KR102013986B1 - 체결 방법 - Google Patents

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KR102013986B1
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토마스 포제르
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힐티 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 베이스 부재(100) 상에 부품(190)을 체결하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법의 경우, 베이스 부재(100) 내에는 힘 전달면(220)을 구비하면서 깊이 방향(160)을 정의하는 블라인드 홀(110)이 제조되고, 이 블라인드 홀은 깊이 방향(160)으로 깊이(T)를 가지며, 힘 전달면(220)은 절반의 원뿔 개방각(β) 및 평균 지름(d)을 갖는 원뿔대형이고, 블라인드 홀(100)은 원뿔 개방각(α)을 갖는 원뿔형 블라인드 홀 바닥부(120)와, 자체의 테두리에서 깊이 방향(160)으로 사면 깊이(L)까지 연장되는 사면부(230)를 포함하고, 상기 방법에 따라서 체결 부재(130)는 힘 전달면(220)을 통해 블라인드 홀(110) 내에 정착되며, 부품(190)은 체결 부재(130)에 의해 파지된다.

Description

체결 방법{FASTENING METHOD}
본 발명은 베이스 부재 상에 부품을 체결하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법의 경우 베이스 부재 내에 블라인드 홀이 제조되고, 체결 부재는 블라인드 홀 내에 정착(anchoring)되며, 부품은 체결 부재에 의해 파지된다.
블라인드 홀은 통상 자체의 첨단에 절단 날(cutting edge)을 장착한 드릴로 제조된다. 절단 날은 각각의 블라인드 홀의 깊이 방향에 대해 경사지게 배치되어 깊이 방향을 중심으로 하는 회전을 통해 원뿔형 블라인드 홀 바닥부를 완성한다. 블라인드 홀의 테두리는 적어도 하나의 사면부(bevel)를 포함하며, 그럼으로써 사면부와 블라인드 홀 바닥부 사이에는 깊이 방향으로 연장되는 힘 전달면(force transmission surface)이 형성되고, 이 힘 전달 면에는 예컨대 체결 부재의 셀프 태핑 나사선(self-tapping thread)이 상대 나사선(mating thread)을 새겨 만든다. 블라인드 홀 바닥부와 사면부는 통상 체결 부재와 베이스 부재 간의 힘 전달에 기여하지 않는다.
최대한 높은 파지력(holding force)을 달성하기 위해, 통상 깊게 천공(drilling)하고 그에 상응하게 긴 체결 부재를 이용하는 것만으로도 충분하다. 사전 설정된 두께를 가지면서 더 나아가 관통 천공되지 않아야 하는 판형 베이스 부재의 경우, 블라인드 홀의 깊이 그리고 그에 따라 블라인드 홀 내에서의 정착을 위해 유효한 체결 부재의 길이는 제한된다.
본 발명의 과제는, 블라인드 홀 깊이가 지정된 조건에서 블라인드 홀 내에서 체결 부재의 높은 파지력이 보장되는 것인 체결 방법을 명시하는 것에 있다.
상기 과제는, 베이스 부재 상에 부품을 체결하기 위한 방법에 있어서, 베이스 부재 내에는 표면 면적(A)의 힘 전달면을 가지면서 깊이 방향을 정의하는 블라인드 홀이 제조되고, 이 블라인드 홀은 깊이 방향으로 10㎜ 미만의 깊이를 갖고, 힘 전달면은 0° 내지 20°인 절반의 원뿔 개방각(β) 및 평균 지름(d)을 갖는 원뿔대형이고, 블라인드 홀은 60° 내지 180°의 원뿔 개방각(α)을 갖는 원뿔형 블라인드 홀 바닥부와, 자체의 테두리에서 깊이 방향으로 0㎜ 내지 2㎜의 사면 깊이(L)까지 연장되는 사면부를 포함하고, 힘 전달면(A)의 평균 지름(d)은 0.3의 최대 면적 공차(k)를 가지면서
최소
Figure 112016107418046-pct00001
이고,
최대
Figure 112016107418046-pct00002
이며,
상기 방법에 따라서 체결 부재는 힘 전달면을 통해 블라인드 홀 내에 정착되고, 부품은 체결 부재에 의해 파지되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법을 통해 해결된다.
