ねじ
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。
ねじの関連部品を以下に示す。ねじの関連部品には、小ねじやボルトと一緒に使う緩み止めなどの部品が多い。
座金
ピン
これらの他にも、セーフティワイヤ、緩み止め用接着剤、スペーサー、
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/mm] は有効断面積 A [mm] と引っ張り荷重 W [N]で以下のように表される。
σ = W A {\displaystyle \sigma ={\frac {W}{A}}}
また、1 Pa = 1 N/m の関係から、1 MPa = 1 N/mmなので、応力の単位は N/mm 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 [mm] は以下で表される。
A = π 4 d 1 2 {\displaystyle 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 σ = π 4 d 1 2 σ = π 4 ( 0.8 d ) 2 σ ≃ 1 2 d 2 σ {\displaystyle 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 = 2 W σ a {\displaystyle d={\sqrt {\frac {2W}{\sigma _{a}}}}}
木質の材料に下穴を開けるだけでめねじを切らずにそのままおねじだけで止めるねじである。尖った先端までねじ山を持ち、一般にねじ山の間隔が広い。対応するめねじを持たない無穴地、もしくは錐穴に直接ねじ込まれる。先端から3分の2ほどにだけねじ部になっており、頭に近い部分は挟みこんだ部材と密着することで緩み止めやガタツキ防止となる。すりわり付き木ねじや、十字穴付き木ねじ、コーチねじがある。
量産方法を追求したワイアット兄弟と、精密さを追求したラムスデンは偶然にも同じ時期に活躍したが、両者の業績を統合したのが、英国のヘンリー・モーズリー (Henry Maudslay 1771-1831) であった。1800年に彼は、それまでの旋盤をさらに改良し鉄鋼製のねじ切り用旋盤を開発した。モーズリーはフランス人マーク・イザムバード・ブルネルと組みポーツマスに世界初の完全に自動化された工場を作った。この工場は10人の工員が44台の機械を使い、年間16万個の滑車を作ることができたという。1825年には、ブルネルはテムズ川の下をくぐる365mのトンネル工事を受注した。モーズリーはブルネルが発明した矩形のトンネル用鋳鉄製シールドを製造してトンネルを完成させた。これがシールド工法の始まりである。モーズリーは他に印刷機、プレス機、貨幣鋳造の特殊機械、ボイラー板穴開け機などを作ったが、最も有名なのは蒸気機関であった。ブルネルの息子が初の大西洋横断蒸気船を作った際に、モーズリーの息子もその船に搭載する、当時世界最大の750馬力の蒸気機関を作った。これらの成功は、モーズリーが作り上げた極めて精度が高い基準ねじを用いた、規模が大きくなっても精密に仕事ができる旋盤によるものだった。モーズリーは1万分の1インチの精度のマイクロメーターを作っている。このマイクロメーターはモーズリーの工場で寸法を測る際の至高の基準とされ「大法官」と言われていて、弟子の製品の精度チェックに使われた。また、かつてはナットとボルトは一対で作られ、製造時につけた刻印が合うもの同士でなければ噛み合わなかったが、金属製のねじ切り用旋盤によりねじの精度が上がったため、その必要はなくなった。
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。
ボルトの頭が四角形のもの
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。
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。
「弾性域締めつけ」と「塑性域締めつけ」
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。
かしめ式ナットでは、ナットの一部が肉薄の円筒状になっており、締め付け後におねじ部の溝にこの薄い部分をかしめてナットの回転を防止する。かしめナットとは異なる。
ボルト内の軸内空洞に細いボルトが通され下端だけが空洞奥で固定されている。頭部外面まで伸びた細いボルトの上端で計測することで、本体の大型ボルトが外力を受けていくら伸びているかを知ることができる。大型プラントや機械に使用される。
緩み防止のため、以下に示す多様な方法が考案されている。
さかねじと読む。討論などの場で、異論や非難・抗議する相手に対し、逆に非難し逆襲をすること。
「軽天ねじ」とも呼ばれ、元々は石膏ボードの取り付けのために作られた。比較的柔らかな材質に対して、下穴加工を必要とせずにねじだけで穴を開けてタップを作り締結まで行える。十字穴付きトランペットや十字穴付きフレキがある。
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。