볼트 선정 요령

볼트(Bolt)

 

1. 항목별선정요령
   

• 호칭경 

호칭경은 수나사의 바깥지름의 굵기로 표시하며, 미터계 나사의 경우 지름 앞에 M자를 붙여 사용한다.

예) M1, M1.2, M1.4, M1.6, M1.8, M2, M3, M3.5, M4, M5, M6, M8, M10, M12, M16, M20, M24, M30

 

유니파이나사 : 호칭경을 인치에 대한 분수로 나타내지만 호칭경이 작은 것은 별도의 정해진 번호로써 표시한다

호칭	나사산수/in	피치(mm)	외경(mm)
No. 0	80	0.3175	1.524
No1	64	0.3969	1.854
No.2	56	0.4536	2.814
No.3	48	0.5292	2.515
No.4	40	0.6350	2.845
No.5	40	0.6350	3.175
No.6	32	0.7938	3.505
No.8	32	0.7938	4.166
No.10	24	1.0583	4.826
No.12	24	1.0583	5.486

호칭	나사산수/in	피치(mm)	외경(mm)
1/4	20	1.2700	6.350
5/16	18	1.4111	7.938
3/8	16	1.5875	9.525
7/16	14	1.8143	11.112
1/2	13	1.9538	12.700
9/16	12	2.1167	14.288
5/8	11	2.3091	15.875
3/4	10	2.5400	19.050
7/8	9	2.8222	22.225
1	8	3.1750	25.400

 

주) 위 규격은 유니파이 표준나사에 대한 규정임(피치는 나사산수/inch를 mm로 환산한 것임) KS에서는 No.1~No.12까지 규정되어 있고, ANSI/ASME는 No.0~NO.10까지 되어 있음.

호칭 1"초과값도 있으나 자료에서는 생략함.

 

• 피치

피치란 나사 1회전시 전진 거리를 의미하며 산과 산의 거리입니다. 각 호칭경에 따라 선택 가능한 나사 피치의 종류가 보여 지며 각 호칭경에 따라 정해진 피치를 선택하는 것이 좋습니다.
예) 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 1.0, 1.25, 1.5, 1.75, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5

 

【 미터나사의 호칭경 크기별 표준 피치예 】
크기	M1 M1.2	M1.4	M1.6 (M1.8)	M2	M2.5	M3	M4	M5	M6	M8	M10	M12
피치	0.25	0.3	0.35	0.4	0.45	0.5	0.7	0.8	1.0	1.25	1.5	1.75
크기	M16	M20	M24	M30 M33	M36 (M39)	M42	M48	M56	M64, M72, M80 M90, M100
피치	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5	6

 

유니파이나사 : 인치나사의 표준으로서 미국, 영국, 캐나다등지에서 주로 사용된다.  나사산의 각도는 미터나사와 같이 60도이나 호칭경의 지름을 인치로 나타내며, 피치는 1인치당의 나사산수로 나타내거나, 1인치를 나사산수로 나눈값을 사용한다.

【 유니파이 나사의 호칭경 크기별 표준 피치예 】
크기	No1	No 2	No 4 No 5	No 6 No 8	No10	1/4	5/16	3/8	1/2	1	3/8	7/16
피치	64	56	40	32	24	20	18	16	13	8	16	14
크기	1/2	9/16	5/8	3/4	7/8	1	1-1/8 1-1/4	1-3/8 1-1/2	1-3/4	2 2-1/4	2½ 이상
피치	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4.5	4

 

 

몸통모양

• 전산나사 (Full thread bolt)

가장 일반적으로 많이 쓰이며, 볼트 몸체 전체에 나사가 나 있는 형상의 볼트

• 피치경 부분나사 (Part thread with pitch diameter)

부분적으로 결합에 필요한 부위에만 나사를 갖고 있고 나머지 부위는 나사의 유효 피치경의 굵기로 되어 있는 나사. 부분나사에 많이 쓰인다.

• 호칭경 부분나사 (part thread with norminal diameter)

부분적으로 결합에 필요한 부위에만 나사를 갖고 있고 나머지 부위는 나사의 호칭경의 굵기를 갖는 나사이다. 소재 제작시부터 굵기를 감안해서 제작하므로 피치경 나사에 비해 제작비가 약간 비싸므로 우리나라에서는 별로 많이 사용되지 않지만 유럽등지에서는 많이 사용된다.조립되는 두 제품간에 공차 등이 문제가 되는 특수한 경우에만 사용한다. 강한 반복 하중이 걸리는 부위에 적용하면 불완전 나사부위에 응력이 집중되어 파손되기 쉬우므로 피해야 한다.

• 가이드볼트 (guide body bolt)

특수 상황에 사용되며, 조립되는 두 물체간에 상대적 위치가 문제가 될 경우에 주로 사용된다. 몸체를 연마하여 굵기를 조정하여 구멍과의 간격을 일정 수준 이하로 관리하고자 할 경우에 주로 사용한다.

• 고정나사 (anti-rotation bolt)

몸통과 머리의 연결부위에 사각이나 홈등의 특수모양이 있어 볼트를 조일 때 공구를 따라 회전되는 것을 방지하는 나사의 몸통형상을 말한다.

 

전체길이

선택된 호칭경과 피치에 따라 선택할 수 있는 길이의 종류가 나타나게 된다.

예) 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 25, 28, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 90, 100, 120

 

나사부길이

부분나사의 경우 전체길이에서 필요한 나사부의 길이를 선택하면 된다.

 

머리형상

• 육각머리 

가장 일반적으로 사용되는 형태이다.

• 원형머리

금형의 조립등과 같이 조립표면에 볼트머리가 있으면 곤란한 경우에 이것을 표면 이하로 낮추거나 조립용 소켓의 사용공간 확보가 어려운 경우에 주로 사용한다. 조립공구로는 6각 렌치가 주로 사용된다.

• Torx머리

한번 조립 후 분해가 별로 없고, 조립용 소켓의 사용 공간 확보가 어려운 좁은 곳에 사용하기에 적합하다. 특히, 나사좌면이 적어지므로 구조적으로 강도가 요구되는 베어링캡과 같은 특수 형상에 사용하면 유리하다. 조임공구가 특수하므로 범용으로 사용되지는 않고 있으나 최근 공장 자동화에 따라 너트런너(자동조립기)의 툴 공간 확보나 툴과 나사의 결합성의 증대를 위해 유럽에서의 사용이 증대 되고 있는 추세이다.

• 사각머리

볼트의 사용장소가 습기로 인한 부식이 우려될 경우 육각나사는 머리모양이 파손되어 해체하기 어려운 경우가 발생될 수 있다. 이러한 장소에 사용하면, 해체시 유리하다. 그러나, 스패너를 사용해야 한다면 육각머리를 사용할때에 비해 큰 110-120도 정도의 스패너 회전 공간이 확보되어야 하는 불편이 있다.

• 접시머리 

조인후 나사머리가 표면 밖으로 나오지 않도록 하기 위해 주로 사용되며, 작은 스크류에 많이 사용된다. 조임공구로는 6각렌치나, -자 혹은 +자 드라이버를 사용하는 경우가 많다.

• 둥근머리

결합물에 접시머리용 좌면을 확보하기 어려운 얇은 판을 조립하거나, 좌면 가공을 줄이기 위해 선택되며, 조인후 돌출된 나사머리 모양으로 인해 인체접촉시 부상등을 방지하거나 외관을 아름답게 하기 위해 둥근머리를 사용하며, 주로 작은 스크류에 많이 적용한다. 조임공구로는 -자 혹은 +자 드라이버를 사용하는 경우가 많다.

• 납짝머리

결합물에 접시머리용 좌면을 확보하기 어려운 얇은 판을 조립하거나, 조립후 튀어나온 머리를 최소화 하기 위해 선택한다. 주로 작은 나사에 사용하며, 조임공구로는 -자 혹은 +자 드라이버를 사용하는 경우가 많다.

 

강도

선택된 나사의 호칭경에 따라 선택가능한 강도가 표시되며 필요한 강도를 선택한다 .

 

끝단형상

• 거친끝

M6 이하의 소형전조나사에 사용되는 일반형이다. 제조 원가가 싸지만, 나사의 지름이 큰 것은 상처가 나기 쉽고 조립시 나사가 잘 들어가지 않는 단점이 있다.

