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고속 주축용 롤러 베어링에 요구되는 기능
 
고속 주축용 롤러 베어링의 개요
 
월간 기계기술기자 | 2004.07.01 | 2004년 7월호
 
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고도로 효율화된 생산 시스템의 근간을 떠받치는 공작기계에 대한 요구는 해마다 고도화, 복잡화되어 가고 있다.
 그 중에서도 주축이나 주축을 지지하는 롤러 베어링은 공작기계의 성능에 직접적인 영향을 미치는 가장 중요한 요소의 하나이다.
  본고에서는 최근 주류로 되어 있는 고속 주축에 사용되는 롤러 베어링의 기능에 대한 동향을 소개한다.
1. 고속 주축용 롤러 베어링의 개요
1.1 베어링에 대한 요구 성능과 대응
 공작기계 주축을 지지하는 베어링에 대한 요구 성능으로는 대체로 다음과 같은 항목을 들 수 있다.
 
 (1) 고속 성능의 향상
 공작기계에서는 절삭 효율을 올리기 위해 머시닝센터를 중심으로 주축의 고속화가 매일 이루어지고 있으며 현재도 계속되고 있다. 특히 금형가공 등의 분야에서는 현저하다.
  회전속도의 고속화는 원심력이나 발열량의 증가를 수반하여 베어링 내부에서 발생 하는 접촉압력을 현저하게 증대시키는 요인이 된다.
  고속화에 대응하려면 베어링 내부의 접촉압력 증가를 억제해야 함은 필수적이다.
  그래서 전동체를 작게 해서 질량을 경감시킨 형식의 베어링을 고속용 베어링으로서 일반화하고 더 나아가서는 전동체에 밀도와 선팽창계수가 작은 세라믹스를 사용한 베어링<표 1>, <그림 1> 등을 개발해 왔다. 현재 고속 회전에 보다 더 적합한 베어링으로 만들기 위한 설계 제원의 최적화라든가 특수 형상을 채택하는 등 다양한 대응이 계속 이루어지고 있다.
 
 (2) 급가감속 안정성의 향상
 가공을 효율화함에 있어서는 비절삭 시간을 단축하는 것도 큰 요소이고 고속 이송과 위치결정 속도의 향상, 툴 교환시간의 단축과 더불어 주축의 상승 진입시간 단축 에도 주력하고 있다. 근년에 와서는 구동장 치의 고출력화, 빌트인 모터 주축의 증가와 더불어 상승 진입시간 단축(급가감속화)이현저하다.
  롤러 베어링은 전동체와 궤도의 마찰로써 구름운동(Rolling)을 하고 있으며 급가감 속시에는 이상한 마모나 발열의 원인이 되는 「미끄럼」이 생기기 쉬워지는 등 구성 부품의 운동이나 윤활유막의 형성이 불안정 해질 것으로 염려된다. 급가감속시의 안정 성을 향상시키기 위해서라도 설계 제원을 최적화하는 등의 대응이 이루어지고 있다.
 
 (3) 강성의 확보
 롤러 베어링이 정압 베어링이나 동압 베어링, 자기(磁氣) 베어링 등에 비해 뛰어난 특징의 하나로 높은 강성을 보유하고 있다는 점을 들 수 있다. 마찰을 수반하는 전자 (前者)에 비해 후자는 비접촉이기 때문에 고속성 면에서는 훨씬 유리하나 강성면에 서는 롤러 베어링이 우수하여 높은 가공 정밀도가 요구되는 공작기계의 주축에 롤러 베어링을 사용하는 큰 이유가 바로 여기에 있다고 생각한다.
  롤러 베어링의 강성은 베어링의 내부 설계, 예압 방법, 예압 하중 등에 따라 달라지 는데 일반적으로 강성과 고속성은 상반되는 항목이다. (1)항에서 설명한 바와 같이 회전속도의 고속화는 원심력이나 발열량 증가에 따른 내부 접촉 압력의 증가를 수반 하기 때문에 강성을 높이는 데 큰 요소인 예압 방법 이나 예압 하중이 제한되는 경우가 많아 종전의 고속 주축에서는 강성(특히 저속 회전시)을 희생하고 고속성을 확보했던 사례를 많이 볼 수 있었다.
  최근에는 공작기계의 복합화가 진행되고 있어 저속 회전에서부터 고속 회전까지 높은 강성을 요구하 기에 이르렀고 베어링을 포함한 주축 전체의 구조등 여러 가지 면에서 대응책이 이루어지고 있다.
 
 (4) 환경문제의 대응 방안
 최근의 사회적 경향으로서 특히 주목되는 테마가 환경부하 저감인데 공작기계에서도 이러한 경향이 강화되고 있으며 주축용 베어링에 대한 요구 항목도 에너지 절감화, 저소음화, 오일 윤활에서 그리스 윤활로 변경되는 등 다기에 걸치고 있어 베어링 형상 변경이라든가 윤활 시스템 수정 등의 방법이 실용화 혹은 검토되고 있다.
 
 1.2 고속 주축에 사용되는 롤러 베어링의 종류
 이상과 같은 성능을 요구하는 것이 주축용 롤러 베어링인데 여기서는 고속 주축용으로 사용되는 베어링의 종류와 배열에 대해 정리하기로 한다.
  일반적으로 고속 회전에 적합한 롤러 베어링으 로는 앵귤러 볼 베어링을 들 수 있다. 주축용 앵귤러 볼 베어링은 용도에 따라 15°~40°의 접촉각을 갖는 것이 사용되는데 고속 회전에는 접촉각이 작은 베어링이 적당하여 고속 주축에는 15° 혹은 20°의 베어링이 많이 사용되고 있다.
  <그림 2>에서는 고속 주축에 사용되는 베어링 구성의 변천을 나타낸다.
  공작기계의 주축에서는 열팽창을 반(反)절삭측에서 흡수할 필요가 있기 때문에 종전에는 반절삭측 베어링으로서 축방향의 구속을 받지 않는 원통 롤러 베어링이 널리 사용되어 왔다. 그러나 고속 주축에서는 원통 롤러 베어링의 고속 성능이 부족 했기 때문에 앵귤러 롤러 베어링만 사용하여 절삭 측을 고정하고 반절삭측 외륜과 하우징과의 사이를 자유롭게 하는 베어링 배열이 일반화되었다. 그런데 이 베어링 배열에서는 반절삭측 외륜과 하우징 사이에서 일어나는 레이디얼 방향의 덜걱거림을 억제하면서 축방향으로의 원활한 이동을 확보 하기가 구조상 매우 어려워 기구가 복잡화되는 등의 사항이 수반되었다.
  최근에는 앵귤러 볼 베어링과 마찬가지로 고속 회전에 대응할 수 있는 원통 롤러 베어링도 개발, 상품화되었기 때문에 반절삭측 베어링으로 원통 롤러 베어링을 사용한 베어링 배열을 다시볼 수 있게 되었다.
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2. 고속 주축용 베어링의 성능
이같은 배경에 대응하기 위해 光洋精工(주)에서는 고속 주축용 베어링으로서 「하 이어빌리 베어링」 <그림 3>을 개발하여 시리 즈로 했다. 현재 고속 주축으로 사용되는 베어링 성능의 일례로 앵귤러 볼 베어링 시리즈의 개요와 성능을 소개한다.
 
 2.1 하이어빌리 베어링 시리즈의 개요
 1.1항에서 설명한 바와 같이 현재 고속 주축으로 사용되는 베어링에 대한 요구가 다기에 걸치고 있어 사용 용도에 따라 필요한 성능을 발휘할 수 있도록 베어링으로서의 기본 성능을 높여 개개의 성능을 조화시킬 필요가 있다.
  하이어빌리 베어링은 다음과 같은 내용을 해결해야 할 문제점으로 생각하여 光洋 精工(주)가 개발한 설계 해석 프로그램을 이용해서 내부설계 제원의 최적화, 베어링 측면에 생기는 에어커튼으로 인한 오일 에어 공급 불량을 개선하는 베어링 형상 등을 고찰하여 개발되었다.
 ① 전동체에 작용하는 원심력으로 인한 내부 하중의 증가(궤도 접촉부의 면압 증가)② 전동체와 궤도간에 생기는 슬라이드③ 내륜 궤도 지름의 원심력 팽창 및 내외륜, 전동체 상호간의 온도차로 인한 내부 틈새의 감소④ 베어링 측면에 생기는 풍압(이하 에어커튼이 라고 부른다)으로 인한 오일 에어 윤활시의 윤활유 공급 불량 <표 2>에서는 하이어빌리 베어링 시리즈의 라인 업을 나타낸다. 하이어빌리 베어링 시리즈는 각각의 특징을 지닌 R, C, D, F이 4타입으로 구성되어 있어 사용자가 사용 용도에 따라 가장 적당한 타입을 선택할 수 있게 하였다. 그 외에도 각 베어링 모두 외형 치수를 ISO 규격에 준거하였으며 축이나 축상자에 대한 최소한의 설계 변경으로 종전품에서 치환할 수 있도록 기존 종류의 Specification up 에도 대응하였다.
 
