General Rules for Tightening of threaded fasteners (KS B 0140 : 1991) 2006 확인

1. 적용범위

이 규격은 볼트 조합에 의한 나사 조임의 뜻, 조임의 기초 및 대표적인 조임 관리 방법에 관한 일반적인 사항에 대하여 규정한다.

또한, 이 규격은 볼트ㆍ너트 이외의 나사 부품에 의한 조임 및 나사 부품과 구조체의 나사를 조합한 조임에 대하여도 준용할 수 있다.

다만, 나사부품에 압축력을 주는 멈춤 나사류 및 수나사 부품 자체에 나사 내기를 하는 나사 못, 태핑나사류와 특별한 풀림방지 기능을 부여한 나사부품의 조임에 대하여서는 적용할 수 없다.

2. 용어 및 기호의 뜻

2.1 용어의 뜻

이 규격에서 사용하는 주된 용어의 뜻은 KS B 0101(나사용어) 에 따르는 외에 표 1과 같다.

또한, 표 1 중에서 용어의 일부에 [ ] 를 한 것은 [ ] 문자를 포함한 용어와 그 것을 생략한 용어가 있다는 것을 나타낸다.

다만 오해의 염려가 없을 때 및 복함어로서 사용할 경우에는 [ ] 안의 문자를 생략한 용어를 우선한다.

2.2 기호와 그 뜻

이 규격에서 사용하는 주된 기호와 그 뜻은 표 2 에 따른다.

표2 기호와 그 뜻

3.나사 조임의 의의

나사체결의 신뢰성을 확보하기 위해서는 설계 단계에서 나사 체결로서의 기능을 충분히 발휘하는 볼트 너트의 시방, 조임력 등을 사용실적 및 강도 계산에 의하여 결정하고 조임 작업 단계에서는 지시된 초기 조임력을 충분히 실현하는 것이 중요하다.

그것을 위해서는 조임 방법의 특성을 충분히 이해하고 조임 지표의 관리를 정확하게 할 필요가 있다.

4. 나사 조임의 기초

4.1 토크와 조임력의 관계

탄성역 조임에서의 토크와 조임력의 관계는 식(1)로 표시된다.

(1) 전체 토크 ($T_f$)
$$T_f = T_s + T_w = K \cdot F_f \cdot d$$

(2) 토크 계수 ($K$)
$$K = \frac{1}{2d} \cdot \left( \frac{P}{\pi} + \mu_s \cdot d_2 \cdot \sec \alpha' \right) + \mu_w \cdot D_w$$

(3) 나사산 토크 ($T_s$)
$$T_s = \frac{F_f}{2} \cdot \left( \frac{P}{\pi} + \mu_s \cdot d_2 \cdot \sec \alpha' \right)$$

(4) 좌면 토크 ($T_w$)
$$T_w = \frac{F_f}{2} \cdot \mu_w \cdot D_w$$

(5) 둥근 고리 모양 좌면의 유효 직경 ($D_w$)
$$D_w = \frac{3}{2} \cdot \frac{D_o^3 - D_i^3}{D_o^2 - D_i^2}$$

(6) 플랭크 각 관계식 ($\alpha'$)
$$\tan \alpha' = \tan \alpha \cdot \cos \beta$$

Memo.
나사면의 마찰계수 μs 및 자리면 마찰계수 μ에 대한 토크계수 K 의 계산치를 참고 표 1 에 나타낸다.

4.2 조임 회전각과 조임력 관계

조임 회전각과 조임력 관계가 선형인 경우, 탄성역 조임에서의 조임 회전각과 조임력의 관계는
식(6) 으로 표시된다.

체결 회전각 ($\theta_f$)
$$\theta_f = 360 \cdot \frac{F_f}{P} \cdot \left( \frac{1}{K_b} + \frac{1}{K_c} \right)$$

4.3 항복 조임 축력

재료의 항복이 전단변형 에너지설에 따른다면, 볼트의 나사부가 가장약한 단면인 호칭 지름
볼트 및 유효지름 볼트의 항복 조임 축력 Ffy 는 식 (7)에 따라 구한 값이 된다.

또한 볼트의 원통부가 가장 약한 단면인 신장 볼트의 항복 조임 축력은 식(7) 을 사용하며 식 중의 d_A, As 를 가장약한 단면의 지름, 단면적으로 치환하여 구한 값이 된다.

4.4 항복 조임 토크

4.3 의 항복 조임 축력에 대응하는 항복조임 토크 Tfy 는 식 (8)에 따라 구한 값이 된다.

