KR20190012166A - 스핀들 너트, 나사 드라이브, 그리고 스핀들 너트 제조 방법 - Google Patents

스핀들 너트, 나사 드라이브, 그리고 스핀들 너트 제조 방법 Download PDF

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KR20190012166A
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필립 오뜨
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

나사 드라이브용, 특히 비순환형 볼 나사 드라이브용 스핀들 너트(2)는 금속 성형 부품, 특히 판금 부품으로서 형성되며, 스핀들 너트(2)의 슬리브 섹션(6)은 자신의 내측에 비절삭 성형 공정을 통해 제조되는 나사산(9)을 포함하고 자신의 외측에는 매끄러운 원통형 외부 표면을 포함한다.

Description

스핀들 너트, 나사 드라이브, 그리고 스핀들 너트 제조 방법
본 발명은 스핀들 너트, 스핀들 너트의 제조를 위한 방법, 그리고 스핀들 너트를 포함하는 나사 드라이브(threaded drive)에 관한 것이다.
스핀들 너트 및 관련된 볼 나사 드라이브(ball screw drive)는 예컨대 DE 10 2013 207 618 A1호로부터 공지되어 있다. 볼 나사 드라이브는 지지 베어링으로서의 볼 베어링을 포함한다.
웜 기어(worm gear)로서도 지칭되는 나사 드라이브의 구성요소들은 원칙상 절삭 방식으로, 또는 비절삭 방식으로 가공될 수 있다. 나사 드라이브를 위한 판금 부품들(sheet metal part)의 이용은 기본적으로 DE 28 29 433 C2호로부터, 그리고 DE 100 28 968 A1호로부터 공지되어 있다. 두 독일 공보의 경우에, 각각의 스핀들 너트의 내측에 형성되는 나사산들의 윤곽들은 스핀들 너트의 외측에서도 확인될 수 있다. 다시 말하면 스핀들 너트는 단일의 벽 두께의 판금으로 형성된다.
본 발명의 과제는, 높은 기능성을 달성하면서도, 스핀들 너트; 및 이 스핀들 너트로 작동하는 나사 드라이브;의 제조를 특히 경제적으로 형성하는 것에 있다.
상기 과제는 청구항 제1항의 특징들을 갖는 스핀들 너트를 통해; 청구항 제5항에 따른 스핀들 너트의 제조를 위한 방법을 통해; 그리고 청구항 제8항에 따르는 본 발명에 따른 스핀들 너트를 포함하는 나사 드라이브를 통해; 해결된다. 하기에서 장치들, 다시 말하면 스핀들 너트 및 나사 드라이브와 관련하여 설명되는 본 발명의 구성들 및 장점들은 그 의미에 부합하게 제조 방법에도 적용되며, 그리고 그 반대의 경우에도 또한 동일하게 적용된다.
스핀들 너트는 금속 성형 부품, 특히 판금 부품으로서 형성되며, 스핀들 너트의 원통형 영역은 슬리브 섹션(sleeve section)으로서 지칭된다. 상기 슬리브 섹션의 내측에는 나사산이 형성되며, 이 나사산은 직접적으로, 또는 중간에 회전체들이 개재된 상태에서 나사 스핀들과 상호작용한다. 나사산의 형태로 윤곽 형성된 슬리브 섹션의 내측과 달리, 슬리브 섹션의 외부 표면은 매끄러우면서도 원통형이다.
스핀들 너트는 예컨대 스트립 형태로 존재하는 금속 출발 재료, 특히 판금으로부터 하기 단계들로 제조될 수 있다.
- 원통형 외부 표면을 가지면서 슬리브 섹션을 포함하는 블랭크(blank)는 비절삭 성형 공정을 통해, 특히 판금으로부터 딥드로잉 가공을 통해 제조되며, 원통형 외부 표면의 치수들은 차후의 나사 스핀들의 외부 치수들에 상응한다.
