볼트 조임 토크

▷ 볼트를 조이는 이유

볼트를 조이는 이유는 적절한 볼트 인장력 (볼트머리와 나사산이 당기는 힘) 을 생성하기 위해서이다. 특히, 압력 용기에서는 적절한 볼트 인장력 (압력에의한 분리력 이상) 이 있어야 기밀이 유지된다.

▷ 토크의 분배

대부분의 볼트를 조이는 힘은 볼트 머리와 나사산에서 마찰력으로 90% 정도가 사용되며 10% 정도만이 볼트 인장력이 생성되는데 사용되어진다 (뭔가 상당히 비효율적인 느낌이지만 그렇다). 

▷ 토크의 계산

표준 (KS, ISO, JIS, DIN 등) 볼트는 이미 표로 호칭경과 재질 강도에 따른 최대 조임토크와 축력이 제시되어 있다. 표준이 없는 경우는 제작사에서 해당 볼트의 조임토크를 추천해준다. 이러한 조임토크는 (복잡하지 않은 수식을 이용하여) 볼트의 호칭경과 강도를 알면 구해진다. 경우에 따라 마찰계수를 선정하여야 하는데 출처에 따라 편차가 있으므로 잘 모를 경우에 최대값을 취하면 강도측면에서 안정적이다. 

표준에서 호칭경과 강도에 따라 토크를 결정하는 방법은 간단히 설명하면 조임 과정에서 발생하는 응력 (볼트 인장 + 조임에의한 비틀림에 의한 응력) 을 항복강도보다 약 10% 작게하는 것이다. 따라서 주의할 점은 표준에서 제시되는 토크값은 조임 과정에 대한 구조적 안정성을 제시한다는 점이다 (즉 이 토크 보다 세게 조이면 조임 과정에서 볼트에 영구 변형이 생기게 된다). 

즉, 볼트를 포함하는 제품의 운용 조건에서의 구조적 안정성은 제품의 설계자가 판단해야 한다. 볼트를 사용하는 제품의 설계자는 해당 제품의 운용 조건에서 볼트에 필요한 축력과 볼트에 부하되는 등가응력 (예. von-Mises) 을 구하여 이에 맞는 볼트를 선정하여야 한다.  

* ISO 조임 토크 표

볼트몰

(영문)

http://www.fullermetric.com/technical/information/tech_torque_figures.aspx#torque-figures-metric

(영문)

http://www.cncexpo.com/MetricBoltTorqueNm.aspx

아래는 이론 부분으로 위의 표들을 이용하면 규격 볼트의 조임토크를 알 수 있으므로 읽어볼 필요는 없다 

(비규격 볼트도 제조사에서 제시해준다). 

▷ 볼트 강도가 문제가 되는 경우

실무 설계 입장에서 강도와 관련되어 문제가 되는 경우는 대부분 볼트를 잘 못 선정하여 

1. 추천 토크를 사용하여 조여도 축력이 부족하여 대상 구조물이 제대로 결합되지 않거나 

2. 운용 조건에서 볼트의 강도가 부족하여 파괴되는 경우

이다. 이 경우에는 당연하지만 대책은

1. 볼트를 추가하거나, 

2. 볼트 호칭경을 큰 것을 사용하거나, 

3. 보다 강도가 높은 재질을 사용하여야 한다.

조임 과정에서의 응력을 구하는 식은 복잡하지는 않으나 관심있는 실무자가 거의 없으므로 생략한다.

▷ 토크에 의한 축력 계산

토크 대 축력을 구하는 수식은 여러가지가 있으나 아래와 같은 간단한 식을 사용한다. 마찰계수의 부정확성이나 조립 방법에 따른 토크 편차를 고려하면 해석적으로 정확한 토크의 예측이 의미가 적으며 개략적으로 이 정도의 값을 가진다는 의미로 보는게 좋다. 볼트의 호칭경, 조임토크, 축력 중에 어느 두 개를 알면 다른 하나를 계산할 수 있으며, 축력이 제품의 설계에 활용된다.

T = K x d x Ff   or  Ff = T / (K x d)

T : 토크

K : 마찰계수에 따라 다르며 0.15~0.2의 값

d : 호칭경

Ff : 볼트 인장력 

볼트를 조이는 방식에 따라 실제 적용된 토크 편차가 매우 클수있다. 여러 변수에 따라 바뀔 수 있으나 일반적으로 제시되는 토크 편차는 의외로 크다 (특히 토크렌치에 의한 편차). 

조임 방법에 따른 토크 편차

방법	정확도
윤활되지 않은 볼트에 대한 토크 렌치 사용	± 35%
카드뮴 도금 볼트에 대한 토크 렌치 사용	± 30%
윤활 볼트에 대한 토크 렌치	± 25%
하중 지시 와셔	± 10%
스트레인 게이지	± 1%
컴퓨터 제어 렌치 (항복 이하)	± 15%
컴퓨터 제어 렌치 (항복 센싱)	± 8%
볼트 연신율	± 5%
초음파 센싱	± 5%

* 볼트 토크 자동 계산식

(영문)

http://www.futek.com/boltcalc.aspx?mode=metric

http://www.stanleyengineeredfastening.com/brands/spiralock/information-center/torque-calculator

*토크 이론 상세

(영문)

http://www.tohnichi.com/torque-technical-data.asp