JPH0645106B2 - ボルト締結方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ボルトの締結方法、特に簡便に精度よくボル
ト締結力を管理できるボルト締結方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ ボルト締結構造は、あらゆる機械に採用されている。し
かし、このボルトの締結力を正確に管理する事の必要性
は長年説かれているにもかかわらず、未だに簡便で正確
な方法が確立されていない。特に、高圧容器のフランジ
締付ボルトは、適正な締結力で締付ける事が重要とされ
ている。即ち、締結力が不足すれば、ボルトの緩みが起
り漏洩等の事故に進展する。また締付力が過大であれ
ば、内圧負荷と重畳して、ボルトの応力が過大となり、
時にはボルト破断に至る。

この様な事から、従来、種々の方法でボルトの締結力を
管理する事が試みられて来た。その代表的なものを以下
に列記する。

(1)超音波による軸力測定 特公昭49-39035号に記載のように、ボルトの長さの微少
な変化を、超音波の反射時間の差から求めるもので、ボ
ルトの伸びを測り、締結力を知る方法である。

(2)締付トルクによる管理 最も簡便で一般的に行われている方法であり、トルクが
ほぼ締結力に比例する事を利用したものである。

(3)ボルトの歪測定 歪ゲージをあらかじめボルトに取付けておき、締付時の
歪みを測定し、締結力を知る方法である。

(4)ストレッチ法 外力を加えてボルトを引き伸ばし、ナットを止まるまで
廻した後、外力を除く。結果として、加えた外力がボル
ト締結力となる。締結力管理法としては最も正確であ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のような種々の従来の方法には、それぞれ問題があ
り、汎用の標準ボルトに適した方法とはなっていない。

以下に各種従来方法の問題点を述べる。

(1)超音波による軸力測定の問題点 超音波の入射面と反射面が必要であるためボルト両端面
が平面でなければならない。圧力容器用ボルトは、通常
六角穴付ボルトであるので、この方法は採用できない。

(2)締付トルクによる管理の問題点 ねじ面及び座面の摩擦係数のバラツキのためトルクと締
結力との関係はボルト毎に異る。これを一定のトルク値
で管理するのであるから、管理できる締結力の精度が悪
い。

(3)ボルトの歪測定の問題点 ボルトに歪ゲージを取付けるため、リード線の引出し用
溝をボルトに加工する必要があり、このためボルトの強
度が低下してしまう。また、リード線をつけたまま実用
に供する事は、一般には不都合なので、適用が非常に限
定され一般的でない。

(4)ストレッチ法の問題点 外力を加えるための特殊な装置が必要であり、通常はナ
ットが掛る部分にボルトの余長部を設け、その余長部に
引伸し装置を取付けて引張る。従ってボルト長が必要以
上に長くなり、宇宙ロケットモータケースのように寸法
制限や重畳制限がある場合には不適である。

以上、要約すれば、従来方法の問題点は、 適用に際して、形状、寸法等に制約があり、一般の標
準ボルトに適用できないこと、 標準ボルトに適用できる方法は、精度が悪いこと、 である。

本発明は、上に述べた問題点、即ち、「適用に際して制
約がある、または、精度が十分でない」という問題点を
改善し、簡便な方法で十分な精度を有し、ボルト締結力
を的確に管理できるボルト締結方法を提供することを目
的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明のボルト締結方法の要点は、ボルトによって締付
けられる被締結物（例えばフランジ）がボルト締結力に
よって僅かに変形するとき、その微少歪がボルト締結力
に比例する事を利用する点にあり、被締結物の歪を測定
し乍らボルトを締付け、この歪が所定の値に達した時、
ボルト締付を停止する事により、ボルト締結力を管理す
るものである。

［作 用］ 相隣るボルトを締めると、該ボルト間に被締結物の微小
歪が生じ、この歪の程度はボルト締結力に比例する。よ
って、この歪を測定し乍らボルトを締付け、その値が所
定値に達した時にボルトの締付けを停止すると、所定の
ボルト締結力を正しく実現し得る。

［実施例］ 以下に、被締結物の一例としてのフランジをボルトで締
結するに際にフランジの歪によりボルト締結力を検出・
管理する実施例の場合について、本発明の方法を詳述す
る。

先ず原理的に説明する。ボルトによって締付けられたフ
ランジ１は、第２図に２点鎖線で示すような形状に変形
する。即ち、ボルト２により締付けられている部分は大
きく圧縮され、ボルトとボルトの中間は、取残される形
で山状になる。このとき、この山の頂上の部分にてフラ
ンジ１に歪ゲージ３を貼っておけば、この部分が両側か
ら引張りを受けて引張歪を生じている事を検出する事が
できる。

この歪はフランジの変形が弾性限度内であればボルト締
結力に比例するから、あらかじめ比例定数を試験によっ
て求めておけば、フランジの歪を測定する事によってボ
ルトの締結力を知ることができる。よって、フランジの
歪の測定値が所定値に達した時にボルトの締付を停止す
れば、正確なボルト締結力を実現し得る。この方法は、
ボルトの摩擦係数とは無関係でありまた、使用するボル
トには何の制約もなく、ボルトに何の加工も必要はな
く、締結力そのものの測定結果を用いることになるの
で、正確な締結力でボルト締めが出来る。

