KR100807427B1 - 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법에 관한 것으로서, 상기 볼 스크류의 볼들이 구름 운동할 수 있는 상기 너트 스크류의 나선형 홈을 선반 가공 또는 절삭 가공하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 얻은 나선형 홈을 침탄 및 급냉 또는 고주파 급냉과 같은 방법으로 열처리하여 상기 나선형 홈의 상부 표면층을 경화하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 얻은 나선형 홈의 경화된 상부 표면층을 전해 연마법에 따라 표면 가공하는 제 3 단계를 포함하는 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법에 관한 것이다.
볼 스크류, 너트, 나선형 홈, 선반 가공, 절삭 가공, 선반, 열처리, 경화, 전해 연마

Description

볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법{METHOD FOR WORKING NUT SCREW FOR BALL SCREW}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 보여주는 볼 스크류용 너트 스크류의 종방향 단면도;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예를 보여주는 것으로, 디플렉터식 볼 스크류에서 사용되는 너트 스크류의 가공 장치의 측면도;
도 3은 본 발명의 제 3 실시예를 보여주는 너트 스크류의 일부를 보여주는 종방향 단면도.
도 4는 볼 스크류의 종방향 단면도.
도 5는 너트 스크류의 나선형 홈의 가공을 위한 통상적인 방법을 보여주는 종방향 단면도.
도 6은 통상적인 너트 스크류의 종방향 단면도.
도 7은 통상적인 디플렉터식 볼 스크류의 종방향 단면도.
도 8은 통상적인 너트 스크류의 일부를 보여주는 종방향 단면도.
본 발명은 디플렉터식 볼 스크류(deflector-type ball screw)를 비롯한 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법에 관한 것이다.
볼 스크류는 회전 운동을 직선 운동으로 또는 직선 운동을 회전 운동으로 전환하는 것으로서, 작은 토크를 증폭하여 큰 추력을 제공하는 외에도 직선 방향을 따른 정확한 위치 결정을 가능하게 하는 것이다. 이러한 성능때문에, 상기 볼 스크류는 기계 공구, 반도체 관련 장치, 및 산업용 로보트 등에서 광범위하게 사용되고 있다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 상기 볼 스크류는 제1 나선형 홈(101)을 갖는 스크류 축(102)과, 제2 나선형 홈(103)을 갖는 너트 스크류(104)를 포함하는데, 상기 스크류 축(102) 및 너트 스크류(104)의 제1, 제2 나선형 홈들(101),(103)의 사이에서 다수의 볼들이 구름 운동할 수 있게 된다. 상기 제1 나선형 홈(101)은 롤링 다이(rolling die)를 이용한 롤링 가공에 의하여 또는 고딕 아치 형상(Gothic-arch shape)으로의 그라인딩에 의하여 형성된다. 다른 한편으로, 상기 너트 스크류(104)의 제2 나선형 홈(103)은 하기의 방법으로 가공된다.
즉, 상기 너트 스크류(104)의 바탕 재료(blank material)가 침탄 및 급냉 처리되거나, 또는 고주파 급냉 처리되어 소정 수준의 경도를 가지게 된다. 다음에, 도 5에서 도시한 바와 같이, 회전축(106)의 선단부에 장착된 회전 숫돌(107)을 이용하여 제2 나선형 홈(103)이 고딕 아치 형상으로 가공된다.
