[논문]초소형 쎄레이션 볼트의 체결성능 분석

장명근; 정진환; 장연희; 김희철; 김종봉

doi:10.3795/ksme-a.2017.41.4.257

초소형 쎄레이션 볼트의 체결성능 분석
Investigation of Fastening Performance of Subminiature Serrated Bolt 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.4, 2017년, pp.257 - 262

장명근 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 정진환 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 장연희 (서울과학기술대학교 자동차공학과) , 김희철 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) , 김종봉 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
AI-Helper

최근 스마트 폰, 스마트 와치 등과 같은 전자기기의 크기가 작아지면서, 그에 사용되는 체결 볼트의 크기 또한 작아지고 있다. 초소형 나사는 제품을 체결하는 데 있어 충분한 체결 토크나 풀림 방지효과를 갖지 못한다. 그래서 초소형 나사의 체결력과 풀림방지 효과를 유지 및 강화하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 초소형 나사의 풀림방지 효과를 강화하기 위해 나사의 머리 밑 면에 쎄레이션 형상을 추가하여 그 효과를 분석하였다. 쎄레이션 볼트는 풀림과정에서 피체결체 윗면을 변형시켜 풀림 방지 턱을 생성해 풀림을 방지하는 역할을 한다. 쎄레이션 개수와 체결 깊이를 변수로 하여 그 영향을 분석하고 풀림 방지 성능에 미치는 영향을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the size of electric products such as mobile phones and smart watches decrease, the bolts used to assemble these products should also be miniaturized. A miniature-sized bolt has to provide sufficient joining torque and anti-releasing torque to keep the components together. We studied a serrated bolt as a candidate for a miniature-sized fastener to increase the anti-releasing torque. In a serrated bolt, a serrated shape is formed on the bottom surface of the bolt head to create an obstacle to releasing. In this study, finite element analyses for the joining and releasing of bolts were carried out, and the anti-releasing performance was predicted. Based on the results of analyses using various numbers of serrations and fastening depths, the effects of the number of serrations and fastening depth on the anti-releasing performance were investigated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그렇기 때문에 초소형 볼트 자체가 그런 성능을 갖도록 설계할 필요가 있다. 그래서 본 연구에서는 초소형볼트에 쎄레이션 형상을 추가하여 풀림 과정에서 그에 따른 풀림 토크 값이 증가 또는 유지되는 현상을 중요한 관점으로 하여 연구를 진행하였다. Table 2에는 쎄레이션 개수와 체결깊이에 따른 최대 풀림 토크값을, Fig.
그래서 체결성능을 유지 및 강화할 수 있는 초소형 체결부품의 개발이 진행되고 있다. 본 연구에서는 초소형볼트의 풀림 방지 기능을 강화하기 위한 연구를 수행하였다.
볼트에 대한 연구는 체결력 관점에서 볼트의 형상 및 구조에 대한 연구가 진행되었고, 풀림 관점에서 와셔 및 접착제, 풀림방지 코팅 등에 관한 연구가 진행되었다. 볼트의 체결력 향상에 관한 연구도 중요하지만, 본 연구는 체결된 볼트의 풀림방지 효과를 중심으로 진행되었다.

