볼트선정방법 Part.2
보통나사와 세목나사
보통나사 (normal thread bolt)
나사의 경우 호칭경에 따라 표준 피치가 정해져 있으며 표준 피치가 적용된 나사를 보통나사라 한다. 일반적으로 사용하는 거의 모든 볼트가 보통나사이다.
| 【 보통 나사의 호칭경 크기별 표준 피치예 】 | ||||||
| 크기 | M5 | M6 | M8 | M10 | M12 | M16 |
| 피치 | 0.8 | 1.0 | 1.25 | 1.5 | 1.75 | 2.0 |
세목나사 (fine thread bolt)
보통나사에 비해서 피치가 작은 나사를 세목(細目)나사라 한다. 보통나사에 비해 나사산의 높이가 낮아 상대적으로 유효 단면적이 크므로 체결력을 크게 할 수 있다.
거친나사 (coarse thread bolt)
보통나사에 비해서 피치가 큰 나사를 거친나사라 한다. 나사산의 높이가 높아 상대적으로
유효단면적이 작으므로 체결력이 낮아진다. 피치가 크므로 결합 및 분해 속도가 빠른
장점이 있다.
보통나사의 특징
1. 피치가 크므로 조립 및 분해 속도가 빠르다.
2. 조임과 분해가 반복되어도 마모에 유리하다.
3. 주철, 경합금, 플라스틱을 조립하는 경우에 유리하다.
4. 부식과 이물질 혼입의 우려가 있는 곳에 유리하다.
5. 경제성, 범용성 면에서 유리하다.
세목나사의 특징
1. 유효단면적이 크므로 강도가 크다.(볼트의 조임력이 크다)
2. 피치가 작으므로 미세조정나사에 적합하다.
3. 리드각이 작으므로 푸는 힘이 커진다(나사 풀림에 유리)
4. 조이거나 푸는데 시간이 오래 걸린다.
5. 보통나사보다 마모가 많으므로 조립과 해체가 빈번한 곳에는 불리하다.
6. 조임 토크 관리에 유리하다.
7. 각각의 나사산에 걸리는 힘이 분산되므로 너트의 높이를 낮출 수 있다.
8. 불완전 나사부가 짧아 제품길이를 짧게 할 수 있다.
9. 관에 나사를 낼 경우 관의 두께를 얇게 할 수 있다.
10. 경제성, 범용성 면에서는 불리하다.
세목나사를 사용해야하는 부위
적은 볼트수로 강한 조임력이 요구되는 부위 진동 등에 의해 풀림이 우려되는 부위 정확한 조임력이 필요한 부위
3. 볼트와 스크류의 구분
우리나라에서는 둘 다 나사라고 번역되고 있으며, 그 구분을 정확히 하지 못해 흔히 드라이버로 조일 수 있을 정도의 작은 나사를 스크류라 부르고, 다른 공구를 이용해야 하는 나사를 볼트라 부르고 있는 사람들이 많다.
정확하게 분류한다면, 볼트와 스크류는 생긴 모양이 아니라 사용처에 따라 구분되는 것이다. 결합물을 조일 때 별도의 너트가 필요 없이 결합물 모재에 있는 암나사에 체결되는 경우는 스크류라 부르며, 모재를 관통하여 너트로 조여지는 경우는 볼트라고 부른다. 따라서, 외국에서 입수한 부품리스트를 보면 동일한 M8x1.25x30의 나사를 어떤 곳에서는 Hex head screw, 어떤 곳에서는Hex head bolt라고 기재 되어 있는 것을 볼 수 있으며, 이는 사용처에 따라 분류한 이름이기 때문이다. 보통 우리가 스크류라고 부르는 작은 나사들은 별도의 너트를 사용하는 경우가 매우 드물며, 보통은 모재에 구멍을 내고 바로 조이는 경우가 대부분이다. 따라서, 크게 다르지 않는다고 볼 수 있다.
4. 볼트의 제조공정 소개
냉간단조 공정
냉간단조는 한 개의 기계 내에서 연속적으로 이루어 지며, 소재인 와이어가 공급되면 일정 길이로 절단한 후 금형에 넣고 한 공정씩 단조를 하여 볼트의 형상을 완성하게 된다.
각 단계별 중간 공정품을 소개하면 아래의 사진과 같다.
전조 공정
단조공정이 완료된 볼트는 전조기에서 필요한 길이만큼의 나사를 성형하게 된다. 평면 전조,
원형전조가 있으며, 평면과 원형이 조합된 형태의 전조기등 다양한 형태의 전조기가 있다.