이 경우, 베이스 부재는 바람직하게는 금속 또는 합금으로 구성된다. 블라인드 홀의 깊이(T)는 바람직하게는 특히 판형 또는 원판형인 베이스 부재의 두께보다 약간 더 작을 뿐이다. 깊이(T)는 바람직하게는 8㎜ 미만이며, 특히 바람직하게는 6㎜ 미만이며, 예컨대 4㎜ 미만이다. 사면부의 사면 깊이(L)는 바람직하게는 0㎜ 내지 0.5㎜이고, 특히 바람직하게는 0㎜ 내지 0.2㎜이고, 예컨대 0.1㎜이며, 0㎜의 사면 깊이는 사면부가 미소 치수(microscopic measure)로만 존재함을 의미한다.
본 발명에서 의미하는 원뿔 또는 원뿔대의 절반의 원뿔 개방각은 블라인드 홀의 깊이 방향으로 향하는 각각의 원뿔의 축과 모선(generatrix) 사이의 각도이다. 원뿔 개방각은 상기 각도의 두 배인 각이다. 바람직하게 원뿔 개방각은 힘 전달면에 대해서뿐만 아니라 블라인드 홀 바닥부에 대해서도 블라인드 홀 바닥부에서부터 블라인드 홀의 테두리까지 개방된다. 힘 전달면의 평균 지름(d)은 원뿔대의 두 선단 단부에서의 지름의 산술 평균이다. 절반의 원뿔 개방각(β)이 0°인 경우, 힘 전달면의 형태는 원뿔대의 특별한 경우로서, 원형 실린더이다. 블라인드 홀 바닥부의 원뿔 개방각(α)은 바람직하게는 88°와 138° 사이, 특히 바람직하게는 98°와 138° 사이, 예컨대 118°이다.
면적 공차(k)는, 최대 가능한 힘 전달면에서, 면적 손실로서 여전히 공차 허용되는 비율이다. k = 0.3의 값은, 힘 전달면이 최대로 가능한 힘 전달면보다 최고 30%만큼 더 작다는 점을 의미한다. 바람직하게는 k = 0.2이고, 특히 바람직하게는 k = 0.1이다. k = 0인 경우, 평균 지름(d)에 대해 명시된 값으로 최대로 가능한 힘 전달면이 달성된다.
부품의 파지는 바람직하게는 이미 블라인드 홀 내에서 체결 부재의 정착을 통해 실현된다. 그러므로, 바람직한 구현예에 따라서, 체결 부재는, 베이스 부재 상에 부품을 파지하는 헤드부를 포함한다. 마찬가지로 바람직하게는 부품은 정착 후에 비로소 체결 부재 상에 체결된다. 그러므로, 바람직한 구현예에 따라서, 체결 부재는 체결 부재 상에 부품을 체결하는 추가 하중 적용 수단을 포함한다. 특히 바람직하게는 축부(shank)가 추가 하중 적용 수단을 포함한다.
바람직한 실시형태는, 블라인드 홀이, 블라인드 홀 바닥부와, 힘 전달면과, 사면부로 구성되는 것을 특징으로 한다. 블라인드 홀 내에서 체결 부재의 정착은 바람직하게는 힘 전달면을 통해서만, 더 나아가서 바람직하게는 형태 결합 방식으로, 마찰 결합 방식으로, 그리고/또는 재료 결합 방식으로 수행된다.
