JPH0536196B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ 本発明は、空気圧による振動ねじ締結装置に関
し、さらに詳しくいえば、一定空気圧の圧気源に
接続された振動型エアモータを使用してねじ部材
の締結を行なう空気圧利用振動ねじ締結技術に関
する。

［発明の背景］ ねじは、最も基本的な機械要素の一つであり、
組立分解の可能な締結用要素として非常に広範囲
は工業的分野に利用されており、航空機、自動車
その他振動を受ける各種の機械の信頼性や経済性
などの要求がますます厳しくなる中で、この要求
に応える信頼性の高いねじの締付けが要望されて
きいてる。

一般論として、機械部品のうちで、ボルトやナ
ツトなどのねじ部品で結合してできるねじ締結体
の信頼性は、次のないしの三つの要因に依存
するといわれている。

形状、材料、加工法に起因するボルト・ナツ
トなどのねじ部品自体の信頼性 設計段階における締付け力の設定に関する信
頼性 締付け作業段階において予め設定された締付
け力（ボルト軸力）で締付けられているか否か
の信頼性 上記要因ないしのうち一つでも不十分であ
れば、ねじ締結体としての機能が十分発揮され
ず、ねじのゆるみやボルトの破損などの原因とな
る。

ところでねじの締付けは、従来からドライバ
ー、モンキースパナ、レンチなどのねじ締結工具
を用いて行なわれていたが、最近ではねじ締め作
業の自動化技術の進歩によつて、作業能率の向上
を図るため、多量のねじ部材の現場におけるねじ
締め作業にはトルク電動機あるいはエアモータを
用いたねじ締結工具が使用されるようになつた。
而して、ねじ締付けの管理には、締付けトルクに
よつて締付け力を管理するトルク法がトルクレン
チやトルクドライバーなどの比較的簡単な工具に
よつて行なわれるので現在最も一般的に行なわれ
ている。

しかしながら、上記のトルク法によつて締付け
トルクを十分管理してねじ締付け作業を行なつて
も、締付け工具の精度、ねじの工作精度、表面処
理および潤滑条件などによつて、ねじ面、ボルト
頭部座面およびナツト座面相互間に作用する固体
摩擦係数は広範囲にばらつくため、多量のねじ部
材についてねじ締付けを実施する場合の究極の目
的であるばらつきのない均一なボルト軸力を得る
ことは、非常に困難な実状であつた。

本発明者は、ねじ締付け作業時における上記し
たばらつきのない均一なボルト軸力を得ることを
目的として、さきに振動による座面やねじ面の固
体摩擦のみかけの減少効果およびそれら相互間の
振動によるなじみ効果を利用した振動ねじ締結技
術（特開昭54−118000号公報参照）を開発した。
この振動ねじ締結技術は、定速直流サーボ・モー
タに、直流と交流とを重畳印加してモータ軸に一
方向回転運動とねじり振動との重畳運動を発生せ
しめ、該重畳運動をモータ軸に連結固定した共振
用弾性棒を介して、該弾性棒と一体もしくはこれ
に連結固定したねじ締結工具に伝え、該ねじ締結
工具に係合するねじ部材の締結を行なうというも
のである。

上記の電動機を用いる振動ねじ締結において
は、従来の定速電動機を用いたねじ締結に比べ
て、ねじり振動によりねじ面での固体摩擦を等価
的に減小させるとともにねじ面のなじみ効果を生
ずるため、結果的にトルク係数が減少し、そのば
らつきも少なくなり高精度のねじ締結が期待でき
るようになつた。

しかしながら、電動機を用いる振動ねじ締結の
場合の振動数は20Hzないし30Hz程度の周波数であ
り、しかも締付け工具とサーボモータのロータと
の共振振動数で振動締結を行なうものであつたか
ら、ねじり振動の角変位振幅は1°ないし4°程度が
限度であり、角変位振幅をあまり大きくとること
はできない。そのため、一方向の回転の回転数
（直流分）を大きくとると摩擦力の正負の切換え
ができないことから、上記回転数（直流分）を低
くおさえねばならず、その結果ねじ面になじみ効
果を発生するのに時間を要し、所定の締結トルク
で締結を完了するまでに時間がかかりすぎるとい
う難点があり、また大きな締結トルクを得るため
には、使用するモータや電源を大型化しなければ
ならず、装置全体としてコスト高となる不利を免
かれなかつた。

