체결(조임) 및 Torque 이해 2006. 11. 16.

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1 체결(조임) 및 Torque 이해

2 목 차 ▣ 체결(조임) 및 토크(Torque) 개요 ▣ 체결 토크(Torque) 특성 ▣ 체결(조임)의 관리
목 차 ▣ 체결(조임) 및 토크(Torque) 개요 ▣ 체결 토크(Torque) 특성 ▣ 체결(조임)의 관리 ▣ 체결체(Fastener) 특성 ▣ 체결 방법 및 특성

3 ▣ 체결(조임) 및 Torque 개요 토크 (Torque) 체결 토크 1. 체결(조임) 목적 2. 토크의 정의
두 물체가 외력을 받아도 상호간에 유동이 없으며, 풀리지 않고 견딜 수 있도록 하기 위하여 체결(조임)한다. 2. 토크의 정의 토크 (Torque) 어떤 물체에 작용해서 비틀림이나 회전을 유발시키거나 유발시키는 힘 체결 토크 두 개 또는 그 이상의 물체를 서로의 상관 위치에 고정하는데 필요한 체결력(Clamping Force)을 얻기 위하여 체결체(Fastener)에 작용하는 토크

4 3. 체결부 작용 힘(Force) 인장력 체결력 (전단력) (전단력) 인장력

5 4. 체결(조임)의 기본 원리 볼트와 너트를 이용하는 경우 두 물체를 체결하기 위해서는 볼트 축방향의
체결 TORQUE CLAMPING FORCE(체결력) CLAMPING FORCE(체결력) 인장력 (Preload) 볼트와 너트를 이용하는 경우 두 물체를 체결하기 위해서는 볼트 축방향의 인장력(Tension)이 필요하며, 이러한 인장력을 얻기 위해서는 볼트나 너트 머리에 회전력(토크:Torque)을 가해 물체가 체결력(Clamping Force)를 받도록 한다.

6 5. 체결력(Clamping Force)과 체결 토크의 관계
참조:’기초체결이론’-Atlascopco 볼트 장력:8.1% 너트면 마찰:39.6% 나사산 마찰:45.4% 풀림방지제 마찰:6.9% 체결력 10% 볼트 머리 마찰력 나사산 마찰력 50 % 40 % 참조:’체결일반이론’-이호종 ▷체결 Torque의 90%는 마찰력으로 소비되어 버리고 나머지10% 정도만이 체결력, 즉 볼트의 Tension으로 전환됨 ▷재질, 윤활 정도, 와셔, 접촉부 면적 및 표면 처리 등의 요인에 따라 전해지는 체결력이 달라짐

7 c a b b c a * SKIDMORE-WILHELM社 실험 a: 볼트의 접촉면이 경하고 연마되고 윤활됨
거칠고 건조한 경우 c: 체결 부품 사이에 고무판을 삽입한 경우 동일 장력을 얻기 위한 토크 28ft-lb로 체결했을 때 장력 값 54ft-lb 6000lb c a 42ft-lb 3100lb b 2600lb 28ft-lb b c a * 결 론 * - 실제 체결에서 모든 조건이 고려되지 않으면 안정된 체결작업을 유지시킨다는 것은 불가능 - 체결의 최상의 측정수단이며 가장 관심을 가져야 할 대상은 Torque가 아니라 인장력(Preload=Pre-tension)이다. - 같은 체결 토크를 적용하여도 체결력에 차이가 발생하며, 동일한 체결력을 얻기 위해서 체결 조건이 다르면 토크도 달라져야 한다.

8 * 체결력과 Torque와의 관계식 F = T×-------------------------------------
F:Clamping Force T:Torque p:나사 Pitch dm:나사 평균 지름 μ1:볼트와 너트의 나사산 마찰 계수 μ2:볼트 머리와 너트 접촉부의 마찰 계수 Dk:볼트 머리와 너트 접촉부의 평균 지름 1 (0.161p dm×μ1+0.5Dk×μ2) A: 체결 물체가 밀착되기 이전(자유 회전) B: 관계식 적용 가능 부분 (일정 함수 관계로 증가) C: 볼트의 소성변형 발생 (체결력이 볼트의 항복 하중 초과) D: 파단 *볼트 회전각도와의 관계 체결력 체 결 력 C C D D B B A A 체결 Torque(M) 회전각도

9 6. 체결력 측정 우리는 토크를 측정할 뿐이다 체결력을 측정하기를 원하지만???

