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조립공정 간소화…비용 절감 기여
조립공정 간소화…비용 절감 기여
  • 한국정보통신
  • 승인 2009.10.19 17:18
  • 호수 473
  • 댓글 0
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김성모 한국화스너(주) 기술팀 과장
탭 없는 홀에 스크류가 스스로 나사산을 생성하면서 체결됨으로써 조립공정을 간소화하고 궁극적으로 조립비용절감에 크게 기여하게 되는 전조기능형 나사의 기술적 문제들을 심층적으로 살펴보기로 한다. 전조기능형나사(Thread Forming Screw)는 여러 품목들이 있으나, 특히 50여 년의 기술개발역사와 세계적 명성을 갖고 있는 탭타이트 스크류를 중심으로 살펴본다. 현재 시중에는 여러 형태의 유사품·모조품들이 있으며, 상당부분이 품질불량문제로 조립 작업성을 오히려 크게 해치고 있다. 정품과의 기술적 차이를 이해함으로써 소비업체들로 하여금 불량 스크류의 피해를 줄일 수 있도록 돕게 될 것으로 본다.

Ⅰ. 탭타이트 기술의 변화
1961년 북미 지역을 중심으로 세계 최초의 전조기능형나사 Type ‘X’의 탭타이트 스크류가 개발되었다. 그 후, 1972년경 Type ‘X’의 조립토크를 개선시킨 Type ‘W’가 나왔으며, M6 이상의 중대형 볼트에도 적용이 가능해 졌다. 1979년경 유럽을 중심으로 DUO-TAPTITE가 개발되어 산업 현장에 적용되었다. 특히 DUO-TAPTITE는 Lead Thread를 길게 하여 초기체결성을 높이고 경사진 나사산의 Lobulation을 개선시킨 개선형 DUO-TAPTITE가 나왔다. 그리고, 1990년도에는 ‘X’와 ‘W’의 기능을 보완·개선한 TAPTITE II가 나와서 미국·유럽의 자동차 업체 및 대형전자제품 조립업체에 사용되어 왔다. 특히, TAPTITE II는 나사의 디자인을 개선하여 초기 체결 토크 및 진동에 저항할 수 있도록 개선되었으며, 볼트의 나사산을 생성하는 롤링다이스의 수명을 150% 이상 향상시켰다. 이후 2000년도에 Cross-Threading(나사산씹힘)현상을 제거하고 체결토크저감, 파괴토크증대의 기능을 추가한 TAPTITE2000이 개발되어 현재 사용되고 있으며, 칩 발생을 억제하고 체결작업속도를 20%이상 증대시켰으며, 풀림방지 효과를 극대화하였다.

II. 탭타이트 스크류의 기술적 특징
탭타이트 기술개발의 궁극적인 목적은 조립비용절감이며, 기술타깃 및 디자인목적은 (1)체결이 용이하도록 하여 작업속도를 높이고, (2)접촉율을 증대시켜 풀림방지기능을 강화하며, (3)Metric나사와의 호환성+을 높이고, (4)재사용이 가능하도록 하는 것이다. 결국 나사의 형상, 각도와 체결토크문제의 개선에 50여년 동안 끈질기게 매달려 왔으며, 아래의 기술적 특징을 만들어 냈다.

* TRILOBULAR 디자인

탭타이트 계열 품목의 대표적 특징으로 둥근삼각형상(TRILOBULAR)의 나사형상을 가지고 있으며, 탭이 없는 무탭홀에 탭을 내기위한 최적의 디자인으로 개발되어 있다. 기본적으로 조립작업 시 나사산씹힘현상(Cross-Threading)을 제거하고 낮은 Thread Forming Torque와 높은 풀림저항성을 제공한다. 일부품목의 경우, 나사 Point와 Body의 형상이 다른 이중형상으로 되어 있기도 하다. TRILOBULAR는 탭타이트 본사인 미국 REMINC사의 등록상표이기도하다.

* 원형나사 (Radius ProfileTM Thread Design)

(그림)과 같이 일반적인 스크류의 직선나사산 L1과 TAPTITE2000?의 곡선 나사산 L2 의 길이는 일치하지만 스크류 자체의 유효직경은 감소한다. 이로 인해 Thread Forming Torque를 낮출 수 있고 진동에 강한 저항성을 가질 수 있다. 또한 일반나사와 호환도 가능하도록 설계되어있다.

* 이중각 나사

나사산으로 들어가는 나사의 각도와 뒷면의 나사산의 각도가 서로 달라서 이동저항에 의한 응력집중(Hoop Stress)을 막아주어 모재의 파손을 막으면서 풀림저항을 높이기도 한다.

 

 

* 2줄나사 (Twin Helix Thread)

이중각 나사와는 다른 개념으로 Helix각을 2중으로 한다. 얇은 철판에 체결하는 경우 스크류가 경사지게 삽입되기 쉽다. 이것을 막기 위하여 2줄나사 (Twin Helix)로 설계되어 있는 스크류도 있다. 2중각도를 갖은 나사산은 얇은 스크류의 나사산에 변화를 주어 서로 마주보는 면이 일치할 수 있도록 설계되었다. 이로 인해 철판위에 스크류가 수직을 유지하며 자리 잡을수 있도록 해주며, 체결 후 모재에 스크류의 좌면이 안착할 수 있도록 해준다.

 

 

* Lead Thread

스크류가 무탭홀에 용이하게 나사산을 생성하며 수직성을 확보하도록 초입에 불완전 나사산으로 Lead Thred를 만든다. 스크류의 규격에 따라 불완전 나사산의 형태 및 수량의 변화가 있다. 스크류가 모재에 작은 힘(End Load)으로도 수직성을 확보하며 바로 서 있을 수 있도록 해줌으로 자동화 생산공정 설비에 적용이 용이하게 해준다. 또한 Cross Threading(나사산 씹힘) 현상을 제거한다.

