볼트 & 너트 그리고 토크
대부분의 기계를 비롯한 모든 영역에서 사용되고 있는 흔한 물품,
기계에 별 관심이 없는 경우 특별히 주목할 것도 없지만 관계분야의
종사자 분에게는 매우 중요한 볼트 너트 토크의 세계
그러나 아주 흔한 일반기계 계열과 자동차 바이크 항공기 선박 철도 등에서는
기본적으로 알아두어야 할 사항입니다.
여기에서 조금 더 전문가가 될 수 있는 기본적인 지식을 소개합니다
볼트의 머리 형상과 호칭
볼트의 머리 형상에는 사진과 같이 여러가지 종류가 있고, 이 중 대표적으로는 육각볼트 이며,
그중에서도 나사 가공이 일부분만 있는 볼트와 나사가공이 모두 되어있는 부분으로 나눠진 것,
또 육각 머리를 제외한 모든 부분이 나사가공이 되어있는 볼트 등 다양한 규격과 크기로 구분이 됩니다.
육각 볼트는 일반적으로 너트와 함께 사용되는 것이 많으며,
이름 그대로 머리가 육각 모양에 나사를 가진 일반적으로 "볼트" 라고 하면
이 육각 볼트를 말합니다.
육각 렌치 볼트와는 달리 육각 구멍이 없기 때문에,
육각 너트와 마찬가지로 스패너와 렌치를 소켓 등을 사용하여 잠금 또는 풀림작업을 합니다.
볼트의 규격은 아래의 그림의 내용과 같이 부르거나 표시합니다.
아래 그림의 볼트의 규격은 M16 x P2.0 x 80L 로 부릅니다.
볼트의 크기와 모양이 동등하지만 각 볼트의 소재와 나사의 피치
그리고 강도에 의해서 사용장소와 볼트의 잠금 토크는 크게 달라집니다.
여기서 잠깐!!!
볼트 머리의 표시를 이해하기 위하여 알아야 할 한가지^^
SAE 규격 ? (네이버 지식에서 가져옴)
[ SAE standard, - 規格 ]
철강, 비철 금속 재료(非鐵金屬材料), 비금속 재료(非金屬材料), 연료, 윤활유, 기계 요소,
부품, 장치류, 자동차 및 부품의 시험 방법, 수리 방법, 용어의 정의(定義) 등에 관하여
미국 자동차 기술 학회(Society of Automotive Engineers)가 제정한 규격으로서,
강제성은 없으나, 미국 국내에서는 널리 이용되고 있으며 세계 여러 나라에서도
그대로 또는 다소 수정을 가하여 통용하고 있다.
인치 inch ?
이것은 간단히 말하자면 미국식 입니다. 1인치 inch = 25.4 mm 이며
나사의 길이를 말할때는 단순 환산만 하면 되지만,
흔히들 1/4" (일본식 표시 "니부") , 3/8" (일본식 표시 "삼부") , 1/2" (일본식 표시 "욘부")은
무엇을 말하는지 모르시는 분들도 계시죠^^
이건 간단히 1/2" 은 1인치 를 반으로 나눈것이며, 1/4" 은 1인치 를 1/4으로 나눈것을 말합니다.
1인치inch = 25.4 mm 이니까
1/4" 은 6.35 mm,
1/2" 은 12.7 mm 입니다.
그럼 3/8" 은??? 1인치 inch = 25.4 mm 를 8로 나눈후 3을 곱하면 9.525 mm 가 됩니다 참 쉽죠^^
비슷한 크기와 길이 굵기의 볼트의 경우 인치와
미리를 일반인들이 쉽게 구분하기는 힘듭니다.
가장 일반적으로 국내에서는 대부분 볼트가
은색도금 볼트 와 너트는 인치
금색도금 볼트 와 너트는 미리
로 쉽게 구분할 수 있습니다만 꼭 그렇지 않은 경우의 제품도 있습니다.
인치 볼트의 나사 피치를 말할 때는 역시 인치 방식의 표기를 합니다.
이것은 보통 16산 18산 24산 등으로 표기하거나 말하며,
1인치inch = 25.4 mm 거리안에 16개, 18개, 24개 32산 등의 나사산 이 있다는 것을 말합니다.
