(57)【要約】【課題】遅れ破壊のリスクが上昇する降伏点以降での塑性域締付を回避し、高精度で生産効率の良い弾性域締付を実現させる。【解決手段】本番締結工程の生産条件と同一条件に設定した試験締結により、締付角度と締付トルクからなるサンプルデータを検出する第１段階と、第１段階にて検出したサンプルデータから降伏点を算出し、降伏点における締付トルクとボルト特性である降伏点軸力との比率から任意の締付トルクに対応する軸力を推定し、目標とする軸力に必要な締付角度を取得する第２段階と、第２段階で取得した締付角度を本番締結工程での指標締付角度としてボルト締結を行う第３段階とを有する。【選択図】          図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本番締結工程の生産条件と同一条件に設定した試験締結により、締付角度と締付トルクからなるサンプルデータを検出する第１段階と、第１段階にて検出したサンプルデータから降伏点を算出し、降伏点における締付トルクとボルト特性である降伏点軸力との比率から任意の締付トルクに対応する軸力を推定し、目標とする軸力に必要な締付角度を取得する第２段階と、第２段階で取得した締付角度を本番締結工程での指標締付角度としてボルト締結を行う第３段階とを有するボルト締結方法。
【請求項２】
降伏点を算出する方法が、締付トルクのサンプルデータの一部を最小二乗法により直線化し、この直線から一定距離を乖離した時点で降伏点と見なすことを特徴とする請求項１に記載のボルト締結方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、ボルト締結時の軸力管理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ボルトによる締結は、締付力すなわち軸力を調整して締め付けることができ、分解も容易であることに優れた特徴を持っている。代表的な締結法として、トルク法、角度法、トルク勾配法がある。
【０００３】
トルク法は、ボルトが降伏するまでの間、締付トルクと軸力が比例する事を利用して、締付トルクを指標として軸力を管理する方法である。比較的簡便な工具と作業によりこのトルク法を実施できるので、数ある締付方法の中でも最も広く使用されている。しかし、締付トルクはそのまま軸力になるのではなく、ボルト表面やナット座面にかかる摩擦により消費されてしまい、一定の締付トルクで締め付けたとしても得られる軸力はボルト表面の摩擦係数に大きく依存してしまう。被締結物に施される塗膜も座面における摩擦に大きく影響を及ぼすので、単に締付トルクを指標とするだけでは高精度の軸力管理は望めない。
【０００４】
角度法は、ある指標締付トルクまでトルク法により締め付け（この領域をスナグ点と称する）、そこからボルトとナットの締付角度を指標として軸力を管理する方法である。上述したトルク法に比べ締付精度ははるかに良いが、スナグ点まではトルク法で締め付けるため、やはり摩擦係数の影響を受けてしまう。これを解決課題とした従来技術として、例えば特開昭６３−７４５７７号公報に開示されたものがある。この公報では、実測した締付トルクと締付角度のデータを基に、このデータを直線近似してトルク値が０となる角度を求め、この角度値が一定置に収束することをもって着座点と見なし、この着座点を締付開始点として角度法を実施することが開示されている。確かにこの方法によると高精度の軸力管理は可能ではあるが、例えば車両用組立式ホイールにおけるディスクとリムの締結のように、ボルト締結個所が多く、一度に２個以上の締め付けを行う製品においてボルト一本毎にこの管理方法をとるには、生産効率が悪く、装置も大掛かりになってしまう。
【０００５】
トルク勾配法は、締付角度に対しての締付トルクの増分を検出し、そのトルク勾配を利用して軸力を管理する方法である。例えば特開昭６１−１４２０８１号や特開平７−２９０３７０号公報に開示されたものがある。トルク勾配の変化から降伏点を検出し、締付を停止するので、塑性域での締付となる。このトルク勾配法による塑性域での締付は高精度であり、ボルトが持つ強度を有効に利用したものと言える。しかし、降伏点を超えると金属の強度が急激に落ちる塑性域での締付はボルトの再利用に問題があり、又、高強度ボルトの場合は軸力が上がる事で遅れ破壊（静的疲労）のリスクも上昇してしまい、製品の耐久性は疑わしくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、遅れ破壊のリスクが上昇する降伏点以降での塑性域締付を回避し、高精度で生産効率の良い弾性域締付を実現させることにある。