1. Fastening and Joiningの定義
Fastening and Joiningとは、二つ以上の部品を要求された位置と状態で結合し、運転中に発生する荷重や変位を安全に伝達するとともに、アセンブリの機能と構造的健全性を維持するための設計・組立領域である。
Fasteningは、一般的に次のような締結要素を使用して部品を結合することを意味する。
ボルト
ナット
小ねじ
ピン
クランプ
Joiningは、次のような方法を含む、より広い接合概念である。
溶接
接着
リベット接合
圧入
ろう付け
はんだ付け
締結と接合は、単に部品を互いに取り付ける作業ではない。
次の要求事項を同時に満たす必要がある。
部品位置の維持
荷重の伝達
意図しない相対運動の防止
気密性および液密性の維持
振動と衝撃への耐性
組立位置の再現性確保
必要に応じた分解と交換
腐食および温度変化に対する安定性
異なる作業者による再現可能な組立
検査および品質確認の実施可能性
したがって、Fastening and Joiningの本質は次のとおりである。
要求荷重と使用環境に耐えながら、部品の位置と機能を安定して維持できる締結・接合構造を設計し、実現することである。
2. 組立における締結・接合の役割
機械の部品とモジュールは、締結部および接合部を通じて連続した荷重伝達経路を形成する。
個々の部品が十分な強度を持っていても、接合部が適切でなければ、アセンブリ全体として要求性能を発揮できない。
締結・接合部は、次の項目へ影響する。
構造剛性
位置精度
振動
騒音
疲労寿命
漏れ
熱伝達
電気的導通
保守性
製品寿命
多くの機械故障は、主要部品そのものの破損ではなく、次の問題から始まる。
締結部の緩み
接合面の滑り
亀裂
腐食
漏れ
電気的接触不良
3. 締結機能と位置決め機能の区別
締結と位置決めは、同じ機能ではない。
締結機能
締付け力を発生させ、部品同士を密着させて分離を防止する。
代表的な要素：
ボルト
ナット
小ねじ
クランプ
リベット
位置決め機能
部品が要求された位置と方向を繰り返し維持できるようにする。
代表的な要素：
位置決めピン
精密インロー
基準段差
キー
スプライン
精密はめあい
ボルト穴のすきまだけで位置を決定すると、分解・再組立後に部品位置が変化する可能性がある。
高い位置再現性が必要な場合は、位置決め機能と締結機能を分離することが望ましい。
4. 締結・接合方式の分類
4.1 分解可能な結合
部品を大きく損傷させることなく分離できる。
例：
ボルトとナット
タップ穴へのねじ締結
スタッド
クランプ
ピン
キー
スプライン
止め輪
コネクタ
4.2 制限付きで分解可能な結合
分解は可能であるが、接合要素が損傷したり、交換が必要になったりする場合がある。
例：
圧入
テーパ結合
ねじロック剤を使用した締結
一部の接着接合
割りピン
スプリングピン
4.3 永久接合
通常の保守作業では、分解を前提としない。
例：
溶接
ろう付け
はんだ付け
リベット接合
構造用接着
かしめ
永久圧着
接合方式は強度だけでなく、次の事項を総合的に考慮して選定する必要がある。
保守性
製造性
検査性
コスト
メンテナンス要求
5. 接合方式の選定基準
締結・接合方式を選定する際は、次の条件を検討する。
荷重条件
引張荷重
せん断荷重
曲げ荷重
ねじり荷重
繰返し荷重
衝撃荷重
振動
機能条件
位置精度
剛性
気密性
水密性
電気伝導性
熱伝導性
電気絶縁性
環境条件
温度
湿気
腐食
洗浄
化学物質
真空
粉じん
生産条件
組立時間
自動化の可能性
必要工具
作業空間
検査方法
作業者の技能
保守条件
分解頻度
交換時間
再組立時の再現性
消耗部品
現地作業性
6. ボルト締結の基本原理
ボルト締結は、ボルトを伸ばし、締結される部品を圧縮することで締付け力を発生させる方式である。
ボルトを締め付けると、次の力が発生する。
ボルトには引張力が発生する。
締結部品には圧縮力が発生する。
この初期締付け力を、次のように呼ぶ。
Preload：初期締付け力、予張力