第３図に、実際に、ボルトの締付トルクとフランジの歪
との関係について測定した例を示す。測定は、フランジ
の０゜位置のボルトとその両側に近接したボルトとの中
間位置103，105、及び180゜位置のボルトとその両側に
近接したボルトとの中間位置115，117で行った（第３図
(b)参照）。測定の前にフランジの密着度を調査したと
ころ０゜位置付近には数μｍの隙間がある事が確認され
た。

第３図(a)は、横軸にボルト締付トルク、縦軸にフラン
ジの歪を示している。

180゜位置両側の２点（115，117）について見れば、ト
ルクとフランジ歪は完全に比例している事が判る。この
場合、１本１本の個々のボルトだけについて言えば、摩
擦係数は変らないから、ボルト締結力とトルクは比例関
係にあり、従ってフランジ歪もボルト締結力に比例する
事が実証されたと見ることができる。

０゜位置両側の２点（103，105）は、途中非線形の変化
をしている。これは、前述した様に、フランジの密着度
が悪く、隙間が最初あった事による。つまり隙間が密着
するまでは、フランジに正常な引張歪が生ぜず、隙間が
密着してから急激に正常な歪に近づき、トルクがある程
度大きくなると、ほぼ他の密着していた部分と同じ歪に
なる。

この事から、このフランジ歪によるボルト締結力管理方
法は、フランジの密着度についても、同時に検出でき、
本当に必要な締結力がフランジに加わっている事を確認
できる。

以上の方法を実施する具体的実施例を次に述べる。これ
ら実施例において、ボルトは相隣る２本づつを同時に締
めるものとする。

第１図(a)は、ボルト２本を同時に締結できる自動の締
結機を用いた場合を示す。被締結物たるフランジ１の表
面に歪ゲージ３をボルト２間に取り付け、歪測定器５で
歪の値を検出し、制御器６に入力する。ボルト２は２本
同時に締結できる電動式の締結機４で締付けられるが、
締結機４は制御器６で制御されており、歪があらかじめ
入力されてあった規定値に達すると停止する様に制御さ
れる。

ここで、歪測定器５は一般に公知の市販のストレンメー
タであり、制御器６もまた一般に公知なマイクロコンピ
ュータ内蔵の簡単な制御器である。この方式はすべて電
気信号系で成り立っているので、非常に信頼性が高い。

一方、第１図(b)は、手動制御する締結機４を用いた場
合を示す。大略の構成は第１図(a)の構成と同様である
が、制御器６の代りに表示器６′を用いている点及び締
結機４への制御信号を送るケーブルが無い点で異る。フ
ランジ１は歪ゲージ３によって検出され表示器６′に入
力される。歪があらかじめ入力されてあった規定値に達
すると、このことが表示器６′によって表示されて、締
結機４の操作者がこのことを知覚し、締付けを停止す
る。この場合も隣り合う２本のボルトを１組として締付
け作業を行う。表示器６′は知覚に訴えるものであって
も聴覚に訴えるものであってもよく、また操作者が知覚
できるものであれば、他の感覚に訴えるものであっても
よい。

第１図(a)，(b)に示したいずれの実施例も歪の規定値
は、別に実験により測定して定める。この実験で定める
とき、ボルトの締結力は、従来の方法、例えばストレッ
チ法により設定して行う。

第４図は、胴部との連結部に応力集中が起るのを防ぐた
め、ある程度大きな曲率半径を有する円弧部１′をもっ
て胴部と連結されているフランジの場合の実施例を示
す。この円弧部１′にはボルトおよびナットのための座
ぐり８を設けるのが一般的である。この座ぐりは、ボル
ト首下面の密着度をよくし面圧を均一化するのに有効で
あるが、このため、一般にはボルト間の歪ゲージ取付部
とボルト締付面との間に段差ができ、フランジ歪の測定
に支障が生ずる。これを改善するため、本実施例では、
フランジ１の面に全周均一な歪ゲージ取付面７を設け、
これに歪ゲージ３を取付ける。歪ゲージ取付面７は座ぐ
り面８と同一面となるよう加工する。歪ゲージ取付面７
を全周均一な面とするのは、加工上の便からであり、旋
削により容易に加工できるからである。

第５図は本発明の方法に用いる好適な歪ゲージについて
示す。圧力容器等における多数のボルトを使用するフラ
ンジは、ボルト間隔が非常に狭く、通常の歪ゲージが取
付け難い場合が多い。そこで、ボルト間の空間に適合す
るように、第５図の如く歪ゲージ３のベースの平面形状
を台形とし、この台形のベースにその平行辺の方向に歪
測定抵抗線を設け、リード線を歪測定方向（台形の平行
辺の方向）に対し垂直方向に引出している。これによ
り、ボルト間隔が非常に狭い場合でも容易にゲージを取
付けることができる。

