사출 성형용 볼스크류 리드 선택 가이드 | YOSO

전동식 사출 성형기용 볼스크류를 지정할 때, 가장 중대한 결정 중 하나이면서도 가장 자주 간과되는 요소는 바로 스파이럴 피치 리드 — 스크류 샤프트가 한 바퀴 회전할 때 너트가 이동하는 거리 — 는 모터 속도, 직선 속도, 추진력 사이의 관계를 직접적으로 결정한다.

리드를 너무 작게 선택하면 기계가 요구되는 사출 속도에 도달할 수 없습니다. 반대로 리드를 너무 크게 선택하면 추진력과 위치 정밀도가 떨어집니다. 적절한 리드를 선택하는 것은 기계가 모든 성능 목표를 달성하게 하는 핵심이며, 잘못된 선택은 속도, 힘 또는 정확도 중 하나 이상의 저하로 이어집니다.

이 가이드는 볼스크류 리드의 작동 원리, 관련된 상호 타협 요소, 그리고 사출 성형기 각 축에 대해 최적의 리드를 선택하는 방법을 설명합니다.

볼스크류 리드란?

The 납 볼스크류의 리드는 스크류 샤프트가 한 바퀴(360°) 완전히 회전할 때 너트가 이동하는 직선 거리입니다. 단위는 밀리미터/회전(mm/rev)입니다.

사출 성형 용도에서 일반적으로 사용되는 리드 크기는 다음과 같습니다:

• 미세 리드 : 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm/rev
• 중간 리드 : 16 mm, 20 mm, 25 mm/rev
• 고속 리드 : 32mm, 40mm, 50mm/rev
• 초고속 리드 : 63mm, 80mm, 100mm/rev

중요: 리드 ≠ 피치 피치는 인접한 나사산 정점 사이의 거리이다. 단일 스타트 나사는 리드가 피치와 같으나, 다중 스타트 나사(2스타트, 4스타트 등)의 경우 리드는 피치 × 스타트 수이다. 고리드 볼스크류는 거의 항상 볼 크기 및 하중 용량을 적절히 유지하기 위해 다중 스타트 설계를 채택한다.

근본적인 타협 관계: 속도 대 추력

볼스크류 리드는 기본 기계 원리에 따라 직선 속도와 추력 간 역비례 관계를 형성한다.

직선 속도 = 스크류 회전속도 × 리드

• 리드를 두 배로 늘리면 동일한 회전속도에서 직선 속도도 두 배가 된다.
• 예시: 1,500rpm × 10mm 리드 = 15m/min; 1,500rpm × 20mm 리드 = 30m/min

추력 = 토크 × 2π ÷ 피치 × 효율

• 피치를 두 배로 늘리면 동일한 토크에서 추력이 절반으로 감소함
• 예시: 10 Nm 토크 × 2π ÷ 0.01 m × 90% 효율 ≈ 5,650 N; 피치를 20 mm로 하면 ≈ 2,825 N

이것이 핵심적인 상충 관계임:

• 미세 피치 → 높은 추력, 낮은 속도, 높은 위치 결정 해상도
• 큰 피치 → 낮은 추력, 높은 속도, 낮은 위치 결정 해상도

설계 엔지니어의 역할은 사용 가능한 모터 토크를 고려해 속도 요구사항과 추력 요구사항을 동시에 충족하는 피치를 선정하는 것임.

사출 성형 축에 의한 피치 선정

사출 성형기의 각 축은 서로 다른 속도 및 힘 요구 사항을 가지므로, 각 축에 맞는 별도의 리드 전략이 필요하다.

1. 클램핑 축

권장: 미세~중간 리드 (10–20 mm/rev)

클램핑 축은 최대 추력과 중간 수준의 속도를 요구한다. 금형 폐쇄력은 소형 기계에서는 50 kN, 대형 톤수 기계에서는 5,000 kN 이상까지 다양하다.

왜 미세~중간 리드인가?

• 높은 기계적 이점으로, 적절한 모터 토크만으로도 막대한 클램핑력을 발생시킬 수 있다
• 속도는 충분히 만족스럽다 — 클램핑 동작은 비교적 느린 사이클이다
• 정밀한 해상도로 금형 보호(저압 폐쇄) 위치 조정이 가능하다

대표적인 예시:

• 소형 기계(50–100T): 리드 16 mm, 나사 지름 Ø40 mm
• 중형 기계(200–350T): 리드 20 mm, 나사 지름 Ø50–63 mm
• 대형 기계(500T 이상): 16~20mm 피치, Ø80~100mm 스크류(보통 이중 스크류 구조)

주요 고려 사항: 클램프 축은 일반적으로 샤프트 크기에 비해 가장 큰 지름과 가장 미세한 피치를 가진 스크류를 사용하여 최대 추력 용량을 확보한다.

2. 사출 축

권장: 중간~고속 피치(20~40mm/회전)

사출 축은 얇은 벽 부품의 고속 충전을 위한 높은 속도와 패킹 및 보압을 위한 상당한 힘을 동시에 요구한다. 이 축은 속도와 힘이라는 양극단을 모두 요구하기 때문에 피치 선택에서 가장 어려운 축이다.