 2.2 하이어빌리 베어링 시리즈의 성능
 하이어빌리 베어링의 성능을 종전의 고속형 베어링(光洋精工(주)의 ACH 시리즈)과 비교한 결과의한 예를 아래에 소개한다.
  <그림 4>는 그리스 윤활에 있어서 R타입 베어링 (전동체 재질=베어링강)의 고속 한계와 외륜 온도 상승(실온과의 차)을 평가한 결과이다.
  <그림 4>에서 R타입 베어링은 고속 한계가 종전 베어링의 약 1.3배 향상되어 온도 상승을 20~30% 정도 줄일 수 있음이 확인되었다.
  전동체로 세라믹스를 채택한 R타입 베어링 및 C타입 베어링에서도 종전의 베어링에 대해 같은 경향을 확인할 수 있으므로 사용하는 회전속도에 따라 강성을 중시한 설계 C타입을 선택할 수 있다.
  하이어빌리 베어링의 고속성 향상과 온도상승 저감 효과가 있어 고속 회전 주축에도 강성이 뛰어난 정위치 예압을 적용할 수 있게 되었다.
  <그림 5>는 그리스 윤활 조건하의 전동체에 세라 믹스를 사용한 R타입 베어링의 평가 결과를, 오일 에어 윤활 조건하에서 종전품을 시험한 결과와 비교한 그래프이다. <그림 5>에서 하이어빌리 베어링 은, 종전의 베어링은 오일 에어 윤활 조건이 아니면 사용할 수 없었던 영역을 그리스 윤활에서 사용할 수 있음이 확인되었다. 이로써 오일 비산 방지에 의한 환경부하 저감, 윤활장치 폐지에 의한 비용절감 등에 대해서도 효과를 기대할 수있을 것이다.
  R, C타입의 베어링은 종전의 베어링과 마찬가지로 그리스 윤활과 오일 에어 윤활 양쪽 모두의 윤활 방법으로 사용할 수 있는 표준 타입 이고 또한 고속 회전에 적응한 오일 에어 윤활 전용 타입으로서 D, F타 입도 있다. D, F타입 베어링은 고속 회전시 발생하는 에어커튼의 영향을 고려하여 개발한 베어링 형상을 적용했다<그림 6>. <그림 7>에서는 D타입 베어링에 대해 R타입 베어링(전동체 재질=세라 믹스)을 비교 시험한 결과를 나타낸다.
  <그림 7>에서 D타입은 R타입 베어링의 약1.1배 되는 고속성과 5~10%의 온도상승 저감을 확인할 수 있었다.
  D타입 베어링은 베어링 내륜 측면에 만든 홈을 통해 궤도 부분으로 오일 에어를 직접 공급하는 구조이기 때문에 에어커튼의 영향을 잘 받지 않아 종전의 오일 에어 윤활방식에 비해 에어 유량을 20% 줄일 수있다. 그리고 <그림 8>에 나타내는 바와 같이 전동체에서 발생하는 소음(바람소리)도 줄일수 있으며 이같이 우수한 특징에 의해 에너지 절감, 저소음화에 크게 공헌할 수 있다.
  F타입 베어링은 종전에 베어링 측면을 통해 급유하던 방식에 더하여 외륜에 설치한 급유 노즐을 통해 보지기(Retainer) 안내 면으로 오일 에어를 공급하는 초고속 회전용 베어링이다. 슬라이드 접촉을 하는 보지기 안내면에서는 급가감속시, 초고속 회전 시에는 보지기의 거동이 불안정해지기 쉬웠으나 외륜 노즐로 오일 에어를 공급함으로써 보지기의 거동을 안정시켜 <그림 9>에 나타내는 바와 같이 종전에는 제트 윤활 등 다량 오일의 윤활 상태에서가 아니면 대응할 수 없었던 dmn(전동체 피치 내경× 회전속도)=3.3×106을 미소량의 오일 윤활인 오일 에어 윤활 상태에서 실현할 수 있는 탁월한 고속 성능을 확인할 수 있었다.
  급가감속 운전에 대해서도 종전의 베어링으로는 실현할 수 없었던 dmn=2.8×106/3초를 105회 반복 하는 시험을 해결하여 우수한 급가감속 안정성을 확인할 수 있었다.
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3. 향후의 고속 주축용 베어링
지금까지 설명한 바와 같이 주축용 베어링은 공작기계에 대한 시장의 고성능화 요구와 보조를 맞추어 보다 우수한 성능을 발휘할 수 있는 베어링으로 발전해 왔다. 앞으로도 요구 사양은 더욱 고도 이고 또한 다양해질 것이다. 일례를 들면 우선 정밀도면에서는 일반적인 회전 정밀도뿐만 아니라비동기 진동(NRRO) 관리가 일부에서 이미 시작되 었다. 그리고 에너지 절감, 친환경적 측면에서 오일 에어 윤활에서의 에어량이나 오일량을 극단적으로 줄인 윤활 방법과 새로운 그리스 윤활 시스템 등에 대한 연구개발이 진행되고 있다.
  이와 같이 고속 주축에 사용되는 롤러 베어링은 다양한 분야에서 더욱 고성능, 고부가가치화가 진행됨과 동시에 사용 조건에 적당한 베어링을 선택 하는 문제가 가장 중요한 항목으로 될 것이다.
  그리고 베어링으로서의 기본 성능인 신뢰성 향상이라든가 취급 용이성에 대한 요구도 높아질 것이므로 유닛화를 촉진시킬 필요가 있다.
  미래에는 종전의 베어링 기능에 Sensoring에 의한 자기진단 기능 등 고도의 부가 기능을 겸비하여 유닛화되고 또 간단히 취급할 수 있는 주축용 베어 링이 일반화되는 시대가 올 지도 모른다.
  이상으로 고속 주축용 롤러 베어링에 요구되는 기능에 대해 간단히 소개했는데 앞으로 주축용 롤러 베어링을 사용하는 데 참고가 되었으면 한다.
공작기계용 고기능 베어링의 특성과 그 사용법
지금까지 공작기계는 가공 효율의 고효 율화를 추구하기 위해 고속화, 고정밀도화및 고강성이 주목되어 왔다. 그러나 최근 근년에 들어와 각 산업 분야에서는 지구 규모의 환경 보호가 요구되기에 이르자 에너지 절감화, 환경오염대책, 소음을 포함한 작업환경 개선에 대해 주목하게 되었다.
  JIMTOF2002에 출품된 기계 조사에서 보면각 공작기계 메이커가 전시한 주력 기계는 복합 다축화의 고기능 공작기계에 더하여 환경을 배려한 기종도 다수 출품되었다.
  본고에서는 지금까지 연구해 온 고속화, 고정밀도화 및 고강성을 실현한 기술에 대해 소개하고 또한 환경보호를 고려한 기술 연구에 대해 보고한다.
1. 고기능을 지원하는 기술개발
주축의 고기능화에서는 앞에 언급한 고속화, 고정밀도화, 고강성, 이 3가지를 실현 하기 위해 윤활, 베어링 재료 더 나아가서는 해석 및 측정 기술 개발을 진행해 왔다.
  고속화 기술에서는 고속화에 수반하는 전동체 재료의 원심력이 미치는 영향을 작게 하기 위해 전동체의 지름을 작게 하고또 경량 전동체인 세라믹스 전동체를 개발 하였다. 보지기 재료에서는 보지기의 경량 화를 지향하여 엥 플라스틱을 탄소섬유로 보강한 보지기를 개발하고 내외륜·전동체 재료에 대해서는 고속 회전으로 인한 수명 저하를 개선하기 위해 강재(鋼材)의 장수명 화를 연구했다. 강재의 청정도를 높인 강재 (Z강, 초(超)청정도강 : EP강)를 개발하고 또한 고속 회전시의 내(耐)시저성을 개선한 재료(SHX재)도 개발되었다. 그리고 윤활에 있어서는 미량의 오일 입자를 연속적이고 확실하게 베어링에 공급하는 오일 에어 윤활이라든가 오일 에어 윤활의 고속화와 정음화(靜音化)를 가능하게 한 베어링(스핀숏Ⅱ)을, 그리스 윤활에서는 고성능 그리스를 각각 개발함 으로써 고속화 및 저발열을 실현하여 실용화하기에 이르렀다.
  고정밀도 기술에 있어서는 베어링 회전 정밀도 면에서 NRRO(비회전 동기 성분)의 저감 및 나노 마이크론 정밀도의 가공용 베어링을 개발하고 그베어링 회전 정밀도를 평가하기 위해 베어링 자체의 회전 정밀도 측정기를 개발함으로써 고정밀도의 공작기계를 실현했다.
  고강성 기술에 있어서는 원통 롤러 베어링에서 내열성이 높은 엥 플라스틱 보지기를 개발하고 윤활 방법도 내(耐)하중성이 뛰어난 공작기계용 고속 고강성 회전용 그리스(MTE그리스)를 개발함으로써 고강성 분야에서도 베어링 기술이 고기능의 공작기계를 발전시키는 데 공헌하고 있다.
  이와 같이 요소기술들을 개발한 결과 고속화, 고정밀도화, 고강성, 이 3가지의 시장 요구에 대응한 공작기계용 고기능 베어링으로서 1998년에 로바 스트 베어링 시리즈가 상품화되었다. JIMTOF2002에 출품된 10000min -1 이상의 고속기 분야에서 로바스트 베어링 시리즈가 약 40% 적용된 실적에서 보더라도 그 성능은 증명되고 있다.
  다음은 로바스트 베어링 시리즈의 구체적인 성능에 대해 소개한다.
 
 1.1 로바스트 베어링의 개발
 로바스트 베어링 시리즈는 공작기계의 고속화와 고정밀도화에 수반하는 스핀들의 빌트인 모터화에 대응하기 위해 개발되기 시작하였다. 로바스트 베어링은 모터 빌트인화로 인해 열원이 스핀들 내부에서 발생하는 그 대책으로서 온도 로바스트성(열적인 부하 변동에 대해 베어링의 열원이 둔감한 특성을 갖는다)을 향상시키기 위해 베어링 내부 설계의 최적화를 도모한 베어링이다. 이것들을 개발함에 있어서는 컴퓨터 해석과 내시저성을 향상시킨 SHX재를 개발할 필요가 있었다.
  SHX재는 <그림 1>에 나타내는 바와 같이 제트엔진 주축 베어링에 채택되고 있는 내열강 M50재에 필적하는 내마모성, 내시저성, 수명 특성을 갖고 있어 고속화, 고정밀도화, 고강성, 이 3가지의 기능을 실현할 수 있게 되었다.
  그리고 컴퓨터 해석에서는 온도 변화를 파라미터로 잡아 베어링의 발열을 최소한도로 하는 사양이 선정되었다. 그 성능은 <그림 2>에 나타내는 바와 같이 베어링의 내외륜 온도차에 대해 발열량, PV값의 변화를 적게 하는 사양으로 되어 있다. <그림 3> 에서는 그 해석 예와 실제의 회전 결과를 나타낸다. 이 해석 결과를 토대로 로바스트 시리즈 앵귤러 볼 베어링이 개발되었다.
  로바스트 베어링의 기술은 머시닝센터, 선반, 연삭기 등의 주축에 사용되고 있을 뿐만 아니라 현재는 반도체 제조장치나 산업용 로봇에도 채택되어 폭넓은 분야에서 사용되고 있다.
 
