고하중 볼 스크류와 롤러 스크류: 고하중 응용 분야에 적합한 솔루션 선택

귀하의 본능이 롤러 스크류라면, 그 본능으로 인해 기계 설계에 필요한 것보다 더 많은 비용이 들 수 있습니다. 지난 10년 동안 고하중 볼 스크류 기술의 발전으로 미적분학이 크게 바뀌었고 많은 고하중 적용 분야에서 고하중 볼 스크류는 이제 동급 롤러 스크류 비용의 절반 미만으로 동일한 성능을 제공합니다.

이 문서에서는 두 기술이 접촉 메커니즘 수준에서 어떻게 다른지, 각 기술이 더 나은 성능을 발휘하는지, 실제 비용과 크기의 균형은 어떻게 되는지,{0}}특정 부하, 스트로크, 듀티 사이클에 대한 선택 결정을 구조화하는 방법을 다룹니다.

볼 스크류와 롤러 스크류의 근본적인 차이점은 롤링 요소의 기하학적 구조와 나사산 형태와의 접촉입니다.

기존의 볼스크류에서는 강철 볼이 샤프트의 나선형 홈과 너트 사이를 굴러갑니다. 각 볼은 단일 지점(또는 하중을 받는 매우 작은 접촉 타원)에서 홈과 접촉합니다. 하중은 회로의 모든 볼에 분산되지만 각 개별 접점은 전체 힘의 상당 부분을 전달합니다.

점 접촉은 접촉 영역에서 높은 국부 응력을 생성합니다. 과부하가 걸리면 피로 손상이 높은-응력 지점에서 발생하기 때문에 이 응력은 서비스 수명을 제한합니다. 따라서 표준 볼 스크류의 하중 용량은 필요한 사이클 수에 걸쳐 볼과 궤도 재료가 견딜 수 있는 최대 접촉 응력에 의해 제한됩니다.

롤러 스크류에서는 나사형 롤러 세트가 롤링 요소인 볼을 대체합니다. 각 롤러는 근본적으로 다른 접촉 형상의 지점(-)이 아닌 선을 따라 나사산과 접촉합니다. 선 접촉은 훨씬 더 넓은 표면적에 하중을 분산시켜 동일한 적용된 힘에 대한 최대 접촉 응력을 줄입니다.

결과적으로 볼 스크류와 동일한 명목 직경의 롤러 스크류는 훨씬 더 높은 하중을 견딜 수 있고 피로 손상이 누적되기 전에 더 많은 작동 사이클을 유지할 수 있습니다. 또한 롤러 스크류는 전체 작동 속도 범위에서 이러한 장점을 유지합니다.

고하중 볼스크류는 세 번째 범주를 차지합니다. 접점 형상을 점에서 선으로 변경하는 대신 수정된 나사산 프로파일과 더 큰 볼 직경을 통해 접점의 수와 크기를 늘립니다. 높은 접촉각에 최적화된 고딕 아치 프로파일을 포함하는 특수 스레드 형상 - - 볼당 접촉 면적을 늘리고 너트 길이 단위당 정격 하중을 높이며 볼 회로 전체에 하중을 보다 균등하게 분산시킵니다.

그 결과, 동일한 직경의 기존 볼 스크류보다 4~8배 더 높은 동적 정격 하중을 갖는 볼 스크류가 탄생했으며, 롤러 스크류 스레드 형태의 제조 복잡성 없이 달성되었습니다.

고하중 볼스크류의 성능 향상은 비용 비교를 통해 쉽게 알 수 있습니다.

동등한 동적 정격 하중과 유사한 작동 조건에서 고하중 볼 스크류는 일반적으로 롤러 스크류보다 비용이 40-60% 저렴합니다. 비용 차이는 제조 복잡성에서 비롯됩니다. 롤러 나사산 형태에는 나사 및 롤러 나사산 프로파일의 정밀 가공, 정밀한 롤러 예압 조립 및 전체적으로 더 엄격한 공차가 필요합니다. 볼 스크류 - 심지어 고하중 변형 -도 수십 년간의 산업 생산을 통해 개선된 보다 간단한 제조 공정을 사용합니다.

