나사, 리벳, 용접, 접착제: 나사 체결은 무엇을 위한 것인가

나사산이 실제로 치르는 비용

솔직하게 나열해 둘 가치가 있습니다. 각 항목은 이 사이트의 다른 곳에서 하나의 공학 주제로 다루며, 하나씩 따로 마주치다 보면 원인이 같다는 사실을 놓치기 쉽습니다.

• 구멍, 그리고 열린 구멍은 응력을 집중시킵니다. 1898년 Kirsch의 해는 일축 인장을 받는 무한 평판의 원형 구멍 가장자리에서 원거리 응력 대비 3배의 계수를 줍니다. 이 숫자는 조심해서 써야 합니다. 순단면 기준으로 보면, 폭에 비해 구멍이 커질수록 2에 가까워집니다. 어느 응력을 기준으로 했는지 말하지 않고 '3'을 인용하면 의미가 거의 없습니다. 남는 것은 문제의 모양입니다. 열린 구멍은 응력이 평균보다 높은 자리이고, 구멍이 필요 없던 체결부는 그런 자리를 애초에 만들지 않았습니다
• 초기 체결력은 저장된 에너지이고, 새어 나갑니다. 접촉면 자리잡음과 횡방향 움직임이 모두 그것을 줄이며, 그 속도는 통제할 수 없을지도 모르는 요인에 달려 있습니다. 그래서 체결 길이는 남는 치수가 아니라 설계 변수가 됩니다
• 조립이 관리되는 공정이 됩니다. 체결 토크 값, 때로는 순서, 때로는 재체결이 필요하며, 토크는 실제로 원했던 체결 축력을 제대로 대변하지 못합니다
• 체결부당 비용은 부품 더하기 삽입 더하기 검사이고, 앞으로 만들 모든 제품마다 반복됩니다

대안마다 얻는 것과 치르는 것

깔끔한 비교가 보통 어긋나는 곳이 리벳 행입니다. 리벳도 구멍이 필요하지만 그 구멍을 채우며, 리벳을 세팅하면 체결 축력과 구멍 주변의 잔류 응력이 함께 생깁니다. 따라서 열린 구멍도 아니고 초기 체결력이 없는 체결부도 아닙니다. 리벳에 없는 것은 풀릴 수 있는 나사산과, 도면에 적을 수 있는 숫자입니다.

결정을 내리는 질문

무엇보다 먼저 강도가 후보를 좁힙니다. 박리 하중을 받는 접착제, 용접이 안 되는 재료에 대한 용접, 폴리머가 이완되는 온도에서의 스냅핏은 선호가 아니라 능력의 문제로 탈락합니다. 그러나 이 관문을 통과한 방법이 둘 이상이면 보통 강도는 더 이상 결정하지 않으며, 질문은 이렇게 바뀝니다.

• 제품 수명 동안 이 체결부는 몇 번 열리는가?
• 체결 축력이 어떤 일을 하고 있는가? 개스킷 밀봉, 마찰로 횡하중 전달, 전기 접점 유지, 변동 하중에 맞서 체결부 유지 같은 일입니다. 도면에 적혀 있어야 일을 하는 것은 아니지만, 그것이 무슨 일을 하는지 아무도 말하지 못한다면 토크 값을 두고 논쟁하기 전에 알아 둘 일입니다
• 누가, 어떤 공구로 여는가? 공장에서 프레스로 한 번 여는 체결부와 사다리 위의 기술자가 여는 체결부는 다른 문제입니다
• 수명이 끝나면 어떻게 되는가? 답이 재료를 분리하는 재활용 업체라면 그것은 실제 개방이며, 유일한 개방일 수도 있습니다

그리고 나사를 고른 두 이유가 서로 부딪치기 시작합니다

분해 가능성 때문에 나사를 골랐는데 체결부가 풀리고, 대응책은 나사 고정제입니다. 여기서 잠시 멈출 가치가 있습니다. 나사에 영구 등급 접착제를 바르면, 돈을 주고 산 성질의 일부를 돌려주는 셈이기 때문입니다.

때로는 그것이 정확히 옳습니다. 분해용 등급은 진동을 견디면서도 수공구로 분해됩니다. 영구 등급도 끝장은 아닙니다. 제조사는 국부 가열과 수공구로 제거하는 방법을 제시합니다. 다만 무슨 일이 일어났는지는 짚어 둘 만합니다. 체결부를 열기 어렵게 만들고 있는데, 바로 그것을 위해 나사산을 샀던 것이며, 어차피 나사 고정제는 나사가 풀리는 두 가지 방식 중 하나만 다룹니다. 답이 계속 영구 쪽으로 흘러간다면 다시 물어야 할 질문은 애초에 열 필요가 있었느냐입니다.

