스틱-슬립현상
Bornemann Gewindetechnik사는 25년 이상 모든 산업 분야의 거의 모든 용도에 맞는 나사 스핀들과 너트를 제조해 왔습니다. 생산의 주요 분야 중 하나는 철도 차량용 리프팅 장비, 극장 및 무대 건설, 특수 기계 제조 분야에서 사용되는 중량물 리프팅 장비용 스핀들과 너트 세트로 구성된, 바로 설치 가능한 사다리꼴 나사 구동 장치의 제조입니다.
리프팅 장비의 안정적인 작동을 위해서는 나사 스핀들의 표면 처리와 적절한 윤활유의 선택이 매우 중요합니다. 악명 높은 스틱-슬립 현상을 방지해야 합니다. 한스 게레케-보르네만(Bornemann-Gewindetechnik, 대표): “스핀들 리프팅 시스템의 문제 사례가 보고될 때, 일반적으로 다음 요인 중 하나가 원인의 일부라고 볼 수 있습니다: 스핀들의 표면 품질, 오염, 시스템의 설치 위치, 또는 특히 윤활유의 선택입니다. 그러나 많은 경우 문제는 이러한 여러 요인이 복합적으로 얽혀 있는 경우가 많습니다. 따라서 설계 시 각 요인을 충분히 고려해야 합니다.”
스틱-슬립 현상
스틱-슬립 현상(영어의 stick “붙다”와 slip “미끄러지다”에서 유래)은 접착-미끄럼 현상이라고도 불리며, 서로 움직이는 고체 사이의 뚝뚝 끊어지는 듯한 미끄러짐을 설명한다. 이 현상은 접착 마찰력이 미끄럼 마찰력보다 클 때 언제나 발생할 수 있다.
이는 마찰 시스템에 따라 진동을 유발하며, 공진 가능한 표면을 통해 소음으로 방출된다(‘삐걱거리는’ 및 ‘삐걱거리는’ 스핀들). 이 현상은 대개 마찰하는 표면이 중간 물질이나 윤활제로 분리되면 사라진다. 스틱-슬립 효과는 기술적 응용 분야에서 흔히 바람직하지 않은 현상이다. 스틱-슬립 효과로 인한 부정적인 영향은 베어링, 리니어 기술 분야의 가이드, 또는 리프팅 기술 분야의 나사 스핀들 등에서 관찰될 수 있습니다.
랄프 부어텔레(Klüber Lubrication, 애플리케이션 엔지니어링 매니저): “특히 중량물 리프팅 장비의 경우, 부적합한 윤활유를 사용하면 쉽게 윤활 부족 상태가 발생하여 마모가 증가하고, 결과적으로 장비의 조기 고장을 초래할 수 있습니다.” 이러한 윤활 부족의 직접적인 동반 증상으로 일반적으로 앞서 언급한 삐걱거리는 소리와 삐걱거리는 소음이 발생합니다.
최악의 경우, 이러한 윤활 불량 상태는 전체 리프팅 시스템의 미세 용접 또는 냉간 용접을 유발할 수 있으며, 이는 너트의 ‘고착’으로 이어져 심각한 2차 손상은 물론 해당 설비의 고장까지 초래할 수 있습니다.
이때 스핀들-너트 시스템의 재료 조합이 결정적인 역할을 합니다. 회주철과 강철의 조합에서는 재료 내의 철 성분이 냉간 용접을 촉진할 수 있습니다. 반면 청동과 강철의 조합에서는 일반적으로 냉간 용접이 발생하지 않습니다. 그렇다면 이러한 우려되는 윤활 부족 상태나 이른바 스틱-슬립 현상을 방지하기 위해 무엇을 주의해야 할까요?
재료 호환성
윤활유는 벨로우즈 및 씰 재료와 호환된다는 것이 입증되어야 합니다. 그렇지 않을 경우, 윤활유가 해당 재료에 영향을 미쳐 다공성, 균열 또는 팽창 등을 유발할 수 있습니다. 그 결과 윤활유 누출이나 이물질 유입이 발생할 수 있습니다. 두 경우 모두 벨로우즈 또는 씰 시스템이 원하는 대로 기능을 수행할 수 없게 됩니다. 윤활유와 벨로우즈 및 씰 재료 간의 호환성 시험은 안전성을 확보하기 위해 허용 최대 사용 온도에서 최소 168시간 동안 수행되어야 합니다.
벨로우즈 제조업체인 MFB-Technik에 따르면, 벨로우즈의 올바른 소재 선택과 외부 환경 요인의 고려는 벨로우즈의 수명에 영향을 미치는 중요한 기준이지만, 종종 고객들에 의해 소홀히 다루어지고 있습니다.
나사 스핀들의 표면
여러 요인이 작용하여 윤활유가 필요한 곳에 그대로 유지되도록 합니다. 여기에는 Bornemann-Gewindetechnik사가 소용돌이 가공 공정을 통해 제작하는 나사 스핀들과 너트의 표면 지형이 포함됩니다. 이를 통해 나사 표면에 미세한 윤활 주머니가 형성됩니다. 이러한 윤활 주머니는 높은 면하중이 가해질 때 윤활유가 밀려나가지 않고, 나사 프로파일의 지지면과 접촉하지 않기 때문에 표면의 “골”에 남아 있도록 합니다.
