(57)【要約】【課題】、実際の使用条件に近い条件で高精度な締め付け特性を容易に低コストで評価することを可能にする手段を提供する。【解決手段】評価用ボルト７は、塑性域締め付けにより被締結部材１５、１７を締結するためのボルトの締め付け特性を、歪ゲージ１を用いて評価するために用いられる。評価用ボルト７は、実際に被締結部材１５、１７を締結するために用いられる量産ボルトと同一の仕様のボルトを素材として製造される。評価用ボルト７の歪ゲージ装着部位を含む調質部２３の強度は、高周波焼き入れ及びこの後の焼き戻しにより調質部２３以外の領域の強度より高められている。調質部２３は、ボルト軸線方向に関して評価用ボルト７の頭部１１の座面とねじ部１２との間の円柱部１３に形成されている。調質部２３の強度は、その他の領域の１．１倍以上であるのが好ましい。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塑性域締め付けにより被締結部材を締結するための金属製のボルトの締め付け特性を、歪ゲージを用いて評価するための締め付け特性評価用ボルトであって、
前記ボルトと同一の外形を有するとともに前記ボルトと同一の材料で形成されていて、
前記歪ゲージが装着される部位を含む該締め付け特性評価用ボルトの部分領域の強度が、高周波焼き入れにより、該締め付け特性評価用ボルトの前記部分領域以外の領域の強度より高められていることを特徴とする締め付け特性評価用ボルト。
【請求項２】
前記部分領域が、ボルト軸線方向に関して該締め付け特性評価用ボルトの座面とねじ部との間の円柱部に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の締め付け特性評価用ボルト。
【請求項３】
前記部分領域の強度が、該締め付け特性評価用ボルトの前記部分領域以外の領域の強度の１．１倍以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の締め付け特性評価用ボルト。
【請求項４】
前記部分領域のボルト軸線方向の長さは、該締め付け特性評価用ボルトのねじ部の呼び径の０．５倍以上であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の締め付け特性評価用ボルト。
【請求項５】
塑性域締め付けにより被締結部材を締結するための金属製のボルトの締め付け特性を、歪ゲージを用いて評価するための締め付け特性評価用ボルトの製造方法であって、
前記被締結部材の締結に用いられる前記ボルトと同一仕様のボルトを締め付け特性評価用ボルト素材として準備し、
前記締め付け特性評価用ボルト素材における前記歪ゲージを装着するための歪ゲージ装着部位を決定し、
前記歪ゲージ装着部位を含む前記締め付け特性評価用ボルト素材の部分領域に高周波焼き入れ処理を施して、該部分領域の強度を、該締め付け特性評価用ボルト素材の該部分領域以外の領域の強度より高めることを特徴とする締め付け特性評価用ボルトの製造方法。
【請求項６】
前記部分領域に高周波焼き入れ処理を施した後、該部分領域に焼き戻し処理を施すことを特徴とする、請求項５に記載の締め付け特性評価用ボルトの製造方法。
【請求項７】
前記部分領域を、ボルト軸線方向に関して前記締め付け特性評価用ボルト素材の座面とねじ部との間の円柱部に形成することを特徴とする、請求項５又は６に記載の締め付け特性評価用ボルトの製造方法。
【請求項８】
前記部分領域の強度が、前記締め付け特性評価用ボルト素材の前記部分領域以外の領域の強度の１．１倍以上となるように、前記高周波焼き入れ処理を施すことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１つに記載の締め付け特性評価用ボルトの製造方法。
【請求項９】
前記部分領域のボルト軸線方向の長さを、前記締め付け特性評価用ボルト素材のねじ部の呼び径の０．５倍以上に設定することを特徴とする、請求項５〜８のいずれか１つに記載の締め付け特性評価用ボルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性域締め付けにより被締結部材を締結するための金属製のボルトの締め付け特性を、歪ゲージを用いて評価するための締め付け特性評価用ボルトと、該締め付け特性評価用ボルトの製造方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車や産業機器等の製造又は組み立てに際しては、種々の被締結部材がボルトで締結される。そして、ボルトで被締結部材を高精度で締め付けることが要求される場合、すなわちボルトの締め付け軸力のバラツキが小さいことが要求される場合は、通常、ボルトが塑性変形するまで締め付ける塑性域締め付け、例えば回転角度法による塑性域締め付けが用いられるが（例えば、特許文献１、２参照。）、このような塑性域締め付けを行うと、ボルトに永久的な変形である塑性伸びが生じる。
【０００３】
