[논문]초소형 디플렉터 타입 볼스크류 개발을 위한 해석에 관한 연구

이춘만; 문성호; 이영훈; 김준환

doi:10.7736/kspe.2016.33.12.979

초소형 디플렉터 타입 볼스크류 개발을 위한 해석에 관한 연구
A Study on the Analysis for Development of a Deflector Type Miniature Ball Screw 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.33 no.12, 2016년, pp.979 - 984

이춘만 (창원대학교 기계공학부) , 문성호 (창원대학교 기계공학부) , 이영훈 (창원대학교 기계공학부) , 김준환 (창원대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, ball screws have been used in machine tools, robot parts, and medical instruments. The demand for ball screws of high precision and reduced size is increasing because of the growth of high value-added industries. Three types of ball screws are typically used: deflector type, end-cap type, and tube type. They are also classified from C0 to C9 according to the precision level. A deflector type ball screw can reduce the variation of rotational torque and the size of the nut of the ball screw is minimized. To ensure the reliable design of ball screws, it is important to perform a structural analysis. The purpose of this study is to perform a stability evaluation through analysis of a deflector type miniature ball screw for weapon systems. The analysis is performed through Finite Elements Method (FEM) simulation to predict characteristics such as deformation, stress, and thermal effects. The interference between the shaft and the deflector for smooth rotation are also studied. Based on the results of the analysis, the development of the deflector type miniature ball screw for weapon systems is performed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(1) 초소형 볼스크류의 국산화 개발을 위한 기초해석 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 초소형 디플렉터 타입 볼스크류의 개발을 위해 구조적 · 열적 안정성을 유한요소해석을 통해 확인하고, 순환부품인 디플렉터와 샤프트 (Shaft) 간의 간섭을 분석하였다.
본 연구에서는 C3급 디플렉터형 볼스크류 개발을 위해 유한요소해석를 통한 구조적∙열적 안정성을 확인하였고, 디플렉터와 샤프트 간의 간섭을 분석하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

(3) 샤프트의 회전수에 따른 열 해석을 수행하였다. 열 변형은 너트의 이송량이 가장 많은 샤프트 중앙 부분에서 최대 열변형 와 최대 온도가 발생하였고, 이송량이 적은 양 끝단에서 최소 열 변형과 온도가 나타났다.
(5) 디플렉터 삽입 축 방향을 기준으로 30°까지 10° 간격으로 단면적을 분석하여, 디플렉터와 샤프트 사이의 간섭을 볼을 사용하여 확인하였다.
Fukada⁵등은 예압 볼스크류의 정밀성 위치제어를 위해 비선형적인 움직임에 대해 연구를 진행하였고, Choi⁶는 고정도 볼스크류의 성능향상을 위한 해석과 실험을 통해 연구하였다. Min⁷등은 볼스크류의 접촉각에 따른 너트 (Nut)의 강성 모델을 실험을 통해 연구하였다. Kim⁸ 등은 중공축과 너트의 강제 냉각방식을 각각 볼스크류에 적용하고, 실험을 통한 적합한 냉각 시스템을 연구하였다.
볼은 3개의 디플렉터를 통과하여 6개의 회로를 순환하도록 설계되었다. 너트와 샤프트가 볼에 접촉되는 부분에는 정확한 해석을 수행하기 위해, 요소 크기 (Element Size)를 0.2 mm로 하였고, 접촉되지 않은 부분은 1 mm로 하였다.
디플렉터의 간섭 확인은 Fig. 9와 같이 디플렉터의 삽입 축 방향을 기준으로 30°까지 10° 간격으로 분석하였다.
11는 간섭이 발생하는 부분을 개선한 디플렉터를 각도 별로 단면적을 나타내었다. 디플렉터의 간섭을 개선하기 위해, 볼이 너트에서 디플렉터로 회전하여 들어오는 입구 쪽의 폭을 넓게 설계하였다. Fig.
윤활유 종류에 따른 열 해석을 수행하였다. 윤활유에 따른 인자 v0n 를 선정하기 위하여, K사의 제품 중 고온에서 사용되는 구리스와 저온에서 사용되는 구리스를 사용하였고, 윤활유 별로 250 rpm, 500 rpm, 750 rpm, 1,000 rpm 회전수를 적용하여 해석을 수행하였다.
해석 시 볼을 넣어 해석하면 해석시간이 기하급수적으로 증가하므로 볼을 제외하고, 볼과 같은 조건인 부싱 (Bushing) 조건을 적용하여 해석을 수행하였다. 하중은 볼스크류의 너트에 적용하였고, 하중은 기본정격하중인 2,250 N까지 1,000 N, 1,500 N, 2,000 N, 2,250 N으로 적용하여 해석하였다.
Tabel 1은 구조 해석에 적용된 조건을 나타낸다. 해석 시 볼을 넣어 해석하면 해석시간이 기하급수적으로 증가하므로 볼을 제외하고, 볼과 같은 조건인 부싱 (Bushing) 조건을 적용하여 해석을 수행하였다. 하중은 볼스크류의 너트에 적용하였고, 하중은 기본정격하중인 2,250 N까지 1,000 N, 1,500 N, 2,000 N, 2,250 N으로 적용하여 해석하였다.