* 머리밑단 Serration

얇은 철판에 체결 되는 경우 압착성을 최대한 높이기 위하여, 머리밑단이 안으로 들어가게 하여 세레이션을 주기도 한다.

III. TAPTITE 스크류의 기능상의 특징
기본적으로 조립체결작업이 용이하고 진동풀림에 강하며 모든 Metric 나사와 호환이 된다. 아래의 기능적 특징으로 설명된다.

 

 

* 낮은 Initial Torque, Thread Forming Torque 와 End-Load
조립작업 시 낮은 체결 토크와 End Load로 작업이 가능하기 때문에 작업성을 높일수 있으며, 진동에 의한 풀림이나, Pull-Out에 대한 저항성이 높다. 요즈음 젊은층에게 인기인 쫄바지를 연상하면 쉽게 이해할 수 있다. 쫄바지는 벗기도 어렵지만 입기고 어렵다. 탭타이트는 독특한 설계로 입기도 쉽도록 만들었다. 즉, 체결작업이 용이하도록 한 것이다.

* 넓은 Failure Torque 범위
작은 힘으로도 스크류를 체결한 것은 물론, Thread Forming 나사산의 특징인 높은 Breaking point로 인하여 체결에 사용할 수 있는 힘의 범위가 넓어진다. 그러므로 불량율이 감소하며, 작업공구의 선택의 폭도 넓어진다.

* 수직성
Lead Thread의 특징인 Axial Alignment 에 의해 체결 작업시 볼트의 수직성을 확보하여 자동화 설비에 적용이 용이하며 생산성을 증대시킨다.


* 풀림방지기능 및 Pull-out 저항성의 극대화

끊임없는 진동 및 고압에 시달리는 자동차의 엔진에 적용함으로써, 진동저항 및 Pull-out 저항성을 입증하였다. 실제 해외 유명 자동차 메이커 ‘G’ ‘M’사 등의 여러 애플리케이션에서 적용중이다.

 

 

 

* Metric나사 호환성

일반나사와의 호환이 가능하다. 기존 Metric 나사의 Pitch를 유지하여 제품의 설계변경 없이 바로 현장에 적용이 가능하다. 또한 A/S 발생시 Metric나사와의 겸용이 가능하므로 작업 적용성이 높다.

 

 

 

 

 


* 칩발생 제거
TRILOBULAR? Design 과 Radius ProfileTM Thread Design으로 Thread Forming 체결 작업시 칩이 발생되지 않으므로 작업성이 좋고 칩제거비용을 절감할 수 있다. 따라서, 전기전자. 정밀부품에도 많이 사용된다.



VI. TAPTITE 스크류의 경제성
조립비용의 상당부분은 부품 값 보다는 조립체결작업 인건비다. 조립체결작업 인건비 절감은 기본적으로 작업공정 간소화에서 창출된다. 암나사 가공공정과 풀림방지작업 공정이 제거된다는것은 조립비용의 30%이상의 절감을 의미하며, 부품종류가 크게 줄게 되므로 조달관리에 소요되는 비용역시 크게 줄어들수 있음은 자명한 사실이다. (표1)은 탭타이트 적용에 의한 원가절감사례 중 생산비용을 설명하고 있다.

V. 모조품 TAPTITE 스크류들이 문제점
인천의 S사는 기계장비 생산업체로 조립비용절감의 방안으로 TAPTITE 스크류를 구매하여 사용하여 왔다. 잦은 조립체결불량으로 생산성저하가 많은것은 물론 최근에는 판매된 기계장비의 스크류하자 문제까지 발생하여 비용의 낭비는 물론 골치를 썩혀왔다. 최근 원인을 파악해보았으며 배전판에 사용된 탭타이트 스크류가 모두 모조품으로 판명되었다. 스크류의 문제는 상당부분 사후에 발생되며, 빼지도 박지도 못하는 난처한 상황을 유발하는 경우도 잦다. 따라서, TAPTITE 스크류사용에 유의하여야 하며 생산이 허용된 업체의 정품만을 사용하여야 한다. 여기 모조품들의 문제점을 몇 가지 소개한다.

* 스크류의 유효직경 불량 ? 단순히 모재에 체결을 시키기 위해 나사의 유효직경을 감소시키거나, 규격에 미치지 않는 작은 스크류를 생산하여 판매하는 경우가 많다.
* 열처리 불량 - 스크류 목부부이 파단되거나 심지어 모재를 파괴시키거나 과다한 칩이 발생된다. TAPTITE스크류의 특성상 모재를 Thread Forming 하며 체결되어야 함으로 균일한 경도를 유지하는 것이 중요하다.
홀사이즈 적용문제 ? 스크류의 규격별 적용 홀사이즈 정보 및 체결 적정 TorqueE에 대한 정확한 측정 및 기술지원 없이 편의데로 홀사이즈를 적용하는 경우 체결과정 중 과토크 또는 저토크 적용으로 인한 체결불량이 발생한다.

국내에서도 이제 몇몇 업체에서 정품 TAPTITE? 스크류가 생산되고 있으므로 궂이 모조품 탭타이트를 사용하여 불량체결의 리스크를 떠안을 필요가 없다. 정품 TAPTITE 스크류는 엄격히 관리되는 기술기준이 있고 철저한 기술지원이 뒤 따르며, 중요사항은 아래와 같다.
1. 스크류의 선재 선정
2. 정품 다이스 관리.
3. 엄격한 스크류 생산공정 관리
4. 업체의 모재에 따른 적정 홀사이즈 관리
5. 적정 체결토크 기술지원


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