JP2010053920A - ナット - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造でボルトの緩みを効果的に防止する。
【解決手段】ナットとしてのブッシュ１４は、基端側が部品締結側であり、内腔に雌ねじ１５を備える。ブッシュ１４は、基端側の座面で、中心を含む部分に凹部２００が設けられるとともに、先端側に向かって肉薄となる形状の側面縮径部２０２を有することを特徴とする。側面断面上で、側面縮径部２０２は、側面の少なくとも全長の半分以上を含み、曲線形状となっている。先端側の端部２０４は、少なくとも一部が円環線形状となっている。ブッシュ１４の基端側の全周がフレーム１２の熱影響部１１２に接続され、凹部２００の一部は該熱影響部１１２が先端側に向かって凸のテーパ形状となって形成されている。
【選択図】図１５

Description

本発明は、内腔に雌ねじを備えるナットに関する。

特許文献１には、座金と一体になったナットに対してボルトを締結し、被締結部材の２枚の金属板を固定することが記載されている。このナットでは、部品締結側の座面が中央に向けて高くなる凸形状となっており、ワークの表面に傷を付けにくくなっている。特許文献１記載のナットは、非部品締結側に向かって肉薄となる形状となっているが、これによる作用及び効果は特に記載されてない。

ところで、ボルト・ナットによる締結構造では長期使用による緩みがないように検討が必要であり、使用状況に応じてボルト・ナットの数、径及び締結トルク等が設定されている。特に、車両のように振動が発生するワークに用いる場合には、該振動による緩みがないように余裕をもって、やや大径のボルト・ナットが用いられることがある。

特許文献２には、部品締結側の座面が中心に向かって凹んだ凹形状のナットが記載されており、該凹部が変形してワークに面接触するまでトルクをかけることが記載されている。このナットによれば、凹部を変形させるために大きな締め付けトルクが必要となり、緩み難くなると記載されている。

非特許文献１には、ボルト・ナットの締結においては、部品締結側の第１山部及び第２谷部が集中的に締結力を発生させる一方、第２山部及び第２谷部以降で分担する締結力は相当に小さいことが指摘されている。

特開平８−２００３４３号公報 特開２００６−１１８５８２号公報 日経メカニカル編、「ねじ締結‘‘新’’常識のうそ ねじの奥義を全公開」、第１版２刷、日経ＢＰ社、１９９７年５月９日、ｐ．７７−７９

前記の特許文献２記載のナットは相当に肉厚であって、部品締結側の凹部を変形させるのには相当に高いトルクが必要となる。また、特許文献２記載のナットでは、部品締結側の凹部がばねとして作用するのであって、いわゆるばね座金を挿入することとあまり違いはない。

一方、非特許文献１で指摘しているように、ボルト・ナットに加えられたトルクは、相当部分が第１山部及び第１谷部で負担することになり、単純にトルクを高めるだけでは、第２山部及び第２谷部以降で分担する締結力が小さいことに変わりはない。つまり、締結トルクを高めても第２山部及び第２谷部以降のねじ部が十分に締結力に寄与しているとは言い難く、一層効果的な緩み止め構造が望まれている。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡便な構造でボルトの緩みを効果的に防止することのできるナットを提供することを目的とする。

本発明に係るナットは、基端側が部品締結側であり、内腔に雌ねじを備えるナットであって、基端側の座面で、中心を含む部分に凹部が設けられるとともに、先端側に向かって肉薄となる形状の側面縮径部を有することを特徴とする。

このように、基端側の座面に凹部が設けられていると、ボルトを締結する場合に、軸方向の力によって該凹部が変形、変位する。この変位は、ナットのほぼ全域に影響を与え、側面縮径部は先端側に向かって肉薄となる形状であることから先端側ほど変形しやすく、内側に向かって縮径するように変位し、ボルトに対して噛み込むように作用する。これにより、ナットは簡便な構造でボルトの緩みを効果的に防止することができる。

側面断面上で、前記側面縮径部は、側面の少なくとも全長の半分以上を含み、曲線形状となっていてもよい。このような側面の曲線形状は、締結トルクの分担に応じた形状であり、合理的にナットを縮径させることができる。設計条件、加工条件等により、全長を曲線形状にすることができない場合もあるが、側面の少なくとも全長の半分以上が、曲線形状となっていれば上記の効果が得られる。

前記凹部は、少なくとも雌ねじ径の１．２倍の範囲を含み、前記側面縮径部は、側面の少なくとも全長の半分以上を含んでいてもよい。

先端側の肉厚は、基端側端部の肉厚の１／１０以下であってもよい。このように先端側の肉厚を十分に薄くすることにより、弾性的に縮径しやすくなり、ボルトに対する噛み込効果が向上する。

