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제목 숄더 볼트를 무시해서는 안 되는 중요한 이유 ①
작성자 플라스틱코리아
글정보
Date : 2020/02/11 09:49

숄더 볼트를 무시해서는 안 되는 중요한 이유 ①

 

사출 금형에서 별로 특별해 보이지 않지만 꼭 필요한 이 패스너(fastner) 즉 숄더 볼트는 3플레이트 금형 및 스트리퍼 플레이트 금형에 자주 사용된다. 또한 다양한 이름으로 알려져 있을 뿐 아니라 여러 가지 목적으로 사용된다.

 

우리 업계에서 중요하지만 사람들이 관심을 거의 기울이지 않는 주제에 관해 컬럼 쓰는 것을 좋아한다. 어쩌면 이런 주제들이 학교나 세미나 등에서 거의 논의되지 않기 때문일 수도 있다. 이번 컬럼에서 다루고자 하는 숄더 볼트(Shoulder Bolts)는 중요한 주제임에도 제대로 된 정보가 거의 나와 있지 않은 또 하나의 좋은 예라 할 수 있다.

널리 쓰이는 이 패스너에 대해서 그리고 이것이 금형의 성능과 수명에 어떻게 직접적인 영향을 미치는지 우리가 알고 있어야 할 것이 너무 많다. 숄더 볼트는 다양한 방식과 다양한 목적으로 사용된다. 사출금형에서 숄더 볼트가 하는 두 가지 주요 기능은 금형이 개방되는 동안 플레이트가 이동하는 거리를 제한하는 동시에 플레이트를 끌어당겨 주는 역할이다.

숄더 볼트는 3플레이트 금형 및 스트리퍼 플레이트(stripper-plate) 금형에 자주 사용된다. 이 같은 종류의 패스너를 이르는 일반적인 명칭은 숄더 볼트 또는 숄더 스크류 이지만, 이러한 용도로 사용될 때는 그 역할에 따라 레인지 볼트 및 스트리퍼 볼트 같은 다른 명칭들이 보다 널리 사용되기도 한다. 

위의 그림에서 볼 수 있듯 숄더 볼트에는 헤드, 숄더, 스레드의 세 가지 주요 섹션이 있다. 숄더 볼트는 숄더 지름과 숄더 길이로 지정한다. 예를 들어, 3/8×2 숄더 볼트의 숄더 지름은 3/8인치고 숄더 길이는 2인치다. 금형 부품 공급업체로부터 이 5/8인치 볼트를 구입하면, 스레드가 3/8-16UNC가 아니라 5/8-18 UNC다. 숄더 볼트의 전체 길이는 헤드 높이, 숄더 길이에 스레드 부문의 길이를 더한 것이다.

 

숄더 길이의 공차 지정이 중요하다

이 같은 명명법은 일반 볼트의 그것과는 매우 다르다. 숄더 볼트는 일반 등급 및 정밀 등급 두 가지로 공급된다. 일반 숄더 볼트의 숄더 지름은 일반적으로 공칭 값보다 0.002~0.004인치 작다. 정밀한 숄더 볼트의 경우는 공칭 값에서 0.001 또는 0.002인치 정도 작다.

정밀한 숄더 볼트는 일반적으로 숄더가 부싱 또는 베어링과 같이 슬라이딩 또는 회전하는 구성품의 샤프트 역할을 하는 용도에 사용된다. 이러한 경우 숄더를 저널(journal)이라고 한다. 숄더 길이의 공차는 일반적으로 ±0.005인치이다. 그러나 일부 공급업체 제품의 경우 0.020인치까지 길이 차이가 발생하기도 한다. 심지어 이 공차를 구체적으로 지정하지도 않는 금형 부품 공급업체들도 없지 않다. 이는 커다란 문제가 될 수 있다.

숄더 길이에 큰 차이가 있으면 볼트와 접촉하는 플레이트가 기울어져 움직임에 방해를 받을 수도 있다. 가장 가능성이 높은 시나리오는 가장 짧은 볼트의 헤드가 고르지 않은 하중으로 인해 조기에 파손되는 것이다. 따라서 툴 제조업체는 숄더 길이를 정확히 측정해 필요한 경우 균일한 길이로 가공 해주어야 한다.