볼트의 직경 굵기와 나사의 모양이 얼핏보면 비슷하게는 보이지만
실제로는 다른 규격이므로 혼동하여 사용하여서는 안됩니다
가장 먼저 볼트를 선정 할때에는 볼트의 크기 와 규격에서 부터
즉 위의 그림과 같이
1. 축의 직경 (미리mm 와 인치inch 에서 선택)
2. 나사의 피치 (미리mm 와 인치inch 에서 선택)
3. 머리의 종류 (미리mm 와 인치inch 에서 선택)
4. 재질
5. 강도
의 기준으로 선택 합니다.
둥근 나사부분의 크기는 거의 동일하지만
동일한 재료에서 머리의 종류가
1. 육각머리
2. 둥근머리 (십자 . 일자 . 육각 . 별각Torx . 등등)
다양하게 나눠집니다만 일반적으로 볼트 머리에 육각 구멍이 있거나
별각Torx 종류의 볼트가 고강도로 사용하는 특징을 가지고 있습니다.
* 제조사의 기준에 따라 다른 경우도 있습니다.
볼트를 선택시 사용목적에 준하는 기준을 알아두는 것이 좋습니다.
볼트와 너트의 머리 부분에 표시된 기호의 표시는 무엇을 말하는가?
볼트와 너트등에 표기 기호에 따른 호칭 인장강도 (압력)
볼트의 머리 부분에는 제조사의 식별기호 볼트의 강도 및 재질의 종류 등 여러가지의 식별 기호가 있습니다만
일부 이러한 표시가 없는 경우도 있습니다 .
육각 볼트는 대부분 위의 사진과 같이 문자가 들어있는 것이 있습니다.
이 경우 위쪽 문자는 제조 회사를 표시하며,
아래의 4.8 등은 강도 구분을 나타냅니다.
(이 외에도 재질 구분을 표시하는 경우도 있습니다).
물론 문자가 들어 있지 않거나 미터 나사를 나타내는 'M'이라고 만 표시가 있는 것과
다른 나사에 비해 문자가 입력되는 경우가 많은 것도 육각 볼트의 특징 중 하나입니다.
이것은 같은 육각 볼트도 다양한 종류가 있으며,
강도 등은 외형으로 판단 할수없는 경우도 있기 때문입니다.
특히 육각 볼트 강도 구분의 종류가 많기 때문에 이 부분의 이해가 중요 합니다
*둥근머리 (십자 . 일자 . 육각 . 별각Torx . 등등)
강도의 표시와 종류의 호칭
강도 구분 과 재질
3.6, 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9 에 사용되는
볼트 재질의 종류
볼트의 강도 구분은 볼트가 가지는 강도 (최소 인장 강도와 항복점)의 기준이되는 분류이며,
사용하는 강재의 종류와 열처리, 가공 방법에 따라 달라지며 이 강철을 사용하고 있기 때문에
강도 구분 이 나눠진다는 것을 꼭 말하는 것은 아닙니다..
원래 강도가 뛰어난 강재도 열처리 방법에 의해 강도도 변화하고 또한 엄밀히 말하면
볼트의 제조 방법을 가공 하거나 절단 하거나 에서도 강도가 달라집니다.
하지만 대개 각 강재의 성분과 열처리에 의해 기계적 강도가 결정 때문에 기준으로 나열할수 있습니다.
또한 강재는 고온과 저온 환경에서 상온과 기계적 성질이 다르기 때문에
이러한 사용 환경도 고려해야 합니다.
고온에서는 열에 의한 연화 문제 저온에서는 강재 자체가 저온 취약 라는 문제가
나오기 때문에 충격에 대한 내성이 저하됩니다.
강도구분 재 질
3.6 보통 강, 탄소 강, SWCH 등
4.6 보통 강, 탄소 강, SS400, S20C
4.8 탄소강 탄소강 SS400 상당 SWRCH6R, SWRCH 재
5.6 탄소강 S45C, S25C등
5.8 탄소강
6.8 탄소강 S45C, SCM432
8.8 탄소강 (단 열처리 안정성과 합금 원소 강화), S45C 열처리로 강화한 SWRCH28K 등
9.8 SNB7, SCM435, 탄소강 (단 열처리 안정성과 합금 원소 첨가로 강화)
10.9 합금강, SCM435, SCM440
12.9 합금강, SCM435
볼트에규정되어있는 10가지 강도 구분
강도구분 3.6 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 9.8 10.9 12.9
d≧16 d≧16
호칭 인장 강도（N/mm2) 300 400 500 600 800 800 900 1000 1200
최소 인장 강도（N/mm2） 330 400 420 500 520 600 800 830 900 1040 1220
머리에 표기된 숫자 4.8, 8.8, 10.9, 12.9 의 해석
표기
힘의 단위
비고
１２．９
대략 120kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 90 %의 약 108kg까지 하중을 가해도
원래대로 돌아 간다
캡 볼트 / 일부 고강도 육각 볼트 등
１０．９
대략 100kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 90 %의 약 90kg까지 하중을 가해도
원래대로 돌아 간다
캡 볼트 (도금 제품) / 고강도 육각 볼트 등
８．８
대략 80kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 98 %의 약 64kg까지 하중을 가해도
원래대로 돌아 간다
8 마크 육각 볼트 등
４．８
대략 40kg까지 하중을 걸어도 절단되지 않음
이것의 80 %의 약 32kg까지 하중을 가해도
원래대로 돌아 간다
육각 볼트 (일반 제품) 등
토크 (Torque 토르크) 라는 것은?
