コラム

第４回目講座は前回につづき、ねじのお話しです。今回はねじの使用においての注意点などの内容となります。

 

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執筆者について　

株式会社ものプロ
代表取締役 高原 東照

大手工業炉メーカーの設計子会社に入社後、熱処理炉や真空炉の設計業務に従事。同時に、社内で若手向けの技術教育にも携わる。その後新規顧客開拓にも取り組み、受注獲得した研削機、ブラスト機、コンベア等の設備を設計。転職、退社を経て、2017 年に、ものプロを設立。機械設計技術者の養成に携わる一方、機械設計・製図を受託し日々製図・検図に携わる。

４－１　ボルトの締結法

１）ボルト締結法の種類

ボルトと部品の締結法は（ａ）通しボルト、（ｂ）押さえボルト、（ｃ）植込みボルトの３種類があります。通し穴をあけてナットを使った、通しボルトが一般的な締結法です。押さえボルトと植込みボルトは通しボルトには構造上できないとき、または不利なときに使用します。また取付け物の裏側より通しボルトが挿入できない、漏れ防止などにも使用します。

２）通しボルトの長所と短所

通しボルト方式の場合、ナットを使用します。よって対象物にめねじ加工をする必要がなく、製作コスト面で有利です。また万一ねじがいたんでも、ナットを交換すればよいという利点があります。

一方、ねじを締める際にボルトとナットの両方を同時に把持しなければならないので作業性が悪く、組立コストの面では不利となります。どちらのコストを優先するかは、機械によって変わってきます。またナットが他の部品に干渉するといった欠点もあります。

十分な作業スペースがある場合は通しボルト、作業スペースが狭く、部品が混み合っているような箇所では押さえボルトや植込みボルトを選択するのがいいでしょう。

３）押さえボルトと植込みボルトの使い分け

押さえボルトと植込みボルトの使い分けは以下のとおりとなります。

●　押さえボルト
締付け後ほとんど分解することがないところに使用します。ボルト頭に六角と六角穴付きとがあり、六角穴付ボルトは、取付け場所がせまく、六角ボルトが使えないとき、または頭を沈めたいときに使用します。

●　植込みボルト
ひんぱんに分解するような箇所に、押さえボルトを使用すると、本体のめねじがいたむ恐れがあるとき。

４）六角穴付きボルトと六角ボルトの使い分け

六角穴付きボルトが六角ボルトに対して優位な点を以下にまとめました。これらを参考に六角穴付きボルトと六角ボルトを使い分けましょう。

①　六角ボルトは工具のスパナが座ぐり穴に入らないので、ねじ頭を埋め込むことができないが、六角穴付きボルトは埋め込み可能。

②　スパナは六角の２面だけを使って締め付けるが、六角穴付きボルトは６面を使うので、締め付けが安定する。

③　六角レンチはサイズがコンパクトなので、複数のねじが接近している場合や、狭い箇所の締付けに適している。一方、スパナはサイズが大きいので、ねじの間隔がある程度ないと隣に干渉する。

④　上向きにねじ締めをする場合、先に六角レンチを六角穴に差し込んだ状態でボルト穴に入れられるので作業性がより。

一方、六角ボルトの利点は、他のねじがねじ頭の真上から工具を差し込むのに対して、六角ボルトを締めるスパナは唯一ねじの横方向から差し込むことができる点です。

４－２　ねじ・ボルトの選定

１）ねじ・ボルトの選定手順

①　メートル並目ねじから選定する
部品締結に使用するねじは、メートル並目ねじから選定します。薄板にめねじをきる（メートル細目ねじを使用）、あるいは指定がある（インチねじなど）場合を除き、メートル並目ねじから選定します。

②　必要な締付け力を決定する
部品を締結するのに必要な力、ねじ部にかかる引張荷重を検討し、決定します。（ねじの材質、ねじ径、ボルトの本数を検討するため）

③　ねじ・ボルトの材質を決定する
使用場所、環境（周囲温度、腐食環境など）、締結部品の材質などを検討し、ねじ・ボルトの材質を検討し、決定します。また非磁性が必要なのか、非電導性が必要なのか、樹脂ボルトが良いのか、なども検討し、ねじ・ボルトの材質を決定します。

④　ねじ・ボルト径とボルトの本数を決定する
上記②で決定した引張荷重から、JIS B1051の表「最小引張荷重」と表「保証荷重」に応じて強度区分とねじ・ボルト径を検討し、決定します。通常SS材のボルトの場合、強度区分を指定しないと「4.8」の強度区分のものが納入されます。また一般的にはボルトの本数を増やすよりも、ねじ・ボルト径を上げるか、強度区分を上げる方がコスト的には安価になります。

⑤　ボルト頭の形状を決定する
部品の加工方法、組立・分解・メンテナンス性、締付け工具を考慮し、ボルト頭の形状を検討し、決定します。ちなみに通常、六角ボルトの材質はSS400、強度区分は4.8、六角穴付きボルトの材質はSCM435、強度区分は12.9です。

※ボルトの強度区分
例として、ボルトの強度区分「12.9」とは、「12」については「1200 N/mm2以下で切れない」という強さを表し、「呼び引張強さ」を表します。
次に「.9」が、「1200 N/mm2×0.9＝1080 N/mm2以下では、伸びても元に戻る」という特性を表しています。

