볼트 패스너 가이드 - 정의, 프로세스 및 응용 프로그램

기계 제조, 건설 엔지니어링, 자동차 산업, 그리고 일상적인 가구 조립까지, 볼트는 기본적이고 필수적인 체결 부품입니다. 볼트는 부품 결합, 하중 전달, 구조적 안정성 확보에 중요한 역할을 합니다. 대형 교량의 철골 접합부든 정밀 기계의 핵심 부품 체결이든, 볼트의 성능과 선택은 전체 시스템의 안전과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

1.0볼트의 정의와 특성

볼트는 외부 나사산이 있는 원통형 체결구로, 두 개 이상의 부품을 정렬된 관통 구멍으로 축 방향 클램핑력을 가하여 단단히 결합하도록 설계되었습니다. 이는 부품의 축 방향 및 반경 방향 변위를 방지합니다. 구조적으로 표준 볼트는 세 가지 주요 부품으로 구성되며, 각 부품은 필수적인 기능을 수행합니다.

1.1볼트 헤드

볼트 머리는 볼트의 한쪽 끝에 위치하며 일반적으로 섕크보다 직경이 큽니다. 주요 기능은 다음과 같습니다.

• 부하 분산: 조임 시 발생하는 압력을 연결부 표면 전체에 고르게 분산시켜 변형이나 손상을 일으킬 수 있는 국부적인 응력을 방지합니다.
• 그립 포인트 제공: 조이거나 풀기 위해 토크를 가하는 도구(렌치, 소켓 등)에 안정적인 표면을 제공합니다.

일반적인 머리 모양에는 육각형, 원형, 침두형, 정사각형이 있습니다.

• 육각형 머리: 가장 널리 사용되는 유형으로, 6면 디자인으로 제작이 쉽고, 다양한 그립 각도를 제공하며, 효율적인 토크 전달이 가능하므로 고토크 응용 분야에 이상적입니다.
• 카운터싱크 헤드: 매끄러운 표면이 필요한 시나리오(예: 가구 패널, 장비 케이스)에 적합하며, 헤드가 소재에 내장되어 매끄러운 마감을 제공합니다.

1.2정강이

샤프트는 헤드를 나사 부분에 연결하며 일반적으로 두 부분으로 구성됩니다.

• 매끄러운 부분(본체): 연결된 부품의 구멍에 정확하게 맞물려 방사형 움직임을 방지합니다. 나사산이 없으므로 나사산 뿌리(흔히 발생하는 파손 지점)에 응력이 집중되는 것을 방지하고 전단 저항성을 향상시킵니다. 전단 하중이 큰 적용 분야(예: 철골 구조물 접합부)의 경우, 매끄러운 단면이 접합면을 완전히 통과해야 전단력이 나사산이 아닌 본체에 전달됩니다.
• 나사산 섹션: 섕크 반대쪽 끝에 위치하며, 너트 또는 내부 나사산 구멍에 맞물립니다. 나선형 디자인은 토크를 축 방향 클램핑력으로 변환하여 연결된 부품을 고정합니다.

1.3실

나사산은 볼트 표면의 연속적인 나선형 능선(마루)과 홈(뿌리)으로, 그 형상은 연결부의 안정성과 호환성에 직접적인 영향을 미칩니다.

• 공통 프로필:

• 삼각형 나사산(예: 표준 미터법 나사산): 자체 잠금 기능과 제조 용이성으로 인해 일반적인 고정에 널리 사용됩니다.
• 사다리꼴/사각형 나사산: 볼트에서는 드물며 주로 전력 전달에 사용됩니다(예: 잭).
  • 방향: 오른쪽 나사산(시계 방향으로 조임)이 표준이고, 왼쪽 나사산(시계 반대 방향으로 조임)은 특수한 경우(예: 자전거 페달, 원형 톱날)에만 사용되며, 이 경우 작동력으로 인해 오른쪽 나사산이 느슨해질 수 있습니다.

2.0볼트 vs. 나사: 유사한 외관 뒤에 숨겨진 핵심 차이점

특별 참고 사항: 경계 사례(예: 나사 구멍에 직접 나사산이 있는 육각 볼트)는 근본적인 차이점을 변경하지 않습니다. 볼트는 본질적으로 너트와 함께 사용하도록 설계되었지만 나사는 재료/너트와 직접 결합되어 정의됩니다.

3.0일반적인 볼트 유형 및 용도

볼트 설계는 작동 조건(하중, 부품 재질, 환경, 분해 빈도)에 맞춰야 합니다. 아래는 업계에서 널리 사용되는 10가지 볼트 유형과 주요 특징 및 용도를 보여줍니다.

