2025.10.18 2026.08.18

なぜボルトは緩むのか？JIS規格が定める「座面角」の役割

ichimatsu

「規定トルクで締めたはずのフランジボルトが、なぜか緩んでしまう…」
「計算通りの軸力が出ていない気がする…」

その原因は、目には見えないボルトの「座面角」にあるかもしれません。特に、自動車や産業機械で多用される「フランジ付き六角ボルト」には、その信頼性を決定づける重要な角度の規定が存在します。

今回は、JIS B 1189「フランジ付き六角ボルト」の規格を基に、締結の成否を分ける座面角の科学に迫ります。

わずか1°の攻防！JISが定める「外アタリ」の保証

JIS B 1189では、フランジ付き六角ボルトの座面（相手材に接触する面）の角度φについて、0.75° ± 0.5° と明確に定められています。

これを計算すると、角度の範囲は 最小で0.25°、最大で1.25° となります。

ここで最も重要なのは、この角度が絶対にマイナスにならない、つまり座面の中央がへこんだ形状に設計されているという点です。

なぜなら、これにより座面の外周部から相手材に接触する「外アタリ」が確実に保証されるからです。

緩みの元凶「内アタリ」を防ぐ設計思想

もし仮に、座面角がマイナス（座面の中央が盛り上がった「バンザイ」状態）だったらどうなるでしょうか。

この場合、座面の中央部分だけが相手材に接触する「内アタリ」という最悪の状態を引き起こします。

内アタリは、締結の信頼性を著しく損なう2つの大きな問題を引き起こします。

1. てこの原理による「緩み」の発生

内アタリでは、接触点が中央の狭い範囲に限定されます。ここに力が加わると、その接触点を支点とした「てこの原理」が働き、ボルトが非常に緩みやすくなります。特に、振動、熱膨張による伸縮、繰り返し荷重といった外力が加わる過酷な環境では、このわずかな回転が積み重なり、致命的な緩みへと発展するため、座面角の管理はより一層重要になります。

2. 計算通りの締結力が得られない

ボルトの締結設計は、トルクレンチでかけた力が「ねじ面の摩擦」と「座面の摩擦」を経て、最終的にボルトを伸ばす力（軸力）に変換されることを前提に計算されています。

しかし、内アタリによって座面の接触面積が極端に小さくなると、

異常な面圧の発生: 狭い点に力が集中し、相手材を傷つけたり、座面が陥没したりする原因になります。
摩擦の不安定化: 接触状態が不安定なため、トルクが正しく軸力に変換されません。結果、トルクレンチの数値は正しくても、設計者が意図した締結力は全く得られていない、という事態に陥るのです。

これは他人事ではない？量産時に潜む罠

「試作品では全く問題が出なかったのに、量産に入った途端、原因不明の緩みやトルクダウンが頻発する…」

もし、このような事態に直面したら、量産でロットが変わったボルトの座面角を疑ってみてください。試作で使ったボルトは規格通りでも、量産ロットの品質にばらつきがあり、内アタリのボルトが混入している可能性は十分に考えられます。

また、この座面角の問題は、フランジボルトに限りません。特に、元々座面面積が小さいキャップボルト（ソケットヘッドボルト）やボタンボルトなどでは、内アタリの影響がよりシビアに現れるため、同様の注意が必要です。

「0.75°±0.5°」の読み方、公差帯はゼロを跨がない

座面角の規定を、もう一歩深く読みます。φ＝0.75°±0.5°という書き方は、一見ふつうの「中心値±公差」です。しかし本質は別のところにあります。範囲に直した0.25°〜1.25°が、ゼロを跨いでいないことです。

フランジボルトの座面は、切削ではなく冷間圧造（金型による塑性成形）で作られるのが普通です。金型は摩耗し、材料の流れもロットで変わります。座面の角度は、量産すれば必ずばらつきます。

ここでもし規格が「0°±0.5°」、つまりフラット狙いだったらどうなるか。ばらつきの半分はマイナス側、内アタリ側に出ます。フラットを狙う公差は、確率的に内アタリを許す公差なのです。

フランジボルトの座面角φ：外アタリ（規格内）と内アタリ（規格外）の断面比較。公差帯0.25°〜1.25°はゼロを跨がないため量産でばらついても外アタリ側に収まる

だから規格は、公差帯ごとプラス側（座面中央がへこむ側）へ寄せています。下限の0.25°は、製造ばらつきを使い切っても外アタリが必ず残るように引かれた線。中心値の0.75°は「狙いの形状」というより、公差帯をゼロから引き離すためのオフセットと読めます。

公差は「±で書くもの」と思い込みがちですが、ここでは片側に寄せた公差帯そのものが機能要求になっています。自分の図面で、機能の境界（ゼロ点）を跨ぐ公差を書いていないか。そういう視点で規格を読むと、応用が利きます。

内アタリで締付けトルクの行き先が変わる（M10での試算）

内アタリの害を、数字でもう一段押さえます。

トルクレンチでかけた締付けトルクは、三つに分かれます。ねじ面の摩擦におよそ3〜4割、座面の摩擦におよそ5〜6割。ボルトを伸ばして軸力を生む仕事は、およそ1割しかありません。これがトルク法の前提です。

