ねじ
小ねじのような比較的小型のおねじ部品では、頭部頂面に工具で回すための溝や穴が設けられているものが多い。その主なものには「すりわり」や「十字穴」、「六角穴」がある。六角や四角といった角型の頭部はそれ自体がめがねレンチやスパナを掛ける部分となる。これら(とくに溝のもの)をねじ山と呼ぶこともあり、「ねじ頭が傷む(なめる、バカになる、ダメになるとも言う)」とは、ドライバーの形が合わないまま無理な扱いをしたり、締め過ぎによって溝や穴が欠けたり削れたりしてしまい、ドライバーで回しようがなくなった状態を指す。
一般に「マイナス」と呼ばれている一文字の溝である。規格化されたネジの中では始めに普及した形状でもある。マイナスドライバーを使用する他、コインを用いて回すよう意図されたものもある。
一般に「プラス」と呼ばれている十文字の穴である。プラスドライバーを使用する。「フィリップス形」や「ポジドライブ」など数種が知られている。最も普及している。
十字穴の1つが長くなってすりわりと同じ形になり、プラスとマイナスの両方のドライバで扱える。
六角穴(ヘクス・ソケット)
六角レンチなど、断面が正六角形の棒を差し込むための穴である。
四角穴(スクエア・ソケット)
断面が正方形の棒を差し込むための穴である。「ロバートソン形」と呼ばれる。ねじ回しでは先端にわずかなテーパが付けられており、ねじ回し上でねじを水平に保持できる。カナダでは機械や電気関連の業種で普及しており、電気工事用の標準ねじとして採用されている。日本でも建築現場で筋交い固定金具用として標準化されている。
六角星形の穴。トルクス(TORX)やその改良版である「トルクス・プラス」が知られる、他の形状よりトルクをかけやすい、ネジ頭を傷めにくいという意図で開発された。マイナスドライバーなどの差し込みを防止するために、この穴の中央に突起を設けた形状もある。これらで使われる六角穴に適合する雄形状は一般にヘクサロビュラー(hexalobular)と呼ばれる。
正三角形の穴が刻まれているものや、3本の溝が刻まれたものがある。
2つ程度の穴が開けられているものがある。
他の形状:切り刃先、タッピンねじ先F形、タッピンねじ先C形、木ねじ、ドリルねじ、コーススレッド"注"
ねじの歯の形状はねじの用途に応じていくつか存在し、基準山形で表されることが一般的である。基準山形とは、ねじ山の実際の断面形を定めるための基準となる理論上のねじ山形状のことであり、ねじ山の1ピッチ分の形状をいう。「基本山形」「基本形」とも呼ばれる。
ねじ山の断面の斜面の角度が60度で、頂部が平坦または丸みが付けられている。比較的緩むことが少ないので、締結用で使われる最も一般的なものである。メートルねじ、インチねじ、ユニファイねじも三角ねじである。
ねじ山の断面が正方形に近く、比較的小さな回転力で軸方向に移動できるため、プレス機やジャッキなどで利用される。
三角ねじより斜面の角度がきつく、軸方向の精度が出しやすい。角ねじより丈夫なため旋盤などの送りねじや、測定器でも使われる。
三角ねじと角ねじを組み合わせたように、斜面の傾きが非対称になっている。一方の軸方向のみ力を受ける用途に向き、プレス機や万力で利用される。緩めるときにすばやく動く。
ねじ山の断面の斜面の角度が55度の三角ねじであり、管類の接続に利用されることが多い。平行ねじの他にテーパねじがある。
丸(電球)ねじ
ねじ山の断面が半円形で、電球の口金・ソケット[に使われている。
ねじはその構造上、互換性が非常に重要であり、早くから標準規格が規定された。その主なものを以下に示す。これらの主な標準規格の他にもそれぞれの業界ごとや企業ごとの規格が存在する。なお、小ねじの頭の表面に小さなくぼみが付いているものはISO規格に沿っているという印であり、日本ではJIS認定工場でのみ付けることが許される。
メートル単位系を用いたものは「メートルねじ」と呼ばれ、インチ単位系を用いたものを「インチねじ」と呼ばれる。一般にメートルねじでのねじのピッチは1ピッチあたりの長さを「ミリ」で表すのに対して、インチねじでは、「軸方向1インチあたりの山数」で表される。
