1. Fastening and Joining의 정의

Fastening and Joining은 두 개 이상의 부품을 요구된 위치와 상태로 결합하여, 운전 중 발생하는 하중과 변위를 안정적으로 전달하고 조립체의 기능과 구조를 유지하도록 하는 설계 및 조립 영역이다.

Fastening은 주로 볼트, 너트, 나사, 핀, 클램프와 같은 체결요소를 이용하여 부품을 결합하는 것을 의미한다.

Joining은 용접, 접착, 리벳, 압입, 브레이징과 같이 부품 자체 또는 별도의 접합재를 이용하여 결합하는 보다 넓은 개념이다.

체결과 접합은 단순히 부품을 서로 붙이는 작업이 아니다.

다음 기능을 동시에 만족해야 한다.

• 부품의 위치 유지

• 하중 전달

• 상대운동 방지

• 기밀과 수밀 유지

• 진동과 충격에 대한 저항

• 반복 조립정밀도 확보

• 필요 시 분해와 교체 가능

• 부식과 온도변화에 대한 안정성

• 작업자에 의한 반복 가능한 조립

• 검사와 품질확인 가능

따라서 Fastening and Joining의 본질은 다음과 같다.

요구하중과 사용환경을 견디면서 부품의 위치와 기능을 안정적으로 유지할 수 있는 결합구조를 설계하고 구현하는 것이다.

2. 조립에서 체결과 접합의 역할

기계의 부품과 모듈은 체결부를 통해 하나의 하중전달 경로를 형성한다.

체결부가 적절하지 않으면 개별부품의 강도가 충분하더라도 조립체 전체의 성능은 확보되지 않는다.

체결 및 접합부는 다음 항목에 영향을 준다.

• 구조강성

• 위치정밀도

• 진동

• 소음

• 피로수명

• 누설

• 열전달

• 전기적 접속

• 유지보수성

• 제품수명

많은 기계 고장은 부품 자체의 파손보다 체결부의 풀림, 미끄러짐, 균열, 부식, 누설 및 접촉불량에서 시작된다.

3. 체결과 위치결정의 구분

체결과 위치결정은 동일한 기능이 아니다.

체결 기능

부품을 서로 압착하여 분리되지 않도록 유지한다.

대표적인 요소:

• 볼트

• 너트

• 나사

• 클램프

• 리벳

위치결정 기능

부품이 정확한 위치와 방향을 반복적으로 유지하도록 한다.

대표적인 요소:

• 위치결정 핀

• 인로

• 기준턱

• 키

• 스플라인

• 정밀 끼워맞춤

볼트홀의 간극만으로 위치를 결정하면 분해와 재조립 후 위치가 달라질 수 있다.

정밀한 재현성이 필요한 경우에는 위치결정 요소와 체결 요소를 분리하는 것이 바람직하다.

4. 체결 및 접합 방식의 분류

4.1 분해 가능한 결합

부품을 손상시키지 않고 분리할 수 있다.

• 볼트와 너트

• 탭 나사

• 스터드

• 클램프

• 핀

• 키

• 스플라인

• 스냅링

• 커넥터

4.2 제한적으로 분해 가능한 결합

분해는 가능하지만 접합요소의 교체 또는 손상이 발생할 수 있다.

• 압입

• 테이퍼 결합

• 나사고정제 적용부

• 일부 접착 결합

• 코터핀

• 스프링핀

4.3 영구 결합

일반적인 유지보수 과정에서 분해를 목적으로 하지 않는다.

• 용접

• 브레이징

• 솔더링

• 리벳

• 구조용 접착

• 코킹

• 영구 압착

결합방식은 강도뿐 아니라 분해성, 제조성, 검사성, 비용 및 서비스 요구를 함께 고려하여 선정해야 한다.

5. 결합방식 선정기준

결합방식을 선정할 때는 다음 조건을 검토해야 한다.

하중조건

• 인장하중

• 전단하중

• 굽힘하중

• 비틀림하중

• 반복하중

• 충격하중

• 진동

기능조건

• 위치정밀도

• 강성

• 기밀성

• 수밀성

• 전기전도성

• 열전도성

• 절연성

환경조건

• 온도

• 습기

• 부식

• 세척

• 화학물질

• 진공

• 분진

생산조건

• 조립시간

• 자동화 가능성

• 공구

• 작업공간

• 검사방법

• 작업자 숙련도

유지보수조건

• 분해빈도

• 교체시간

• 재조립 반복성

• 소모품

• 현장작업성

6. 볼트 체결의 기본원리

볼트 체결은 볼트를 늘리고 결합부품을 압축하여 체결력을 발생시키는 방식이다.

