무거운 하중을 손쉽게 – 리프팅 장비용 고하중 트라페즈 나사산 드라이브
고하중 트라페즈 나사 드라이브의 설계는 리프팅 장비의 안전하고 원활한 작동을 위한 기초가 되며, 설계자에게 높은 요구 사항을 제시합니다.
전문계에서 잘 알려진 보르네만 나사 기술(Bornemann Gewindetechnik)사는 25년 이상 다양한 산업 분야를 위한 나사 스핀들과 너트를 제조해 왔습니다. 주요 생산 분야는 중장비 리프팅 장비용으로 스핀들과 너트 세트로 구성된 즉시 설치 가능한 사다리꼴 나사 드라이브의 제조입니다. 몇 가지 예를 들면: 철도 차량용 리프팅 장비, 극장 및 무대 제작 장비, 특수 기계 제작 장비 등이 있습니다. 이러한 드라이브의 설계와 제작은 장비의 안전하고 원활한 작동을 위한 필수 조건이며, 설계자들에게 높은 수준의 요구 사항을 제시합니다.
중하중용 나사 스핀들을 사용할 때 주의해야 할 점은 무엇인가요? 하중 하에서 면 압력이 20 N/mm² 이상에 달하고 매우 낮은 주위 속도로 작동하는 스핀들 리프트 드라이브의 경우, 나사 프로파일의 지지면의 지속적인 윤활이 반드시 필요합니다. 윤활이 불충분하면 마모 증가, 과도한 발열, 그리고 악명 높은 스틱-슬립 현상으로 이어질 수 있기 때문입니다.
윤활제가 중요합니다
스틱-슬립 효과(또는 접착 미끄럼 효과)는 서로 상대적으로 움직이는 고체들 사이에서 발생하는 갑작스러운 미끄럼 현상을 설명합니다. 이 효과는 정착 마찰이 미끄럼 마찰보다 클 때 발생할 수 있습니다. 이는 마찰 시스템에 따라 진동을 유발하며, 공명 가능한 표면에서 소음으로 방출됩니다(삐걱거리는 소리를 내는 스핀들).
대부분의 경우 마찰 파트너가 중간 물질 또는 윤활제로 분리되면 이 효과는 사라집니다. 스틱 슬립 효과는 기술적 응용 분야에서 종종 바람직하지 않습니다. 스틱 슬립 효과로 인한 부정적인 영향은 베어링, 선형 기술의 가이드, 리프팅 기술의 나사 스핀들 등에서 관찰될 수 있습니다. 문이 삐걱거리는 소리, 철도가 커브를 돌 때 나는 삐걱거리는 소리, 자동차 유리에서 삐걱거리는 와이퍼 소리 등은 이 효과의 잘 알려진 결과입니다.
이 현상이 발생할 경우, 이는 윤활제(그리스) 선택에 기인할 수 있습니다. 클뤼버 루브리케이션의 애플리케이션 엔지니어링 매니저인 랄프 우어텔레는 설명합니다: “특히 중장비 리프팅 기술 설비에서는 부적합한 윤활제가 쉽게 윤활 부족 상태를 초래할 수 있으며, 이는 마모 증가를 유발하여 설비의 조기 고장으로 이어집니다.”
종종 이 현상은 스핀들의 설계에서도 기인합니다. 나사산 프로파일의 지지면 측면에 윤활 주머니가 부족하면, 높은 면적 하중으로 너트 프로파일이 스핀들 위를 미끄러질 때 도포된 윤활제가 잔류하지 못합니다. 윤활제는 측면에서 압출되거나 너트 앞쪽으로 밀려납니다. 어느 경우든 윤활막이 끊어지며, 이는 초기에는 온도 상승과 스틱 슬립 현상을 일으키고 때로는 귀를 찢는 듯한 소음을 동반하며, 이후 나사 구동 장치의 파손으로 이어집니다.
주변 속도가 몇 cm/s에 불과할 경우, 스틱-슬립 현상을 방지하기 위해 나사 스핀들에 윤활제 또는 윤활 주머니가 반드시 존재해야 합니다. 윤활 주머니는 지나치게 높은 모서리 압력과 일반적으로 높은 단면 압력으로 인해 윤활제가 단순히 밀려나지 않도록 방지합니다. 윤활제는 이상적으로 점도 0 또는 00의 그리스여야 하며, 사실상 윤활 틈새로 빨려 들어가야 합니다.
