(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを冷間加工するためのものであって、外ネジが形成されたネジ軸を有し、そのネジ軸に形成された外ネジのネジ山が、前記ネジ軸から離間する方向に延びる一対の側面（６４）と、その両側面間に延びる頂部平坦部（７０）とで構成されたタッピングネジにおいて、
前記外ネジのネジ山の両側面によって規制される対向角（６６）が実質的に９０°から１２０°の角度であり、
前記ネジ山の頂部領域（７６）が前記頂部平坦部（７０）と前記ネジ軸（１６）との間の垂直な弾み領域によって規制され、
前記ネジ山の側面領域（８２）が前記一対の側面（６４）とそれぞれ関連し、かつ、前記側面領域（８２）のそれぞれが、前記側面（６４）の対応する１つと、前記ネジ軸（１６）、及び、前記側面領域（８２）に隣接する前記頂部領域（７６）とによって規制され、
前記ネジ軸（１６）と前記頂部平坦部（７０）との間の垂直方向の前記ネジ山の高さ（８８）が、前記ワークピース材料におけるネジ山の高さ（８８）の１７％から１００％の範囲内において実質上の係合が与えられるために、前記頂部領域（７６）よりも大きな複合側面領域（８２）を設けて、前記側面（６４）によってワークピースに負荷される半径方向の破砕力と剪断力が最小となり、かつ、前記頂部平坦部（７０）と前記ワークピース材料との間のより小さな接触圧力によって材料の多くの部分が前記側面（６４）と垂直の方向に変位するようにした、
ことを特徴とするタッピングネジ。
【請求項２】
マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを冷間加工するためのものであって、外ネジが形成されたネジ軸を有し、そのネジ軸に形成された外ネジのネジ山が、前記ネジ軸から離間する方向に延び、かつ、対向角を規制する一対の側面（６４）と、その両側面間に延びる頂部平坦部（７０）とで構成され、更に、前記ネジ山のピッチ（６０）が、前記ネジ山の隣接する螺旋の中心間の距離で規制され、そして、前記ネジ山の高さ（８８）が、前記ネジ軸と前記側面（６４）の外側端部（６８）との間の垂直距離により規制されるタッピングネジであって、
前記側面の対向角（６６）が、実質的に９０°乃至１２０°の範囲内であり、前記頂部平坦部（７０）の幅の寸法（８０）を、前記ネジ高さ（８８）の実質的に１６％から１８％の範囲内及び前記ネジピッチの実質的に４．０％から５．５％の範囲内として、前記側面におけるワークピースに負荷される半径方向の破砕力と剪断力が最小となり、かつ、前記頂部平坦部（７０）と前記ワークピース材料との間のより小さな接触圧力によって材料の多くの部分が前記側面（６４）と垂直の方向に変位するようにした、ことを特徴とするタッピングネジ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを冷間加工するタッピングネジに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークピースに相補形状の内ネジを冷間加工するネジ及びネジ止め係止具の一般的な構成は、例えばエンガー(Enger) に付与されたアメリカ特許第３，９４２，４０６号や、ラーソン(Lathom)に付与されたアメリカ特許第３，９３５，７８５号等に示されるように公知である。これらの特許は、出願人が所有するもので、その開示内容は、開示の一部として援用する。
【０００３】
従来技術によるネジは、ワークピースに対する相補形状の内ネジまたは雌ネジの冷間加工を容易にするために、逃げ部乃至螺条不連続部を用いており、それによって、ネジを形成されていないワークピースの孔へのネジのねじ込みに必要なトルクが減少し、冷間加工により材料が流入する開放部が形成される。一般に、逃げ部は、外ネジが転造または成形される有限数の軸側部を持つ多角形状の素材を用いて加工される。ネジが、軸の実質的に非円形の面に転造加工されるので、その結果、形成されたネジが分断され、形成されたネジの螺旋に沿って逃げ部が形成されることになる。
【０００４】
ネジの螺旋に沿った逃げ部は、ワークピースにネジがねじ込まれるときに、外ネジに対するワークピース材料の流れを容易にし、それによって、ワークピース材料中の内ネジのスウェージングまたは冷間加工を可能にしている。従って、ネジによる冷間加工によって、ワークピースから材料が切削され、排除されることが何もなく、材料は、相補形状の内ネジを形成するための適当な形状にスウェージングされ、再加工、再成形される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
