JP2007301663A - ボルトの軸力測定方法およびボルト - Google Patents

Abstract

【課題】ボルトの軸力測定方法で、ボルト頭部と超音波付与手段との密着を高めるため研削加工等行う必要がなく、また、ボルト頭部にカップラントオイルを塗布した場合では、回転により前記オイルが当接面から流れ出ることのない超音波の伝達性を効果的に向上させたボルトの軸力測定方法を提供する。
【解決手段】ボルト締結時に、ボルト９に超音波を付与して、該ボルト９に発生する軸力の測定を行うボルト９の軸力測定方法であって、前記ボルト９の頭部９ａに凹部９ｃを形成する工程と、該凹部９ｃにオイル１６を貯溜する工程と、前記凹部９ｃの底面に超音波送受信プローブ１２を当接して、該超音波送受信プローブ１２によりボルト内部へ超音波を付与し、付与した超音波の反射波を用いてボルト９の軸力を測定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ボルト締結時に、ボルトに超音波を付与して、該ボルトに発生する軸力の測定を行うボルトの軸力測定方法、およびボルトに関する。

従来から、ボルトやナット等を被締結部材に締結する際の締め付け力を適正に制御するために、締め付けトルクが所定値になったときに、締め付け完了とするインパクトレンチ等が広く用いられている。
しかし、前記インパクトレンチ等を用いた場合に、ボルト・ナットの噛み合わせが不良であったり、異物を噛み込んだりしたときには、締め込みが完了していなくても締め付けトルクが設定値まで上昇してしまい、締め付けが完了したと誤判断してしまうことがある。

前述の締め付け完了時期の誤判定を防止するため、前記締め付けトルクに代えて、又はこれに加えて、ボルト又はナットを被締結部材に締め付けたときにボルトの軸部に発生する引張り力（ボルト軸力）を参照して、締め込みの完了を検知することが行われることがある。
このようにボルトの軸部に発生するボルト軸力を用いて締結力を制御する場合、該ボルトの頭部に超音波付与手段を当接させ、ボルトの頭部とねじ先端部との間における超音波の往復伝播時間を測定することで、該ボルトの軸力を算出している（特許文献１参照）。

このように、ボルトの頭部に超音波付与手段を当接させて、該超音波付与手段からボルト内へ向けて超音波を付与する場合、超音波付与手段からボルト内部へ伝播した超音波が、ボルトの軸線に対して大きく傾いたり、乱反射したりすることを抑制して高精度なボルト軸力の測定を行うためには、ボルト頭部における超音波付与手段が当接する面は、平面度や超音波付与手段に対する垂直度の精度が高いことが好ましい。
従って、このボルト頭部の平面度および垂直度を高めたボルトが考案されている（特許文献２参照）。
特開２０００−１４１２４１号公報 特許第３６６０８８１号公報

前述のごとく、頭部における超音波付与手段が当接する面の平面度や垂直度を高精度に形成したボルトとすることで、ボルト内部での超音波の傾きや乱反射を防止することができるが、前記ボルト頭部の超音波付与手段が当接する面は、パンチによる鍛造加工にて形成されていたので、超音波付与手段からの超音波を効率良くボルトへ伝播させるだけの表面粗さを得ることができなかった。
つまり、ボルト頭部における超音波付与手段が当接する面の表面粗さがさほど小さくないため、超音波付与手段とボルト頭部の当接面との密着度合いが低くなり、超音波が超音波付与手段からボルト頭部へ伝播する際に大きく減衰してしまう結果となる。
このように、超音波がボルト頭部へ伝播する際に減衰すると、ボルトのねじ先端部からの反射波の音圧レベルが低くなって測定が困難となったり、測定精度が低下したりすることとなる。

超音波付与手段からボルト頭部への超音波の伝達性を向上させるためには、ボルト頭部における超音波付与手段が当接する面の表面粗さを、研削加工や研磨加工により小さくして、超音波付与手段に対する密着度合いを高めることが考えられるが、研削加工や研磨加工を行うとボルトの加工工数が増して、該ボルトがコストアップすることとなる。

また、ボルト頭部の当接面にカップラントオイルを塗布して、該当接面と超音波付与手段との間の隙間をカップラントオイルにより埋めて超音波の伝達性を向上させることが考えられる。
しかし、図９に示すように、ボルト１０９の頭部１０９ａの当接面１０９ｆはフラットに形成されているため、ボルト締結時の回転により、該当接面１０９ｆに塗布したカップラントオイルが当接面から流れ出してしまい、当接面１０９ｆと超音波付与手段１１２との間の隙間を充分に埋めることができず、超音波の伝達性を効果的に向上させることができない。
また、超音波付与手段１１２のボルト１０９の頭部１０９ａの当接面１０９ｆへの当接位置がずれる恐れがある。

