(57)【要約】  低延性材料から構成されるワークピースの穴に固定するためのねじ山形成ねじ型の締結具および対応するねじ転造ダイスが開示される。より詳細には、ねじ山形成ねじは、亀裂、破片、設置中の低摩擦、および結合部を有するねじと延性材料との最大噛み合わせを効率的に最小限に抑えながら延性材料を変形するために、マグネシウム、軟質アルミニウム、熱硬化性プラスチック、および他の低延性材料などの低延性材料を変形する能力を備えた滑らかな丸ねじフランクを有する。【選択図】  図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
延性材料から構成されるワークピースに形成された穴に固定するためのねじ山形成ねじ型の締結具であって、
ドライバビットと噛み合うドライブを有するヘッドと、
内径および外径を有するねじ山を有する軸部と
を備え、
前記外径が、前記ねじのねじ山の頂を画定し、前記内径が、前記ねじ谷底を画定し、隣接するねじ山の頂の間の前記ねじの表面がねじフランクを形成し、前記ねじフランクが一定の半径である、締結具。
【請求項２】
前記ねじフランクの表面が、連続的に滑らかである、請求項１に記載の締結具。
【請求項３】
前記フランク間のねじフランク遷移部の表面が、一定の半径である、請求項１または２に記載の締結具。
【請求項４】
前記ねじ山、ねじ山の頂、ねじ谷底、およびねじフランクが、ワークピースの周囲の延性材料に亀裂や損傷を生じさせることなく、前記延性材料を変形するように配設された、請求項１〜３のいずれか一項に記載の締結具。
【請求項５】
前記ねじ山が、前記ねじフランクの表面に対して前記ワークピースの延性材料を変形するように配設された、請求項４に記載の締結具。
【請求項６】
前記ねじフランクの半径が、作図上の円を画定する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の締結具。
【請求項７】
作図上の円を画定する前記ねじフランクの半径が、前記ねじのピッチを決定する、請求項６に記載の締結具。
【請求項８】
前記ねじのピッチが、ねじ山の頂を共有する隣接する作図上の円間の接線によって決定される、請求項７に記載の締結具。
【請求項９】
前記ねじピッチにより、前記ねじ谷底に向かって最大量の延性材料が変位する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の締結具。
【請求項１０】
前記延性材料に穿孔された穴が、パイロット穴である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の締結具。
【請求項１１】
当該締結具の外径が、０．４ｍｍ以上である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の締結具。
【請求項１２】
延性材料から構成されるワークピースに形成された穴に固定するためのねじ山形成ねじ型の締結具を製造するためのねじ転造ダイスであって、前記締結具が、ドライバビットと噛み合うドライブを有するヘッドと、内径および外径を有するねじ山を有する軸部とを備え、前記外径が、前記ねじのねじ山の頂を画定し、前記内径が、前記ねじ谷底を画定し、隣接するねじ山の頂の間の前記ねじの表面が、ねじフランクを形成し、前記ねじフランクが一定の半径である、ねじ転造ダイス。
【請求項１３】
前記ねじ山形成ねじの同じプロファイルを有するダイス面を備える、請求項１２に記載のねじ転造ダイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム、アルミニウム合金などの低延性材料に雌ねじを形成するためのねじ山形成ねじ、およびねじのねじ山を作成するための、ねじに対応するねじ転造ダイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
消費製品の設計者らは、製品重量の軽量化、リサイクル性が高い材料、環境に優しい省エネ対策を絶えず追い求めている。これにより、材料の特性、挙動、および応用の実現可能性の点から、アルミニウム合金、マグネシウム合金、および特定の用途に合わせて選択された他の延性材料の使用に至った。