ところで一方、自動車や産業機器等においては、通常、その修理や点検のために、ボルトで締結された複数の被締結部材の分解と再組み立てとが繰り返される。この場合、塑性域締め付けにより被締結部材を締結するたびにボルトの塑性伸びが累積されてゆく。このようにボルトの塑性伸びが累積されると、ボルト材料の加工硬化により、同一の回転角に対するボルトの締付け軸力が次第に上昇してゆく。そして、ボルトの締め付け軸力が極限締め付け軸力に到達すると、このボルトはもはやその機能を完全には果たすことができなくなるので、新しいボルトと交換しなければならない。このため、自動車や産業機器等の製造又は組み立てに塑性域締め付けを用い場合は、ボルトをどの程度まで再使用することができるかを正確に事前評価する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２９９７４０号公報
【特許文献２】特開２０１２−７７７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そして、ボルトの塑性域締め付けを繰り返す場合、毎回の塑性域締め付けにおいてボルトに生じる塑性伸び量を安定させること、すなわち予め設定された塑性伸び量を確実に発生させることが必要であるが、塑性伸び量を安定させるためには適正な締め付け仕様を設定することが必要である。そして、適正な締め付け仕様を設定するためには、高精度な締め付け特性の評価が必要であり、高精度な評価を行うためには、実際の使用条件に近い条件での締め付け特性を測定ないしは評価することが必要である。
【０００６】
しかしながら、現時点では、実際の使用条件に近い条件で高精度な締め付け特性の評価を容易にかつ低コストで行うことを可能にする手段は見当たらない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、実際の使用条件に近い条件で高精度な締め付け特性の評価を容易にかつ低コストで行うことを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明に係る締め付け特性評価用ボルト（以下「評価用ボルト」という。）は、塑性域締め付けにより被締結部材を締結するための金属製のボルトの締め付け特性を、歪ゲージを用いて評価するために用いられる。この評価用ボルトは、被締結部材を実際に締結するボルト（量産ボルト）と同一の外形を有するとともに該ボルトと同一の材料で形成されている。そして、この評価用ボルトにおいては、歪ゲージが装着される部位（以下「歪ゲージ装着部位」という。）を含む評価用ボルトの部分領域（以下「強化領域」という。）の強度が、高周波焼き入れにより、評価用ボルトの強化領域以外の領域（以下「非強化領域」という。）の強度より高められている。
【０００８】
本発明に係る評価用ボルトにおいては、歪ゲージ装着部位を含む強化領域を、ボルト軸線方向に関して評価用ボルトの座面とねじ部との間の円柱部（軸部）に形成するのが好ましい。本発明に係る評価用ボルトにおいては、強化領域の強度が非強化領域の強度の１．１倍以上であるのが好ましい。また、強化領域のボルト軸線方向の長さは、評価用ボルトのねじ部の呼び径（雄ねじの外径）の０．５倍以上であるのが好ましい。
【０００９】
本発明に係る塑性域締め付けにより被締結部材を締結するための金属製のボルトの締め付け特性を、歪ゲージを用いて評価するための評価用ボルトの製造方法は、次の各工程を備えている。
（１）  被締結部材の締結に用いられるボルトと同一仕様のボルト（すなわち量産ボルト）を評価用ボルト素材として準備する工程。
（２）  評価用ボルト素材の歪ゲージ装着部位を決定する工程。
（３）  歪ゲージ装着部位を含む評価用ボルト素材の強化領域に高周波焼き入れ処理を施して、該強化領域の強度を非強化領域の強度より高める工程。
【００１０】
本発明に係る評価用ボルトの製造方法においては、強化領域に高周波焼き入れ処理を施した後、該強化領域に焼き戻し処理を施すのが好ましい。ここで、歪ゲージ装着部位を含む強化領域は、ボルト軸線方向に関して評価用ボルト素材の座面とねじ部との間の円柱部に形成するのが好ましい。この評価用ボルトの製造方法においては、強化領域の強度が非強化領域の強度の１．１倍以上となるように、高周波焼き入れ処理ないし焼き戻し処理を施すのが好ましい。また、強化領域のボルト軸線方向の長さは、評価用ボルト素材のねじ部の呼び径の０．５倍以上に設定するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る評価用ボルトは、被締結部材の締結に実際に用いられるボルト（量産ボルト）と同一の外形を有するとともに該ボルトと同一の材料で形成されている。例えば、量産ボルトそのものが、評価用ボルトの素材として用いられる。このため、実際にボルトで締め付けを行うときとほぼ同様の締め付け状態で締め付け特性を評価することができる。したがって、本発明に係る評価用ボルトを用いれば、実際の使用条件に近い条件で高精度なボルトの締め付け特性の評価を容易にかつ低コストで行うことができる。
【００１２】