タッピングネジまたはネジ形成ネジには、しばしば６０°の角度または角形状を規定する螺条が設けられ、この特定角度のネジ形状は、ほとんどのワークピース材料に関して、良好に機能する。しかしながら、６０°の角度を持つネジが、すべての材料において良好に機能するものではなく、特に、マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを加工する場合には、６０°の角度を持つネジは、良好に機能しない。こうした低延性材料は、この事実及び従来の係止装置において満足な係止が得られないことにより、他のより一般的に使用されている材料に比べて優れた対重量強度に優れている大きな利点があるにもかかわらず、設計者や技術者により使用され難いものとなっている。
【０００６】
図５は、従来の一般的なタイプ及び種類の６０°角のネジの相補的雌ネジをワークピースに冷間成形する外ネジと、成形中に外ネジ及び内ネジに作用すると考えられる力を示しており、内ネジ及び外ネジに作用する力は、ワークピースに形成されるパイロット孔の半径方向成分と、パイロット孔の軸線方向の軸方向成分とを有している。なお、上記は、ネジがパイロット孔にねじ込まれる時に、ネジの螺条及びワークピースに同様のまたは等しい大きさの力が相互に反対方向に作用するとの仮定に基づくものであること、及び、軸線方向成分が、半径方向成分に比べてはるかに大きいものであることを銘記されたい。
【０００７】
こうした従来の６０°の角度を持つネジをマグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに加工しようとする場合、上記の力は、加工される内ネジの構造的一体性に悪影響を与え、ワークピース材料に、かじりきず、切れ、層の隆起及び欠けを生じる結果を招き、ワークピース、特にパイロット孔に近接する部分が破砕され、破損する。さらに、切れが内ネジの螺条頂部近傍に形成される可能性があり、頂部が破損する可能性もあるため、内ネジの構造的一体性がさらに損なわれ、雄ネジ部材の駆動が阻害される。
【０００８】
さらに、内ネジの基部近傍に応力による割れが生じる可能性もあり、内ネジに作用する力の比較的大きな軸方向成分によって、ネジの偏りを増大させてワークピースに割れ及び剪断を生じる可能性もある。従って、このような内ネジは、耐負荷性能及び再使用性を大幅に低下させる結果となり、また、ネジが、脱落しやすくなる。図６及び図７は、低延性材料のワークピースに従来技術によるネジ形成ネジによって内ネジが冷間加工された場合に、６０°の角度を持つその内ネジがどのように見えるかをシミュレーションしたものである。
【０００９】
従来の伝統的な知識及び技術によれば、これらの問題を解消するために、ネジ山の断面形状をより鋭角的とすることが考えられ、かじりきずを減少する意味で、６０°よりも小さい角度のネジ形状を使用することにより、好ましい結果が得られるものと予測される。しかしながら、実験によって、この従来技術によっては、上記の問題を解消し得ないことが経験的に判断された。
【００１０】
ワークピースに対する内ネジの冷間加工に６０°よりも小さい角度のネジを使用した場合には、内ネジのより小さな面積部分にネジ形成応力が集中することとなり、剪断強度は、ワークピースの材料の延性が小さいため、これに応じて減少する。ネジ山の角度の減少によって生じるネジ形成応力の集中により、応力がワークピース材料の剪断強度を越える可能性がある。従って、上記と同様に、かじりきず、欠け及び他の構造的一体性に関する欠陥が生じる可能性があり、ネジ山形状の角度を減少することによっては上記の内ネジにおける問題を解消することが出来ない。
【００１１】
しかしながら、低延性材料は、剪断力に比べて圧縮力により容易に耐えることが出来、破壊的な影響を受けにくい。即ち、低延性材料の圧縮強度は、剪断強度よりも大きい。従って、この現象を用いれば、従来のネジにおいて生じる内ネジに関する問題を防止または解消することが出来る可能性がある。
【００１２】
そこで、本発明の概括的な目的は、マグネシウム等の低延性材料によって作成されたワークピースに対して特に有効なタッピングネジを提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに特定された目的は、従来のタッピングネジのネジ山が規定する角度よりも大きな角度のネジ山を備えたタッピングネジを提供することにある。
【００１４】
本発明の、もう一つの目的は、剪断または切削作用ではなく、圧縮作用によりワークピースにネジ山を加工するタッピングネジを提供することにある。
【００１５】
本発明のさらにもう一つの目的は、従来技術によるタッピングネジによって加工されたネジの対応する特性と比較して、構造的な一体性、再使用性及び耐負荷特性に優れた内ネジを加工するタッピングネジを提供することにある。
【００１６】
本発明のさらにもう一つの目的は、従来のタッピングネジと比較して、内ネジの剥離、ワークピースのかじりきず、欠けの発生及びワークピースにねじ込む際の所要トルクを減少することが出来るタッピングネジを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、ヘッド部と嵌入部とを備え、マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを冷間加工するタッピングネジが構成され、ネジ軸に形成された外ネジのネジ山が、実質的に９０°から１２０°の範囲内の対向角により規制される。