国際標準化機構(ISO)で規定された汎用のメートル三角ねじである。ねじ山の角度60度。接頭記号「M」で識別される。日本やヨーロッパ各国で広く使われている。日本産業規格(JIS)では呼び径に対するピッチの細かさによって、標準的なピッチの「並目」と、それより細かい「細目」とに分けて規格が採用されている。
ユニファイねじ(ISOインチねじ)
ISOで規定された汎用のインチ三角ねじである。ねじ山の角度60度。接尾記号「UN」で識別される。ねじ山は角度60度。汎用として、呼び径に対するピッチの細かさにより「並目」(UNC)、「細目」(UNF)、「極細目」(UNEF) が規定される他、航空宇宙機器用 (UNJ) がある。日本では航空機などごく一部での採用にとどまるが、米国では広範に使用されている。日本のJISには並目と細目のみが採用されている。
ねじ山の角度55度のインチ三角ねじである。1834年に世界に先駆けて、イギリス人のホイットワース(Whitworth)により考案された。JISでも規定されていたが、1965年に廃止されている。日本では主に建築分野で使用される。
テーパおねじとテーパまたは平行めねじの組み合わせで使用され、気密性を必要とする管の接続に使われる。ねじ山の角度55度のインチ三角ねじで、テーパの傾きは16分の1である。最初にイギリスで規格化され、その後はJISにも導入されて日本でも広く使われている管用ねじである。その後ISOにより国際標準化された。ISOではテーパおねじ、テーパめねじ、平行めねじをそれぞれ接頭記号「R」「Rc」「Rp」で識別するが、JISの当該規格がISOに準拠する以前はテーパねじ(おねじ・めねじ共)を「PT」、平行めねじを「PS」とそれぞれ呼んでおり、現在でも慣用的に旧式の呼称が用いられる事がある。また、殆どの場合R・Rc・Rpと、PT・PSとは同義であるが、一部にISOには規定されていない呼び寸法がある。
管の接続に使われるねじ山の角度60°のインチ三角ねじである。テーパねじと平行ねじとがあり、テーパねじにおけるテーパの傾きは16分の1である。日本では一般用管用テーパねじ「NPT」や気密管用テーパねじ「NPTF」(共に接尾記号)が使用される。
ボルトやナットといった鋼製のねじ類の中でも比較的小型で生産量の多い物の製造法について説明する。
ねじ部の加工方法は、転造による方法と切削・研削による方法に大別できる。生産量や生産性、加工精度の違いによって2つの方法が使い分けられる。いずれの方法によっても切断された鋼製の線材が材料として使用されることが多い。
概ね以下の工程を経る。
ねじ部加工(転造、又は切削・研削)
ボルトもナットも大きなものの材料には棒材が使われるが、小さなものはコイル状の線材を線送りローラーで直線状に直してから切断して使用される。ねじ部が切削・研削によって作られるボルトは、元となる線材の太さも完成時の呼び径や円筒部径より太いものが選ばれる。転造法ではそれより幾分細いものが選ばれる。
頭部を中心に何段階かの圧造工程によって外形を形成する。小型の部品では冷間圧造で済むが大型の部品では熱間圧造が必要になる。量産品ではボルトフォーマとナットフォーマによって冷間圧造または、熱間圧造が行われる。
ねじ部の加工方法は「転造法」と「切削・研削法」の2つに分かれる。次節で詳しく説明する。
強度区分で8.8以上の鋼鉄製ボルトに対して、ねじ部を加工する前後のいずれかで、焼き入れ焼き戻しによる熱処理が行われる。タッピンねじのように硬度が求められ浸炭処理が行われるものでは、遅れ破壊の危険性が増すために使用時の荷重などに配慮が求められる。
表面処理を行う。電気めっきでは水素が金属中に侵入することで水素脆化による破壊要因となるため、表面処理が必要だが強度が特に求められるボルトでは200℃程の雰囲気中で2時間程度保持することで水素を追い出す処理を行う。ナットはボルトと異なり強度が求められる場合には、高さとねじの山数を増やすことで対応できるため、比較的製造上の注意点は少ない。