Clamp Load：締付け力、締結軸力
適切に設計されたボルト締結部では、外力がボルトへ直接作用する前に、接合面の摩擦力と圧縮力によって荷重を伝達する。
良好なボルト締結部は、次の状態を維持する。
接合面が分離しない。
部品間ですべりが発生しない。
ボルトに過大な繰返し応力が発生しない。
結合部品の位置が維持される。
振動によって緩まない。
7. Preloadの役割
Preloadは、ボルト締結部の性能を決定する最も重要な要素の一つである。
適切なPreloadには、次の効果がある。
接合面の分離防止
せん断方向のすべり防止
接合部剛性の向上
振動の低減
疲労寿命の向上
シール性能の確保
緩み発生の抑制
Preloadが不足すると、次の問題が発生する可能性がある。
接合面の分離
すべり
ボルトの疲労破壊
漏れ
緩み
位置変化
Preloadが過大である場合、次の問題が発生する可能性がある。
ボルトの降伏
ねじ山の損傷
部品変形
タップ穴の破損
ガスケットの過圧縮
精度低下
8. 締付トルクとボルト軸力
ボルトの締付トルクは、Preloadを間接的に発生させる方法である。
簡略化した関係式は、次のように表される。
T = K × F × d
ここで、
T：締付トルク
K：トルク係数
F：目標ボルト軸力
d：ボルトの呼び径
ただし、加えたトルクの大部分は、次の部分の摩擦に消費される。
ねじ面
ボルト頭部またはナット座面
そのため、同じ締付トルクを適用しても、次の条件によって実際のボルト軸力は大きく変化する。
潤滑状態
表面処理
ボルト材質
ワッシャの状態
ねじ山の状態
めっき
再使用
締付速度
トルクだけでPreloadを完全に正確に管理することはできない。
9. 締付け力の管理方法
トルク管理
トルクレンチまたは制御された締付工具を使用し、指定トルクで締め付ける。
長所
適用が容易である。
現地作業に適している。
比較的低コストである。
限界
摩擦条件によって軸力のばらつきが大きくなる。
トルク・回転角管理
一定の初期トルクまで締め付けた後、指定された追加回転角を与える。
長所
Preloadのばらつきを低減できる。
重要締結部に適している。
ボルト伸び量管理
ボルトの実際の伸び量を測定する。
長所
ボルト軸力をより直接的に管理できる。
限界
測定が複雑である。
ボルト両端へのアクセスが必要になる場合がある。
油圧テンショニング
油圧によってボルトを引張った状態でナットを締結する。
主な適用例：
大型フランジ
大型構造物
多数の高荷重ボルトを使用する締結部
10. ボルト径と強度区分の選定
ボルトを選定する際は、次の項目を検討する。
引張荷重
せん断荷重
繰返し荷重
安全率
グリップ長さ
材質
使用環境
温度
腐食
使用可能な工具
高強度ボルトを使用すれば、常に良い結果が得られるとは限らない。
高強度ボルトは高いPreloadを与えられる一方、次の問題を生じる場合がある。
脆性
水素脆化
腐食環境への高い感受性
相手側ねじ山の損傷
過締付けの危険
締結部全体の強度は、ボルトだけではなく、次の要素によって決まる。
ナット
タップねじ
ワッシャ
締結される部品
11. ねじのかかり長さ
タップ穴へボルトを締結する場合は、十分なねじのかかり長さが必要である。
必要なかかり長さは、めねじ側材料の強度によって変化する。
一般的には、次の傾向がある。
鋼製タップ穴では、比較的短いかかり長さでよい。
アルミニウム、鋳鉄、樹脂では、より長いかかり長さが必要となる。
かかり長さが不足すると、次の問題が発生する。
めねじのせん断破壊
ねじ山の引抜け
繰返し分解による損傷
締付け力不足
軟質材料には、ねじインサートを使用できる。
12. ねじインサート
ねじインサートは、軟質材料のタップ穴、または繰返し分解を必要とするタップ穴の耐久性を向上させる。
代表的な形式：
ワイヤ形ねじインサート
ソリッド形インサート
セルフタッピングインサート
キーロックインサート
熱圧入インサート
主な使用目的：
ねじ山強度の向上
繰返し分解耐久性の向上
損傷したねじ山の修復
腐食問題の低減
