기계 설계 엔지니어라면 설계한 부품이 깨지거나 부러지는 파손 문제를 경험한 적이 있을 겁니다. 시제품 단계라면 그래도 다행이지만, 양산 후에 발생하면 고객에게 피해를 끼치게 되어 큰 문제가 될 수도 있습니다. 파손 문제는 형상에 조금만 신경을 쓰면 피할 수 있습니다. 이 기사에서는 코너부에 응력이 집중해 발생하는 파손을 각 R로 피하는 방법을 소개하겠습니다. 
목차
응력 집중이란?
응력 집중이란 부재의 어떤 한 부분에 응력이 집중하는 상태입니다. 응력이란 부재의 단위 단면적 당 가해지는 하중을 말합니다. 또한, 최대 응력과 평균 응력의 비율을 응력 집중 계수라 합니다. 응력 집중 계수는 부품의 형상이 갑자기 변화하는 곳에서 높아집니다. 따라서 응력은 면이 직각으로 교차하는 코너 부분에서 매우 높아집니다. 설계를 할 땐 응력이 집중되기 쉬운 형상을 이해하여 파손되지 않도록 주의해야 합니다. 자주 있는 응력이 집중되기 쉬운 형상에 대한 예를 소개하겠습니다.
- 봉재 회전하는 롤러의 샤프트 등이 봉재의 예입니다. 롤러의 축에는 스냅링 등을 장착하는 경우가 있어 스냅링을 끼워 넣기 위한 가느다란 홈을 가공합니다. 축은 홈 부분에서 응력이 쉽게 집중되어, 그곳을 기점으로 크랙이 발생해 부러지는 경우가 있습니다.
- 판금, 프레스 부품 판금이나 프레스 부품에서는 직각으로 판을 구부릴 때 안쪽에 R이 없는 경우를 많이 볼 수 있습니다. 하중이 가해지면 절곡부 안쪽에 응력이 집중해 판금이 파손될 수 있습니다. 그리고 절곡 각도의 정밀도 확보를 위해 절곡부에 미리 V자 홈을 파내는 가공 방법이 있습니다. V자 홈은 응력이 쉽게 집중되어 하중을 가하는 사용 방법에서는 주의가 필요합니다.
- 수지 수지에서의 응력 집중은 스냅 핏(snap-fit)이라 불리는 형상에서 잘 발생합니다. 스냅 핏이란 수지를 변형시켜 상대 부품을 끼워 넣어 고정하는 방법입니다. 흔히「파칭」이라고도 하며, 장난감 마개 등에서도 볼 수 있는 형상입니다. 끼워 넣어 변형할 때 커다란 힘이 가해져, 스냅 핏 모서리에 응력이 집중됩니다.
R을 넣어 응력 집중을 피한다
응력 집중을 피하려면 R을 넣는 것이 효과적입니다. R을 넣으면 부품의 형상 변화를 줄여 응력 집중이 작아집니다. R의 크기는 가능한 클수록 좋습니다. 단, 다른 부품과 조립하는 부품은 R을 크게 해 간섭 되지 않도록 주의가 필요합니다. 위에서 말한 예에서는 아래와 같이 R을 넣으면 됩니다.
- 봉재 스냅 링의 홈은 권장 치수가 정해져 있어 커다란 R을 적용할 수 없습니다. R0.2 정도의 작은 R을 홈 모서리에 넣습니다.
- 판금, 프레스 부품 판금의 절곡은 절곡부 안쪽에 R을 적용합니다. 단, 직각도의 정밀도가 떨어지는 경우가 있으므로 주의가 필요합니다. V자 홈에 대해서는 가공 협의를 통해 결정하거나 도면의 주석에 기재해도 좋습니다.
- 수지 수지의 스냅 핏은 모서리에 R을 적용합니다. 스냅 핏은 끼워 넣기 위해 수지를 변형시킨 형상입니다. R만 넣어도 충분한지 아닌지 확인하기 위해 강도를 해석해 응력이 충분히 작은지 확인해야 합니다.
R 이외의 파손 방지 방법
응력 집중에 의한 파손을 방지하기 위해서는 R을 넣는 것이 가장 좋지만, 설계 상 어떻게 해도 R을 넣을 수 없는 경우가 있습니다. 이런 경우에는 아래의 방법을 검토하는 것이 좋습니다.
- 재질을 바꾼다 봉재로 SUM재를 사용할 경우, SUS재로 재료를 변경하여 강도를 높일 수 있습니다. 또한, 수지의 경우, 인장 강도가 높은 재질을 선택합니다.
- 리브를 추가한다 강도가 약한 부분에 리브를 추가합니다. 수지에서 자주 사용하는 방법인데, 판금에서도 장착할 수 있습니다. 예를 들어, 절곡부 양쪽에 용접으로 리브를 추가할 수 있습니다. 그리고 프레스 가공의 경우에는 바깥 둘레에 드로잉 처리한 상태에서 구부릴 수도 있습니다.
- 크게 한다 봉재의 경우, 직경을 크게 하면 강도가 높아집니다. 또한, 판금의 경우에는 판 두께를 두껍게 할 수 있습니다. 수지의 경우에도 마찬가지로 두께를 두껍게 합니다. 사출 성형의 경우, 평균 두께를 높여 강도를 높이면 그만큼 리브를 줄일 수 있습니다. 그리고 강도를 높여 중량을 낮추는 방법으로 비용을 절감할 수 있는 경우도 있습니다. 몇 가지 패턴을 만들어 강도를 해석한 후 비교해 보는 것이 좋습니다.
정리
기계 설계 엔지니어는 쉽게 망가지지 않도록 설계해야 합니다. 어느 정도의 힘이 가해지는지 파악하여 응력이 집중되지 않는 형상으로 해야 합니다. R을 넣어 응력 집중을 피하는 것이 효과적이지만, R을 넣을 수 없는 경우에도 대책 방법은 있습니다. 최근의 강도 분석 소프트웨어는 매우 사용하기 편리해, 설계자는 3D 모델을 작성한 뒤 강도를 해석할 수 있습니다.
