ふつうのねじとばか穴では、位置は決まりません

その問いと、半分だけ正しい答え

「なぜねじで部品の位置を決められないのか」は Engineering Stack Exchange で 4,000 回近く読まれています。最多得票の答えは、ねじは転造で成形されるので、 焼入れ研削したピンほど正確ではない、と言います。

それは本当ですが、理由ではありません。M8 のねじをノックピンの精度まで研いで、 ふつうの 9 mm のばか穴に通しても、何も得られません。 制約があるのは、ねじのほうではありません。

その穴は、もともとどれだけ大きいのか

ISO 273 はボルトとねじのばか穴を三つの級で規定しています。 これは規格の数字であって、現場の慣習ではありません。

規格は精・中・粗にそれぞれ H12、H13、H14 を併記していますが、 それは「参考であり、公差を指示する必要がある場合に用いる」と明記しています。 ISO 273 の穴が、自動的に位置度の要求を連れてくるわけではありません。

そのすき間が、わざとである理由

初期締付けを与えたボルト継手は、もともと軸部に横荷重を受けさせるつもりがありません。 接合面を十分に締めて接合面の摩擦に受けさせ、 締結部品は引張りに留めるつもりです。すき間はそれを成立させているものです—— 二つの部品が引き寄せられていく途中で軸部が支圧を拾わないようにし、 穴の並び全体に積み上がった位置の誤差を吸収して、この組立てを組み立てられるものにします。

すき間を取り去っても継手は良くなりません。別の種類の継手に取り替えたことになります—— 軸部がいま支圧を受け、引張りを見越して選ばれた締結部品が、 選ばれた覚えのないせん断を担わされています。

ピンが買っているものを、もう少し正確に

ISO 2338 の平行ピンには m6 と h8 の二つの公差があります。呼び 8 mm の m6 は、 ISO 286 による寸法差が +6 µm から +15 µm—— 実際の直径は 8.006 から 8.015 mm に入り、公差域は 9 マイクロメートルです。 規格は m6 のピンに Ra 0.8 µm 未満の表面粗さも求めています。

けれども、それは「はめあい」ではありません。 はめあいはあなたがそのために仕上げる穴で決まり、両側を同時に指定しなければ、はめあいがいくつかは言えません。 あの 9 マイクロメートルが告げているのは別のことです。このピンは、上のばか穴の表とは まったく違う精度の等級で作られていて、しかも「あなたが合わせてリーマ仕上げの穴を作る」 ことを前提に売られています。

これが本当の違いです——ピンは、誰かが公差の代金を払った形状であり、部品も穴も払っています。 ピンが正確でねじが不正確だ、という話ではありません。 ばか穴のほうは、誰かが意図的にその代金を払わなかった形状です。

ここまではすべて位置の話です。ピンが荷重を受けるほうに回ると、当てはまる文書は別になり、 その数字は多くの人の予想と合いません——スプリングピンには公表された最小二面せん断荷重があり、 焼入れしたノックピンには一つもありません。 せん断の値が規格にあるのはスプリングピンのほうで、ノックピンにはありませんが 両方の規格をたどっています。そして「部品を軸の上で空転させない」はさらに第三の仕事で、 そこでいちばん直感的な部品の規格は 最初から最後まで軸に触れていません。 この頁がずっと勧めているリーマ仕上げの穴そのものにも欠落があります——ノックピンの規格は ピンを規定していて、穴については一言も書いていません。

そして締結部品も位置を決められます。そのぶんを買えば

「ねじが締め、ピンが位置を決める」というきれいな規則は、ここで成り立たなくなります。 反例はどれもカタログで買えるものなので、知っておく価値があります。

• リーマボルト（DIN 609、DIN 610）は ねじのない軸部に公差が与えられていて、もともとリーマ仕上げの穴に入れるものです。位置も決め、締めもします。
• ショルダーボルト（ISO 7379）には研削された段部があり、 公差等級は f9。段部が位置を決め、その下の細いねじが締めます。 分担が一つの部品のなかで起きていることに注意してください——位置を決めているのは、やはりねじ山ではありません。

どちらも高価で、どちらもその穴がドリル仕上げではなくリーマ仕上げであることを要求します。 結局また同じ一文に戻ります——位置決めの代金は、穴の側が部品の側に劣らず払います。

なぜ三本ではなく二本なのか

答えがピンであるとき、標準の構成は丸ピン一本と菱形ピン一本です—— DIN 6321 は B 形と C 形として挙げています。

部品がすでに面に座ったあと、丸ピンが平面内の位置を決め、 菱形ピンが丸ピンまわりの回転角を決めます。三本目のきつばめのピンは、たいてい すでに拘束された自由度を拘束していて、しかも三つの中心距離が同時に合わなければ 部品が入らなくなります。菱形ピンの削ぎ落とされた面は、 中心距離の方向を解放するためにあり、 穴のピッチの公差が組立てを詰まらせないようにしています。

この事柄の正式な形は二つあります。治具設計でいう 3-2-1 の位置決め原理と、 より一般的な正確拘束（運動学的）設計—— 拘束すべき自由度は、一度だけ拘束する、というものです。 三本目のピンが自動的に誤りになるわけでもありません。浮動であるか、 位置決めではなく荷重を受けるためか、あるいは誤組み防止なら、それは別の仕事をしています。

