스크류의 종류와 특성

Tolomatic

애크미(acme) 스크류

1895년에 개발된 애크미 스크류는 나사산이 사다리꼴 이빨 모양이며, 강철 샤프트가 둘러싸고 있다. 나사산은 매우 강한 형태이다. 힘은 직선으로 측면의 미끄럼 면의 견고한 너트에 전달된다.
견고한 너트 시스템의 효율은 소재와 리드로 결정되며, 20~40%로 상대적으로 낮다. 이러한 효율 레벨은 스크류 메커니즘을 역구동시키는 하중이나 외부 힘을 방지하는 데 좋다.
단점은 다른 스크류 기술에 비해, 더 큰 모터 토크가 필요하여 시스템 손실이 크다는 점이다.

일반적인 너트 소재는 자체 윤활 플라스틱이나 수지, 황동이나 청동과 같은 금속이 있다. 비금속 너트 소재는 마찰 계수가 낮아 일반적으로 효율이 높으며, 윤활제가 필요 없을 때도 있다. 청동과 같은 금속 너트는 큰 부하를 감당하지만, 오염 때문에 일부 환경에서 문제가 되는 윤활제가 필요하다.

애크미 너트의 마모 특성은 너트 재질과 환경, 적용 요구 사항에 따른다. 변수가 많아 마모의 양과 속도는 예측이 어렵다. 너트 마모의 단점을 보상하기 위해 일부 제조업체는 스프링 메커니즘으로 서로 반대의 특성을 가진 두 개의 반쪽을 사용하여 애크미 너트를 구성한다. 이것을 보통 ‘반–백래시(anti-backlash)’나 ‘제로–백래시(zero-backlash)’라 한다. 그러나 이러한 너트는 추가로 마찰을 일으킬 수 있다.

애크미 스크류는 애플리케이션의 요구 사항에 따라 직경이 다양하다. 애크미 스크류의 미터 버전도 있는데, 두 디자인은 톱니 모양이 비슷하지만, 0.5°의 측면 각도 차이로 상호 호환할 수 없다.

애크미 스크류의 장점

• 일반적으로 비용이 낮음.
• 플라스틱 너트 사용 시 작동이 조용함.
• 역 구동을 줄이거나 제거할 수 있음.
• 다음과 같은 애플리케이션에 이상적임.
   - 느린 속도에서 중간 속도
   - 낮은 포지셔닝 요구 사항
   - 낮은 듀티 사이클
   - 낮은 스러스트-중간 스러스트 용량

애크미 스크류의 단점

• 견고한 너트 설계가 마모와 포지셔닝에 영향을 준다.
• 낮은 효율 등급은 높은 입력 토크가 필요하다.
• 서비스 수명을 예측할 수 없다.
• 환경과 같은 외부 요소가 영향을 준다.

볼 스크류

볼 스크류는 원형이나 고딕 아치 형태의 나사를 사용한다. 너트에는 형태가 일치하는 나사가 있어서 두 개의 홈 사이에 끼워진 볼 베어링이 고효율인, 일반적으로 80~95%의 힘과 상대 운동을 전달할 수 있다.

볼 베어링은 회전과 직선 운동으로 하나나 여러 너트 회로를 통해 구름(rolling)과 재순환(recirculation)할 수 있다. 볼 순환의 수와 경로의 제어 방법에 따라 볼 스크류 너트의 디자인이 다양하다. 볼 베어링 경로는 메커니즘의 최대 속도를 결정하는 중요한 요소이다. 내부 경로나 최종 리턴과 같은 대안 설계로 속도 증가나 작동 소음의 최소화와 같은 부수적인 이점을 얻는다. 그러나 작동면에서는 대부분 유사하다.

볼 스크류는 직경과 리드가 다양하며, 미터법과 야드법 리드 설계에 모두 정확하다. 볼 스크류 리드의 정확도를 분류하기 위해 등급 시스템이 있으며 ISO-3408에 의해 규제된다. 현재 볼 스크류 등급은 아래와 같이 5가지다.

