六角穴付きボルトの強度区分と締付トルク、M3〜M12の許容軸力を有効断面積から計算する

強度区分12.9のM5を許容最大軸力まで締めると、軸力は約10.9kN。1.1トンのものを吊れるほどの力です。ところが同じ力をA5052の座ぐりにかけると、ボルトの頭の下の面圧は耐力の2.6倍以上に達します。強度区分を上げても、先に耐力を超えるのは相手の部品かもしれません。

装置では、例として、ワークを把持するアタッチメントや、ワークを当てるストッパ、センサのブラケットをボルトで締結します。軸力が低下して部品の位置がずれると、ワークの把持位置や位置決めの位置もずれるおそれがあります。ボルトの強度、締付トルク、かかる力、相手部品の強度の順に、L形ブラケットのM5で計算していきます。

12.9は「1,200」と「90%」

六角穴付きボルトのカタログには、12.9のような強度区分が並んでいます。小数点の前を100倍すると引張強さの呼び、小数点の後ろを10で割ると引張強さに対する耐力の比です。12.9なら1,200N/mm²と90%。規格の最小値は次のとおりです¹。

強度区分	最小引張強さ	耐力
12.9	1,220	1,100
10.9	1,040	940
8.8	800	640
4.8	420	340

単位はN/mm²で、8.8は呼び径16mm以下の値です。設計で使うのは右の列。耐力を超えて締めると、ボルトは伸びたまま元に戻らなくなります。

有効断面積から許容軸力を出す

ねじの断面は円ではありません。そこで、有効径d2と谷の径d3の平均を直径とする円の面積を、有効断面積Asとして使います。

As ＝ π/4 ×（（d2 ＋ d3）÷ 2）²、d2 ＝ d − 0.64952P、d3 ＝ d − 1.22687P

M5×0.8ならd2が4.480mm、d3が4.019mmで²、Asは14.18mm²。メーカーの表の14.2mm²と一致します¹。トルクで締めるときの許容最大軸力は、耐力の70%を目安にします¹³。

許容軸力 ＝ 0.7 × 耐力 × As

M5の12.9は0.7×1,100×14.2で10.9kN。ほかのねじ径と強度区分も同じ式で計算でき、右の3列がその許容軸力(kN)です。次のグラフでは、線の傾きと線どうしの間隔を見てください。

ねじ	有効断面積	12.9	10.9	4.8
M3	5.03mm²	3.9	3.3	1.2
M4	8.78mm²	6.8	5.8	2.1
M5	14.2mm²	10.9	9.3	3.4
M6	20.1mm²	15.5	13.2	4.8
M8	36.6mm²	28.2	24.1	8.7
M10	58.0mm²	44.7	38.2	13.8
M12	84.3mm²	64.9	55.5	20.1

図で見てほしいのは線の傾きと間隔です。間隔は耐力の比そのものなので、どのねじ径でも12.9は4.8の3.2倍。一方で、表のM6の10.9は13.2kNで、M5の12.9を上回ります。強度区分を上げるより、ねじ径を1段上げるほうが許容軸力を大きくできることも読み取れます。

トルクは摩擦で読み替える

軸力を直接測れる現場は多くありません。普通はトルクで管理し、T ＝ K × F × dの式で換算します。Kはトルク係数で、ねじ面と座面の摩擦で決まる値です。三木プーリの資料では、油潤滑で0.17、電気亜鉛めっきで相手のめねじがSCMなら0.25、めねじがSS400なら0.35としています¹。いずれも締め付ける部品がSS400の場合の値です。

M5の12.9を10.9kNまで締めるトルクは、K＝0.17なら0.17×10.9×5で9.3N・m、K＝0.25なら13.6N・m。

怖いのは取り違えです。トルクを決めたときと実際のKが違うと、軸力はF＝T÷（K×d）で変わります。

決めたトルク	実際のK	軸力	割合
9.3N・m	0.17	10.9kN	100%
9.3N・m	0.25	7.4kN	68%
9.3N・m	0.35	5.3kN	49%
13.6N・m	0.17	16.0kN	147%

割合は、許容軸力10.9kNを100%とした値です。K＝0.17のつもりで9.3N・mに決めても、実際がめっき品のK＝0.25なら3割も足りず、K＝0.35なら半分以下。表面処理を変えただけで、軸力はこれだけ変わります。

逆の取り違えは、もっと危険です。K＝0.25の表から13.6N・mと決めて、油の付いたボルト（K＝0.17）を締めたのが最後の行。M5の12.9の降伏荷重15.6kN¹を超え、ボルトが伸びて戻らなくなります。

計算したトルクは上限なので、実作業では工具のばらつきのぶん下げます。同じ資料の係数は、手締めで0.65、インパクトドライバーや動力ドライバーで0.75、トルクレンチで0.85です。K＝0.17のM5なら、トルクレンチで7.9N・mが目安になります。