Memo.
나사면의 마찰계수 μs 및 자리면 마찰계수 μ에 대한 항복 조임 축력 Ffy 및 항복 조임 토크 Tfy 의 계산치를 참고 표 2 에 나타낸다.

5. 나사의 조임 원리

5.1 조임 관리의 방법

나사 체결에 대한 조임 관리 방법의 선택은 체결방법 개개의 특징을 충분히 이해한 뒤에 설계에
지시된 초기 조임력의 편차의 허용범위 (조임 계수 등으로 표시된다.), 조임력의 크기, 조임의
영역 등을 기본으로 하여야 한다.
표 3 에 대표적인 나사 조임 관리방법 및 참고로서의 각각에 대한 일반적인 조임력 편차의
정도(¹) (Q 로 표시한다) 를 나타낸다.

주(¹) 실제 조임력의 편차는 각각의 조임 방법에 관여하는 고유한 몇 개의 인자에 의하여 크게
변화하기 때문에 그 범위를 엄밀하게 표시할 수는 없다.
(5.2.1 5.3.1 및5.4.1 의 각 특징을 참조)

5.2 토크법 조임

5.2.1 토크법의 특징

토크법은 4.1 에 표시한 조임 토크와 조임력의 선형관계를 이용한 조임 관리 방법이다.(그림 2 참조)
이 방법은 조임 작업 시에 조임 토크 Tf 만을 관리하기때문에 특수한 조임 용구를 필요로
하지 않는 작업성이 우수하고 간편한 방법이다.
그러나 조임 토크의 90 % 전후는 나사면 및 자리면의 마찰에 의하여 소비되기 때문에 초기 조임력의 편차는 조임 작업시의 마찰 특성의 관리 정도에 따라 크게 변화한다.

5.2.2 토크법에서의 목표치 결정

토크법에서의 지표의 목표치(목표 조임 토크 $Tf_A$)를 결정하는 대표적인 방법을 다음에 표시한다.

(1) 조임력의 상한치 및 하한치가 주어졌을 경우 조임력의 하한치 ($F_{min}$) 및 상힌치 ($F_{max}$)가 이미 설정되어 있든가 설계단계에서 그 값이 표시되어 있는 경우는 다음에 따른다.

• (a) 나사 부품 및 피체결 부품의 표면 상태, 윤활 조건에 대한 나사면 및 자리면의 마찰 계수의 최소치 $\mu_{s \min}$와 최대치 또는 토크 계수의 최소치($K_{\min}$) 및 최대치 ($K_{\max}$)를 정한다.
• (b) (a)에서 마찰 계수를 예상한 경우에는 각각의 값에서 식(9) 및 식 (10) 에 따라 토크 계수의 최소치($K_{\min}$) 및 최대치 ($K_{\max}$)를 구한다.
  $$K_{\min} = \frac{1}{2d} \cdot \left( \frac{P}{\pi} + \mu_{s \min} \cdot d_2 \cdot \sec \alpha' + \mu_{w \min} \cdot D_w \right) \dots (9)$$ $$K_{\max} = \frac{1}{2d} \cdot \left( \frac{P}{\pi} + \mu_{s \max} \cdot d_2 \cdot \sec \alpha' + \mu_{w \max} \cdot D_w \right) \dots (10)$$
• (c) 조임 용구, 조임 정지 등에 의한 조임토크의 편차 $\pm m\% (^2)$를 고려하고 $K_{\max}$ 와 $K_{\min}$ 비의 값이 식(11)의 조건을 만족하는 가를 확인한다.
  $$\frac{K_{\max}}{K_{\min}} \le \left\{ \frac{1 - m/100}{1 + m/100} \right\} \cdot Q \dots (11)$$ $$Q = \frac{F_{f \max}}{F_{f \min}}$$ 만약 식(11)을 만족하지 않는 경우에는 보기를 들면, 윤활제 종류를 변경하는 등 $\mu_s$ 및 $\mu_w$의 편차를 작게하는 대책을 취한다.
  주 ($^2$) $m$ 에는 토크렌치 등의 눈금오차가 포함되어 있으나 KS B 3027 (수동식 토크렌치)에서는 토크의 오차율을 (다이얼형 정밀급에서는 $\pm 1\%$) 로 하고 있다.
• (d) 목표 조임 토크 $Tf_A$를 식(12)에서 구한다.
  $$Tf_A = \frac{K_{\min} \cdot F_{f \max} \cdot d}{1 + m/100} \dots (12)$$

(2) 높은 조임력을 주고 싶은 경우($^3$)

• 토크 법에 의하여 되도록 높은 조임력을 주고 싶은 경우에는 다음 순서에 따른다.
• 주($^3$)
  조임력의 상한치가 항복 조임 축력 규격치를 사용하여 계산한 경우)으로 주어져 있는 경우에 대응한다.
• (a) 나사 부품 및 피체결 부품의 표면 상태, 윤활 조건에 대한 나사면 및 자리면의 마찰 계수의 최소치($\mu_{s \min}, \mu_{w \min}$)를 예상한다.