【００１８】
【作用】
本発明によるタッピングネジは、ワークピースに内ネジを加工中に、軸線方向成分よりもはるかに大きな半径方向成分の力が生成されこの力の関係は、９０°から１２０°の範囲の角度を規制するネジ山の頂角を持つネジを使用することによって発生される。本発明は、従来の６０°の角度を持つネジよりも大きな上記の角度範囲のネジ山を有している。本発明により形成される内ネジの耐剪断面積は、従来の６０°の角度を有するネジによって形成された内ネジの対応する面積とほぼ等しい。従って、本発明によって加工された内ネジは、深さは浅いが、より大きな構造的一体性を有し、ネジの剥離性を減少し、耐負荷性を向上することが出来る。
【００１９】
【実施例】
本発明は、種々の態様の実施例により説明することが出来るが、以下の説明が本発明の原理を例示するものであり、図示・説明する実施例が本発明を限定するものではないことの理解に基づいて、特定の実施例に関して図示し、以下に説明する。
【００２０】
まず図１には、本発明の技術により構成された、マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを冷間加工するためのタッピングネジ１０が示され、このネジ１０は、適当な所要特性を有する金属等の適当な材料で作成し得る。
【００２１】
ネジ１０は、ネジ軸１６の両端に配置されたヘッド部１２とワークピース挿入端部１４とを有し、ヘッド部１２は、ネジに対する駆動トルクの負荷を容易とするのに適したいかなる構造及び形状とすることも可能である。図１で示す好適な構成において、ヘッド部１２には、マルチロブラ（トルクス：ＴＯＲＸ：登録商標）形状の凹型嵌合部１８が設けられている。トルクス形状の構成及びその利点は、出願人が所有するリーランド(Rieland) に付与されたアメリカ特許第３，５８４，６６７号に開示されている。このアメリカ特許第３，６８４，６６７号の開示内容は、本明細書の開示の一部として援用する。
【００２２】
ネジ軸１６は、有限数の辺を有する多角形状の素材から形成される。図示の好適な構成において、ネジ軸は、五つの辺を有する五つのロブラ形状の突条を有する形状を有している。従って、ネジ軸１６の横断面は、図１０で示すように、実質的に五角形と成っている。ネジ軸１６の、五つのロブラ形状の突条を有する形状は、図２で示すように、ネジ軸１２でワークピース２２へ内ネジ２０を冷間加工することを容易にする手段として機能する。なお、本発明は、ネジ軸１６が五つの辺を有するものとして説明するが、ネジ軸１６を構成する辺の数は、本発明の範囲を逸脱することなく増減可能なものである。
【００２３】
ネジ山２４は、従来より公知の方法で、ネジ軸に転造加工される。しかしながら、６０°の角度のネジ山形状を有する従来のタッピングネジと異なり、本発明では、ネジ山２４が、９０°から１２０°の範囲の角度を持つ形状と成っており、好適な形状としては、図１、２、４、１０、１１で示すように、１１０°の角度を有する形状となる。ネジ山２４の従来のネジ山に対する機能的な利点は、以下に詳述する。
【００２４】
ネジ山２４がネジ軸１６に転造加工されるとき、五つのロブラ形状の突条を持った形状のネジ軸１６は、ネジ山２４の螺旋中に、間欠的な不連続部または逃げ部２６が形成される。逃げ部２６は、図１０に”Ｘ”で示すように、突条部２８に対してある寸法で凹陥している。特に、ネジ軸１６が五つの逃げ部２６によって分断された五つの突条部２８で構成されているので、ネジ山２４は、突条２８の部分及びこれに隣接するネジ軸１６の部分では完全な形状となるが、逃げ部２６においては、逃げ部が突条部に対してある寸法で凹陥しているので、不完全な形状となる。この要領で、逃げ部２６により間欠的に分断されたネジ山２４の螺旋形状を有し、図１、１０、１１で示す特定のネジ山形状が形成される。
【００２５】
突条部２８とともに、逃げ部２６は、図２で示すように、ワークピース２２に対する内ネジ２０の冷間加工を容易とする。これに関して、タッピングネジの輪郭に沿って逃げを設けることは、上記のアメリカ特許第３，９４２，４０６号及び第３，９３５，７８５号に示されているように、公知である。特に、ネジ山２４の逃げ部２６による不連続により、内ネジ２０が形成されるワークピース２２の内面が、確実に突条部または突条部２８の完全な形状のネジ山２４にのみに係合する。従って、ワークピース２２の内面は、ネジ１０の軸部の全周面には係合しないものとなる。これにより、突条部２８のみが、ワークピース２２の内面を冷間加工またはスェージングし、従来の駆動工具系でネジ加工作業を行うことを可能にする。
【００２６】
突条部２８によって規制されるネジ山２４の部分が、内ネジ２０を形成されるべきワークピース２２の内面に当接されると、ネジ山２４が、内面の材料をスェージングし、この結果材料のネジ山に沿った流れが生じる。ネジ山２４は、逃げ部２６によって分断されているので、摩擦が減少され、突条部２８によりスェージングされまたは移動させられたワークピース２２の材料を収容する領域が与えられる。変位したワークピース２２の材料は、逃げ部２６に流入し、しかる後に、ワークピース２２中の内ネジ２０を形成するための適当な形状に再形成される。
