JP2014193510A - Tightening method of screw and tightening device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ねじ類を締付ける方法、そのための締付け装置に関する。特に、ねじ構造を精度よく締め付けることのできる方法、およびそれに用いられる装置に関する。 The present invention relates to a method for fastening screws and a fastening device therefor. In particular, the present invention relates to a method capable of tightening a screw structure with high accuracy, and an apparatus used therefor.
従来からボルト等のねじは、機械装置、電気装置、化学装置、建物、橋梁等の組み立て等、広い範囲にわたって使用されている。 Conventionally, screws such as bolts have been used over a wide range such as assembly of mechanical devices, electrical devices, chemical devices, buildings, bridges, and the like.
ねじの締付力は、通常はJIS B 1083の「ねじの締付け通則」に規定されている「トルク法」、すなわち締付けトルクで管理するのが一般的である。しかしながら、締付けトルクを一定にしても締付け力のばらつきが大きくなり、締付力管理の信頼性が十分とは言えなかった。その理由は、ねじと被締結物の表面粗さのばらつきのために、表面の付着物や酸化等の変質のために、あるいは、締付時に摺動面の接触圧力が不均一となり、摺動面の局所的に接触圧力の高い部分において摺動面が互いに食い込みを生じたり癒着を生じたりして、ねじ頭と座面間の摩擦係数および雄ねじと雌ねじ間の摩擦係数が一本一本異なる値となることによる。 The tightening force of a screw is generally managed by the “torque method” defined in “Screw tightening rules” of JIS B 1083, that is, tightening torque. However, even if the tightening torque is kept constant, the variation in the tightening force increases, and the reliability of the tightening force management cannot be said to be sufficient. The reason is that the contact pressure on the sliding surface becomes uneven due to unevenness of the surface roughness between the screw and the object to be fastened, due to surface deposits, alterations such as oxidation, or when tightening. The frictional surface between the screw head and the seating surface and the coefficient of friction between the male screw and the female screw are different one by one because the sliding surfaces bite into each other or cause adhesion in the locally high contact pressure part of the surface. By becoming a value.
ねじの締付け力が適切でないと、ねじに緩みを生じたり、あるいは金属疲労によってねじが折れたりねじ山が潰れたりすることがある。運輸分野や構造物においては、ねじの破損は人命にかかわる重要な問題である。従って、高精度な締付けが実現すれば、機械や構造物の安全性が向上する。また、高精度の締付力が実現すれば、設計において安全係数を低くすることが可能になり、軽量化や生産費用削減が実現できる。そこで、ねじに振動を与えつつ締め付けを行うことによって締め付け力を均一にし、高精度に締め付けを行うねじ類の締め付け方法が提案されている(特許文献1参照)。 If the tightening force of the screw is not appropriate, the screw may become loose, or the screw may be broken or the thread may be crushed due to metal fatigue. In the transportation sector and structures, screw breakage is an important issue that affects human life. Therefore, if high-precision tightening is realized, the safety of machines and structures is improved. In addition, if a high-precision tightening force is realized, the safety factor can be lowered in the design, and the weight can be reduced and the production cost can be reduced. In view of this, a tightening method for screws has been proposed in which the tightening force is made uniform by tightening while applying vibration to the screw, and the tightening is performed with high accuracy (see Patent Document 1).
摩擦力の影響を減少させる手段として、振動による摩擦力低減効果(非特許文献1)が知られている。また、振動による各種効果を高める手段として、振動の共振を利用する方法(非特許文献1)、及び振動を伝える振動体の断面積を変化させる方法(非特許文献1)が知られている。 As means for reducing the influence of the frictional force, a frictional force reduction effect by vibration (Non-Patent Document 1) is known. As means for enhancing various effects due to vibration, a method using resonance of vibration (Non-Patent Document 1) and a method of changing the cross-sectional area of a vibrating body that transmits vibration (Non-Patent Document 1) are known.
振動において大きな振幅を得る方法として、振動の共振を利用する方法(非特許文献2)と、振動を伝える振動体において振動の入力端の断面積よりも出力端の断面積を小さくすることによって振動の振幅が拡大する効果を利用する方法(非特許文献2)が知られている。 As a method of obtaining a large amplitude in vibration, a method using vibration resonance (Non-Patent Document 2) and a vibration body that transmits vibration by making the cross-sectional area of the output end smaller than the cross-sectional area of the input end of vibration There is known a method (Non-Patent Document 2) that utilizes the effect of increasing the amplitude of the signal.
上記特許文献1に記載の方法では、装置の駆動軸10とレンチ回転軸12との間に振動子8を介在させたり(図1参照)、駆動軸58に対して伝動歯車52,54を介して回転駆動されるレンチ回転軸の端部に振動子50を取り付けたり(図2参照)、振動子118を取り付けた外側の振動ハウジング116,130から被締結部材124に振動を与えたり(図3参照)することにより、ねじ構造に対して振動を与えている。
In the method described in
しかしながら、特許文献1の図1及び図2に示される装置では、レンチ回転軸に対して同軸に振動子を配置して振動を与えているため、締め付け構造に対する制約が大きく、また、締め付け力が振動子に与える影響も無視できないという問題点がある。
However, in the apparatus shown in FIG. 1 and FIG. 2 of
本発明は、締付け力が均一でかつ高精度な締め付け状態を得ることができるボルト等のねじ類の締付け方法、およびそれに用いるねじ類の締付け装置を提供することを目的としている。特に、締付け軸線の外側から充分な振動をねじ構造に与えることができる構造により、装置の構造上の制約を低減することのできる方法及び装置を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for tightening screws such as bolts and the like, and a tightening device for screws used in the tightening force, which can obtain a highly accurate tightening state with a uniform tightening force. In particular, it is an object of the present invention to realize a method and an apparatus that can reduce structural restrictions of the apparatus by a structure that can give a sufficient vibration to the screw structure from the outside of the tightening axis.