樹脂およびアルミニウム部品への締結
次の事項を定義する必要がある。
取付方向
取付深さ
抜け止め方法
交換手順
13. ボルト長さの選定
ボルト長さは、次の要素を考慮して選定する。
締結部品の厚さ
ワッシャの厚さ
ナット高さ
必要なねじのかかり長さ
調整用シム
必要な突出し長さ
工具アクセス性
ボルトが短すぎると、十分なねじのかかり長さを確保できない。
ボルトが長すぎると、次の問題が発生する場合がある。
内部部品との干渉
タップ穴底面との接触
作業空間の妨害
外観不良
安全上の危険
止まりタップ穴では、ボルト先端が穴底へ接触する前にPreloadが発生することを確認する必要がある。
14. ボルト穴とすきま
ボルト穴には、通常、組立のためのすきまが設けられる。
すきまを大きくすると組立性は向上するが、位置再現性は低下する。
すきまを小さくすると位置精度を高められる場合があるが、次の問題が生じる。
組立性の低下
公差累積によるボルト挿入不能
現地調整の困難
穴加工コストの増加
高い位置精度が必要な場合は、ボルト穴のすきまに依存せず、次の要素を使用する。
位置決めピン
精密インロー
基準段差
15. ボルト配置設計
複数のボルトを使用する場合、ボルトの配置は荷重伝達と部品変形へ影響する。
検討項目：
ボルト間隔
端部からの距離
荷重中心とボルト群中心の関係
偏心荷重
接合面の剛性
締付順序
工具アクセス性
ボルト間隔が狭すぎると、周囲の部品強度が低下する。
ボルト間隔が広すぎると、ボルト間で接合面が開く可能性がある。
偏心荷重が作用する場合は、一部のボルトへ過大な荷重が集中する可能性がある。
16. 締付順序
複数のボルトを締め付ける場合は、指定された締付順序が必要である。
一般的な方法：
中央から外側へ締め付ける。
対角線順に締め付ける。
対称順に締め付ける。
数段階に分けてトルクを増加させる。
最終的に一周して再確認する。
締付順序が不適切であると、次の問題が発生する可能性がある。
プレートの変形
ガイドの変形
ガスケットの不均一圧縮
フランジからの漏れ
アライメントの変化
17. 段階締付け
重要な締結部は、一度に最終トルクまで締め付けず、複数の段階に分けて締め付けることができる。
例：
手締め
目標トルクの30％
目標トルクの60％
目標トルクの100％
最終確認締め
段階締付けは、接触面を均一に安定させ、部品変形を低減する。
18. ワッシャの役割
ワッシャは、次の目的で使用される。
荷重分散
表面保護
摩擦条件の安定化
穴すきまの補完
緩み防止
電気絶縁
シール
すべての締結部でワッシャが必要なわけではない。
不適切なワッシャは接触面の数を増加させ、なじみやPreload低下の原因になる場合がある。
精密締結では、ワッシャの次の特性を検討する必要がある。
平面度
硬さ
表面処理
接触面積
19. 緩みの原因
ボルトの緩みは、締結部品が目視可能なほど回転する現象だけを意味するものではない。
締付け力の低下は、次の原因によって発生する。
振動
横方向の繰返し荷重
接合面のなじみ
表面粗さの平坦化
ガスケットのクリープ
熱膨張差
塑性変形
締付トルク不足
部品変形
潤滑条件の変化
初期運転中に接触面がなじむことで、Preloadが低下する場合がある。
20. 緩み防止方法
十分なPreloadの確保
最も基本的な緩み防止方法は、適切なPreloadを確保し、維持することである。
摩擦式緩み防止
ナイロンインサートナット
プリベイリングトルクナット
歯付きワッシャ
ウェッジロックワッシャ
ねじロック剤
機械的ロック
割りピン
溝付きナット
タブワッシャ
ワイヤロック
ロックプレート
形状による拘束
ダブルナット
止めねじ
キー
スプライン
機械的ストッパ
緩み防止部品を使用しても、基本となるPreloadが不足していれば、問題を完全に解決することはできない。
21. ねじロック剤
ねじロック剤は、かみ合うねじ山の間で硬化し、緩みと漏れを防止する。
選定条件：
固定強度
締結部品の寸法
使用温度
油汚染
分解の必要性
硬化時間
