제 1 장 볼스크류란? q Lesson 1: 볼스크류란무엇인가? 1: 나사 ( 스크류 ) 의종류 2: 볼스크류의구조 q Lesson 2: 볼스크류의특징과사용예 日本精工株式会社精機技術センター
Lesson 1: 볼스크류란무엇인가? 1 나사의종류 나사 미끄럼나사 구름나사 삼각나사각나사, 기타볼스크류롤러스크류 너트 ( 이동 ) 육각볼트 육각너트 삼각나사 각나사 ( 사다리꼴나사 ) 물체를조립하는데쓰이는나사 물체를이동시키는힘을전달하는데 나사축을회전시키면너트가 쓰이는나사 이동하여물체를체결하거나 { 예 } 자동차용공구중쟈키의나사부 느슨하게함. 좀더가벼운작동성에대한요구 스크류 너트 볼스크류의등장 참고자료 왜축을회전하면너트가이동할까? 오른쪽그림과같이나사홈은나선형상으로이어져있으므로, 너트는이홈을따라서이동합니다. 사람이나선계단을오르내릴때와같은원리입니다. 2
Lesson 1: 볼스크류란무엇인가? 2 볼스크류의구조 1 가볍고원활한회전이필요! 스크류축과너트와의사이 ( 홈 ) 에강구를넣어 구르도록함 ( 아래그림참조 ) 너트 강구 스크류 참고자료 마찰력이란? 책상위에놓인물체를미끄러지게하려고할때물체를미는잠시동안은움직이지않지만 ( 정지마찰력 ), 어느정도의힘이되면움직이기시작합니다. 그후계속해서움직이게하려면어느정도의일정한힘으로계속밀어야합니다.( 운동마찰력 ) 이와같이, 접촉하는 2개의물체가접촉면을통해서로의움직임을방해하려고하는힘을마찰력이라고합니다. 마찰력의크기는접촉상태에따라다릅니다. 미끄럼접촉일경우 ( 미끄럼마찰력 ) 보다구름접촉일경우 ( 구름마찰력 ) 가마찰력이작습니다. 미끄럼마찰력 각나사 ( 큰힘이필요함 ) 구름마찰력 볼스크류 ( 가볍게움직임 ) 2 너트는스크류축을따라서 이동함 (STROKE 운동 ) 강구가너트외부로이탈되지 않도록하는연구가필요 강구를순환하게 하는구조 참고자료 볼스크류에서왜순환부품이필요할까? 베어링의경우, 강구는원주형상의홈을따라서구름운동만하므로회전해도베어링외부로이탈되지않습니다. 그러나볼스크류의경우는홈이나선형이므로축을회전시키면강구는나선홈을따라서굴러가므로어딘가에서멈추게하지않는한, 밖으로이탈됩니다. 그러므로어느정도굴러간곳에서진로를변경시켜강구를차례대로 출발점 으로되돌아가게해야합니다.( 순환로형성 ) 그역할을수행하는것이순환부품입니다. 3
3 강구가무한순환운동을하는이유 ( 예 : 튜브식 ) Lesson 1: 볼스크류란무엇인가? ( 2: 볼스크류의구조 ) 스크류축을그림과같은방향으로회전시키면, 강구는 (A) 에서스크류축과너트의홈사이를굴러가면서진행하고, 스크류홈을두바퀴반 ( 그림의경우 ) 회전하여 (B) 에도달합니다. 그후튜브의끝에서진로가변경되어, 튜브를통과하고 (A) 로돌아옵니다. 스크류축위를너트가스트로크운동을하고있을때, 내부에서는그와같은현상이반복되고있습니다. 튜브 튜브 볼순환서킷 2.5 권너트스크류축 강구가너트를이탈함 강구가순환함 4 리드 스크류축을 1 회전시켰을때 ( 또는너트를 1 회전시켰을때 ), 너트가진행한거리 1 회전 너트 스크류축 너트이동량 리드 리드의대소용도에따라구분이가능하도록리드도크기에따라구분합니다. 대리드 : 스크류축을 1회전시켰을때 ( 또는너트를 1회전시켰을때 ), 너트의진행거리가큰경우. 고속이송용으로적합합니다. 소리드 : 스크류축을 1회전시켰을때 ( 또는너트를 1회전시켰을때 ), 너트의진행거리가작은경우. 정밀이송용으로적합합니다. 4
Lesson 1: 볼스크류란무엇인가? ( 2: 볼스크류의구조 ) 대리드 ( 홈간격이넓다 ) 소리드 ( 홈가격이좁다 ) 참고자료 리드, 스크류축의회전수, 너트이동속도와의관계 { 예 } 리드가 10mm인스크류축을 2000rpm으로회전될때너트의이동속도는 (10mm/1회전) (2000회전/ 분 )=20000mm/ 분 (=20m/ 분 ) 6 Coffee break 6 볼스크류의역사 19 세기말문헌에의하면구동기구인 스크류 를가볍게움직이게하기위해서수나사와너트의사이에볼을넣어서미끄럼마찰을구름마찰로바꾸는볼스크류를만들려고하는시도는있었습니다. 하지만당시의기술로는실용화할수없었습니다. 1940 년대미국에서는자동차의스티어링기어에사용된 ( 미국 GM 의 Saginaw Division 에서제작한자동차용 Ball Screw Steering 이세계최초로실용화됨 ) 무렵부터볼스크류의설계와제작기술이크게발전했습니다. 일본에서는기계공업의근대화가진행됨과동시에볼스크류의출현을바라는목소리가매우컸습니다. 그때 NSK 는가장먼저베어링설계기술과제작기술을동원하여볼스크류개발에착수해서 1958 년일본최초로볼스크류식자동차용스티어링기어를완성했습니다. 그리고볼스크류의꽃이라고할수있는 NC 공작기계용정밀볼스크류의시작은당시일본에서최고의인기상품이었던마키노프라이즈 K5라고하는프라이스반에사용되던 XYZ 축의사다리꼴나사를 NSK 볼스크류로교체하면서시작되었습니다. K5은당시업계에서베스트셀러제품으로월생산 50 대이상생산되었던것이었습니다. 그후설계기술, 제조기술의향상으로볼스크류가가진우수한성능이에너지절약이요구되는시대를맞이하여 NC 기계, 에너지절약형각종기계등에필수기계요소중하나가되었습니다. 1898 년 12 월에 The Practical Engineer 지에개재되었던볼스크류 (R. K. Allan 의저서 Rolling Bearings 에서발췌 ) 5
Lesson 2: 볼스크류의특징과사용예 볼스크류는구름마찰을하므로미끄럼스크류에비해여러가지우수한점이있습니다. 다음은여러가지장점에대한설명입니다. 1 기계효율이높음스크류축을회전시키는힘을거의대부분 (90% 이상 ) 을너트를이송시키는데이용됨. ( 마찰에의한손실이매우적고스크류축을 회전시키기위해필요한힘이각나사에비해약 1/3 이하로좋음 ) 운동방향을변환하려고할경우에사용됨. 회전운동 직선운동 직선운동 회전운동 [ 사용예 -1] 인공호흡기 피스톤 서보모터 공기통 볼스크류 모터로볼스크류의너트를구동하여스크류축에연결된피스톤을움직입니다. 위그림은너트회전 축이동방식을나타냅니다만, 축회전 너트이동방식도 있습니다. 6
Lesson 2: 볼스크류의특징과사용예 2 마모가적음. 구름접촉이므로미끄럼접촉에비해마모가적음. 정밀도가떨어지는현상이매우적음 정밀한위치결정이필요한경우에 사용됩니다. [ 사용예 -2] 정밀위치결정테이블 Y 1 축테이블 X 축방향, Y 축방향으로정확하게테이블을이동시키기위해볼스크류를사용합니다. 예를들어, 노광장치, 검사장치처럼위치결정정도가중요한기기에사용됩니다. 7
Lesson 2: 볼스크류의특징과사용예 3 작동성이좋음미소이송에대해서도원활하게작동함. 부하가걸린상태에서도원활하게작동함. 가볍고일정한회전이필요한경우에사용됩니다. 정밀한위치결정이필요한경우에사용됩니다. 무거운물체를가볍게이송시킬때사용됩니다. [ 사용예 -3] 공작기계 수평형머시닝센터의예 Y Z X 각슬라이더부를 X,Y,Z 의방향으로이동시키기위해사용됩니다. 머시닝센터나 NC 선반과같은절삭계공작기계의경우, 일반적으로큰절삭력이 작용합니다. 8
Lesson 2: 볼스크류의특징과사용예 4 수명의예측이가능함. 기본적인원리는구름베어링과같으므로주어진조건에대한피로수명의계산도 희망수명을근거로기계설계가능 선정이용이 가능합니다. 5 기타 JIS,ISO 등에의한규격화가되어있음. 9
제 2 장 볼스크류의구조와특징 q Lesson 1: 볼스크류구성부품 1: 스크류축 2: 순환부품과순환방식 3: 강구 (ball) 4: 씰 (seal) q Lesson 2: 볼스크류의정도 1: 리드정도 2: 리드정도의등급 3: 조립부정도 q Lesson 3: 볼스크류의예압과강성 1: 볼스크류의예압 2: 볼스크류의강성 3: 예압방식 q Lesson 4: 축경과리드의조합 日本精工株式会社精機技術センター
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 D A: 강구 (ball) B: 스크류축 C: 너트 (nut) D: 씰 (seal, 너트양단 ) E: 순환부품 ( 튜브등 ) 1 스크류축 볼홈 d: 스크류축외경 ( 형번상의축경 ) d m : 볼피치원경 d r : 스크류축곡경 l : 리드 (lead) D w: 강구경 ( 볼경 ) 1 볼홈의형상그림과같이두원의일부로형성된고딕아크형상을한 고딕아크홈 입니다. 고딕아치형상 참고자료 왜고딕아크라고하나요? 고딕건축의지붕과형상이비슷하기때문에이름이그렇게붙여졌습니다. 11
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 2 볼피치원경 dm 강구 순환하고있는강구의중심을선으로이어그려진원의직경을말합니다. 허용회전속도 (4 장참조 ) 의검토시필요한치수입니다. 카다로그의치수표에기재되어있습니다. 3 스크류축곡경스크류축의나사홈경을말합니다. 볼스크류에서가장가는부분이며축의강도및스크류축의위험속도의계산시필요한치수입니다. 카다로그의치수표에기재되어있습니다. 4 스크류방향 우나사, 좌나사의 2 종류가있습니다. 주로우나사가많이쓰입니다. 우나사축방향에서봤을때, 나사홈을시계방향으로따라가보면멀어지는나사를말합니다. ( 오른쪽그림에서왼쪽방향으로나아감.) 그림과같이홈이오른쪽아래방향으로경사져있습니다. 우나사 좌나사 좌나사축방향에서봤을때, 나사홈을시계방향으로따라가보면돌아오는나사를말합니다. ( 오른쪽그림에서오른쪽방향으로나아감.) 그림과같이홈이왼쪽아래방향으로경사져있습니다. 12