나사가 정말로 이기는 곳

• 정비 접근: 기술자가 여는 모든 것, 보증 수리를 받는 모든 것
• 조정: 조립 후에 맞추거나 나중에 다시 맞춰야 하는 정렬
• 용접할 수 없는 이종 재료, 그리고 접착제를 쓰려면 라인에 없는 경화 시간이 필요한 경우
• 규제상 분해: 수명이 끝났을 때 분리할 수 있어야 하는 배터리 등의 부품
• 소량 생산: 스냅핏 금형이나 용접 지그 비용이 상각되지 않는 경우

이 모든 경우에 나사산은 구체적인 무언가를 사고 있습니다. 그것이 시험입니다. 사양을 하나씩 정하기 전에 분해 가능성이 무엇을 위한 것인지부터 말해 보십시오(영어). 그 결정 순서의 나머지는 이 질문에 이미 답이 나와 있다고 가정하기 때문입니다.

이 글은 1단계: 모재를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

나사를 쓰지 말아야 할 때는 언제입니까?

나사산이 잘하는 두 가지 중 어느 것도 쓰이지 않을 때입니다. 나사산은 일반 공구로 체결부를 풀었다가 다시 조립할 수 있게 해 주고, 체결 축력을 누군가 정한 값에 맞출 수 있게 해 줍니다. 비용의 대부분은 어느 쪽이든 발생합니다. 구멍, 처음에 만들어 놓고 자리잡음과 움직임에 맞서 유지해야 하는 초기 체결력, 그리고 관리해야 하는 체결 공정입니다. 한 번 조립하고 정비하지 않으며 체결 축력이 무슨 일을 하는지 아무도 말하지 못한다면, 나사산 값을 치르고도 쓰지 않는 것입니다.

리벳은 나사가 만드는 응력 집중을 피합니까?

같은 응력 집중은 아닙니다. 리벳도 구멍이 필요하지만 그 구멍을 채우며, 세팅할 때 체결 축력과 구멍 주변의 잔류 응력이 생기므로 열린 구멍의 결과를 그대로 옮길 수는 없습니다. 1898년 Kirsch의 해는 일축 인장을 받는 무한 평판의 열린 원형 구멍 가장자리에서 원거리 응력 대비 3배의 계수를 주며, 순단면 기준으로는 폭에 비해 구멍이 커질수록 2에 가까워집니다. 리벳 이음도 체결 축력을 가집니다. 없는 것은 풀릴 수 있는 나사산, 그리고 지정하고 검증할 수 있는 초기 체결력 값입니다.

용접이나 접착은 왜 구멍 문제를 피합니까?

체결용 구멍을 피하는 것이지, 응력 집중을 피하는 것과는 다릅니다. 용접에는 토우와 루트에 자체 응력 집중이 있고, 용접 이음의 피로 균열은 거의 항상 그곳에서 시작됩니다. 여기에 열영향부, 변형, 접합할 수 있는 재료와 형상의 제약이 더해집니다. 접착제는 하중을 구멍 가장자리가 아닌 면적에 분산하는 대신 표면 처리, 경화 시간, 온도·습기·크리프의 제약, 박리와 쪼갬에 대한 약함, 그리고 한 번 붙이면 검사하기 어렵다는 대가를 요구합니다.

나사 고정제를 쓰는 것은 애초에 나사로 체결하지 말았어야 한다는 신호입니까?

때로는 그렇습니다. 다만 판정이라기보다 질문입니다. 분해용 등급으로 진동에 맞서 체결부를 유지하는 것은 합리적인 설계이고, 영구 등급도 제거할 수 있습니다. 제조사는 수공구와 함께 국부 가열을 쓰도록 안내합니다. 그러나 고정제를 더하면 체결부를 열기 어려워지고, 그것은 나사산을 산 두 가지 이유 중 하나입니다. 사양이 계속 영구 쪽으로 흘러간다면 애초에 열 필요가 있었는지 물어볼 가치가 있습니다.

방법들 사이에서 무엇이 결정합니까?

먼저 강도가 후보를 좁힙니다. 박리 하중을 받는 접착제, 용접이 안 되는 재료에 대한 용접, 폴리머가 이완되는 온도에서의 스냅핏은 능력 문제로 탈락합니다. 둘 이상의 방법이 이 관문을 통과하면, 제품 수명 동안 체결부를 몇 번 여는지, 누가 어떤 공구로 여는지, 체결 축력이 밀봉이나 마찰을 통한 하중 전달 같은 일을 하는지에 달려 있습니다. 공장에서 프레스로 한 번 여는 체결부와 사다리 위의 기술자가 여는 체결부는 다른 문제이며, 수명 종료 시 재활용을 위한 분리도 유일한 개방이더라도 개방으로 셉니다.

참고 자료

• 구멍의 응력 집중 — Kirsch(1898)의 해
• TWI — 용접 이음의 피로 균열은 토우나 루트에서 시작됩니다
• VDI 2230 Blatt 1 — 고응력 볼트 체결부의 체계적 계산