やきばめ強度計算

Question

やきばめの経験がなく強度計算が分かりません。
内径4mm外形8mm長さ12mm(材質SUS303)のパイプ形状の部品を　φ4長さ10ｍｍ(はめ合いながさ)で軸にやきばめしたいのです。
<質問>
?焼ばめによる締付け圧力
?許容トルク
?材料の強度検証
　今回の場合はパイプ形状の部品を加熱で広げて、φ4の軸にやきばめすると思いますが、パイプ形状の部品の材料強度は大丈夫でしょうか。
?このような小径でもやきばめをすることは一般的でしょうか。
?上記以外に必要な項目ありますでしょうか。

もし、やきばめが適していない場合、しまりばめでの?、?、?、?を教えて頂きたいです。

何卒、宜しくお願いします。

追記致します。

はめ合い公差の　穴はφ4H7 軸はφ4のu6　程度で考えています。
精度の必要な部分で使用する部品の為、加工精度は±0.01が必要でも構いません。

Accepted Answer

＞加工精度は±0.01

もっと頑張ってください。
穴はφ4H6、　　　軸はu5ぐらいにしたいところ。
公差+0.008/0　　+0.028/+0.023
締めシロ最大0.028　最小0.015

自動計算サイト：材料力学計算フォーム　同一材質の圧入荷重
　　http://www.hajimeteno.ne.jp/engineer/calclib/press1-1.html

入力項目
　　締め代（半径）(δ)： mm　　0.0075
　　軸側内径(D1)： mm　　　　　0
　　軸側外径(D2)： mm　　　　　4
　　穴側外径(D3)： mm　　　　　8
　　嵌合幅(B)： mm　　　　　　10
　　摩擦係数(μ)：　　　　　　 0.15
　　材質：ヤング率(E)： MPa　　199000

計算結果　　　　　　　　　　　　　　　　　締め代0.014（半径）
　　圧入荷重(F)： N　　　　　　5274.93　　　　9846.537
　　せん断応力（軸）： MPa　　　279.844　　　　522.375
　　せん断応力（穴）： MPa　　　 93.281　　　　174.125

応力限ギリギリで成立します。u5 を適宜 s5 などに緩めても大丈夫。圧入加重＝引抜き力
焼きバメ温度については（１）で検討されたとして、、相当厳しい温度になります。できれば高周波加熱装置で一気に加熱したいところ。
それと同じ材質では作業中に軸も温度か上がり膨張してくるので、かなり余裕をみないと困難です。
軸を熱膨張率が低い超硬として行う焼きバメ工具ホルダでも最小径が３φとされるように、小さい径で同種材での焼きバメは良い方法ではないと思います。

せん断応力（軸）522.375MPa

の値です。材料強さを超え塑性変形しても、圧入力は計算値より減りはすれど使用できるということです。
材力の知識は大丈夫ですよね？

手計算の面倒さは上記自動計算で省けるが、結果の意味が理解できないでは設計の完遂は無理です。キッパリと。。。
なので私が示した H6／s5 で図面を書き、実作業は作業者まかせ、、そこまでが質問サイトの限界。
誰かさらに凝った理論を書いても妥当か否かの判断がつきませんもの。
『船頭多くして船山を登る』、、になって迷いが深くなるだけ、、、

Answer

焼きばめについては御回答の方々が数値を出されています。
小生は、ベアリングを焼きばめしているのを見たことがありますが、外径は穴のハウジング加熱、　内径は、軸を冷却、または圧入。　ベアリングは、120以上に温めると硬度低下し寿命が保証できなくなります。熱処理の知識浅いので多言できませんが、高温にすると材質（機械的性質）が変化しますので、十分にご注意ください。
小生は、ノックピンは圧入設計にしていました。一般に小物は焼きばめ出来ないと判断しております。どのような機能のところにΦ４の焼きばめを使用しなければならないのか不明ですが、ねじとか接着材とか他の方法は無いのでしょうか？
以上ご参考まで

Answer

ハメ合い精度が影響します。一般に焼きバメは面圧が高いので、部分的に塑性
変形する場合もあります。計算上は接触面の摩擦の値をどうとるかが難しいで
すが、基準となる計算方法があります。回答(3)で指摘のように要求事項を
整理して勧めたほうが良いでしょう。回答(1）で検討されているように焼き
バメが可能かも検討しておく必要があります。
以下過去ログと計算方法です。

http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=231640&event=QE0004
http://www.labnotes.jp/pdf/labnotes_fit.pdf