전조 나사의 특성
금속은 입자간 서로 연결된 선을 갖고 있으며, 이를 단류선(grain flow)이라 한다.
이 단류선은 이웃한 금속 입자간의 결속에 중요한 요소이므로 완제품의 특성에 상당한 영향을 미치게 된다. 전조나사는 아래 그림과 같이 단류선이 끊어지지 않고 매우 치밀한 형상을 갖고 있어 나사의 강도가 매우 높아 지게 된다.
고장력 볼트의 경우 전조 및 열처리를 하게 되는데, 전조를 먼저 하고 나서 열처리를 하기도 하고 열처리를 하고 나서 전조를 하기도 한다. 열처리전 전조의 경우 전조 금형의 수명이 길어지고 생산이
손쉬우므로 많은 업체가 이 방식을 선호하고 있다. 그러나, 전조로 인해 생성된 나사부의 치밀한 조직이 열처리 과정에서 재배열을 하게 되어 동일한 등급의 고장력 볼트 일지라도 열처리 후 전조 방식으로 생산된 볼트가 더 큰 힘을 견디므로 가혹한 조건에 사용되는 볼트일 경우 주문전 열처리 후 전조 방식을 업체에 특별 주문하여 생산되도록 하는 것이 좋다.
참고) 단류선 검사 방법
제품을 절단하여 묽은 염산에 넣고 약한 불로 데우면 금속 표면이 염산에 의해 부식이 일어 나게 된다. 이때 조직의 치밀도가 낮은 부위가 먼저 부식되게 되고 금속간 결함이 강한 단류선 부위는 잘 부식되지 않으므로 제품에서 단류선의 흐름을 육안으로 식별할 수 있게 된다. 단조품의 경우 이 단류선이 제품의 특성을 좌우 하게 되므로 단조 시 제품이 성형되면서 특정부위로 단류선이 집중되어 있지 않은지 단류선이 끊어지지 않고 연속적으로 되어있는지 여부를 보면 단조기술의 정도를 평가할 수 있다.
5. 나사체결방식의 결정
관통볼트(through bolt)
1. 일반적 형태의 볼트로 조립물을 관통하여 너트로 체결되는 경우이다.
2. 너트에 의한 조임 토크 규제가 비교적 정확하다.
3. 볼트 머리의 회전 방지 작업을 위한 공간이 필요하다.
4. 돌출한 나사부를 보호할 필요가 있다.
탭볼트(tap bolt)
1. 일반적 형태의 볼트이나 체결되는 물체에 암나사가 있어 너트를 필요로 하지 않는다.
2. 나사부가 돌출되지 않는다.
3. 조임 토크 규제가 곤란한 경우가 있다. 나사부를 통해서 누유될 수 있다.
4. 반복해서 조립과 해체를 행할 경우 나사산이 손상될 수 있다.
5. 암나사 구멍의 깊이는 볼트보다 2~3깊어야 하며, 암나사 재질에 따라 일반적으로 다음과 같이 결정한다.
| 【 d:나사의 호칭경 】 | ||
| 모재 재질 | M8 이하 | M8 이상 |
| 동, 청동 | 1.5~1.7 d | 1.0~1.2 d |
| 주철, 강 | 1.5~1.7 d | 1.3~1.5 d |
| 경금속 | 1.8 d | 1.8 d |
스터드 볼트(stud bolt)
1. 너트 조임을 하고자 하나 관통 볼트용 구멍을 뚫을 수 없는 경우에 많이 사용한다.
2. 스터드 볼트의 삽입부를 모재에 박아 돌출부에 부품을 부착하고 너트로 조임을 하는 방식이다.
3. 박음 깊이에 대한 설계 기준은 다음과 같다.
| 【 d:나사의 호칭경 】 | ||
| 모재 재질 | 체결깊이 | 밑구멍깊이 |
| 동, 청동 | d | 체결깊이+2~3피치 |
| 주철 | 1.3d | |
| 경금속 | 1.8 ~2.0d | |
6. 나사강도의 선택
1. 특별히 강도를 요하지 않는 부품의 결합에는 4T를 사용한다.
2. 강도를 요하고 또한 진동에 의한 풀림의 염려가 있는 부위에는 7T를 사용한다.
3. 중요부분 또는 공간적으로 나사크기가 제한되는 부위에는 9T 또는 그 이상을 사용한다.