그러나, 상기 회전축(106)의 선단부에 장착된 회전 숫돌(107)을 이용하여 너트 스크류(104)의 내경을 그라인딩하는 방법에 있어서, 상기 회전축(106)은 작은 직경으로 형성되어야 하므로 강도(rigidity)가 낮다. 따라서, 이와 같이 형성되는 회전축(106)의 경우, 탄화 또는 급냉 처리되거나 또는 고주파 급냉 처리되어 소정수준의 경도를 가지게 된 상기 바탕 재료를 가공하기가 어렵게 된다. 또한, 상기 제2 나선형 홈(103)을 고딕 아치 형상의 나선형으로 가공할 때, 충분히 매끄러운 표면으로 가공되지 않는 경우, 상기 제2 나선형 홈(103)과 이의 상부에서 구름 운동하는 볼(105)의 사이에서 표면 박리 현상이 발생하여 상기 제2 나선형 홈(103)의 수명이 단축되게 된다. 다시 말하면, 상기 회전 숫돌(107)을 이용하여 제2 나선형 홈(103)을 그라인딩하는 데에는 많은 시간이 요구된다.
또한, 통상적으로 사용되는 또 다른 방법은 열처리의 완료후 나선형 홈을 그라인딩 작업이 아닌 랩핑 작업(lapping operation)을 이용하여 가공하는 것이다. 그러나, 이러한 방법에 있어서, 상기 나선형 홈과 형상이 유사하고 입자들이 부착되어 있는 랩핑 바(lapping bar)를 상기 홈의 형상마다 제조하여야 하므로, 너트 스크류의 제조 비용이 증가한다.
또한, 도 6 및 도 7은 그의 내주면(inner peripheral surface)에 형성된 제2 나선형 홈(202)을 가지는 디플렉터식 볼 스크류용 너트 스크류(201)를 도시한다. 상기 너트 스크류(201)의 외주면(outer peripheral surface)에는, 디플렉터가 피팅(fitting) 및 고정될 수 있는 디플렉터 맞춤 구멍(deflector fit hole; 204)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 디플렉터 맞춤 구멍(204)이 유극이 없이 디플렉터와 맞추어질 수 있도록 하기 위하여, 상기 디플렉터 맞춤 구멍(204)은 디플렉터(203)와 동일한 형상을 가지도록 가공된다.
그리고, 볼 스크류(206)의 제1 나선형 홈(205)과 상기 너트 스크류(201)의 제2 나선형 홈(202)의 사이에서 다수의 볼(207)들이 구름 운동할 수 있게 된다. 또한, 상기 볼(207)은 상기 볼 스크류(206)의 무한 순환 통로 (endless circulation passage; 208)내에 배치되고, 상기 너트 스크류(201)와 볼 스크류(206)가 서로에 대하여 회전하는 경우, 상기 볼(207)은 상기 디플렉터(203)의 순환 통로를 통해 상기 무한 순환 통로를 구름 운동할 수 있게 된다.
그런데, 드릴 또는 엔드 밀(end mill)과 같은 절삭 공구를 이용하여 상기 디플렉터를 가공하는 통상의 방법에 있어서, 상기 너트 스크류(201)는 이의 외주면으로부터 절삭된다. 그러나, 상기 볼 스크류(206)의 높은 추력이 요구되므로, 상기 볼 스크류(206)의 크기가 커지고 상기 순환 통로들의 수가 증가하게 된다. 다시 말하면, 상기 통상의 가공 방법에 있어서, 절삭 제거량이 증가하는 외에도, 상기 절삭 제거량의 증가에 비례하여 가공 시간이 길어지게 된다.
또한, 도 8에서 도시한 바와 같이, 상기 디플렉터(203)를 상기 너트 스크류(201)에 견고하게 고정하기 위한 수단으로서, 상기 너트 스크류(201)에 형성될 디플렉터 맞춤 구멍(201')은 아래로 갈수록 폭이 넓어지는 도브테일 홈(dovetail groove)의 구조를 가진다. 그리고, 상기 디플렉터(203)가 상기 디플렉터 맞춤 구멍(204')내로 피팅된 후, 상기 디플렉터(203)는 펀치(209)를 이용하여 코킹 및 변형됨으로써, 상기 디플렉터(203)가 상기 디플렉터 맞춤 구멍(204')로부 터 미끄러져 나오는 것이 방지된다.
