볼스크류에 대하여 알아보자
볼스크류(Ball Screw)는 현대 정밀 기계 산업의 필수적인 부품으로, 회전 운동을 직선 운동으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 정밀이송용 기계 장치이다. 높은 효율성, 정확성, 내구성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다.
이 포스팅에서는 볼스크류의 기본 개념부터 구조, 작동 원리, 종류에 대해서 적어보도록 하겠다. (꽤나 알아볼 것이 많은 부품으로 시리즈로 작성 예정)
볼스크류, LM 가이드의 절대적인 강자인 삼익THK 유튜브와 카타로그에 좋은 자료가 많으니, 참고하는 것도 도움이 되겠다.
삼익THK 유튜브 볼스크류 설명
https://www.youtube.com/watch?v=5NHdb3mOFWY&list=PL_KRJpOm-Wr_OeDRlSW8OZ8jor0qimj1H&index=3
삼익THK 볼스크류 카타로그
https://tech.thk.com/upload/product_data/upfile/512K_15_BallScrew.pdf
볼스크류의 기본 구조
볼스크류의 기본적인 작동원리는 볼트와 너트의 작동원리를 가지고 있다.
다른점이 있다면 볼스크류는 너트부와 나사축 사이에 볼을 넣어 마찰을 대폭 감소시켜 변환의 효율을 극대화 시켰다는 점이다.
나사선에도 크게 두 종류가 있는데 미끄럼 나사와 구름 나사이다.
미끄럼 나사는 구동체간의 백래쉬를 잡을 수 있는 방법이 없기 때문에 고정밀 작업이 불가능하며, 따라서 공작기계와 같은 고정도를 요구하는 완성품에는 적용이 불가능하다.
반면 구름 나사는 나사축과 너트 사이에 볼을 넣어 구름 마찰로 일을 전달하므로 고효율, 고정도 작업이 가능하다. 현재 산업에 들어가는 볼스크류는 구름 나사선 타입이 압도적으로 많다.
추가적으로 미끄럼 마찰에 비해 구름 마찰이 마찰 저항이 적어 작은 힘으로도 동작이 가능하단 장점도 있다. 구름 마찰력과 미끄럼 마찰력의 차이는 위 그림으로 쉽게 이해가 될 것이다.
스틱슬립(어딘가에 걸린 듯 이송이 원활하지 못해 진동을 동반하는 마찰현상)도 미끄럼 나사에서만 주로 일어나는 현상이다.
볼스크류를 처음 접하는 사람들이 가장 많이 가지는 의문점 중 하나!
너트부에 볼로 이송을하게 되면 너트부가 움직일 때 볼이 빠지지는 않나요?
아니다. 당연히 볼은 리턴파이프를 통해 너트부 내에서 순환하게 된다.
또한 스페이서볼이라는 개념도 있는데, 나사선보다 지름이 작아 부하를 받지 않는 스페이서볼은 부하볼 사이사이 넣어 두면 마찰을 줄여 부드러운 이송이 가능하게 된다.
이를 정리하면 볼스크류의 기본 구조는 아래 사진과 같다.
볼스크류의 종류와 호칭형번
먼저 볼스크류는 크게 숯돌로 연삭하여 나사홈을 가공하는 연삭 볼스크류와 나사 홈 모양으로 가공 된 다이스를 활용한 전조 볼스크류가 있는데 정밀도 자체는 연삭 볼스크류가 훨씬 높아 단순 이송용이 아닐 경우 주로 연삭 볼스크류를 사용한다.
또 어느 기계부품이든 부품의 종류를 설명하는 호칭형번이 있기마련이다.
볼스크류는 굉장히 다양한 옵션이 있는 만큼 호칭형번이 긴 편인데, 이마저도 제조사 별로 표기를 다르게 하는 경우가 많아 의사소통에 어려움을 주곤한다.
참고용 구로다(KURODA) 정공 호칭번호 설명 PDF
https://www.kuroda-precision.co.jp/k-top/products/k-model-no_BS.pdf
참고용 하이윈(HIWIN) 볼스크류 카타로그 PDF
https://pimg2.daara.co.kr/mc/mem_img/105/105019/20181108/1541658792_77.pdf
* 이 포스팅에서는 삼익THK의 표기 방법대로 호칭형번을 소개하도록 하겠다.
1~7번 까지는 너트부에 대한 호칭형번 8~10번 까지는 축부에 대한 호칭형번이다.
일단 정리하면 다음과 같다.