• 면취끝 

형상을 단조할 때 단면 끝에 면취를 만든 나사로서 거친끝에 비해 조립이 용이하다. 끝단 면취 부위가 불완전 나사부 이므로 탭 깊이의 충분한 확보가 필요하다.

• 평끝

일반 절삭나사와 M20 이상의 대형 열간성형 나사에서 흔히 볼 수 있다. 조립성이 좋다.

• 둥근끝

끝단이 둥그스름한 것을 요구하는 부위에 사용한다. 끝단의 나사부위가 손상되기 쉬우며, 조립 시 나사가 잘 들어가지 않는 단점이 있다.

• 봉끝

끝단이 작은 봉형으로 되어 있다. 자동조립시 공급된 나사가 구멍에 끼워져서 자리를 잡고 서있을 안내구멍이 없어 불편할 경우 유리하다. 혹은 고정나사로 사용될 경우에 선택할 수 있다. 봉의 길이는 호칭경의 1/2 이다.

• 짧은봉끝 

봉끝과 유사하나 봉의 길이가 호칭경의 1/4 이다.

• 뾰족끝 

끝단에 90˚의 뾰족 구간을 갖으며, 끝단은 호칭경의 1/10 의 평면을 갖는다. 주로 멈춤용 고정나사로 많이 쓰인다.

• 완전뾰족끝 

끝단에 90˚의 완전뾰족 구간을 갖는다. 주로 멈춤용 고정나사로 많이 쓰인다.

• 오목끝 

끝단에 120˚의 삼각오목 구간이 있으며, 이부분이 약하므로 조임력에 의한 파손으로 상대물을 고정 시키고자 할 때 선택할 수 있다.

• 탭끝 

암나사부위가 불완전하거나, 수지등과 같이 쉽게 탭핑이 가능한 부위에 사용 하는 탭핑나사에 적용한다.

 

와셔형상

조립시 별도로 끼워서 사용하는 와셔가 아닌 나사의 전조 가공전에 미리 와셔를 조립해 놓고 가공을 함으로써 와셔가 이탈되지 않는 형태의 나사를 선택하는 것으로서 평와셔, 웨이브와셔, 스프링와셔, 웨이브스프링와셔, 이중와셔(스프링+평와셔)의 형태를 선택할 수 있다. 특별히 선택하지 않으면, 와셔없음으로 선택된다.

 

나사줄수

나사 1회전시 전진 거리는 피치x줄수 가 된다. 흔히 보는 나사는 거의 1줄 나사이며, 2줄나사 혹은 3줄나사를 선택할 수 있다. 조립 및 분해 속도가 빠른 장점이 있다.

 

정밀도

KS에서는 미터나사는 1급, 2급, 3급으로 나누고 있으며, 유니파이 나사의 경우 수나사는 3A, 2A, 1A를 암나사의 경우는 3B, 2B, 1B를 사용한다. 일반적으로 외국에서는 ISO의 공차등급을 사용하므로 국제화 시대에 맞춰 수출을 생각하는 업체는 ISO등급을 사용하고 있다. 여기서는 업체의 편의에 따라 양쪽을 혼용하고 있으므로 혼동이 없이 사용하길 바란다.

 

나사표준

나사를 표시하는 모든 치수의 기본 치수들을 사용한 단위표준을 말하며, 미터계와 인치계가 있다.

 

표면처리

• 무처리 

나사 제조후 특별한 처리를 하지 않고 단지 방청유만 도포한 것으로 녹 발생에 대한 대비가 전혀 없는 사양이다.

• 인산염 피막처리

일반적으로 많이 쓰이는 검은색 피막으로써, 도금 두께에 따라 방청효과가 달라진다.

• 아연도금 

노란색과 흰색의 아연도금이 주로 사용되고 있으며, 도금 두께에 따라 방청효과가 달라진다. 도금 두께가 두꺼워 지면 수소취성이 나타나 부러지기 쉽다. 따라서, 반드시 탈수소 공정을 거쳐야만 한다. 간혹 업체의 관리소홀로 탈수소가 제대로 되지 않아 문제를 일으킬 수도 있으므로 주의해야 한다.

• 다크로 

밝은 회색의 표면처리 방식으로 방청효과도 우수하나, 표면의 박리현상(peel off coating)에 의해 악영향을 받을 수 있는 장소에는 사용하지 않는 것이 좋다.

 

2. 보통나사와 세목나사

 

보통나사 (normal thread bolt)

나사의 경우 호칭경에 따라 표준 피치가 정해져 있으며 표준 피치가 적용된 나사를 보통나사라 한다. 일반적으로 사용하는 거의 모든 볼트가 보통나사이다.

【 보통 나사의 호칭경 크기별 표준 피치예 】
크기	M5	M6	M8	M10	M12	M16
피치	0.8	1.0	1.25	1.5	1.75	2.0

 

세목나사 (fine thread bolt)

보통나사에 비해서 피치가 작은 나사를 세목(細目)나사라 한다. 보통나사에 비해 나사산의 높이가 낮아 상대적으로 유효 단면적이 크므로 체결력을 크게 할 수 있다.

 

거친나사 (coarse thread bolt)

보통나사에 비해서 피치가 큰 나사를 거친나사라 한다. 나사산의 높이가 높아 상대적으로

유효단면적이 작으므로 체결력이 낮아진다. 피치가 크므로 결합 및 분해 속도가 빠른

장점이 있다.

 

보통나사의 특징

1. 피치가 크므로 조립 및 분해 속도가 빠르다.

2. 조임과 분해가 반복되어도 마모에 유리하다.

3. 주철, 경합금, 플라스틱을 조립하는 경우에 유리하다.

4. 부식과 이물질 혼입의 우려가 있는 곳에 유리하다.

5. 경제성, 범용성 면에서 유리하다.

 

세목나사의 특징

1. 유효단면적이 크므로 강도가 크다.(볼트의 조임력이 크다)

2. 피치가 작으므로 미세조정나사에 적합하다.

3. 리드각이 작으므로 푸는 힘이 커진다(나사 풀림에 유리)

4. 조이거나 푸는데 시간이 오래 걸린다.

5. 보통나사보다 마모가 많으므로 조립과 해체가 빈번한 곳에는 불리하다.

6. 조임 토크 관리에 유리하다.

7. 각각의 나사산에 걸리는 힘이 분산되므로 너트의 높이를 낮출 수 있다.

8. 불완전 나사부가 짧아 제품길이를 짧게 할 수 있다.

9. 관에 나사를 낼 경우 관의 두께를 얇게 할 수 있다.

10. 경제성, 범용성 면에서는 불리하다.

 

세목나사를 사용해야하는 부위

적은 볼트수로 강한 조임력이 요구되는 부위 진동 등에 의해 풀림이 우려되는 부위 정확한 조임력이 필요한 부위

 

3. 볼트와 스크류의 구분

 

우리나라에서는 둘 다 나사라고 번역되고 있으며, 그 구분을 정확히 하지 못해 흔히 드라이버로 조일 수 있을 정도의 작은 나사를 스크류라 부르고, 다른 공구를 이용해야 하는 나사를 볼트라 부르고 있는 사람들이 많다.

정확하게 분류한다면, 볼트와 스크류는 생긴 모양이 아니라 사용처에 따라 구분되는 것이다. 결합물을 조일 때 별도의 너트가 필요 없이 결합물 모재에 있는 암나사에 체결되는 경우는 스크류라 부르며, 모재를 관통하여 너트로 조여지는 경우는 볼트라고 부른다. 따라서, 외국에서 입수한 부품리스트를 보면 동일한 M8x1.25x30의 나사를 어떤 곳에서는 Hex head screw, 어떤 곳에서는Hex head bolt라고 기재 되어 있는 것을 볼 수 있으며, 이는 사용처에 따라 분류한 이름이기 때문이다. 보통 우리가 스크류라고 부르는 작은 나사들은 별도의 너트를 사용하는 경우가 매우 드물며, 보통은 모재에 구멍을 내고 바로 조이는 경우가 대부분이다. 따라서, 크게 다르지 않는다고 볼 수 있다.

 

4. 볼트의 제조공정 소개

 

냉간단조 공정

냉간단조는 한 개의 기계 내에서 연속적으로 이루어 지며, 소재인 와이어가 공급되면 일정 길이로 절단한 후 금형에 넣고 한 공정씩 단조를 하여 볼트의 형상을 완성하게 된다.

각 단계별 중간 공정품을 소개하면 아래의 사진과 같다.

