스레드 롤링과 비교한 스레드 회전 점수

마찰 접점은 전 세계 에너지 소비의 약 12%를 차지합니다. 보르네만 게윈데테크닉은 하노버 라이프니츠 대학교의 생산 공학 및 공작 기계 연구소와 함께 사다리꼴 나사산의 최적화를 연구하고 있습니다.

마찰 접촉은 전 세계 총 에너지 소비의 약 12%를 차지합니다. 이 중 20%는 마찰을 극복하는 데 사용되고, 3%는 마모된 부품을 수리하거나 마모 관련 고장으로 인한 장비를 교체하는 데 사용됩니다[1]. 기차나 트럭의 정비를 위한 중장비 리프팅 장비가 그 예입니다. 보르네만 게윈데테크닉은 이러한 복잡하거나 응력이 높은 나사산 부품의 제조를 전문으로 합니다. 가족이 운영하는 이 회사는 하노버 라이프니츠 대학교의 생산 공학 및 공작 기계 연구소(IFW)와 함께 나사산 회전 공정을 사용하여 사다리꼴 나사산의 마찰학적 최적화를 연구했습니다. 이 공정은 특히 나사산이 긴 부품에 적합합니다. 보르네만 게윈데테크닉은 최첨단 생산 기술을 사용하여 최대 12미터 길이의 나사 프로파일을 제조합니다.

나선형 나사산 스핀들은 가공 관련 표면 미세 구조가 있어 윤활유 보유량을 제공합니다. 이는 기존의 압연 스핀들에 비해 나선형 나사산 스핀들의 마찰을 줄이고 사용 수명을 늘립니다. 연구원들은 “TopThread” 프로젝트의 일환으로 가공 공정과 마찰 감소 효과 사이의 정확한 관계를 조사하고 있습니다.

중장비 리프팅 시스템에서 고하중 사다리꼴 나사산 스핀들의 마찰 거동에 대한 나사산 회전에 의해 생성된 미세 구조의 영향을 조사하고 있습니다. 이를 위해 공정 통합형 미세구조를 위해 특별히 개발된 소용돌이 공정을 분석하고 있습니다.

이 글에서는 나사산 압연 공정에 비해 상당한 이점을 제공하는 회전 공정을 사용하여 표면 지형을 구체적으로 조정할 수 있는 방법을 설명합니다. 그림 2는 사다리꼴 나사산 스핀들 압연 스레드 측면의 표면 지형을 소용돌이형 스레드 측면과 비교하여 보여줍니다.

회전 공정을 특별히 적용하면 압연 나사산 스핀들에 비해 더 뚜렷한 구조를 만들 수 있습니다. 표면 구조를 특성화하기 위해 구조 매개변수인 구조 높이 “yf”와 구조 간격 “sf”를 도입했습니다(그림 1). 마찰 최적화를 위해 소용돌이 공정을 사용하여 피크의 비율이 적은 구조를 만들어 마찰 파트너의 표면 사이의 직접적인 고체 접촉을 최소화했습니다. 구조 피크 사이의 거리가 멀수록 거칠기 프로파일의 계곡에 윤활유를 저장할 수 있습니다.

마찰 특성 특성 분석

그림 3에 표시된 테스트 장비는 스레드 측면의 표면 지형이 마찰 거동에 미치는 영향을 조사하는 데 사용됩니다. 나사산 Tr 80 x 10mm의 테스트 스핀들을 v = 15°의 각도로 f = 0.81Hz의 주파수에서 진동시켰습니다. 하중 변화의 회전은 나사산의 병진 스트로크 s = 0.42mm에 해당합니다. 이 설정에서 나사산 스핀들은 들어올리고 내리는 동안 FG = 91.3kN의 무게 하중을 받았습니다. 이는 중장비 리프팅 시스템에서 사다리꼴 스크류 드라이브(TGT)의 최대 하중 범위 내에 있는 p = 5.0 N/mm2의 표면 압력에 해당합니다. 이 적용을 위해 나사 너트 재질은 G-CuSn 7 ZnPb, 윤활제는 DGM HTF 940이 선택되었습니다. 테스트 시퀀스의 윤활은 1개월의 유지보수 간격에 해당합니다. 따라서 스핀들-너트 어셈블리의 윤활 주기는 167주기마다 이루어집니다. 테스트 장비는 SincoTec에서 설치했습니다. SincoTec은 힘 센서 인터페이스 125 kN과 토크 센서 SincoTec 1,200 Nm의 제조업체이기도 합니다.

측면 표면의 마모 상태를 분석하여 다양한 표면 지형과 표면 구조의 마찰 특성을 특성화했습니다. 이를 위해 프로젝트 참여자들은 컷오프 그라인더로 스핀들을 절단했습니다. 20,000회의 부하 주기를 통해 분석된 나사산 스핀들의 수명을 실험적으로 매핑하여 10년의 수명을 측정했습니다. 나선형 나사산 스핀들의 경우, 나사산의 하중을 견디는 측면에 있는 미세 구조의 높이 사이에 정의된 그라데이션을 달성하는 방식으로 공정 조작 변수를 선택했습니다. 프로세스 매개변수는 보르네만의 경험을 기반으로 합니다. 또한 연속 공정을 사용하여 압연된 나사산 스핀들을 분석했습니다.