更には、車両用組立式ホイールにおいては、リムとディスクを締結するボルトを同一円周上に３０本程度配置しているが、車両走行中は応力を受けてホイールが歪むので、締結ボルトの軸力を均等にする必要性があり、これに対応することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るボルト締結方法は、本番締結工程の生産条件と同一条件に設定した試験締結により、締付角度と締付トルクからなるサンプルデータを検出する第１段階と、第１段階にて検出したサンプルデータから降伏点を算出し、降伏点における締付トルクとボルト特性である降伏点軸力との比率から任意の締付トルクに対応する軸力を推定し、目標とする軸力に必要な締付角度を取得する第２段階と、第２段階で取得した締付角度を本番締結工程での指標締付角度としてボルト締結を行う第３段階とを有するものである。
【０００８】
締結工程の生産条件とは、被締結物に施す塗装、被締結物の素材又は形状、ボルト又はナットの種類等の事で、ボルト締結において締付トルクに影響を及ぼす条件である。試験締結は、本番の生産の前に行うもので、生産条件を揃える事により本番の生産におけるボルト締結を想定したサンプルデータを採取しようとするものである。サンプルデータは微小締付角度間隔毎の締付トルクで構成され、これらの数値のサンプリング周期は勿論短い程より多くのデータが採取できるわけだが、試験締結での締付速度はあくまでも実際の生産での締付速度を想定して締め付けられるべきであり、サンプリング周期は締付速度を落とす事無く決定される事が望ましい。ボルト特性である降伏点軸力については、ボルト自体の降伏点軸力を予め計測しておくか、又はボルトメーカから提供される実験データを使用しても良い。軸力を推定するというのは、図１に示す様にグラフによって締付トルクと対比させて軸力カーブをビジュアル効果に訴えて試験者に分かりやすくさせる等の手段も考えられるが、特段その必要性は無い。降伏点における締付トルクと降伏点軸力との比率を使用して目標とする軸力からその軸力における締付角度を逆算して求める事自体が、軸力を推定する事を意味している。これは、図２に示すように、締付トルクと軸力が比例関係にあることを利用している。
【０００９】
この試験締結でサンプルデータを採取する事により、本番の生産での締結をシミュレーションする事が可能になる。例えば被締結物に施される塗料を変更すると、ボルト締結に係る摩擦係数も変化し、締付角度の開始点であるスナグ点での締付角度を左右してしまう。図３中に示したθＳ２−Ｓ１は塗料変更による摩擦係数の変化による角度法でのスナグ点のズレを示している。スナグ点を開始点として指標締付角度を締め付ける角度法では、このズレは締付完了時点（図中θＥ）における締付のズレに直結する。試験締結はこのような生産条件の変更があった場合に行われ、本番の生産での締結工程と同一条件に揃えられるので、スナグ点のズレは解消され、本番の生産での締結工程における締付角度と推定軸力との関係は、試験締結での締付角度と推定軸力との関係でシミュレーションされる。試験締結により、目標とする軸力で締め付ける為の調整された締付角度を取得できるので、実際の締結工程においての作業は通常の角度法での作業と同じになり、簡便な作業でしかも高精度に軸力管理する事が可能となる。
【００１０】
請求項２に係るボルト締結方法は、請求項１に記載のボルト締結方法において、降伏点を算出する方法が、締付トルクのサンプルデータの一部を最小二乗法により直線化し、この直線から一定距離を乖離した時点で降伏点と見なすことを特徴とするものである。
【００１１】
図４に示したようにボルト座面又はナット座面が着座すると締付角度と締付トルクはほぼ比例関係を示すが、締付トルクのサンプルデータを最小二乗法により直線化するというのは、このほぼ比例関係にある部分のサンプルデータを直線化するという事である。一定距離を乖離した時点というのは、図に示すように直線から定めたトルク以上乖離した時点をいう。
【００１２】