볼트를 조이면 볼트에는 인장력이 발생하고, 결합부품에는 압축력이 발생한다.

이때 형성된 초기 체결력을 Preload 또는 Clamp Load라고 한다.

적절한 볼트 체결은 외력이 직접 볼트에 전달되기 전에 접합면의 마찰과 압축력으로 하중을 전달하도록 한다.

좋은 볼트 체결은 다음 상태를 유지한다.

• 접합면이 분리되지 않는다.

• 부품 사이에서 미끄러짐이 발생하지 않는다.

• 볼트에 과도한 반복응력이 발생하지 않는다.

• 체결부의 위치가 유지된다.

• 진동에 의해 풀리지 않는다.

7. Preload의 역할

Preload는 볼트 체결부의 성능을 결정하는 핵심요소이다.

적절한 Preload는 다음 효과를 가진다.

• 접합면 분리 방지

• 전단 미끄러짐 방지

• 체결부 강성 향상

• 진동 감소

• 피로수명 향상

• 기밀성 확보

• 풀림 가능성 감소

Preload가 너무 낮으면 다음 문제가 발생한다.

• 접합면 분리

• 미끄러짐

• 볼트 피로파손

• 누설

• 풀림

• 위치변화

Preload가 너무 높으면 다음 문제가 발생한다.

• 볼트 항복

• 나사산 손상

• 부품 변형

• 탭 파손

• 가스켓 과압축

• 정밀도 저하

8. 체결토크와 축력

볼트 체결토크는 Preload를 간접적으로 발생시키는 방법이다.

일반적인 개념식은 다음과 같다.

T = K × F × d

여기서:

• T: 체결토크

• K: 토크계수

• F: 목표 축력

• d: 볼트의 호칭지름

그러나 실제 체결토크의 대부분은 나사산과 볼트머리 접촉면의 마찰에 소비된다.

따라서 동일한 토크를 적용해도 다음 조건에 따라 실제 축력이 크게 달라질 수 있다.

• 윤활상태

• 표면처리

• 볼트 재질

• 와셔

• 나사산 상태

• 도금

• 반복사용

• 체결속도

토크값만으로 축력을 완전히 정확하게 관리할 수는 없다.

9. 체결력 관리방법

토크 관리

토크렌치를 이용하여 지정된 토크로 체결한다.

장점:

• 적용이 쉽다.

• 현장작업에 적합하다.

• 비용이 비교적 낮다.

한계:

• 마찰에 따라 축력편차가 크다.

토크-회전각 관리

일정 토크까지 체결한 후 추가 회전각을 적용한다.

장점:

• 축력편차를 줄일 수 있다.

• 중요 체결부에 적합하다.

볼트 신장량 관리

볼트의 실제 늘어난 길이를 측정한다.

장점:

• 축력을 직접적으로 관리할 수 있다.

한계:

• 측정이 복잡하다.

• 볼트 양단 접근이 필요할 수 있다.

유압 텐셔닝

유압으로 볼트를 인장한 상태에서 너트를 체결한다.

적용:

• 대형 플랜지

• 대형 구조물

• 다수의 고하중 볼트

10. 볼트 크기와 강도등급 선정

볼트 선정 시 다음을 검토해야 한다.

• 인장하중

• 전단하중

• 반복하중

• 안전계수

• 체결길이

• 재질

• 환경

• 온도

• 부식

• 사용공구

고강도 볼트를 적용한다고 항상 좋은 것은 아니다.

고강도 볼트는 높은 축력을 제공하지만 다음 문제가 있을 수 있다.

• 취성

• 수소취성

• 부식환경 민감성

• 상대부품 나사산 손상

• 과체결 위험

체결부 전체의 강도는 볼트뿐 아니라 너트, 탭, 와셔 및 결합부품의 강도에 의해 결정된다.

11. 나사산 물림길이

탭홀에 볼트를 체결할 때는 충분한 나사산 물림길이가 필요하다.

필요한 물림길이는 상대재료의 강도에 따라 달라진다.

일반적으로:

• 강철 탭에는 비교적 짧은 물림길이

• 알루미늄, 주철, 플라스틱에는 더 긴 물림길이

가 필요하다.

물림길이가 부족하면 다음 문제가 발생한다.

• 암나사 전단파손

• 나사산 뽑힘

• 반복분해 후 손상

• 체결력 부족

연한 재료에서는 나사인서트를 적용할 수 있다.

12. 나사인서트

나사인서트는 연한 재료 또는 반복분해가 필요한 탭홀의 내구성을 향상시킨다.

