JP5540275B1

JP5540275B1 - 緩み止めナットセットとその生産方法

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Publication number: JP5540275B1
Application number: JP2013139398A
Authority: JP
Inventors: 白柳伊佐雄
Original assignee: SGG R&D CO., LTD
Current assignee: SGG R&D CO., LTD
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP2015014295A; WO2015001869A1; US20160131173A1

Abstract

【課題】締め付けトルクと緩み止め性能のばらつきが、操作の未熟練者でも均一で確実な締結ができるナットセットに関する。
【解決手段】ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯２４に転造雌ねじ２２を有し、正六角柱２１の下部端面２３は軸芯２４に直角な平面であり、上部端面２５にはボルト軸６３に略直角な半径の仮想接触円に対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが少なくとも半円周以上あり、残る部分には半径ＲＢＢよりもさらに小さい半径ＲＣＣが仮想接触円に接しかつ半径ＲＢＢと連続したリブ状の傾斜カム２６を形成し、傾斜カム２６の軸方向断面の仮想接触円の接蝕部は半径ＲＤの凸面を有しており、始めにベースナット２０を締め所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締める緩み止めナットセットとすることで解決ができる。
【選択図】図２

Description

本発明はナットの緩み止め性能のばらつき要因を除去する構造改良と生産方法に係るもので、冷間圧造の金型や、品質、省エネ・省資材に関する。

緩み止めナットの方式は数多くが提案され実用化されているが、いずれもボルトの軸力で摩擦力を得て緩みを止めようとするものであった。１９８５年になると本発明の原型となるボルトの曲げ力を応用する物が出た（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

やがて、２００５年頃から本発明のように、旋削加工法などの能率向上をはかる改良が盛んになっている。しかし、力学的に解析されたものは見当たらず、本質的機能から要求される構造改善にまでは至っていなかった（例えば、特許文献３、非特許文献１参照）。

また、その後塑性加工が急速に進歩して、多段フォーマーによる冷間圧造が普及し、資源の枯渇・環境・エネルギーの視点から技術の見直しが始まっている。

実公昭５０−３６１２３号公報特公平３−５２６号公報特許第４６３８７７７号公報日本機会学会著、「ヘルツの公式」機会工学便覧Ａ４−１０９

本発明が解決しようとする課題は、雄ねじと雌ねじのクリアランスから生ずるトルクナット４０の傾きと、ベントタッピングを主因とする転造雌ねじの曲がりによるベースナット２０の傾きとによっておこる締め付けトルクと緩み止め性能のばらつきが問題になっていた。操作の未熟練者でも均一で確実な締結ができるナットセットの構造が求められていた。

また、安定した品質、コストダウン、重量の軽減、省エネ、操作安全性、リスク低減など国際競争力のあるナットセットを供給する生産手段の必要に迫られていた。
生産手段と構造の関係は、生産手段の進歩によって新規構造が生まれる順序で課題が解決していった。

ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯２４に転造雌ねじ２２を有し、前記正六角柱２１の下部端面２３は軸芯２４に直角な平面であり、上部端面２５にはボルト軸６３に略直角な半径ＲＡの仮想接触円６４に対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが少なくとも半円周以上あり、残る部分には半径ＲＢＢよりもさらに小さい半径ＲＣＣが前記仮想接触円６４に接し、かつ半径ＲＢＢと連続したリブ状の傾斜カム２６を形成し、前記傾斜カム２６の軸方向断面の仮想接触円６４接蝕部は半径ＲＤの凸面を有しており、
前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１でその中央の軸芯４４に転造雌ねじ４２を有し、前記正六角柱４１の上部端面４３は軸芯４４に直角な平面であり、下部端面４５は軸芯４４に直角な平面であり、その下部端面４５から軸芯４４を中心とする円錐傾斜角θの円錐凹面４６を有していて、
ボルト６０に対して、始めにベースナット２０を締め所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締める構造の緩み止めナットセット１０とすることで主要な解決ができる。

