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나사산
나사산(screw thread, 螺絲山)은 나사의 골과 골사이의 높은 부분을 말한다. 나사산의 표준은 세계에서 모든 범주를 통틀어 가장 오래된 표준 중에 하나로 잘못된 표준의 선택은 체결부 풀림과 같이 큰 손실을 야기하는 사고로 이어질 수 있으므로 국제 표준 DIN, ISO 그리고 UTS 가 그중 우세하게 활용되고 있다.[1]
개요
나사산은 너트가 결합되는 부분이다. 지그재그로 되어 있는 부분 중 가장 높은 부분을 나사산이라 하며 가장 낮은 부분은 나사골이라고 한다. 나사산과 좌우 나사산의 거리를 피치(PITCH)라고 한다. 피치도 볼트의 규격에 따라 다르다. 같은 규격의 볼트라도 보통 나사와 가는 나사는 피치가 다를 수 있다. 나사는 환봉(丸棒)의 외주면 또는 둥근 구멍의 내주면을 따라서 나선(螺旋) 모양의 홈을 절삭한 것이다. 기계 부품의 체결, 고정 또는 거리의 조정 등에 사용되는 이외에 동력의 전달에도 널리 사용되고 있다. 나사의 크기는 수나사의 바깥지름으로 나타내며 호칭 또는 치수라 부른다. 둥근 환봉의 외주면에 나사산이 나 있는 것을 수나사 이것을 끼우는 나사를 암나사라 하며, 또 나사의 진행 방향에 따라서 오른나사와 왼나사로 나뉜다. 암나사와 수나사에 공통으로 이론적인 치수와 각으로 축 평면 내에서 정의된 나사산의 이론적인 모양은 ISO 미터나사의 기준산이다. 기준 산 모양의 형상과 치수로부터 삼각형의 모서리는 기준 산 모양의 연장된 플랭크들이 순차적인 세 교차점 이루어져 산 모양이 형성된다. 치수 설계시(design profile) 적용 관련한 수나사와 암나사의 산 모양은 같으나 암, 수나사의 골과 봉우리 모양에서 조금 다르다. 플랭크는 직각 원통의 생성선에 평행하지 않은 기초 3각형의 한 변에 의해 형성된 나선형 나사산 표면이고 플랭크 각은 나사 축 평면내에서 나사 축에 수직한 선과 플랭크에 의해 형성된 각종 나사산의 요소 들이다. 나사산은 일반적으로 두 가지 기능을 가집니다. 회전형 모션을 선형 모션으로 전환시키는 동력 전달 기능과 체결부의 풀림이나 미끄러짐을 방지하여 부품을 고정시키는 기능이다.[2]
나사산 모양에 따른 나사의 종류
삼각 나사
삼각나사는 정삼각형에 가까운 단면형의 나사산을 가진 것으로서 지름과 피치의 조합으로 보통 나사와 가는 나사, 길이의 단위에 따라 미터계와 인치계가 있다. 일반 기계의 조립용 볼트와 너트이다.
- 미터나사(metric screw thread) : 이 나사는 지름 및 피치를 미터로 표시한 것으로서 나사산의 각도는 60°로 미터 보통 나사(metric coarse screw thread), 미터 가는 나사(metric fine screw thread)가 있다. 나사산의 형상은 산마루는 평탄하게 깎고, 골은 둥금새를 주어서 끼워맞춘 후에 반달모양의 틈새가 생긴다.
- 유니파이 나사(unified screw thread) UNC, UNF : 미국, 영국, 캐나다가 공통의 목적을 위하여 만든 것으로, 나사산은 60°, 기준 산모양은 미국의 보통 나사와 같다. 나사의 호칭 지름을 인치(inch)로 표시하며, 피치는 24.4mm(1inch)에 대한 산수(山數)를 표시한다. 가공 정도에 따라 수나사는 3A, 2A, 1A로 표시하고 암나사는 3B, 2B, 1B로 표시한다. 나사의 치수 규격이 인치 사양의 기계용 체결 전용 나사이다. PISCO에서는 미국 사용 제품만을 이 규격으로서 제작하고 있다.
- 관용 평행나사(pipe thread)G.PF : 관용나사는 주로 가스관, 수도관 등의 이음부분, 압력계의 고정부, 유체기계 등의 접촉을 목적으로 하는 부분에 사용된다. 보통 나사에 비해 피치 및 나사산의 높이가 작아 수밀, 기밀을 필요로 하는 곳에 사용되며 관용 테이퍼 나사에 비하여 내밀성은 떨어진다. 관용나사의 종류에는 특히 기밀 목적으로 하는 관용 테이퍼 나사와 기계적 결합을 목적으로 하는 관용 평행 나사의 두 종류가 있다. 이 두나사 산의 각도는 55°이고, 피치는 25.4mm에 대한 산수로서 표시한다. ISO, JIS규격의 평행 나사로 씰로는 가스켓을 필요로 한다. 유효 지름의 치수 허용차에 따라 A, B 급으로 나누어진다.