材料適合性
表面処理
低強度タイプは、小径ねじや頻繁に分解する部位に適している。
高強度タイプは、永久締結に近い用途へ使用される。
高強度ねじロック剤を使用した締結部は、分解時に加熱が必要になる場合がある。
22. スタッドとナットによる締結
スタッドは、繰返し分解を必要とするハウジング、フランジ、軟質材料のタップ穴に適している。
長所：
めねじ損傷の低減
部品組立時の位置案内
繰返し分解性の向上
長いボルトを挿入するための空間が不要
検討項目：
スタッドの固定方法
突出し長さ
ナット締付トルク
分解時にスタッドが緩む危険
腐食
ねじロック剤の使用
23. 止めねじ
止めねじは、軸とハブの相対位置を一時的に固定したり、小さなトルクを伝達したりするために使用する。
適用例：
プーリの位置固定
センサリングの固定
ノブの固定
調整機構のロック
止めねじだけで大きなトルクを伝達することは、適切でない場合がある。
トルク伝達が必要な場合は、次の方式も検討する。
キー
スプライン
クランピングハブ
テーパロックブッシュ
しまりばめ
24. 位置決めピン
位置決めピンは、繰返し組立時に部品位置を正確に再現する。
代表的な形式：
平行ピン
テーパピン
スプリングピン
溝付きピン
ダウエルピン
一般的に、位置決めピンが位置を決定し、ボルトが締付け力を提供する。
2本のピンを使用する場合は、公差累積と過拘束を考慮する必要がある。
代表的な配置：
1本の丸ピン
1本のダイヤモンドピン、または一方向を逃がしたピン
この構成により、一方向の公差と熱膨張を吸収しながら部品位置を決定できる。
25. キーとキー溝
キーは、軸とハブの間でトルクを伝達する。
代表的な形式：
平行キー
半月キー
接線キー
すべりキー
検討項目：
伝達トルク
軸径
キーのせん断応力
キーとハブ間の面圧
キー溝による軸強度低下
組立方向
軸方向固定
キーは回転方向のトルクを伝達するが、軸方向位置を自動的に固定するものではない。
26. スプライン
スプラインは、複数の歯を利用して軸とハブの間で大きなトルクを伝達する。
長所：
高いトルク伝達能力
同心度の向上
軸方向への移動が可能
荷重分散
適用例：
減速機
変速機
サーボ駆動軸
交換式回転モジュール
検討項目：
歯形精度
バックラッシ
潤滑
軸方向固定
組立公差
摩耗
27. テーパ結合
テーパ結合は、軸とハブを高い同心度で結合できる。
適用例：
テーパブッシュ
工作機械用ツールホルダ
プーリと軸の結合
ハブ結合
長所：
高い同心度
大きな摩擦保持力
分解可能
高い位置再現性
注意事項：
接触面の清浄度
必要な押込み量
締結時の軸方向移動
取外し用ねじの準備
過度な押込みの防止
28. クランピング結合
クランピング結合は、摩擦力を利用して軸や部品を固定する。
代表的な形式：
割りハブ
クランプリング
ロッキングアセンブリ
コレット
シャフトカラー
長所：
キー溝が不要
軸損傷の低減
位置調整が可能
分解可能
荷重を均一に分散できる
クランプ力が不足すると、すべりが発生する。
クランプ力が過大であると、軸が変形する可能性がある。
29. 止め輪と軸方向固定
止め輪は、部品の軸方向移動を制限する。
適用例：
ベアリング
歯車
ブッシュ
ローラ
ピン
検討項目：
溝形状
軸方向荷重
取付工具
分解空間
止め輪の向き
疲労
溝による軸強度低下
止め輪は、必ずしも高精度な軸方向位置を提供するものではない。
正確な位置決めが必要な場合は、スペーサやナットを併用する。
30. 圧入およびしまりばめ
圧入は、かみ合う部品間のしめしろを利用して結合する方式である。
適用例：
ベアリング
ブッシュ
ピン
歯車
ハブ
スリーブ
主な設計項目：
しめしろ
接触長さ
弾性係数
許容接触面圧
表面粗さ
圧入力
温度
分解方法
しめしろが小さすぎると、すべりが発生する。
しめしろが大きすぎると、部品が変形または亀裂を生じる可能性がある。
31. 圧入作業の注意事項
適切な面取りを設ける。
圧入方向を定義する。
部品を正しく支持する。
正しいリングまたは面へ圧入力を加える。
