체결 토크 · 풀림 토크 · 파단 토크

볼트를 "꽉" 조인다는 말은 정확한 지시가 아닙니다. 토크에는 성격이 다른 세 가지 값이 있고, 서로 일정한 배율로 묶여 있지 않습니다.

적정 체결 토크는 어떻게 정하는가

볼트의 역할은 부재를 눌러 붙잡는 축력(Preload)을 만드는 것입니다. 그래서 체결 토크는 파단 토크의 몇 분의 1로 정하는 것이 아니라, 필요한 축력과 체결 조건에서 거꾸로 정합니다.

일반적인 체결 설계에서는 볼트가 과도한 소성변형을 일으키지 않도록 목표 축력을 정합니다. 조이는 동안 볼트에는 축 방향 인장응력과 나사부 마찰에 의한 비틀림 응력이 함께 걸리므로 둘을 함께 고려해야 하고, 지나치게 조이면 영구 변형이나 볼트·나사산 파손으로 이어질 수 있습니다.

강도구분이 높을수록 0.2% 내력과 인장강도의 간격이 좁습니다(A2-50 210/500, A2-70 450/700, A2-80 600/800 N/mm²). 강도구분이 높아질수록 최소 인장강도 대비 0.2% 내력의 비율이 커집니다. 다만 이 비율만으로 실제 체결 중 소성변형이나 파손까지의 여유를 판단할 수는 없고, 인장·비틀림 조합 응력과 마찰 조건을 함께 검토해야 합니다. 이 강도 비율이 곧 체결 토크와 파단 토크의 비율인 것도 아닙니다. (강도구분 자세히)

재질·호칭·머리 형상·마찰 조건을 넣어 조건별 체결 토크와 축력을 계산해 보시려면 체결 토크·축력 계산기를 이용하십시오. 계산식과 조건이 함께 표시됩니다.

규격의 '최소 파단 토크'는 무엇인가

ISO 3506-1:2020에는 오스테나이트계 스테인리스 볼트·나사의 최소 파단 토크가 있습니다. 정해진 비틀림 시험에서 이 값보다 먼저 끊어지면 안 된다는 합격 기준입니다.

단위 N·m. ISO 3506-1:2020 표 8(오스테나이트계 최소 파단 토크). 규격은 나사의 홈·구동부가 이 토크를 다 전달하지 못할 수 있으며, 그것이 불합격 사유는 아니라고 덧붙입니다.

※ 이 표는 ISO 3506-1:2020의 비틀림 시험 적용 조건을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 보통나사(강도구분 50·70·80)의 최소값입니다. 규격(9.5.1절)은 비틀림 시험을 호칭지름 1.6 mm 이상 3 mm 미만은 모든 길이에, 3 mm 이상 16 mm 이하는 호칭길이 l < 2.5d인 제품에 적용하고, 나사부 길이 b ≥ d + 2P(P는 피치)를 만족해야 한다고 정합니다. 길이가 짧아 인장시험을 할 수 없는 나사에 인장강도 대신 쓰는 기준인 셈입니다. 또 하중 지지 능력이 완전한 제품에만 적용하므로, 접시머리처럼 머리 형상 때문에 하중 지지 능력이 감소한 제품에는 이 기준을 그대로 적용하지 않습니다.

풀림 토크는 일정한 비율이 아닙니다

풀림 토크는 조인 볼트나 너트를 풀기 위해 필요한 토크입니다. 일반적인 체결에서는 체결 토크보다 낮게 나타날 수 있지만, 무엇을 재느냐에 따라 값이 달라집니다.

• 초기 풀림 토크(Breakaway) — 정지한 체결부가 풀리는 방향으로 처음 움직일 때의 토크. 정지 마찰, 표면 상태, 윤활, 부식, 나사고정제의 영향을 받습니다
• 풀림 회전 토크(Running) — 풀리기 시작한 뒤 계속 돌리는 데 필요한 토크

혐기성 나사고정제(록타이트 등)를 쓰면 초기 풀림 토크가 체결 토크를 넘기도 합니다. 풀림방지 너트(나일론 인서트형, 통칭 나일록)는 풀리기 시작한 뒤에도 너트 자체의 회전 저항 토크가 계속 걸리므로, 초기 풀림 토크와 이 회전 저항 토크를 나누어 보아야 합니다. 풀림방지 너트의 조임·풀림 방향 저항 토크는 ISO 2320에서 따로 평가합니다. 그래서 풀림 토크를 일정 비율로 계산하거나, 풀림 토크만으로 처음 체결한 축력을 판단하기는 어렵습니다.

토크값이 흔들리는 요인

체결 토크의 대부분은 마찰을 이기는 데 쓰입니다. 한 예로 머리 밑 마찰 약 50%, 나사부 마찰 약 40%, 축력으로 가는 몫은 약 10% 수준이라는 설명이 있습니다(조건에 따라 다름). 따라서 마찰 조건이 바뀌면 같은 토크에서도 축력이 크게 달라집니다.

마찰에 따라 축력이 얼마나 달라지는지는 체결 토크의 대부분은 마찰에 쓰입니다 글에서 숫자와 그래프로 볼 수 있습니다.

• 윤활 여부 — 윤활하면 마찰계수가 낮아져 같은 토크에서도 축력이 커질 수 있습니다. 무윤활 조건의 토크값을 그대로 쓰지 말고, 목표 축력과 윤활 조건에 맞는 토크를 확인하십시오
• 표면처리 종류 — 도금 종류마다 마찰계수가 다릅니다
• 부식 — 부식이 생기면 마찰계수가 크게 올라 같은 토크로도 축력이 확보되지 않을 수 있습니다
• 마찰계수와 토크계수 — 간이식 T = K·F·d의 토크계수 K는 마찰계수 μ와 같은 값이 아닙니다. ISO 16047도 전체 토크계수, 나사부 마찰계수, 머리 밑 마찰계수를 나누어 측정합니다

스테인리스에서 윤활이 거론되는 이유는 축력 관리 때문만이 아닙니다. 나사산이 눌어붙는 소착을 막는 목적이 함께 있습니다. (소착 자세히)