참고)
일반적으로 나사를 사용함에 있어 강도를 거의 고려하지 않고 사용하는 사람들이 많다. 하지만, 우리가 흔히 일반볼트라고 부르는 4T짜리 볼트의 경우 인장강도가 400 N/mm2 이며, 고장력 볼트인 10.9의 경우 인장강도가 1000 N/mm2 이다. 즉, 동일 호칭경의 나사에서 1개의 나사가 견딜 수 있는 힘은 약 2.5배가 된다.
이는 동일 부위에 사용되는 나사의 수를 상당히 줄일 수 있음을 의미하며, 나사의 수를 줄인 다는 것은 단순히 나사의 가격만 절감되는 것이 아니며, 나사를 조립하기 위해 나사구멍의 가공 공정인 드릴링, 탭핑 공정등이 감소되어 설비 및 공구비용 등의 절감이 가능하며, 조립시간이 단축됨에 따른 인건비도 절감 된다. 보통나사와 고장력 나사의 가격 차이가 크지 않으므로 고장력 볼트의 사용을 권장한다. 단, 조여지는 물체의 강도가 낮을 경우 산이 뭉그러지거나, 변형이 일어날 수 있으므로 조여지는 물체의 인장강도를 고려하여 적정 강도의 나사를 선택해 사용하는 것이 중요하다.
나사강도 구분 및 기계적 성질
탄소강 계열의 나사
| 【 KS B 0233 】 | ||
| 강도구분 | 최소인장강도( N/mm2) | 경도 (HB) |
| 4T | 392 | 121 - 229 |
| 6T | 588 | 174 - 255 |
| 7T | 686 | 266 - 271 |
| 10T | 981 | 310 - 372 |
| 【 ISO 898-1 】 | |||
| 강도구분 | 호칭인장강도 (N/mm2 ) | 최소인장강도( N/mm2) | 경도 (HB) |
| 3.6 | 300 | 330 | 90 - 238 |
| 4.6 | 400 | 400 | 114 - 238 |
| 4.8 | 400 | 420 | 124 - 238 |
| 5.6 | 500 | 500 | 147 - 238 |
| 5.8 | 500 | 520 | 152 - 238 |
| 6.8 | 600 | 600 | 181 - 238 |
| 8.8 (d<16) | 800 | 800 | 238 - 304 |
| 8.8 (d>16) | 800 | 830 | 242 - 318 |
| 9.8 | 900 | 900 | 276 - 342 |
| 10.9 | 1000 | 1040 | 304 - 361 |
| 12.9 | 1200 | 1220 | 365 - 414 |
| ISO 898-1에서의 나사강도 표시 방법 | |
| 상기 그림과 같이 머리 위에 제조사명과 강도 구분 수자를 타각하거나, 머리 옆면에 타각하도록 규정 되어 있다. | |
스텐레스강 계열의 나사
| 계열 | 구분 | 강도 | 최소인장강도 (N/mm2) |
| 오스테나이트계 | A1 | 50 | 500 |
| A2, A3 | 70 | 700 | |
| A4, A5 | 80 | 800 |
참고)
스테인레스강은 오스테나이트계, 마르텐사이트계, 페라이트계의 3가지 계열이 사용되고 있다. 국내에서는 A2가 가장 많이 사용되고 있다.
| ISO 3506 에서의 나사강도 표시 방법 | |
| 표시 방법은 탄소강 계열과 같이 머리 위나 옆에 탁각 하도록 규정되어 있으며, 사진은 실물에 표시한 예이다. | |
인치계열 나사
| 표시방법 | 관련규격 | 재질 | 적용 호칭경 |
보증하중 (psi) |
항복강도 (psi) |
인장강도 (psi) |
| SAE J429 Grade 2 | 저탄소강 탄소강 |
1/4~3/4 | 55,000 | 57,000 | 74,000 | |
| 3/4~1-1/2 | 33,000 | 36,000 | 60,000 | |||
| SAE J429 Grade 5 | 열처리된 탄소강 |
1/4~1 | 85,000 | 92,000 | 120,000 | |
| 1~1-1/2 | 74,000 | 81,000 | 105,000 | |||
| ASTM A325 | 열처리된 탄소강 |
1/2~1 | 85,000 | 92,000 | 120,000 | |
| 1-1/8~1-1/2 | 74,000 | 81,000 | 105,000 | |||
| SAE J429 Grade 8 | 열처리된 탄소강 |
1/4~1-1/2 | 120,000 | 130,000 | 150,000 |
인치나사의 경우 강도표시를 인장강도로 하며, 단위는 psi(Pound Per Square Inch)를 사용한다. 숫자가 크므로 표시하기 불편하여 1000을 의미하는 kilo를 적용하여 ksi로 표시하면서 0 세개를 없애고 정수만 카탈로그나 규격표에 표시하기도 한다. 머리에는 숫자를 적기 어려우므로 표의 그림과 같이 표시한다.