바람직한 실시형태는, 체결 부재가 상대 힘 전달면을 갖는 축부를 포함하며, 상대 힘 전달면은, 블라인드 홀 내에 체결 부재를 정착하기 위해, 힘 전달면과 상호작용하는 것을 특징으로 한다. 특히 바람직하게는, 체결 부재는 예컨대 셀프 태핑 수나사부를 포함한다. 바람직한 실시형태는, 힘 전달면이 암나사부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 특히 바람직하게는, 암나사부는 체결 부재의 수나사부에 대해 상보적이다.
바람직한 실시형태는, 체결 부재가 블라인드 홀 내로 압입되고, 접착되고, 용접되고, 납땜되고, 그리고/또는 나사 결합되는 것을 특징으로 한다. 체결 부재는 바람직하게는 금속, 합금 또는 플라스틱으로 구성되고, 바람직하게는 나사, 못, 리벳, 핀 또는 볼트로서, 특히 바람직하게는 스터드 볼트로서 형성된다.
바람직한 실시형태는, 사면부와 깊이 방향 간의 사면 각도가 30°와 60° 사이인 것을 특징으로 한다. 특히 바람직하게는 사면 각도는 40°와 50° 사이, 예컨대 45°이다. 추가의 바람직한 실시형태는, 베이스 부재의 표면과 깊이 방향 간의 타입 각도(drive-in angle)가 적어도 80°인 것을 특징으로 한다. 특히 바람직하게는 타입 각도는 적어도 85°, 예컨대 90°이다.
바람직한 구현예에 따라서, 블라인드 홀은 베이스 부재 내에 천공된다. 특히 바람직하게는 이를 위해 특히 전기로 작동되는 드릴링 머신이 이용된다. 마찬가지로 바람직하게는 깊이(T)는, 특히 바람직하게는 견부로서 형성된 드릴 정지부를 포함하는 스톱 드릴(stop drill)에 의해 사전 결정된다. 드릴은, 드릴 정지부가 부품 또는 베이스 부재의 표면 상에 안착될 때까지의 길이로 부품 및/또는 베이스 부재 내로 타입된다. 그런 다음 드릴 구멍으로서 형성되는 블라인드 홀의 깊이는, 스톱 드릴의 드릴 비트까지의, 드릴 정지부의 이격 간격과 동일하다. 대안의 구현예에 따라서, 깊이(T)는 드릴링 머신의 깊이 정지부에 의해 사전 결정된다.
일 실시형태에 따라서, 평균 지름은 8㎜보다 더 작거나 같고, 바람직하게는 7㎜보다 더 작거나 같으며, 특히 바람직하게는 6㎜보다 더 작거나 같다. 그 결과, 블라인드 홀은 상황에 따라 상대적으로 적은 시간 비용으로 손으로 파지되는 드릴링 머신으로 제조될 수 있다.
바람직한 일 실시형태에 따라서, 평균 지름(d)은 깊이(T)보다 더 크거나 같으며, 바람직하게는 깊이(T)보다 더 크다.
본 발명은 이하에서 도면들을 참조하여 실시예들에 따라 더 상세하게 설명된다.
도 1은 베이스 부재 상에 체결된 체결 부재를 도시한 도면이다.
도 2는 다양한 블라인드 홀 깊이에 대한 힘 전달면의 평균 지름에 걸친 힘 전달면의 표면 면적을 도시하여 나타낸 그래프이다.
도 1에는, 본 발명의 범위에서 베이스 부재인 플레이트(100)가 도시되어 있다. 바람직하게는 플레이트(100)는 금속, 특히 알루미늄, 또는 합금, 특히 강재, 또는 콘크리트, 특히 다공질 콘크리트, 또는 플라스틱 또는 목재를 포함하거나, 또는 이로써 구성되어 바람직하게는 예컨대 선박, 근해 원유 플랫폼 또는 산업 건물의 벽 또는 바닥을 형성한다. 플레이트(100) 상에 부품(190)을 체결하기 위해, 부품(190)에는 관통공(200)이 천공되고 플레이트(100) 내에는 블라인드 홀(110)이 천공되며, 이 블라인드 홀은 깊이 방향(160)을 정의하면서 깊이(T)에서 블라인드 홀 바닥부(120)를 포함한다. 관통공(200) 및 블라인드 홀(110)은 바람직하게는 차례로 천공된다. 미도시한 실시예들의 경우, 관통공 및 블라인드 홀은 단일의 천공 공정에서, 예컨대 부품을 통과하여 베이스 부재 안쪽으로 천공됨으로써 제조된다.