1번 : 시리즈
2번 : 직경
3번 : 리드
4번 : 우나사, 좌나사 표시
5번 : 볼의 회로 수
6번 : 방진 옵션
7번 : 축방향 클리어런스(백래시)
8번 : 볼스크류 전체 길이
9번 : 볼스크류 정도 기호(볼스크류 리드 정도)
10번 :축단 미가공 형태의 표준 볼나사 표기
[1번]
어떤 제조사이든 보통 첫번째에는 시리즈의 코드가 나온다.
시리즈마다 볼스크류의 순환방식, 제조방식, 예압방식 등이 다르며, 볼스크류의 볼 순환방식과 예압방식은 다른 포스팅에서 자세히 다루도록 하겠다.
[2~4번]
2~4번의 경우 이어서 쓰는 경우가 많으며
2번 : 볼스크류의 직경
3번 : 볼스크류의 리드(너트부를 1회 회전 시켰을 때 너트의 이동량)
4번 : 좌우나사(보통 오른쪽으로 돌리면 잠기는 우나사를 쓴다. 우나사일 경우 표기생략, 좌나사일 경우 L 표기)
이다.
직경보다 리드가 작은 볼스크류를 표준 리드 볼스크류라고 하고 반대로 직경보다 리드가 클 경우 대리드 볼스크류라고한다.
[5번]
5번은 볼의 회로수로
권은 볼이 너트 안에서 한 번 순환하는 동안 나사 홈을 몇 바퀴 도는지를 나타내고,
열은 볼이 순환하는 독립 된 경로의 갯수를 의미한다.
위 그림과 같이 나사축이 2줄 나사의 형태를 띌 경우 2열이다.
[6번]
6번은 방진(먼지) 옵션을 나타내며 타사의 경우 호칭형번에 없는 경우도 있다.
최근 정밀 볼스크류의 경우 씰과 전동면 사이에 미소 클리어런스(최고의 방진 효과는 못줌)가 있어 토크 상승이나 발열이 발생하지 않는 라비린스씰 형식(RR)을 가장 많이 쓰는 듯 하다.
[7번]
볼나사의 축방향 클리어런스
축방향 클리어런스란 볼스크류 너트가 축을 따라 앞뒤로 움직일 때, 하중이 바뀌는 순간(방향 전환 시) 실제로 이동하기 전에 발생하는 미세한 유격으로 백래시를 다르게 부르는 말이다.
주의하여 봐야할 점은 볼스크류의 길이가 길어져 위 표의 기준 길이를 넘어서게 되면 마이너스 백래시(예압 상태 백래시)가 생길 수 있다는 점이다. 즉, 방향 전환이 되게 되면 기존 지령보다 더 가게 되는 셈.
[8번]
8번은 볼스크류 전체 길이로 길이를 뜻하는 영어 단어의 Length 약자인 L을 붙이기도한다.
나사부 길이만으로 오해하는 경우가 있는데 고정부&지지부를 포함한 길이이다.
[9번]
9번은 볼스크류 정도 기호(리드 정도)로 볼스크류 호칭형번에서 가장 중요한 부분이라고 할 수 있겠다. 볼스크류 정도 기호는 선운동을 할 때 실제 이동 거리와 명령 이동 거리(이론값) 사이의 오차, 즉 볼스크류 자체의 제조&가공 정밀도를 나타낸다.
축방향 클리어런스와 함께 볼스크류의 나사축(축방향 클리어런스는 나사축 외경, 볼스크류 리드 정도는 나사축 길이)에 따라 값이 달라지며, 정밀기계에서는 레이저로 축방향 클리어런스와 리드 정도를 검사(피치에러 검사)하게 되는데 이 때 참고하면 되겠다.
* 피치에러 검사 : 볼스크류(볼나사)에서 나사산 간의 거리(피치)가 설계값과 실제값이 일치하지 않아 발생하는 오차를 검사하는 것. 다시 말해, 볼스크류가 한 바퀴 회전할 때 이론적으로 이동해야 하는 거리(리드 또는 피치)와 실제 이동한 거리 사이에 차이가 생기는 현상을 검사
[10번]
10번은 대량 생산이 가능한 축단 미가공 형태의 표준 볼나사일 경우 표기하는 것으로 그렇게 중요하지 않다.
마치며…
이 포스팅에서는 정밀기계에서 떼려야 뗄 수 없는 볼스크류의 구조와 종류를 알아 보았다.
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