대상 데이터

10은 0°부터 30°까지의 단면적을 나타내었다. 단면적을 통해 디플렉터와 샤프트 사이의 간섭을 볼을 사용하여 확인하였고, 간섭 확인에 사용된 볼의 크기는 1.6 mm 이다. Fig.
회전수에 따른 온도변화와 열 변형은 식(2)와 (3)을 적용하여 해석을 수행하였다. 볼스크류의 초기 온도는 상온인 22℃를 적용하였고, 윤활유는 윤활유에 따른 인자 v_0n 을 선정하기 위하여 공작기계에 사용되는 M사의 윤활유를 사용하였다. 각 250 rpm, 500 rpm, 750 rpm, 1,000 rpm에서의 발열량을 계산하여 해석을 수행하였다.
윤활유 종류에 따른 열 해석을 수행하였다. 윤활유에 따른 인자 v0n 를 선정하기 위하여, K사의 제품 중 고온에서 사용되는 구리스와 저온에서 사용되는 구리스를 사용하였고, 윤활유 별로 250 rpm, 500 rpm, 750 rpm, 1,000 rpm 회전수를 적용하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

(2) 볼스크류에 기본정격하중을 축방향으로 적용하여 최대 응력 115.31 MPa이 나타났고, 샤프트의 재료인 SCM420의 항복응력 632 MPa과 비교하면 볼스크류의 구조적 안정성이 확보됨을 알 수 있었다.
(4) 높은 온도에 사용되는 윤활유 일수록 점도가 높아짐을 확인 할 수 있었다.
비교결과 공작기계에 사용되는 윤활유를 적용 시 가장 높은 온도와 변형이 나타났다. 높은 온도에 사용되는 윤활유의 경우 높은 점도를 가지고, 점도가 높을 수록 고속에서 높은 온도와 열변형이 나타났다.
6와 7은 공작기계에 사용되는 M사의 제품과 K사의 고온과 저온에서 사용되는 구리스를 온도와 열 변형량을 회전수에 따라 비교한 그래프이다. 비교결과 공작기계에 사용되는 윤활유를 적용 시 가장 높은 온도와 변형이 나타났다. 높은 온도에 사용되는 윤활유의 경우 높은 점도를 가지고, 점도가 높을 수록 고속에서 높은 온도와 열변형이 나타났다.
해석결과 너트 부에서 최대 응력과 최대변형이 발생하였다. 샤프트의 재료인 SCM420의 항복응력이 632 MPa이고, 볼스크류의 기본정격하중에서 발생되는 최대계산응력이 115.31 MPa임을 비교하면 볼스크류의 구조적 안정성은 확보됨을 알 수 있었다.
(3) 샤프트의 회전수에 따른 열 해석을 수행하였다. 열 변형은 너트의 이송량이 가장 많은 샤프트 중앙 부분에서 최대 열변형 와 최대 온도가 발생하였고, 이송량이 적은 양 끝단에서 최소 열 변형과 온도가 나타났다.
해석결과 1,000 rpm일 때 고온에서 사용되는 구리스는 최고 온도 46.96°C, 최대 열 변형 2.0 µm이 나타났고, 저온에서 사용되는 구리스는 최고 온도 34.48°C, 최대 열 변형 1.0µm으로 나타났다.
Table 2는 회전수에 따른 온도와 열변형량을 나타내었다. 해석결과 최고온도는 샤프트의 중앙 부분에서 발생하였고, 상대적으로 낮은 온도 분포는 볼스크류 양 끝단에서 나타났다. 중앙 부분에서 높은 온도가 나타나는 이유는 중앙 부분의 너트 이송량이 가장 많아, 온도가 상대적으로 높아진 것으로 분석된다.

