JPS6377668A - ねじ締め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はねじ締付は方法にかかわり、特に、軸力のばら
つきをできるだけ少な（するように管理するのに好適な
ねじ締め方法に関する。

〔従来の技術〕

従来からあるねじの締付は管理の１つとして。

特公昭６０−５５２６８号公報に記載されているように
。

一定のトルク値に達したときに締付けを終了するトルク
法があり、広く一般に利用されている。この方法におい
ては、トルクと締付力すなわち軸力とは１次式で示す関
係となっている。

ここで、Ｔ：トルク、Ｆ：軸力、　ｄｐ　：おねじの有
効径、−二リード角、α：ねじ山の半角、μ９：ねじ面
の摩擦係数、ｄＷ：座面の摩擦における等価直径、μＷ
：座面の摩擦係数である。式（１）かられかるように、
トルクと軸力の関係は、ねじの座面およびねじ面の摩擦
抵抗に大きく依存する。しかし。

その摩擦抵抗も面状態等により一定しておらず。

そのためトルク値を一定にするように締付けても。

実際の締付力すなわち軸力は必ずしも一定にならず、従
って締付状態を高精度に管理することが難しい。そこで
、ねじの完全密着後の弾性域内では、ねじの回転角と軸
力とが下記式〇）に示すように線形関係にあるというこ
とに着目した他の締付は方法がある。

ここで、θ；回締角、）゛：締付力（＠力）、Ｐ：ねじ
ピッチ、　Ｋｔ　：ねじ結合の引張ばね定数、ＫＣ：被
締結物の圧縮ばね定数である。この方法は、特公昭６０
−５５２７１号公報に記載されているよ５Ｋ。

密着状態に相当した締付トルクを設定し、そのトルクに
達したことを判別して、密着状態になったと判断し、そ
の後あらかじめ定めた設定角だけ締付けて軸力な管理す
るもので、トルク・回転角法と呼ばれる方法である。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記従来技術の１つであるトルク法は１式（１）で示し
たように、一定トルクで締付けても、ねじの座面あるい
はねじ面の摩擦係数がその面状態等により大きく変化す
るため、軸力を精度良く管理することは困難である。

また、別の従来技術であるトルク・回転角法では、密着
状態つまり回転角での締付開始点をトルクによって設定
しているため、上記トルク法で述べたような摩擦係数の
変動等によって、トルクを一定にしてもそのトルクに対
応する密着状態が変動してしまい、従って、その後所定
の回転角で締付けても、軸力が変動してしまうことにな
る。また、被締結部材とねじとが完全密着した染は、＠
力と回転角は式（２１で示すように比例するが、完全密
着状態に至るまでは、軸力と回転角は第２図に示すよう
に非線形となり、特に、小ねじにおいては、その最終目
標軸力が小さくなるために目標軸力が十分に線形領域に
入り切っていない場合があり、このような状態では非常
に制御性が悪くなるという問題があった。

さらに、ねじを始めて締付けるとき、ねじの接触部（ね
じ面、座面、接合面）の面状態、ぼり等のために局部的
な塑性変形が生じ、軸力−回転角特性において、ねじの
ばね定数の計算から求めた回転角よりもはるかに大きい
回転角にしないと所定軸力が得られないという問題があ
った。

本発明の目的は、従来のトルクあるいは回転角を管理し
たねじ締付は方法によって得られる軸力の精度以上の高
い精度で軸力管理を行うことができるねじ締め方法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ねじの締付けを１回で終らせず２回締めと
し、１回目の締付けにおいてねじが塑性域に近い状態に
なるまで締付けてから、いったん緩め、さらに２回目の
締付けを行うことにより。

達成される。

第１図は本発明の方法による制御処理手順の一例を示す
フローチャートである。

［作用］ １回目の締付は時にねじの塑性域に近い大きい軸力を発
生する状態にまで締付けることにより。

ねじ、ナツトおよび被締結部材の接触部分の面状態によ
ると考えられる軸力−回転角特性の傾き低下をなくし、
２回目の締付は時の軸力−回転角特性として、理論式に
よる線形特性にできるだけ近い特性を得ることができる
。また、１回目の締付けにおいて所定軸力より大きい軸
力で締付けを行うことＫより、２回目の締付は時に完全
密着状態に達するまでの軸力−回転角特性の非線形範囲
を小さくすることができる。以上のことを行って回転角
を管理することにより、高精度の軸力管理を行うことが
できる。

ここで１本発明の詳細な説明する。第２図はねじ締付け
における軸力−回転角特性を示したもので、特性１は１
回目の締付時の軸力−回転角特性を示し、特性２は特性
１で締付けたねじをいったん緩め、再び締付けた時、つ
まり２回目の締付時の軸力−回転角特性を示している。

