JP7762094B2 - 盛上げタップ - Google Patents

Description

本発明は、盛上げタップに関する。

被加工物にめねじを形成するための工具として、盛上げタップが公知である（特許文献１）。盛上げタップでは、ドリル等で下穴が加工された被加工物に対し、つる巻き線状に形成された成形部分であるねじ部を回転させながら下穴に徐々に食い込ませ、下穴部分を塑性変形させることによって、めねじが形成される。

特開２００４－１４８４３０号公報

一般に、盛上げタップのねじ部による被加工物の下穴の塑性変形が開始すると、その変形抵抗によって盛上げタップのねじ部の山頂部分である外径部及びフランク面に高い圧力が加わる。その結果、工具と被加工物の激しい摩擦による発熱と、被加工物の塑性変形に伴う発熱によって、盛上げタップと被加工物とが高温となる。また、被加工物の下穴の表面は盛上げタップのねじ部によって強く押圧され、金属組織が延ばされる。その結果、表層の金属組織が剥離する。盛上げタップとの接触面の高い圧力と上述した高温とによって、剥離した金属組織が凝着物としてねじ部の外径部及びフランク面に凝着する現象が生じる。凝着物がねじ部の表面に付着すると、形成されためねじの表面粗さが粗くなり且つめねじの精度低下が起き、その結果、形成されためねじによる締結力がより弱くなる。また、凝着物が脱落するとき、盛上げタップの表面を傷つけるため、工具寿命低下にもつながる。

本発明は、より良好なめねじを形成することができる盛上げタップを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、被加工物の下穴を塑性変形させてめねじを形成する盛上げタップであって、複数のねじ山を備えたねじ部と、前記ねじ部を分断するように長手方向に設けられた複数の溝部と、を有し、前記ねじ山の外径部の幅が、前記溝部に近いほど狭くなるように構成されていることを特徴とする盛上げタップが提供される。

前記ねじ山において、外径部の逃げ角が有効径部の逃げ角よりも小さくてもよい。前記外径部の逃げ角が６°～１２°の範囲であり且つ前記有効径部の逃げ角が９°～１６°の範囲であって、これら範囲において、前記外径部の逃げ角が前記有効径部の逃げ角よりも１°～５°だけ小さくてもよい。

本発明の態様によれば、より良好なめねじを形成することができる盛上げタップを提供するという共通の効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態による盛上げタップの正面図である。 図２は、図１の線Ａ－Ａにおける断面図である。 図３は、ねじ部の拡大図である。 図４は、ねじ部のねじ山の拡大図である。 図５は、ねじ部のねじ山の縦断面図である。 図６は、盛上げタップの製造方法を示す模式図である。 図７は、盛上げタップによって形成されためねじの拡大写真である。 図８は、盛上げタップによってめねじを形成するときのタッピングトルクの時系列的変化を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に亘り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、本発明の実施形態による盛上げタップ１の正面図である。

盛上げタップ１は、シャンク２と加工部３とを有している。盛上げタップ１は、シャンク２がチャックに把持されることによって加工機の主軸に取り付けられる。盛上げタップ１には、被加工物との摩擦抵抗を低減するために、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＡｌＣｒＮ、ＣｒＴｉＮ等の硬質被膜が施されるか、又は、酸化や窒化等の表面処理が施されている。加工部３は、つる巻き線状に形成されたねじ部４と、ねじ部４を分断するように長手方向に設けられた複数の溝部５とを有している。溝部５を介して切削油剤が供給される。複数の溝部５は、例えば５つの溝部５であるが、２つ又は３つ等その他の数の溝部５であってもよい。複数の溝部５は、周方向に沿って等間隔に配置されている。

ねじ部４の先端には、食付き部４ａが設けられている。食付き部４ａは、先細りのテーパ状に形成され、ドリル等で加工された被加工物の下穴に盛上げタップ１が入り込むための呼び込みの役割を果たす。すなわち、食付き部４ａの先端のねじ外径は下穴の内径より小さく形成されている。食付き部４ａのねじの外径及び有効径は、先端側からリードに沿って徐々に増加し、規定のめねじの谷径になるように形成されている。食付き部４ａの長さは２～４山である。盛上げタップ１では、食付き部４ａが下穴にねじ込まれることによって、下穴の金属組織が徐々に押しつぶされ塑性変形し、下穴の内面が盛り上げられてめねじが形成される。

図２は、図１の線Ａ－Ａにおける断面図である。詳細には、図２は、ねじ部４のつる巻き線状の谷部１２に沿った１リード分の断面図であり、一連一体の断面図となるよう模式的に示されている。図２において、溝部５によって分断された５つのねじ山１０が示されている。図３は、ねじ部４の拡大図である。図３（ａ）は、図１のＭ部に対応するねじ部４を周方向に展開した図であり、図３（ｂ）は、参考例として従来の盛上げタップのねじ部１０４を同様に周方向に展開した図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）はいずれも１ランド分のねじ部を示している。図４は、ねじ部４のねじ山１０の拡大図である。図４（ａ）は、１ランド分のねじ山１０を軸方向から見た拡大図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のねじ山１０を軸方向に対して垂直な方向から見た図である。