 1.2 초고속 앵귤러 볼 베어링 -스핀숏Ⅱ-
 스핀숏Ⅱ 베어링은 앞에서 설명한 로바스트 베어링 시리즈 중에서 가장 고속으로 회전할 수 있는 앵귤러 볼 베어링이다.
  초고속 회전을 추가 언급하면 윤활 방법으로는 제트 윤활이나 제트 언더레이스 윤활의 신뢰성이 높은 윤활 방법이 선정된다. 그러나 제트 윤활방식은 커다란 윤활장치나 대량의 윤활유를 공급하기 때문에 윤활유의 교반 저항으로 인해 소비동력이 커져 버려 고출력 모터를 필요로 하는 단점이 있었다. 그래서 오일 에어 윤활을 개량하여 적은 동력으로 고속시에도 확실하게 윤활되는 제트 윤활을 대신할만한 윤활 방법을 개발할 필요가 있었다. 또한 오일 에어 윤활의 문제점도 개선하는 정음화 및소비량 삭감을 컨셉으로 하여 개발한 것이 스핀숏Ⅱ 베어링이다.
 
 (1) 베어링 구조
 <그림 4>에서는 스핀숏Ⅱ 베어링과 종전 오일 에어 윤활방식의 구조를 나타낸다. 종전의 오일 에어 윤활 방식에서는 dmn 값이 2,500,000을 초과하는 영역에서는 고속 회전에 수반하여 발생하는 에어 커튼으로 인해 급유가 저해되기 때문에 베어링 내부에 100% 공급되지 않아 윤활 부족으로 인한 시저(Seizure)의 문제가 있었다.
  <그림 5>에서는 스핀숏Ⅱ 베어링의 윤활 원리를 나타낸다. 베어링 구조는 내륜 폭을 외륜 폭보다도 신장하여 내륜의 외경면이 테이퍼 형상으로 되어 있다. 에어에 어시스트(Assist)된 윤활유는 외륜간 시트에서 내륜의 외경면으로 분사된다. 그리고 윤활유가 표면장력에 의해 회전과 더불어 베어링 내부로 유도되어 윤활유가 전동체로 확실 하게 공급된다. 이 윤활유 공급 시스템은 빗속을 주행중인 자동차의 앞 유리에 부딪 치는 물방울의 흐름과 동일하다.
 
 (2) 성능 데이터
 <그림 6>에서는 스핀숏Ⅱ 베어링의 온도 데이터를 나타낸다.
  특수한 베어링 구조에 의해 고속 회전에 서도 윤활유를 전동체로 확실하게 공급할수 있어 정위치 예압, 외통 냉각의 조건하에서 dmn 2,500,000을 달성한다.
  <그림 7>에서는 소음 비교 데이터를 나타 낸다. 공기를 베어링 내부로 직접 분사하지 않는 구조이기 때문에 귀에 거슬리는 고주 파의 바람소리를 억제할 수 있게 되었다.
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2. 환경 친화적 고기능 제품
앞 절에서는 지금까지 개발해 온 고기능 베어링의 기술에 대해 설명했다.
  다음은 최근 시장에서 주목받고 있는 에너지 절감화, 환경오염 대책, 소음을 포함한 작업환경 개선 등 환경을 배려한 기술에 대해 설명한다.
  스핀들의 수명은 최소한 10,000~20,000시간(최고 회전에서의 연속 운전)을 충족시켜야 한다는 요구가 있어 종전의 그리스 윤활에서는 dmn1,300,000이 한계로 되어 있다. 그 이상의 회전에서는 항상 새로운 오일을 공급하는 오일 에어 윤활이나 오일 미스트 윤활이 주류로 되어 있다.
  오일 에어 윤활이나 오일 미스트 윤활은 오일의 미스트가 대기중으로 분무됨으로 인한 분위기 오염, 에어를 사용함으로 인한 에어 소비, 그리고 앞에서 설명했듯이 공급 에어가 베어링 전동체에 닿을 때 발생하는 바람소리 등의 문제가 있다.
  이와 같은 공작기계 주축의 문제점들을 줄이기 위해 그리스 윤활의 고기능화를 연구한다. 그리고 공작기계에 사용되는 절삭수의 침입을 방지하기 위해 볼나사 서포트용 베어링을 실링(Sealing;봉공 처리)함으로써 내구성을 향상시켰다.
 
 2.1 실링한 앵귤러 볼 베어링
 여기에 소개하는 실링한 앵귤러 볼 베어링 시리 즈는 <그림 8>에 나타내는 바와 같이 베어링 양측을 비접촉 타입으로 실링한 베어링이다. 실(Seal)은 베어링 외륜에 끼워 넣어져 있고 실부의 주속도 관계상 내륜과 실은 비접촉으로 되어 있다.
  비접촉 실이기는 하나 방진(防塵)성이 뛰어나고 회전 중에 그리스가 베어링 외부로 비산하는 것을 줄이기 때문에 친환경적이며 실 내부의 그리스로는 공작기계 주축용으로 개발된 MTS(내열성이 뛰어난 고속 회전용 그리스) 및 MTE를 사용함으로써 그리스의 장수명화를 실현했다.
  <그림 9>에서는 베어링을 실링한 경우와 종전 개방 형인 경우의 각 회전수에 대한 베어링 외륜의 온도 상승을 비교하여 나타낸다. 실링한 경우에도 종전의 개방형인 경우와 동등한 온도 특성을 보임을 확인할 수 있다.
  그리고 실링한 앵귤러 볼 베어링은 이미 그리스 밀봉이 끝났기 때문에 공작기계 메이커에서는 베어링 세정 및 밀봉 작업을 생략할 수 있어 취급성이 우수하다.
  실링한 앵귤러 볼 베어링에 대해서는 고속 시리즈인 로바스트 시리즈에 실링한 타입과 표준 시리즈에 실링한 타입, 이 2종류가 상품화되어 있다.
 
 2.2 그리스 보급 시스템
 앞서 그리스 윤활에서는 dmn1,300,000이 최소한 10,000~20,000시간으로 스핀들의 요구 수명을 충족시키는 한계라고 설명했다. 그래서 그리스를 외부에서 보급함으로써 그리스의 수명을 연장시키는 점에 착안 했다.
  <그림 10>에서는 회전수와 그리스 수명과의 관계를 나타낸다. 저발열 설계로 된 로바스트 앵귤러 볼 베어링이 그리스 수명 면에서 우수함을 알 수 있다. 하지만 로바스트 앵귤러 볼 베어링(내외륜 : SHX재, 전동체 : 세라믹 볼)을 사용하더라도 그리스 윤활의 경우 dmn 1,700,000에서는 수명이 3,000시간 정도이다. 이 상태라면 롤러 피로 수명보다는 그리스 수명에 있어 문제가 된다. 이러한 시험결과를 토대로 고속 회전시에도 그리스를 자동으로 공급할 수 있는 보급조건을 찾아 그리스로 고속 회전을 할 수 있는 새로운 윤활방법을 개발했다.
  이하에서는 보급 시스템에 대해 설명한다.
 
 (1) 그리스 보급 구조
 <그림 11>에서는 그리스 보급 시스템의 구조를 나타낸다. 에어로 구동하는 정량 스핀들 장치를 탑재한 그리스 보급장치에 의해 그리스가 토출된다. 토출된 그리스는 배관을 통해 베어링 내부로 공급된다. 이 구조는 오일 에어 윤활과 거의 동일하나 오일 에어 윤활과 같이 에어가 그리스 반송을 어시스트하여 에어와 함께 그리스가 베어링 내부로 공급되는 것이 아니라 그리스만 공급된다. 이때 그리스가 베어링 내부로 확실 하게 보급되도록 <그림 12>에 나타내는 바와 같이 외륜에 만들어진 구멍을 통해 외부 제어장치를 사용해서 간헐적으로 보급하는 구조로 이루어졌다.
  그리스 보급장치의 정량 피스톤은 1회 토출 동작에서 0.01~0.03cc정도의 미량 그리스를 베어링에 간헐적으로 보급한다. 이 윤활 방법에서는 그리스 보급량에 대한 제어가 중요하다. <그림 10>에서알 수 있듯이 저속 회전과 고속 회전에서 그리스의 보급량이 다르다. 그래서 보급하는 그리스량을 속도 감응식으로 하였다. <그림 13>에서는 제품화된 그리스 보급장치를 나타낸다.
 
 (2) 보급 그리스 배출에 대하여
 그리스 보급 시스템에 있어서는 보급한 그리스가 원활하게 배출되도록 하는 점이 이 시스템 개발에서 중요하다. 그리스가 배출되지 않으면 베어링 내부에 그리스가 많이 남아 교반 저항이 커지기 때문에 이상 발열이나 이상음을 일으키는 원인이 된다.
  그리스가 베어링 외부로 배출되기 쉽도록 <그림 12>에 나타내는 바와 같이 베어링 양측에 그리스 배출용 간좌(間座)를 만들고 또 폐(廢)그리스 저장 홈을 하우징에 만들었다.
 이 새로운 윤활 방법은 일본정공(주)가 개발한 빌트인 모터 스핀들에 적용되어 오일 에어 윤활이나 오일 미스트 윤활과 비교해서 에어를 상시 사용 하지 않기 때문에 에어 소비 저감(70%), 오일이 대기중에 확산되지 않기 때문에 분위기 오염 저감 그리고 바람소리로 인한 소음 저감(20,000회전시의 소음이 69dB이다)을 실현하고 있다.
 
