樹脂にねじを締める：先に壊れるのはボスであって、ねじではありません

ねじ山の角度は、そのままくさびの角度です

山を樹脂のボスに押し込むと、材料は外へ押しのけられます。 ボスの壁はそれを周方向の引張応力——円周に沿って回る応力——で受け止めますが、 樹脂はこの種の応力に対して相対的に弱いのです。

• メートル並目の山の角度は 60°。これは比較的鈍いくさびで、樹脂のボスのなかで必要以上の半径方向の力を生みます
• 樹脂用のねじはより狭い角度を使います——よく見るのは 30° 前後——まさにその半径方向の成分を下げるためです
• ピッチが粗いのも意図的です。山が少なく深ければ、山と山のあいだに残る材料が増え、せん断強さの低い材料ではそれが効きます
• 非対称や多角形の山形が存在する理由も同じ——同じ山の深さで、材料を押しのけるのに要る外向きの圧力が小さくなります

原因の見えないほうの失敗

二つ目の失敗は、何も割りません。応力緩和であり、 不良ではなく材料に固有の性質です。

• 樹脂は長く荷重を受けると流動します。山に押された材料がゆっくり再配置され、締付け力が下がっていきます
• 何も回っておらず、何も割れていませんので、点検で見えるのは「もとより緩い」継手だけです
• 締付け力は大きいほど良い、ではありません。応力が高いほど緩和は速く進みます——「緩んだからもう少し締める」という直感の逆です
• 温度がそれを加速します。使用中に発熱する筐体では、卓上の試験で見えるより速く予荷重が抜けます

設計されるべきなのはボスのほうです

樹脂の締結の問題は、たいていボスの問題です。 以下の寸法は出発点であって仕様ではありません—— 樹脂ごとに大きく違い、樹脂メーカー自身のデータシートがどんな一般則よりも優先します。

• ボスの外径。よく言われるのはねじ径のおよそ二倍。薄すぎれば割れ、厚すぎれば成形面にひけが出ます
• 下穴の径。盛り上げ式ならねじの外径より小さく、谷の径より大きく——そして正しい決め方は、ねじ込みトルクとなめトルクを測ることであって、直径を一つ選ぶことではありません
• 穴口に十分な導入の面取りを。「山が作られ始める瞬間」のピークの力を下げます。ボスはたいていその瞬間に割れます
• ボスを側壁や縁に密着させない。側壁に直付けされたボスは均等に膨らめず、周方向の応力が拘束された側に集中します
• ウェルドラインがどこに落ちるかを見る。ボスに沿って下りるウェルドラインは、割れがそこから始まる位置です——そしてそれは金型のゲートの決定であって、締結部品の決定ではありません

盛り上げか切削かは、樹脂で決まります

仕様になるのは、トルクの窓です

金属では、あるトルクまで締めればそれ以上考えなくてよいことが多いのですが、 樹脂ではトルクが二つあり、有用な数字はその二つの距離です。

• ねじ込みトルク——山を作り、頭を所定の位置まで引き込むのに要るトルク
• なめトルク——いま作られた山を壊すのに要るトルク

金型を起こす前に答える五つ

• どの樹脂で、充填材はありますか。ガラス繊維が入れば、ここの他のすべての答えが変わります
• 何回開けますか。数回を超えるなら初めからインサートにすべきです——ただしそれは失敗をボスへ移すことであって、失敗を取り除くことではありません
• 発熱しますか。緩和は温度とともに加速します
• ボスは独立していますか、壁に付いていますか。拘束されたボスは周方向の応力を集中させます
• 実際の成形品で、ねじ込みトルクとなめトルクを測った人はいますか。計算ではなく、測定です

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

樹脂に普通の小ねじを使ってはいけませんか。

中立な選択ではありません。メートル並目の山の角度は 60 度で、これは比較的鈍いくさびです。山を樹脂のボスに押し込むと材料は外へ押しのけられ、壁は周方向の引張応力で受け止めますが、樹脂はこの応力に相対的に弱いのです。樹脂用のねじは 30 度前後のより狭い角度を使い、ピッチも粗くして山と山のあいだに残る材料を増やしています。

何も壊れていないのに、半年後に緩んでいるのはなぜですか。

応力緩和です。樹脂は長く荷重を受けると流動し、山に押された材料が再配置されて締付け力が下がります。何も回らず何も割れないので、点検では「もとより緩い」継手だけが見えます。応力が高いほど緩和は速いので、締め直してさらに強く締めるのは逆効果になりえます。温度も加速させます。回っているものがないため、緩み止め部品はどれも効きません。

盛り上げと切削はどちらを選びますか。

樹脂で決まります。軟らかく延性のある熱可塑性樹脂では盛り上げが向き、切りくずが出ず、押しのけられた材料も荷重を担い続けます。硬い、充填材入り、ぜい性の樹脂では押すと割れるので、切削で材料を取り除いて周方向の応力を逃がします。繰り返し開ける箇所は金属インサートです。なお密閉筐体では樹脂の切りくずが出口のない汚染になります。

樹脂での締付けトルクはどう決めますか。

一つの値ではなく二つを測ります。ねじ込みトルクとなめトルクで、その比が工程の窓です。樹脂ではこの窓が、手動設定のクラッチでは安定して収まらないほど狭いことがあります。あなたの樹脂、あなたのボスで測った値が必要で、なめトルクを添えずにトルク値だけを出す供給者は仕様の半分しか出していません。

ボスの寸法はどう決めますか。

樹脂メーカーのデータシートが優先します。よく言われる出発点は、ボス外径がねじ径のおよそ二倍、下穴は盛り上げならねじ外径より小さく谷径より大きい、ですが、正しい決め方は二つのトルクを測ることです。穴口に十分な導入面取りを付けること、ボスを側壁や縁に密着させないこと、そしてウェルドラインの位置を見ることが、割れの多くを決めます。