그러나, 드릴 또는 엔드 밀과 같은 절삭 공구를 이용하여 상기 너트 스크류(201)를 절삭 가공하기 위한 통상의 가공 방법에 있어서는, 상기 볼 스크류 크기가 커지고 순환 통로들의 수가 많아지기 때문에, 절삭 제거량이 증가하는 외에도 이러한 절삭 제거량의 증가에 비례하여 가공 시간이 길어진다. 또한, 상기 너트 스크류(201)에 형성될 디플렉터 맞춤 구멍(204)'이 아래로 갈수록 폭이 넓어지는 도브테일 홈의 구조를 가지는 경우, 이러한 구멍의 가공을 위해 특수하게 설계되는 공구가 필요하게 된다. 이로써 가공 시간이 길어짐으로써 상기 너트 스크류의 가공 비용이 증가하게 된다.
본 발명은 상기 종래의 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법들의 단점을 해소하기 위한 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 볼 스크류용 너트 스크류의 나선형 홈을 상기 너트 스크류의 크기 및 상기 나선형 홈의 형상에 상관없이 용이하게 가공함으로써 상기 너트 스크류의 가공 시간을 단축시켜서 가공 비용을 감소시킬 수 있는 볼 스크류용 너트 스크류의 나선형 홈의 가공 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 디플렉터식 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법으로서, 상기 너트 스크류에서 상기 디플렉터 맞춤 구멍의 가공을 용이하게 함으로써 상기 너트 스크류의 가공 시간을 단축시켜서 가공 비용을 감소시킬 수 있는 외에도, 상기 디플렉터 맞춤 구멍에 대한 디플렉터의 고정을 용이하게 함으로써 상기 너트 스크류의 가공 비용을 감소시킬 수 있는 가공 방법을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 제 1 실시 양태에 따라, 본 발명은 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법으로서, 상기 볼 스크류의 볼이 구름 운동할 수 있는 상기 너트 스크류의 나선형 홈을 절삭 가공하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 얻은 나선형 홈을 열처리하여 상기 나선형 홈의 표면을 경화하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 얻은 나선형 홈의 표면 경화층이 형성된 나선형 홈만을 전해 연마법에 따라 표면 가공하는 제 3 단계를 포함하는 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 제 2 실시 양태에 따라, 상기 제 1 실시 양태에서 기재된 방법의 제 1 단계에서 상기 나선형 홈은, 선반을 이용한 선반 가공(lathing)에 의하여 또는 회전 공구를 이용한 절삭 가공에 의하여 고딕 아치 형상으로 가공된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 상기 너트 스크류의 나선형 홈을 선반을 이용한 선반 가공에 의해서 또는 특수하게 제작된 회전 공구를 이용한 절삭 가공에 의해서 고딕 아치 형상으로 가공함으로써, 상기 너트 스크류의 가공 시간을 단축시키고 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 너트 스크류의 바탕 재료를 열처리하여 표면 경화한 후, 상기 너트 스크류의 나선형 홈만을 전해 연마법에 따라 처리함으로써, 상기 너트 스크류의 크기 및 나선형 홈의 형상에 상관없이 상기 너트 스크류를 가공할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 제 3 실시 양태에 따라, 본 발명은 디플렉터식 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법으로서, 볼들이 상기 너트 스크류의 외주면으로부터 구름 운동할 수 있도록 상기 너트 스크류의 내주면에 형성된 나선형 홈을 갖는 너트 스크류상에 레이저빔을 조사하여, 상기 너트 스크류의 외주면으로부터 내주면까지 상기 너트 스크류를 관통하는 디플렉터 맞춤 구멍을 형성하는 단계와; 순환 통로를 한정하기 위한 디플렉터를 상기 디플렉터 맞춤 구멍내로 피팅 및 고정하는 단계를 포함하는 가공 방법을 제공한다.