［発明の目的］ 本発明は、上記した実状に鑑みてなされたもの
で、その目的はねじり振動を利用するねじ締結方
法の特性を失うことなしに、前記した電動機を用
いた振動ねじ締結装置における問題点を解消し、
ねじ面のなじみ効果を有効に発揮することができ
る空気圧による振動ねじ締結装置を提供すること
にある。

［発明の概要］ 前記目的を達成するため、本発明による振動ね
じ締結装置は、一定空気圧の圧気源と、該圧気源
に極低周波数で切換えが可能な切換弁および排気
速度の制御可能なスピードコントローラを介して
接続され、正転方向と逆転方向とに交互に駆動さ
れる振動型エアモータと、該エアモータのモータ
軸に、振動１周期中ねじ締付け方向に締付け角と
しておよそ40°近傍の角度だけ回転し、ねじゆる
め方向にゆるめ角として前記締付け角の約半分の
角度だけ回転する如き１ないし10Hzの極低周波振
動トルクを付与するように前記切換弁およびスピ
ードコントローラを制御する制御手段と、前記モ
ータ軸に連結固定されたねじ締結工具とを備えた
ことを特徴とするものである。

［発明の実施例］ 以下図面を参照し、本発明の一実施例について
詳細に説明する。第１図は、特に実験を目的とし
て、軸力検出器およびトルク検出用工具動力計を
付設した本発明による振動ねじ締結装置の概略説
明図で、同図中１はコンプレツサ、２は圧力コン
トロールユニツトで、これらは振動型エアーモー
タ５に対し一定圧力の圧気を供給するための圧気
源を構成している。

３はダブルソレノイド３位置形の切換弁でタイ
マー６のセツトにより１ないし10Hzの極低周波数
で切換えが可能であり、該切換えによりエアモー
タ５をねじ締付け方向とねじゆるめ方向とに交互
に回転駆動する。この場合、第２図に示すように
切換弁３とエアモータ５との間の正転側管路７お
よび逆転側管路８中にそれぞれ配設されたスピー
ドコントローラ４により、振動１周期中ねじ締付
け方向に締付け角としておよそ40°近傍の角度だ
け回転し、ねじゆるめ方向にゆるめ角として前記
締付け角の約半分の角度だけ回転するように制御
することができる。なお第２図中９はタイマー６
により発生される電気信号を切換弁に印加するた
めのリレーボツクス、１０は排気消音器である。

ここに、振動１周期中ねじ締付方向の締付け角
をおよそ40°近傍の角度にとつたのは、前記目的
を達成する範囲、すなわち、ねじ面のいわゆるな
じみ効果を奏する範囲であるからである。

第１図において、１１はモータ軸で該モータ軸
１１にスクロールチヤツク１２によりねじ締結工
具（六角棒）１３が連結固定される。ねじ締結さ
れるべきねじ部材は、図示例では六角穴付きボル
ト１４および該ボルト１４のねじに螺合されるナ
ツト１５であり、ボルト１４とナツト１５の間に
は平座金１６および軸力検出器１７が介装され、
またナツト１５はトルク検出用工具動力計１８中
に設置される。なお実際のねじ締め作業の場合、
前記平座金１６および軸力検出器１７がボルト１
４とナツト１５により締結される被締結部材とな
るものである。

次に第２図ないし第４図を参照して、本発明に
よるねじ締結の動作について説明する。

第２図において、コンプレツサー１により圧縮
された空気は、排水器付フイルタ、内部パイロツ
ト方式減圧弁、圧力計およびリユーブリケータ等
を含むエアコントロールユニツト２に送られ、そ
こで一定の圧力に調整された圧縮空気は、ソレノ
イド切換弁３に供給される。