 2.3 실링한 볼나사 서포트용 베어링
 실링한 볼나사 서포트용(TAC) 베어링 시리즈는 <그림 14>에 나타내는 바와 같이 양측에 접촉형 실을 부착한 베어링이다. 볼나사 서포트의 사용 회전수는 최고 dmn250,000 정도이기 때문에 접촉형 실을 채택했다. 하지만 실 접촉부의 발열 및 토크 증대를 막기 위해 밀봉성이 높은 경(輕)접촉 실을 채택했다. 2.1에서 설명한 주축용 실링한 앵귤러 볼베어링과는 달리 접촉 실을 채택함으로써 절삭수 침입으로 인한 베어링의 손상을 막을 수 있고 또 그리스로는 내수성이 높은 그리스(WPH그리스)를 채택했다. 이 그리스는 워터 펌프용 그리스에서 실적을 갖고 있다.
  <그림 15>에서는 베어링의 기동 토크를, <그림 16>에 서는 각 회전수에서의 외륜 온도상승에 대한 시험 결과를 각각 나타낸다. 실링한 베어링은 종전의 오일 실과 비교해서 기동 토크 및외륜 온도상승의 저감을 확인할 수 있다.
  또한 <그림 17>에서는 내수성에 관한 종전의 오일 실과 실링한 베어링에서 시험한 결과를 나타낸다. 오일 실과 비교해서 실링한 베어링은 내수성이 뛰어남을 확인할 수 있다.
  실링한 베어링은 그리스 밀봉을 했기 때문에 공작기계 메이커에서 베어링 세정·밀 봉작업을 생략할 수 있어 취급성이 좋다고 앞에서 언급했는데 이에 더하여 단열(單列) 베어링에서 정면과 배면의 폭 차이를 소정의 예압이 되도록 조정이 이루어지는 만능 조합 사양을 표준으로 하고 있기 때문에 제품관리 면에서도 우수하다. 그리고 베어링의 좌우 방향성을 식별하기 위해 좌우의 실을 다른 색으로 하고 있어 축에 베어링을 조립할 때 범할 수 있는 실수를 방지하는 면에 서도 배려했다.
  더욱이 볼나사 서포트용 베어링은 소경 볼을 배열함으로써 액셜(Axial) 부하 능력을 올렸다. 그러나 이 설계에서는 정격 하중이 저하되어 수명이 짧아지는 문제가 있다. 그러 므로 종전의 볼나사 서포트용 베어링은 내외륜 및 전동체에 초(超)청정도강이면서 베어링 수명이 종전 SUJ2(베어링강)의 3배인 EP 강을 채택하였고 이번에 소개한 실링한 타입도 종전품과 마찬가지로 EP강을채택하였다.
  본고에서는 고속화, 고정밀도화, 고강성의 3가지 요구 중에서 고속화와 환경을 배려한 그리스 윤활의 고기능화 개발을 중심으로 그 내용을 소개했다.
 그 외에 고정밀도, 고강성의 개발도 진행 되고 있으나 지면 관계상 기회가 있을 때 다루기로 한다.
  앞으로도 시장의 요구 변화에 대응한 새로운 기술을 제공하여 공작기계산업의 발전을 지원하는 베어링 개발에 몰두해 갈 것이다.
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고속 주축을 위한 고속·고효율 빌트인 모터
공작기계용 주축 모터는 서보 모터의 일종이기는 하나 고속회전 성능을 중시한 독자적인 특성을 갖고 있다. 근년에 와서는 기계가공의 고효율화, 고정밀도화 요구에 대응하기 위해 공작기계(특히 머시닝센터)의 고속화가 진전되는 가운데 고속·고정 밀도의 관점에서 주축 모터의 저발열화가 강력히 요구되고 있다. 종전부터 고속 가공 기용 주축 모터로는 유도전동기(IM :Induction Motor, 이하 IM이라고 약칭한다) 타입이 널리 채택되고 있어 최근에는 최적 여자(勵磁) 제어에 의한 저발열화 외에영구 자석 매입형 모터(Internal Permanent Magnet-typeMotor, 이하 IPM이라고 약칭한다)가 등장함에 따라 고효율·저발열화로 선택지가 확산되어 가고 있다.
  IPM은 토크가 큰 영역에서 효율이 좋아 모터의 소형화 혹은 저손실화가 가능해지는 등의 특징을 갖고 있는데 회전자(Rotor) 구조의 강도적인 한계 및 고속 회전 영역에 서의 철손(鐵損) 증가 등을 이유로 고속화 대응에 있어서는 아직도 과제를 안고 있다.
  그러므로 10000min -1을 초과하는 고속기에 대해서는 회전자 구조가 견고한 IM이 현재도 주류로 되어 있다.
  고속 머시닝센터, 금형 가공기 등의 고속 가공기에 있어서는 일반적으로 최고 회전 속도 부근에서 사용되는 시간이 비교적 길고 또 최근 고속가공 기술의 주류는 “낮은 절입·고이송”이기 때문에 절삭시의 부하 출력은 비교적 작다. IM은 원리상 무부하 ·경부하 운전시의 전기적 손실은 작을 것이나
 ① 사용 회전속도 상승에 따른 전원 주파 수의 상승
 ② 인버터의 스위칭 동작에 따르는 고주파 전류의 유입 등의 영향이 있어 고속 회전 영역에서의 모터 발열을 피할 수 없다. 그래서 미쯔비 시전기(주)의 독자적인 모터 설계·제조기 술로써 고속 회전 영역에서 모터의 전기적 손실을 종전비 50% 저감한다는 고효율의 IM을 개발했다<그림 1>. 본고에서는 새로 개발한 “고속·고효율 시리즈”의 개요 및 고속 주축의 기술 동향에 대해 설명한다.
1. EMO2003에서 본 고속 주축의 동향
작년 가을 밀라노(이탈리아)에서 개최된 EMO2003에서는 사용자 요구인 고속·고 정밀도 가공기술, 복합화 가공기술의 비약 발전에 더하여 리니어 모터, DD 모터라는 직동(DirectDrive) 기구를 도입한 기계가 많이 출품되었다. 여기서는 특히 고속 주축 탑재기의 동향에 대해 설명한다.
  <그림 2>에서는 EMO2003에 최고 회전속도 20,000min -1 이상의 고속 주축을 탑재한 기계가 출품된 상황을 나타낸다. <그림 2>에는 비교하기 위해 EMO2001에 대한 데이터도 병기(倂記)했다. EMO2003에 출품된 20,000min -1 이상의 주축을 탑재한 기계 대수는 약 40대 이상으로, 2년 전과 비교해서 대수 면에서의 신장은 보이지 않았다. 그러나 EMO2001에서 보였던 50,000min -1 이상의 초고속 주축은 EMO2003에 출품되지 않았고 현재 가장 실용적인 20,000min -1 전후의 주축이 정착되어 가고 있음을 엿볼 수 있다. 주축 모터에 대해서는 저발열화, 대출력화의 요구가 강해지고 있다.
2. 고속·고효율 빌트인 주축 모터
2.1 고효율화의 적용 범위
 고속 주축 모터로는 종전부터 IM이 널리 사용되고 있으며 그 회전자에는 <그림 3>과 같은 알루미늄 도체를 일체 성형한 케이지형 회전 자의 구조가 채택되어 있다. 이것은 케이지형 회전 자의 구조가 견고하고 고속 회전에 적당하며 또한 비교적 저렴하게 제조할 수 있기 때문이다. 미쯔비 시전기(주)에서는 1981년부터 제품화하였고 현재는 라인업으로서 최고 회전속도 70,000min -1 까지 갖추어 놓고 있다.
  <그림 4>에서는 빌트인 주축 모터의 시리즈 구성을 나타낸다. 회전자 외경의 최대 주속에 따라 크게 3시리즈로 구분되어 있다. 일반적인 시리즈는 회전자 외경 주속 80m/s 이하에서 종전의 제조기술(다이캐스팅법)로 제작한 것으로 선반 주축 등과 같이 비교적 저속 영역에서 사용되는 모터이다. 초고속 시리즈는 “부동(浮動)형 용탕(溶湯) 단조법”으로 불리는 제조기술을 적용하여 주조 결함 발생을 피하고 고강도·고신뢰성을 확보하도록 개발된 회전자를 적용한 시리즈로 회전자 외경 주속 180m/s의 초고속 회전을 실현하는 모터이다. 고속 시리즈는 회전자 외경 주속 130m/s 이하의 모터로 앞에 언급한 시리즈의 중간에 위치한다. 앞장에서 설명한 바와 같이 현재 머시닝센터의 주력 기종은 고속 시리즈 범위 내에 있기 때문에 해당 시리즈에 고속·고효 율화를 적용했다.
 