また、歪ゲージ装着部位を含む強化領域の強度が、高周波焼き入れにより、ねじ部等の非強化領域の強度より高められている。このため、評価用ボルトの締め付け特性評価試験において、評価用ボルトで被締結部材を締め付けたときに、ねじ部に塑性変形が生じた後も、歪ゲージ装着部位のまわりの部分に塑性変形が生じない。その結果、歪ゲージで評価用ボルトに生じる軸力を正確に測定することができ、締め付け特性を正確に評価することができ、適正な締め付け仕様を設定することができる。
【００１３】
本発明に係る評価用ボルトの製造方法によれば、被締結部材の締結に実際に用いられるボルトと同一の仕様のボルト（すなわち、量産ボルトそのもの）が評価用ボルト素材として用いられる。すなわち、この製造方法によって製造される評価用ボルトは、実際に用いられるボルトを部分的に若干改質しただけのものである。したがって、本発明に係る製造方法により製造された評価用ボルトを用いれば、実際に用いられるボルトで締め付けを行うときと実質的に同一の締め付け状態で締め付け特性を評価することができる。このため、実際の使用条件に非常に近い条件で高精度なボルトの締め付け特性の評価を容易にかつ低コストで行うことができる。
【００１４】
また、歪ゲージ装着部位を含む強化領域の強度が、高周波焼き入れにより、ねじ部等の非強化領域の強度より高められる。このため、評価用ボルトの締め付け特性評価試験において、評価用ボルトで被締結部材を締め付けたときに、ねじ部に塑性変形が生じた後も、歪ゲージ装着部位のまわりの部分に塑性変形が生じない。その結果、歪ゲージで評価用ボルトに生じる軸力を正確に測定することができ、締め付け特性を正確に評価することができ、適正な締め付け仕様を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】回転角度法で塑性域締め付けを行う場合における、締め付け回転角に対する締め付けトルク及び締め付け軸力の変化特性を示すグラフである。
【図２】回転角度法で塑性域締め付けと締め付けの解除とを８回繰り返した場合に、締め付け回転角に対する締め付け軸力の変化特性がどのように変化してゆくかを示すグラフである。
【図３】回転角度法で塑性域締め付けを行う場合における、締め付け回転角に対する締め付け軸力と、締め付けトルク対する締め付け軸力の変化特性とを互いに関連付けて示すグラフである。
【図４】評価用ボルトによる塑性域締め付けを行う際に、評価用ボルトに装着される歪ゲージの模式的な立面図である。
【図５】呼び径ボルト（円柱部の直径とねじ部の呼び径とがほぼ等しいボルト）の斜視図である。
【図６】有効径ボルト（円柱部の直径とねじ部の有効径とがほぼ等しいボルト）の斜視図である。
【図７】２つの被締結部材を締結している状態における、歪ゲージを装着した評価用ボルトの立面断面図である。
【図８】歪ゲージによって測定される評価用ボルトの締め付け軸力の締め付け回転角に対する変化特性を示すグラフである。
【図９】円柱部の歪ゲージ装着部位付近に太軸部が設けられた評価用ボルト（有効径ボルト）の斜視図である。
【図１０】２つの被締結部材を締結している状態における、太軸部に歪ゲージが装着された図９に示す評価用ボルトの立面断面図である。
【図１１】２つの被締結部材を締結している状態における、円柱部の調質部（強化領域）に歪ゲージが装着された評価用ボルトの立面断面図である。
【図１２】円柱部に調質部（強化領域）が設けられた４種の評価用ボルトのロックウェル硬度（ＨＲＣ）を示すグラフである。
【図１３】円柱部に調質部（強化領域）が設けられた４種の評価用ボルトのビッカース硬度（ＨＶ）を示すグラフである。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、高周波焼き入れのみにより調質部（強化領域）が形成された評価用ボルトの締め付け特性評価試験を行った結果を示すグラフである。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、高周波焼き入れとこの後の焼き戻し（２１５℃）とにより調質部（強化領域）が形成された評価用ボルトの締め付け特性評価試験を行った結果を示すグラフである。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は、高周波焼き入れとこの後の焼き戻し（２６５℃）とにより調質部（強化領域）が形成された評価用ボルトの締め付け特性評価試験を行った結果を示すグラフである。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は、高周波焼き入れとこの後の焼き戻し（３００℃）とにより調質部（強化領域）が形成された評価用ボルトの締め付け特性評価試験を行った結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明に係る評価用ボルト（締め付け特性評価用ボルト）は、例えば自動車や産業機器等の製造又は組み立てに際して塑性域締め付けにより被締結部材を締結するためのボルトの締め付け特性を、歪ゲージを用いて評価するために用いられるものである。まず、回転角度法により塑性域締め付けを行う場合における、ボルトの挙動ないしは締め付け特性の特徴を説明する。
【００１７】
