[공학나라] 기계 공학 기술정보

볼트의 최대 조임 토크는 주어진 볼트를 조일 수 있는 최대 토크이다.

이 이상으로 조이면 볼트가 파단되거나 늘어날 수 있다.

얼마만큼 조여야 되는가

필요한 조임 토크는 다른 요인들 (예를들어 기밀을 유지하기 위한 필요 축력) 로 결정되지만 최대 조임 토크를 넘길수는 없다. 필요한 조임 토크가 최대 조임 토크 보다 크다면 볼트 직경이나 강도를 늘이거나 마찰력을 줄여야 한다.

필요한 조임토크가 별도로 언급되지 않으면 보통 최대 조임 토크로 조인다 (볼트가 허용하는 최대 한도로 조인다).

주어진 볼트의 최대 조임 토크 결정 변수

볼트의 최대 조임 토크는 아래 3가지로 결정된다.

- 호칭경

호칭경이 클수록 최대 조임 토크는 증가한다.

- 재질의 강도 

항복강도가 높을수록 최대 조임 토크는 증가한다.

- 도금 상태 

도금 상태는 마찰 계수를 결정한다. 마찰 계수가 작을수록 최대 조임 토크가 커진다 (토크 = 나사산 체결력 + 마찰력).

보통 코팅된 볼트가 마찰계수가 작다. 윤활제를 이용하여 마찰계수를 줄일 수도 있다.

- 나사산 종류

보통나사보다 세목나사가 조금 더 조일 수 있다. 그 증가양이 별로 크지 않고 범용성을 고려할 때 보통나사를 많이 사용한다.

최대 조임 토크

아래는 검정 볼트 (흑색 산화 피막 처리. 마찰계수 0.14) 된 볼트

Property class = 강도 등급

        강도를 숫자 X.Y 로 표기

         X의 의미 : 인장강도가 X00 MPa

         Y의 의미 : 항복강도가 X00 x Y0 % MPa 예) 4.6 이라하면 인장강도는 400 MPa항복강도는 400 x 60 % = 240 MPa 

coarse thread = 보통나사

fine thread = 세목나사

아래는 전기 아연 도금 (마찰계수 0.125) 된 볼트

Property class = 강도 등급

        강도를 숫자 X.Y 로 표기

         X의 의미 : 인장강도가 X00 MPa

         Y의 의미 : 항복강도가 X00 x Y0 % MPa 예) 4.6 이라하면 인장강도는 400 MPa항복강도는 400 x 60 % = 240 MPa 

coarse thread = 보통나사

fine thread = 세목나사

출처

https://www.fastenermart.com/files/metric_tighten_torques.pdf

나사산 체결

나사산 체결이란 무엇인가.

나사산 체결은 (암나사와 수나사가 연결된 길이) 길이와 체결 비율로 결정이 된다.

체결 비율은 암나사와 수나사의 크기 차이로 결정되며 암나사와 수나사의 크기 차이가 적을 수록 이 비율은 높아진다. 예를 들어 10-24 수나사와 0.1683 인치 홀의 체결 비율은 80%이고 0.1719 홀과의 체결 비율은 70% 이다.

나사산 체결은 왜 중요한가.

연결부의 완결성과 직접적인 연관이 있다. 낮은 체결은 암나사의 나사산이 벗겨지는 파손이 일어나게 된다. 그러나 우리가 원하는 파손모드는 볼트가 끊어지는 것이다. 수나사 볼트 교환이 쉽지 암나사 플랜지 교환은 어렵다. 반면에 너무 낳은 체결을 하게 되면 체결 토크가 너무 커지게 되고 조립 중에 볼트가 파손될 수가 있다.

나사산 체결은 연결부 인장 강도에 어떻게 영향을 미치는가?

간단히 말하면 강한 체결일수록 높은 인장 강도를 가진다. 낮은 체결에서는 앞서 언급한 바와 같이 볼트가 끊어지기 전에 나사산이 먼저 벋겨지기 때문이다. 