"Torque" 토크(토르크)에 관한 기초 지식
가장 먼저 "Torque" 토크(토르크) 란?
"Torque" 토크(토르크)는 볼트와 너트를 조이거나 풀 때 스패너와 렌치를 돌기를 위한 힘 (회전력)을 의미합니다.
Ｆ（100N）×Ｌ（1m）＝Ｔ（100N・m）입니다
만약 200mm 렌치(공구)로 10N · m (약 1kgf · m)의 토크로 잠글때 필요한 힘은 50N (약 5.1kgf) 입니다.
Ｆ（힘）×Ｌ（0.2m）＝Ｔ（10N・m）
Ｆ（힘）＝Ｔ（10N・m）÷Ｌ（0.2m）＝50N
아래 그림과 같이, L의 길이 렌치 (※)에서 F의 힘을 가하지 때 볼트에 주어지는 회전력 T는 것입니다.
예를 들어, 1m 길이의 렌치 100N (약 10kgf)의 힘을 가하였을 때의 토크는 100N · m (약 10kgf · m)입니다.
※ 보다 정확하게 말하면, L은 볼트의 회전축에서 힘을 가하는 지점까지의 거리이지만,
여기에서는 설명을 용이하게하기 위해, 렌치 길이를 L로 표현하고 있습니다.(위의 그림참조)
"Torque" 토크(토르크) 의 단위
토크의 단위는 이전 kgf · m (킬로그램 미터)이 이용되고 있었지만, 일본의 경우
1993 년에 시행 된 "신 계량법」에 의해 SI 단위 (ISO 국제 규격)으로의 전환이 되어,
현재는 힘 단위는 N (뉴턴), 토크의 단위는 N · m (뉴턴 미터)가 기본으로 많이 사용되고 있습니다.
1N · m은 0.10197kgf · m로, 반대로 1kgf · m은 9.8067N · m입니다.
실제 작업에서는 1kgf · m은 약 10N · m로 생각하면 대략의 기준이 되는 것입니다.
1kgf・m＝9.8067N・m
1kgf・m≒10N・m
1N・m≒0.1kgf・m
"Torque Wrench" 토크 렌치(토르크렌치)의 길이
토크는 "힘 × 길이" 그러므로 길이가 길어질수록 큰 토크가 걸리게 됩니다.
하지만 볼트는 각각 적정한 조임 토크가 볼트의 종류와
조임 장소 & 목적에 따라 조임 토크가 규정되어 있습니다.
토크렌치도 기본적으로는 그 볼트에 적정한 조임 토크에 맞는,
또는 그 토크가 걸리는 길이로 설정되어 있는 것입니다.
예를 들어 승용차의 휠 너트 규정 토크 값의 상당수는 103N · m로 설정 되어있어,
휠 너트 용 잠금에 사용되는 토크 렌치 길이가 400mm 정도 라고 하고,
400mm 토크렌치로 103N·m의 토크로 잠금 작업할 경우 손잡이에 필요로 하는 힘은
257.5N·m (약 26kgf)입니다.
이것은 휠 너트 를 잠금때 마다 26kg의 힘을 가해야 한다는 것입니다.
이것을 토크렌치의 길이가 800mm 일 경우에는 13kg의 힘을 가하면 되는 것입니다.
Ｆ×0.4m＝103N・m
Ｆ＝103÷0.4＝257.5N（약26kgf）
이 힘은 일반적으로 성인이 가볍게 체중을 걸 정도의 힘으로, 손으로 가하는 힘의 한계에 가깝습니다.
한편, 길이가 400mm의 절반인 200mm 토크렌치로 103N · m의 토크를 걸려면 약26kgf 2배인
(약 52kgf)의 힘이 필요하기 때문에 손의 힘만으로는 거의 불가능합니다.
