1. 머리말

 

○ 회전운동과 직선운동이 상호 변환 가능한 기계요소인 볼 스크류는 공 작기계의 이송 나사로 급속히 발전해 왔다.

현재는 공작기계만이 아니 라 반도체 제조장치 등 정밀 위치결정기구, 사출 성형기의 구동원, 산 업용 로봇의 운동기구 등에 사용되고 있는 볼 스크류의 성능향상을 위 해 고속화, 고정밀도화를 위한 기술 및 실(seal)기술에 관하여 그의 최 신기술을 소개한다.

 

2. 볼 스크류의 고속화 기술

 

○ 공작기계에 사용되는 고속․고부하용 대형 볼 스크류의 동향을 파악하 기 위해 1996년부터 JIMTOF(일본 국제공작기계 전시회)에 출품한 기 종에 대해서 독자적인 규격 명셀를 조사하였다.

머시닝센터의 이송속도 에 관해서 출품한 기계의 대수를 정리하여 보았다.

이에 따르면, 이송 속도 50～60m/min, 다시 말해 고속기의 점유율이 해가 갈수록 증가하 는 고속화 경향이 뚜렷하였다.

한편 이송속도 20～40m/min의 출품 기 도 있는데 이는 고정밀도 가공을 위한 기계의 한 그룹이며, 고속성보다 이송정밀도가 요구되는 기계이다.

 

○ 사출성형기용의 볼 스크류도 1999년부터 IPF(국제 플라스틱 페어)의 출품기의 규격 명세를 조사 하였다.

사출성형기의 사출 축 이송속도의 추이는 2002년까지는 300mm/s가 주류 였으나, 2008년 이후에는 500mm/s의 고속 기종이 많이 출품되었다.

또 초고속 사양의 이송속도 는 2005년에 800mm/s 기종이 많이 출품되었지만, 2011년, 2014년에는 1000mm/s 기종이 주류로, 출품기에 대한 이송속도의 점유율이 증가하 였다.

이런 고속화 배경에는 액정 패널의 도광판이나, 디지털카메라, 휴대전화 등 얇고 고정밀도 제품의 성형용도가 증가하였기 때문이다. q 첨단기술정보분석 2 ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr)

 

○ 이상과 같이 산업용 볼 스크류의 고속화는 생산성 향상이 목적이지만, 한편 사출성형기 분야의 고속화는 자동차의 계기판(instrument panel) 주변의 내장품이나 수납 케이스 등의 대형 수지제품을 생산하는 대형 사출성형기의 중요성이 높아지고 있기 때문이다.

그래서 대형 사출성형 기의 고부하 구동용 대형 볼 스크류(HTF형)가 시장에 공급되었다.

그 렇지만 HTF형은 큰 강구를 적용 볼 스크류의 내하중성능을 향상시키 고 있기는 하지만, 순환부품에의 충격하중이 크고 허용 회전수 제한이 과제이다.

 

○ 과제 해결을 위해 나선 접선 방향으로 볼을 끌어올리는 순환방식을 개 발, 고속․고부하용 대형 볼 스크류(HTF-SRE형)에 적용하였다.

종래의 HTF형에 사용한 튜브 순환방식과, 본 볼 스크류에 사용한 디플렉터 (deflector) 순환방식의 구조는, 종래의 튜브 순환방식은 슴베(tang)라 부 르는 볼을 끌어 올리는 부분의 살 두께는 튜브 재료의 판 두께로 정하기 때문에 큰 강구의 경우 그 충격 하중도 커 고속에 한계가 있지만, 디플 렉터 순환방식에서는 슴베 대신에 살이 두꺼운 디플렉터로 볼을 끌어올 리기 때문에 강구가 커도 강구의 충격 하중에 견딜 수 있는 구조다.

 

○ 디플렉터와 볼 너트의 순환 통로의 최적화로 볼 스크류의 나선에 따라 서 끌어 올라가게 되어, 디플렉터의 부하가 아주 작아진다.