또한, 제 4 실시 양태에 따라, 본 발명은 디플렉터식 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법으로서, 볼들이 구름 운동할 수 있도록 그 내주면에 형성된 나선형 홈을 갖는 너트 스크류에 디플렉터 맞춤 구멍을 형성하되, 상기 디플렉터 맞춤 구멍은 상기 스크류 너트의 외주면으로부터 내주면까지 상기 스크류 너트를 관통하도록 형성하는 단계와; 순환 통로를 한정하는 디플렉터를 상기 디플렉터 맞춤 구멍내로 피팅 및 고정하는 단계와; 상기 디플렉터를 상기 너트 스크류에 레이저빔을 이용하여 용접하는 단계를 포함하는 가공 방법을 제공한다.
본 발명의 제 3 실시 양태에 따라, 상기 디플렉터 맞춤 구멍은 레이저 빔 가공 작업을 이용하여 형성되므로, 재료의 제거량은 상기 디플렉터 맞춤 구멍의 윤곽 통로(contour passage)로 한정된다. 따라서, 통상적으로 알려져 있는 절삭 작업과 비교하여 가공 시간이 크게 단축된다.
또한, 본 발명의 제 4 실시 양태에 따라, 상기 디플렉터는 레이저빔 가공 작 업을 이용하여 상기 너트 스크류에 용접된다. 따라서, 상기 너트 스크류에서 상기 디플렉터의 미끄러짐을 방지하기 위해 특수한 형상의 디플렉터 맞춤 구멍을 형성할 필요성이 제거되는 외에도, 상기 디플렉터를 코킹하기 위한 작업이 삭제될 수 있다. 따라서, 작업 시간이 단축될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 볼 스크류의 종방향 단면도이다. 상기 볼 스크류는 제1 나선형 홈(1)을 갖는 스크류 축(2)과, 제2 나선형 홈(3)을 갖는 너트 스크류(4)를 포함하는데, 상기 스크류 축(2) 및 너트 스크류(4)의 제1, 제2 나선형 홈들(1),(3)의 사이에서는 다수의 볼(5)들이 구름 운동할 수 있게 된다. 일반적으로, 상기 스크류 축(2)의 제1 나선형 홈(1)은 롤링 다이를 이용한 롤링 가공에 의하여 또는 그라인딩에 의하여 고딕 아치 형태로 형성된다. 다른 한편으로, 상기 너트 스크류(4)의 제2 나선형 홈(3)은 선반을 이용하여 가공되거나 또는 특수하게 설계된 회전 공구를 이용하여 절삭 가공됨으로써 고딕 아치 형태를 가지게 된다.
다음으로, 상기 너트 스크류(4)의 바탕 재료는, 예를 들어 침탄 및 급냉 또는 고주파 급냉에 의하여 열처리 및 표면 경화됨으로써 상기 너트 스크류(4)의 제2 나선형 홈(3)은 소정 수준의 경도를 가지게 된다. 그러나, 이러한 상태에서 상기 제2 나선형 홈(3)은 충분히 매끄럽지 않기 때문에, 상기 너트 스크류(4)의 표면 경화 열처리후, 상기 제2 나선형 홈(3)만을 전해 연마법에 따라 표면 변성함으로써 상기 제2 나선형 홈(3)은 원하는 표면 경도를 가지게 된다.
본 발명에서 사용되는 전해 연마 방법에 있어서, 전해 연마될 제2 나선형 홈(3)을 제외한 부분이 가리워진 너트 스크류(4)는 양극으로 이용되지만, 양극(너트 스크류(4))이 음극과 함께 전해질에 담그어지고 상기 두 전극을 통해 직류 전류가 흐르도록 하는 경우, 상기 제2 나선형 홈(3)의 상부 표면은 점차적으로 녹아내려서 새로운 매끄러운 표면으로 변화된다.
