JP4341350B2 - ねじ締付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、ねじ締付け方法に関し、特に被締付体にねじ部材を締付けたときの軸力の精度向上が図れるねじ締付け制御方法に関する。

従来、被締付体にねじ部材を締付ける締付け方法としては、トルク法、角度法がある。トルク法は、一般的な方法として広く採用されており、設定トルクの範囲内になるまで締付けるものである。

また、角度法は、設定トルクまで締付けた後に、設定角度までねじ部材を締付けるようにしたものである。なお、設定角度は、マスター等を使って決められた要求軸力となる設定条件である。

しかしながら、従来技術のトルク法では、締付けトルクの約９０％がねじ部およびねじ部材の座面での摩擦係数等による抵抗によるものであるといわれており、これら部位の状態変化で締付けに必要な軸力が大きく変動する。そのため、通常管理では軸力保証をすることは難しい。

また、角度法は、トルク法に比べて軸力のばらつきは小さくなるものの、角度制御開始条件の着座達成確認として設定トルクまでの締付けで生じた軸力のばらつき（トルク＋角度分の発生軸力）が最後まで残ってしまい、この方法では発生した軸力は不明であり、また部品精度（ねじピッチが異なると同一角度で締付てもねじ部材の伸ばし量＝軸力は変動する）にも大きく影響されるため、軸力を精度よく保証するには部品の高精度化が必要となってしまう。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、被締付体にねじ部材を締付けたときの軸力保証が図れるねじ締付け方法を提供することにある。

本発明の請求項１によると、ねじ部材と被締付体との間にねじ部材および被締付体より低硬度もしくは低剛性の構成部もしくは構成材を有する被締結体を形成し、被締付体にねじ部材を締付けるねじ締付け方法において、被締結体の前記特性から決まる、締付けによるつぶれ量と軸力および締付回転角との相関関係を求める第１工程と、要求軸力に応じて前記相関関係から決定した締付回転角分を締付ける第２工程と、第２工程にて実際に発生した被締結体の実つぶれ量を測定し、前記相関関係に基いて実つぶれ量から実軸力を推定する第３工程と、を備えることを特徴とする。

これによると、ねじ部材による締付けによって塑性変形し易い被締結体における軸力（締付回転角）−つぶれ量特性を第１工程の相関関係より把握できる。そして、この被締結体の変形を利用して第２工程では、ねじ部材を被締付体に締付けるときの軸力保証が図れる。
しかも、第２工程にてねじ部材を締付けるとき、締付けにより実際に生じた実つぶれ量を測定することが可能であるので、実つぶれ量から前記相関関係（軸力−つぶれ量特性）に基いて実軸力を精度よく推定することができ、従って全数軸力の良否判定管理を行なうことが可能である。

本発明の請求項２によると、ねじ部材と被締付体との間にねじ部材および被締付体より低硬度もしくは低剛性の構成部もしくは構成材を有する被締結体を形成し、被締付体にねじ部材を締付けるねじ締付け方法において、被締結体の前記特性から決まる、締付けによるつぶれ量と軸力および締付回転角との相関関係を求める第１工程と、被締結体の実つぶれ量を測定するつぶれ量測定手段を有する第２工程であって、被締結体の実つぶれ量が、要求軸力に応じて前記相関関係から決定したつぶれ量となるように締付ける第２工程とを備えることを特徴とする。

これによると、ねじ部材による締付けによって塑性変形し易い被締結体における軸力（締付回転角）−つぶれ量特性を第１工程の相関関係より把握できる。そして、被締結体の実つぶれ量を測定するつぶれ量測定手段を有する第２工程であって、この被締結体の変形を利用する第２工程では、被締結体の実つぶれ量が、要求軸力に応じて前記相関関係から決定したつぶれ量となるように、ねじ部材を被締付体に締付けることで、いわゆる狙い込み制御を行なうことができる。したがって、全数軸力を所定値にすることが可能であるので、軸力不良の発生防止が図れる。

本発明の請求項３によると、被締結体は前記ねじ部材および被締付体の一部であって、前記ねじ部材および被締付体は、相対する座面に当接する段差部を有することを特徴とする。