 2.2 종전 시리즈의 특성 분석
 고속·고효율 시리즈를 개발할 때 종전 시리즈의 제품군 중에서 1기종을 선정하고 그 손실 특성을 분석했다. <표 1>에서는 검증한 기종의 사양을 나타 낸다. 검증 기종(이하 종전 모터라고 지칭한다)으로는 100프레임, 4극, 최고 회전속도 15,000min -1, 연속 정격출력 2.2kW로 비교적 용량이 작은 기종을 선정했다.
  종전 모터의 상세한 특성을 파악하기 위해 각 회전속도에 대한 무부하 운전시, 부하 운전시의 손실 특성을 파악했다.
  <그림 5(a)>에서는 무부하 운전시의각 회전속도에 대한 손실 분석 결과를, (b)에서는 부하 운전시의 각 회전속도에 대한 손실 분석 결과를 각각 나타낸다.
  무부하 운전시 모터의 전기적 손실은 철손이 지배적이고 특히 최고 회전속도 15,000min -1일 때는 철손이 모터 전체 전기적 손실(1차 동손(銅損)과 철손의 합)의 90% 이상을 차지하고 있음을 알 수 있다. 이것은 전원 주파수의 상승에 따른 기본파 철손의 증가 및 인버터의 스위칭 전류 변형으로 인한 고조파 철손의 증가 때문이다.
  그리고 부하 운전시에는 1차 동손, 2차 동손이 증가하지만 무부하시와 마찬가지로 철손이 상당 부분을 차지하고 있음을 알 수 있다. 특히 15,000min -1 무부하 운전시에는 철손이 모터 전체 전기적 손실(1차 동손, 2차 동손, 철손의 합)의 70% 이상을 차지하고 있음을 알 수 있다. 이상으로 종전 모터의 특성에 입각하여 “고속·고효율 시리즈”를 개발함에 있어 다음과 같은 목표 사양을 설정 했다.
 ① 최고 회전속도에서 모터 전기적 손실의 총합을 종전비 : 50% 이하로 한다(무부하 운전시, 부하 운전시 모두).② 기저(基底) 속도(베이스 속도)에서 모터 전기적 손실의 총합은 종전과 동등한 레벨로 한다(무부하 운전시, 부하 운전시 모두). 앞에서 언급한 바와 같이 현재의 고속 가공기에 있어서는 일반적으로 고속회전 속도에서 사용되는 시간이 비교적 길고 또 고속 회전 영역에서는 주축의 발열이 특히 중요시 되기 때문에 위와 같은 내용을 목표로 했다.
 
 2.3 고속·고효율 시리즈의 특성 분석
 2.2항에서 설명한 종전 모터의 특성 분석 결과를 토대로 특히 고속 회전 영역에서의 손실(특히 철손)을 줄이기 위해 전자계(電磁界) 해석 기술을 이용하여 고속·고효율 빌트인 IM주축 모터(이하 고효율 모터라고 한다)를 검토했다. 주요 사양 변경은 다음과 같다.
 ① 전자(電磁) 강판의 업그레이드
 ② 모터 갭 치수의 최적화
 ③ RotorCore사양(슬롯 수 등)의 최적화
 이같은 사양 변경을 반영한 고효율 모터를 설계·제작하여 종전 모터와 마찬가지로그 특성 시험을 실시했다. 단, 고효율 모터의 출력과 토크 등의 기본 사양은 <표 1>과 같다. <그림 6>에서는 무부하 운전시의 종전 모터와 고효율 모터의 손실 비교 결과를, <그림 7>에서는 부하 운전시의 종전 모터와 고효율 모터의 손실 비교 결과를 각각 나타낸다.
  <그림 6>에서는 최고 회전속도 15,000min -1로 무부하 운전시의 모터 전기적 손실이 고효율 모터 에서는 종전 모터에 대해 54% 저감되었음을 알수 있다. 이것은 철손 저감 효과 때문이다.
  1,500min -1로 무부하 운전시의 전기적 손실은 거의 동등하다.
  그리고 <그림 7>에서 볼 때 최고 회전속도 15,000min -1, 1.7kW출력시의 모터 전기적 손실에 대해서는 고효율 모터가 종전 모터에 대해 47% 저감되었음을 알 수 있다. 이것도 무부하시와 마찬가지로 철손 저감 효과 때문이다.
  1,500min -1, 3.1kW 출력시에 있어서 고효율 모터는 1차 동손이 약간 증가하나 그만큼 철손을 줄였기 때문에 결과적으로 전체 전기적 손실은 모두 거의 동등하게 되어 있다.
  참고로 <표 2>에서는 15,000min -1로 무부하 연속 운전시의 시험 모터 각 부위의 온도를 측정한 결과를 나타낸다. 시험 모터의 냉각 방식은 공랭으로 실시하고 시험 모터 각 부위의 온도가 포화상태에 이를 때까지 연속 운전을 한 다음 온도 상승치를 측정했다. 이 결과에서 보면 모터의 코일 끝에서 종전 모터 : 30K에 대해 고효율 모터 : 16K로 약 1/2까지 온도 상승이 줄었음을 알 수 있다. 그리고 회전자 표면온도에 대해서도 종전 모터 : 28K에 대해 고효율 모터 : 15K로 대폭 줄어 있어 “고효율화”의 효과가 확인되었다. 이 결과를 근거로 해당 모터를 장착한 공작기계용 주축에 대해 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
 ① 주축 열변위량 저감에 따른 가공 정밀도의 향상② 주축으로부터의 열 전달로 인한 구조 물의 열변형 경감③ 주축 발열량의 저감에 따른 주축용 냉각장치의 용량 저감 그리고 사이즈(프레임 번호)가 다른 모터수 기종에 대해서도 앞에서 말한 것과 같은 검증을 실시했는데 모두 앞에서 설명한 결과와 같은 정도의 “고효율화” 효과를 확인할 수 있었다.
 
 2.4 고속·고효율 시리즈의 특징
 고효율화의 정량적 효과에 대해서는 앞에서 설명한 대로인데 제품에는 “고효율화”의효과 외에 다음과 같은 특징을 갖고 있다.
 ① “용탕 단조 회전자”를 표준 채택 “용탕 단조법”으로 불리는 제조기술을 적용함으로써 회전자 도체부에서 수축 캐버티 등의 결함이 발생하는 것을 피하여 회전자 자체의 정밀도를 향상시킨다.
 ② 고정자(Stator) 전체 길이의 단축화(종전비 20% 저감) 고정자의 코일 끝 치수를 단축함으로써 고정자 전체 길이의 단축화를 도모한다. 이로써 주축 유닛의 소형화라든가 주축의 고강성화를 실현할 수 있다.
  <표 3>에서는 고속·고효율 시리즈의 치수 제원을 나타낸다.
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3. 최적 여자(勵磁) 제어에 의한 주축 발열 저감
고속 회전시에는 주 자속(磁束)의 주파수 상승에 수반하여 모터 손실(특히 철손 중의 와전류 손실로 거의 주파수의 자승에 비례한다)이 증가할 것으로 염려된다. 고속 회전 사양의 IM에 대해서는 전자강 판의 업그레이드 등에 의한 철손 저감 대책을 검토하고 있는데 주축 드라이버측에서 이루어지는 저감책의 하나로 “최적 여자 제어”가 있다. 이것은 전체 회전 영역에서 부하의 크기에 따라 여자 전류(주 자속을 발생시키기 위한 전류)의 크기를 가장적당하게 제어하는 것으로 특히 무부하·경부하시의 무부하 철손(주로 기본파 철손)을 줄이는 데 효과가 있다. <그림 8>에서는 최적 여자 제어의 여자율 설정 패턴을 나타낸다. 부하가 발생했을 경우 전류 피드백 신호, 회전각도 피드백 신호를 토대로 토크분 전류를 산출하고 그 토크분 전류에 맞는 여자 전류를 인가하기 때문에 가파른 충격 부하를 받았을 경우에도 고응답성을 유지할 수 있다.
  본고에서는 “고속·고효율 빌트인 주축 모터”의특징에 대해 설명했다. 공작기계의 주축 고속화는 이송계 고속화와 병행하는 추세이므로 주축 모터의 고속화, 고효율화를 더 한층 추구해 갈 것이다.
  그리고 최근에는 유럽을 중심으로 동기식 모터를 주축 구동용으로 채택하는 사례가 늘기 시작했다.
  동기식 모터의 경우는 회전자에 영구자석을 사용 하기 때문에 고속 영역에서의 기계적 강도, 전압 포화 문제를 피할 수 없다. 그러나 큰 토크를 얻을 수있고 또 저속 영역에서의 손실이 IM에 비해 작은점 등의 이점이 있기 때문에 앞으로 적용 범위가 확대될 것으로 기대된다.
차세대 공작기계에 요구되는 직동 안내
직동 롤러 안내(이하 직동 안내라고 한다)는뛰어난 그 특징에 힘입어 사용자의 입장에서 많은 이점을 창출하기 때문에 오늘날에는 공작기계를 비롯하여 로봇, 반송장치, 반도체 제조장치, 액정 제조장치 등의 산업기계 분야에 서부터 면진(免震)장치, 철도 차량, 버스, 자동 문, 시스템 키츤과 같은 민생 분야에 이르기까지 폭넓게 이용되어 요소 부품으로서 빼놓을수 없는 것으로 되어가고 있음은 의심할 여지가 없다.
 이 직동 안내의 역사를 거슬러 올라가면 세계 최초의 직동 안내라고 말할 수 있는 볼 부싱이 미국에서 고안되었는데 지금부터 꼭 60년 전인 1944년의 일이다. 그것을 토대로 발전하여 현재 사용하는 직동 안내의 원형이 된 볼 스플라인이 개발된 것은 1970년 초이고 그로부터 2년 뒤에는 현재와 같은 레일과 캐리지라는 형태의 직동 안내가 개발되었다. 그리고 나서 시장의 수요와 요구사항을 흡수하여 다양한 형식의 직동 안내가 탄생하여 오늘에 이르고 있다.
  현재도 직동 안내는 시장의 수요와 요구사 항을 받아들여 가면서 계속 발전하고 있는 상태이다. 그래서 여기서는 공작기계의 차세대 발전 형상에 맞추어 직동 안내에 통합되어 있는 기술에 대해 설명한다.
1. 공작기계의 기술 동향
산업 분야뿐만 아니라 정치, 경제, 사회, 문화 등등 그 표현 양식은 다르더라도 항상 변화 발전해 감은 세상의 이치일 것이다. 그런 가운데 공작기계는 어떻게 발전해 가는가? 하는 과제에 대해 정리해 보기로 한다.
  공작기계는 이전 못지 않게 가공의 고정 밀도화, 고속화, 고능률화, 자동화에 대한 요구가 높아지고 있다. 이러한 기술적 요구에 부응하기 위해 공작기계 및 관련 가공기 술에 대해 인텔리전트화를 도모하고 최신 기술을 도입하려고 하는 연구 개발이 활발히 이루어 지고 있다. 그리고 한국과 대만 등의 저비용 범용기에 대응하기 위해 각 메이커 모두 타사가 흉내낼 수 없는 독자적인 기술과 제품을 보유하여 강한 경쟁력으로써 세계를 리드해 가야 할 필요 에도 임박해 있다.
  따라서 공작기계의 기술 동향은
 ⅰ) 세계적인 비용 경쟁력의 요구, 납기 단축, 변종 변량 생산의 요청
 ⅱ) 지구환경 문제의 대응 방안
 ⅲ) 전자·광학 부품의 성능 향상 요구 등의 외부적 요인이 존재하는 가운데 다음과 같이 7개 항목으로 정리할 수 있다.
 ① 환경 대응
 ●세미드라이/드라이 가공(칩 흡인, 마그네슘 가공, 생태적 연삭)
 ●에 너 지 절 감 ( 대 기 시 간 삭 감 )
 ●스 페 이 스 절 감 ( 경 량 연 삭 기 등 )
 ●무윤활·무유압(절전형·인버터·메인티넌스 프리 등)
 ② 병렬 링크형 공작기계
 ③ 복합화·다기능화·공정집약화
 ●연삭+선삭, 선삭+밀링가공, 다면·다축 가공
 ④ 리니어 모터
 ●머 시 닝 센 터 , 연 삭 기 , 전 용 기 등
 ⑤ 고속화 기술(주축, 이송, 테이블 분할 등)
 ●가공 시 간 , 비 가 공 시 간 의 단 축
 ⑥ IT응용화 기술(원격진단, 보수)
 ⑦ 초정밀 가공기계(나노 가공)
2. 직동 안내의 최신 기술
이상과 같은 공작기계의 기술 동향 속에서, 현재 공작기계에서 점점 필수화되어 가는 직동 안내는 그러한 요구에 부응하기 위해 기술적 발전을 멈출수 없는 상황으로 접어들고 있어 매일 계속해서 연구개발하고 있다. 여기서는 공작기계의 발전에 맞추어 개발된 기술을 소개한다.
 