Answer

そもそも考え方が少しばかりおかしい

まづ設計しようと思えば、許容トルク等の仕様が分かっていなければならない
その上で焼き嵌めにする場合に、どの程度の締め代であれば仕様を満足できる
だろうかというところであるし、当然ながら材質も関係してくる筈なのである

所詮、みならいエンジニアと言えるが基本から学ぶ姿勢がなければ一生設計は
できないし、して欲しくない。給与を貰っている以上は皆プロフェッショナル
なのである。まづは自分で調べて調べ抜いて解決する位の気概はあって欲しい

圧入計算ソフトやEXCELなどがネット上にもあるのだが信頼性の上からも自身で
確かめられるくらいの技術レベルでも無い限りお勧めできない。もしも間違い
があったとしても人のせいやソフトのせいにするならば最早、三流技術者です

↓の紹介されているサイトのソフトの計算結果にも疑問が生じている
何故、圧縮応力か引張応力となろう筈のところ、せん断応力と表示されている
のだろうか・・・何となくではあるが怪しい香りがするのは気のせいだろうか

http://www.fastpic.jp/images.php?file=3852547426.jpg

私も計算してみましたが、何度か使っていて、私自身としての実績はあります
このソフト計算を自在に使いこなしています。勿論責任は取れませんけど・・
参考的に見て欲しい。これならば圧入力も出るしトルクも即座に計算出来ます
また、これはソフトというよりExcelなので計算式も判るのが結構助かります

また厳しいことを言い過ぎたようだが、仕事とはそれ程厳しいものだと思うよ

Answer

焼きばめの信頼性を確保するのは、適切な締め代を確保することが
必要不可欠です。

パイプ状部品の内径、軸の外径は、どの程度の精度で仕上げることを
想定なさっているでしょうか？

穴はφ4H7　　φ4.000　 0.000～+0.012 
軸はφ4u6　　φ4.000　+0.023～+0.031　
つまりは、締め代　0.011～0.031ということですね。

この関係で、焼きばめを行うには、少なくとも パイプ状部品を0.031mm以上
膨張させる必要があるということです。
0.031mm÷4.000mm＝0.00775＝7750ppm
SUS303の熱膨張係数を18ppm/℃と見積もれば、
必要とする温度上昇は、7750ppm÷18ppm/℃＝431℃ということですね。
軸の温度を常温25℃とすると,456℃です。
小さな寸法の部品ですから、炉で温度上昇させても、常温環境に取り出せば
急速に温度低下します。従って、456℃よりも、相当に高温まで温度を上げる
必要があると考えられます。

オーステナイト系ステンレスですから、短時間ならば、この程度の温度上昇
でも大した酸化は生じないでしょうが、もう少し低温で焼きばめできるよう
に、パイプと軸の加工精度を上げることも検討なさった方がよさそうに思い
ます。

ご専門の方から、
焼きばめ以外の方法も検討した方がよいとの回答もありそうに想像します。

＞炉で温度上昇させても、常温環境に取り出せば急速に温度低下します。
温度低下について、大雑把な計算をしてみました。

パイプ状部品を600℃まで加熱したとして、常温にとりだした場合
部品の熱容量は、部品体積と物性値から、1.76J/℃程度
放熱量は、熱伝達係数を23W/m^2K程度に見積もって、8W程度
両者から、温度下降は、8W÷1.76J/℃＝4.5K/℃　程度

600℃から456℃まで低下する時間は、（600℃-456℃）÷4.5K/℃＝32s

600℃まで昇温しても、30秒程度のうちに焼きばめ作業を終える必要がある
ということです。結構厳しい条件のように思います。

＞両者から、温度下降は、8W÷1.76J/℃＝4.5K/℃　程度

失礼しました。単位を間違えていました。

“両者から、温度下降は、8W÷1.76J/℃＝4.5℃/s　程度”に
　訂正させて下さい。

中途半端な訂正でしたので、先の回答の単位を見直して再度回答させて
下さい。

＞炉で温度上昇させても、常温環境に取り出せば急速に温度低下します。
温度低下について、大雑把な計算をしてみました。

パイプ状部品を600℃まで加熱したとして、常温にとりだした場合
部品の熱容量は、部品体積と物性値から、1.76J/℃程度
放熱量は、熱伝達係数を23W/m^2℃程度に見積もって、8W程度
両者から、温度下降は、8W÷1.76J/℃＝4.5℃/s　程度

600℃から456℃まで低下する時間は、（600℃-456℃）÷4.5℃/s＝32s

600℃まで昇温しても、30秒程度のうちに焼きばめ作業を終える必要がある
ということです。結構厳しい条件のように思います。

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