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1. 나사의 정의

일반적으로 원통재료의 표면에 나선 모양으로 홈을 판 것을 나사라 한다. 원통의 바깥쪽 표면에 홈을 판 것을 수나사, 원통의 안쪽 표면에 홈을 판 것을 암나사라 한다. 홈을 팔 때 생긴 나선 모양의 돌기가 나사산이다. 원뿔의 표면에 나사산을 만든 것을 테이퍼 나사라 한다. 나사를 축방향으로 보아 시계방향, 즉 오른쪽으로 돌려서 전지하는 나사산을 가진 것을 오른나사라 하고, 그 반대의 나사산을 가진 나사를 왼나사라 한다. 보통 나사라 하면 오른나사를 말한다.

1개의 나사에 나사산이 1개인 것을 한줄나사, 2개인 것을 두줄나사, 3개인 것을 세줄나사, 3개 이상인 것은 여러줄나사라 한다. 또 1개의 나사산에서 다음 나사산까지의 간격을 피치라 한다. 피치는 나사를 1회전시켰을 때 진행한 거리이다. 나사가 그 축 주위로 1회전했을 때 나사산이 축방향으로 진행한 거리를 리드라고 한다.

한줄 나사에서 리드는 피치와 같지만, 그 외의 나사에서 리드는 피치에 줄수를 곱한 거리가 된다. 나사는 그치수법ㆍ형상이 규격에 따라 정해져 있다. 나사의 치수법은 보통 바깥지름으로 표시된다.
10mm나사라고 하면 바깥지름이 10mm인 나사를 말한다. 바깥지름을 기준으로 나사산의 모양, 피치 등이 결정되며 한국에서는 한국공업규격(KS)에 나사의 규격이 정해져 있다.
나사산의 모양에 따라 각각 나사의 호칭이 있는데, 주로 죄임용으로 이용되는 삼각형 나사산을 삼각나사라 한다.

같은 지름에 대해 피치가 큰 것과 작은 것이 있는데 큰 것을 보통나사, 작은 것을 가는나사라고 한다. 2개 또는 그 이상의 부품을 죄는데 이용하는 것으로 볼트와 너트가 있는데, 이것에 이용되는 나사는 보통나사가 많다. 가는나사는 기계부품의 이음에 주로 사용된다. 나사산이 사각인 것을 사각나사라고 하는데 마찰이 적으므로 바이스ㆍ프레스ㆍ잭 등의 힘을 전달하는데 많이 사용된다.

나사산이 사다리꼴 모양인 사다리꼴나사는 선반의 어미나사로서 이용된다. 전구와 그 소켓에도 나사가 이용되며, 충격이나 먼지/모래 등이 들어가기 쉬운 곳에 사용되는 둥근나사도 있다. 작은 죔용 나사 또는 나무나사 등의 머리 부분에는 나사를 돌리기 위한 작은 홈이 패여 있다. 십자 모양 홈을 판 것을 십자홈나사라 하는데, 이것은 나사를 돌릴 때 머리 부분의 손상이 적다. 나사의 용도는 죔용뿐만 아니라 회전운동의 속도변환, 작은 회전력으로 큰 힘을 내는데도 이용된다. 또 나사의 1회전으로 1피치 진행하는 성질을 이용하여 마이크로미터와 같이 길이를 정밀하게 측정하는 측정기로도 이용된다.

2. 나사의 기본

그림과 같은 직각 삼각형을 원통에 감으면 그림에서 보는 것과 같이 직각 삼각형의 빗면이 원통면 위에 입체적인 곡선을 그리게 되는데 이것을 나선이라고 하며 이 나선이 원통 외면에 감아진 것이 수나사, 내면에 감아진 것이 암나사이다.나사의 기본

3. 나사의 각부 명칭

리드 (Lead)

나사를 1회전 시켰을 때, 축방향으로 전진하는 거리를 말한다.
그림(1)에서 보면 선분FG가 리드가 되며 빗변AF와 밑변AG가 이루는 각을 리드각이라고 하며 식으로 다음과 같이 나타낸다.
˚  tan λ = L/πd

피치 (Pitch)

서로 인접되어 있는 나사산과 나사산 사이의 거리를 피치라고 하며 1줄나사에서는 리드와
피치가 같지만 2줄나사에서는 L=2p, 3줄나사에서는 L=3p, n줄나사에서는 L=np가 된다.

나사각 α

축선을 포함한 단면형에서 측정한 인접된 2개의 빗면이 이루는 각.

바깥지름 (호칭치수)

수나사의 산마루에 접하는 가상적인 원통의 지름.

골지름

수나사에 있어서는 최소지름, 암나사에 있어서는 최대지름.

안지름

암나사에서 최소지름.

유효지름

나사산 사이의 홈의 폭과 산의 폭이 같게 되는 가상적인 원통의 지름.