10 토크(T) = 힘(F) × 거리(r) 7. 토크 산출 공식 Ta Ta=2Fr Tb=Fr Tb F 2r F
결과적으로 Ta= 2 Tb Tb r

11 8. 체결에 저항을 주는 요소 1)볼트와 너트의 나사산 마찰 2)볼트 머리와 부품 또는 너트와 부품간의 마찰
3)볼트 머리를 조였을 때 볼트 몸체의 비틀림에 의한 Torque 손실 발생 →체결 때 볼트부 조임이냐, 너트부 조임이냐에 따라 체결력에 큰 영향 4)볼트 몸체와 홀 간극과의 간섭으로 인한 저항

12 9. 체결에 영향을 주는 요소 나사산의 종류와 등급 가는 나사와 보통 나사 구분 / 4T, 7T 등급 구분 체결부의 윤활
나사산에 오일, 그리스, 기타 이물질 오염 여부 재질의 종류 조이는 부품의 강도에 따라 Torque에 영향을 미침 와셔의 종류 와셔의 강도, 종류 및 사용 수량에 따라 달라짐 접촉부의 면적 및 표면 처리 체결체의 종류에 따른 접촉면적 차이, 체결체 및 부품의 표면처리(아연도금, 다크로)가 영향을 미침 록킹면의 종류 록킹면의 강도, 종류에 따라 달라짐 장착 홀의 편심 볼트와의 간섭 발생에 따라 영향 두 부품의 결합 상태

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14 ▣ 체결 토크(Torque) 특성 1. 체결의 진행 Peak Torque(최대값) 체결작업은 어떤 작업에 어떤 하나의 토크
공구가 대응 적용되는데 체결의 결과는 공구와 체결 작업부의 특성에 달려있다. Peak Torque(최대값) 토크 유효 토크 (Prevailing Torque) Peak Torque에 도달하면 체결부품이 내부적으로 소성변형을 일으킨 뒤 Torque가 약간 감소되며, 감소 정도는 체결 부품의 특성에 따라 다르다. →소성변형과 진동때문에 2~10%의 토크 손실 발생 →금속간의 체결에서의 손실: 5%로 간주 Torque 계산 및 측정시에 고려해야할 점으로 그만큼 보상해 주어야 한다. 시간 1단계)볼트머리가 부품면에 안착할 때까지 Torque의 증가 없이 체결이 진행 2단계)Torque값이 급격히 증가 3단계)최대 Torque에 도달 4단계)유효 토크로 Torque 감소

15 2. 靜토크와 動토크 靜토크(STATIC TORQUE) 動토크(Dynamic Torque)
우리가 흔히 사용 하는 HAND TORQUE WRENCH의 정도는 측정오차를 포함  5%이내로 믿어왔으나 최근에 조사돤 자료에 의하면 20~25% 이른다고 한다. T4 T3 T1 T2 靜토크(STATIC TORQUE) 핸드 토크렌치는 체결 작업이 끝난 후 Torque값을 측정하거나(DIAL TYPE), Torque값을 확인 또는 마무리 작업시 사용하는데 (CLICK TYPE), 체결이 끝나 정지된 Fastener를 회전시켜야 측정이 가능하므로 정지마찰이라는 추가된 저항력을 극복해야 한다. 따라서 이 정지 마찰을 극복하기 위해서는 기동 Torque라는 Over Torque가 적용되어야 하므로 Torque값이 측정오차를 포함 실험 자료에 따르면 CLICK TYPE의 경우 % ~ % DIAL TYPE의 경우 % ~ % 범위라고 한다.( 3의 값) *OVER RUN에 의한 Torque 증가도 주의 필요 T1 : PEAK TORQUE T2 : PREVAILING TORQUE T3 : 기동 TORQUE T4 : PEAK TORQUE TIME AIR TOOL 작업 Click Wrench 動토크(Dynamic Torque) -Torque Transducer라는 측정 게이지를 이용 하여 실제 체결이 진행되고 있는 중(동적 상태)에 토크를 측정 -접촉부의 정치마찰에 의한 영향을 배제 -정확도: ±1% 이내