거기에 순 환부품인 디플렉터는 기계가공으로 용이하게 제작할 수 있기 때문에 HTF형과 같은 모양으로 다양한 축 지름․리드에 다품종․소 로트에도 유연한 대응이 가능하다.

이러한 효과로 HTF-SRE형은 종래 HTF형에 비해 1.4배～2배의 이송속도를 향상시키고 있다.

현재 HTF-SRE형은 축 지름 φ50～φ200mm의 고부하구동용 볼 스크류에, 또 1,000mm/s를 넘는 초고속기에도 쓰이고 있다.

 

3. 볼 스크류의 고정밀도화 기술

 

○ 이제까지 고기능 정밀 볼 스크류는 주로 위치결정 향상을 위해 추진해 왔다.

볼 스크류의 발열 대책으로 스크류 축의 축 중심이나 너트 내에 설치한 유로에 냉각액을 흘려 스크류 축의 열팽창으로 생기는 위치결 정오차를 억제하는 강제 냉각기술을 개발, 고기능 정밀 볼 스크류의 운 동제어성을 향상시키는 볼 스크류를 개발하였다. q 첨단기술정보분석 3 ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr)

 

○ 금형가공용 공작기계는 곡면 가공을 위한 공구나 테이블의 움직임이 복잡하고 정밀제어가 필요하다.

또 미소한 전자부품을 다수 취급하는 반도체 제조장치 등에서는 생산성향상의 관점에서 단시간에 부품을 목 표위치에 이동해야 하기 때문에 고속 고가감속으로 스테이지는 움직여 야 한다.

이들 기계에 사용되는 정밀위치 결정용의 볼 스크류에서는 너 트와 스크류 축 사이에서 생기는 백 래시를 없이 하여 강성을 높이기 위해 예압(preload)을 가해주는 경우가 많다.

 

○ 예압 토크를 스크류 축 전역에서 일정 유지하기는 제조상 대단히 어렵 고, 실제 너트 위치에 따라 예압 토크가 큰 부분과 작은 부분이 존재한 다.

이와 같이 예압 토크가 장소에 따라 변동하는 볼 스크류를 모터로 제어 구동할 경우 너트의 위치마다에 이송기구의 상태가 달라지기 때 문에 제어하고 있는 대상물의 움직임에 차이나 지연 등의 운동 오차가 생긴다.

운동 오차는 금형가공용 공작기계에서는 가공 면에 줄 모양을 남겨 가공 면 품위를 저하시킨다.

 

○ 고속반송용 반도체 제조 장치에서의 운동 오차는 위치결정이 완료하기 까지의 시간을 지연시켜 생산성이 저하되기 때문에 정밀한 공작기계나 반도체 제조장치 등에서는 특히 예압 토크의 변동이 작은 볼 스크류가 바람직하다.

이런 요구를 위해 개발한 것이 고기능 정밀 볼 스크류이 다.

통상 볼 스크류의 예압 토크는 절대치와 변동 폭을 규격으로 정해, 정밀도 등급으로 관리한다. 개발된 고기능 정밀 볼 스크류는 토크를 포 함한 마찰특성의 안정화로 동일 정밀도 등급의 볼 스크류에 비해 예압 토크의 변동을 30% 저감에 성공하였다.

 

○ 고기능정밀 볼 스크류의 운동 정밀도평가를 하였다.

직교 배치된 2축의 볼 스크류 이송기구를 각각의 모터로 동기제어, 원호보간운동을 실현, 너트의 위치를 바꿔가면서 4개소의 운동정밀도를 평가하였다.

평가결 과, 상하․좌우에 있는 돌기상의 운동지연을 상한돌기(象限突起)라 부 르고, 이는 너트운동이 반전할 때 발생한다.

이 상한돌기는 움직이는 부의 마찰특성이 변화함으로 생기며, 이송부가 탄성요소로 구성되는 이 상 반드시 발생한다.

평가결과 종래 볼 스크류에 비해 고기능 볼 스크 류의 상한돌기는 어느 위치에서도 그의 형상이 바뀌지 않아 운동오차 의 불균일성이 작다.

q 첨단기술정보분석 4 ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr)

 

○ 실제의 공작기계에서는 상한돌기를 NC의 기능으로 보정, 돌기를 저감 시키는 일이 일반적이다.

