Ewellix 프로파일 레일 가이드

제품 규격은 치수와 공차만 규정하는 것이 아니다. 이를 위해 다른 조건들도 정해져야 한다. 볼 캐리지 또는 롤러 캐리지를 장착한 프로파일 레일 가이드에 대해 어떤 것이 적용되는지 이 글에서 확인하자.

Henryk Velde: 공학박사 Ewellix GmbH 중앙 제품 개발, 글로벌 테스팅 매니저

감수: 에벨릭스 코리아 이성원 대표이사

핵심 내용

  • DIN 631은 테스트 매개변수 및 이어지는 테스트 평가가 결과에 영향을 미치지 않도록 정격 하중 테스트와 테스트 실시 방식을 표준화하였다.
  • 이 표준은 순환 구름 요소를 장착한 프로파일 레일 가이드 작동을 위한 치수와 통일된 조건을 규정한다.
  • 서비스 수명을 예상할 수 있도록 수명에 대한 표준적 근거를 제공한다.

구름 베어링 및 미끄럼 베어링 규격 위원회(NAWGL), NA 118-01-11 AA 실무 위원회 “부품 및 액세서리 포함 리니어 구름 베어링”의 과제는 리니어 구름 가이드 사용에 대한 안전 지침을 제공하고, 제품 성능 데이터를 검증하여 교환을 보장하기 위해 치수와 공차를 규격화하고 표준화하는 것이다. 여기에는 프로파일 레일 가이드와 볼 부싱 가이드, 플랫 케이지 가이드, 그리고 볼 스크류가 포함된다. 이 NA 118-01-11 AA 실무 위원회는 경제계 및 학계 그리고 연구 분야의 관심 그룹들이 참여하며, 국제 표준화 작업의 일환으로 ISO/TC 4/SC 11의 대응 위원회로서 합의 지향적인 방식으로 위원회에서 조직된 관심 그룹의 이해관계를 대표한다.

이 위원회의 최근 출판물에는 콤팩트한 볼 캐리지 또는 롤러 캐리지를 장착한 프로파일 레일 가이드에 관한 것이 수록되었으며, 미래의 표준화 프로젝트에도 프로파일 레일 가이드가 중요한 역할을 한다.

DIN 631은 테스트 매개변수 및 이어지는 테스트 평가가 결과에 영향을 미치지 않도록 정격 하중 테스트와 테스트 실시 방식을 표준화하였다.

DIN 637은 순환 구름 요소를 장착한 프로파일 레일 가이드 작동을 위한 치수와 통일된 조건을 규정한다.

사용자가 서비스 수명을 예상할 수 있도록 수명에 대한 표준적 근거를 제공한다.

프로파일 레일 가이드 평가는 하중을 받는 가이드의 정격(이론상) 수명 L10을 계산할 수 있는 변수, 즉 제조사 카탈로그에 제시된 동 정격하중 서술에서 시작한다. 그렇다면 동 정격하중에 대한 카탈로그 진술의 신뢰성은 얼마나 보장되는가? 콤팩트한 볼 캐리지 또는 롤러 캐리지의 경우, 수많은 영향과 매개변수가 결과에 반영되기 때문에 테스트 매개변수가 결과에 큰 영향을 미칠 수 있다. 하지만 테스트 관련 매개변수를 규정하지 않고, 볼 캐리지 또는 롤러 캐리지를 장착한 다양한 프로파일 레일 가이드 간의 결과를 비교할 수 없다. 따라서 테스트 관련 매개변수 표준화가 필요하며, 이론상 신빙성 및 존속 확률을 측정할 수 있도록, DIN 631으로 동 정격하중 C를 테스트 기술적으로 확인할 수 있는 시험 명세 기준을 개발하였다.

볼 캐리지 장착 프로파일 레일 가이드

정격 하중 도출의 기반인 통계적 접근법

DIN ISO14728-1에 따른 동 정격하중 C의 도출 근거는 룬트베르크와 팜그렌 (Lundberg&Palmgren)에 따른 물질 피로에 대한 통계학적 접근이다. 이 접근법은 스트레스를 받는 물질 부피, 롤오버 횟수, 직각 최대 전단 응력, 스트레스를 받는 물질 부피의 깊이 그리고 특정 재료 상수에 따라 구름 요소의 존속 확률을 설명한다. 하나의 모델 라인을 규정하기 위해서는 지정된 제작 크기의 정의된 디자인 수명 테스트를 실시하는 것으로 충분하다. 콤팩트한 볼 캐리지 또는 롤러 캐리지를 장착한 프로파일 레일 가이드의 장착 크기와 디자인은 DIN ISO 12090-1을 기준으로 하며, 축소형은 DIN ISO 12090-2를 기준으로 한다. DIN 631은 콤팩트한 볼 캐리지를 장착한 프로파일 레일 가이드에 대해 통합 시험 표준인 DIN ISO12090-1에 따른 크기 25를 권장한다.

