ボルト、ネジ、スタッドの構造と性質

1. 各種ファスナーの構造的特徴

1.1 ヘッド構造

ボルト頭とネジ頭の主な機能は、耐荷重とレンチ掛けです。一般的な頭部の種類には、六角頭、両六角頭、スプライン頭、なべ頭、皿頭、円筒頭、その他の特殊な頭があります。各構造は、特定のアプリケーション シナリオとアセンブリ要件に対応しています。

1.2 レンチ構造

ボルトやネジの締め付け構造は、外掛け構造と内掛け構造に分かれます。一般的な外径レンチの形状には、六角頭、十二点頭、スプライン頭、十角頭、八角頭、四角頭、五角頭などがあり、その中でも六角頭と十二点頭が最も広く使用されています。内面レンチ構造は皿頭、なべ頭、円筒頭などの回転ヘッドに多く採用されています。代表的な内部レンチのタイプには、マイナス ドライブ、プラス ドライブ、内部六角、内部スプライン (トルクス) などがあります。さらに、特許を取得した外国のスロット タイプとして、高トルク フィリップス ドライブと高トルク スロット ドライブがあります。

通常の状況では、外部レンチ構造は内部構造よりも優れた滑り止めとねじれ耐性を備えています。そのため、高強度ファスナーは外周レンチ構造が多く採用されています。ただし、外部レンチを使用すると、より大きな組立スペースが必要となり、設置環境の制限が大きくなります。内径レンチタイプの中でも内径ヘキサゴン、内径トルクスはねじり性能に特に優れ、高強度の作業条件にも対応します。内部六角穴は通常、事前に下穴を開けた後、六角パンチで打ち抜くことによって形成されます。パンチングによって発生した金属の破片は穴の底に蓄積する傾向があり、使用中に脱落して異物が発生する可能性があります。異物を厳密に管理する用途では、穴内の残留物をすべて徹底的に洗浄する必要があります。

1.3 シャンク構造

のボルトシャンクとは、ねじ山のない滑らかな部分を指します。シャンク径により、外径シャンク、ピッチ径シャンク、段付きシャンク、拡大シャンクに分類されます。

外径シャンク (標準シャンク): 呼び径はねじ外径と等しく、2 つの公差等級があります。ゆるみ公差 (h12、h14) は主にテンション ボルトに使用されます。厳しい公差 (f9、f7、r6) がシャーボルトに適用されます。

ピッチ直径シャンク (細いシャンク): 呼び径はねじピッチ直径に近似し、通常は h12 公差が適用されるか、特別な公差要件はありません。テンションボルトに最適です。

段付きシャンク（ウエストシャンク）：その直径はねじの内径以下であり、ボルトの剛性を軽減し、ねじの根元での応力集中を緩和するように設計されています。

拡大シャンク（強化シャンク）：その直径はねじ外径を超えています。組立穴との締まりばめを形成することができ、機器のメンテナンスや補強によく使用されます。

1.4 スレッド構造

ねじパラメータには、ねじの有効長さ、ねじの精度、ねじのプロファイル、ねじの谷底半径、ねじの振れ、肩の距離が含まれます。同一規格・呼び径のボルトの場合、ねじの有効長さは一定となります。ボルト全体の長さの変更は、スムースシャンクの長さを調整することで実現されます。ねじは長ねじ、中ねじ、短ねじに分類されます。

長いねじ山: テンションボルトと組み合わせて大きな引張荷重に耐えます。

短いねじ山: シャーボルトと一致し、最小限の引張荷重で落下防止の位置決めのために表面接触に依存します。

中ねじ: 張力とせん断荷重を組み合わせたボルトに適用され、張力とせん断の両方に耐えることができます。

2. スタッドの専用構造

スタッドにはボルト形式の頭がなく、両端が完全にねじ切りされています。両端のねじは同じ直径または異なる直径で製造できます。設置中、一端はベースコンポーネントにねじ込まれ、永久に固定されるため、分解することはほとんどありません。もう一方の端はナットと嵌合するため、繰り返し組み立てと分解が可能です。埋め込み端のしっかりとした固定を保証するために、締りばめロックにトランジションフィットねじが採用されています。抜け止めキーなどの構造も緩み止め固定に使用できます。