これによると、被締結体は前記ねじ部材および被締付体の一部であってもよい。ねじ部材および被締付体が相対する座面に当接する段差部を有することで、段差部は、前記ねじ部材および被締付体の本体部に比べて低剛性に形成されることが可能である。

なお、被締結体がねじ部材および被締付体に比べて低硬度であってもよい。

以下、本発明のねじ締付け方法を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態におけるねじ締付け方法を示すブロック図である。図２は、本実施形態のねじ締付け方法に係わる締付けによるつぶれ量と軸力の相関関係を示すにグラフである。図３は、図１中のねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。図４は、本実施形態に係わるねじ締付装置の一実施例を示す構成図である。なお、図１は、ねじ部材を締付け前での締付け前状態を示すものである。

図１に示すように、ねじ部材１は締付装置（以下、ナットランナーと呼ぶ）６（図４参照）の回転駆動により被締付体２に締付けられる。なお、図４に示すように、ナットランナー６は、ねじ部材１の頭部に着脱可能なアダプタ部６４と、ねじ部材１が装着された状態でアダプタ部６４を回転駆動可能な駆動源（以下、モータ部と呼ぶ）６１と、モータ部６１の回転角θを制御可能な制御手段６７、６８とを備えた周知の構成を有するものであればいずれでもよい。

図１に示すように、ねじ部材１と被締付体２との間には、ねじ部材１および被締付体２より低硬度を有する被締結体（以下、ガスケットと呼ぶ）３が配置されている。具体的には、このガスケット３は、ねじ部材１の頭部の座面１ａと被締付体２の座面２ａとの間に挟み込まれるように、形成されている。なお、ガスケット３の形状は、略円筒状からなり、座面１ａ、２ａより外形を小さく形成されている。

ガスケット３は、ねじ部材１および被締付体２より低硬度を有するため、図２に示すように、ねじ部材１を被締付体２に締付けるとき、比較的容易に塑性変形する。締付けによるつぶれ量δは、図２に示すように、軸力Ｔに略比例する。また、ガスケット３は、座面１ａ、２ａに挟み込まれて略均一の押圧されるので、軸力Ｔに応じた締付回転角θにも略比例する。なお、図２に示す相関関係（つぶれ量δ−軸力Ｔ特性、およびつぶれ量δ−締付回転角θ特性）は、軸力測定用マスター（ねじ部材１、被締付体２、およびガスケット３のサンプル）より計測したデータである。

ガスケット３のつぶれ量δは、図１に示すように、周知の構造のレーザー測長器５を用いて測定される。なお、ガスケット３がねじ部材１と被締付体２との間に挟み込まれた状態で、ねじ部材１による締付けつまり軸力に応じて変形するガスケット３の板厚ｔ１、ｔ２を測定、もしくは締付けによるつぶれ量δを直接および間接的に測定できるものであればいずれのつぶれ量測定手段であってもよい。

なお、ここで、ラットランナー６およびレーザー測長器５はねじ部材１を被締付体２に締付けるねじ締付装置を構成する。

上述の構成を有するねじ締付装置によるねじ締付け方法を図１から図３に従って説明する。

まず、軸力測定マスターを構成するねじ部材１、被締付体２、およびガスケット３のサンプルを用いて、締付けによるガスケット３のつぶれ量δと軸力Ｔ、およびつぶれ量δと締付回転角θの相関関係を求める（図２参照）。なお、ここで、ガスケット３等のサンプルを用いて、つぶれ量δと軸力Ｔもしくは締付回転角θとの相関関係を求める工程を、第１工程と呼ぶ。

次に、図１の締付け前状態に示すように、実際に締付作業を行なうねじ部材１、被締付体２、およびガスケット３を準備する。ガスケット２およびねじ部材１の座面１ａに向けてレーザー測長器５の光線が照射される。これにより、つぶれ量δがない状態でのガスケット３の板厚ｔ１が測定される。

なお、つぶれ量δが発生しない範囲であれば、ねじ部材１の座面１ａと被締付体２の座面２ａがガスケット３に着座する程度に、ねじ部材１と被締付体２とでガスケット３を挟み込んだ状態に仮締めされていてもよい。