- 관용 테이퍼 나사(taper pipe thread) R : 나사의 내밀성을 주목적으로 하는 나사로 테이퍼 수나사에 테이퍼 암나사를 조합시키는 경우(수나사 암나사 기호는 PT)와 테이퍼 수나사에 평행 암나사를 조합시키는 경우(수나사의 경우PT / 암나사의 경우PS)가 있다. 이때에 관용 암나사는 관용 테이퍼 수나사에 대해서만 사용되는 것으로, 관용 평행 암나사와 치수 허용차가 다르다. 나사 전체에 테이퍼가 되어 있으며, 특징으로서는 수나사를 암나사에 조여 넣으면 자연히 수나사와 암나사의 극간 거리가 짧아지게 되며 나사산의 각도는 55°이고, 피치는 인치 표시를 한다. 상세한 내용은「JIS B 0203」에 따른다.
- NPT 관용 테이퍼 나사 : NPT : 미국에서 사용되고 있는 관용 테이퍼 나사로서, 나사산의 각도가 60°(JIS 미터 나사와 같음)이며, 피치는 R 나사와 일부가 다르다. ISO, JIS에서 규격화된 배관용 나사로서 전 세계에서 보편적으로 사용되고 있다. 미국에서는 독자적인 NPT 나사를 사용하고 있다.
사각 나사(Square thread)
큰 힘을 전달하는 프레스, 기계 바이스, 잭 등에 이용한다. 나사산의 단면 모양이 정사각형에 가깝고 축의 방향의 하중을 받는 운동용 나사로서 효율이 다른 나사에 비해서 우수하나 가공이 어려워 높은 정밀도를 필요로 하는 경우에는 적합하지 않다.
사다리꼴 나사(Trapezoidal thread)
선반의 리드 스크류, 스톱 밸브의 밸브대 등에 사용된다. 축력을 전달하는 운동용 나사로서는 사각나사가 기능상으로 유용하지만, 제작이 어려우므로 그 대신에 사다리꼴 나사가 사용된다. 나사산의 각도에 따라 30°사다리꼴 나사(trapezoidal metric thread), 29°사나리꼴 나사(trapezoidal whitworth thread)또는 Acme 나사로 나뉜다.
톱니 나사(Buttress thread)
밀링 머신의 일감 고정 바이스에 사용된다. 축 방향의 힘이 한쪽으로만 작용하는 경우에 사용하는 나사로서, 큰 힘을 전달할 수 있으며, 바이스나 프레스 등에 사용된다. 나사산 각은 30°와 45° 2종류가 있고, 나사 각이 30°인 경우에는 3°의 경사를 45°의 경우에는 5°또는7°의 경사를 준다. 하중을 받는 면은 나사축에 수직하거나 3°~7°이하이며, 반대편은 30°~45°이다.
둥근 나사(Round thread)
백열전구의 끼움 나사, 시멘트의 재료를 혼합하는 기계에 사용된다. 전구의 꼭지쇠 및 소켓 등에 사용되는 나사로서 산과 골부분이 동일한 둥글기로 되어있으며 나사산의 각도는 30°이다.[3]
나사산 관련 용어
- 기준 산 모양(basic profile) : 암나사와 수나사에 공통으로 이론적인 치수와 각으로 축 평면 내에서 정의된 나사산의 이론적인 모양은 ISO 미터나사의 기준산이다.
- 기초 3각형(fundamental triangle) : 기준 산 모양의 형상과 치수로부터 3각형이 간단히 유도된다. 이 3각형의 모서리는 기준산 모양의 연장된 플랭크들의 순차적인 세 교차점과 일치한다.
- 설계 산 모양(design profile) : 치수 한계의 적용과 관련한 수나사와 암나사의 산 모양, 암나사의 설계 산 모양은 기준 산 모양과 일치한다. 수나사의 설계 산 모양은 보통 골의 둥글기 때문에 기준 산 모양과 다르다.
- 기초 3각형 높이(fundamental triangle height, H) : 기초 3각형의 높이는 피치 p와 나사산 각 α와의 함수이다. H에 대한 여러 일정 함수는 완전 나사산의 개략을 기술한다.
- 플랭크(flank) : 직각 원통의 생성선에 평행하지 않은 기초 3각형의 한 변에 의해 형성된 나선형 나사산 표면.
- 나사 봉우리(ridge) : 이웃하는 두 오목부 사이의 실체 부분.