図１は、回転角度法により塑性域締め付けを行う場合における、締め付け回転角θ（以下「回転角θ」という。）に対する締め付けトルクＴ（以下「トルクＴ」という。）及び締め付け軸力Ｆ（以下「軸力Ｆ」という。）の変化特性を示している。図１に示す例では、回転角θがθｙとなったときに、ボルトは降伏点に到達し、降伏締め付け軸力Ｆｙ及び降伏締め付けトルクＴｙが生じている。したがって、回転角θがθｙ以下の領域は弾性域締め付け領域であり、θｙを超える領域は塑性域締め付け領域である。また、θｓｔはスナグトルク点に対応する回転角θを示し、θｕは極限締め付け軸力Ｆｕないしは極限締め付けトルクＴｕに対応する回転角θを示している。なお、「スナグトルク」は、回転角度法で締め付けを行う前に、比較的小さいトルクで締め付けを行って被締結部材間の各隙間をなくし、回転角θと軸力Ｆとの間に直線的な比例関係が生じるようにするためのトルクである。
【００１８】
本発明の対象となるボルトは、被締結部材を締結するときに、回転角θがθｙを超えて、例えばθｃとなるまで被締結部材を締め付けて塑性変形すること、すなわち塑性域締め付けを行うことが予定されているボルトである。この場合、ボルトの軸力Ｆのバラツキが小さい高精度の締め付けを行うことができるが、ボルトには永久変形である塑性伸びが生じる。したがって、同じボルトで塑性域締め付けと締め付けの解除とを繰り返すと、塑性域締め付けを行うたびにボルトの塑性伸びが累積されてゆく。
【００１９】
このようにボルトに塑性伸びが累積されると、ボルトの素材の加工硬化により、同一の回転角θに対する軸力Ｆが次第に上昇してゆく。そして、ボルトの軸力Ｆが極限締め付け軸力Ｆｕに到達すると、このボルトはもはやその機能を完全には果たすことができないので新たなボルトと交換しなければならない。したがって、同じボルトで塑性域締め付けを繰り返す場合、締め付けを行うことができる回数（再使用回数）は、極限締め付け軸力Ｆｕが発生したときの回数より１回少ない回数である。なお、ボルトの軸力Ｆが極限締め付け軸力Ｆｕに到達した後に、さらにボルトの塑性域締め付けと締め付けの解除とを繰り返すと、軸力Ｆは次第に低下してゆき、最終的にはボルトが破断することになる。
【００２０】
図２は、同じボルトを用いて塑性域締め付けと締め付けの解除とを８回繰り返した場合に、回転角θに対する軸力Ｆの変化特性がどのように変化してゆくかを示している。図２において、Δθは、初回の締め付けを行った場合のボルトの塑性伸び量に対応する回転角を示している。また、図２に示す例では、８回目の締め付けを行ったときに、軸力Ｆが極限締め付け軸力Ｆｕに到達している。したがって、このボルトでは、問題なく塑性域締め付けを行うことができる回数は７回である。なお、軸力Ｆが極限締め付け軸力Ｆｕ又はその付近に達した場合、ボルトの最小断面部（有効径ボルトの場合はねじ部）には局部的な断面減少が生じ、その部位での実応力（真応力）は急激に増大する。図２中の２点鎖線は、このように増大する実応力を示している。実応力が増大したボルトは、疲労破壊や遅れ破壊を起こす可能性があるので用いることはできない。
【００２１】
かくして、塑性域締付けにおいては、毎回の塑性域締付けでボルトに生じる塑性伸び量を安定させること、すなわち設定した伸び量を確実に発生させることが必要であり、塑性伸びを安定させるためには適正な締付け仕様を設定することが必要である。そして、適正な締付け仕様を設定するためには、高精度な締付け特性の評価が必要であり、高精度な評価を行うためには、実際の使用条件に近い条件で締め付け特性を測定ないしは評価することが必要である。とくに、ボルトと被締結部材ないしは被螺入体（例えば、ナット等）との間の摩擦係数、降伏締め付け軸力、極限締め付け軸力等は、締め付け仕様の設定に大きな影響を与える項目であるので、正確に測定ないしは評価する必要がある。
【００２２】
図３は、回転角度法で塑性域締め付けを行う場合における、トルクＴに対する軸力Ｆの変化特性と、回転角θに対する軸力Ｆの変化特性とを関連付けて示している。図３において縦軸より右側のグラフは、トルクＴに対する軸力Ｆの変化特性が、ボルトと被締結部材ないしは被螺入体との間の摩擦係数μによってどのように変化するかを示している。なお、図３においてμｍｉｎは摩擦係数μの最小値を示し、μｍａｘは摩擦係数μの最大値を示している。図３から明らかなとおり、同一のトルクＴに対する軸力Ｆは、摩擦係数μが小さいと大きくなり、摩擦係数μが大きいと小さくなる。例えば、ボルトを同一のスナグトルクＴｓｔで締め付けた場合、摩擦係数μが最小値μｍｉｎであれば発生する軸力ＦはＦ１となり、摩擦係数μが最大値μｍａｘであればＦ２（＜Ｆ１）となる。
【００２３】
図３において縦軸より左側のグラフは、回転角度法で塑性域締め付けを行う場合における、回転角θに対する軸力Ｆの変化特性を示している。この塑性域締め付けにおいては、まずスナグトルクで締め付けを行い、さらに回転角度法による制御で塑性域締め付けを行って締め付けを完了している。ここで、摩擦係数μが小さい場合、例えば最小値μｍｉｎである場合は、スナグトルクＴｓｔで締め付けたときに発生する軸力ＦはＦ１である。この後、さらにボルトを締め付けると、軸力Ｆは降伏締め付け軸力に到達するが、この締め付けに対応する回転角の増分はΔθ１である。そして、さらにボルト（又は被螺入体）を回転させて締め付けると、その分だけ塑性伸びが生じる。この場合、初回の締め付けでボルトに発生させるべき塑性伸び量を予め決定しておき、その塑性伸び量が発生するようにボルト（又は被螺入体）を回転させて締め付ける。