 2.1 기본 기술
 원래 공작기계의 안내면에 사용될 경우의 기본적 요구로는 소형 경량, 고강성, 고부하 용량, 고생산 성이 있다. 이 모두를 균형있게 갖추어야 함이 필수 요인으로 되어 있다. 직동 안내는 지금까지의 공작 기계 발전에 대해 정확하게 또는 선행하는 형태로 개발을 반복해 가고 있으며 현재 공작기계용으로 개발된 형식은 이러한 요구에 균형있게 적합시 켜야만 얻을 수 있었기 때문에 오늘날 공작기계에서 직동 안내의 지위가 확보되어 왔다고 생각 한다<그림 1>. 따라서 앞으로 공작기계가 계속해서 발전해 간다고 하더라도 지금까지 균형을 이루어 온 직동 안내의 기본 부분은 근본적으로 달라지지 않을 것이다.
  그러나 요소마다의 발전 및 전체적인 균형을 잃는 다면 결국은 적합할 수 없게 되므로 연구개발을 게을리 하지 않고 반복하고 있는 상황이다.
 
 2.2 고속화, 윤활제 유지 기술
 효율을 향상시킴에 있어 우선적으로 누구나 생각하는 것이 비가공시간의 단축을 위한 고속화이다. 그리고 환경문제를 고려하여 무윤활을 생각하고 그와 동시에 메인티 넌스 프리도 실현해 가려는 것이 추세로 되어 있다. 이러한 요구에 대해 동시에 응할수 있는 것이 전동체인 볼이나 롤러 사이에 리테이너를 끼워넣은 리테이너 장착 직동 안내이다. 리테이너화 기술 자체는 백여 년전에도 회전용 베어링에서 실용화되고 지나칠 정도로 실증되어 왔다.그런데 직동 안내에 적용하게 되면 당초에 그 필요성이 요청된 적도 있지만 무한히 순환하는 움직임의 복잡성이라든가 연결되어 있는 부분의 내구 성과 같은 기술적인 과제가 많아 실용화하 기까지는 상당한 시간이 걸렸다<그림 2>. 그러나 리테이너 장착 직동 안내가 개발 되어 시장에 등장하고서부터는 순식간에 공작기계를 둘러싼 시장에 많은 이점을 낳았다. 예를들면 서로 이웃하는 전동체와 리테 이너 및 전동체가 통과하는 관통 구멍 사이에서 형성되는 스페이스가 그리스 포켓으로 되고 윤활제가 장기간에 걸쳐 유지되기 때문에 메인티넌스 프리가 실현되었다. 또한 전동체 사이에 있는 모든 리테이너끼리 양측의 벨트로 연결되어 하나로 되기 때문에 특히 무부하 영역에서 전동체 개개의 움직 임에 지연이 생기는 일이 없어 미소한 움직 임에 기민하게 반응하기 때문에 추종성이 높아지고 원호 보간시 상한(象限) 돌기가 낮게 억제됨으로 인해 윤곽 가공 정밀도를 높일 수 있었다. 같은 이유로 인해 고속 이송에 대해서도 충분한 대응력을 발휘했다. 현재 벤치마크 테스트에서 300m/min(5m/s)의 고속 내구성 시험을 해결하고 있다 <그림 3>.
 2.3 최소 최적량 급지(給脂) 기술
 구름 접촉에서 윤활은 기본적으로 금속이 접촉하는 부분에 윤활제가 존재하여 유막을 형성해 주면 된다. 따라서 그런 목적을 위해 직동 안내일 경우에는 그리스를 캐리지 내부 공간으로 공급한다. 그러나 그런 그리스 중에서 실제로 접촉부를 돌아 유막 형성을 도맡고 있는 것은 약 30~50% 정도일 것이다. 따라서 리테이너가 장착된 직동 안내가 아닐 경우에는 정기적으로 그리스를 공급하고 오일 윤활일 경우에는 펌프 등에 의한 간헐적 급유 시스템으로 설계해야 함이 불가피하다.
  그러나 오일을 간헐적으로 공급한다든가 그리스를 정기적으로 공급하는 방식은 현재 절반 이상이 낭비되고 있는 상태이고 특히 오일은 그대로 기계 주변으로 흘러 넘쳐 버려 환경면에서도 결코 좋은 상태라고는 말할 수 없을 것이다. 따라서 윤활제를 효과적으로 활용하는 기술은 차세대 공작기계에 있어서 환경 문제를 고려한 무윤활이나 메인티넌스 프리를 실현하려면 반드시 해결해야 할 과제이다. 그래서 그러한 점들을 해결하는 기술로서 윤활 장치 QZ을 개발했다<그림 4>. 윤활장치 QZ은 그 내부 공간에 Fibernet를 채우고 비교적 점도가 높은 오일을 충전한다. 내부 공간은 유량 제어판에 의해 둘로 나뉘어 보다 많은 오일을 유지하는 고(高)함유 Fiber net과, 레일 전주(轉走) 홈에 접촉하여 실제로 오일 도포의 목적을 가진 고밀도 Fibernet로 구성되어 있다. 고함유 Fibernet에 충전된 오일이 유량 제어판에 의해 제어된 양만큼 고밀도 Fiber net에 스며들어 캐리지의 주행과 더불어 전주 홈에 오일을 공급해 준다. 이로써 전동 체가 금속과 접촉하는 부근에 직접 급유할 수 있게 되어 지금까지 낭비되었던 오일을 대폭 줄일 수 있었다. 그렇게 되면 당연히 필요 최소한의 오일량으로 충족되어 환경 친화적, 메인티넌스 프리 더 나아 가서는 총체적으로 비용절감도 실현하는 기술로서 확산되고 있다.
 
 2.4 방진(防塵) 기술
 직동 안내는 물론 대체로 구름 접촉에 있어서 전동체 접촉부에 이물질 등의 외란이 존재한다는 것은 모든 성능에 영향을 미치기 때문에 절대 피해야 한다. 특히 공작기계에서는 절삭으로 인한 칩, 연삭으로 인한 연삭분, 그리고 쿨런트 등의 외란이 매우 많은 환경이라고는 하지만 구름 접촉에 있어서 열악한 환경이라고 말할 수 있다. 더구나 차세대 공작 기계에 요구되는 각 항목에 있어서도 당연히 피해야 할 사항임에 틀림없다.
  종전에는 방진용 고무 Seal을 이중 삼중으로 해서 금속 스크레이퍼를 부착하는 등 여러 가지의 방법을 적용해 왔는데 결국은 고무라는 재질상의 문제라든가 레일에 끼워맞춤 공차(Interference)를 만들어 립부를 접촉시킨다는 구조이어서 마찰 저항이 증가하고 그에 따른 위치결정 정밀도, 로스트 모션 악화 등의 문제를 수반하기 때문에 멀리하는 경향에 있었다.
  그래서 새로 개발한 것이 오일을 미리 함유시켜 둔 저(低)마찰 수지재를 레일면에 접촉시키고 그것을 3층으로 적층한 구조를 가진 적층형 접촉 스크레이퍼 LaCS이다. 이것을 레일 전면(全面)에 완전히 접촉시킴으로써 방진 성능이 매우 높아지고 지금까지 사용해 온 립(Lip) 형식의 Seal과는 비교도 안될 정도의 능력을 보여주었다. 그리고 3층 구조 채택에 따른 방진 능력의 지수 함수적인 향상과 더불어 함유(含油) 타입의 수지를 적용함으로써 마찰 저항의 증가를 최소로 억제할 수 있었다<그림 5>.
 