 

 

전조 공정

단조공정이 완료된 볼트는 전조기에서 필요한 길이만큼의 나사를 성형하게 된다. 평면 전조,

원형전조가 있으며, 평면과 원형이 조합된 형태의 전조기등 다양한 형태의 전조기가 있다.

 

 

 

전조 나사의 특성

금속은 입자간 서로 연결된 선을 갖고 있으며, 이를 단류선(grain flow)이라 한다.

이 단류선은 이웃한 금속 입자간의 결속에 중요한 요소이므로 완제품의 특성에 상당한 영향을 미치게 된다. 전조나사는 아래 그림과 같이 단류선이 끊어지지 않고 매우 치밀한 형상을 갖고 있어 나사의 강도가 매우 높아 지게 된다.

 

 

고장력 볼트의 경우 전조 및 열처리를 하게 되는데, 전조를 먼저 하고 나서 열처리를 하기도 하고 열처리를 하고 나서 전조를 하기도 한다. 열처리전 전조의 경우 전조 금형의 수명이 길어지고 생산이

손쉬우므로 많은 업체가 이 방식을 선호하고 있다. 그러나, 전조로 인해 생성된 나사부의 치밀한 조직이 열처리 과정에서 재배열을 하게 되어 동일한 등급의 고장력 볼트 일지라도 열처리 후 전조 방식으로 생산된 볼트가 더 큰 힘을 견디므로 가혹한 조건에 사용되는 볼트일 경우 주문전 열처리 후 전조 방식을 업체에 특별 주문하여 생산되도록 하는 것이 좋다.

 

참고) 단류선 검사 방법

제품을 절단하여 묽은 염산에 넣고 약한 불로 데우면 금속 표면이 염산에 의해 부식이 일어 나게 된다. 이때 조직의 치밀도가 낮은 부위가 먼저 부식되게 되고 금속간 결함이 강한 단류선 부위는 잘 부식되지 않으므로 제품에서 단류선의 흐름을 육안으로 식별할 수 있게 된다. 단조품의 경우 이 단류선이 제품의 특성을 좌우 하게 되므로 단조 시 제품이 성형되면서 특정부위로 단류선이 집중되어 있지 않은지 단류선이 끊어지지 않고 연속적으로 되어있는지 여부를 보면 단조기술의 정도를 평가할 수 있다.

 

 

5. 나사체결방식의 결정

 

관통볼트(through bolt)

1. 일반적 형태의 볼트로 조립물을 관통하여 너트로 체결되는 경우이다.

2. 너트에 의한 조임 토크 규제가 비교적 정확하다.

3. 볼트 머리의 회전 방지 작업을 위한 공간이 필요하다.

4. 돌출한 나사부를 보호할 필요가 있다.

 

탭볼트(tap bolt)

1. 일반적 형태의 볼트이나 체결되는 물체에 암나사가 있어 너트를 필요로 하지 않는다.

2. 나사부가 돌출되지 않는다.

3. 조임 토크 규제가 곤란한 경우가 있다. 나사부를 통해서 누유될 수 있다.

4. 반복해서 조립과 해체를 행할 경우 나사산이 손상될 수 있다.

5. 암나사 구멍의 깊이는 볼트보다 2~3깊어야 하며, 암나사 재질에 따라 일반적으로 다음과 같이 결정한다.

 

【 d:나사의 호칭경 】
모재 재질	M8 이하	M8 이상
동, 청동	1.5~1.7 d	1.0~1.2 d
주철, 강	1.5~1.7 d	1.3~1.5 d
경금속	1.8 d	1.8 d

 

스터드 볼트(stud bolt)

1. 너트 조임을 하고자 하나 관통 볼트용 구멍을 뚫을 수 없는 경우에 많이 사용한다.

2. 스터드 볼트의 삽입부를 모재에 박아 돌출부에 부품을 부착하고 너트로 조임을 하는 방식이다.

3. 박음 깊이에 대한 설계 기준은 다음과 같다.

 

【 d:나사의 호칭경 】
모재 재질	체결깊이	밑구멍깊이
동, 청동	d	체결깊이+2~3피치
주철	1.3d
경금속	1.8 ~2.0d

 

 

6. 나사강도의 선택

1. 특별히 강도를 요하지 않는 부품의 결합에는 4T를 사용한다.

2. 강도를 요하고 또한 진동에 의한 풀림의 염려가 있는 부위에는 7T를 사용한다.

3. 중요부분 또는 공간적으로 나사크기가 제한되는 부위에는 9T 또는 그 이상을 사용한다.

 

참고)

일반적으로 나사를 사용함에 있어 강도를 거의 고려하지 않고 사용하는 사람들이 많다. 하지만, 우리가 흔히 일반볼트라고 부르는 4T짜리 볼트의 경우 인장강도가 400 N/mm2 이며, 고장력 볼트인 10.9의 경우 인장강도가 1000 N/mm2 이다. 즉, 동일 호칭경의 나사에서 1개의 나사가 견딜 수 있는 힘은 약 2.5배가 된다.

이는 동일 부위에 사용되는 나사의 수를 상당히 줄일 수 있음을 의미하며, 나사의 수를 줄인 다는 것은 단순히 나사의 가격만 절감되는 것이 아니며, 나사를 조립하기 위해 나사구멍의 가공 공정인 드릴링, 탭핑 공정등이 감소되어 설비 및 공구비용 등의 절감이 가능하며, 조립시간이 단축됨에 따른 인건비도 절감 된다. 보통나사와 고장력 나사의 가격 차이가 크지 않으므로 고장력 볼트의 사용을 권장한다. 단, 조여지는 물체의 강도가 낮을 경우 산이 뭉그러지거나, 변형이 일어날 수 있으므로 조여지는 물체의 인장강도를 고려하여 적정 강도의 나사를 선택해 사용하는 것이 중요하다.

 

 

나사강도 구분 및 기계적 성질

탄소강 계열의 나사

【 KS B 0233 】
강도구분	최소인장강도( N/mm2)	경도 (HB)
4T	392	121 - 229
6T	588	174 - 255
7T	686	266 - 271
10T	981	310 - 372

 

【 ISO 898-1 】
강도구분	호칭인장강도 (N/mm2 )	최소인장강도( N/mm2)	경도 (HB)
3.6	300	330	90 - 238
4.6	400	400	114 - 238
4.8	400	420	124 - 238
5.6	500	500	147 - 238
5.8	500	520	152 - 238
6.8	600	600	181 - 238
8.8 (d<16)	800	800	238 - 304
8.8 (d>16)	800	830	242 - 318
9.8	900	900	276 - 342
10.9	1000	1040	304 - 361
12.9	1200	1220	365 - 414

 

 

 

ISO 898-1에서의 나사강도 표시 방법
상기 그림과 같이 머리 위에 제조사명과 강도 구분 수자를 타각하거나, 머리 옆면에 타각하도록 규정 되어 있다.

 

스텐레스강 계열의 나사

계열	구분	강도	최소인장강도  (N/mm2)
오스테나이트계	A1	50	500
	A2, A3	70	700
	A4, A5	80	800

 

참고) 

스테인레스강은 오스테나이트계, 마르텐사이트계, 페라이트계의 3가지 계열이 사용되고 있다. 국내에서는 A2가 가장 많이 사용되고 있다.

ISO 3506 에서의 나사강도 표시 방법
표시 방법은 탄소강 계열과 같이 머리 위나 옆에 탁각 하도록 규정되어 있으며, 사진은 실물에 표시한 예이다.

 

인치계열 나사

표시방법	관련규격	재질	적용 호칭경	보증하중  (psi)	항복강도 (psi)	인장강도 (psi)
	SAE J429 Grade 2	저탄소강 탄소강	1/4~3/4	55,000	57,000	74,000
			3/4~1-1/2	33,000	36,000	60,000
	SAE J429 Grade 5	열처리된 탄소강	1/4~1	85,000	92,000	120,000
			1~1-1/2	74,000	81,000	105,000
	ASTM A325	열처리된 탄소강	1/2~1	85,000	92,000	120,000
			1-1/8~1-1/2	74,000	81,000	105,000
	SAE J429 Grade 8	열처리된 탄소강	1/4~1-1/2	120,000	130,000	150,000

 

인치나사의 경우 강도표시를 인장강도로 하며, 단위는 psi(Pound Per Square Inch)를 사용한다. 숫자가 크므로 표시하기 불편하여 1000을 의미하는 kilo를 적용하여 ksi로 표시하면서 0 세개를 없애고 정수만 카탈로그나 규격표에 표시하기도 한다. 머리에는 숫자를 적기 어려우므로 표의 그림과 같이 표시한다.

