나사 머리 형상 선택: 머리 아래에서 일어나는 파손은 예상과 다릅니다

더 큰 머리로 하중을 분산한다는 생각은 타당합니다

압력은 힘을 면적으로 나눈 값이므로 머리가 넓으면 같은 체결 축력이 더 많은 재료에 분산됩니다. 맞는 말이고, 자리면은 원래 그렇게 작동해야 하며, 습관이 될 만큼 자주 올바른 선택이 됩니다.

여기에는 뻔한 파손 모습이 따라붙습니다. 압력이 지나치면 표면이 눌려 찌그러진다는 것입니다. 바로 그 모습 때문에 더 흔한 파손을 예상하기 어렵습니다. 그 파손은 찌그러짐과 전혀 닮지 않았기 때문입니다. 머리 아래 재료가 시간이 지나며 내려앉고, 초기 체결력도 함께 빠져나갑니다.

머리는 압력을 분산하는 장치입니다

나사를 조이면 생크에 인장력이 생기고, 그 인장력은 어딘가에 반력으로 지지되어야 합니다. 그 지지점이 머리 아래의 고리 모양 자리면이며, 하중은 여기서 피체결 재료로 넘어갑니다.

힘은 정해져 있습니다. 원하는 초기 체결력이 곧 그 힘입니다. 따라서 면적이 작으면 압력이 커집니다. 이것은 나눗셈이지 공학적 판단의 문제가 아닙니다. 같은 2 kN이라도 넓은 플랜지 아래와 작은 냄비머리 아래에서는 재료에 걸리는 압력이 몇 배씩 차이 납니다.

그리고 재료가 견딜 수 있는 압력에는 상한이 있습니다.

그래서 더 큰 머리를 쓰지만, 거기서 일어나는 파손은 예상과 다릅니다

볼트 체결부의 체계적 계산 지침인 VDI 2230에는 이를 위한 별도 단계가 있습니다. 면압을 구하고 재료별 한계값 p_G와 비교하는 단계입니다.

어느 재료인지 정확히 해야 합니다. 이 검토는 자리면이 실제로 누르는 부품에 적용됩니다. 머리 아래, 그리고 별도로 너트 아래에서 각각 맞닿는 대상을 기준으로 봅니다. 적층 전체에서 가장 무른 층을 찾는 일이 아닙니다. 체결부 안쪽에 묻힌 무른 층도 실제 문제이지만 다른 문제이며, 머리의 접촉 면적도 압력도 받지 않으므로 면압이 아니라 체결부의 이완으로 분석합니다.

한계를 넘으면 흔히 찌그러짐이나 눈에 보이는 자국을 떠올립니다. 그런 경우도 있지만 눈에 보이므로 오히려 쉬운 경우입니다. 이해해야 할 것은 크리프입니다.

이것은 나사가 풀리는 이유와 이어집니다. 면압은 그 경로 중 하나이며, 가장 조용한 경로입니다.

자리면 면적은 생각보다 작습니다

놓치기 쉬운 세부 사항이 있습니다. 자리면 면적을 계산할 때는 구멍의 모따기를 빼야 합니다. VDI 2230은 이 공제를 명시적으로 요구합니다.

구멍에는 보통 버 제거나 삽입을 쉽게 하려고 모따기를 합니다. 머리는 모따기로 깎여 나간 부분에는 지지될 수 없습니다. 따라서 유효 면적은 머리 바깥지름과 모따기된 구멍 지름 사이의 고리 면적이며, 머리 지름이 암시하는 원 전체가 아닙니다.

작은 나사일수록 영향이 큽니다. M3 머리는 지름이 몇 밀리미터에 불과하므로 0.3 mm 모따기만으로도 상당한 비율이 사라집니다. 게다가 도면에는 보통 모따기 크기가 적혀 있지 않습니다.

접시머리는 메커니즘이 다릅니다: 누르는 것이 아니라 쐐기처럼 박힙니다

지금까지는 머리 아래에 평평한 면이 있다고 가정했습니다. 접시머리에는 그런 면이 없습니다.