先端側の端部は、少なくとも一部が円環線形状となっていてもよい。このように、端部を平坦部のない円環線形状とすることにより、この部分が特にボルトに対して噛み込みやすくなり、一層の抜け止め効果を奏する。

基端側の全周が金属板に接続され、前記凹部は前記金属板が先端側に向かって凸のテーパ形状となって形成されていてもよい。このようにテーパ形状の金属板により凹部を形成すると、この部分がばね体として作用し、ナットを一層縮径させることができる。

本発明に係るナットによれば、基端側の座面に凹部が設けられていることから、ボルトを締結する場合に、軸方向の力によって該凹部が変形、変位する。この変位は、ナットのほぼ全域に影響を与え、側面縮径部は先端側に向かって肉薄となる形状であることから先端側ほど変形しやすく、内側に向かって縮径するように変位し、ボルトに対して噛み込むように作用する。これにより、ナットは簡便な構造でボルトの緩みを効果的に防止することができる。

以下、本発明に係るナットについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図２２を参照しながら説明する。本実施の形態に係るナットとしてのブッシュ１４は、雌ねじ加工装置１０及び該雌ねじ加工装置１０を用いた雌ねじ加工方法によって得られる。先ず、雌ねじ加工装置１０及び雌ねじ加工方法について説明する。

図１に示すように、雌ねじ加工装置１０は、本塗装前であるフレーム（金属板）１２における所定の箇所にブッシュ１４を形成するためのユニット型式の装置であり、ロボット１６の先端に着脱自在に設けられている。ブッシュ１４には雌ねじ１５（図１２参照）が形成される。ロボット１６は産業用の多関節型であって、雌ねじ加工装置１０はロボット１６の動作範囲内で任意の位置に任意の姿勢に設定可能である。これにより、雌ねじ加工装置１０は、例えば、フレーム１２におけるドアヒンジ部１２ａやバンパビーム部１２ｂに対向するように配置され、これらの箇所にブッシュ１４を形成することができる。

フレーム１２は搬送ライン１８上で搬入されてロボット１６の近傍において一時停止し、カメラ１９によって正確な位置の確認が行われる。フレーム１２は雌ねじ加工装置１０によってブッシュ１４を形成する加工が行われた後、搬送ラインに沿って次工程のステーションへと搬送され、この後、ロボット１６の近傍には未加工の次のフレーム１２が搬入される。

ロボット１６及び雌ねじ加工装置１０は、コントローラ２０によって制御される。コントローラ２０は、ロボット１６を所定の教示データに基づいて動作させるロボット駆動部２２と、雌ねじ加工装置１０内の昇降モータ（進退駆動部）３６及びスピンドルモータ（回転駆動部）５２を駆動するモータ制御部２４と、フィラー４８（図２参照）を送給するためのフィラー送給制御部２６と、ＴＩＧトーチ（アーク加熱機４６）からアークを放射するためのアーク電流制御部２８と、雌ねじ加工装置１０の所定の箇所を冷却するための冷却制御部２９とを有する。また、コントローラ２０はカメラ１９から得られる画像に基づいてフレーム１２及びブッシュ加工位置Ｐの位置確認を行うことができる。

図２に示すように、雌ねじ加工装置１０は、ベースユニット３０と、該ベースユニット３０に対して昇降する昇降ユニット３２とをベースとして構成されている。ロボット１６はベースユニット３０の側面に接続されている。

ベースユニット３０は、ベース体３４と、昇降モータ３６と、ボールねじ３８と、ボールナット４０と、ガイドレール４２と、フィラー送給機４４と、アーク加熱機（加熱部）４６（例えば、ＴＩＧトーチ）とを有する。ベース体３４は縦長の構造体であり、上端に昇降モータ３６が備えられている。ボールねじ３８は昇降モータ３６に接続されて下向きに延在しており、回転自在に保持されている。ガイドレール４２は、ベース体３４における端部で昇降ユニット３２に対面して上下方向に延在して設けられている。ガイドレール４２とボールネジ３８は平行である。

ボールナット４０はボールネジ３８に螺合するとともに昇降ユニット３２に接続されており、昇降モータ３６の回転作用下に昇降ユニット３２を昇降させることができる。昇降ユニット３２の昇降量は、図示しないセンサを用いてフィードバックする。

フィラー送給機４４は、ブッシュ加工位置Ｐを指向している。フィラー送給機４４は、フィラー送給制御部２６の作用下にフィラー４８をブッシュ加工位置Ｐに向けて送給する。アーク加熱機４６は、ブラケット４７によってベース体３４の下端部に固定されており、アーク電流制御部２８の作用下にブッシュ加工位置Ｐに対するアーク放電を行い、該ブッシュ加工位置Ｐを加熱する。ブラケット４７には、アーク加熱機４６を移動させるスライド機構４７ａが設けられている。