【００２７】
ワークピース２２の材料がスェージングされ、再成形されると、図２で示す形状と実質的に同様の形状の内ネジ２０が形成される。逃げ部２６は、変位されたワークピース２２の材料の周方向及び軸方向の双方への流動を許容する。ネジ１０による内ネジ２０の冷間加工によってワークピース２２からワークピース２２の材料を実質的に排除しないので、ネジ２０の形成中に、ワークピース２２のパイロット孔中にネジ１０が固着されることがない。従って、ネジ１０をワークピース２２中にねじ込むためにネジ１０を駆動するために必要なトルクは、従来のネジに比べて大幅に減少する。
【００２８】
ワークピース２２の材料は、隣接するネジ山２４の螺旋間に流動して、内ネジ２０を形成する。しかしながら、図２で示すように、ワークピース２２の材料は、ネジ山２４の隣接する螺旋間の空隙を完全に埋めることはない。これは、ネジ２０の構造的な一体性や、耐負荷特性に影響するものではない。ネジ１０によってワークピース２２中に形成されたネジ２０の剪断力に抗する部分の面積は、６０°の角度を持つ形状の従来技術によるネジによって形成された内ネジに於ける剪断力に抗する部分の面積と同等である。
【００２９】
上記に説明したネジ１０の構成及び構造によって、低延性材料で形成されたワークピース２２に使用した場合の機能的な利点をさらに詳述する。なお、本発明は１１０°の角度を持つネジ山２４ｂに関して、即ち好適実施例に関して説明するが、ネジ山２４の角度形状は、９０°から１２０°の範囲内において任意に選択されるものであり、効果の大小はともかく、所望の改良が達成される。
【００３０】
また、図６乃至図９は、シミュレートされたネジ形成用のネジ山形状による低延性材料で形成されたワークピースに冷間加工された内ネジをシミュレートした顕微鏡写真である。シミュレーションを行うために使用された材料は、マグネシウムであり、このマグネシウムは実質的に平坦な素材として提供された。シミュレーションの条件は、従来技術によるネジ山と本発明のネジ山２４において同一とした。この要領により、シミュレーションは、低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを形成する際の現象を忠実に再現するもので、従来技術によるネジ山と本発明のネジ山２４との比較が適正なものであり、観察に裏付けられたものであることが確信された。
【００３１】
まず、図５には、６０°の角度の形状を有する従来のタッピング雄ネジ３０が、ネジの冷間加工中に、外ネジ３０及びこれによって形成される内ネジ３０ａに作用すると考えられるベクトルとともに、示されている。矢印３２で示す結果として作用する力は、ワークピースに形成されたパイロット孔の半径方向成分３４と、ワークピースのパイロット孔の軸線にそって長手方向に向かう軸方向成分３６の双方を有している。従来のタッピングネジによって形成された内ネジ３０ａには、反対方向に同じか、それよりも大きな力が作用するものと考えられる。
【００３２】
なお、半径方向成分３４が、矢印の流さで示すとおり、対応する軸方向成分３６の大きさに比べてはるかに小さくなっている。このように軸方向成分が比較的大きいため、外ネジ３０によって形成される内ネジ３０ａの構造的一体性は、妥協的なものとなり、内ネジ３０ａは、軸方向成分３６方向に沿ってワークピースから割れ及び／または破損する可能性がある。例えば、内ネジ３０の割れ３９は、図７に明瞭に示されている。種々の理由のうちのこの理由で、マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースにネジを冷間加工するために、６０°のネジ山形状のネジを使用することは、好ましくない。
【００３３】
６０°の角度の形状をこうした材料に使用することの問題点は、図６及び図７に非常に鮮明に示されている。図６は、ネジを冷間加工するために６０°の角度の形状を持つ従来のネジがワークピースに係合した時に、ワークピースの材料が、破断されまたはリップル状となり、内ネジの螺旋の頂部近傍でささくれ３８を形成している状態を示している。
【００３４】
こうしたささくれ３８は、ネジ形成中にワークピースから破断して、内ネジの構造的一体性を損ない、ネジ形成作業を阻害し、所要駆動トルクを増加させる。また、図７で示すように、ネジ山には、比較的大きな軸方向成分の負荷方向に沿って、割れが生じる可能性がある。従って、ワークピースは、ネジ形成中に摩損して、摩擦力を増大させ、係止具の適正な衝合を阻害する可能性がある。
【００３５】
この摩損は、内ネジの構造的一体性を劣化させ、再使用性及び耐負荷特性を悪化させる。また、ワークピースから破断されたささくれ３８は、従来のネジにかみ込み、所要の駆動トルクを増大させて、ネジ山の損耗を招く可能性がある。これらの理由により、マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに内ネジを冷間加工するために、従来の６０°の角度形状を持つタッピングネジを使用することは、望ましくない。