本発明は、ねじの締め付けにおける摩擦力の影響を減少させるために、振動による摩擦力低減効果を利用すること、分岐形状(例えば、十字型)の振動体と、この振動体による振動方向の直交変換を利用すること、好ましくは振動の効果を高めるために振動の共振を利用すること、を特徴とする。ここで、振動子等で発生された縦振動を入力する先端を備えるとともに第1の軸線に沿って延在する第1の分岐部と、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に接続される先端を備えるとともに第2の軸線に沿って延在する第2の分岐部と、第1の分岐部と第2の分岐部が交差する交差部とを有する分岐形状(例えば、十字型の形状)の振動体を用いる。第1の分岐部に入力された第1の軸線の方向の縦振動は直交変換により第2の軸線の方向の縦振動に変換されて第2の分岐部を伝搬し、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に与えられる。ここで、第2の分岐部の先端は、第2の軸線がねじ構造の軸線に沿って配置される姿勢で、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に接続されることが好ましい。また、典型的には、第1の軸線が第2の軸線と直交するように振動体が構成されることが好ましい。さらに、締結用ねじ部材を締付ける際に第2の軸線をねじ構造の軸線と一致させることが好ましい。特に、振動体に複数の第1の分岐部を設け、これらに相互に同位相の縦振動を入力することで、複数の振動子の縦振動を合成して締結用ねじ部材若しくは被締結部材を強力に加振することが可能になる。 The present invention uses a frictional force reduction effect due to vibration to reduce the influence of frictional force in screw tightening, a bifurcated (for example, cross-shaped) vibrating body, and an orthogonal direction of vibration by the vibrating body. It is characterized by using transformation, preferably by using vibrational resonance to enhance the effect of vibration. Here, a first branch portion provided with a tip for inputting longitudinal vibration generated by a vibrator or the like and extending along the first axis, and a tip connected to a fastening screw member or a member to be fastened are provided. A vibration having a branch shape (for example, a cross shape) having a second branch portion that extends along the second axis and an intersection portion where the first branch portion and the second branch portion intersect with each other. Use the body. The longitudinal vibration in the direction of the first axis input to the first branch portion is converted into the longitudinal vibration in the direction of the second axis by orthogonal transformation and propagates through the second branch portion, so that It is given to a fastening member. Here, it is preferable that the tip of the second branch portion is connected to the fastening screw member or the fastened member in a posture in which the second axis is disposed along the axis of the screw structure. Moreover, typically, it is preferable that the vibrating body is configured such that the first axis is orthogonal to the second axis. Furthermore, it is preferable that the second axis coincides with the axis of the screw structure when the fastening screw member is tightened. In particular, a plurality of first branch portions are provided in the vibrating body, and longitudinal vibrations having the same phase are input to each other, thereby synthesizing the longitudinal vibrations of the plurality of vibrators, and fastening screw members or members to be fastened. It becomes possible to vibrate strongly.
この場合に、振動体においては、第1の軸線の方向(例えば、横方向)に延在する第1の分岐部の寸法および第2の軸線の方向(例えば、縦方向)に延在する第2の分岐部の寸法が、いずれも実質的にそれぞれ縦振動の1/4波長若しくはその奇数倍の長さに設定され、また、振動体の第1の軸線に沿った長さと第2の軸線に沿った長さが、いずれも実質的に縦振動の1/2波長若しくはその整数倍の長さに設定されることが好ましい。これによって、振動子から入力される縦振動は、振動体を第1の軸線の方向に共振させることができ、また、交差部を介した直交変換により、第2の方向にも振動体を共振させることができるため、効率的にねじ構造を加振することができる。すなわち、振動子が発生した振動は、第1の軸線の方向に振動体を共振させ、それが振動体の交差部でポアソン比の効果によって、第2の分岐部における第2の軸線の方向の縦振動に変換される。そして、この変換された縦振動は、振動体の第2の分岐部を第2の軸線の方向にも共振させる。振動方向の変換はポアソン比の効果によるものであるので、第1の軸線の方向の振動と、第2の軸線の方向の振動は、振動周期の半周期の位相差を伴う。そして、締結用ねじ部材(例えば、ボルトまたはナット)若しくは被締結部材を、共振による第2の軸線の方向の振動振幅が極大となる位置に置いて加振することによって、縦振動による摩擦低減効果を高めて締付けを行うことができる。 In this case, in the vibrating body, the dimension of the first branch portion extending in the direction of the first axis (for example, the horizontal direction) and the second dimension extending in the direction of the second axis (for example, the vertical direction). The dimensions of the two branch portions are substantially set to a quarter wavelength of the longitudinal vibration or an odd multiple thereof, respectively, and the length along the first axis of the vibrator and the second axis It is preferable that the length along the length is substantially set to a half wavelength of longitudinal vibration or an integral multiple thereof. As a result, the longitudinal vibration input from the vibrator can resonate the vibrating body in the direction of the first axis, and also resonate the vibrating body in the second direction by orthogonal transformation through the intersection. Therefore, the screw structure can be vibrated efficiently. That is, the vibration generated by the vibrator causes the vibrating body to resonate in the direction of the first axis, which is in the direction of the second axis at the second branch due to the Poisson's ratio effect at the intersection of the vibrating bodies. Converted to longitudinal vibration. Then, the converted longitudinal vibration causes the second branch portion of the vibrating body to resonate also in the direction of the second axis. Since the change of the vibration direction is due to the effect of the Poisson's ratio, the vibration in the direction of the first axis and the vibration in the direction of the second axis are accompanied by a phase difference of a half period of the vibration period. Then, the fastening screw member (for example, a bolt or nut) or the member to be fastened is vibrated by placing it at a position where the vibration amplitude in the direction of the second axis due to resonance is maximized, thereby reducing the frictional effect due to longitudinal vibration. Can be tightened.