- 비절삭 성형 공정, 특히 나사 그루빙 가공(thread grooving)을 통해, 블랭크 내에는, 슬리브 섹션의 원통형 외부 표면을 변함없이 유지하면서 나사산 스핀들과의 상호작용을 위해 제공되는 나사산이 성형된다.
딥드로잉 가공에 대한 대안으로, 블랭크의 제조는 원칙상 압출 가공을 통해서도 수행될 수 있으며, 이처럼 마찬가지로 비절삭 방식인 방법에 의해 바람직하게 좀 더 얇은 벽의 부품들이 제조된다. 어느 경우에든, 완성된 스핀들 너트의 슬리브 섹션의 평균 벽 두께는 바람직하게는 블랭크의 슬리브 섹션의 벽 두께와 일치한다.
스핀들 너트의 제조를 위한 소재로서는 바람직하게는 1,200N/㎟까지의 강도 및 최소 8%의 파괴 연신율을 갖는 금속 소재가 선택된다.
본 발명은, 나사산의 비절삭 제조를 통해 하기와 같은 다양한 장점들이 달성될 수 있다는 고려에서 개시된다. 그 원리에 기인하여, 제조 동안 칩(chip)이 발생하지 않는 동시에 높은 표면 품질이 달성될 수 있으며, 재료의 성형 공정을 통해 절삭 방식의 제조 방법에 비해 강도 상의 이점들이 제공된다.
그러나 성형 방법들에서 단점은 절삭 방법에 비해 가공력 및 가공 토크가 상대적으로 더 높다는 점에 있다. 그러므로 나사 성형 태핑, 특히 나사 그루빙 가공을 통한 암나사부의 제조는 종래 기술에서는 단지 중실형 부품들에서만 고려된다. 판금으로 제조되는 스핀들 너트는 분명히 상기 부품이 아니다.
놀라운 것으로 확인된 점에 따르면, 스핀들 너트의 얇은 벽 구조에도 불구하고 스핀들 너트에서의 나사산의 성형이 신뢰성 있게 가능하다. 슬리브형 블랭크의 제조를 위한 출발 제품으로서는, 딥드로잉 가공을 이용한 스핀들 너트의 제조 시, 바람직하게는 예컨대 스트립으로서 존재할 수 있는 판금이 이용된다. 압출 가공을 통한 슬리브형 블랭크의 제조의 경우에는, 중실형 재료, 특히 와이어에서 개시되며, 이 중실형 재료로부터 블랭크가 성형된다.
비절삭 성형 공정, 요컨대 딥드로잉 가공 또는 압출 가공을 통해 블랭크의 슬리브 형태가 제조된 후에, 적합한 공구, 특히 나사 그루빙 장치를 통해 블랭크의 내측에 나사산이 특히 볼 궤도(ball track)의 형태로 성형된다. 이런 성형은 슬리브형 블랭크의 벽부 안쪽에서의 재료 변위를 통해 이루어진다. 이런 경우, 슬리브형 블랭크의 외부 윤곽은 바람직하게는 다이(die)에 의해 파지되며, 그럼으로써 슬리브형 블랭크의 재료는 바깥쪽으로 변위될 수 없게 된다. 오히려 재료는, 오직 공구의 표면 섹션들과 슬리브형 블랭크의 내부 표면 사이에 형성되는 자유 공간들 안쪽으로만 변위된다. 이런 방식으로, 그루빙 가공을 통해 나사산의 정의된 견부 높이가 생성될 수 있다. 동일한 방식으로, 나사산은 스핀들 너트의 내측에서 나사산 태핑 나사들(thread-forming tapping screw)을 통해 구성될 수 있다. 스핀들 너트로 추가 가공되는 슬리브형 블랭크에서 나사산의 제조를 위한 다양한 형태의 방법들의 조합 역시도 고려된다. 한 줄 나사산 대신, 다줄 나사산 역시도 스핀들 너트 내에 성형될 수 있다. 하나 이상의 나사산은 예컨대 라운딩된 윤곽 또는 사다리꼴 윤곽을 보유할 수 있으며, 사다리꼴 윤곽은 특히 회전체들을 포함하지 않은 단순한 이동 스크류의 경우에 선택된다.