접시머리는 구멍의 원뿔면에 닿으므로 면을 누르는 것이 아니라 원뿔형 자리에 쐐기처럼 박힙니다. 그래서 두 가지 성질을 가집니다.

• 스스로 중심을 잡는 경향이 있습니다. 두 원뿔이 동축이고 각도가 맞으며, 움직일 틈새가 남아 있고, 마찰이 이미 고정해 버리지 않았다는 조건에서입니다. 이 조건에서는 원뿔이 나사를 구멍 중심 쪽으로 끌어당기므로, 위치가 어긋난 구멍은 부품까지 끌고 갑니다.
• 축 방향 하중의 일부를 바깥쪽 반경 방향 힘으로 바꿉니다. 마찰을 무시하면 반각이 α인 원뿔의 반경 방향 힘과 축 방향 힘의 비는 cot α입니다. 따라서 α가 45°인 90° 접시형 자리파기에서는 두 힘이 같은 수준입니다. 이 반경 방향 힘이 둘레에 분포하면 원주 방향 인장 응력이 생기고, 이것이 취성 부품, 얇은 단면, 가장자리에 가까운 구멍을 쪼갭니다.

또한 각도에 유난히 민감합니다. 나사의 각도와 구멍의 각도가 일치해야 합니다. 맞지 않으면 접촉이 좁은 띠에 집중되며, 이는 '자리면 면적이 줄었다'의 극단적인 형태입니다. 이 주제는 별도 글에서 다루고, 구멍 치수 지정은 또 다른 글에서 다룹니다.

그래서 순서는 이렇습니다

기본 작업 순서일 뿐 완전한 결정 절차도, 일방통행도 아닙니다. 실제 설계는 여러 번 되돌아가며, 여기 적지 않은 여러 제약이 어느 단계든 뒤집을 수 있습니다. 머리 강도, 설치 공간과 공구 접근성, 토크와 초기 체결력의 관계를 정하는 마찰, 와셔의 두께와 경도, 밀봉, 피로, 가장자리 거리 등입니다. 제품 때문에 표면이 평평해야 한다면 그것은 선택이 아니라 입력 조건이며, 첫 단계보다 먼저 옵니다.

1. 자리면이 무엇을 누르는가: 머리 바로 아래 부품, 너트가 있다면 너트 아래 부품입니다. 강, 알루미늄, 아연 합금, 플라스틱은 견디는 압력이 크게 다릅니다. 플라스틱이 가장 약하고 온도에 따라 달라집니다.
2. 초기 체결력이 얼마나 필요한가. 이것이 전달되는 힘을 정합니다. 토크와 체결 축력을 참고하십시오.
3. 따라서 자리면 면적이 얼마나 필요한가. 힘을 재료가 견디는 압력으로 나눕니다. 금속의 한계값은 VDI 2230의 표 A9에 있습니다. 이 글은 일부러 수치를 옮기지 않습니다. 재료별 상온 단기 기준값이어서 맥락에서 떼어 낸 수치는 잘못 적용되기 때문입니다. 플라스틱에 대해서는 이 표가 아예 출처가 아닙니다. 일반 플라스틱을 다루지 않으므로, 해당 수지의 사용 온도, 함수율, 하중 지속 시간에서의 압축 및 크리프 데이터가 필요하며 보통 체결부 시험으로 뒷받침합니다.
4. 그 면적을 제공하는 머리를 고르거나 와셔로 보충합니다. 플랜지 머리는 대략 부품에 와셔를 일체화한 것입니다. 부품이 하나 줄고 빠뜨릴 기회도 하나 줄어듭니다. 다만 동등물이 아니라 비유로 받아들여야 합니다. 마찰 계면, 표면에 대해 무언가가 회전할 수 있는지, 그리고 유효 분산 지름, 강성, 경도, 표면 상태가 서로 다르기 때문입니다.
5. 표면이 평평해야 하는가: 그렇다면 접시머리를 쓰고, 위에서 설명한 쐐기 작용의 대가와 각도 요구를 받아들입니다.
6. 그다음에야 드라이브 형식과 외관입니다. 이것도 중요합니다. 다만 앞의 다섯 가지를 결정해서는 안 됩니다.

