거들떠 보자, 볼 스크류에 관한 진실

거들떠 보자
볼 스크류에 관한 진실

볼스크류의 선택에서 필수적인 요소가 무시되는 경향이 있으며, 이점이 없는 특성에 집중하는 경우가 있다. 공학자들의 경우 작동거리의 정확성에 대해서만 관심을 기울이는 현상이 많기 때문에 정확한 본질에 대해 파악하고 있지 못하고 있는 경우도 많다. 이것이 볼 스크류에 관한 진실을 풀어나갈 수 있는데 중요한 이유가 될 수도 있을 것이다. 이 글에서는 볼 스크류에 관한 오해와 진실에 대해 파악하고, 최종적으로 사용자가 이해를 할 수 있도록 다양한 사항이 검토될 것이다.
글/ 패트릭 스코트(Patrick Scott), 보쉬 렉스로스 볼 스크류 제품 관리자


볼스크류의 선택에서 필수적인 요소가 무시되는 경향이 있으며, 이점이 없는 특성에 집중하는 경우가 있다. 특히 공학자들의 경우 작동거리의 정확성에 대해서만 관심을 기울이는 현상이 많은데, 이것이 볼 스크류에 관한 진실을 풀어나갈 수 있는데 중요한 이유가 될 수도 있겠다. 작동 거리의 정도 가운데 으뜸이 되는 기준은 DIN 69051, ISO 3408, JIS B1191, ANSI-B5.48 등의 규격이다. 이러한 규격은 재질 규격부터 기하학적 공차에 이르기까지 모든 것을 포괄하고 있으나 편중된 규범으로 인해 작동거리 정도의 필수적인 지표를 식별하는 것이 어려워질 수 있다.
가장 많이 인용된 요소에 대해 분석해 보면 모든 규격의 공통사항이 나사를 따라 이동한 잉여 거리나 부족 거리를 나타내는 리드 오차(Lead Error)인 것을 알 수 있다. 이는 300mm 당 mm단위나 피트 당 인치 단위로 표현되며, 볼스크루의 정도 정격을 결정하고 있다. 예를 들어 리드 오차는 P1이나 T7인지를 결정한다. 이렇게 설정된 변환 기준에 따르면 수치가 작을수록 리드 오차가 작아지기 때문에 정확성이 더 좋다고 인식될 수 있다. 다르게 말하면 등급 1의 나사는 등급 7의 나사 보다 실질적으로 정도가 더 높다는 것을 의미하고 있다.
볼스크루를 선택할 때 설계자는 정확성을 설계의 출발점으로 삼아 정도가 높은 정격을 사용하는 것이 좋지만, 준비 시간(LeadTime)과 비용 요구조건에 대비하여 정확성 요구조건을 비교해 볼 필요도 있다. 예를들어 고정도를 가지고 있는 정격의 경우 등급 1 나사는 비용이 더 들고 생산하는데 최대 10주가 더 소요될 수도 있다.

정도에 대한 맹신
문제는 환경이다

정도 등급에 대한 규격이 나사 재질의 제작 방법을 좌우할 수도 있다거나 높은 정도의 나사는 연삭 나사(Ground Screw)여야 한다는 말은 정확한 말이 아니다. 많은 설계자들이 높은 정도를 가진 나사가 연삭에 의해서만 달성될 수 있으며, 앞에서 인용한 규격 가운데 어느 것도 실제로 해당 등급 볼 스크류의 생산 방법을 좌우하지 않는다고 믿고 있다. 이처럼 설계자들은 정밀 나사와 수송용 나사 사이를 차등화하고 있다.
다시 말하면 리드 오차는 300 mm 작동 거리 구획 당 mm의 오차로 나타나는데, 수송용 T등급 리드 오차의 경우 다중 이동거리 구획에 걸쳐 선형 방식으로 누적되어도 무방하다.(기존에는 압연이나 냉간 성형 나사가 T 등급에 해당하였다.) 이에 비하여 정밀 P등급의 정도는 300mm 리드 오차를 낮게 유지해야 하며, 더 긴 길이에 걸쳐 오차 누적을 제한해야 한다.
기존의 경우 연삭 가공 볼스크류는 정확한 P등급 공차를 유지할 수 있는 유일한 방법이었지만, 최근의 새로운 기술로 인해 제작사들이 정밀 압연 나사에서도 P등급의 정확성을 추출할 수 있게 되었다. CNC 제어 미세 공차 공정으로 인해 발전한 압연은 P3의 정도 성능과 거의 완벽한 원형, DIN 통제 제한치 이내의 공차를 보이고 있다. 특히 광범위하게 중첩된 생산 능력으로 인해 고등급의 정도 나사를 압연으로 생산할 수 있어 기계 설계자는 저렴하고 편리하게 제품을 사용할 수 있다.
이외에도 설계자들이 갖고 있는 생각 중에 볼스크류의 정도가 축 정확성과 동일하다는 것이 있다. 그러나 정도와 반복성(반복성은 나사가 매번 정의된 지점으로 복귀하는 능력)이 동일한 것이라는 문제와 다른 기계 구성품이 전체 공차 합계에 영향을 미치는 문제는 다시 생각해 볼 필요가 있다. 전체적인 반복성에는 많은 요소가 기여하고 있으며, 구동 연결, 가이드 장치(레일 또는 샤프트 장치) 및 기계의 구조가 모두 반복성에 영향을 끼치고 있다.
이를 테면 주변 구성품의 성능이 열악하면 완벽한 볼 스크류일 경우에도 정도 및 반복성 모두가 떨어질 수 있다.