3. 全体的な特性ボルト、ネジ、スタッド

ファスナーの特性は、機械的特性と冶金的特性に分類されます。機械的特性は、引張特性、せん断特性、耐疲労性などの主要な指標により、さまざまな外部荷重に耐えるファスナーの能力を巨視的な観点から評価します。冶金学的特性は、金属フロー ライン、金属組織、気孔率や亀裂などの材料の不連続性をカバーする材料構造の微視的な品質を評価します。

4. ファスナーの性能等級の分類

国内で採用されている主要なファスナー規格には、汎用の国家標準規格（GB 方式）と航空宇宙専用ファスナー方式の 2 つがあります。サービス環境と技術指標の違いにより、2 つのシステム間の機械的特性の異なる等級付けルールが決まります。

4.1 GB 国家標準システムに基づく性能グレード

現在、中国にはボルト シリーズの締結具の機械的特性を指定する 12 の国家規格があります。

(1) 炭素鋼および合金鋼のボルト、ネジ、スタッドの性能等級

引張強度と降伏強度に基づいて、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9 の 9 つのグレードが定義されています。従来、8.8以下のグレードは炭素鋼、8.8以上のグレードは専用熱処理を施した合金鋼を採用しております。

マーキング形式: XY ルールは次のように定義されます。

小数点の前の数値は、公称引張強さ (MPa) を 100 で割った値に等しくなります。

小数点以下の数値は収量比に 10 を乗じたものと等しくなります。

公称降伏強さ=(2 つの数値の積) ÷ 10。

例: グレード 9.8 のボルト。数字 9 は、公称引張強さ=9 × 100=900 MPa を意味します。数字の 8 は収量率=8 ÷ 10=0.8. を意味します

(2) ステンレス鋼のボルト、ネジ、スタッドの性能等級

ステンレス鋼ファスナーは、3 つのカテゴリ (オーステナイト、マルテンサイト、フェライト) と 9 つの材料グループ (A1、A2、A3、A4、A5、C1、C3、C4、F1) に分類されます。成形プロセスと組み合わせることで、23 の完全な性能グレードが形成されます。

表示ルール：材質グループ＋2桁の強度番号。文字は材料カテゴリを表します: A=オーステナイト系ステンレス鋼、C=マルテンサイト系ステンレス鋼、F=フェライト系ステンレス鋼。 2 桁は引張強度値の 10 分の 1 を表します。

例: A2-70 は、最低引張強度 700 MPa の冷間加工によって形成されたグループ 2 オーステナイト系ステンレス鋼を指します。 C3-80 は、最小引張強度 800 MPa で焼入れおよび焼き戻しによって処理されたグループ 3 マルテンサイト系ステンレス鋼を指します。

(3) 非鉄金属ファスナーの性能等級

一般的な非鉄材料には、銅合金やアルミニウム合金などがあります。グレードは引張強度によって決まり、これらのファスナーは一般に低強度タイプに分類されます。同一グレードおよび仕様のファスナーは、同じ最小引張荷重を共有します。グレードは材料グレードと引張指標に対応します。銅合金には 7 つのグレードがあります: CU1、CU2、CU3、CU4、CU5、CU6、CU7。アルミニウム合金には、AL1、AL2、AL3、AL4、AL5、AL6の6つの等級があります。

例: CU2 は、引張強度 370 MPa のグレード H63 に相当するグレード 2 銅合金を表します。マーキングは 2 文字と 1 桁の数字で構成されます。文字は元素記号に対応します (CU は銅 Cu、AL はアルミニウム Al)。数字はシリアル番号のみであり、強度の昇順に並べられておらず、固定の材料グレードと機械的パラメータに一致します。

(4) 止めねじの性能等級

止めねじも外ねじ締め具ですが、通常のボルトとは異なる等級基準が採用されています。引張強さではなく硬度によって分類されます。

炭素鋼と合金鋼の止めねじ：14H、22H、33H、45Hの4グレード。数字は最小ビッカース硬さの10分の1を表し、Hは硬さを表します。たとえば、14H は最小ビッカース硬度=14 × 10=140 HV を意味します。

ステンレス鋼止めねじ: オーステナイト系ステンレス鋼のみが使用され、ステンレス鋼ボルトと一致する 5 つのグループ (化学組成が同一の A1、A2、A3、A4、A5) に分けられます。 2 つの硬度グレードが指定されています: 12H および 21H. 12H は、最低硬度 125 HV の軟質オーステナイト止めネジに適用されます。 21H は、最低硬度 210 HV の冷間加工硬化セットネジに適用されます。