【００２４】
他方、摩擦係数μが大きい場合、例えば最大値μｍａｘである場合は、スナグトルクＴｓｔで締め付けたときに発生する軸力ＦはＦ２である。この後、さらにボルトを締め付けると、軸力Ｆは降伏締め付け軸力に到達するが、この締め付けに対応する回転角の増分はΔθ２である。図３から明らかなとおり、摩擦係数μが最大値μｍａｘであるときの回転角の増分θ２は、最小値μｍｉｎであるときの回転角の増分Δθ１よりαだけ大きくなっている。
【００２５】
ここで、例えば、締め付け仕様を、スナグトルクＴｓｔで締め付けを行った後、回転角の増分がΔθ１となるまでさらに締め付けを行うように設定したとする。締め付け仕様をこのように設定した場合、摩擦係数μが最小値μｍｉｎであれば、回転角度の増分をΔθ１とする締め付けにより、軸力Ｆは降伏締め付け軸力に到達するので、被締結部材を適切に締結することができる。しかしながら、摩擦係数μが最大値μｍａｘであれば、軸力Ｆを降伏締め付け軸力に到達させるためには回転角の度増分をΔθ２とする締め付けを行うことが必要であるので、締め付け仕様に従って回転角の増分をΔθ１とする締め付けを行ったのでは、軸力Ｆは降伏締め付け軸力には到達せず、被締結部材を適切に締結することができない。
【００２６】
このように、回転角θと降伏締め付け軸力の関係は、ボルトと被締結部材ないしは被螺入体との間の摩擦係数μによって左右されるので、締め付け仕様は、実際に用いられるボルトと被締結部材ないしは被螺入体との間の摩擦係数μに応じて設定する必要がある。そこで、本発明では、ボルトの締め付け仕様を設定するための締め付け特性の評価ないしは実験を、実際に用いられる冷間鍛造によるボルト（量産ボルト）と実際に用いられる被締結部材とを用いて行うようにしている。すなわち、実際に用いられるボルトと被締結部材ないしは被螺入体との間の摩擦係数μに応じた評価ないしは実験を行うようにしている。
【００２７】
図４は、例えば図１及び図２に示すような締め付け特性をもつボルトについて、締め付け仕様を設定するための締め付け特性の評価ないしは実験を行うときに、ボルトの歪ひいては軸力Ｆを測定するのに用いられる歪ゲージを示している。この歪ゲージ１は、絶縁材料からなる担体２（キャリア）と、担体２の上に取り付けられた線状又は箔状の電気抵抗体からなるグリッド３と、それぞれ接続タブ４を介してグリッド３に接続された２本のリード線５とを備えている。この歪ゲージ１は、後で説明するように、評価用ボルトの円柱部に装着され、評価用ボルトに生じる歪、ひいては軸力Ｆを測定するためのものである。
【００２８】
図５及び図６は、それぞれ、一般に被締結部材を締結するために用いられている呼び径ボルト６及び有効径ボルト７を示している。呼び径ボルト６は、頭部８と、雄ねじが形成されたねじ部９と、頭部８とねじ部９の間の雄ねじが形成されていない円柱部１０（軸部）とを有している。呼び径ボルト６は、ねじ部９の呼び径（外径）と円柱部１０の直径とがほぼ等しいボルトであり、ねじ部９の有効断面積が円柱部１０の断面積よりかなり小さいものである。他方、有効径ボルト７は、頭部１１と、雄ねじが形成されたねじ部１２と、頭部１１とねじ部１２の間の雄ねじが形成されていない円柱部１３（軸部）とを有している。有効径ボルト７は、ねじ部１２の呼び径（外径）と円柱部１３の直径とがほぼ等しいボルトであり、ねじ部１２の有効断面積が円柱部１３の断面積より若干小さいものである。本発明は、図６に示すような有効径ボルト７を対象としており、図５に示すような呼び径ボルト６は対象としていない。
【００２９】
図７は、ナットと協働して２つの締結部材を締結している評価用ボルトとしての有効径ボルト７（以下「評価用ボルト７」という。）を示している。図７に示すように、評価用ボルト７のねじ部１２及び円柱部１３は、第１被締結部材１５の穴部１６と第２被締結部材１７の穴部１８とを通って伸びている。そして、評価用ボルト７のねじ部１２には、ナット１９が螺合されている。第１被締結部材１５及び第２被締結部材１７は、評価用ボルト７の頭部１１とナット１７とによって挟まれ、ボルト軸線方向の圧縮力（押圧力）が加えられている。その反作用として、評価用ボルト７にはボルト軸線方向の引張力（すなわち、軸力Ｆ）が作用している。なお、ねじ部１２のうち１２ａで示す部分は、ナット１９と螺合していない「遊びねじ」である。
【００３０】
評価用ボルト７には、頭部１１からボルト先端側に向かってボルト軸線方向に伸びる小径（例えば、直径１〜２ｍｍ）の孔部２０が形成され、この孔部２０内に接着剤を用いて歪ゲージ１が埋め込まれている。歪ゲージ１は、ボルト軸線方向に関して、円柱部１３の中央部よりやや頭部１１側の部位に接着剤で固定されている。歪ゲージ１の２本のリード線５は、該歪ゲージ１を外部のホイートストンブリッジ回路等の電気回路（図示せず）と接続するために、評価用ボルト７の外部に突出している。なお、歪ゲージ１を、円柱部１３内に埋め込まず、接着剤で円柱部１３の外周面に接着して固定するようにしてもよい。ただし、この場合は、評価用ボルト７の頭部１１に、リード線５を外部に引き出すための穴を設ける必要がある。