대부분의 제조업체는 헤드 바로 아랫부분 지름을 약간 적게 만들어준다. 이것을 숄더 네크(shoulder neck)라 한다. 이는 볼트 헤드가 결합하는 표면에 수평으로 자리 잡을 수 있도록 한다. 대부분의 제조업체는 노치 효과(notch effect)를 감소시키기 위해 숄더와 볼트 헤드 사이에 곡면을 넣어준다. 볼트에 곡면이 있는 경우, 와셔(washer) 또는 결합 표면에 돌출부가 없도록 해야 한다. 그렇지 않으면 볼트 헤드에 가해지는 하중이 매우 작은 면적에 집중되어 헤드가 갈라질 수 있다.

모든 제조업체는 숄더와 만나는 스레드 끝부분 지름을 약간 적게 만들어준다. 이를 스레드 네크(thread neck)라 부른다. 이는 제조과정에 필요한 것으로 숄더가 결합되는 구성품에 수평으로 자리잡도록 해준다. 스레드 넥은 지름이 가장 작은 부위이기 때문에 숄더 볼트에서 가장 취약한 지점이다.

이것이 표 1에서 보는 바와 같이 숄더 볼트의 토크 값이 스레드 크기와 피치가 동일한 일반 볼트의 토크 값보다 40%가량 낮은 이유다. 숄더 볼트에 과도한 토크를 가하면 바로 이 부위가 파손될 가능성이 높다.

숄더 볼트를 적절한 토크로 조여주는 것이 매우 중요하다. 볼트는 조이면 스프링처럼 늘어난다. 이 같은 스프링형 장력은 충격 및 진동과 같은 외부의 힘 때문에 볼트가 느슨해질 가능성을 줄여준다. 이때 볼트가 늘어나는 양은 “유효 길이”와 직접 관련이 있다. 간단히 말하자면, 숄더 볼트의 유효 길이는 그림에서 보듯 숄더 전면과 가장 근접한 스레드 사이의 거리다.

그림에서 보는 바와 같이 숄더 볼트의 유효 길이는 매우 짧다. 따라서 숄더 볼트는 별로 늘어나지 않는다. 그러므로 많은 유지력 또한 크지 않다. 이 때문에 숄더 볼트는 쉽게 느슨해질 위험이 있다. 열처리된 구성품에 부착할 때는 볼트가 느슨해질 가능성이 더 크다.

스레드 고정용 컴파운드를 사용하는 것도 도움이 될 수 있지만, 볼트에 적정 토크를 주어 잘 조여주는 것이 최상의 해결책이다. 그렇다면 볼트를 적당히 조이는 가장 좋은 방법은 무엇일까? 표 2에는 볼트에 토크를 가해 조이는 방법 즉 전부하(preload)를 가하는 데 사용되는 다양한 방법과 각 방법의 정확도가 나와 있다.

볼트를 조일 때 정확한 기준 토크값 없이 기분 내키는 대로 하면 정확도가 매우 떨어진다는 것은 놀랄 일이 아니지만, 토크 렌치를 사용하는 것이 매우 정확한 조임 작업을 할 수 있다고 생각하는 경우가 많다. 토크 렌치의 힘에 ±25%씩이나 차이가 나는 이유는 주로 마찰 계수 때문이다.

 

페스너 토크의 적당한 사용법

패스너에 가해지는 토크는 예압이 발생하기 전에 마찰력을 극복해야 한다. 패스너 어셈블리가 깨끗하지 않거나 윤활이 되지 않은 경우는 헤드 아래의 베어링 표면(또는 숄더 볼트의 경우 숄더) 및 스레드와 스레드 사이 접촉면 두 위치에 상당량의 마찰이 발생한다.

볼트에 가해지는 토크의 약 50%는 헤드와 베어링 간의 마찰 극복에 사용되고, 약 35%가 스레드 간의 접촉 마찰을 이겨내는 데 사용된다. 따라서 토크 값의 85%는 오로지 마찰력 극복에 사용되고 볼트에 전부하를 가하는 데는 15%만이 사용된다.

표 2의 오류 비율은 이 15%에만 적용되는 수치다. 이 2곳의 마찰 면을 카드뮴 판, 이황화 몰리브덴, 고착방지 컴파운드 등으로 윤활하는 경우, 마찰이 약 10% 감소하므로, 이와 동일한 양의 토크로 훨씬 더 큰 예압을 얻을 수 있다. 따라서 어셈블리 과정에서 항상 모든 볼트의 스레드뿐 아니라 헤드 또는 숄더 밑부분도 윤활해 주어야 한다. 흥미로운 사실은 새로운 볼트를 처음 조여줄 때 마찰 계수가 최대치라는 점이다. 하지만 이후에 느슨하게 풀어주고 다시 조일 때마다 마찰 계수는 점차 줄어든다.