そこで、本発明においては、ボルトのコストアップを抑えながら、超音波付与手段からボルトへの超音波の伝達性を効果的に向上させることができるボルトの軸力測定方法およびボルトを提供するものである。

上記課題を解決するボルトの軸力測定方法およびボルトは、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載のごとく、ボルト締結時に、ボルトに超音波を付与して、該ボルトに発生する軸力の測定を行うボルトの軸力測定方法であって、前記ボルトの頭部に凹部を形成する工程と、該ボルト頭部の凹部に液体を貯溜する工程と、前記ボルト頭部の凹部底面に超音波付与手段を当接して、該超音波付与手段によりボルト内部へ超音波を付与し、付与した超音波の反射波を用いてボルトの軸力を測定する工程とを備える。
これにより、締結時の回転動作によってもカップラントオイルとして作用する液体が、ボルト頭部がフラットに形成されていた場合のように該液体が周囲へ流出することがなく、ボルト頭部の凹部に貯溜された状態を維持して、超音波付与手段とボルトとの間の隙間を充分に埋めることとなるため、効率の良い安定した超音波の伝播を実現することが可能となる。

また、請求項２記載のごとく、前記ボルト頭部の凹部の周面は、底部へ向けて縮径するテーパー形状に形成されている。
これにより、超音波付与手段がボルト頭部の凹部に当接する際、周面のテーパー形状に案内されて確実に凹部の底面に当接することが可能となり、効率の良い超音波の伝播が実現される。
また、ボルトの頭部から付与される超音波を、ねじ先端部に形成される平坦面へ確実に到達させることが可能となり、反射波の音圧レベルを高くすることができる。

また、請求項３記載のごとく、前記ボルト頭部の凹部は、鍛造加工にて形成される。
これにより、該凹部の底面を研磨加工や切削加工した場合のように、ボルトをコストアップさせることなく、容易に超音波の伝播効率を向上させることができる。

また、請求項４記載のごとく、頭部へ超音波付与手段が当接され、該超音波付与手段から付与される超音波を用いて軸力が測定されるボルトであって、前記頭部には凹部が形成され、前記凹部に液体を貯溜した状態で、該凹部底面に前記超音波付与手段が当接される。
このように、締結時の回転動作によってもカップラントオイルとして作用する液体が、ボルト頭部がフラットに形成されていた場合のように該液体が周囲へ流出することがなく、ボルト頭部の凹部に貯溜された状態を維持して、超音波付与手段とボルトとの間の隙間を充分に埋めることとなるため、効率の良い安定した超音波の伝播を実現することが可能となる。

また、請求項５記載のごとく、前記ボルト頭部の凹部の周面は、底部へ向けて縮径するテーパー形状に形成されている。
これにより、超音波付与手段がボルト頭部の凹部に当接する際、周面のテーパー形状に案内されて確実に凹部の底面に当接することが可能となり、効率の良い超音波の伝播が実現される。
また、ボルトの頭部から付与される超音波を、ねじ先端部に形成される平坦面へ確実に到達させることが可能となり、反射波の音圧レベルを高くすることができて、ボルトの軸力測定の信頼性を向上することができる。

また、請求項６記載のごとく、前記ボルト頭部の凹部は、鍛造加工にて形成される。
これにより、該凹部の底面を研磨加工や切削加工した場合のように、ボルトをコストアップさせることなく、容易に超音波の伝播効率を向上させることができる。

本発明によれば、超音波付与手段とボルトとの間の隙間を充分に埋めることができて、効率の良い安定した超音波の伝播を実現することが可能となる。
また、ボルトの軸力測定の信頼性を向上することができる。
さらに、ボルトをコストアップさせることなく、容易に超音波の伝播効率を向上させることができる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