潤滑条件を定義する。
圧入速度を管理する。
最終位置を確認する。
必要に応じて荷重・変位曲線を記録する。
ベアリングを圧入する場合、組立荷重を転動体へ通してはならない。
32. 焼きばめおよび冷やしばめ
温度差を利用することで、大きなしめしろを持つ部品を小さな組立力で結合できる。
主な方法：
ハブを加熱する。
軸を冷却する。
ベアリングを加熱する。
ブッシュを冷却する。
検討項目：
熱膨張量
加熱限界
材料特性の変化
シールおよび潤滑剤への影響
結露
作業可能時間
最終位置の保持
33. リベット接合
リベット接合は、板金部品や比較的薄い部品を永久的に接合する方式である。
代表的な形式：
ソリッドリベット
ブラインドリベット
セルフピアシングリベット
リベットナット
長所：
溶接熱影響部が発生しない。
異種材料を接合できる。
薄板に適している。
片側から施工可能な形式がある。
限界：
分解が困難である。
追加の接合部品が必要である。
穴によって断面が減少する。
液密性を確保するには追加シールが必要となる場合がある。
34. 溶接接合
溶接は、材料を局部的に溶融、加圧、またはその両方によって永久的に接合する方法である。
代表的な方式：
アーク溶接
MIG／MAG溶接
TIG溶接
抵抗溶接
レーザー溶接
スポット溶接
長所：
高い構造剛性
部品点数の削減
複雑な一体構造の形成
大型フレームへの適用性
限界：
熱変形
残留応力
材料特性の変化
分解不能
検査の必要性
作業者技能への依存
35. 溶接設計の検討事項
溶接部形状
溶接長さ
溶接サイズ
荷重方向
疲労
応力集中
溶接作業へのアクセス性
変形
溶接順序
後加工
非破壊検査
表面処理
荷重経路が急激に変化する位置や溶接端部では、応力集中が発生する可能性がある。
精密取付面は、溶接後に仕上げ加工する方が一般的に安定する。
36. ろう付けとはんだ付け
ろう付けとはんだ付けは、母材を溶融させず、溶加材を使用して接合する。
ろう付け
比較的高温で溶融するろう材を使用する。
適用例：
配管
熱交換器
異種金属
複雑な接合部
はんだ付け
より低温で溶融するはんだ材を使用する。
適用例：
電気接続
電子部品
小径配管
検討項目：
毛細管すきま
表面清浄度
フラックス
熱影響
腐食
残留物の洗浄
37. 接着接合
接着接合は、接着剤を使用して二つの表面を結合する方法である。
長所：
応力を広い面積へ分散できる。
異種材料を接合できる。
薄い部品を接合できる。
シール性能を持たせられる。
振動を減衰できる。
外観を改善できる。
限界：
表面処理に敏感である。
硬化時間が必要である。
温度と湿度の影響を受ける。
分解が困難である。
接着品質の検査が難しい。
経年劣化がある。
接着強度は、接着剤そのものよりも、表面処理と接合部形状に大きく左右される場合がある。
38. 接着剤の選定
代表的な接着剤：
エポキシ系
アクリル系
嫌気性接着剤
シアノアクリレート系
ポリウレタン系
シリコーン系
選定条件：
被着材
接着すきま
温度
荷重形式
硬化時間
耐薬品性
柔軟性
分解要求
塗布方法
接着剤は、剥離荷重に対して比較的弱い場合がある。
可能な限り、接着層へせん断荷重または圧縮荷重が作用するように接合部を設計することが望ましい。
39. 接着部設計と表面処理
接着前の表面処理には、次の方法がある。
脱脂
洗浄
研磨
サンドブラスト
プライマ処理
プラズマ処理
化学処理
接着面積を十分に確保し、接着層の厚さを一定に維持する必要がある。
接着層が薄すぎても厚すぎても、性能が低下する可能性がある。
40. 複合接合
複数の接合方式を組み合わせて使用できる。
例：
ボルトと位置決めピン
溶接とボルト
接着とリベット
圧入とねじ
キーとクランピング
ガスケットとボルト
複合接合では、異なる接合要素へ機能を分担させることができる。
例：
ピン：位置決め
ボルト：締付け力
接着剤：シールおよび振動減衰
リベット：組立状態の維持
各接合要素が担当する荷重と機能を明確に定義する必要がある。
41. フランジ締結とシール
