JPS5815268B2 - ボルトの締付け方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は部材等を緊定するボルトの締付は方法に係り
、詳しくはボルトの締付は作業をそのボルト内部に適正
な軸力（応力×断面積）が生起した時点で終了させるボ
ルトの締付は方法に関する。

従来、機械、装置等における部材のボルトによる緊定状
態を合理的にしてかつ信頼度の高いものとするだめ、ボ
ルトをその内部に適正な軸力を保つ状態まで締付けよう
とする試みは種々行なわれたが、未だ適確な方法がなく
、特にボルトをその材料の降伏点以下で締付ける場合に
、単にボルトの回転角度や単純な機構によって判定され
る締付はトルクを基準として締付は作業を終了させた従
来のボルト締付は方法は何れも締付は作業を終了した時
点において、実際にボルト内部に生起している軸力にば
らつきが犬きく（±２０％以上）、ボルトの給料は方法
として信頼度の乏しいものであった。

この発明はボルトの締付は方法における上記のような従
来欠点を解消しようとするものであり、鋼製ボルトにお
いてはその降伏応力が高精度に安定して検知ができる（
ばらつき±７係以下）ことから、捷ずボルトをその材料
が降伏点に達する状態捷で締付け、その締付は位置及び
状態を基準とし、かつボルトに生ずる軸力に相関して変
化する他の特性値をなかだちとして測定し、ボルト内部
に適正軸力が生起すべき締付は位置を検知するようにし
、該検知時点においてそのボルトの締付は作業を終了す
るようになしだ信頼度の高いボルトの締付は方法を提案
することを目的とするものである。

次にこの発明の第１実施例（トルク方式）を説明する。

この場合、適用されるシステムの構成は第１図に示すと
おりで、サーボモータで１駆動されるナツトランナ１ば
そのソケット１′を機械等の構成部材２，２′を緊定す
るボルト３０頭部に嵌合するように配設され、その締付
はトルクを検出するトルクトランスデユーサ４を付属し
ていて、サーボコントローラ５及び演算機（図示しない
）が１ルクトランスデユーサ４の信号を受けてナツトラ
ンナ１を制御するようになっている。

この方法によるボルト３の締付は作業に際して、ナツト
６はあらかじめその側の部品２′に接するまでねじ込ま
れかつ保持されているものとする。

このボルト締付は方法の第１ステツプとして、まずナツ
トランナトはボルト３の座面及びねじ面での動摩擦係数
がほぼ一定し、締付は時に動トルクの安定する２ｒｐｍ
祇上の一定角速度で回転してボルト３をゆっくりと締付
ける。

このときナツトランナ１に負荷される締付はトルクＴが
トルクトランスデユーサ４によって連続的に検出され、
電気的変化量に変換されてサーボコントローラ５に送ら
れる。

すなわちこの第１実施例においてはボルト内部に生起さ
れる締付は軸力に相関して変化し、しかも検出の容易な
特性値としてボルトの締付はトルクＴが利用されるもの
である。

このトルク方式に基づく第１実施例の締付は方法を締付
は開始からの経過時間を対締付はトルクＴの線図として
第２図に示せば、上述の第１ステツプにおいて締付はト
ルクＴは図上はとんど直線的に増加してゆく。

この締付はトルクＴはある限度すなわちボルト材料が降
伏点に近づくとトルク増加率ｔａｎδが急激に減少する
が、減少に転じたトルク増加率が上記のほぼ直線的トル
ク増加時におけるトルク増加率に対し一定の割合にまで
鈍化したとき（第２図Ａ点）、ボルト３材料が降伏点に
到達したと判断し、ボルトの締付は作業を中断する。

この際ナツトランナ１の回転を停止させるには、例えば
それまでの回転方向と逆向きの力を瞬間的に加え、ナツ
トランナ１の回転部分の慣性を相殺してナツトランナ１
を瞬時的に止めるものとする。

