Vacuum Technology Book, Volume II

3.3.2.7 나사

금속 실 연결의 디자인에서 나사의 중요성은 과소평가되어 서는 안 됩니다. 나사 역시 파손 전 응용 제한이 있습니다. 부 적절하게 설치된 나사는 특히 순환 열 응력과 함께 누출 위험 의 잠재적 원천입니다.

나사를 장착할 때는 두 가지 중요한 기계적 요인인 인장 강 도 Rm (기준 인장 강도를 초과하면 나사가 파손됨을 설명)과 항복점 Rp 0.2 (나사의 연장이 커짐에도 불구하고 인장력 이상 의 응력이 처음과 동일하게 남아 있거나 더 작아짐을 나타냄) 를 고려해야 합니다. 이것은 탄성 범위와 소성 범위 사이의 전이를 표현합니다. 나사는 0.2 %의 항복점 Rp 0.2 보다 높은 응력의 영향을 받아서는 안 됩니다. 나사의 죔 토크에 대한 레퍼런스 수치는 따라서 0.2 %의 항복점의 90% 이용을 고려 한 값입니다.

실온에서 강철 나사의 인장 강도와 항복점은 나사의 강도 클 래스(예: 두 자리 수 결합)의 사양에서 찾아 볼 수 있습니다. 첫 번째 수 1/100 [N/mm2]은 인장 강도를 표시합니다. 두 수 의 곱은 항복점의 1/10 [N/mm2]입니다. 예: 강도 클래스 8.8, Rm = 8 · 100 N/mm2 = 800 N/mm2, Rp 0.2 = 8 · 8 · 10 N/mm2 = 640 N/mm2.

스테인레스강 나사의 지정 시 재료의 품질 및 인장 강도가 표 시됩니다. 실제 예를 들면, 오스테나이트는 A, 합금 유형은 1~5, 등급 강도는 변형 경화 시 -70 또는 높은 강도 시 -80입 니다. 강도 클래스는 인장 강도의 1/10 N/m 2 와 같습니다. 예: 사양 A2-70, A2는 오스테나이트와 같고, 합금 유형 2, 70은 Rm = 70 · 10 N/mm2 = 700 N/mm2 와 같습니다.

사용된 너트는 최소한 나사와 동일한 강도를 가져야 합니다. 강철 너트일 경우 테스트 장력의 1/100 [N/mm2]와 같은 수치 가 표시됩니다. 예: 수 8은 Rm = 800 N/mm2 과 같습니다. 스 테인레스강 나사일 경우 동일하거나 더 높은 재료 품질 및 속 성 등급을 가진 너트를 사용해야 합니다. 주의: 0.8배의 나사 직경(평면 디자인)보다 더 낮은 높이를 가진 너트는 제한된 내력 용량을 갖습니다.

나사의 유형 0.2 % 항복점
Rp 0.2 [N/mm2]
인장 강도
Rm [N/mm2]
재료
스테인레스강, A2-70 450 700 스테인레스강, 1.4301, 1.4303, 1.4307
스테인레스강, A4-80 600 800 스테인레스강, 1.4401
강철, 강도 클 래스 8.8 640 800 탄소강, 조질형

표 3.6: 실온에서 나사의 기계적 특징 및 재료

죔 토크와 예압 응력을 결정하려면 나사 연결의 마찰 계수 µtotal 을 알아야 합니다. 다양한 표면 및 윤활 조건 때문에 신뢰 할 수 있는 값을 제공하는 것은 불가능합니다. 산란이 너무 큽니다. 이런 이유 때문에 마찰 계수의 산란 계수가 제공될 수 있습니다. 올바른 토크를 결정하려면 작동 조건 하에서의 테스트가 권장됩니다.

마찰 계수는 윤활제의 사용으로 감소할 수 있지만 커다란 산 란 범위는 동일하게 유지됩니다. 더 작은 마찰 계수가 더 낮 은 최대 토크로 이어짐을 주목해야 합니다. 따라서 윤활제의 사용 마찰 계수 µtotal 하락 더 작은 토크가 필요하거나 적용됨.