フランジ締結は、次の機器で広く使用される。
配管
ポンプ
バルブ
圧力機器
主な設計要素：
フランジ剛性
ボルト配置
ガスケット
表面粗さ
締付順序
締付トルク
内圧
温度
ガスケットは、均一に圧縮されなければならない。
ボルト軸力が不均一であると、局部的な漏れが発生する可能性がある。
一般的にフランジは、対角線順かつ段階的なトルクで締め付ける。
42. ガスケットおよびOリング接合
ガスケット
ガスケットは、平面同士の間で圧縮され、流体の漏れを防止する。
検討項目：
圧縮率
材質
温度
流体適合性
表面粗さ
ボルト荷重
再使用の可否
Oリング
Oリングは、溝内部で圧縮されることによってシールする。
検討項目：
溝寸法
つぶし量
伸び率
バックアップリング
潤滑
組立時の損傷
圧力方向
シール要素は、締結システムと一体として設計する必要がある。
43. 材料組合せと異種金属接触腐食
異種金属が電解質の存在下で電気的に接触すると、異種金属接触腐食が発生する可能性がある。
例：
アルミニウムとステンレス鋼
炭素鋼と銅
亜鉛めっきボルトとステンレス部品
対策：
材料組合せの検討
絶縁ワッシャ
絶縁コーティング
シール
防錆剤
排水構造
電位差の小さい材料の採用
締結部のすきまには水分が滞留しやすいため、腐食環境を特に考慮する必要がある。
44. 熱膨張と締結部
異なる材料を締結すると、温度変化によって締付け力が変化する可能性がある。
例：
アルミニウムハウジングと鋼製ボルト
樹脂カバーと金属フレーム
高温配管と支持ブラケット
熱膨張差が大きい場合、次の問題が発生する可能性がある。
締付け力の低下
過度な圧縮
部品変形
ボルト疲労
接合面のすべり
対策例：
ばね要素
皿ばね
長穴
フローティング支持
高温用材料
熱膨張を吸収するすきま
45. 振動と疲労
繰返し荷重を受ける締結部では、静的強度だけでは十分ではない。
疲労へ影響する要素：
Preload
ボルト長さ
接合部剛性
応力集中
ねじ部の位置
外力変動
表面状態
腐食
十分なPreloadと接合部剛性を確保することで、ボルトに発生する繰返し応力を低減できる。
応力集中は、主に次の位置で発生しやすい。
最初にかみ合うねじ山
ボルト頭部直下の形状変化部
46. 接合部剛性と外力分担
外力がボルト締結部へ作用すると、ボルトと締結部品が荷重を分担する。
一般的に、締結部品の圧縮剛性が高く、ボルトが適切に弾性伸びできる場合、ボルトへ加わる繰返し荷重の変動を低減できる。
次の項目を考慮する。
十分なグリップ長さ
適切なボルト長さ
接合面剛性
ボルト配置
偏心の最小化
荷重中心と締結中心の一致
極端に短く、剛性が高すぎるボルトは、外力変動の影響を受けやすい場合がある。
47. 接合面のすべりとせん断荷重伝達
せん断荷重は、次の方法で伝達できる。
接合面の摩擦
Preloadによって発生する摩擦力で、せん断荷重を伝達する。
長所：
ボルト軸部へ直接せん断力が作用しない。
位置変化を抑えられる。
ボルト軸部によるせん断
接合面がすべった後、ボルトが穴に接触して荷重を伝達する。
ピンまたはキーによるせん断
位置決め要素またはトルク伝達要素によって、せん断荷重を伝達する。
精密締結部では、可能な限り接合面の摩擦によってせん断荷重を伝達し、ピンは主に位置決めへ使用することが望ましい。
48. 締結による部品変形と精度
締結によって部品が変形する場合がある。
影響を受けやすい部品：
薄板
リニアガイド
ベアリングハウジング
センサブラケット
アルミニウム部品
樹脂カバー
精密テーブル
対策：
接触面積の拡大
補強リブの追加
ワッシャの使用
締付順序の管理
締付トルクの制限
段階締付け
締結後の再測定
49. 組立性を考慮した締結設計
良好な締結設計は、作業者が容易かつ正確に組み立てられる必要がある。
設計原則
締結方向を統一する。
ボルトの種類を削減する。
必要工具の種類を削減する。
十分な工具アクセス空間を確保する。
落下しやすい小物部品を削減する。
可能な限り片側から締結できるようにする。
締結完了を目視確認できるようにする。
