볼트와 나사의 수하를 빠르고 정확하게 측정하는 방법

수하란?

표면적은 입체 표면의 면적이며 보이는 부분의 면적입니다. 표면적은 질감·밀착성·미끄럼성·방열성 등 거칠기 등의 지표와 함께 기능성 평가에 있어서 중요한 지표 중 하나입니다. 예를 들어 금속 파단면이나 마찰면, PGA나 레이저 마커에 의한 각인 등은 표면적을 측정함으로써 다양한 정보를 얻을 수 있습니다.

나사산의 구조

나사산은 나선형으로 되어 있고 나선은 원통에 직각 삼각형을 감은 선으로 되어 있습니다. 이 선을 「나선」이라고 하며 나선형의 산과 골은 마찰력이나 강도·정밀도 등이 잘 기능하도록 하기 위해 위해서 다양한 구조를 가지고 있습니다.
또한 나사가 1회전했을 때 축 방향으로 이동 한 거리를 「리드」라고 하며 한 줄 나사에서는 리드와 피치가 동일합니다. 리드에 대한 나사 1회전분의 길이가 만드는 각도를 「리드 각」이라고 합니다.

전체 나사와 반 나사의 차이

볼트와 나사의 나사산에는 가장 중요한 기능인 체결력(나사의 조임에 의한 고정력)과 부품을 서로 붙이는 힘이 있습니다. 그리고 나사산의 종류에는 수하 모두에 나사산이 있는 「전체 나사」와 중간까지만 나사산이 있는 「반 나사」가 있습니다.
전체 나사는 체결력이 강하기 때문에 강력한 고정력을 발휘합니다. 그러나 예를 들어 두 장의 판 사이에 틈이 있으면 틈을 없애고 붙일 수 없습니다. 한편 반 나사는 체결력을 하나의 판에만 부여할 수 있기 때문에 겹치는 부품을 틈없이 붙이는 경우에 사용합니다.

예: 2장의 판을 고정하는 경우

전체 나사에서는 머리 부분까지 조이면 더 조여도 틈이 남는다.
반 나사의 경우 한쪽의 판에만 나사의 힘이 가해져 당겨지므로 틈새가 없어진다.

• 체결력
• 판에 가해지는 힘

수하 R의 역할

머리에서 수하로 이어지는 부분은 급격한 단면 변화가 있기 때문에 응력 집중이 발생하여 피로 파괴에 의한 「머리 날리기」라고하는 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상이 발생하지 않도록 하기 위해서 「수하 R」 가공을 합니다. 이 부분을 각 R로 하고 표면의 요철을 없애 피로 강도를 올립니다. 따라서 수하 R은 볼트와 나사의 강도에 큰 영향을 미칩니다. 또한 최근에는 응력 집중에 대한 대책으로서 R과 테이퍼를 조합한 형상이 유효하다는 연구 결과도 보고되고 있습니다.
덧붙여 수하 R은 「수하 전압」이라고 하는 공법으로 고정도로 가공해야 하며 특히 높은 강도가 필요한 항공기 엔진용 볼트 등에 적용하고 있습니다.

기존의 수하 R 측정 과제

나사의 품질은 제조 기술의 발전에 따라 향상되었지만 완전히 불량 발생을 방지하는 것은 어렵습니다. 버나 균열, 결함(크랙), 변형, 치수 어긋남, 수하 R의 성형 불량 등이 발생하면 체결 부품으로서의 기능을 할 수 없을 뿐만 아니라 그 나사·볼트를 사용한 제품의 파손 등의 문제로 연결됩니다. 여기에서는 나사·볼트의 제조 공정에서의 일반적인 불량과 발생 요인을 소개하겠습니다.

투영기를 이용한 수하 R 측정 과제

광학 측정기의 일종으로 측정 원리는 광학 현미경과 유사합니다. 물체를 받침대에 올려 놓고 아래에서 빛을 비추면 물체의 윤곽이 화면에 투영됩니다. 대형 중에는 스크린 직경이 1 m가 넘는 제품도 있습니다. 나사의 수하 R을 측정 할 경우 나사를 정확하게 위치를 맞춰야 합니다.

• 형상이 입체적이므로 수하 전면에 초점을 맞추는 것이 어렵습니다. 또한 2차원 투영도에서는 어디까지가 수하 R인지의 정의가 어렵고 사람에 따라 기준이 다르기 때문에 측정값에 편차가 생깁니다. 게다가 치수나 도면과의 차이점 수치를 취득할 수 없고 윤곽 형상은 트레이스지에 전사 하는 등 데이터의 보존이나 비교가 어렵습니다.
• 투영기는 절단면에 수직인 방향에서 관측해야만 단면 형상이 얻어지므로 대상 물체를 수하 R 부분이 보이도록 놓고 정확하게 레벨링한 상태로 측정해야 합니다. 이 때 대상 물체의 놓는 방법을 결정할 수 없다는 문제가 있었습니다.

이와 같이 현장의 모든 사람이 정확하게 측정할 수 있는 능력이 있는 것이 아니고 측정할 수 없는 부분이 있으며 나아가 대상 물체에 따라서는 절단이 절단해서 측정해야 하는 등의 문제가 있었습니다.