また、〔０００８〕を簡易化して、前記傾斜カム２６の軸方向断面の仮想接触円６４接蝕部上部は上部端面に向けてアール面ＲＦとする構造でもよい。
さらに、〔０００８〕を高度化して、半径ＲＢよりもさらに小さい半径ＲＣ２が２つの中心ｇで２山存在し、前記仮想接触円６４に接しかつ半径ＲＢと連続したリブ状の傾斜カム２６を形成すれば仮想接触円６４の安定は一層よくなる。

本発明は仮想的点接触の理論を具現化して、雄ねじと雌ねじのクリアランスから生ずるトルクナット４０の傾きと、ベントタッピングを主因とする転造雌ねじの曲がりによるベースナット２０の傾きとによっておこる締め付けトルクと緩み止め性能のばらつきの問題を解決して、操作の未熟練者でも均一で確実な締結ができるナットセットが得られた。

また、安定した品質、コストダウン、重量の軽減、省エネ、操作安全性、リスク低減など国際競争力のあるナットセットを得る金型の生産手段と管理方法が見つかった。

ボルト軸略直角接触断面の比較原理図で（ａ）は本発明、（ｂ）は従来である。本発明のナットセットの実施例を示すボルト軸方向断面図である。従来のナットセットを示すボルト軸方向断面図である。本発明のナットセットの実施別例を示すボルト軸方向断面図である。〔図２〕のＡ矢視図である。〔図４〕のＡ矢視図である。本発明のボルト軸略直角接触断面別例の原理図である。本発明の生産金型作成方法を示す断面図で（ａ）は中間工程、（ｂ）は完成姿である。本発明のナットセットを生産する流れ図である。本発明のナットセット嵌合を示す比較側面図で（ａ）は本発明品、（ｂ）は従来品である。本発明のボルト軸略直角接触断面別例の原理図である。本発明のナットセットの実施例を示すボルト軸方向断面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、最近の技術の進歩からはじめる。

ボルト・ナットの生産のほとんど全ては、塑性加工である転造法になった。ボルトは雄ねじで、ナットは雌ねじである。雄ねじの転造は簡単であったため急速に普及したが、雌ねじの転造は難しく、ベントタッピングによるしか今のところ方法がない。以下で詳述するがその障害が本件の課題となっている。
ちなみに、日本のボルト・ナットの生産高はおよそ９０００億円／年であるが、その内対質量を較べると、ナットが占める割合は意外に大きい。

冷間精密鍛造も急速に普及した。切削屑を出さず省資源的であり、多段フォーマー加工機の開発があり、ＮＣ機械による複雑な金型製作が安価で可能になったことによる。
また、コンピュータ解析技術・計算速度の進歩による挙動・応力などが分かるようになった。

〔図１〕はボルト軸略直角接触断面の比較原理図で（ａ）は本発明、（ｂ）は従来である。従来は旋盤加工であったため、半径ＲＡの中心ｏから少し左のｅに偏心の中心をもつＲＢは、ＲＡよりも隙間Ｓだけ小さい半径の真円ＲＢで、ＲＢはＲＣに等しく、仮想接触円６４と左端の一点で接していた。それに対して本発明は、半径ＲＡの中心ｏから半径ＲＢＢがあり、ＲＢＢと仮想接触円６４との小さな隙間ｓは、上、右、下、半円周以上の角度に等しく存在する。半径ＲＡの中心ｏから大きく左に離れた半径ＲＣＣの中心ｆがあり、ｆから半径ＲＣＣの円弧が仮想接触円６４と左端の一点で接しており、ＲＣＣとＲＢＢはなだらかに連続させている。

〔図２〕は本発明のナットセットの実施例を示すボルト軸方向断面図である。ここで前記仮想接触円６４を説明する。
仮想接触円６４は、トルクナット４０がボルト６０に同心に対偶しているときには、ベースナット２０とトルクナット４０の接触点を通るＡ矢視面である仮想接触面３０上にあって、トルクナット４０の円錐凹面４６のなす真円である。従って、トルクナット４０が傾けば一緒に仮想接触円６４も傾く。一般には、仮想接触円６４はボルト軸６３と同心とはかぎらず、直角に交わっているともかぎらないが〔図１〕では仮想接触面３０上にあるとして半径ＲＡで描いている。
接触点は、厳密には面であるが、最大面圧の生ずる位置を接触点と呼ぶことにする。
接触点はトルクナット４０を締めこむにしたがって、螺旋状に円錐凹面４６上を移動するから、仮想接触円６４の真円半径ＲＡは次第に小さくなる性質がある。
円錐傾斜角θは約１０度、軸方向半径ＲＤはボルト外径（呼び径ｄ）６１の１／１０程度がよい。軸方向半径ＲＤ凸部の面圧は鋼材の弾性限界以下ならば、大きい程、支点としてのメリハリがつく。また面圧の計算には〔非特許文献１〕のヘルツの公式が使われる。
本発明の骨子は仮想接触円６４をもって説明できる。