振動子は1つ以上を取り付ける。単一の振動子の場合には振動子から発生する第1の方向の縦振動が交差部(例えば、直交部)において直交変換されるだけであるが、複数の振動子を取り付けた場合は、相互に同位相となるように駆動することによって、交差部においてそれらの第1の軸線と交差する方向(例えば、直角方向)の振動が合成されて、第2の軸線の方向の強力な振動へと変換される。振動体における交差部を介した直交変換を実現するには、振動子の交差部において縦振動の節が形成されるように構成する。ここで、振動子において、第1の軸線に沿った共振を実現するには、振動体の第1の軸線に沿った長さを1/2波長若しくはその整数倍に設定する。この場合に、第1の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ延在する一対の第1の分岐部を設け、各第1の分岐部の長さをそれぞれ縦振動の1/4波長若しくはその奇数倍に設定することが好ましい。この場合には、両側一対の第1の分岐部の長さの合計が1/2波長若しくはその整数倍に設定され、当該長さにわたって定在波が形成される。また、第2の軸線に沿った共振を実現するには、振動体の第2の軸線に沿った長さを1/2波長若しくはその整数倍に設定する。この場合に、第2の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ延在する一対の第2の分岐部を設け、各第2の分岐部の長さをそれぞれ縦振動の1/4波長若しくはその奇数倍に設定することが好ましい。これによって、振動体の第2の軸線に沿った長さ、すなわち、両側一対の第2の分岐部の長さの合計が1/2波長若しくはその整数倍に設定され、当該長さにわたって定在波が形成される。 One or more vibrators are attached. In the case of a single vibrator, the longitudinal vibration in the first direction generated from the vibrator is only orthogonally transformed at the crossing portion (for example, the orthogonal portion), but when a plurality of vibrators are attached, By driving so as to be in phase with each other, vibrations in the direction intersecting with the first axes (for example, a right angle direction) are synthesized at the intersecting portion, and strong vibrations in the direction of the second axis are obtained. Is converted. In order to realize the orthogonal transformation through the intersecting portion in the vibrating body, the configuration is such that a node of longitudinal vibration is formed at the intersecting portion of the vibrator. Here, in the vibrator, in order to realize resonance along the first axis, the length along the first axis of the vibrating body is set to ½ wavelength or an integral multiple thereof. In this case, a pair of first branch portions extending on both sides of the intersecting portion along the first axis line are provided, and the length of each first branch portion is set to ¼ wavelength of longitudinal vibration or its length, respectively. It is preferable to set to an odd multiple. In this case, the total length of the pair of first branch portions on both sides is set to ½ wavelength or an integral multiple thereof, and a standing wave is formed over the length. Further, in order to realize resonance along the second axis, the length along the second axis of the vibrating body is set to ½ wavelength or an integral multiple thereof. In this case, a pair of second branch portions extending on both sides of the intersecting portion along the second axis are provided, and the length of each second branch portion is set to 1/4 wavelength of longitudinal vibration or its It is preferable to set to an odd multiple. As a result, the length along the second axis of the vibrating body, that is, the total length of the pair of second branch portions on both sides is set to ½ wavelength or an integral multiple thereof, and the length is constant over the length. A wave is formed.
振動子の振動入力軸線である第1の軸線を、振動出力軸線である第2の軸線と食い違うようにずらすことにより、締結用ねじ部材又は被締結部材に、第2の軸線の方向の縦振動に加えて、第2の軸線の周りのねじり振動を与えることができる。このとき、第1の軸線と第2の軸線は、数学用語で言えば、ねじれの位置の関係にある。この場合に、第2の軸線に沿ってねじ構造に振動を与える場合には、当該振動には、ねじ構造の軸線方向の成分と、ねじ構造の軸線周りのねじり方向の成分とが含まれる。両成分の比率は、第1の軸線に対する第2の軸線(ねじ構造の軸線)の周りのずれ量によって変わる。複数の振動子を用いる場合には、複数の振動子を同位相で動作させるとともに、それぞれの第1の軸線を第2の軸線の周りの同じ向きにずらすことにより、第2の軸線の周りのねじり振動の成分を増大させることができる。 By displacing the first axis that is the vibration input axis of the vibrator so as to be different from the second axis that is the vibration output axis, the longitudinal vibration in the direction of the second axis is caused on the fastening screw member or the member to be fastened. In addition, torsional vibration about the second axis can be provided. At this time, in terms of mathematical terms, the first axis and the second axis are in a positional relationship of torsion. In this case, when vibration is applied to the screw structure along the second axis, the vibration includes a component in the axial direction of the screw structure and a component in the torsional direction around the axis of the screw structure. The ratio of both components varies depending on the amount of deviation around the second axis (the axis of the screw structure) with respect to the first axis. When a plurality of vibrators are used, the plurality of vibrators are operated in the same phase, and each first axis is shifted in the same direction around the second axis, so that The component of torsional vibration can be increased.
振動のねじ構造への伝達態様としては、振動体を含む締付け装置の振動出力軸線である第2の軸線上に設けられた回転係合部(例えば、レンチ状係合部)から、同じ第2の軸線上に配置されるねじ構造を有する締結用ねじ部材を経てねじ摺動部分に伝えられるようにしてもよく、あるいは、振動体から被締結部材(例えば、板その他の構造物)を経てねじ摺動部分に伝えられるようにしてもよい。特に、ねじ類の締付け方法としては、上記振動体を用いて、締結用ねじ部材若しくは被締結部材に縦振動を与えながら、上記振動体とは別の器具を用いて締結用ねじ部材を回転駆動して締付けるようにしてもよい。 As a transmission mode of the vibration to the screw structure, the second rotation is the same from the rotation engagement portion (for example, the wrench-like engagement portion) provided on the second axis that is the vibration output axis of the tightening device including the vibrating body. The screw may be transmitted to the screw sliding portion through a fastening screw member having a screw structure disposed on the axis of the screw, or may be passed from a vibrating body through a member to be fastened (for example, a plate or other structure). It may be transmitted to the sliding portion. In particular, as a method of tightening screws, the fastening screw member is rotationally driven by using a tool other than the vibrator while applying longitudinal vibration to the fastening screw member or the fastening member using the vibrator. Then, it may be tightened.