윤곽 형상 측정기를 이용한 수하 R 측정 과제

윤곽 형상 측정기는 스타일러스라고 하는 프로브를 이용하여 대상 물체의 표면을 추적하여 그 윤곽 형상을 측정, 기록하는 장치입니다. 최근에는 프로브 대신 레이저를 이용하여 비접촉으로 윤곽을 스캔함으로써 복잡한 형상의 측정에 대응할 수 있는 기종도 있습니다. 또한 기종에 따라서는 상하 양면의 측정이 가능한 제품도 있습니다.
윤곽 형상 측정기를 이용하여 볼트나 나사를 측정하는 경우 레벨링을 합니다.

이 측정 방법에는 다음과 같은 과제가 있습니다.

• 대상 물체를 지그에 고정하거나 레벨링 등의 작업에 시간이 걸립니다. 또한 정확한 레벨링을 위해서는 윤곽 형상 측정기에 관한 지식이나 스킬이 필수입니다.
• 윤곽 형상 측정기의 프로브는 촉침 암의 지점을 중심으로 상하 원호 운동을 하며 프로브 선단 위치는 X 방향으로도 이동하기 때문에 X축 데이터에도 오차가 발생합니다.
• 원하는 대로 프로브를 통과시키는 작업은 매우 어렵고 미묘한 프로브의 어긋남이 측정값 편차의 원인이 됩니다.

볼트·나사 측정에서의 과제 해결 방법

기존에 사용되고 있는 일반적인 측정기는 대상 물체의 고정에 시간이 걸리고 입체적인 대상 물체·측정 부분을 점이나 선으로 접촉하면서 측정한다는 과제가 있습니다. 이러한 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉으로 면에서 정확하게 포착할 수 있습니다. 또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이 때문에 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정할 수 있습니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 「면」전체의 형상을 취득.그래서 누구나 측정할 수 있다

측정 알고리즘과 하드웨어를 전면적으로 재검토해 최고 속도 1초라는 측정 스피드를 실현. 순식간에 면 전체 정보를 스캔합니다. 나사의 수하 R이나 나사산의 피치 등 원하는 포인트도 자유롭게 측정 가능합니다. 사람에 의한 측정값의 편차도 없습니다.
「VR 시리즈」는 최고 속도 1초라는 압도적인 스피드로 대폭적인 N수 증가와 함께 업무시간이 단축됩니다. 이는 측정 품질의 향상, 검사 인원의 생산 인원으로의 전환, 생산량 증가를 위한 서포트 등으로 이어집니다. 시제품 평가나 출하 전 검사 등 빠른 측정 속도가 다양한 측정 업무를 개선합니다.

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장점 2: 편차가 생기지 않는다

스캔한 3D 형상의 데이터는 PC 화면에서 다채로운 보조 툴을 사용해 임의의 위치에 올바르게 수직인 프로파일 선을 그릴 수 있기 때문에 측정 결과에 편차가 생기지 않습니다. 예를 들어 툴의 원통형 축 툴을 사용하면 볼트나 나사를 편차 없이 측정 라인을 결정할 수 있습니다.

일단 워크를 스캔하면 과거에 측정했던 포인트와 다른 포인트의 프로파일(단면 형상)을 측정하는 것도 가능합니다. 일부러 동일한 고체를 다시 준비하고 재측정할 필요가 없습니다. 또한 과거의 데이터를 활용하여 로트나 가공 조건, 재료 등이 다른 동일 형상의 워크와의 차이를 쉽게 확인할 수 있습니다.

장점 3: 대상 물체의 크기를 판단해 측정 범위를 자동 설정

「VR 시리즈」는 대상 물체의 퍼짐이나 높이를 자동적으로 인식해 최적의 측정 범위를 자동 설정하는 Smart Measurement 기능을 탑재. 일반 측정기에서는 필수인 측정 길이나 범위 등의 설정이 전혀 필요 없기 때문에 측정이 일부 누락되는 등의 실수가 발생하지 않습니다.
또한 3차원에서의 위치도 자동으로 정밀도 높게 맞출 수 있습니다.기울기, 기준면, 높이의 어긋남 등 다양한 요소를 고려하여 미세 조정을 쉽게 할 수 있습니다.

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요약: 측정하기 어려운 볼트와 나사 각부의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정 가능. 외경이나 유효 직경, 골의 직경이나 나사산의 각도, 나아가 피치나 수하R등 어려운 측정도 최고 속도 1초만에 완료. 기존 측정기의 모든 과제를 해결할 수 있습니다.

• 비접촉이므로 스타일러스가 닿지 않는 부분도 단면 측정 가능. 수하 R도 나사산 피치도 간단하고 정확하게 측정할 수 있습니다.
• 사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적으로 측정할 수 있습니다.
• 위치 결정 등의 작업없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작을 통해, 특정 측정능력이 있는 작업자만 측정할 수 있었던 문제점을 해소합니다.
• 간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 대상 물체를 측정할 수 있어 품질 향상에 도움이 됩니다.

그 외에도 과거의 3D 형상 데이터나 CAD 데이터와의 비교, 공차 범위 내에서의 분포 등을 간단하게 분석할 수 있기 때문에 제품 개발이나 제조 경향 분석, 샘플링 검사 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

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