機構: ねじ山

最も繊細な時計から最大のブリッジまで、あらゆるものをまとめています。 世界は文字通りネジとボルトによってばらばらにならないようにされていますが、私たちはこれらの仕組みについてあまり考えません。 おそらくその理由の一部は、私たちがそれらを作るのが非常にうまくなり、安価な商品として見なされているためですが、ねじ山の背後にある物理学と工学は興味深いものです。

私たちはおそらく、すべてのメカニズムの基本的な構成要素を説明した初期の科学の授業を覚えているでしょう。 簡易機械とは、傾斜面やてこ、滑車など、力を加えて仕事をする機構のことです。 たとえば、分割くさびの形をした傾斜面は、その平らな面に対する打撃の力を木材の塊に向け、木材を強制的に引き裂きます。

ねじ山も単純な機械であり、円柱の周りに巻き付けられた長く緩やかな傾斜面と考えることができます。 紙から長い直角三角形を切り取り、大きな端から鉛筆に巻き付けると、斜辺がまるで糸のように見える螺旋状の傾斜を形成します。 もちろん、ねじ山が何かの働きをするためには、紙の厚さ以上に突き出す必要があり、その突起の形状がねじの機械的性質を決定します。

最も一般的なねじプロファイルは単純な V ねじで、ねじの対向面が 60° の角度を形成しています。 このねじ山角度は、ねじ山の効率、摩耗率、強度、そして最も重要な摩擦のバランスをとるための妥協案です。 ピッチ、つまり単位長さあたりのねじ山の数に加えて、ねじ山の摩擦も、ほとんどのねじ山のセルフロック、つまり「オーバーホールしない」特性に寄与します。 セルフロックねじは、回転力を軸力に簡単に変換しますが、その逆は変換できません。 この特性が実際に動作していることを確認するのは簡単です。ナットは指で押すとネジの上で簡単に回転しますが、ネジの長軸に沿ってナットをできるだけ強く押してもネジは回転しません。 セルフロック機能により、スクリュージャッキなどのツールが負荷がかかっても巻き戻らないようにします。

ねじ山のプロファイルを標準の V プロファイルから変更して、さまざまな荷重下でのパフォーマンスを向上させることができます。 Acme プロファイルは、29° の夾角を形成する面と、大きく平らな頂部と谷底を備えた台形形状で、バイスやクランプなどの高負荷用途に特に適しています。 また、DVD プレーヤーから CNC 機械に至るまであらゆるものに使用されるリニア アクチュエータに使用される親ネジなどにも含まれています。 Acme プロファイルは、分割ナットとの相性が良いため、ほとんどの金属旋盤の送りねじにも使用されています。 スプリットナットはその名の通り、長さ方向に分割され、親ネジの周りで開閉できる雌ネジ付き要素です。 これはねじ切り作業で有利に使用され、割りナットがねじ切りの開始時にリードスクリューの周囲で閉じ、切断の終了時に開き、ワークピースに対する切削工具の動きを繰り返し可能な位置で開始および停止します。

精密ねじや少量生産では、カットねじが一般的です。 切削ねじは、旋盤または CNC 機械で、回転するワークピースに対して長さ方向に移動するねじ切りツール、またはタップ (雌ねじの場合) またはダイス (雄ねじの場合) を使用して、材料を除去してねじプロファイルを形成することによって製造されます。 ）。

ただし、ねじ切りには時間がかかるため、量産の場合は転造加工で外ねじを形成するのが一般的です。 鍛造ブランクは、一方が固定された一対の溝付きダイの間にしっかりとクランプされます。 対向するダイはブランクの長軸に対して垂直に移動し、ねじ山プロファイルをブランクに押し込みます。 ブランクから材料が除去されず、材料が加工硬化されているため、転造ねじは切断ねじよりも強度が高くなります。 圧延プロセスも自動化に適しており、圧延機は毎分数千個の部品を生産できます。

ナットの雌ねじは転がりに適していないため、量産されるナットのほとんどは熱間鍛造プロセスで形成されます。 熱い金属のスラグを金型で叩いて頭部の輪郭を形成し、中心穴を打ち抜きます。 その後、冷却されたブランクはタッピングマシンに送られ、タップを使用して雌ねじが切られます。