16 3. 경매질(Hard)과 연매질(Soft) 특성
토크 Over Shoot(오버 토크 체결) 체결 토크 산포 목표값 경매질(Hard) 체결 연매질(Soft) 체결 스프링 와셔/고무 와셔 사용 경우 -토크가 적어지는 경향 착좌점 (Snug level) 체결 각도

17 경매질(Hard) 연매질(Soft) 토오크 < 30 도 X Nm < 30 도 (ISO 5393) 체결각도 착좌점
토크 > 720도 X Nm 연매질(Soft) >720도(ISO 5393) 체결각도 착좌점

18 4. 볼트와 너트 체결의 차이 BOLT & NUT 조임력의 차이 동일 TORQUE로 볼트와 너트를 체결했을 경우
2×볼트 체결 Tension≒너트 체결 Tension - 볼트 몸체와 장착 홀간의 간섭 손실 - 볼트 자체의 비틀림에 의한 Torque 손실 ▶ 볼트와 너트를 사용하여 부품을 장착 할 경우에는 반드시 설계에서 지시된 쪽을 돌려서 체결해야 한다. BOLT & NUT 조임력의 차이

19 ▣ 체결(조임)의 관리 1. 체결 관리 요소 2. Fastener의 체결력
일반적 나사의 조임: 항복점의 70~80% 정도의 체결력으로 조임 P’=항복 강도×보증 하중계수 (보증 하중계수:0.88~0.94 / 재질에 따라 다름) P=P’×0.85(절대 안전 계수) 체 결 력 인장 강도 Py P’ Py:항복 강도 P’:보증 항복 강도 P: 표준 조임력 P 연신 T = 표준 체결력(P)×(0.161p dm×μ1+0.5Dk×μ2) ≒ K×dm×P P:표준 체결력 T:Torque p:나사 Pitch dm:나사 평균 지름 μ1:볼트와 너트의 나사산 마찰 계수 μ2:볼트 머리와 너트 접촉부의 마찰 계수 Dk:볼트 머리와 너트 접촉부의 평균 지름 * 나사산의 각도가 60˚인 경우에 해당 K: Torque값 계수(조건에 따라 다름) / 도금이 된 볼트와 너트의 K=0.17~0.24

20 진동 등에 의한 재질 반발 현상으로 체결력이 줄어 풀림 발생 가능
3. 풀림 현상 시간 진동 등에 의한 재질 반발 현상으로 체결력이 줄어 풀림 발생 가능

21 4. Fastener의 풀림 분석 체결력 초기 한계점 연신 풀림 과정 1)정적인 상태에서 체결력이 감소
Tension 외력을 받아도 볼트의 Tension이 약해지지 않아 내부진동이 일어 나지 않을만큼 체결력을 얻을 수 있도록 체결하면 어떤 외력에도 풀리지 않는다. 강도가 높은Fastener 초기 압축력 너트 회전 안됨 일반Fastener 그림1. 정상 체결 가스켓 한계점 체결 후 가스켓이 영구 변형 압축되어 체결부 전체의 Tension이 감소 되어 조그만 외력을 받아도 쉽게 풀어진다. 너트 회전 정적 상태 진동 발생 연신 풀림 범위 그림2. 가스켓이 있는 경우 풀림 과정 1)정적인 상태에서 체결력이 감소 (볼트의 Tension이 감소) 2)체결부내에 진동이 발생 Tension 감소 가속화 3)한계점 이하에서 너트가 회전되면서 체결이 풀림 나사산이 파손되면서 체결이 되면 Torque가 주어져도 볼트의 Tension 은 Zero 상태가 된다. 이 경우 외력에 의해 너트 가 풀릴 수도 있으나 주로 충격하중에 의해 파손이 발생한다 그림3. 너트 가조립이 잘못된 경우

22 풀림 분석을 통해서 체결의 관리는 Torque만의 관리가 아니라는 사실을 알수 있다.
결론적으로, 체결의 관리란 부품에 가해주는 체결력의 관리라는 사실이 명백해 지며 체결력의 관리를 위해서는 Torque의 관리, 공구의 관리, Fastener의 관리, 체결 작업자의 관리가 종합되어야 한다.

