기계 산업의 고도화에 따라 기계 구조물에 적용되는 각종 체결요 소(화스너)에는 보다 심한 진동이 발생하는 경우가 많아지고 이로 인해 체결요소에 요구되는 체결력은 높아지게 된다. 이러한 이유로 고강도 볼트에 대한 수요는 점점 높아지고 있는 추세이다. 현재 기계산업에서는 고강도라고 하면 10.9등급(인장강도 1000MPa, 항복강도 900MPa) 이상으로 12.9등급까지가 일반적으로 적용되고 있다. 이렇게 볼트의 강도를 높이는 것에는 기술력, 경제성 등의 복합적인 이유로 한계가 있기 때문에 기계 체결요소에는 다양한 진동 풀림방지 솔루션이 개발되어 적용되고 있다.

진동 풀림방지 솔루션에 대해 고찰하기 전에 우선 진동 하에서 볼트가 풀리는 과정에 대해 알아보자. 진동이 심해지면 볼트와 모재 접촉면에 미세한 떨림이 발생하고 풀림 억제력인 정지마찰력이 운동마찰력으로 전환되면 체결부위는 바로 풀리게 된다. 체결시 발생하는 마찰열로 인한 마찰계수의 저하도 풀림에 기여한다. 그래서 볼트의 마찰계수는 낮게 관리되는 것이 좋다.

<그림1> 진동 풀림과정에서의 체결력 변화

이러한 진동 풀림 과정에서의 체결력 변화를 살펴보면 <그림1> 과 같은데 고강도 볼트일수록 초기 체결력이 높아 진동 발생 구간 에서의 미세한 떨림으로 완전히 풀리기까지 시간이 많이 걸림을 확인할 수 있다. 그래서, 일차적인 풀림 방지로는 설계 시 고강도 볼트를 적용하는 것이다. 그러나 위에서 언급하였듯이 볼트강도를 무조건 높게 설계할 수는 없기 때문에 다양한 풀림방지 솔루션중 적절한 방법을 선택하여 적용하여 기계 체결부의 신뢰성을 높일 필요가 있는 것이다.

<표1> 풀림방지용 와셔 및 너트

진동 풀림방지 솔루션은 크게 두가지로 분류되는데 풀림방지 기능이 있는 와셔나 너트를 적용하는 것과 볼트 자체에 풀림방지 기능을 부여하는 것이 그것이다. <표1>은 풀림방지용 와셔 및 너트를 정리한 것이다. 여기서 조금 놀라운 사실은 일반적인 풀림방 지용으로 가장 많이 사용되는 평와셔 및 스프링와셔의 경우 풀림 장지 기능을 거의 하지 못한다는 것이다. (아래 그림2 진동풀림 테스트 결과 참조)

<그림2> 진동 풀림방지 각 솔루션에 대한 진동 테스트 결과

일반와셔 타입의 경우는 모재와의 접촉면적을 넓혀 풀림방지 기능을 부여한 것이나 효과가 낮아 심한 진동에서는 기능을 유지 하지 못한다. 너트와 락와셔를 일체형으로 만든 제품의 경우 풀림 방지 기능은 높으나 고가이며 대중성이 떨어져 수급이 문제 등이 있다. 쐐기형 락와셔의 경우는 풀림방지 기능이 탁월하며 품질이 입증된 브랜드 제품이 있어 수급이 용이하고 기존 설계에 그대로 적용가능하며 작업성도 우수하고 반복사용도 가능하여 극심한 진동 하의 기계체결류 적용에 많이 사용되고 있다. 재질적으로도 일반 탄소강, 스테인리스강 및 내화학성(내산성)을 갖춘 하스텔로이 재질로도 공급되고 있어 반도체 산업에 널리 적용되고 있다.

<표2> 풀림방지용 볼트

<표2>는 풀림방지용 볼트를 정리한 것이다. 크게 케미칼 타입과 메탈 타입으로 나눌 수 있는데 케미칼 타입은 볼트의 나사산에 나일론 패치와 같은 불활성 접착제를 도포한 것과 에폭시나 아크릴과 같은 반응성 접착제를 도포한 것이 있다. 메탈 타입에는 플랜지 볼트나 샘스볼트와 같은 일반 볼트 타입과 탭타이트, 파워락 같은 생산성 향상 및 풀림방지를 위한 특수 나사산 타입이 있다.
각 종류별 형상, 원리, 장단점 등은 표에 자세히 설명되어져 있다.

<표3> 진동 풀림방지 솔루션의 종합적인 비교

<표3>은 풀림방지용 솔루션을 종합적으로 비교 정리한 것이 다. 설계변경의 유무, 작업성, 반복사용 가능여부, 풀림방지 성능 (최상/상/중/하), 가격 등을 각 타입별로 정리한 것으로 진동이 심한 기계구조물 설계 시 참조하기에 좋은 자료이다. 기계 제조업 에서 설계, 기술, 품질 관련 종사자들에게 상당한 도움이 되는 자료라고 생각한다.

<그림2>는 진동 풀림방지 각 솔루션에 대한 DIN65151에 의거해 진동 실질적인 테스트를 한 결과를 나타낸 것으로 Y축은 예하중 즉 체결력이고 X축은 Junker Machine으로 진동 부여시 체결 력이 손상되어 완전히 풀리기 까지의 진동 사이클을 나타낸다. 일반 볼트나 평와셔, 스프링와셔, 코니컬 와셔와 같은 일반 와셔는 풀림방지 기능이 거의 없음을 확인할 수 있다. 쐐기형 락와셔(여 기서는 HEICO-LOCK 브랜드)와 특수 나사산 타입의 락너트(여 기서는 Bumax Lock 브랜드)는 심한 진동에서도 체결력의 손실이 거의 없음을 보여주고 있다.

<그림3> 쐐기형 락와셔(HEICO-LOCK)의 풀림방지 기능 원리

쐐기형 락와셔(HEICO-LOCK)에 대해 좀 더 살펴보면 풀림방지 기능의 원리를 <그림3>에 자세히 나타내었다. 경도, 각도, 마찰 및 예하중의 차이로 진동과 같은 동적 하중 작용 시 체결력이 증가하여 자기잠금(Self-locking)이 되는 원리이다. 

이러한 쐐기형 락와셔(HEICO-LOCK)는 최상의 풀림방지 기능에 더해 재사용이 가능하고 설치 및 제거가 용이(와셔 한 쌍이 조립된 상태로 제공)하며 일반 표준(Metric 및 Inch) 사이 즈(M3~M76, 1/4”~3”)에 대응하며 탄소강, 스테인리스강에 더해 내식성 지표인 PRE*가 42이상으로 강력한 내식성을 지닌 Super Austenite재질(254 SMO, EN1.4547), 내화 학성(염산, 황산) 재질인 INCONEL 합금 등의 특수 재질로도 공급되기 때문에 해양, 에너지, 반도체, 화학산업 등의 특수 산업에 적용이 가능하다는 것이 장점이다.
이상으로 기계 체결류(화스너)의 진동 풀림방지 솔루션에 대하여 상세히 살펴보았다. 이 기사가 극심한 진동 하에서 작동하는 기계부품들의 성능 및 품질 향상에 도움이 되길 기대해본다.

자료제공: 뷔르트인더스트리코리아(www.wuerth-product.co.kr)