【００３１】
このように、歪ゲージ１が評価用ボルト７の円柱部１３内に埋め込まれて固定されているので、評価用ボルト７にボルト軸線方向の歪が生じたときには、歪ゲージ１のグリッド３に、評価用ボルト７の歪に対応する歪が生じ、このグリッド３の歪に対応して該グリッド３の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を、ホイートストンブリッジ回路（図示せず）等を介して電圧として検出し、この電圧に基づいて評価用ボルト７の時々刻々の歪を測定することができる。この評価用ボルト７の歪は、一般に知られたキャリブレーション手法を用いて予め設定された歪量と軸力Ｆとの関係を示す関係式により軸力Ｆに換算される。
【００３２】
以下、図７に示すような状態において、評価用ボルト７を回転させて、評価用ボルト７とナット１９とで第１、第２被締結部材１５、１７を、評価用ボルト７が破断するまで締め付ける場合、すなわち塑性域締め付けを行う場合における、評価用ボルト７及び歪ゲージ１の挙動ないしは動作を説明する。スナグトルクＴｓｔで第１、第２被締結部材１５、１７を締め付けた後、評価用ボルト７を回転させてゆくと、まずねじ部１２及び円柱部１３に、評価用ボルト７のばね定数に見合った弾性変形が生じる。
【００３３】
さらに評価用ボルト７を回転させて軸力Ｆを上昇させると、評価用ボルト７は弾性限界を超える。その結果、まずねじ部１２のみが塑性変形し始めるが、これに伴ってねじ部１２の材料の加工硬化によりねじ部１２の強度ないしは硬度が上昇する。そして、ねじ部１２の強度ないしは硬度が上昇すると、円柱部１３（直径がねじ部１２の有効径、すなわちほぼ転造前径）が塑性変形を開始する。この後、さらに評価用ボルト７を回転させて第１、第２被締結部材１５、１７を締め付けると、最弱部（すなわち最小断面部）であるねじ部１２が破断する。
【００３４】
図８中の実線は、このような塑性域締め付けを行った場合における、回転角θと実際に生じる軸力Ｆとの関係を示している。また、破線は、回転角θと、歪ゲージ１の出力に基づいて算出される締め付け軸力（以下「見かけの軸力Ｆｉ」という。）との関係を示している。図８に示すように、ねじ部１２が弾性限界を超えるＰ点付近までは、円柱部１３は塑性変形しないので、実際に生じる軸力Ｆと見かけの軸力Ｆｉはほぼ一致している。
【００３５】
しかしながら、ねじ部１２が弾性限界を超えて塑性変形し始めると、ねじ部１２が加工硬化し、主な塑性変形部がねじ部１２から円柱部１３に移行する。このため、歪ゲージ１の出力に基づいて算出される見かけの軸力Ｆｉが急上昇する。したがって、このような状況下では、塑性域締め付けにおける軸力Ｆを正確に測定することはできない。このため、評価用ボルト７ひいては実際に用いられる量産ボルトの適切な締め付け特性を評価することができず、適正な締め付け仕様を設定することはできない。
【００３６】
このような事実に鑑み、本願発明者は、歪ゲージ装着部位、すなわち歪ゲージ１が装着ないしは配置された部位を含む評価用ボルト７の円柱部１３の部分領域（以下「歪ゲージ近傍領域」という。）の強度ないしは硬度を高めて塑性変形の発生を防止すれば、塑性域締め付けを行ったときに、歪ゲージ１の近傍では円柱部１３は塑性変形せず、軸力Ｆと見かけの軸力Ｆｉはほぼ一致するものと考察した。
【００３７】
かくして、図９及び図１０に示すように、評価用ボルト７ａの円柱部１３の歪ゲージ近傍領域の直径を大きくしてその強度を高めるといった対応が考えられる。例えば、全体的にはねじ部１２の有効径とほぼ同一の直径をもつ円柱部１３の歪ゲージ近傍領域の直径を呼び径まで大きくするといった対応が考えられる。ここで、歪ゲージ１は、直径が拡大された強度の高い歪ゲージ近傍領域２２（以下「太軸部２２」という。）内に位置している。このため、評価用ボルト７が破断するまで塑性域締め付けを行っても、太軸部２２には塑性変形は生じない。その結果、塑性変形による見かけの軸力Ｆｉの上昇を防止することができ、したがって実際に生じる軸力Ｆと見かけの軸力Ｆｉとをほぼ一致させることができる。
【００３８】
ところで一方、このような太軸部２２を備えた評価用ボルト７の円柱部１３（２２）の輪郭形状は、一般に切削加工で成形される。なお、ねじ部１２は、金型を用いて転造で成形される。この場合、評価用ボルト７の座面は切削加工（旋削加工）で形成されるので、この座面には輪状の溝が形成される。このため、冷間鍛造により製造され実際に使用される量産ボルトとは摩擦係数μが異なることになる。このように評価用ボルトと量産ボルトとで摩擦係数μが異なると、前記のとおり（段落［００２６］参照）、実際に用いられるボルトと被締結部材１５、１７との間の摩擦係数μに応じた適正な評価ないしは実験を行うことができない。
【００３９】