さらに、第１工程で求めた相関関係に基いて要求軸力に応じた締付回転角θを決定する。なお、ここで、要求軸力に応じた締付回転角θを目標締付回転角と呼ぶ。そして、この目標締付回転角θ分だけナットランナー６によりねじ部材１を回転させて締付けを完了する（図３参照）。

このとき、図３の締付け完了状態に示すように、軸力による作用により二点鎖線に示すガスケット３の端面から実線に示す端面までのガスケット３が塑性変形する。そして、ねじ部材１の締付けにより実際に生じた実つぶれ量δは要求軸力に応じたつぶれ量となって、ねじ部材１と被締付体２とは要求軸力に対応した軸力が作用することになる。

なお、ここで、要求軸力に応じて第１工程で求めた相関関係から決定した目標締付回転角θ分だけ締付ける工程を、第２工程と呼ぶ。なお、第１工程で求めた相関関係に基いて要求軸力に応じた締付回転角θを決定する時期は、第２工程中に限らず、第１工程中、あるいは第１工程と第２工程との間のいずれであってもよい。

次に、図３に示すように、レーザー測長器５により実つぶれ量δを測定する。そして、第１工程で求めた相関関係（図２）から逆に実軸力Ｔを推定する。なお、ここで、ガスケット３の実つぶれ量δを測定し、第１工程で求めた相関関係に基いて実つぶれ量δから実軸力Ｔを推定する工程を、第３工程と呼ぶ。図２に示す相関関係は、軸力測定用マスターにより計測データであるため、測定した実つぶれ量δから相関関係（図２参照）に基いて実軸力を精度よく推定することができる。これにより、全数実軸力を精度よく推定できるため、これら第２、第３工程中で締付作業される全数について締付けにより生じた軸力の良否を判定する品質管理を行なうことが可能である。

次に、本実施形態の作用効果を説明すると、（１）第１工程では軸力測定用マスターを用いてガスケット３のつぶれ量δと軸力Ｔもしくは締付回転角θとの相関データ（図２参照）を把握することができる。しかも、ガスケット３はねじ部材１および被締付体２より低硬度を有することで塑性変形し易いため、つぶれ量δ−軸力Ｔ特性、およびつぶれ量δ−締付回転角θ特性の安定したデータ取得が可能である。その結果、このガスケット３の変形を利用して第２工程では、従来技術に比べて、ねじ部材１を被締付体２に締付けときの軸力保証が図れる。

（２）さらに、本実施形態では、第２工程で生じたガスケット３の実つぶれ量δを測定し、第１工程で求めた相関関係に基いて実つぶれ量δから実軸力Ｔを推定する第３工程を備えるので、実つぶれ量δから相関関係（軸力Ｔ−つぶれ量δ特性）に基いて実軸力Ｔを精度よく推定することができ、従って全数軸力の良否判定管理を行なうことが可能である。

（３）本実施形態では、ねじ部材１と被締付体２との間に変形し易い部材（ガスケット）３を設けて、締付によるガスケット３の変形を利用して軸力保証を行なうことができるので、ねじ部材１および被締付体２等他の部材の高精度化が不要なため、締付作業を含む製造工程における軸力保証のためのコストアップを抑制することができる。

（４）軸力をねじ部材１の強度で設定せず、つぶれ易い部分であるガスケット３つまり軸力低下要因を直接管理、制御するため、軸力低下を防ぐことが可能である。

（他の実施形態）
なお、上述した実施形態では、実際に締付作業を行なう第２工程を、要求軸力に応じて上記相関関係から決定した目標締付回転角θ分だけ締付ける工程として説明したが、ガスケット３の実つぶれ量δが、要求軸力に応じて上記相関関係から決定したつぶれ量（以下、目標つぶれ量と呼ぶ）δとなるように、例えばナットランナー５の回転を駆動制御することで、締付ける工程としてもよい。なお、ナットランナー５は、ねじ部材１と一体に回転するアダプタ部６４を回転制御するため、アダプタ部６４とモータ部６１とを連結する回転軸６６に締付回転角θを検出するエンコーダー等の回転検出手段６２が設けられていることが好ましい。また、モータ部６１の回転角を回転制御する制御手段６８、６７には、ねじ締付け期間中、一定速度で回転するようにモータ駆動回路６８を設けていることが好ましい。これにより、第２工程にて、ガスケット３の実つぶれ量δが、要求軸力に応じた目標つぶれ量δとなるように締付けることができる。この結果、いわゆる狙い込み制御を行なうことができる。したがって、第２工程中で締付作業される全数について軸力を所定の一定値にすることが可能であるので、軸力不良の発生防止が図れる。

