그 토크 값은 체결부가 아니라 강도 등급에서 나왔습니다

두 값, 그리고 둘 뒤에 있는 하나의 규격

ISO 898-1은 모든 강도 등급과 모든 나사 치수에 대해 보증 하중을 표로 제시합니다. 보증 하중은 정해진 시험에서 체결 부품이 측정 가능한 영구 변형 없이 견뎌야 하는 축방향 힘이며, 호칭 유효 단면적에 규격이 그 등급에 정한 응력을 곱한 값일 뿐입니다. M12의 유효 단면적은 84.3 mm²이고 표 5는 다음 값을 제시합니다.

토크와 초기 체결력은 T = K · d · F 형태의 곱으로 연결됩니다. 여기서 d는 호칭 지름이고 K는 마찰과 나사산 형상에 관한 모든 요소를 모은 값입니다. 각 토크를 d · F_p로 나누면 다음과 같습니다.

상수 하나가 두 값을 1 % 이내로 재현합니다. 이 상수는 마찰계수가 아닙니다. 표가 사용한 마찰 가정에 표가 목표로 한 보증 하중의 비율을 곱한 값이며, 숫자 두 개로는 이 둘을 분리할 수 없습니다. 중요한 것은 하나의 값이 두 행을 모두 설명한다는 점입니다.

비율은 아무 가정 없이도 이를 증명합니다

이 부분에는 어떤 맞춤도 필요 없습니다. 비율을 취하면 K가 소거되고, 이용률이 소거되고, 지름도 소거됩니다. 표에 어떤 가정이 들어갔든 두 행의 가정은 같았으므로, 95와 160 사이에서 바뀐 것은 머리에 찍힌 숫자뿐입니다.

분명히 말해 둘 만합니다. 그 계산에는 체결부가 없습니다. 체결부의 재질도, 체결 길이도, 피체결재의 강성도, 체결부가 받는 하중도 없습니다. 강도 등급으로 찾는 토크 표는 체결 부품이 견딜 수 있는 값을 체결부가 필요로 하는 값처럼 꾸민 표입니다.

따라서 교체는 안전하며, 안전한 이유가 바로 핵심 발견입니다

같은 표면, 같은 윤활제로 12.9를 95 N·m에 조이면 초기 체결력은 8.8이 받던 값과 거의 같습니다. 스레드는 51점을 받은 한 줄짜리 댓글로 이를 정확히 짚었습니다. 두 볼트의 탄성 계수가 같으므로 같은 장력에서 같은 양만큼 늘어난다는 것입니다. 담금질과 뜨임은 항복 강도와 인장 강도를 바꾸지만 강성은 바꾸지 않습니다. 그 위의 댓글은 “스프링 효과”가 등급에 따라 달라질 수 있는지 궁금해했는데, 이 답이 그 문제를 정리합니다. 작업 하중이 걸린 뒤 그 스프링이 어떻게 거동하는지는 따로 알아 둘 만한 모델입니다.

바뀐 것은 이용률입니다. 95 N·m에서 8.8은 보증 하중에 걸려 있었지만, 같은 토크는 12.9를 자기 보증 하중의 약 60 %에 둡니다. 볼트가 여유를 부리고 있는 셈입니다. 보통은 좋은 상태이지만 답의 불편한 부분이기도 합니다. 160 N·m이라는 값 역시 체결부의 요구 조건이었던 적이 없다는 뜻이기 때문입니다. 조립품이 8.8을 95로 조여 제 기능을 했다면, 12.9 행은 부품을 붙잡아 두기 위해서가 아니라 체결 부품을 끝까지 쓰기 위해 존재합니다.

실제로 얻는 초기 체결력은 이 계산이 암시하는 것보다 산포가 크며, 그 산포는 등급이 아니라 체결 방법에서 나옵니다. 체결 방법이 초기 체결력을 얼마나 부정확하게 관리하는가를 참고하십시오. 토크가 무엇을 만들어 내는지, 그리고 토크가 말없이 전제하는 마찰은 토크와 체결 축력과 토크 사양은 마찰 조건을 전제한다에서 다룹니다.

교체로 실제로 달라지는 네 가지

어느 것도 초기 체결력은 아니지만, 네 가지 모두 부품을 조립하기 전에 확인할 가치가 있습니다.

