[공구 노트] 나사의 종류, 볼트의 적정 체결 축력, 적정 체결 토크

[공구 노트] 나사의 종류, 볼트의 적정 체결 축력, 적정 체결 토크

안녕하세요 YoungH입니다.

 

오늘은 나사의 종류와 볼트의 적정 체결 축력, 적정 체결 토크에 대해 알아보겠습니다.

 

나사의 종류

 

나사의 종류는 나사산의 형상에 따라 달라진다.

삼각나사 : 일반적인 삼각나사의 체결 부품

각나사 : 나사산에 강한 힘이 가해지는 경우에 이용, 주로 동력 전달 부분(잭 및 바이스 등)

사다리꼴나사 : 정확한 운동 전달 부분(선반의 피드 스크루 등)

 

수나사와 암나사

수나사는 나사산이 원통 또는 원추의 바깥쪽에 있는 것이다.

암나사는 나사산이 안쪽에 있는 것이다.

규격	기호	예시
미터 보통 나사	M	M3
미터가는 나사	M (피치 병기)	M3 x 0.35
유니파이 보통 나사	UNC	3 / 4-10UNC
유니파이 가는 나사	UNF	1 / 2-20UNF
관용 평행 나사	G, PF	G1 / 2
관용 테이퍼 나사	R, PT	R3 / 4

 

미터 보통나사는 M, 미터 가는 나사는 M3 x 0.35 처럼 피치를 같이 명시한다.

유니파이 보통 나사는 UNC, 유니파이 가는 나사는 UNF, 관용 평행 나사는 PF, 관용 테이퍼 나사는 PT로 표현하다.

※ 미터 나사는 보통 나사: JIS B 0205(1997), 가는 나사: JIS B 0207(1982)을 따른다.

 

나사는 수나사와 암나사를 조합하여 사용하므로 각각의 치수가 맞는 것을 사용해야 한다.

→ 호칭이 동일한 수치가 아니면 체결 불가능하다.

 

나사의 재질

나사의 재료에 요구되는 조건

• 저렴하고 입수가 용이
• 강도와 인성이 있어 가공 가능
• 성분과 열처리를 적절하게 선택하여 광범위하게 성질을 변화시키는 것이 가능

대표적인 재료

• 합금강 SCM(크롬 몰리브덴강): 표준
• 스테인리스강 SUS: 부식을 피해야 하는 장소 및 2차 가스 발생을 피해야 하는 장소에 사용

 

표면 처리

• 사산화철 피막(흑색 착색)
• 유니크롬 도금

볼트의 적정 체결 축력

 

볼트의 적정 체결 축력은 토크법이 간편하게 널리 이용되고 있다.

 

볼트로 체결 시 체결 축력 및 피로 한도

• 볼트 체결 시 적정 체결 축력 산출은, 토크법에서는 규격 내력의 70％를 최대로 하는 탄성역 내에 있을 것
• 반복 하중으로 인한 볼트의 피로 강도가 허용값을 초과하지 않을 것
• 볼트 및 너트의 좌면에서 피체결물을 함몰시키지 않을 것
• 체결로 인해 피체결물을 파손시키지 않을 것

체결 축력과 체결 토크 계산

체결 축력 F f = 0.7 σ y · A s
체결 토크 T fA = 0.35k (1 + 1 / Q) σ y · A s · d

 

k : 토크 계수

d : 볼트의 호칭 직경[cm]

Q : 체결 계수

σ y : 내력 (강도 구분 12.9일 때 112kgf / mm 2 )

A s : 볼트의 유효 단면적 (mm 2 )

 

계산 예시

 

연강과 연강을 육각 홀 있는 볼트 M6(강도 구분 12.9)로 기름 윤활 상태에서 체결하는 경우

축력은

F f= 0.7 σ y · A s = 0.7 · 112 · 20.1 = 1576 [kgf]

 

적정 토크는

T fA= 0.35k (1 + 1 / Q) σ y · A s · d = 0.35 · 0.17 (1 + 1 / 1.4) 112 · 20.1 · 0.6 = 138 [kgf · cm]

 

 

볼트의 표면 처리와 피체결물 및 암나사 재질의 조합에 의한 토크 계수

 

볼트 표면 처리 윤활토크 계수k

 

볼트 표면 처리 윤활	토크 계수 K	조합 피체결물의 재질 (a) - 암나사 재질 (b)
강 볼트 흑색 산화 피막 기름 윤활	0.145	SCM-FC FC-FC SUS-FC
	0.155	S10C-FC SCM-S10C SCM-SCM FC-S10C FC-SCM
	0.165	SCM-SUS FC-SUS AL-FC SUS-S10C SUS-SCM SUS-SUS
	0.175	S10C-S10C S10C-SCM S10C-SUS AL-S10C AL-SCM
	0.185	SCM-AL FC-AL AL-SUS
	0.195	S10C-AL SUS-AL
	0.215	AL-AL
강 볼트 흑색 산화 피막 무윤활	0.25	S10C-FC SCM-FC FC-FC
	0.35	S10C-SCM SCM-SCM FC-S10C FC-SCM AL-FC
	0.45	S10C-S10C SCM-S10C AL-S10C AL-SCM
	0.55	SCM-AL FC-AL AL-AL

S10C: 미조질 연강 SCM: 조질강(35HRC) FC: 주철(FC200) AL: 알루미늄 SUS: 스테인리스(SUS304)

 

체결 계수 Q의 표준값

체결 계수 Q	체결 방법	표면 상태		윤활상태
		볼트	너트
1.25	토크 렌치	망간 인산염	무 처리 또는 인산염	기름 윤활 또는 MoS2 페이스트
1.4	토크 렌치	무 처리 또는 인산염
	토크 제한 있는 렌치
1.6	임팩트 렌치
1.8	토크 렌치	무 처리 또는 인산염	무 처리	무윤활

 

강도 구분 표시 방법

나사의 역사

 

나사의 발명자에 관한 정확한 기록은 남아 있지 않다. 그러나 고대 그리스 시대의 고명한 수학자 아르키메데스(기원 전 287-212년)라는 설이 유력하다. 르키메데스로 말하면, 금과 은의 비중 차(혹은 부력의 차)를 이용하여 왕의 관이 순금제가 아님을 증명한 에피소드가 유명하다.

 

기원 전 2세기의 문헌에 양수용 물 나사가 등장하고 청년이었던 아르키메데스가 발명했다고 하다. 후에 논문에서 모든 무게의 물체를 움직이는 것이 가능하다고 주장하고, 이전에 관의 소유주인 왕에게서 증명해 보이라는 도전을 받고 75톤의 배를 움직다. 이때 웜 나사를 응용했다고 전해지며 나사의 발명자는 아르키메데스라는 근거가 되었다.

 

나사의 역할

 

나사의 역할은 크게 3가지로 나눌 수 있다.

 

1. 체결/결합

나사와 같은 고정하기, 조인트 같은 연결하기를 예를 들 수 있다.

 

2. 계측 : 길이재기, 예를 들어 마이크로미트

 

3. 전달

- 회전 운동→직선 운동으로, 직성 운동 →회전 운동으로 예를 들어, 볼 나사, 액츄에이터