また、本発明の締付け装置は、以下の構成を具備する。
(1)振動を付与する手段としての振動子と、これに接続された振動体。この振動体は、第1の軸線に沿って延在する第1の分岐部と、この第1の軸線と異なる第2の軸線に沿って延在する第2の分岐部と、第1の分岐部と第2の分岐部が交差する交差部と、を有する。第1の分岐部の先端には振動子が接続され、第2の分岐部の先端には締結用ねじ部材若しくは被締結部材が接続される。また、第1の軸線の方向の縦振動は第1の分岐部から交差部を介して第2の軸線の方向の縦振動に直交変換され、第2の分岐部を伝搬する。
(2)締結用ねじ部材をそのねじ構造の軸線の周りに回転駆動するための回転駆動部。この回転駆動部は、例えば、ねじ構造の軸線の周りに回転力を与えるためのハンドル、モータ等の回転駆動源などで構成できる。
(3)締結用ねじ部材に対してそのねじ構造の軸線の周りの回転方向に係合する回転係合部。この回転係合部は、例えば、レンチ状係合部、スパナ状係合部、ドライバ状係合部などで構成できる。特に、回転駆動部と回転係合部を上記振動体に設けるか、或いは、接続することによって、回転駆動部によって与えられる駆動力を振動体と回転係合部を介して締結用ねじ部材に与えることができ、締付け装置を簡易に構成できる。さらに、回転駆動部と回転係合部を振動体の第2の軸線に沿った両端部に設けることにより、第2の分岐部の先端で締結用ねじ部材に縦振動を与えつつ回転駆動により締付けを行うことができる。回転係合部は上記振動体の第2の分岐部の先端において締結用ねじ部材に対する振動伝達部分として兼用できるように設けられることが好ましいが、第2の分岐部の先端において振動伝達部分とは別に設けられてもよい。上記第2の軸線に沿って伝搬する縦振動は、締結用ねじ部材に係合する回転係合部とは別に上記第2の分岐部に設けられた箇所から被締結部材に与えることもできる。
The tightening device of the present invention has the following configuration.
(1) A vibrator as means for applying vibration and a vibrator connected to the vibrator. The vibrating body includes a first branch portion that extends along a first axis, a second branch portion that extends along a second axis different from the first axis, and a first branch. And an intersecting portion where the second branch portion intersects. A vibrator is connected to the tip of the first branch portion, and a fastening screw member or a member to be fastened is connected to the tip of the second branch portion. Further, the longitudinal vibration in the direction of the first axis is orthogonally transformed from the first branching portion to the longitudinal vibration in the direction of the second axis via the intersection, and propagates through the second branching portion.
(2) A rotational drive unit for rotationally driving the fastening screw member around the axis of the screw structure. This rotational drive part can be comprised by rotational drive sources, such as a handle | steering-wheel for giving rotational force around the axis line of a screw structure, a motor, etc., for example.
(3) A rotational engagement portion that engages with the fastening screw member in the rotational direction around the axis of the screw structure. This rotation engagement part can be comprised by a wrench-like engagement part, a spanner-like engagement part, a driver-like engagement part, etc., for example. In particular, by providing or connecting the rotation drive unit and the rotation engagement unit to the vibration body, the driving force applied by the rotation drive unit is applied to the fastening screw member via the vibration body and the rotation engagement unit. Therefore, the tightening device can be configured easily. Further, by providing the rotational drive portion and the rotational engagement portion at both ends along the second axis of the vibrating body, tightening by rotational drive while applying longitudinal vibration to the fastening screw member at the tip of the second branch portion It can be performed. The rotation engagement portion is preferably provided so that it can also be used as a vibration transmission portion for the fastening screw member at the tip of the second branch portion of the vibrating body. It may be provided separately. The vertical vibration propagating along the second axis can be applied to the member to be fastened from a place provided in the second branch portion separately from the rotation engaging portion that engages with the fastening screw member.
この発明によれば、振動子の振動入力軸線である第1の軸線と、ねじ構造へ向かう振動出力軸線である第2の軸線とを異なる方向に設定し、第1の軸線に沿った縦振動を第2の軸線に沿った振動に直交変換させることによって、第2の軸線から外れた位置及び方向に振動子を配置することができるため、振動子の位置や方位に関する構造上の制約を低減することができる。 According to the present invention, the first axis that is the vibration input axis of the vibrator and the second axis that is the vibration output axis toward the screw structure are set in different directions, and longitudinal vibration along the first axis. By orthogonally transforming to the vibration along the second axis, the vibrator can be placed at a position and direction deviating from the second axis, thereby reducing structural constraints on the position and orientation of the vibrator can do.
特に、振動体の共振若しくは振動体で複数の振動子の振動を合成することによって、縦振動の摩擦低減効果をより高めて、ねじ構造の締付けに利用することができる。それによって、ねじ構造の締付けに対する摩擦の影響を大幅に低減することができる。ねじ構造の締付けに対する摩擦の影響を大幅に低減することによって、締結されたねじ構造における摩擦係数のばらつきの影響を大幅に低減することができる。締結されたねじ構造の摩擦係数のばらつきの影響を大幅に低減することによって、摩擦係数のばらつきの影響で軸力のばらつきが生じやすいトルク法締付における軸力のばらつきを大幅に低減することができる。 In particular, by resonating the vibrating body or synthesizing the vibrations of a plurality of vibrators with the vibrating body, the friction reducing effect of longitudinal vibration can be further enhanced and used for tightening the screw structure. Thereby, the influence of friction on the tightening of the screw structure can be greatly reduced. By greatly reducing the influence of friction on the tightening of the screw structure, the influence of variation in the friction coefficient in the tightened screw structure can be greatly reduced. By greatly reducing the effect of variation in the friction coefficient of the tightened screw structure, it is possible to greatly reduce the variation in the axial force in torque method tightening, where the variation in the axial force is likely to occur due to the effect of the variation in the friction coefficient. it can.
