나사 체결 현장에서 가장 많이 나오는 질문 중 하나입니다. 원인은 대부분의 경우 "토크와 축력의 차이"에 있습니다.
체결력이라는 단어로 더 이야기하는 것은 축력이지만, 실제 체결기가 관리하는 수치는 토크인 경우가 대부분입니다. 둘 사이의 변환이 항상 일정한 것이 아니기 때문에 같은 토크로 조였더라도 축력은 마찰 조건에 따라 속에서 판이하게 달라집니다. 이 글은 둘의 관계, 계산법, 설계 실무 기준을 정리합니다.
체결기가 나사에 가한 전체 토크 중 실제 축력으로 변환되는 비율은 흔히 10~15% 수준입니다. 나머지는 두 곳의 마찰에서 소모됩니다.
따라서 마찰 조건이 조금만 달라져도 실제 축력은 상당히 이동합니다. 나사 표면이 느주는지, 윤활유 코팅 조건이 일정한지, 체결기를 대서 쓰는 경우 회수 나사의 마찰 이력이 어떤지가 결과를 바꿉니다.
$T = F \times \left( \frac{P}{2\pi} + \mu_t \cdot \frac{d_2}{2 \cos\alpha} + \mu_h \cdot \frac{D_w}{2} \right)$
다만 실무에서는 아래 간이식이 더 자주 쓰입니다.
$T = K \times F \times d$
이 공식에서 축력은 아래와 같이 구해집니다.
$F = \frac{T}{K \times d}$
같은 토크에서도 축력이 크게 달라지는 이유는 K값의 조건별 편차 때문입니다.
나사 조건K값 일반 범위무처리 강재 (슌단은 있음)0.20 전후아연 도금, 대부분의 일반 찤트0.18~0.22윤활 처리 (나사산+이마 오일 도포)0.14~0.18녹 생김, 부식0.25 이상재사용 나사 (이미 체결될 적 있음)초기대비 5~15% 증가 경향
만약 K가 0.16에서 0.22로 변동되었다면, 같은 토크에서도 축력은 약 27% 수준까지 차이가 납니다. 고전압 라인이나 구조부 체결에서는 이 수준의 산포가 품질 불량 원인이 됩니다.
나사는 강도 등급(Property Class)에 따라 허용 축력이 정해져 있습니다. 일반적으로 항복강도의 70~75% 수준에서 축력을 설정합니다 (VDI 2230 권장).
나사강도 등급권장 축력 하한권장 토크 (대략)M68.89.0 kN9.7 NmM610.913.2 kN14.3 NmM88.816.5 kN23.8 NmM810.924.0 kN34.6 NmM1010.938.0 kN68.4 NmM1210.955.5 kN119.9 Nm
실제 프로젝트에서는 귀사가 사용하는 나사 등급, 머리 형상, 접촉면 마찰 조건을 반영한 정확한 권장치를 VDI 2230 또는 ISO 16047 기준으로 재산출하셔야 합니다.
가장 널리 쓰이는 방식입니다. 체결기가 설정 토크에 도달하면 멈춥니다. 장비가 간단하고 비용이 낮으나, 앞서 설명드린 K값 변동 때문에 축력 산포가 클 수 있습니다. 일반 조립과 품질 요구가 높지 않은 공정에 적합합니다.
나사가 몇 도 회전했는지 각도 정보까지 함께 관리합니다. 나사가 자리잡는 과정에서 일정 각도 이상 돌아갔는지를 확인하여, 나사의 숨은 불량(머리 첍김, 구먍 막힘 등)을 검출할 수 있습니다. 자동차 조립에서 광범위하게 쓰입니다.
체결 중 실제 축력을 실시간으로 측정하며 제어하는 방식입니다. K값 변동의 영향을 본질적으로 제거하며, 아일의 방식이지만 장비 비용과 복잡도가 높습니다. 고전압 배터리 모듈, 안전 구조부, 우주 용 조립처럼 체결력 편차가 곧 품질 리스크인 공정에서 필요합니다.
같은 토크에서도 K값 변동으로 축력이 수십 % 편차를 보일 수 있습니다. 고신뢰 체결에서는 토크만으로 쵝분하지 않습니다.
고강도 나사(10.9, 12.9)는 축력 용량은 크지만 수소 취성이 있어 휴지 구적과 용접 환경에서 굼자게 돌어올 수 있습니다. 단순히 "높은 등급이 더 좋다"는 접근은 위험합니다.
윤활은 구조 강도를 높이는 것이 아니라 K값을 낮추고 산포를 줄이는 역할입니다. 고신뢰 체결에서는 윤활 조건을 명시하는 경우가 많습니다.
나사 체결은 "토크를 맞추는 것"이 아니라 "축력을 관리하는 것"입니다. 토크는 그 관리를 위한 수단이지 목표가 아니며, 둘 사이의 변환은 마찰 조건과 나사 상태에 크게 움직입니다. 공정 품질 요구가 높을수록 토크 제어에서 토크+각도 제어, 축력 제어로 넘어가는 것이 일반적 흐름입니다.
파텍시스템은 1996년부터 DEPRAG 자동 나사체결 시스템을 한국 제조 라인에 공급해 온 공급사입니다. 귀사 공정의 체결력 요구와 품질 이력 관리 필요성을 알려주시면, 적절한 제어 방식과 장비 사양을 함께 검토해 드립니다.