블라인드 홀 바닥부(120)는 원뿔 개방각(α)을 갖는 원뿔형이다. 블라인드 홀 바닥부에는 깊이 방향(160)의 반대 방향으로 힘 전달면(220)이 이어지며, 이 힘 전달면은 표면 면적(A) 및 평균 지름(d)을 갖는다. 힘 전달면(220)은 절반의 원뿔 개방각(β)을 갖는 원뿔대형이다. 힘 전달면에는 깊이 방향(160)의 반대 방향으로 사면부(230)가 이어지며, 이 사면부는 블라인드 홀(110)의 테두리로부터 깊이 방향(160)으로 사면 깊이(L)까지 연장되면서 예컨대 45°의 사면 각도를 갖는다.
블라인드 홀(110)에는, 축부(150)를 구비하여 나사(130)로서 형성되어, 힘 전달면(220)으로의 힘 전달을 위해 특히 셀프 태핑 나사산(140)으로 형성된 상대 힘 전달 수단을 지지하는 체결 부재가 깊이 방향(160)으로 나사 조임된다. 이 경우, 나사산(140)은, 축부(150)의 단부면(170)에서부터, 깊이 방향(160)의 반대 방향으로, 블라인드 홀(110)의 깊이(T)보다 더 긴 길이에 걸쳐 연장된다. 미도시한 실시예들의 경우, 체결 장치는 확장 핀(expanding pin) 또는 카트리지 발사 핀(cartridge fired pin)으로서 형성되고, 이런 경우 상대 힘 전달 수단은 축부의 매끄럽게 또는 거칠게 처리된 외주면을 통해 형성된다. 나사산(140) 및 바람직하게는 축부(150)는 실질적으로 평균 지름과 동일한 지름을 갖는 원통형으로 형성된다. 미도시한 실시예들의 경우, 나사산 및/또는 축부는, 바람직하게는 절반의 개방각(β)과 동일한 절반의 개방각을 갖는 원뿔대형으로 형성된다.
본원에서 D = 8㎜이고, T = 7.7㎜이고, β = 9°이고, α = 118°이고, L = 1㎜이며, d = 8㎜이다. 이와 반대로, 미도시한 실시예들의 경우, 매개변수 값들은 D = 6㎜이고, T = 5.7㎜이고, β = 0°이고, α = 118°이고, L = 0㎜이며, d = 6㎜이거나, 또는 D = 4㎜이고, T = 3.7㎜이고, β = 0°이고, α = 118°이고, L = 0㎜이며, d = 5㎜이다.
나사산(140)의 힘 전달을 위해 블라인드 홀(110)의 전체 깊이(T)를 최대한 효과적으로 이용할 수 있도록 하기 위해, 한편으로 블라인드 홀(110)이 예컨대 스톱 드릴로, 또는 깊이 정지부를 구비한 전동식 드릴링 머신에 의해 천공됨으로써, 깊이(T)가 목표한 바대로 사전 결정된다. 깊이(T)는 베이스 부재(100)의 두께(D)를 약간만, 바람직하게는 0.5㎜ 미만으로만, 특히 바람직하게는 0.2㎜미만으로만, 예컨대 0.1㎜만 하회한다. 다른 한편으로, 나사(130)의 선택 시, 나사산의 길이가 적어도 깊이(T)와 같은 정도가 되도록 유념해야 한다.