이 중 앞의 두 가지는 스레드에서 98점을 받은 최상위 답변의 내용이었고, 그 답변을 쓴 사람의 말이 옳았습니다. 더 높은 등급을 고를 때의 절충은 강도 등급 숫자가 뜻하는 것에서 자세히 다룹니다.

규격이 12.9에 붙인 각주

ISO 898-1의 표 2는 등급마다 허용되는 강재와 최저 뜨임 온도를 나열합니다. 12.9 행에는 다른 어느 행에도 없는 각주가 달려 있습니다. 12.9 사용을 검토할 때는 주의하라고 권고하며, 세 가지를 고려하라고 요구합니다. 체결 부품 제조사의 역량, 사용 조건, 그리고 체결 방법입니다. 마지막으로 환경에 따라 가공한 그대로의 체결 부품과 코팅한 체결 부품 모두에서 응력 부식 균열이 생길 수 있다고 덧붙입니다.

이를 처음의 질문과 나란히 놓고 읽어 보십시오. 누군가 머리에 찍힌 숫자가 더 크다는 이유로 12.9 체결 부품의 체결 방법을 바꾸려 합니다. 그 숫자를 제공하는 규격은 바로 그런 결정을 당연하게 여기지 말고 검토하라는 주석을 붙여 두었습니다. 각주 어디에도 교체를 금지하는 내용은 없습니다. 다만 등급을 올리는 일이 겉보기처럼 공짜 업그레이드는 아니라는 뜻입니다.

등급 숫자가 약속한 적 없는 것

ISO 898-1의 제1절은 규격이 규정하지 않는 특성 목록으로 끝납니다. 모두 다섯 가지이며, 그중 두 가지는 사람들이 더 높은 등급으로 얻으려는 바로 그 특성입니다.

따라서 강도 등급으로 찾는 토크 표는 그 등급을 정한 규격이 다루지 않는다고 밝힌 양 위에 세워져 있습니다. 비난하려는 것은 아닙니다. 이 계산은 합리적인 1차 근사이며 모두가 씁니다. 다만 그 값은 규격의 값이 아니라 표의 값이고, 값이 틀렸을 때 잘못 읽힌 것은 규격이 아니라는 뜻입니다.

이 두 제외 항목은 질문의 일반적인 형태에도 답합니다. 볼트 축 방향이 아니라 축에 직각으로 하중을 받는 체결부와 반복 하중을 받는 체결부에서는 등급을 바꾸어도 어느 쪽으로든 알려 주는 것이 없습니다. 같은 초기 체결력에서 강도 등급별 피로 수명을 비교한 공개 자료를 찾아보았지만 인용할 만한 것은 없었습니다. 축방향 모델이 반복 하중에 대해 말하는 내용은 볼트는 스프링입니다에, 토크를 더 올려도 더는 도움이 되지 않는 경우는 더 세게 조인다고 늘 더 오래가지는 않습니다에 있습니다.

이 글은 여섯 단계 중 하나에만 해당하지 않습니다. 여러 단계를 아우르거나 조립 후에 나타나는 문제입니다. 관련 결정은 영어 글 Specifying a screw에서 설명합니다.

자주 묻는 질문

8.8을 주문했는데 12.9를 받았습니다. 8.8 토크로 조립해도 됩니까?

기계적으로 초기 체결력은 거의 변하지 않습니다. 토크와 초기 체결력은 마찰과 형상으로 연결되며 그 어느 항에도 강도 등급이 들어 있지 않기 때문입니다. 탄성 계수가 같으므로 같은 장력에서 볼트는 같은 양만큼 늘어납니다. 그러나 네 가지는 달라집니다. 파단 후 최소 연신율이 12 %에서 8 %로 떨어지고, ISO 4042는 10.9 미만에는 아무것도 요구하지 않지만 도금한 12.9에는 베이킹을 요구하며, 너트나 탭 구멍은 더 강해지지 않았고, 머리 표시가 더 이상 도면과 맞지 않습니다. 마지막 항목은 기술적 결론과 상관없이 변경 기록 대상입니다.

같은 토크에서 12.9 볼트가 8.8보다 덜 늘어납니까?

