頭部下のあの丸み：ばか穴が逃がしているとはかぎりません

製品規格が実際に定めていること

丸みは製造者の判断に任されていません。限界があり、しかも頭の形によって押さえ方が違います。

d_a は名前を正しておく価値があります。よく誤用されるからです。 ISO 225 はこれを移行径と定義しています—— 座面が頭部下の丸みへ移る箇所の内側の径です。 丸みの半径ではありません。 これが与えるのは、頭部と軸部の移行部の最大の半径方向の包絡であり、 まさにそれを穴径や座金の内径と突き合わせることになります。

規格が言っていないことが一つあります。幾何は規定していますが、 この幾何の目的が疲労の応力緩和であると宣言した文書は一つもありません。 「丸みの半径は頭部と軸部の移行部の応力集中に影響する」は力学の文献から来るもので、 ISO の条文からではありません。その言い方は公正です——ただし製品規格を根拠にはできません。

ISO 273 の、見過ごされている注記

ISO 273:1979 はばか穴の表のあとに注記を置いています—— ばか穴の縁が頭部下の丸みと干渉することを避ける必要がある場合、穴の口を面取りすることを推奨する。

言い回しに注意してください。必要な場合に推奨であって、すべての ISO 273 の穴に義務づけているのではありません。 ですから本当に問うべきは、あなたの穴とあなたのボルトが実際に重なるのか、です。M6 で見てみます。

ですから M6 の六角穴付き、あるいは六角頭のねじについては、 標準の三つの穴の級のうち二つが幾何として頭部の移行部と干渉しうるのであり、逃がせるのは一つです。 この突き合わせはどの寸法でも 1 分で終わりますし、どんな経験則よりも役に立ちます。

「干渉しうる」は「必ず干渉する」ではありません。これは最大の包絡と呼びの穴径の比較で、 実際の部品は逃がせているかもしれません。要点は、精と中の二つが、 自分で確かめなければならない二つだということです。

干渉が実際に取り立てるもの

NASA-STD-5020A は結果をはっきり述べていて、しかもそれは当サイトが書くつもりでいたものではありませんでした。 干渉を避ける必要があるときに丸みのための場所を空けるよう求めるその条は、理由をこう挙げています—— 干渉は初期締付け力の信頼性の低下、強度の低下、あるいは分離に対する性能の不足を招きうる。

言い換えれば、先に失われるのは座面が自分の仕事をしていることです。 穴の縁が丸みを介して荷重の一部を受けているなら、 座面が実際にどれだけ受けているのか分からなくなり、初期締付け力は信用できない数字になります。

当サイトが書くつもりで、誤っていた二つ

• 「ISO 7090 の面取り座金を、面取り側を頭に向けて使う」。 これは逆に覚えていました。 ISO 7090 の面取りは外径にあります——適用範囲にそう書かれています、 «chamfered at the outside diameter»——内径の寸法は ISO 7089 と同じです。 頭部下の丸みにすき間を与えることはまったくできませんし、 ISO 7089 も 7090 も組付けの向きを規定していません。
  実在する要求は NASA-STD-5020A にあります——干渉を避ける必要があるときは、面取りした穴を使うか、 頭部の下に内径側をざぐった座金を、ざぐり側をボルトの頭に向けて入れる。 それが本物の「座金で丸みを逃がす」規則です—— ただし NASA のねじ締結システムに適用されるもので、 本当に内径側にざぐりのある座金が要ります。平座金を裏返しても、何の効果もありません。
• 「ボルトは頭部下の丸みで折れる」。 主たる位置ではありません。NASA RP-1228 は、引張の繰返し荷重を受けるボルトはふつう ねじ部の終わりの近くで折れると述べています。そこが応力集中が最大だからです。 査読のある破壊の研究は、最初にかみ合うねじ山、ねじの不完全部、頭部と軸部の丸みの三つを挙げます—— しかもこの順序でです。

あの 65 / 20 / 15 と、それがどこから来たか

ある分布に出会うはずです——65% がナットの座面のところで最初にかみ合うねじ山、 20% がねじの不完全部、15% が頭部の下。非常に頻繁に引用されます。 それが実際に何なのかを知っておく価値があります。

たどれる出典は B. Taylor、«The Strength of Large Bolts Subjected to Cyclic Loading»、«Transactions of the Institute of Marine Engineers»、 第 64 巻、1952 年—— そして Taylor は W. Staedel の1933 年のデータを伝えています。

Staedel の元の統計は見つけられませんでしたので、 試験数、装置の種類、荷重の条件、採否の基準はどれも確かめられません。 VDI 2230 Blatt 1、NASA-STD-5020A、そして締結部品の破壊と機械的継手の疲労を扱う ASM Handbook の二巻も確認しましたが、 そのどれにも位置の分布の百分率は見つかりませんでした。

ですから、あるがままに使ってください——1933 年のデータを、1952 年の文献が伝えたもの。 そこに含意される順序には参考の価値がありますが、あなたのこの継手についての現代の確率ではありません。