 

나사강도 등급별 하중표

본 하중표는 ISO에 규정되어 있는 것으로서, 강도 등급별로 인장시험을 하였을 경우 최소한 아래표 이상의 값이 나와야 한다고 규정하고 있다.

따라서, 나사를 사용하기 위해 나사의 하중능력을 고려할 때에 아래표를 참고하면 유용하다.

【 최소 인장하중표 ISO 898-1 】 Minimum ultimate tensile load 미터나사-보통피치 하중단위: N
호칭경	유효 단면적 mm2	나사의 강도 등급
		3.6	4.6	4.8	5.6	5.8
M3	5.03	1660	2010	2110	2510	2620
M3.5	6.78	2240	2710	2850	3390	3530
M4	8.78	2900	3510	3690	4390	4570
M5	14.2	4690	5680	5960	7100	7380
M6	20.1	6630	8040	8440	10000	10400
M7	28.9	9540	11600	12100	14400	15000
M8	36.6	12100	14600	15400	18300	19000
M10	58	19100	23200	24400	29000	30200
M12	84.3	27800	33700	35400	42200	43800
M14	115	38000	46000	48300	57500	59800
M16	157	51800	62800	65900	78500	81600
M18	192	63400	76800	80600	96000	99800
M20	245	80800	98000	103000	122000	127000
M22	303	100000	121000	127000	152000	158000
M24	353	116000	141000	148000	176000	184000
M27	459	152000	184000	193000	230000	239000
M30	561	185000	224000	236000	280000	292000
M33	694	229000	278000	292000	347000	361000
M36	817	270000	327000	343000	408000	425000
M39	976	322000	390000	410000	488000	508000
【 최소 인장하중표 ISO 898-1 】 Minimum ultimate tensile load 미터나사-보통피치 하중단위: N
호칭경	유효 단면적 mm2	나사의 강도 등급
		6.8	8.8	9.8	10.9		12.9
M3	5.03	3020	4020	4530	5230		6140
M3.5	6.78	4070	5420	6100	7050		8270
M4	8.78	5270	7020	7900	9130		10700
M5	14.2	8520	11350	12800	14800		17300
M6	20.1	12100	16100	18100	20900		24500
M7	28.9	17300	23100	26000	30100		35300
M8	36.6	22000	29200	32900	38100		44600
M10	58	34890	46400	52200	60300		70800
M12	84.3	50600	67400	75900	87700		103000
M14	115	69000	92000	104000	120000		140000
M16	157	94000	125000	141000	163000		192000
M18	192	115000	159000	-	200000		234000
M20	245	147000	203000	-	255000		299000
M22	303	182000	252000	-	315000		370000
M24	353	212000	293000	-	367000		431000
M27	459	275000	381000	-	477000		560000
M30	561	337000	466000	-	583000		684000
M33	694	416000	576000	-	722000		847000
M36	817	490000	678000	-	850000		997000
M39	976	586000	810000	-	1020000		1200000

 

아래의 보증 하중표도 ISO에 규정되어 있는 것으로서, 강도 등급별로 아래표와 같이 규정하고 있다.

【 보증 하중표 ISO 898-1 】 Proofing load 미터나사-보통피치 하중단위: N
호칭경	유효 단면적 mm2	나사의 강도 등급
		6.8	8.8	9.8	10.9	12.9
M3	5.03	2210	2920	3270	4180	4880
M3.5	6.78	2980	3940	4410	5630	6580
M4	8.78	3860	5100	5710	7290	8520
M5	14.2	6250	8230	9230	11800	13800
M6	20.1	8840	11600	13100	16700	19500
M7	28.9	12700	16800	18800	24000	28000
M8	36.6	16100	21200	23800	30400	35500
M10	58	25500	33700	37700	48100	56300
M12	84.3	37100	48900	54800	70000	81800
M14	115	50600	667000	74800	95500	112000
M16	157	69100	91000	102000	130000	152000
M18	192	84500	115000	-	159000	186000
M20	245	108000	147000	-	203000	238000
M22	303	133000	182000	-	252000	294000
M24	353	155000	212000	-	293000	342000
M27	459	202000	275000	-	381000	445000
M30	561	247000	337000	-	466000	544000
M33	694	305000	416000	-	570000	673000
M36	817	359000	490000	-	678000	792000
M39	976	429000	586000	-	810000	947000

따라서, 나사를 보증하중 이내에서 사용하기 위해 나사의 하중능력을 고려할 때에 아래표를 참고하면 유용하다.

 

보증 하중표 ISO 898-1 】 Proofing load 미터나사-보통피치 하중단위: N
호칭경	유효 단면적 mm2	나사의 강도 등급
		3.6	4.6	4.8	5.6	5.8
M3	5.03	910	1130	1560	1410	1910
M3.5	6.78	1220	1530	2100	1900	2580
M4	8.78	1580	1980	2720	2460	3340
M5	14.2	2560	3200	4400	3980	5400
M6	20.1	3620	4522	6230	5630	7640
M7	28.9	5200	6500	8960	8090	11000
M8	36.6	6590	8240	11400	10200	13900
M10	58	10400	13000	18000	16200	22000
M12	84.3	15200	19000	26100	23600	32000
M14	115	20700	25900	35600	32200	43700
M16	157	28300	35300	48700	44000	59700
M18	192	34600	43200	59500	53800	73000
M20	245	44100	55100	76000	68600	93100
M22	303	54500	68200	93900	84800	115000
M24	353	63500	79400	109000	98800	134000
M27	459	82600	103000	142000	128000	174000
M30	561	101000	126000	174000	157000	213000
M33	694	125000	156000	215000	194000	264000
M36	817	147000	184000	253000	229000	310000
M39	976	176600	220000	303000	273000	371000

   

7. 나사 걸림률

수나사의 나사산과 암나사의 나사홈이 서로 맞물리는 높이와 기준 나사산형의 높이와의 비율을 걸림률이라고 한다. 즉, 볼트의 나사산과 너트의 나사산이 서로 물려있는 양을 비율로 표시한 것이다. 이것을 식으로 표현 하면 아래와 같다.

 

	(수나사 외경 - 암나사 내경)
걸림률(%) =		x 100
	2 x 숫나사산의 기준높이

 

 

이 걸림률은 여러 가지 의미를 갖고 있다. 걸림률이 크다면 나사산끼리의 결합이 강하게 되어 있어 더 큰 힘으로 조일 수 있으나 조임 작업에 많은 힘이 들어 가게 된다. 반대로 걸림률이 작다면 결합 및 해체가 쉬운 반면 큰 힘을 지지하기 어렵다. 따라서, 일반적으로 큰 힘이 걸리지 않는 경우는 걸림률을 작게 하는 등 나사의 선택이나, 탭구멍을 설계할 시에 반드시 고려해야 하는 중요한 요소중의 하나이다.

 

 

수나사의 크기가 정해져 있는 상황에서 결합 모재에 나사 구멍을 준비할 경우

나사산의 강도는 나사산의 단면적에 비례하게 된다. 걸림률에 따른 나사산의 단면적 변화를 보기 위해 수나사 호칭경(외경)은 일정하다고 가정하고 암나사의 내경을 변경하여 걸림률을 계산해 보았다.

( 괄호안의 숫자는 누계합을 나타냄 )

 

나사산의 강도는 나사산의 단면적에 비례하게 된다. 걸림률에 따른 나사산의 단면적 변화를 보기 위해 수나사 호칭경(외경)은 일정하다고 가정하고 암나사의 내경을 변경하여 걸림률을 계산해 보았다.

 

상기 그림에서와 같이 암나사산의 단면적을 작은 삼각형(45개)으로 분할했다. 만일 걸림률을 60%로 가정한다면, 암나사의 나사산의 면적은 33개의 작은 삼각형이므로73.3%(33/45x100)가 된다. 걸림률을 80%로 가정하면 암나사의 나사산의 면적은 40개의 작은 삼각형이므로 89%(40/45x100)가 된다 상기 결과를 보면, 걸림률이 작아지는 것에 비하면 단면적의 줄어듬은 작은 편임을 알 수 있다. 암나사의 경우 내경에 해당하는 구멍을 드릴작업을 통해 가공한 다음 탭으로서 나사산 부위를 만들게 된다. 이렇게 내경에 해당하는 구멍을 밑구멍이라고 하며 밑구멍의 지름값을 결정하는 것이 물림률을 결정하게 되는 것이다.

