볼트 자리면 형상에 따른 체결 마찰 특성

Abstract

자동차, 항공기에서부터 스마트폰 등 휴대용 전자기기까지 부품 결합이 필요한 대부분의 제품들의 제조과정에 볼트 체결 조립 공정이 포함된다. 자동차 1대를 조립하는 데에는 평균적으로 3,500개의 볼트가 필요하는 등 제품 제조에 있어서 볼트 체결 공정은 제품 품질의 근간을 이루는 중요한 요소라 할 수 있다. 생산기술의 자동화와 기술 고도화가 빠르게 진행되고 있는 오늘날, 수 천개의 볼트 체결을 자동화 하기 위해서는 체결 공정을 정밀하게 제어할 수 있어야 한다. 체결 축력이 부족하면 볼트가 풀리는 문제가 발생하고, 체결 축력이 과하게 작용하면 과잉 체결에 따른 볼트 및 제품의 파손 우려가 있기 때문이다. 따라서 적정 체결 축력을 가하는 것은 꼭 필요한 기술이며 이를 위해서는 적정 체결 토크를 알고 있어야 한다. [1-3] 하지만 여러 요소인자로 인해 발생하는 체결 토크의 편차 문제로 인하여 체결 자동화에 여전히 어려움을 겪는 실정이다. 본 연구에서는 체결 토크를 결정하는 중요 요소 중 하나인 자리면 마찰 특성이 볼트 자리면 형상에 따라 어떻게 달라지는지 분석한다. 먼저 축력에 따른 체결 토크를 매우 높은 분해능으로 측정하는 동시에 볼 조인트를 이용하여 볼트 자리면과 강판 사이에 면대면 마찰이 원활하게 이루어질 수 있도록 실험을 구축한다. 마찰실험 결과 볼트 제조과정에서 형성되는 구배각에 의해 강판과의 접촉이 자리면 바깥쪽 위주로 발생한다는 것을 확인하고, 이를 정량적으로 파악하기 위해 볼트와 강판의 표면 형상을 광학 프로파일러를 통해 측정한다. 이에 더하여 볼트와 강판의 표면 형상 프로파일을 이용하여 곡률 반경을 각각 계산하고, 헤르츠 접촉 이론을 이용하여 자리면의 접촉면적을 재정의한다. 새로 정의한 자리면 접촉면적을 바탕으로 체결 토크값을 이론적으로 계산할 수 있으며, 정밀하게 측정한 실제 실험값과 비교하여 경향을 확인한다.