次に、フランジのボルト締付作業の手順について説明す
る。

一般に、従来、フランジのボルト締付順序は、全周の締
付力が均等になるように、全周に分散して飛び飛びにボ
ルト１本毎に締付けて行く方法がとられている。しか
し、この様なボルトの締付順序では、本発明の適用に支
障が出てくる。即ち、ボルト間のフランジ歪は、両隣り
のボルトにそれぞれ５０％の影響を受けるので、両隣り
のボルトが完全に締付けられるまで、フランジ歪が正規
の値に達しない。飛び飛びにボルトを締付けると、両隣
りのボルトが締付けられるのは、ほぼ全周のボルトの締
付けが完了する時であるので、この時に締結力の適否を
判定するのでは遅すぎる。

そこで、本発明の実施例では、隣り合う２本のボルトを
１組とし、その中間のフランジ歪を測定し乍ら締付作業
を行うようにする。即ち、第６図に番号で示すような順
序で、隣り合う２本毎にボルトを同時に締付け、それぞ
れ締結力をその中間のフランジ部位の歪値で管理し乍ら
作業を進める。この方法で、各２本毎に作業が完了する
ので、効率的に作業ができる。前記測定においてフラン
ジ歪は、歪測定点の両隣りのボルト締付け力により支配
され、更にその１本隣りのボルトによる影響は、２％以
下である事が計算により確認されているので、このボル
ト締付けの順序は第６図に示す順序に限るわけではな
く、任意に設定してよい。

実際の作業に当っては、全周すべての点についてフラン
ジ歪を測定する必要はなく、９０゜おきに代表４点の作
業結果により、制御データ、即ち締付トルク値を取得し
たら、その平均値をもって、すべてのボルトに適用して
も実用上支障ない。これにより更に作業能率の向上を図
ることができる。

次に、第７図にボルト締結機の実施例を示す。これは、
電動機１０と、これに連結したウォームギア１２および
減速ギアの組合せにより回転トルクを増大するギア装置
と、該ギア装置により回転せしめられるボルト係合具
と、より各々成るボルト締結機９を２台、連結ピン１１
で回転自在に連結した複合構成としている。このように
すると、ボルトピッチが異る場合でもボルト締結機を２
本のボルトに係合可能となり、更に、ボルト１本毎の締
結機では必要な廻り止めレバーが省略できる利点があ
る。また、電動機１０を孤立に２ヶ有しているので、ボ
ルトを２本毎に締付け、最後に１本残った場合でも片側
の電動機１０だけを駆動する事が可能なので、特に支障
なく作業ができる。

この実施例は、Ｍ２４ボルト用で、電動機出力５０Ｗ
（1500rpm）、ギア比1000程度であり、十分小型で使い
易いものとなっている。

また、他の実施例として、第１図の構成で歪ゲージと歪
測定器による歪の測定装置を、Ｘ線による歪み測定器に
置換え、同様の構成・作用とする事によっても、同一の
効果を得ることができる。この方式によれば、あらかじ
め歪ゲージを取付ける作業が不要となる利点がある。Ｘ
線による歪測定の原理及び歪測定器については、公知で
あるので、説明を省略する。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、被締結物の歪を測
定し乍らボルトの締付を制御する事により、ボルトの締
結力を非常容易に精度よく管理することができる。

しかも、用いるボルトには何らの加工も制約も必要とせ
ず、ボルトの摩擦係数などの影響も全く受けずに、正確
な締結力でボルト締めが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図(a)はボルト２本を同時に締結できる自動制御式
の締結機を用いた本発明の１実施例を示す図、第１図
(b)は同じく手動制御式の締結機を用いた実施例を示す
図、第２図は本発明の基本原理を説明する図、第３図
(a)はフランジ歪に対するボルト締付トルクの測定値を
示し第３図(b)は測定位置を示す図、第４図(a)，(b)座
ぐりされた丸味部を持つフランジの場合の実施例の夫々
断面図および正面図、第５図は本発明に用いるに好適な
歪ゲージを取り付けた状態の図、第６図は本発明による
フランジ締結ボルトの締付順序を示した図、第７図は本
発明によるボルト締結機の例を示す正面図である。 １……被締結物（たとえばフランジ） ２……ボルト、３……歪ゲージ ４……ボルト締結機、５……歪測定器 ６……制御器、６′……表示器 ７……歪ゲージ取付面、８……座ぐり面 ９……ギア装置、１０，１０′……電動機 １１……連結ピン、１２……ウォームギア

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】隣り合うボルトが互に近接配置されている
   様な複数のボルトにより被締結物を締結するボルト締結
   方法において、隣り合う２本のボルトの中間点における
   被締結物の歪を測定し乍ら該２本のボルトを同時に締付
   け、該歪の測定値が所定値に達した時、それらのボルト
   の締付けを停止することを特徴とするボルト締結方法。
2. 【請求項２】隣り合う２本のボルトの中間点の被締結物
   表面に歪ゲージを取付けて被締結物の前記歪を測定する
   事を特徴とする請求項１に記載のボルト締結方法。
3. 【請求項３】被締結物がフランジであり、該フランジの
   ボルト締結面外周側にボルト用座ぐり面と共通な全周均
   一な面を設け、この全周均一な面に歪ゲージを取付る請
   求項２に記載のボルト締結方法。