1. 볼 스크류
볼 스크류는 스크류 샤프트와 일치하는 나선형 홈 사이를 굴리는 볼을 포함하는 너트로 구성된 기계식 선형 액추에이터이며 볼 스크류의 주요 기능은 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 것입니다.
볼 너트는 고정밀, 정밀도 및 반복성으로 고정 또는 동적 하중에 힘을 전달하는 데 사용됩니다.
볼 스크류의 독특한 요소는 나선형 홈의 롤링 볼로 스크류 어셈블리 내부의 기계적 접촉을 줄이고 슬라이딩 마찰을 롤링 마찰로 대체합니다. 이 메커니즘은 발생하는 마찰을 크게 줄여 매우 효율적인 전력 변환을 초래합니다. 나사의 효율은 회전력을 가하는 데 사용되는 동력을 대상 선형 거리로 변환하는 능력으로 측정됩니다.
볼 스크류는 더 복잡한 구조와 구성 요소를 가지고 있으며 다른 유형의 스크류보다 부피가 크며 다른 나사 유형보다 비싸지만 이점과 기능이 비용보다 큽니다.
2. 볼 스크류 구성
볼 스크류의 주요 구성 요소는 스크류 샤프트, 너트 및 볼 베어링(또는 볼)입니다.
1) 스크류 샤프트
스크류 샤프트는 축을 중심으로 회전하기 위해 회전력을 받는 볼 스크류의 구성 요소이며 직선 운동으로 변환합니다. 샤프트를 회전시키는 동력은 끝에 위치한 모터에 의해 공급됩니다.
스크류 샤프트는 볼 그루브라고 하는 연속 홈이 있는 긴 원통형 샤프트로, 스크류의 나사산이라고 하는 샤프트 길이 주위를 나선형으로 이릅니다.
볼 홈은 롤링 볼 베어링의 통로 역할을 하며 볼 스크류의 볼 홈 프로파일은 반원형 호 또는 고딕 호일 수 있습니다. 반원형 호 프로파일은 단일 호로 형성되는 반면 고딕 호 프로파일은 두 개의 호로 형성된 타원형 모양을 가지고 있습니다.
두 그루브 프로파일은 볼에 닿는 접점이 다릅니다.
볼 스크류는 홈이 스크류 샤프트 주위에서 시계 방향으로 추적되고 오른쪽으로 기울어지면 오른쪽 볼 스크류로 식별됩니다. 홈이 시계 반대 방향으로 흐르고 왼쪽으로 기울어지면 왼쪽 볼 나사입니다.
스크류 샤프트의 사양 :
명목상 직경
공칭 직경은 볼 베어링을 제외한 스크류 샤프트의 최대 직경입니다.
볼 서클 지름
볼 원 직경(또는 피치 원 직경)은 볼 베어링이 홈과 접촉할 때 측정된 두 개의 반대쪽 볼의 중심 간 거리입니다.
루트 지름
루트 지름은 그루브의 맨 아래 단면과 반대쪽 그루브의 맨 아래 단면 사이의 거리입니다. 스크류 샤프트의 최소 직경입니다.
공칭 직경, 볼 서클 직경 및 루트 직경은 적용 특성을 계산하고 나사 크기를 조정하는 데 사용됩니다.
음조
피치는 인접한 두 스레드 사이의 축 거리입니다.
납
리드는 나사의 한 번의 완전한 회전(3600)으로 덮이는 나사 축을 따른 선형 거리이며 선형 이동과 속도 및 하중 용량을 결정하는 볼 스크류의 중요한 사양입니다.
볼 스크류의 리드가 증가함에 따라 선형 거리가 증가하고 속도가 증가하지만 스크류 샤프트 주위에 수용되는 볼의 수가 줄어들어 하중 용량도 감소합니다.
스타트
스타트는 스크류 샤프트 주위를 달리는 독립 나선의 수이며 나사에는 일반적으로 1개, 2개 또는 4개의 시작이 있습니다. 나사의 리드는 시작 횟수에 피치를 곱한 것과 같으며 이 유형의 나사에서 리드는 피치와 동일합니다.
다중 시작 나사는 빠른 직선 이동이 더 적은 수의 회전과 높은 하중 용량의 나사를 위한 것일 때 사용되며 더 높은 리드를 사용할 때의 결과가 해결됩니다.
예를 들어, 더블 스타트 나사에서 리드는 피치의 두 배에 해당합니다. 이는 적용되는 축 거리가 나사에 의해 완료된 한 번의 전체 회전에 대한 2피치 단위임을 의미합니다. 시작 횟수가 많을수록 한 회전에서 더 높은 선형 거리를 커버합니다
너트
볼 스크류의 너트는 볼 베어링과 재순환 시스템을 수용하는 실린더이며 볼 홈은 스크류 샤프트의 홈과 일치하는 너트 내부에도 있습니다.
볼 너트의 사양 :
회로
회로는 볼 너트의 재순환 시스템에서 닫힌 경로를 나타냅니다. 다중 회로 볼 너트에는 두 개 이상의 독립적인 폐쇄 경로가 있습니다. 단일 회로 볼 너트보다 더 무거운 하중을 운반할 수 있습니다.