 2.5 고정밀도화 기술
 초정밀 가공을 비롯한 고정밀도 분야가 되면 직동 안내는 볼 또는 롤러가 구르면서 무한히 순환하고 있는 구조이기 때문에 그에 수반하여 생기는 테이블 등의 진동이 가공면에 수축 캐버티로 나타나 다듬질면의 품위가 떨어진다는 이유에서 멀리하는 경향이 있다.
 이 문제에 대해서는 다음과 같은 해결을 모색했다. 우선 직동 안내를 테이블 등에 조립된 직동 안내 시스템으로 받아들여 직동 안내 내부에 들어가 있는 모든 볼 접촉부에 대한 볼 하중·탄성 변형량·접촉각과 직동 안내 시스템에 작용하는 외력·모멘트에 의한 테이블 변위량을 직동 안내 시스템 내에서 작용하는 힘과 모멘트의 균형 관계식을 풀면 구할 수 있는 부하분포 이론을 확립하 였다. 그리고 테이블을 이동하면 볼의 위치가 전동(轉動)하게 되고 그 부하 분포 상태가 변하여 테이블이 미묘하게 자세를 변화해 가는 모습을 연속적으로 해석한다. 바꾸어 말하면 볼이 순환하면서 이동하고 있는 상태에서의 테이블 진동을 해석할 수 있으 므로 그 진동 편차폭을 최소로 하기 위한 직동 안내 내부의 설계값을 최적화할 수 있는 기술을 확립했다.
 본 기술을 확립하기 위해 정밀도 측정용 1축 테이블을 제작했다. 고정밀도의 측정을 목적으로 하고 있기 때문에 측정기는 정전 용량형 비접촉 타입을 채택하고 구동은 구동장치에 의한 영향을 받지 않도록 1축 액추에이터에서 로드셀을 개재하여 실시했으며 측정 속도는 아주 느린 1mm/s이었다<그림 6>. 표준형 직동 안내 시스템과 해석에 따라 진동 편차폭이 최소로 되는 직동 안내 내부 설계값을 적용한 특수형 직동 안내 시스템을 이용하여 동일한 기계, 동일한 시험조건 하에서 테이블 진동을 측정하였다. 종축의 범위를 동일하게 나타내고 있으므로 그 차이는 뚜렷함을알 수 있다<그림 7>, <그림 8>. 물론 그 값은 해석하여 얻어진 결과와 아주 잘 일치하고 있다.
 이 기술을 적용하면, 지금까지 구름 접촉에 있어서 진동 편차폭의 일반적으로 인식되어 있는 값인0.1㎛가 0.01(~0.001)㎛까지 비약적으로 정밀도를 향상시킬 수 있어 고정밀도 가공 분야에서도 직동 안내에 충분히 대응할 수 있다는 인식이 점점 확산되어 가고 있어 현재 널리 인용되고 있는 상황이다.
 
 2.6 신뢰성 높은 기술
 직동 안내를 사용해 감에 있어 요구되는 성능은 예를들면 진직 정밀도, 테이블 진동, 강성, 수명 등등 다기에 걸쳐 있다. 종전에는 특히 정밀도 등에 대해 「실제로 측정해 보지 않으면 모른다」는 말이 당연시 여겨져 왔으나 현재는 그것들을 이론적으로 해석하여 추측할 수 있게 되었고 여러 가지의 실험 데이터를 통해서도 검증되어 그 이론 해석에 의한 결과들이 높은 신뢰성을 받기에 이르렀다. 이와 같이 이론적인 해석도 발전됨에 따라 직동 안내를 사양에 맞추어 올바르고 또한 가장 적당한 형식을 사전에 선정할 수 있어 낭비없이 효율적으로 설계할 수 있게 되었다.
  얼마 전까지만 해도 공작기계 관련업계의 입장에 서는 실로 우울한 날들의 연속이었는데 조금씩 밝은 햇살이 비추어지는 것 같다. 직동 안내 메이커의 입장에서 볼 때 공작기계 메이커는 Needs와 Wants를 많이 표출하고 있어 신기술 개발에 크게 조력하고 있기는 하지만 끊을래야 끊을 수 없는 공생관계에 있다. 따라서 그 햇살은 직동 안내 메이커에도 비춰질 것이다.
  하지만 직동 안내 메이커로서는 거기에 만족할 수만은 없어 향후 공작기계가 어떤 방향으로 갈 것인지? 어떤 기술을 요구하게 될 것인지? 이같은 점들을 항상 염두에 두고 다음 개발에 결부시켜 가야 한다.
  직동 안내에는 아직도 감추어진 가능성들이 있고 이미 새로운 Needs와 Wants도 나오고 있음을 생각 하면 신기술을 한데 모은 새로운 직동 안내가 탄생할 것임이 틀림없으므로 향후 개발에 기대를 걸어 본다.
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고속화 요구에 대응한 새로운 볼나사
NSK 프레시젼(주)가 공작기계용으로 처음 볼나사를 납품한 것은 지금부터 사십여 년 전인 1961년의 일이다. 그후 공작기계는 NC의 진화와 더불어 계속 발전하여 이송 기구의 주요 요소인 볼나사도 성능 향상을 거듭해 왔다.
  공작기계의 각종 성능이 향상되는 가운데 고속화에 대해서도 괄목할만한 진전이 있어 주축 스핀들의 고속 회전화, 고속이송, 절삭 이송의 고속화 등으로써 생산성의 고능률화가 급진전되어 가고 있다.
  <그림 1>에서는 최근 일본공작기계전시회 (JIMTOF)에 출품된 공작기계의 고속 이송 속도를 조사한 결과를 나타낸다. 그림에서도 알 수 있듯이 작년에 출품된 머시닝센터 등의 고속 이송속도 50~60m/min도 드물지 않았으며 최고 레벨에서는 100m/min 이상 에도 달하였다.
  NSK프레시젼(주)는 JIMTOF의 동향을 일보 리드하는 형태로 볼나사의 고속화를 진행해 왔는데 앞으로 더 한층의 고속화에 대응하려면 그리고 리니어 모터에도 뒤지지 않고 종합적인 면에서 사용하기 쉬운 볼나 사를 시장에 제공하려면 한 걸음 앞선 개발이 필요하다.
  그런데 단순히 이송속도를 향상시킨 것만 으로는 진정한 고속화를 실현했다고는 말할수 없고 동시에 고속화와 더불어 커지는 소음과 진동을 저감시키는 것도 중요하다.
  볼나사의 저진동, 저소음화는 종전부터 요구되어 온 과제인데 근년에 와서는 환경 문제 면에서도 그 요구가 한층 강화되어 가고 있다.
  이와 같은 요구를 배경으로 NSK에서는 「고속 정음(靜音) 볼나사 BSS 시리즈」를 개발하여 상품화했다<그림 2>. 「고속 정음 볼나사 BSS시리즈」는 지금까 지의 상식을 뒤엎는 「종전의 수 이상으로 고속이면서 종전 수준 이상의 저소음, 저진동」을 컨셉으로 개발하고 이것을 실현한 획기적인 볼나사이다.
  또한 BSS시리즈는 반송 용도 등을 포함하여 광범위의 용도를 망라한 시리즈인데 여기서는 공작 기계의 이송나사 용도에 주안점을 두고 그 개요를 아래에 소개한다.
1. 특징
BSS시리즈는 종전의 고속 사양 볼나사에서 쌓아온 기술을 베이스로 많은 개량을 거듭한 신상품이다.
  BSS시리즈가 종전의 시리즈와 크게 다른 점으로는 볼의 순환 구조를 들 수 있다. 볼나사는 이론상 무한한 스트로크 운동을 할 수 있도록 볼을 순환시 키는 기구를 갖고 있다. 그러므로 볼이 부하를 받는 전동홈과 무부하인 순환로와의 이음매에 있어서 볼의 운동이 불규칙해지지 않을 수 없는데 바로 이 점이 볼나사의 기능을 크든 작든 손상시키는 요인으로 되어 있다.
 본 시리즈에서는 종전에 적용했던 튜브 등의 순환방식을 대신하는 엔드 디플렉터(Enddeflector) 방식으로 불리는 새로운 순환방식을 개발, 적용하여전동홈과 순환로와의 이음매에 있어서 볼의 운동을 가능한 한 원활하게 함으로써 다음과 같은 특징을 실현했다.
 
 1.1 고속 회전 능력의 향상
 볼나사에 의한 이송을 고속화하려면 리드를 크게 하는 방법과 회전 속도를 빠르게 하는 방법이 있다.
  최근에는 공작기계에서도 비교적 리드가 큰 볼나 사를 사용하는 일이 많아졌다. 본 시리즈에서는 리드와 회전속도를 균형있게 조합한 고속화를 실현 하기 위해 고속회전 능력의 향상에 중점을 두고 개발을 진행해 왔다.
  종전의 튜브식 볼나사에서는 고속회전 능력의 한계가 튜브의 피로강도에 의존했었다. 왜냐하면 볼을 건져 올릴 때 볼이 튜브 선단부에 반복 충돌함으 로써 튜브가 피로 파손되기 때문이다.
  그래서 종전에는 응력이 집중되기 어려운 튜브 설계라든가 튜브의 살을 두껍게 함으로써 강도를 향상시켜 고속화를 추진해 왔다.
 본 시리즈에서는 이 순환방식을 더욱 새롭게 해서 엔드 디플렉터 방식으로 불리는 새로운 순환방 식을 적용했다. 이 방식은 순환 부품이 볼을그 진행 방향을 따라 원활하게 건져 올리는 것을 1차 목표로 하였고 그렇게 함으로써 순환 부품이 볼에서 받는 힘을 대폭 저감시켜 비약적으로 고속화할 수 있었다.
  볼나사의 고속성을 나타내는 파라미터의 하나로 나사축 지름 d[mm]와 회전수n[min -1]의 곱에서 주어지는 d·n값이 있다. 종전의 튜브식 시리즈에서는 d·n값의 상한을 135,000으로 했으나 BSS 시리 즈는 이것을 대폭 상회하는 d·n값 220,000을 실현한 볼나사이다. 구체적인 예를 들면 나사축 지름 40mm인 볼나사는 종전 회전속도의 상한이 약 3,400min -1이었으나 본 시리즈는 이것을 5,500min -1까지 끌어올린다.
  또한 본 시리즈의 고속회전 능력을 지켜 봄과 동시에 다음 단계의 고속화도 시야에 두어 실험실에서는 d·n값 300,000 등의 각종 조건으로 고속시험을 실시하고 있다.
 
