나사 표준화 탐구

나사 표준은 모든 범위를 포함해 세계에서 가장 오래된 표준입니다. 오늘날,셀 수 없이 많은 표준 중에서도 DIN, ISO와 UTS 표준이 압도적으로 사용되고 있지만, 잘못된 표준의 선택은 체결부 풀림과 같이 눈에 보이지 않는 위험으로 이어질 수도 있습니다. 이 기사에서는 나사 표준의 역사, 진화 그리고 중요하지만 간과되었던 표준의 미래를 탐구합니다.

나사는 일반적으로 두 가지 기능을 가집니다. 동력 나사의 경우처럼 회전 움직임을 선적 움직임으로 바꾸는 기능과 나사산을 가진 화스너의 경우 체결부의 풀림이나 미끄러짐을 방지하기 위해 부품을 결합하는 기능입니다.

나사의 표준화는 다양한 제조사와 사용자 사이에서 문제없이 사용하기 위해 19세기 초부터 빠르게 발전하였습니다. 19세기 후반부터 20세기 초까지 기술자들은 신뢰할 수 있는 나사간 교환 가능성 보장이 특정 나사의 주요 직경과 피치의 표준화보다 훨씬 더 다면적이고 도전적인 과제라는 사실을 알게 되었습니다. 이 기간 동안 복잡한 분석을 통해 피치 직경과 표면 마감이 얼마나 중요한 변수인지가 분명해 졌습니다.

1898년 나사 표준화를 위한 국제회의 (International Congress for the Standardization of Screw Thread)에서 미터 나사가 통일되었으나, 프랑스, 독일, 일본은 각 나라의 미터 나사 표준을 고집하였으며 스위스는 시계용 나사 세트를 가지고 있었습니다.

표준화 절차는 지금도 진행 중이며, 대립되는 미터와 야드(imperial)나사 표준이 여전히 널리 사용되고 있습니다. 표준 나사는 짧은 문자 코드로 식별되는 것이 일반적인데, 개별 나사의 표준화된 명칭 접두사가 포함됩니다.

특히 체결부의 특수 요건을 충족시키면서 체결도구와 렌치와의 호환성을 높이기 위해, 추가 제품 표준에서는 나사 표준을 기초로 나사와 너트에 선호되는 기하학적 구조를 식별합니다.

독일 Siegen 대학교 분할 회사AFS(Advanced Fastening Solutions GmbH)의 Hendrik Hubbertz에 따르면 용이한 취급, 적재 하중, 더 높은 피치에 따라 더 빠른 체결 속도 및 시간과 같은 요건을 충족하기 위해 다양한 표준이 지금까지 발전해 왔다고 합니다.

“동력 나사와 나사산을 가진 화스너와 관련된 무수히 많은 나사 표준이 존재하지만, 실제 사용되는 나사 표준은 극히 제한적입니다.”라고 그는 말합니다.

가장 중요한 표준은 ISO 와 UTS 나사 표준으로, 주로 기계 엔지니어링에서 사용됩니다.

Hubbertz 씨는 “금속 및 플라스틱 기계 엔지니어링에서 사용이 증가하고 있는 self-tapping과 thread-forming나사의 표준 역시 존재합니다.”고 덧붙여 말합니다. 또한 배관과 특수 제품을 위한 나사 표준 또한 존재합니다. 동력 나사의 경우, 볼 스크루(rolling spindle)와 사다리꼴 나사와 같은 표준이 있습니다.

“표준이 너무 많으면 복잡성이 크게 증가할 수 있죠, 하지만 반대로 생각해보면 표준을 통해 대체가 용이해지고, 대규모 생산으로 비용이 낮아지는 장점이 있습니다. 이는 실제로 이는 표준화가 만들어진 근본적인 이유입니다.”라고 Hubbertz씨가 말합니다.

대부분의 삼각 나사 형태는 측면 삼각형을 기초로 하고 있으며, 영문자 V 형태와 닮았다 하여 V-나사로 불립니다. 60도 V-나사는 이등변 삼각형으로 특히 등변의 형태입니다. 톱니 나사의 경우 삼각형이 부등변 형태입니다.

화스너에서 가장 자주 사용되는 나사 형태는 ISO미터 나사와 UN 시리즈에서 발견되는 60도 나사 형태가 있습니다. 다른 나사 표준은 의료 기술, 항공 엔지니어링 또는 우주 항해술과 같은 특수 분야에서 가끔 사용됩니다.

대규모 생산에서 나사는 비용상 이유로 완벽할 정도로 날카롭게 만들어지지 않습니다. 충분히 큰 루트 직경 외에도, 높은 적재 하중에서 진동 하중과 관련된 피로 파괴를 피하려면 반드시 제대로 정해진 나사-루트 반경을 사용해야 합니다. 접합 나사의 방해가 발생하지 않는다면, 나사의 직경 허용 오차에 민감할 필요가 있습니다. 체결부에서 나사 스트리핑을 방지하는데 있어 나사 직경 허용 오차 또한 매우 중요합니다.

Hubbertz씨는 체결부에서 나사를 선택 시 가장 중요한 두 가지는 실제 사용 중 적재하중과 같은 기능과 물류와 조립, 사용자 지식과 같은 취급이 있다고 말합니다.