昇降ユニット３２は、昇降ベース体５０と、スピンドルモータ５２と、レール係合部５４と、回転ロッド５６と、チャック５８と、加工ツール６０と、冷却ユニット（冷却部）６２とを有する。冷却ユニット６２によって冷却される部分には、面積を広げて空冷効果を高めるようにフィンが設けられていてもよい。

昇降ベース体５０は、上下２つのレール係合部５４によってガイドレール４２に対して昇降自在に係合するとともに、所定箇所がボールナット４０に接続されている。昇降ベース体５０の上端にはスピンドルモータ５２が下向きで備えられている。モータ制御部２４の作用下にスピンドルモータ５２は回転数制御が可能な構成であり、昇降モータ３６と同期して回転可能である。

回転ロッド５６はスピンドルモータ５２に接続されて下向きに延在しており、回転自在に保持されている。回転ロッド５６の下端には該加工ツール６０を保持するチャック５８が設けられている。

冷却ユニット６２は、回転ロッド５６の中間部に設けられており、該回転ロッド５６を軸支するベアリングブロック６４を含んでいる。冷却ユニット６２は、空気供給口６６から圧縮空気が供給され、回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に圧縮空気を噴き付けて冷却することができる。噴き付けられた圧縮空気は、そのまま外部に排出される。空気供給口６６は、例えば複数のノズルを有する。空気供給口６６に対しては、空気供給量を調整するとともに、流路の開閉が可能な調整弁６７が設けられている。調整弁６７には冷却された圧縮空気が供給されている。

このような空冷式の冷却ユニット６２によれば、冷却媒体の供給管路、回収管路等が不要で、簡便である。

図３に示すように、加工ツール６０は、先端に設けられた縮径部７０と、該縮径部７０の上方に連続して設けられた円柱部７２と、そのさらに上方に連続して設けられたタップ部７４とを有する。縮径部７０は、下方に向かって縮径する円錐形であり、縮径部７０の上端部における最も大径の部分は円柱部７２と同径である。縮径部７０はフレーム１２に孔１００（図７参照）を形成する部分であって、円柱部７２は孔１００の形状が安定化するように作用する、これらの縮径部７０及び円柱部７２は下孔形成部７６として一体となっている。タップ部７４は、孔１００に雌ねじを形成するための部分であり、円柱部７２よりも大径の螺旋突起７４ａが設けられている。設計条件及び加工条件によっては、円柱部７２を設けずにタップ部７４が縮径部７０の直上部又は縮径部７０の上端の一部まで達していても良い。

また、縮径部７０には、フレーム１２と間の摩擦効果を高めるためのダル加工や、強度を増加させるための超硬材コーティング等を形成してもよい。

タップ部７４と下孔形成部７６は着脱自在に構成されており、摩耗の程度によりいずれか一方を個別に交換可能である。もちろん、タップ部７４と下孔形成部７６は一体型であってもよい。加工ツール６０は、例えば、高速工具鋼等の金属で構成される。

雌ねじ加工装置１０は、ブッシュ加工位置Ｐを中心に配置された複数の負極板６９（図５参照）を有している。また、負極板６９の代わりにワークを固定する台車、治具、加工台等にアース線６９ａ（図２２参照）を設けてもよい。

次に、このように構成される雌ねじ加工装置１０を用いて、フレーム１２のブッシュ加工位置Ｐにブッシュ１４（図１２参照）を形成する雌ねじ加工方法について説明する。以下の説明では、表記したステップ番号順に処理が実行されるものとする。

図４におけるステップＳ１（冷却工程）において、冷却制御部２９の作用下に、冷却ユニット６２に冷却された圧縮空気を供給し、回転ロッド５６及びベアリングブロック６４を冷却する。この冷却工程は一連で複数回の雌ねじ加工時において、継続的に行われ、チャック５８を介して間接的に加工ツール６０を冷却する。このようにチャック５８を介した間接的な冷却によれば、加工ツール６０は冷却手段が不要な簡便構造となるとともに、加工ツール６０の交換が容易となる。

初回の雌ねじ加工時には加工ツール６０は常温となっていることから、冷却工程を省略し、２回目の加工時から冷却を開始してもよい。

このステップＳ１は、後述するステップＳ６で加熱された加工ツール６０を適度に冷却するための処理であり、加工ツール６０を６００℃以下、例えば５００℃程度にしておく。この冷却処理は、厳密な温度管理は必要なく、実験又は経験に基づいて適量で一定の空気を回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に噴き続けておき、ステップＳ６の直前に加工ツール６０が６００℃以下となるようにしておけばよい。