ここで第４ステツプが終り、サーボコントローラ５はあ
らかじめ実験によって求められ、すでに回路内に記憶さ
れているボルト降伏時の軸力ｐ。

とい才重信した降伏時の締付はトルクＴ。とから両者を
関係づけるボルト３固有の係数Ｋを算出するとともに、
ポル）３にとって合理的な締付は終了時の適正軸力ｐ１
（以下、目標締付は軸力とも言う。

）−この値はあらかじめ設定されてサーボコントローラ
５に記憶させである。

−一に対応すべき目標締付はトルクＴ１を前記係数Ｋを
用いて次式（１）によって演算する。

ここにに＝Ｔ０／Ｐ１であるから 係数には厳密にはボルト３の座面及びねじ面における摩
擦係数にも相関している関数であって、同一ボルトでも
これを締付ける場合にとまきもどす場合にとではその値
が若干具なっていて、一般［Ｋ’＜Ｋであって、 となる。

次に、第１実施例の方法は第２ステツプに入り、降伏点
の検知された位置で瞬時停止したナツトランナ１が第１
スデツプにおける回転速度と可及的に等しい角速度で逆
転され、さきに式２によって求められた目標締付トルク
Ｔ、よりある程度低目スデューサ４によって検出される
位置（第２図Ｂ点）までボルト３を一旦才きもどす。

次いで方法は第３ステツプに入り、ナツトランナ１は第
１ステツプと同じ角速度の正回転に復してボルト３を再
度締付け、あらかじめ設定されていた目標締付は軸力Ｐ
１に対応し式２にて演算された目標締付はトルクＴμト
ルクトランスデユーサ４によって検出される時点（第２
図Ｃ点）で前回前様にして瞬時的に停止され、ボルト３
に対する締付は作業が打ち切られる。

かぐて、第１実施例によるボルトの締付は方法はその全
ステップを終了し、ボルト３の内部には従来のボルト締
付は方法よりは格段に精度よく適正な軸力Ｐ１が生起し
かつ保持されている。

なお、同じボルト３でも上述のように締付けの途中でボ
ルトを半ばまきもどして２度締めする場合には、同じ値
の軸力を生ずるだめの締付はトルクが１度目の締付は時
と２度目の締付は時とで厳密に言えば若干相違する。

従ってさらに高精度に適正軸力を生起させて締付は作業
を終了したい場合には、上記の相違をあらかじめ実験に
より求め、その補正係数αを演算機に記憶させておいて
、補正式 により求められるＴｌｃＯ値を締付はトルクの目標値と
して、値Ｔ１ｃの検出時にナツトランナ１が停止される
ようにすることもできる。

引続き、上述したボルトの締付は方法について若干の説
明を補足する。

式（３）及び（４）でも明らかなようにボルトを締付け
る場合とまきもどす場合とでは同大の軸力Ｐに対する締
付はトルクＴの値が少しく異なる。

従って演算機が第１ステツプにおけるボルト３の締付は
時のトルク変化状況を基準とし、目標締付軸力Ｐ１に対
応させて演算した目標締付はトルクＴ１の値をボルト３
のまきもどし過程で利用し、その現出位置でボルトの締
付は作業を打ち切ることは該差を含むことになるので、
この発明方法では目標締付はトルクＴ１よりある程度低
目の締付はトルクＴ２が現出する位置まで一旦ボルト３
を行き過ぎてまきもどしく第２ステツプ）、ナットラン
ナ１正回転による再度のボルト締付は過程（第３ステツ
プ）で、さきに演算された締付はトルクの最終目標値Ｔ
１を利用するようにしており、この値Ｔ１の検出時を目
標締付は軸力Ｐ１が正確にボルト３内部に生起する締付
は作業の適確な打ち切り時点としているのである。

また上記トルク値Ｔ２をトルク値Ｔ１よりある程度（Ｔ
２／Ｔ、＝０．５〜０．７）低目に選ぶのにはナツトラ
ンナ１のソケット１′とボルト３頭部との間に存在する
ソケットクリアランスの影響を避けるという理由も含ま
れている。

