焼きばめの原理、公差、しめしろの計算方法、注意点を解説

焼きばめとは、穴に軸をはめ込むための手法を指します。穴をもつ部品に対し、加熱膨張させて軸をはめ込みます。焼きばめに似た手法として「冷やしばめ」もありますが、こちらは軸部品を冷やして軸径を縮める方法です。

今回は焼きばめについての原理やメリット・デメリット、注意点などを解説していきます。

焼きばめの原理と方法

引用元：HILLTOP株式会社 焼きばめホルダって？

焼きばめは、穴をもつ部品を加熱・膨張させてから軸をはめ込みます。軸をはめ込んだあとに冷却すると部品同士が固着します。

焼きばめを施した部品は、しっかりと固定される分、損傷させない限りは基本的に分解することができません。

用途としては、シャフトとギアのような回転体部品が代表的です。

引用元：アイアール技術者教育研究所【機械設計マスターへの道】焼きばめ・冷やしばめに関する必須知識と計算方法を解説

焼きばめは、穴径が軸径よりも小さい「しまりばめ」の場合に適用します。しまりばめとは、穴の最小許容寸法より、軸の最大許容寸法が大きい状態のことを意味します。軸径と穴径の差については「しめしろ」と呼びます。

また、焼きばめと同じく、しまりばめに該当する「冷やしばめ」もあります。冷やしばめは、軸部品をドライアイスなどで冷却して収縮させたところに、穴のある部品をはめ込み固着させる仕組みのことを指します。

焼きばめのメリットとデメリット

メリット

焼きばめのメリットは、比較的簡単に強い接合力が得られる点と、シンプルな構造でも部品同士を固着できる点にあります。

例えばマシニングセンタなどで用いる切削工具では、焼きばめホルダを採用する場合があります。

焼きばめホルダは、工具の振れをなくすための精度の高いチャッキングを行う目的で採用されています。また、コレットチャックのように構成部品が多くないことから、剛性とメンテナンス性も良好です。工具を高い保持力でつかむので、切削工具の突出し量も短くできるといった特徴もあります。

参考：コレットチャックとは？構造、原理、材質

デメリット

焼きばめのデメリットは、一度2つの部品を固着したら外すのが困難なことです。焼きばめの原理からして、軸の部品を冷やし、穴のある部品を熱する必要があります。しかし部品同士が接合しているため、片方の部品のみを膨張・収縮させることが難しくなります。

しかし焼きばめホルダは、ホルダの材質と工具の熱膨張率が異なるので、加熱にて外せる仕組みになっています。

焼きばめの公差としめしろの計算

焼きばめは、【JIS B 0401-1：2016】より、穴基準はめあい方式と、軸基準はめあい方式のいずれかから、はめあいを決定します。はめあい方式は経済性に基づいて選択を行います。JIS規格では、穴基準はめあい方式は一般的な使用に対して、軸基準はめあい方式は経済的な利点が確実にある場合にだけ用いることを推奨しています。

焼きばめのはめあい方式の選択に基づいて、以下の表から公差クラスを選びます。以下の表は、JIS規格にて記載されている、多くの場合に用いられるはめあいを示すもので、「できるだけ枠で囲まれた公差クラスの中から選ぶのがよい」とされています。

・推奨する穴基準はめあい方式でのはめあい状態

・推奨する軸基準はめあい方式でのはめあい状態

しめしろの計算例については以下の通りです。

鉄鋼材料の線膨張係数は11.8×(10の-6乗)/Kです。

鉄鋼材料の線膨張係数

鉄鋼材料の線膨張係数…11.8×(10の-6乗)/K

例えば、穴径が50H7、軸径が50s6であるとします。

穴径の公差は50.025～50.000(H7)、軸径の公差は50.059～50.043(s6)です。

最大しめしろは 50.059-50.000=0.059、最小しめしろは 50.043-50.025=0.018 となります。

穴部品を軸に嵌めるために、内径を50.059よりも大きく広げる必要があります。

穴径が公差下限の50.000に製作されたとして、温度差100Kで、内径は 50×{1+11.8×(10の-6乗)x100}=50.059 となり軸径の最大値とちょうど等しくなり、温度差200Kで、50×{1+11.8×(10の-6乗)x200}=50.118 になって軸径より大きくなります。

引用元：アイアール技術者教育研究所【機械設計マスターへの道】焼きばめ・冷やしばめに関する必須知識と計算方法を解説

焼きばめの温度と注意点

鉄鋼材料は加熱するほど、部品が膨張するので取り付けが簡単になります。しかし、温度を上げすぎると、材料の熱処理温度域にかかる場合があるため、取り扱いには注意が必要です。

また、部品を加熱する際は、全体を均等に熱しないと穴径が均一に広がらず、かじりつく場合もあります。

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