本発明者の実験した結果によれば、ある程度の室温の変化があった場合でも、冷却ユニット６２による回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に対する冷却として、フィードバック制御を用いることなくしかも室温に応じた特別な調整をすることがなくても、適量で一定の空気を回転ロッド５６及びベアリングブロック６４に噴き続けておけば好適な雌ねじ１５を有するブッシュ１４が得られることが確認されている。

ステップＳ２において、ロボット駆動部２２の作用下にロボット１６を動作させ、雌ねじ加工装置１０をフレーム１２に接近させて、負極板６９を接触させる。ワークを固定する台車、治具、加工台等にアースを設けている場合には負極板６９は不要である。このとき、予め設定されたブッシュ加工位置Ｐが加工ツール６０の進退する軸上に配置されるようにする。

ステップＳ３（加熱工程）において、図５に示すように、フィラー送給制御部２６の作用下にフィラー送給機４４からフィラー４８を送給して肉盛りをするとともに、アーク電流制御部２８の作用下にアーク加熱機４６に高電圧を印加してアークＡを発生させる。アーク加熱機４６は、ブッシュ加工位置Ｐの近傍までスライド移動させておき、該ブッシュ加工位置Ｐに対してアークを発生させて予備加熱して軟化させる。ブッシュ加工位置ＰはアークＡによって迅速に加熱される。所定時間が経過した後、高電圧の印加を停止してアークＡを消滅させる。ブッシュ加工位置Ｐにおけるフレーム１２及び肉盛りされたフィラー４８の加熱は、例えば１２００℃に達するまで行う。

フィラー４８は所定量送給された後、残余分はやや引き戻されてフィラー送給機４４内に退避する。ブッシュ加工位置Ｐにおける板厚が厚いときにはフィラー４８の供給による肉盛りを省略してもよい。

このときのブッシュ加工位置Ｐには、図６に示すように、適度な肉盛部１１０と、該肉盛部１１０を含みその周辺の熱影響部１１２が形成される。熱影響部１１２は、加熱により温度が上昇して、表面色が変化した箇所である。

ステップＳ４において、ブッシュ加工位置Ｐが適温に自然冷却されるまで待機する。この時点でブッシュ加工位置Ｐの適温とは、オーステナイト域以上の温度であり、例えば９００℃程度である。この前段階のステップＳ３において１２００℃まで加熱することなく、９００℃の加熱で停止させてもよいが、一旦それよりも高い１２００℃程度まで加熱してから冷却させると、より短時間で９００℃に設定でき、また、熱影響部１１２を適度に広く確保することができる。

ステップＳ５において、図７に示すように、加工ツール６０を無回転で進行させて、孔１００を形成する。当初、孔１００は縮径部７０の先端部によって形成された後、縮径部７０の錐面によって拡径され、さらに円柱部７２が挿通することにより形状が安定化する。

このとき、ブッシュ加工位置Ｐが９００℃程度であるのに対して、加工ツール６０は６００℃以下、例えば５００℃であることから、ブッシュ加工位置Ｐは急冷され、いわゆる焼入と同じ状態になる。冷却時間を０．５ｓｅｃ程度とすると、図８に示すように、ＣＣＴ曲線（continuous cooling transformation diagram）８６はベイナイト域８８の直上部まで導かれることが理解されよう。図８は、Ｃ０．１３％、Ｍｎ０．５６％の炭素鋼における連続冷却状態図であるが、これ以外の組成の金属を用いる場合には、その組成の連続冷却状態図に基づいて冷却条件を設定すればよい。

加工ツール６０によるフレーム１２の急冷処理は、該フレーム１２の温度の低下にともなって加工ツール６０の温度が上昇し、両者が接触している間で、フレーム１２が６００℃〜７００℃程度になるまで継続的に行われることになり、実際にはステップＳ５だけではなく次のステップＳ６においても継続的に行われる。６００℃〜７００℃程度の箇所はフェライト域であり、この後の空冷時にベイナイト域を通ることになる。６００℃〜７００℃程度までの急冷では、冷却設備が簡便で済む。

また、冷却設備は大型化するが、強制冷却時にベイナイト域まで直接的に冷却させることにより作業効率を向上させることができる。

この間、加工ツール６０はフレーム１２の熱を受けて多少の温度上昇が発生するが、該加工ツール６０は、冷却ユニット６２によってチャック５８を介して継続的に冷却されていることから過度に温度上昇することはなく、熱膨張が抑制され、高い加工精度を維持することができる。

ステップＳ６において、円柱部７２が無回転で孔１００に挿入された後、スピンドルモータ５２によって、ボールねじ３８及び加工ツール６０を回転させる。また、昇降モータ３６の回転数を制御し、加工ツール６０が１回転する間に該加工ツール６０がタップ部７４の螺旋突起７４ａのピッチｔ（図７参照）だけ進行するように同期させる。これにより、図９に示すように、螺旋突起７４ａが孔１００に螺合するようにタップ加工され、雌ねじ１５を有するブッシュ１４が形成される。

