機械設計 #96：樹脂部品のインサート — 小さな接合を熱と力から設計する

樹脂インサートは境界が変わっても機能、製造、検査、費用、保全を守らなければならない。

数値より先に機能

肉厚、公差、基準、穴群を決める前に、入力、期待結果、合否限界、故障症状、測定方法を書く。全ての値と変更に担当を付ける。

基本チェック

インサートの機能と、荷重の向き： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
材料の組合せと熱膨張： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
ローレット、アンダーカット、深さ、保持力： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
成形、位置決め、冷却： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
締付トルク、抜け荷重、損傷の限界： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。
検査、供給元の工程、交換： 値、出典、方法、担当、合否の証拠を記録する。

故障モード	症状	確認
機能が未定義	過剰公差または機能不足	機能スタックを再構築
基準が実在しない	検査と組立が不一致	実治具で試す
文書が不一致	数値は正しいが改訂違い	全資料を基準化

インサートを入れる三つの方法と、それぞれの代償

樹脂部品の中の金属インサートは、実在する問題を解決します。樹脂へ直接切ったねじは、着脱の回数にほとんど耐えられないという問題です。ただしインサートの入れ方が、強度と費用の両方を決めます。

方法	やり方	得られるもの	失うもの
成形時に入れる	射出の前に型へインサートを置く	最も強い保持。後工程が不要	成形の周期が延び、型が複雑になり、位置ずれの危険もある
加熱して圧入する	インサートを加熱し、成形済みの穴へ押し込む	樹脂がローレットへ流れ込み、非常によく効く。管理もしやすい	設備と、そのための時間が必要
常温で圧入する	わずかに小さい穴へ押し込む	最も速く、最も安い	保持が最も弱く、残留応力と後の割れが起きやすい

繰り返し着脱する部品や振動を受ける部品では、加熱圧入がよい落としどころになることが多いです。成形時に入れる方法に近い強度が得られ、型に手を加えず、成形の周期も延びません。

力の向きは二つ、保持の仕組みも二つ

インサートは性質の違う二つの力に耐える必要があり、それぞれ別の形状が担当します。

力	保持する形状	不足するとどう壊れるか
抜け出し（インサートが引き抜かれる）	周方向のローレット、つば、広がった端部	ねじを締めるときにインサートが穴から抜ける
回り（インサートが穴の中で回る）	軸方向のローレット、粗面、円でない形状	インサートが空回りし、ねじを締められなくなる

周方向のローレットだけのインサートは抜けには強くても回ります。軸方向だけならその逆です。ねじを受けるインサートには両方が必要で、専用のインサートに二種類のローレットがあるのは飾りではありません。

周囲の樹脂は十分な厚さが必要です

インサートは樹脂の中にある中実の金属です。したがって厚い部分と同じ問題を作ります。周囲の樹脂が厚くなり、冷えるのが遅く、反対側の面にひけを生み、インサートの周りに残留応力を残します。

やるべきことが三つあります。

周囲に十分な樹脂の厚さを確保する。 薄すぎると、インサートを入れるとき、あるいは最初にねじを締め

たときに割れます。最小値はインサート製造元のカタログから、寸法ごとに調べます。

厚い部分をボスとして扱う。 インサートの周りを中空のボスにし、付け根に丸みを付け、補強リブで壁に

つなぎます。

反対側の面が外観面かどうかを見ます。ひけが現れるのはそこです。

金属と樹脂では熱膨張が大きく違います

多くの設計で見落とされる点です。工業用樹脂の熱膨張は金属の数倍あり、種類によっては一桁大きくなります。インサートを含む組立体での帰結です。

温度が上がると、樹脂はインサートより大きく伸びます。部品が二つの金属面の間で固く締め付けられていると、

樹脂の部分が圧縮を受け、時間とともにクリープします。誰も外していないのに締結が緩んでいきます。

一つの部品に離れた位置のインサートが複数あると、その中心間距離は相手の金属板より温度で大きく変化しま

す。相手側の穴には、すきまか長穴が必要です。

よく使う工業用樹脂の線膨張係数は材料 #08 にあります。

インサートはどれだけ保持するか：ローレット、ボス肉厚、熱膨張

インサートは二つの異なる荷重を受け、そのローレット模様がどちらに強いかを決めます。

トルク：インサートにねじをねじ込むとき、インサートが樹脂の中で回ってはいけません。軸方向

（縦）のローレットが回転によく耐えます。

引き抜き：インサートを穴から引き抜く向きの荷重。横方向のローレットや周溝が引き抜きによく

耐えます。

多くのインサートは、両方に耐えるようひし目や複合のローレットを使います。継手が受ける主荷重で

選びます。

インサート周りのボス肉厚は円周応力に耐える必要があります

インサートを圧入または加熱圧入すると、周りの樹脂に円周（押し広げる）応力がかかります。ボスが薄すぎると割れます。よく使う目安は、ボス外径がインサート径のおよそ2倍で、押し広げる荷重と後のねじ締めに耐える樹脂の輪を確保します。

