WO2020008639A1 - ヘリサート - Google Patents

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Inventor
松尾　誠
喜直 岩本
Original Assignee
株式会社松尾工業所
株式会社iMott
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/12—Nuts or like thread-engaging members with thread-engaging surfaces formed by inserted coil-springs, discs, or the like; Independent pieces of wound wire used as nuts; Threaded inserts for holes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/02—Springs made of steel or other material having low internal friction; Wound, torsion, leaf, cup, ring or the like springs, the material of the spring not being relevant
    • F16F1/04—Wound springs
    • F16F1/06—Wound springs with turns lying in cylindrical surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a heli-sert that equally distributes a load to a fastening screw thread.
  • a method in which members are fixed to each other by using a male screw and a female screw that are mutually engaged For example, if a bolt, which is a type of male screw, is passed through one member and the bolt is inserted and tightened into a female screw formed in another member, the two members are fixed by a screw action. Further, the bolt is inserted through the two members, the bolt is fitted to the nut using a nut, and the two members are fixed by the screw action of the bolt and nut.
  • the material and dimensions of the members are determined in consideration of the applied load and in consideration of the safety factor.
  • the material of the female screw member may be limited, for example, when fixing a plastic material or a non-ferrous metal, for example, an aluminum material as a female screw, for example, when using an iron-based material for the bolt, both members If the strength of the member is excessively different and an impact load is frequently applied between the members, the threads of the member on the soft side may be damaged and fastening may not be possible. In such cases, helisert is often used. For the heli-sert, a material having high hardness such as stainless steel is used.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a heli-sert capable of more evenly applying a load to each coil of the heli-sert. That is, the present invention provides a uniform load sharing type heli-sert that improves the conventional non-uniform load sharing.
  • the present invention provides the following inventions to solve the above problems.
  • a helisert characterized by being formed using a Ti—Nb-based alloy.
  • the Ti-Nb-based alloy is Ti-23Nb-2Zr-0.7Ta-O (mol%), Ti-12Ta-9Nb-3V-6Zr-O (mol%), or Ti-36Nb-2Ta-
  • the helicert according to the above (2) which is 3Zr-O (mol%).
  • FIG. 1 shows the appearance of an example of the heli-sert of the present invention.
  • the appearance can be similar to that of a conventional general helisert.
  • the strain-stress characteristics of a conventional stainless steel (SUS304) and a heli-sert using superelastic Ti-36Nb-2Ta-3Zr-O (mol%), which is an example of the present invention, are shown in comparison.
  • the figure which shows a mode that the helisert of this invention is set to the base material screw hole for the screw processing to a base material.
  • the helisert of the present invention is formed using a Ti—Nb alloy.
  • This Ti—Nb-based alloy has a Young's modulus of about 45 to 90 GPa (variable under age hardening conditions), which is smaller than about 200 to 210 GPa of a steel-based material.
  • hardness is ⁇ HV ⁇ 400 during cold working, and tensile strength is about 900 to 1100 MPa.
  • it has a feature that it is easy to cold work.
  • the heli-sert is generally formed by winding a wire having a diamond-shaped cross section in a coil shape.
  • the vertex angle of the rhombus in the cross section is usually 60 degrees.
  • a stainless material for example, SUS304 is used.
  • FIG. 1 is an external view of a heli-sert showing one embodiment of the present invention.
  • the appearance may be the same as that of a conventional helisert.
  • 1 denotes a heli-sert
  • 2 denotes a wire rod of a coil
  • 3 denotes a projection (also called a tongue)
  • 4 denotes a direction perpendicular to the cross section of the coil.
  • the second coil wire is processed into a rhombus shape having a vertex angle of 60 degrees.
  • Reference numeral 3 denotes a projection used when the heli-sert is mounted on the fastening base material, and is used for rotating and mounting the base material screw hole using this projection (cut out after insertion setting).
  • FIG. 1 shows an example having the projections 3, other methods useful for attaching the heli-sert 1 to the screw holes may be formed, for example, a groove for tooling may be formed in a part of the coil.
  • the heli-sert of the present invention is a Ti-Nb-based superelastic material whose cross section is formed in the shape of a rhombus having a vertex angle of 60 degrees, for example, Ti 3 (Nb, Ta, V) + (Zr, Hf) + O, preferably Ti-23Nb-2Zr-0.7Ta-O (mol%), Ti-12Ta-9Nb-3V-6Zr-O (mol%), or Ti-36Nb-2Ta-3Zr-O (mol%) in a coil form This is achieved by winding to a predetermined height. Geometric dimensions may be similar to conventional stainless steel heliserts.