나사강도 등급별 하중표
본 하중표는 ISO에 규정되어 있는 것으로서, 강도 등급별로 인장시험을 하였을 경우 최소한 아래표 이상의 값이 나와야 한다고 규정하고 있다.
따라서, 나사를 사용하기 위해 나사의 하중능력을 고려할 때에 아래표를 참고하면 유용하다.
| 【 최소 인장하중표 ISO 898-1 】 Minimum ultimate tensile load 미터나사-보통피치 하중단위: N |
||||||
| 호칭경 | 유효 단면적 mm2 |
나사의 강도 등급 | ||||
| 3.6 | 4.6 | 4.8 | 5.6 | 5.8 | ||
| M3 | 5.03 | 1660 | 2010 | 2110 | 2510 | 2620 |
| M3.5 | 6.78 | 2240 | 2710 | 2850 | 3390 | 3530 |
| M4 | 8.78 | 2900 | 3510 | 3690 | 4390 | 4570 |
| M5 | 14.2 | 4690 | 5680 | 5960 | 7100 | 7380 |
| M6 | 20.1 | 6630 | 8040 | 8440 | 10000 | 10400 |
| M7 | 28.9 | 9540 | 11600 | 12100 | 14400 | 15000 |
| M8 | 36.6 | 12100 | 14600 | 15400 | 18300 | 19000 |
| M10 | 58 | 19100 | 23200 | 24400 | 29000 | 30200 |
| M12 | 84.3 | 27800 | 33700 | 35400 | 42200 | 43800 |
| M14 | 115 | 38000 | 46000 | 48300 | 57500 | 59800 |
| M16 | 157 | 51800 | 62800 | 65900 | 78500 | 81600 |
| M18 | 192 | 63400 | 76800 | 80600 | 96000 | 99800 |
| M20 | 245 | 80800 | 98000 | 103000 | 122000 | 127000 |
| M22 | 303 | 100000 | 121000 | 127000 | 152000 | 158000 |
| M24 | 353 | 116000 | 141000 | 148000 | 176000 | 184000 |
| M27 | 459 | 152000 | 184000 | 193000 | 230000 | 239000 |
| M30 | 561 | 185000 | 224000 | 236000 | 280000 | 292000 |
| M33 | 694 | 229000 | 278000 | 292000 | 347000 | 361000 |
| M36 | 817 | 270000 | 327000 | 343000 | 408000 | 425000 |
| M39 | 976 | 322000 | 390000 | 410000 | 488000 | 508000 |
| 【 최소 인장하중표 ISO 898-1 】 Minimum ultimate tensile load 미터나사-보통피치 하중단위: N |
||||||
| 호칭경 | 유효 단면적 mm2 |
나사의 강도 등급 | ||||
| 6.8 | 8.8 | 9.8 | 10.9 | 12.9 | ||
| M3 | 5.03 | 3020 | 4020 | 4530 | 5230 | 6140 |
| M3.5 | 6.78 | 4070 | 5420 | 6100 | 7050 | 8270 |
| M4 | 8.78 | 5270 | 7020 | 7900 | 9130 | 10700 |
| M5 | 14.2 | 8520 | 11350 | 12800 | 14800 | 17300 |
| M6 | 20.1 | 12100 | 16100 | 18100 | 20900 | 24500 |
| M7 | 28.9 | 17300 | 23100 | 26000 | 30100 | 35300 |
| M8 | 36.6 | 22000 | 29200 | 32900 | 38100 | 44600 |
| M10 | 58 | 34890 | 46400 | 52200 | 60300 | 70800 |
| M12 | 84.3 | 50600 | 67400 | 75900 | 87700 | 103000 |
| M14 | 115 | 69000 | 92000 | 104000 | 120000 | 140000 |
| M16 | 157 | 94000 | 125000 | 141000 | 163000 | 192000 |
| M18 | 192 | 115000 | 159000 | - | 200000 | 234000 |
| M20 | 245 | 147000 | 203000 | - | 255000 | 299000 |
| M22 | 303 | 182000 | 252000 | - | 315000 | 370000 |
| M24 | 353 | 212000 | 293000 | - | 367000 | 431000 |
| M27 | 459 | 275000 | 381000 | - | 477000 | 560000 |
| M30 | 561 | 337000 | 466000 | - | 583000 | 684000 |
| M33 | 694 | 416000 | 576000 | - | 722000 | 847000 |
| M36 | 817 | 490000 | 678000 | - | 850000 | 997000 |
| M39 | 976 | 586000 | 810000 | - | 1020000 | 1200000 |
아래의 보증 하중표도 ISO에 규정되어 있는 것으로서, 강도 등급별로 아래표와 같이 규정하고 있다.