유효지름

4. 나사의 종류

나사는 용도에 따라 체결용 나사, 조정용 나사, 전동용 나사로, 나사산의 모양에 따라 삼각나사, 사각나사, 사다리꼴나사, 톱니나사, 둥근나사 등으로 분류되며, 호칭에 따라 미터나사, 인치나사 등으로 분류된다. 또한 나사의 피치에 따라서는 보통나사, 가는나사 등으로 나뉘며 그 외에 여러 나사들이 있다.

미터나사

나사의 호칭지름을 mm로 나타내고 나사산의 각도는 60°이며, 일반적으로 기계류에 많이 사 용되는 나사이다. 나사산의 형상은 산마루는 평탄하게 깎고, 골은 둥금새를 주어서 끼워맞 춘 후에 반달모양의 틈새가 생긴다.

미터나사

휘트워드 나사

영국의 휘트워드에 의해 제안된 영국 표준나사이다. 나사산의 각도는 55°이며 피치는 1 인치에 대한 나사산의 수로 표시한다. 이 나사는 수나사와 암나사 사이에 유격이 조금 도 없으며 정확한 공구로 절삭하지 않으면 정확하게 접합이 되지 않는 결점 때문에 우 리 나라에서는 폐지되었다.

유니파이 나사

나사의 호칭지름은 인치로 나타내고 나사산의 각도는 60°인 나사이며, ABC나사라고도 한다. 나사의 형상은 미터나사와 같다. 이 나사는 휘트워드 나사 대신에 사용되고 있다.

유니파이 나사

삼각 나사

나사선이 삼각형인 나사. 주로 체결용 나사로 쓰인다.

사각 나사

나사산이 직사각형인 나사. 축방향으로 큰 힘을 전달할 수 있고, 마찰이 적기 때문에 바이 스, 프레스, 잭 등 힘을 전달하는 기계의 부품으로 사용된다. 사각 나사는 공작이 어렵다.

사각 나사

사다리꼴 나사

나사산이 직사각형인 나사. 축방향으로 큰 힘을 전달할 수 있고, 마찰이 적기 때문에 바이 스, 프레스, 잭 등 힘을 전달하는 기계의 부품으로 사용된다. 사각 나사는 공작이 어렵다.

사다리꼴 나사

각 나사

삼각나사보다 마찰이 적고 자동 중심작용이 없으므로, 축하중 방향이 일정하고 큰 하중의 전 달에 쓰이는 잭, 프레스 등에 사용한다.

둥근 나사

나사산과 골을 같은 원호로 연결한 모양이다. 나사산과 골이 다 같이 둥글기 때문에 먼지, 모래가 끼기 쉬운 전구, 호스 등의 연결부 등에 사용된다.

둥근 나사

톱니 나사

나사산의 단면이 톱니 모양이며 삼각 나사와 사각 나사의 장점을 모두 가지고 있으며 한쪽 방향으로 강력한 축하중을 전달하는 경우에 적합하다. 힘을 받는 면은 축에서 직각이고 나 사산의 각도는 30°와 45°의 두 가지가 있다.

톱니 나사

볼 나사

수나사의 골과 암나사의 골에 원형의 단면의 통로를 만들고, 볼을 넣어 볼이 너트 속의 통로 를 지나 순환하도록 만든 나사이다. 일반 나사보다 마찰계수가 적고, 백래쉬를 작게 할 수 있다. 이 나사는 자동차의 스터링 장치, 수치 제어 공작기계의 공구대 이동장치, 항공기 날개 의 플랩 작동장치 등으로 쓰인다.

보통 나사

나사의 지름에 대하여 피치가 1종류 밖에 없는 나사로서 볼트와 너트 등에 일반적으로 사 용된다.

가는 나사

보통 나사에 비하여 지름에 대한 피치와 산의 높이가 작은 나사를 말하며 주로 진동과 충격 등을 받는 기계 부분, 기밀을 요하는 부분 등에 사용된다.

관용 나사

나사의 호칭지름을 인치로 나타내며 나사산의 각도는 55° 이며, 나사의 지름에 대한 피치 의 비율은 휘트워드 가는 나사의 2호와 비슷하다. 일반적으로 가스관의 이음용인 나사로서 관이음은 가스관의 끝부분에 수나사를 만들고 관과 관과의 결합에 사용되고 있다.

태핑 나사

암나사를 만들지 않고 바탕 구멍만으로 비틀어 박는 나사로서 박판을 고정할 때 사용한다.

5. 나사의 표시법

앞 나사의 종류와, 치수 등을 표시할 경우에는 다음과 같이 수나사의 산봉우리, 암나사의 골 밑에서 지시선을 긋고, 그 끝에 보기와 같이 차례대로 기호를 적는다.

나사의 표시법

위에서 감긴 방향은 왼나사의 경우에만 표시하고 오른나사의 경우에는 표시하지 않는다. 줄 수도 1줄은 표시하지 않고 2줄 이상만 표시한다.