  • FIG. 2 shows a comparison of strain-stress characteristics between a conventional stainless steel (SUS304) and a heli-sert using superelastic Ti-36Nb-2Ta-3Zr-O (mol%) which is an example of the present invention.
  • FIG. 2 shows the strain-stress characteristics of stainless steel (SUS304), and
  • (b) shows the superelastic Ti-36Nb-2Ta-3Zr-O (mol%).
  • the superelastic Ti—Nb-based material shown in (b) is characterized by having a very wide elastic deformability.
  • the first coil on the fastening side shares the maximum load
  • the second stage reduces the load sharing, and at most about three coils share the fastening load.
  • the other coils hardly share the load at the time of fastening.
  • FIG. 3 is a view showing a state in which the helisert of the present invention is set in a base material screw hole for screwing the base material.
  • //// parts indicate the parts into which the bolts enter.
  • the Young's modulus increases and the elastic deformability decreases. It changes so that it becomes harder when considered with the screw thread.
  • the thread's Young's modulus is inclined, the helicert coil on the bolt inlet side has a low Young's modulus, and the helicert coil on the opposite side of the bolt outlet has a relatively high Young's modulus.
  • the heli-sert coil part in the middle becomes a thread in which the Young's modulus is continuously inclined.
  • the screw thread elastically deforms according to the load due to the low Young's modulus of the coil, and passes the load stress to the next screw thread, and sequentially applies the load stress to the screw at the bolt outlet side. Hand over. Since the Young's modulus increases as approaching the exit, elastic deformation is reduced and a large load can be borne. In this manner, it is possible to improve the state in which the fastening load is shared by about three threads on the fastening side, so that the fastening load can be distributed and shared by many threads. Further, by distributing the load as a result, it is possible to receive a larger load as a whole.
  • Fig. 4 shows an image diagram in which the Young's modulus is inclined in the height direction perpendicular to the cross section of the coil of the heli-sert.
  • a heli-sert using a Ti-Nb-based alloy can obtain about 45 to 90 GPa.
  • FIG. 4 shows an example in which the Young's modulus is changed linearly in the height direction, but may be changed in a curved line.
  • the general method of age hardening is to put the product into a vacuum heat treatment furnace, keep the whole at the same temperature and hold it for the required time, and make the Young's modulus and hardness uniform.
  • the coil-shaped helisert is cooled in an inert gas atmosphere, one side is heated, the other side is heated, and held for a certain period of time, so that a non-uniform heat treatment in the height direction perpendicular to the coil surface is performed.
  • one side in the height direction is induction-heated at about 600 to 800 ° C. for 1 to 3 minutes in an inert gas atmosphere, and the other side is cooled by exposing to running water. Done.
  • the coil surface of the heli-sert subjected to the fastening load is coated with a DLC (diamond-like carbon) film.
  • a vapor phase deposition method is preferable, and examples thereof include a plasma CVD method using DC, AC, or high frequency as a power source, or a sputtering method such as magnetron sputtering or ion beam sputtering. PVD (Physical Vapor Deposition) can also be used.
  • the thickness of these DLC films is usually selected from about 50 nm to 500 ⁇ m.
  • a helisert in which the Young's modulus is inclined in a height direction perpendicular to the coil cross section (direction of 4 in FIG. 1).
  • the inclination of the Young's modulus in the height direction is about 45 to 90 GPa in a heli-sert manufactured using a Ti—Nb-based alloy.
  • such a helisert is obtained by performing a non-uniform heat treatment in the height direction perpendicular to the coil surface of the helisert.
  • the non-uniform heat treatment is performed, for example, by inductively heating one side in the height direction of the heli-sert in an inert gas atmosphere for 1 to 3 minutes to maintain the temperature at about 600 to 800 ° C., and to heat the other side.
  • the cooling is performed by exposing to running water.
  • the material of such a heli-sert is preferably manufactured using the above-mentioned Ti-Nb-based alloy, but is not limited thereto, and may be a steel-based or polymer-based material.
  • helisert of the present invention includes other so-called insert nuts, such as Irisart® and Enzate.