나사(130)는, 깊이 방향(160)의 반대 방향으로 축부(150)에 이어지는 헤드부(180)를 포함하며, 깊이 방향으로 향하는 헤드부의 하면은 플레이트(100) 상에 부품(190)을 밀착시키기 위한 카운터 베어링(210)을 형성한다. 카운터 베어링(210)은 깊이 방향(160)을 따라서 축부(150)의 단부면(170)에 대해 축 방향 이격 간격을 가지며, 이 축 방향 이격 간격을 따라서 나사산(140)이 연장된다. 부품(190)은 카운터 베어링(210)과 플레이트(100) 사이에 부착 부품으로서 고정되고 그에 따라 플레이트(100) 상에 체결된다. 이 경우, 나사(130)의 축부(150)는 바람직하게는 단부면(170)이 블라인드 홀 바닥부(120) 상에 인접하거나 또는 단단히 안착될 때까지 블라인드 홀(110) 내로 나사 조임된다. 이는 특히 베이스 부재가 깊이 방향으로 얇은 두께만을 가짐으로써 블라인드 홀의 가용한 깊이가 제한될 때에만 바람직하다.
헤드부(180)는 예컨대 육각 머리로서 형성되는 외부 구동부를 포함하며, 이 외부 구동부에 의해 나사(130)는 특히 바람직하게 전동식인 나사 조임 장치, 예컨대 무선 스크루드라이버로 블라인드 홀(110) 내로 타입된다. 미도시한 실시예들의 경우, 헤드부는 예컨대 일자 홈, 십자 홈, 육각 원형, 육각 홈 또는 사각 홈으로서 형성된 내부 구동부를 포함한다. 추가의 미도시한 실시예들의 경우, 부품은, 바람직하게는 부품의 아일릿(eyelet), 후크 또는 루프(loop)가 나사의 헤드부 위쪽에 배치되거나 그 헤드부를 통해 걸림 고정됨으로써, 나사 상에, 그리고 그에 따라 플레이트 상에 체결된다.
미도시한 실시예들의 경우, 체결 부재는 베이스 부재 상에 부품을 체결하기 위한 추가 하중 적용 수단을 포함하며, 이 추가 하중 적용 수단은 헤드부에 추가로, 또는 그 대안으로 헤드부 또는 축부 상에 배치되고 특히 깊이 방향의 반대 방향으로 연장된다. 체결 부재는 예컨대 추가 하중 적용 수단으로서 특히 표준화된, 예컨대 미터법 또는 야드 파운드법 단위의 나사산을 갖는 스터드 볼트로서 형성되며, 그럼으로써 부품은 특히 나사 너트에 의해 체결 부재 상에 나사 결합되고 그에 따라 베이스 부재 상에 체결된다. 추가의 미도시한 실시예들의 경우, 나사는 축부를 에워싸는 중간 부재를 포함하고, 이 중간 부재는 자체적으로 실링 부재, 바람직하게는 탄성 중합체 부재 및/또는 덮개 부재를 포함한다. 깊이 방향으로 향하는 헤드부의 하면은 바람직하게는 베이스 부재 상으로 중간 부재를 밀착하기 위한 카운터 베어링을 형성한다. 이런 경우, 중간 부재는 카운터 베어링과 베이스 부재 사이에 고정된다.
도 2에는, ㎟ 단위인 힘 전달면의 표면 면적(A)이 다양한 블라인드 홀 깊이(T)에 대해 ㎜ 단위인 힘 전달면의 평균 지름(d)에 걸쳐서 예시로서 도시되어 있다. 원뿔 개방각(α)은 모든 도시된 곡선에 대해 141°이고, 사면 깊이(L)는 각각 0㎜이다. 도 2의 그래프에서는, 표면 면적(A)이 각각의 블라인드 홀 깊이(T)에 대해 뚜렷한 최댓값을 가지며, 대응하는 최댓값들은 곡선(240) 상에 위치해 있음을 분명하게 알 수 있다. 마찬가지로 예시로서, k = 0.2의 면적 공차에 대해 하한선(250) 및 상하선(260)이 표시되어 있으며, 이 하한선과 상한선 사이에서 표면 면적(A)은 자체의 각각의 최댓값에 비해 최고 20%만큼 감소된다. 간단하게 도시된 것처럼, 표면 면적(A)에 대해서는 하기 관계식
Figure 112016107418046-pct00003
이 적용되며,
그럼으로써 평균 지름이 하기 방정식
Figure 112016107418046-pct00004
의 조건일 때 표면 면적(A)은 최대가 된다.