중간~고속 피치를 채택하는 이유:

• 얇은 벽 및 포장용 부품에 대해 100~300mm/s의 사출 속도를 달성해야 한다
• 패킹을 위해 50~200kN의 사출 힘도 확보해야 한다
• 중간 피치는 두 요구 사항 사이에서 최적의 균형을 제공한다

대표적인 예시:

• 범용 기계(100~200T): 20~25mm 피치, Ø40~50mm 스크류
• 고속 포장: 32~40 mm 피치, Ø50~63 mm 나사
• 정밀/광학용: 16~20 mm 피치, Ø32~40 mm 나사(해상도를 속도보다 우선시함)

주요 고려 사항: 고속 사출 시, 피치는 종종 최대 사출 속도의 제한 요소가 된다. 요구되는 속도가 모터의 최대 회전속도에서 표준 피치로 달성 가능한 속도를 초과할 경우, 더 큰 피치의 나사가 필요하다—다만 모터가 해당 피치에서 사출력을 유지하기에 충분한 토크를 제공해야 한다.

3. 이젝터 축

권장: 중간 피치(10~20 mm/회전)

탈형은 클램핑 또는 사출에 비해 비교적 낮은 힘과 중간 수준의 속도를 필요로 한다.

중간 피치를 선택하는 이유:

• 탈형력은 일반적으로 클램핑력의 5~20% 수준이다
• 사이클 타임을 위해 속도가 중요하지만, 사출 속도만큼 핵심적인 요소는 아니다
• 정확한 이젝터 핀 위치 조정을 위한 충분히 높은 해상도

대표적인 예시:

• 소형 기계: 10 mm 피치, Ø20~25 mm 나사
• 중형 기계: 16mm 피치, Ø32–40mm 나사
• 대형 기계: 20mm 피치, Ø40–50mm 나사

4. 사출 유닛 이동 / 노즐 접촉

권장 사양: 중~고 피치(20–32mm/회전)

노즐 접촉은 낮은 힘과 중간 속도로 작동하는 축이다. 힘 요구량이 미미하므로 높은 피치가 이곳에 잘 적용된다.

왜 높은 피치인가?

• 낮은 힘 요구량으로 인해 기계적 이점이 필수적이지 않다
• 더 빠른 이동 속도로 사이클 타임을 단축시킨다
• 노즐 접촉에는 거친 해상도도 허용된다

적절한 피치 계산 방법

피치 선택 과정은 사용 가능한 모터의 속도 및 힘 요구량을 모두 검토하는 것이다.

1단계: 필요한 직선 속도 결정 축이 달성해야 하는 최대 직선 속도를 계산합니다:

• 사출 축: 사출 속도(mm/s) × 60 = mm/min
• 클램프 축: 금형 폐쇄 속도(mm/s) × 60 = mm/min

2단계: 필요한 스크류 회전 속도(RPM) 계산 RPM = 필요한 직선 속도(mm/min) ÷ 피치(mm/rev)

해당 RPM이 모터의 정격 속도 내에 있는지, 그리고 스크류의 임계 속도와 DN 등급 이내인지 확인합니다.

3단계: 필요한 모터 토크 계산 토크(Nm) = 추진력(N) × 피치(m/rev) ÷ (2π × 효율)

여기서 효율은 볼스크류의 경우 일반적으로 0.85–0.95입니다.

이 토크가 모터의 연속 토크 및 최대 토크 등급 범위 내에 있는지 확인하세요.

4단계: 위치 결정 해상도 검증 최소 증분 이동량 = 피치 ÷ (모터 인코더 해상도 × 기어비)

이 값이 적용 분야에서 요구되는 위치 결정 정확도보다 더 미세해야 합니다.

다중 시작 나사: 하중 용량을 희생하지 않고 높은 피치 달성

높은 피치 나사가 하중 용량이 낮다는 것은 흔한 오해입니다. 그러나 다음 덕분에 반드시 그렇지는 않습니다. 다중 시작 나사 설계 .

단일 시작 대 다중 시작:

• 단일 시작 : 하나의 연속적인 나선. 피치 = 리드.
• 2-시작 : 두 개의 평행 나사산. 리드 = 2 × 피치.
• 4-시작 : 네 개의 평행 나사산. 리드 = 4 × 피치.

멀티-시작 나사산은 적정한 피치(인접 나사산 사이 거리)를 유지하면서 높은 리드를 달성합니다. 즉:

• 볼 크기 동일 → 하중 용량 동일 유지
• 너트 크기 동일 → 호환성 유지
• 리드만 변경 → 속도 성능 향상

예를 들어, Ø40 mm 나사는 다음 사양으로 제공됩니다:

• 40-5(싱글-시작, 5 mm 리드) — 고추력, 저속
• 40-10(2-start, 10mm 리드) — 중간 추력, 중간 속도
• 40-20(4-start, 20mm 리드) — 낮은 추력, 고속

모두 동일한 볼 크기를 사용하며 동적 하중 정격도 유사하지만, 20mm 리드 버전은 동일한 회전속도(RPM)에서 선형 속도를 4배 제공합니다.