하나 이상의 나사산의 평균 깊이는 바람직한 구현예에서 스핀들 너트의 슬리브 섹션의 평균 벽 두께의 최소 20%와 최대 50%이다. 전술한 평균 벽 두께는 바람직하게는 슬리브 섹션의 반경의 1/4 미만이다. 이와 동시에, 슬리브 섹션의 평균 벽 두께는 바람직하게는 슬리브 섹션의 반경의 1/10보다 크다.
슬리브 섹션의 단부면에는, 바람직한 구현예에 따라서, 반경 방향 바깥쪽으로 지향되는 플랜지(flange)가 일체형으로 이어진다. 플랜지는 예컨대 주변 부품 내에 또는 상에 스핀들 너트를 고정하기 위해 이용될 수 있으며, 그리고 이런 목적을 위해 마찬가지로 비절삭 방식으로 제조될 수 있는 보어들을 포함할 수 있다. 동일한 방식으로, 플랜지의 정밀한 외부 윤곽은 천공 가공을 통해 제조될 수 있다. 그 밖의 점에서 스핀들 너트의 윤곽들은 예컨대 엠보싱 가공을 통해 제조될 수 있다.
플랜지 대신, 슬리브 섹션은, 반경 방향 안쪽으로 지향되는 림(rim) 역시도 포함할 수 있다. 동일한 방식으로, 슬리브 섹션이 일측 단부면에서 플랜지로 전이되고 대향하는 단부면에서는 림으로 전이되는 것인, 스핀들 너트의 실시형태들도 실현될 수 있다.
모든 경우에서, 나사산 및 경우에 따른 플랜지 및/또는 림을 포함하는 전체 스핀들 너트는 판금, 특히 강판(steel sheet)으로부터 성형 방법들을 통해 일체형으로 제조된다.
스핀들 너트의 단일의 나사산 또는 복수의 나사산의 기하학적 구조와 무관하게, 슬리브형 블랭크 상에 일체로 형성되는 플랜지의 벽 두께는 슬리브 섹션의 평균 벽 두께로부터 바람직하게는 15%를 초과하지 않게 차이가 난다. 특히 플랜지의 벽 두께는 슬리브 섹션의 평균 벽 두께와 일치할 수 있다. 이에 상응하는 관계들은 스핀들 너트에서 나사산을 통해 윤곽 형성되는 원통형 슬리브 섹션과 비교하여 안쪽으로 지향되는 림의 벽 두께에도 적용된다.
플랜지의 성형, 림의 성형, 및 나사산의 성형은 원칙상 임의의 순서로 가능하다. 바람직한 공정에서, 출발 부품에서, 특히 판금 스트립(sheet metal strip)의 섹션, 또는 와이어의 섹션에서, 맨 먼저 플랜지 및 림을 포함하는 스핀들 너트의 전체 외부 윤곽들을 포함하지만, 그러나 아직 나사산은 포함하지 않는 슬리브형 부품이 성형된다.
선택적으로 슬리브 섹션 상에 일체로 형성되는 림은, 특히 스핀들 너트에 대해 나사 드라이브의 반경 방향으로 나사 스핀들을 지지하는 환형 중간 부재를 위한 지지면을 형성하기 위해 적합하다. 중간 부재는, 바람직하게는, 나사 스핀들 및 스핀들 너트 그리고 그에 따라 전체 나사 드라이브의 축 방향과 관련하여, 스핀들 너트의 나사산 내에서 형상 결합 방식으로 파지되는 방식으로 성형된다. 더 나아가, 중간 부재는, 나사 드라이브에서부터 회전체들, 특히 볼들의 낙하 이탈을 방지하기 위해서도 이용될 수 있다. 이는 특히 나사 드라이브가 비순환형 볼 나사 드라이브(non-recirculating ball screw drive)로서 형성되는 경우들에서 적용된다.