  • the present invention can provide a uniform load sharing type heli-sert that improves the conventional non-uniform load sharing.

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Abstract

ヘリサートのネジ山毎の荷重負荷をより均等にし得るヘリサートを提供する。 Ｔｉ－Ｎｂ系合金を用いて形成されてなることを特徴とするヘリサート。好適には、Ｔｉ－Ｎｂ系合金は、Ｔｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏで表される。

Description

ヘリサート
　本発明は、締結用のネジ山に均等に負荷を分担させるヘリサートに関する。
　複数の部材を組み合わせてなる構造体では、互いに蝶合する雄ネジと雌ネジを利用して部材同士を固定する方法がある。例えば、雄ネジの一種であるボルトを一方の部材に貫通させ、他の部材に形成した雌ネジにそのボルトを差し込み締め付ければ、ネジ作用により二つの部材が固定される。また、ボルトを二つの部材に貫通させ、ナットを利用して、ボルトをナットに嵌合し、締め付け、同様にボルト・ナットのネジ作用により、二つの部材は固定される。
　このような構造体の固定においては、負荷荷重を想定し、安全率を考慮して部材の素材や寸法などが決定される。しかし、雌ネジ部材の素材が限定されることがあり、例えば、プラスティック材や、非鉄金属、例えば、アルミニウム材などを雌ネジとして固定する場合、例えば、ボルトに鉄系材料を用いると、両部材の強度が過度に違いすぎ、部材間に衝撃荷重が度々印加されると、柔らかい側の部材のネジ山は破損し、締結ができなくなることがある。このような場合、ヘリサートがよく使用される。ヘリサートは例えばステンレス製など、硬度の高い素材が用いられる。
　通常、ネジによる締結では、たとえばナットにおいては、ナットの締結側（被締結物に接する側）の３ネジ山程度が負荷を分担し、残りのネジ山、特に開放側（ナットの締結側と反対側）のネジ山は負荷の分担にほとんど寄与していない。ヘリサートによる締結においても同様で、締結側の３コイル程度までが負荷を分担し、残りのコイルは余り負荷分担に寄与していない。
　本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヘリサートのコイル毎の荷重負荷をより均等にし得るヘリサートを提供することにある。すなわち、本発明は、従来の非均等負荷分担を改良する均等負荷分担型のヘリサートを提供するものである。
　本発明は上記の問題を解決するために、以下の発明を提供するものである。
（１）Ｔｉ－Ｎｂ系合金を用いて形成されてなることを特徴とするヘリサート。
（２）該Ｔｉ－Ｎｂ系合金がＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏで表される上記（１）に記載のヘリサート。
（３）該Ｔｉ－Ｎｂ系合金が、Ｔｉ－２３Ｎｂ－２Ｚｒ－０．７Ｔａ－Ｏ（ｍｏｌ％）、Ｔｉ－１２Ｔａ－９Ｎｂ－３Ｖ－６Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）、またはＴｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）である上記（２）に記載のヘリサート。
（４）ヘリサートのコイルにおいて応力を受ける面にＤＬＣ膜を被覆した上記（１）～（３）のいずれかに記載のヘリサート。
（５）ヘリサートのコイル断面に垂直な高さ方向にヤング率を傾斜させてなるヘリサート。
（６）ヘリサートのコイル断面に垂直な高さ方向に不均一な熱処理を施し、高さ方向にヤング率を傾斜させたヘリサートを得ることを特徴とするヘリサートの製造方法。
本発明のヘリサートの一例の外観を示す。従来の一般的なヘリサートと同様な外観のものとすることができる。 従来のステンレス材（ＳＵＳ３０４）と本発明の一例である超弾性Ｔｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）を用いたヘリサートのそれぞれの歪―応力特性を比較して示す。 本発明のヘリサートが、基材へのネジ加工のために基材ネジ穴にセットされる様子を示す図。 本発明のヘリサートにおいて、ヘリサート断面に垂直な高さ方向のヤング率を変化させた、すなわち、高さ方向にヤング率を傾斜させた例を示す図。