そして、上述のようにねじの軸力のばらつきを大幅に低減することによって、ねじ構造の軸線(ボルト軸)の方向の軸力の不均一による被締結物のゆがみを防ぐことができる。また、上記軸力を高い値に均一化することが可能になり、ねじの緩みを防いで信頼性を増すことができる。また、より少ない数のボルトで締付けを行うことが可能になり、軽量化や生産費用削減が実現できる。 And as mentioned above, by greatly reducing the variation in the axial force of the screw, it is possible to prevent the object to be fastened from being distorted due to the uneven axial force in the direction of the axial line (bolt shaft) of the screw structure. In addition, the axial force can be made uniform at a high value, and the looseness of the screw can be prevented to increase the reliability. In addition, it is possible to perform tightening with a smaller number of bolts, which can realize weight reduction and production cost reduction.
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図1〜3は、この発明の一実施形態である、2個の振動子の縦振動を合成してボルト軸の方向に振動を加えながら締め付けを行う装置の構成図である。なお、後述するように、縦振動は超音波振動であることが好ましい。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIGS. 1 to 3 are configuration diagrams of an apparatus according to an embodiment of the present invention, which combines the longitudinal vibrations of two vibrators and tightens them while applying vibrations in the direction of the bolt shaft. As will be described later, the longitudinal vibration is preferably ultrasonic vibration.
振動子1は、後述するボルト締めランジュバン振動子(BLT)などのような、縦振動、好ましくは超音波振動を発生し、この縦振動を振動体に入力させることのできる各種の振動子を用いることができる。また、振動子1に接続される振動体2は、第1の軸線に沿って延在する第1の分岐部と、第1の軸線と交差し、好ましくは直交する第2の軸線に沿って延在する第2の分岐部と、第1の分岐部と第2の分岐部が交差する交差部とを備えた分岐形状を備えている。図1に示す振動体2は、中央の交差部から図示水平方向の両側にそれぞれ共通の水平な第1の軸線に沿って突出する一対の第1の分岐部と、上記交差部から図示上下方向両側にそれぞれ共通の垂直な第2の軸線に沿って突出する第2の分岐部とを備え、これらの合計4つの分岐部が延在する、第1の軸線と第2の軸線を含む平面に沿った断面が十字型の形状を有する。左右一対の第1の分岐部の先端にはそれぞれ振動子取付部5が設けられ、これらの振動子取付部5にそれぞれ振動子1が接続固定されている。また、振動体2の上側の第2の分岐部の先端にはハンドル取付部4が設けられ、このハンドル取付部4には、水平に伸びるハンドル11の垂直に伸びる基端部が接続固定されている。さらに、振動体2の下側の第2の分岐部の先端にはレンチ取付部6が設けられ、例えば、六角穴などのレンチ構造を有するレンチ状係合部8が取り付けられる。振動体2の上記第1の分岐部と第2の分岐部はいずれも角柱状(具体的には正四角柱状)に構成されている。
The
振動体2の上記振動体取付部5において、振動子1と振動体2は、図3に示す振動子取付ねじ10によって結合される。ここで、両者は、上記縦振動に関して振動子1と振動体2が一体とみなされ得る程度に第1の軸線の方向に強固に結合される。この第1の軸線は、振動子1から振動体2に入力される縦振動の伝搬方向に沿った振動入力軸線に相当する。また、振動体2の上記ハンドル取付部4は、角穴と角柱の嵌合等の回転方向に係合する連結態様によって着脱可能にハンドル11の基端部と連結されることが好ましい。
In the vibrating
振動体2の下側の第2の分岐部の先端のレンチ取付部6はレンチ状係合部8を介してナット3やボルト7等の締結用ねじ部材に接続される。ここで、レンチ状係合部8は、ナット3やボルト7等の締結用ねじ部材に対して回転方向に係合する嵌合構造、例えば、レンチ状係合部、スパナ状係合部、ドライバ状係合部などを備えた嵌合部材の一例である。振動体2の上記レンチ取付部6も、レンチ状係合部8に対して角穴と角柱の嵌合等の回転方向に係合する連結態様によって着脱可能に連結されることが好ましい。締結用ねじ部材であるナット3とボルト7は、相互に螺合されることにより、被締結部材である被締結物9を締結する。この場合に、上記ハンドル11を回動操作することにより、振動体2を介してレンチ状係合部8がナット3を保持した状態でボルト7の軸線(ねじ構造の軸線)の周りに回転駆動される。これによって、被締結物9は締付け固定される。
A
このとき、2個の振動子1には相互に等しい周波数で等しい同位相の交流電圧が加えられ、それによって発生した振動は振動体2を振動させる。ここで、振動体2の左右の第1の分岐部の長さは予めそれぞれ上記振動の1/4波長(1/4波長の奇数倍でもよい。)に調整されている。これによって、第1の軸線に沿った一対の第1の分岐部の合計の長さは1/2波長(1/2波長の整数倍)となるため、第1の軸線に沿って定在波が形成され、振動体2を共振させる。そして、この例では、両側に接続された2つの振動子1が発生した振動が合成される。ハンドル11の回転操作によって被締結物9を締付けるとき、摩擦は、ねじ構造におけるおねじとめねじの接触面の間、および、ボルト7またはナット3の座面と被締結物9の間にそれぞれ生じるので、上記振動をボルト7、ナット3、被締結物9のいずれに加えても摩擦低減効果が得られる。締め付けトルクはハンドル11から振動体2のハンドル取付部(支持部)4を介して振動体2に伝えられ、さらに振動体2に取り付けられているレンチ状係合部8からナット3へ伝えられてナット3とボルト7が締結される。
At this time, alternating current voltages having the same frequency and the same phase are applied to the two
