ボルトの疲労強度を高める：トップ戦略が明らかに

最新の機器では、ボルトはしばしば変動荷重下で使用されます。例えば、内燃エンジンのシリンダーヘッドのボルトの一種は、繰り返し張力がかかる過酷な環境で働きます。

構造上、ボルトのサイズを大きくすることができないため、強度と耐引張疲労性を向上させる必要がある。

言い換えれば、このようなボルトの引張疲労寿命に対する要求はより高い。

1.ねじ付きファスナーの疲労基準

ユーザー要求の多様性とファスナーの使用環境の多様性を考慮すると、荷重条件が最も重要な要因である標準化された環境下での寿命指標を確立し、選択することが不可欠である。

1.1 負荷条件

ここでいう荷重条件とは、疲労試験中にボルトにかかる最大荷重値と最小荷重値のことである。

現在、σb≧1200MPaのボルトの最大荷重値は、ISO規格も我が国の規格も、ボルトの最小引張破壊荷重の46%-K値（荷重係数）としている。

この規格は、異なる直径のボルトの最小破壊荷重基準値を規定している。

これらの値は、静的引張強度の合格基準および疲労試験荷重（最大疲労引張試験荷重＝最小引張荷重×荷重係数K）の基準となる。

例えば、合金鋼の六角ボルトの場合、K値は0.46に設定される。

疲労引張試験における最小荷重は、荷重比Rによって決定される。R = 最小荷重 / 最大荷重、R = 0.1。

1. 2 寿命指標

前述の荷重規定のもとでは、統一された寿命指標がある。すなわち、所定のサンプル試料のうち、最小サイクル数が4.5×10以上である。⁴.

13×10を超えるカウント⁴ を13×10とした。⁴ 平均化のためである。

2.ねじ付きファスナーの引張疲労寿命

2.1 ボルト材料の選択と熱処理

中国の関連規格（GB/T 3098.1-2000など）によると、疲労性能要件はσb≧1200MPaのボルトに対してのみ規定されている。

に疲労性能要件を課す主な理由 高張力鋼板 は、強度が向上する反面、塑性予備力は中・低強度鋼に比べ著しく劣る。

この要求を、より高い強度と良好な塑性耐性を持つニッケル基合金やチタン合金と比較することは明らかに不適切である。例えば、40CrNiMo、30CrMnSiなど。

より強度の高い合金を選んだ場合 鋼材 アメリカのインコネル718合金のように1600MPa以上の強度を持つ合金は、一般的な荷重条件下での疲労試験で高い寿命値を示します。M6ボルトを例にとってみましょう。

規格で規定されている疲労試験荷重が11.01kN、静的引張破壊荷重が23.93kNの場合、インコネル718合金の実際の静的引張破壊荷重は35kNに達する。

それでも疲労試験のPmaxを11.01kNとすると、静的引張破壊荷重の31%に相当するだけで、当然、寿命値は高くなる。

しかし、30CrMnSiNiのような高強度材の場合、そのノッチ感度は非常に高く、引張疲労試験での寿命値は非常に低い。耐引張疲労性を必要とするねじ部品への使用には適さない。

の静的引張破壊荷重に匹敵する材料もある。 合金鋼 30CrMnSiのように、チタン合金Ti6Al4Vのように、同じ負荷レベルでの疲労寿命試験で標準要件を満たさない。

30CrMnSiや他の合金鋼と疲労寿命値を揃えるには、荷重レベルを40%に下げる必要があり（つまり、K値を40%とする）、他の種類のチタン合金（Ti21523など）については、Kを36%に下げる必要がある。

しかし、この方法には問題がある、 チタン合金 同等の静的強度を持つボルトは、同様の鋼製ボルトよりも疲労性能が優れている。

これは、異なる材料の特性に関する基本的な理解である。この場合、チタン合金ボルトのK値は0.46より高くなることは確実で、0.36より低くなることは絶対にありません。

従って、高い静的引張強度と高い引張疲労寿命が要求されるボルト接合には、適切な 材料選択 適切な注意を払うべきである。

疲労骨折 と遅れ破壊は、機械部品の破壊の2大原因であるが、これは紛らわしい概念である。ボルトの遅れ破壊は、多くの場合、表面メッキによる水素誘起損傷挙動によるもので、基本的に疲労破壊とは無関係です。

一般に、鋼の引張強さが1200MPa程度であれば、疲労強度と耐遅れ破壊性は、引張強さの増加とともに増加する。 強度と硬度.