本発明にかかるボルトの軸力測定方法を実行するために用いられるボルト締結システムの例について説明する。
図１に示すボルト締結システムは、例えば、エンジン８のシリンダブロック８ａとシリンダヘッド８ｂとをボルト９により締結する際に用いられるものであり、ボルト９の締結動作を行うとともに、該ボルト９の頭部に超音波を付与し、ボルト９のねじ先端部にて反射して帰ってきた超音波を検出するナットランナ１と、該ナットランナ１にて検出された超音波の反射波が入力され、入力された超音波からナットランナ１により締結されているボルト９の軸力を算出する演算装置２と、該演算装置２にて算出されたボルト９の軸力データが入力され、入力された軸力データに基づいてナットランナ１のボルト締結動作を制御する制御装置３と、該制御装置３によるナットランナ１の制御状態を表示する表示機４と、前記制御装置３の制御条件の設定や変更等の各種操作を行う操作盤５とを備えている。

前記ナットランナ１は、その先端部（図１における下端部）にソケット１１を備えている。
図２に示すように、前記ソケット１１は、ボルト９の頭部９ａに係合可能な係合穴１１ａを備えており、該係合穴１１ａをボルト９の頭部９ａに係合させた状態でソケット１１を回転駆動させることにより、ボルト９がエンジン８のシリンダブロック８ａに締結される。
前記ソケット１１の係合穴１１内には超音波送受信プローブ１２が設けられており、該係合穴１１がボルト９の頭部９ａに係合した状態となると、超音波送受信プローブ１２がボルト９の頭部９ａに当接するように構成されている。

超音波送受信プローブ１２には、ナットランナ１の内部または外部に設けられる超音波発生装置１３が接続されており、該超音波発生装置１３にて発生した超音波が超音波送受信プローブ１２を通じてボルト９内に頭部９ａから付与される。
頭部９ａから付与された超音波は、ねじ先端部９ｂで反射した後に頭部９ａへ戻り、超音波の反射波は超音波送受信プローブ１２にて受信される。

超音波送受信プローブ１２にて受信された超音波の反射波は前記演算装置２に入力され、演算装置２では、超音波送受信プローブ１２が超音波を送信してから、該超音波がボルト９の頭部９ａからねじ先端部９ｂまでを往復して、該超音波送受信プローブ１２により受信されるまでの時間を計測し、計測した時間に基づいてボルト９の軸力を算出するようにしている。

つまり、図３に示すように、超音波が超音波送受信プローブ１２によりボルト９へ送信されてから、該ボルト９内を往復して受信されるまでの超音波の伝播時間は、締結される前のボルト９については伝播時間Ｔｏとなる。これに対して、締結された後のボルト９では、前記伝播時間Ｔｏよりも伝播時間差ΔＴだけ長い伝播時間Ｔｐとなる。
このように、締結前のボルト９の伝播時間Ｔｏと、締結後のボルト９の伝播時間Ｔｐとの間に伝播時間差ΔＴが生じるのは、締結によりボルト９に軸力が発生することにより、該ボルト９内を伝播する超音波の速度が遅くなることと、締結によりボルト９が伸びて長くなることによる。

そして、締結前のボルト９の伝播時間Ｔｏと締結後のボルト９の伝播時間Ｔｐとの伝播時間差ΔＴが、該ボルト９に発生している軸力に比例するため、演算装置２では、該演算装置２に予め記憶されている伝播時間差ΔＴと軸力との関係（図４参照）を用いて、計測した伝播時間差ΔＴからボルト９の軸力を算出するように構成している。
なお、ボルト９に発生する軸力は、「軸力＝Ｋ・ΔＴ（Ｋはボルト固有の定数）」にて表わされる。

なお、伝播時間差ΔＴを計測する場合は、ボルト９の締結作業を行う際に締結前のボルト９の伝播時間Ｔｏと締結後のボルト９の伝播時間Ｔｐとの両方を計測してもよく、締結前のボルト９の伝播時間Ｔｏはボルト９の締結作業を行う前に予め計測して演算装置２に記憶させておき、ボルト９の締結作業を行う際には締結後のボルト９の伝播時間Ｔｐのみを計測するように構成してもよい。

演算装置２にて算出されたボルト９の軸力データは制御装置３に入力され、該制御装置３は、入力された軸力データに基づいて、ナットランナ１におけるソケット１１の回転動作を制御し、算出された軸力データの値が予め設定された一定値に達すると、締結終了としてソケット１１の回転動作を停止する。

このように、本ボルト締結システムにおいては、ナットランナ１によりボルト９を締結する際に、該ボルト９に超音波を付与して、付与した超音波の反射波を検出することにより、ボルト９に発生している軸力を算出し、算出した軸力に基づいてナットランナ１によるボルト９の締結動作を制御して、該ボルト９が所定の軸力にて締結されるようにしている。