4.0볼트 제조 공정: 원자재에서 완제품까지

볼트의 제조 공정은 기계적 특성, 치수 정확도, 그리고 사용 수명을 결정합니다. 핵심 단계는 다음과 같습니다.

4.1원료 준비

• 재료 선택:

• 표준 볼트(≤ISO 8.8): 중/저탄소강(Q235, 45#).
• 고강도 볼트(≥ISO 10.9): 합금강(피로 저항성을 위해 40Cr, 35CrMo, 42CrMo 또는 40CrNiMoA).
• 부식 방지 볼트: 스테인리스 스틸(304, 316), 황동, 나일론.
• 고온 볼트: 내열 합금(Inconel 718, ASTM A193 B7).
  • 전처리: 강철 막대(대형 볼트) 또는 와이어(중형/소형 볼트)를 사용하고, 표면을 깨끗이 하고(녹/기름 제거) 재료에 결함(예: 균열, 이물질)이 있는지 검사합니다.

4.2성형: 헤드 및 섕크 성형

• 콜드 헤딩: 중소형 볼트에 가장 많이 사용되며 다중 스테이션 기계를 사용하여 실온에서 블랭크를 형성합니다(효율성이 높고 표면 마감이 양호함).
• 열간 단조: 대형/두꺼운 볼트에 사용됨. 강철을 재결정 온도(~800–1200°C) 이상으로 가열하여 금형에 압착함(고강도 재료 수용).

4.3챔퍼링

• 목적: 볼트의 나사산 끝부분은 45°~60° 각도로 모따기되어 있으며, 길이는 나사산 피치의 약 0.5~1배입니다. 이 테이퍼는 볼트가 구멍에 부드럽게 들어가도록 돕고 설치 중 나사산 손상을 방지합니다.
• 공정 및 장비: 챔퍼링은 일반적으로 치수 정밀도를 보장하기 위해 성형 후 나사산 가공 전에 수행됩니다. 산업 생산에서는 바 챔퍼링 머신 일관된 각도, 매끄러운 마감, 수동 처리에 비해 더 높은 효율성을 제공하므로 자주 사용됩니다.

4.4스레딩

• 스레드 롤링: 고강도 볼트의 경우 나사산은 일반적으로 다음을 사용하여 달성됩니다. 스레드 롤링 머신이 공정에서는 미리 성형된 블랭크를 나선형 홈이 있는 롤러 사이에 압착하여 금속이 소성 유동을 일으켜 나사산을 형성합니다. 이 방법은 재료를 제거하지 않으므로 피로 저항성이 향상된 더욱 강한 나사산을 얻을 수 있습니다. 고강도 합금으로 제작된 볼트의 경우, 경도를 낮추고 롤러 마모를 최소화하기 위해 사전 어닐링이 필요할 수 있습니다.
• 실 절단: 소량 생산 또는 맞춤형 볼트의 경우, 선반, 탭 또는 다이를 사용하여 나사산을 가공할 수 있습니다. 이 방법은 생산 유연성을 제공하지만, 압연 나사산에 비해 강도가 상대적으로 낮고 일반적으로 가공 비용이 높습니다.

4.5열처리

• 표준 볼트(≤ISO 8.8): 정규화(연성을 향상시키고 내부 응력을 감소시킵니다).
• 고강도 볼트(≥ISO 10.9): 담금질(800~900°C로 가열하고 급냉) + 템퍼링(400~600°C로 가열하고 완만하게 냉각)을 통해 강도와 인성을 향상시킵니다.
• 특수 볼트: 용액 처리(스테인리스강, 내식성 향상) 또는 탄화처리(내마모성 볼트, 예: 농업 기계).

4.6표면 처리

• 아연 도금(전기도금/열간도금): 실내/건조한 환경에서 부식 방지 기능이 뛰어나고, 아연 도금 처리로 실외 사용 시 더 나은 보호 기능을 제공합니다.
• 니켈/크롬 도금: 장식성 + 내식성(예: 가구, 가전제품).
• 다크로멧 코팅: 해양/화학 환경에서 뛰어난 내식성을 제공합니다(수소 취성화 위험 없음).
• 흑화/인산염 처리: 실내, 저부식 환경(예: 기계 내부 볼트)을 위한 저렴한 녹 방지제입니다.

4.7품질 검사

• 차원 검사: 나사산 직경(주/부/피치), 길이, 모따기 및 허용 오차(예: 피치 직경의 경우 IT8)를 확인합니다.
• 기계적 테스트: 인장강도, 항복강도, 경도(록웰/브리넬), 전단강도.
• 표면 검사: 도금 결함(벗겨짐, 물집)이나 균열이 있는지 검사합니다.