そこで、図１１に示すように、本発明では、評価用ボルト７は、被締結部材を実際に締結する量産ボルトと同一の外形ないしは輪郭を有するとともに、該量産ボルトと同一の材料で形成されている。すなわち、評価用ボルト７の素材として、量産ボルトそのものを用いている。そして、歪ゲージ近傍領域２３の強度ないしは硬度を、高周波焼き入れ処理と焼き戻し処理とによって、歪ゲージ近傍領域以外の領域の強度より高めている（以下、この領域を「調質部２３」という。）。
【００４０】
このような調質部２３（強化領域）を備えた評価用ボルト７は、例えば次の工程を経て製造される。
（１）  第１、第２被締結部材１５、１７の締結に用いられるボルトと同一仕様のボルト（すなわち量産ボルトそのもの）を評価用ボルト素材として準備する。
（２）  評価用ボルト素材の歪ゲージ装着部位を決定する。
（３）  歪ゲージ装着部位を含む評価用ボルト素材の所定の部分領域に高周波焼き入れ処理を施して調質部２３を形成する。
（４）  調質領域２３に焼き戻し処理を施す。
【００４１】
かくして、評価用ボルト７においては、調質部２３の強度ないしは硬度が、調質部２３以外の領域の強度より高められる。ここで、高周波焼き入れ処理及び焼き戻し処理は、調質部２３の強度ないしは硬度が、例えば、調質部以外の領域の強度ないしは硬度の１．１〜３．０倍（好ましくは、１．１〜２.０倍）の範囲となるように実施される。また、調質部２３のボルト軸線方向の長さは、例えば評価用ボルト７のねじ部１２の呼び径の０．５〜３.０倍（好ましくは、０．５〜２．０倍）の範囲に設定される。
【００４２】
以下、図１２〜図１７を参照しつつ、量産ボルト（Ｍ１０ボルト）を評価用ボルト素材として用いて評価用ボルト（シリンダヘッドボルト）を試作し、その締め付け特性を測定ないしは評価した実験結果を説明する。試作された評価用ボルトは、その引張り時にはねじ部だけではなく円柱部（軸部）にも塑性変形が起こっているといった事実に鑑み、量産ボルトの歪ゲージ装着部位を含む調質部（強化領域）に高周波焼き入れ処理のみを施し、又は高周波焼き入れ処理と焼き戻し処理とを施し、調質部の強度ないしは硬度を高めて塑性域締め付けを行ったときに評価用ボルトの円柱部（軸部）の調質部に塑性変形が生じないようにしたものである。この実験においては、焼き戻しの有無又は焼き戻し温度が異なる４種の評価用ボルトを試作した上で、これらの評価用ボルトの硬度を測定するとともに、塑性域締め付けを行ったときに歪ゲージ装着領域に塑性変形が生じているか否かを判定した。
【００４３】
表１は、ロックウェル硬度（ＨＲＣ）及びビッカース硬度（ＨＶ）硬度の測定に用いられた評価用ボルトの高周波焼き入れ及び焼き戻しの条件を示している。また、表２は、締め付け特性の測定ないしは評価に用いられた評価用ボルトの高周波焼き入れ及び焼き戻しの条件を示している。表１又は表２において、焼き戻し温度の欄が「−」である試作品については焼き戻し処理を施していない。なお、焼き戻しは、評価用ボルトの試作品を各焼き戻し温度で１時間保持した後、空冷することにより行った。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
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【００４６】
図１２に、評価用ボルトの試作品１〜４について、調質部及び熱処理が施されていないねじ部のロックウェル硬度（ＨＲＣ）をそれぞれ複数回測定し、その測定値を平均した結果を示す。また、図１３に、評価用ボルトの試作品１〜４について、調質部のビッカース硬度（ＨＶ）をボルト径方向の複数の部位で測定した結果を示す。なお、図１３において、横軸（Ｘ軸）は、評価用ボルトの試作品の円柱部の表面から中心に向かう距離（深さ）を示している。
【００４７】
図１２によれば、各評価用ボルトの試作品の調質部のロックウェル硬度（ＨＲＣ）ひいては強度は、熱処理が施されていないねじ部に比べて、おおむね５０〜７０％高められていることが分かる。なお、本願発明者の知見によれば、評価用ボルトの調質部のロックウェル硬度がねじ部のロックウェル硬度の１．１〜３．０倍（好ましくは１．１〜２．０倍）程度であれば、該評価用ボルトで塑性域締め付けを行っても調質部に塑性変形は生じないものと考察される。また、図１３によれば、Ｍ１０の量産ボルトを評価用ボルト素材として用いて、高周波焼き入れ処理及び焼き戻し処理により調質部を形成する場合は、円柱部の表面では、ビッカース硬度は比較的低いが、表面から中心に向かって１〜３.５ｍｍの範囲内では、ビッカース硬度は比較的安定して高められていることが分かる。したがって、歪ゲージは、円柱部の表面ではなく内部に装着する方が好ましい。
【００４８】
