[논문]SWCH18A 와 SUS XM7 을 적용한 초소형 나사제작 및 물성분석에 관한 연구

나승우; 김인락; 황성택

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.9.1043

SWCH18A 와 SUS XM7 을 적용한 초소형 나사제작 및 물성분석에 관한 연구
Study of Production and Material Properties of Micro Screw Using SWCH18A and SUS XM7 Materials 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.9, 2014년, pp.1043 - 1048

나승우 ((주)서울금속 기술연구소) , 김인락 ((주)서울금속 기술연구소) , 황성택 ((주)서울금속 기술연구소)

초록
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체결부품의 사이즈가 작아질수록 실제 접합부의 면적이 줄어들기 때문에 체결력은 감소한다. 이러한 체결부품의 체결력을 결정하는 요소는 소재(Material), 구조(Geometry), 마찰(Friction)이 있다. 본 연구에서는 체결부품의 사이즈가 줄어들면서 체결력을 향상시킬 수 있는 방법 중의 하나인 소재 변경에 대하여 연구하였다. SWCH18A 와 SUS XM7 을 적용하여 초소형 나사를 제작하였으며, 3 차원 치수 측정을 통하여 피치정밀도와 두께정밀도를 측정하였다. 비커스 경도 측정을 통하여 나사가 외부의 힘에 의해 변형에 대한 저항력을 분석하였다. 또한 파단토크 시험과 SEM 을 이용한 파단면 분석을 통해 파단특성을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As micro screws feature reduced screw lengths and pitches, the resulting clamping force diminishes because of the reduced length of the actual joints. The elements of the clamping force are material, geometry, and friction. We studied the shrinking size of the screw and the methods to improve the clamping force by changing the material. We developed a micro screw using SWCH18A and SUS XM7 materials, and obtained the precision and thickness of the pitch through three-dimensional measurement. We also measured the external resistance of the micro screw by applying the Vicker's hardness test and conducted a break surface analysis using a break torque test and SEM for obtaining the break characteristics.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(2) 설계인자를 도출하였고, M1.0mm 에 0.25mm의 피치를 갖는 초소형 나사를 설계 및 제작하였다. 설계된 초소형 나사를 제작하기 위하여 다단 신선 공정, 단조생산공정, 전조생산공정 그리고 후처리 공정을 설계하고 이에 맞는 금형을 개발하여 적용하였다.
경도는 물체의 변형에 대한 저항력의 크기로 정의되며, 본 연구에서는 비커스 경도를 측정하였다. Table 8 은 초소형 나사의 비커스 경도를 나타낸다.
82mm 의 소재가 필요하나, 현재 1mm 급 이하의 소재는 양산품으로 판매되고 있지 않으며, 특히 고장력 와이어 소재의 경우 다단 신선공정 기술 적용을 통한 개발이 필요한 소재이다. 따라서 아래 Fig. 4 와 같이 다단 신선 금형을 개발하여, 4 단 신선 공정을 통해 0.82mm 급 고장력 와이어 소재를 개발하였다. 다단신선이 필요한 이유는 본 연구에서 개발하고자 하는 초소형 나사의 직경이 매우 작으며, 이를 한번의 신선과정을 거치게 되면, 경도의 감소에 의하여 시제품 제작과정에 발생되는 열처리에 많은 비용이 소모되므로, 다단 신선공정을 통하여경도의 감소를 최소한하였다.
또한, 본 연구에서 초소형 나사의 성형성 판단 기준은 나사의 지름과 피치로 결정하였다. 체결력을 결정하는 중요한 요소는 나사가 체결대상물에 직접적으로 접촉하는 지름과 피치이므로, 성형성 판단 기준은 지름과 피치로 결정하였다.
하지만 초소형 나사의 성능은 조임회전각과 조임토크에 대한 시험장치 및 시험규격이 결정되지 않아서 파단토크시험을 진행하였다. 사용장비는 토크드라이버 종류로 CDEAR 社의 DI-5M 을 사용하여 측정하였으며, 시험조건은 나사를 시험용 지그에 고정시킨 후 토크드라이버로 나사에 파단이 일어나는 시점까지 토크를 증가시키고, 최대 토크값을 파단토크로 판단한다. Table 7 은 파단토크 측정 시험결과를 나타낸다.
25mm의 피치를 갖는 초소형 나사를 설계 및 제작하였다. 설계된 초소형 나사를 제작하기 위하여 다단 신선 공정, 단조생산공정, 전조생산공정 그리고 후처리 공정을 설계하고 이에 맞는 금형을 개발하여 적용하였다.
초소형 나사의 성형 정밀도를 확인하기 위하여 3 차원 치수 측정을 시행하였다. 사용장비는 비접촉식 3 차원 측정기를 사용하였으며, VIEW 社의 BENCHMARK 300 을 사용하여 측정하였다.
초소형 나사의 파단특성을 분석하기 위하여 파단 토크 측정시험 후 샘플을 SEM 촬영하였다. 파괴는 연성파괴와 취성파괴로 구분될 수 있으며,본 연구에서 사용된 소재에서 탄소의 화학적 비율이 SWCH18A 는 0.
일반적으로 나사의 성능은 체결토크나 체결력이다. 하지만 초소형 나사의 성능은 조임회전각과 조임토크에 대한 시험장치 및 시험규격이 결정되지 않아서 파단토크시험을 진행하였다. 사용장비는 토크드라이버 종류로 CDEAR 社의 DI-5M 을 사용하여 측정하였으며, 시험조건은 나사를 시험용 지그에 고정시킨 후 토크드라이버로 나사에 파단이 일어나는 시점까지 토크를 증가시키고, 최대 토크값을 파단토크로 판단한다.