【００３６】
なお、従来の技術においては、内ネジ形成中における上述のワークピースの摩損を防止するために、ネジ山の角度を６０°よりも小さくすることを示している。しかしながら、実験の結果、６０°よりも小さい角度のネジ山を持つネジを使用することによっては、ネジ形成応力が小さな部分に集中し、この応力が材料の剪断強度を越える可能性があるため、低延性材料により形成されたワークピースにおける摩損の問題を解消することが出来ないことが判定された。従って、内ネジは、ワークピースから剪断される。
【００３７】
上述したように、本発明のネジの構成及び形状は、従来技術とは大きく異なっており、ネジ１０により従来の６０°またはそれ以下の角度のネジ山を持つネジによりワークピースに内ネジを冷間加工することに関連して生じる問題の、すべてまたはいくつかを解決して、従来のタッピングネジを大幅に改良するものである。ネジ１０は、従来のネジ山に比べて大きな角度のネジ山２４を用いているので、従来技術によるネジとは異なっている。ネジ１０は、実質的に９０°から１２０°の範囲、より好ましくは１１０°の角度のネジ山２４を有している。
【００３８】
ワークピースに内ネジ（図示せず）を形成するところの、９０°の角度を持つネジ山を有する外ネジ２４ａが、ネジの冷間加工中において力が外ネジ及びこれによって形成される内ネジに作用すると考えられ、図３に示されている。このときに作用する矢印４２で示す力は、それぞれ矢印４４及び４６で示す軸方向成分及び半径方向成分を有している。なお、この場合、矢印の長さによって示すように、軸方向成分４４の大きさと半径方向成分４６の大きさは、それぞれ力４２が、図３で示すように、水平線に対して４５°の角度となるため、等しくなる。
【００３９】
従って、シミュレートされた内ネジは、ワークピースを形成する低延性材料が、対応する剪断強度に比べて大きな圧縮強度を有していることを有利に利用して形成される。９０°の角度のネジ山を持つネジ１０を使用する場合、ネジの冷間加工中に低延性材料で作成されたワークピースに与えられる圧縮力は、ワークピースに作用する剪断力の大きさに等しくなる。従って、ワークピースの摩損が、完全に防止されないとしても、大幅に減少する。上述の説明から理解されるように、９０°の角度のネジ山の輪郭は、圧縮力と剪断力が等しくなるので、許容ネジ角度の下限を規制するものである。９０°よりも小さい角度においては、剪断力が圧縮力よりも大きくなる。従来技術による教示とは逆に、本発明は、低延性材料により作成されたワークピースに対する内ネジの有効な冷間加工を行うために剪断力を減少させ、圧縮力を増大させるために、ネジ１０のネジ山２４の角度を９０°以上とすることを提案するものである。
【００４０】
実験から経験的に決定されたネジ１０の好適実施例は、１１０°の角度のネジ山２４ｂを有している。この好適な角度は、図４に、参照符号２４ｂで示されている。図４には示されていないが図８及び図９の顕微鏡写真で示されるように、対応する内ネジは、図８、図９に参照符号４８で示されている。ネジ山４８の輪郭は、図２の内ネジと同様のものである。図４は、ネジの冷間加工中にネジ山２４ｂ及び４８に作用すると考えられる力、即ち矢印５０、５２、５４で示す軸方向成分及び半径方向成分を持つ力を示している。
【００４１】
半径方向成分５４は、矢印の長さにより示すように、軸方向成分よりも大きく、半径方向成分５４が大きいため、シミュレートされたネジ山４８は、ワークピースを形成する低延性材料の圧縮強度が剪断強度に比べて大きいことの利点を利用して形成される。従って、ネジは、図５に示す実質的に剪断力である冷間成形力を用いず、ワークピースのスェージング及び圧縮により形成される。ワークピースの圧縮は、図９に明らかに示されているように、シミュレートされたネジ山の隣接する螺旋間においてワークピースの密度が上昇していることから明かである。また、図８で示すように、１１０°の角度のネジ山２４ｂを有するネジによるシミュレートされたネジ山４８の冷間加工においては、ワークピース２２の摩損は発生しない。従って、図８で示すように、ささくれも生じない。
【００４２】
本発明によって構成された、９０°乃至１２０°の角度のネジ山２４を有するネジが、低延性材料のワークピース２２に内ネジ２０の冷間加工に有効であることが、実験により経験的に判断された。こうしたネジ１０を使用することにより、軸方向の剪断力を使用するものとは異なり、内ネジは、スェージングと主にワークピース２２の材料の圧縮によって形成される。従って、ワークピース２２の摩損及び欠けは、６０°以下の角度のネジ山形状を有する従来のネジを用いたネジの冷間加工に比較して、大幅に減少する。
【００４３】
