,000 · π) / (1000 · 60) = 2.6 m/sec
Ball Screw의 원주 속도는 Ball bearing 의 한계 원주 속도 28.5 (m/sec) 와 비교하면 현저히 낮은 속도임을 알 수 있다.
Ball Screw의 원주 속도가 Ball bearing에 비교하면 현저히 낮은 것은 Ball Screw의 구조적인 문제로
또한 위의 문제점을 해결 방법으로 Ball 사이에 리테이너를 넣은 제품도 생산되고 있다.
참고로 Ball bearing 의 한계 원주 속도 28.5 (m/sec)로 디플렉터 방식 (6.3 m/sec)보다 약 5배 정도로 높다.
4. Ball 순환방식에 의한 Ball Screw 분류.
Ball Screw의 분류는 일반적으로 Ball 순환 방식에 의한 분류 및 예압방식에의 의한 분류가 대표적이며 Ball 순환 방식에는 리턴 파이프식, 디플랙트식, 엔드켑식으로 의 3종류로 분류된다.
4.1 리턴 파이프 방식 (리턴)
| 일반적으로 가장 많이 사용하는 방식으로 Ball 이 튜브 속을 순환 한다. 튜브의 재질과 튜브내경의 가공, 굽힘, Ball이 튜브 속으로 들어가는 부위(Lip) 등의 영향으로 DN < 70,000으로 사용된다. 특히 DN치가 70,000이상이 되면 Lip부의 파손이 많이 발생한다 | |
4.2 디플렉터(Deflector) 방식
STAR 디플렉트 방식 &nbbbb
고마식 디플렉트
| |
리턴 튜브 방식의 튜브의 단점을 보완하여개발된 형식으로 튜브를 대신하여 정밀 가공된 플레이트를 Ball Screw Nut 내부에 조립하여 만든 제품으로 볼 튜브가 없어 튜브 손상이 없고, Nut 외경이 리턴 튜브 방식보다 약 70 ~ 80 % 작아서 조립이 용이하고, Nut의 길이가 짧아 회전 성능이 좋습니다.
"DN < 120,000 으로 고속용"이다.
4.3 엔드 캡 방식 (End Cap)
Ball Screw Nut의 양단에 설치된 End Cap의 홈에서 Ball이 돌아 Nut속을 지나 반대측 End Cap에서 다시 부하영역에 이송되는 구조이다
대Lead의 제품으로 동일 회전에서 종래의 3배 이상의 고속이송이 가능한다.
볼 튜브가 없어 Nut 외경이 작고, End Cap이 볼 순환과 시일 플레이트를 겸하고 있어
길이가 짧아 장착공간에 유리한다.
일반적으로 정도가 낮아 정밀 가공용으로는 사용하지 않고 이송용으로 많이 사용한다.
DN < 50,000 이다.
5. Ball Screw 의 예압 방식.
볼 나사의 축방향 움직임을 제로로 하고 축방향하중에 대해서 변위량을 작게 하기 위하여 예압을 부여한다.볼 나사에 예압을 가하면 너트 부의 강성이 증가하며 예압 너트와 예압을 부여하지 않은 너트의
탄성변위 곡선은 아래와 같습니다.
예압을 부여한 볼 나사는 예압하중(Fao) 의 약 3배의 축방향하중 (Ft = 3Fao) 이 외부에서 작용하면 변위량은 δao 가 되므로 예압이 없는 볼 나사의 변위량 2δao 에 비해 약 1/2 이 된다.
예압의 효과는 예압하중의 약 3배까지 효과가 있으므로 적정 예압 하중은 최대 축방향 하중의 1/3 이 적당하며, 또한 과대한 예압하중은 수명 및 발열에 악영향을 미치기 때문에 최대예압하중의 목표는 더블너트 예압 Ball Screw는 기본 동정격하중의(Ca)의 8% ~ 10%, 오버사이즈 볼 예압 Ball Screw는 기본 동정격하중의(Ca) 의 3% ~ 5%로 하는 것이 바람직한다.
5.1 예압 방식의
| 예압 방식 | 더블 너트 예압 | 옵셋 예압 | 스프링 더블 너트 예압 | 오버사이즈 볼 예압 |
|---|---|---|---|---|
| 너트길이 | 길다 | 보통 | 길다 | 짧다 |
| 토크특성 | ○ | ○ | ◎ | ○ |
| 강성량 | ◎ | ◎ | △ | ○ |
구분 : ◎ : 크다 , ○ : 보통 , △ : 작다
5.2 더블너트 예압 (Double Nut Preload, 정위치 예압)
너트 2 개를 사용하여 그사이에 스페이셔를 삽입하여 예압을 준것.
너트 사이의 틈새보다 예압량 만큼 두꺼운 스페이셔를 넣는 것이 일반적이며,
특수한 경우 얇은 스페이셔를 넣는 경우도 있다.
일반적으로 더블너트에서는 가장 많이 사용하는 예압이다.
5.3 옵셋 예압
(Pitch Offset Preload,정위치
너트의 중앙 부근의 리이드를 예압량 α 만큼 크게해서 예압을 가한것.