ステップＳ６及びＳ７で強制冷却が行われる時間（つまり、加工ツール６０がワークに接触している時間であって、孔を形成してタップ加工を行って、加工ツール６０を抜くまでの時間）は、例えば１．５ｓｅｃ程度である。

なお、ステップＳ５の後、加工ツール６０は孔１００に挿入されたまま次のステップＳ６へ移ることから、これらのステップＳ５とステップＳ６は実質的に１つの工程とみなすことができる。このステップＳ５とステップＳ６との間において、加工ツール６０を交換する必要がないことは当然である。

ステップＳ７において、スピンドルモータ５２及び昇降モータ３６を逆回転させ、加工ツール６０をブッシュ１４から抜き取る。このとき、スピンドルモータ５２と昇降モータ３６とを同期させて、加工ツール６０が１回転する間に該加工ツール６０がピッチｔだけ後退するように同期させる。タップ部７４がブッシュ１４から抜き取られた後には加工ツール６０を高速で後退させてもよい。

加工ツール６０をブッシュ１４から抜き取ることにより、該加工ツール６０による強制冷却が終了する。加工ツール６０は、この後も冷却ユニット６２によって継続的に冷却される。

ステップＳ８（放熱工程）においては、ブッシュ１４を自然空冷する。これにより、図８のＣＣＴ曲線８６における屈曲点９０以下の部分のように、緩やかに冷却が進み、ベイナイト域８８を通してフレーム１２を冷却することになる。これにより、フレーム１２にベイナイトが析出して十分高強度な雌ねじが得られる。ベイナイトは、フェライト中に微細セメンタイトが分散した組織であり、高い硬度及び靭性を有する。ＣＣＴ曲線８６がパーライト域９６を通るか否かは特に問われない。

また、金属板は一度、オーステナイト域まで加熱していることから、柔軟な対応が可能であり、設計条件によっては金属組織に対して種々の熱処理をすることができる。なお、図８において、符号９２、９４、９６及び９８は、順にオーステナイト域、フェライト域、パーライト域及びマルテンサイト域である。

ステップＳ８においては、加工ツール６０以外の吸熱手段により、ブッシュ１４の放熱を促進させてもよい（放熱工程）。

この後、ロボット１６を動作させることにより雌ねじ加工装置１０をフレームから離間させる。

ステップＳ９（ステップＳ８と並行してもよい。）においては、未加工のブッシュが残っているか確認し、未加工のものがある場合には、次のブッシュ加工位置Ｐへ雌ねじ加工装置１０を移動させて、ステップＳ２へ戻り、同様の手順により加工を続行する。

全てのブッシュ１４の加工が終了している場合には、冷却ユニット６２を停止させ（ステップＳ１０）、図４に示す処理を終了する。

このように雌ねじ加工装置１０及び雌ねじ加工方法では、アーク加熱機４６と冷却ユニット６２とを設けることにより、加熱したブッシュ加工位置Ｐに加工ツール６０を挿入するときに、該ブッシュ加工位置Ｐが急冷されて組織が硬くなり、高強度の雌ねじ１５を形成することができる。

また、加工ツール６０を無回転でブッシュ加工位置Ｐに押圧して、縮径部７０によってブッシュ加工位置Ｐに孔１００を形成し、この後、加工ツール６０を回転させ、加工ツール６０を孔１００から抜くことなくさらに挿入させ、タップ部７４によって孔１００に雌ねじ１５を形成している。これによって、ブッシュ１４を実質的に１つの工程で形成することができ、作業効率の向上を図ることができる。

上記の冷却ユニット６２は空冷式に限らず、図１０に示す冷却ユニット６２ａのように液冷式にしてもよい。冷却ユニット６２ａは、図示しない回転継手を介して、回転ロッド５６内に設けた流路１８０に液体（水、油等）を流すことによって該回転ロッド５６の熱を吸収し、図示しないラジエータで放熱して、循環させている。このような液冷式の冷却ユニット６２ａによれば、高い冷却効果が得られる。

加工ツール６０としては、例えば図１１に示す加工ツール６０ａを用いてもよい。加工ツール６０ａにおける円柱部７２及びタップ部７４は前記加工ツール６０と同様であり、前記縮径部７０に相当する部分に先端部８０が設けられている点で両者は異なる。先端部８０は、縮径部７０に対して螺旋突起８０ａを付加したものである。

また、螺旋突起８０ａの螺旋の方向と、タップ部７４における螺旋突起７４ａの螺旋の方向とは同一の方向であるが、設計条件によっては逆向きにしてもよい。

次に、上記の雌ねじ加工装置１０及び雌ねじ加工方法によって形成され、内腔に雌ねじ１５を有するブッシュ１４について説明する。ブッシュ１４の説明上、部品締結側で図１２における矢印Ｘ１の方向を基端側、その反対で矢印Ｘ２方向を先端側とする。

