패스너기술/ 언브라코 고장력 렌치볼트에 대하여
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언브라코”고장력 렌치 볼트에 대하여
한국화스너(주) 대표이사 김덕환
1. 볼트의 기능
볼트의 기본기능은 볼트에 체결하중(Clamp Load)발생시켜 피체결체와의 체결상태를 계속적으로 유지시켜 주는데 있습니다.
볼트를 강한 토크로 조일때 양 피체결체간의 접합부위에 접촉압력이 생기며, 이접촉압력의 유지를 위하여 볼트내부에 형성되는 힘을 체결하중(Clamp Load)이라고 합니다.

이체결하중이 강하면 강할수록 피체결체간의 접촉압력이 강해지며, 이현상은 볼트가 체결상태를 계속적으로 유지하는데 중대한 영향을 미치게 됩니다.
아래 그림에서처럼 피체결체에는 항시 바깥쪽을 향하려고하는 힘이(External Load/Fe)이 형성되며, 볼트내부에는 안쪽으로 향해지는 인장하중(Internal Load/Fi)이 발생하게 됩니다.
그림1 그림2 볼트의 급소

강한 체결이 가능하도록 특별제작된 고품질의 볼트를 써서 최대치의 토크로 조여지게되면 피체결체의 접촉부위에 형성된 접촉압력에 Load가 분산되어Fe가 적어지게 되고, 따라서 상대적으로 볼트에 부담지워지는 Load가 최소화됩니다.

즉, 체결상태에서 (움직임에 의하여) 외력이 작용하는 상태에서도 강한 체결력으로 극대화된 피체결체간의 접촉은, 접촉된 모든 부위(면) (그림의 C) 가 그 움직이는 외력을 흡수하여 볼트자체에 걸리는 Load를 최소화하여 접촉상태를 계속적으로 안전하게 유지시켜 줍니다.

이 논리를 적용하여 항공기용볼트의 경우 1800MPa를 견딜 수 있는 강도를 갖는 볼트를 써서 체결력을 극대화 시켜줍니다.) 설계시에는 상기의 내용이 감안되어야 하며, 볼트의 구입시에는 항시 강한체결이 가능하도록 제조된 양질의 볼트를 선택하는 것이 가장 중요하며 안전합니다.

강한 체결은 피체결체간의 접촉을 강하게 하며, 접촉부위에 형성되는 접촉압력이 (체결상태 유지를 위한)볼트의 부담을 분담하여 주므로 볼트기능극대화와 안전성은 물론 볼트 수명을 연장시켜 주는 이중적 효과를 가져옵니다.
최소 1300MPa의 인장강도를 갖고 있는 언부라코 볼트는 12.9등급의 여타 국제 규격의 볼트보다도 강한바, 이 자체만으로도 우수한 체결효과를 기대할 수 있습니다.

2. 피로현상 및 피로강도
모든 볼트사고의 95%는 볼트가 피로현상을 견디지 못하는 문제에서 비롯됩니다.
볼트가 체결된 상태(Joint)에서의 움직임이 장기간 계속되면 볼트 전체가 결국 하중을 받게되어 피로현상을 유발하게 됩니다.

즉, 체결력이 외부(작동)응력보다 충분하게 높지 않으면 외부응력에 대해 볼트가 신축작용을 반복하므로 피로현상을 유발하게 됩니다.

그림3 볼트머리 부문 결정조직그림4 언브라스코 볼트의 특징

강한 인장강도만으로는 체결상태의 계속적유지를 보장받을 수 없는바, 제조과정에서 볼트 내부조직상의 특수처리로 피로강도의 증대를 꾀하여야 합니다.
볼트 제작과정중 사실상 가장 어렵고 많은 비용과 시간이 소요되는 부분이 바로 이 피로강도 증대와 관련된 부분이며, 볼트의 품질차이는 (즉시 확인되거나 단기간에 나타나지 않는)이 피로강도의 차이로 확인될 수 있습니다.

아래에 열거하는 내용은 SPS사가 볼트의 피로강도의 증대와 관련하여 제조상 특별히 유의하는 부분으로, 따라서 언부라코제품의 특성입니다.
사실상 고장력볼트의 가장 핵심적인 부분은 피로강도의 문제입니다. 하지만 언브라코를 제외하고는 피로강도에 대하여 언급하는 볼트제작업체는 거의 없습니다.

(1) 결장조직의 흐름
모든 볼트는 모양이 변형되는 (Cross Section) 아래 세곳이 계속적인 외력에 의해 응력집중을 유발시키며 피로현상의 취약성을 갖게 됩니다.
(A) 머리부분과 몸통부분이 연결되는 목부분
(B) 나사가 시작되는 부분
(C) 모든나사의 골부분
(A) 목부분의 직각처리는 내부결정조직의 흐름을 단절 시키게 됩니다.