形状が規格の公差内に収まっているか、割れがないか、表面処理に不備がないか、などを検査する。
ボルトの大きなものは量産に向かず、まず熱間圧造によって外形を形成し、さらに転造する場合でも加熱した上で熱いうちに加工する方法が採られるが、膨張と収縮による加工精度の低下に特に配慮する必要がある。タッピンねじやドリルねじのような先端に刃を持つねじは、ねじ部の加工後に足割り機と呼ばれる専用機で先端に切れ込みを入れる。ローレット加工が必要なねじは、ねじ部の加工後に平ダイスや丸ダイスで付けられるものと、ねじ部の加工工程で1つの平ダイスでねじ山の転造とローレット模様の転造を行うものがある。
プラスチック製のねじ類では射出整形によって製造されることが多く、切削加工も行われる。
転造法は塑性加工属する鍛造法であり、材料を回転させながら硬質の金型に押し付けることで形を形成するものである。加工時間が短く材料の無駄も生じないが、高い加工精度は得られない。塑性変形に伴う加工硬化によって製品は硬くなる。
転造工程では、塑性変形によって谷が押し込まれる分だけ山が盛り上げられることでねじ山部分が形成される。このため、切削クズのような無駄となる材料は転造では生じない。ただし、加工精度を高めるために転造後に切削・研削を行うことはある。転造を行う工作機械は転造盤と呼ばれる。平ダイス式転造盤、丸ダイス式転造盤、プラネタリ式転造盤がある。おねじの場合には、ねじ山の形状を刻んだダイスで中間製品であるブランクを強力に挟み込み、間で回転させてねじ山を生成する。一般には、「ねじ転造」はこのおねじの転造加工を指す。めねじの転造は、切削タップと同様にねじ山の形状を刻んだ棒を中間製品であるフォーマーナットの穴に捻じ込んでねじ山を作るが、転造用のタップは切削用のものと異なりねじ溝を刻むための刃を持たない。転造では加工表面は変形により硬化し、またダイスとの接触で磨かれる。
ナットの少量の加工では、ドリルなどを備えたボール盤とほとんど同様の姿で、加工のための転造タップを備えた縦型ねじ立て盤が主に使われる。
ボルトの鍛造による量産加工では、ボルトフォーマーによって線材から太めの外形を備えた「ブランク」と呼ばれる中間製品を作り、平ダイス、丸ダイス、扇ダイスなどでねじ山を転造によって形成する。
ナットの鍛造による量産加工では、ナットフォーマーによって線材から穴の開いた「フォーマーナット」と呼ばれる中間製品を作り、自動ナットねじ立て盤によって内側のねじを加工する。自動ナットねじ立て盤のベントシャンクタップは、めねじ加工済みのナットを多数数珠繋ぎに周囲に通過させるという巧妙な工夫によって加工機本体とは直接接続されないまま回転力を受けることができる。
切削・研削を使った方法は、バイトのような超硬質の刃先で材料を削り落として行くことで形を形成するものである。高い精度での加工が行えるが加工に時間がかかり材料の無駄も生じるため、生産量としては少数派である。
切削法ではねじの溝を掘り下げることでねじ山を作る。このため、ブランクのねじ部はねじの山の径よりも大きい必要がある。
切削加工では手動や旋盤でのねじ切りダイスや切削タップ、旋盤、フライス盤やNC工作機のバイトなどによって行われ、専用のねじ切り盤もある。ねじ切りダイスはおねじ、切削タップはめねじの製作にそれぞれ用いられる。
旋盤によるねじ切りは、ねじ溝の形状を有するバイトを用い、主軸の回転に対してねじのリードに等しい送りを軸と平行に与えてねじ溝を生成するもので、少量の生産に用いられる。おねじでもめねじでもバイトが変わり工作物に当てられる位置が変わる他は同様である。近代的なねじ製造法として最初に確立したもので、一般には1本のねじ溝を複数回に分けて切削する必要がある事から大量生産には向かないが、ねじ製造の基本的な工作法である。
