コラム

第５回目講座は前回につづき、ねじのお話しです。今回はねじのサイズの選び方やねじの強度などについて説明していきます。

 

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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。

５－１　ねじのサイズの選び方

１）ねじ径の選び方

ねじ径は、加わる力に対してねじが破壊されない限界値に安全率を考慮して決まります。力のかかる方向により限界値は異なり、衝撃の有無など力のかかり方で安全率も異なってきます。
すなわちねじ径はこれらの条件を踏まえた検討が必要になりますが、実務ではこれまでの経験値で決めているのが一般的です。必要な場合のみ計算により検証します。
ねじ径を計算するには、ねじに働く力を仮定し、ねじの材質の強さをもとにして決めます。ねじに働く力としては、次のようなものが考えられます。

①　軸方向の引張荷重を受ける場合
②　軸方向の荷重とねじり荷重を同時に受ける場合
③　せん断の荷重を受ける場合

以下それぞれについての計算方法を見ていきます。

①　軸方向の引張荷重を受ける場合

上図のように、鋼製フックのねじ部に軸方向の引張荷重W［N］が作用するとき、必要なねじの断面積A［mm2］を次の式で求めます。ただし、おねじの有効断面積As,nomを超えてはいけません。

ここでδ_aは許容引張応力［MPa］です。

②　軸方向の荷重とねじり荷重を同時に受ける場合
締付けボルトやねじジャッキのねじは、軸方向の荷重Wとねじりを同時に受けます。このような場合には、ねじりによる影響を考えて軸方向の荷重を大きめの4/3 Wとして計算します。

ねじの断面積A［mm2］は式（１）のWを4/3 Wに置き換えた次式で求めます。おねじの有効断面積As,nomを超えてはいけません。

③　せん断の荷重を受ける場合

上図のように、ボルトで締め付けられた２枚の板が、平面に平行な方向にWsで引っ張られているとします。この場合、一般には２枚の接触している板の摩擦力で耐えるように設計します。

しかし、最悪の場合は、せん断によりボルトは破壊します。ボルトの許容せん断応力をτ_a［MPa］とすれば、せん断破壊しないボルトの外径dは、次式になります。

ボルトにせん断荷重を受けさせない、ボルトによって位置決めをしないのが原則です。しかし、どうしてもボルトに大きなせん断荷重が働く場合やボルトによって位置決めをしたい場合には、リーマボルトなどを用いてすきまがないようにします。

２）ねじのはめあい長さ

上図の押さえボルトのねじ込み部の長さLをねじのはめあい長さといいます。ねじのはめあい長さは、短すぎると締結力が弱くなり、ねじ山が破損するリスクも生じます。また、長すぎてもめねじ加工にムダが生じるうえ、ねじ込む際にも必要以上に回転させるムダが生じます。

ねじのはめあい長さは、ねじ穴の材料に対して、次のようにしますが、ねじ穴の長さはこれよりさらに２山以上長くします。またタップ加工でのタップ先端の食いつき部を考慮して、下穴はねじ深さよりも５ピッチほど深く加工します。

①　軟鋼・鋳鋼・青銅：L＝d
ただしカバーなど力が加わらない場合には「3ピッチの長さ」で大丈夫です。
②　鋳鉄　　　　　　：L＝1.3d
③　アルミニウム　　：L＝1.8d
ここで、d：ボルトの外径

また、振動や衝撃が加わる場合、重荷重を受ける場合は、これらに加えて×1.3～1.5を目安として決定します。

ちなみにJISでは１種、２種ナットの高さは、ボルトの呼び径×0.8、３種ナットは×0.6となっています。
なお部材が薄く、このねじ込み長さが確保できない場合や、プラスチックにねじ加工する場合には、ヘリサートねじなどを使用します。

３）ねじサイズの検討手順

以上から、ねじに関する寸法の検討基準は以下の通りです。

①　経験値で「ねじ径」を決める。
②　重要なところは計算にて「ねじ径」を決める。
③　必要な「ねじ込み深さ」を仮に決める。
④　ねじ込み深さに固定する部材の厚みを足して「ねじ長さ」を計算し、この計算値に近い長さをねじの市販寸法からプラス目で選択する。
⑤　ねじ込み深さに２ピッチ以上足して「ねじ深さ」を決定する。
⑥　ねじ深さに５ピッチほど足して下穴深さが決まるが、この下穴深さは特別な場合を除き、図面に指示する必要はなく、加工者に一任します。

５－２　ねじの強度

１）ボルトの強度区分

ボルトや小ねじの強度区分記号は次の10段階に分類されています。

ここで、小数点前の数字は強度レベルを表示、小数点後の数字は呼び引張強さと呼び下降伏点または呼び耐力との比の10倍を表しています。なお、この呼び方を一般的にポイント方式といいます。

例えば、10.9の場合、呼び引張強さが1000N／mm2の1／100を10と表示し、（呼び耐力）÷（呼び引張強さ）＝900N／mm2÷1000N／mm2＝0.9の10倍を9と表示しています。