サンプルデータの分析は、最小二乗法を利用してコンピュータに数値計算処理をさせて降伏点を算出する為、試験者の目視による降伏点認定と比較すると、個人差が無くなり、作業効率も飛躍的に改善する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態について、図を参照しながら段階毎に分けて説明する。
【００１４】
［第１段階：データサンプリング］まず本番の締結工程における生産条件（被締結部材、ボルト部材、ナット部材、及びそれぞれに施される塗装）に揃えて試験締結を行う。試験締結ではボルトが少なくとも降伏点を超えるまで締付を行う。図５は試験締結においてサンプルデータを検出する際に、組立機であるナットランナー１からパーソナルコンピュータ８にサンプルデータを取り込むシステムを示した構成図である。ボルト締結を行うナットランナー１は、締付トルクを検出するトルクトランスデューサ２と、締付角度を検出する角度パルスエンコーダ３とを備えている。トルクトランスデューサ２によって検出された締付トルクの出力は、Ａ／Ｄ変換器４によってＡ／Ｄ変換され、シーケンサ６の内部メモリに取り込まれる。一方で、角度パルスエンコーダ３によって検出された締付角度のパルス出力は、高速信号を制御する高速カウンタブロック５を介して回転角度情報として計測され、シーケンサ６の内部メモリに取り込まれる。こうしてシーケンサ６の内部メモリには締付角度毎の締付トルクが記憶される事になる。シーケンサ６の内部メモリに記憶されたサンプルデータは、パーソナルコンピュータ８からの命令によりＲＳ２３２Ｃ通信を介して、シーケンサ６からパーソナルコンピュータ８に送信される。
【００１５】
図６はシーケンサ６の内部メモリに記憶されたサンプルデータをパーソナルコンピュータ８に取り込む際に利用するソフトウェアのユーザインタフェース出力画面である。本ソフトウェアはマイクロソフト社製ＥＸＣＥＬのシートにサンプルデータを格納する為に、同じくマイクロソフト社のアプリケーション間共通マクロ言語であるＥＸＣＥＬ−ＶＢＡによりプログラムしてある。図中ＰＬＣ＿ＤＣボタン１１を押下すると、シーケンサ６と通信する為のＰＬＣ通信ダイアログフォーム１２が起動する。このフォーム上の測定開始トルク入力欄１３に測定を開始するトリガとなる締付トルクを入力し、測定準備ボタン１４を押下する。データをサンプリングする準備ができたので、ナットランナー１を起動して被締結物をボルト締めし、１回の締結を終えたら測定中止ボタン１５を押下する。測定したサンプルデータはデータ受信セットボタン１６を押下する事によりシーケンサ６の内部メモリからＥＸＣＥＬシート上に移動する。複数回の試験締結サンプルデータが必要な場合は、測定準備ボタン１４を押下するところからこれを繰り返す。
【００１６】
［第２段階：サンプルデータ分析・軸力推定］試験締結によるデータサンプリングの段階が終了したので、次はこのサンプルデータを利用して分析する段階に移行する。図７はＥＸＣＥＬシート上に取り込んだデータを分析するソフトウェア（同じくＥＸＣＥＬ−ＶＢＡによりプログラムしてある）のユーザインタフェース出力画面である。このソフトウェアは、グラフボタン２１を押下する事により起動する締付トルクカーブグラフ化機能と、降伏点ボタン２２を押下することにより起動する降伏点算出・軸力推定機能と、スナグボタン２３を押下する事により起動する最適スナグトルク算出機能とからなる。
【００１７】
締付トルクカーブグラフ化機能は、スナグトルク入力欄２４で指定したスナグトルクからのサンプルデータを抽出して締付トルクカーブプロットエリア２５に横軸を締付角度、縦軸を締付トルクとしてグラフ化する。試験者は締付角度毎の締付トルクの状態をグラフとして確認でき、理解し易くなる。
【００１８】
降伏点算出・軸力推定機能については、降伏点ボタン２２を押下する前に、設定締付角度入力欄２６にスナグ点からの指標締付角度を、締降伏軸力データ入力欄２７に予め測定しておいたボルト部材の降伏点軸力を、近似値許容誤差入力欄２８には降伏点を算出する基準となる最小二乗近似法の直線からの乖離誤差の許容範囲をそれぞれ設定しておく。降伏点算出・軸力推定機能が起動すると、サンプルデータのスナグトルクからのデータ点を分析し、降伏点を算出して降伏締付角出力欄２９と降伏トルク出力欄３０にそれぞれ降伏時点での締付角度と締付トルクを出力する。