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 2 순환부품과순환방식 NSK 는모두 4 종류의순환방식을적용하고있습니다. 1 신순환식 ( 신제품, BSS 시리즈 ) 특징 고속 dn 18 万 ( 종래고속사양 d N 13.5 万 ) 33% UP 정음( 靜音 ) 소음레벨대폭감소약 6dB 이상새로운순환방식에의한부드러운음색 컴팩트너트외경최대 30% DOWN ( 종래품비교 ) 순환방식형상 2 튜브식 순환부품 : 튜브 특징 축경, 리드대응범위가넓음. 가격적으로유리 양산성 : 大 권수 : 1.5~3.5 ( 일반적 ) 서킷 튜브 튜브 스크류축 13
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 ( 2: 순환부품과순환방식 ) 3 고마식 (Deflector) 순환부품 : 고마 특징 소리드용 너트외경이콤팩트함. 양산성 : 小 권수:1권만가능 고마 너트 스크류축 4 엔드캡식 순환부품 : 엔드캡 ( 및볼순환구멍 ) 특징 튜브, 고마식으로는대응할수없는범위에적용함. 범용성이낮음.( 엔드캡의성형틀에귀속됨.) 大리드용 양산성 : 中 권수 : 0.7 권, 1.7 권 일반적으로다조 ( 多条 ) 스크류용임. 엔드캡 너트 볼순환구 엔드캡 스크류축 참고자료 서킷 : 강구가스크류축의홈을끊임없이순환할수있는구조임. 권수 : 한서킷에서스크류축에 ( 접촉하여 ) 강구가둘러싸고있는스크류홈의개수를나타낸수치. ( 유효권수 : [ 권수 ] [ 서킷수 ], 즉, 축방향하중을받는것이가능한강구의총권수 ) 14
참고자료다조 ( 多条 ) 스크류란? 일반적으로스크류축의볼홈의개수는 1 개입니다. 그것을 1 조스크류 라고합니다. 그리고, 볼홈의수가 2 개이상인것을 다조스크류 라고합니다. 1 조스크류 2 조스크류 (1 번홈과 2 번홈은 180 위상차가있음.) 리드가커지면홈사이의거리도커집니다. 따라서리드가커짐에따라유효권수를확보하기가어렵게됩니다. ( 가공상의제약으로너트를길게할수없음 ) 유효권수를많이확보하려면홈수를증가시키면되므로홈사이에홈을추가설정하면 ( 유효활용 ) 다조스크류라하는것이됩니다. 大리드의볼스크류에다조스크류가많은것은이러한이유때문입니다. 15
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 3 강구 (ball) 강구사이즈 강구경은스크류축경및리드 (l) 와의균형 (balance), 및강성, 부하용량, 작동성등을 고려하여정해집니다. l l 리드에균형이맞는사이즈의강구를조립한경우 ( 홈사이의축외형부가확보될수있습니다.) 리드에비해큰강구를조립한경우 ( 홈사이의축외형부가남아있지않습니다.) 강구의조립 강구는아래그림과같이스크류축과너트의볼홈사이를이동하지만볼스크류에는구름베어링처럼리테이너가없기때문에강구사이의클리어런스가없게되면강구끼리서로간섭 ( 충돌 ) 을일으키게됩니다. 따라서, 작동성을향상시키기위해보통강구보다수십μm정도작은강구를강구들사이에넣어리테이너역할을하게합니다. ( 아래그림참조 ) 그작은강구를스페이서볼이라고합니다. 스페이서볼을조립하므로부하를받게되는강구의수가줄어들게되므로부하용량은저하됩니다. 단지, 스페이서볼과구별하는의미에서보통부하를받는강구를부하 (load) 볼이라고합니다. 너트 스크류축 너트 스페이서볼 스크류축 부하볼 강구 16
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 4 씰 (Seal) 너트내에이물이들어가면작동성이나쁘게되거나조기마모현상이발생하므로 볼스크류의기능에악영향을미칩니다. 그렇기때문에방진대책으로써씰 (seal) 을사용 하고있습니다. 1 표준씰 씰의종류 : 1 플라스틱씰 ( 일반 표준 / 비접촉타입 ) 2 브러시씰 ( 전조볼스크류용 / 접촉타입 ) 플라스틱씰 브러시씰 2 고방진 ( 高防塵 ) 씰 씰 ( 접촉 ) 부를스크류축단면형상과비슷하게립 (lip) 을만들어서토크의상승을최대한억제하고방진성을높인제품입니다. 또한, 스크류축볼홈은씰성을높이기위해홈바닥부의홈을없앤특수형상입니다. 방진성및내구성을우선적으로높이기위해서윤활유니트 NSK K1 TM 을표준으로장착합니다. 효과 : NSK 에서평가시험을한결과, 종래의표준씰장착품과비교하면 1이물침입량이 1/15 이하로감소 2볼스크류의수명이 4배이상증가 적용형식 : 축경, 리드에적합한최적의씰형상을설정하므로주문생산합니다. 고방진씰고방진씰장착상태 정도, 예압은표준품과동일하고동마찰토크는약간증가합니다. 용도예 : 목공기계, 레이저가공기, 용접라인등의이물이많은곳에서사용합니다. 17
Lesson 1: 볼스크류의구성부품 3 기타씰만으로방진효과가충분하지않은이물이많은악조건일때에는자바라나텔레스코픽파이프 (telescopic pipe) 를이용하여 ( 고객주문시 ), 스크류축을완전하게커버합니다. 텔레스코픽파이프 자바라 18
Lesson 2: 볼스크류의정도 ( 精度 ) 볼스크류가이송나사기능을하는데있어정도관련중요항목에는 리드정도, 조립정도 가있습니다. 1 리드정도 리드정도란, 스크류축을회전시켰을때의너트가이동하는거리의정밀도 ( 너트이동 정도 ) 로스크류축볼홈의이송방향정도를반영하는것입니다. 1 회전 너트 볼스크류 너트이동량 오차 예를들면, 리드 l=5.000 목표로제작된볼스크류에서도, 실제로는 l=4.998, l=5.005 등의 + 의리드오차가있습니다. 또한, 아래그림과같이 1 리드마다의오차는위치에따라다릅니다. 목표리드 5.000 실측치 오차 오차는이동장치의이동속도나위치결정정도에직접영향을미치므로, 볼스크류의 JIS 규정에서는리드정도와관련하여상세하게규정하고있습니다. 19
Lesson2: 볼스크류의정도 2 리드정도의등급 항목 구분 위치결정용 (C 계열 ) 반송용 (Ct 계열 ) 정도등급 C0 C1 C2 C3 C5 Ct7 Ct10 v 300 3.5μm 5μm 7μm 8μm 18μm 52μm 210μm 품질고정도 ( 高精度 ) 리드정도의요구치로규정된정도등급대신에, v 300 에서 10μm 이하 등의방식으로 리드정도를나타내기도합니다. 참고자료 v 300 : 스크류부유효길이에서임의의 300mm 의범위에서리드오차의최대폭 ( 변동 ) 을말합니다. 자세한사항은제 5 장 Lesson 3 을참고하십시오. 3 조립정도 리드정도가아무리좋아도볼스크류의조립에문제가있다면리드정도가제대로나올수없고, 소음과진동, 수명저하등의문제가발생할수있습니다. 물론, 볼스크류의조립정도는지지베어링, 커플링, 모터등을포함해서고려하는것도필요하지만, 볼스크류단품으로봤을때, 이러한부품들의정도보다조립부의정도가우선됩니다. 1지지베어링조립부베어링 비틀림모멘트발생진동이큼 2 커플링조립부 커플링 진동이큼 3 볼스크류너트와너트브라켓조립부 ( 너트조립면의볼스크류부에대한직각도 ) 너트내에비틀림발생 위에열거한내용외에도스크류축의휨이나베어링조립부경치수정도 ( 베어링과의끼워맞춤 ) 등이있습니다. 20
Lesson 3: 볼스크류의예압과강성 1 볼스크류예압 예압이란? 축방향하중 ( 예압하중 ) Fa0 을주어미리강구와스크류축및너트의볼홈접촉면에탄성 변형 ( 변위 ) 을준것을말합니다. 너트 B 간좌 너트 A 참고자료 탄성변위란? 힘을주었다가힘을주지않으면원래의 상태로돌아가는것을말합니다. 고무공을쥐면찌그러지지만놓으면 원래의형태로돌아옵니다. 이러한변형을탄성변위라합니다. 예압의목적 ( 효과 ) 스크류축과너트사이의내부클리어런스를제로로합니다. ( 흔들림없음 ) 외부하중에대하여축방향탄성변위량을작게합니다. ( 강성 UP) F F F a0 - F F a0 +( F-F ) 클리어런스 F < 예압 (Fa 0 ) 이있는경우 > F 는직접걸리지않고, F 만큼빼고가해짐 변위량 : 小 < 예압이없는경우 > F 가직접가해집니다. 변위량 : 大 예압량 ( 하중 ) 의설정용도에맞는예압량으로설정되어야합니다.( 무작위로설정하면안됨 ) 예압하중을크게하면강성은높아지지만, 다음과같은문제가있습니다. 회전이무거워짐. ( 회전시키는데에큰힘이필요하게됨 ) 발열량이증가함.( 온도상승 스크류축의열팽창량증가 리드정도, 베어링에영향 ) 수명이짧아짐. 2 볼스크류의강성 힘 (F) 힘 (F) 축방향으로외부하중을가했을때에 ( 탄성변위범위에서 ) 변형하기어려운 성질 혹은 정도 를말합니다. 스프링의경우에서보면스프링상수에해당되는것입니다. 강성 : 大 강성 : 小 21
Lesson3: 볼스크류의예압과강성 3 예압방식 NSK 볼스크류에서는용도따라 4 종류의예압방식을사용하고있습니다. 1 더블너트예압 (D 예압 ) 너트 2개를사용하고그사이에간좌 (spacer) 를삽입하여예압을주는방법. 일반적으로너트사이의틈새보다예얍량만큼두꺼운간좌 (spacer) 를삽입합니다. ( 인장예압방식 ) 예압량만큼얇은간좌를삽입하여두개의너트를서로붙이는방식 ( 압축예압방식 ) 도있습니다만잘사용하지는않습니다. 큰예압하중을설정하고싶은경우에적합합니다. 너트 B 간좌 너트 A 인장방향 너트 B 간좌 인장방향 너트 A 인장예압 스크류축 Fao Fao 압축방향 너트 B 간좌 압축방향 너트 A 압축예압스크류축 2 스프링더블너트예압 (J 예압 ) D예압의간좌대신에스프링 ( 판스프링, 또는코일스프링 ) 을삽입한것으로스프링힘으로예압을주는방법입니다. 스프링이댐퍼역할을하여, 스크류축경의변동량및강구, 볼홈의마모량을흡수하는것으로예압량의영향을완화하기위해, 장기간에걸쳐토크의변화량을작게해줍니다. ( 토크특성우수 ) 스프링을이용하므로하중방향따라강성이달라집니다. 아래그림에나타나있는 주외부하중 의방향으로만하중이걸리지않게하는용도로사용됩니다. 너트 B 스프링 너트 A 인장방향 인장방향 너트 B 스프링 너트 A Fao Fao 스크류축 주외부하중 22