비순환형 볼 나사 드라이브는, 스핀들 너트 내에 볼 순환부(ball recirculation)를 포함하지 않는 볼 나사 드라이브를 의미한다. 그에 상응하게, 상기 구현예에서, 스핀들 너트의 슬리브 섹션은 폐쇄된 표면을 포함한다. 슬리브 섹션의 폐쇄된 외부 표면은 바람직하게는 완전하게 원통형으로 형성되며, 다시 말하면 나사산에 상응하는 그루브 구조를 포함하지 않고 형성된다. 제조 방법 동안 나사산을 성형할 수 있도록 하기 위해 슬리브형 블랭크가 그 내로 삽입되는 다이는 그에 상응하게 마찬가지로 매끄러운 원통형 표면을 포함한다.
비순환형 볼 궤도에 대한 대안으로, 볼 나사 드라이브는 예컨대 외부 편향부 또는 개별 편향부들을 포함하여 형성될 수 있다. 개별 편향부들을 포함한 경우에, 볼들은, 결과적으로 동일한 회전부(turn) 내에서 순환되도록 하기 위해, 오직 나사산 내의 단일의 회전부에서만 롤링한다. 이런 목적을 위해, 스핀들 너트의 회전부 내로는 복수의 순환 부재가, 예컨대 천공 가공을 통해 제조될 수 있는 공동부들 내로 삽입된다. 천공 가공은 바람직하게는 스핀들 너트의 연질 상태, 다시 말하면 아직 경화되지 않은 상태에서 수행된다. 동일한 방식으로, 경화된 스핀들 너트 내에서는 보링 가공을 통해, 편향 부재들이 그 내로 삽입될 수 있는 공동부들이 제조될 수 있다. 그 밖의 점에서는, 스핀들 너트의 외부 표면은 상기 경우들에서도 연속해서 매끄러우며, 그리고 관통구들이 없다.
나사 드라이브의 스핀들 너트와 동일하게, 나사 드라이브의 나사 스핀들 역시도 성형 방법, 다시 말하면 비절삭 방법을 통해 제조될 수 있다. 이를 위해, 특히 공구가, 나사 스핀들을 성형하게 되는 샤프트의 외부 표면 상에서 롤링하는 방법들이 고려된다. 이런 경우, 나사 스핀들의 회전, 공구의 회전, 또는 이 두 부분 모두의 회전이 제공될 수 있다. 나사 스핀들은 중실형 부품이거나, 또는 관형 부품이다.
특히, 스핀들 너트가 직접적으로, 다시 말하면 회전체들 없이 나사 스핀들과 상호작용하는 경우들에서, 전술한 두 부품 중 일측은 마찰 감소 코팅층을 구비할 수 있거나, 또는 그 전체가 마찰 특성과 관련하여 바람직한 재료, 예컨대 비철금속으로 제조될 수 있다.
나사 드라이브의 작동 동안, 스핀들 너트 또는 나사 스핀들은 회전 부품으로서 기능하며, 그에 반해 각각 타측 부품은 오직 선형으로만 이동된다. 회전체들, 특히 볼들이 나사 드라이브 내에서 스핀들 너트와 나사 스핀들 사이에서 롤링하지만, 그러나 회전체 순환부는 제공되지 않는 점에 한해, 나사 드라이브는 특히 작은 조정 거리를 갖는 작동 장치들을 위해 적합하다. 작동 장치들로는 내연기관의 배기가스 재순환을 위한 장치를 예로 들 수 있다.
볼 궤도로서 나사산의 적합성을 달성하거나 향상시키기 위해, 스핀들 너트는 열 처리될 수 있다. 열 처리 후에, 전체 스핀들 너트는 플라스틱으로 오버몰딩(overmolding)으로 성형될 수 있으며, 플라스틱 오버몰딩 장치는, 예를 들어 치형 벨트를 이용하여 스핀들 너트의 구동을 가능하게 하는 치형 구조를 포함한다. 동일한 방식으로, 스핀들 너트가 직접적으로, 다시 말해 기어 없이 전동기로 구동되는 것인 나사 드라이브의 실시형태들도 실현될 수 있다.