図4はこの発明の実施形態に用いることのできる、4個の振動子1の振動を合成してボルト7の軸線方向(ねじ構造の軸線)に振動を加えながら締付けを行うことが可能な振動体2の形状を示す斜視図である。この振動体2は、ハンドル取付部4とレンチ取付部6を有する図示垂直の上下二つの第2の分岐部の第2の軸線に対して交差(図示例では直交)するように側方へ突出する4つの第1の分岐部を備え、各第1の分岐部の先端に振動子取付部5がそれぞれ設けられる。ここで、4つの第1の分岐部は、水平面上で90度間隔となるように設定された第1の軸線をそれぞれ備えている。なお、この振動体2を用いる場合であっても、振動体2に取り付ける振動子1の個数は製作時に1〜4個の中から任意に選ぶことができる。ただし、4つの第1の分岐部のうち振動子1を取り付けない第1の分岐部を一つでも設けると、その分、振動子1の数が減少することで、合成された第2の軸線に沿った縦振動のエネルギーも減少する。また、交差部から振動子1が接続されない第1の分岐部へ僅かではあるが振動エネルギーが漏出することで、その分、第2の軸線に沿った第2の分岐部からねじ構造へ向かう振動エネルギーが低下する。したがって、振動体2においては、交差部から延在する第1の分岐部の全てに振動子1をそれぞれ取り付けることが最も好ましい。なお、この点は、他の実施形態の場合でも同様である。
FIG. 4 is a vibration that can be used in the embodiment of the present invention and can be tightened while synthesizing the vibrations of the four
図5はこの発明に係わる振動体の実施形態に用いることのできる、3つの振動子の振動を合成することの可能な、平面形状が6角形の振動体2を示す斜視図である。この振動子2は、第1の分岐部として平面形状が6角形の板状部が設けられ、この板状部の中央の交差部から上下に突出する一対の第2の分岐部が設けられている。第1の分岐部の6つの外側面のうちの一つ置きの各側面にそれぞれ振動子取付部5が設けられている。したがって、この振動子2には、1〜3個の振動子1を取り付けることができる。全ての振動子取付部5にそれぞれ振動子1を取り付けた場合には、第2の軸線の周りに120度間隔で振動子1が接続され、各振動子1に対応して第1の軸線も120度間隔で配置される。この振動体2は、水平な3つの第1の軸線に沿って延在し、先端に振動子取付部5を有する第1の分岐部と、この第1の分岐部に対して交差部を介して接続された、先端にハンドル取付部4とレンチ取付部6を有し、垂直な第2の軸線に沿って延在する上下二つの第2の分岐部を有する。この例でも、第1の軸線と第2の軸線に沿った縦断面が十字型であること、および、複数の振動子1から発せられる振動を共振させるために、第1の軸線に沿った寸法(3本の第1の軸線のうちいずれか2本の軸線に沿った長さの合計)と、第2の軸線に沿った寸法(図示垂直方向の寸法)が振動の半波長の整数倍であること、全ての振動子1が同位相で駆動されること、という要件を満たしていれば上記と同様の作用効果が得られる。なお、この例に示すように、振動子1の個数は奇数でもよいことが判る。また、図示例の6角形の平面形状を有する振動体2の場合、全ての外側面(6面)に振動子取付部5を設けても構わず、さらに、任意に選択した外側面に振動子1を取り付けてもよい。
FIG. 5 is a perspective view showing a vibrating
図6は、いままでに示した各種の振動体2の共振状態における振動の振幅の分布図である。水平方向両側に延在する第1の分岐部の第1の軸線と、上下二つの第2の分岐部の第2の軸線の双方を含む平面(図6の紙面)に沿った縦断面を十字型として、第1の軸線に沿った横方向の寸法と、第2の軸線に沿った縦方向の寸法を目標周波数の波長の半波長の整数倍とし、且つ、横方向の第1の軸線に沿った構造部分(複数の第1の分岐部)と、縦方向の第2の軸線に沿った構造部分(上下一対の第2の分岐部)を、振動の節13で交差させる。これによって、縦方向と横方向に共振が生じ、且つ、それぞれ各分岐部の先端が振動の腹12、交差部が振動の節13になる。なお、第1の軸線の方向の振動について交差部に振動の節13が形成されるようにするには、分岐部の両側にある第1の分岐部の長さ(各分岐部の先端から交差部までの長さ)を振動の1/4波長若しくはその奇数倍にすればよい。同様に、第2の軸線の方向の振動について交差部に振動の節13が形成されるようにするには、分岐部の両側にある第2の分岐部の長さ(各分岐部の先端から交差部までの長さ)を振動の1/4波長若しくはその奇数倍にすればよい。図6では各分岐部の長さはいずれも1/4波長に設定されている。第1の軸線の方向、すなわち、横方向の振動と、第2の軸線の方向、すなわち、縦方向の振動との間には、振動周期の半周期の位相差があり、これによって横方向の振動が縦方向の振動へと変換及び合成が行われる(直交変換)。
FIG. 6 is a distribution diagram of vibration amplitudes in the resonance state of the various vibrating
なお、図7に示すように、共通の第1の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ第1の分岐部が設けられる場合、これらの第1の分岐部が異なる長さであってもよい。図7では、一方の第1の分岐部(図示左側)が1/4波長、他方の第1の分岐部(図示右側)が3/4波長に相当する長さである場合を示している。また、上記と同様に、共通の第2の軸線に沿って交差部の両側にそれぞれ第2の分岐部が設けられる場合、これらの第2の分岐部が異なる長さであってもよい。図7では、一方の第2の分岐部(図示上側)が1/4波長、他方の第2の分岐部(図示下側)が3/4波長に相当する長さである場合を示している。 In addition, as shown in FIG. 7, when the 1st branch part is each provided in the both sides of an intersection part along a common 1st axis line, these 1st branch parts may have different length. . FIG. 7 shows a case where one first branch portion (left side in the figure) has a length corresponding to ¼ wavelength, and the other first branch portion (right side in the figure) has a length corresponding to 3/4 wavelength. Similarly to the above, when the second branch portions are provided on both sides of the intersection along the common second axis, the second branch portions may have different lengths. FIG. 7 shows a case where one second branch portion (upper side in the drawing) has a length corresponding to ¼ wavelength, and the other second branch portion (lower side in the drawing) has a length corresponding to 3/4 wavelength. .
