패스너기술/ 나이록 풀림방지 나사의 구조 원리와 특색
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나이록 풀림방지 나사의 구조 원리와 특색
(나일론 융착에 의한 풀림방지 나사의 부가가치 창출의 역사)
1. 서문
볼트,터트로 대표되는 나사체결은 레오나르도다빈치의 설계나 그 이전의 이집트 문명시대까지 거슬러 올라간다고 할 수 있을 만큼 오래되었고, 나사의 풀림 문제와 그 방지대책이 항상 문제점을 내포하면서도 그 수요는 확대되어 왔다.

이 나사풀림 문제의 선각자이며, 현재도 그 리더인 미국나이록社(NYLOK FASTER CORPORARTION)의 역사, 나이록 제품「사용방법과 구조원리」/「특수의 역사, 나일록의 특색」/「새로운 부가가치」의 소개는 관계자분들께 유익한 참고가 될 것으로 생각된다.

2. 나이록의 역사
나이록의 역사는 1942년 제 2차 세계대전중에 시작되어 항공기용 나사의 풀림발생이 치명적인 결함으로 지적되던 시기에 항공기 메이커인 부츠社에 의해 「화이바록크社」가 설립되었다.

압축된 종이(파이버)를 볼트의 나사부보다 조금 작은 내경의 링 형태로 만든 것을 너트의 단면에 부착시킨 구조로 「파리버 록 너트」는 많은 트러블을 해소하는 데 큰 몫을 했고, 너트를 2개 사용하는 「더블너트」보다 경량이면서도 강력한 풀림방지 방법으로서 사용되었다.

제2차 세계대전은 항공기 발전의 막을 연 시대였으며, 동시에 나사풀림 문제에 있어서도 확실한 풀림방지 나사 개발의 막을 연 시대였다.
2차 대전 후 나일론 수지가 발명되어 압축된 종이(파이버)보다도 탄성강도와 수명이 우수한 나일론 팰릿을 나사부에 구멍을 뚫어 삽입하여 「팰릿 나이록 너트[그림1]」 및 「팰릿 나이록 볼트[그림2]」를 발명하여 회사명을 나이록社로 개명하고 그 성능의 우수성에 힘입어 전산업에 공급을 확대하였다.

팰릿 타입의 나이록은 성능도 높아 현재도 미국 군관련 규격인 MS(미국 군사규격) NAS(항공규격)의 승인을 받아 사용되어 오고 있으나, 문제점은 제조과정에서 드릴로 구멍을 뚫는 데 드는 비용과 구멍을 뚫은 후 나사강도의 저하였다.
이 문제를 해결하기 위하여 개발된 것이 「특수 나일론 융착타입[그림3]」으로 저가격과 양산화를 동시에 가속화시키는 데 성공, 미국 최대 산업인 자동차 산업에 대량으로 채용되어 이른바 빅3(GM, Ford, Chysler)의 기술승인을 얻었고 그 외 산업에도 모든 수요가에 대한 공급체제를 갖추게 되었다.

현재, 미국 전지역 중 5곳에 공장과 전세계 주요 공업국 15개국에 가공 거점을 두고 있으며 전세계의 풀림방지 나사의 약 45%는 나이록 제품이라고 파악되고 있다.
한국 나이록 주식회사는 1993년 미국 나이록社의 라이선스로서 설립된 이래 여러 산업으로부터 약 10,000의 사이즈 이상을 지름 M1.0에서 M30에 이르는 많은 사이즈를 채용함으로써 나이록 가공을 하고 있다.

나이록 제품의 사용방법(사용 목적, 기능)과 구조 원리
나이록 나사의 사용방법, 사용목적, 기능은 크게 ①풀림방지 기능 ②실링기능 ③조정 나사의 기능 등 크게 3가지로 분류되는데 이 기능들을 동시에 활용할 수 있는 중복 기능도 있다.

(1)풀림방지 기능
일반 나사는 [그림4]와 같이 나사부에 틈이 있어 나사의 체결이 가능하게 되어 있지만 나사체결 후에도 [그림5]에서 보여주는 것과 같이 나사 플랭크부(나사의 斜面)끼리의 마찰이 있어도 「축의 직각방향의 틈새」는 그대로 남아있기 때문에 진동이나 충격 등의 외력(특히 축의 직각방향 진동)이 가해지면 접촉부의 마찰력보다 큰 외력에 의해 나사풀림이 발생한다.
이것이 가장 전형적인 「나사풀림의 매커니즘」인 것이다.