図１２に示すように、ブッシュ１４はねじ部１５０と、熱影響部１１２とを有する。熱影響部１１２の外側は母材部１１４である。ねじ部１５０、熱影響部１１２及び母材部１１４は互いに組織が異なっており、断面色の違いにより識別が可能である。ねじ部１５０の内面には雌ねじ１５が形成されている。

ねじ部１５０は、主に肉盛りされたフィラー４８に基づく組織であって、熱影響が相当に大きい部分であると考えられ、ベイナイトが多く含まれている（ベイナイトが主成分として９５％以上含まれている）。ねじ部１５０は下方に向けて突出した形状であり、熱影響部１１２との境界は、上接続部１５０ａ及び下接続部１５０ｂで略屈曲した形状となっている。

熱影響部１１２は、母材としてのフレーム１２に対して多少のフィラー４８が混在し、さらにある程度の熱影響を受けている部分であると考えられ、細かいフェライトに球状セメンタイトが混在している（セメンタイトと母材部に近づくほどに組織が微細化するフェライトとを主成分として９５％以上含まれている。）。熱影響部１１２では、内側のねじ部１５０に近づくほどフェライトの金属組織が微細化している。

母材部１１４は、元のフレーム１２からほとんど組織の変化がない部分であり、粗いフェライトに球状セメンタイトが混在している（セメンタイトとフェライトとが主成分として９５％以上含まれている。）。

次にブッシュ１４の形状について説明する。

ブッシュ１４には、基端側の座面に設けられた凹部２００が設けられている。ねじ部１５０は、先端側に向かって肉薄となる形状の側面縮径部２０２を有し、側面断面上で、凸の曲線形状となっている。

凹部２００は、ねじ部１５０と同芯形状であって、雌ねじ１５の呼び径ｄの１．３〜１．６倍程度の範囲に設定されている。凹部２００は、基端側の座面の中心及び少なくとも雌ねじ１５の呼び径ｄの１．２倍の範囲を含んでいるとよい。これにより、後述するように、ボルト２０３を締結する際に、軸力が発生して側面縮径部２０２を縮径させることができる。ブッシュ１４の実用上、凹部２００の最大値としては呼び径ｄの２．０倍程度にするとよい。凹部２００の最大深さＸｄは、例えば雌ねじ１５の０．５ピッチ程度にするとよい。

側面縮径部２０２は、基端側が比較的肉厚となっており、先端側に向かって当初は緩やかに、次第に急に薄肉となっており、先端部はねじ山を除いて厚みが実質的に０となっている。したがって、図１３に示すように、先端側の端部２０４は、１箇所のねじ谷２０６を除いて円環線形状となっている。端部２０４は必ずしも厚みが０でなくとも、基端側端部の肉厚の１／１０以下にしておくと、十分に薄くなって、弾性的に縮径しやすくなり、ボルトに対する噛み込効果が向上する。また、薄肉構造とすることにより、コストダウン及び軽量化の効果が得られる。

端部２０４は、ねじ谷２０６が存在することや、加工条件等によって全周を円環線形状することは困難であるが、少なくとも一部を円環線形状にすると上記の効果が得られる。

また、端部２０４を平坦部のない円環線形状とすることにより、この部分が特にボルト２０３に対して噛み込みやすくなり、一層の抜け止め効果を奏する。

側面縮径部２０２の側面の凸の曲線形状は、締結トルクの分担に応じた形状であり、ボルトの軸力によって合理的にナットを縮径させることができる。すなわち、前記の非特許文献１の記載によれば、図１４に示すように、一般的にナット及びボルトの締結トルクを分担する応力分布Ｔは、基端点Ｘ₀を最大値として先端側に向かって緩やかに減少する曲線となる。ねじ部１５０の側面形状は、この応力分布Ｔに応じた形状となっていることから、合理的に応力分担が行われ、しかも先端に向かって薄肉となっていることから弾性的に縮径させることができる。

また、側面縮径部２０２の側面が凸の曲線形状となっていることにより、端部２０４はボルト２０３に対して一層噛み込みやすくなる。

ところで、先端部は非常に薄肉であって、理想的な断面円弧形状にすることが困難であり、基端部は熱影響部１１２が接続されている関係上、断面円弧形状にはできない。このように、設計条件、加工条件等により、ねじ部１５０の側面の全長を凸の曲線形状にすることができない場合もあるが、側面縮径部２０２は、側面の少なくとも全長の半分以上を占めていれば上記の効果が得られる。