DN 값: 숨겨진 제약 조건

고속 응용 분야에서 리드를 선택할 때는 반드시 DN 값 — 스크류 지름(D, mm)과 회전속도(N, RPM)의 곱 — 을 확인해야 합니다. DN 값은 너트 내부에서 볼이 이동하는 속도를 나타내며, 스크류 설계 및 윤활 방식에 따라 최대 허용 한계가 정해집니다.

DN 값: 숨겨진 제약 조건

고속 응용 분야에서 리드를 선택할 때는 반드시 DN 값 — 스크류 지름(D, mm)과 회전속도(N, RPM)의 곱 — 을 확인해야 합니다. DN 값은 너트 내부에서 볼이 이동하는 속도를 나타내며, 스크류 설계 및 윤활 방식에 따라 최대 허용 한계가 정해집니다.

일반적인 DN 한계값:

• 표준 정밀 그라인딩 스크류: 약 70,000–100,000 DN
• 고속 최적화 스크류: 약 120,000–160,000 DN
• 초고속 전용 설계: 최대 220,000 DN

리드 선택에 이 요소가 중요한 이유: 선형 속도 30 m/min과 리드 10 mm가 필요할 경우, 회전 속도는 3,000 rpm입니다. 지름 Ø40 mm의 스크류의 경우 DN = 40 × 3,000 = 120,000으로, 스크류의 정격 값을 초과할 수 있습니다.

리드를 20 mm로 하면 동일한 선형 속도 30 m/min을 위해 1,500 rpm만 필요합니다. 이때 DN = 40 × 1,500 = 60,000으로, 안전한 범위 내에 있습니다.

핵심 통찰: 동일한 선형 속도에서 리드가 클수록 회전 속도는 낮아지고, 이로 인해 DN 값이 감소하며 사용 수명이 연장됩니다. 이것이 고속 사출 공정에서 고리드 스크류가 선호되는 주요 이유입니다.

흔히 저지르는 리드 선택 오류

오류 1: 속도만 고려하여 리드를 선택함 많은 엔지니어들이 목표 속도 달성을 위해 리드를 결정하지만, 추진력 검증을 간과합니다. 그 결과, 기계는 빠르게 움직이지만 충분한 사출 압력이나 클램핑 힘을 생성하지 못하게 됩니다. 반드시 속도와 힘 모두를 확인해야 합니다.

오류 2: ‘안전을 위해’ 리드를 과도하게 크게 선택함 필요 이상으로 큰 리드를 선택하면 다음과 같은 문제가 발생합니다:

• 기계적 이점 감소 → 더 크고 비싼 모터 필요
• 위치 결정 해상도 저하 → 정밀도 요구 사항을 충족하지 못할 수 있음
• 모터에 반사되는 관성 증가 → 튜닝 어려움

실수 3: 임계 속도 무시 피치가 크고 긴 리드스크류는 최대 회전속도에서 임계 속도를 초과해 위험한 진동을 유발할 수 있음. 선택된 지름, 길이 및 지지 방식에 대해 항상 임계 속도를 계산해야 함

실수 4: 가속도 고려 누락 사출 성형 장치의 축은 빠르게 가속 및 감속함. 가속에 필요한 토크는 추진력에 필요한 토크에 추가됨. 피치가 너무 작으면, 정상 상태 하에서는 충분하더라도 빠른 가속을 위한 토크가 부족할 수 있음

피치 선택 빠른 참조 표

표

축	일반적인 피치 범위	스크류 지름 범위	우선순위
클램핑	10–20 mm/rev	ø40–100mm	추력 > 속도
사출(일반)	20–25mm/회전	ø32–50mm	균형 잡힌 속도 및 힘
사출(고속)	32–40mm/회전	ø40–63mm	속도 > 힘
주입(정밀)	16–20 mm/rev	ø32–40 mm	해상도 > 속도
이젝터	10–20 mm/rev	ø20–50 mm	균형
노즐 접촉	20–32 mm/rev	ø20–32 mm	속도 > 힘

결론

볼스크류 피치는 전동식 사출 성형기의 모든 축 성능 특성을 결정하는 기본 파라미터이다. 이는 속도와 힘을 맞바꾸는 레버로서, 적절한 균형을 찾는 것이 필수적이다.

주요 요점:

• 클램프 축 : 최대 추력을 위한 미세 피치
• 사출 축 : 속도와 힘의 균형을 위한 중간 피치; 얇은 벽면 또는 고속 기계를 위한 큰 피치
• 이젝터 축 중간 피치로 중간 속도 및 힘에 적합
• 멀티스타트 설계 하중 용량을 희생하지 않고 높은 피치를 달성
• DN 값 고속 응용 분야에서 일반적으로 더 높은 피치를 선호함(낮은 회전속도 = 낮은 DN)

각 축의 특정 속도, 힘, 정밀도 요구 사항에 맞춰 피치를 신중하게 선택함으로써 기계 제조사 및 리트로핏 엔지니어는 성능을 최적화하고, 모터 크기와 비용을 최소화하며, 볼스크류 어셈블리의 수명을 극대화할 수 있다.