切換弁３はエアーモータ５の正転側（ねじ締付
け方向）管路７に接続するポートＡ、逆転側（ね
じゆるめ方向）管路８に接続するポートＢ、排気
消音器１０に接続する排気ポートR₁、R₂および
給気ポートＰの５ポート３位置形ソレノイドバル
ブであつて、タイマー６のON Timeに締付け方
向の時間を、またOFF Timeにゆるめ方向の時
間を設定し、それぞれリレーボツクス９を介して
切換弁３のソレノイドに配線する。

今リレーボツクス９からの締付け用電気信号が
ソレノイドに印加されると切換弁３が正転側に作
動し、給気ポートＰとポートＡが接続されまたポ
ートＢと排気ポートR₂が接続される。かくして
一定空気圧の圧気は正転側配管７のスピードコン
トローラ４の逆止弁を開いてエアーモータ５に供
給され、該エアモータ５を、ねじ締付け方向に設
定されたON Timeの時間に応じた締付け角とし
ておよそ40°近傍の角度だけ回転させ、一方エア
モータ５からの排気は、逆転側配管８のスピード
コントローラ４の可変絞り弁を通り、ポートＢ、
排気ポートR₂および排気消音器１０を経て排出
される。

次に、リレーボツクス９からのゆるめ用電気信
号がソレノイドに印加されると、切換弁３が逆転
側に作動し、給気ポートＰとポートＢが接続され
またポートＡと排気ポートR₁が接続される。か
くして一定空気圧の圧気は逆転側管路８のスピー
ドコントローラ４の逆止弁を開いてエアモータ５
に供給され、該エアーモータ５をねじゆるめ方向
に設定されたOFF Timeの時間に応じた前記締
付け角の約半分のゆるめ角だけ回転させ、一方エ
アモータ５からの排気は正転側配管７のスピード
コントローラ４の可変絞り弁を通り、ポートＡ、
排気ポートR₁および排気消音器１０を経て排出
される。

上記の締付け角およびゆるめ角は正転側配管７
および逆転側管８に配設されたそれぞれのスピー
ドコントローラ４の可変絞り弁を調整することに
より設定されるが、本発明による振動ねじ締結に
おいては、締付け角をおよそ40°近傍の角度に設
定し、ゆるめ角を締付け角の約半分に設定するの
がねじ締結能率上好適である。

第３図は本発明による振動ねじ締結時における
締結工具の運動態様を示すもので、エアモータ５
のモータ軸１１および該軸１１に連結固定された
締結工具（六角棒）１３は、図示の如くねじ締付
け方向に締付け角としておよそ40°近傍の角度だ
け回転し、その後ねじゆるめ方向に前記締付け角
の約半分のゆるめ角だけ回転する動作を１≦ｆ≦
10Hzなる極低周波数で反覆する。これによつて、
ねじの締付けが始まる前は、振動１周期毎に締付
角とゆるめ角の差だけねじ締付け方向に回転が進
行し、ねじの締付けが始まると締付け角およびゆ
るめ角はいずれも逐次小さくなり、最終的には零
となつてねじの締付けが完了する。

第４図は、振動数４Hz、初期締付角40°初期ゆ
るめ角24°で、M8六角穴付きボルトを締付けた場
合に生ずる締結トルクおよびボルト軸力をそれぞ
れトルク検出用工具動力計１８および軸力検出器
１７を用いてレコーダ上に記録した波形を示すグ
ラフ図で、図の左側から右側に向つてねじの締結
が進行する。この図から理解されるように、ねじ
の実質的な締結が始まるいわゆるスナツグ点まで
はボルト軸力は発生せず、締結トルクはほぼ零線
上にあるが、スナツグ点を越えると、ボルト軸力
は階段状に次第に増大し、このボルト軸力の増大
と共に締結トルクは近似的な鋸歯状波で増大して
いき、該締結トルクは初期の段階では零線を挟ん
で締付け角側で増大し、ゆるめ角側で若干減少し
ている。そして締付トルクが大きくなると、零線
を挟んで締付け角側ではボルト軸力は増大する
が、ゆるめ角側では停滞し、さらに締結トルクが
設定気圧に近づくと、ねじ面での相対すべりが殆
んど零になり、最終的に一定のボルト軸力をもつ
て締結が完了する。したがつて、図示の領域の
中では「しまり−ゆるめ」と「しまりのみ」の二
つの現象が存在し、領域に入つて締結完了とな
る。