대표적인 형식:

• 와이어형 인서트

• 솔리드형 인서트

• 셀프태핑 인서트

• 키로킹 인서트

• 열압입 인서트

적용목적:

• 나사산 강도 향상

• 반복분해 내구성

• 손상된 탭 복원

• 부식방지

• 플라스틱 및 알루미늄 부품 체결

인서트의 설치방향, 설치깊이, 풀림방지 및 교체방법을 정의해야 한다.

13. 볼트길이 선정

볼트길이는 다음 요소를 고려하여 결정한다.

• 체결부품 두께

• 와셔 두께

• 너트 높이

• 나사산 물림길이

• 조정용 Shim

• 돌출길이

• 공구 접근성

볼트가 너무 짧으면 충분한 물림길이를 확보할 수 없다.

볼트가 너무 길면 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 내부부품 간섭

• 탭 바닥 충돌

• 작업공간 방해

• 외관불량

• 안전위험

탭홀에서는 볼트끝이 홀 바닥에 닿기 전에 체결력이 형성되는지 확인해야 한다.

14. 볼트홀과 간극

볼트홀에는 일반적으로 조립을 위한 간극이 존재한다.

간극이 크면 조립은 쉬워지지만 위치반복성은 낮아진다.

간극이 작으면 위치정밀도는 높아질 수 있지만 다음 문제가 발생한다.

• 조립성 저하

• 공차누적에 의한 삽입불가

• 현장조정 어려움

• 홀 가공비 증가

정밀위치가 필요한 경우 볼트홀을 위치결정에 사용하는 대신 핀, 인로 또는 기준턱을 적용하는 것이 좋다.

15. 볼트 배열 설계

여러 볼트를 사용할 경우 배열은 하중전달과 변형에 영향을 준다.

검토사항:

• 볼트 간격

• 가장자리 거리

• 하중중심과 볼트군 중심

• 편심하중

• 접합면 강성

• 체결순서

• 공구 접근

볼트가 너무 가깝게 배치되면 부품강도가 낮아지고, 너무 멀면 접합면이 벌어질 수 있다.

편심하중이 있는 경우 특정 볼트에 하중이 집중될 수 있다.

16. 체결순서

여러 볼트를 체결할 때는 지정된 순서가 필요하다.

일반적인 방식:

• 중앙에서 외측으로

• 대각선 순서

• 대칭 순서

• 여러 단계로 토크 증가

• 최종토크 후 재확인

체결순서가 불량하면 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 플레이트 휨

• 가이드 변형

• 가스켓 불균일 압축

• 플랜지 누설

• 정렬변화

17. 단계별 체결

중요한 체결부는 한 번에 최종토크로 조이지 않고 여러 단계로 체결할 수 있다.

예:

1. 손조임

2. 목표토크의 30%

3. 목표토크의 60%

4. 목표토크의 100%

5. 최종 순회확인

단계별 체결은 접촉면을 균일하게 안정시키고 부품변형을 줄인다.

18. 와셔의 역할

와셔는 다음 목적으로 사용된다.

• 하중분산

• 표면보호

• 마찰조건 안정화

• 홀 간극 보완

• 풀림방지

• 전기적 절연

• 씰링

와셔가 항상 필요한 것은 아니다.

부적절한 와셔는 체결면 수를 증가시켜 나사이완 가능성을 높일 수 있다.

정밀체결에서는 와셔의 평면도, 경도, 표면처리 및 접촉면적을 검토해야 한다.

19. 풀림의 원인

볼트 풀림은 단순히 볼트가 회전하는 현상만을 의미하지 않는다.

체결력 감소에는 다음 원인이 있다.

• 진동

• 횡방향 반복하중

• 접촉면 침하

• 표면거칠기 안정화

• 가스켓 크리프

• 열팽창 차이

• 플라스틱 변형

• 체결토크 부족

• 부품변형

• 윤활조건 변화

체결 후 초기운전 과정에서 접촉면이 안정되면서 축력이 감소할 수 있다.

20. 풀림방지 방법

체결력 확보

가장 기본적인 풀림방지 방법은 적절한 Preload를 확보하는 것이다.

마찰식 방법

• 나일론 인서트 너트

• 변형나사산 너트

• 톱니형 와셔

• 웨지락 와셔

• 나사고정제

기계적 잠금방법

• 코터핀

• 슬롯너트

• 탭와셔

• 와이어 로킹

• 로킹플레이트

형상구속 방법

• 이중너트

• 세트스크류

• 키

• 스플라인

• 스토퍼

풀림방지 요소를 적용하더라도 기본 체결력이 부족하면 문제를 해결할 수 없다.