너트 강도에 따라 다르지만 최소 1~1.5배의 볼트 직경에 해당하는 체결 길이를 가지는 것이 최적설계에 적합하다. 어떤 문헌에서는 steel의 경우는 1배, 알루미늄의 경우는 2배를 사용한다. 

수식적 접근

실제 수식적 접근은 매우 복잡한 편이고 다양한 수식이 있지만 아래의 간단한 수식들이 유용해보인다.

수식적 접근1

전단 면적은 나사산이 전단력을 견딜수 있는 단면적으로 아래와 같이 정의된다.

AS_s = Minimum thread shear area for external threads
AS_n = Minimum thread shear area for internal threads
n = # of threads per inch
LE = Length of thread engagement
d_1_min = Minimum major diameter of external thread
d_2_min = Minimum pitch diameter of external thread
D_1_max = Maximum minor diameter of internal thread
D_2_max = Maximum pitch diameter of internal thread

암나사 수나사 재질이 같은 경우 체결 길이는 아래와 같이 정의된다.

암나사보다 수나사 재질의 인장강도가 큰 경우 체결 길이는 아래와 같이 정의된다.

LE2 = Minimum thread engagement length (tensile strength and shear area ratio)
 UTS_external = Ultimate tensile strength of external thread material
 UTS_internal = Ultimate tensile strength of internal thread material

수식적 접근2

아래 수식은 아주 오래전에 E.M. Alexander 라는 분이 만든 매우 복잡한 수식을 간단화한 형태의 잘 이해가 안가지만 위의 방법과 달리 항복강도도 변수가 된다.  

참고문헌

https://blog.fieldfastener.com/2018/03/13/rules-of-thumb-for-thread-engagement

https://www.nord-lock.com/insights/bolting-tips/2015/the-experts-thread-engagement-in-a-tapped-hole/

https://www.omniamfg.com/mechanical/2020/10/3/how-to-calculate-fastener-minimum-thread-engagement-length

Analysis and design of threaded assemblies, E.M. Alexander, 1977

https://www.nord-lock.com/ko-kr/insights/bolting-tips/2011/thread-engagement-in-tapped-hole-avoid-stripped-thread/

그림 출처 : 듀퐁사의 MOLYKOTE(R) 카탈로그

이황화 몰리브덴 코팅 (Molybdenum Disulfide, MoS2 coating)

몰리코팅이라고도 한다.

주변에서 가장 많이 쓰이는 고체 마른 필름 윤활제 (solid dry film lubricants) 이다. 고하중, 고압력하에서 사용되며 낮은 마찰계수를 가진다. 고순도의 MoS2 분말로 코팅하며 공정에서 열처리가 필요없다.

마찰계수는 0.03~0.06, 진공에서 열적 안정성은 1100도씨까지 가능하며 회색 또는 검정색이다.

(마찰 계수가 매우 낮은 편에 속한다. 예를 들어 은코팅 같은 경우에 이정도 마찰계수를 가지려면 별도의 윤활제를 사용해야 한다.)

대부분의 부식성 물질에 대해 내식성을 가져 내식성이 필요한 곳에 사용된다. 볼트, 너트, 와셔와 같은 체결류에 주로 많이 사용되는데 조립 과정에서 마찰 계수를 낮춰서 적은 토크로 조립할 수 있고 늘어붙는 현상 (seizing, galling)을 예방한다. 특히 스테인레스강 같은 경우에 이런 현상 방지가 중요하다. 

아래 그림과 같이 피팅에도 많이 사용된다 (빨간색 부분이 마찰 부위). 

공정 (예시)

오일, 그리스, 먼지 등을 부품에서 제거 (세척)

표면에 abrasive surface blasting 처리를 함 (예를 들어 샌드 블라스트)

특별한 도구를 이용하여 제품에 고속분사를 함

잔여물 제거를 위해 초음파 세척

공정은 여러가지 방법이 있으나 가장 일반적인 방법은 결합제와 수송제를 분말과 섞어서 코팅하는 방법이다. 