제안 방법

025 mm씩 체결하여 해석을 진행하여 피체결체의 소성변형 정도에 따른 풀림 방지 효과를 비교하였다. 각 모델 및 체결 깊이에 대해 총 15번의 해석을 진행해 그 결과를 분석하였다.
각도 30° 체결 후 풀림을 해석하였다. 마찰계수는 표면의 조건에 따라 다르지만 Coulomb 마찰계수 0.1을 적용하여 해석하였고 상대적으로 분석하였다. 조임시에 쎄레이션 형상이 너트 윗면에 성형이 된 것을 확인할 수 있고, 풀림시에 풀림에 대한 장애물로 작용하여 너트에 성형된 쎄레이션이 심하게 찌그러졌음을 알 수 있다.
본 연구에서는 SUS 계열의 초소형 볼트 머리 밑면에 쎄레이션 형상을 추가하여 휴대폰 등의 소재인 합성수지 PPA-GF50 피체결체에 체결된 후 풀리는 과정에서의 토크를 분석하였다. 피체결제의 항복 응력을 고려하여 체결 정도 및 쎄레이션 개수에 따른 풀림방지 효과를 유한요소 해석을 통해 분석하였다.
본 연구에서는 쎄레이션 개수에 따른 초소형볼트의 풀림방지 효과를 확인하고, 그 효과의 차이를 체결 깊이에 따라 분석하였다. 해석결과 0.
0미터 보통 나사의 머리 밑면에 쎄레이션을추가하여 모델링 한 모습이다. 쎄레이션 개수를 변수로 총 5가지 모델에 대한 해석을 진행해 개수의 영향을 분석하고, 체결 깊이를 3가지 경우로 하여 각 경우에 따른 쎄레이션 볼트의 풀림방지 효과를 분석하였다. 해석은 범용 해석 프로그램인 ABAQUS⁽¹²⁾를 사용하였다.
쎄레이션의 개수를 12, 14, 16, 18, 20개로 모델링하였다. 쎄레이션 볼트를 피체결체에 각 0.015mm, 0.02 mm, 0.025 mm씩 체결하여 해석을 진행하여 피체결체의 소성변형 정도에 따른 풀림 방지 효과를 비교하였다. 각 모델 및 체결 깊이에 대해 총 15번의 해석을 진행해 그 결과를 분석하였다.
쎄레이션의 개수를 12, 14, 16, 18, 20개로 모델링하였다. 쎄레이션 볼트를 피체결체에 각 0.
이와 같은 쎄레이션 형상의 풀림방지 작용으로 인해 볼트가 잘 풀리지 않게 하는 것이 쎄레이션 볼트의 목적이다. 이와 같이쎄레이션 형상이 너트에 성형이 되고 풀림시에 장애물로 작용하는 효과를 쎄레이션의 개수와 체결 깊이에 따라 분석하였다.
볼트의회전에 따른 깊이방향 변위는 나사의 피치와 리드를 이용하여 부여하였다. 조임시에는 깊이 방향으로 풀림시에는 깊이 반대 방향으로 볼트의 변위를 주면서 해석을 진행하였다. Table 1은 재료의 물성이다.
본 연구에서는 SUS 계열의 초소형 볼트 머리 밑면에 쎄레이션 형상을 추가하여 휴대폰 등의 소재인 합성수지 PPA-GF50 피체결체에 체결된 후 풀리는 과정에서의 토크를 분석하였다. 피체결제의 항복 응력을 고려하여 체결 정도 및 쎄레이션 개수에 따른 풀림방지 효과를 유한요소 해석을 통해 분석하였다.
해석은 범용 해석 프로그램인 ABAQUS⁽¹²⁾를 사용하였다. 해석의 효율을 위해 나사산 부를 제거하고 모델링하여 쎄레이션의 효과만을 분석하였다. Fig.

데이터처리

쎄레이션 개수를 변수로 총 5가지 모델에 대한 해석을 진행해 개수의 영향을 분석하고, 체결 깊이를 3가지 경우로 하여 각 경우에 따른 쎄레이션 볼트의 풀림방지 효과를 분석하였다. 해석은 범용 해석 프로그램인 ABAQUS⁽¹²⁾를 사용하였다. 해석의 효율을 위해 나사산 부를 제거하고 모델링하여 쎄레이션의 효과만을 분석하였다.