このうち座面摩擦のトルクは「軸力×摩擦係数×接触リングの有効半径」で決まります。摩擦係数と並んで、接触位置の半径が効きます。

M10のフランジボルト（JIS B 1189）で試算します。座面のリングは、規格の最小座面径Φ18.7mmとバカ穴Φ11mmに挟まれた領域です。

外アタリ：接触は外周側。座面摩擦の有効半径はおよそ9.3mm
内アタリ：接触は穴の縁。有効半径はおよそ5.5mm＝約4割減

並目（ピッチ1.5）、摩擦係数0.15で計算すると、座面摩擦の取り分が減ったぶん、同じトルクでも軸力は約1.3倍に跳ねます。

締付けトルクの行き先の比較（M10試算）：内アタリでは座面摩擦の接触半径が約4割減り、同じトルクでも軸力が約1.3倍に過大化。面圧集中から座面陥没・緩みに至る連鎖

「軸力が3割増えるなら、むしろ得では？」と思うかもしれません。そうはなりません。増えた軸力は、穴の縁の狭いリングで受けることになります。接触面積が減ったうえに荷重が増えるので、面圧は数倍に跳ね上がる。相手材は座面の縁から陥没し、へたりとして初期軸力が抜けていきます。

さらに厄介なのは、これがロット単位で出たり出なかったりすることです。同じトルク値で管理していても、座面角しだいで軸力は3割振れる。トルク管理の前提が崩れること、それが内アタリの実害です。

座面の状態	接触位置	同じトルクでの軸力	緩みリスク
外アタリ（規格内）	外周のリング	ほぼ設計値	低
フラット（0°狙い）	ばらつきで内外どちらにも転ぶ	振れる	製造ばらつき次第
内アタリ（規格外）	穴の縁	約1.3倍→へたりで喪失	高

座面の面積が足りているかを見積もる

ここまでは、接触位置がずれると面圧が跳ねるという話でした。では外アタリで正しく当たっていれば、面圧は足りているのでしょうか。これは計算してみないと分かりません。

座面の面積は、ボルト頭の外径では決まらない

面圧は軸力を座面面積で割った値です。式は単純です。つまずくのは面積のほうです。

実際に当たるのは、座面の外径とバカ穴に挟まれたリングです。ボルト頭を円と見て面積を出すと、穴のぶんだけ過大に見積もることになります。

やっかいなのは、その外径も見た目とは違うことです。量産のボルトはほとんどが鍛造で作られます。フランジボルトなら、棒材を広げてフランジを成形します。このとき首下には鍛造のRが残ります。

つまり、ぱっと見で座面に見える外形は接触の最外径ではありません。実際に当たるのはRの内側です。JIS B 1189も座面径d_wとして最小値を決めていて、面圧を見るならこちらを使います。図面で指示しておくか、値の分かっているボルトを選ぶ。ここを外すと、座面が想定より小さいまま設計が進みます。

フランジボルトの有効座面径と見た目のフランジ外径の違い。鍛造Rの内側が実際の接触範囲で、座面側から見ると当たるのはバカ穴と有効座面径に挟まれたリングになる

先ほどのM10フランジボルトで計算します。座面径Φ18.7、バカ穴Φ11。この18.7が、いま言った有効な側の最小値です。リングの面積は約180mm²になります。強度区分8.8を降伏点の70%で締めると軸力は約26kN。面圧は約145MPaです。

ここに面取りが入ります。バカ穴のC1面取りは、座面から見れば穴がΦ13に広がったのと同じです。面積は約142mm²まで減り、面圧は183MPaに上がります。

さらにバカ穴をΦ12に広げると、C1込みでΦ14相当になります。面積は約121mm²、面圧は215MPaです。

バカ穴の図面指示	座面リングの面積	面圧（軸力26kN）
Φ11・面取りなし	約180 mm²	約145 MPa
Φ11 + C1	約142 mm²	約183 MPa
Φ12 + C1	約121 mm²	約215 MPa

図面の上でやったことは、穴を1mm広げて面取りを入れただけです。それで面圧は約1.5倍になります。組み付けやすさのためにバカ穴を広げる変更は珍しくありません。座面が痩せることも一緒に見ておく必要があります。

相手材の耐力と並べると、この差が効く場面が見えます。ADC12の0.2%耐力は約150MPaです。面取りなしの145MPaなら際どく収まりますが、C1を入れた183MPaでは超えます。アルミを相手にどこまで踏み込めるかは、鉄からアルミへの置き換えで剛性が足りなくなる三つの理由で材料別に整理しています。

鋳抜き穴のテーパーで座面が減る

穴の側にも似た罠があります。アルミダイカストなどで、穴を鋳抜く場合です。

鋳抜き穴には抜き勾配が付きます。必ずテーパーになります。どちらの径が座面側に来るかで、座面の面積は変わります。小径側を座面にすればバカ穴は小さく収まります。大径側を座面にすると、想定していた座面がそのぶん減ります。よくあるミスです。

鋳抜き穴のテーパーの向きと座面の関係。小径側を座面にすると座面リングを確保できるが、大径側が座面に来ると座面がほとんど残らない

ただし型割の都合で、座面側を小径にできないこともあります。ここは鋳造メーカーと相談する場所です。

逃げ道もあります。鋳抜き穴を少し小さめに作っておき、切削で貫通させる方法です。鋳造欠陥を避けながら、座面の面積も稼げます。そのぶん切削コストは増えます。

一松君

一松メモ：検図で鋳抜き穴の大径側が座面に来ている図面に出くわしたことがある。しかもボルトはフランジなしの小径ボルト。座面はほとんどない。この手のミスは見つけにくい。穴の向きは鋳造要件で決まり、ボルトの選定は別の要件で決まる。単品図面ではどちらも普通に見える。検図で止まったからよかったが、量産に流れていたら大ごとになっていた。