하기에서 본 발명의 일 실시예는 도면에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 나사 드라이브를 도시한 단면 사시도이다.
도 2는 제조 공정 동안 도 1에 따른 나사 드라이브의 스핀들 너트를 도시한 도면이다.
도 3은 스핀들 너트를 상세하게 도시한 개략적 단면도이다.
도 1에는, 스핀들 너트(2) 및 나사 스핀들(3)을 포함하는 나사 드라이브(1), 요컨대 볼 나사 드라이브가 도시되어 있다. 스핀들 너트(2)는 강판으로 이루어진 일체형 판금 부품이며, 나사 스핀들(3)은 강관이다. 나사 스핀들(3)과 스핀들 너트(2) 사이에서는 회전체(4)로서의 볼들이 롤링한다. 또한, 나사 스핀들(3)과 스핀들 너트(2) 사이에는 환형 중간 부재(5)가 위치되며, 이 중간 부재의 횡단면은 스핀들 너트(2) 및 나사 스핀들(3)의 윤곽들에 매칭된다. 스프링의 지지부로도 이용되는 중간 부재(5)는, 반경 방향 안쪽으로 지향되는 림(7) 상에 고정되며, 이 림은 일측 단부면에서 스핀들 너트(2)의 원통형 슬리브 섹션이면서 도면부호 6으로 표시된 상기 원통형 슬리브 섹션을 한정한다.
슬리브 섹션(6)의 대향하는 단부면 상에서 상기 슬리브 섹션은 반경 방향 바깥쪽으로 지향되는 플랜지(8)로 전이된다. 도시되지 않은 방식에서, 플랜지(8)는 고정 보어들을 구비할 수 있다.
하기에서는, 도 2에 따라서, 스핀들 너트(2)의 제조가 설명된다. 딥드로잉 가공을 통해 판금으로 제조되며 자신의 외부 윤곽은 이미 스핀들 너트(2)의 외부 윤곽에 상응하지만, 그러나 내측은 여전히 매끄러운 블랭크는 다이(10) 내로 삽입되며, 그럼으로써 슬리브 섹션(6)의 원통형 외부 벽부는 전체 표면에서 다이(10)의 내부 벽부에 접한다. 동일한 방식으로, 플랜지(8) 또는 림(7)도 다이(10)에 접한다. 도시하지 않은 공구에 의해, 도면부호 9로 표시된 나사산은 스핀들 너트(2)의 슬리브 섹션(6) 내에서 제조된다.
그에 이어서, 스핀들 너트(2)는, 특히 회전체 궤도로서 나사산(9)의 적합성을 향상시키기 위해, 그 전체가 열 처리된다. 이런 경화된 상태에서, 스핀들 너트(2)는 추가 가공 단계들 없이 나사 드라이브(1)의 조립을 위해 이용될 수 있다. 그 대안으로, 도시되지 않은 방식에서, 슬리브 섹션(6)의 원통형 외부 표면은, 기어 또는 치형 벨트를 이용하여 스핀들 너트(2)의 구동을 가능하게 하기 위해, 자신의 외부 표면이 치형 윤곽으로서 형성되어 있는 플라스틱 코팅 장치에 의해 오버몰딩으로 성형될 수 있다.
스핀들 너트(2)와 동일한 방식으로, 나사 스핀들(3)도 성형 방법을 통해 제조될 수 있다. 이런 목적을 위해, 나사 스핀들(3)은 미도시한 맨드릴 상으로 끼워지고 그에 이어서 나사 스핀들(3)의 외부 표면에 작용하는 공구를 통해 가공된다.
나사 드라이브(1)는 비순환형 볼 나사 드라이브이다. 나사 드라이브(1)에서부터 회전체들(4)의 낙하 이탈을 방지하기 위해, 플랜지(8)가 그 상에 위치되는 스핀들 너트(2)의 측면 상에는, 중간 부재(5)와 유사하게, 미도시한 환형 덮개 부재가 배치될 수 있다. 나사 드라이브(1)의 작동 동안, 스핀들 너트(2)의 회전 대신, 나사 스핀들(3)의 회전 역시도 제공될 수 있으며, 이런 경우에 변위 가능한 스핀들 너트(2)는 미도시한 방식으로 회전되지 않게 고정된다.