Lesson3: 볼스크류의예압과강성 3 옵셋예압 (Z 예압 ) 너트의중앙부근의리드를예압량 (α) 만큼크게하여예압을주는방식입니다. ( 싱글너트로 D예압과같은예압방식이므로기능면에서 D예압과동일 ) 간좌(spacer) 를사용하지않으므로컴팩트화 저가격화를꾀할수있습니다. 너트길이가길어지기때문에, 제작서킷수에제한이있습니다. 인장방향 인장방향 리드 리드 +α 리드 너트 Fao Fao 스크류축 4 오버사이즈볼예압 (P 예압 ) 볼홈의공간보다도예압량만큼큰강구 ( 오버사이즈볼 ) 를삽입하고, 강구를 4점접촉하여예압을주는방식입니다. 다른방식에비해너트길이가가장짧으므로너트가소형화됩니다. 그다지큰예압은걸리지않습니다. 리드 리드 너트 스크류축 23
Lesson 4: 축경과리드의조합 JIS 에따른볼스크류의축경과리드의조합을아래의표에나타내었습니다. ( 기본조합 ) 이것을기본으로하여 NSK 볼스크류는시리즈화되어있습니다. 0.5 1 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 30 32 40 50 60 64 80 100 4 M M 6 M M M 8 M M M M 10 M M M T T B T B 12 M M M M T BT T BL L BU B 14 M M T T 15 B BL BU B 16 M M T T T T L U U 18 T 20 M T BTD TD T B L BL B BU BU 25 M T BTD TD T B B L BL BL B BU U 28 T T T B 32 M T BTD TD TD BTD BT B BLN LN BLN BU 36 BT T BT B B B 40 M TD TD TD BTD BT BT BH BLN B LN BLN BU 45 B BT B BH BH B 50 TD TD TD BTD BTD BTF BTD BLHN BH LN LN BLN B 55 T F 63 D D TD TD TF TDF L L 80 TD TD T TDF F 100 D TD T TDF 125 T T T T 140 T T T T 160 T T T 200 T T T 250 T T B : BSS 시리즈, T : 튜브식, D : 고마식, L : 대리드, U : 초대리드, M : 고마식미니어처, H : HMC 시리즈, F : HTF 시리즈, N : NDT 시리즈 참고자료 위의표에서공백이있는이유는? 리드가큰경우축경에비해리드가크기때문에제작이어렵거나제작이불가능하므로기본조합에서제외되었습니다. 리드가작은경우축경에비해리드가작기때문에실용성이낮으므로 ( 부하용량, 이동속도면에서 ), 기본조합에서제외되었습니다. 24
제 3 장 볼스크류의사용법 q Lesson 1: 볼스크류의분류와시리즈 q Lesson 2: 볼스크류관련부품 1: 서포트유니트 2: 로크너트 3: 그리스유니트 4: 스톱퍼 q Lesson 3: 특수용도시리즈의개요 1:BSS 시리즈 2:S1 시리즈 3:MF 시리즈 4: 대 초대리드볼스크류 5:HMC 시리즈 6:HTF 시리즈 7:NDT 시리즈 ( 너트회전볼스크류 ) 8: 스플라인부착볼스크류 로보테 9 : 중공축볼스크류 q Lesson 4: 스크류축제작범위 日本精工株式会社精機技術センター
Lesson 1: 볼스크류의분류 주요용도 unsk 볼스크류의기본타입 타입 리드크기 순환방식 예압방식 T 타입 소 중리드 튜브 D,P,Z 예압 D 타입 소 중리드 고마 D,P,Z 예압 L 타입 중 대리드 튜브 D,P 예압 U 타입 대 초대리드 튜브, 엔드캡 P 예압 M 타입 소리드 고마 P 예압 unsk 리드구분 구분 1 리드비 ( K = 리드 / 축외경 ) 소리드 K< 0.5 중리드 0.5 K < 1 대리드 1 K < 2 초대리드 2 K
1 Lesson 1: 볼스크류의분류 표준재고시리즈단납기대응을위해표준화 재고품화한시리즈입니다. u축단완성품 베어링, 구동부품등이바로조립될수있도록스크류축양단부가가공되어있음. 추가가공등이불필요 ( 제품상태그대로기계에조립가능 ) u축단미가공품 스크류축양단부는미가공 ( 미열처리, 원통형 ) 으로축단형상에대한자유도가있음. 조립전에축단의추가가공이필요 축단완성품중적당한제품이없을경우에선택해서사용 2 주문제작볼스크류 표준재고시리즈품으로대응이안되는경우에사용 ( 특수주문품 ) 고객과도면을교환하고, 사양을확정한후제조. 원재료로부터제조가시작되므로표준재고품보다납기가더길어집니다. 3 특수형식볼스크류 Maintenance free 화대응, 환경대응, 고효율화대응등을위해특수기능을첨가한볼스크류입니다. 자세한내용은 Lesson 4 참조해주십시오. 27
Lesson 2: 볼스크류관련부품 볼스크류를사용할때, 유용한보조부품을소개합니다. 편리합니다. 볼스크류와세트로구매하시면 1 서포트유니트 (Support Unit) 볼스크류조립용베어링과하우징을세트화한제품입니다. 볼스크류지지부를설계하고제작하는것은성가신일이될수있으므로유니트화된본제품을쓰시면편리합니다. 표준재고단납기제품입니다. 용도별로 2종류가있습니다. 표준재고시리즈 볼스크류에대응합니다. 그리스봉입품입니다. 1 소형기기 경하중용 베어링내경치수범위가 φ 4~φ 25mm 입니다. 고정측 용 ( 각형, 환형 ) 과 단순지지측 용이있습니다. 고정측 용 단순지지측 용 2 공작기계 중하중용 베어링내경치수범위가 φ 17~φ 40mm 입니다. 고정측 용만있습니다. 28
Lesson 2: 볼스크류관련부품 2 로크너트 (Lock nut) 볼스크류지지베어링은가능한한, 축과직각이되도록조립되어야합니다. 따라서, NSK 에서는볼스크류전용고정도로크너트를제작하고있습니다. ( 표준재고 ) A타입 과 S타입 의 2 종류입니다. 지지베어링조립을할때, 본제품을사용해주시기바랍니다. A 타입 S 타입 A 타입 : 소형기기 경하중용 서포트유니트에동봉된것과같음. S 타입 : 공작기계 중하중용 서포트유니트에동봉된것과같음. 3 그리스유니트 볼스크류윤활용그리스는자바라용기 (80g) 각종그리스와수동그리스펌프가있습니다. 원터치로그리스건 ( 그리스유지용기구 ) 에장착이가능하므로사용하기쉽습니다. 장기간사용하지않을때에는그리스가열화되는것을방지하기위해, 그리스건과분리하여뚜껑으로막아두십시오. 명칭 용도 튜브색 NSK 그리스 AV2 중 ( 重 ) 하중용 갈색 NSK 그리스 PS2 고속경하중용 오렌지 NSK 그리스 LR3 고속중 ( 中 ) 하중용 녹색 NSK 그리스 LG2 크린환경 파란색 29
Lesson 2: 볼스크류관련부품 4 스톱퍼 (Stopper) 기계자체의안전장치의고장이나작업미스등에의해너트가오버런 (Overrun) 하는경우가있습니다. 오버런을방지하기위한볼스크류안전장치로스톱퍼를설치합니다. NSK에서는 충격흡수형스톱퍼 를시리즈화했습니다. 단품판매는하지않고볼스크류와세트로주문제작하여판매합니다. 스톱퍼 30
Lesson 3: 특수용도시리즈 1 S1 시리즈 소음을줄이고작동성을향상시킨볼스크류 구조 강구끼리의충돌이나충돌로인한작동성저하를방지하기위해, 강구사이에수지로만든리테이너피스를삽입하였음. 주요특징 1) 저소음, 좋은음질 ( 사람을불쾌하게하지않는 ), 저진동 2) 원활한작동성 3) 고부하용량 고강성 ( 스페이서볼사양대비 ) 4) 종래품과의너트치수호환성 5) 정도등급 :C0~C5 급 용도예 측정기기, 스캐너나인쇄기계, 스텝퍼, 와이어방전가공기등 선정시주의점 볼순환방식은튜브식입니다. P예압이표준사양입니다만, Z 예압, D 예압도대응가능합니다. 사용가능온도범위는상용 Max.50, 순간 Max.80 입니다. 31
Lesson 3: 특수용도시리즈 2 MF 시리즈 윤활유니트 NSK K1 TM 을장착한볼스크류입니다. 주요특징 1) 장기간 Maintenance free 가가능 ( 유지보수성이좋음 ) 2) 사용환경을오일로오염시키지않음 ( 깨끗한환경유지 ) 3) 물로윤활제가오염되는환경에강함 ( 장수명화 ) 4) 흡유성이물이발생하는환경에서기능유지 ( 장수명화 ) 5) 표준재고품으로 WFA 시리즈가있음 ( 단납기, 정도등급 :C5) 6) 정도, 클리어런스, 예압사양은종래품과동급 용도예 공작기계, 반도체 액정관련장치, 식품 의료기계, 자동차관련제조설비, 목공 제지 의료기계, 로보트등 선정시주의점 윤활유니트 NSK K1 TM 을장착하면너트길이가길어지므로기존제품에서설계변경하는경우유효스트로크에주의해주십시오. 윤활유니트 NSK K1 TM 을장착하면동마찰토크가약간증가합니다. 사용가능온도범위는상용 Max.50, 순간 Max.80 입니다. 헥산, 신나등탈지능력이있는유기용제나백등유, 백등유성분이있는방청유와함께사용하지마십시오. 4 대 초대리드볼스크류 주요특징 1) 고속이송이가능 2) 이송속도가일정하다면, 위험속도, 온도상승, 저소음화적인측면에서유리 ( 리드를올리면회전수가내려가므로 ) 3) 정도등급 :C3, C5, Ct7 급 용도예 레이저가공기, 펀칭프레스, 전자부품장착기, 고속고정도반송기, 로보트등 선정시주의사항 구동모터의부하가커집니다.( 정격토크가큰모터가필요 ) 고정도위치결정용으로는적당하지않습니다. 32
Lesson 3: 특수용도시리즈 5 HMC 시리즈 공작기계, 특히머시닝센터의고속화에대응하기위해개발한시리즈입니다. 다음의특징을실현하기위해 NSK 독자적인설계기술을활용하였습니다. 주요특징 1)40~100 m/min 의고속이송가능 2) 고강성 고부하용량 (NSK 종래품대비 : 강성 1.8 배, 정격하중 1.6 배 ) 3) 컴팩트한너트 ( 외경 : 小, 길이 : 短 ) 4) 저진동, 저소음 5) 정도등급 :C3, C5 급 6 HTF 시리즈 고부하구동용으로특수하게제작한시리즈입니다. 유압실린더구동기구를전동구동화할때주로사용됩니다. 다음의특징을실현하기위해 NSK 독자적인설계기술을활용하였습니다. 주요특징 1) 초부하하중량 (φ 80, 리드가 20 일경우, NSK 종래사양품대비약2배 ) 2) 우수한내구성 3) 다양한제품구성 ( 축경 리드의조합, 다양한축단형상대응 ) 4) 정도등급 :C5, Ct7 급 용도예 전동사출성형기, 펀치프레스, IC 몰딩프레스, 서보시린더등 선정시주의점 내구성적인측면에서사용할그리스의선정도중요한항목입니다. 33