 

밑구멍지름 (암나사 내경)				걸림률 (%)
	=	호칭경 - 2 x (0.541266 x 피치 )	x
				100

 

밑구멍의 지름은 가능한 크게 하여 탭으로 절삭해 내는 양을 최소화하는 것이 탭에 걸리는 절삭 부하도 적어 가공이 용이하고 공구의 수명도 길어진다.

 

예) 호칭경이 M10x1.5 이고 h7의 공차를 갖는 나사를 60%의 걸림율을 채택한다면

 

수나사 외경의 최대값 = 10.0

밑구멍 지름 = 10.0 - (2*0.541266*1.5*60/100) = 9.026

수나사 외경의 최소값 = 9.985

밑구멍 지름 = 9.985 - (2*0.541266*1.5*60/100) = 9.011

 

상기 결과에서 h7의 공차값인 0.015의 차이는 걸림률로는 0.9% 정도의 차이가 나게 된다.

따라서 밑구멍을 설계할 때는 공차를 무시하고 호칭경으로 계산해도 무리가 없다.

(본 예는 절삭탭에 의한 가공에 적용되며 전조 가공을 하는 무절삭탭-무홈탭이라고도 함-에 의한 경우는 적용되지 않음)

 

걸림률의 결정 예시

일반적 사용처 : 70 ~ 80 %

진동이나 반복적 하중이 작용하는 곳 : 90 ~ 100 %

가볍게 조이는 곳 : 50 ~ 60%

기밀 유지가 필요한 곳 : 100%

 

8. 나사의 조임토크 결정 (Tightening torque) 예시

나사의 사용에 있어 결정해야 할 요소중 가장 중요한 것 중의 하나가 나사의 조임토크의 결정이다.

나사의 조임방법에는 '토크값 제어방식'과 '조임각도 제어방식'의 두 가지가 있다.

우선 가장 널리 사용되고 있는 "토크 값 제어방식"에서 조임 토크 값의 결정방법에 대해 알아 본다.

(조임각도 제어방식은 나사의 조임방법(Tightening method) 예시 참조바람)토크값 제어 방식이란 토크 렌치(torque wrench)를 이용하여 나사를 조이는 일반적인 방식이다.

즉, 조임토크값의 최대, 최소값을 결정하여 토크렌치로 조이는 방식을 말한다.

각 나사의 최대 조임토크값은 머리형상, 표면처리사양, 나사에 오일의 도포 유무등에 따라 계속

달라 지므로 이의 정확한 설정은 나사의 사양별로 제조 업체로부터 정보를 입수하는 것이 바람직하다. 특히 머리 모양이 특수한 경우 육각머리에 비해 최대 조임토크 값이 현격하게 적어지는 경우가 많으므로 제조 업체에 반드시 확인 후 사용하는 것이 바람직하다.

※여기서는 가장 많이 사용되는 육각머리 볼트(보통나사)의 조임토크 결정에 대해 알아 본다.

 

 

조임토크의 결졍을 위한 절차

조임토크의 결정을 위해서는 다음과 같은 절차를 밟아야 한다.

1. 사용부위에 필요한 체결력을 결정하고, 그 체결력에 만족하는 나사의 크기(호칭경), 강도 및 나사 수를 결정한다.

 

체결력은 "보통나사의 최대 체결력 및 최대 조임토크표"에서 구할 수 있으며, 이 값은 한 개의 나사가 견딜 수 있는 값을 나타 내고 있으므로, 여러 개의 나사를 사용할 경우에는 총 필요한 체결력을 나사의 수로 나누어 한 개의 나사에 필요한 체결력을 결정하고 그 값에 합당한 호칭경 및 강도 등급을 표에서 결정한다.

 

2. 나사의 표면처리 사양에 따라 적절한 마찰계수를 선정한다.

 아연도금한 나사의 마찰계수 : 0.125

 

나사의 마찰계수는 사용되는 너트나 암나사의 가공정밀도, 끼워맞춤 공차, 표면처리사양,

오일 도포유무 등에 따라 달라진다. 따라서, 정확한 값을 알고자 할 경우에는 제조업체에

의뢰하여 시험을 통해 마찰계수를 찾을 수 있다. 그러나, 항상 나사 사양을 결정할 때마다

그 값을 시험을 통해 구한 다는 것은 매우 불편한 일이므로 일반적으로 많이 사용되는 사양에

대해서는 업체에서 제시된 표 값을 이용하는 것이 편리하다. 그러나 업체에서 제시한 표를 보면그 값의 범위가 매우 커서 사용하기에 오히려 불편할 수 있으므로 아주 중요한 부위에 사용되는 볼트가 아니라면 간략한 예시를 사용하는 것이 편리하다

 

3. 아래에 제시한 표에서 나사의 호칭경을 찾아 특정 호칭경에서 적정한 마찰계수와 강도등급란이 교차되는 지점의 값을 읽으면 이 값이 최대 조임토크 값이 된다.

나사의 최대 체결력은 일반적으로 다음의 식으로 구할 수 있다.

Ff = As x 0.7 x Fy
As = 볼트의 유효 단면적(mm2)
Fy = 볼트의 항복점(N)

 

 

※다음 표는 업체에서 제공한 값으로 복잡한 식으로 계산하지 않아도 간편하게 이용할 수 있다.