〔図３〕は従来のナットセットを示すボルト軸方向断面図である。
始めにベースナット２０を締め所望する軸力ＰＴを発生させようとすると、ベースナット２０の雌ねじに肉薄部ＭＡがあり、芯が右に曲がっているため、ＭＣ部に偏った面圧が生じ、やがて所定の締め付けトルクまで締め上げるとＭＤ部に隙間ができる。
続いて、トルクナット４０を締めていくと、ＭＢ部が最初に接触する。それはナットセットのテーパー面にマジックインクを塗ってテストすることでよくわかる。つまり最初の仮想接触面３０はＭＢ部を通り、その時の締め付けトルクは０である。そこから締めていくとトルクナット４０はＭＢを支点として次第に右に傾いていき締め付けトルクも増してゆくが、あるところで急に締め付けトルクが下がり、仮想接触面３０が下がる。そして本締まりになり、所定の締め付けトルクまで締め上げることは出来る。
この現象にはばらつきがあり、２回起こるものもあるし、ガクンという音がすることもある。これはＲＢが大きく、テーパー面の支点位置がはっきりしないことに起因する。
またトルクナットの傾きについての図は、〔特許文献２〕の第１図、第３図が詳しい。
〔図３〕では変化する仮想接触面３０は中央部付近に仮に引いている。

〔図２〕に戻るが、本発明の骨子は、仮想接触面３０の接触点がトルクナット４０の円錐凹面４６を螺旋状に昇るので、仮想接触円６４は半径を徐々に縮めながら、締め付けトルクが単調増大（谷がない）してばらつきのない緩み止め性能が得られる。

〔図４〕は本発明のナットセットの実施別例を示すボルト軸方向断面図である。実施別例とは試作・実験で好結果をえたもので、ベースナット上面の大きな面取り半径ＲＦとトルクナット下面の面取り半径ＲＥを旋盤で削っただけである。
〔図４〕では緩み止め力の発生を示した。トルクナット押力Ｐに対して、ボルト抗力Ｑが偶力として発生してボルト軸６３を曲げて摩擦でトルクナット４０の回転を阻止している。
〔図４〕ではまた、ベースナット２０のフランジ部Ｆにヌスミ肉抜きＴをして、トルクナット４０と雌ねじの長さを同じにし、ベントタッピングの能率化と軽量・省資材化をはかった。

〔図７〕は本発明のボルト軸直角接触断面別例の原理図である。
仮想接触円６４の中心ｏから左に２つの山のカム半径中間点ｈを儲け、その上下に半径ＲＣ２の中心ｇをとって、中心ｇとする小さい半径ＲＣ２の２つのカム山をつくる。
カム形状は複雑になるが、接触点が２つになり仮想接触円６４は一層安定し、金型製作にはフライスカッター軸心ＮＣＣをＣＮＣ制御するプログラムを直すだけでコストアップにはならずに済む。

〔図８〕は本発明のベースナット２０の生産金型７０の作成方法を示す断面図で（ａ）は中間工程、（ｂ）は完成姿である。
（ａ）の中間工程ではフライスカッター７１の軸心ＮＣＣをＣＮＣ制御してプロファイル加工し、軸方向半径ＲＤはフライスカッター７１に付けておけばよい。
（ｂ）の金型７０の完成姿は、生産金型７０のボルト軸６３に合わせて、下穴抜きピン７２を設け、テーパピン７３で固着した。