Lesson 3: 특수용도시리즈 7 NDT 시리즈 ( 너트회전볼스크류 ) 장스트로크고속이송용으로가장알맞은볼스크류입니다. 구조 1) 한축상에여러개의너트를구동시키기위해축을고정하고너트만회전, 이동시키는구조입니다. 2) 구동테이블에대한조립성을좋게하기위해너트와지지베어링과하우징을일체화한구조입니다. 3) 너트단면에구동풀리를직접조립할수있는구조입니다. 4) 옵션사양으로제진댐퍼장착이가능합니다. ( 제진댐퍼 : 스크류축에발생한진동에너지를흡수하는구조 고속회전이가능 ) 슬라이드테이블설치하우징 ( 고정 ) 타이밍풀리 ( 너트측 ) 볼스크류너트 ( 회전 ) 스크류축 ( 고정 ) 구동모터 타이밍풀리 ( 구동풀리모터측 ) 설치예 주요특징 1) 한축상에복수의너트구동이가능 ( 생산효율 UP) 2) 장스트로크고속이송에최적 3) 구동테이블에조립작업이간단 4) 너트는저이너샤설계 ( 구동모터의소형화 ) 5) 정도등급 :C3, C5, Ct7 급 용도예 전자부품장착기, 레이저가공기, 펀치프레스, 목공기, 로보트, 반송장치등 선정시주의점 허용회전수에관련하여검토하는방법은스크류축회전과동일합니다. 제진댐퍼를장착하여더욱더고속으로회전시킬수있지만, 허용 dm n 치 를초과하여사용할수는없습니다. 34
Lesson 3: 특수용도시리즈 8 스플라인부착볼스크류 로보테 구조 1) 한축상에볼스크류 ( 이송기능 ) 과볼스플라인 ( 안내기능 ) 을복합화한구조입니다. 2) 너트와지지베어링과하우징을일체화하여기계와의조립성을좋게하였습니다. 3) 너트단면에구동풀리를직접조립할수있는구조 주요특징 1) 고기능 한축으로직선운동 ( 축의출입 ) 과회전 (θ ) 운동을상호독립적으로할수있음 2) 컴팩트 경량 ( 지지베어링& 하우징의일체화, 중공축 ) 3) 다양한제품구성 운동기능이나요구성능에알맞은제품선택가능 4) 볼스크류너트부는저이너샤설계 ( 구동모터의소형화 ) 5) 정도등급 ( 볼스크류부 ):C3, C5, Ct7 급 용도예 스칼라형및직교좌표형로보트, 반도체제조관련장치, 그외 Z축및 [Z+θ] 축액츄에이터등 볼스크류구동모터입력 1 : N1 볼스크류너트스플라인너트 선정시주의점 축전장은축경의 MAX 25 배입니다. 축 스플라인구동모터입력 2 : N2 부 : 서포트베어링외륜 ( 회전운동 ) ( 직선운동 ) 9 중공축볼스크류 강제냉각용유체가흐르도록스크류축을중공으로만든볼스크류 볼스크류의발열에의한열팽창 ( 리드정도의영향 ) 을경감하고, 위치결정정도의저하를방지하기위한옵션사양 효과 1) 위치결정정도의안정화 2) 볼스크류관련각부열변위방지 3) 윤활성능의유지 ( 열에의한윤활제열화방지 ) 선정시주의점 중공경크기, 스크류축전장등에관련하여제조상의제약이있을수있습니다. NSK 에문의해주십시오. 35
Lesson 4: 스크류축제작범위 스크류축외경치수 정도에따라축전장의제작범위는제한됩니다. ( 가늘고긴축을정도가좋게제작하는것이어렵기때문 ) 아래의표는볼스크류의정도등급별축전장의제작범위를나타낸것입니다. 또한, 축경이 100mm 가넘는대형볼스크류는중량에따라제작범위가제한되기때문에 NSK 에확인해주십시오. 또한필요한스크류축외경치수가아래표의범위를벗어나는경우에도 NSK 에문의해주십시오. 축외경 정도 스크류축전장의제작범위 C0 C1 C2 C3 C5 Ct7 단위 :mm 전조볼스크류 (Ct10) 4 90 110 120 140 140 140 6 150 180 200 250 250 250 8 240 280 340 340 340 340 10 350 400 500 500 500 550 800 12 450 500 650 700 750 800 800 14 600 650 750 800 1000 1000 1000 15 600 700 800 900 1250 1250 1500 16 600 750 900 1000 1500 1500 1500 18 1500 20 850 1000 1200 1400 1900 1900 2000 25 1100 1400 1600 1900 2500 2500 2500 28 1100 1400 1600 1900 2500 2500 2500 32 1500 1750 2250 2500 3200 3200 3000 (4000) 36 1500 1750 2250 2500 3200 3500 3000 40 2000 2400 3000 3400 3800 4300 4000 (5000) 45 2000 2400 3000 3400 4000 4500 4000 50 2000 3200 4000 4500 5000 5750 4000 63 2000 4000 5000 6000 6800 7700 80 4000 6300 8200 9200 10000 100 4000 6300 10000 12500 14000 125 10000 14000 14000 [ 비고 ] 전조볼스크류의 ( ) 안의값은초대형리드 (l/d 2) 품에적용합니다. 소 ( 小 ) 리드 (3 이하 ) 품의경우는, 스크류부길이에따라서도제한됩니다 36
제 4 장 볼스크류의선정 < 초급선정 > q Lesson 1: 볼스크류선정포인트 1: 허용회전속도 2: 허용축방향하중 3: 피로수명 q Lesson 2: 볼스크류사용법 1: 볼스크류조립 2: 볼스크류조립오차의영향 3: 너트외관형상 4: 스크류축단형상 q Lesson 3: 볼스크류취급상의주의점 1: 윤활 2: 사용상의주의 3: 보관 日本精工株式会社精機技術センター 37
Lesson 1: 볼스크류선정포인트 1 허용회전속도 허용회전속도는 강구순환부의파손에영향을주는 dm n 치 스크류축의공진에영향을주는 위험속도 위두항목에대해검토하여사용가능여부를판단합니다. u dm n 치 (dm: 볼피치원경 [mm]( 제2장 Lesson 1참조 ), n: 분당회전수 [rpm]) dm 과 n 를곱해서순환하는강구의속도를나타냅니다. 강구의순환속도가지나치게 빨라지면볼이순환시생기는충격력에의해순환부가파손되어더이상의작동이 불가능하게됩니다. 따라서, dm n 치한계의이하에서사용해주십시오. 정도등급 :C0~C5, Ct7 표준사양 dm n 70000 고속사양 dm n 100000 초고속사양 dm n 180000 정도등급 :Ct10( 전도볼스크류등 ) dm n 50000 주 고속사양 은주문제작볼스크류입니다. 초고속사양 은 BSS 시리즈입니다. u 위험속도볼스크류는가는스크류축의양단을지지하여사용되므로회전수가높으면공진에의해큰진동이발생합니다. 그리고그진동에의해기계의큰진동이나소음의발생, 진동에의한강구와궤도면의손상그리고최악의경우축이절단되는등의문제가발생합니다. 38
Lesson 1: 볼스크류선정포인트 2 허용축방향하중 볼스크류에받게되는하중의크기에는한계가있습니다. 그한계하중은스크류축의 파손에관계되는 허용축방향하중 과강구의궤도면의열화와관계하는 피로수명 둘로 크게구분됩니다. 1 허용축방향하중볼스크류는기본적으로축방향하중만을받습니다. 축방향하중한계를정하는기준은다음과같습니다. 볼스크류축의좌굴 ( 좌굴하중) 볼스크류축의인장 압축응력에따라항복 ( 허용인장 압축하중) 강구와볼홈접촉부의영구변형 ( 기본정정격하중) (1) 좌굴하중 축방향허용압축하중입니다. 이이상의하중이작용하면축이파손됩니다. 좀더비약시켜예를들면가늘고긴스크류축에큰축방향하중이작용할경우에축이파손되는것을생각하시면됩니다. ( 상당히엄격한기준이기하지만, 스크류축의설치거리가축경의 60 배이상이고기본동정격하중정도의하중이걸리는경우에는한국 NSK 에상담을해주시기바랍니다.) 참고자료 좌굴은어떤현상? 그림에서처럼가는축이압축력을받은경우, 일반적으로하중의방향을엄밀하게따져보면축중심선에일치하지않기때문에약간의횡방향휘어짐이발생해서축압축응력과휨응력이조합되게됩니다. 어느정도이하의하중이가해진다면휘어짐은복원됩니다만, 어느값이상의하중이되면휘어짐이더욱더크게되고마침내파괴됩니다. 이런현상을좌굴이라고합니다. P L P 39
Lesson 1: 볼스크류선정포인트 (2) 허용인장 압축하중스크류축에작용하는인장또는압축방향하중한계치입니다. 이이상의하중이작용하면, 축이더이상지탱할수없어소성변형 ( 하중을가하지않아도원형으로돌아가지않는변형 ) 이나파단되어버립니다. ( 일반적으로기본정정격하중정도이하의축방향하중이라면문제가없다고판단할수있습니다.) (3) 기본정정격하중 과대한축방향하중을받으면강구와볼홈 ( 궤도면 ) 의접촉부가패여서하중을주지않아도완전하게원래대로돌아가지않고영구변형으로남습니다. 이러한영구변형은소음 진동의발생과작동성 수명등에악영향을미칩니다. 따라서, 변형을일정한도내 ( 문제가없을정도 ) 로두기위한검토도필요합니다. 정정격하중을기본으로강구와볼홈의접촉부에발생하는내구변형에대한안정성을확인합니다. 영구변형에대한허용축방향하중 (P0) 은아래와같습니다. ( 기본정정격하중의 1/2 정도가허용하중입니다.) P0=C0a/fs fs: 정허용하중계수 ( 일종의안전계수 ) 보통운전시 :1~2 진동이나충격이있을시 :1.5~3 기본정정격하중 (C0a) 정지상태에서강구와볼홈과의접촉부영구변형량의합이강구직경의 0.01% 가되는축방향하중을말합니다. 예를들면강구경 10mm 에 0.001mm 정도의패인량으로거의알수없는정도입니다. 2 피로수명볼스크류를최적으로설계하고바르게사용해도볼홈 ( 궤도면 ) 은강구가하중을받으면서회전하고있기때문에어느정도운전시간을초과하면볼홈의표면부가비늘처럼떨어지는플레이킹 ( 박리 ) 이라고하는현상이발생합니다. 이러한현상의원인은강구와의접촉부에서의반복압축응력에의한재료적인피로현상때문입니다. 최초로플레이킹이발생하기까지의총회전수 ( 또는시간, 주행거리 ) 를 피로수명 이라고합니다. 정상궤도면 40 플레이킹이진행된궤도면