【０００３】
近年、パーソナルコンピュータ、移動電話、家庭電化製品、高度道路交通システム、および自動車部品などのコンポーネントにおいて、マグネシウム合金の応用が高まってきている。
【０００４】
鋼の質量の４分の１、アルミニウムの３分の２の質量のマグネシウムは、最近の業界トレンドの要求を満たすものである。マグネシウムは、優れた疲労強度、寸法安定性、消音性、および振動減衰性を備え、さまざまな製品用途に非常に有用であるため、マグネシウムの特性は有益である。また、繰り返し可能な整合性を保ちながらさまざまな形状、形態でマグネシウムを用いて製品を製造することも実現可能である。
【０００５】
しかしながら、マグネシウムダイカストは延性および変形性が低いため、標準的なねじボルトやねじ切り式締結具と結合した際、細い破片、層の発生、細断ねじ、および破砕が生じ得る。これらの締結具を除去し再度差し込むと、ねじが脆弱化し、さらにはねじを破損してしまうこともあり、マグネシウム粉末、破片、および異物混入が生じてしまう。マグネシウムダイカストの応用で、除去可能な締結具を供給できるようにする必要があれば、確実な接合を行うために材料を変形可能にする特殊なねじが要求され、さらに、これらの形成物およびこれらの形成物で用いられる固定システムは無傷であることが要求される。
【０００６】
しかしながら、従来のねじは、重要な品質に関する性能面や、製品アセンブリおよび応用における機能的要求面で限界がある。このような事情から、低延性材料での止まり穴およびパイロット穴のねじ形成能力、ロック作用、ねじ山および／またはボスへの無損傷、高締め付け力、高剥離トルク、組み立て効率、無亀裂、最少の破片発生量、再利用性（除去および差し込みの反復性）、高破壊トルク、高ねじり強度、振動ゆるみへの耐性、および確実な材料の噛み合いなどの信頼性および特性が付加されたねじデザインを改良する試みがなされてきた。従来のねじでは、ねじのねじ山が噛み合う穴の側面にねじ山または溝を形成する材料にねじを固定する前にタッピングが要求される場合が多い。このようなタッピング穴および溝を穴の側壁に形成することは、延性材料の破砕や他の障害の一因となり、さらには、延性材料内での締結具の固定および噛み合いの脆弱化の一因となる。
【０００７】
しかしながら、前述したように、従来のねじは、上述した重要な機能要求のすべてまたは一部を十分に満たすものではないため、接合部の完全性が弱まってしまう。例えば、上述したねじの中には、米国特許第７，１９５，４３７号、米国特許第５，０６１，１３５号、および米国特許第５，３４０，２５４号に開示されているものが含まれる。
【０００８】
これらの従来のねじは、マグネシウムおよびアルミニウム合金などの延性材料の応用に採用されることもあり、そのデザインにより確実な差し込みを得ようとしているが、確実な噛み合い、破壊トルク、ねじり強度、組み立て効率、およびデザインソリューションや接合部の完全性に直接影響を及ぼす製品の小型化など、いくつかの応用において最適な結果を達成しえない。図１Ａ〜図１Ｂは、先行技術に関連する制限および問題のいくつかを示す。より詳細には、図１Ａ〜図１Ｂは、従来のねじの顕微鏡写真の断面図を示しており、この従来のねじは、材料変形５２、およびねじ山の頂２０の間のフランク噛み合い５６が不十分な材料破損５４が観察される材料に予成形された穴５０と、マグネシウムボス／プレート８０において噛み合う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、先行技術に関連する問題を軽減するねじ山形成ねじおよびそれに対応するねじロールが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様によれば、延性材料から構成されるワークピースに形成された穴に固定するためのねじ山形成ねじ型の締結具であって、ドライバビットと噛み合うドライブを有するヘッドと、内径および外径を有するねじ山を有する軸部とを備え、外径が、ねじのねじ山の頂を画定し、内径が、ねじ谷底を画定し、隣接するねじ山の頂の間のねじの表面が、ねじフランクを形成し、ねじフランクが一定の半径である、ねじ山形成ねじ型の締結具が提供される。
【００１１】