誤ったボルトを使用できないようにする。
50. 締結の自動化
繰返し生産では、締結作業を自動化できる。
必要条件：
ボルトの自動供給
部品位置の高い再現性
締結方向の統一
トルクと回転角の監視
締結完了判定
不良処理
データ保存
自動締結装置では、次の異常を検出できる。
ボルト欠品
斜め締め
タップ穴の損傷
過締付け
締付け不足
不適切なボルト長さ
51. 締付工具の管理
締付工具は、締結品質へ直接影響する。
主な工具：
トルクレンチ
電動ナットランナ
インパクトレンチ
油圧テンショナ
圧入プレス
リベットガン
管理項目：
校正
繰返し精度
使用範囲
バッテリ状態
摩耗
設定値
作業者権限
インパクトレンチは迅速な締付けに適しているが、精密な最終トルク管理には適さない場合がある。
52. 締結検査
締結検査は、ボルトが取り付けられているかどうかだけを確認するものではない。
外観検査
ボルト欠品
ボルトの誤使用
ワッシャ欠品
取付方向の誤り
突出し長さ
締結完了マーキング
トルク検査
締付トルク
残留トルク
ブレークアウェイトルク
ボルト軸力検査
ボルト伸び量
超音波測定
軸力表示型締結要素
機能検査
接合面のすべり
漏れ
変形
振動
位置変化
53. 接合部の検査
溶接部検査
外観検査
浸透探傷試験
磁粉探傷試験
超音波探傷試験
放射線透過試験
寸法検査
接着部検査
塗布状態
硬化条件
接着すきま
試験片
非破壊検査
剥離試験またはせん断試験
圧入部検査
圧入力
圧入変位
最終位置
回転トルク
引抜き力
54. 締結・接合不良の種類
締付け力不足
締付トルク不足
摩擦条件の誤り
ボルト長さの誤り
ねじ山損傷
過締付け
ボルトの降伏
タップねじの破損
部品変形
ガスケットの過圧縮
緩み
振動
横方向すべり
初期なじみ
不適切な緩み防止方法
位置不良
位置決めピンの欠品
過大なボルト穴すきま
不適切な組立基準
接合不良
溶接不良
接着面の汚染
圧入不足
リベットの変形不良
55. 締結部品破損の主な原因
ボルト強度不足
過大なPreload
締付け力不足
疲労荷重
偏心荷重
腐食
高温
ねじ山損傷
繰返し再使用
不適切な材料
表面欠陥
破損したボルトをより大きなボルトへ交換するだけでは、根本原因を解決できるとは限らない。
次の項目を総合的に分析する必要がある。
荷重経路
Preload
接合部剛性
使用環境
56. 保守と締結設計
保守作業を必要とする締結部では、次の事項を考慮する。
工具アクセス性
分解方向
ボルト紛失防止
再使用可能性
交換周期
再締付トルク
ねじ山保護
腐食
締結マーキング
消耗品交換のために頻繁に開閉する部位には、次の要素を使用できる。
脱落防止ねじ
スタッド
ねじインサート
クイッククランプ
57. 再使用および交換基準
すべての締結部品と接合要素を再使用できるわけではない。
交換が必要になる場合がある要素：
塑性域締付けボルト
プリベイリングトルクナット
割りピン
タブワッシャ
損傷したばね座金
ガスケット
Oリング
硬化したねじロック剤が残る一部部品
使い捨てクリップ
再使用の可否と交換基準は、作業標準書で定義する必要がある。
58. 締結マーキングと目視管理
重要な締結部には、締結完了マーキングを適用できる。
方法：
トルクマーク
色分けマーク
封印塗料
ラベル
バーコード記録
電子締結データ
トルクマークは締結作業の実施確認には有効であるが、実際の締付トルクを保証するものではない。
59. トレーサビリティ
重要な締結・接合作業では、次の情報を記録できる。
機械シリアル番号
締結位置
ボルト仕様
ボルトロット
目標トルク
実測トルク
締付回転角
作業者
締付工具
工具校正番号
作業日時
検査結果
次の接合作業についても、工程条件と検査結果を記録できる。
溶接
接着
圧入
60. 締結図面と仕様書
締結図面には、次の情報を含める必要がある。
ボルト規格
強度区分
材質
表面処理
長さ
ナットおよびワッシャの仕様
締付トルク
潤滑条件
ねじロック剤
締付順序
緩み防止方法
再使用の可否
接合図面には、次の情報を含める必要がある。