볼트를 조이기 위한 너트 회전 방법은 매우 간단하다. 볼트 또는 너트가 딱 맞아 힘을 가하지 않으면 더 돌아가지 않는 지점, 즉 볼트와 너트가 맞물려 손으로는 볼트를 풀어낼 수 없는 지점에서 1/3, 1/2 또는 2/3 회전을 추가로 더 조여주는 것이다. 회전량은 부분적으로 볼트의 유효 길이에 따라 달라진다. 그러나 이 방법에는 변수가 너무 많아서 경험칙으로 간주해야 한다.

토크가 아닌 볼트의 장력을 측정할 수 있는 정교한 장비를 공급하는 회사가 있지만, 가격이 상당히 높아서 금형 제작자에게 무리가 된다. 공학분야 학위가 있고 시간이 넉넉한 경우라면 시도해 볼 수 있는 매우 정확한 수학적 계산법이 있다.

정밀성이 특히 중요한 경우라면 부하를 표시해주는 와셔의 사용을 생각해 볼 수도 있다. 이 같은 와셔는 여러 가지 유형의 제품들이 시장에 나왔다. 이들은 보통 DTI(Direct Tension Indicator, 직접장력표시장치)로 알려져 있다. 가격이 그리 높지 않고 사용하기가 매우 쉽고, 표 2에서 볼 수 있듯 대단히 정확하다.

미국의 산업 표준 숄더 볼트는 중 탄소 합금강으로 만들어져, 32-43 Rockwell C(ASTM A574 기준)에 맞추어 열처리 및 조질을 거쳐, Class 3A UNRC(Unified National Rolled Coarse)급 스레드 및 160,000psi의 최소 인장 강도를 지님으로써, ANSI/ASME B18.3 사양을 충족한다. 이 모든 것이 너무 까다롭고 장황한 조건 같지만, 일반 금형 부품 공급업체에서 볼트를 주문하는 경우에는 주문 사양이 제대로 맞는지를 꼼꼼히 따져봐야 한다.

 

스레드의 사용등급

UNRC의 “R”은 볼트가 롤링(rolling) 공정으로 만들어졌으며 그를 통해 피로 수명이 크게 증가하였음을 나타낸다. Class 3A의 “A”는 스레드가 숫나사임을 의미한다. “B”인 경우는 너트와 같은 암나사 스레드를 의미한다. Class 3A의 “3”은 스레드에 맞는 등급을 나타낸다. UNRC 숫나사 스레드에 맞는 표준 등급으로는 1A, 2A 및 3A의 세 가지가 있다.

한 때 4등급 스레드도 있었지만 이제는 더 이상 사용하지 않고 있다. 5등급 스레드도 있지만 힘을 가해 끼워 맞추어야 한다. 스레드 등급 1~3은 “넉넉한 맞춤”을 제공한다. 즉, 힘을 가하지 않아도 어셈블리가 가능하다. 등급 번호가 높을수록 더 꽉 차게 맞는다. 따라서 등급 1스레드는 의도적으로 상당한 양의 여유를 주어 매우 느슨하게 맞는다. 이 등급은 신속하고 손쉬운 조립 및 분해를 위해 사용된다. 스레드가 들어간 로드(rod) 또는 전산(all-thread) 볼트 등이 이런 수준의 스레드 예다.

등급 2스레드는 성능과 경제성 측면에서 최상의 균형을 지니고 있다. 이 등급은 골링(galling) 내지 고착을 최소화할 수 있는 여유 공간 그리고 윤활유 및 스레드 고정용 컴파운드 사용, 도금 및 코팅 작업 등에 필 여유 공간도 충분히 제공한다. 상용 패스너의 90%가 이 등급의 스레드다.

금형 제작업체는 “상용” 패스너를 사용하지 않는다. 안전이 설계 상의 주요 고려 사항인 정밀한 공차가 요구되는 용도에는 등급 3스레드가 사용된다. 이 등급은 윤활제 또는 스레드 고정용 컴파운드 여유 공간이 거의 없다. 때문에 때로는 볼트 설치에 조금 어려울 수 있으며, 탭이 마모되었다고 생각할 수도 있다.