• (b) (a)에서 예상한 $\mu_{s \min}$ 을 사용하여 식 (13) 에 따라 항복 조임 축력 $F_{fy}$ 를 구한다.
  다만, $\sigma_y$ 는 규격치를 사용한다. ($\mu_s$는 $\mu_{s \min}$ 사용)

항복 강도 대응 축력 ($F_{fy}$)
$$F_{fy} = \frac{\sigma_y \cdot A_s}{\sqrt{1 + 3 \left[ \frac{2}{d_A} \left( \frac{P}{\pi} + \mu_s \cdot d_2 \cdot \sec \alpha' \right) \right]^2}} \dots (13)$$

• (c) (a) 에서 예상한 $\mu_{s \min}$ 및 $\mu_{w \min}$ 사용하여 식(14)에 따라 토크계수 $K_{\min}$ 를 구한다.
  $$K_{\min} = \frac{1}{2d} \cdot \left( \frac{P}{\pi} + \mu_{s \min} \cdot d_2 \cdot \sec \alpha' + \mu_{w \min} \cdot D_w \right) \dots (14)$$
• (d) 조임 용구, 조임 정지 등에 의한 조임토크의 편차 $\pm m\% (^2)$ 를 예상하여 목표 조임 토크 $Tf_A$ 를 식(15)에 따라 구한다.
$$Tf_A = \frac{K_{\min} \cdot F_{f \max} \cdot d}{1 + m/100} \dots (15)$$

5.2.3 토크법에 사용하는 조임 용구
KS B 3027 에서 규정한 플레이트형, 다이얼형, 프리셋형 및 만능형 수동식 토크 렌치 또는 이것과 동등 이상의 성능을 가진 수동식 혹은 동력식 렌치를 사용한다.

5.3 회전각 조임

5.3.1 회전각법의 조임

- 회전각법은 볼트의 머리부와 너트의 상대 회전각(조임 회전각 $\theta_f$) 을 지표로 하여 초기 조임력을 관리하는 방법으로 탄성역 조임과 소성역 조임의 양쪽에 사용할 수 있다. (그림 3 참조)
- $\theta_f - F_f$ 곡선의 기울기가 급한 경우는 회전각의 설정 오차에 의한 조임력의 편차가 커지므로, 탄성역 조임은 피체결 부재 및 볼트의 강성이 높은 경우에는 불리하게 된다.
- 한편, 소성역 조임에서는 초기 조임력의 편차는 주로 조일 때의 볼트의 항복점 $F_{fy}$ 에 의존하고 회전각 영향을 받기 어렵고 그 볼트의 능력을 최대한으로 이용할 수 있다 (보다 높은 조임력을 얻을 수 있다)는 이점이 있으나 볼트의 나사부 또는 원통부가 소성변형을 일으키기 때문에 볼트의 연신성이 작은 경우 및 볼트를 다시 사용하는 경우에는 주의를 요한다.
- 지나친 조임력에 의하여 피체결 부재에 형편이 좋지 못한 일이 발생할 우려가 있을 경우에는 사용하는 볼트의 항복점(또는 내구력) 및 인장강도의 상한치를 규정하여야 한다.

5.3.2 회전각법에서의 목표치 결정방법

회전각법에서 지표의 목표치 (목표 조임 회전각 $\theta_{fa}$)를 결정하는 대표적인 방법을 다음에 표시한다.