この実施例での降伏点の算出方法は、図８で示したように直前１５個の連続した微小締付角度における締付トルクデータ点４１から最小二乗近似法により次の締付角度における締付トルクを予測し、実測された締付トルクが近似値許容誤差入力欄２８で設定した値以上に締付トルク予測値４２から５回連続で下がった場合に降伏していると規定して、５回連続で下がり始める直前の締付トルクを降伏点として算出する仕組みになっている。降伏点算出後は、降伏トルク出力欄３０に出力された降伏点締付トルクと締降伏軸力データ入力欄２７で入力されたボルト部材の降伏点軸力を比較し、その比率をもって設定締付角度入力欄２６で設定した締付角度における締付トルクから軸力を推定して完了推定軸力出力欄３１に出力する。この分析を異なる設定締付角度でも繰り返す事により、目標とする軸力を達成する為の指標締付角度を取得することが可能になる。
【００１９】
最適スナグトルク算出機能は、サンプルデータからスナグトルクを変化させてシミュレーションすることにより、軸力の偏差が少ないスナグトルクを検出しようとするものである。目標軸力入力欄３２に目標とする軸力を入力し、スナグボタン２３を押下すると、軸力偏差プロットエリア３３に軸力偏差カーブがグラフ化され、偏差の少ないスナグトルクを試験者が目視で簡単に検出する事が可能になる。この機能は本発明の実施の効果を更に高めようとするもので、特段実施する必要は無い。
【００２０】
［第３段階：本番締結］第２段階で取得した指標締付角度を、本番の生産での締結工程において利用する。スナグトルクから指標締付角度分の締付を行う。軸力偏差の少ないスナグトルクも第２段階でシミュレーションしてある場合は、そのスナグトルクを本番締結に利用してもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によるボルト締結方法は、本番締結の生産条件にてシミュレーションされたデータを分析している事で、より高精度な軸力管理を実施する事が可能である。また、ボルト軸力を推定するので、所望の締付力を得る為のスナグトルク、締付角度等の諸条件を得る事ができる。本番締結は単純な角度法による締付であるので、比較的簡便な工具でスピーディなボルト締結を実施する事が可能である。また、角度法である事で、遅れ破壊のリスクがある塑性域での締付を回避して弾性域内に軸力設定することが可能である。また、車両用組立式ホイールにおいては、リムとディスクを締結するボルトの軸力を均等にすることが求められるが、本発明におけるボルト締結方法は極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】締付角度に対する締付トルクカーブと軸力カーブをグラフ化した図である。
【図２】締付トルクと軸力の関係をグラフ化した図である。
【図３】摩擦係数の変化による角度法での締付のズレをグラフで示した図である。
【図４】最小二乗近似法により締付角度と締付トルクから降伏点を算出するイメージ図である。
【図５】試験締結においてサンプルデータを検出する際のシステムを示した構成図である。
【図６】サンプルデータをパーソナルコンピュータに取り込む際に利用するソフトウェアのユーザインタフェース出力画面を示した図である。
【図７】サンプルデータを分析するソフトウェアのユーザインタフェース出力画面を示した図である。
【図８】最小二乗近似法による締付トルク予測法を示した図である。
【符号の説明】
１    ナットランナー
２    トルクトランスデューサ
３    角度パルスエンコーダ
４    Ａ／Ｄ変換器
５    高速カウンタブロック
６    シーケンサ
７    通信ボード
８    パーソナルコンピュータ
１１  ＰＬＣ＿ＤＣボタン
１２  ＰＬＣ通信ダイアログフォーム１２
１３  測定開始トルク入力欄
１４  測定準備ボタン
１５  測定中止ボタン
１６  データ受信セットボタン
２１  グラフボタン
２２  降伏点ボタン
２３  スナグボタン
２４  スナグトルク入力欄
２５  締付トルクカーブプロットエリア
２６  設定締付角度入力欄
２７  締降伏軸力データ入力欄
２８  近似値許容誤差入力欄
２９  降伏締付角出力欄
３０  降伏トルク出力欄
３１  完了推定軸力出力欄
３２  目標軸力入力欄
３３  軸力偏差プロットエリア
４１  締付トルクデータ点
４２  締付トルク予測値
【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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