종래 볼 스크류에서는 장소마다 운동오차의 불 균일이 크기 때문에 그의 보정을 해도 장소마다에 다른 오차가 남 는다.

이에 비해 고기능 정밀 볼 스크류는 운동오차의 불 균일이 적기 때문에 NC의 상한돌기 보정에 의해 스크류 축 상의 어느 위치에서도 운동오차를 동등으로 보정 가능하다.

현재 고기능 정밀 볼 스크류는 축 지름 ϕ15～ϕ50mm의 볼 스크류에 적용되고 있다.

 

4. 볼 스크류의 실(Seal) 기술

 

○ X1실을 갖는 볼 스크류와 L1실을 갖는 볼 스크류를 개발하였다.

볼 스 크류 실에는 접촉식과 비접촉식 실이 있다.

X1실은 접촉식이고, L1실은 비접촉식 실이면서 그리스(grease) 비산을 억제하는 실이다.

X1시리즈 에 대하여, 공작기계에 사용되는 볼 스크류는 통상 커버 등으로 씌워져 있지만, 가공 칩이나 냉각제 등에 의한 이물 침입을 완전히 방지하기는 어렵다.

또 최근 볼 스크류의 윤활방법으로 그리스 자동 급유의 공작기 계가 증가하고 있다.

 

○ 자동 급유용 그리스는 유동성이 높아 볼 스크류로부터 유출하기 쉽다.

그렇기 때문에 공작기계용의 볼 스크류에는 먼지막이(방진: 防塵)성과 그리스 밀봉성이 요구된다.

이물 환경용에 접촉식의 립(rip)을 갖는 고 방진 실을 개발 수많은 분야에 사용되고 있다.

또 사출성형 용도에 그 리스 밀봉형 Al실이 그리스 유출방지에 크게 공헌하고 있다.

 

○ X1실은 방진과 밀봉성을 겸비한 실로, 실 선단 립 부를 너트의 외측에 경사지게 한 먼지막이 실과 너트의 내측에 경사지게 한 밀봉 실의 2매 조성으로, 하나의 너트에 대하여 편측 2매, 계 4매의 실이 장착, 실 형 상을 최적화함과 동시에 마찰이 작은 립 재료를 채용함으로 토크의 증 대를 억제하는 점이 특징이다.

 

○ X1실의 방진성능에 대하여는 표준의 비접촉식 실에 비해 이물의 통과 율이 1/30 저감, X1실을 갖는 볼 스크류는 그리스의 급지량을 필요 최 소한으로 억제할 수 있기 때문에 라이닝 코스트의 저감과 주변 환경의 오염을 막을 수 있다.

현재 X1실은 축 지름 φ40～φ50mm의 볼 스크류 q 첨단기술정보분석 5 ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr) 에 사용, 성능호평으로 라인업을 확대 중이다.

 

○ L1실은 그리스 비산저감을 위한 비접촉식이다. 반도체 제조장치 등은 클린인 환경이라 외부로부터의 볼 스크류에의 이물질 침입에 비하여 볼 스크류 축에 부착한 그리스가 스크류 축 회전으로 주위에 비산하는 것이 문제이다.

그렇기 때문에 그리스 급지 후 그리스의 비산이 없어질 때까지 워밍업 운전이나 스크류 축에 붙은 여유 그리스를 닦아내는 등 의 부담이 있다.

그러나 생산시간 단축을 위한 볼 스크류 축 고속회전 으로 볼 스크류로부터 그리스 비산량은 증가하는 경향이다.

 

○ 그리스의 비산대책으로 X1실을 사용 너트 내에 그리스 폐입(閉込)을 생각할 수 있으나 접촉식 실은 토크증가로 모터 용량이 작은 반도체제 조 장치에서는 이 토크 증가를 무시할 수 없다.