1. (1) 탄성역 조임의 경우
   회전각법에 의하여 탄성역 조임을 할 경우에는 다음의 순서에 따른다.
2. (a) 볼트의 스프링 상수 $K_b$ 및 피체결 부재의 압축스프링 상수 $K_c$ 또는 $\theta_f - F_f$ 선도에서의 탄성역의 기울기 $\eta (^4)$ 값을 추정한다.
   주 ($^4$) $$\eta = \left( \frac{P}{369} \right) \cdot \frac{K_b \cdot K_c}{K_b + K_c}$$
3. (b) 탄성역에서의 선형영역 ($\theta_f - F_f$ 선도의 직선부) 중에서 되도록 작은 조임력을 작용시키기 위한 조임 토크 $T_{fs} (^5)$ 의 값을 5.2.2 (1) 에 나타내는 방법에 준하여 구한다.
   주 ($^5$) $T_{fs}$ 를 스너그 토크라 한다.
4. (c) 식 (16) 또는 $\theta_f - F_f$ 선도에 따라 스너그 토크를 작용 시킨 점 (스너그 점이라 한다)을 기점으로 회전각 $\theta_{fa}$ 를 구한다.
   $$\theta_{fa} = \frac{1}{\eta} \cdot \left( F_{fA} - \frac{T_{fs}}{K_m \cdot d} \right) \dots (16)$$ 다만, 식(16) 에서의 $K_m$ 은 토크 계수의 평균적인 값으로 하고 $F_{fA}$는 조임력의 목표치로 한다.
   조임력의 하한치 ($F_{f \min}$) 및 상한치 ($F_{f \max}$) 가 주어져 있을 경우에는 $F_{fA}$로서 그 범위 내의 값을 선택한다.

1. (2) 소성역 조임의 경우 회전각법에 의하여 소성역 조임을 할 경우에는 다음의 순서에 따른다.
• 식 7 또는 $\theta_f - F_f$ 선도 등의 조임 특성 선도에 의하여 항복 조임 축력 $F_{fy}$ 를 추정한다.
• 볼트의 스프링 상수 $K_b$ 및 피체결 부재의 압축스프링 상수 $K_c$ 또는 $\theta_f - F_f$ 선도에서의 탄성역의 기울기 $\eta (^4)$ 값을 추정한다.
• 탄성역에서의 선형영역 ($\theta_f - F_f$ 선도의 직선부) 중에서 되도록 작은 조임력을 작용시키기 위한 조임 토크 $T_{fs}$ 의 값을 5.2.2 (1) 에 나타내는 방법에 준하여 구한다.
• 식 (17) 또는 $\theta_f - F_f$ 선도에 따라 (a)에서 추정한 항복 조임 축력의 값에 대응하는 조임 회전각 $\theta_{fa}$ 를 스너그 점을 기점으로 하여 구한다.
  $$\theta_{fy} = \frac{1}{\eta} \cdot \left( F_{fy} - \frac{T_{fs}}{K_m \cdot d} \right) \dots (17)$$
• $\theta_f - F_f$ 선도 등에 의하여 극한 조임 축력 $F_{fu}$ 에 대응하는 조임 회전각 $\theta_{fu}$ 의 최소치를 스너그 점을 기점으로 하여 추정한다.
• 스너그 점을 기점으로 한 목표 조임 회전각 $\theta_{fa}$ 는 식 (18) 을 기준으로 하여 선정한다.
  $$\theta_{fy} \le \theta_{fa} \le \frac{1}{2} \cdot (\theta_{fy} + \theta_{fu}) \dots (18)$$

5.3.3 회전각법에 사용하는 조임 용구

회전각의 검출에는 각도분할 눈금판(분도기), 전기적인 검출기 등을 사용하지만 소성역 조임인 경우는 볼트 머리부 또는 너트의 모양을 이용한 육안에 의한 각도 관리가 가능한 경우도 있다.
또 스너그 토크를 작용시키는 데는 5.2.3 에 나타낸 토크 렌치를 사용하는 것이 바람직하다.

5.4 토크 기울기법 조임

5.4.1 토크 기울기법의 특징

토크 기울기법 조임은 $\theta_f - F_f$ 곡선 (그림 4 참조) 의 기울기 ($dTf / d\theta_f$) 를 검출하고 그 값의 변화를 지표로 하여 초기 조임력을 관리하는 방법으로 보통은 그 볼트의 항복 조임 축력이 초기 조임 축력의 목표치가 된다.
이 조임은 일반적으로 초기 조임력의 편차를 작게 하고 또한, 그 볼트의 능력을 최대한 이용할 경우에 사용한다.

다만, 초기조임력의 값을 관리하기 위하여는 소성역의 회전각법인 경우와 같이 볼트의 항복점 또는 내구력에 대하여 충분한 관리를 할 필요가 있다. 또한, 소성역의 회전각법 조임과 비교하여 볼트의 연신성 및 재사용성에 문제가 있는 일은 적으나 조임 용구가 복잡해 지는 것을 피할 수 없다.