이와 같이, 상기 너트 스크류(4)의 제2 나선형 홈(3)이 선반을 이용하여 가공되거나 또는 특수하게 설계된 공구를 이용하여 고딕 아치 형태로 절삭 가공되는 경우, 상기 너트 스크류(4)의 가공 시간이 단축되고 가공 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 상기 너트 스크류(4)의 표면 경화 열처리후, 상기 제2 나선형 홈(3)만을 전해 연마 방법에 따라 처리함으로써, 상기 너트 스크류(4)가 그 크기 및 제2 나선형 홈(3)의 형상에 상관없이 가공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 디플렉터식 볼 스크류에서 사용되는 너트 스크류의 가공 장치의 측면도이다. 상기 너트 스크류 가공 장치는 가공 지지기구(11)를 포함하고, 상기 가공 지지 기구(11)내에는 너트 스크류(12)를 잡기 위한 척(chuck; 13)이 배치되어 있다. 상기 척(13)은 상기 너트 스크류(12)를 그 주변 방향으로 그리고 그 축방향으로 수치 제어 인덱스(numerically controlled index; 14)를 이용하여 위치 결정할 수 있다.
상기 너트 스크류(12)의 외주면에는, 레이저 가공기(15)의 레이저 조사공(16)이 너트 스크류(12)의 축에 직각으로 연장되도록 형성되어 있는데, 상기 레이저 조사공(16)으로부터 조사되는 레이저빔(L)은 너트 스크류(12)의 외주면에 인가됨으로써, 상기 너트 스크류(12)의 외주면으로부터 내주면까지 너트 스크류(12)를 관통하는 디플렉터 맞춤 구멍(17)이 형성될 수 있다.
즉, 상기 척(13)이 수치 제어(NC) 인덱스(14)를 이용하여 상기 너트 스크류를 그 주변 방향 및 축방향으로 이동시키는 동시에, 상기 레이저빔 조사구(16)로부터 조사되는 레이저빔(16)은 상기 너트 스크류(12)의 외주면에 조사된다. 따라서, 상기 레이저빔(L)은 상기 디플렉터 맞춤 구멍(17)의 윤곽 통로를 따라 조사됨으로써, 상기 너트 스크류(12)의 외주면으로부터 내주면까지 상기 너트 스크류를 관통하는 디플렉터 맞춤 구멍(17)이 상기 너트 스크류(12)에 형성된다. 통상적인 구조와 마찬가지로, 상기 디플렉터 맞춤 구멍(17)내에는 디플렉터가 피팅되는데, 상기 디플렉터는 코킹 또는 나사조임에 의하여, 또는 후술하는 본 발명의 제 3 실시예를 제공하는 레이저빔 용접 작업을 이용하여 상기 너트 스크류(12)에 고정될 수 있다.
상기 디플렉터가 통상의 절삭 가공 작업과 다르게 레이저빔 가공 작업을 이용하여 형성되는 경우, 상기 레이저빔에 의한 재료의 제거량은 상기 디플렉터 맞춤 구멍(17)의 윤곽 통로로 한정됨으로써, 가공 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 따라서, 상기 제 2 실시예는 증가된 크기의 볼 스크류 및 증가된 수의 순환 통로를 처리하는데 효과적이다.
한편, 도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 볼 스크류(12)의 일부를 보여주는 종방향 단면도이다. 상기 너트 스크류(12)에는 디플렉터 맞춤 구멍(18)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 디플렉터 맞춤 구멍(18)은 상기 너트 스크류(12)의 외주측에서는 넓은 폭을 가지며 상기 너트 스크류(12)의 내주측에서는 좁은 폭은 가짐으로써, 상기 디플렉터 맞춤 구멍(18)의 맞춤 단차부(19)가 형성된다.