なお第２図において、点Ａ直下及び点Ｂ直上位置に示さ
れた短い垂線部分は何れもボルト締付は時の所要トルク
とボルトまきもど２時の所要トルクとの差がナツトラン
ナ１の回転方向変換に伴って生じていることを示すもの
である。

次に、この発明の第２実施例（回転角方式）について説
明する。

この場合、システムの構成は第３図に示すとおりで、第
１実施例のシステム（第１図）におけるナツトランナ１
［その締付は開始後の総回転角を検出可能のロータリエ
ンコーダ７が追加された形式になっている。

図中、前実施例と同番号のものは同−又は均等物である
。

第２実施例の方法及びそのシステムの作動について述べ
ると、ボルト３の締付けに際し、まず第１ステツプにお
いてナツトランナ１が２ｒｐｍ以上の一定角速度で回転
されボルト３を締付ける。

その締付はトルクＴａはトルクトランスデユーサ４を通
して電気的変化量に変換されてサーボコントローラ５に
送られ、同時にロータリエンコーダ７を介〜でナツトラ
ンナ１の締付は開始後の回転角度Φが同じくサーボコン
トローラ５に送られる。

すなわち、第２実施例においては軸力に相関し、しかも
検知の容易な特性値としてボルト３に対する締付は回転
角度Φが利用される。

サーボコントローラ５及び演算機（図示しない）は締付
はトルクＴのほかに回転角度Φの信号を受けとり、ナツ
トランナ１の微小回転角度△Φとその間の締付はトルク
の増加分△Ｔａとから弾性限界内におけるボルト３締付
は時のトルク増加率ΔＭを次式（６）によって連続ここ
にｊａｎδ′は第４図において回転角度Φ対締付はトル
クＴａ曲線の勾配に相当する。

このトルク増加率ΔＭはボルト３材料がその降伏点に近
づくと急激に減少するが、その値△Ｍｙが次式（７）を
満足するときボルト３が降伏点に達したと判断し、ナツ
トランナ１はそれまでの回転方向とは逆向きの力を瞬間
的に加えられて慣性を相殺しで即時に停止され、ボルト
３の締付は作業を中断する。

ことにに′社実験等をもとにあらかじめ設定した係数で
、通常０．５程度とされる。

なお中断の停止点は第４図の線図ではＡ′点及びＡ″点
に相当する。

ここでサーボコントローラ５及び演算機の内部でばあら
かしめ実験によって求められ、すでに演算機が記憶して
いるボルト３の材料降伏時の軸力ＰａＯと、いま受信し
た降伏時の締付トルクＴａ。

（これは最大値である。

）と、ボルト３を締付げる過程（前記第１ステップ）に
おけるナツトランナ１の回転角度Φに対する締付はトル
クＴａの増加率ΔＭとから、ボルト３の降伏時点におけ
る締付げ位置Φ＝％０、すなわちさきに締付けを中断し
た位置から適正な軸力Ｐａ１（目標締付は軸力とも言う
。

）がボルト３の内部に生起される最終目標の締付は位置
Φ−Φ１才でボルト３を１きもどすだめの回転角度△Φ
１を次式（８）によって演算する。

捷きもどし角度△Φ１が定すると、この方法は第２ステ
ツプに入り、ナツトランナ１は直ちに逆回転を開始〜、
ナツトランナ１のソケット１′クリアランスの影響を避
けて、上式（８）により演算されたまきもどし角度△Φ
１よりある程度大きい角度逆回転されて停止される（第
４図Ｂ〃点）。

これより方法は第３ステツプに入り、ナツトランナ１は
直ちに第１ステツプの場合と同じ角速度の正回転に復し
てボルト３を再度締付け、式（８）により求められた甘
きもどし角度△Φ１に相応する位置（第４図Ｃ′点）が
ロータリエンコーダ７によって発信される時点でサーボ
コントローラ５の指令を受け、ボルト３の締付は作業を
打ち切って前回同様にして瞬時に停止される。

かくて第２実施例によるボルトの締付は方法はその全ス
テップを終ｒし、ボルト３の内部には目標として設定さ
れた適正締付は軸力Ｐａ１が十分な精度をもって生起さ
れ保持されている。