규격은 테스트 구조를 기술한다

지정된 테스트 샘플 개수(최소 30개)를 정의된 시험 하중에서 적합한 시험 구조를 이용하여 스트로크를 정하고 윤활제를 충분히 사용하는 조건에서 재료의 피로 한계까지 테스트한다. 테스트 샘플 개수는 재료 피로에 의한, 또는 다른 손상에 의한 고장률에 따라 훨씬 많아질 수 있다. 짧은 스트로크들은 정지 단계 또는 가속 단계 중 전환점에서 수많은 오버롤에 의해 재료 피로를 가속화하고, 그에 비해 견고한 윤활 구조에 의해 긴 스트로크는 수명을 늘린다. 스트로크는 사용자들이 동 정격하중을 현실적으로 측정할 수 있도록, 가이드 캐리지 금속 부분의 5배로 제한한다. 예를 들어 크기 25의 스틸 부분 길이가 70mm 이면, 스트로크는 350mm로 지정된다.

           DIN 631은 속도, 가속도, 유지 시간 등의 다른 관련 시험 매개변수와 감지를 포함한 고장 기준 및 재료 피로 모니터링을 정의한다. 이 규격을 충족하기 위한 전제 조건은 규격에 정의된 매개변수와 한계 값을 모두 준수하기 위한 테스트 스테이션 개념의 적합성이다. 테스트 스테이션 형성은 DIN 631의 내용에 포함되지 않으나, 테스트 스테이션은 관련 규격의 요건을 충족해야 하고 필요한 경우 중요한 적합성 시험을 통과해야 한다.

전형적인 레이스 손상 이미지

수동 평가 시 방식

프로파일 레일 가이드의 동 정격하중은 크기와 방향 면에서 변하지 않는 중심 하중이며(단위: 뉴튼), 동 정격하중에서 프로파일 레일 가이드는 이론 상 존속 확률 90%로 작동 거리 100km에 도달한다. 동 정격하중을 언급할 때에 제조사는 기준 거리 100km(C100) 또는 50km(C50)을 이용한다.

정격 하중과 그로부터 도출되는 정격 수명을 서로 비교하기 위해 다음 환산을 적용한다.

콤팩트 한 볼 캐리지를 장착한 프로파일 가이드 레일의 경우:

C100B = C50B/1.26

콤팩트 한 롤러 캐리지를 장착한 가이드 레일의 경우:

C100B = C50R/1.23

정격 수명 계산:

L10 = 100 (C100/P)p

L10 = 50 (C50/P)p

시험을 통해 수명을 확인하기 위해 와이블 분포와 2 매개변수 최적 일직선을 작성해야 한다. 이를 위해 와이블 분포 묘사, 최적 일직선 계산 및 신뢰 구간이 가능한 소프트웨어 툴을 사용할 수 있다. 예시를 이용하여 수동 평가 방법을 설명하는 것도 이 규격의 내용 중 일부이다. 이러한 전개와 동시에 제조사 및 사용자 관점에서 안전 및 리스크 평가와 관련하여 프로파일 레일 가이드의 사용 한계도 고려해야 한다는 필요성과 의식 그리고 방법들이 많아졌다. 결과적으로 2013년에 규격 DIN 637 구름 베어링 – 순환 구름 요소 장착 프로파일 레일 가이드 치수화 및 작동을 위한 안전 규정”이 확정되었다. 이 규격은 포괄적으로 프로파일 레일 가이드 제조사의 제품 별 응용 노하우를 이용하기에 적합한 조화로운 형식으로 취합하였다. 다시 설명하면 프로파일 레일 가이드의 동적 한계, 형태 및 위치 공차, 하중력 및 윤활 조건에 유의해야 한다.

볼 스크류 단면도

DIN 637은 안전 문제를 설명한다

제품 생성 단계에서 DIN 637을 일관되게 적용하여 안전 관련 문제에 대응할 수 있다. 따라서 프로파일 레일 가이드를 장착한 기계나 시스템을 시운전하여 있을 수 있는 설계 오류를 방지할 수 있다. 이는 오늘날 글로벌 생산 환경에서 큰 과제이며, 이용 단계에서 부적절한 사용으로 발생하는 잠재적 위험을 예방할 수 있다. 베어링 성능 기준으로 기본 서비스 수명 L10을 사용하는 것은 만족스러운 결과이다. 서비스 수명 L10은 존속 확률 90%와 연결되며, 일반적으로 사용하는 고품질 재료와 우수한 생산 품질 그리고 규격화된 작동 조건과 연결되어 있다. 하지만 많은 응용 사례의 경우 다른 수준의 신뢰성을 위해 서비스 수명을 계산하고 사용 조건에서 서비스 수명 계산을 예측하는 것이 절대적으로 필요하다.

피팅이 형성된 레이스(1)와 구름 베어링의 레이스(2)를 측면과 앞에서 본 모습

예측 사용 수명에 대한 표준

따라서 규격 위원회 NA 118-01-11 AA는 윤활 상태, 오염, 온도, 경도, 형태 공차 및 위치 공차, 구조적 특성 등과 같은 다양한 요소들의 변화 및 상호 작용이 수명에 미치는 영향과 관련하여 DIN ISO281과 유사한 방식으로 보정된 프로파일 레일 가이드 수명을 연구하고, 예상 수명을 전망하기 위한 기본 표준을 개발하였다.