그리스 비산의 저감과 실 토크의 저감은 상반관계이지만, 이 2가지의 요구를 동시에 실현한 것이 L1실이다.

L1실은 설치한 슬리트와 스크류 실 턱으로 스크류 축 에 부착된 잉여 그리스를 반전 동작일 때 너트 내로 말려들게 하고, 또 너트 내의 잉여 그리스를 실 유닛 내부에 멈추도록 하였다.

 

○ 실과 스크류 축 사이는 미소 간극이기 때문에 스크류 축 표면에 얇게 남은 그리스는 스크류 축이 회전하여도 그의 원심력으로 비산하는 일 은 없다.

L1실의 그리스 비산량은 표준 비접촉식 실에 비해 1/10으로 L1실을 갖는 볼 스크류는 그리스 비산이 극단으로 적어 축 지름 ϕ15～ ϕ32mm의 볼 스크류에 사용하고 있다.

 

5. 맺음말

 

○ 볼 스크류의 최신기술로 고속화, 고정밀도화와, 실 기술을 소개하였다.

이들은 기술의 기본적이면서도 공작기계 고기능화의 영원한 테마이다. 앞으로도 볼 스크류에 높은 부가가치를 부여할 수 있는 성능향상을 목 표로 기술개발을 이어가길 희망한다.

출처 : 永井 豊, “ボールねじの最新技術”, 「機械設計(日本)」, 60(1), 2016, pp.45∼50 q 첨단기술정보분석 6 이 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금, 복권기금의 지원을 받아 작성하였습니다. ReSEAT 프로그램(http://www.reseat.re.kr) ◃전문가 제언▹

 

○ 기계설계에 있어서 볼 스크류의 역할은 모체 공작기계나 주변 이송장 치에의 저마찰 특성, 고내구성, 정숙성, 높은 위치결정 정밀도 등으로, 이들은 모체 공작기계나 장치의 성능에 큰 영향을 준다.

한편 최근에는 성능 면뿐만이 아니라 환경부하를 작게 하는 것이나 장치의 주변 환경 을 청정으로 유지하는 일도 기계설계에 요구되는 중요한 요소로 기계 장치의 클린화나 에너지 절약에는 다양한 볼 스크류가 사용되고 있다.

 

○ 따라서 공작기계나 이송장치, 산업용 로봇의 운동기구, 부품 운송장치 등의 설계에 있어 에너지 절약이나 클린화는 고성능인 볼 스크류의 적 용이 필수이다.

이와 같이 볼 스크류는 다양한 기계류나 장치에 사용되 는 요소부품이기 때문에 그의 개발도 활발히 이루어지고 있다.

일본정 공(日本精工)은 볼 스크류의 고속화를 위한 기술개발로 고속․고부하용 의 대형 볼 스크류를 개발 이송속도가 1,000mm/s에 적용하고 있으며, 고기능 정밀 볼 스크류로는 축 지름이 15～50mm의 것에 운동오차가 거의 없는 윤활의 볼 순환방식의 볼 스크류를 개발 공작기계 메이커 등에 공급하고 있다.

 

○ 최근 우리나라의 전체 기계 요소산업 발전은 괄목할 만하다고는 생각 되지만 품목별 요소들의 기술수준은 선진공업국에 비하여 미급한 점이 많다.

특히 공작기계를 대표하는 선반, 밀링머신, 머시닝센터, 연삭기 등 정밀하게 작업대를 이송시켜야 하는 공작기계의 이송기구의 요소기 술은 낙후되어 이들 부품을 수입에 의존하는 경우가 많다.

 

○ 요소부품의 생산이 주로 중소기업에서 이루어지고 있기 때문에 품질의 고급화에 많은 시간을 요한다.

이는 기술개발의 자금력 부족이 원인으 로 지적되고 있는 것으로 생각된다.

또 최근 IT산업이나 생화학 산업 등에는 상대적으로 정부의 투자가 많지만 공작기계 요소부품 개발에의 투자는 미급한 것이 현상이라 생각된다.

따라서 기관의 적극적인 기술 개발 투자가 이루어지길 바란다.