스테인레스강 나사인 경우 나사 안과 지지 표면 위의 마찰 값 은 달군 강철 나사와 함께 할 경우보다 실제로 더 큽니다. 마 찰 값의 산란 범위도 훨씬 더 큽니다(최대 100% 이상). 가장 자리 압력이 높기 때문에 이 범위 역시 고정되는 경향이 있습 니다. 윤활제가 일반적으로 이런 경우에 도움을 줄 수 있습니 다. 그렇지 않으면 은 도금 나사나 너트를 사용할 수 있습니 다.

나사 너트 윤활제 사용 시 µtotal MoS2페이 그리스 사용 스트 사용 시µtotal 그리스 사용 시µtotal
A2 또는 A4 A2 또는 A4 0.23 – 0.50 0.10 – 0.20
강철, 전기 아연 도금 강철, 전기 아연 도금 0.12 – 0.20 0.10 – 0.18

표 3.7: 스테인레스강 및 아연 도금 강철 나사의 마찰 계수

높은 온도에서의 나사의 속성

높은 온도에서 나사 사용 시 인장 강도와 항복점이 감소한다 는 점에 주의해야 합니다. 또한 기계적 강도를 평가하기 위한 기초로 크리프 변형 또는 열 저항을 고려해야 합니다. 따라서 항복점에 대한 정보는 지침으로만 제공됩니다. 중요하거나 안전 관련 어플리케이션과 기타 기계적 매개변수와 모든 영 향 요인을 고려해야 하기 때문입니다.

나사의 유형 0.2% 의 항복점 Rp 0.2 [N/mm2]
20 °C 100 °C 200 °C 300 °C 400 °C
스테인레스강, A2-70 450 380 360 335 315
스테인레스강, A4-80 600 510 480 450 420
강철, 강도 클래 스 8.8 640 590 540 480 -

표 3.8: 직경이 ≤ M24인 스테테인레스강 및 강철 나사에 대한 0.2% 항복점의 온도 의존성

스루홀 나사 연결이 너트의 회전에 의해 조여질 경우 나사 볼 트와 판 사이의 동일한 압축력에서 인장력이 생성됩니다. 그 결과 나사가 연장되고 구성품이 압축됩니다. 나사의 연장을 통하여 예압 응력이 생성됩니다. 클램핑 힘은 부품의 압축에 의해 생기고, 연결 시 추가적인 힘이 없으면 예압 힘과 크기 가 같습니다.

나사를 조일 때 접촉 표면 사이에서 마찰이 일어납니다. 예압 힘이 커지면서 나사와 너트 점촉 영역의 마찰 시간이 증가합 니다. 최대 예압 힘은 전체 죔 토크의 대부분에서 마찰 시간 의 합계를 나타냅니다. 나사에 윤활제를 바르면(마찰 계수가 작아짐) 마찰률이 낮아지고, 따라서 나사는 동일한 죔 토크로 더 높은 예압 응력을 만들어냅니다. 윤활제를 바른 나사의 최 대 허용 가능 죔 토크는 윤활제를 바르지 않은 나사의 최대 허용 가능 죔 토크보다 더 낮다는 점에 주의하십시오.

예압 힘과 토크가 나사에서 인장 응력과 비틀림 응력을 유발 합니다. 나사 부하의 계산 시 두 가지 영향을 동시에 고려해 야 합니다. 계산이 힘들면 VDI 가이드라인 2230에 나와 있으 므로 표를 참조하십시오. 0.2 % 항복점의 90% 이용이 가능 하다고 생각하면 최대 허용 가능 죔 토크와 서로 다른 마찰 계수 관련 예압 응력을 거기에서 찾을 수 있습니다. 하지만 그 정보는 안내를 위한 구속력이 없는 값을 나타낼 뿐입니다. 중요하거나 안전 관련 어플리케이션과 나사 계산에 필요할 지도 모르는 모든 영향 요인을 고려해야 하기 때문입니다. 스 테인레스강과 강철 나사에 대한 표에서 발췌한 부분이 아래 에 나와 있습니다.