21. 나사고정제

나사고정제는 나사산 사이를 경화시켜 풀림과 누설을 방지한다.

선정 시 검토사항:

• 고정강도

• 볼트크기

• 사용온도

• 오일오염

• 분해 가능성

• 경화시간

• 재질

• 표면처리

저강도는 작은 나사와 빈번한 분해에 적합하고, 고강도는 영구에 가까운 체결에 사용된다.

나사고정제를 적용한 체결부는 분해 시 가열이 필요할 수 있다.

22. 스터드와 너트 체결

스터드는 반복분해가 필요한 하우징, 플랜지 및 연한 재료의 탭홀에 유리하다.

장점:

• 암나사 손상 감소

• 위치가이드 역할

• 반복분해성 향상

• 긴 볼트 삽입공간 불필요

검토사항:

• 스터드 고정방법

• 돌출길이

• 너트 체결토크

• 분해 시 스터드 풀림

• 부식

• 나사고정제

23. 세트스크류

세트스크류는 축과 허브의 상대위치를 임시로 고정하거나 작은 토크를 전달하는 데 사용된다.

적용:

• 풀리 위치고정

• 센서링 고정

• 노브 고정

• 조정기구 잠금

세트스크류만으로 큰 회전토크를 전달하는 것은 적절하지 않을 수 있다.

토크전달이 필요한 경우 다음을 함께 검토한다.

• 키

• 스플라인

• 클램핑 허브

• 테이퍼 부시

• 간섭끼워맞춤

24. 위치결정 핀

위치결정 핀은 반복조립 시 부품위치를 정확히 재현한다.

주요 형식:

• 평행핀

• 테이퍼핀

• 스프링핀

• 홈핀

• 다웰핀

위치결정 핀은 일반적으로 위치를 결정하고, 볼트는 체결력을 제공한다.

두 개의 핀을 사용할 때는 공차누적과 과구속을 방지해야 한다.

대표적인 방식:

• 한 개의 원형핀

• 한 개의 다이아몬드핀 또는 방향성 핀

이 구조는 한 방향의 열팽창과 공차를 흡수하면서 위치를 결정할 수 있다.

25. 키와 키홈

키는 축과 허브 사이에서 토크를 전달한다.

대표적인 형식:

• 평행키

• 반달키

• 접선키

• 미끄럼키

검토사항:

• 전달토크

• 축직경

• 키 전단응력

• 키와 허브의 면압

• 축 강도저하

• 조립방향

• 축방향 고정

키는 회전방향 토크를 전달하지만 축방향 위치를 자동으로 고정하지는 않는다.

26. 스플라인

스플라인은 여러 개의 치형을 이용하여 축과 허브 사이에서 큰 토크를 전달한다.

장점:

• 높은 토크용량

• 동심도 향상

• 축방향 이동 가능

• 하중분산

적용:

• 감속기

• 변속기

• 서보구동축

• 교체식 회전모듈

검토사항:

• 치형정밀도

• 백래시

• 윤활

• 축방향 고정

• 조립공차

• 마모

27. 테이퍼 결합

테이퍼 결합은 축과 허브를 높은 동심도로 결합할 수 있다.

적용:

• 테이퍼 부시

• 공작기계 공구

• 풀리와 축

• 허브 결합

장점:

• 높은 동심도

• 큰 마찰력

• 분해 가능

• 반복위치성

주의사항:

• 접촉면 청정도

• 체결량

• 축방향 이동

• 분해용 나사

• 과도한 압입

28. 클램핑 결합

클램핑 결합은 축이나 부품을 마찰력으로 고정한다.

대표적인 형식:

• 분할 허브

• 클램핑 링

• 잠금 어셈블리

• 콜릿

• 샤프트 칼라

장점:

• 키홈 불필요

• 축 손상 감소

• 위치조정 가능

• 분해 가능

• 균일한 하중분포

클램핑력이 부족하면 미끄러짐이 발생하고, 과도하면 축변형이 발생할 수 있다.

29. Retaining Ring과 축방향 고정

스냅링 또는 리테이닝 링은 부품의 축방향 이동을 제한한다.

적용:

• 베어링

• 기어

• 부시

• 롤러

• 핀

검토사항:

• 홈 형상

• 축방향 하중

• 조립공구

• 분해공간

• 링 방향

• 피로

• 과도한 홈으로 인한 축강도 저하

스냅링은 항상 정밀한 축방향 위치를 제공하는 것은 아니므로 필요 시 스페이서 또는 너트와 함께 사용한다.