 1.2 소음·진동의 저감
 고속화가 진행됨에 따라 증대하는 소음 ·진동을 줄이는 점도 진정한 고속화를 실현함에 있어 피해 갈수 없는 중요한 과제이다.
  볼나사에서 발생하는 소음의 주 요인은 부하를 받는 전동홈에서 나는 볼주행음과 순환로 출입구에서 나는 볼 순환음 이두 가지를 들 수 있다. 공작기계 등에 사용되는 중대형 볼나사에서는볼 순환음이 지배적인 경우가 많으므로 이것을 줄이는 것이 저소음화에 효과적이다.
 이 볼 순환음은 볼이 순환로 출입구에서 다른 부품과 충돌할 때의 그 충격력으로 인해 볼나사가 여진되고 그것이 소음으로 된다. 본 시리즈는 새로운 방식의 순환 구조를 채택함으로써 충돌시 발생하는 진동 에너지를 강력히 저감시킨 결과 대폭의 저소음, 저진동화를 실현하였다.
 본 시리즈와 종전의 튜브식 볼나사에 대해 소음·진동을 비교 측정한 결과에 대해 이하에서 설명한다. <그림 3>에서는 그 측정 방법의 개략도를 나타낸다. 진동은 너트의 축방향 선단면에 부착한 가속도 픽업에 의해, 그리고 소음은 나사 축심에서 400mm 떨어진 거리에 배치한 마이크로폰을 사용하여 측정한다. 시료로는 나사축 지름 40mm, 리드 20mm의 볼나사를 Seal 장착이 없는 상태에서 사용하고 윤활유로는 ISOVG#68을 사용했다.
  <그림 4>에서는 소음 레벨을 비교 측정한 결과를 나타낸다. 그림에 나타낸 「NSK 정밀 볼나사 평균치」란 NSK프레시젼(주)가 오랜 세월에 걸친 데이터 축적과 그 분석을 토대로 소음 레벨 실험식을 유도하여 평가의 「척도」로 삼고 있는 선도(線圖)이다. 종전 시리즈의 소음 레벨은 이 평균치와 거의 동등한 반면에 본 시리 즈의 소음 레벨은 이들에 비해 5~7dB 줄었음을알 수 있다.
  이것을 그림의 횡축에 잡은 회전수와의 관계에서 고찰하면 본 시리즈의 볼나사를 2,500min -1로구동했을 때의 소음 레벨은 종전 시리즈에서 1,500min -1일 때의 소음 레벨에 상당한다. 이 데이터에서 볼 때 본 시리즈에서의 저소음화는 고속화에 수반하는 소음의 증대를 보충하고도 남음이 있다고 해도 과언이 아니다. 그리고 다른 각도에서 이것을 보면 만일 볼나사의 수를 2배로 늘리면 2dB, 4배로 늘리면 6dB로 소음 레벨이 이론상 커지므로 본 시리즈의 볼나사 4개를 동시에 움직였을 때의 소음 레벨이 종전 시리즈의 볼나사 1개분에 상당하게 된다.
  <그림 4>에 나타내는 데이터 중에서 회전수 2,500min -1의 소음에 대해 주파수 분석한 결과를 <그림 5>에 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이 본 시리 즈는 종전의 시리즈에 비해 특히 소음 레벨이 고주파 영역에서 줄었다. 이것은 본 시리즈가 소음 레벨을 대폭 저하시켰을 뿐만 아니라 동시에 좋은 음질도 실현하였음을 시사한다.
  그런데 볼나사의 소음은 차단하면 언뜻 생각하기에 작아질 것 같지만 볼나사 단독으로 소음을 차단 하더라도 그 발생 진동력이 저하되지 않으면 결국은 그 진동으로 인해 기계계를 여진하여 기계의 고유치 성분 특성을 가진 소리와 진동이 발생한다.
  <그림 6>에서는 진동 주파수를 분석한 결과를 나타낸다. 진동도 소음과 마찬가지로 종전의 시리즈에 비해 대폭 줄었음을 알 수 있다.
  <그림 7>에서는 소음과 진동의 시간 파형을 나타낸다. 그림의 횡축은 시간 경과를 나타내고 있으며 종전의 시리즈에서는 볼이 통과하는 주기에 상당하는 약 2.7msec의 간격으로 소음·진동이 커져 있음에 반해 본 시리즈에서는 그것을 판별할 수 없을 정도로까지 저하되었다. 이 점에서 보더라도 볼 순환 부에서 발생하는 진동 저감이 본 시리즈의 저진동, 저소음화 더 나아가서는 좋은 음질화의 주 요인으로 되어 있음을 알 수 있다.
 
 1.3 작동성의 향상
 고정밀도화 관점에서 마찰 토크의 안정성도 볼나사의 중요한 특성이다. 일반적으로 볼나사를 구동했을 때의 안정성 즉 토크 변동의 대소를 작동성이라고 칭하고 있다.
  <그림 8>에서는 마찰 토크를 측정한 결과 예를 나타낸다. 시료로는 나사축 지름 40mm, 리드 20mm인 볼나사를, 윤활유로는 ISOVG#68을 사용했다. <그림 8(a)>의 회전 속도 100min -1은 마찰 토크를 평가할 때의 표준 조건이고 <그림 8(b)>의 10min -1은 일반적으로 마찰 토크가 변동하기 쉬운 저속의 대표치로 설정한 조건이다. 그림에서는 본 시리즈에 있어서 전동홈과 순환부와의 이음매에서 볼 운동을 원활하게 함에 따른 효과가 작동성 면에서도 잘 나타나고 있으며 100min -1은 물론 10min -1 에서도 마찰 토크의 변동이 아주 작고 양호한 작동성을 보여 준다.
  그리고 정밀가공기 등에서는 작은 스트로 크의 왕복운동이 반복되는 일도 많은데 이같이 2~3회전 정도 이하의 작은 스트로크 반복 운동을 요동이라고 부른다. 볼나사가 이 요동을 수~수십회 왕복운동을 반복하면 마찰 토크의 절대치라든가 변동이 서서히 증대되기 쉬운 경향이 있고 마찰 토크가 수십 %로 커지는 일도 있다.
  <그림 8>과 동일한 볼나사에 대해 회전속도 10min -1, 스트로크 15mm(나사축 0.75 회전)의요동을 100회 왕복시켰을 때의 대표적인 마찰 토크 데이터를 <그림 9>에 나타낸다.그림과 같이 100회 왕복운동을 종료할 때까지 마찰 토크가 증가하는 일은 보이지 않아 매우 양호한 결과를 가져왔다.
 
 1.4 스페이스 절감
 본 시리즈는 내부 순환 방식 즉 순환 기구를 너트의 내부에 수납한 컴팩트한 설계<그림 2>로 함으로써 종전의 시리즈에 비해 70~80%로 너트 외경을 대폭 작게 하였다. 견해를 역으로 하면 동일한 스페이스 안에서 나사축 지름을 크게 하면 보다 높은 부하 용량과 강성을 얻을 수도 있다.
 
 1.5 높은 방진 성능
 너트 내부로 이물질이 침입하거나 너트 내부의 윤활 그리스가 흘러나오는 것을 억제함에 있어서 는Seal성능도 볼나사의 중요한 특성중의 하나이다.
 본 시리즈는 종전의 라비린스 Seal을 대신하여 새로 개발한 나사축 접촉형 Seal을 표준 장비함으로써 방진성을 향상시켰고 종전의 Seal에 비해 이물질 통과량이 약 1/15로 저감하는 실험결과를 얻었다.
  일반적으로 접촉형 Seal은 나사축과 마찰하기 때문에 높은 방진성을 얻을 수 있는 반면에 마찰 토크가 커지기 쉬우나 본 Seal은 박형(薄形) 플레이트 형상으로 함으로써 나사축과의 마찰을 아주 작게 억제하였다. 그리고 Seal 측면에 스크레이퍼를 부착 하여 Seal의 말림을 방지하는 구조로 되어 있으므로 높은 내구 성능을 갖고 있다.
 
 1.6 그외의 특징
 본 시리즈는 외부 순환방식을 사용하고 있는 종전의 시리즈와 마찬가지로 나사축의 전동홈이 양쪽의 축 선단부에 도달하는 바로 앞에서 잘라 올리는 사양에도 쉽게 대응할 수 있다. 일반적으로 내부 순환방식의 볼나사에서는 조립을 쉽게 하기 위해 전동홈이 적어도 한 쪽의 축 선단부까지 절단되어 통하고 있다. 이같이 양쪽 선단부를 잘라 올리는 특징이 있어 칼라 등을 필요로 하지 않고 지지 베어링의 사이즈를 크게 한다든가 지지 구조를 단단하게 하기도 쉬우므로 지지 베어링의 부하 용량이나 볼나 사축계의 총체적인 강성을 크게 할 수 있다.
  이번에 상품화한 「고속 정음 볼나사 BSS시리즈」에 대해 소개했다. 새로운 순환방식을 적용함으로써 여러 가지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있었다.
  지금까지 리니어 모터가 많이 사용되고 있었던 고속회전 분야에도 충분히 대응할 수 있어 시장의 요구에 부응할 수 있을 것으로 확신한다.
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TAG :  고속추축용롤러베어링  생산시스템  하이어빌리베어링
 
 
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