JPH068048A - 低延性材料に内ネジを加工するタッピングネジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 剪断または切削によらず、圧縮によりワーク
ピースにネジ山を形成するタッピングネジを提供する。 【構成】 ヘッド部と嵌入部を備え、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であって、外ネジがネジ軸に形成
され、前記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°の範囲内の対向角の面により規
制される。

Description

【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１
０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１
２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３，６
８４，６６７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２
２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１
６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２
２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２
２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３０
ａ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。９
０°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１
２０°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６
８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８
２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７０
ａ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７
０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２
４，２４ａ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６
４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９
０°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１：２
５、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７０
ａ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

フロントページの続き (72)発明者 ジェームス ロバート シュナイダー アメリカ合衆国 61008 イリノイ州ベル ヴィデァ ヴァンブレン ストリート 303

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、実質的に９０°乃至１２
   ０°の範囲の対向角を有していることを特徴とするタッ
   ピングネジ。
2. 【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（７
   ０）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（６
   ４）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１
   ００％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。
3. 【請求項３】 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（６
   ４）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１２
   ０°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。