30. 압입과 간섭끼워맞춤

압입은 부품 사이의 간섭을 이용하여 결합하는 방식이다.

적용:

• 베어링

• 부시

• 핀

• 기어

• 허브

• 슬리브

주요 설계항목:

• 간섭량

• 접촉길이

• 재료 탄성계수

• 허용면압

• 표면거칠기

• 압입력

• 온도

• 분해방법

간섭량이 작으면 미끄러짐이 발생하고, 너무 크면 부품이 변형되거나 균열될 수 있다.

31. 압입작업의 주의사항

• 모따기를 적용한다.

• 압입방향을 정의한다.

• 부품을 정확히 지지한다.

• 압입력을 올바른 링이나 면에 전달한다.

• 윤활조건을 정의한다.

• 압입속도를 관리한다.

• 최종위치를 확인한다.

• 압입력 곡선을 기록할 수 있다.

베어링 압입 시 조립하중이 전동체를 통과하면 베어링이 손상될 수 있다.

32. 열간 및 냉간 끼워맞춤

온도차를 이용하면 큰 간섭을 가진 부품을 작은 조립력으로 결합할 수 있다.

방법:

• 허브 가열

• 축 냉각

• 베어링 가열

• 부시 냉각

검토사항:

• 열팽창량

• 가열한계

• 재료조직 변화

• 씰과 윤활제

• 응축수

• 작업가능시간

• 최종위치 고정

33. 리벳 결합

리벳은 판재나 얇은 부품을 영구적으로 결합하는 방식이다.

대표적인 형식:

• 솔리드 리벳

• 블라인드 리벳

• 셀프피어싱 리벳

• 리벳너트

장점:

• 용접열영향이 없음

• 이종재료 결합 가능

• 얇은 판재에 적합

• 한쪽 접근만 가능한 형식 존재

한계:

• 분해 어려움

• 추가 부품 필요

• 구멍에 의한 단면감소

• 기밀을 위한 추가처리 필요

34. 용접접합

용접은 모재를 국부적으로 용융 또는 가압하여 영구적으로 결합하는 방식이다.

대표적인 방식:

• 아크용접

• MIG/MAG

• TIG

• 저항용접

• 레이저용접

• 스폿용접

장점:

• 높은 구조강성

• 부품수 감소

• 복잡한 일체구조 가능

• 대형 프레임에 적합

한계:

• 열변형

• 잔류응력

• 재질변화

• 분해불가

• 검사 필요

• 작업자 숙련도 영향

35. 용접설계 검토사항

• 용접부 형상

• 용접길이

• 용접크기

• 하중방향

• 피로

• 응력집중

• 용접접근성

• 변형

• 용접순서

• 후가공

• 비파괴검사

• 표면처리

하중경로가 갑자기 변화하는 위치와 용접끝단에서는 응력집중이 발생할 수 있다.

정밀 설치면은 용접 후 최종가공하는 것이 일반적으로 안정적이다.

36. 브레이징과 솔더링

브레이징과 솔더링은 모재를 녹이지 않고 용가재를 이용하여 결합한다.

브레이징

비교적 높은 온도의 용가재를 사용한다.

적용:

• 배관

• 열교환기

• 이종금속

• 복잡한 접합부

솔더링

보다 낮은 온도의 용가재를 사용한다.

적용:

• 전기접속

• 전자부품

• 소형 배관

검토사항:

• 모세관 간극

• 표면청정도

• 플럭스

• 열영향

• 부식

• 잔류물 세척

37. 접착접합

접착은 접착제를 이용하여 두 표면을 결합한다.

장점:

• 응력분산

• 이종재료 결합

• 얇은 부품 결합

• 기밀성

• 진동감쇠

• 외관 개선

한계:

• 표면처리 민감성

• 경화시간

• 온도와 습도 영향

• 분해 어려움

• 접합상태 검사 어려움

• 노화

접착강도는 접착제 자체보다 표면준비와 접합구조에 크게 영향을 받는다.

38. 접착제 선정

주요 접착제 형식:

• 에폭시

• 아크릴

• 혐기성 접착제

• 시아노아크릴레이트

• 폴리우레탄

• 실리콘

선정기준:

• 모재

• 접합간극

• 온도

• 하중형태

• 경화시간

• 내화학성

• 유연성

• 분해성

• 도포방식

접착제는 박리하중에 상대적으로 약할 수 있으므로 가능한 한 전단과 압축방향으로 하중을 받도록 설계하는 것이 좋다.

39. 접착면 설계와 표면처리

접착 전 표면은 다음과 같이 관리할 수 있다.