| 【 보증 하중표 ISO 898-1 】 Proofing load 미터나사-보통피치 하중단위: N |
||||||
| 호칭경 | 유효 단면적 mm2 |
나사의 강도 등급 | ||||
| 6.8 | 8.8 | 9.8 | 10.9 | 12.9 | ||
| M3 | 5.03 | 2210 | 2920 | 3270 | 4180 | 4880 |
| M3.5 | 6.78 | 2980 | 3940 | 4410 | 5630 | 6580 |
| M4 | 8.78 | 3860 | 5100 | 5710 | 7290 | 8520 |
| M5 | 14.2 | 6250 | 8230 | 9230 | 11800 | 13800 |
| M6 | 20.1 | 8840 | 11600 | 13100 | 16700 | 19500 |
| M7 | 28.9 | 12700 | 16800 | 18800 | 24000 | 28000 |
| M8 | 36.6 | 16100 | 21200 | 23800 | 30400 | 35500 |
| M10 | 58 | 25500 | 33700 | 37700 | 48100 | 56300 |
| M12 | 84.3 | 37100 | 48900 | 54800 | 70000 | 81800 |
| M14 | 115 | 50600 | 667000 | 74800 | 95500 | 112000 |
| M16 | 157 | 69100 | 91000 | 102000 | 130000 | 152000 |
| M18 | 192 | 84500 | 115000 | - | 159000 | 186000 |
| M20 | 245 | 108000 | 147000 | - | 203000 | 238000 |
| M22 | 303 | 133000 | 182000 | - | 252000 | 294000 |
| M24 | 353 | 155000 | 212000 | - | 293000 | 342000 |
| M27 | 459 | 202000 | 275000 | - | 381000 | 445000 |
| M30 | 561 | 247000 | 337000 | - | 466000 | 544000 |
| M33 | 694 | 305000 | 416000 | - | 570000 | 673000 |
| M36 | 817 | 359000 | 490000 | - | 678000 | 792000 |
| M39 | 976 | 429000 | 586000 | - | 810000 | 947000 |
따라서, 나사를 보증하중 이내에서 사용하기 위해 나사의 하중능력을 고려할 때에 아래표를 참고하면 유용하다.
| 보증 하중표 ISO 898-1 】 Proofing load 미터나사-보통피치 하중단위: N |
||||||
| 호칭경 | 유효 단면적 mm2 |
나사의 강도 등급 | ||||
| 3.6 | 4.6 | 4.8 | 5.6 | 5.8 | ||
| M3 | 5.03 | 910 | 1130 | 1560 | 1410 | 1910 |
| M3.5 | 6.78 | 1220 | 1530 | 2100 | 1900 | 2580 |
| M4 | 8.78 | 1580 | 1980 | 2720 | 2460 | 3340 |
| M5 | 14.2 | 2560 | 3200 | 4400 | 3980 | 5400 |
| M6 | 20.1 | 3620 | 4522 | 6230 | 5630 | 7640 |
| M7 | 28.9 | 5200 | 6500 | 8960 | 8090 | 11000 |
| M8 | 36.6 | 6590 | 8240 | 11400 | 10200 | 13900 |
| M10 | 58 | 10400 | 13000 | 18000 | 16200 | 22000 |
| M12 | 84.3 | 15200 | 19000 | 26100 | 23600 | 32000 |
| M14 | 115 | 20700 | 25900 | 35600 | 32200 | 43700 |
| M16 | 157 | 28300 | 35300 | 48700 | 44000 | 59700 |
| M18 | 192 | 34600 | 43200 | 59500 | 53800 | 73000 |
| M20 | 245 | 44100 | 55100 | 76000 | 68600 | 93100 |
| M22 | 303 | 54500 | 68200 | 93900 | 84800 | 115000 |
| M24 | 353 | 63500 | 79400 | 109000 | 98800 | 134000 |
| M27 | 459 | 82600 | 103000 | 142000 | 128000 | 174000 |
| M30 | 561 | 101000 | 126000 | 174000 | 157000 | 213000 |
| M33 | 694 | 125000 | 156000 | 215000 | 194000 | 264000 |
| M36 | 817 | 147000 | 184000 | 253000 | 229000 | 310000 |
| M39 | 976 | 176600 | 220000 | 303000 | 273000 | 371000 |