표면 구조가 마찰 계수에 미치는 영향

작은 각도 거리에서 진동하는 움직임으로 인해 많은 수의 하중 사이클에서 리프팅 및 하강을 분석할 수 있습니다. 이러한 방식으로 나사산 스핀들의 전체 서비스 수명을 실험적으로 매핑할 수 있습니다. 그림 4는 사다리꼴 스크류 드라이브를 사용한 리프팅 운동의 마찰 계수 변화 과정을 보여줍니다. 여기서 롤링 리드 스크류와 휘핑 리드 스크류의 마찰 계수를 비교합니다. 하중 변화에 따른 속도 프로파일은 가속 단계, 일정한 속도 단계, 감속 단계로 구성되며, 각각의 경우 리프팅과 하강을 위한 단계로 구성됩니다. 저속에서 발생하는 스틱 슬립 효과는 방향 반전 지점에서 특히 선호됩니다. 이 효과는 표면이 잠시 달라붙었다가 마찰 파트너가 갑자기 미끄러지는 것으로 나타납니다. 이러한 움직임은 진동으로 이어질 수 있으며, 이는 마찰 계수의 더 큰 변동에 반영됩니다[2]. 평균 마찰 계수는 테스트 초반에 급격히 상승하고 약 2,000회 부하 사이클 후에 최대치에 도달한 다음 약 8,000회 부하 사이클 후에 일정한 수준으로 떨어집니다. 이 동작을 런인 단계라고 하며, 각 마찰 시스템에 따라 테스트가 진행되는 동안 마찰 계수의 일반적인 변화를 설명합니다[3].

표면 구조가 도입된 사다리꼴 나사산 스핀들은 마찰 특성이 크게 개선되었습니다. 이로 인해 런인 거동이 약 44% 단축되고 마찰 계수가 μm = 0.085의 낮은 수준으로 영구적으로 감소합니다. 이는 압연 나사산 스핀들에 비해 25.5% 감소한 수치에 해당합니다. 앞서 설명한 마찰 시스템에서 이 나사산으로는 런인 단계를 완전히 줄일 수 없었습니다.

표면 구조가 마모에 미치는 영향

두 마찰 파트너가 접촉할 때 발생하는 마모는 사다리꼴 나사 스핀들의 수명에 결정적으로 중요한 영향을 미칩니다. 나사산 스핀들에서 발생하는 마모 메커니즘을 파악하기 위해 윤활유를 정기적으로 공급하면서 20,000회 부하 사이클 동안 베어링 플랭크의 표면을 검사한 후 베어링 플랭크의 마모 패턴을 분석했습니다(그림 5). 시험 결과, 베어링 측면의 표면 구조에 따라 마모 패턴이 확연히 다른 것으로 나타났습니다. 베어링 측면에 표면 구조물이 없는 압연 나사 스핀들은 나사 스핀들의 베어링 측면에 뚜렷한 접착제 침착이 나타나며, 이는 너트 재료의 상당한 제거 또는 접착 마모로 인해 발생합니다. 구조물의 높이가 증가함에 따라 접착 마모 면적도 크게 감소합니다(그림 5).

마찰 접촉의 낮은 슬라이딩 속도와 높은 표면 압력으로 인해 마찰 시스템에서 발생하는 마찰은 고체 마찰과 혼합 마찰로 분류됩니다. 뚜렷한 표면 구조(그림 6, 오른쪽)로 인해 구조화되지 않은 표면 지형(그림 6, 왼쪽)에 비해 미세 접촉의 수를 줄일 수 있습니다. 그 결과 표면 구조로 인한 고체 마찰의 비율이 낮아집니다. 스레드 측면의 표면 구조가 뚜렷할수록 더 많은 양의 윤활제를 흡수할 수 있습니다. 표면 구조로 인해 나사산 측면의 접착 마모는 롤 나사 스핀들의 36.3%에 비해 10.1%로 감소했습니다.

서로 다른 금속으로 만들어진 마찰 파트너가 접촉하면 응집력이 약한 결합 마찰 바디(이 경우 너트)에서 응집력이 강한 결합 베이스 바디(이 경우 나사산 스핀들)로 재료 전달이 이루어집니다[4]. 마찰 접촉부에 윤활유를 추가하면 접촉 거칠기 피크의 수가 줄어듭니다. 나사 너트의 접촉면에 점진적인 하중이 가해지면 베어링 측면의 접촉 거칠기 피크에 침착된 입자가 분리됩니다. 이러한 입자는 베어링 측면의 접촉 영역에 점차적으로 층을 형성하여 스핀들과 너트 재료 사이의 직접적인 접촉을 방지합니다. 이 과정은 정적 상태에 도달하고 베어링 플랭크에 더 이상 침전물이 쌓이지 않을 때까지 계속됩니다. 이 프로세스는 접촉 거칠기 피크가 접착 침전물로 덮이면 정적 상태로 바뀌는 런인 동작을 결정합니다. 이 상태는 마찰 계수에도 영향을 미칩니다. 초기 표면은 리프팅 동작 중에 연마 마모가 발생하지 않습니다.