또한, 디플렉터(20)는 상기 디플렉터 맞춤 구멍(18)의 형상에 대응하는 형상 을 가지며, 상기 맞춤 단차부(19)와 계합할 수 있는 계합 에지부(21)를 포함한다. 또한, 상기 디플렉터(20)의 양측 에지부에는 모서리가 깍여진 부분(22)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 디플렉터 맞춤 구멍(18)에 디플렉터(20)를 고정하기 위하여, 상기 디플렉터(20)가 디플렉터 맞춤 구멍(18)내로 피팅됨으로써, 상기 맞춤 단차부(19)가 상기 계합 에지부(21)와 계합될 수 있다. 이러한 상태에서, 상기 레이저빔(L)이 레이저 가공기의 레이저 조사공(23)으로부터 상기 디플렉터 맞춤 구멍(18)과 디플렉터(20)사이의 연결부로 조사됨으로써 상기 디플렉터(20)가 상기 디플렉터 맞춤 구멍(18)에 레이저 용접되어 상기 디플렉터(20)가 상기 너트 스크류(12)에 고정될 수 있게 된다.
이러한 경우에 있어서, 상기 레이저빔(L)에 의해 가열 및 용접될 부분은 매우 작은 면적으로 제한되고, 가열 및 용접된 부분은 가열에 의한 변형이 거의 없게 된다. 또한, 통상적인 코킹 작업시에 발생할 수 있는 디플렉터의 미끄러짐을 방지하기 위한 테이퍼 구멍의 가공의 필요성이 제거됨으로써 가공 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정의 실시예만이 구체적으로 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 상기 실시예에 대한 다수의 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법은 상기 너트 스크류의 바탕 재료를 열처리하기 전에 선반 가공 또는 절삭 가공하여 상기 너트 스크류의 나선형 홈을 형성함으로써 상기 너트 스크류의 가공 효율을 향상 시킬 수 있고 가공 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 상기 너트 스크류의 바탕 재료를 열처리 및 표면 경화한 후 상기 너트 스크류의 나선형 홈만을 전해 연마 방법에 따라 처리함으로써, 상기 나선형 홈을 포함한 너트 스크류를 너트 스크류의 크기 및 나선형 홈의 형상에 상관없이 가공할 수 있는 외에도, 상기 너트 스크류의 가공 비용을 감소시킬 수 있다.
그 밖에, 상기 디플렉터 맞춤 구멍은 레이저빔 가공 작업에 따라 형성되므로, 재료의 제거량이 상기 디플렉터 맞춤 구멍의 윤곽 통로로 한정된다. 따라서, 통상적으로 사용되는 절삭 작업과 비교하여, 본 발명은 가공 시간을 크게 단축시키는 외에도, 증가된 크기의 볼 스크류 및 증가된 수의 순환 통로를 처리하는데 효과적이다.
또한, 상기 디플렉터는 레이저빔을 이용하여 너트 스크류에 용접되므로, 상기 너트 스크류에서 디플렉터의 미끄러짐을 방지하기 위해 특수하게 설계된 디플렉터 맞춤 구멍을 형성할 필요가 없고, 디플렉터를 코킹하기 위한 작업을 실시할 필요가 없다. 따라서, 가공 시간 단축되고 가공 비용이 감소될 수 있다.

Claims (1)

  1. 디플렉터식 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법에 있어서,
    볼들이 구름 운동할 수 있도록 그의 내주면에 형성된 나선형 홈을 갖는 상기 너트 스크류의 외주면상으로 레이저빔을 조사하여, 상기 너트 스크류의 내주면까지 관통하는 디플렉터 맞춤 구멍을 상기 너트 스크류에 형성하는 단계와;
    순환 통로를 한정하기 위한 디플렉터를 상기 디플렉터 맞춤 구멍에 피팅 및 고정하는 단계와,
    상기 나선형 홈을 절삭 가공하는 단계와;
    상기 절삭 가공된 나선형 홈을 열처리에 의해 표면 경화하여 상기 나선형 홈에 표면 경화층을 형성하는 단계와;
    상기 표면 경화층을 전해 연마법에 따라 표면 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 스크류용 너트 스크류의 가공 방법.
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