図１４（ａ）、（ｂ）〜図１７（ａ）、（ｂ）に、評価用ボルトの試作品５〜１２について、万能材料試験機とＸ−Ｙレコーダとを用いて引張り試験を行った結果を示す。具体的には、これらの図は、基本的には各評価用ボルトの変位量（Ｘ軸）に対する、歪ゲージの出力に基づいて算出された軸力Ｆ（Ｙ軸）の変化特性を示している。しかしながら、これらの引張り試験では、極限締め付け軸力を超えた後も評価用ボルトを伸長させ（締め付けを行い）、評価用ボルトが破断する直前に変位計を外して変位量の測定を中止し、この後評価用ボルトを破断させ、上記軸力Ｆを評価用ボルトの破断後まで記録（モニター）している。なお、図１４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ試作品５、６についてのグラフであり、図１５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ試作品７、８についてのグラフであり、図１６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ試作品９、１０についてのグラフであり、図１５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ試作品１１、１２についてのグラフである。
【００４９】
図１４（ａ）、（ｂ）〜図１７（ａ）、（ｂ）に示す各グラフにおいては、いずれも、例えば図８中の破線で示すような見かけの軸力Ｆｉの上昇ないしは急上昇は生じていない。ただし、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、焼き戻し処理が施されていない試作品５、６では、評価用ボルトが破断した後、歪ゲージの出力に基づいて算出された軸力Ｆは０ｋＮに戻らず９ｋＮ〜１０ｋＮの残留歪（残留軸力）が生じている。これは、焼き戻し処理が施されていない試作品５、６では、極限引張り強さ（極限締め付け軸力）まで引張ったときに、調質部のゲージ貼り付け部分にわずかに塑性伸びが発生していることを示している。
【００５０】
また、図１５（ａ）、（ｂ）〜図１７（ａ）、（ｂ）に示すように、焼き戻し処理が施された試作品７〜１２では、評価用ボルトが破断した後、歪ゲージの出力に基づいて算出された軸力Ｆはほぼ０ｋＮに戻っている。これは、焼戻し処理が施された試作品７〜１２では、いずれも塑性伸びは発生しなかったことを示している。高周波焼き入れ処理及び焼き戻し処理が施された調質部を備えた評価用ボルトを用いれば、引張り試験により抗張力を超えて引張っても、ゲージの伸びが見られないことから、部分的に調質をしてゲージを貼りつけた部分は、ねじ部が破断するまで引張りを行っても塑性変形せず、したがって実際に生じる軸力Ｆを支障なく測定することができるものと考察される。
【００５１】
調質部２３を備えた評価用ボルト７は、第１、第２被締結部材１５、１７の締結に実際に用いられる量産ボルトと同一の外形を有するとともに該量産ボルトと同一の材料で形成されている。すなわち、量産ボルトそのものが、評価用ボルト７の素材として用いられている。このため、実際にボルトで締め付けを行うときとほぼ同様の締め付け状態で締め付け特性を評価することができる。したがって、この評価用ボルト７を用いれば、実際の使用条件に近い条件で高精度なボルトの締め付け特性の評価を容易にかつ低コストで行うことができる。
【００５２】
また、調質部２３の強度ないしは硬度が、高周波焼き入れ処理及び焼き戻し処理により、調質部２３以外の領域の強度ないしは硬度より高められている。このため、評価用ボルト７の締め付け特性評価試験において、評価用ボルト７で被締結部材を締め付けたときに、ねじ部１２に塑性変形が生じた後も、歪ゲージ装着部位のまわりの部分に塑性変形が生じない。その結果、歪ゲージ１で評価用ボルト７に生じる軸力を正確に測定することができ、締め付け特性を正確に評価することができる。
【００５３】
この評価用ボルト７によれば、評価用ボルト７の座面の摩擦係数μが量産ボルトの摩擦係数μと同等であるため、スナグトルクで締め付けを行っているときに発生する軸力Ｆも量産ボルトの場合とほぼ同等である。このため、適正な締め付け仕様を設定することができる。また、量産ボルトを用いて締め付け軸力Ｆを、弾性域、降伏締め付け軸力、極限締め付け軸力、破断締め付け軸力の各段階まで測定可能となるため、ボルトの再使用性（繰り返し締め付け性）の評価の精度が向上し、適正な締め付け仕様を設定することができる。さらに、評価用ボルト７の素材として量産ボルトを使用するため、評価用ボルト７のばね定数も量産ボルトの場合と同一となり、例えば図９及び図１０に示すような太軸部２２を備えた評価用ボルト7ａのようにばね定数が量産ボルトよりも大きくなるといった不具合が起こらず、締め付け角度に影響を与えるような弊害は生じない。
【符号の説明】
【００５４】
１  歪ゲージ、２  担体、３  グリッド、４  接続タブ、５  リード線、６  呼び径ボルト、７  評価用ボルト（有効径ボルト）、８  頭部、９  ねじ部、１０  円柱部、１１  頭部、１２  ねじ部、１３  円柱部、１５  第１被締結部材、１６  孔部、１７  第２被締結部、１８  孔部、１９  ナット、２０  穴部、２２  太軸部、２３  調質部（強化領域）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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