溶接記号
溶接長さ
接着剤の種類
接着すきま
リベット仕様
圧入公差
表面処理
検査方法
61. 主要な設計成果物
成果物 | 目的 |
|---|---|
Fastening Strategy | 全体の締結方針と基本原則を定義する |
Joint Classification | 分解可能、制限付き分解可能、永久接合を分類する |
Bolt Specification | ボルト寸法、強度、材質、長さを定義する |
Torque Specification | 締付トルクと締付条件を定義する |
Tightening Sequence | 多数ボルト締結部の締付順序を定義する |
Preload Requirement | 必要なボルト軸力を定義する |
Thread Engagement Specification | 必要なねじのかかり長さを定義する |
Locking Method Specification | 緩み防止方法を定義する |
Locating Pin Plan | 位置決めピンと位置再現方法を定義する |
Fit and Press-Fit Specification | はめあいと圧入条件を定義する |
Welding Specification | 溶接方法、形状、長さ、検査を定義する |
Adhesive Bonding Specification | 接着剤、表面処理、硬化条件を定義する |
Sealing Joint Specification | ガスケット、Oリング、フランジ条件を定義する |
Fastening Inspection Plan | 締結検査方法と判定基準を定義する |
Joint Traceability Record | 締結・接合作業の履歴を記録する |
62. Fasteningの確認事項
締結部が伝達すべき荷重が明確に定義されているか
締結機能と位置決め機能が分離されているか
目標Preloadが適切か
締付トルクと摩擦条件が定義されているか
ボルト強度と相手部品の強度が適切か
ねじのかかり長さが十分か
ボルト穴すきまが位置精度へ影響しないか
締付順序が定義されているか
最終締結後に変形を確認しているか
振動と繰返し荷重を考慮しているか
緩み防止方法が適切か
分解と再組立が可能か
締付工具を使用するための空間があるか
締結結果を検査し、追跡できるか
63. Joiningの確認事項
接合方式が材料と荷重に適しているか
溶接変形を考慮しているか
接着面の表面処理が定義されているか
圧入のしめしろが適切か
リベットおよび溶加材の仕様が適切か
接合部に過大な応力集中が発生しないか
温度と腐食環境を考慮しているか
異種材料接合の問題を検討しているか
接合後の検査方法が定義されているか
修理または交換が可能か
工程条件と作業履歴が記録されているか
64. 結論
Fastening and Joiningは、単に部品を接続する作業ではない。
次の性能を決定する、組立設計の中核領域である。
荷重伝達
位置精度
剛性
振動特性
シール性能
保守性
製品寿命
その核心は、次の関係を一貫して管理することにある。
締付け力と外力
位置決めと固定
締付トルクと実際のボルト軸力
ねじ山強度とかかり長さ
接合面摩擦とせん断荷重
緩み防止と振動
締付順序と部品変形
はめあいと保守性
溶接強度と熱変形
接着強度と表面処理
シールと締付圧力
工場組立と現地保守
検査結果とトレーサビリティ情報
適切な締結設計は、単にボルト径を大きくしたり、締付トルクを高くしたりするだけでは実現できない。
次の要素を、一つの締結システムとして評価する必要がある。
ボルト
ナット
ワッシャ
ねじ山
接合面
位置決め要素
締結される部品
接合方式は構造強度だけでなく、次の要求事項も満たす必要がある。
組立可能性
精度
分解要求
耐食性
温度条件
検査要求
サービス要求
これにより、締結と接合は作業者の経験に依存する単純な組立作業ではなく、機械の機能と寿命を繰り返し維持できるよう設計された荷重伝達システムとなる。