따라서, 휠 너트를 잠금다면 최소 길이 400mm 이상의 토크렌치가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
"Torque" 토크(토르크) 관리의 중요성
볼트 체결의 메카니즘
조임 볼트가 쉽게 풀려지는 이유는 체결된 것으로부터
볼트가 원래대로 돌아 가려고 하는 힘이 작용하기 때문입니다.
볼트를 조일 때 볼트 본체에는 인장 방향의 힘이 가해집니다.
이 힘에 의해 조여진 볼트는 스프링처럼 원래대로 돌아 가려고 하면서 부품들을 체결하고 압축합니다.
볼트가 잠김 (고정 된) 상태는 너트가 당기는 힘에 이끌려 늘어나려고 하는 힘과
원래의 위치로 돌아가려고 하는 힘의 균형이 발생하는 상태가 됩니다.
볼트의 조임이 약하면 주위의 진동이나 열 등의 영향으로
이 균형이 무너져 볼트의 잠금상태가 느슨하게 되어버립니다.
반대로 기준치 이상으로 강하게 체결 되면 부품 등, 이나 볼트 자체의 파손을 초래합니다.
볼트의 잠금을 너무 강하게 하여 발생되는 문제점
*아래 그림 참조*
잠겨 있는 볼트를 풀면 당겨져 있던 볼트는 원래의 모양으로 돌아갑니다.
그러나 잠금의 힘을 늘려 가면 어느 시점에서 볼트는 완전히 원래의 형태로 돌아 오지 않습니다.
이 경계를 "항복점" 이라고 하며, 볼트가 완전히 원래 상태로 돌아 가기 범위를
"탄성 영역"(탄성 변형 범위) 완전히 복원되지 않을 범위를 "소성 영역」(소성 변형 범위) 이라고 합니다.
볼트를 더욱 조여 나가면, 결국 나사가 무너져 버립니다. 이 점을 "파괴 점"이라고 합니다.
볼트가 풀리지 않도록 하려면 가급적 큰 힘으로 조여지는 것이 바람직 합니다.
그러나 볼트를 소성 영역까지 조여 버리면, 손상 지점에 접근하여 위험합니다.
또한 소성 영역까지 조여 버린 볼트는 변형되어 원래의 형태로 돌아 가지 않기 때문에 재사용 할 수 없습니다.
따라서 볼트는 탄성 영역의 범위 내에서 사용해야만 합니다.
※ 엔진 헤드 볼트 등은 소성 영역에서 조여지는 특수 볼트가 많이 있습니다.
미니상식 (물리학 에서 가져옴)
탄성영역 이란?
물체에 외부에서 힘을 가하면 부피와 모양이 바뀌었다가,
그 힘을 제거하면 본디의 모양으로 되돌아가려고 하는 성질.
변형의 종류에 따라 체적 탄성과 형상 탄성으로 나눈다.
소성영역 이란?
고체가 외부에서 탄성영역 한계 이상의 힘을 받아 형태가 바뀐 뒤 그 힘이 없어져도 본
래의 모양으로 돌아가지 않는 성질을 말한다.
항복점 이란?
물체에 작용하는 힘이 커져서 응력과 변형과의 비례 관계가 깨어지고
변형만이 급격히 증가할 때의 응력. 이것을 넘으면 물체는 영구 변형을 한다.
적절한 "Torque" 토크(토르크) 관리를 위해서는
탄성 영역에서 항복점을 넘어 소성 영역에 들어가면 토크 (조이는 힘)의 증가에 볼트가 성장 비율은 커집니다.
그러나 인간의 오감으로 이 변화를 느끼기 어렵습니다.
어느 정도 경험을 있는 작업자들도 토크 에 대한 느낌의 부족으로 풀림을 방지 하고 싶은 마음에
무의식적으로 작업하여 규정 토크를 초과하는 힘으로 잠그기 쉽습니다.
또한 최근에는 각 산업 분야에서 철 이외의 다양한 소재가 사용되고 있습니다.
알루미늄이나 수지 등의 부품은 철제에 비해 부드러운 재질 때문에 같은 감각으로 잠그면
부품 자체를 손상시켜 버릴 가능성이 높아집니다.
토크 관리 부족으로 볼트 · 너트의 풀림이나 오버 토크에 의한 볼트 나 부품의 손상은
심각한 사고를 발생시키는 원인이 됩니다.
따라서 경험과 직감에만 의존하는 토크 관리만이 아니라,
토크 렌치를 이용한 정확한 토크 관리가 바람직 합니다.