5.0주요 용어 및 볼트 사양 해석

볼트 호환성과 하중 지지력을 위해서는 기술 매개변수를 이해하는 것이 매우 중요합니다. 핵심 용어와 사양 검토 방법은 다음과 같습니다.

5.1스레드 관련 용어

(1) 나사산 직경

• 주요 직경(d): 최대 나사산 직경(크레스트 간)이며, 볼트 공칭 직경과 같습니다(예: M10 = 10mm). 너트 선택을 결정합니다(너트 부경은 볼트 장경과 일치해야 함).
• 소직경(d1): 가장 작은 나사산 직경(뿌리 간)은 전단 강도에 직접적인 영향을 미칩니다(더 큰 d1 = 더 큰 전단 면적).
• 피치 직경(d2): 주요/부차 직경의 평균; 나사산 맞춤의 핵심(편차로 인해 조립이 느슨하거나 단단하지 않음, IT8 등급으로 관리).

(2) 피치 및 인치당 나사산(TPI)

• 피치(P, 미터법): 인접한 마루 사이의 축 거리(mm). 기본 설정은 거친 피치(예: M10 = 1.5mm)이고, 미세 피치는 명시적으로 표시됩니다(예: M10×1.0).
• TPI(제국): 인치당 나사산 수(1인치 = 25.4mm). 예: 1/4”-20 = 20 TPI(피치 ≈ 1.27mm).

(3) 나사 방향 및 프로파일

• 방향: 오른손(RH, 표준); 왼손(LH, 표시, 예: M10×1.0×50-LH).
• 윤곽: 60° 삼각형(표준 미터법/UNC/UNF 나사산); 55° 휘트워스(파이핑, 볼트의 경우 드물게 사용).

5.2차원 관련 용어

(1) 공칭 길이(L)

• 정의: 볼트의 축 길이는 헤드 유형에 따라 다르게 측정됩니다.

• 육각형/원형 머리: 머리의 지지 표면(바닥 평면)부터 생크 끝까지입니다.
• 침두형 헤드: 헤드의 윗면(재료와 같은 높이)에서 생크 끝까지의 길이입니다.
  • 선택 규칙: 볼트가 모든 구성 요소를 통과하는지 확인하고, 너트에서 1~3바퀴 정도 나사산이 튀어나오도록 합니다(너무 짧으면 클램핑력이 약하고, 너무 길면 재료 낭비/간섭이 발생함).

(2) 섕크 직경(d)

• 매끄러운 섕크의 직경(공칭 직경과 동일, 예: M10 = 10mm). 부품의 구멍 크기: 섕크 직경보다 0.1~0.3mm(미터법) 또는 0.004~0.012인치(야드파운드법) 더 큽니다(매끄럽게 삽입할 경우).

(3) 챔퍼(C)

• 나사산을 보호하고 설치를 안내하는 테이퍼형 섕크 끝(각도 45°/60°, 길이 0.5~1×피치)

5.3사양 예시

미터법 볼트(ISO 표준): M12-1.75×60-8.8-Zn

• M: 미터법 나사산
• 12: 공칭 직경(12mm)
• 75: 피치(거침, M12의 기본값)
• 60: 공칭 길이(60mm)
• 8: 강도등급(인장강도 ≥800MPa, 항복강도 ≥640MPa)
• Zn : 아연도금 표면

임페리얼 볼트(SAE 표준): 5/16”-18×3”-5등급-HD

• 5/16”: 공칭 직경(~7.94mm)
• 18: TPI = 18 (피치 ≈1.41 mm)
• 3인치: 공칭 길이(~76.2mm)
• 5등급: 강도 등급(인장 ≥120ksi, 항복 ≥92ksi)
• HD: 육각형 머리

6.0볼트 강도 등급: "숫자 표시" 이해

강도 등급은 볼트의 인장/항복 강도를 나타내며, 지역마다 기준이 다릅니다. 가장 일반적인 등급은 ISO(미터법), SAE(야드파운드법), ASTM(특수 용도)입니다.

6.1ISO 표준(미터법 볼트, 글로벌 사용)

ISO 898-1에 정의되어 있으며, 점으로 구분된 두 숫자로 표시됩니다(예: 8.8):

• 첫 번째 숫자: 최소 인장 강도(UTS)(MPa × 100)(예: "8" = ≥800 MPa).
• 두 번째 숫자: 항복비(항복강도/UTS) × 0.1(예: "8" = 항복강도 ≥800×0.8=640MPa).

6.2SAE 표준(Imperial Bolts, US Dominant)

SAE J429에 의해 정의되고 "등급 + 숫자"(예: 등급 5)로 표시되며, 단위는 ksi(1ksi = 6.89MPa)입니다.

6.3ASTM 표준(특수 응용 분야, 미국 지배)

고온, 고압 또는 내식성 시나리오에 초점을 맞추십시오.