しかし、引張強度が約1200MPaを超えると 疲労強度 遅延破壊に対する抵抗は急激に低下する。

機械製造に使用される鋼鉄のほとんどは、中程度である。 炭素合金鋼引張強さは800～1000MPaが多く、焼戻し状態で使用される。

強度を高めることは難しくないが、最大の課題は、強度を高めた後の寿命の短さの問題を解決することにある。

疲労故障 と遅れ破壊の問題が、機械製造に使用される鋼の高強度化と長寿命化の主な障害となっている。

熱処理は非常に重要な要素であり、特に焼戻しが重要である。 焼き入れ工程 高強度ボルトの高温焼戻し領域では、硫黄やリンなどの不純物が生成しやすい。

これらの不純物が粒界に蓄積すると、脆性破壊につながる可能性があり、特に硬度が35HRCを超えると、脆性傾向が著しく高まる。

2.2 疲労寿命を改善する技術

強化前、ねじファスナーの引張疲労破壊の確率は以下の通りである：65%の疲労破壊がナットとの最初の噛み合いで発生し、20%の疲労破壊がねじ山とシャンクの間の移行部（この記述は大まかに正確であるが、これらの箇所での疲労破壊の根本的な原因は、やはり高い応力集中によるものであることに注意しなければならない）で発生し、15%の疲労破壊が図1に示すようにボルト頭部とシャンクの間の移行半径で発生する。

これらの統計は、ファスナー全体の金属フローラインが損傷していないという条件に基づいていることを強調しておく必要があります。

引張疲労寿命を向上させるためには、ボルトの形状と工程の両面から対策を講じることが可能であり、現在最も効果的な方法は以下の通りである。

2.2.1 MJスレッド（強化スレッド）の使用

MJねじと通常のねじの主な違いは、図2に示すように、外ねじの小径（d1）と半径（R）にある。

MJねじの主な特徴は、通常のねじよりも小径（d1）が大きく、ルートフィレット半径が大きく、ボルトの応力集中を軽減することである。

Rに対する特定の要件（Rmax=0.18042P、Rmin=0.15011P、Pはピッチ）が与えられているが、通常のねじにはそのような要件はなく、ストレートであることさえある。この大きな変化は、小径の引張疲労性能を大幅に向上させます。

現在、MJねじは航空宇宙用ボルトに広く使用されている。

2.2.2 スレッド疲労性能の向上

ねじ転造プロセスを用いることで、冷間加工硬化の影響により、表面に圧縮応力が残留し、ボルト内部の金属繊維の方向性を合理的かつ壊れないようにすることができる。

その結果、疲労強度は旋削加工によるねじ山よりも30%から40%高くすることができる。

熱処理後に糸を転がすと、部品表面が強化され、次のような特徴が生まれる。 残留応力 この層は、材料の表面疲労限界を70%から100%高めることができる。

このプロセスには、高い材料利用率、高い生産率、低い製造コストなどの利点もある。表1は、異なる加工方法における疲労寿命値を示している。

試験ボルトの材質は30CrMnSiA、ボルト規格はGJB121.2.3、試験方法に従って6×26（すなわちMJ6）の引張疲労試験を行い、試験疲労荷重を測定した：Pmax=10.1kN、Pmin=1.01kNである。結果を表1に示す。

表1：異なるプロセス方法における疲労寿命（サイクル数

表1から、熱処理後の冷間圧延ねじボルトの折り返し部のフィレットの引張疲労抵抗rが最適であることがわかる（図1参照）。冷間押出しにおけるrの値に関する要件は厳しくありません。技術仕様書には変形の上限が規定されているだけです。

