나사산 (THREAD) 표준 탐구

나사산은 일반적으로 두 가지 기능을 가집니다. 회전형 모션을 선형 모션으로 전환시키는 동력 전달 기능과, 화스너의 경우 체결부의 풀림이나 미끄러짐을 방지하여 부품을 고정시키는 기능입니다. 

나사의 표준화는 다양한 제조사와 사용자 사이에서 문제없이 사용하기 위해 19세기 초부터 빠르게 발전하였습니다. 19세기 후반부터 20세기 초까지 기술자들은 서로 다른 나사를 문제없이 교체하여 사용할 수 있는 호환성  보장이 특정한 나사산을 위하여 주요 직경과 피치를 표준화하는 것보다 훨씬 복잡하고 어려운 과제라는 사실을 알게 되었습니다. 이 기간 동안 더욱 복잡한 분석을 통해 피치경과 표면 마감 정도와 같은 변수들이 얼마나 중요한지를 인지하였습니다. 

1898년 나사산 표준화를 위한 국제회의 (International Congress for the Standardization of Screw Thread)에서 미터 나사산이 대부분 통합되었으나, 프랑스, 독일, 일본은 각기 다른 미터 나사산 표준을 사용하고 있었고, 스위스는 시계 제작/조립용 나사산 표준 세트를 보유중이었습니다. 

표준화 절차는 지금도 진행 중이며, 상충되는 미터와 인치(imperial) 나사산 표준들이 여전히 널리 사용되고 있습니다. 표준 나사산은 개별 나사산의 표준화된 지정 접두사를  포함하는 짧은 문자 코드로 식별되는 것이 일반적입니다. 

추가의 제품 표준에서는 나사산 표준을 기초로 나사와 너트에 선호되는 기하학적 구조를 식별할 수 있게 하여, 특히 체결부의 특수 요구 사항을 충족시키면서 체결도구 및 렌치와의 호환성을 용이하게 합니다. 

독일 Siegen 대학교 분할 회사 AFS(Advanced Fastening Solutions GmbH)의 Hendrik Hubbertz에 따르면 용이한 취급, 적재 용량, 더 빠른 체결 속도로 체결 시간 감소(피치가 크면 작업이 신속해짐)와 같은 요건을 충족하기 위해 다양한 표준이 지금까지 발전해 왔다고 합니다. 

“동력 전달 나사와 화스너에 관련된 무수한 나사 표준이 존재하지만, 실제로 사용되는 나사 표준은 극히 제한적입니다.” 라고 그는 말합니다. 

가장 중요한 표준은 ISO 와 UTS 나사 표준으로, 주로 기계 설계나 엔지니어링에서 사용됩니다. 

Hubbertz 씨는 “금속과 플라스틱을 이용한 기계 엔지니어링에서 사용이 증가하고 있는 self-tapping과 thread-forming나사의 나사산 표준 역시 존재합니다.”고 덧붙여 말합니다. 또한 배관 연결이나 특수 프로파일을 위한 나사산 표준도 있습니다. 동력 전달 나사의 경우, 볼 스크류와 사다리꼴 나사산과 같은 표준이 사용되고 있습니다.  

“표준이 너무 많아서 너무 복잡합니다. 하지만, 반대로 생각해보면 표준이 있음으로 해서 교체가 용이해지고, 대량 생산으로 비용이 낮아지는 장점이 있습니다. 이는 실제로 이는 표준화가 존재하는 근본적인 이유입니다.”라고 Hubbertz씨가 말합니다. 

대부분의 삼각 나사산 형태는 이등변 삼각형을 기초로 하고 있으며, 영문자 V 형태와 닮았다 하여 V-나사산으로 불립니다. 60도 V-나사산은 특히 등변의 형태를 가지지만 톱니 나사산(buttress)의 경우 삼각형이 축이 비스듬한 부등변의 형태입니다. 

ISO미터 나사와 UN 시리즈에서 발견되는 60도 나사산 모양이 화스너에서 가장 자주 사용되는 나사산 모양입니다. 다른 나사 표준은 의료 기술, 항공 엔지니어링 또는 우주 항해술과 같은 특수 분야에서 주로 사용됩니다. 

대량 생산에서 나사산은 비용 문제로 인하여 완벽할 정도로 날카롭게 제작되지는 않습니다. 충분히 큰 나사의 골지름(root/minor diameter) 외에도, 피로 파괴를 피하려면 주기성을 띄는 동하중과 관련하여 반드시 높은 하중에서도 잘 견딜 수 있도록 정의된 피치경 / 골지름을 사용해야 합니다. 나사산은 직경을 기준으로 항상 엄격한 공차가 적용되며, 공차가 잘 맞지 않으면 접합된 나사산에서 간섭이 발생할 수 있습니다. 나사산 직경의 오차 수준 또한 나사산 고착을 방지하는데 있어 매우 중요합니다. 