대상 데이터

개발중인 초소형 나사의 소재는 SWCH18A 와 SUS XM7 이다. SWCH18A 는 SUS XM7 에 비하여 내부식성과 경도가 낮아 열처리를 통한 경도상승과 도금을 통하여 내부식성을 강화시킨다.
나사에 적용되는 소재로는 SWCH18A 와 SUS XM7 이다. SWCH18A 는 탄소강의 일종으로 0.
단조공정, 전조공정을 통하여 총 2 개의 소재를 이용하여 M1.0 X 0.25P 시제품을 제작하였다. Table 5 는 초소형 나사 시제품 및 특징을 나타낸다.
나사산의 크기와 형상에 의해서 체결력이 결정되므로 크기와 형상에 대한 성형 정밀도가 중요하다. 본 연구에서 개발하고 있는 초소형 나사의 규격은 M1.0 이며, 피치는 0.25mm 이다. 나사산 각도는 60°이며, 대칭형상으로 일반적인 형상을 갖는다.
초소형 나사의 파단특성을 분석하기 위하여 파단 토크 측정시험 후 샘플을 SEM 촬영하였다. 파괴는 연성파괴와 취성파괴로 구분될 수 있으며,본 연구에서 사용된 소재에서 탄소의 화학적 비율이 SWCH18A 는 0.15 ~ 0.20% 이며, SUS XM7 는 0.08% 이하를 함유하고 있다. 일반적으로 파단이 일어날 경우, 탄소의 화학적 비율이 높을수록 취성파괴에 가까워진다.

이론/모형

펀치 금형은 KS B 0230 규격과 이현규등이 연구한 ‘비트 깊이에 따른 볼트 체결응력 해석결과’(4)의 S 자형 +자홈 모양 및 치수를 참고하여 설계하였다.

성능/효과

(1) SWCH18A 와 SUS XM7 의 물성분석을 통하여, SUS XM7 이 SWCH18A 에 비하여 인장강도는 20% 높게 측정되었으며, 경도는 6% 높게 측정되었다.
(3) 제작된 초소형 나사의 성형정밀도를 측정하기 위해 3 차원 측정기를 사용하여, 중요 치수인나사직경, 나사길이, 피치, 머리 두께가 관리치수 내에 포함된 것을 확인할 수 있어 새로 설계한 공정의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
(4) SWCH18A 의 파단토크는 0.64kgf · cm로 측정되었으며, SUS XM7 의 파단토크는 0.71kgf · cm로 측정되었고 소재의 변경으로 인하여 파단토크는 약 13% 향상되었다.
(5) 초소형 나사의 기계적 성질은 나사의 제작 공정에 의한 영향보다 소재에 의한 영향이 더 지배적인 것으로 판단된다.
(7) 경도는 SWCH18A 가 SUS XM7 에 비하여 높게 측정이 되었으며, 이는 후처리 공정의 유무에 의한 영향으로 판단된다.
82mm 급 고장력 와이어 소재를 개발하였다. 다단신선이 필요한 이유는 본 연구에서 개발하고자 하는 초소형 나사의 직경이 매우 작으며, 이를 한번의 신선과정을 거치게 되면, 경도의 감소에 의하여 시제품 제작과정에 발생되는 열처리에 많은 비용이 소모되므로, 다단 신선공정을 통하여경도의 감소를 최소한하였다. 또한 다단신선과정에 의한 단면감소율과 각 단계별 직경은 Table 2와 같다.
체결력을 결정하는 중요한 요소는 나사가 체결대상물에 직접적으로 접촉하는 지름과 피치이므로, 성형성 판단 기준은 지름과 피치로 결정하였다. 이 결과 각기 다른 소재를 이용하여 제작한 초소형 나사의 성형성 기준이 도면 및 회사 내부 기준을 만족하였다.

후속연구

SWCH18A는 열처리와 도금을 통하여 기계적 성능이 향상된 반면에, SUS XM7 소재의 나사는 후처리 공정을 거치지 않았다. 차후 SUS XM7 에 적합한 도금소재와 공정을 설계 후 적용한다면 SUS XM7 의 파단토크는 향상될 것으로 예상된다.

참고문헌 (6)

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