図に示すように、特性１つまり１回目の締付けにおいて
は、ねじ面、ねじの座面、接合面等のねじの接触部での
面状態、あるいはその部分に出来ているばつ等等のため
に局部的な塑性変形が生じ、軸力−回転角特性においで
ある回転角を与えて得られる軸力は。

計算により求まる軸力に比べてかなり低い値となる。こ
れに対し、ねじをいったん緩め、再び締付けると、１回
目の締付けでねじ面、ねじの座面、接触面等が加工硬化
され、特性２に示すように、特性１に比べて軸力−回転
角特性の傾きは立ってきて、安定した傾きを示すように
なる。また、１回目の締付けにおいて所定の軸力よりも
大きい軸力つまり塑性域に近い大きい軸力まで締付ける
ことにより、ねじが被締結物と完全密着するまでの軸力
−回転角特性の非線形範囲が、特性１に比べ特性２では
狭くなっている。

第５図に、１回目の締付けを第２図の特性１より低い軸
力のところで締付けを止めた場合の１回目と２回目の軸
力−回転角特性をそれぞれ特性５゜特性４として示す。

特性５は、第２図における特性１と特性形状が同じであ
るが、最終到達軸力が特性１に対し特性５は低くなって
いる。この特性５で締付けたねじをいったん緩め、再び
締付けた時の特性が特性４であるが、これを特性３と比
べると、軸力−回転角特性の傾きは特性３に対し特性４
は立ってきており、線形部分における傾きは第２図の特
性２とほとんど等しくなっている。しかし、非線形部分
の特性は全く異なっている。すなわち、第２図では、特
性１に対し特性２の非線形範囲はかなり狭くなっており
、線形特性が早い時期に表われている。これに対し、第
３図では。

特性４は特性５に対し非線形範囲は若干狭くなっている
が、第２図における特性１に対する特性２のような大き
な変化は表われていない。すなわち、１０目の締付けに
おいて弾性域で締付けを止めた場合は、２回目の締付は
特性では、軸力−回転角特性の傾きは改善できても、ね
じと被締結物とが完全密着するまでの非線形特性の改善
は、１回目の締付けにおいて塑性域に近い大きい他力の
ところまでいったん締付けたときの２回目の締付は特性
のような顕著な改善効果は得られない。

次に、上記の原理を用いた実際の締付は方法について説
明する。実製品のねじ締付げに際しては。

オンラインで軸力な測定することは困難である。

特殊なケースとして、大きなボルトの内部に歪ゲージを
埋設しておいて、締付けと同時に軸力の測定が可能な場
合もあるが、通常のねじ、特に小ねじにおいては不可能
である。そこで、実際の締付けに際して得らねる情報の
信号としては、トルクと回転角ということになる。ここ
で１回転角はねじと被締結物が密着した後では有力な情
報となるが１回転角によって密着状態を判別することは
できない。従って、情報の信号としては、まずトルクを
入力信号として用い、これを制御することになる。本発
明では、１回目の締付けでは所定の軸力よりも大きな軸
力が発生されるまで締付ける必要があるが、実際には軸
力は情報として得られないためにトルクでもって制御し
なげねばならない。

そのとき、どのようなトルク設定を行えばよいかを次に
述べる。

第４図にトルク−軸力特性を示す。トルクと軸力との関
係は、式（１）に示したように、ねじ面およびねじ座面
のｇ！寡係数の変化により、トルクに対し軸力が変動す
る。いま、第４図において、ある決めらねたトルク係数
で示した特性を特性５．ねじ面およびねじ座面の摩擦係
数が変化したことにより変動したトルク係数で示した特
性を特性６゜７とする。目標軸力ＦＯを得るために特性
５のトルク係数で求めたトルクはＴ、となる。逆に、ト
ルクＴＯで締付けを行えば、トルク係数の変動により発
生される軸力はＦ−ｏからＦ’＋ｏの範囲内になる。こ
こで、第２図の特性１の締付け、すなわち１回目の塑性
域に近い状態での締付けを行うには、そのねじの耐力で
の軸力Ｆｔを得るためのトルクＦｔを特性５のトルク係
数により求め、このトルクＴｔで１回目の締付けを行う
。そして、実際に締付けられたことにより発生する軸力
は、トルク係数の変動の上限と下限とから、Ｆ＋ｔから
Ｆ−ｔの範囲となるが、特性７のときに発生する軸力の
下限値Ｆ−ｔでも十分塑性域に近い締付けができる。