고하중 볼스크류는 다음과 같이 제공됩니다.

매개변수	일반적인 범위
축 직경	최대 160mm
나사 길이	최대 15미터
구성	단일 너트 또는 이중 너트
동정격하중(Ca)	최대 1,440kN
정밀등급	응용 분야에 따라 C3~C7

이러한 사양은 역사적으로 롤러 스크류가 지정된 대부분의 중장비, 사출 성형 및 금속 성형 응용 분야에 적용됩니다.

두 기술 모두 보편적으로 우수하지는 않습니다. 올바른 선택은 부하 크기, 듀티 사이클, 스트로크 길이 등 세 가지 주요 애플리케이션 매개변수에 따라 달라집니다.

적당한 듀티 사이클에서 무거운 부하.축이 높은 축 하중을 전달하지만 지속적으로 작동하지 않는 경우 - 사출 클램핑 장치, 프레스 축, 교정 기계 - 고하중 볼 스크류는 훨씬 저렴한 비용으로 필요한 부하 용량을 제공합니다. 듀티 사이클은 볼 회로가 부하 사이클 사이에서 열적으로 회복할 수 있는 시간을 제공합니다.

고하중에서 긴 스트로크.고하중 볼스크류는 최대 15미터의 샤프트 길이로 생산됩니다. 길이와 정격 하중이 동일한 롤러 나사는 훨씬 더 비싸고 조달하기가 더 어렵습니다. 긴-행정 무거운 축 - 대형 공작 기계 테이블의 경우 이송 라인 - 고하중 볼 스크류가 유일한 실용적인 볼- 유형 솔루션인 경우가 많습니다.

동등한 성능이 허용되는 비용{0}}민감한 애플리케이션입니다.고하중 볼 스크류의 정격 하중이 적용 요구 사항과 일치하거나 초과하는 경우 롤러 스크류의 추가 비용에 대한 기계적 정당성은 없습니다. 프리미엄은 고부하 볼 스크류가 이미 제한된 조건에서만 중요한 접촉 형상 이점을 제공합니다.

기존 볼 스크류 적용 분야의 서비스 수명 연장.표준 볼 스크류가 고하중으로 인해 조기에 파손되는 경우 동일한 직경의 고하중 볼 스크류로 교체하면 기계 구조나 지지 장치 구성을 변경하지 않고도 정격 하중을 두 배로 늘리고 서비스 수명을 최대 8배까지 연장할 수 있습니다.

컴팩트한 봉투에 담긴 극한의 하중.하중 요구 사항이 사용 가능한 샤프트 직경({0}}에서 가장 큰 고하중 볼 스크류 크기에 대해 일반적으로 1,500-2,000kN 이상)에서 고하중 볼 스크류가 제공할 수 있는 수준을 초과하는 경우 - 롤러 스크류는 직경 단위당 더 높은 하중 밀도를 제공합니다. 설치 공간으로 인해 더 큰 직경의 볼 스크류를 사용할 수 없는 경우 더 작은 직경의 롤러 스크류가 유일한 해결책일 수 있습니다.

높은 부하에서 매우 높은 듀티 사이클.고부하 상태에서 연속 작동하면 볼-전동면 접촉부에서 열이 발생합니다. 볼스크류는 고부하 설계라 할지라도 접촉점 형상에 따라 열 한계가 설정됩니다. 접촉 면적이 더 크고 단위 하중당 접촉 응력이 더 낮은 롤러 스크류는 전달된 힘 단위당 더 적은 열을 발생시키며 너트 과열 없이 더 높은 듀티 사이클을 유지할 수 있습니다.