ねじ切り盤と呼ばれるねじ専用の切削加工機は、旋盤で行われるタップやダイスによるねじ切りに似るが、専用機では複数の刃が一列に刻まれたチェーザーと呼ばれる刃物を複数同時に使って多数のねじ溝を一度に切削する事により短時間でねじ切りできる。
少量のナットのめねじの加工では、ドリル同様に使用でき切り屑が出る切削タップが主に使われる。まずドリルで下穴を開けてからタップで切削加工を行ってゆくが手間がかかる。小型ナット用の基本的な切削タップでは、加工後に逆転させてナットをタップから抜かなければならず、生産性がさらに悪くなる。大径のナット用の切削タップでは、チェーザーという刃が軸に植え込まれた「植刃タップ」と呼ばれるものがあり、また、加工後に逆転する必要がないようにチェーザーが引き込んで加工済みのナットが抜けるものもある。
軟鋼や硬鋼といった炭素量の違いの他にも、ニッケル、クロム、モリブデン、コバルト、タングステン、バナジウム、ニオブ、タンタルなどの添加量の違いによって「ステンレス鋼」「ニッケルクロム鋼」「クロムモリブデン鋼」「ニッケルクロムモリブデン鋼」といった合金があり、用途に応じて使用される。鋼鉄製の小ねじの元となる線材は「冷間圧造用炭素鋼線」と呼ばれるものから作られることが多く、これはSWCH(carbon steel wire for cold heading and cold forging)材とも呼ばれ、炭素0.53%以下でマンガン1.65%以下のものを指す。実際にはSWCH10RやSWCH20K、SWCH45Kのように細かな種類があり、2桁の数字は炭素の含有量0.001%の倍数を、"R"はリムド鋼を、、"K"はシリコンキルド鋼を、"A"はアルミキルド鋼をそれぞれ表す。小ねじ類はSWCH材から作られることが多いのに対して、より強度が求められるボルトやナットは鉄にニッケル、クロム、モリブデンなどを加えた合金鋼で作られることが多い。
13%程度のクロムを含むマルテンサイト系ステンレス鋼は高強度で耐摩擦性に優れるが耐食性が低く、代表的なSUS410がねじ類で広く使用されている。18%程度のクロムを含むフェライト系ステンレス鋼は耐食性と圧造性に優れており、代表的なSUS430が錆に強い冷間成形加工製品で使用されるが、冷間加工硬化は小さいためタッピングねじのような硬度が求められるものにはあまり適さない。18%程度のクロムと8%のニッケルを含むオーステナイト系ステンレス鋼は特に耐食性に優れている。この代表的なものにSUS304があるが、冷間加工硬化が大きいため冷間加工を行うと工具の折損や製品の割れが生じるため冷間加工には向かない。
純アルミニウムは強度が低いためあまり使用されず、マグネシウムを加えた5000番台のものと、マグネシウムと亜鉛を加えた7000番台のものが使用される。アルミニウムは耐食性、電気伝導性、熱伝導性に優れて軽く、非磁性であるという特徴があるが、その中でも5000番台のものは加工性も良いのでよく使用される。7000番台のものは強度で優れるがアルミ合金の中では比較的耐食性に劣る。
チタンは耐食性、軽量性に優れ、非磁性であり、ほとんどの点で鉄鋼を上回る特性を持ち、生体への親和性も良い。特に海水に対する耐食性は高く金属疲労も起こし難いため、錆びては困り強度が求められる部分で使用されることが多い。熱伝導性は悪く、加工においては工具が磨耗しやすく、チタン自身の価格も高い。純チタン2種と呼ばれるTP340がよく使われる。
銅は耐食性、電気伝導性、熱伝導性、展延性に優れ、非磁性であるため一部の特殊な用途に向くが、引っ張り強さのような機械的強度では劣るため構造材料には向かない。電気配線での端子止めなどにも使用される。ねじの材料には無酸素銅の他にも多様な銅合金が使用される。銅は多様な合金が存在するが、亜鉛20%以上を含む銅合金は「真鍮」や「黄銅」と呼ばれるものがねじ類の材料に使用される。銅と亜鉛の割合によって「七三黄銅」や「六四黄銅」と呼ばれるものがある。銅と亜鉛に鉛を少し加えた合金は「快削黄銅」と呼ばれ切削加工に向く。銅と亜鉛にすずを少し加えた合金は「ネーバル黄銅」と呼ばれ海水への耐食性が高い。銅にすずと少量のりんを加えた「りん青銅」も耐食性や耐摩擦性、強度が比較的高く、非磁性でもある。