숄더 볼트 스레드 강도에 대해 생각해 본 적이 있는가? 이것이 왜 필요할까? 스레드 섹션 길이는 고정된 값이다. 이에 대해서는 달리 어쩔 도리가 없지만 크게 문제가 되지 않는다. 나사 제조업체가 유지력을 극대화하는데 가장 적합한 스레드 길이를 사용하기 때문이다.

그러나 적당한 표준 사이즈 제품을 구할 수 없는 경우(보통 매우 긴 숄더가 필요한 경우), 문제를 해결하기 위해 맞춤형 숄더 볼트를 제작해야 할 때가 있다. 이 때 바로 스레드 강도에 대해 더욱 자세한 정보를 아는 것이 중요해진다. 볼트가 스레드에 스트립을 일으키기 전에 장력 때문에 볼트가 부서지는 것이 바람직하다.

이는 볼트 나사가 돌려져 들어가는 소재의 강도와 스레드의 맞물림 양 두 가지에 달려 있다. 숄더 볼트가 나사로 돌려져 들어가는 강철의 강도가 볼트의 강철 강도보다 높고 스레드 맞물림 양이 충분하면 볼트가 스레드에 스트립을 일으키지 않는다. 장력으로 인한 고장이 먼저 발생하게 된다.

그러나 숄더 볼트가 연강 또는 알루미늄 재질에 나사로 돌려져 들어가는 금형이라면 어떻게 될까? 스레드 맞물림 길이와 상관없이, 큰 힘을 가하지 않아도 스레드에 스트립이 발생할 것이다.  이런 경우에는 플레이트 뒷면에 경화강 소재의 너트 또는 스레드 부싱을 설치하도록 하라.

다음으로, 볼트에 스트립이 발생하지 않도록 하는 데 필요한 최소한의 스레드 맞물림 양은 얼마나 될까? 일반적으로 볼트의 스레드 맞물림 양은 공칭 지름의 1~1.5배가 돼야 한다는 것이 경험칙이다. 과거 컬럼을 접해본 독자들은 필자가 경험칙에 대해 보통 어떤 태도를 지니고 있는지를 알 것이다.

최적의 스레드 맞물림 양을 계산하는 데 사용할 수 있는 수학 공식도 있지만, 충분히 정확하면서도 훨씬 더 쉬운 방법이 있다. 표 3은 탄소강 스레드 패스너의 처음 6개의 스레드에 가해지는 부하 분포를 보여주고 있다. 이를 통해서 확인할 수 있는 것처럼 처음 6개의 스레드가 볼트의 유지력의 100%를 담당한다.

패스너의 피치로 숫자 6을 나누면 필요한 최소 스레드 맞물림 길이를 얻을 수 있다. 예를 들어, 1/4 -20 볼트의 경우라면 6÷20=0.30인치의 맞물림 길이가 필요하다. 이 값은 필요한 적정 나사 맞물림 양은 맞지만, 스레드 끝의 인입(lead-in)이나 런아웃(runout) 혹은 스레드 넥에 필요한 양은 포함하고 있지 않다. 이 두 영역은 또 다른 세개 가량의 스레드가 필요하다.

따라서 숄더 끝에서 스레드 끝까지의 전체 거리를 계산하려면 6 대신 9를 피치로 나눈 값을 사용해야 한다. 공급업체 카탈로그를 확인하면 표준 숄더 볼트와 함께 제공되는 전체 스레드 길이가 9를 피치로 나눈 값에 매우 근사하다는 것을 알 수 있다.

유의사항: 스트립 강도 계산은 구멍에 스레드가 제대도 된 숫자, 문자 또는 탭 드릴 사이즈를 기반으로 가공 되었다는 것을 가정한 것이다.

참고사항: 많은 이들이 암나사 스레드 스트립이 발생해 이를 와이어 스레드 인서트로 수리하면 스트립 강도가 감소한다고 오해하고 있다. 오늘날 시판되고 있는 대부분의 스레드 인서트 브랜드의 경우 저마다의 고유한 설계를 통해 처음 6개 스레드에 대한 부하 분포를 향상시켜주고 있다. 이는 스트립이 생긴 스레드를 수리하는 데 사용하는 스레드 인서트가 실은 원래의 스레드보다 강도가 높을 수 있음을 의미한다.

kplastic1991@daum.net

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