주기가 높은 산업 생산의 장기-소유 비용-.고하중 - 자동차 프레스 라인에서 하루에 여러 교대 근무를 하는 응용 분야에서는 연속 금속 성형 - 롤러 스크류의 긴 피로 수명이 높은 초기 비용을 상쇄할 수 있습니다. 이러한 절충안은-일반적인 규칙이 아닌 애플리케이션별 수명 주기 비용 계산이 필요합니다.

응용 매개변수	고하중 볼스크류를 선호합니다.	호의 롤러 나사
축방향 하중	최대 ~1,440kN	1,500kN 이상 또는 극한 하중 밀도
듀티 사이클	보통~높음(간헐적)	연속, 매우 높음
스트로크 길이	긴 스트로크를 포함한 모든 것	짧음부터 중간까지
초기비용 우선순위	예	덜 중요함
설치공간	유연한	심하게 제약됨
기존 볼스크류 교체	자연스러운 업그레이드 경로	호환성이 낮음

서비스 수명 혜택을 이해하려면 L10 수명 공식을 살펴봐야 합니다. 볼 스크류 너트의 정격 수명은 등가 동적 하중에 대한 동적 정격 하중의 비율의 세제곱에 비례합니다.

L10=(Ca / Pm)³ × 상수

여기서 Ca는 정격 동적 하중이고 Pm은 등가 평균 하중입니다.

이 3차 관계는 표준 볼스크류에 비해 고하중 볼스크류의 Ca -가 표준 볼스크류 -에 비해 2배 증가하면 수명이 23배 증가한다는 것을 의미합니다.=8. 동일한 작동 조건에서 표준 볼스크류의 Ca가 2배인 고하중 볼스크류는 8배 더 오래 지속됩니다.

실제 예:고부하의 무거운 머시닝 센터에서 작동하는 표준 볼 스크류의 L10 수명은 3~4개월로 계산됩니다. Ca가 2배인 동일한 공칭 직경의 고하중 볼스크류로 교체하면 수명 추정이 24~32개월로 연장됩니다-. 기계 구조를 변경하지 않고도 거의 10배 향상됩니다.

이는 하중이 높지만 고하중 볼스크류의 정격 용량을 초과하지 않는 응용 분야에서 고하중 볼스크류에 대한 주요 엔지니어링 주장입니다. 롤러 스크류에 더 많은 비용을 지불하는 대신 고하중 볼스크류를 지정하고 추가 하중 용량을 사용 수명 예비로 사용하십시오.

고하중 볼 스크류는 스크류 샤프트의 고정 단부에 있는 지지 베어링에 그에 상응하는 높은 축방향 힘을 가합니다. 기존 볼 스크류용으로 설계된 표준 BK/BF 지지 장치는 고하중 볼 스크류 용도에는 적합하지 않습니다. 지지 장치의 크기는 나사의 정격 하중과 일치해야 합니다.

고정단 지지 장치의 베어링 유형은- 축방향 하중 크기에 따라 결정됩니다.

앵귤러 콘택트 볼 베어링(60도 접촉각):부드러운 회전과 최소 마찰이 우선시되는 고부하 응용 분야에 사용됩니다. 60도 접촉각은 베어링 크기에 비해 높은 축 강성과 부하 용량을 제공합니다. P4 등급 베어링은 런아웃을 최소화하고 위치 정확도를 유지하기 위해 고하중 볼 스크류 지지 장치의 표준입니다.

테이퍼 롤러 베어링:매우 높은 축방향 하중과 높은 반경방향 하중의 조합이 앵귤러 콘택트 볼 베어링이 처리할 수 있는 수준을 초과할 때 지정됩니다. 테이퍼 롤러 베어링은 더 높은 결합 하중 용량을 제공하지만 더 정확한 예압 설정이 필요하고 고속에서 더 많은 마찰을 생성합니다.

깊은 홈 볼 베어링:반경 방향 구속만 필요하고 베어링은 내부 응력을 발생시키지 않고 샤프트의 축 방향 열팽창을 허용해야 하는 나사 샤프트의 부동(지지) 단부에 사용됩니다.