本願発明者らは、実際に、振動子1としてボルト締めランジュバン振動子(BLT)を用い、図1〜3に示す振動体(Horn)2として、アルミニウムからなるブロック体を用いて、ねじ類の締付け実験を行った。振動子1の周波数は基本的に約28kHzであるが、実際には共振状態となるように周波数を微調整して実験を行った。振動体2の音響特性は縦波速度v=5000m/sであり、周波数28kHzにおいて縦振動の波長は、λ=f/v=178.6×10−3mである。振動体2の各分岐部の寸法は全て上述のように振動の半波長に対応する長さに設定した。実際には上記各値を元に有限要素法解析を用いて複数の形状の振動体2を検討しているが、最終的に図1〜3に示す十字型のホーン形状を採用した。これらの条件や手法は後述の図8〜10に示す実施形態について行った実験でも同様である。
The inventors of the present application actually used a bolted Langevin vibrator (BLT) as the
また、上記振動子1及び振動体2を用いて図1に示す締付け装置により、実際に被締結物9をボルト7とナット3によって締結した。ボルト7、ナット3、被締結物9の間の座面と、ボルト7とナット3のねじ面には、それぞれ二硫化モリブデングリスを塗布した。上記振動体2の対向する一対の振動子取付部5にそれぞれ振動子1を取り付け、発信器から発せられた電気信号を振動子に印加した。そして、全体が共振する周波数になるように電気信号の周波数を調整した。その後、トルク法で5N・mごとに締付トルクを増大させていき、最終的に35N・mになるまで9本のボルト、ナットに対して締付け実施を行った。なお、実際には、振動子1による加振の有無についてそれぞれ実験を行った。この実験により、ボルト7とナット3の締付け時に効率的かつ十分に超音波振動を印加できることが確認できた。
Further, the article 9 to be fastened was actually fastened by the
図8〜10は、この発明の実施形態に用いることのできる、振動子1の第1の軸線に、第2の軸線(ねじ構造の軸線)に対する食い違い(第2の軸線の周りの半径方向のずれ)がある振動体2によって、ねじ構造に対して、その軸線と一致した第2の軸線の方向の振動成分と、この第2の軸線の周りのねじり振動の成分とを共に加えながら締め付けを行う装置の構成図である。本実施形態では、振動子1の第1の軸線を、第2の軸線と交差させずにその軸線の周りにずらすことにより、ボルトまたはナットのねじ構造に、第2の軸線の方向の振動に加えて、第2の軸線の周りのねじり振動を与えながら締め付けを行う。ここで、この振動体2においては、第1の軸線と第2の軸線とがねじれの位置(数学用語)の関係にあるので、これらの軸線同士が交差することはないが、図9に示すように、振動体2に設けられた第1の分岐部と第2の分岐部は中央の交差部において交差している。これにより、この実施形態においても、先の複数の第1の軸線に沿った長さの合計が振動の1/2波長若しくはその整数倍になっていることで振動体2を共振させることができる。
8 to 10 show that the first axis of the
上記ねじり振動が与えられることにより、ねじ構造に沿った締付け方向に振動が加えられるため、ねじ構造の摩擦力が実質的に減少し、締付け後に生ずる軸力のばらつきが低減する。この実施形態による振動子2を用いて実際に上記と同様の方法で実験を行った結果、ねじり振動を与えない場合に比べて、軸力のばらつき(負荷軸力の標準偏差σ)が5%程度改善することが判明した。
By applying the torsional vibration, vibration is applied in the tightening direction along the screw structure, so that the frictional force of the screw structure is substantially reduced, and variation in axial force generated after tightening is reduced. As a result of actually conducting an experiment in the same manner as described above using the
尚、本発明に係るねじ類の締付け方法及び締付け装置は、上述の図示例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記各実施形態は振動子の個数が2〜4個であるが、第1の軸線と第2の軸線に沿った断面が分岐形状(例えば、十字型の形状)であること、および、各分岐部の長さが1/4波長若しくはその奇数倍の長さであること、また、振動体の第1の軸線に沿った長さと第2の軸線に沿った長さが振動の半波長の整数倍であること、さらに、複数の振動子1が接続される場合には全ての振動子が同位相で駆動されること、という要件を満たしている場合には、振動子の個数、振動体の形状などは特に限定されない。また、上記実施例では、ねじを締結する方法及び装置について説明したが、本発明はねじを緩める場合にも適用することができる。
The screw tightening method and the tightening device according to the present invention are not limited to the illustrated examples described above, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in each of the above embodiments, the number of vibrators is 2 to 4, but the cross section along the first axis and the second axis is a branched shape (for example, a cross-shaped shape), and The length of each branching portion is a quarter wavelength or an odd multiple thereof, and the length along the first axis of the vibrating body and the length along the second axis are the half wavelengths of vibration. If a plurality of
さらに、上記実施例では、振動体の第2の分岐部の先端にレンチ状係合部8を接続し、このレンチ状係合部8を締結用ねじ部材に係合させて振動を与えながら同時に締付けるようにしているが、第2の分岐部の先端の一部を被締結部材に接触させて振動を与えると同時に、第2の分岐部の先端の別の部分を締結用ねじ部材に係合させて締付けるようにしてもよい。例えば、振動体の第2の分岐部の先端に、中心側に形成された回転係合部と、この回転係合部の外周側に、被締結部材に接触する振動伝達部を同軸の円環状、若しくは、非円環状に設けるようにしてもよい。もちろん、振動体の第2の分岐部の先端を被締結部材に接触させて振動を与えつつ、振動体とは別の、回転駆動部と締結用ねじ部材に係合する回転係合部とを備えた締付け器具若しくは装置により締結用ねじ部材を回転駆動して締付けるようにしてもよい。
Furthermore, in the above-described embodiment, the wrench-
1:振動子、2:振動体、3:ナット、4:(振動体の)ハンドル取付部、5:(振動体の)振動子取付部、6:(振動体の)レンチ取付部、7:ボルト、8:レンチ状係合部、9:被締結物、10:振動子取付ねじ、11:ハンドル、12:振動の腹、13:振動の節、14:振動子による加振、15:振動体で変換後の振動 1: vibrator, 2: vibration body, 3: nut, 4: handle attachment portion of (vibration body), 5: vibrator attachment portion of (vibration body), 6: wrench attachment portion of (vibration body), 7: Bolt, 8: Wrench-like engaging part, 9: Fastened object, 10: Vibrator mounting screw, 11: Handle, 12: Antinode of vibration, 13: Node of vibration, 14: Excitation by vibrator, 15: Vibration Vibration after transformation in the body