【 보통나사의 최대 체결력 및 최대 조임토크표 】
호 칭 경	마찰 계수	최대 체결력(N)							최대 조임토크(N.m)
		ISO 898 /1 에 의한 나사 등급							ISO 898 /1 에 의한 나사 등급
		3.6	4.6	5.6 4.8	5.8	8.8	10.9	12.9	3.6	4.6	5.6 4.8	5.8	8.8	10.9	12.9
M1.6	0.100	185	200	250	330	575	810	970	0.045	0.05	0.065	0.085	0.15	0.21	0.25
	0.125	175	190	240	310	545	770	920	0.05	0.055	0.075	0.095	0.17	0.24	0.29
	0.140	165	180	230	300	530	745	895	0.065	0.06	0.08	0.10	0.18	0.25	0.30
M1.8	0.100	220	230	295	380	680	955	1150	0.055	0.06	0.08	0.10	0.185	0.26	0.32
	0.125	205	220	280	360	645	905	1090	0.065	0.70	0.095	0.115	0.21	0.30	0.36
	0.140	200	215	275	350	625	880	1050	0.7	0.75	0.10	0.125	0.23	0.32	0.38
M2	0.100	310	335	420	540	960	1350	1620	0.095	0.105	0.135	0.17	0.31	0.44	0.52
	0.125	295	320	400	520	910	1280	1530	0.115	0.12	0.155	0.19	0.35	0.50	0.60
	0.140	285	305	385	500	880	1240	1490	0.12	0.13	0.165	0.215	0.38	0.53	0.64
M2.5	0.100	515	560	700	910	1600	2250	2700	0.20	0.21	0.28	0.36	0.63	0.89	1.07
	0.125	490	530	665	860	1520	2140	2560	0.23	0.25	0.32	0.39	0.73	1.02	1.23
	0.140	475	510	645	830	1470	2070	2480	0.25	0.27	0.34	0.43	0.78	1.09	1.31
M3	0.100	790	855	1070	1390	2440	3430	4120	0.35	0.38	0.49	0.63	1.11	1.57	1.88
	0.125	770	815	1020	1320	2320	3270	3920	0.42	0.44	0.56	0.72	1.28	1.80	2.15
	0.140	730	785	985	1280	2250	3170	3800	0.44	0.47	0.60	0.78	1.37	1.92	2.30
M3.5	0.100	1050	1140	1430	1850	3270	4600	5520	0.54	0.59	0.75	0.96	1.71	2.40	2.90
	0.125	1000	1080	1360	1760	3120	4380	5260	0.63	0.68	0.86	1.10	1.96	2.75	3.30
	0.140	970	1050	1320	1710	3020	4250	5100	0.67	0.73	0.92	1.19	2.10	2.95	3.95
M4	0.100	1370	1480	1850	2400	4230	5950	7140	0.82	0.88	1.12	1.44	2.55	3.60	4.30
	0.125	1300	1400	1760	2280	4020	5660	6790	0.94	1.02	1.28	1.66	2.90	4.10	4.95
	0.140	1260	1360	1710	2220	3900	5480	6580	1.00	1.08	1.37	1.77	3.10	4.40	5.25
M5	0.100	2250	2410	3020	3920	6910	9720	11650	1.60	1.70	2.20	2.80	5.0	7.05	8.45
	0.125	2140	2300	2880	3740	6580	9260	11100	1.80	2.00	2.50	3.20	5.75	8.10	9.70
	0.140	2000	2230	2790	3620	6380	8980	10800	1.90	2.10	2.70	3.40	6.15	8.65	10.4
M6	0.100	3200	3400	4270	5550	9760	13700	16450	2.8	3.0	3.8	4.8	8.6	12	14.5
	0.125	3050	3240	4060	5270	9290	13050	15650	3.2	3.4	4.3	5.6	9.9	14	16.5
	0.140	2960	3150	3940	5120	9010	12650	15200	3.5	3.7	4.6	6	10.5	15	18
M8	0.100	5870	6260	7830	10170	17900	25200	30200	6.8	7.2	9.1	11.7	21	29	35
	0.125	5590	5960	7460	9690	17050	24000	28800	7.9	8.3	10.5	13.6	24	34	40
	0.140	5420	5780	7230	9390	16550	23200	27900	8.4	8.9	11	14.5	26	36	43
M10	0.100	9350	9960	12450	16180	28500	40100	48100	13.5	14.4	18	23.4	42	58	70
	0.125	8900	9480	11850	15400	27100	38200	45800	15.5	16.6	21	27	48	67	81
	0.140	8640	9200	11500	14900	26300	37000	44400	17	18	22	29	51	72	87
M12	0.100	13600	14520	18150	23500	41500	58400	70000	24	25	31	41	72	101	121
	0.125	13000	13840	17300	22400	39600	55600	66800	27	29	36	47	83	117	140
	0.140	12600	13400	16800	21800	38400	54000	64800	29	31	39	50	89	125	150
M14	0.100	18700	19900	24900	32300	57000	80100	96200	37	40	50	47	114	160	193
	0.125	17800	19000	23800	30900	54300	76400	91700	43	46	58	74	132	185	220
	0.140	17300	18400	23100	30000	52700	74100	89000	46	50	62	81	141	198	240
M16	0.100	25700	27400	34300	44500	78300	110000	132000	57	60	76	98	174	245	295
	0.125	24500	26100	32700	42500	74700	105000	126000	66	70	88	115	200	385	340
	0.140	23800	25300	31700	41200	72600	102000	122500	71	76	95	124	215	305	365
M18	0.100	31300	33300	41700	54200	95300	134000	161000	79	83	105	135	240	340	405
	0.125	29800	31700	39700	51600	90900	128000	153500	91	95	121	155	275	390	470
	0.140	28900	30800	38600	50100	88200	124000	149000	97	105	130	171	295	420	500
M20	0.100	40200	42800	53500	69500	122500	172000	206000	111	120	148	195	340	475	570
	0.125	38300	40800	51100	66400	117000	164000	197000	128	135	170	219	390	550	660
	0.140	37200	39600	49600	64200	113500	159000	191500	138	146	184	238	420	590	710
M22	0.100	50100	53400	66800	86800	153000	215000	258000	149	160	199	260	455	640	765
	0.125	47900	51000	63800	82900	146000	205000	246000	173	183	230	298	530	745	890
	0.140	46500	49600	62000	80600	142000	199500	239500	186	198	250	322	570	800	960
M24	0.100	57800	61600	77100	100200	176000	248000	297000	191	203	255	330	580	820	980
	0.125	55200	58800	73600	95680	168000	236000	284000	220	235	295	382	675	950	1140
	0.140	53600	57100	71400	92800	163500	230000	276500	235	251	315	408	725	1020	1220
M27	0.100	76000	81200	101500	131900	232000	326000	391000	280	300	375	488	855	1210	1450
	0.125	72600	77400	96800	125800	221000	311000	374000	325	348	435	566	995	1400	1680
	0.140	70600	75200	94100	122300	215000	302000	363000	350	376	470	610	1070	1510	1810
M30	0.100	92500	98800	123500	160500	282000	396000	475000	380	405	510	658	1160	1640	1970
	0.125	88300	94000	117500	162700	269000	378000	454000	445	470	590	763	1350	1900	2280
	0.140	85700	91600	114500	148800	261000	367000	441000	475	504	635	818	1450	2050	2450
M33	0.100	115000	122800	153500	199500	351000	494000	592000	515	552	690	898	1570	2210	2650
	0.125	110000	117200	146500	190400	335000	472000	566000	600	645	800	1045	1380	2580	3090
	0.140	107000	114000	142500	185200	326000	458000	550000	645	685	865	1110	1970	2770	3330
M36	0.100	135000	144000	180000	234000	412000	579000	695000	665	705	885	1145	2030	2850	3420
	0.125	129000	137600	172000	223600	394000	553000	664000	775	825	1030	1340	2360	3310	3980
	0.140	125500	134000	167500	217700	382000	538000	645000	830	885	1111	1435	2530	3560	4280
M39	0.100	162500	173500	217000	282100	495000	696000	835000	860	920	1150	1495	2620	3680	4420
	0.125	155000	165600	207000	269100	473000	665000	798000	1000	1075	1340	1750	3050	4290	5150
	0.140	151000	160800	201000	261300	460000	646000	776000	1080	1155	1440	1880	3290	4620	5550

 

 

최대 체결력은 항복강도의 90%값을 예시한 것이며, 조임 토크값도 이때의 값을 표시한 것이다.
따라서 나사의 안전율을 감안 할 경우 안전율 만큼 최대 체결력 값을 줄여 잡아야 한다.

 

4. 토크렌치의 허용공차에 따른 토크값 보정

일반적으로 모든 계측기는 공차값을 갖고 있으며, 이 공차값을 고려하지 않으면 게이지의 눈금으로는 정확히 조여 줄지라도 실제로는 최대허용 토크를 넘어 무리하게 조여질 수 있으며 이는 새로운 문제점을 일으킬 수 있다.

 

사용 토크값 = 최대토크값-토크렌치의 공차값

계산 예) 만일 토크렌치의 허용공차가 ±10%라고 가정하고, 호칭경 M8x1.25, 강도등급 8.8에 아연도금한 나사의 경우

 

최대 조임 토크값 = 24.N.m(표참조)
사용 최대 토크값 = 24 x (1-0.1) = 21.6N.m

 

5. 생산 가능한 토크값의 범위 설정

현장에서 작업을 위해서는 모든 규제치에 공차가 주어져야 한다. 이 값은 작업자의 숙련도, 작업시간 사용 공구의 정밀도, 편리성 등에 따라 달라지므로 현장의 형편을 고려하여 결정하여야 한다. 예를 들어, 너트런너 등의 전문 장비를 사용할 경우는 ±3N.m 정도이면 충분하지만, 토크렌치등을 사용할 경우는 이보다 커야 할 것이다.

계산 예) 만일 토크렌치를 사용하고 공차를 ±3N.m로 결정한다면,

작업 토크값 = 21.6 - 3 = 18.6N.m± 3N.m

 

6. 생산 가능한 최소 토크값에 대한 체결력의 적정성 검토

현장의 여건을 감안한 토크값을 결정한 후에 최소값에 대한 체결력을 검토해서 그 값이 필요한 체결력을 상회해야 한다.만일 이 값이 너무 작아 체결력에 문제가 될 경우에는 나사의 호칭경을 한 치수 큰 것으로 바꾸거나 강도 등급을 한등급 높은 것으로 바꾸어서 위의 계산 과정을 반복해야 한다.

계산 예) 작업 최소 토크 값 = 18.6 -3 = 15.6N.m

최대 토크값 24N.m 일때 최대 체결력은 17050N이므로

최소 체결력 = 1750 x 15.6 / 24 = 11082.5N

만일 11082.5N이 충분한 체결력이라면 조임토크를 18.6 ±3N.m으로 확정한다.

 

 

참고 1. 현장에서의 품질관리

작업이 끝난 후에 품질관리 요원이 작업이 제대로 되었는지 확인하는 작업을 할 경우 한계 토크렌치 (특정값이 되면 딸깍 소리와 함께 헛돌게 되어 있는 형태의 토크렌치)를 많이 사용하게 된다. 이때도 토크렌치의 공차 한계를 감안하여 최소 토크값인 15.6에 공차값을 더한 값으로 토크 렌치 값을 세팅하여 사용하면 된다. 일반적으로 작업이 정상적으로 이루어 질 경우는 과도하게 조여지는 경우는 거의 없으며 필요값 보다 덜 조여 지는 경우가 많으므로 검수는 최소값 만을 검사 하는 경우가 합리적이기 때문이다. 

