ボルトのオーバートルクによるワッシャ潰れ

質問

お世話になります。
下記条件でトクル締めしたところ、1500in-lbsで、ワッシャ潰れ、ナット変形の不具合が発生しました。明らかに過大な軸力加わってますが、メカニズムがわかりません。何か少しでもヒントを得られればと思い投稿しました。どんな些細な事でも良いので、アドバイス頂けたら幸いです。よろしくお願いします。

＜条件＞
?ボルト径3／4IN、材質インコネル718
?ナット、ワッシャ材質ステンレス
?母材 チタン6al-4v
?締め付けトルク規定値 1250-1700in-lbs

＜推定要因＞
?ネジ部、座面の摩擦？ →実際は特に油等は塗布してません
?固定側のレンチもトルクレンチと同時に回した？ → 実際の作業でそうなった可能性はあり

１Ｎの涙 さんご指摘ありがとうございます。
みなさん大変申し訳ございません。
ボルトサイズ間違ってました、（正）5/8in　←　（誤）3/4in

皆様いろいろとコメント頂きありがとうございます。
ワッシャの材料強度が一番低いので先に壊れるのはわかるのですが、トルク1500in-lbsは軸力換算（摩擦係数0.15）すると4トン程度であり、ステンのワッシャが潰れる荷重ではありません。しかし、母材側のチタンの座面には、塑性変形したと思われる圧痕があり、面積から計算すると9トン程度の軸力が発生したようです、トルクレンチはリミット式を使用しているため、それ以上のトルクかけた可能性低いです。現に、同じレンチでmaxトルク2500in-lbsまで試しましたが再現しませんでした。想定以上の軸力が発生するメカニズムが不明です。ちなみに、各部品の硬さは全て正常値以上でした。

回答No.5

noname#230359

固定側のレンチを回してしまったのだったら、トルクレンチは無意味だったのでしょう。

補足

確かに固定側のレンチを回してしまった可能性はあります。但し、再現試験では同じトルクレンチ使ってリミット解除後もかけられるだけかけて見ましたが、ワッシャは潰れませんでした。なかなか潰そうと思っても潰せない硬さです。

回答No.4

noname#230359

母材のチタンの強度はありそうなので、ワッシャーの機械的性質が問題なのでは無いでしょうか。
一般論で言うと、母材かワッシャーが陥没するなり、潰れると、ナットの外周側に荷重が掛かるようになり、一般的なナットでは変形してしまいます。
ワッシャーの機械的性質を確認して、耐力が母材のチタンより高い材質に変更するのが常套手段でしょう。また、高ナットを使用してナットの変形を抑える方法も検討が必要かもしれませんね。

補足

おっしゃる通り、ナットは帽子のつばの部分がすり鉢状に変形しています。但し計算上は変形するほどの軸力が作用するトルク値ではありません。なぜ過大な軸力が発生したのか、メカニズムが不明です。

回答No.3

noname#230359

母材がチタンで、ワッシャがステンレスで、
ボルトがインチサイズのインコネルですって？
それって、何ていう航空機用エンジンですかぁ？
・・と、おもわず勘ぐってしまう仕様だね。

ワッシャ潰れ＆ナット変形ですから、
質問者さんが考えている推定原因２の他は、
・過大な荷重が加わった。特に衝撃荷重。
・高い温度差による熱応力。ヒートショック。
こんなくらいではないでしょうか。

やっぱり航空機用エンジン？
燃料漏れ等で異常燃焼・・。

尚、一度締結した後で、
更に大きなトルクが加わる状況が考え難いので、
過大な軸力って方向で回答しています。

御質問の「追記」を読みました。

> トルクレンチはリミット式を使用しているため、
> それ以上のトルクかけた可能性低いです。
「リミット式」がＱＬ型トルクレンチを指しての言葉なら、
認識を大きく改めるべきです。
ＱＬ型はトルク変動が大き過ぎて、
正式な締め付け管理には使ってはなりません。
最悪は±５０％程変動します。
（これは機械屋さんの常識だと思います。）