プラスチックは金属に比べて強度や耐熱性で劣るが、一般には軽量性、電気絶縁性、非磁性、耐錆性などで優れ、透明性や耐薬品性を備えたものもある。また頭部だけがプラスチックで軸部は金属製の「つまみねじ」や「ノブボルト」といったねじがある。
以下にプラスチックねじの材料について、個別に記す。
ポリアセタール(POM)
引張強さと曲げ強さが優秀であり、摩擦係数は小さく耐摩擦性に優れる。吸振性に優れ防音に向く。強酸以外の薬品や有機溶剤に耐える
ポリプロピレン(PP)
プロピレンを重合させた熱可塑性樹脂で、強度が高く、吸湿性がなく、耐薬品(酸、アルカリを含む)性に優れている。
ポリビニリデンフルオライド(PVDF)
熱可塑性フッ素重合体のひとつで、高価であるが、高純度、高強度や耐薬品性、熱耐性に優れる。
ポリカーボネート(PC)
強度や耐衝撃性、電気絶縁性、非磁性に優れ、特に透明性に優れる。
ガラス繊維強化ポリアミド(PA+GF50%)
ポリアミド(ナイロン)にガラス繊維50%で強化したもの。引っ張り強さと曲げ強さではエンジニアリングプラスチック中で最大であり、耐油性、耐熱性、電気絶縁性や非磁性に優れるため、金属の代替として使用される
四フッ化エチレン(PTFE)
耐熱性、耐薬品性に優れ、強い腐食性をもつフッ化水素酸にも溶けない。また、摩擦係数の小さい物質である。
ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)
耐熱性・耐薬品性に優れる。
ポリフェニレンサルファイド(PPS)
耐熱性・耐薬品性に優れる。
熱可塑性ポリイミド樹脂(PI)
極めて軽量かつ過酷な環境に強い。
セラミックスは線膨張係数が鉄に近く、耐熱性、断熱性、耐錆性、耐薬品性などで優れている。
アルミナ(Al2O3)
ジルコニア(ZrO2)
耐食性向上などを目的に、以下のような表面処理が行われる。
電気めっきは、陽イオンとなる金属の溶液中に対象物を漬け、対象物に電圧を掛けて陰極とすることで表面に金属を析出させるめっき法である。亜鉛めっき、ニッケルめっき、クロムめっきなどが行われる。亜鉛めっきは安価でありよく使用される。亜鉛めっきはそのままでは亜鉛が酸化されやすいので、めっき後にクロム酸塩溶液中に浸してクロメート皮膜を作るクロメート処理が行われることが多いが、クロム酸塩溶液は人体や環境に有害な六価クロムを含むため、三価クロムのような代替法が開発されている。
無電解めっきは電気めっきのように電気を流さずに、異種金属間のイオンカ傾向の差による還元反応を利用しためっき法である。析出される膜厚が比較的均一となり、プラスチックのような電気伝導性のない材料でもめっきできる。ニッケルめっき、スズめっき、金めっき、銀めっき、銅めっきなどがあり、ねじ部品ではニッケルを90-92%、燐を8-10%含むニッケルめっきがよく行われる。
アルマイト処理は陽極酸化皮膜処理とも呼ばれる。電気めっきとは逆に金属皮膜を付けたい材料を陽極にして金属皮膜を付ける。アルミニウムの表面処理に利用される。
黒染めは、鉄の表面に四三酸化皮膜を作る処理である。カセイソーダに反応促進剤、染料などを溶かした水溶液を140℃程度に熱して鋼鉄材料を漬けて煮る。四三酸化皮膜は鉄の酸化皮膜であるが不動態でありそれ以上の酸化を防ぐ。コストは安いが皮膜の厚みが1ミクロン程度と薄く、めっきに比べると耐食性では劣る。
硬さ調整などを目的に、以下のような熱処理が行われる。
高周波焼き入れは鉄鋼材料の外部や内部にコイルを置いてそれに高周波電流を流すことで鉄鋼材料の表面に誘導電流を生じさせ、ジュール熱によって表面のみを短時間高温にすることで焼き入れを行うものである。コイルの位置によって特定部分の表面だけを焼き入れすることも可能である。