 

참고 2. 토크렌치가 인치계인 경우의 환산

 

현장의 공구가 인치계인 경우는 ft.lb(foot pound)로 눈금이 표시되므로 위에서 계산된 N.m값을 환산해 주어야 한다. 환산은 ft.lb = N.m x 0.7376 의 식으로 구할 수 있다.

계산 예) 위에서 얻어진 18.6 ±3 N.m를 인치계의 값으로 변환하면

18.6 x 0.7376 = 13.7194
3 x 0.7376 = 2.2128
즉, 13.72 ± 2.21ft.lb가 된다.

 

※세목 나사의 경우도 위와 동일한 절차를 밟아 계산해야 한다. 단 최대 체결력 및 최대조임토크표는

 아래에 주어진 표를 사용한다.

【 세목나사의 최대 체결력 및 최대 조임토크표 】
나사사양	마찰계수	최대 체결력(N)			최대 조임토크(N.m)
		ISO 898 /1 에 의한 나사 등급			ISO 898 /1 에 의한 나사 등급
		8.8	10.9	12.9	8.8	10.9	12.9
M8x1.0	0.100	19500	27500	33000	22	30	36
	0.125	18600	26200	31500	25	35	42
	0.140	18100	25500	30600	27	38	45
M10x1.25	0.100	30500	42900	51500	42	59	71
	0.125	29100	40900	49100	49	68	82
	0.140	28300	39800	47700	52	73	88
M12x1.25	0.100	46600	65500	78500	76	105	130
	0.125	44600	62500	75000	88	125	150
	0.140	43300	61000	73000	95	135	160
M14x1.5	0.100	63000	88500	106000	120	165	200
	0.125	60500	85000	102000	140	195	235
	0.140	58500	82500	99000	150	210	250
M16x1.5	0.100	85000	120000	144000	180	250	300
	0.125	81500	114000	137000	210	295	350
	0.140	79000	111000	133000	225	315	380
M18x1.5	0.100	111000	156000	187000	260	365	435
	0.125	106000	149000	179000	305	425	510
	0.140	103000	145000	174000	325	460	550
M20x1.5	0.100	140000	197000	236000	360	510	610
	0.125	134000	189000	226000	425	600	720
	0.140	130000	183000	220000	460	640	770
M22x1.5	0.100	172000	242000	291000	480	680	810
	0.125	165000	234000	279000	570	800	960
	0.140	161000	226000	271000	610	860	1050
M24x2	0.100	197000	277000	332000	610	860	1050
	0.125	188000	265000	318000	720	1000	1200
	0.140	183000	257000	309000	780	1100	1300

 

최대 체결력은 항복강도의 90%값을 예시한 것이며, 조임 토크값도 이때의 값을 표시한 것이다.
      따라서 나사의 안전율을 감안 할 경우 안전율 만큼 최대 체결력 값을 줄여 잡아야 한다.

 

9. 나사의 조임방법 (Tightening method) 예시

 

일반적으로 많이 쓰이는 나사의 조임방법에는 "토크 값 제어방식"과 "조임 각도 제어방식"의 두 가지가 있다. 본 장에서는 각도제어 방식에 대해 알아 본다.

(토크 값 제어방식은 나사의 조임토크 결정 ( Tightening torque )예시 참조바람) 조임 각도 제어방식(Angular tightening method)이란 나사를 조일 때 일정 토크값으로 1차 조임을 하고 다시 일정한 각도 만큼을 조이는 방식이다.

 

각도제어 방식의 사용 목적

• 1. 각각의 볼트에 걸리는 체결력의 산포를 최소화 하기위해 사용한다.

토크렌치(torque wrench)를 이용하여 나사를 조이는 토크제어 방식의 경우 토크값의 상한치와 하한치의 범위를 갖을 수 밖에 없으며, 이로 인해 볼트에 걸리는 실제 축력의 산포는 훨씬 커지게 된다. ('그림 1.조임토크와 축력' 참조바람) 동일한 토크값으로 조였다손 치더라도 나사산의 정밀도나 표면 거칠기, 볼트좌면의 상태등에 따라 마찰력이 달라서 실제 볼트가 조여짐으로써 갖게 되는 볼트의 체결력에는 상당한 차이를 보이는 것이 일반적이다.특히 탄성역 내에서 조여지는 경우는 그래프의 기울기가 커서 축력의 산포는 더욱 커지게 된다. 그러나, 마찰력의 영향이 최소인 착좌점까지 조인후 일정한 각도로 재조임을 할 경우 마찰력에 의한 여러 가지 영향이 배제된 상태로 조여지므로 실제 축력의 차이가 작아지게 된다. 조임공구에 각도기가 달려 있어야 하므로 조임 작업에 불편이 따르지만, 풀림방지를 위한 균일한 조임력을 얻고 싶은 곳에는 추천할 만한 방식이다.

그림1. 조임토크와 축력 】

 

• 2. 볼트가 갖고 있는 강도를 최대한 사용하기 위함이다.

위의 (그림1. 조임토크와 축력)의 그래프에서 보듯이 토크로 조일 경우 그 값이 조금만 넘어가면 바로 볼트의 파손이 생기게 된다. 이는 항복점을 지나면 토크값이 증가되지 않으면서 조여지다가 결국은 파손에 이르기 때문이다. 따라서, 파손의 위험으로부터 어느 정도 안전한 작업을 하기 위해 탄성역을 넘지 않는 한도에서 조임토크의 상한치를 설정하는 것이 일반적이었다. 이러한 이유로 인해 실제로 사용되는 축력은 볼트강도의 50 ~ 70% 정도만이 사용되었다. 아래 (그림2. 조임각도와 축력)은 볼트를 조이면서 파손될 때까지 조여진 각도별 축력을 그린 것이다. 항복점을 지나 최대 축력(Fm)점까지 각도의 범위가 상당히 넓은 것을 알 수 있다. 또한, 파손점까지는 상당히 여유가 있음을 알 수 있다. 이 원리를 이용하여 착좌점까지는 토크값으로 조인후 각도로서 재조임을 하는 2단계 조임방법을 사용하면, 볼트가 갖고 있는 최대 강도까지 사용할 수 있어 동일한 축력을 얻기 위해서는 호칭경이 작은 볼트를 사용할 수 있다. 혹은 동일 호칭경에 강도등급이 한등급 낮은 볼트를 사용할 수도 있다. 여러개의 볼트를 사용하는 경우에는 볼트의 숫자를 줄일 수도 있다.

 

적용예) M8x1.25x50, 강도등급 10.9 인 볼트의 조임 토크

 

- 토크조임 방식으로 할 경우	: 토크 상한치 = 38N.m, 토크 하한치 = 33N.m ( 파손 토크 = 41N.m )
- 각도조임 방식으로 할 경우	:  25N.m + 30°

 

【 그림2. 조임각도와 축력 】

 

참고 1. 착좌점이란?

(그림2. 조임각도와 축력)에서 보면, 초기에 나사를 조여도 탄성영역 임에도 불구하고 축력이 조임각도에 비례하여 상승되지 않는 구간이 존재함을 알 수 있다. 이는 나사의 미끄럼이나 표면의 자리잡음 효과등에 기인된다. 이 미끄럼이 끝나고 피체 결물이 서로 밀착되는 점(탄성영역으로 진입되는 점)을 착좌점(snug point)이라 하며, 이때의 토크값을 착좌토크(snug torque)라고 한다.

 

참고 2. 탄성역 ( 탄성영역 )이란?

(그림2. 조임각도와 축력)에서 조임각도 θy 까지는 조여지는 각도에 따라 축력의 증가가 거의 직선으로 이루어 지며, 이 구간 내에서는 가했던 힘을 제거하면 원래 모습으로 되돌아 오게 되므로 이 영역을 탄성역이라고 부른다.

참고 3. 소성역 ( 소성영역 )이란?

 

 

(그림2. 조임각도와 축력)에서 탄성역을 지나면 가했던 힘을 제거해도 원래의

모습으로 돌아오지 않고 어느 정도 나사의 길이가 늘어나 영구 변형량을 보이게 되며 이러한 영구변형은 소성변형이므로 이 영역을 소성역이라고 부른다.