ネジの冷間加工において、実質的に材料が除去されることがなく、従って、所要の駆動トルクもこれに応じて小さくなる。駆動トルクの大きさの減少によって、ネジ２０がつぶれる確率も減少する。この要領により、上記により形成された内ネジは、従来技術によって冷間加工された対応する内ネジに比べて、構造的な一体性、再使用性及び耐負荷特性が向上している。
【００４４】
図１２乃至１８を参照して、本発明の特定の特性に関して詳述する。図１２及び図１４は、本発明の好適実施例を示し、一方、図１３及び図１５は、好適実施例と比較するための参考例または比較例を示している。図１６、図１７及び図１８は、好適実施例の特性を示している。
【００４５】
以下の説明は、図１２乃至図１５に示されたネジの断面に関するものである。図１２及び図１４は好適実施例を示すもので、その各部の参照符号は添え字無しで示されている。図１３及び図１５は、比較例を示し、図１２及び図１４と同じ参照符号にアルファベットによる添え字を付して（例えば２４ａ）参考例であることを示す。
【００４６】
図１２は、ネジ軸１６に形成された二つのネジ山２４の一部の拡大断面図である。断面は、ネジ軸１６の外周に形成された二つの隣接した螺旋のネジ山を断面にして示している。ネジのピッチ６０は、隣接するネジ溝の螺旋の中心６２間の寸法で規定される。ネジ山２４は、相互に対向して傾斜し、対向角６６を規定する２つの側面６４，６４を有している。側面６４は、ネジ軸１６から離間する方向に延び、終端で、頂部エッジ６８に接合する。頂部平坦部７０は、側面６４の頂部エッジ６８間に延びている。基部平坦部７２は、側面６４の基部エッジ７４間に延びている。本実施例の重要な特徴は、頂部平坦部７０を最小として、低延性材料に対応するネジを冷間加工する時の剪断力を制御し、最小とすることである。この特徴に関しては、以下にさらに詳述する。
【００４７】
図１２乃至図１５においてネジの断面を概括的に説明したが、更に、その特徴とネジ形状の特定の関係に関して説明する。
【００４８】
図１２及び図１３を参照すれば、図１２は本発明の好適実施例を示し、図１３は参考例のネジの輪郭を示している。図１２で示すように、頂部領域７６は、頂部平坦部７０と、選択された係合深さ７８との間に垂直に区画された弾み領域として規定される。図１２で示すように、頂部領域７６は、頂部平坦部７０を示す線によって規定される一つの境界線を持つ長方形で規定され、頂部の幅８０を規定する。長方形のもう一方の寸法は、頂部平坦部７０に対して垂直に選択された係合深さ７８まで延びる垂直な境界によって規定される。側面領域８２は、頂部領域７６の両側に、頂部領域７８と、選択された深さ７８及び側面６４で規定される。図１２で示すように、側面領域８２は、三角形状となる。
【００４９】
図１２及び図１３は、組み合わされた側面領域８２に等しい頂部領域７６を形成するために必要な係合深さ７８，７８ａの比較を示している。換言すれば、二つの側面領域８２は、組み合わされて、頂部領域の断面と等しい断面領域となる。
【００５０】
図１２及び図１３で示すように、結果をまとめれば、頂部領域７６が、組み合わされた側面領域８２と等しくなる点は、図１２においては、約１７％のネジ係合が必要であることを示す。これに対して、頂部領域７６ａが、組み合わされた側面領域８２ａと等しくなる点は、図１３においては、約４８％のネジ係合が必要であることを示す。この係合深さの割合は、ネジ山２４が低延性のワークピース２２の材料に侵入する間に剪断応力が減少する遷移点を示している。側面６４は小さい応力でワークピース２２の材料を流動させるが、頂部平坦部７０はより大きな半径方向の圧縮応力を受け、この圧縮応力がナット材料の破断または剪断力となる。上記のように、好適実施例のネジ山２４は、比較例と比べて、より小さいまたは浅い係合深さに遷移点を形成する。
【００５１】
なお、ネジ山がナイフエッジ状の頂部を持つ形状とされた場合、この頂部によりワークピース２２の材料が削られまたは切断され、内ネジを冷間加工するのではなく、粒状境界を切断して、冷間加工により得られる所望の粒子構造を達成することになる。切削効果は、粒子境界を切断してネジが形成される材料の剪断強度を低下させるので有害である。一方、好適実施例による冷間加工の場合、粒子境界が保持されるとともに、冷間加工によりワークピース材料の外周の強度を局部的に増大させる。
【００５２】
以下の考察に基づき、以下の式を用いて、上記の係合深さの割合の比較計算をする事が出来る。ネジ山２４，２４ａに使用される側面６６，６６ａの対向角は、９０°から１２０°、好ましくは１１０°である。平均「目標」ネジ係合深さ８６，８６ａは、多くの用途において、ダイキャストに関してタッピング係止具を受容する孔の大きさが、ネジ係合の６５％乃至７５％とされているので、７０％として選択された。好適実施例の頂部幅８０は、ピッチ６０を２０として選択された頂部平坦部定数で除して計算された。目標係合深さ８６は、全ネジ高さ８８の７０％を計算して算出された。係合深さ７８は、係合深さ７８の寸法を目標係合深さ８６で除して計算して、好適実施例に関しては、目標係合深さ８６の１７％を得た。なお、全実ネジ高さは、参照符号８８で示され、全仮想ネジ高さは参照符号９０で示されている。仮想ネジ高さは、上側仮想頂部９２と下側仮想頂部９４間を測定したものである。