また、前記本ボルト締結システムにより軸力を測定されながら締結されるボルト９は、次のように構成されている。
つまり、図５に示すように、ボルト９の頭部９ａにおける、超音波送受信プローブ１２との当接面（図５における上面）には、凹部９ｃが形成されている。

そして、超音波送受信プローブ１２が当接され、ナットランナ１のソケット１１により回転駆動される際の凹部９ｃにはオイル１６が貯溜されており、超音波送受信プローブ１２とボルト９の頭部９ａとは該オイル１６を介して密着している。
このように、オイル１６はカップラントオイルとして作用し、凹部９ｃにオイル１６を貯溜した状態で超音波送受信プローブ１２を当接させることで、超音波送受信プローブ１２からボルト９へ付与される超音波が、減衰を抑えられつつ効率良く伝播することとなっている。

なお、ボルト９を締結する際に頭部９ａの凹部９ｃに貯溜するオイル１６としては、例えばエンジン８に適用される潤滑油を用いることができるが、これに限らず、その他のオイルやオイル以外の水等の液体、さらにはグリス等のペースト様の液体を凹部９ｃに貯溜することもできる。

前記ボルト９の頭部９ａにおける凹部９ｃは、該ボルト９の成形工程にて次のように形成されている。
つまり、ボルト９は、図６（ａ）に示すような円柱状部材である素材状態のボルト９の上端部を、図６（ｂ）に示すように第１軸パンチ２１にてパンチングした後、図６（ｃ）に示すように第２軸パンチ２２により頭部９ａを形成し、さらに図６（ｄ）に示すように第３軸パンチ２３によるパンチングにて頭部９ａの上面に凹部９ｃを形成することで、成形されている。

このように、超音波送受信プローブ１２が当接する頭部９ａの上面に凹部９ｃを形成したボルト９は、前記本ボルト締結システムにより締結される際には、次のような手順にて締結が行われる。
つまり、ボルト９をボルト締結システムにより締結する場合は、図７（ａ）に示すように、該ボルト９には、前述のボルト成形工程にて凹部９ｃが形成され、次に、図７（ｂ）に示すように、形成された凹部９ｃにオイル１６が貯溜される。
さらに、ボルト９においては、凹部９ｃにオイル１６が貯溜された状態の頭部９ａにナットランナ１のソケット１１が係合され、頭部９ａにソケット１１が係合することで、該頭部９ａの凹部９ｃに超音波送受信プローブ１２が当接する。

その後、超音波送受信プローブ１２からボルト９内部へ超音波が付与され、付与された超音波がねじ先端部９ｂにて反射して戻ってきた反射波を該超音波送受信プローブ１２にて受信し、受信した反射波を用いて、前述のごとく演算装置２および制御装置３により、ナットランナ１により締結されるボルト９の軸力が計測され、計測した軸力に基づいてナットランナ１の動作が制御されることとなる。

図５に示すように、締結時に軸力が計測される前記ボルト９の頭部９ａに形成される凹部９ｃは、該頭部９ａ上面の略中央部に形成されており、該凹部９ｃの底面形状は超音波送受信プローブ１２の当接面形状と略同じ形状に形成されている（例えば、超音波送受信プローブ１２の当接面形状が円形であれば、凹部９ｃの底部も円形に形成される）。
また、前記凹部９ｃの周面９ｄは、底部へ向けて縮径するテーパー形状に形成されている。これにより、超音波送受信プローブ１２がボルト９の頭部９ａの凹部９ｃに当接する際、周面９ｄのテーパー形状に案内されて確実に凹部９ｃの底面に当接することが可能となり、効率の良い超音波の伝播が実現される。

また、図８に示すように、ボルト９のねじ先端部９ｂにおける中央部には、付与された超音波を軸方向からずらすことなく反射するための平坦面９ｅが形成されているが、超音波送受信プローブ１２を周面９ｄのテーパー面の案内により凹部９ｃの底面に確実に当接させることにより、頭部９ａから付与される超音波を確実に平坦面９ｅへ到達させることが可能となり、反射波の音圧レベルを高くすることができて、ボルトの軸力測定の信頼性を向上することができる。