• 탈지

• 세척

• 연마

• 샌드블라스트

• 프라이머

• 플라즈마 처리

• 화학처리

접착면은 충분한 면적을 확보해야 하며, 접착층 두께를 일정하게 유지해야 한다.

접착제가 과도하게 얇거나 두꺼우면 성능이 저하될 수 있다.

40. 복합결합

서로 다른 결합방식을 함께 적용할 수 있다.

예:

• 볼트와 위치결정 핀

• 용접과 볼트

• 접착과 리벳

• 압입과 나사

• 키와 클램핑

• 가스켓과 볼트

복합결합은 기능을 분담할 수 있다.

예:

• 핀: 위치결정

• 볼트: 체결력

• 접착제: 기밀과 진동감쇠

• 리벳: 조립상태 유지

각 결합요소가 어떤 하중과 기능을 담당하는지 명확히 해야 한다.

41. 플랜지 체결과 씰링

플랜지 체결은 배관, 펌프, 밸브 및 압력장치에서 사용된다.

주요 요소:

• 플랜지 강성

• 볼트 배열

• 가스켓

• 표면조도

• 체결순서

• 체결토크

• 내압

• 온도

가스켓은 균일하게 압축되어야 한다.

볼트축력이 불균일하면 국부누설이 발생할 수 있다.

플랜지 체결은 일반적으로 대각선 순서와 단계별 토크로 수행한다.

42. 가스켓과 O-Ring 결합

가스켓

평면 사이에서 압축되어 유체누설을 방지한다.

검토사항:

• 압축률

• 재질

• 온도

• 유체적합성

• 표면조도

• 볼트하중

• 재사용 여부

O-Ring

홈 내부에서 압축되어 밀봉한다.

검토사항:

• 홈치수

• 압축량

• 신장률

• 백업링

• 윤활

• 조립손상

• 압력방향

씰링 요소는 체결력과 함께 설계해야 한다.

43. 재질 조합과 갈바닉 부식

서로 다른 금속이 전해질 환경에서 접촉하면 갈바닉 부식이 발생할 수 있다.

예:

• 알루미늄과 스테인리스강

• 탄소강과 구리

• 아연도금 볼트와 스테인리스부품

대응방법:

• 재질 조합 검토

• 절연와셔

• 절연코팅

• 씰링

• 방청제

• 배수구조

• 동일계열 재질 적용

체결부는 틈새에 수분이 고이기 쉬우므로 부식환경을 특별히 고려해야 한다.

44. 열팽창과 체결부

서로 다른 재료를 체결하면 온도변화에 따라 체결력이 변할 수 있다.

예:

• 알루미늄 하우징과 강철 볼트

• 플라스틱 커버와 금속프레임

• 고온배관과 지지브래킷

열팽창 차이가 크면 다음 문제가 발생한다.

• 체결력 감소

• 과도한 압축

• 부품변형

• 볼트피로

• 접합면 미끄러짐

필요한 경우 다음을 적용한다.

• 스프링요소

• 벨빌와셔

• 장공

• 부동지지

• 고온용 재료

• 열팽창 여유

45. 진동과 피로

반복하중을 받는 체결부에서는 정적강도만으로 충분하지 않다.

피로에 영향을 주는 요소:

• Preload

• 볼트길이

• 체결부 강성

• 응력집중

• 나사산 위치

• 외력변동

• 표면상태

• 부식

볼트에 가해지는 반복응력을 줄이려면 접합부에 충분한 Preload와 강성을 확보해야 한다.

나사산 시작부와 머리 아래 부분은 응력집중이 발생하기 쉽다.

46. 접합부 강성과 외력분담

외력이 체결부에 작용하면 볼트와 결합부품이 하중을 나누어 부담한다.

일반적으로 결합부품의 압축강성이 높고 볼트가 적절히 탄성적으로 늘어나면 볼트에 추가되는 반복하중을 줄일 수 있다.

이를 위해 다음을 고려할 수 있다.

• 충분한 그립길이

• 적절한 볼트길이

• 접합면 강성

• 볼트배치

• 편심 최소화

• 하중중심과 체결중심 일치

짧고 지나치게 강성이 큰 볼트는 외력변동에 민감할 수 있다.

47. 체결부의 미끄러짐과 전단하중

전단하중은 다음 방식으로 전달할 수 있다.

접합면 마찰

볼트의 Preload로 발생한 마찰력으로 전달한다.

장점:

• 볼트몸통에 직접 전단이 작용하지 않는다.

• 위치변화가 적다.

볼트 몸통의 전단

접합면이 미끄러진 후 볼트가 홀에 접촉하여 하중을 전달한다.