L形ブラケットにかかる力はわずか

許容軸力とトルクが決まったら、次は部品にかかる力です。実際の部品に、どれだけの軸力が必要なのか。L形ブラケットの立板の上端に100Nをかけたとします。次の図では、支点の位置と、底板のボルトにかかる引張の向きを見てください。

図の支点まわりでモーメントをつり合わせると、底板の2本で219N、1本あたり109N。M5の12.9の許容軸力の100分の1です。外から加わる力が軸力より小さいあいだは、接合面は離れません。静かな荷重なら、強度区分4.8の3.4kNでも30倍の余裕があります。

先に耐力を超えるのはアルミの座面

余裕があるなら強く締めておけばよい、と考えたくなりますよね。ここで見落としやすいのが、ボルトの頭が押す座面の強度です。次の図では、頭の下で座ぐりの底に接触する輪の形の面を見てください。

穴の指示の記事で見たとおり、M5の頭は直径8.5mm、穴はφ5.5mmなので、座面は広くても33mm²しかありません。軸力をこの面積で割ると面圧が出ます。許容軸力まで締めたときの面圧は、4.8で102N/mm²、10.9で283N/mm²、12.9で331N/mm²です。

一方、A5052の耐力は参考値の下限で125N/mm²⁴。10.9や12.9を許容軸力まで締めると、ボルトが耐力に達していなくても座面がへこみ、軸力が低下するおそれがあります。

耐力をそのまま面圧の上限とみて、概算してみます。軸力は33×125で4.1kN、K＝0.17のトルクで3.5N・mほど。ただし33mm²は頭の最大径で出した値で、規格の座面の径は最小で8.03mmです⁵。この径なら面積は27mm²になり、軸力は3.4kN、トルクは2.9N・mまで下がります。強度区分をいくら上げても、この部品で使える軸力は増えません。

3.5N・mは、耐力の下限とK＝0.17を置いたこの条件だけの見当です。K＝0.17は相手がSS400のときの値で、A5052で測ったものではありません。締付トルクの標準値として図面に写さないでください。

つまり、A5052の部品をじかに締めるなら、決め手はボルトの強度区分より座面です。鉄の座金で面を広げる手もありますが、外径はφ9.5の深座ぐりに収まる大きさまでです。

座金を座ぐりいっぱいのφ9.5と置いて、上限を見ておきます。アルミが受ける面はπ/4×（9.5²−5.5²）で47mm²。使える軸力は47×125で5.9kN、K＝0.17のトルクで5.0N・mほどまで上がります。ただ、12.9を許容軸力の10.9kNまで締めれば、面圧は231N/mm²で耐力の約1.8倍です。座金で座面の不足は小さくなりますが、強度区分を上げたぶんの軸力までは使えません。座金が硬く、力が外周まで一様に広がるとみた計算で、実際の座金は座ぐりより小さいので、面積はこれより狭くなります。

ここまでの数字はいずれも目安で、実際の許容面圧やトルクはボルトメーカーの資料と設計基準で確認してください。

ボルトの呼び径と強度区分、座金は部品表に、座ぐりの寸法は部品図に書く項目です。提供前の装置設計の支援アプリMEKARIQは、ワーク仕様などの装置の条件から、3Dと組立図・部品図・部品表を生成します。（MEKARIQ は、株式会社Anamorphosis Networks が開発している装置設計の支援アプリです。MANUFAC を制作する株式会社Game は、その開発を受託しています。この段落はその紹介です。）生成のたびに検図し、結果を○▲×で示します。

図面にトルクの数字を書く前に、相手の材料の耐力で一度割ってみる。たったそれだけで、アルミの部品のへこみはかなり防げるはずです。相手がめねじならどこまで持つかは、タップの下穴の記事で計算しました。

2026年11月1日 更新：座ぐりに収まる鉄の座金で座面を広げたときの軸力の上限を計算し、強度区分10.9と4.8の許容軸力を表に足しました。

2026年11月9日 更新：装置の部品を締結する場面を中心に、業界の用語で構成と表現を書き直しました。

注

1. 三木プーリ「鋼製ボルト・小ねじの機械的性質（JIS B 1051-2000 抜粋）」。強度区分の値、有効断面積、許容軸力、トルク係数、工具の係数はこの資料によります。工具の係数はNICの資料（注3）も同じ値です。 ↩ ↩ ↩ ↩ ↩

2. タンガロイ「TungTap カタログ」のねじの限界寸法の表と基準寸法の式。 ↩

3. NIC「ボルトの安全荷重（アルファフレームシステム テクニカルデータ）」、日本鋲螺「六角穴付きボルト CSHHNB」の技術解説。 ↩

4. ミスミ meviy使い方マニュアル「材料の特性」。参考値で保証値ではありません（2026年10月30日に確認）。 ↩

5. 三木プーリ「六角穴付ボルト（キャップボルト）規格一覧表（JIS B 1176抜粋）」。M5の頭部径は最大8.50mm、座面の径dwは最小8.03mmです（2026年10月30日に確認）。 ↩