〔図９〕は本発明のナットセットを生産する流れ図である。
ベースナット２０とトルクナット４０はほぼ同じ工程で作られ、自動ベントタップして表面処理すれば個々に完成する。自動ベントタップは〔図６〕のようにフランジ部Ｆを有する物は難しく、正六角柱のものしか現在のところ出来ていない。表面処理は普通鋼材には必須であるが、ＳＵＳ３０４材では必要としない。
Ｍ１６並目の質量例では、ベースナット２０は２６ｇ、トルクナット４０は２３ｇで、ベースナット２０には本件発明を採用するとトルクナット４０以下にまで減量が可能である。
本件生産方法の特徴の一つにナットセット嵌合がある。ベースナット２０とトルクナット４０は常にペアをなす組み物であるから、貼り付けて置けば便利である。〔図１０〕のように、本発明品（ａ）は隙間ｓ＜Ｓであるから、摩擦接合し、全く傷を残さず手で乖離でき、フィーダーによる自動化嵌合も可能である。

〔図１１〕は本発明のボルト軸直角接触断面別例の原理図である。
ベースナット２０の円周突起部は機能的には島Ａ（ＳＩＡ）だけで足りる。ナットセット嵌合を考慮すれば島Ｂ（ＳＩＢ）も必要であるが、この考えは軽量化の一助となる。

〔図１２〕は本発明のナットセットの実施例を示すボルト軸方向断面図である。
ベースナット２０の円周突起部から直径ＤＤ、深さＤＦの肉抜き、軽量化した例である。雌ねじ転造部の工作が容易になり、ベントタッピングによる雌ねじの曲がりの問題もなくなる。

この発明では、トルクナット４０は従来品から変化させずに、ベースナット２０を目で見ただけでは分からない程度の機能改善で、本質的な、締め付けトルクが単調増大してばらつきのない緩み止め性能が得られるようになった。
論理的には、ベースナット２０は従来品から変化させずに、トルクナット４０を目で見ただけでは分からない程度の機能改善でも、同様な性能が得られるように思われるが、実際に検討してみると不可能であった。

本発明は仮想的点接触の理論を具現化した物と、安定した品質、コストダウン、重量の軽減、省エネ、操作安全性、リスク低減など国際競争力のあるナットセットを得る金型の生産方法であり、試作・試験まで済んでおり、即産業上の利用が可能である。

１０ナットセット
２０ベースナット
２１正六角柱
２２転造雌ねじ
２３下部端面
２４軸芯
２５上部端面
２６傾斜カム
３０仮想接触面
４０トルクナット
４１正六角柱
４２転造雌ねじ
４３上部端面
４４軸芯
４５下部端面
４６円錐凹面
６０ボルト
６１ボルト外径（呼び径ｄ）
６２転造雌ねじ内径
６３ボルト軸
６４仮想接触円
６５固定物
６６ボルト谷径
７０金型
７１フライスカッター
７２下穴抜きピン
７３テーパピン
ｄ呼び径（ボルトの外径）
ｅ偏心の中心
ｆ半径ＲＣＣの中心
ｇ半径ＲＣ２の中心
ｈ２つの山のカム半径中間点
ｏ半径ＲＡの中心
ｓ小さい隙間
Ｄ転造雌ねじ谷径（呼び径）
ＤＤ拡大転造雌ねじ径
ＤＦ拡大転造雌ねじ径の深さ
ＤＴ転造雌ねじ径
Ｅ対角距離
Ｆフランジ部
ＮＣＣフライスカッター軸心
ＮＮ二面幅
ＭＡ肉薄部
ＭＢベースナットつぶれ部
ＭＣ偏面圧部
ＭＤ偏肉タップ逃げ部
Ｐトルクナット押力
ＰＪ軸力
Ｑボルト抗力
ＲＡ仮想接触円の半径
ＲＢＲＡよりも隙間Ｓだけ小さい半径
ＲＢＢＲＡよりも隙間ｓだけ小さい半径
ＲＣ半径ＲＢよりもさらに小さい半径
ＲＣＣ半径ＲＢＢよりもさらに小さい半径
ＲＣ２中心ｇとする小さい半径
ＲＤ軸方向半径
ＲＥトルクナット下面面取り半径
ＲＦベースナット上面の大きな面取り半径
Ｓ大きい隙間
Ｔヌスミ肉抜き
ＳＩＡ島Ａ
ＳＩＢ島Ｂ
α 有効径の螺旋角
θ 円錐傾斜角