성능/효과

볼트에 작용하는 토크는 볼트의 체결력, 나사산 사이의 마찰력, 그리고 볼트머리 밑면과 나사면에 작용하는 마찰력에 의해 발생한다.⁽¹⁾ 볼트의 크기가 작아지면 체결부의 접촉면적과 나사산의 개수가 줄어들어 마찰에 의한 체결 토크가 감소한다. 그래서 체결성능을 유지 및 강화할 수 있는 초소형 체결부품의 개발이 진행되고 있다.
025 mm로 큰 경우에는 쎄레이션개수가 12개인 경우에도 쎄레이션에 의한 풀림방지 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 체결 깊이가 깊을수록, 쎄레이션의 개수가 많을수록쎄레이션에 의한 풀림방지 효과가 큰 것을 알 수 있었다. 쎄레이션의 개수가 커지고 체결 깊이가 깊을수록 쎄레이션에 의해 최대 풀림토크도 증가하고 풀림토크가 유지되는 성능도 증가함을 알 수 있었다.
또한, 체결 깊이가 깊을수록, 쎄레이션의 개수가 많을수록쎄레이션에 의한 풀림방지 효과가 큰 것을 알 수 있었다. 쎄레이션의 개수가 커지고 체결 깊이가 깊을수록 쎄레이션에 의해 최대 풀림토크도 증가하고 풀림토크가 유지되는 성능도 증가함을 알 수 있었다.
토크-회전각도 그래프를 통해 쎄레이션의 풀림방지 효과를 확인할 수 있었고 쎄레이션의 개수가 많을수록 그 효과는 상승하였다. 체결깊이가 가장 깊은 0.025mm인 경우피체결체의 변형이 가장 크게 나타났고, 쎄레이션 개수가 가장 적은 모델의 경우에도 풀림방지 효과가 나타났다. 이 경우 쎄레이션 개수가 16개 이상인 세 모델의 풀림 과정에서 토크 값이 초기풀림 토크 값 보다 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
02mm인 경우 깊어진 체결 깊이에 따라피체결체의 변형이 발생해 볼트의 풀림을 방해하는 턱이 생성되었다. 토크-회전각도 그래프를 통해 쎄레이션의 풀림방지 효과를 확인할 수 있었고 쎄레이션의 개수가 많을수록 그 효과는 상승하였다. 체결깊이가 가장 깊은 0.
쎄레이션 개수가 많을수록 피체결체의 변형이 큰 것을 확인할 수 있다. 하지만 체결깊이가 작아 그 변형의 차이가 크지 않고 쎄레이션의 풀림방지 효과는 모든 모델에서 크지 않음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 쎄레이션 개수에 따른 초소형볼트의 풀림방지 효과를 확인하고, 그 효과의 차이를 체결 깊이에 따라 분석하였다. 해석결과 0.015, 0.020, 0.025 mm 각 체결깊이 조건에서 쎄레이션 개수에 의한 최대 조임 토크는 약 20% 차이가 있었으나, 최대 풀림 토크는 약 100% 까지 차이가 남을 알 수 있었다. 체결 깊이가 가장 얕은 0.
해석결과 쎄레이션 볼트의 체결 정도가 약할 경우(0.020 mm 이하)에는 쎄레이션의 개수가 16개 이상인 경우에만 쎄레이션 효과가 나타나고,체결 깊이가 0.025 mm로 큰 경우에는 쎄레이션개수가 12개인 경우에도 쎄레이션에 의한 풀림방지 효과가 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 체결 깊이가 깊을수록, 쎄레이션의 개수가 많을수록쎄레이션에 의한 풀림방지 효과가 큰 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	볼트는 무엇인가?	볼트는 대형 구조물부터 소형 전자기기까지 광범위하게 사용되는 대표적인 체결용 기계 요소부품이다. 현재 휴대용 전자기기의 소형화 및 경량화가 급속히 진행되고 있다.
	볼트에 작용하는 토크는 어떻게 발생하는가?	체결부품의 크기가 작아지면 체결 토크와 풀림 방지 효과가 감소한다. 볼트에 작용하는 토크는 볼트의 체결력, 나사산 사이의 마찰력, 그리고 볼트머리 밑면과 나사면에 작용하는 마찰력에 의해 발생한다.(1) 볼트의 크기가 작아지면 체결부의 접촉면적과 나사산의 개수가 줄어들어 마찰에 의한 체결 토크가 감소한다.
	볼트의 초소형 체결부품의 개발이 진행되는 이유는 무엇인가?	볼트에 작용하는 토크는 볼트의 체결력, 나사산 사이의 마찰력, 그리고 볼트머리 밑면과 나사면에 작용하는 마찰력에 의해 발생한다.(1) 볼트의 크기가 작아지면 체결부의 접촉면적과 나사산의 개수가 줄어들어 마찰에 의한 체결 토크가 감소한다. 그래서 체결성능을 유지 및 강화할 수 있는 초소형 체결부품의 개발이 진행되고 있다.

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ABAQUS, ABAQUS Manual, Version 6.12, Dassault Systems, USA, 2012.
Matweb, http://www.matweb.com.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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