そもそも、どんな機器か示されていないので議論が噛み合わないのですが、
トルク法で管理ですか？
回転角度法で管理ですか？
トルク勾配法で管理ですか？
それとも直接、ボルトの伸びを測定していますか？
塑性域締め付けは、行っていますか？

トルクレンチにＱＬ型を使っているなら、締め付け管理自体がＮＧ。

回答No.2

noname#230359

オーステナイト系ステンレスのナットは強度が低く潰れる順はそうなります。

　　http://www.yura-sansyo.co.jp/knowledge/MENU05.htm
　　強度区分 50　（0.2%）耐力　210MPa

ナットは切削なので加工硬化による強度アップは得られず、熱処理の策も無い。

一方、インコネル718は固熔体処理（焼鈍）でも強いが、時効硬化処理を施すと更に強く、鋼高強度ボルト12.9さえ上回る。
　　http://www.dsml.co.jp/pdf/Inconel718_1007.pdf
　　P.6　表８熱間圧延棒の室温での引張特性。
　　直径25.4mm　0.2%耐力
　　固熔体　　　 359MPa
　　時効硬化　　1207MPa

母材のチタンも焼鈍：825MPaとかでやはり強い。

インチネジの標準トルク（鋼ボルト除）

　　http://www.engineersedge.com/torque_table_sae.htm
　　18-8stainless　3/4-16、-10　1530～1490inch-lbs

で試行された条件と同程度。上限とあるのでナット潰れも有り得るのでは。
対策はナットを変える。そのまま使用して支障ないなら締付トルクを下げる。

回答No.1

noname#230359

1500*0.4536/2.54 [in-lbs]=267.9 [kgf・cm]

・・・某・単位換算UnitMarketネット上単位換算では間違いがあるようだ・・・

下記URLでM20をみれば強度区分8.8で、3360 [kgf・cm]となっている
インコネルの強度は調べないとよく知らないが強度はあるように記憶している
よって変形するとは安全率以上なので３倍程度ミスがあるのであろうと思われる

つまりpsi・・・2.54倍違ってくるとか単位換算で間違っているのではないか？
今一度、確認してみたほうが良さそうに思えます

昨日、ステンレスナットについてＪＩＳを調べてみました
鋼種　A2-70もあれば、もっと強度の大きいものまで沢山あるようす
70というのは・・・700N/mm2の最小引張強さのオーステナイト系ステンナットだ
質問文ではステンレスとあるが、○天才と・・・マルテンサイト系ステンレスは
鋼にも匹敵するような強度のものもあるし、まぁ換算ミスの匂いがするんだよね

＞ボルトサイズ間違ってました、（正）5/8in　←　（誤）3/4in
なぬぇ？。。。まぁ間違いは人間だから誰しもある。ただ慌ててしまうと思わぬ
間違いを起こしてしまうので、何事も焦らないことです（自戒の念ですｗ）

戻って、インチ系ボルトというのは現在では、米国規格のUNF,UNC：並目/細目に
となるであろうか。UNC-5/8；P=2.309,dO=15.83,di=15.52だからM16と略同じだ
となれば↑から初期締付けトルクは強度区分A2-50と仮定すれば・・・
1670[kgf・cm]/0.453/2.54*50/80=905[in-lbs]だから計算では降伏するだろう
ミスミの適正締付けトルクは降伏点の70％としているから→壊れるべく壊れた

・・・ん？前回の私の換算計算が間違っていました・・・すみません
まぁ一応良い訳だが、出勤前の忙しい時間の計算で焦ってしまいましたかぁー
1500*0.4536*2.54 [in-lbs]=1728 [kgf・cm]：M20：3/4の時が○です

参考URL：

http://jp.misumi-ec.com/maker/misumi/mech/tech/properbolt.html