또한 내부결정조직의 흐름이 불규칙한 경우, 체결물체가 Dy-namic하게 움직여지면 조직상의 균열을 초래하게 됩니다.
언브라코는(피체결체와의 접촉부위에 지장을 초래하지 않는 범위내에서) 최대한 둥글게(Radius) 처리하여 결정조직의 흐름을 단절시키지 않음은 물론, 보통의 경우(원형처리)와 달리 타원형(Elliptical)처리 하여 목살을 최대한 두텁게하여 주어 결정조직 흐름의 연속성을 최대화 하여 주었습니다. (이 자체만으로도 피로강도는 배가됩니다.)

보통의 볼트에서는 머리부위결정보직의 흐름이 단절되어, 강한 체결을 견디지 못함은 물론 계속적이 외력에 의한 피로현상에도 약합니다.
언브라코 볼트는 결정조직이 렌치구멍을 둘렀싸는 형태로 흐름이 연결되어 강력한 체결을 가능하게 함은 물론 피로 강도를 배가 시킵니다.
그림 5. 목부위의 직각처리(상부)는 결정조직의 흐름을 단절시키나, 언브라코 볼트는 타원형처리로 결정조직 흐름을 연결시켜 줍니다.



그림5 결정조직의 흐름


그림6
a)보통의 볼트에서는 골 부위의 예각이 형성되어 응력이 집중을 받아 부러지기 쉽다.
b)언브라코 볼트는 3R 처리로 둥굴게 처리되어 응력분산 효과로 피로강도를 배가시킨다.

(B) 나사의 시작부위와 각나사의 정상/골 부위는 급격한 형태의 변화를 가져오는 부분으로 제작상의 특별한 배려가 결여되는 경우 피로현상의 취약성을 갖게됩니다.
언부라코는 “3R(Radiused Root Runout)가공” 이라고 불리는 독특한 방법으로 나사 시작부와 골부위가 예각을 갖지않고 둥글고 Smooth하며, 균일하게 처리되도록 하여 결정조직의 흐름이 단절되지 않게하고 응력분산이 효과를 얻도록 합니다.

(C) 나사부의 경우 골부위의 폭과 균일성이 대단히 중요합니다. 완전히 원형처리(Radius)된 골부위는 (일반적인 경우인)Flat또는 V형보다 배이상의 피로강도를 갖게됩니다.

그림7-1 언브라스코 볼트 결정조직그림7-2 일반 볼트 결정조직

SPS사는 “Unbrako Tool Division”이라는 가공용 장치를 직접 제작,관리하는 전담부서가 있으며 특별히 제작된 Roll Dies를 사용하여 3R 가공이 가능하게 하고 최대한의 저속가공(Deliberate Stroking)으로 나사부의 결정조직 관리에 세심한 주의를 기울입니다.
일반적으로 대량생산을 위하여 원형 Roll Dies를 사용하나, 언브라코는 판형 Roll Dies로 저속가공이 가능합니다.

(2) 공차문제
강한 체결이 가능하게 하는 것은 (강한인장강도 이외에) 볼트와 렌치의 접촉면의 최대화와 최상의 접촉상태입니다.
즉, 가능한한 볼트와 렌치가 닫는 면적이 많아야 하며 공차의 극소화로 완전한 접촉이 가능하도록 하여야 합니다.
이런 이유로 언브라코볼트 렌치구멍(시작부분) 과 렌치(끝부분)는 깍아 내지 않고 그대로 직각처리하며, 무두볼트의 경우 렌치구멍이 타제품보다 훨씬 깊게 제작됩니다.
볼트(A)와 너트(또는 피체결체외 탭 부위) (B)의 체결상태는 그 공차의 허용밤위에 따라 1A+1B, 2A+2B, 3A+3B의 3등급으로 구분됩니다.


그림8 언브라스코 볼트 적용 공차범위

◆ 1A+1B는 신속한 체결을 위하여 공차 범위가 적당히 허용되며 또한, 나사면이 거칠어도 체결 가능한 가장 낮은 등급의 체결
◆ 2A+2B는 미국 기준규격 S.A.E.5(120.000PSi)및 Grade 8(150.000PSi, High Tensile)등 일반 산업 및 자동화산업에 쓰이는 체결
◆ 3A+3B는 최상의 체결상태를 요구하며 우주, 항공 산업 등에서 주로 쓰임

언브라코에서 적용시키는 공차는 상기 그림에서 보이는 43%의 2A와 60%의 3A Class가 함께 속하는 거의 최상의 상태이며, 2B와3B의 Nut를 포함한 어느형태의 Nut나 Tapped Hole에도 체결이 가능하도록 되어 있으며, 국제기준치가 허용하는 범위보다도 더 공차가 적어 최상의 체결토크가 가능하도록 되어 있습니다.