[그림6]과 같이 나이록을 볼트의 나사부에 융착시킨 나일론을 체결했을 경우, 틈새 안을 나일론의 반발력으로부터 생긴 마찰력이 '나사풀림의 원인을 제거'하여 나사의 풀림을 발생시키지 않는다.
[그림7]은 원통형의 너트, 그 안에 들어있는 작은 원주를 볼트라 하고 나사의 「리드 각도 」를 경사면으로, 나사의 풀림방향으로 진동이 가해졌을 때 미끄러져 내려간다고 가정하면, 나이록의 도포량 두께를 올려 나일론의 반발력을 올림으로써 풀림을 방지하는 것이 가능하게 된다.
특수 나일론은 「체결 토르크」와 발생축력(체결력)의 관계도 타제품 또는 일반적인 제품보다 안정돼 있어 [그림8]과 같이 우수한 효과를 얻을 수 있다. 시험 결과도 다른 풀림방지 제품보다 우수하다.[그림9]

(2)실링 기능
나이록 가공을 나사의 반주 (각도 180도)에 가공하면 액체 등이 나사골을 따라 새는 것을 방지할 수도 있으나 완벽한 액체, 기체의 실 효과는 전주 가공(360도)을 선택해야 그 효과를 얻을 수 있다. 특히 진동 등이 가해지는 조건하에서는 [그림10]과 같이 다른 실링 제품에는 없는 「내진(耐振)실링 효과」를 나이록으로 이용할 수 있다.




(3)조정나사의 기능
나이록 가공을 나사부의 지정에 가공하면 [그림11]과 같이 위치결정 조정 이후는 풀림이 없는 조정나사로서 영구적인 효과를 얻을 수 있다.
나사부품을 완전히 확정 체결하기 전에 임시 체결 상태로 상대 나사에 특수 나이록이 조금 물리도록 하면 운송 중 나사부품의 분실 또는 나사 삽입 방향이 잘못되는 것을 방지할 수 있는 기능도 있다.

3. 나이록이 채용한 특수 나일론 수지의 특색
풀림방지 나사 소재로서의 특수 나일론은 나이록사의 경험과 개발의 결정체라고도 할 수 있는 것으로 [표1,2]를 참조하면 그 특색을 충분히 파악할 수 있는 것이다.

(1)강도(기계적 성질)
강력한 탄성 반발력을 갖고 있으며, 나일론 섬유 조직이 갖는 강인하면서도 유연한 소재는 복잡한 형상의 나사산이 틈새로 미끄러져 들어가는 성능 저하가 없으며 필요한 기능(풀림방지, 씰, 조정성)을 확보한다.

(2)마찰(말찰계수, 마모, 마찰열과 마찰에 수반되는 상대 나사의 방향)
특수 나일론 용착부의 마찰계수는 안정되어 있기 때문에 안정된 체결력(축력)을 [그림8]과 같이 얻을 수 있다. 또한 마모가 적기 때문에 「반복 사용」에 대해서도 [그림12]와 같이 50회 반복 사용했을 때에도 타제품을 훨씬 능가하게 되는 것이다.

마찰열의 발생도 적고 상대 나사에 상처를 주는 경우도 없기 때문에 상대 나사 재질의 강도가 낮은 비철금속(다이캐스트, 알류미늄 등의 경금속)또는 플라스틱에 대해서도 상대나사를 보호하는 효과가 있으며, 나사 체결시 마찰열에 의한 고착현상(Seizure)의 방지효과가 있다.
스테인리스끼리의 볼트 너트 체결시 발생하는 Seizure현상에 대해서는 전주가공(360˚가공)을 하면 종래의 고착방지제(불소계 코팅, 이산화 몰리브덴 페이스트)로도 불가능한 고속회전(약 6000R.P.M)의 에어임팩트에 의한 체결에도 완벽한 방지효과를 발휘한다.

(3)내열성
나이록의 사용온도 범위는 -60˚c~+170˚c이며 이 온도 범위내에서의 반복 사용이나 열사이클 테스트 조건하에서도 나이록 성능의 열화는 발행하지 않는다.
(단, 나사부품의 정확한 가열 온도의 측정이 곤란한 경우도 적지 않기 때문에 -50˚c~+150˚c의 범위를 넘을 경우에는 나이록 성능을 재확인하기 바란다.)

실제로 예로서 어떤 자동차 메이커가 반복 사용의 조건이 아닌 경우인200˚c에서 성능 재확인을 한 후, 자동차 부품용 풀림방지 나사로 채용하고 있는 경우도 있지만 나일론 열화와 동시에 체결체 각 부품의 열팽창차이도 확인해야 한다.

(4)안전성, 내환경성, 내약품성 및 수명
일본 식품위생법 기준과 미국의 엄격한 FDA 기준 테스트의 승인을 받은 안전성 높은 소재를 사용하고 있다.
모든 수지는 기화하지만 나이록 재료는 엔지니어링플라스틱 중에서도 특히 우수한 사양의 재료를 사용하고 있기 때문에 그 수명도 거의 영구적이라고 볼 수 있다.

그러나 나사 소재인 철, 스테인리스 등의 금속 자체가 녹 등이 발생하므로 나이록 검사기록의 보관기간은 10년을 기준으로 하길 바란다.
미국 NASA에서는 수지의 기화가스가 우주공간에 문제를 발생시키는 원인으로 보고 엄격한 진공조건하의 기화 가스 테스트(OUT-GAS TEST)의 승인을 요구하고 있다.
나이록은 NASA에서 아웃 가스 테스트의 승인을 획득하고 있다. 내환경성, 내약품성에 대해서는 [표1,표2]를 참조하기 바란다.

