개념 한 쪽
나사는 형상과 용도에 따라 체결용, 이송용, 동력 전달용 등으로 구분한다. 대표적 형태로는 삼각(3각) 나사와 사각(4각) 나사, 사다리꼴(애크미) 나사, 볼 나사 등이 있으며 너트 형상도 용도에 따라 달라진다. 나사의 동작 특성은 피치·리드·리드각과 마찰각의 관계로 설명한다.
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출제기준 단원 「나사」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 3각과 4각 나사의 성질 비교 | 1 | 삼각형·사각형 나사별 마찰 특성과 용도 차이를 구분하는 능력 |
| 동력 전달·이송용 나사 선정 | 1 | 동력 전달이나 이송에 적합한 나사 형상을 고르는 능력 |
| 누유 방지용 너트 종류 판단 | 1 | 나사 연결부에서 유체 누출을 막는 너트 구조를 선택하는 능력 |
3각 나사(삼각나사)는 나사산 모양이 삼각형이며 접촉 면적이 넓어 마찰이 크고 자립 성질이 뛰어나 체결용에 적합하다고 본다. 마찰이 크면 풀림이 어렵고 고정이 잘되지만 회전 시 에너지 손실이 커 이송 효율은 낮다. 반대로 4각 나사(사각나사)는 마찰이 작아 이송 효율이 높고 물체를 밀거나 당기는 이송용으로 주로 사용한다.
사다리꼴 나사(Acme, 애크미)는 가공성이 좋고 적절한 마찰 특성을 가져 이송용, 선반의 리드, 바이스 등 공작기계의 이송 및 클램핑에 널리 사용한다. 볼 나사는 나사와 너트 사이에 구슬을 넣어 구름 마찰로 동작하므로 마찰계수가 매우 작아 효율이 높고 백래시를 작게 할 수 있어 NC 공작기계의 정밀 이송에 적합하다.
나사의 규격과 산각도 구분할 요소이며 유니파이나사(UNC)는 산각 60°에 인치 단위를 사용하는 일반용 나사로 분류한다. 피치(Pitch)는 인접 나사산 간격을 의미하고 리드(Lead)는 한 바퀴 회전 시 축방향 이동거리로, 다중 나사에서는 리드 = 피치 × 줄수 관계가 성립한다.
나사의 효율은 입력 일률과 출력 일률의 비로 정의한다. 회전력 P0와 유효지름 d2를 이용하면 입력 일률은 2πd2P0이고, 축하중 Q가 피치 p만큼 이동하는 출력 일률은 Qp가 되므로 이상적(마찰 없음)일 때 2πd2P0 = Qp 관계가 성립한다. 또한 나사가 자립(self-locking)하려면 리드각 λ가 마찰각 ρ보다 작거나 같아야 하며 이를 λ ≦ ρ로 표현한다.
나사 효율 식 예시로 회전력과 하중의 관계를 확인한다. 마찰이 전혀 없다고 가정하면 입력 일률(2πd2P0)과 출력 일률(Qp)이 같아져 2πd2P0 = Qp 관계를 얻는다. 이를 이용해 한 문제의 정답 근거를 검토할 수 있다.
다중 나사 리드 계산 예시로 3줄 나사 피치 4.5mm인 경우 리드는 4.5 × 3 = 13.5mm가 되고, 120° 회전 시 이동거리는 13.5 × 1/3 = 4.5mm가 되는 절차로 풀이한다.
4각 나사와 비교한 3각 나사의 일반적인 특징으로 틀린것은?
정답 ③ · 3각 나사(삼각나사)는 4각 나사(사각나사)에 비해 나사산의 마찰면적이 넓어 마찰계수가 큽니다. 마찰계수가 크기 때문에 자립(Self-lock) 작용이 확실하여 체결용(볼트, 너트 등)으로 매우 적합합니다.
3각 나사는 마찰면적이 넓어 마찰계수가 크므로, 마찰계수가 작다는 설명이 틀렸다.
다음 중 동력 전달용으로 가장 적합한 나사는?
정답 ④ · 문항은 동력 전달용에 적합한 나사 형상을 묻고 있다. 동력 전달에서는 효율과 내구성이 중요하므로 마찰이 적고 하중 전달에 유리한 사다리꼴 나사가 가장 적합하다.
동력 전달용 나사는 마찰이 적고 효율이 높은 사다리꼴 나사가 가장 적합하다.
나사의 구멍을 통해 유체가 새어 나오는 것을 방지하는 너트로 가장 적합한 것은?
정답 ③ · 문제는 나사 구멍을 통해 유체가 새어 나오는 것을 막기 위한 적절한 너트를 묻고 있다. 나사 끝을 물리적으로 막아 유체 누출을 차단하려면 끝을 덮는 캡형 구조가 필요하므로 캡너트가 가장 적합하다.
나사 구멍의 유체 누출을 방지하려면 나사산 끝을 막아주는 캡형 구조의 너트가 적합하다.
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