なお、第２実施例のような回転角方式においては、ボル
ト３を降伏点に達する状態Ｃ軸力−Ｐａ０）壕で締付け
、この時点における締付けの総回転角度％を基準にして
目標締付軸力Ｐａ１が生起される位置捷でボルト３をま
きもどす回転角度△Φ１を前記（８）式による演算に依
らないで、ボルト３の形状及び材質の諸元に基いて次式
（９）によって求め、あるいは全くモデルボルトに関し
実験的に求めて、その何れかを演算機に記憶させておい
て、この発明の回転角方式によるボルトの締付は方法に
それらの数値を直接使用することもできる。

ただしＡはボルトの断面積、Ｌはボルトの有効長さく１
組のボルト、ナツトによって緊締される部分の厚さにナ
ツト厚さの１／２を加えた寸法）、Ｐはポル・のねじの
ピッチ、Ｅはボルト材質のヤング率である。

以上述へたように、この発明に係るボルトの締付は方法
は、その第１ステツプとして特に鋼製ボルトにちいて高
精度に検知できる降伏点の状態までボルトをほぼ一定の
角速度で締付け、その状態におけるボルトの軸力と軸力
に相関して変化するボルトに関する他の特性値（締付は
トルク、締付は回転角度等）の測定値とを基準と〜、適
正締付は軸力の設定値に対応して前記特性値が取るべき
最終目標値を両者の相関関係より求め、第２ステツプと
してボルトを降伏点に相応する締付は位置から特性値が
前記最終目標値以下の値を示す締付は位置寸で一旦性き
過ぎてまきもどして後、第３ステツプとしてボルトを特
性値がさきに定めた最終目標値を示す位置に到達する壕
で第１ステツプと可及的に等しい角速度で再度締付け、
その到達時点でボルトの締付は作業を終了するものであ
るから、この発明の方法によればボルトの締付は作業に
おいて、あらかじめ設定する適正な軸力を従来方法に比
して格段に高精度にボルト内部に生起させた状態で締付
は作業を終了することかり能となり、このようＥｌて締
付げられたボルトによる構成部材の緊定状態は合理的に
してかつ締付は強度的にきわめて信頼度の高いものとな
る。

しかもこの発明のボルト締付は方法は数種の制御機を有
するシステムに適用して適確なボルトの締付は作業を自
動的に実施できるので各種の組立工程にとって有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例の実施に適用されるシス
テムの説明図、第２図は同じくそのステップを示す説明
線図、第３図は第２実施例の実施に適用されるシステム
の説明図、第４図は同じくそのステップを示す説明線図
である。 １・・・ナツトランナ、２，２′・・・構成Ｗ材、３・
・・ボルト、４・・件ルクトランスデューサ、５・・・
サーボコン−ローラ、７・・弔−タリエンコーダ、Ｐ・
・・軸力、Ｔ・・・締付はトルク、Φ・・・締付は回転
角度。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ボルトの締付は作業において、第１ステツプとして
   ボルトをその降伏点に相応する締付は位置までほぼ一定
   の角速度で締付け、降伏点におけるボルトの軸力と軸力
   に相関する他の特性値の測定値とから適正締付は軸力の
   設定値に対応して前記特性値が取るべき目標値を定め、
   第２ステツプとしてボルトを降伏点に相応する前記締付
   は位置から該特性値が前記目標値以下の値を示す締付は
   位置まで一旦性き過ぎて甘きもどし、第３ステツプとし
   て甘きもどしたボルトを前記特性値がさきに定めだ目標
   値を示す位置に到達するまで第１ステツプと可及的に等
   しい角速度で再度締付け、その到達時点でボルトの締付
   は作業を終了することを特徴とするボルトの締付は方法
   。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の他の特性値が締付は
   トルクである特許請求の範囲第１項記載のボルトの締付
   は方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の他の特性値が締付は
   回転角度である特許請求の範囲第１項記載のボルトの締
   付は方法。