롤 성형 공법으로 제조된 나사 스핀들의 경우, 나사 프로파일의 지지면에는 윤활 주머니가 없어, 높은 면하중 하에서 너트 프로파일이 스핀들 위를 미끄러질 때 도포된 윤활유가 제자리에 머무르지 못하는 경우가 많습니다. 윤활유는 지지면에서 밀려나거나 너트 앞으로 밀려나게 됩니다. 어떤 경우든 윤활막이 파열되는데, 이는 초기에는 온도 상승과 스틱-슬립 현상을 일으켜 때로는 귀를 찢는 듯한 소음을 유발하며, 나중에는 나사 구동 장치의 파손으로 이어집니다. 모리츠 폰 소덴(Moritz von Soden, Bornemann-Gewindetechnik 영업 이사): “저희 고객 중 상당수는 중량물 리프팅 기술 분야에 종사하고 있습니다. 이 분야에서는 윤활 부족으로 인한 잘 알려진 문제를 방지하기 위해 일관되게 소용돌이 가공된 나사 스핀들이 사용됩니다.”
또한 윤활제 자체의 접착력도 중요한 역할을 합니다. 이는 윤활제의 배합, 구체적으로는 증점제의 종류와 양에 의해 결정됩니다. 아울러 윤활제를 도포하기 전 표면을 깨끗이 세척하는 것이 매우 중요합니다. 예를 들어 금속 가공 유체의 잔여물은 접착에 방해가 됩니다.
유동성
적절한 나사산 형상의 너트는 윤활제를 앞으로 밀어내는 것이 아니라, 마치 윤활 틈새로 끌어당기듯이 작용합니다. 그럼에도 불구하고 윤활제는 마찰 지점에서 빠르게 밀려나거나 튕겨 나갈 수 있지만, 가능한 한 빨리 다시 되돌아와야 합니다. 이러한 이유로 Klüber Lubrication은 NLGI 0 등급, 더 나아가 00 등급의 유동성 그리스 사용을 권장합니다. 물론 스핀들 시스템은 이에 맞게 충분히 밀봉되어야 합니다. 그리스의 양은 스핀들과 벨로우즈 사이의 부피의 최소 30%를 채워야 합니다.
유분 방출
스핀들 리프팅 장치의 스핀들 너트 마찰계에서는 상대적으로 낮은 미끄럼 속도와 높은 면압으로 인해 유체역학적 윤활막이 형성될 수 없으며, 이로 인해 윤활 부족 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 작동 상황에서 첨가제는 윤활유의 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. 첨가제는 윤활유의 유분 성분에 용해되어 있으므로, 윤활유는 하중이 가해질 때 충분한 양의 오일을 방출해야 합니다. 우수한 유동성을 지닌 오일은 첨가제와 함께 실제 마찰 부위로 쉽게 도달하여 안정적인 윤활을 보장합니다.
부식 방지
윤활유에 대한 또 다른 요구 사항은 시스템의 밀폐성에서 비롯됩니다. 벨로우즈는 일반적으로 완전히 밀폐되어 있지 않기 때문에, 내부에서 응결수가 발생하는 것을 원칙적으로 배제할 수 없습니다. 이러한 이유로 윤활유는 높은 내수성을 갖추고 있어야 하며, 매우 우수한 부식 방지 기능을 제공해야 합니다.
Marc Schillig (MFB-Technik Schillig GmbH & Co. KG 대표이사): “저희도 ‘응축수’ 문제에 정기적으로 직면합니다. 원칙적으로 ‘완전 밀폐는 불가능하다’는 것이 정설입니다.” 벨로우즈가 움직일 때 공기 교환이 보장되어야 하며, 그렇지 않으면 벨로우즈가 확실히 손상됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 고품질 체나 밸브 플랩이 사용됩니다. 응축수는 벨로우즈가 수축할 때 발생하는 과압을 통해 분리기를 거쳐 외부로 배출됩니다. 우리는 이미 고객들과 함께 다양한 해결 방안을 구현해 왔습니다.”
힐데스하임 인근 델리그센에 위치한 Bornemann-Gewindetechnik GmbH는 3,800m² 규모의 공장 부지에서 40명의 직원을 두고 지난 25년 동안 모든 종류의 특수 형상 나사산과 선반 가공 및 밀링 부품을 생산해 왔습니다. 모든 절삭 가공이 가능한 소재를 원재료로 사용합니다. 또한 이 회사는 고장 난 스핀들의 수리 서비스도 제공합니다. 나사 스핀들의 표준 규격은 직경 10~180mm 범위이며, 길이는 최대 6미터에 이릅니다. 최신 가공 센터를 통해 h6의 치수 공차를 유지할 수 있습니다. 스핀들 직경이 100mm일 경우 h6은 99.978mm에서 100mm 사이의 공차를 의미하므로, 볼 베어링을 적절하게 장착할 수 있습니다. 와이어링 공정을 통해 나사산 표면을 연삭 품질 수준으로 가공합니다. 납기 기간은 주문 접수 후 2~3주입니다.