- 나사 홈(groove) : 이웃하는 두 오목부를 잇는 우묵한 공간.
- 산봉우리 : 두 오모부를 잇는 나사 봉우리의 정상 표면.
- 골 밑(root) : 이웃하는 두 오목부를 잇는 나사 홈의 바닥 표면비고, 수나사 골 밑은 둥글기 지름이 지정되었으면 둥글기를 하고, 그렇지 않으면 수나사 및 암나사 골 밑은 평면(새 공구 일 때)이거나 뾰족(마모 공구일 때)하다.
- 나사산 각(thread angle) : (α) 나사 축 평면 내에서 이웃하는 두 오목부에 의해 형성된 각* 플랭크 각(flank angle) ; (β) 나사 축 평면내에서 나사 축에 수직한 선과 플랭크에 의해 형성된 각종 나사산 요소들.
- 피치 원통(pitch cylinder) : 나사산의 봉우리와의 홈의 폭이 같은 위치에서 바깥 표면이 나사산을 절단하는 가상 원통.
- 피치 선(pitch line) : 피치 원통의 생성선.
- 피치(pitch) : (p) 나사산 플랭크 위의 한 점과 바로 이웃하는 대응 플랭크 위의 대등한 점 간의 축 방향 길이.
- 리드(lead) : 나사산 플랭크 위의 한점과 가장 가까운 플랭크 위의 대응점 사이의 축 방향 거리, 한 점이 나선을 따라 축 주위를 한 바퀴 돌 때의 축 방향 거리.
- 바깥지름(major diameter) : 수나사의 산봉우리에 접하거나 또는 암나사의 홈 밑에 접하는 가상 원통 표면의 지름비고 : 기호 d는 수나사, D는 암나사. 일반적으로 기초 바깥지름은 나사의 호칭 지름이기도 하다.
- 골지름(minor diameter) : 수나사의 골 밑에 접하거나 암나사의 산봉우리에 접하는 가상 원통의 지름비고 : 기호 d1는 수나사, D1는 암나사.
- 유효 지름(pitch diameter) : 피치 원통의 지름비고 : 기호 d2는 수나사, D2는 암나사.
- 리드 각(lead angle) : (Ø) 피치 원통 위의 나선에 접하는 접선과 나사 축(및 원통)에 직각인 평면이 이루는 예각 비고 : 한줄 나사일 때 : tanØ=p/π.d₂또는 p/π.D₂, 여러줄 나사일 때 : tanØ=ph/π.d₂또는 ph/π.D₂.
- 나사산 높이(thread height) : 나사 축에 직각인 단면에서 나사산의 산봉우리와 홈 밑 사이의 반지름 방향 거리.
- 단순 유효지름(simple pitch diameter) : 홈 밑의 폭이 기초 피치의 절반인 나사 홈의 폭에 걸쳐, 실제 나사산을 교차하는 가상 원통의 지름.
- 물림 길이(length of engagement) : 하나는 수나사 다른 하나는 암나사인 서로 만나는 두 나사산이 서로 접하는 축 방향 거리.
- 실제 나사산의 종합 유효지름(virtual pitch diameter) : 주어진 기준 산 모양을 갖고, 주어진 물림 길이에 걸쳐(간섭이나 여유 없이)실제 나사와 정미로 조립되는 가상적인 완전 나사산.[4]
나사산 표준
오늘날 가장 많이 사용되는 나사산은 대부분 ISO 미터법 나사산(M)과 파이프용 BSP 나사산(R,G)이다. 이는 1947년 국제 표준화 기구가 설립되었을 때 최초로 합의된 국제 표준들 중에 하나이다. 범용 ISO 미터법 나사산(M 시리즈 나사)의 설계 원리는 국제 표준 ISO 68-1에서 정의되었다. 각 나사산은 주요 직경 D와 피치 P로 정의한다.
- ISO Metric Coarse Thread DIN 13-1은 글로벌 표준화된 나사산 프로파일이다. 라벨은 문자 M과 공칭 직경을 나타내는 숫자로 구성된다. 측면 각도는 60도이며 공칭 직경이 포함된 거친 나사산 치수에는 피치 값도 정의되었다.
- ISO Metric Fine Thread DIN 13-2 ~ 13-11은 13-1과 비교했을 때 가는 나사산이 피치가 더 작기 때문에 더 높은 체결력을 줄 수 있고 최대 하중에서 저절로 풀릴 확률이 낮다. 예를 들어 더 미세한 설정이 가능하기 때문에 측정 기기에서 나사를 조정하는 용도로 사용된다. 라벨에는 문자 M, 공칭 직경과 피치(예, M12 x 1.5)로 구성된다. 측면 각도는 똑같이 60도이다.