入れ方	保持	注記
成形同時（モールドイン）	非常に強い	インサートが成形熱・圧に耐える必要。位置決めが悪いとずれる
加熱／超音波で下穴へ	強く、制御しやすい	溶けた樹脂がローレットを包む。下穴寸法が要
冷間圧入	中	ボスに残留応力を残し、時間とともにクリープしうる

熱膨張：金属と樹脂は一緒には動きません

樹脂は金属より数倍大きく熱で膨張します。高温で動く、または温度が繰り返し変わる組立体は、時間とともにインサート周りが緩みます。高温の組立体では、引き抜きに強いローレットを選び、保持トルクを初回組立時だけでなく熱サイクル後にも確認します。

図面または受入票に、最低保持トルクと引き抜き力を記載し、「インサートを入れる」だけでなく、施工者が達成すべき目標値を分かるようにします。

MINATA発行チェック

[ ] 機能、境界、故障症状を記載した。
[ ] 基準、責任、工程、誤操作防止が明確である。
[ ] 六項目に証拠と合否限界がある。
[ ] 製造、組立、検査、保全を実機で試した。
[ ] 改訂、サプライヤー、材料、構成記録が一致する。

良い設計は、製造、運転、保全、変更を通過する前提の連鎖である。樹脂インサートでは、機能とばらつきが信頼できる証拠を残すことがMINATAの基準である。

よくある質問

樹脂へ直接ねじを切ってもよいですか

ほとんど外さない部品、荷重が軽く振動もない部品なら使えます。ただし樹脂へ直接切ったねじは着脱の回数にほとんど耐えられず、数回でねじ山がつぶれます。定期的に着脱する箇所にはインサートを使います。

成形時に入れるのと加熱圧入のどちらがよいですか

成形時に入れる方法が最も強く保持しますが、型が複雑になり周期も延びます。加熱圧入はよい落としどころで、強度が近いうえ型に手を加えません。常温圧入は最も速く安い代わりに最も弱く、残留応力も残ります。

インサートが穴の中で空回りするのはなぜですか

回り止めの形状がないためです。周方向のローレットは抜けには効きますが回転には効きません。回転を止めるには軸方向のローレット、粗面、円でない形状が必要です。ねじを受けるインサートには両方の形状が要ります。

インサート周囲の樹脂はどれくらいの厚さが必要ですか

インサート製造元のカタログから寸法ごとに調べます。値は樹脂の種類とインサートの寸法で変わります。薄すぎると、インサートを入れた瞬間か、最初にねじを締めたときに割れます。

温度が変わる環境でインサート入りの樹脂部品を使うときの注意は

樹脂は金属より数倍大きく伸びます。二つの金属面の間で固く締め付けられていると、樹脂が圧縮を受け、時間とともにクリープして締結が緩みます。離れた位置に複数のインサートがある場合、相手の金属部品にはすきまか長穴を設けて膨張差を吸収させます。

よくある質問（続き）

縦のローレットと横のローレットは何が違いますか。

縦（軸方向）のローレットは回転、つまりねじを締めるトルクに耐えます。横のローレットや周溝は引き抜きに耐えます。主荷重で選び、多くのインサートは両方に耐えるひし目を使います。

インサート周りのボスはどれくらいの厚さが要りますか。

外径がインサート径のおよそ2倍が目安で、施工時の円周応力と後のねじ締めに樹脂の輪が耐えるようにします。ボスが薄すぎると圧入時に割れます。

なぜ高温の組立体は時間とともにインサートが緩むのですか。

樹脂が金属より数倍大きく熱で膨張するため、熱サイクルを繰り返すとインサート周りの樹脂がクリープして緩みます。高温の組立体では引き抜きに強いローレットを選び、熱サイクル後に保持トルクを確認します。

まとめ

樹脂部品のインサートは、書類を整えるための手続きではない。設計意図を、繰り返し製作でき、組み立てられ、測定できる結果へ変えるための手段である。良い図面は、設計者がそばで説明しなくても伝わる。情報の構成そのものがその役割を果たさなければならない。

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