【００５３】
この計算は、好適実施例において使用した頂部平坦部定数の２０に代えて８を用いて、図１３で示す参考技術に関しても行われた。図１２と図１３の間の頂部平坦部定数の相違は、好適実施例の頂部平坦部７０が、比較例の頂部平坦部７０ａよりも小さいためである。このようにして、図１２及び図１３に同一のピッチを用いるので、好適実施例のより小さな頂部平坦部７０により大きな頂部平坦部定数が与えられることとなる。換言すれば、頂部平坦部定数２０の頂部平坦部７０は、好適実施例のピッチ６０をカバーすることが必要となる。これに対して、頂部平坦部定数８の頂部平坦部７０ａは、図１３で示す参考技術のピッチ６０ａをカバーすることが必要となる。さらに、図１２及び図１３の双方において、基部平坦部７２，７２ａの寸法として、共通の寸法９６が用いられた。
【００５４】
上記の説明に基づき、好適実施例は、目標係合深さ８６の約１７％の係合深さまでの頂部平坦部７０に剪断応力を負荷する。これに対して、図１３で示す参考例のネジ形状においては、目標係合深さ８６ａの約４８％の係合深さ７８までの頂部平坦部に剪断応力が負荷されることになる。上記のように、好適実施例は、比較例と比べてより早く遷移点に到達し、頂部における過剰な剪断応力を減少させる。
【００５５】
次に図１４及び図１５について説明する。これらの図は、目標係合深さ８６に到達した時の頂部平坦部７０により変位されるワークピース２２の材料を図式的に示している。図１４及び図１５に示された計算は、図１２及び図１３に関して与えられた仮定に基づくもので、さらに、これらの仮定及び計算を、ネジ山２４，２４ａが目標侵入深さ８６，８６ａまで侵入した時の位置における計算に適用したものである。図１４及び図１５に基づく計算によれば、好適実施例は、頂部平坦部７０によりワークピース材料の約１５％を変位させたのに対して、比較例では、頂部平坦部７０ａにより、約３２％のワークピース材料が変位されている。
【００５６】
マグネシウム等の低延性材料によって作成されるワークピースに内ネジを冷間加工するための所望の機能を達成するための好適実施例において使用される構造及びネジ山２４の寸法の組み合わせは、非常に重要である。上記の構成要素の組み合わせは、ワークピース２２の材料の側面６４による半径方向の破砕力及び剪断力を最小とし、頂部平坦部７０とワークピース２２の材料間の小さな接触圧力により材料の多くの部分を側面６４に対して垂直な方向に変位させる。好適実施例における構造のこれらの重要な寸法特性は、側面の対向角が９０°から１２０°、好ましくは１１０°であること、ピッチに対する頂部平坦部の割合が１：１８から１：２５、好ましくは１：２１（頂部幅がピッチの４．０％から５．５％、好ましくは４．７５％）であること、頂部幅が、ネジの実高さ８８の１６％から１８％、好ましくは１７％であることを含んでいる。これらの寸法範囲は、頂部領域７６が側面領域８２の組み合わせよりも小さい、係合深さ７８の１７％乃至係合深さの１００％となるネジ山を形成する。
【００５７】
図１６は、目標係合深さ８６の所定の割合に対する頂部平坦部７０または頂部領域７６によって変位されるワークピース材料の面積の関係を示すグラフである。図示のように、７０％のネジ係合において、頂部平坦部７０は、約８単位の材料を変位させる。７０％のネジ係合において変位される全単位は、約５６単位であ。従って、７０％ネジ係合における、頂部平坦部７０が変位させる材料の単位は、変位するワークピース材料の全単位の約１５％となる。このグラフは、いかなるネジの係合割合においても、側面６４が頂部平坦部７０よりも大きな割合のワークピース材料を変位させていることを示す。
【００５８】
図１７は、図１６のグラフにおいて用いられた限界値に基づく、比較例のグラフである。図１７のグラフから明かなように、７０％のネジ係合において、頂部平坦部７０ａは、ワークピースの材料の１８単位を変位させる。７０％ネジ係合において変位されるワークピース材料の全単位数は約５８である。従って、比較例における頂部平坦部７０ａにより変位されるワークピース材料の割合は、ワークピース材料の全変位量の約３２％となる。また、図１７のグラフで示す頂部平坦部７０ａは、図１６の好適実施例による頂部平坦部７０による材料の変位量の割合と比べて、ワークピース材料の全変位量に対して大きな割合の材料を変位させるものとなる。
【００５９】
図１８は、側面６４によって変位される領域と頂部平坦部７０によって変位される領域に基づく、変位領域の割合が１：１となるネジ係合割合（頂部領域７６が側面領域８２の組み合わせに等しい、換言すれば変位領域が１：１である図１２及び図１３参照）の関数として変位領域の割合の比較図である。７０％ネジ係合の状態において、好適実施例の変位領域の比（側面領域８２と頂部領域７６の比）は約６：１である。一方、比較例における変位領域の比（側面領域８２ａと頂部領域７６ａの比）は約２：１である。換言すれば、好適実施例の比は、比較例の約３倍である。これは、ワークピース材料の側面による半径方向の破砕力及び剪断力が非常に小さく、材料の多くの部分の変位が、頂部平坦部とワークピース材料間の小さな接合圧力により、側面に対して垂直な方向に生じることを示すものである。