Claims (8)
第1の軸線に沿って延在する第1の分岐部と、前記第1の軸線とは異なる第2の軸線の方向に延在する第2の分岐部と、前記第1の分岐部と前記第2の分岐部が交差する交差部とを有する分岐形状の振動体を用いて、前記第1の分岐部の先端から前記第1の軸線の方向に縦振動を入力し、当該縦振動を、前記交差部を介した直交変換によって前記第2の軸線の方向の縦振動に変換して、前記第2の分岐部に伝搬させるとともに、前記第2の分岐部の先端を前記締結用ねじ部材若しくは前記被締結部材に接続して前記第2の軸線の方向の前記縦振動を与えながら、前記締結用ねじ部材を回転駆動することにより、前記ねじ構造の締付けを行うことを特徴とするねじ類の締付け方法。 A screw tightening method for tightening a screw structure while applying longitudinal vibration to a fastening screw member or a member to be fastened,
A first branch extending along a first axis, a second branch extending in a direction of a second axis different from the first axis, the first branch, and the Using a branch-shaped vibrating body having a crossing portion where the second branching portion intersects, longitudinal vibration is input in the direction of the first axis from the tip of the first branching portion, and the longitudinal vibration is It is converted into longitudinal vibration in the direction of the second axis by orthogonal transformation through the intersecting portion and propagated to the second branch portion, and the tip of the second branch portion is connected to the fastening screw member or The screw structure is tightened by rotationally driving the fastening screw member while applying the longitudinal vibration in the direction of the second axis by connecting to the member to be fastened. Tightening method.
前記第1の分岐部の前記第1の軸線に沿った長さ及び前記第2の分岐部の前記第2の軸線に沿った長さがいずれも実質的に前記縦振動の1/4波長若しくはその奇数倍に相当する長さであることを特徴とする請求項1に記載のねじ類の締付け方法。 Both the length along the first axis and the length along the second axis of the vibrating body are substantially ½ wavelength of the longitudinal vibration or an integral multiple thereof.
Both the length along the first axis of the first branch and the length along the second axis of the second branch are substantially ¼ wavelength of the longitudinal vibration or 2. The screw tightening method according to claim 1, wherein the length corresponds to an odd multiple thereof.
縦振動を発生する振動子と、
前記振動子が接続される先端を備えるとともに第1の軸線に沿って延在する第1の分岐部と、前記締結用ねじ部材若しくは前記被締結部材に接続される先端を備えるとともに前記ねじ構造の軸線に沿って配置される第2の軸線に沿って延在する第2の分岐部と、前記第1の分岐部と前記第2の分岐部が交差してなる交差部とを有する振動体と、
前記締結用ねじ部材を前記ねじ構造の軸線の周りに回転駆動するための駆動力を与える回転駆動部と、
前記締結用ねじ部材に対して前記ねじ構造の軸線の周りの回転方向に係合して前記駆動力を伝達する回転係合部と、
を具備することを特徴とするねじ類の締付け装置。 A screw tightening device for tightening a screw structure while applying longitudinal vibration to a fastening screw member or a member to be fastened,
A vibrator that generates longitudinal vibration;
A first branch portion provided with a tip to which the vibrator is connected and extending along a first axis, a tip connected to the fastening screw member or the fastened member, and the screw structure A vibrator having a second branch portion extending along a second axis disposed along the axis, and an intersection formed by intersecting the first branch portion and the second branch portion; ,
A rotation driving unit that applies a driving force for driving the fastening screw member to rotate about the axis of the screw structure;
A rotational engagement portion for engaging the fastening screw member in a rotational direction around an axis of the screw structure and transmitting the driving force;
A screw tightening device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013071024A JP2014193510A (en) | 2013-03-29 | 2013-03-29 | Tightening method of screw and tightening device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018164034A1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | 国立大学法人山梨大学 | Fixator |
-
2013
- 2013-03-29 JP JP2013071024A patent/JP2014193510A/en active Pending
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WO2018164034A1 (en) * | 2017-03-07 | 2018-09-13 | 国立大学法人山梨大学 | Fixator |
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