도 3에서는, 스핀들 너트(2)의 치수 비율들이 일목요연하게 설명된다. 슬리브 섹션(6)의 반경은 도면부호 r로 표시되어 있다. R은, 나사 드라이브(1)의 회전축과 동일한 스핀들 너트(2)의 대칭축을 나타낸다. 슬리브 섹션(6)은 반경(r)의 25% 미만인 평균 벽 두께(W)를 보유한다. 도면부호 T로 표시되는 나사산(9)의 깊이는, 스핀들 너트(2)의 슬리브 섹션(6)의 평균 벽 두께의 20% 초과에 상응하지만, 그러나 그의 50% 미만이다.
1: 나사 드라이브, 볼 나사 드라이브
2: 스핀들 너트
3: 나사 스핀들
4: 회전체, 볼
5: 중간 부재
6: 슬리브 섹션
7: 림
8: 플랜지
9: 나사산
10: 다이
r: 스핀들 너트의 반경
R: 회전축
T: 나사산의 깊이
W: 평균 벽 두께

Claims (10)

  1. 금속 성형 부품으로서 형성되는 스핀들 너트(2)에 있어서, 스핀들 너트(2)의 슬리브 섹션(6)은 자신의 내측에 나사산(9)을 포함하고 자신의 외측에는 원통형 외부 표면을 포함하는 것인, 스핀들 너트(2).
  2. 제1항에 있어서, 나사산(9)은, 슬리브 섹션(6)의 평균 벽 두께(W)의 최소 20%와 최대 50%에 상응하는 깊이(T)를 보유하는 것을 특징으로 하는, 스핀들 너트(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 슬리브 섹션(6)은, 슬리브 섹션의 반경(r)의 1/4 미만인 평균 벽 두께(W)를 보유하는 것을 특징으로 하는, 스핀들 너트(2).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 슬리브 섹션(6)의 단부면들에는 반경 방향 바깥쪽으로 향하는 플랜지(8) 및/또는 반경 방향 안쪽으로 향하는 림(7)이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 스핀들 너트(2).
  5. 스핀들 너트(2)를 제조하기 위한 방법으로서,
    ● 원통형 외부 표면을 가지면서 슬리브 섹션(6)을 포함하는 블랭크가 판금으로부터 딥드로잉 가공을 통해 제조되는 단계; 및
    ● 비절삭 성형 공정을 통해, 상기 블랭크 내에, 슬리브 섹션(6)의 원통형 외부 표면을 유지하면서, 나사 스핀들과의 상호작용을 위해 제공되는 나사산(9)이 성형되는 단계;를
    포함하는, 스핀들 너트 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 나사산(9)은 나사산 그루빙 가공을 통해 성형되는 것을 특징으로 하는, 스핀들 너트 제조 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 나사산(9)의 성형 전에, 블랭크의 일측 단부면 상에는 반경 방향 바깥쪽으로 향하는 플랜지(8)가 일체로 형성되고, 대향하는 단부면 상에는 반경 방향 안쪽으로 지향되는 림(7)이 일체로 형성되며, 플랜지(8)의 벽 두께 및 림(7)의 벽 두께는 슬리브 섹션(6)의 평균 벽 두께(W)로부터 15%를 초과하지 않게 차이가 나는 것을 특징으로 하는, 스핀들 너트 제조 방법.
  8. 제1항에 따른 스핀들 너트(2) 및 이 스핀들 너트와 상호작용하는 나사 스핀들(3)을 포함하는 나사 드라이브(1).
  9. 제8항에 있어서, 상기 나사 드라이브는 비순환형 볼 나사 드라이브로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 나사 드라이브(1).
  10. 제8항에 있어서, 상기 나사 드라이브는 개별 편향부 또는 외부 편향부를 포함하는 볼 나사 드라이브로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 나사 드라이브(1).
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