Claims

ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯２４に転造雌ねじ２２を有し、前記正六角柱２１の下部端面２３は軸芯２４に直角な平面であり、上部端面２５にはボルト軸６３に略直角な半径ＲＡの仮想接触円６４に対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが少なくとも半円周以上あり、残る部分には半径ＲＢＢよりもさらに小さい半径ＲＣＣが前記仮想接触円６４に接し、かつ半径ＲＢＢと連続したリブ状の傾斜カム２６を形成し、前記傾斜カム２６の軸方向断面の仮想接触円６４接蝕部は半径ＲＤの凸面を有しており、
前記トルクナット４０は、外周が正六角柱４１でその中央の軸芯４４に転造雌ねじ４２を有し、前記正六角柱４１の上部端面４３は軸芯４４に直角な平面であり、下部端面４５は軸芯４４に直角な平面であり、その下部端面４５から軸芯４４を中心とする円錐傾斜角θの円錐凹面４６を有していて、
ボルト６０に対して、始めにベースナット２０を締め所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締める構造の緩み止めナットセット１０。
ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯２４に転造雌ねじ２２を有し、前記正六角柱２１の下部端面２３は軸芯２４に直角な平面であり、上部端面２５にはボルト軸６３に略直角な半径ＲＡの仮想接触円６４に対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが少なくとも半円周以上あり、残る部分には半径ＲＢＢよりもさらに小さい半径ＲＣＣが前記仮想接触円６４に接しかつ半径ＲＢＢと連続したリブ状の傾斜カム２６を形成し、前記傾斜カム２６の軸方向断面の仮想接触円６４接蝕部上部は少なくとも上部端面に向けてアール面ＲＦを有しており、
前記トルクナット４０は、請求項１記載のトルクナットと同一で、
ボルト６０に対して、始めにベースナット２０を締め所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締める構造の緩み止めナットセット１０。
ベースナット２０と、トルクナット４０とから成り、
前記ベースナット２０は、外周が正六角柱２１でその中央の軸芯２４に転造雌ねじ２２を有し、前記正六角柱２１の下部端面２３は軸芯２４に直角な平面であり、上部端面２５にはボルト軸６３に略直角な半径ＲＡの仮想接触円６４に対して同心で隙間ｓだけ小さい半径ＲＢＢが少なくとも半円周以上あり、残る部分には半径ＲＢよりもさらに小さい半径ＲＣ２が２つの中心ｇで２山存在し、前記仮想接触円６４に接しかつ半径ＲＢと連続したリブ状の傾斜カム２６を形成しており、
前記トルクナット４０は、請求項１記載のトルクナットと同一で、
ボルト６０に対して、始めにベースナット２０を締め所望する軸力ＰＴを発生させた後、トルクナット４０を締める構造の緩み止めナットセット１０。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、前記リブ状の傾斜カム２６の周状のリブを分断し、島ＳＩＡと島ＳＩＢもしくは、島ＳＩＡのみとした緩み止めナットセット１０。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、前記ベースナット２０の中央の軸芯２４に刻切する転造雌ねじ２２の転造孔径は、上面から深さＤＦまで、拡大孔径ＤＤとした緩み止めナットセット１０。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、前記ベースナット２０の下部にフランジＦを有し、かつヌスミ肉抜きＴを施した緩み止めナットセット１０。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、前記リブ状の傾斜カム２６の少なくとも仮想接触円６４接蝕部付近の軸方向半径ＲＤを有する緩み止めナットセット１０。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、前記リブ状の傾斜カム２６は、多段フォーマーの冷間圧造浮き出し加工としたベースナット２０の生産方法。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、前記リブ状の傾斜カム２６の仮想接触円６４の曲線は、フライスカッター軸心ＮＣＣをＣＮＣ制御して、多段フォーマーの冷間圧造金型に付与して成すベースナット２０の生産方法。
請求項１〜３の何れか一項の緩み止めナットセットにおいて、一対のベースナット２０とトルクナット４０は、使用前嵌め合わせておく、緩み止めナットセット１０の生産方法。