　本発明のヘリサートは、Ｔｉ－Ｎｂ系合金を用いて形成されてなる。このＴｉ－Ｎｂ系合金はヤング率が４５～９０ＧＰａ程度（時効硬化処理条件で可変）であり、鉄鋼系材料の約２００～２１０ＧＰａに比較して小さい。他方、硬度は冷間加工時　ＨＶ≒４００、引張強度は９００～１１００ＭＰａ程度であり変形しやすいが破断しにくい。また、冷間加工しやすい特徴を持つ。
　ヘリサートは、断面が菱形形状の線材をコイル状に巻いて形成されるのが通常である。断面の菱形の頂角は通常６０度である。通常、ステンレス材（たとえばＳＵＳ３０４）が使用される。
　図１は、本発明の一実施態様を示すヘリサートの外観図である。外観は、従来のヘリサートの外観と同じであってもよい。図１において、１は、ヘリサート、２は、コイルの線材、３は、突起（タングともいわれる）、４は、コイル断面に垂直方向を示す。２のコイル線材は、頂角６０度の菱形形状に加工される。３は、ヘリサートを締結用基材に装着するときに使用する突起で、この突起（挿入セット後に切り取る）を用いて基材ネジ穴に回転して装着するために用いられる。図１では突起３を有する例を示したが、ヘリサート１をネジ穴に装着するのに有用な他の方法、たとえばコイルの一部に工具掛け用の溝を形成してもよい。
　本発明のヘリサートは、断面が頂角６０度の菱形の線状に作製したＴｉ－Ｎｂ系超弾性材料、例えば、Ｔｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏ、好適にはＴｉ－２３Ｎｂ－２Ｚｒ－０．７Ｔａ－Ｏ（ｍｏｌ％）、Ｔｉ－１２Ｔａ－９Ｎｂ－３Ｖ－６Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）、またはＴｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）をコイル状に所定の高さとなるように巻くことで達成される。幾何寸法は従来のステンレス製ヘリサートと同様でよい。
　図２は、従来のステンレス材（ＳＵＳ３０４）と本発明の一例である超弾性Ｔｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）を用いたヘリサートの歪―応力特性を比較して示す。図２において、(a) はステンレス材（ＳＵＳ３０４）、(b)は超弾性Ｔｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）の歪―応力特性を示す。（ｂ）で示す超弾性Ｔｉ－Ｎｂ系材料は、非常に広い弾性変形能を有するのが特徴である。
　通常のステンレス製のヘリサートでは締結側（被締結物に接する側）の１コイル目が最大の負荷を分担し、２段目になると負荷分担が減り、精々３コイル程度までが締結負荷を分担し、それ以外のコイルはほとんど締結時の負荷を分担しない。本発明のＴｉ－Ｎｂ系材料で作製したヘリサートを締結用のナットに使用すると、締結側のコイルに負荷が与えられると容易に弾性変形し、弾性変形状態が負荷される荷重に応じて変わり、自立的に全コイルで負荷を分散して分担するようになる。
　図３は、本発明のヘリサートが、基材へのネジ加工のために基材ネジ穴にセットされる様子を示す図である。図３において、////部分はボルトが入る部分を示す。後述するように、コイル断面に垂直な高さ方向にヤング率を傾斜させてなるヘリサートとする場合、図のボルト挿入側（すなわち下方）のヤング率を低くする。
　更に時効硬化熱処理を施した場合、ヤング率は上昇し、弾性変形能は小さくなる。ネジ山で考えれば硬くなる様に変化する。高さ方向で熱処理条件を変えることによりネジ山のヤング率が傾斜し、ボルト入口側のヘリサートコイル部は低ヤング率、逆の反対側のボルト出口側のヘリサートコイル部は相対的に高ヤング率として、途中のヘリサートコイル部を連続的にヤング率を傾斜させたネジ山となる。
　ボルト入口側では高負荷を負担しているがコイルの低ヤング率により負荷に応じてネジ山は弾性変形して、次のネジ山に負荷応力を渡し、順次ボルト出口側のネジに負荷応力を渡していく。出口に近づくに従いヤング率が高まるため、弾性変形が少なくなり負荷を多く負担することができる。このようにして従来締結側３ネジ山程度で締結負荷を分担していた状態から、多くのネジ山で締結負荷を分散して分担できるように改善することができる。さらに、結果的に負荷分散することによって、全体としてより多くの負荷を受けることが可能となる。