이 문제를 어떻게 해결할 수 있을까? 설계자가 나사산 가공에 요구하는 사항부터 이미 윤활 문제와 그로 인한 후속 문제를 방지하기 위한 기초가 마련된다. 나사산 구동 장치는 다양한 제조 공정으로 생산될 수 있다: 나사산 선반 가공 및 나사산 밀링 가공은 경제적 이유로 인해 앞서 언급한 나사산 구동 장치에는 거의 사용되지 않는 공정이다. 나사 롤링(또는 롤링)에서는 나사 스핀들이 무절삭 냉간 성형으로 제작됩니다. 이 제조 공정은 매우 경제적이지만, 매우 높은 공구 및 설비 비용으로 인해 대량 생산에만 주로 적용됩니다.
부드러운 절단과 매끄러운 표면
또한, 압연된 나사산 스핀들은 완전히 매끄러운 나사산 측면 표면으로 인해 윤활막이 끊어지는 현상을 촉진합니다. 압연 공정으로 제작된 사다리꼴 나사산은 프레스 폴리싱/프레스 연마 과정에서의 변형으로 인해 측면 표면 품질이 지나치게 높아져 윤활 주머니가 부족합니다. 그 결과 스핀들과 너트 사이에 두려워하는 스틱 슬립 현상 또는 윤활막 파손이 발생할 수 있습니다. 지나치게 높은 모서리 압력과 전반적으로 높은 특정 면적 압력으로 인해 윤활제가 나사산에서 밀려나옵니다.
이 압출 현상은 슬라이딩 베어링 쌍의 재료에 윤활제가 저장될 수 있는 윤활 주머니가 없을 때 발생합니다. 그 결과, 해당 설비에 심각한 후속 손상이 발생하며, 이는 소음을 내는 스핀들과 마모된 너트에서부터 전체 리프팅 시스템의 완전한 열 용접에 이르기까지 다양합니다.
롤링 가공된 나사 스핀들의 수명이 더 길다는 흔히 제기되는 주장은 예외 없이 입증될 수 없습니다. Wirths-Werres사는 내구성 시험을 통해 이를 증명했습니다. 설계사 크리스티안 잔은 “롤링 가공된 나사 스핀들은 수시간 작동 후에도 최소한의 마모 흔적만 나타냈다”고 강조합니다. 자른에 따르면, 롤링 공정으로 인해 재료에 발생하는 응력도 종종 비용이 많이 드는 재가공을 초래합니다. 직접 비교 결과, Wirths-Werres는 롤링 방식과 와이어링 방식의 스핀들 간 가격 차이가 많은 직경에서 이제는 무시할 수 있을 정도로 줄어들었기 때문에 고품질의 와이어링 방식 스핀들을 선택했습니다.
보르네만 나사 가공 기술은 와이어 컷팅 공법으로 나사 스핀들을 제조합니다. 스핀들 나사산 제조용 와이어 컷팅 공구는 구동식 와이어 링과 프로파일 공구 세트로 구성되며, 가공 중 공작물이 이 공구 링 내부에서 회전하기 때문에 소위 외형 절삭 방식으로 작동합니다. 외경에서의 외피 절삭은 절삭 두께(및 절삭 깊이) 0에서 시작하여 계산된 절삭 두께(및 절삭 깊이 또는 나사산 깊이)로 지속적으로 증가한 후 다시 0으로 작업물에서 빠져나오기 때문에 매우 부드러운 절삭과 매우 매끄러운 표면이 생성됩니다.
공구 세트는 여러 개의 개별 절삭날로 구성되어 있으며, 이 절삭날들은 연속적으로 간헐 절삭을 수행합니다. 이로 인해 개별 절삭 사이에서 공작물 표면에 미세한 간극이 발생하며, 이는 마이크로미터 단위의 다각형 모양의 오목한 패싯(윤활 주머니)을 생성합니다. 이러한 윤활 포켓은 와이어드 스레드 스핀들의 우수한 윤활 필름 특성의 비결입니다.
다양한 나사산 제조 공정을 비교해 보면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있습니다: 나사산 프로파일의 롤링 및 연삭은 현대적이고 다양한 용도에 권장되는 제조 공정이지만, 리드 스크류 장치용 트라페즈 나사산 드라이브의 경우 Bornemann Gewindetechnik에서 시행하는 와이어드 공정을 우선적으로 선택해야 합니다.