전망 및 활용 옵션

압연 나사 스핀들과의 경쟁에서 중장비 리프팅 시스템용 나사 스핀들 베어링 측면의 표면 구조가 상당한 부가가치를 제공하는 것으로 나타났습니다. 소용돌이 공정을 사용하면 더욱 다양한 표면 구조를 만들 수 있습니다. 또한 나사산 스핀들의 표면은 마모가 거의 발생하지 않아 실험적으로 시뮬레이션한 10년의 사용 수명 후에도 베어링 플랭크의 표면 구조가 대부분 유지되는 것으로 나타났습니다. 그림 7은 사다리꼴 나사산 스핀들의 설계 및 제작을 위한 미세 구조 베어링 플랭크의 세 가지 주요 잠재력을 보여줍니다.

스레드 측면의 표면 구조의 정의된 조정은 마찰 계수를 25.5% 감소시킬 수 있습니다. 중장비 리프팅 시스템의 예에서, 스핀들과 너트 사이의 마찰 접촉이 효율성에 결정적인 영향을 미치기 때문에 이러한 마찰 계수 감소는 리프팅 시스템의 각 베어링을 고려하여 에너지 소비를 비례적으로 감소시키는 결과를 가져옵니다.

또 다른 측면은 나사 너트의 마모 감소입니다. 이 조사에서 나사 너트의 마모는 베어링 측면의 접착제 침전물을 기준으로 간접적으로만 분석할 수 있었습니다. 접착제 침전물이 베어링 측면의 약 10%로 감소했기 때문에 마찰 파트너 사이의 미세 접촉이 줄어들어 나사 너트의 마모가 줄어든 것으로 추정할 수 있습니다. 베어링 측면의 접착력 감소로 인해 나사 너트의 전반적인 마모도 감소한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이는 유지보수 비용을 절감하고 전체 사다리꼴 나사 드라이브의 서비스 수명을 늘릴 수 있습니다.

리드 스크류의 미세 구조 베어링 측면의 세 번째 결정적인 장점은 구동 모터의 설계에서 비롯됩니다. 마찰 계수를 25% 줄임으로써 설계에서 더 낮은 마찰 토크를 가정할 수 있습니다.

이를 통해 더 작은 크기의 모터를 선택할 수 있어 전체 시스템의 전력 소비를 줄이고 전체 리프팅 시스템에 대한 투자 비용을 크게 낮출 수 있습니다. 그러나 이러한 측면을 위해 런인 동작을 줄여야 하며 전체 서비스 수명 동안 일정한 마찰 계수가 보장되어야 합니다.

추가 연구를 통해 스레드 형상에 따라 표면 구조를 최적화할 수 있습니다. 이렇게 특별히 조정된 표면 구조를 생성하는 프로세스는 현재 프로젝트 파트너가 특허를 출원 중입니다.

이를 통해 개별 마찰 시스템을 더욱 구체적으로 다룰 수 있습니다. 향후 연구 개발의 또 다른 측면은 런인 동작을 구체적으로 보정하기 위해 나사산 너트의 표면 형상을 수정하는 것입니다. 마찰 계수가 지속적으로 감소하면 구동 모터를 설계할 때 크기를 더욱 줄일 수 있습니다. 이러한 점은 향후 보르네만 게윈데테크닉 및 IFW와 공동으로 계획 중인 연구 프로젝트에서 추가로 다뤄질 예정입니다.

인정

저자는 “TopGewinde – 회전 공정을 사용하여 스크류 드라이브의 수명을 늘리기 위한 마찰학적으로 최적화된 표면 지형” 프로젝트에 자금을 지원해 준 ZIM에 감사의 말씀을 전합니다.

또한 연구 프로젝트에 적극 협조해 준 제조업체 Bornemann Gewindetechnik의 한스 보르네만과 모리츠 폰 소덴에게 감사의 인사를 전하고 싶습니다.

문학

1. Holmberg K, Erdemir A (2017 Influence of tribology on global energy consumption, costs and emissions. Friction 5, 263-284 (2017)
2. Haessing D A, Friedland B (1990) On the Modeling and Simulation of Friction. American Con-trol Conference, San Diego.
3. Denkena B, Böß V, Nespor D, Gilge P, Hohenstein S, Seume J (2015): Prediction of the 3D Sur-face Topography after Ball End Milling and its Influence on Aerodynamics, 15th CIRP Confer-ence on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP 31, S. 221 227
4. Buckley D H (1981) Surface Effects in Adhesion, Friction, Wear and Lubrication. S. 456. Else-vier, Amsterdam.

문의하기

Christian Wege, M. Eng.
하노버 라이프니츠 대학교 생산 공학 및 공작 기계 연구소
전화: +49 (0) 511 762 4606
wege@ifw.uni-hannover.de

• Konstruktion, 12/2024