ねじか、リベットか、溶接か、接着か：ねじ継手は何のためにあるのか

そのねじは、何を支払っているのか

並べておく価値があります。どれもこのサイトでは一篇ずつの記事になっていて、 ばらばらに出会うと、出所が同じだと気づきにくいからです。

• 穴。そして空いたままの穴は応力を集中させます。 Kirsch の 1898 年の解が与えるのは、無限に広い平板・単軸引張りのもとで、 空の円孔のふちが遠方応力の 3 倍になる、というものです。 この数字は扱いに注意が要ります。正味断面の応力を基準に取り直すと、 孔が板幅に対して大きくなるにつれて 2 に近づいていきます。 ですから「3 倍」とだけ言って、どの応力に対してかを言わないなら、ほとんど何も言っていません。 残るのは問題の形のほうです——空の穴は平均より応力が高い場所であり、 穴を必要としない継手は、その場所を最初から作っていません
• 初期締付け力は蓄えられたエネルギーで、しかも漏れます。 へたりも横ずれもそれを持っていきます。 漏れる速さは、こちらが必ずしも制御できないものに依存します。だからこそ 締付け長さが設計変数になるのであって、 余りものとして決まるのではありません
• 組立てが、管理すべき工程になります。 トルク値、ときには順序、ときには増し締め——しかも トルクは締付け力のかなり悪い代理指標です
• 一継手あたりの費用は、部品＋締付けの工数＋検査で、 台数のぶんだけ繰り返されます

それぞれの代替手段が、何を買い、何を請求するか

リベットの行が、「きれいな比較」がふつう間違えるところです。 リベットにも穴は要ります。ただしその穴を埋め、成形の過程が締付け力と孔まわりの残留応力を同時に作ります—— ですから空の穴でもなければ、初期締付け力のない継手でもありません。 ないのは戻り回転するねじと、図面に書ける数値のほうです。

実際に決めているのは、この問いです

強度が最初に一度ふるいにかけます——接着がはく離力で引かれる、溶接できない材料に当たる、 樹脂が緩和する温度でスナップフィットを使う。これは能力で外れるのであって、好みで外れるのではありません。 けれども二つ以上の方法がそのふるいを通ってしまえば、強度はたいてい決め手でなくなり、 次に問うのはこちらです。

• この継手は、製品の一生のあいだに何回開けられますか。
• その締付け力は、仕事をしていますか。ガスケットを潰す、摩擦で横荷重を伝える、 電気的接触を保つ、変動荷重のもとで二つの部品を押し合わせておく。 図面に書かれていなくても仕事はしています——ただし、それが何をしているのか誰も言えないなら、 トルク値を議論する前にそれを知っておく価値があります
• 誰が、どの工具で開けますか。工場でプレスを使って一度開けるのと、 技術者がはしごの上で開けるのとは、別の問題です
• 製品の寿命が終わったとき、どうなりますか。答えが「回収業者が材料を分ける」なら、 それは本当に一度開けることであり、唯一の一度かもしれません

そして、選んだ二つの理由が互いに喧嘩を始めます

外せるからねじを選び、やがて継手が緩み、そこでねじ固定剤を塗る。 ここで一度止まる価値があります。ねじに永久強度の固定剤を使うことは、 最初に代金を払って買った性質を、一部返上することだからです。

まったく正しい場合もあります——取外し可能な強度のものは振動を止めますし、手工具で外せます。 永久強度でも世界の終わりではなく、メーカーは局部加熱＋手工具という外し方を示しています。 それでも何が起きたかは見ておく価値があります。この継手は開けにくくなっていて、 その「開けられる」こそ、ねじを買った二つの理由の一つでした。 そもそもねじ固定剤が扱うのは、ねじが緩む二つの経路のうち一つだけです。 仕様が永久のほうへ流れ続けるなら、問い直すべきは、それは本当に開ける必要があるのか、です。