低炭素鋼を900℃以上に熱して炭素雰囲気中に置き、表面から炭素を拡散させる焼き入れ処理である。表面のみを炭素含有量に富む鋼鉄となり、内部は粘り強いが外部は硬い製品ができる。
焼き入れ処理の後、硬さが上がり脆くなった材料を焼き入れの温度より低い温度で加熱してから急冷する。これによって硬さを少し下げて粘り強さを取り戻す。
焼き戻しに似ているが、焼き入れより低い温度で加熱してから徐々に冷やしてゆく。これによって残留応力を除去し、また結晶組織を均一にする。
締結に使われるおねじ(この節内の以下では単に「ねじ」と表記する)は、引っ張り荷重、ねじり荷重、せん断荷重という3種類の外力に耐える必要がある。それぞれの荷重から、ねじに必要な直径が求められる。
ねじの軸方向に沿って加わる荷重は「引っ張り荷重」と呼ばれる。ねじの材質が均等であると仮定して、断面積当たりの引っ張り荷重に耐える強さは引っ張り強さと呼ばれ、ねじの強度を数値で示す主要な指針の1つである。引っ張り強さ σ [N/mm2] は有効断面積 A [mm2] と引っ張り荷重 W [N]で以下のように表される。
\sigma = \frac{W}{A}
また、1 Pa = 1 N/m2 の関係から、1 MPa = 1 N/mm2なので、応力の単位は N/mm2 よりも MPa で表されることが多い。
おねじの谷の径 d1 [mm] から、有効断面積 A [mm2] は以下で表される。
A = \frac{\pi}{4} d_1^2
おねじの谷の径は外径 d の約0.8倍であることから、d1 = 0.8d とすると、引っ張り強度 W は次の式で表される。
W = A\sigma = \frac{\pi}{4}d_1^2\sigma = \frac{\pi}{4}(0.8d)^2\sigma \simeq \frac{1}{2}d^2\sigma
上式から、おねじの許容引っ張り応力を σa [MPa] としたときのねじの直径 d は次式となる。
d = \sqrt{\frac{2W}{\sigma_a}
ねじの軸を中心とする回転方向に加わる荷重は「ねじり荷重」と呼ばれる。一般にねじにおけるねじり荷重は引っ張り応力の約1/3が加わるものとして扱われている。引っ張り応力にねじりによる応力を加えると軸方向には4/3倍が力が加わる。これを上で現れた式
d = \sqrt{\frac{2W}{\sigma_a}
に代入すると、下の式が得られる。
d = \sqrt{\frac{2\times\frac{4W}{3}{\sigma_a} = \sqrt{\frac{8W}{3\sigma_a}\
ねじの軸と直角方向に加わる荷重は「せん断荷重」と呼ばれる。ねじの許容せん断応力 τa [MPa] とそのねじの外形 d [mm] は次の式で表される。
\begin{align}\tau_a &= \frac{W}{\frac{\pi}{4}d^2}\\
d &= \sqrt{\frac{4W}{\pi\tau_a}\end{align}
一般に軸部のせん断強さは引っ張り強さの約60%である。
JISでは、ねじの強度を示す10段階の強度区分が設けられている。
3.6 - 4.6 - 4.8 - 5.6 - 5.8 - 6.8 - 8.8 - 9.8 - 10.9 - 12.9
3から12までの左側の数字は「呼び引っ張り強さ」を示し、数字×100N/mm2である。
6から9までの右側の数字は、呼び引っ張り強さに対する「降伏点」の比率を示し、その比の小数点1位が数字で示される。
例えば、呼び引っ張り強さ:1,200N/mm2、降伏点:1,080N/mm2は「12.9」である。JISでは10段階のそれぞれで呼び引っ張り強さと降伏点の他に、硬さや破断伸び、衝撃エネルギーなども定められている。
ナットについても7段階の強度区分が設けられている。
4 - 5 - 6 - 8 - 9 - 10 - 12
