BOLTED

볼트접합부 안전을 최적화하기 위한 토론의 장

볼트 체결 전문가의 최고의 조언

BOLTED 지는 일본 최고의 볼트 전문가인 Tomotsugu Sakai 박사를 만나 귀중한 인터뷰 기회를 가졌습니다. 그의 저서 Bolted Joint Engineering - Fundamentals and Applications (볼트 체결 공학의 기본과 응용)는 볼트 체결에 대한 완벽한 분석으로 엄청난 지지와 인정을 받고 있습니다.

2017년 Bolted #1에 최초 기재된 기사

본인 저서에서도 다룬 이상적인 체결을 어떻게 정의하십니까?
“이상적으로, 체결은 특수 설계된 부품보다는 광범위하게 이용 가능한 표준화된 화스너의 사용을 기반으로 해야 합니다. 더욱 중요한 것은, 이상적인 체결은 어떤 문제도 발생하지 않는 완벽한 볼트 체결 설계를 보장해야 한다는 점이죠. 문제가 하나라도 발생하면 제품 설계 전체가 쓸모없게 됩니다. 모든 측면에 주의를 기울여야 하죠. 저는 ‘어떤 생략도 없는 평가’를 가장 중요하게 여깁니다.”

윤활제 사용이 볼트 체결에 유리합니까?
“네. 만약 체결하는 물체들이 서로 미끄러지지 않는다면 마찰 계수를 낮추는 것이 모든 측면에서 바람직합니다. 만약 체결물이 ‘풀림 환경’(loosening environment)에서, 낮은 마찰계수를 가진다면 반드시 풀림으로 이어지는 것은 아니지만 풀릴 가능성은 매우 커집니다.
특정 임계치를 초과하는 힘으로 서로 반복해서 미끄러진다면 체결부는 ‘풀림 환경’에 있는 것입니다.”

어떻게 외부 힘이 미끄러짐을 일으키는지 전단 방향, 축 방향 그리고 비틀림을 바탕으로 설명해 주실 수 있나요?
“외부 힘이 전단 방향으로 작용했다면 이 힘은 미끄러짐을 일으킵니다. 만약 축 방향으로 작용했다면 체결된 물체들은 서로 분리될 것입니다. 이런 상황에서는 마찰 계수가 낮을수록 더 많은 풀림이 일어날 것입니다.

볼트 체결 공학의 기본과 응용을 쓸 때, 저는 접촉면에서 체결물의 미끄러짐 현상을 관례적인 관점인 ‘거시 미끄러짐 (macro-slip)’을 사용하여 설명하였습니다. 이런 유형의 미끄러짐은 0.1mm 정도로 눈으로 확인할 수 있습니다. 1988년에 너무 경미하여 눈으로 확인할 수 없는 ‘미시 미끄러짐 (micro-slip)’이 실제로 거시 미끄러짐 이전에 발생하여 회전 풀림을 일으킨다는 것을 발견하였습니다. 축력을 서서히 감소시키는 이 ‘미시 미끄러짐’ 현상은 Journal of the Japan Society for Precision Engineering(일본 정밀 공학 학회지)에 자세히 소개되었습니다.”

“이전 실험 방식으로는 체결물이 서로 접촉한 상태에서 접촉면의 특정 면과 다른 면의 미끄러짐 정도를 측정할 수 없었습니다. 그러나 유한 요소 법인 FEM을 사용한 후 이 모든 값을 계산할 수 있게 되었습니다. 약 2000년경부터 이 측정법은 화스너 산업에서 사용됐고 오늘날 나사산을 가진 화스너에 대한 대부분의 연구에서 사용되고 있습니다. Satoshi Izumi 박사 외 저자들이 쓴 2006년도 논문에서 분명하고 가시적인 거시 미끄러짐보다는 비가시적이고 극미한 미시 미끄러짐으로 인해 점진적인 회전 풀림이 발생한다는 것을 발표했습니다. 미시 미끄러짐이 반복 발생할 때 그것은 1,000번에 1도, 또는 한 번에 1/1000도만큼 극미한 회전 풀림이 발생한다는 사실을 이 논문을 통해 처음 읽었을 때 저는 큰 충격을 받았습니다.

1/1000도의 회전은 결코 눈으로 관찰할 수가 없습니다. 오직 유한 요소법을 사용하여 계산한 연구 결과를 통해서만 미시 미끄러짐이 회전 풀림을 일으킨다는 것을 알 수 있었습니다. 저는 혼란스러웠습니다! [웃음] 그 결과 미끄러짐 정도의 측정 개념이 엄청나게 바뀌었습니다. 저는 미시 미끄러짐이 자연적으로 프레팅 마모에 이른다고 생각해 본적은 있지만, 그것이 회전 풀림을 일으킬 수 있다고 고려해 본적도, 이것을 시험할 방법도 전혀 없었습니다. 이 모든 것은 경이로운 경험이었습니다.” 라고 인터뷰를 진행한 Nord-Lock Japan의 Marketing Coordinator인 Keisuke Okada씨가 말합니다.

팩트 미시 미끄러짐
육안으로 관찰할 수 없는 미끄러짐. 체결력이 서서히 감소하여 결국 가시적인 회전 풀림인 거시 미끄러짐에 이를 수 있습니다. 체결부 재질의 침하와 이완 또한 체결력을 감소시킬 수 있습니다. Nord-Lock Group은 두 가지 형태의 미끄러짐 모두를 해결할 수 있는 X-series 와셔를 개발해왔습니다.
이 와셔의 스프링 효과로 모든 종류의 체결력 손실에 대응할 수 있으며, 쐐기형 잠금 효과는 자연 발생하는 볼트 풀림을 방지합니다.

인물: TOMOTSUGU SAKAI 박사

  • 1941 – 일본, 오카자키 시 출생.
  • 1979 – Toyota Motor Corporation에서 근무. 이후 주로 강도 및 내구성 시험 및 다양한 자동차 부품의 연구 및 개발에 참여, 공학 박사 학위 취득.
  • 2001 – Toyota Techno Service Corp로 이전하여 나사산이 있는 화스너에 대한 교육 및 기술 자문 활동.
  • 2007 – 퇴직 후 Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineerin(사자키 볼트체결공학 자문소)를 설립하여 오늘날까지 볼트 체결에 대한 교육 및 기술 자문을 제공.

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