그 밖의 점에서는, 전달 가능한 힘이 적어도 나사 결합부들에서 힘 전달면의 표면 면적에 비례한다는 점이 상정된다.
본 발명은 베이스 부재 상에 부품을 체결하기 위한 장치의 예시들 및 상기 체결을 위한 방법에 따라서 기재되었다. 이 경우, 기재한 실시형태들의 특징들은 단일의 체결 장치 또는 단일의 제조 방법 내에서 서로 임의로도 조합될 수 있다. 여기서 주지할 사항은, 본 발명에 따른 방법이 또 다른 목적을 위해서도 적합하다는 점이다.

Claims (14)

  1. 금속 또는 합금으로 구성되는 베이스 부재 상에 부품을 체결하기 위한 방법으로서, 베이스 부재에는 표면 면적(A)의 힘 전달면을 구비하면서 깊이 방향을 정의하는 블라인드 홀이 제조되며, 이 블라인드 홀은 깊이 방향으로 T < 10㎜의 깊이(T)를 갖는 것인 방법에 있어서, 상기 힘 전달면은 0° 내지 20°인 절반의 원뿔 개방각(β)과 평균 지름(d)을 갖는 원뿔대형이고, 상기 블라인드 홀은, 60° 내지 180°의 원뿔 개방각(α)을 갖는 원뿔형 블라인드 홀 바닥부와, 자체의 테두리에서 깊이 방향으로 0㎜ 내지 2㎜의 사면 깊이(L)까지 연장되는 사면부를 포함하고, 상기 힘 전달면(A)의 평균 지름(d)은 최대 면적 공차(k)를 가지면서
    최소
    Figure 112018036072179-pct00005
    이고,
    최대
    Figure 112018036072179-pct00006
    이며,
    k = 0.3이고, 상기 방법에서 체결 부재는 상기 힘 전달면을 통해 상기 블라인드 홀 내에 정착(anchoring)되며, 상기 부품은 상기 체결 부재에 의해 파지되고,
    상기 블라인드 홀의 깊이(T)는 T > 0㎜인 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블라인드 홀은 상기 블라인드 홀 바닥부와, 상기 힘 전달면과, 상기 사면부로 구성되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 체결 부재는 상기 힘 전달면을 통해서만 상기 블라인드 홀 내에 정착되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 체결 부재는 셀프 태핑(self-tapping)식 수나사부를 포함하는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 힘 전달면은 상기 수나사부에 상보적인 암나사부를 포함하는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 체결 부재는 상기 블라인드 홀 내로 압입되거나, 접착되거나, 용접되거나, 납땜되거나, 나사 결합되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 사면부와 상기 깊이 방향 간의 사면 각도는 30°와 60° 사이인 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 베이스 부재의 표면과 상기 깊이 방향 간의 타입 각도(drive-in angle)는 적어도 80°인 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 체결 부재는 금속, 합금 또는 플라스틱으로 구성되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 블라인드 홀은 상기 베이스 부재 내에 천공되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 깊이(T)는 스톱 드릴에 의해 사전 결정되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 깊이(T)는 깊이 정지부에 의해 사전 결정되는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 체결 부재는 상대 힘 전달면을 구비한 축부와 헤드부를 포함하며, 그리고 상기 상대 힘 전달면은, 상기 블라인드 홀 내에서 상기 체결 부재를 정착시키기 위해, 상기 힘 전달면과 상호작용하는 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 평균 지름(d)은 상기 깊이(T)보다 더 크거나 같은 것인, 베이스 부재 상에서의 부품 체결 방법.
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