Lesson 1: 볼스크류선정포인트 기본동정격하중 (Ca) 일정수량의볼스크류를같은조건으로각각회전시켰을때그중의 90% 가플레이킹을일으키지않고 100 만회전까지회전할수있는축방향하중입니다. 카다로그치수표에기재되어있습니다. 기본동정격하중, 축방향하중 (Fa) 과피로수명 (L) 의관계 L Ca F a 3 Ca 를2배하면피로수명은8배가됩니다. ( 반대로 Ca 가 1/2 배가되면피로수명은 1/8 배로저하됩니다.) Fa 가 2배가되면피로수명은 1/8 배로저하됩니다. 반대로, Fa 가 1/2 배가되면피로수명은8배로늘어납니다 ) 따라서, Ca 가큰볼스크류를작은축방향하중하에서사용하면 수명이가장좋아집니다. 평균하중 (Fm) 볼스크류의사용조건중에는축방향하중이나이송속도가여러가지로변하는경우도 있습니다. ( 아래예를참조 ) 이런경우에는평균하중을구하고그평균하중을이용하여 수명계산을합니다. 따라서고객께서는 NSK 에사용조건을상세히그리고가능한한많은정보를 제공하셔야최적볼스크류를선정받으실수있습니다. 또한이는트러블을피하기위해서도필요합니다. 축방향하중 (N) 사용조건예 회전수 (rpm) 사용시간 ( 또는사용시간의합계 ) 2000 1000 3 sec (5%) 3000 500 15sec (25%) 1500 2000 3 sec (5%) 0 0( 정지 ) 39 sec (65%) 참고자료 볼스크류의수명 에는이하의 3 종류가있습니다만, 일반적으로 수명 이라고말하는경우, 수명은 피로수명 을말합니다. 정도열화수명 : 사용시간과함께회전부분이미량의마모가계속되어정밀도저하로기계의성능적인사용한계에이르는경우를말합니다만, 기계의요구정밀도나구성부품과의상관성문제도있어, 상당히애매합니다. 파손수명 : 장축의좌굴에의한파손, 스크류축설치부의휘어짐, 비틀림피로에의한파손, 회전축의공진파손등. 피로수명 41
Lesson 2: 볼스크류사용법 セクション 1 볼스크류의조립 볼스크류는이송용으로주로사용됩니다. 간단하게회전운동을직선운동으로변환하는기계요소입니다. 따라서볼스크류만으로장비가만들어질수없습니다. 다른여러가지기계요소부품과일체화되어야시스템이이루어집니다. 다음은볼스크류가다른기계요소부품과조립되는방법에대한설명입니다. ( 볼스크류의조립순서에서절대적인규정은없습니다.) [1] 스크류축이회전할수있도록지지를해야합니다. 스크류축을지지하는기계요소로는주로구름베어링이사용됩니다. 구름베어링 ( 지지측 ) 너트 스크류축 구름베어링 ( 고정측 ) 스냅링 로크너트 구름베어링은로크너트등으로확실히고정시킵니다. [2] 지지베어링을지지하고기계베이스에고정하기위해서브라켓이필요합니다. 여기서스크류축의위치가결정됩니다. 브라켓 브라켓 베이스 42
Lesson 2: 볼스크류사용법 [3] 너트를테이블에고정하기위해서너트브라켓이필요합니다. 테이블 너트브라켓 베이스 [4] 스크류축을회전시키는구동원이필요합니다. 일반적으로모터를스크류축과연결하여사용합니다. 그외에모터를구동하기위해서구동전원이나위치제어용엔코더등이필요한경우도있습니다. 테이블 커플링 모터 베이스 그림은커플링으로모터를직결한방법을나타내고있습니다만, 풀리나기어로연결하는방법도있습니다. [5] 또한, 테이블의위치를정확하게유지하기위해서는안내부도필요합니다. 최근에는리니어가이드등구름안내를사용하는케이스가늘어나고있습니다. 이상, 볼스크류를사용하기위해서는, 1. 지지부 ( 베어링, 베어링브라켓 ) 2. 너트브라켓 3. 구동부 ( 커플링, 풀리, 모터등 ) 4. 안내부 가기본적으로필요합니다. 43
Lesson 2: 볼스크류의사용법 2 볼스크류조립오차의영향 조립이잘못되면아래그림과같이스크류축과너트사이에서레이디얼하중, 모멘트하중이발생하고다음과같은불량의원인이됩니다. 수명저하 작동성약화 이송정도의영향 음 진동의발생 스크류축단의파손등 따라서조립정밀도에대해서충분한검토가필요합니다. 다음은 NSK 조립오차관리치 ( 허용치 ) 입니다. 기울기오차 :1/2000 이하 편심오차 :20μm이하 가추천하는 레이디얼하중 Δr θ 모멘트하중 편심오차 기울기오차 44
Lesson 2: 볼스크류의사용법 3 너트의외관형상 너트의외관형상은조립하는하우징의형상에따라다릅니다. 가장조건이좋은 한쪽플랜지형 을추천합니다. 한쪽플랜지형 片フランジ型 한쪽플랜지형 너트의조립정도조정 ( 편심조정 ) 이 용이합니다. 양쪽플랜지형 両フランジ型 원통형 円筒形 角型각형 ( 側面取付け ( 측면조립용 ) ) 양쪽플랜지형 너트의조립정도조정 ( 편심조정 ) 이용이합니다. 조립은플랜지부가두꺼우므로너트조립볼트가길고, ( 볼트의신장으로인한 ) 조립강성에영향을미치게하는경우도있습니다. 원통형 예압을주기위해서브라켓이필요합니다. 예압설정작업이힘듭니다. 이형상은가능하면피하시는것이좋습니다. 각형 ( 측면조립용 ) 너트의조립정도조정 ( 편심조정 ) 이어렵습니다. 이형상도가능하면피하시는것이좋습니다. 45
Lesson 2: 볼스크류의사용법 4 스크류축단형상 스크류축의사이즈, 기계에조립하는방법, 구동방법, 운전조건등에따라축단형상은달라집니다. 표준형상이라고특별히정해진것은없습니다만, 카다로그에기재된 NSK 서포트유니트 (Lesson 2 참조 ) 를사용할경우의축단형상의예를참조해주십시오. 1 축의고정방식 반구동측 구동측 (1) (1) 베어링軸受 (( 고정固定 )) 커플링 스냅링 (2) (2) 베어링軸受 (( 지지支持 )) 베어링 ( 지지 ) (3) (3) 자유自由 (3) 자유 베어링 ( 고정 ) 로크너트 반구동측의조립사양 (1) 고정 기능면 ( 사용조건 ) 에서큰축방향강성, 부하용량및고속운전 ( 위험속도 ( 제 4 장 Lesson 2 참조 ) 에대한허용치 UP) 가필요할경우, 사용되는방식입니다. 베어링은스러스트앵귤러볼베어링이. 일반적으로사용됩니다. COST: 高 (2) 지지 베어링은일반적으로깊은홈볼베어링이사용됩니다. 쉽게말하면, 고정 과 자유 의중간사양이라고생각하시면됩니다. COST: 中 (3) 자유 운전시축진동이나위험속도에문제가없을경우에사용됩니다. 이방식이사용되는경우는일반적으로스크류축이축경에비해짧고, 그다지고속회전이아닐경우입니다. COST: 低 46
Lesson 2: 볼스크류의사용법 2 스패너자리와육각구멍 고정 측베어링을고정하기위해서로크너트를조립합니다. 로크너트를체결할때에는스크류축이같이돌지않도록고정해야할필요가있습니다. ( 볼트와너트로물체를고정할때, 한쪽을같이돌지않도록고정하는것과같습니다.) 따라서, 고정하기스패너자리또는육각구멍 ( 육각렌치용 ) 을만듭니다. NSK 에서는경제적인면에서육각구멍을추천합니다. 스패너자리 육각구멍 47
Lesson 3: 볼스크류취급상주의점 1 윤활 표준재고품의경우, 시리즈에따라윤활상태가다릅니다. 출하시그리스가봉입되지 않은제품은급유해야합니다. 시리즈명 출하시상태 사용시작시윤활제급유여부 MA,FA,V 그리스봉입됨 불필요 ( 그대로사용가능 ) SA,KA,MS,FS,S 그리스봉입되지않음 필요 ( 그리스또는윤활유공급 SRMA,RMS, 전조 후사용할것 ) 수주볼스크류 의경우, 그리스를지정하지않았을경우, 방청유만도포된상태로 출하됩니다. 사용하실때, 윤활제 ( 그리스나, 윤활유 ) 를공급해야합니다. 그리스윤활과윤활유의장단점 항목 그리스윤활 오일윤활 하우징구조 간단하게할수있음. 다소복잡하고보수시주의가필요 밀봉장치 냉각작용냉각효과 없음 열을효과적으로방출할수있음. ( 순환급유법등 ) 윤활제의유동성 나쁨 상당히좋음 윤활제의교환 다소번잡 비교적간단 이물질여과곤란용이 윤활제의누유로인한오염 누유로인한오염이적음 누유로인한오염이없어야하는곳에사용은부적합 윤활만고려한다면오일윤활이우수하지만, 그리스윤활은 1 복잡한윤활설비 ( 배관, 펌프등 ) 가불필요하고, 2 소량으로사용이가능하므로일반적으로그리스윤활이많이 사용되고있습니다. 48
Lesson 3: 볼스크류취급상주의점 2 사용상주의점 깨끗하지못한이물이많은환경에서사용하는경우, 이물의부착또는너트내부로의 이물침입등에대한방지대책이필요합니다. 사전에사용환경을잘확인해주십시오. 볼스크류마다정해진허용회전수가있습니다.( 자세한내용은 4장을참조 ) 따라서, 볼스크류는허용회전수이내로사용해주십시오. ( 순환부품의손상, 스크류축의진동 기계전체의진동, 소음의발생, 궤도면의손상등의불량으로이어집니다.) 사용온도한계는 80 입니다. 따라서, 사용조건이한계온도이상일경우특수한설계가필요합니다. 3 보관 NSK 의원래포장상태대로보관해주십시오. 내부포장을찢게되면이물의 침입이나발생의원인이될수있습니다. 스크류축이휘어지지않도록다음과같이보관해주시길바랍니다. NSK의원래포장상태대로수평으로보관해주십시오. 깨끗한장소에침목을대어수평으로보관해주십시오. 수평으로보관할수없을경우, 깨끗한장소에수직으로매달아보관해주십시오. 49
제 5 장 볼스크류의선정 < 중급선정 > q Lesson 1: 볼스크류선정 [Ⅰ] 1: 선정 Flow Chart 2: 사용조건 3: 예제 (1) 4: 예제 (2) q Lesson 2: 볼스크류선정 [Ⅱ] 1: 선정 Flow Chart 2: 용도별정도등급 3: 선정시주의점 4: 스크류축제작범위 5: 이송스크류계의축방향강성 6: 볼스크류의발열 7: 예제 q Lesson 3: 볼스크류관련용어 1: 리드정도관련용어 2: 예압방식의종류및특징, 예압량설정기준 3: 예압량확인방법 4: 정도등급과축방향클리어런스조합 日本精工株式会社精機技術センター 50