以上説明した本実施形態では、ねじ部材１と被締付体２との間に別部材のガスケット３を挟み込む構成で説明したが、ガスケット３がねじ部材１および被締付体２の一部であってもよい（図５、図６、図７、図８、図９参照）。図６に示すように、被締付体２がねじ部材１の座面１ａに当接する段差部２ｂを有するものであってもよい。これにより、段差部２ｂは被締付体２の本体部に比べて低剛性に形成されることになるため、段差部２ｂのみが塑性変形し易くなりガスケット３として機能する。また、図５に示すように、被締付体２がねじ部材１と比較して低硬度である構成であってもよい。被締付体２の座面２ａを塑性変形し易いガスケット３と機能させることが可能である。図７はねじ部材１側に段差部１ｂを有するもので構成された実施例である。被締付体２とねじ部材１の間には固定材３を有し、固定材３の座面３ａにねじ部材１の段差１ｂが当接している。図８はガスケット３に相当する部材がねじ部材１に成形もしくは接合される実施例である。なお、被締付体２側にガスケット３に相当する部材が成形もしくは接合されていてもよい。図９はガスケット３に相当する部材がスプリング等の弾性体で構成される実施例である。これらの実施例は、弾性変形域で軸力保証を同様に行なえるものである。

本発明の実施形態におけるねじ締付け方法を示すブロック図である。 本発明の実施形態のねじ締付け方法に係わる締付けによるつぶれ量と軸力の相関関係を示すにグラフである。 図１中のねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。 本発明の実施形態に係わるねじ締付装置の一実施例を示す構成図である。 他の実施形態に係わるねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。 他の実施形態に係わるねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。 他の実施形態に係わるねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。 他の実施形態に係わるねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。 他の実施形態に係わるねじ部材を締付け完了した後での締付け状態を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ ねじ部材
１ａ 座面
２ 被締付体
２ａ 座面
３ ガスケット（被締結体）
５ レーザー測長器（つぶれ量測定手段）
６ ナットランナー（締付装置）

Claims (3)

1. ねじ部材と被締付体との間に前記ねじ部材および前記被締付体より低硬度もしくは低剛性の構成部もしくは構成材を有する被締結体を形成し、前記被締付体に前記ねじ部材を締付けるねじ締付け方法において、
   前記被締結体の前記特性から決まる、締付けによるつぶれ量と軸力および締付回転角との相関関係を求める第１工程と、
   要求軸力に応じて前記相関関係から決定した締付回転角分を締付ける第２工程と、
   前記第２工程にて実際に発生した前記被締結体の実つぶれ量を測定し、前記相関関係に基いて前記実つぶれ量から実軸力を推定する第３工程と、
   を備えることを特徴とするねじ締付け方法。
2. ねじ部材と被締付体との間に前記ねじ部材および前記被締付体より低硬度もしくは低剛性の構成部もしくは構成材を有する被締結体を形成し、前記被締付体に前記ねじ部材を締付けるねじ締付け方法において、
   前記被締結体の前記特性から決まる、締付けによるつぶれ量と軸力および締付回転角との相関関係を求める第１工程と、
   前記被締結体の実つぶれ量を測定するつぶれ量測定手段を有する第２工程であって、前記実つぶれ量が、要求軸力に応じて前記相関関係から決定したつぶれ量となるように締付ける第２工程と、
   を備えることを特徴とするねじ締付け方法。
3. 前記被締結体は前記ねじ部材および前記被締付体の一部であって、
   前記ねじ部材および前記被締付体は、相対する座面に当接する段差部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のねじ締付け方法。

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