Hubbertz씨는 체결부에서 나사산을 선택에 가장 중요한 두 가지는 기능 – 라이프타임에 걸친 하중용량과 취급 -  물류와 조립, 그리고 사용자 지식이 있다고 말합니다. 

“잘못된 표준을 선택할 경우, 운행 정지로 인해 생산 비용이 높아지는 제조상의 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 기능의 손실을 일으켜 결함이 있는 제품으로 이어지고, 이러한 제품을 회수하는데 많은 비용이 발생하게 됩니다.” 라고 그는 말합니다. 

ISO 미터 나사산이 아닌 나사 프로파일들은 특정 적용방식과 특정 지역에서 자주 사용되는데 이는 이전 방식과 호환이 되기 때문입니다. UTS로 대체된 지 50년이 지난 오늘날에도 기업들은, UTS와 상반되는 인치 치수의 “SAE”와 “USS”를 따르는 제품을 여전히 판매하고 있습니다. 이러한 제품들은 실제로 UTS 표준으로 만들어졌으나, 상표와 품목 용어가 언제나 정확하지는 않아 나사산 표준들에 혼란을 가중시키고 있습니다. 

“적재 하중 증가와 조립 향상을 위해 기능의 최적화하려는 이슈가 미래의 표준 발달에 영향을 끼칠 것입니다. 작업 표준을 넘어, 일반 표준으로의 전환이 일어날 것입니다. 또한 전 세계에 걸친 표준 통합 또한 있을 것입니다.” 라고 Hubbertz 씨는 전망하였습니다. 

표준 나사 정보

오늘날 가장 많이 사용되는 나사산은 대부분 ISO 미터법 나사산(M)과, 파이프용 BSP 나사산(R,G)입니다. 이는 1947년 국제 표준화 기구가 설립되었을 때, 최초로 합의된 국제 표준들 중에 하나였습니다. 

범용 ISO 미터법 나사산(M 시리즈 나사)의 설계 원리는 국제 표준 ISO 68-1에서 정의되었습니다. 각 나사산은 주요 직경 D 와 피치 P로 정의됩니다. 

ISO Metric Coarse Thread DIN 13-1은 글로벌 표준화된 나사산 프로파일입니다. 라벨은 문자 M 과 공칭 직경을 나타내는 숫자로 구성됩니다. 측면 각도는 60도이며, 공칭 직경이 포함된 거친 나사산 치수에는 피치 값도 정의됩니다.

ISO Metric Fine Thread DIN 13-2 ~ 13-11은 13-1과 비교했을 때, 가는 나사산이 피치가 더 작기 때문에 더 높은 체결력을 줄 수 있고 최대 하중에서 저절로 풀릴 확률이 낮습니다. 예를 들어, 더 미세한 설정이 가능하기 때문에 측정 기기에서 나사를 조정하는 용도로 사용됩니다. 라벨에는 문자 M, 공칭 직경과 피치(예, M12 x 1.5)로 구성됩니다. 측면 각도는 똑같이 60도입니다. 

UTS(Unified Thread Standard)는 미국과 캐나다에서 여전히 자주 사용되는 나사산에 대한 허용 범위 및 공차와 명칭을 포함한 나사 형태와 시리즈를 정의합니다. 볼트, 너트뿐만 아니라 해당 국가들에서 사용되는 각종 화스너를 위한 대표 표준입니다. 

UTS는 ISO 미터 나사산과 동일한 60도 프로파일을 가지고 있지만, 각 UTS 나사산 을 대표하는 치수(외경과 피치)는 밀리미터 값이 아닌 인치 비율로 선택되었습니다. 허용 오차의 정의는 공차 그룹에 포함되며, 이는 ISO 미터법 나사산에서 정의하는 방식과 다릅니다. UTS는 현재 미국의 ASME/ANSI가 관리하고 있습니다. 

UTS 나사산의 표준 명칭은 나사산의 공칭(메인) 직경을 나타내는 숫자이며, 그 다음에 인치 당 나사산 수(TPI)가 붙습니다.(예: 3/8 – 12). 1/4 인치보다 더 작은 직경인 경우, 표준에서 정의된 정수로 직경을 나타내며, 기타 다른 직경은 인치 값이 표기됩니다. 

UNC Thread ANSI B1.1: UNC – Unified Coarse Thread. NC와 UNC 나사산은 일반 미터법과 ISO 미터법 나사산과 유사한 방식으로 상호 대체가 가능합니다. 나사산 측면의 각도는 60도입니다. 

나사산 표준에 의거한 기본 나사산 : P = Pitch, D = 공칭 직경 (major/nominal diameter), 60° = 나사산 각도, PD = 피치경 (Pitch diameter), A = 나사축