23 5. 록 너트(풀림 방지용) 체결력 보상 록 너트 마찰력 체결력 나사산 볼트/너트 마찰력 머리 밑면 마찰력
*풀림 방지용 록 너트를 사용하는 이유: 진동에 의한 풀림 방지 *록 너트 체결시 처음에 발생하는 초기 토크는 완체결 후 체결력으로 작용하지 않음 ! *체결할 때 초기 토크량만큼 보상시켜 주어야 함

24 토크 보상치 목표 토크값 록 너트 초기 토크값 각도/ 체결시간

25 6. 체결 토크 산포 보상 토크 산포 : 품질관리 공정에서는 반드시 줄여야 함 토크 목표 토크값 경매질(Hard joint)
연매질(Soft joint) 체결시간/ 체결각도

26 7. 토크 및 체결각도 합격 기준 토크 = OK 체결각도 = OK 토크 체결각도

27 토크 합격, 체결각도 불합격 토크 = OK 체결각도 = OK 토크 토오크 = OK 체결각도 = Low 토크 = OK
토크 합격, 체결각도 불합격 토크 = OK 체결각도 = OK 토크 토오크 = OK 체결각도 = Low 토크 = OK 체결각도 = High 체결각도

28 ▣ 체결체(Fastener) 특성 1. 볼트 강도 표시 제조회사명 첫자리수 : 최소 인장력 (100N/mm2)
둘째자리수 : 항복점과의 비례식 0.8 = 80% 항복점=첫자리수 X 둘째자리수 800× 0.8 = 640 N/mm2

29 2. 인장력과 항복점 인장력 힘(Tension) 100× 8=800 N/mm2 항복점 800×0.8=640 N/mm2 항복점
파단 75% 길이(각도)

30 3. 나사산의 종류 M6 = 6mm 소케트 규격 : 12 mm M 미터나사 UNF 유니파이 가는 나사
UNC 유니파이 거친 나사 볼트 강도 등급에 따른 추천 토크 값 볼트 강도 등급 나사 규격 M3 0,77Nm 1,20Nm 1,70Nm M6 6,10Nm 9,80Nm 14,0Nm M10 29,0Nm 47,0Nm 65,0Nm M6 = 6mm * 참고: ATLASCOPCO 자료

31 4. 볼트 인장력(Preload) 결정 기준 1)나사 유효단면의 인장 응력이 그 재료 항복점의 70%(최소값)를 표준으로 한다. (기술규격ES05227) 2)진동에 대한 저항력을 높이기 위하여 보다 항복점에 가까운 높은 토크가 적용된다. →볼트 진동에 대한 저항력을 증가시키는 이점이 있으나 우연한 요인 등으로 항복점을 넘게되는 경우 볼트는 늘어나고 체결부는 이완될 수 있어 항복점에 너무 가까운 토크 는 권장할 수 없다. 3)표준 체결력은 정하중과 피로하중 모두를 고려하여 보통 이론적인 항복력의 75%를 권장 4)표준응력을 결정하기 위한 항복응력은 실내 온도상태 기준이다. →고열은 강도를 떨어뜨릴 수 있으므로 산출식 적용시 주의 필요)

32 5. 주요 체결체의 체결 토크 특성 너 트 1)체결할 때, 첫 thread가 全하중을 받아 항복이 일어나며, cold work로 인한 가공경화가 발생하여 결국 약 3개의 thread가 하중을 분담하게 된다 → 너트 재사용 불가 2)볼트와의 결합 면적이 상대적으로 크기때문에 나사산에 걸리는 전단력에 의한 나사산 변형이 볼트의 나사에서 먼저 발생 → 오버토크로 인한 너트 자체에 문제 발생 소지 없음 스크류 1)체결 상대가 저강도의 플라스틱류이기 때문에 오버토크에 의한 스크류 자체의 문제 발생 가능성 희박 2)스크류의 나사산 Pitch가 큰 것은 체결상대의 나사산 밑면적을 늘려 플라스틱 재질의 떨어지는 강도를 보강하기 위함 3)스크류는 정해진 체결 토크 기준이 없으며 경험적/실험적 방법으로 사용