볼 스크류의 등급 값은 지정된 시스템의 리드 정확도 결정의 지침이 되며, 누적 방식으로 계산된다. 백래시는 고려하지 않는다. 제조 방식에 따라 등급이 결정된다.
1등급과 3등급의 스크류는 항상 높은 정밀도를 얻기 위해 연마를 한다. 연마는 정밀하면서도 시간이 오래 걸리며 비용이 크다. 압연은 다른 등급의 스크류에서 가장 일반적이다.

볼 스크류의 백래시는 사용자 정의로, 다양한 방법으로 얻는다. 일반적인 방법은 원하는 수준의 백래시를 달성하는 직경의 볼을 각 볼 순환에 넣는 것이다. 이 방법은 예압 시스템을 달성하는 데도 사용된다. 예압은 서로에 대해 편향된 두 개의 너트를 설치하고 제 위치에 고정시켜서 수행한다. 하나의 볼 스크류에 2개의 너트가 있다고 해서 시스템의 힘이 두 배로 증가하지는 않는다.

볼 스크류의 장점

• 견고한 너트 대비 높은 추력 용량.
• 예상 수명과 긴 수명.
• 효율성 향상(80%~95%).
• 낮은 백래시-낮게는 0.0025mm에서 일반적으로0.127mm까지.
• 높은 듀티 사이클과 중속에서 높은 추력과 고속이 필요한 애플리케이션에 이상적.

볼 스크류의 단점

• 볼 너트는 리드에 따라 쉽게 다시 구동됨.
• 애크미 스크류에 비해 초기 비용이 더 높음.
• 종종 애크미 스크류보다 더 많은 소음이 발생함.

롤러(유성) 스크류

롤러 나사산 형태는 보통 삼각형이며, 너트에 있는 여러 개의 나사산 롤러 세트로 힘이 전달된다.
이 롤러는 나사에 접촉하면서 너트 내에서 회전한다. 롤러 너트는 볼 너트와 비교하여 같은 공간에서 스크류와의 접촉점을 현저히 증가시키는 롤러 세트가 있어, 비슷한 직경의 볼 스크류에 비해 매우 높은 힘 전달 능력과 긴 수명을 가진다.

볼 스크류와 마찬가지로 롤러 스크류는 롤링 요소로 설계되어 슬라이딩 요소의 애크미 스크류보다 효율 등급이 우수하다. 접촉 면적이 증가하므로 효율은 보통 70~90%로 볼 스크류보다 약간 낮다.
볼 스크류 같은 롤러 스크류는 ISO-3408 등급 시스템에서 생산되므로 리드 정확도 고려 사항이 유사하다. 롤러 스크류는 보통 연속 접촉면과 부드러운 움직임, 높은 추력 출력을 제공하기 위해 연마된다. 그러나 현재 일부 롤러 스크류는 저가 솔루션에 제공하기 위해 정밀하게 압연되고 있다. 일부 저가 솔루션은 성능 저하를 일으킬 수 있다.

표준 유성 롤러 스크류

표준 롤러 스크류는 정밀 연삭 전에 케이스(표면)가 경화되어 훨씬 더 경도가 깊어지고, DLR도 높아진다. 표면 경도가 높고 DLR이 높을수록 역유성 롤러 스크류 디자인(inverted planetary roller screw design)보다 수명(및 윤활 관리)이 더 길다.

역유성 롤러 스크류 디자인 (the inverted planetary roller screw design)

역유성 롤러 스크류는 연마와는 달리, 내부 나사 너트를 따라 경제적으로 나사산을 만든다. 따라서 내부 나사 너트 가공 후에 경화 처리한다. 경화 공정으로 표준 유성 롤러 스크류보다 훨씬 경도 깊이가 낮고 부드러운 나사산이 만들어진다. 이로 인해, 수명이 현저히 짧고 윤활 유지가 어렵다.

롤러 스크류의 장점

• 매우 높은 추력 용량.
• 매우 긴 수명.
• 더욱 빠른 속도와 가속도.
• 낮은 유지 보수.
• 고효율.

롤러 스크류의 단점

• 3가지 스크류 유형 중 가장 비용이 높음.
• 수직 적용에서 스크류는 역방향으로 구동되거나 모터 토크가 손실되어 자유낙하될 수 있음.
• 너트 어셈블리의 외경이 더 큼.

자료 제공: Tolomatic(www.tolomatic.com)