볼스크류란?
볼스크류(영어: ball screw)는 회전운동을 직선운동으로 변환하여 부재의 위치를 이동시키기 위한 이송 나사의 일종입니다. 나사축과 너트가 볼을 통해 작동한다. 나사축과 너트가 상대 회전하면 볼이 회전하면서 무한 순환합니다. 나사와 너트 사이의 슬라이딩 저항이 기존 사다리꼴 나사에 비해 훨씬 작은 것이 특징입니다.
나사와 볼의 정밀도 등급에 따라 정밀한 운동이 가능하기 때문에 높은 위치 결정 정밀도를 얻을 수 있습니다. 자동차의 조향장치, 정밀 공작기계 등에 사용됩니다.
볼스크류의 사용 용도
볼스크류는 모터 등의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 기계요소입니다. 주요 용도로는 제품 및 부품의 이송, 반도체 제조장치, 산업용 로봇, 공작기계 등의 이송 및 위치 결정이 있습니다. 볼스크류가 1회전에 의한 이동량(리드)을 정밀하게 재현할 수 있기 때문에 스테핑 모터와 조합하여 높은 위치결정 정밀도를 실현할 수 있습니다.
JIS에서는 볼스크류의 정밀도 등급을 6가지로 구분하고 있는데, C0, C1, C3, C5의 4등급을 정밀 볼스크류, C7, C10의 2등급을 일반 볼스크류로 규정하고 있습니다. 정밀도에 따라 물품의 이송과 위치 결정에 사용되는 볼스크류를 선정합니다.
NC 제어 공작기계에서는 이송 메커니즘을 구성하고 정밀한 위치 결정 정밀도를 얻기 위해 볼스크류가 사용됩니다. 또한 식품기계, 의료기기, 로봇 및 사출성형기, 인쇄기기, 오락기기 등 외에도 자동차, 기차, 항공기, 반도체 제조장치, 검사장비 등에도 볼스크류가 사용됩니다.
볼스크류의 원리
볼스크류는 나사축, 너트, 볼 등으로 구성된 기계 요소 부품으로 회전 운동을 직선 운동으로 또는 직선 운동을 회전 운동으로 변환합니다. 나사축과 너트 사이에 볼을 넣어 가볍게 회전시킬 수 있는 마찰 기술을 이용한 부품입니다. 나사면의 미끄럼 접촉 운동을 구름 접촉 운동으로 바꿉니다. 볼은 무한히 순환해야 하므로 순환 부품이 필요합니다.
순환 방식에는 리턴 튜브식, 엔드 디플렉터식, 엔드 캡식 및 코마식, 리턴 플레이트식 등이 있으며, 크기와 정밀도에 따라 사용 용도가 나뉩니다. 볼스크류를 사용하려면 너트를 안내하는 가이드 레일이 필요합니다. 가이드 레일은 너트에 가해지는 축방향 하중 이외의 수직 하중과 모멘트 하중을 견뎌냅니다.
나사축은 너트 1회전의 이동량인 리드 길이와 나사 조수를 조합하여 높은 정밀도로 움직일 수 있도록 하고 있습니다. 볼에 가압을 가하여 너트의 백래시를 없애고 나사축과 너트의 회전이 고르지 않고 높은 위치 결정 정밀도를 얻을 수 있습니다.
볼스크류의 기타 정보
1. 볼스크류의 특징
볼스크류는 기계의 회전운동을 직진운동으로 변환할 수 있는 특징이 있습니다. 또한, 반대로 직선 운동을 회전 운동으로 변환하는 것도 가능합니다. 나사축을 회전 구동하는 토크를 일반 나사에 비해 1/3 이하로 줄일 수 있습니다. 따라서 볼스크류를 구동하는 모터를 소형화, 경량화할 수 있습니다.
기동 마찰 토크와 운동 마찰 토크의 차이가 적고, 스틱 슬립 현상을 피할 수 있어 고정밀도로 기계를 제어할 수 있습니다. 두 개의 너트를 사용하거나 미리 큰 직경의 볼을 사용하여 너트에 예압을 가할 수 있습니다. 백래시를 없애고 강성을 높여 제어성을 향상시킬 수 있습니다.
볼스크류의 마모 수명과 롤링 피로 수명은 계산을 통해 예측할 수 있어 운전의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 나사와 너트 사이의 접촉면의 마찰 계수는 0.1 ~ 0.2 정도인 반면, 볼스크류는 0.002 ~ 0.004 정도입니다. 따라서 전달 효율이 높고 90% 이상입니다.
치수와 정밀도가 국제적으로 표준화되어 있고, 전용 공장에서 대량 생산되기 때문에 사용이 편리하고 비용도 유리합니다. 반면 볼스크류는 충격에 약한 단점이 있다. 슬라이딩부가 점접촉이기 때문에 충격이 가해지면 타박상 등이 발생하기 쉽습니다. 또한 슬라이딩 부위에 이물질이 들어가면 고장이나 고장의 원인이 될 수 있습니다. 공작기계의 슬라이드 축으로 사용하는 경우, 절삭유가 혼입될 우려가 있으므로 커버를 씌워야 합니다.
2. 볼스크류의 제조법
볼스크류는 만드는 방법의 차이에 따라 ‘압연’과 ‘연삭’으로 나뉩니다.
- 압연 볼스크류
둥근 봉재를 회전시키면서 전조 다이스라는 공구에 눌러 소성 변형시켜 나사 홈을 성형하는 방법입니다. 연삭에 비해 정밀도 등급이 낮은 편입니다. - 연삭 볼스크류
나사 연삭기라는 공작기계를 사용하여 나사 홈을 연삭하여 성형하는 방법입니다. 열처리 후 원통형 연삭을 하기 때문에 압연보다 표면이 매끄러운 것이 특징입니다. 정밀기기용 소형 공작기계의 슬라이드 축 등 고정밀도의 기계 제어가 요구되는 경우에 사용됩니다.