와셔 (Washer)의 사용 목적 및 기계요소 설계 표준
볼트(Bolt), 너트(Nut)와 함께 기계 체결부에서 가장 광범위하게 사용되는 요소가 바로 와셔(Washer)입니다. 이번에는 와셔의 기본적인 사용 목적과 종류, 그리고 국가 기술 자격 실기 시험과 도면 설계 시 알아두어야 할 핵심 지식들을 풍성하게 정리해 보겠습니다.
| 평 와셔 (Plain Washer) | 스프링 와셔 (Spring Washer) |
|---|---|
|
|
|
|
1. 접촉면의 평탄도 보정 및 응력 분산 (앉음 자리가 부실한 경우)
볼트 머리나 너트가 닿는 기계 부품의 표면(앉음 자리)이 평탄하지 않거나 거칠 때, 평와셔를 끼워 체결 압력을 고르게 분산시킵니다. 이는 특정 부위에 응력이 집중되어 부품이 변형되거나 파손되는 것을 방지합니다.
2. 볼트 구멍이 큰 경우 조임력 확보
부품의 가공 오차를 흡수하기 위해 볼트 구멍(Long Hole 또는 큰 자리파기 구멍)을 볼트 지름보다 크게 뚫은 경우, 와셔 없이 볼트를 조이면 볼트 머리가 구멍 안으로 파고들거나 빠질 위험이 있습니다. 와셔는 넓은 면적으로 구멍을 덮어 안정적인 조임력을 확보해 줍니다.
3. 모재 보호 (낮은 조임 압력 보완)
체결하려는 모재의 재질이 연질 재료(알루미늄, 플라스틱, 주철 등)인 경우, 경도가 높은 강철 볼트를 강하게 조이면 모재 표면이 파고들어 훼손됩니다. 와셔를 삽입하면 모재의 면압을 낮추어 표면을 안전하게 보호할 수 있습니다.
4. 체결부 풀림 방지
기계 장치가 작동하면서 발생하는 반복적인 진동과 충격은 볼트와 너트를 서서히 풀리게 만듭니다. 이때 스프링 와셔나 치형 와셔 등을 사용하여 체결부에 지속적인 탄성 복원력이나 마찰 저항을 부여함으로써 풀림 현상을 강력하게 억제합니다.
와셔의 재료는 주로 구조용 탄소강이나 연강(Mild Steel)강판을 타抜き(Pressing)하여 제작합니다. 강하게 조였을 때 모재를 보호하면서 자신은 약간의 소성 변형을 일으켜 밀착도를 높여야 하기 때문입니다. 다만, 풀림 방지가 목적인 스프링 와셔의 경우에는 높은 탄성 한계를 가져야 하므로 스프링강(SPC 등)을 사용하며 경화 처리를 거칩니다. 내부식성이 요구되는 화학 장치나 배관, 혹은 전기 전도성이 필요한 전자 부품 체결부에는 황동(Brass)이나 스테인리스강(STS), 알루미늄 재질의 와셔가 선택되기도 합니다.
국가 기술 자격 시험 및 표준 설계 기구 규격(KS / ISO)에서 규정하는 와셔는 형상과 목적에 따라 매우 다양하게 분류됩니다.
- (1) 1종 평와셔 : 모떼기(Chamfering)가 없는 일반적인 형태의 평와셔로 표준 체결에 가장 널리 쓰입니다.
- (2) 2종 평와셔 : 외경 모서리에 외관 품질과 응력 분산을 위한 모떼기 가공이 되어 있는 정밀 부품용 와셔입니다.
- (3) 4각 와셔 : 사각형 모양의 와셔로, 건축 구조물이나 목재 체결부처럼 접촉 면적을 크게 넓혀야 할 때 주로 사용됩니다.
- (4) 턱 붙임 와셔 : 와셔 일측에 단차가 있어 부품의 회전이나 유격을 축 방향으로 제한할 때 지지용으로 쓰입니다.
- (5) 스프링 와셔 : 원형 고리의 한쪽을 절단하여 뒤튼 형상으로, 볼트 조임 시 눌리면서 발생하는 강력한 스프링 탄성력으로 풀림을 방지합니다.
- (6) 치형 와셔 (A형/B형/AB형/C형) : 와셔의 내경 또는 외경에 톱니(치형) 모양의 돌기가 돋아 있어, 조임 시 모재와 볼트 머리 사이를 파고들어 강력한 마찰 저항으로 풀림을 방지하는 특수 와셔입니다.
- (10) 테이퍼 사각 와셔 : I형강이나 ㄷ형강처럼 표면에 경사(Taper)가 진 형강 구조물에 볼트를 직각으로 조일 수 있도록 경사가 진 사각형 와셔입니다.
- (11) 한쪽 혀 달림 / (12) 양쪽 혀 달림 와셔 : 와셔에 돌출된 혀(Tab)가 있어, 볼트를 조인 후 이 혀를 볼트 머리 육각 단면이나 모재 모서리에 굽혀 붙여서 물리적으로 절대 풀리지 않도록 고정하는 와셔입니다.
- (13) 회전축 받침 혀굽힘 / (14) 회전축 받침 쪽 혀달림 와셔 : 베어링용 너트(잠금 너트)의 풀림을 방지하기 위해 축의 키 홈과 너트의 홈에 서브 혀를 구부려 밀착시키는 정밀 기계축용 와셔입니다.
일반기계기사, 기계설계산업기사, 전산응용기계제도기능사 등 작업형 실기 시험에서 와셔는 직접 부품도로 작도(2D 부품도 제도)하는 과제로는 출제되지 않는 ‘표준 규격품’입니다. 따라서 시험장에서는 와셔를 개별 부품으로 상세히 그릴 필요는 전혀 없습니다.
다만, 조립도 해독 시 부품 간 조립 관계를 명확히 이해해야 합니다. 예를 들어 본체와 커버를 볼트로 조일 때 평와셔나 스프링 와셔가 삽입되어 있다면, 볼트의 유효 나사부 길이를 계산할 때 와셔의 두께(두께 데이터는 규격집 참조)를 반드시 산입하여 볼트 호칭 길이를 선정해야 오작동 설계 감점을 피할 수 있습니다. 또한, 3D 모델링 조립품(Assembly) 구성 시 규격집의 외경(d2)과 안지름(d1), 두께(t)를 확인하여 정확한 치수로 배치해 주어야 투상도 단면 처리 시 간섭이 발생하지 않습니다.