회전
회로의 회전은 볼이 회로에서 재순환되기 전에 이동하는 횟수를 나타냅니다. 회전과 회로 사이의 관계는 볼 스크류의 재순환 방법에 따라 다릅니다.
너트의 볼 재순환 시스템을 사용하면 볼을 회로의 시작 지점으로 되돌려 작동시 "재활용"할 수 있습니다. 디플렉터, 리턴 튜브 및 엔드 캡은 볼을 원래 위치로 다시 공급하는 데 사용되는 장치입니다.
볼 베어링
볼베어링, 또는 공은 견과의 정리와 갱구 사이에서 이동하는 공 나사의 가장 두드러진 성분이며 너트와 움직이는 나사에 의해 발생하는 마찰을 줄이기 위해 전용 구성 요소를 구성합니다.
볼은 스크류 샤프트 및 너트와 접촉하며 스크류 샤프트와 너트 사이의 볼의 접점은 볼이 닿는 두 구성 요소의 홈 프로파일로 구별됩니다. 일반적인 그루브 프로파일은 고딕 호와 원형 호입니다.
고딕 아크 프로파일
고딕 아크 프로파일은 가장 일반적인 그루브 프로파일이며 두 개의 교차하는 호에 의해 만들어집니다. 이 프로파일을 사용하면 볼의 나사 샤프트에 두 개의 접점이 있고 너트에 두 개의 접점이 있습니다.
반원형 호 프로파일
이 그루브 프로파일은 반원 모양이며 이 프로파일을 사용하면 볼의 나사 샤프트에 하나의 접점이 있고 너트에 하나의 접점이 있습니다.
씰은 전체 볼 스크류 어셈블리를 보호하는 볼 스크류의 사소한 구성 요소입이며 공과 견과 사이 틈새에 들어가는 것에서 오염물질과 이물질을 지켜서 공 나사의 효율성을 보존합니다. 또한 볼 스크류 어셈블리의 윤활을 유지합니다.
3. 볼 스크류 정확도
매우 정확하고 정밀한 볼 스크류는 리드 오차가 최소화됩니다. 리드 오류는 나사 샤프트가 회전했을 때 너트가 이동한 이론적 거리와 실제 거리의 차이입니다. 볼 홈의 제조 정확도, 촘촘함 및 어셈블리의 설정 정밀도에 따라 다르며 리드마다 다를 수 있습니다.
예압, 윤활 및 장착 정확도 증가는 볼 스크류의 리드 정확도를 높이는 데 사용되는 기술입니다.
프리로딩
예압은 볼에 축 방향 힘을 가하고 스크류 샤프트와 너트의 홈을 압축하여 압축하는 것입니다. 예압의 목적은 강성을 높이고 볼 스크류 어셈블리의 백래시를 제거하는 것입니다.
백래시는 볼과 너트 및 나사 트랙 사이의 간격으로 인해 발생하는 손실된 동작이며 정밀 포지셔닝 응용 분야에 필요한 정확도와 반복성을 방해할 수 있습니다. 예압 메커니즘은 볼 스크류에 단일 또는 이중 볼 너트가 있는지 여부를 나타냅니다.
볼 스크류 어셈블리에 일반적으로 사용되는 예압 메커니즘은 다음과 같습니다.
스페이서 예압
스페이서 예압에서는 원하는 예압을 얻기 위해 두 개의 볼 너트 사이에 스페이서가 삽입되며 두 개의 볼 너트의 인접면에 힘을 가하며 이 힘은 너트와 홈으로 전달됩니다. 이 방법은 큰 예압을 설정하는 데 사용됩니다.
스프링 예압
스프링 예압에서 스프링은 예압을 전달하는 두 개의 볼 너트 사이에 배치되며 장력은 스프링 힘으로 인해 볼 너트의 인접한 두 면에 적용됩니다.
오프셋 리드 예압
가공하는 동안 홈을 만들기 위해 재순환 회로의 중간에 있는 리드에 오프셋이 생성되며 스페이서나 스프링이 필요하지 않기 때문에 이중 너트 메커니즘보다 컴팩트합니다. 그러나 이 예압 메커니즘은 더 긴 리드를 생성하여 볼 스크류의 하중 용량을 줄입니다.
대형 볼 예압
예압은 더 큰 볼 베어링을 조립하여 적용됩니다. 대형 볼은 홈에 대한 볼의 접촉 면적을 증가시켜 보다 컴팩트한 구조를 생성합니다. 그러나 이 메커니즘은 가장 작은 예압을 생성하며 정밀도가 그다지 중요하지 않은 응용 분야에 적합합니다.
볼 스크류의 예압 값을 최적화하고 작동 중에 유지하는 것이 중요합니다. 큰 예압은 더 많은 토크를 필요로 하며 과도한 열 발생을 유발할 수 있습니다.