33 볼 트 1)체결부 Hole에는 Burr 또는 날카로운 모서리 등이 있어서 체결시
볼 트 1)체결부 Hole에는 Burr 또는 날카로운 모서리 등이 있어서 체결시 응력 집중을 발생시킬 수 있으며 이를 방지하기 위해서 와셔를 사용 2)제조방법, 정밀도, 재료강도, 표면처리 상태 등의 다양한 변수때문에 적정 체결 토크값을 결정하는데 어려움이 있다. 3)항복점의 70% 인장력이 작용하는 토크를 적절한 체결력으로 보는 계산식(ES05227)이 있으나 증명된 식은 아니다. 4)실제 적용에서는 풀림이 문제가 되어 좀 더 항복점에 가까운 강한 토크를 표준 체결 토크로 규정하고 있다(ES05229, ES ) 5)인장력과 전단력을 동시에 받는 경우는 조합응력상태의 항복 체결축력을 고려해야 한다.

34 6. 볼트의 적정 체결 토크 산출식 T=K(마찰 계수)×F(주어지는 힘)×d(호칭경)
* 체결 Torque의 허용 범위: 14.0kgf·m 이하 허용차 ±20% 14.0kgf·m 이상 허용차 ±15%

35 ▣ 체결(Tightening) 방법 및 특성
토크 제어 체결 (Torque Control Tightening) →가장 일반적 체결 방법 1)설계에 의해 Preload가 결정되면 이에 따른 목표 토크가 결정 2)대부분 항복 응력의 산정시 하중에 의한 직접 응력만을 고려하나 높은 마찰 조건일 경우 비틀림 응력을 고려한 응력 산정 필요 3)유효 토크(Prevailing Torque) 발생 고려 필요 4)정확한 Preload를 얻기위해서 와셔 대신 Flange nut나 Flange bolt를 사용하는 것이 필요 각도 제어 체결 (Angle Control Tightening) 1)방법이 복잡하여 정확한 Bolt Preload를 얻고자 할 경우 사용 2)체결체를 착좌점(Snug Level)까지 조인 후 미리 정해진 각도만큼 회전시켜 체결하는 방법 →착좌점: 체결체와 파체결체가 접촉할 수 있을 정도로 회전시키는데 사용되는 토크 값 3)탄성이나 소성역에 모두 사용 가능 ▶ 소성역에서 더 정확한 체결 4)착좌점의 산포에 의해 체결력의 산포가 발생

36 항복 제어 체결 (Yield Controled Tightening) 볼트 신장 체결 (Bolt Stretch
1)마찰의 영향을 최소화하여 매우 정확한 볼트 체결력을 얻을 수 있다. 2)볼트의 항복점을 찾아내어 자동정지(Shut off)되는 공구를 사용 3)체결이 실행되는 동안 각도에 대한 토크 비율을 읽고 토크 비율이 감소하기 시작하면 체결 중지 4)마찰 산포에 의해 체결력의 산포가 발생한다. 5)실린더 헤드와 커넥팅 로드와 같이 중요 체결에 한하여 사용 볼트 신장 체결 (Bolt Stretch Tightening) 1)높은 토크가 적용되는 큰 체결체에 사용 2)유압 인장 장치를 사용하여 Preload를 발생시킬 수 있을만큼 볼트를 인장시키고 너트를 채워 체결력을 발생시킨다.

37 가열 체결 (Heating Tightening) 인장력 지시 (Tension Indiacting Method)
1)볼트의 열팽창 특성을 이용하여 아주 큰 볼트 체결에 이용 2)볼트를 가열하여 늘어난 볼트에 너트를 채운 후 냉각시켜 볼트의 수축을 이용 인장력 지시 (Tension Indiacting Method) 1)특별한 체결체를 사용하며 볼트의 Tension을 간접적으로 나타낼 수 있는 방법을 사용 2)토크나 너트의 회전 각도로 Preload를 관리하는 것이 아니라 체결체의 형상 변화로 체결력을 확인