ある実施形態において、ねじフランクの表面は、連続的に滑らかなものとすることができる。フランク間のねじフランク遷移部の表面は、一定の半径とすることができる。ねじ山、ねじ山の頂、ねじ谷底、およびねじフランクは、ワークピースの周囲の延性材料に亀裂や損傷を生じさせることなく、延性材料を変形するように配設されることができる。ねじ山は、ねじフランクの表面に対してワークピースの延性材料を変形するように配設されてもよい。ねじフランクの半径（丸み）は、作図上の円を画定してもよい。ねじフランクの半径は、ねじのピッチを決定する作図上の円を画定してもよい。ねじのピッチは、ねじ山の頂を共有する隣接する作図上の円間の接線によって決定されてもよい。締結具のねじピッチにより、ねじ谷底に向かって最大量の延性材料が変位してもよい。延性材料に穿孔された穴は、パイロット穴であってもよい。締結具の外径は、０．４ｍｍ以上であってもよい。
【００１２】
本発明の態様によれば、延性材料から構成されるワークピースに形成された穴に固定するためのねじ山形成ねじ型の締結具を製造するためのねじ転造ダイスであって、締結具が、ドライバビットと噛み合うドライブを有するヘッドと、内径および外径を有するねじ山を有する軸部とを備え、外径が、ねじのねじ山の頂を画定し、内径が、前記ねじ谷底を画定し、隣接するねじ山の頂の間のねじの表面が、ねじフランクを形成し、ねじフランクが一定の半径である、ねじ転造ダイスが提供される。
【００１３】
以下、本発明を完全に理解し、容易に実施できるようにするために、添付の例示的な図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態のみを非制限的な例として示す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】従来のねじ山の先行技術のねじ山形成ねじの顕微鏡写真の断面図を示す。
【図１Ｂ】従来のねじ山の先行技術のねじ山形成ねじの顕微鏡写真の断面図を示す。
【図２Ａ】本発明の実施形態によるねじ山形成ねじの側面斜視図を示す。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による図２Ａの線Ａ−Ａに沿って切り取ったねじの断面図を示す。
【図２Ｃ】本発明の実施形態によるねじ山の形状および構造を示す。
【図３Ａ】本発明の実施形態による、円筒状のヘッダブランクからねじ山形成ねじが転造されるねじの側面図および断面図を示す。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による、図３Ａの線Ａ−Ａに沿って切り取ったねじの断面図を示す。
【図４Ａ】本発明の実施形態による、ねじを形成するためのねじ転造ダイスの側面図を示す。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による、ねじ転造ダイスの面を示す。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、マグネシウム製の組み立てられたねじ山形成ねじの断面図を示す。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による、マグネシウム製の組み立てられたねじ山形成ねじの顕微鏡写真の断面図を示す。
【図５Ｃ】本発明の実施形態による、図５Ｂのねじの拡大図を示し、結合部材に層の発生、細断ねじ、および／または破砕を生じることなく、マグネシウム材料で変形された円形のねじ山構成を有するねじ山形成ねじを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明によるねじの実施形態を開示する。さらに、図４Ａ〜図４Ｂに図示し例示されたようなねじを形成するための対応するねじ転造ダイスを開示する。ねじ山形成ねじは、高ねじり強度、タッピングプロセスをなくすねじ山形成能力、ねじ山形成トルク、高破壊トルク、組み立て効率、低フープ応力、および再利用性を備えることになる。