고하중 볼나사 고정{0}}단부 지지 장치에는 세 가지 베어링 배열이 사용됩니다.

DF(대면-대-):반대 방향으로 장착된 두 개의 앵귤러 콘택트 베어링. 동일한 용량으로 양방향 축방향 하중을 처리합니다. 부하 반전이 발생하는 일반적인 고부하 응용 분야에 대한 표준 선택입니다.

DFD(탠덤 + 페이스):한쪽에는 베어링 1개, 다른 쪽에 베어링 2개. 주요 축 하중 방향(-)이 있는 응용 분야에 대한 비대칭 배열은 두 개의 베어링이 있는 측면이 DF 구성보다 훨씬 더 많은 축 하중을 전달합니다. 작동 스트로크 하중이 리턴 스트로크보다 훨씬 높은 프레스 및 클램핑 축에 사용됩니다.

DFF(탠덤 + 탠덤):각 방향에 두 개의 베어링이 있습니다. 양방향 최대 축방향 하중 용량. DF 배열이 불충분한 최고 하중 적용 분야에 대해 지정됩니다.

고하중 지지 장치의 고정{0}}엔드 베어링은 내부 틈새를 제거하고 축 강성을 개선하기 위해 공장에서 사전 로드되어-있습니다. 예압 크기는 지지 장치의 시작 토크를 결정합니다. - 이는 구동 시스템 토크 예산에서 고려해야 하는 베어링 배열의 고유 속성입니다.

초기 설치를 위해 베어링에 사전{0}} 그리스가 도포되어 있습니다. 듀티 사이클이 까다로운 고부하 응용 분야의 경우 옵션 그리스 포트를 사용하면 지지 장치를 분해하지 않고도 주기적인 재윤활이 가능합니다.

대형 머시닝 센터, 플로어{0}}형 보링 밀 및 대형-밀링 기계는 50~500kN 범위의 절삭력을 전달하는 축에 볼 스크류 드라이브를 사용합니다. 이러한 하중 수준에서 표준 볼 스크류는 윤활 및 유지 관리 방식에 관계없이 조기에 파손됩니다.

고하중 볼스크류는 표준 수명 계산을 통해 현실적인 유지보수 간격을 얻을 수 있는 수준으로 Ca를 증가시켜 이 문제를 해결합니다. 몇 달에 한 번씩 볼 스크류를 교체하는 대신 기계는 계획된 정밀 검사 사이에 수년간 작동할 수 있습니다.

전기 사출 성형기는 금형을 닫고 잠그기 위해 짧은 스트로크에 걸쳐 높은 축력이 필요합니다. - 일반적으로 최종 클램핑 이동 거리 10~50mm에 걸쳐 200~600kN입니다. 클램핑 유닛의 전체 스트로크는 낮은 힘으로 훨씬 더 긴 거리를 커버하며 높은 힘은 마지막 부분에서만 발생합니다.

고하중 볼스크류는 스트로크의 고하중 부분이 짧고 하중이 연속적이지 않고 간헐적이기 때문에 이 듀티 사이클에 잘 맞습니다. 접촉 조건이 볼 스크류에 유리하기 때문에 롤러 스크류는 고하중 볼 스크류에 비해 서비스 수명 이점을 제공하지 않습니다. - 듀티 사이클은 샷 사이의 열 회복을 허용합니다.

교정 기계, 튜브 벤딩 장비 및 금속 성형 프레스에는 제어된 변위보다 높은 축 방향 힘이 필요합니다. 이러한 응용 분야는 종종 유압 실린더를 직접 대체하는 경우가 많습니다. 여기서 전기 볼 스크류 드라이브는 유압 시스템보다 더 나은 위치 제어, 프로그래밍 가능한 힘 프로필 및 낮은 유지 관리 비용을 제공합니다.

고하중 볼 스크류는 기계적으로 더 단순한 패키지로 많은 유압 실린더 응용 분야에 필적하는 힘을 전달할 수 있습니다. 1,000kN 이상의 힘의 경우 롤러 나사가 설치 영역에서 더 높은 하중 밀도를 제공하므로 선호되는 옵션이 됩니다.