言えることと、言えないこと

根拠のあること。丸みは管理された設計の幾何で、製品規格が上下限を押さえています。 穴の縁との干渉は認識されたおそれであり、ISO 273 は必要な場合に設計で避けるよう求め、 NASA-STD-5020A はその結果が初期締付け力の信頼性の低下、強度の低下、分離に対する性能の不足であると告げます。

根拠のないこと。接触すればそれだけで切欠きが一つ増える、という言い方。 それは証拠が支えられる範囲を超えています。 接触が局部的な損傷を生むか、それが疲労寿命に何をするかは、 実際のすき間、接触の幾何、材料の硬さ、荷重によります。 規格が言っているのは干渉は避けるべきだということであって、接触が新しい応力集中源になるとは言っていません。

実用的な版はもっと退屈で、もっと役に立ちます—— その寸法の d_a,max を調べ、指定した穴と比べ、重なるなら面取りする。

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参考資料

• ISO 4762:2004 —— 第 3 節、図 1（最大の頭部下の丸み）、表 1：r_min、d_a,max、および r_max と l_f,max の式
• ISO 4014:2022 と ISO 4017:2022 —— 第 4 節、図 2、寸法表：r_min、d_a,max、許される最小と最大の頭部下の丸み
• ISO 225:1983 —— 移行径 d_a の定義
• ISO 273:1979 —— 第 2 節、表のあとの注記：頭部下の丸みとの干渉を避ける必要がある場合、穴の口の面取りを推奨
• NASA-STD-5020A —— 4.7.3 節 TFSR 22：面取りした穴、または内径側をざぐった座金をざぐり側をボルトの頭に向けて。および干渉の結果
• NASA RP-1228 «Fastener Design Manual» —— ねじ部の終わりの近くで折れる
• Mushtaq ほか、«Engineering Failure Analysis» 122（2021）—— 最初にかみ合うねじ山、ねじの不完全部、頭部と軸部の丸み
• B. Taylor、«Transactions of the Institute of Marine Engineers» 第 64 巻（1952）、W. Staedel（1933）を伝えるもの —— 65 / 20 / 15 の出所

個々の継手の合否は、あなたの図面と、その図面が引用する規格が決めます。

この記事は手順 3、頭部を扱います。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

ボルトの頭部下の丸みは、規格に規定されていますか。

されていますし、上下限とも押さえられています。ISO 4762 は表 1 で寸法ごとに最小の丸み半径を与え、最大値を r max =（d a,max − d s,max）÷ 2 で定め、l f,max = 1.7 r max も与えます。ISO 4014 と ISO 4017:2022 は r min と d a,max を与え、図で許される最小と最大の丸みを示しますが、r max を定める一般の式はありません。規格がしていないのは目的を述べることです。「丸み半径は応力集中に影響する」は力学の文献から来るもので、ISO の条文からではありません。

図面にある d a とは何ですか。

移行径で、ISO 225 は座面が頭部下の丸みへ移る箇所の内側の径と定義しています。丸みの半径ではありません。実際の用途は、頭部と軸部の移行部の最大の半径方向の包絡として使うことで、つまりばか穴や座金の内径と突き合わせる数字です。

ばか穴は面取りが必要ですか。

必要なときだけです。ISO 273:1979 は表のあとに、穴の縁が頭部下の丸みと干渉することを避ける必要がある場合に面取りを推奨すると注記しています——必要な場合の推奨であって、全面的な義務ではありません。判断は算術です。M6 の移行部の包絡 d a,max は 6.8 mm、精と中の穴の級は 6.4 と 6.6 mm でどちらも重なりえます。粗の 7.0 mm なら逃がせます。

面取り座金は、面取り側を上に向けて丸みを逃がすのですか。

ISO 7090 では違います。適用範囲に、面取りは外径にあり内径は ISO 7089 と同じだと書かれているので、頭部下の丸みにすき間を与えることはまったくできませんし、どちらの規格も向きを規定していません。実在する規則は NASA-STD-5020A にあります——干渉を避ける必要があるときは、面取りした穴を使うか、頭部の下に内径側をざぐった座金をざぐり側をボルトの頭に向けて入れる。本当に内径側にざぐりのある座金が要り、平座金を裏返しても効果はありません。

ボルトはたいてい頭部下の丸みで折れるのですか。

違います。NASA RP-1228 は、引張の繰返し荷重を受けるボルトはふつうねじ部の終わりの近くで折れると述べています。そこが応力集中が最大だからです。公表された破壊の研究は、最初にかみ合うねじ山、ねじの不完全部、頭部と軸部の丸みをこの順で挙げます。よく引用される 65 / 20 / 15 は、1933 年のデータを伝えた 1952 年の論文までたどれますが、元の統計は確かめられず、VDI 2230、NASA-STD-5020A、確認した ASM Handbook の各巻のどれにも位置の分布は見つかりませんでした。