5.4.2 토크 기울기법에서 목표치 결정방법

토크 기울기법에서 지표 [토크 기울기 ($dTf / d\theta_f$)] 의 목표치는 최대 토크 기울기($dTf / d\theta_f$)의 1/2 ~ 1/3 정도로 선정한다.

조임 토크 및 회전각의 샘플링 간격은 조임력의 값에 영향을 주지 않도록 작게 취할 필요가 있으나 $\theta_f - F_f$ 곡선의 미시적인 변화를 평균화 할 수 있을 정도의 간격이 좋다.

5.4.3 토크 기울기법의 조임 용구

조일 때, 조임 토크 및 회전각을 동시에 검출하고 다시 그들의 기울기를 계산하여 비교할 필요가 있으므로 전기적인 검출기, 마이크로 컴퓨터 등의 연산장치를 내장한 용구가 필요하다.

참고표 1 나사면 마찰 계수 μs 및 자리면 마찰계수 μ에 대한 토크계수 K의 계산치

비고
참고표 1의 (a) 및 (b) 는 각각 비고 표(a) 및 비고 표(b)의 값을 사용하여 식(2) 및 식(5)에 따라 계산한 토크계수의 평균치이다.

주
(¹) KS B 0201 (미터 보통 나사)의 유효지름 기준치수
(²) KS B 1007 (볼트 구멍지름 및 카운터보어 지름) 의 2급 (모떼기 없음)
(³) KS B 1001 (맞변 거리의 치수)의 6 각의 맞변거리 (보통형 계열)의 기준치수에0.95 를 곱한 값.

비고
참고표 1 의(a) 및 (b) 는 각각 비고 표(a) 및 비고 표(b)의 값을 사용하여 식(2) 및 식(5)에
따라 계산한 토크계수의 평균치이다.

주
(⁴) KS B 0204 (미터 가는 나사)의 유효지름 기준치수
(⁵) KS B 1007 의 1급 (모떼기 없음)
(⁶) KS B 1001 의 6 각의 맞변거리 (소형 계열)의 기준치수에 0.95 를 곱한 값

참고표 2 나사면 마찰 계수

μs 및 자리면 마찰계수 μ 에 대한 항복 조임 축력 및 Ffy 및 항복 조임 토크 Tfy 계산치
(보통나사, 6 각볼트·너트의 경우)

비고
Ffy는 식(7) 에 따라 계산한 값이다.
다만 σy 는 KS B 0233(강제 볼트 작은 나사의 기계적 성질)의 표 3 에 규정하는 항복점 또는
내구력의 최소치,
As 는 KS B 0249 (나사의 유효 단면적및 자리면의 부하 면적) 의 표 1에 규정한 값,
da 는 As 에 대응하는 값,
d2 는 KS B 0201 의 부표에 규정하는 값을 사용한다.

참고표 2 나사면 마찰 계수 μs 및 자리면 마찰계수 μ에 대한 항복 조임 축력 및 Ffy

(보통나사, 6 각볼트·너트의 경우)

비고
Ffy는 식 (7) 에 따라 계산한 값이다.
다만 σy 는 KS B 0233(강제 볼트 작은 나사의 기계적 성질)의 표 3 에 규정하는 항복점 또는
내구력의 최소치,
As 는 KS B 0249 (나사의 유효 단면적및 자리면의 부하 면적) 의 표 1에 규정한 값,
da 는 As 에 대응하는 값, d2 는 KS B 0201 의부표에 규정하는 값을 사용한다.

참고표 2 나사면 마찰 계수 μs 및 자리면 마찰계수 μ 에 대한 항복 조임 축력 및 Ffy

(보통나사, 6 각볼트·너트의 경우)

비고
Tfy 는 식(1) ~ (5) 에 따라 계산한 값이다.
다만, 참고 그림에서 명확한것과 같이 Tfy 는 μ 영향이 적으므로 일정(= 0.15)으로 산출하고 있다.
또한 d2, Di 및 Do 는 참고 표 1의 비고 표 (a) 의 값을 사용하고 있다.

참고표 2 나사면 마찰 계수 μs 및 자리면 마찰계수 μ에 대한 항복 조임 축력 및 Ffy

(보통나사, 6 각볼트·너트의 경우)

비고
Tfy 는 식(1) ~ (5) 에 따라 계산한 값이다.
다만, 참고 그림에서 명확한것과 같이 Tfy 는 μ 영향이 적으므로 일정(= 0.15)으로 산출하고 있다.
또한 d2, Di 및 Do 는 참고 표 1의 비고 표 (a) 의 값을 사용하고 있다.

참고 그림