아닙니다. 담금질과 뜨임은 항복 강도와 인장 강도를 높이지만 탄성 계수는 그대로 두므로, 같은 장력에서 두 볼트는 같은 양만큼 늘어납니다. 높은 등급이 주는 것은 항복 전까지 얼마나 더 늘어날 수 있는가이지, 늘어나는 데 얼마나 강하게 저항하는가가 아닙니다. 원래 스레드에서도 이 이야기가 나왔고 두 번째 답글이 정답이었습니다.

강도 등급으로 찾는 토크 표의 값은 어디서 옵니까?

보통 호칭 유효 단면적에 등급이 정한 응력을 곱하고, 여기에 마찰 가정과 호칭 지름을 곱한 값입니다. 여기서 다룬 표에서 M12의 8.8 95 N·m와 12.9 160 N·m는 ISO 898-1의 보증 하중 48,900 N과 81,800 N에 하나의 상수 0.162를 적용하면 1 % 이내로 재현됩니다. 이 상수는 마찰 가정과 이용률의 곱이며 숫자 두 개로는 둘을 분리할 수 없지만, 두 토크의 비율은 아무 가정도 필요 없습니다. 그것은 등급의 비율입니다.

확신이 없을 때는 더 높은 강도 등급이 안전한 선택입니까?

체결 부품이 견딜 수 있는 하중은 높이고 파단 전에 흡수할 수 있는 변형은 줄이는 선택입니다. ISO 898-1은 최소 연신율을 8.8에서 12 %, 12.9에서 8 %로 정하며, 표 2는 12.9에만 주의 문구를 붙여 제조사 역량, 사용 조건과 체결 방법을 고려하라고 요구하고 응력 부식 균열을 언급합니다. 체결부에 12.9가 필요하다면 필요한 것입니다. 하지만 여유분으로 고르면 정적 강도를 얻는 대신 연성을 내줍니다.

ISO 898-1은 체결 토크를 제시합니까?

아닙니다. 규격 스스로 그렇게 밝힙니다. 제1절은 토크/체결 축력 성능을 규격이 규정하지 않는 특성으로 열거하고 시험 방법은 ISO 16047을 가리킵니다. 피로 저항, 전단 저항, 용접성과 내식성도 같은 목록에 있습니다. 강도 등급으로 찾는 토크 표는 다른 이들이 이 규격의 보증 하중과 가정한 마찰 조건을 바탕으로 만든 것입니다.

참고 자료

• ISO 898-1:2013 — 탄소강 및 합금강 체결 부품의 기계적 성질. 제1절 적용 범위의 제외 항목, 표 2와 12.9 등급 각주, 표 3의 3행과 6행, 표 5 보증 하중
• ISO 16047 — 체결 부품 토크/체결 축력 시험. ISO 898-1이 규정하지 않는 특성에 대해 가리키는 시험 방법
• ISO 4042 — 체결 부품 전기 도금 피막 시스템. 수소 취성 방지 조치의 등급 경계
• r/AskEngineers — 이 글이 시작된 스레드. 두 토크 값과 탄성 계수에 관한 답글 포함

ISO 898-1:2013은 공개 미리보기 PDF로 읽었으며, 여기에는 제1절, 모든 각주를 포함한 표 2, 표 3과 표 5 전체가 들어 있습니다. 위에 인용한 수치는 모두 이 표에서 왔습니다. 95와 160 N·m이라는 값은 이름을 댈 수 있는 공개 표에서 나온 것이 아닙니다. 질문자가 자기 회사 도면에 적혀 있다고 밝힌 값이므로, 여기의 재구성은 어떤 가정의 조합이 이 두 값을 재현하는지 보여 줄 뿐 그 회사가 실제로 수행한 계산이라고 주장하지 않습니다. 상수 0.162는 마찰 가정에 이용률을 곱한 값이고 데이터 두 개로는 둘을 분리할 수 없으므로 마찰계수로 읽어서는 안 됩니다. 비율에 근거한 논증은 이 중 어느 것에도 의존하지 않습니다. 피로에 대해서는 ISO 898-1이 이를 제외한다는 점만 말합니다. 같은 초기 체결력에서 강도 등급별 피로 수명을 비교한 공개 자료를 찾아보았지만 인용할 만한 것은 찾지 못했습니다.