［発明の効果］ ねじ締結時に生ずる締結トルクをＴ、ボルト軸
力をＦ、ねじの呼称径をｄとするとき、締結トル
クＴは、Ｔ＝Ｋ・Ｆ・ｄで表わされ、この比例定
数Ｋをトルク係数と称するが、同一締結トルクで
もつてボルト軸力を増大させるにはトルク係数を
できるだけ小さい値となるようにすればよい。ま
た、同規格の多量のねじ部材についてねじ締結作
業を実施する場合トルク係数の標準偏差値が小さ
ければそれだけ設定締付けトルクで締付けられて
いるか否かの信頼性が高いといえる。

本発明の空気圧による振動ねじ締結装置を用い
てねじの締結を行なうと、ねじ締結工具が第３図
および第４図について説明したような工具運動に
よつてねじの締結作業を実施する結果として、高
い周波数で小角度づつ回転させるものと比較し
て、ねじ面の繰返し摩擦によつてねじ面における
摩擦係数の等価的減小効果やなじみ効果が生じ、
このため、振動を伴なわない定速のエアモータや
直流サーボモータを用いるねじ締結方法に比較し
てトルク係数およびその標準偏差値がいずれも小
さい値となり、同じ締結トルクでもつてボルト軸
力を増大し、高精度で信頼性の高いねじ締結を達
成することができる。

さらに、前記した定速直流サーボ・モータに直
流と交流とを重畳印加して一方向回転運動とねじ
り振動との重畳運動を利用する電動機を用いた振
動ねじ締結装置を用いた場合と比較して、本発明
の振動ねじ締結装置を用いた場合、振動の角度変
位振幅がはるかに大きくとれるので、ねじ面にお
ける摩擦力の正負の切換えが容易に行なわれ、そ
の結果ねじ面になじみ効果を発生させるのに比較
的時間を必要とせず、短時間で締結が完了する。
また本発明では、エアモータを使用するので、大
きな締結トルクを必要とする場合においてもねじ
締結装置本体についてはコンパクトかつ小型化で
きる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による振動ねじ締結装置を含
む実験装置を示す概要説明図、第２図は第１図に
示す装置における空気圧式速度制御回路説明図、
第３図は本発明における振動によるねじ締結工具
の運動態様説明図、第４図は本発明の振動締結時
における締結トルクとボルト軸力の関係を示すグ
ラフ図である。 １……コンプレツサー、２……圧力コントロー
ルユニツト、３……切換弁、４……スピードコン
トローラ、５……エアモータ、６……タイマー、
７……正転側管路、８……逆転側管路、９……リ
レーボツクス、１０……排気消音器、１１……モ
ータ軸、１２……スクロールチヤツク、１３……
締結工具（六角棒）、１４……六角穴付きボルト、
１５……ナツト、１６……平座金、１７……軸力
検出器、１８……トルク検出用工具動力計。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一定空気圧の圧気源と、該圧気源に極低周波
   数で切換えが可能な切換弁および排気速度の制御
   可能なスピードコントローラを介して接続され、
   正転方向と逆転方向とに交互に駆動される振動型
   エアモータと、該エアモータのモータ軸に、振動
   １周期中ねじ締付け方向に締付け角としておよそ
   40°近傍の角度だけ回転し、ねじゆるめ方向にゆ
   るめ角として前記締付け角の約半分の角度だけ回
   転する如き１ないし10Hzと極低周波振動トルクを
   付与するように前記切換弁およびスピードコント
   ローラを制御する制御手段と、前記モータ軸に連
   結固定されたねじ締結工具とを備えたことを特徴
   とする空気圧による振動ねじ締結装置。