아래 듀퐁사의 카탈로그를 보면 자동차엔진피스톤, 배기 매니폴드 가스켓, 기어, 체인, 나사산, 밸브, 스프링, 일반조립에 적용되는 예를 볼 수 있다. 또한 MoS2 코팅 종류도 엄청 많다. 또한 도포 공정도 스프레이, 침지 회전, 침액 회전, 딥핑 등 다양하게 있는 것을 알 수 있다. 

참고문헌

www.dupont.com/content/dam/dupont/amer/us/en/transportation-industrial/public/documents/en/MOLYKOTE_AFC_Selection_Guide_001-20263_KO.pdf

www.uccomponents.com/fasteners/mos2-coating-what-is-it-and-why-would-you-choose-it-for-your-application/

www.parker.com/literature/Instrumentation%20Products%20Division/Technical%20Articles/Basics-Moly%20Article%206-21-07.pdf

ws2coating.com/2014/07/07/why-is-molybdenum-disulfide-the-first-choice-among-industrial-lubricants/

Solid Lubrication with MoS2: A Review

www.cor-pro.com/corrosion-protection-services/coatings/molybdenum-disulfide/

금속재질에 대한 은도금 (silver coating or plating)

은은 높은 열전도도, 전기적 전도도 등이 좋고 962도씨의 녹는점을 가져 온도 저항성이 좋다. 특히 은은 부드러운 연성(ductile)의 소재이며 브레이징이나 솔더링 성능도 좋다. 은은 일반적인 환경에서 산화되지 않는다. 

은도금은 무려 18세기 부터 시작되었는데 통채로 은으로 만드는 것보다 은으로 만든것 처럼 보이게하며 "싸게" 만들 수 있었기 때문이다. 전기도금와 페인트를 이용한 코팅방법이 있다. 공학적으로 일정한 품질을 얻으려면 전기도금으로 해야한다. 대부분의 은도금 스펙은 ASTM B700, QQ-S-365 및 AMS 2410 을 사용하며 스테인레스강에도 적용가능하다. 

스테인레스강이나 인코넬, 니트로닉, 해스텔로이와 같은 고온용 합금에 대한 은도금은 흔하게 한다. 특히 볼트, 너트와 같은 체결류, 슬립링, thrust 와셔, 부싱, 베어링 표면 등에 하게 되는데 고온에서 면끼리 접촉을 하는 경우에 윤활 기능을 제공하여 갈리게 되거나 떡지게 되는걸 방지한다 (anti-galling and anti seizing). 

스테인레스강 같은 경우 낮은 산소 및 고온 환경에서는 표면 산화막이 쉽게 깨져서 너트나 볼트를 조일 경우에 접촉면에서 갈리는 경우가 있고 이러한 경우에 은도금은 특히 효과적이다. 스테인레스강이 자체 산화막을 가져 부식을 방지하지만 염소가 있는 환경에서 부식에 취약해지는데 은도금을 하면 내식성이 올라가게 된다. 은은 염소가 많은 환경에서도 내식성이 좋다.

참고문헌

advancedplatingtech.com/blog/silver-plating-stainless-steel/

en.wikipedia.org/wiki/Plating

스터드 vs 볼트

스터드와 볼트 어느 것을 써야할까? 보통 볼트를 많이 사용하고 스터드는 덜 사용한다. 당연히 스터드와 한쪽 너트를 일체화한 볼트가 더 편해 보인다. 쉽게 생각해보면 스터드는 일단 부품수가 더 많아지고 비싸지는 단점이 있고 경우에 따라 볼트를 삽입하기 어려운 형상에서 스터드는 삽입이 되는 장점이 있다. 이외의 부분에 대해 알아보자.