핀 또는 키의 전단

위치결정 요소가 전단하중을 전달한다.

정밀한 체결부에서는 가능하면 접합면 마찰로 하중을 전달하고 핀은 위치결정에 사용하는 것이 좋다.

48. 체결부 변형과 정밀도

체결은 부품을 변형시킬 수 있다.

영향을 받기 쉬운 부품:

• 얇은 플레이트

• 리니어 가이드

• 베어링 하우징

• 센서 브래킷

• 알루미늄 부품

• 플라스틱 커버

• 정밀 테이블

대응방법:

• 접촉면적 확대

• 보강리브

• 와셔

• 체결순서 관리

• 체결토크 제한

• 단계별 체결

• 체결 후 재측정

49. 조립성과 체결설계

좋은 체결설계는 작업자가 쉽게 조립할 수 있어야 한다.

설계원칙

• 체결방향을 통일한다.

• 볼트종류를 줄인다.

• 공구종류를 줄인다.

• 공구 접근공간을 확보한다.

• 떨어지기 쉬운 작은 부품을 줄인다.

• 한쪽에서 체결할 수 있도록 한다.

• 체결완료를 확인할 수 있게 한다.

• 잘못된 볼트 사용을 방지한다.

50. 체결자동화

반복생산에서는 체결작업을 자동화할 수 있다.

필요조건:

• 볼트 자동공급

• 부품위치 반복성

• 체결방향 통일

• 토크 및 각도 모니터링

• 체결완료 판정

• 불량처리

• 데이터 저장

자동체결에서는 다음 이상을 검출할 수 있다.

• 볼트누락

• 크로스스레드

• 탭손상

• 과체결

• 미체결

• 잘못된 볼트길이

51. 체결공구 관리

체결공구는 품질에 직접 영향을 준다.

주요 관리대상:

• 토크렌치

• 전동너트러너

• 임팩트렌치

• 유압텐셔너

• 압입프레스

• 리벳건

관리항목:

• 교정

• 반복정밀도

• 사용범위

• 배터리상태

• 마모

• 설정값

• 작업자 권한

임팩트렌치는 빠른 체결에는 유리하지만 정밀한 최종토크 관리에는 제한이 있을 수 있다.

52. 체결검사

체결검사는 볼트가 존재하는지만 확인하는 것이 아니다.

외관검사

• 볼트누락

• 잘못된 볼트

• 와셔누락

• 방향오류

• 돌출길이

• 체결완료 마킹

토크검사

• 체결토크

• 잔류토크

• 브레이크어웨이 토크

축력검사

• 볼트신장량

• 초음파 측정

• 텐션인디케이터

기능검사

• 접합면 미끄러짐

• 누설

• 변형

• 진동

• 위치변화

53. 접합부 검사

용접검사

• 외관검사

• 침투탐상

• 자분탐상

• 초음파검사

• 방사선검사

• 치수검사

접착검사

• 도포상태

• 경화조건

• 접합간극

• 시험편

• 비파괴검사

• 박리 또는 전단시험

압입검사

• 압입력

• 압입변위

• 최종위치

• 회전토크

• 인발력

54. 체결 및 접합 불량의 유형

체결력 부족

• 토크 부족

• 마찰조건 오류

• 볼트길이 오류

• 나사산 손상

과체결

• 볼트 항복

• 탭 파손

• 부품변형

• 가스켓 과압축

풀림

• 진동

• 횡방향 미끄러짐

• 초기침하

• 잘못된 풀림방지

위치불량

• 위치결정 핀 누락

• 볼트홀 간극

• 잘못된 조립기준

접합불량

• 용접불량

• 접착면 오염

• 불충분한 압입

• 리벳 변형불량

55. 체결부 파손의 주요 원인

• 볼트강도 부족

• 과도한 Preload

• 체결력 부족

• 피로하중

• 편심하중

• 부식

• 고온

• 나사산 손상

• 반복사용

• 잘못된 재질

• 표면결함

파손된 볼트를 더 큰 볼트로 교체하는 것만으로는 근본원인을 해결할 수 없다.

하중경로, 체결력, 강성 및 사용환경을 함께 분석해야 한다.

56. 유지보수와 체결설계

유지보수가 필요한 체결부는 다음을 고려해야 한다.

• 공구 접근

• 분해방향

• 볼트분실 방지

• 반복사용 가능 여부

• 교체주기

• 재체결토크

• 나사산 보호

• 부식

• 체결마킹

소모품 교체를 위해 빈번하게 분해하는 위치에는 캡티브 스크류, 스터드, 인서트 또는 퀵클램프를 적용할 수 있다.