さらに、ブッシュ１４は基端側の全周がフレーム１２の熱影響部１１２に接続されており、凹部２００は該熱影響部１１２が先端側に向かって凸のテーパ形状となって形成されている。換言すれば、熱影響部１１２は、内側のねじ部１５０へ向けてやや下向きに傾斜した形状であり、母材部１１４とは滑らか且つ略水平に接続されている。

つまり、熱影響部１１２の少なくとも内径側部分は、ねじ部１５０の突出する方向（先端側、図１２で下向き）に向かって凸形状になっており、基端側面は凹部２００の一部となって、熱影響部１１２のスプリングの作用としての作用が一層発揮される。これは、例えば直線部材よりも蛇腹形状部材の方が屈曲しやすいことからも容易に理解されよう。

このようにテーパ形状の金属板により凹部２００を形成すると、この部分がばね体として作用し、側面縮径部２０２を一層縮径させることができる。

次に、このように構成されるブッシュ１４にボルト２０３を締結させる際の作用について説明する。

図１５に示すように、ワーク板２０８をフレーム１２に対して接続するために、ブッシュ１４の基端側からボルト２０３を螺合及び締結させる。ボルト２０３のヘッド２０３ａをワーク板２０８に当接させた後にさらに適度にトルクをかけると、ボルト２０３のねじ部とブッシュ１４のねじ部１５０との間に軸力Ｆが発生する。このとき、座面には適度な大きさの凹部２００が存在することから、ブッシュ１４は軸力Ｆによって基端側へ移動するように力を受けるが、基端側座面の周縁部２１０はワーク板２０８に当接していることから変位することができない。そうすると、ねじ部１５０には、概念的に、周縁部２１０を略基点として傾斜させるモーメントＭが発生することになり、内径方向に縮径するように変位する。図１５では、模式的にねじ部１５０の変位を仮想線を用いて誇張して示している。

また、ねじ部１５０は、ほぼ全長が側面縮径部２０２となっており、先端側ほど弾性的に変位しやすく、しかも先端側の端部２０４は円環線形状（図１３参照）となっており、ボルト２０３に噛み込みやすい。さらに、熱影響部１１２は、ばね体として作用することからねじ部１５０は変位しやすい。

つまり、従来ではボルト２０３と雌ねじ１５は、基端側の第１山部及び第１谷部で締結トルクの大部分を負担していて、第２山部及び第２谷部以降は締結トルクの負担の程度が小さいのに対して、本実施の形態に係るブッシュ１４では、基端側の座面に凹部２００が設けられていることから、ボルト２０３を締結する場合に、軸力Ｆによって該凹部２００が変形、変位する。この変位は、ブッシュ１４のほぼ全域に影響を与え、側面縮径部２０２は先端側に向かって肉薄となる形状であることから先端側ほど変形しやすく、第２山部及び第２谷部以降も内側に向かって縮径するように変位し、ボルト２０３に対して噛み込むように作用する。これにより、ブッシュ１４は簡便な構造でボルト２０３の緩みを効果的に防止することができる。

このようなブッシュ１４は、車両のように振動が発生するワークに用いる場合にも該振動による緩みが少なく、やや小径に設定でき、又は過大なトルクをかける必要がなくなる。

ブッシュ１４は、前記の雌ねじ加工装置１０以外の手段（例えば、切削や鍛造等）によって形成してもよい。ブッシュ１４の材質は、ベイナイト、フェライト、球状セメンタイト等に限られない。

本発明者は、本実施の形態に係るブッシュ１４にボルト２０３を締結させた場合と、従来のようにフレーム１２に通常のナット２１２を溶接接続させた場合でねじ山とねじ谷との間に発生する隙間の比較実験を行った。

その結果、ブッシュ１４にボルト２０３を締結させた場合には、図１６に示すように、全長に亘ってねじ山とねじ谷の間に隙間が少なく、特に先端部にはほとんど隙間がないことが確認された。これに対して、フレーム１２に通常のナット２１２を溶接接続させた場合では、図１７に示すように、全長に亘ってねじ山とねじ谷の間に隙間があり、特に先端部の隙間２１９が大きいことが確認された。この実験結果からも本実施の形態に係るブッシュ１４による緩み止め効果が理解されよう。

次に、変形例に係るナット２２０及び２２２を示す。ナット２２０及び２２２において、前記のブッシュ１４と同じ部分には同符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１８に示すように、第１の変形例に係るナット２２０は、前記のブッシュ１４をフレーム１２から切り取って単体としたものである。ナット２２０は、平面状のフレーム１２の一部及び熱影響部１１２を含んでおり、安定してワーク板２０８に当接する。

図１９に示すように、第２の変形例に係るナット２２２は、前記のブッシュ１４のうちフレーム１２及び熱影響部１１２を取り除いて単体としたものである。ナット２２２の基端側座面は、外周端を除いてほぼ全面が凹部２００を形成しており、側面縮径部２０２の縮径効果が高い。ナット２２２には、ワッシャ２２４を用いてもよい。