次に、いったんねじを緩め、その後２回目の締付けを行
うが、２回目の締付けは、従来の回転角管理による締付
は方法１例えばトルク・回転角法により締付けを行う。

すなわち、ねじと被締結物が密着した状態に相当する位
置までトルクを制御して締付け、密着状態に相当するト
ルク（スナツグトルクと呼ぶ）に達した後は回転角を制
御して締付ける。第２図において、θ１はスナツグトル
クになったときの回転角で、θＣが所定軸力を発生する
回転角である。両者の差Δｌ＝θ０−σ１はあらかじめ
求めておく。

以上のように、１回目において塑性域に近い大きい軸力
な発生するように締付け、それをいつたん緩め１次に回
転角管理による締付けを行うことによって、軸力のばら
つきの少ない高精度締付けが可能となる。

〔実施例〕

以上１本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第５図は本発明の一実施例に用いるねじ締付装置を示す
ブロック図である。図において、１ｏはねじ締付装置を
駆動するサーボモータであり、これによりビット１１を
回転してねじを締結する。ねじの回転角はロータリエン
コーダ１２により電気信号に変換され、カウンタ１３を
通して制御装置１４へ転送される。また、ねじに加わる
トルクはトルク変換器１５により電気信号に変換され、
アンプ１６を通りＡ／Ｄ変換器１７でＡ／Ｄ変換されて
制御装置１４へ転送される。ここで用いている制御装置
１４は最も簡単な構成をとっており、中央処理装置１８
．メモＩＪ　１９．　　Ｉ　／　Ｏ装置２０かうなる。

制御装置１４は。

前に述べたロータリエンコーダ１２およびトルク変換器
１５から得られる回転角およびトルクのデータを基に、
前記第１図に示したフローチャートに従って所定の演算
を順次実行し、サーボモータ１０へ速度指令値あるいは
位置指令値として、これをＤ／Ａ変換器２１を通してＤ
／Ａ変換してサーボアンプ２２へ送り、サーボモータ１
００回転制御を行う。

また、サーボモータ１０は、それに直結されているタコ
ジェネレータ２３により電流フィードバックされており
、安定した回転制御を可能としている。

また、所定の演算手順および処理方法は、前述のメモリ
１９に記憶されている。

次に、第１図のフローチャートを参照して、本実施例の
動作を説明する。まず、メモリ１９に初期値を設定する
。初期値としては、１回目の締付はトルク値Ｔｔ、２回
目のスナツグトルクＴＪおよび締付角度△θ等、必要な
係数、定数の設定を行う。次に、サーボモータ１０を回
転させて、１回目の締付けを行い、トルク値Ｔｔに達し
たらサーボモータ１０を逆転させ、今度はトルクな０に
する。次に、２回目の締付けを行う。サーボモータ１０
をスナツグトルクＴＪになるまで正転、させ、トルクデ
ータがＴ／になったときの回転角を記憶する。その地点
から、今度は回転角制御を行って、Δθだけ回転させ５
Δθだげ回転した時点でサーボモータ１ｏを停止し、ね
じ締めを終了する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ねじ締めにおいて、１回目の締付けで
塑性域近くの状態まで締付け、さらに２回目の締付けを
することにより１回転角−軸力特性の傾さの変動を安定
させ、計算あるいは実験的にあらかじめ求めた締付角度
を用いたトルク・回転角法を実行しても、理論値に近い
値が実際に得られ、精度良く軸力な管理することができ
る。また、ねじと被締結物が完全密着するまでの特性の
非線形範囲が狭くなり、線形範囲が広がるので。

制御性がよくなり、そわに伴ない高精度での軸力管理が
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法による制御処理手順の一例を示す
フローチャート、第２図ないし第４図は本発明の詳細な
説明するための図、第５図は本発明の一実施例に用いる
装置の構成を示すブロック図である。 符号の説明 １０・・・サーボモータ、１１・・・ビット、１２・・
・ロータリエンコーダ、１３・・・カウンタ、１４・・
・制御装置、１５・・・トルク変換器、１６・・・アン
プ、１７・・・Ａ／Ｄ変換器、１８・・・中央処理装置
、１９・・・メモリ、２ｏ・・・Ｉ　１０装置。 ２１・・・Ｄ／Ａ変換５．２２・・・サーボアンプ、２
３・・・タコジェネレータ。 ／ぐ− 代理人弁理士　小　川　勝　男（／ 第　１　図 察　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ねじを所定の軸力にあるように回転角を管理して締
   付けるねじ締め方法において、ねじを塑性域に近い状態
   まで締付けてから、いったんねじを緩め、その後該ねじ
   を回転角を管理して締付けることを特徴とするねじ締め
   方法。