また、ボルト９の頭部９ａに凹部９ｃを形成して、該凹部９ｃにオイル１６を貯溜させた状態で該ボルト９を締結することで、締結時の回転動作によってもカップラントオイルとして作用するオイル１６が、ボルト９の頭部９ａがフラットに形成されていた場合のように周囲へ流出することがなく、該凹部９ｃに貯溜された状態を維持して、超音波送受信プローブ１２とボルト９との間の隙間を充分に埋めることとなるため、効率の良い安定した超音波の伝播を実現することが可能となっている。

この場合、オイル１６を貯溜する凹部９ｃは、ボルト９を成形する一連の工程の中でパンチングにて形成しているので、該凹部９ｃを形成する手間は殆どかかっておらず、凹部９ｃの底面を研磨加工や切削加工する必要もないので、ボルト９をコストアップさせることなく、容易に超音波の伝播効率を向上させることができる。
ただし、凹部９ｃの底面を研磨や切削して、該底面の平面度を高めたり表面粗さを小さくしたりしたボルト９を用いた場合でも、効率の良い安定した超音波の伝播を実現することができる。

なお、テーパー面に形成される凹部９ｃにおける周面９ｄの傾斜度合いは、貯溜するオイル１６の粘度、締結時におけるボルト９の回転速度や時間等といった各種の締結条件に応じて適宜設定することができる。

例えば、オイル１６の粘度が低かったり、ボルト９の回転速度が速かったりした場合は、周面９ｄの傾斜を大きく（周面９ｄが垂直に近くなる方向の角度に）設定することで、オイル１６の周囲への流出を防いで締結終了まで該オイル１６を凹部９ｃに貯溜させておくことができる。
逆に、オイル１６の粘度が高かったり、ボルト９の回転速度が遅かったり場合は、周面９ｄの傾斜を小さく（周面９ｄが水平に近くなる方向の角度に）設定することも可能である。

また、頭部９ａに形成される凹部９ｄの深さ寸法ｄも、前述のボルト９の締結条件に応じて適宜設定することが可能であるが、例えば１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の寸法に設定することができる。

ボルトの軸力測定方法を実行するために用いられるボルト締結システムを示す全体図である。 超音波の送受信が行われるナットランナのソケット部を示す側面断面図である。 締結前のボルトにおける超音波の伝播時間と締結後のボルトにおける超音波の伝播時間とを示す図である。 締結前後のボルトでの超音波の伝播時間差と軸力との関係を示す図である。 軸力を測定されながら締結されるボルトの頭部を示す側面断面図である。 頭部に凹部が形成されるボルトの成形工程を示す側面断面図である。 ボルトがボルト締結システムにより締結される際の手順を示す側面断面図である。 ボルトのねじ先端部を示す側面断面図である。 従来のボルトの締結時に、頭部にカップラントオイルを塗布して回転させた場合の様子を示す側面断面図である。

符号の説明

１ ナットランナ
２ 演算装置
３ 制御装置
８ エンジン
８ａ シリンダブロック
８ｂ シリンダヘッド
９ ボルト
９ａ 頭部
９ｂ ねじ先端部
９ｃ 凹部
９ｄ 周面
１１ ソケット
１２ 超音波送受信プローブ
１３ 超音波発生装置
１６ オイル

Claims (6)

1. ボルト締結時に、ボルトに超音波を付与して、該ボルトに発生する軸力の測定を行うボルトの軸力測定方法であって、
   前記ボルトの頭部に凹部を形成する工程と、
   該ボルト頭部の凹部に液体を貯溜する工程と、
   前記ボルト頭部の凹部底面に超音波付与手段を当接して、該超音波付与手段によりボルト内部へ超音波を付与し、付与した超音波の反射波を用いてボルトの軸力を測定する工程と、
   を備えることを特徴とするボルトの軸力測定方法。
2. 前記ボルト頭部の凹部の周面は、底部へ向けて縮径するテーパー形状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のボルトの軸力測定方法。
3. 前記ボルト頭部の凹部は、鍛造加工にて形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボルトの軸力測定方法。
4. 頭部へ超音波付与手段が当接され、該超音波付与手段から付与される超音波を用いて軸力が測定されるボルトであって、
   前記頭部には凹部が形成され、
   前記凹部に液体を貯溜した状態で、該凹部底面に前記超音波付与手段が当接される、
   ことを特徴とするボルト。
5. 前記ボルト頭部の凹部の周面は、底部へ向けて縮径するテーパー形状に形成されている、
   ことを特徴とする請求項４に記載のボルト。
6. 前記ボルト頭部の凹部は、鍛造加工にて形成されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のボルト。
   
   
   

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