싱글 너트이지만 더블 너트와 같은 예압방식을 가짐.
옵셋 예압은 제작이 어렵고, 축방향 예압의 조정이 어려우므로 거의 제작되고 있지 않음.
5.4 스프링 더블 너트 예압 (Spring Loadeheading
너트 2 개를 사용하여 그사이에 스프링을 삽입하여 예압을 준 것.
하중방향에 의해 강성이 변하기 때문에 사용상 주의하여야 함.
스프링 너트 예압은 더블너트(Spacer) 예압 보다 수명이 짧아서 현재에는 거의 사용하지 않음.
5.5 오버사이즈 볼 예압. (Balad)
볼 틈새의 공간보다 약간 큰 볼(오버사이즈 볼) 을 삽입하여 볼을 4 점 접촉시켜서 예압을 가한 것.
| |
작동성 향상을 위하여 권수가 짧은 경우를 제외하고는 스페이셔 볼과 부하 볼을 1 : 1 로 사용함.
Single Nut는 일반적으로 예압을 가하지 않으나, 필요에 따라 예압을 가할 경우 많이 사용함.
6. Ball Screw 윤활.
볼 스크류에는 일반 볼 베어링 윤활 법이 적용된다. 하지만 축과 너트 사이에 축방향 움직임이 있으므로 볼 베어링 보다 윤활제 손실이 크다.
6.1 그리이스 윤활.
그리이스 윤활의 장점은 볼 스크류를 장시간 사용 후에 재 윤활 한다.는 것이나, 자동(무인) 운전을
하는 기계에서는 그리이스를 작업자가 재 충전하지 않으므로 필히 오일 윤활을 하여야 한다.
모든 볼 베어링용 그리이스가 사용가능하며, 가능한 재 윤활 간격이 긴 DIN 51825 K2K 에 따른
그리이스 및 높은 하중이 발생할 경우 DIN 51818에 따른 NLGI-등급2 에 KP2K 사용을 추천한다.
높은 하중이 발생할 경우 NLGI-등급2 가 NLGI-등급00 에 비해 가동성능이 2 배 이다.
재 윤활 간격은 오염 정도, 작동온도, 하중 등과 같은 요소에 의존하며 제작업체에서 제시하는 값들은
참고 값일 뿐 절대로 믿어서는 안 된다.
특히 볼 스크류에는 고체 윤활제 입자 (흑연 또는 MoS2) 를 포함한 그리이스를 사용하면 안되며
그리이스 량은 너트 내부 공간의 50% 적당한다.
6.2 오일 윤활
볼 스크류의 정밀도에 볼 스크류 길이 방향으로 열팽창이 영향을 미치므로 온도가 중요한 요소이다.
따라서 그리이스와 비교하여 오일 윤활의 장점은 특히 높은 회전 속도에서 사용할 경우 볼 스크류의
열 발생을 낮다는 장점이 있다.
윤활제는 시중에서 판매되는 볼 베어링용 광유를 사용할 수 있다.
요구 점도 등급은 회전수 온도의 및 하중에 의존한다.
(DIN 51501 , DIN 51017 , DIN 51519 및 GfT , ISO VG 68 ~ ISO VG 4600)
일반 적용 및 저속 운전 시 점도가 높은 오일 ISO VG 460 을 많이 사용한다.
| Ball Screw 호칭경 do | 오일 초기 윤활 Ve(mℓ) |
오일 재 윤활량 | 회전수 U (1 (>6회전) |
주행거리 (km) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 추천 Vn(mℓ)/20 min |
최소 Vn(mℓ)/10h | ||||||||||
| 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 | |||||
| 8 | 0.3 | 0.01 | 0.03 | 1.3 | 7 | 13 | 21 | 26 | 33 | 42 | 52 |
| 12 | 0.3 | 0.01 | 0.03 | 1.3 | 7 | 13 | 21 | 26 | 33 | 42 | 52 |
| 16 | 0.3 | 0.01 | 0.03 | 1.3 | 7 | 13 | 21 | 26 | 33 | 42 | 52 |
| 20 | 0.6 | 0.01 | 0.06 | 1.0 | 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 |
| 25 | 0.6 | 0.01 | 0.06 | 1.0 | 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 |
| 32 | 0.6 | 0.01 | 0.06 | 1.0 | 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 |
| 40 | 2.0 | 0.03 | 0.40 | 1.0 | 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 |
| 50 | 4.0 | 0.03 | 0.80 | 1.0 | 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 |
| 63 | 4.0 | 0.03 , 0.06 | 0.80 | 1.0 | 5 | 10 | 16 | 20 | 25 | 32 | 40 |
- 장비 전원 ON 시에 추천 오일량을 연속적으로 3~4회 공급할 것.
6.3 너트 오일 실의 종류
와이퍼 링라비린스 실브러쉬 실
밀봉은 : 와이퍼 링 > 라비린스 실 > 브러쉬 실 순이므로 와이퍼 링을 사용하는 것을 추천한다.
7. Ball Screw 제작
정밀 연삭
전조
전조 Ball Screw Nut 는 정밀 연삭으로 제작한다. (Screw 만 전조 가능)