기계 설계를 위한
볼 스크류의 재검토

최적의 성능을 위해서는 유실 작동을 하는 모든 것을 제거해야 한다. 흔히 백래쉬(Backlash)라고 부르는 이런 작동의 대부분은 볼 너트와 나사 사이에서 발생한다. 사전 하중을 가한 너트는 축상이나 방사상의 유격이 존재하지 않아 다양한 너트 설계로 사전 하중을 가하면 백래쉬를 제거할 수 있다. 여기서 볼 너트는 가변 구성품의 치수를 조절함으로서 나사에 일치시킨다.
볼 너트에 사전 하중을 가하는 한 가지 방법은 이중 너트 체계를 사용하는 것이다. 이중 너트는 서로 맞물린 너트의 몸체 쌍으로 구성되며, 스페이서(Spacer)에 쐐기처럼 박혀 제자리에 고정되어 있다. 이중 너트 방법에 관한 흔한 오해는 2개의 너트 몸체가 있으므로 그 능력도 두 배가 된다는 인식이다. 사실 각 너트 몸체는 그 해당 방향에서만 하중을 받는다.
반대편 너트 몸체는 작동 중에 하중 분담에서 밖으로 편향되어 있으며, 능력 배가는 일어나지 않는다. 이러한 이중 너트에 대한 조립 방법은 가장 어려운 것에 속한다. 또 다른 사전 하중 방법은 리드 전위(Lead-Shift)로 너트로부터 반 정도 아래의 나선 방향으로 μm 이격시킨 주로(Raceway)를 제작하여 구성한다.
이는 볼에 대한 물림 각도를 변경시키며, 이중 너트의 방법과 유사하다. 리드 전위 너트는 볼 접촉 형태에서 이중 너트와 유사한 기능을 수행하지만, 전형적으로 활성 홈(Groove)이 적기 때문에 하중 전달 성능과 수명이 떨어질 수 있다. 이외에도 볼 선택(Ball-Select) 방법에서 볼을 완전하게 맞는 경우보다 의도적으로 몇 마이크론을 크게 선택하는 것이 있다.
볼스크류가 장기간 작동해야 하는 실제 운용 중에 일어날 수 있는 일은 무수히 많다. 특히 윤활 결함은 가장 조심해야 될 부분이기 때문에 전 수명기간에 걸친 윤활 조립체를 고려하는 것이 좋다. 나사 조립체에서 전 수명기간에 걸친 윤활 조건은 모든 용도에서 10,000km의 운동거리를 보장한다. 여기서 잘못된 생각은 전 수명기간에 걸친 윤활이 전혀 정비가 필요 없다는 인식이다.
많은 업체에서 시험을 통해 10,000km의 운동거리를 도달한 것으로 명시하고 있지만, 볼스크류의 구매자는 시험 조건을 아는 것이 필수적이다. 많은의 업체의 경우 10,000km의 테스트는 깨끗한 실내 환경에서 부하를 걸지 않은 상태로 한다. 그러나 실제 용도에서 깨끗한 환경에서 부하 없이 작동하는 경우는 거의 없다. 따라서 우리는 광고의 주장이 특정한 용도와 어떤 관련이 있는지를 이해해야 한다. 시험이 투명하지 않거나 쉽게 이해할 수 없는 경우, 또는 그 주장이 진실이라고 보기에는 너무 훌륭한 경우는 더 많은 정보를 얻어야 최종 설계자가 피해를 입지 않는다.