6.4강도 등급 선택을 위한 원칙

• 과도한 사양을 피하세요: 고강도 볼트는 비용이 많이 들고, 적합한 너트/와셔가 필요합니다(예: 가구의 경우 4.6/5.8이면 충분합니다).
• 부하/환경에 맞게 조정: 전단/동적 하중(자동차 섀시)은 ≥ISO 8.8이 필요하고, 고온(보일러)은 ASTM A193이 필요하며, 부식에는 강도가 일치하는 스테인리스강(304/316)이 필요합니다.
• 등급 혼합 없음: 8등급을 2등급(강도 부족)으로 교체하거나 그 반대로(과도한 클램핑 힘으로 부품이 변형됨) 교체하지 마세요.

7.0볼트 선택 및 설치 지침

볼트 선택은 작동 조건, 매개변수 일치, 그리고 비용 관리의 균형을 맞춰야 합니다. 다음 단계별 논리를 따르세요.

7.1운영 조건 명확히하기

(1) 하중 종류 및 크기

• 하중 유형:

• 장력(예: 리프팅 볼트): 전체/부분 나사산 볼트(충분한 나사산 결합 보장).
• 전단(예: 강철 조인트): 부분적으로 나사산이 있는 볼트(매끄러운 섕크가 전단력을 분산시키고 나사산 뿌리 파손을 방지함).
• 결합 인장-전단(예: 구동축): 매끄러운 섕크가 있는 고강도 볼트(≥ISO 8.8).
  • 하중 크기: 필요한 인장/항복 강도를 계산합니다(예: ≥600 MPa → ISO 8.8).

(2) 설치 환경

• 부식성(습기/산성/해양성): 스테인리스 스틸(304/316) 또는 다크로멧 코팅 볼트.
• 고온(>200°C): ASTM A193 B7/B16 또는 Inconel 볼트.
• 고진동(엔진): 플랜지 볼트(톱니형) + 잠금 너트/나사 잠금 접착제.

(3) 조립/유지보수 필요성

• 잦은 분해: 스터드 볼트(고정된 끝이 나사 구멍을 보호함).
• 제한된 공간: 낮은 프로필 육각 볼트 또는 접시 볼트.
• 한 손으로 조작: 캐리지 볼트(사각형 목은 회전을 방지합니다).

7.2핵심 매개변수 일치

7.3비용 관리

• 표준 사이즈를 선호하세요: 사용자 정의 크기보다 M6/M8/M10(대량 생산, 저렴한 가격)이 더 좋습니다.
• 재료/공정 최적화: 탄소강(합금강보다 저렴) + 냉간압조(열간단조보다 저렴) + 나사압연(절삭보다 저렴).

7.4설치 참고 사항

• 올바른 도구를 사용하세요: 렌치/소켓 크기를 맞춥니다(조절식 렌치는 미끄러지고 헤드가 손상될 수 있으므로 사용하지 마세요).
• 조임 토크 제어: 토크 표를 따르세요(예: M10×8.8 → 35–45 N·m; 토크가 너무 높으면 볼트 파손/변형; 토크가 부족하면 클램핑 힘이 약함).
• 수소 취성 방지: 고강도 볼트(≥ISO 10.9)는 도금 후 수소 방출(200~230°C에서 2~4시간)이 필요합니다.
• 정기 검사: 진동이 심한 볼트(엔진) → 주기적으로 다시 조여줍니다.

8.0결론

볼트는 작지만 기계적, 구조적 안전의 중추입니다. 볼트의 설계, 제조, 그리고 선택은 정밀한 공학적 논리에 기반합니다. "전단 하중을 위한 부드러운 섕크"부터 "극한 강도를 위한 ISO 12.9"까지, 모든 세부 사항은 실제 요구 사항에 맞춰 조정됩니다.

연결 신뢰성을 확보하려면 "볼트는 범용이다" 또는 "강도가 높을수록 좋다"와 같은 오해를 피하십시오. 대신, 하중, 환경 및 매개변수를 체계적으로 분석하고 용어(예: 챔퍼)를 제조(예: 성형 후 챔퍼링) 및 설치(예: 가이드 삽입)와 연결하십시오.

엔지니어, 기술자, 운영자의 경우 이러한 지식을 습득하면 효율성이 향상될 뿐만 아니라 장기적으로 장비/구조의 안정성도 확보할 수 있습니다.

 

참고문헌

윌슨가너닷컴(wilsongarner.com)/what-is-a-bolt/

www.fastenright.com/blog/bolts-and-screws-what-is-the-difference

www.iqsdirectory.com/articles/bolts/types-of-bolts.html

www.bwindustrialsales.com/resources/나사와 볼트의 차이