 

참고 4. 항복점이란?

(그림2. 조임각도와 축력)에서 θy를 기준으로 왼쪽은 탄성역, 오른쪽은 소성역이

된다. 이러한 타성역과 소성역의 경계점을 항복점이라고 부른다.

 

각도제어 방식의 적용시 주의할 점

• 1. 나사의 최대 체결력 사용범위 결정에 신중해야 한다.

탄성영역까지만 사용할 것인지, 소성영역까지 사용할 것인지 신중히 검토해야 한다. 볼트의 갯수나 사용위치 등에 대한 제약조건이 별로 없는 부위에 사용하는 볼트라면 탄성영역까지만 사용할 것을 권장한다. 하지만, 엔진등과 같이 협소한 장소에서 제한된 수량을 볼트를 사용해야 할 경우에는 소성역까지 사용하는 것이 효과적인 대안이 될 수 있다.

 

• 2. 나사의 품질 및 내구성 확인에 신중해야 한다.

볼트의 재질이나 열처리 등에 따라 (그림2. 조임각도와 축력)과 같은 곡선그래프의 기울기는 계속해서 바뀌게 된다. 따라서, 제품의 품질 산포가 어느 정도 인지 확신이 없다면 탄성역 안에서 사용하는 것이 안전하다

 

소성역 체결을 위한 볼트의 경우

◦ 항복점의 산포가 적은 재료의 볼트를 선정한다 항복점에 이르는 탄성역의 그래프 기울기(그림 2의 dPe/dθe)가 작아 항복점까지의

◦  조임각도(θy)가 큰 제품을 선정한다.

◦ 항복점에서 최대축력(θm)에 도달하는 각도가 큰 제품(연신율이 좋은 것)을 선정한다.

◦ 열처리의 관리가 잘 이루어질 수 있는 믿을 수 있는 회사의 제품을 선정한다.

◦ 볼트가 인장력을 받으므로 늘어날 수 있는 여유 나사부의 확보가 반드시 필요하다. 전산나사를 사용하는 것이 가장 좋다. 하지만, 불필요하게 나사부가 너무 길어지는  경우라면 유효경 부분나사를 사용하면 유효경 부분에서 인장력을 받아 늘어나므로 좋다. 그러나, 결합물의 위치등을 위해 공칭경 나사를 사용하고자 할 경우에는 조여진 후 남는 나사산의 수를 약 5산 이상을 남기는 것이 좋다. 이 부위가 너무 짧으면, 인장이 집중되어 파손의 원인이 될 수 있다.

◦ 부분나사를 사용할 경우 불완전 나사부에서 단면적을 감소시키는 효과(notch effect)를 갖어 올 수도 있으므로 이 부위의 형상에 특히 신경을 써야 한다.

 

소성역 체결을 할 경우 볼트의 내구성을 신중히 확인해야 한다. 특히, 진동 및 외력이 작용하는 곳에 사용된다면 내력시험(creep test), 내구 수명 확인 시험등을 거치는 것이 좋다.

 

• 3. 볼트 제조회사의 기술적 지원을 최대한 받을 수 있도록 해야 한다.

실제 조이려고 하는 제품에서 볼트 구멍을 포함하여 잘라내어 토크렌치로 조이면서 조임 각도 (10˚ 혹은15˚ 간격으로 파손될 때까지 측정)와 토크 값을 그래프 상에 그려 본다.

 

• 이렇게 구해진 그래프에서 정확하진 않지만 항복점을 찾을 수 있다. 여러개의 볼트를 시험하여 항복점을 찾아 탄성역내에서 사용한다면 토크렌치로 토크값을 보면서 조이던 것에 비해 더 축력의 산포를 줄이면서 안전하게 조일 수 있다. 그러나, 고장력볼트의 경우 항복점의 구분이 어려우므로 최대 축력값에서 약 70%정도의 축력값을 보이는 각도를 설정하는 것도 요령이다.

• 아주 정밀한 체결력을 원할 때는 볼트의 양단에서 길이를 측정하여 늘어난 값이  일정하게 되도록 조이는 방식을 사용하기도 한다. 볼트회사의 협조하에 축력시험을 하면 볼트의 좌면에 와셔대신 로드셀(load cell)을 장착하여 조이면서 원하는 축력이 나오는 시점에서 늘어난 길이가 얼마인지 측정할 수 있으며, 이 값을 기준으로 실제 적용하면 정확한 조임이 가능하다.

 

【 그림3. 볼트 길이의 측정】

 

• 4. 소성역에서 사용되는 볼트의 경우 반복사용의 회수를 제한하여야 한다.

소성역에서 사용될 경우 발생되는 영구 변형량(볼트의 늘어남)은 풀었다 조였다를 반복함에 따라

누적되어 자꾸만 길어지게 되며, 일정 길이 이상이 되면 축력이 저하되므로 안전한 사용이 어렵게 된다.

그림4. 볼트의 재사용 회수의 결정 】

(그림4. 볼트의 재사용 회수의 결정)은

자동차 회사의 SAE발표 논문에서

발최한 것으로 14회와 6회로 사용제한을 결정한 예를 보여 주는 것이다.

이처럼 실제 조임과 해체를 반복하여

정밀한 그래프를 그려 봄으로써 정확한

사용회수를 알 수 있겠지만, 현실적으로

몇 번을 반복했는지 세는 것이 어려우므로 안전하게 해체시마다 새것으로 교체하도록 하는 곳도 있다.

고객들이 얼마나 자주 해체를 할 필요가

있겠는가를 따져봐야겠지만, 그 빈도가

많지 않고 부품의 구입이 용이하다면

1 ~ 2회로 한정 시키는 것이 안전하다.

 

 

10. 관통볼트의 밑구멍 설계

 관통 볼트를 사용하기 위해 결합 대상들에 구멍을 뚫어야 하며, 이 밑구멍 직경값은 ISO 273에 추천되어 있다.

 사용할 볼트의 호칭경에 따른 밑구멍 추천값은 아래표와 같다.

 

호칭경 (d)	밑구멍 직경 ()
	정밀	보통	거침
1 1.2 1.4	1.1 1.3 1.5	1.2 1.4 1.6	1.3 1.5 1.8
1.6 1.8 2	1.7 2 2.2	1.8 2.1 2.4	2 2.2 2.6
2.5 3 3.5	2.7 3.2 3.7	2.9 3.4 3.9	3.1 3.6 4.2
4 4.5 5	4.3 4.8 5.3	4.5 5 5.5	4.8 5.3 5.8
6 7 8	6.4 7.4 8.4	6.6 7.6 9	7 8 10
10 12 14	10.5 13 15	11 13.5 15.5	12 14.5 16.5
16 18 20	17 19 21	17.5 20 22	18.5 21 24
22 24 27	23 25 28	24 26 30	26 28 32
30 33 36 39	31 34 37 40	33 36 39 42	35 38 42 45
호칭경 (d)		밑구멍 직경 ()
		정밀		보통	거침
42 45 48		43 46 50		45 48 52	48 52 56
52 56 60		54 58 62		58 62 66	62 66 70
64 68 72		66 70 74		70 74 78	74 78 82
76 80 85		78 82 87		82 86 91	86 91 96
90 95 100		93 98 104		96 101 107	101 107 112
105 110 115		109 114 119		112 117 122	117 122 127
120 125 130		124 129 134		127 132 137	132 137 144
140 150		144 155		147 158	155 165

주) 위 표의 직경값은 기준값이므로 실제 사용 시에는 아래와 같은 공차를 적용한다.

정밀 작업시: H12

보통 작업시: H13

거친 작업시: H14 

밑구멍과 나사머리 하단과의 간섭을 피하기 위해 모떼기 할 것을 추천합니다.

 작업 정밀도 선정

상기표에는 정밀한 작업, 보통작업, 거친작업의 세가지가 주어져 있다.

 이중 어떤 작업 정밀도를 선택할 것인가 결정해야 한다.

 여러개의 볼트로 체결될 경우 구멍의 위치공차가 발생되며, 구멍을 작게 뚫으면 상대물의 구멍과 맞지 않아 볼트가 끼워지지 않을 수 있다.

 따라서, 조립되는 구멍의 수와 각각의 구멍에 적용되는 진위치도 공차 값을 Maximum Material Condition으로 고려하여 허용될 수 있는 구멍의 크기를 결정해야 한다.