- UTS(Unified Thread Standard)는 미국과 캐나다에서 여전히 자주 사용되는 나사산에 대한 허용 범위 및 공차와 명칭을 포함한 나사 형태와 시리즈를 정의한다. UTS는 ISO 미터 나사산과 동일한 60도 프로파일을 가지고 있지만 각 UTS 나사산을 대표하는 치수(외경과 피치)는 밀리미터 값이 아닌 인치 비율로 선택되었다. 허용 오차의 정의는 공차 그룹에 포함되며 이는 ISO 미터법 나사산에서 정의하는 방식과 다르다. UTS는 현재 미국의 ASME/ANSI가 관리하고 있다. UTS 나사산의 표준 명칭은 나사산의 공칭(메인) 직경을 나타내는 숫자이며 그다음에 인치 당 나사산 수(TPI)가 붙는다. (예: 3/8 – 12). 1/4 인치보다 더 작은 직경인 경우 표준에서 정의된 정수로 직경을 나타내며 기타 다른 직경은 인치 값이 표기된다.
- UNC Thread ANSI B1.1: UNC – Unified Coarse Thread. NC와 UNC 나사산은 일반 미터법과 ISO 미터법 나사산과 유사한 방식으로 상호 대체가 가능하다. 나사산 측면의 각도는 60도이다.[5]
나사 규격표
미터 보통눈 나사 JIS B 0205
미터 가는눈 나사 JIS B 0207
관용 테이퍼 나사 JIS B 0203
관용 평행 나사 JIS B 0202
박강 전선관 나사 JIS B 0204
PG 나사 규격[6]
나사산 마모
나사산 마모는 나사산이 마모되어 뭉개지는 현상을 말한다. 영어로는 thread galling 이며 cold welding 이라고도 한다. 나사를 조이는 과정에서 압력과 마찰에 의해서 나사 산간에 부착(adhesion)이 되는 현상이다. 일단 발생하면 매우 강한 힘으로 억지로 풀거나 대부분의 경우는 볼트나 너트를 강제로 잘라야 한다. 보통 스테인레스강, 알루미늄, 티타늄에서 많이 발생하며 손상된 나사산과 세목나에서 많이 발생한다. 경화된 강 볼트나, 아연 도금된 경우에는 거의 발생하지 않는다. 스테인레스강은 표면에 매우 얇은 산화제 층이 생기는데 볼트 조임 과정에서 이것이 벗겨지고 마찰이 증가되어 나사산 마모가 발생되기 쉽다.
예방 방법
- 천천히 조인다. 전동 공구를 사용하지 않는 것을 추천한다. 빠르게 조이면 열이 발생하여 발생 확률이 높아진다.
- 대상물을 미리 지그 등으로 고정시킨 후에 볼트 체결 작업을 한다.
- 윤활제를 사용한다 (체결 토크가 바뀌므로 주의해야 한다).
- 손상되거나 오염된 나사산을 사용하지 않는다.
- 락너트를 사용하지 않고 다른 종류의 풀림 방지를 사용한다.
- 조임 토크가 갑자기 증가한다고 판단되면 즉시 멈추고 풀고 다른 체결류를 사용한다.
- 세목 나사 대신에 일반 나사를 사용한다.
- 다른 경도를 가지는 다른 재질의 합금을 사용한다.[7]
각주
- ↑ 〈나사산〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ Young H, 〈(공구 노트) 볼트의 규격에 대해 알아보자. M12, M16? 나사산? 피치? 무슨 뜻일까?〉, 《티스토리》, 2022-03-15
- ↑ kanon929, 〈나사의 종류와 나사산 모양〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-27
- ↑ 공학나라, 〈나사산 요소와 관련된 용어〉, 《티스토리》, 2016-06-24
- ↑ 〈나사산 (THREAD) 표준 탐구〉, Nord-Lock Group
- ↑ 〈나사 규격표〉, 《한국미스미》
- ↑ 공학나라, 〈나사산 마모 (thread galling)〉, 《티스토리》, 2015-12-14
참고자료
- 〈나사산〉, 《네이버 지식백과》
- Young H, 〈(공구 노트) 볼트의 규격에 대해 알아보자. M12, M16? 나사산? 피치? 무슨 뜻일까?〉, 《티스토리》, 2022-03-15
- kanon929, 〈나사의 종류와 나사산 모양〉, 《네이버 블로그》, 2017-10-27
- 공학나라, 〈나사산 요소와 관련된 용어〉, 《티스토리》, 2016-06-24
- 〈나사산 (THREAD) 표준 탐구〉, Nord-Lock Group
- 〈나사 규격표〉, 《한국미스미》
- 공학나라, 〈나사산 마모 (thread galling)〉, 《티스토리》, 2015-12-14
같이 보기