※ 나사의 호칭은 다음과 같이 구성되어 있다.

피치를 mm로 표시하는 나사의 경우

피치를 mm로 표시하는 나사의 경우는 『나사의 종류를 표시하는 기호, 나사지름을 나타내는 숫자 x 피치』로 나타낸다. 그러나 미터 보통 나사인 경우에는 나사의 호칭치수가 정해지면 피치는 아울러 정 해지므로 피치부분은 생략하는 것이 원칙이다.
다음은 미터 가는 나사와 미터 보통 나사의 표시법을 비교해서 보여주고 있다.

피치를 mm로 표시하는 나사의 경우

피치를 산의 수로 표시하는 경우 (유니파이 나사는 제외)

피치를 산의 수로 표시하는 경우는 『나사의 종류를 표시하는 기호, 수나사의 지름을 나타내는 숫자, 산, 산의 수』로 나타낸다.

피치를 산의 수로 표시하는 경우 (유니파이 나사는 제외)

유니파이 나사의 경우

유니파이 나사의 경우는 『나사의 지름을 표시하는 숫자 또는 호칭-산의수, 나사의 종류를 나타내는 기호』로 표시된다. 다음 보기와 같다.

유니파이 나사의 경우

※ 다음 표는 나사의 종류를 표시하는 기호 및 그 보기에 관한 것이다.

나사의 종류를 표시하는 기호 및 그 보기에 관한 것이다.
구분 나사의 종류 나사의 종류를
표시하는 기호
나사의 호칭에 대한
표시방법의 보기
관련 규격
일반용 ISO 규격에 있는 것 미터 보통 나사 M M6 (M6x1.0) KS B 0201
미터 가는 나사 M6x0.75 KS B 0204
미니츄어 나사 S S0.5 KS B 0228
유니파이 보통 나사 TNC U 3/8-16UNC KS B 0203
유니파이 가는 나사 UNF No 8-36 UNF KS B 0206
미터 사다리꼴 나사     KS B 0229
관용 테이퍼 나사 (영국식) 테이퍼 수나사 R R 1/8 KS B 0222
테이퍼 암나사 Rc Rc 1/4
평행 암나사 Rp Rp 3/8
ISO 규격에 없는 것 관용 평행 나사 G G 1/2 KS B 0221
30°사다리꼴 나사 TM TM 18 KS B 0227
29°사다리꼴 나사 TW TW 18 KS B 0226
관용 테이퍼나사 테이퍼 나사 PT PT 7 KS B 0222
평행 암나사 PS PS 7
관용 평행 나사 PF PF 7 KS B 0221
관용 테이퍼 나사 (미국식) NPT NPT 1/8
특수용 후강 전선관 나사 CTG CTG 16 KS B 0223
박강 전선관 나사 CTC CTC 19
자전거 나사 일반용 BC BC 3/4 KS B 0224
스포크용 BC 2/6
미싱 나사 SM SM 1/4 산 40 KS B 0225
전구 나사 E E10 KS C 7702
자동차용 타이어 밸브 나사 TV TV 8 KS R 4006
자전거용 타이어 밸브 나사 CTV CTV 8 산 30KS R 8044

6. 나사의 지역별 사용 분포

1) 아시아 - 미터나사(M), 관용평행나사(G), 관용테이퍼나사(R,Rc)
2) 유럽 - 미터나사(M), 관용평행나사(G), 관용테이퍼나사(R,Rc)
3) 미주 - 유니파이나사(UNF), 관용테이퍼나사(NPT)
4) 기타지역 - 미터나사(M), 관용평행나사(G), 관용테이퍼나사(R,Rc)

7. 나사의 역학

나사의 역학

사각 나사를 죌 때 너트에 의해 작용하는 힘을 Q로 나타내면 나사를 죄어줄 때와 풀어줄 때의 힘은 다음과 같다. 마찰각을 ρ라 놓는다.

나사의 역학

위의 식에서 나사를 풀 때 필요한 토크를 보면 ρ < λ 일 때, 토크는 음의 상태로 되며 자연스레 나사가 풀리게 된다. ρ = λ 일 때는 토크는 0이되고, 나사는 자연 상태에서 받혀지고 그 위치에서 정지한다.
이것을 자연체결이라고 한다. ρ > λ 일 때, 토크는 양의 값이 되고 나사를 푸는데 힘이 든다. 그러므로 나 사가 자립상태를 유지하려면 ρ ≥ λ 가 되어야 한다.
삼각 나사의 경우는 다음과 같은 식이 적용된다. 여기서 μΔ은 마찰계수이다.

나사의 역학

나사의 효율

나사를 1회전 하는 동안에 이루어진 유효한 일량과 실제로 행한 일량과의 비를 나사의 효율이라 한다.

나사의 효율

그러므로 나사 효율을 식으로 나타내면 아래와 같다.

나사의 효율

위 식에서 효율은 리드각이 약 45˚일 때 최대가 된다.