また、それぞれの強度区分ごとに、引張強さ、硬さ、下降伏点、耐力、保証荷重応力、破断伸び、衝撃エネルギーなどの機械的性質がJISによって定められています。

なお、旧JISではねじの強度区分は4T、5T、6T、7Tという記号であらわされていました。ここでの数字はkgf／mm2の単位による最小引張強さの1／10を表しています。現在、JISでは、この強度区分を附属表で取り扱っており、将来は廃止されることになっています。ここでは参考のため、現在の強度区分との対応を示しておきます。

２）ナットの強度区分

ナットの強度区分は次の７段階に分類されています。

ナットの呼び径dに対する高さを呼び高さといい、これが0.8d以上（完全ねじ部長さが0.6d以上）のナットの場合、その機械的性質の強度区分は、そのナットと組み合わせて使用できるボルトの最高の強度区分を示す数字で表されます。

例えば、ナットの強度区分4ではM16より小さいねじの場合、組み合わせるボルトはボルトの強度区分で3.6、4.6、4.8となります。

以下にナットの強度区分をまとめた表を示します。

 

３）強度区分の表示

六角ボルトは１）に示すすべての強度区分に対して、下図（ａ）に示すように強度区分の数字を刻印することになっています。六角穴付きボルトは強度区分8.8以上のものに対して、同様に下図（ｂ）のように刻印するようになっています。

ナットについては、強度区分5および8以上でねじの呼び径5mm以上のものに対して、下図（ｃ）のように刻印されます。なお、左ねじは回転方向を示す矢印が刻印されます。（JIS B 1051）

５－３　ねじの締め付け法

ねじをあまり大きな力で締めるとねじが永久変形したり、破損したりします。一方、十分な締め付けを行わないとねじが緩み、脱落するなどして、機械の不具合を起こします。
締め付けトルクを計測するために、下図のようなトルクレンチを用います。

下表はトルクレンチを用いた場合に、ねじをどの程度の力で締めればよいかを示します。この締め付け力を用いた場合、ボルト内の引張り応力は、降伏応力の60%程度の値となります。

５－４　座金の機能

座金はシンプルな機械要素ですが、多くの機能を有している重要な部品です。座金の機能を以下に説明します。

①　座面の確保

取付け部品のボルト穴が大きかったり、長穴だったりすると、ボルトやナットの座面が十分に確保できないことがあります。このような場合は、大きな座金で座面面積を確保します。穴径が極端に大きい場合は、軸力による座面の変形を防ぐために剛性が高い厚めの座金を使います。

②　適正面圧の確保

取付け部品が軽合金や樹脂の場合、限界面圧が低いので、座金によって面圧を下げて陥没を防ぎます。軽合金は、高温になると限界面圧が極端に低下するので、座面面積を十分に確保する必要があります。

③　座面の摩擦係数の安定化

取付け部品の座面が鋳肌のままだったり、加工面粗度が安定しない場合は、座金を入れて摩擦係数を安定させます。研磨座金の研磨目が粗いと、座面摩擦係数が極端に大きくなることがあります。

④　座面の保護

取付け部品が樹脂や塗装部品の場合、座金で締め付けによる傷を防ぎます。座金が小さいと、ボルトやナットと共回りするので大きめの座金を使います。

⑤　ボルトのばね定数を小さくする（へたり対策）

座面やねじ面のへたりによる軸力の低下量を減らすためには、ボルトのばね定数を小さくする必要があります。ばね定数を小さくするにはボルトを長くすればよいので、座金はスペーサとして利用できます。

⑥　漏洩防止

ボルト穴が油の通路になっていたり、埋め栓にボルトが使われる場合は、特殊な座金（ガスケットとよばれることもあります）が使われます。通常、銅やアルミニウム合金が使われますが、樹脂や特殊形状の金属製もあります。

⑦　ゆるみ止め

ボルトやナットのゆるみや脱落を阻止または抑制するために、舌付き座金やリード差を利用した二重座金が使われます。ゆるみ止めを目的とした座金にばね座金がありますが、ばね座金は、軸力に比較してばね力が小さいのでゆるみ止めの効果はありません。また単独で使用する場合、座面を傷つけてしまいます。

⑧　斜面の補正

座面が傾斜している場合は、テーパ座金ね補正します。鋼材用に標準品が市販されています。微小角度（2°程度まで）に対応できる球面座金もあります。

今回はこれで終わります。次回はねじの緩みのメカニズムとその対策などについてお話しします。

 

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• 参考文献

1. 「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
2. 「機械設計入門」塚田忠夫他著、実教出版、2014年
3. 「ねじ基礎のきそ」門田和雄著、日刊工業新聞社、2006年
4. 「勘どころ設計技術Ⅰ固定ねじ」伊藤美光著、日経BP社、1994年
5. 「はじめての機械要素」吉本成香著、森北出版、2017年
6. 「ねじの知識」田村修著、養賢堂、2008年