　図４は、ヘリサートのコイル断面に垂直な高さ方向にヤング率を傾斜させたイメージ図を示しているが、Ｔｉ－Ｎｂ系合金を用いたヘリサートでは、４５～９０ＧＰａ程度が得られる。図４においては、ヤング率を高さ方向に直線的に変化させた例を示すが、曲線的に変化させることもできる。
　一般的な時効硬化の方法は、真空熱処理炉に投入し、全体を同じ温度にして所要時間保持し、ヤング率、硬度を均一にする方法をとる。本発明の好適な態様においては、コイル状のヘリサートを、不活性ガス雰囲気中で、片側は冷却、他方側を加熱し、一定時間保持してコイル面に垂直な高さ方向に不均一な熱処理を施すことでヘリサートコイルの断面に垂直な高さ方向に傾斜したヤング率を有するヘリサートが得られる。
　不均一な熱処理としては、たとえば、不活性ガス雰囲気中で１～３分間、高さ方向の一方側を誘導加熱して６００～８００℃程度に保持し、そして他方側を流水に曝して冷却して行われる。
　これによりボルト側ネジ山及びネジ谷底で受ける締結応力がナットの応力負担している部分全体に分散するため、ネジ山・谷底への応力集中が少なくなる。ボルト・ナットの多くの山で負荷を分散して受けるため外力への許容が大きくなることで締結の安定が増加する。
　本発明の好適な態様において、締結負荷を受けるヘリサートのコイル面がＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素）膜を被覆される。ＤＬＣ膜の堆積法としては気相堆積法が好適であり、たとえば直流、交流もしくは高周波等を電源とするプラズマＣＶＤまたはマグネトロンスパッタもしくはイオンビームスパッタ等のスパッタ法が挙げられる。ＰＶＤ（物理的気相堆積法）も使用され得る。これらのＤＬＣ膜の膜厚は通常５０ｎｍ～５００μｍ程度から選択される。
　さらに、本発明の好適な態様において、コイル断面に垂直な高さ方向(図１の４の方向)にヤング率を傾斜させてなるヘリサートが提供される。ここで高さ方向のヤング率の傾斜は、Ｔｉ－Ｎｂ系合金を用いて製作したヘリサートでは４５～９０ＧＰａ程度が得られる。
　このようなヘリサートは、一実施態様において、ヘリサートのコイル面に垂直な高さ方向に不均一な熱処理を施して得られる。
　不均一な熱処理は、上記のように、たとえば、不活性ガス雰囲気中で１～３分間、ヘリサートの高さ方向の一方側を誘導加熱して６００～８００℃程度に保持し、そして他方側を流水に曝して冷却して行われる。
　このようなヘリサートの材質は、好適には上記のＴｉ－Ｎｂ系合金を用いて製作されるが、これらに限定されず、鉄鋼系、高分子系材料等であってもよい。
　本発明では、Ｔｉ－Ｎｂ系材料を用いたヘリサートについて適用した場合を述べたが、これに限らない。本発明のヘリサートは、イリサート（登録商標）やエンザートなどの、他のいわゆるインサートナットを含む。
　本発明は、従来の非均等負荷分担を改良する均等負荷分担型のヘリサートを提供し得る。
　１　　ヘリサート
　２　　コイルの線材
　３　　突起
　４　　コイル断面に垂直方向

Claims (6)

  1. 　Ｔｉ－Ｎｂ系合金を用いて形成されてなることを特徴とするヘリサート。
  2. 　該Ｔｉ－Ｎｂ系合金がＴｉ３（Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ）＋（Ｚｒ，Ｈｆ）＋Ｏで表される請求項１に記載のヘリサート。
  3. 　該Ｔｉ－Ｎｂ系合金が、Ｔｉ－２３Ｎｂ－２Ｚｒ－０．７Ｔａ－Ｏ（ｍｏｌ％）、Ｔｉ－１２Ｔａ－９Ｎｂ－３Ｖ－６Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）、またはＴｉ－３６Ｎｂ－２Ｔａ－３Ｚｒ－Ｏ（ｍｏｌ％）である請求項２に記載のヘリサート。
  4. 　ヘリサートのコイルにおいて締結の応力を受ける面にＤＬＣ膜を被覆した請求項１～３のいずれか１項に記載のヘリサート。
  5. 　ヘリサートのコイル断面に垂直な高さ方向にヤング率を傾斜させてなるヘリサート。
  6. 　ヘリサートのコイル断面に垂直な高さ方向に不均一な熱処理を施し、高さ方向にヤング率を傾斜させたヘリサートを得ることを特徴とするヘリサートの製造方法。
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