2.2.3 最終寸法の厳格な管理

図1に示すように、ボルトのねじ山と平滑なロッドとの間の移行部は、疲労の重大な原因の一つである。移行部を形成する最終寸法の厳格な管理は、この領域の疲労寿命を向上させるための重要な対策です。

したがって、ねじ転造ホイールの設計と製造の際には、規格に従って端部を厳密に研削し、工程中のねじ転造位置を厳密に管理することが不可欠です。

具体的な対策としては、図3aに示すように移行部のフィレットを大きくしたり、図3bと3cに示すようにアンロード構造を作ったり、ねじの端に工具引き抜き溝を切ったりすることでも応力集中を軽減できる（図3bと3cの模式図は誤解を招く可能性がある。移行部のフィレットを増やすことは、局所的な応力集中を緩和するのに役立つ。）

図1に示すように、ボルトの折り返し部のフィレットrを冷間押出しすることにより、この部分の引張疲労寿命を向上させることができる。表1が示すように、2.2.1、2.2.2、2.2.3の強化対策だけを行えば、疲労破壊はもっぱらボルトの折り返し点で発生する。

したがって、フィレットRの冷間押出し強化は、ボルトの全体的な引張疲労寿命を改善するための重要な対策の1つである。

2.3 追加の曲げ応力の発生を避ける

設計、製造、組み立ての不備により、ボルトに偏心荷重が発生することがあります。偏心荷重は、ボルトにさらなる曲げ応力を誘発し、疲労強度を著しく低下させます。したがって、追加トルクの発生を防ぐために、適切な構造的・工程的対策を講じる必要がある。

(1) ボルトの皿面の角度は正確であるべきで、0°～0.5°の正の偏差しか許されず、負の偏差は許されない。

(2) ボルトの支承面は平らで、ボルト穴の軸に対して垂直であること。

(3)六角頭のようなワークの組立穴の場合、穴の面取りは国際規格に準拠する。

2.4 プリロード・アセンブリ

予圧は、ねじ結合において最も重要な問題の一つです。ボルトと接合部の剛性を一定に保ったまま、予圧を適切に増加させると、引張疲労に対する抵抗力が著しく向上することが、理論と実践から示されています。このため、ボルトの予圧応力は降伏応力（σs）の0.7～0.8まで達することがあります。

したがって、予圧を正確に制御し、その値を維持することが非常に重要です。予圧の大きさは、プリセットトルクレンチや予圧指示ワッシャによって制御されます。

必要な予圧は条件によって異なるため、予圧の見積もりには一般的に、過去の経験に基づく経験式が用いられる。

一般的な機械的予圧：σ_p = (0.5 to 0.7)σ_s高強度接続の場合：σp = 0.75σs（これが降伏限界）。この予圧の表し方は、前述の46%の考え方と矛盾します。

最近、新しい方法が開発された。 ボルト接続 これは、ボルトに降伏点までの予圧を与え、ボルトを塑性領域内で機能させるものである。詳細については、「機械研究」第40巻第12号（1988年）に掲載された丸山一郎氏の論文「塑性ねじ領域接合」を参照されたい。疲労に対して重要な予圧を持つ締結部については、異なる予圧の下で疲労寿命試験を実施し、正しく使用可能な予圧値を決定する必要があります。

3.結論

この文書では、実験データと実際の経験を通じて、ボルトの引張疲労強度を向上させるためのいくつかの具体的な方策を提案し、材料の選択、機械加工、組み立ての側面を取り上げている。

これらの手段のいくつかは、実際の応用においてその有効性が証明されているが、ある種の経験的データと結論は、さらなる理論的探求と検証を待っている。

まとめると、ボルトの引張疲労強度を向上させるためには、総合的な対策を採用する必要があり、単一の対策で耐疲労性の総合的なニーズを満たすことはできない。