Lesson 1: 볼스크류선정 [Ⅰ] 1 선정 Flow chart 다음은납기 가격등이유리한표준재고시리즈를중심으로선정하는순서의예입니다. 사용조건 하중, 속도, 스트로크, 정도희망수명 ( 환경 )) 기본제원 정도등급 (C0~Ct10) 스크류축외경리드스트로크 표준재고시리즈에있는가? A 시리즈 ( 고정도, 축단완성품 ) S 시리즈 ( 고정도, 축단미가공품 ) KA 시리즈 ( 스텐레스품 ) V 시리즈 ( 저가격 ) R 시리즈 ( 전조볼스크류 ) YES NG 기본적인안정성확인 1 허용축방향하중 2 허용회전수 3 수명 OK 선정완료 51
Lesson 1: 볼스크류선정 [Ⅰ] 2 사용조건 절삭저항 1. 하중 ( 외부하중 ) 볼스크류에작용하는힘으로가공시절삭력이나슬라이드부의마찰저항력등을말합니다. 슬라이드저항 2. 속도 테이블 ( 너트 ) 의이동속도로예를들면 20m/min 등으로나타냅니다. 스크류축의회전속도 ( 예를들면 2000rpm 등 ) 으로나타내는경우도있습니다. 3. 스트로크 (stroke) 너트에장착된테이블의이동거리를말합니다. 스트로크 테이블 베이스 4. 정도 볼스크류리드정도등급으로 C3, C5 등으로나타냅니다. 5. 희망수명 주행시간 ( 예를들면 20000 시간 ), 또는주행거리 ( 예를들면 5000km) 으로나타냅니다. 6. 기본제원 스크류축외경 (mm): 스크류부의외경치수입니다. φ40 등으로나타냅니다. 리드 (mm): 리드 10 등으로나타냅니다. 52
3 예제 (1) Lesson 1: 볼스크류선정 [Ⅰ] 1 사용조건 외부하중:1000 N 속도:Max. 20 m/min 스트로크:1000mm 정도등급:C5 스크류축외경 :φ32mm 리드:10mm 기타: 시작기에사용되므로단납기요청 2 선정 1) 단납기요청 이라고했으므로표준재고시리즈에서찾습니다. 제 3 장 : 볼스크류의분류 에서 A 시리즈 : 축단완성품을확인하고정기제품카다로그 (No.3154)B39 페이지의일람표를찾아봅니다. 2) 주어진조건에서스크류축외경 :φ32mm, 리드 :10mm이므로해당되는제품은 B125, B127 페이지를찾아봅니다. 3) 정도등급은 C5이므로요구조건에만족합니다. 4) 너트형상이 2종류입니다.(Z 예압과 D 예압 ) 너트의크기가작고가격적으로도유리한 Z 예압을선정합니다. 5) 스크류축의길이를검토합니다. 요구스크로크 (1000mm) 에가장근사치인 호칭스트로크:1050mm 인 W3211SA-5Z-C5Z10 을선정합니다. 6)B125 페이지의 비고 를참조하여서포트유니트 :WBK25DF-31( 양단 ) 도선정합니다. 3 기본적인안정성확인 (1) 허용축방향하중스크류축의파손 ( 절단이나신장 ) 이나강구와볼홈 ( 궤도면 ) 이접하는부분에영구변형이발생하지않을최대의한계외부하중입니다. 선정한제품이표준재고시리즈라면사용가능여부판단기준으로외부하중이카다로그에기재된 기본정격하중-동정격 Ca 와비교했을때 Ca 값이하라면문제가없다고판단할수있습니다. 예제에서 B 126 페이지의표 볼스크류사양 을보면 Ca=25500 N 입니다. 사용조건에서외부하중이 1000 N 이므로문제가없습니다. 53
Lesson 1: 볼스크류선정 [Ⅰ] (2) 허용회전수 볼순환부의파손에영향을주는 dm n 치 스크류축진동에영향을주는 위험속도 위두항목에대해검토하여사용가능여부를판단합니다. u dm n 치 (dm: 볼피치원경 [mm]( 제2장 Lesson 1참조 ), n: 분당회전수 [rpm]) dm 과 n을곱하여구한값으로순환하는볼의속도를나타냅니다. 볼의 순환속도가지나치게빨라지면볼순환시발생하는충격에의해순환부 ( 튜브 ) 가 파손되어더이상의작동이불가능하게됩니다. 그러므로 dm n 치이하에서사용해주십시오. 정도등급 :C0~C5, Ct7 표준사양 dm n 70000 고속사양 dm n 100000 초고속사양 dm n 180000 정도등급 :Ct10( 전도볼스크류등 ) dm n 50000 주 고속사양 은주문제작볼스크류입니다. 초고속사양 은 BSS 시리즈입니다. u 위험속도볼스크류는가늘고긴스크류축의양단을지지하여사용하므로회전수가높으면공진에의해큰진동이발생합니다. 그리고그진동에의해기계의큰진동발생, 소음의발생, 볼과궤도면의손상그리고최악의경우, 축이절단되는등의문제가발생합니다. 예제의사용조건에서속도가 Max. 20 m/min 이므로스크류축의회전수는 Max. 2000rpm 입니다. ( 제 1 장 Lesson 1 2 의 참고자료 참조 ) B126 페이지를보면허용회전수는 2120rpm 이므로문제가없습니다. (3) 수명 희망수명은사용조건에제시되지않았으므로예제 1 에서는검토하지않겠습니다. 이상의검토결과로다음제품이선정되었습니다. 볼스크류 :W3211SA-5Z-C5Z10 서포트유니트 :WBK25DF-31( 양단 ) 54
Lesson 1: 볼스크류선정 [Ⅰ] 4 예제 (2) 1 사용조건예제 (1) 에대한다음추가조건에대해재선정해보겠습니다. 볼스크류에는문제가없지만축단형상에문제가있습니다. 원하는축단형상의제품을단납기로요구합니다. 2 선정 1) 단납기 요구가있었으므로표준재고시리즈에서찾습니다. Lesson 1: 볼스크류의분류 를보면 S시리즈 : 축단미가공품을확인하고, 정기제품카다로그 (No.3154) B181 페이지의일람표를확인합니다. 2) 스크류축외경 :φ 32mm, 리드 :10mm에해당되는제품이 B215, B217, B219 페이지에있다는것을알수있습니다. 3) 너트형상이예제 (1) 의것과같은제품이 B217 에있습니다. 4) 호칭번호 로부터정도등급이 C5라는것을확인할수있습니다. 5) 스크류축길이를검토합니다. 요구스트로크 (1000mm) 를확보할수있는 최대스트로크 가 1300mm 인 W3214SS-1Z-C5Z10 를선정합니다. 6) 원하는축단형상으로추가가공을합니다. (NSK 또는고객 ) 55
Lesson 2: 볼스크류선정 [Ⅱ] 1 선정 Flow Chart 다음은주문제작볼스크류도포함하여선정하는순서의예입니다. 사용조건하중, 속도, 스트로크, 정도희망수명 ( 환경 ) 기본제원정도등급 (C0~Ct10) 스크류축외경리드스트로크 표준재고시리즈에있는제품인가? A 시리즈 ( 고정도, 축단완성품 ) S 시리즈 ( 고정도, 축단미완성품 ) KA 시리즈 ( 스텐레스품 ) V 시리즈 ( 저가격 ) R 시리즈 ( 전조볼스크류 ) NG NG YES 기본적인안정성확인 1 허용축방향하중 2 허용회전수 3 수명 OK 요구되는기능에대한확인 1 열변위와리드정도 2 강성 3 구동토크 4 윤활, 방청, 방진, 안전장치 5 조립성 NO 수주볼스크류의기본치수제원표에있는가? 너트형상, 축단형상 스크류축외경, 리드너트의선정 YES 스크류축길이 ( 스트로크 ) 의선정 NO NSK 에상담 OK 너트형상의선정 선정완료 축단형상의설정 기본적인안정성확인 1 허용축방향하중 2 허용회전수 3 수명 요구기능에대한항목확인 선정완료 1 열변위와리드정도 2 강성 3 구동토크 4 윤활, 방청, 방진, 안전장치 5 조립성 56
57 용도별정도등급아래의표는 NSK 의실적에근거한용도별정도등급의예를나타낸것입니다. 표기는사용하는정도등급범위를, 표기는그중에서도사용빈도가많은정도등급을나타냅니다. 이표를통해개략적인볼스크류정도등급이선정가능합니다. 볼스크류의용도별정도등급표 NC 공작기계용도선반보링기선링머시닝센터드릴링머신지그보링기연삭반방전가공기방전가공기와이어컷팅기펀칭프레스레이저가공기목공기축 X Z XY Z XY Z XY Z XY Z XY Z XY Z XY Z XY XY Z C0 C1 C2 C3 C5 Ct7 정도등급 Ct10 반도체프린트기판제조장비산업용로봇원자력직교좌표형수직다관절형용도범용기 전용기로광장치화학처리장치와이어본더프로버전자부품삽입기 P C B 드릴머신조립기타조립기타원통좌표형철강설비기계사출성형기삼차원측정기사무기기화상처리장치제어봉미케니컬스넵퍼항공기 C0 C1 C2 C3 C5 Ct7 정도등급 Ct10 Lesson 2: 볼스크류선정 [Ⅱ] 2
Lesson 2: 볼스크류선정 [Ⅱ] 3 선정시의주의점 다음은볼스크류를선정시, 특히주의가필요한내용입니다. 1 요동운동이있는경우볼이반회전도하지않는미소한스트로크의반복운동 ( 요동운동 ) 시에는, 볼과볼홈의접촉부에윤활유가제거되어 ( 유막이끊어짐 ) 금속끼리직접접촉하게되어플레이킹이라는조기마모현상을일으키게됩니다. 사용조건이주어진경우, 요동운동의유무도확인합니다. 완벽한대책은없습니다만완화하는것은가능합니다 내플레이킹용그리스를사용한다. 표준그리스를사용할경우수천사이클에 1회정도는스트로크를길게하여이송운동 ( 권수의 2 배이상의회전 ( 예를들면권수가 2.5 이면 5 회전이상 )) 을시킨다. 2 스트로크중극단적으로큰하중이작용하는경우스트로크중어느일정한위치에서극단적으로큰하중의조건하에서사용되는경우, 통상계산된피로수명보다수명이극단적으로짧아지는경우가있습니다. 이것은고하중에의해볼과볼홈의접촉면에큰응력 ( 면압 ) 이발생해서피로수명에악영향을주기때문입니다. 발생하는면압의크기를고려해서수명을검토합니다. 58
Lesson 2: 볼스크류의선정 [Ⅱ] セクション 15 이송스크류계의축방향강성 볼스크류주위의강성이약하면원하는위치결정정도를얻을수없거나진동을유발하는원인이되기도합니다. 볼스크류의입장에서보면너트의강성, 스크류축의강성을어떻게설정하는지가중요합니다. 하지만이송스크류시스템전체적으로볼때, 각구성요소각각의축방향강성밸런스를잘맞추어야좋은설계가됩니다. 1 이송스크류계의축방향강성 이송스크류계의축방향강성 ( 전체강성 ) 은다음식으로구할수있습니다. 1 1 1 1 1 = + + + (N/μ m) Kt Ks Kn Kb Kh 여기서, K t: 이송스크류계의축방향강성 ( 전체강성 ) (N/μ m) Ks: 스크류축방향강성 (N/μ m) Kn: 너트축방향강성 (N/μ m) Kb: 지지베어링축방향강성 (N/μ m) Kh: 너트및베어링설치부축방향강성 (N/μ m) 2 축방향강성의계산예 다음은각구성요소의축방향강성의밸런스가좋은설계의예입니다. [ 볼스크류의사양 ] 스크류축경 :φ 25( 및φ 32), 리드 :5 권수ⅹ열수 : 2.5 권 2 열 축지지 : 고정-지지 깊은홈볼베어링 φ25 (φ32) 볼너트 스러스트앵귤러볼베어링 φ20(φ25) 하중작용점간거리 =400 59