【００６０】
なお、上記においては本発明の好適実施例に関して説明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形、変更が可能であることは、当業者において自明である。従って、本発明は、上記に説明した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ規定されるものである。
【００６１】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、マグネシウム等の低延性材料によって作成されたワークピースに対して特に有効なタッピングネジが提供される。さらに、本発明によれば、従来のタッピングネジのネジ山が規定する角度よりも大きな角度のネジ山を備えたタッピングネジにより、剪断または切削作用ではなく、圧縮作用によりワークピースにネジ山を加工するタッピングネジを提供することが出来る。また、本発明によれば、従来技術によるタッピングネジによって加工されたネジの対応する特性と比較して、構造的な一体性、再使用性及び耐負荷特性に優れ、内ネジの剥離、ワークピースのかじりきず、欠けの発生及びワークピースにねじ込む際の所要トルクを減少することが出来るタッピングネジを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】低延性材料にネジを冷間加工するための本発明によるタッピングネジの側面図
【図２】図１のタッピングネジを使ってマグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースにネジを冷間加工している状態を示す部分断面図
【図３】ワークピースに内ネジまたは雌ネジを冷間加工中に作用する力を示す９０°の角度のネジ山の部分断面図
【図４】図３と同様に、ワークピースに内ネジを冷間加工中に作用する力を示す１１０°の角度のネジ山の部分断面図
【図５】図４と同様に、従来の６０°の角度を持つスェージング用ネジ山を、加工中に作用する力を示す部分断面図
【図６】マグネシウム等の低延性材料で作成されたワークピースに冷間加工された、従来の６０°の角度を持つ内ネジのシミュレートされた顕微鏡写真による平面図
【図７】ネジに生じた割れを示す図６に示したシミュレートされた内ネジの顕微鏡写真による断面図
【図８】本発明によるタッピングネジのシミュレーションによって、マグネシウム等の低延性材料のワークピースに冷間加工された１１０°の角度のネジ山形状を持つシミュレートされた内ネジを示す、図６と同様の顕微鏡写真である。
【図９】ワークピース材料のネジ側面近傍に相対的に高い密度が示される、図８に示したシミュレートされた内ネジの顕微鏡写真による断面図
【図１０】タッピングネジの周面に五つの突条を持つ形状を示す図１の１０ー１０線断面図
【図１１】図１のタッピングネジのネジ山の一部拡大図
【図１２】ネジの頂部平坦部下側の断面積と対応するネジ側面の部分の断面積が等しいナット材料に本発明によるタッピングネジを係合させた場合における係合量を示す説明図
【図１３】幅広の頂部平坦部を有する比較例のネジ係合を示す図１２と同様の説明図
【図１４】本発明における対応するネジ側面下側の材料に対するネジ頂部平坦部下側のナット材料の部分を示す図
【図１５】幅広の頂部平坦部を有する比較例における材料の部分を示す図１４と同様の図である。
【図１６】本発明における頂部領域と、側面領域と、ネジ係合割合の関数としての変位されるナット材料の全領域との関係を示す特性を示したグラフ
【図１７】図１６の限界値に基づく、幅広の頂部平坦部を有する比較例の特性を示したグラフ
【図１８】本発明と比較例における各ネジ係合割合における側面領域と頂部領域との対比を示したグラフ
【符号の説明】
１０  タッピングネジ                                          １６  ネジ軸                                                  ２０  内ネジ                                                  ２２  ワークピース                                            ２４  ネジ山                                                  ２６  逃げ部                                                  ２８  突条部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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