図２０に示すように、単体のナット２２２（又は２２０）の側面には、スパナ等の工具２２６を係合させる係合部２２８を設けてもよい。

上記の冷却ユニット６２に代えて、図２１に示す冷却ユニット３００を適用してもよい。ベアリングブロック６４の周囲をボックス３０２で覆い、該ボックス３０２に対してインレットパイプ３０４から冷却した圧縮空気を供給してベアリングブロック６４及び回転ロッド５６を冷却し、加工ツール６０を間接的に冷却することができる。ベアリングブロック６４をボックス３０２で覆うことにより、冷却された圧縮空気が無駄に拡散することなく、しかも高密度のまま冷却対象に接することから効率的な冷却が行われる。ボックス３０２内でベアリングブロック６４等を冷却した空気はインレットパイプ３０４の反対側に設けられたアウトレットパイプ３０６から排出される。これにより、圧縮空気が気中に排出されることがなく音が静かである。ボックス３０２内では、効率的な冷却がなされるように、圧縮空気の通過する経路を適正に設定する案内壁が設けられていてもよい。図２２に示すように、負極板６９の代わりにフレーム１２又はブッシュ加工位置Ｐを含むその一部を固定する加工台３１０や治具、台車等にアース線６９ａを設けておいてもよい。これにより、フレーム１２は電気的に負極に接続されることになり、加工機側に負極板６９が不要になり設備及び作業が簡便になる。

本発明に係るナットは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

雌ねじ加工装置を備えるロボットと、コントローラの略式機能ブロック図である。 雌ねじ加工装置の断面側面図である。 加工ツールの分解斜視図である。 雌ねじ加工方法の手順を示すフローチャートである。 アークにより加熱を行う様子を示す説明図である。 ブッシュ加工位置に設けられた肉盛部及び熱影響部の斜視図である。 ブッシュ加工位置に孔を形成する様子を示す説明図である。 Ｃ０．１３％、Ｍｎ０．５６％の炭素鋼における連続冷却状態図である。 タップ部により雌ねじを形成する様子を示す説明図である。 液冷式の冷却ユニットの模式断面図である。 変形例に係る加工ツールの側面図である。 ブッシュの断面カットモデルである。 ブッシュを斜め下方から見た斜視図である。 一般的なナット及びボルトの締結トルクを分担する応力分布を示すグラフである。 ブッシュにボルトを螺合及び締結させた状態を示す断面図である。 本実施の形態に係るブッシュにボルトを締結させた場合で、ねじ山とねじ谷との間に発生する隙間の確認をした実験結果を示す図である。 フレームに通常のナットを溶接接続させた場合で、ねじ山とねじ谷との間に発生する隙間の確認をした実験結果を示す図である。 第１変形例に係るナット、ワーク板及びボルトの断面図である。 第２変形例に係るナット、ワーク板及びボルトの断面図である。 係合部が設けられた第２変形例に係るナットの斜視図である。 変形例に係る冷却ユニットの側面図である。 アース線が設けられた加工台の模式図である。

符号の説明

１０…雌ねじ加工装置 １２…フレーム
１４…ブッシュ（ナット） １５…雌ねじ
１１２…熱影響部 １１４…母材部
１５０…ねじ部 ２００…凹部
２０２…側面縮径部 ２０３…ボルト
２０４…端部 ２０８…ワーク板
２１０…周縁部 ２１２、２２０、２２２…ナット
２２４…ワッシャ ２２６…工具
２２８…係合部

Claims (6)

1. 基端側が部品締結側であり、内腔に雌ねじを備えるナットであって、
   基端側の座面で、中心を含む部分に凹部が設けられるとともに、
   先端側に向かって肉薄となる形状の側面縮径部を有することを特徴とするナット。
2. 請求項１記載のナットにおいて、
   側面断面上で、前記側面縮径部は、側面の少なくとも全長の半分以上を含み、曲線形状となっていることを特徴とするナット。
3. 請求項１又は２記載のナットにおいて、
   前記凹部は、少なくとも雌ねじ径の１．２倍の範囲を含み、
   前記側面縮径部は、側面の少なくとも全長の半分以上を含むことを特徴とするナット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のナットにおいて、
   先端側の肉厚は、基端側端部の肉厚の１／１０以下であることを特徴とするナット。
5. 請求項４記載のナットにおいて、
   先端側の端部は、少なくとも一部が円環線形状となっていること特徴とするナット。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のナットにおいて、
   基端側の全周が金属板に接続され、
   前記凹部は前記金属板が先端側に向かって凸のテーパ形状となって形成されていることを特徴とするナット。

Images