치수와 품질 µtotal당 최대 죔 토크[Nm] = µtotal당 최대 예얍 힘 [kN] =
0.10 0.14 0.20 0.30 0.40 0.10 0.14 0.20 0.30 0.40
M4, A2-70
M4, A4-80
1.7
2.3
2.2
2.9
2.6
3.5
3.0
4.1
3.3
4.4
2.97
3.96
2.73
3.64
2.40
3.20
1.94
2.59
1.60
2.13
M5, A2-70
M5, A4-80
3.4
4.6
4.2
5.6
5.1
6.9
6.1
8.0
6.6
8.8
4.85
6.47
4.47
5.96
3.93
5.24
3.19
4.25
2.62
3.50
M6, A2-70
M6, A4-80
5.9
8.0
7.4
9.9
8.8
11.8
10.4
13.9
11.3
15.0
6.85
9.13
6.31
8.41
5.54
7.39
4.49
5.98
3.70
4.93
M8, A2-70
M8, A4-80
14.5
19.3
17.8
23.8
21.5
28.7
25.5
33.9
27.6
36.8
12.6
16.7
11.6
15.4
10.2
13.6
8.25
11.0
6.80
9.10
M10, A2-70
M10, A4-80
30.0
39.4
36.0
47.8
44.0
58.0
51.0
69.0
56.0
75.0
20.0
26.5
18.4
24.8
16.2
21.7
13.1
17.5
10.80
14.4
M12, A2-70
M12, A4-80
50
67
62
82
74
100
88
117
96
128
29.1
38.8
26.9
35.9
23.7
31.5
19.2
25.6
15.8
21.1
M16, A2-70
M16, A4-80
121
161
150
198
183
245
218
291
237
316
55.0
73.3
50.9
67.9
44.9
59.8
36.4
48.6
30.0
40.0

모든 자료는 실온에서의 근사치입니다. VDI 2230을 참조하십시오.

0.2 % 항복점 R p 0.2 의 90% 이용 시, 육각 나사(ISO 4014 및 4017), 육각 소켓 나사(ISO 4762), 표준 나사가 있는 너트(ISO 4032)의 경우..

표 3.9: 스테인레스강 나사에 대한 최대 죔 토크 및 그에 따른 최대 압 힘

치수 및 강도 클래스 최대 죔 토크 [Nm] µtotal당 최대 예압 힘 [kN] =
0.10 0.12 0.14 0.10 0.12 0.14
M4, 8.8 2.6 3.0 3.3 4.5 4.4 4.3
M5, 8.8 5.2 5.9 6.5 7.4 7.2 7.0
M6, 8.8 9.0 10.1 11.3 10.4 10.2 9.9
M8, 8.8 21.6 24.6 27.3 19.1 18.8 18.1
M10, 8.8 43 48 54 30.3 29.6 28.8
M12, 8.8 73 84 93 44.1 43.0 41.9
M16, 8.8 180 206 230 82.9 80.9 78.8

모든 자료는 실온에서의 근사치입니다. VDI 2230을 참조하십시오. 0.2% 항복점 R p 0.2 의 90% 이용 시, 육각 나사(ISO 4014 및 4017), 육각 소켓 나사(ISO 4762), 표준 나사가 있는 너트(ISO 4032)의 경우.

표 3.10: 강도 클래스 8.8인 강철 나사의 최대 죔 토크 및 그에 따른 최대 예압 힘

나사를 막힌 구멍에 고정할 경우 에워싸인 중공 공간이 나사 구멍 끝에서 생성됩니다. 이런 불감 부피는 진공 상태에서 아 주 느리게 사라지고 누출과 동일한 방식으로 연장된 탈기체 를 이끕니다. 따라서 이것은 허누출이라 불리기도 합니다. 고 진공 및 부분적으로 UHV 조건 하에서 이런 유형의 불감 부 피는 구조적으로 회피되어야 하며, 그렇지 못할 경우엔 환기 되어야 합니다.

대안은 편안한 환기 수단을 제공하는 진공 나사입니다. 이런 나사의 속은 드릴로 파인 구멍(탈기체 구멍)입니다. 나사 머 리 부분도 방사상 밀링 홈(탈기체 감소)을 갖고 있고, 이곳을 통하여 나사 연결의 피드스루 구멍 영역이 환기됩니다. 나사 의 기계적 매개변수는 환기 구멍이 기계적 약화를 이끌기 대 문에 진공 나사에 적용할 수 없습니다.

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