Lesson 2: 볼스크류의선정 [ 이송스크류계의축방향강성의계산과정 ] 이송스크류계의축방향강성 ( 단위=N/µm) 1 2 3 지지베어링 ( 앵귤러볼베어링 ) 내경Φ 20 내경Φ 20 내경Φ 25 볼스크류 : 축경 Φ 25 Φ 25 Φ 32 볼스크류 : 너트예압량 1670N 2450N 1670N (Ca 0.1) (Ca 0.15) (Ca 0.09) 스크류축강성 Ks 176 176 294 너트강성 Kn 873 1000 1020 지지베어링강성 Kb 735 735 980 하우징강성 Kh 980 980 980 이송스크류계의강성 Kt 109 111 156 Ca: 기본동정격하중 2% 43% 표에서 1과 2는축경이 Φ 25 에예압하중을바꾸었을경우의차이를나타내고 3은축경을 Φ32 로올렸을경우를나타내고있습니다. 표에의하면, 스크류축강성이다른구성요소의강성과비교해극단적으로낮은것이판명됩니다. ( 대개의경우, 이송스크류계의강성을좌우하는것은스크류축강성입니다.) 본예에서는축경을크게하여전체강성을 43% 올렸습니다. 이송스크류계의강성을올리려고하면너트나지지베어링의예압을올리는것을생각하는것이일반적입니다. 그러나본예에서는예압하중을 1.5 배로해도전체의강성은거의올라가고있지않습니다. 강성을올리기위해너트나지지베어링의예압을올리는것은위의예와같이효과가지극히작은반면, 마찰토크의증대에의한제어계의악영향, 발열에의한스크류축의열팽창등의문제를남기게되어오히려위치결정정도떨어지게됩니다. 6 볼스크류의발열 볼스크류를가동시키면발열에의한온도상승에의해스크류축이신장합니다.( 열변위 ) 볼스크류의리드가고정도로가공되어있어도열변위에의해리드가늘어나기때문에정도가떨어집니다. 고속화가진행되는가운데볼스크류의열변위의영향은더욱더중요한문제가되고있습니다. 볼스크류를선정할때, 조건에따라서열변위대책의배려가필요합니다. ( 참고 :1 의온도상승하면스크류축은길이 1 m당 12μ m 이늘어납니다.) 60
Lesson 2: 볼스크류의선정 1 열변위대책발열량은실제기계에선모터나지지베어링에서도발열이크므로볼스크류의발열량만고려하여구할수는없습니다만, 만약볼스크류의발열량을계산한다면마찰토크와회전정도의곱에비례한다고할수있습니다. 열변위대책을정리하면, 다음과같습니다. 1발열량의억제 회전수를줄임 리드를크게한다. 볼스크류, 지지베어링예압의적정화 윤활제의올바른선정과공급 2강제냉각에의한방열 스크류축의중공냉각 중공볼스크류 윤활제, 공기등의외주냉각 3온도상승의열변위의영향회피 스크류축을축방향으로당겨서설치 ( 예장력 ) 기준이동량의목표치를마이너스로한다 Closed Loop 제어 2 윤활제의온도상승특성윤활제의점성저항이나교반저항은속도에따라크기가증가하기때문에마찰토크의증대와발열의요인이됩니다. 때문에윤활제의선택도매우중요합니다. 다음그래프는윤활제별로시간에따른온도상승변화를측정한예입니다. 그래프를보시면알겠지만윤활제의기유동점도가낮은것을선정하는것이발열에대해유리합니다. 온도상승 25 20 15 10 볼스크류사양축외경 φ36 리드 6 예압량 1960 N 그리스 A(130cSt) Oil A(100cSt) 그리스 B(30cSt) Oil B(30cSt) 5 0 0 10 20 30 40 50 60 운전시간 (min) 윤활제의온도상승특성 61
Lesson 2: 볼스크류의선정 3 볼스크류의예압과온도상승 예압량은크기에따라온도상승 ( 열팽창 ) 에큰영향을줍니다. 다음예를참고해 주십시오. 스러스트앵귤러볼베어링 40TAC72DF KB φ50 KS 너트 ZFT5010-10 KN 스러스트앵귤러볼베어링 40TAC72DF KB 1600 St=900 KS=794 N/µm, KB=2 1225=2450N/µm 이송평균속도:Nm 은 5 또는 10m/min 예압하중 (%Ca) N 너트강성총강성예압토크온도상승치 KN N/µm N cm Nm(rpm) N/µm 500 1000 5880(10%Ca) 1677 441 187 29 C 40 C 4410(7.5%Ca) 1524 431 140 22 C 30 C 2940(5%Ca) 1331 412 94 15 C 20 C 이상의결과에서예압량 5%Ca 일때를 1 로봤을때비율로나타내면아래의표와 같이됩니다. 예압의크기가온도상승 ( 열팽창 ) 에크게영향을미치는반면, 강성을 늘리는효과는작다는것을분명히알수있습니다. 2.5 비율 2 1.5 온도상승너트강성총강성 1 0.5 0 2.5 5 7.5 10 12.5 예압하중 (%Ca) 예압에의한강성-온도상승특성 62
Lesson 2: 볼스크류의선정 セクション 17 선정예 볼스크류를사용한고속반송장치에대하여볼스크류의선정을실제로해봅시다. m 2 m 1 슬라이드저항 고속반송장치의구조도 1 설계조건 1 테이블설계사양 테이블질량 m 1 =40kg 이송물질량 m 2 =20kg 최대스트로크 S max=700mm 급이송속도 V max=1000mm/sec(60m/min) 위치결정정도 ±0.10/700mm(0.01mm/pulse) 반복정도 ±0.010mm 요구수명 Lt=25000h(5 년 ) 마찰계수 µ=0.01( 구름마찰 ) 구동모터 AC 모터 (N max=3000rpm) 2 운전조건 왕 복 속도 0 V=60m/min 2 1 3 t 1 = 0.25 t 2 = 0.10 t 3 = 0.25 S a =350mm t 1 t 2 t 3 4 S b =700mm t 4 = 0.25 t 5 = 0.45 t 6 = 0.25 1s t 4 5 t 5 t 6 6 sec 1sec 2 回 1.5s t=3.5s/ 사이클 63
Lesson 2: 볼스크류의선정 2 기본제원의선정 (1) 정도등급의선정 제 5 장 Lesson 2 볼스크류의용도별정도등급표 를보면, 이송장치의정도등급은 C5~Ct10 정도입니다. 설계조건에서 반복위치결정정도 :±0.010(mm) 최소분해능 :0.01mm/pulse 따라서, 축방향클리어런스는 T클리어런스 (0.005(mm) 이하 ) 이하가됩니다. 아래표에나타난정도등급과클리어런스의조합으로부터정도등급은 C5, 축방향 클리어런스는 T급 (0.005(mm) 이하 ) 를선정합니다. <정도등급과축방향클리어런스의조합> 축방향 Z T S N L 클리어런스 0 0.005mm 0.020mm 0.050mm 0.3mm 정도등급 ( 예압 ) 이하 이하 이하 이하 C0 C0Z C0T - - - C1 C1Z C1T - - - C2 C2Z C2T - - - C3 C3Z C3T C3S - - C5 C5Z C5T C5S C5N - Ct7 - - C7S C7N C7L (2) 리드의선정 AC 모터의최고회전수에서 Vmax 1000 60 l = =20(mm) N 3000 max 리드 20mm 이상인것으로선정합니다. (3) 스크류축경의선정카타로그 정기제품 3154 의 B19 페이지표Ⅰ-4 5 표준재고시리즈의 축외경과리이드의조합 에서, 리드가 20mm 이상인축경은 15~32mm 가됩니다. 최소인 15mm 를선정합니다. (4) 스트로크의선정카타로그 정기제품 3154 의 B20 페이지표Ⅰ-4 6 의표준재고 A,S 시리즈 / 최대스트로크범위에서축경 15mm, 리드 20mm 은최대스트로크가 700mm 입니다. 제 1 차선정 : 축경 15(mm) 리드 20(mm) 스트로크 700(mm) 정도등급 C5 축방향클리어런스 T클리어런스 64
3 표준재고시리즈에있는가를확인 Lesson 2: 볼스크류의선정 납기 가격을고려해서, 표준재고품 A 시리즈 ( 축단완성품 ) 에서선정합니다. 카타로그 정기제품 3154 의 B71 페이지에서다음을선정합니다. 제 1 차선정 :W1507FA-4G-C5T20 ( 여기서표준재고시리즈에해당되는제품이없을경우에는주문제작품볼스크류를 검토해야됩니다 ) 4 기본적인안정성확인 (1) 허용축방향하중확인 1 축방향하중의계산 가감속시가속도는 Vmax 1000 α 1 = = =4000(mm/s 2 )=4(m/s 2 ) t 0. 25 1 가속시 14 F 1 =µ(m 1 +m 2 ) g+(m 1 +m 2 ) α 1 =0.01 (40+20) 9.80665+(40+20) 4=246(N) 정속시 25 F 2 =µ(m 1 +m 2 ) g=0.01 (40+20) 9.80665=6(N) 감속시 36 F 3 =-µ(m 1 +m 2 ) g+(m 1 +m 2 ) α 1 =234(N) 2좌굴하중 P=246(N), L=804(mm)( 카타로그 정기제품 3154 의 B71 페이지의치수표에서 ) 에의해검토합니다. 베어링지지구조 ( 고정-지지 ) 와하중방향으로부터설치조건은고정-고정으로합니다. 카탈로그 정기제품 (3154)B501 페이지 (Ⅱ-2) 식에서 P L dr m 2 =5.3(mm) 1/ 4 4 10 246 804 = 19.9 2 4 10 1/ 4 치수표에 dr 은나와있지않습니다만, 주문볼스크류의기본치수제원표 ( 카타로그 정기제품 3154 B401 페이지 ) 같은너트형식이기재되어있습니다. 이것을 참조하면 dr 은 12.2mm 이고, 조건을만족하고있습니다. 결과 :OK 65