本発明の実施形態の物理特性はまた、深くねじが噛み合った確実な接合および組み立て、より高い保持力、ボスの擦り減りの削減、破片や亀裂が生じない低延性材料または延性材料の効率的な変形、組み立ておよび破壊トルク間の十分なマージン、半径方向力を最小限にすることによるフープ応力の低減、およびボス破裂の削減を備える。ねじ山形成ねじは、主に、延性材料の応用、より小さな直径および短い長さに適合した小型化、および低コストでの製造の実現に向けて設計される。例えば、小型化の応用では、ねじの製品サイズは、約０．４ｍｍ以下〜約２．０ｍｍの範囲のものであってもよい。本発明の実施形態は、他の応用および小型スケールとは異なるスケールに適したものであってもよく、本発明の実施形態は、小型スケール、例えば、０．４ｍｍ以上のスケールに限定されるものではないことを認識されたい。例えば、低炭素鋼、ステンレス鋼３００および／または４００シリーズ、アルミニウム、真鍮、チタン、他の伸張性が特に高い材料、仕様や応用に応じた他の材料など、任意の数のねじ材料が選択されてもよいことを認識されたい。
【００１６】
実施形態において、図２Ａ〜図２Ｃおよび図３Ａ〜図３Ｂのねじ山形成ねじ１０は、表面が平坦なヘッド１２、リセス１４またはドライブを有し、円形、座ぐり、楕円形などのさまざまな形状に及び得る。ねじ山形成ねじ１０は、適切な必須特性を有する金属などの任意の適切な材料から形成され得、さまざまな直径および長さが要求に基づいた、図３Ａに示すようなすみ肉半径部４２およびブランク点３８を有する円筒状の冷間形成ブランク４０から転造される。ねじ山は、ヘッド１２のベアリング表面４８から、ねじ山端部２８の方へ延在し、この長さはねじの全長である。ベアリング表面４８から第１の完全ねじ部３６までの上部領域は、ねじ山の逃げ１６である。底部領域であるねじ山端部２８は、先頭ねじ山３０であり、ねじ山端部２８は、図示したような平坦な表面として限定されるものではなく、意図した用途に応じて、テーパ状、丸形、鋭角、棒先、および他のものなどのさまざまな形状をもつように製造可能である。中央領域は、ねじれ角３４、丸ねじ山の頂２０、ねじフランク４４、ねじ谷底１８、外径２６、内径２４、ねじピッチ３２、およびねじ山またはフランクの高さ２２を有するねじ山がすべて形成された領域である。ねじ山形成ねじの断面構成は、円筒状であり、これにより、全周囲で噛み合うことによる噛み合い部との係合部は、結合部材において強力な接触状態を得ることができることで、振動ゆるみ、高引き抜き力、高破壊トルク、ボス破裂、および再利用性が防止される。
【００１７】
本発明の実施形態によるねじ山形成ねじは、丸ねじ山の頂２０、丸フランク４４、および丸谷底１８を有する。フランク４４から谷底１８への凹みは、半径が一定の基本作図上の円４６の弧によって形成され、円の中心７６が同じ平面に位置するため、連続的である。ねじ山の頂２０は、滑らかな半径部（丸み）をもつデザインである。滑らかな半径部の頂２０、フランク４４は、亀裂をまったく発生させず、または最小限に抑え、最少量の破片、設置中の低摩擦、および結合部でのフランク４４の最大噛み合わせなど効率的にワークピース、ボス、プレートなどの延性材料を変形可能である。一定半径のねじフランクの構成を備えていない従来のねじと比較すると、一定半径のねじフランクのねじのデザインにより、ねじピッチ３２の間隔が広くなることで、ワークピース、ボス、プレートなどの延性材料の内部構造に何ら中断や損傷を与えることなく、ねじ谷底１８への最大材料変位が得られる。
【００１８】
本発明の実施形態は、図２Ａ〜図２Ｃに示すようなねじ山形成ねじ１０に関する。図２Ａにおいて、フランク４４間そしてねじ谷底１８までの半径遷移が一定である中心軸１１の周りに対称的なねじ山プロファイルを有するねじ山形成ねじが示されている。ねじフランク４４は、一定の作図上の円４６で展開される。ねじ山３２のピッチは、両側で近接するか、または共通または同一のねじ山の頂２０を共有する隣接する作図上の円の各々の間の接線７８によって決定されてもよい。図２Ｃに、作図上の円４６を示す。谷底半径部１８は、基本円４６の同じ弧が谷底半径部を形成するため一定で連続している。しかしながら、先頭ねじ山３０およびねじ山端部２８が、用途の必要性などに基づいて、テーパ状端部、丸形、棒先、および／または鋭くとがった先をもつように製造可能であることを認識されたい。
【００１９】