인터넷 여기 저기를 뒤져보면 논란의 소지가 있는 부분들이 많고 영어 실력이 후달려 잘 이해하지 못하는 문구도 많아 나도 정확히 잘 모르겠으나 몇 가지는 명확한 것 같다. 아래 글들은 좀 주의해서 읽어볼 필요는 있다.

개인적인 생각으로는 스터드는 볼트가 조립이 안되는 경우를 제외하고는 엄청난 장점이 없어보이긴 한다.

스터드 장점

볼트의 경우 한쪽 나사가 녹이 슬거나 기타의 이유로 너트가 풀리지 않을 경우에 볼트를 잘라야 하지만 스터드는 반대편을 활용할 수 있다 (반대쪽 너트도 비슷한 환경에서 비슷한 조건이 되서 큰 장점이 되지는 않을 것 같다)

플랜지의 경우 볼트 홀을 볼트 직경에 비해 비교적 크게 만드는데 이 경우에 큰 머리를 가지는 볼트를 사용해야 하는 단점이 있다. 단 스터드도 마찬가지로 큰 너트를 사용해야 한다.

볼트의 경우 나사산이 있는 한쪽이 막힌 부품에 조립을 하려면 볼트의 길이가 정확해야 한다. 그러나 스터드는 이런 단점이 없다. 볼트 길이 설계를 잘 한 경우에는 별로 장점이 아닌 듯하나 대형 산업 프로젝트에서는 여기저기 호환 가능한 체결류를 선호하는 점은 이해가 간다. 또한 길이가 맞지 않으면 잘라서도 쓸 수 있는 면에서 범용성이 뛰어나다. 즉 볼트를 사용하려면 상황에 맞는 다양한 길이와 나사산의 재고를 가지고 있어야 한다.

미국의 오일이나 가스 산업분야에서는 볼트 대신에 스터드를 많이 사용하는 경향이 있는데 이것은 "전통"에 가깝다고 한다. 고객이 새로운 시도보다는 전통적인 걸 좋아하기 때문에 계속 쓴다는 말도 있다. 오일 쪽에서는 일차로 스터드를 쓰고 안되면 볼트를 쓰기도 한다.

자동차 헤드 실린더관련 내용 (명확하지 않은 부분이 있음)

중요한 부품에는 스터드와 볼트의 두 가지 선택사항이 있으면 스터드를 사용하는 것이 좋다. 이러한 이유로 자동차 엔진 블럭에 스터드가 많이 사용된다.

장점 1 : 스터드는 더 정확한 조임 토크값을 적용할 수 있다.

볼트는 조임과정에서 볼트가 비틀리게 되지만 스터드는 그렇지 않아 토크값이 더 정확하게 축력 (axial force, clamping force) 으로 변환된다. 내 생각에는 이 부분은 약간 논란의 소지가 있어보인다. 

장점 2 : 스터드는 나사산의 마모를 줄인다. (특히 일부 합금의 경우)

앞서 언급한 바와 같이 스터드는 조임 과정에서 회전하지 않으므로 조이지 않는 다른 나사산의 마모를 줄여 나사산의 수명을 오래 할 수 있다. 다른 나사산이 대형의 주요 부품이라면 더 중요하게 된다. 분해 조립으로 나사산이 마모되는 경우에는 장점이 될 수 도 있을 것 같다.

장점 3 : 일부 부품의 경우 정렬에 유리하다.

자동차 엔진 메인 캡 조립시에 정렬에 유리하다고 한다 (이유는 잘 이해하지 못하겠다;;)

참고문헌

www.autoserviceprofessional.com/articles/2492-engine-studs-understanding-the-advantages-of-using-studs-vs-bolts-and-tips-on-achieving-proper-clamping-loads

bimmertips.com/wheel-studs-vs-bolts-advantages-and-disadvantages/

www.eng-tips.com/viewthread.cfm?qid=355979

www.eng-tips.com/viewthread.cfm?qid=390759

www.quora.com/Why-stud-is-used-instead-of-bolts-or-screws