고하중 볼 스크류 사양을 확인하지 않고 100kN 이상의 하중에 대해 롤러 스크류를 기본으로 합니다.

많은 엔지니어들은 고하중 볼스크류가 해당 용도에 적합한지 확인하기보다는 기술에 대한 일반적인 지식을 바탕으로 롤러스크류를 선택합니다. 최대 약 1,000-1,500kN의 하중의 경우 롤러 나사를 지정하기 전에 항상 고하중 볼 나사를 평가해야 합니다.

고하중 볼스크류가 포함된 표준 BK/BF 지지 장치를 사용합니다.

표준 지지 장치는 고하중 볼 스크류가 생성할 수 있는 축 하중의 일부로 평가됩니다. 소형 지지 장치를 사용하면 설계되지 않은 방식으로 베어링 하우징과 기계 구조에 하중이 전달되어 조기 지지 베어링 고장과 잠재적인 구조적 손상이 발생할 수 있습니다.

평균 등가 하중에서 L10 수명을 확인하지 않고 나사의 크기를 최대 순간 하중으로 조정합니다.

나사에 가해지는 최대 하중은 가속 중이나 스트로크가 끝날 때 잠깐 동안만 발생할 수 있습니다. -최대 하중에 맞게 크기를 엄격하게 조정하면 나사가 지정됩니다. L10 수명 계산에서는 전체 듀티 사이클에 걸쳐 등가 평균 하중을 사용하며, 이는 정상 작동 중에 너트가 경험하는 하중과 속도의 실제 분포를 설명합니다.

긴 고하중 볼스크류 샤프트의 축방향 열팽창을 고려하지 않습니다.

10-미터 고하중 볼 스크류 샤프트는 섭씨 1도당 약 0.12mm씩 팽창합니다. 고정-고정 지지 구성에서 이러한 열팽창은 샤프트에 압축 응력을 발생시켜 너트와 지지 베어링의 예압을 증가시킵니다. 긴 고하중 볼 스크류는 내부 응력을 발생시키지 않고 축방향 열팽창을 허용하기 위해 고정 부동 끝단 지지 구성을 사용해야 합니다.

높은 축방향 하중이 적용되는 경우 다음 순서를 사용하십시오.

최대 축 하중, 평균 등가 하중, 스트로크 및 듀티 사이클을 정의합니다.최대한 정확하게. L10 수명 계산은 입력 데이터만큼만 유효합니다.
필요한 Ca에서 고하중 볼스크류를 사용할 수 있는지 확인하십시오.고하중 볼 스크류의 정격 동적 하중은 최대 1,440kN입니다. 적용 분야가 이 범위에 속할 경우 고하중 볼 스크류를 가장 먼저 평가해야 합니다.
평균 등가 하중에서 고하중 볼스크류의 L10 수명을 계산합니다.계산된 수명이 유지보수 간격 요구 사항을 충족하는 경우 고하중 볼스크류를 지정하십시오. 그렇지 않은 경우 샤프트 직경을 늘리거나 롤러 나사를 평가하십시오.
지원 장치 구성 선택최대 축방향 하중, 하중 방향성 및 속도를 기준으로 합니다. 지지 베어링 등급이 적절한 안전 여유를 두고 최대 축 하중을 초과하는지 확인하십시오.
총 소유 비용 평가, 초기 부품 비용뿐만 아니라. 고하중 볼나사보다 수명이 두 배 더 긴 롤러 스크류는 고하중 볼나사의 가격이 1/3-인 경우 -반드시 비용 효율적이지는 않습니다.
다음 경우에만 롤러 나사를 지정하십시오.하중이 고하중 볼스크류 범위를 초과하거나, 듀티 사이클이 고하중에서 연속적이거나, 설치 공간으로 인해 더 큰 직경의 고하중 볼스크류를 사용할 수 없는 경우입니다.