“잘못된 표준을 선택할 경우, 운행 정지로 인해 생산 비용이 높아지는 제조상의 문제가 발생할 수 있습니다. 잘못된 표준은 기능의 손실을 일으켜 결함이 있는 제품으로 이어지고, 이러한 제품을 회수하는데 많은 비용이 발생하게 됩니다.” 라고 그는 말합니다.

ISO 미터 나사가 아닌 나사 제품들은 특정 적용방식과 특정 지역에서 자주 사용되는데 이는 이전 방식과 호환이 되기 때문입니다. UTS로 대체된 지 50년이 지난 오늘날에도 기업들은, UTS와 상반되는 야드 치수의 “SAE”와 “USS”와 같은 하드웨어를 여전히 판매하고 있습니다. 이러한 하드웨어는 실제로 UTS 표준으로 만들어졌으나, 상표와 목록 용어가 언제나 정확하지는 않아 나사 표준과 관련된 혼란을 가중시키고 있습니다.

“미래에 적재 하중 증가와 조립 향상을 위해 기능의 최적화와 같은 이슈가 표준의 발달에 영향을 줄 것입니다. 작업 표준에서 일반적인 표준으로의 전환이 일어날 것입니다. 또한 전 세계에 걸친 표준 통합 또한 있을 것입니다.” 라고 Hubbertz 씨는 전망하였습니다.

일반 표준에서의 피치: 완성되지 않은 나사 표준 역사

BC 3세기
나사를 발명한 사람은 BC 3세기 그리스 인물인 아르키메데스라고 알려져 있지만, 확인된 사실은 아닙니다.

1800
Henry Maudslay는 산업용 나사 선반을 최초 개발하여, 나사 치수의 표준화를 위한 기초를 닦았습니다

1841
Joseph Whitworth는 최초의 국가 표준 시스템이라 할 수 있는 영국 표준 Whitworth 시스템을 고안하였습니다.

1864
William Sellers는 인치 기반의 미국 표준 나사(USS 나사)를 제시하였습니다. 그가 획득한 90개가 넘는 특허 제품 중 하나인 이 나사는 나사 절단과정을 단순화하였습니다.

1898
취리히에서 열린 나사 표준을 위한 국제 의회에서 과감한 결정을 통해 복잡했던 미터 나사 표준을 통합하였습니다.

1947
International System of Units(ISO) 설립으로, 미터 시스템이 급속도로 발전하였습니다.

1949
인치 기반의 나사 표준을 통합하기 위해United Thread System (UTS)가 채택되었습니다.

출처: 위키디피아

표준 나사 정보

오늘날 가장 많이 사용되는 나사는 대부분ISO 미터 나사(M)이며, 파이프의 경우 BSP 나사(R,G)입니다. 이는 1947년 국제 표준화 기구가 설립되었을 때, 최초로 합의된 국제 표준이었습니다.

다용도 미터 나사(“M„ 시리즈 나사)의 명칭은 국제 표준 ISO 68-1에서 정의되었습니다. 각 나사는 주요 직경 D 와 피치 P로 정의됩니다.

ISO Metric Coarse Thread DIN 13-1은 전 세계 표준 나사 프로필입니다. 라벨은 문자 M 과 명목 직경을 나타내는 수로 이루어 집니다. 측면 각도는 60도입니다. 명목 직경이 포함된 coarse 나사 치수에는 피치 값 또한 명시되어 있습니다.

ISO Metric Fine Thread DIN 13-2 에서13-11은 표준 나사와 비교했을 때, 가는 나사가 더 작은 피치를 가지고 있어 더 높은 축력이 가능하며 최대 하중에서 저절로 풀릴 확률이 낮습니다. 예를 들어, 더 가는 체결부에 사용이 가능하기 때문에 측정기의 조정 나사로도 사용 될 수 있습니다. 라벨에는 문자 M, 명목 직경과 피치(예, M12 x 1.5)로 이뤄집니다. 이 측면 각도도 60도입니다.

통일된 나사 표준 (UTS)은 미국과 캐나다에서 아직도 자주 사용되는 나사의 공차 및 허용 오차와 명칭을 포함한 나사 형태와 시리즈를 정의합니다. 볼트, 너트뿐만 아니라 여러 나라에서 사용되는 나사산을 가진 화스너에도 사용되는 대표 표준입니다.

UTS는 ISO 미터 나사와 동일한 60도 프로필을 가지고 있지만, 각 UTS 나사 치수(외경과 피치)는 밀리미터 값 보다는 인치 분율로 나타납니다. 허용 오차는 ISO 미터 나사와 비교했을 때 다른 허용 오차 집단에 포함됩니다. UTS는 현재 미국의 ASME/ANSI가 관리하고 있습니다.

UTS 나사 표준 명칭은 나사의 명목/주요 직경을 나타내는 숫자와 인치 당 나사 수로 이루어 집니다(예: 3/8 – 12). 1/4 인치보다 더 작은 직경의 나사인 경우, 표준에서 정의된 정수로 직경을 나타냅니다. 기타 다른 직경은 인치 값이 사용됩니다.

UNC Thread ANSI B1.1: UNC – 통일된 Coarse 나사. NC와 UNC 나사는 미터와 ISO 미터 나사와 유사한 방식으로 교환이 가능합니다. 측면 각도는 60도입니다.

 

Thread standard facts - Basic thread: P = Pitch, D = Major (nominal) diameter, 60° = Thread angle, PD = Pitch diameter, A = Axis of screw thread

 

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