후속연구

본 연구의 결과는 C3급 디플렉터형 볼스크류 개발을 위해 활용 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디플렉터 타입이 볼스크류의 소형화에 적합한 이유는 무엇인가?	디플렉터 타입은 순환 부품인 디플렉터에 의해 볼의 진행방향이 변경 되고, 나사축의 외경 나사산을 넘어서 초기 위치로 되돌아오는 무한순환운동을 한다. 다른 타입에 비해 볼 회로의 길이를 짧게 할 수 있어, 볼스크류의 소형화에 적합하다.3
	볼스크류를 순환 부품에 따라 분류하시오.	볼스크류는 순환 부품에 따라 튜브 타입 (Tube Type), 엔드캡 타입 (End-Cap Type), 디플렉터 타입 (Deflector Type)등으로 분류된다. 디플렉터 타입은 순환 부품인 디플렉터에 의해 볼의 진행방향이 변경 되고, 나사축의 외경 나사산을 넘어서 초기 위치로 되돌아오는 무한순환운동을 한다.
	볼스크류의 디플렉터 타입은 어떠한 운동을 하는가?	볼스크류는 순환 부품에 따라 튜브 타입 (Tube Type), 엔드캡 타입 (End-Cap Type), 디플렉터 타입 (Deflector Type)등으로 분류된다. 디플렉터 타입은 순환 부품인 디플렉터에 의해 볼의 진행방향이 변경 되고, 나사축의 외경 나사산을 넘어서 초기 위치로 되돌아오는 무한순환운동을 한다. 다른 타입에 비해 볼 회로의 길이를 짧게 할 수 있어, 볼스크류의 소형화에 적합하다.

참고문헌 (11)

Oh, N. S., Lee, C. M., and Choi, J. H., "A Basic Study on the Static and Dynamic Characteristic Analysis of a Miniature Ball Screw," Proc. of KSPE Spring Conference, p. 492, 2016.
Moon, S. H., Kim, J. H., Kim, H. G., and Lee, C. Man., "Study on the Analysis of Thermal Characteristics for Deflector Type Miniature Ball Screw," Proc. of KSPE Spring Conference, p. 482, 2016.
Choi, J. H., "A Study on Noise Improvement of High Speed Ball Screw by Ball-Circulating Method Change," M.Sc. Thesis, Mechanical and System Engineering, Gyeongsang National University, 2012.
Choi, H. Z., Lee, S. W., and Park, S. I., "A Study on the Grinding Technologies for Manufacturing Ball Screws with CBN," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 34-37, 1998.
Fukada, S., Fang, B., and Shigeno, A., "Experimental Analysis and Simulation of Nonlinear Microscopic Behavior of Ball Screw Mechanism for Ultra-Precision Positioning," Precision Engineering, Vol. 35, No. 4, pp. 650-668, 2011.

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Choi, C., "A Study on Performance Improvement of Feed System in a High-Precision Ball Screw," M.Sc. Thesis, Engineering of Aerospace, Gyeongsang National University, 2015.
Min, B. K., Cao, L., Khim, G. H., Park, C. H., and Chung, S. C., “Modeling and Uncertainty Analysis of Ballscrew Nut Stiffness,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 32, No. 5, pp. 415-422, 2015.

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Kim, S. S., Xu, Z. Z., Kim, H. K., and Lyu, S. K., "A Study on Effect of Various Coolinig Methods in Motion of High-Precision Ball Screw," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 30, No. 3, pp. 254-259, 2013.

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Park, C. I. and Chung, S. C., "A Study on the Load Distribution and Stiffness in Nut Section of Ball Screws," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 243-248, 2010.
Xu, Z.-Z., Choi, C., Liang, L.-J., Li, D.-Y., and Lyu, S. -K., "Study on a Novel Thermal Error Compensation System for High-Precision Ball Screw Feed Drive (2nd Report: Experimental Verification)," Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 16, No. 10, pp. 2139-2145, 2015.

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Xu, Z.-Z., Choi, C., Liang, L.-J., Li, D.-Y., and Lyu, S.-K., "Study on a Novel Thermal Error Compensation System for High-Precision Ball Screw Feed Drive (1st Report: Model, Calculation and Simulation)," Int. J. Precis. Eng. and Manuf., Vol. 16, No. 10, pp. 2005-2011, 2015.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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