(3) 균일한 경도 볼트의 겉부분은 물론 속부분의 어느 부위도 균일한 경도를 갖는 것이 피로강도유지에 또한가지의 필수 요건입니다.
로크웰 경도 1도 정도의 차이에서도 (강력한 체결 상태가 요구되는 상황에서는) 피로현상에 의한 균열을 가져옵니다.

사실상 열처리는 엄격한 공정관리와 첨단정비가 요구되며, 어떠한 경우에도 서둘러 작업될 수 없는 특수한 분야입니다.
합금강의 강도는 결국 탄소의 함량에 좌우되며, 흔히 열처리 과정에서 잘못 처리되어 침탄(Carburization)또는 탈탄 (Decarburization)현상의 유발로 볼트 내, 외부의 경도차이를 유발하게 됩니다.

언브라코는 우선 최고급의 원재료를 사용하고 자체개발된 첨단시설과 엄격한 공정관리로 볼트의 모든 부분이 균일한 경도 (Unified Hardness)를 갖게 하여 경도문제로 야기되는 피로강도의 약화를 방지하는데 상당한 중점을 두고 있습니다.
※ 침탄/탈탄 : 열처리 과정에서 로(Furnace) 내부에서 탄소분자가 볼트의 표피부분을 이탈(탈탄)하여 떠다니다가, 다른 볼트에 붙는(침탄) 경우

(4) 기타 언브라코 볼트의 특징
(1) 볼트 머리부분의 상층부 Facing작업(평평하게 깍아내는 작업 )으로 끝부분 면이 매끄럽게 처리되어 있습니다.
(2) 톱니포인트 무두볼트의 경우 톱니부분이 특수형태로 (Counterbored)로 되어있어 마찰계수를 극대화 시켜 줍니다.
(3) 렌치 내부의 각부위가 균일한 경도를 갖도록 열처리 되어있어 적정체결 토크 이상의 힘이 가해지는 경우에도 비틀림은 있으나 절단되어 경우가 거의 없고 절단되는 경우에도 짧고 편편하게 절단되어 위험하지 않습니다.

3. 경제성 측면의 검토
일반적으로 Fastening작업을 위하여 소요되는 비용은 (볼트값을 포함하여) 총기계제작비용의 1%에 불과하며, 또한 볼트값은 이 Fastening작업비용의 5%에 불과합니다.
따라서, 비용의 문제만 버면 볼트값 자체는 사실상 기계값의 0.05%안팎에 불과합니다. (하지만, 기능적인 면이나 그 중요성은 몇십배 그 정도를 더합니다.)

그림9 그림10

Fastening작업 비용의 95%는 볼트 구매, 관리비용에서부토 작업, 검수까지의 제반 인건/물건비가 모두 포함되는 것으로 볼트값 자체의 무려 19배에 달하는 것입니다. 따라서, 단순한 한번의 재작업은(기계작업 중단에 의한 생산차질의 문제는 접어두고라도) 볼트값의 19배에 달하는 비용의 낭비를 의미할 수도 있습니다.

또한, 경제성의 문제는 기계제작의 시점에서 부터 하자보수 기간이 완료되는 기간까지의 모든 비용을 포함한 개념에서 계산되어야 하나 흔히 제작시점 이후의 부분이 간과되어 결과적인 손실이 초래되는 경우가 상당히 많습니다.

바로 이런 이유에서 기계산업이 발달된 선진국에서는 볼트와 오일류는 항시 최상급으로 선택되며 고가의 기계나 장비일수록 이 부분은 심각하게 검토되어야 합니다.
타제품보다 갑절 비싼 언브라코볼트가 적게는 수배, 많게는 수십배에 달하는 비용절감 효과를 드릴 수도 있습니다.

4. 결론
이상으로 언브라코볼트의 특수한 부분중 중요한 것만 몇가지 지적하여 보았습니다.
언브라코 볼트는 강한 인장강도와 최소치의 공차로 우선 강한 체결이 가능하게 하여주고, 저속가공으로 내부결정조직의 흐름을 최대한 살려주고, 취약부위의Radius 처리 및 볼트 전부분의 균일한 경도 유지로 고장력 볼트의 생명인 “피로강도”를 극대화 시켰습니다.

결국 볼트하나도 간단히 만들어지는 것은 아니고, 작업과정상 세심한 주의가 필요하며 장기간의 경험에 의한 축적된 기술의 적용이 절대적으로 요구되며 또한 이를위한 막대한 시설이 있어야 합니다.

최상의 볼트체결효과를 위하여 사용자는 (가)최상의 Clamp load 및 피로강도가 보장되는 믿을수 있는 (지명도 있는) 제품이 선택되어야, (나) 제작업체가 요구하는 최대한의 체결토크로 체결되어야 합니다.
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