4. 나이록의 사용상 주의
[표1,2]에서 나타낸 것과 같이 대개의 용제(약산 포함)에는 내성이 있지만 강산용제의 경우는 상담해 주기 바란다.
그리고 [그림13]과 같이 나일론 수지를 깍아내는 형상을 갖는 상대 나사의 경우에서도 상담해 주기 바란다.

나이록 새로운 부가가치 개발
나이록의 새로운 개발은 현행 가공기술을 이용한 신제품의 개발, 현재의 나사부품 이외의 나일론을 사용한 신제품 개발, 특수 나일론의 특성을 활용한 새로운 용도의 검토 등이 있으며, 다음과 같이 부가가치를 부여한 제품이 개발되고 있다.

현재의 나사 제품 이외의 특수 나일론 융착제품
①나이록 그립 스크루(NYLOK GRIP SCREW)[그림 14]에서 나타내는 형상을 갖는 스크루에 나이록 가공을 하면 체결시 나사를 돌리지 않고도 박아서 체결할 수 있으며, 분리할 경우 스크루를 좌회전시키면 분리되는 제품이다.(체결작업의 시간단축과 구멍측태핑이 필요 없어 큰 폭의 원가절감 효과가 있다.)

특수 나일론의 특성을 활용한 새로운 용도의 부가가치
① 마찰계수가 양호해서 나사부의 틈새에 들어가기 쉽다.
최근, 나사의 피체결 부품 및 암나사는 플라스틱 또는 비철금속이 제품 경량화를 목적으로 많이 이용되고 있다.
이 소재들은 면압강도가 적은 것이 대부분이어서 축력을 높게 체결하면 좌면의 함몰을 일으키고 극단적인 경우 좌면을 파괴시킬 위험성이 있다.

체결력을 낮추어 안정시키기 위해서는 나일론 피막을 나사부에 도포하는 방식이 가장 유효하다.
낮은 체결력으로 축의 직각 방향의 마찰력에 의해 풀림방지가 가능해진다.

더욱이 상대 나사부를 동시에 보호하므로 스트리핑 토크(나사 마멸 공회전 토크)를 통상의 나사를 사용하는 것보다 높이 설정할 수 있어서 그 효과가 높다.
② 강인한 소재로 상대물에 상처를 주지 않는다.
진동, 충격 또는 그것에 수반되는 소음방지를 특수 나일론이 직접 흡수하도록 접촉면에 나일론을 도포한다.
(나사의 선단부에 나일론 도포를 하면 이용하기 쉽다.)

5. 결론
나이록은 플라스틱을 풀림방지의 소재로서 사용하고 있음에도 불구하고 접착제에 의한 풀림방지 방식(케미컬 타입)으로는 분류하지 않는다.
나일론 기계적 성질(탄성, 마찰력, 마찰 토크)에 의해 그 성능을 보증할 수 있는 제품이다.

나사 체결체는 가장 일반적인 경우 볼트, 너트, 그리고 2개의 피체결체를 하나의 마찰 접합체로 만드는 것이다. 모든 접촉면(2개의 피체결체끼리, 볼트의 좌면, 너트의 좌면과 나사부)중에서 나일론 탄성에 의한 「메키닉(기계적) 타입 풀림방지 방식」은 가장 확실한 방식으로 국제적으로 인정을 받고 있어 제품 보증적 측면에서도 앞으로의 PL 대응품으로서 가장 유효한 방식이라고 생각하지만, 나사 체결체가 마찰접합에 의해 성립하기 위해서는 나사부 이외의 접촉부 풀림원인(접촉부의 감소, 미동 마모, 각 부품의 열팽창의 차)의 파악이 불가결하다고 할 수 있을 것이다.
나이록을 사용하면 나사가 풀어지지 않는다고 하는 50년 이상의 전통은 사용자가 함께 나사의 사용조건 파악과 나사풀림 등의 정보교환을 나누는 협력의결과라고도 말할 수 있다.

끝으로, 나이록에 관한 모든 개발은 세계의 모든 라이선스가 정기적인 정보교환 및 특허취득 활동을 통해 개발한 기술을 서로 공유하는 전세계적인 기술의 집합이며 한국 나이록도 그 일원임을 밝혀둔다. >미국, 아르헨티나, 브라질, 캐나다, 프랑스, 독일, 인도, 이탈리아, 일본, 한국, 스페인, 타이완, 영국에서 나이록은 각각의 라이선스社가 생산 판매하고 있다.

본 제품의 소개가 독자의 나사풀림 및 그 밖의 문제에 대해서 도움이 되었기를 바라며 또한 제품을 검토할 때 사용조건 등의 정보를 주길 바란다.
(※나이록의 채용사례에 대해서는가능한 전 세계로부터의 모든 정보를 제공하겠사오니 사용 상황, 문제점의 검토내용을 첨부하여 당사에 연락해 주시기 바랍니다.)
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