플라스틱에 체결하는 경우가 가장 자주 잘못됩니다. 면적이 더 필요해서만이 아닙니다. 플라스틱은 한계 면압이 낮고, 크리프가 생기며, 온도와 수분에 따라 변합니다. 이 내용은 별도 글에서 다룹니다.

어떤 머리를 고르든 전이부 지름을 볼트 구멍과 대조해 확인하십시오. 머리 아래 필릿을 참고하십시오.

도면에 적어야 할 것

• 머리 명칭과 표준 번호. '냄비머리'는 사양이 아닙니다. 'ISO 7045 십자 홈 냄비머리'가 사양입니다.
• 머리 지름과 머리 높이의 공차. 높이는 간섭 여유를 좌우하고, 지름은 곧 자리면 면적입니다.
• 구멍의 모따기. 자리면 면적을 계산했다면 모따기도 치수로 지정하십시오. 그렇지 않으면 계산한 면적은 존재하지 않습니다.
• 접시머리라면 구멍의 각도를 나사에 맞춰 지정합니다.
• 와셔가 면적을 보충한다면 부품 목록에 넣고 생략 불가로 표시하십시오. 있어도 되고 없어도 되는 부품처럼 보이지만 실제로는 자리면 면적의 일부입니다.

이 글은 나사를 지정하는 순서(영어)의 세 번째 단계입니다. 재료와 나사산이 그 앞에, 표면 처리와 문서가 그 뒤에 옵니다.

관련 글

• 나사를 지정하는 순서(영어): 이 글은 그 세 번째 단계입니다
• 토크와 체결 축력: 전달되는 힘이 어디서 오는지
• 나사가 풀리는 이유: 면압은 가장 조용한 경로입니다
• 플라스틱용 나사: 한계 면압이 가장 낮고 가장 쉽게 넘습니다
• 접시머리 각도: 맞지 않는 원뿔이 일으키는 일
• 접시 구멍 치수: 자리 치수를 지정하는 방법
• 와셔의 역할: 자리면 면적을 넓히는 부품
• 머리 성형의 한계: 일부 머리를 만들 수 없는 이유

이 글은 3단계: 머리를 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

머리 형상은 어떻게 골라야 합니까?

겉모습이나 가진 공구가 아니라 나사가 무엇을 누르는지에서 출발하십시오. 변수는 자리면 면적과 재료가 견디는 압력이며, 재료가 무를수록 더 넓은 면적이 필요합니다.

머리 아래 압력이 너무 높으면 어떻게 됩니까?

찌그러짐보다 크리프인 경우가 많습니다. 한계 면압을 넘으면 재료에 크리프가 생기고 자리잡음이 커질 수 있습니다. 초기 체결력을 깎는 것은 조립 이후의 변형이며, 얼마나 깎이는지는 나사와 피체결 부품의 유연도에 달려 있습니다. 실제로 일어나면 부품은 검사를 통과할 수 있는 상태로 체결부가 초기 체결력을 잃습니다.

접시머리는 자리면 면적이 더 작습니까?

평평한 자리면이 아예 없습니다. 원뿔에 쐐기처럼 박힙니다. 그 대가로 자기 중심 잡기와 평평한 표면을 얻지만, 바깥쪽으로 향하는 힘 성분이 생기고 각도 일치에 실제로 민감해집니다.

머리를 바꾸는 대신 와셔를 쓸 수 있습니까?

예. 와셔의 역할이 자리면 면적을 넓히는 것입니다. 대가는 부품 하나와 빠뜨릴 기회 하나가 늘어나는 것이며, 그래서 양산에서는 보통 플랜지 머리로 바꿉니다.

도면에는 무엇을 적어야 합니까?

머리 명칭과 표준, 머리 지름과 높이의 공차, 구멍의 모따기, 접시머리라면 구멍 각도입니다. ‘M4 십자 홈 냄비머리’만 적으면 자리면 면적은 추측에 맡겨집니다.