윤활
볼 스크류에서는 윤활이 중요하며 볼 스크류의 조기 고장을 방지하고 마찰 계수를 낮추고 볼 스크류 구성 요소의 움직임으로 인한 열 축적을 최소화하여 성능을 향상시키며 오일 및 그리스 윤활제는 냉각 효과가 있습니다. 열은 부품의 열팽창을 유발하고 볼 스크류의 정확도에 부정적인 영향을 미칩니다.
윤활이 불량한 금속 부품을 지속적으로 문지르면 미세한 수준에서 금속 표면이 찢어지는 연마 마모의 한 형태인 마모가 발생합니다. 갈링은 너트와 볼트의 나사산, 나사산 패스너 및 볼 스크류를 포함한 나사산 인서트에서 일반적입니다. 볼 스크류의 기능에 부정적인 영향을 미칩니다.
장착 정확도 향상
장착은 작동 중에 볼 나사가 지지되는 방식이며 볼 스크류가 제공하는 리드 정확도를 활용하려면 정확한 장착이 있어야 합니다. 부정확한 장착은 소음, 진동, 위치 오류를 유발하고 연속 작동 중에 재료 고장 및 마모 가속화를 유발할 수 있습니다.
베어링, 커플링, 너트 브래킷과 같은 설치된 보조 부품의 결함은 장착 정확도를 유지하기 위해 즉시 점검하고 수정해야 합니다.
4. 볼 나사의 종류
볼 스크류는 볼 재순환 메커니즘에 따라 분류되며 볼 재순환 메커니즘은 내부 재순환 및 외부 재순환 시스템으로 분류됩니다.
내부 볼 재순환
내부 볼 재순환 시스템에서 볼은 재순환될 때 너트 하우징에 남아 있고 외부 돌출부가 없기 때문에 이 리턴 시스템이 있는 볼 너트는 더 컴팩트합니다. 또한 재순환이 너트 하우징 내부에서만 발생하기 때문에 외부 시스템보다 소음과 진동이 적습니다.
이 분류에 따른 볼 나사의 유형은 다음과 같습니다.
디플렉터형 볼 스크류
디플렉터는 스크류 샤프트의 직경 위로 볼을 들어 올려 볼을 시작점 역할을 한 인접한 홈으로 다시 안내하는 데 사용됩니다. 모든 턴마다 공의 경로를 닫기 위해 하나의 디플렉터가 있어야 하며 회전 수는 항상 내부 볼 리턴 시스템의 회로 수와 같습니다.
이 설계는 미세한 리드가 필요한 응용 분야에 사용되며 크기가 작아 작은 클리어런스 어셈블리에 적합합니다.
튜브 또는 캡을 사용하여 볼을 반환하는 경우 서로 인접하게 배치되는 여러 개의 독립 회로를 생성하도록 설계할 수 있습니다.
엔드 캡 타입 볼 스크류
엔드 캡은 볼 너트 내부의 터널을 통해 볼을 안내하기 위해 장착됩니다. 이 디자인은 빠르게 움직이는 볼의 힘을 견딜 수 있기 때문에 높은 리드 볼 스크류 응용 분야에 이상적입니다.
외부 볼 재순환
외부 볼 재순환 시스템에서는 볼이 재순환될 때 너트 하우징 외부를 통과합니다. 이 시스템은 미세한 리드 볼 스크류 어셈블리와 광범위한 스크류 샤프트 직경을 지원할 수 있으며 대량 생산에 적합하며 내부 재순환 시스템보다 경제적입니다. 그러나 재순환 메커니즘은 볼 스크류의 전체 크기에 큰 영향을 미칩니다.
외부 볼 재순환 시스템을 사용하는 유일한 유형의 볼 스크류는 리턴 파이프형 볼 스크류입니다.
그라운드 스크류 스레드
접지 나사산은 마모 공정으로 제작됩니다. 블랭크 샤프트는 수평으로 배치되고 매우 단단한 연마 커터가 금속을 깎아 홈을 형성합니다. 생성된 홈 표면은 압연 나사보다 매끄럽습니다. 이 방법을 사용하여 생산된 볼 스크류는 정밀도가 높지만 더 비싸고 느리게 생산됩니다.
리턴 파이프형 볼스크류
볼은 볼 너트의 벽에서 튀어나온 외부 튜브를 통과하고 리턴 튜브는 볼을 다시 시작 지점으로 향하게 합니다. 리턴 튜브의 길이는 튜브 고정 브래킷에 의해 지지됩니다. 리턴 튜브 어셈블리는 설치 및 분해가 쉽습니다.
압연 스크류
압연 나사산은 냉간 가공 변형 공정으로 제작되며 절단되지 않은 블랭크 샤프트는 회전하는 공구 다이를 통과하여 홈을 형성합니다. 블랭크의 큰 소성 변형은 고강도 스크류 샤프트를 생성하며 접지 나사보다 경제적이고 제작하기 쉽습니다.
그러나 생성된 표면이 거칠기 때문에 더 높은 마찰로 인해 볼 스크류의 효율성과 내마모성이 감소합니다.
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