位置を決める四つのやり方。どれもねじ山ではありません

1. ノックピン——丸一本と菱形一本、リーマ仕上げの穴に。
2. インロー／つば——加工された一段の直径で、 一方の部品をもう一方に対して心出しします。自動車のホイールのハブ心出し設計がこれです。 スタッド心出しの設計もあり、そちらはテーパまたは球面のナット座で心を出します。
3. リーマボルトやショルダーボルト——上のとおり、仕事をするのは軸部か段部です。
4. 基準面、位置決めブロック、キー、さねはぎ、V ブロック—— 正の幾何に部品を押し当て、ねじは締め付けるだけにします。 四つのなかでいちばん安いことが多く、はじめての方がいちばん飛ばしやすいものでもあります。

四つに共通するのは、位置を決めている形状がそのねじ締結ではないことです。 ねじと穴の選択が決定の順序のどこに入るかは ねじを指定するに、 そもそもねじを使わないほうがよいのはいつかは ねじを使わないほうがよいときにあります。

この話の強い版について、一つ注意を

「二つの形状に同時に位置を決めさせては絶対にいけない」で締めたくなります。それは言い過ぎです。 ふつうの初期締付けのある継手は接合面の摩擦で横荷重に抗するので、軸部の支圧をまったく必要としません。 支圧型の継手やリーマボルトの継手は、締結部品にせん断を受けさせるよう意図して設計されています。 本当の失敗の場面はもっと狭いのです——きつばめの形状がいくつも同時に精密な位置決め要素として扱われ、 そのあいだで公差を吸収するものが何もないとき。 菱形ピンの削ぎ面はそのためにあり、本数が二本である理由でもあります。

参考資料

• ISO 273 —— 締結部品：ボルトとねじのばか穴（精／中／粗の三級。H12/H13/H14 は参考）
• ISO 2338 —— 焼入れしない平行ピン（m6 と h8。m6 の Ra は 0.8 µm 未満）
• ISO 286 —— 寸法公差の記号体系（8 mm の m6：+6 から +15 µm）
• ISO 7379 —— 六角穴付きショルダーボルト（段部の公差 f9）
• DIN 609 / DIN 610 —— 軸部に公差を与えたリーマボルト
• DIN 6321 —— 位置決めピン、B 形の丸ピンと C 形の菱形ピン
• 3-2-1 の位置決め原理と正確拘束設計、治具設計の文献
• «Why can’t screws be used for locating parts?»、Engineering Stack Exchange

この頁が説明しているのは、ある慣習の背後にある理由です。個々の部品の数値は、 あなたの図面と、その図面が引用する規格が決めます。

締結部品が位置を保てないときに手が伸びるのはキーですが、その一種を扱う規格は、動力を伝えているのか位置を決めているだけなのかによって、違う寸法に測ります。

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

ばか穴がねじより大きいのはなぜですか。

組み立てられるようにするため、そして荷重の経路を引張りに留めるためです。ISO 273 の中級は M8 のばか穴を 9 mm と定めています。そのすき間は、二つの部品が引き寄せられていく途中で軸部が支圧を拾わないようにし、穴の並び全体に積み上がった位置の誤差を吸収します。取り去っても継手は良くならず、別の種類の継手に替わるだけです。

ねじをもっと正確に作れば解決しますか。

しません。M8 のねじをノックピンの精度まで研いで、ふつうの 9 mm のばか穴に通しても、およそ 1 mm の直径のすき間はそのまま残ります。制約はばか穴と軸部という界面にあるのであって、ねじの製造精度にはありません。ですから答えはリーマ仕上げの穴であって、より良いねじではありません。

では、ボルトで位置を決めることはできるのですか。

できます。ただしそのために作られた締結部品を買い、穴をリーマ仕上げにすることが前提です。DIN 609 や DIN 610 のリーマボルトは、ねじのない軸部に公差が与えられています。ISO 7379 のショルダーボルトには公差等級 f9 の研削された段部があり、段部が位置を決め、その下の細いねじが締めます。どちらの場合も位置を決めているのは軸部か段部で、ねじ山ではありません。

なぜ丸ピン一本と菱形ピン一本で、丸ピン二本ではないのですか。

丸ピンが平面内の位置を決め、菱形ピンが丸ピンまわりの回転角を決めます。菱形ピンの削ぎ面は中心距離の方向を解放し、穴のピッチの公差で組立てが入らなくなることを防ぎます。丸ピン二本では、二つの中心距離が同時にぴたりと合うことを要求してしまいます。DIN 6321 は B 形と C 形として挙げています。

タップを立てると穴の精度は落ちますか。

影響するのはねじの品質で、主に穴の位置ではありません。穴の位置は、タップの前、穴をあけたその瞬間に確立されています。これははっきりさせておく価値があります。「ねじでは位置が決まらない」の説明としてタップ工程のせいにするものをよく見かけますが、もっと根本的な理由は、相手部品のばか穴がもともと意図的に大きく作られている、というだけだからです。