57. 재사용과 교체기준

모든 볼트와 결합요소를 반복사용할 수 있는 것은 아니다.

교체가 필요할 수 있는 요소:

• 항복점 체결볼트

• 변형식 너트

• 코터핀

• 탭와셔

• 손상된 스프링와셔

• 가스켓

• O-Ring

• 나사고정제가 적용된 일부 부품

• 일회용 클립

재사용 가능여부와 교체기준을 작업표준서에 정의해야 한다.

58. 체결표시와 시각관리

중요 체결부에는 체결완료 표시를 적용할 수 있다.

방법:

• 토크마킹

• 색상마킹

• 봉인페인트

• 라벨

• 바코드 기록

• 전자체결 데이터

토크마킹은 체결작업 완료여부를 확인하는 데 유용하지만 실제 체결토크 자체를 보증하지는 않는다.

59. 추적성

중요 체결 및 접합작업은 다음 정보를 기록할 수 있다.

• 기계 시리얼번호

• 체결위치

• 볼트규격

• 볼트 로트

• 목표토크

• 실제토크

• 회전각

• 작업자

• 체결공구

• 공구 교정번호

• 작업일시

• 검사결과

용접, 접착 및 압입작업에도 동일하게 공정조건과 검사결과를 기록할 수 있다.

60. 체결도면과 사양서

체결도면에는 다음 정보가 포함되어야 한다.

• 볼트규격

• 강도등급

• 재질

• 표면처리

• 길이

• 너트와 와셔

• 체결토크

• 윤활조건

• 나사고정제

• 체결순서

• 풀림방지

• 재사용 여부

접합도면에는 다음 정보가 포함되어야 한다.

• 용접기호

• 용접길이

• 접착제 종류

• 접착간극

• 리벳규격

• 압입공차

• 표면처리

• 검사방법

61. 주요 설계 산출물

62. Fastening 검토 질문

• 체결부가 전달해야 할 하중이 정의되어 있는가

• 체결력과 위치결정 기능이 구분되어 있는가

• 목표 Preload가 적절한가

• 체결토크와 마찰조건이 정의되어 있는가

• 볼트강도와 상대부품강도가 적절한가

• 나사산 물림길이가 충분한가

• 볼트홀 간극이 위치정밀도에 영향을 주지 않는가

• 체결순서가 정의되어 있는가

• 최종체결 후 변형을 확인하는가

• 진동과 반복하중을 고려했는가

• 풀림방지 방법이 적절한가

• 분해와 재조립이 가능한가

• 체결공구를 사용할 공간이 있는가

• 검사와 추적이 가능한가

63. Joining 검토 질문

• 접합방식이 재질과 하중에 적합한가

• 용접열변형을 고려했는가

• 접착면 전처리가 정의되어 있는가

• 압입 간섭량이 적절한가

• 리벳 또는 접합재의 규격이 적절한가

• 접합부에 응력집중이 발생하지 않는가

• 온도와 부식환경을 고려했는가

• 이종재료 결합문제를 검토했는가

• 접합 후 검사방법이 정의되어 있는가

• 수리와 교체가 가능한가

• 공정조건과 작업이력이 기록되는가

64. 결론

Fastening and Joining은 부품을 단순히 연결하는 작업이 아니라, 기계 전체의 하중전달, 위치정밀도, 강성, 진동, 밀봉 및 유지보수성을 결정하는 핵심 조립설계 영역이다.

그 핵심은 다음 관계를 일관되게 관리하는 것이다.

• 체결력과 외력

• 위치결정과 고정

• 볼트토크와 실제 축력

• 나사산 강도와 물림길이

• 접합면 마찰과 전단하중

• 풀림방지와 진동

• 체결순서와 부품변형

• 끼워맞춤과 분해성

• 용접강도와 열변형

• 접착강도와 표면처리

• 씰링과 체결압력

• 공장조립과 현장유지보수

• 검사결과와 추적정보

적절한 체결설계는 볼트의 크기를 크게 하거나 체결토크를 높이는 것으로 완성되지 않는다.

볼트, 너트, 와셔, 나사산, 접합면, 위치결정 요소 및 결합부품을 하나의 체결시스템으로 검토해야 한다.

또한 결합방식은 구조강도뿐 아니라 조립성, 정밀도, 분해성, 부식, 온도, 검사 및 서비스 요구를 함께 만족해야 한다.

이를 통해 체결과 접합은 작업자의 경험에 의존하는 단순 조립작업이 아니라, 기계의 기능과 수명을 반복적으로 보장할 수 있는 설계된 하중전달 시스템이 된다.