２）ねじ・ボルト選定の注意点

①　ねじ径はJISの１欄から優先的に選ぶ
ねじ径は並目でJIS B0205-2の１欄から優先的に選定します。必要に応じて２欄、３欄の順で選びます。

 

②　細目ねじは極力使用しない
細目ねじはピッチが細かいため１回転あたりの進み量が並目より小さいため一般的に調整ねじとして用いられることがあります。ただし、使用せずにすむに越したことはありません。なぜならM6のボルトの場合、並目のピッチは1mmであり、細目のピッチは0.75mmです。見た目では並目と細目の区別がつきにくく、間違いの元となるからです。

この場合、部品図や組立図、組立要領書などに「細目ねじ」と明記して作業者の間違いを防止するようにしましょう。

 

③　ねじ径は極力統一する
部品を加工するときもねじ径が統一されているほうが、効率的に製作できます。また組立やメンテナンス時も幾種類の工具を準備する必要がなく効率的に作業ができます。

大型機械の場合、小さなボルトは紛失しやすいので、M6以下を使用しないなど大きめのボルトで統一する必要もあります。
また、家電製品のような小型機械の場合は、M2以下のねじは使わないようにしている場合もあります。

 

④　メンテナンス性も考慮してボルト頭を決定する
メンテナンス時に外す必要があるボルトは誰がメンテナンスをするのか、どのような状況でメンテナンスするのかを考慮して、ボルト頭を決定します。メンテナンスを行うのが自社の保全員なのか、ユーザーなのか、屋外なのか、屋内なのか、工具がすぐにある場所なのかなどを考慮してボルト頭を決定します。

 

⑤　使用時の周囲温度を考慮しボルト材質を選定する
SS400材のボルトは常温での引張強度のみが規定されています。高温や低温では強度が低下し脆くなるので、使用時の温度を考慮しボルト材質を選定します。

高温には注意が払われているようですが、低温にも注意が必要です。特にSS400材は0～－10℃ぐらいから急激に脆く（低温脆性※）なります。北海道の内陸部では－30℃以下ということもあり、寒冷地の屋外で使用する場合には、材質の変更が必要な場合があります。

※低温脆性
金属が低温になると脆くなる現象で、特にSS材は低温脆性が顕著です。鋼はリン（P）、炭素（C）、窒素（N）の含有量が多いほど、高い温度から脆くなるといわれています。しかもSS400材にはリンの含有量は0.05％以下と規定されていますが、特に炭素の含有量は規定されておらず、常温での引張強さが規定されているだけです。

 

⑥　共締めはしない
３つの部品を一本のボルトで留める共締めは極力採用しないようにします。上側の部品を外そうとすると、中間の部品も外れてしまいます。また上側の調整も難しくなります。

 

⑦　ねじ部でせん断は受けない
ボルトには引張強度は規定されていますが、せん断強度は規定されていません。ボルトのねじ部でせん断荷重を受けない設計にしなければいけません。ボルトのねじ部でせん断荷重を受けないように、リーマボルトや特殊ボルトの使用、ノックピンの挿入やシャーブロックの溶接などをします。

 

⑧　ボルトの材質－締結する部品の材質と同じにする
ボルトの材質の選定基準は明確なものはありません。強度や温度特性を考慮して決定しますが、一般的には締結する部品とボルトの材質は同じにします。

部品とボルトの材質を異にすると熱膨張率が異なるため、温度変化によって緩みが生じる場合があります。たとえばボルトの熱膨張率が大きかった場合、温度が変化しボルトの伸びが部品の伸びより大きくなり、ボルトの張力が低下し緩みの原因となります。

４－３　ナットの選択

ナットには六角ナット、小型六角ナット、四角ナット、溝付きナットなどがあります。

六角ナットが最も一般的で１～４種に分かれています。１種は片面を面取りしたもの、２種は両面を面取りしたもの、３種は低ナットで高さが低く、両面取りしたもの、４種は片面に円形座を設けたものです。

使い分けはボルトに準じて考えればいいですが、１種は締め付ける座面に平座金を用いなくてはいけません。ロックナットとして使用する場合は２種、３種の組合わせでいいですが、締付け力を受けるのは外側のナットなので、外側に２種を使用します。

その他にも、六角ナットの種類には、おねじの先端が現れないように帳面を帽子状にした外形が六角形の六角袋ナット、六角ナットの上面に溝を付けて割ピンの穴のあるボルトと組んで使用される溝付きナットなどがあります。

今回はこれで終わります。次回はねじ設計上の注意点などについてお話しします。

 

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• 参考文献

1. 「ねじ基礎のきそ」門田和雄著、日刊工業新聞社、2006年
2. 「使用実績に基づく機械要素の実用設計」宗　孝著、日刊工業新聞社、1985年
3. 「機械設計の知識がやさしくわかる本」西村仁著、日本能率マネジメントセンター、1985年
4. 「設計検討ってどないすんねん！」山田学編著、日刊工業新聞社、2008年
5. 「勘どころ設計技術Ⅰ固定ねじ」伊藤美光著、日経BP社、1994年