本発明の実施形態は、マグネシウム、軟質アルミニウム、熱硬化性プラスチック、および他の低延性材料などの低延性材料を変形する能力を備えた改良されたねじ山形成ねじである。頂２０からの滑らかな丸フランク４４は、谷底に向かって着実に増大し、ねじ山の谷で容易に変形し、谷底１８へ流れ出すように材料を収容する。亀裂形成、ボス破裂、およびチッピングが回避されるため、接合部において確実で最適なフランクの噛み合わせ５６が得られる。ねじ外径２６および内径または谷底の直径２４の断面構成は、円筒状である。
【００２０】
本発明の別の態様において、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ねじ山形成ねじを製造するためのねじ転造ダイス５８が開示される。ねじ転造ダイス５８は、ねじ山の深さ６０、内半径のダイスの谷底６２、ダイスの円形外面６４、ダイスの外面ピッチ６６、フランク半径部６８、頂半径部７０、ねじ転造ダイス端部７２、ねじ転造ダイス面７４を有するねじ山形成ねじのプロファイルを備える。この実施形態において、ねじ転造ダイス端部７２は、上述したねじ山端部２８の構成に適応できるように柔軟にデザインされる。
【００２１】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、ねじを製造するためのねじ山形成ねじのねじ転造ダイス５８が開示されており、ねじ転造ダイス５８は、ねじダイスの深さ６０、内部ダイスの谷底６２、外部ダイス面６４、外部ダイス面のピッチ６６、フランク半径部６８、頂半径部７０、ねじ転造ダイス端部７２、およびねじ転造ダイス面７４を有するねじ山形成ねじの同じプロファイルから構成される。ねじ転造ダイスを製造するための任意の数の材料は、例えば、カーバイド、工具鋼、高速鋼、例えば、Ｍ４２など、および仕様や用途に応じた他の材料など、適切な材料として選択されてもよいことを認識されたい。
【００２２】
図５Ａは、本発明の実施形態によるマグネシウム製の組み立てられたねじ山形成ねじの断面図を示す。図５Ｂは、マグネシウム製の組み立てられたねじ山形成ねじの顕微鏡写真の断面図を示し、図５Ｃは、図５Ｂのねじの拡大図を示し、本発明の実施形態による結合部材に、層の発生、細断ねじ、および／または破砕を生じることなく、マグネシウム材料で変形された円形のねじ山構成を有するねじ山形成ねじを示す。図５Ａは、低延性材料のワークピースに穿孔されたパイロット穴５０を示し、この穴の直径８２は、ねじの内径２４と外径２６の間である。図５Ｂ〜図５Ｃにおいて、ねじ山形成ねじの顕微鏡写真断面図は、パイロット穴５０を有するマグネシウムボス／プレート８０に噛み合わされる。本発明の実施形態は、タッピング動作をなくし、完全なフランクの噛み合わせ５６およびフランク４４からねじ谷底１８への材料５２の変形により強力なねじを形成するように特にデザインされる。図５Ｃは、図５Ｂを詳細に示した拡大断面図であり、同図において、亀裂、層の発生、細断ねじが観察されない。
【００２３】
上述した記載において、本発明の好ましい実施形態を記載してきたが、当分野の技術に携わる当業者であれば、デザインまたは構造の詳細における多くの変更または修正が、本発明から逸脱することなくなされてもよいことを理解するであろう。
【図１Ａ】
2010530514.tif 000003
【図１Ｂ】
2010530514.tif 000004
【図２Ａ】
2010530514.tif 000005
【図２Ｂ】
2010530514.tif 000006
【図２Ｃ】
2010530514.tif 000007
【図３Ａ】
2010530514.tif 000008
【図３Ｂ】
2010530514.tif 000009
【図４Ａ】
2010530514.tif 000010
【図４Ｂ】
2010530514.tif 000011
【図５Ａ】
2010530514.tif 000012
【図５Ｂ】
2010530514.tif 000013
【図５Ｃ】
2010530514.tif 000014
【国際調査報告】
2010530514.tif 000015
2010530514.tif 000016
2010530514.tif 000017