ねじは回転させることで締め付けて固定したり緩めて外す部品であり、その締緩作業を行うための工具としてドライバーが用いられる(ナットとボルトの締緩作業にはレンチが用いられる)。ねじを締める場合に必要以上の力を加えると接合される部品やねじそのものを破損してしまう(いわゆる「ねじが馬鹿になった」状態)ことになるため、重要な部品などではトルクドライバー(トルクレンチ)などが用いられる。
ねじの主な役割は、締めつけにより発生する軸力で物を締結することであるから、物の締結力を制御するためには、ねじの軸力を管理しなければならない。しかし実際の作業では軸力を直接監視することは困難である。そのため簡便な方法としてトルクレンチで締めつけトルクを管理して、軸力を担保することが多い。しかし、用途によっては更に高精度な軸力管理が求められる。
ねじを締めつけ、軸力(応力)をかけていくと、降伏点までは軸力に比例してねじが伸び、軸力を取り除くと、ねじの伸びは元に戻る。この弾性域範囲内での締めつけが「弾性域締めつけ」であり、ねじの軸力のばらつきが大きいが、ねじのくり返しの使用が可能で、トルクレンチを用いたトルク法による締めつけ管理ができ、締めつけ作業が簡単という特長がある。
対して、降伏点を超え、さらにねじを締めつけて軸力をかけると、比例関係がなくなり、軸力に対して伸びが急激に増えていく。この状態になると、ねじに永久伸びが生じ、軸力を取り除いても元に戻らなくなる。この塑性域範囲内での締めつけが「塑性域締めつけ」であり、ねじに永久伸びが生じるため、くり返し使用ができず、締めつけ作業にも時間がかかる、などの欠点があるが、弾性域締めつけよりも安定した軸力管理を行うことができるから、エンジンの組み立てなどに用いられている。
トルク法とは、締めつけトルクと締めつけ軸力との弾性域における線形関係を利用した締めつけ管理方法である。締めつけ作業時に締めつけトルクだけを管理する方法だから、トルクレンチでできる比較的簡単な締めつけ管理方法で、一般的に広く普及している。しかし、締めつけトルクは、その全てが軸力として作用するわけではなく、ねじ面や座面の摩擦によって消費される。そのため、同じトルクで締めつけても表面荒さや潤滑状態などによって軸力が大きくばらつくため、摩擦特性の管理に注意が必要である。
そのため、一般的にトルク法によるねじの締めつけは、発生する軸力が降伏点の60%~70%の弾性領域内が望ましいと言われている。
回転角法は、スナグ点(ねじと座面を密着させるために必要な締めつけトルクを作用させた点)からのねじ頭部やナットの締めつけ回転角度を、角度割出し目盛板(分度器)や電気的な検出器など管理して、締めつけ軸力をコントロールする方法で、弾性域締めつけ、塑性域締めつけの両方に用いることができる。しかし、弾性域締めつけでは、回転角度による軸力の変化が大きくばらつきやすいため、作業が単なトルク法の方がよく使用されている。一方、塑性域締めつけでは、回転角の誤差による軸力の変化が小さくなるから、ボルトやナットの六角形状を利用した目視による角度管理が可能な場合もある。
トルクこう配法とは、ねじの締めつけ軸力が降伏点を超えると、軸力に対して急激に伸びが増加する性質を利用した締めつけ法である。締めつけトルクと回転角を電気的なセンサなどで検出して、弾性域と塑性域の変化点をコンピュータで算出し、弾性域限度で締めつけを行う。
必要な装置が他の方法より大がかりだが、ばらつきの要因は材料の降伏点のみのため、トルク法や回転角法よりも軸力のばらつきが小さい方法である。そのため自動車のエンジンやシリンダヘッドのボルトなど、締めつけの信頼性の高さを求められる場合に用いられている。
これらの締めつけ管理方法以外にも、ねじの伸びを直接測定し管理する測伸法や、ねじを高温に加熱して伸びを与えて、取りつける際の温度を管理する加熱法などがある。
締結に使用されるねじでは、その緩みは問題を引き起こすことがあり、避けられねばならない。ねじの緩みはねじ自身が回転して緩むものと、回転を伴わずに緩むものがある。