Lesson 2: 볼스크류의선정 (2) 허용회전수확인치수표 ( 카타로그 정기제품 3154 의 B71 페이지 ) 에기재되어있는허용회전수는 3000rpm 입니다. 모터의최고회전수가 3000rpm 이므로허용회전수이하의운전이됩니다. 결과 :OK (3) 수명확인 가속시 14 축방향하중의계산에서 F 1 =246(N) n 3000 N 1 = = =1500(rpm) 2 2 t a =2 t 1 +t 4 =0.75(s) 정속시 25 F 2 =6(N) N 2 =3000(rpm) t b =2 t 2 +t 5 =0.65(s) 감속시 36 F 3 =234(N) N 3 =1500(rpm) t c =2 t 3 +t 6 =0.75(s) 운전조건 축방향하중회전수 ( 평균 ) 사용시간 (N) (rpm) (s) 1 4 F 1 = 246 N 1 = 1500 t a = 0.75 2 5 F 2 = 6 N 2 = 3000 t b = 0.65 3 6 F 3 = 234 N 3 = 1500 t c = 0.75 1 평균하중 F m, 평균회전수 N m 카타로그 정기제품 3154 B511 페이지 (Ⅱ-11)(Ⅱ-12) 식에서 F m = F 1 3 N =195(N) N N m = 1 t 1 ta N =1200(rpm) 1 3 2 3 3 + F N2 tb + F ta + N 2 tb + N 3 t + N 2 t t + N a b 3 t c c N 3 t 66 c 1/ 3
Lesson 2: 볼스크류의선정 2 수명계산 카탈로그 정기제품 3154 B511 페이지 (Ⅱ-8)(Ⅱ-9) 식에서 ( 여기서, T 클리어런스 C a = 5070N) Ca L t = Fm f = w 3 5070 195 1.2 1 60N 3 m 141200 25000(h) 10 1 10 60 1200 6 6 결과 :OK 5 요구기능에따른항목체크 (1) 정도 클리어런스확인요구위치결정정도 ±0.10/700(mm) 카타로그 정기제품 3154 B496 페이지의리드정도의허용치 ( 표Ⅱ-1 2) 에서정도등급 C5 e p =±0.035/800(mm) v u =0.025(mm) 으로, 요구사양에만족합니다. 클리어런스확인은기본제원의선정에서검토했으므로생략합니다. 선정결과는 볼스크류:W1507FA-4G-C5T20 서포트유니트 :WBK12-01A 또는 WBK12-11( 고정측 ) WBK12S-01( 단순지지측 ) 67
Lesson 3: 볼스크류관련용어 1 리드정도 NSK 볼스크류 (C0~C5 급 ) 의리드정도는 JIS 규격에따라 4 개의특성항목 ( 기호 e p, v u,v 300,v 2π ) 으로규정됩니다. 다음은각특성의정의와관련용어에대해 설명합니다. 스크류부ねじ部有効長さ유효길이 (lu)1 (lu)1 실제이동량実移動量 (la) 線선 4 호칭呼び移動量이동량 (lo) 線선 2 이동移動량量오誤차差 + 0 0 대표이동량代表移動量 (lm) 선線 5 기준이동량基準移動量 (ls) 線선 3 - v300 8 T 10 2 π v2 π 9 300mm vu 7 ep 6 1 스크류부유효길이 (l u ): 스크류축의유효스크류부길이, 이길이의범위내에서볼스크류의축방향이동량오차가설정됩니다. 2 호칭이동량 (l o ): 호칭리드 ( 볼스크류의사이즈를나타내기위해공차를갖지않는리드 ) 에따라임의의회전을몇차례했을때의축방향이동량 3 기준이동량 (l s ): 기준리드 ( 온도상승또는하중에따라발생하는변화량의보정을위해호칭리드에대해약간의보정을한리드 ) 에따라임의의회전을몇차례를했을때의축방향이동량 4 실제이동량 (l a ): 실제측정된이동량 5 대표이동량 (l m ): 실제이동량의경향을대표하는직선으로실제이동량의곡선에서최소자승법또는그것과비슷한근사치에의해구해진직선 6 대표이동량오차 (e p ): 대표이동량 (lm) 과기준이동량 (l s ) 의차. 위치결정정도와관계가있습니다. 68
Lesson 3: 볼스크류관련용어 7변동 (v u ): 스크류부유효길이범위에서대표이동량 (l m ) 선에평행한 2 개의직선사이의실제이동량 (l a ) 곡선의최대폭. 8변동 (v300): 스크류부유효길이범위의임의의 300mm 범위에있어서대표이동량 (l m ) 선에평행한 2개의직선사이의실제이동량 (l a ) 곡선의최대폭. 9 변동 (v 2π ): 스크류부의유효길이사이에임의의 1 회전범위내에서대표이동량 (l m ) 선에평행한 2개의직선사이의실제이동량 (l a ) 곡선의최대폭 10기준이동량의목표치 (T): 이값을근거로하여기준리드 ( 온도상승또는하중에따라발생하는변형량의보정을위해, 호칭리드에약간의보정을한리드 ) 가설정됩니다. 실험또는경험에의한값입니다. 참고자료 기준이동량의목표치 (T) 일반적으로볼스크류기준이동량은호칭이동량과같습니다만 (T = 0), 운전시의온도상승에 의한팽창이나외부하중에의한축의신축을보정하는경우에는, 스크류축의기준리드를 마이너스또는플러스값으로설정합니다. 다음표는그예로 NC 공작기계의기준이동량의 목표치입니다. 표준재고시리즈가운데 SA 시리즈및 SS 시리즈의기준리드는마이너스측으로설정 되어있고, 기준이동량의목표치 (T) 가치수표에 기재되어있습니다. 기종 축 기준이동량의목표치 (1 m당 ) NC 선반 X Z -0.02~-0.05mm -0.02~-0.03mm 머시닝센터 X,Y Z -0.03~-0.04mm 구조에따라다르다 69
Lesson 3: 볼스크류관련용어 2 예압방식에따른주요특징과예압량설정기준및용도 각예압방식의주요특징, 설정예압량의기준및용도 예압방식 주요특징 설정예압량의 주요용도 강성 사이즈작동성내구성 가격 기준 (N) 더블너트예압 3~10% Ca 中 重하중, 중형-대형기 대형공작기계 스프링더블너트예압 3~10% Ca 한방향으로하중을받는경우 작동특성이필요한경우 내마찰성이필요한경우 연삭기( 미니어쳐 BS) 옵셋예압 3~7% Ca 경중하중, 소형-중형기 중형공작기계 오버사이즈볼예압 ~5% Ca 경하중, 소형기 소형공작기계, 방전가공기 반도체제조장치 우수하다 보통 약간뒤떨어진다 (N) Ca: 볼스크류의기본동정격하중 볼스크류사이즈에따른예압방식 스크류축ねじ軸 스크류부길이ねじ部長さ (mm) (mm) 外외경径 (mm) ~200 350 500 800 1250 2000 3150 4000~ 6 P 10 P P 12 P P P 16 P D P D P D P D P D 20 P D P D P D P D P D 25 P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D 32 P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D 40 P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D 50 P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D 63 P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D P Z D 80 D D D D D D D 100 D D D D D D D 125 D D D D D D D P: 오버사이즈볼예압, Z: 옵셋예압 D: 더블너트예압 [ 주 ] 스크류부길이는제작한계를표현한것은아닙니다. 70
セクション 13 예압량확인방법 Lesson 3: 볼스크류관련용어 예압동토크로평가, 확인합니다. 예압동토크는 NSK 연속토크측정장치에서측정, 관리하고있습니다. 예압동토크는 JIS 에서관리되고있고 NSK 에서도그기준에맞추어관리를실시하고있습니다. 용어 예압동토크 : 어느정도의예압을준볼스크류를외부에서하중의작용이없는상태에서스크류축에대해너트를회전시키는데필요로하는동토크또는너트에대해스크류축이회전되는데필요한동토크. 참고자료 (1) 동토크란? 축등을연속해서회전시키는데필요한힘 ( 회전력 ) 으로단위는 N cm 입니다 회전체의중심에서부터어느정도거리에서얼마만큼의힘이작용하고있는지를나타내는 수치입니다. 회전중심 힘 (N) 토크 =[ 거리 ] [ 힘 ] (2) 왜 예압동토크 로관리하는가? 거리 (cm) 필요한강성을확보하기위해예압을설정합니다. 그리고필요한강성값으로설정하기위해강성을측정해야합니다. 하지만강성을전스트로크에걸쳐측정하는것이어렵고, 시간도많이필요하므로현실적으로거의불가능합니다. 그러므로 NSK 에서는풍부한강성측정데이터와예압동토크데이터로부터동토크값을예압량으로환산하는방법을확립하여생산에이용하고있습니다. 참고자료 (1) 예압량 ( 하중 ) 과예압동토크의관계 (2) 볼스크류의예압하중과강성의관계 T k F a0 l = 볼스크류의강성 ( 예압하중 ) 1/3 2π T : 예압동토크 (N cm) F a0 : 예압하중 (N) l : 리드 (cm) 예압하중을 2 배로해도강성은 1.26 배 k : 볼스크류의토크계수밖에안됩니다. 예압하중 2 배로하면예압동토크도 2 배가됩니다. 71
Lesson 3: 볼스크류관련용어 セクション 14 정도등급과축방향클리어런스의조합 정도등급과축방향클리어런스의조합은다음표를참조하여설정하십시오. 요구되는위치결정정도에맞는조합을선정하는것이중요합니다. 단위 :mm 축방향 Z T S N L 클리어런스 0 0.005 0.020 0.050 0.3 정도등급 ( 예압 ) 이하 이하 이하 이하 C0 C0Z C0T - - - C1 C1Z C1T - - - C2 C2Z C2T - - - C3 C3Z C3T C3S - - C5 C5Z C5T C5S C5N - Ct7 - - C7S C7N C7L 높은정도등급의볼스크류를클리어런스를크게하여사용하는것은의미가 없습니다. 반대로, 큰클리어런스를사용할때는, 높은리드정밀도는필요없다는 의미입니다. 72