ねじが本当に勝つところ

• 保守のしやすさ——技術者が開けるもの、保証期間内に直すもの
• 調整——組んだあとに位置を合わせる、あるいはあとでもう一度合わせる
• 溶接できない異材の組合せで、接着の硬化時間をラインが待てないとき
• 分離できることが法規で求められる場合——電池など、寿命の終わりに外せなければならない部品
• 少量で、スナップフィットの金型や溶接の治具を償却できないとき

このどれにおいても、ねじは具体的な何かを買っています。これがその検査です—— 仕様の順序をたどる前に、「外せること」が何のためかをはっきりさせてください。 あの決定順序の残りの部分は、この問いがすでに答えられていることを前提にしているからです。

この記事は手順 1、相手材を扱います。全体の順序は相手材、ねじ、頭部、駆動部、表面処理、書類で、これを崩すと微調整ではなく手直しになる理由はねじの決め方にあります。

よくある質問

ねじを使わないほうがよいのは、どういうときですか。

ねじが得意な二つのことが、どちらも使われていないときです。ねじは継手をふつうの工具で外してまた戻せるようにし、締付け力を誰かが選んだ数値まで締められるようにします。けれども代金の大半は、使っていようといまいと払うことになります——穴、へたりや横ずれに抗して維持しなければならない初期締付け力、そして管理すべき締付け工程です。一度組んだら修理せず、その締付け力が何をしているのか誰も言えないなら、そのねじは代金を払って使っていません。

リベットに替えれば、ねじによる応力集中はなくなりますか。

同じものではありません。リベットにも穴は要りますが、その穴を埋め、成形時に締付け力と孔まわりの残留応力を生むので、空の穴の結果をそのまま持ち込めません。Kirsch の 1898 年の解が与えるのは、無限に広い平板・単軸引張りのもとで空の円孔のふちが遠方応力の 3 倍になる、というものです。正味断面の応力を基準に取り直すと、孔が板幅に対して大きくなるにつれて 2 に近づきます。リベットにも締付け力はあります。ないのは、戻り回転するねじと、指定して検証できる初期締付け力の数値のほうです。

溶接や接着なら、穴の問題がないのはなぜですか。

避けているのは締結部品の穴であって、応力集中を避けているのとは別です。溶接には止端とルートに自前の応力集中があり、溶接継手の疲労き裂はほぼそこから始まります。ほかに熱影響部、変形、材料と形状の制約もあります。接着は荷重を孔のふちに集めず面に分散させますが、その代わりに表面処理、硬化時間、温度と湿気、クリープの上限、はく離と割裂への弱さ、そして仕上がってからの検査の難しさを請求してきます。

ねじ固定剤が要るということは、そもそもねじを使うべきでなかったということですか。

そういう場合もありますが、これは判決ではなく問いです。取外し可能な強度のもので振動を止めるのは理にかなった設計で、永久強度でも外せます——メーカーは局部加熱と手工具を組み合わせる方法を示しています。ただし塗ればその継手は開けにくくなり、それこそねじを買った二つの理由の一つでした。ですから仕様が永久のほうへ流れ続けるなら、それは本当に開ける必要があるのかを問う価値があります。

結局、何で決めるのですか。

強度が最初に一度ふるいにかけます——接着がはく離力で引かれる、溶接できない材料に当たる、樹脂が緩和する温度でスナップフィットを使う。どれも能力で外れます。二つ以上の方法がそのふるいを通ってはじめて、何回開けられるか、誰が、どの工具で、という問いの番になり、その締付け力が仕事をしているか（ガスケットを潰す、摩擦で荷重を伝えるなど）も問われます。工場でプレスを使って一度開けるのと、技術者がはしごの上で開けるのとは別の問題です。寿命の終わりに回収のため分離するのも、たとえ唯一の一度でも一度開けることです。

参考資料

• 孔の応力集中——Kirsch（1898）の解
• TWI — 溶接継手の疲労き裂はほぼ止端かルートから始まる
• VDI 2230 Part 1 — 高負荷ねじ締結体の体系的な計算