図２、図３（ａ）及び図４を参照すると、盛上げタップ１において、ねじ部４は、ねじ山１０と、周方向に沿ったねじ山１０の山頂部分（外径）に相当する外径部１１と、隣接するねじ山１０間に設けられた谷部１２とを有している。外径部１１は、マージン部であり且つ径方向外方に最も突出した突出部１３と、盛上げタップ１の回転時に前方に位置する盛り上げ側逃げ部１４ａと、盛上げタップ１の回転時に後方に位置する逃げ側逃げ部１４ｂとを有している。要するに盛り上げ側逃げ部１４ａは、盛り上げ側の端面付近であり、逃げ側逃げ部１４ｂは、逃げ側の端面付近である。突出部１３の表面は、図４（ａ）に示されるように軸方向から見て、円弧状に形成されている。図４（ａ）には、ねじ部４の有効径（フランク面）のローブ形状である有効径部２０が示されている。有効径部２０は、外径部１１の突出部１３に対応する位置において径方向外方に最も突出している。

図３（ｂ）を参照すると、従来の盛上げタップのねじ部１０４は、ねじ山１１０と、周方向に沿ったねじ山１１０の山頂部分に相当する外径部１１１と、隣接するねじ山１１０間に設けられた谷部１１２とを有している。外径部１１１は、マージン部であり且つ径方向外方に最も突出した突出部１１３と、盛上げタップの回転時に前方に位置する盛り上げ側逃げ部１１４ａと、盛上げタップの回転時に後方に位置する逃げ側逃げ部１１４ｂとを有している。要するに盛り上げ側逃げ部１１４ａは、盛り上げ側の端面付近であり、逃げ側逃げ部１１４ｂは、逃げ側の端面付近である。図４において、比較のため、従来の盛上げタップの外径部１１１が示されている。

図３（ａ）及び図４（ｂ）に示されるように、盛上げタップ１の外径部１１は、突出部１３から盛り上げ側逃げ部１４ａ又は逃げ側逃げ部１４ｂに向かうに従って、幅が狭くなるように形成されている。すなわち、突出部１３における外径部１１の幅を幅Ｌ１とすると、例えば逃げ側逃げ部１４ｂに向かう中間位置における外径部１１の幅は幅Ｌ２となり、幅Ｌ２は幅Ｌ１よりも狭い。要するに、ねじ部４のねじ山１０の各々の外径部１１の幅は、溝部５に近いほど狭くなるように構成されている。また、盛上げタップ１の中心軸線を中心として、外径部１１に外接する、すなわち突出部１３に外接する仮想円を第１円Ｓ１とし、有効径部２０に外接する仮想円を第２円Ｓ２とする。外径部１１の逃げ角について第１円Ｓ１を基準にして第１逃げ角αとし、有効径部２０の逃げ角について第２円Ｓ２を基準にして第２逃げ角βとすると、第１逃げ角αが第２逃げ角βよりも小さくなるように形成されている。

他方、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示されるように、従来の盛上げタップの外径部１１１は、突出部１１３から盛り上げ側逃げ部１１４ａ又は逃げ側逃げ部１１４ｂに向かって一定幅Ｌ３で形成されている。また、図４（ａ）に示されるように、従来の盛上げタップの有効径部１２０は、本発明の実施形態による盛上げタップ１の有効径部２０と等しいとして、外径部１１１は、盛上げタップ１の外径部１１よりも径方向内方に傾斜するように形成されている。すなわち、従来の盛上げタップの外径部１１１の逃げ角について第１円Ｓ１を基準にして第３逃げ角γとすると、盛上げタップ１の外径部１１の第１逃げ角αは、従来の盛上げタップの外径部１１１の第３逃げ角γよりも小さくなるように形成されている。また一般に、従来の盛上げタップの外径部１１１の第３逃げ角γは、有効径部２０の第２逃げ角βと等しくなるように形成されている。

図５は、ねじ部４のねじ山１０の縦断面図である。図５（ａ）は、図４（ａ）の線Ｂ－Ｂにおける、すなわち突出部１３におけるねじ山１０の断面図であり、図５（ｂ）は、図４（ａ）の線Ｃ－Ｃにおけるねじ山１０の断面図であり、図５（ｃ）は、参考例として従来の盛上げタップについて、図４（ａ）の線Ｃ－Ｃに相当するねじ山１１０の断面図である。ねじ山１０及びねじ山１１０の角度は６０度である。ねじ山１０の山頂部分、すなわち外径部１１の縦断面形状は、緩やかなＲ形状であるが、平らであってもよい。

図５に示されるように、線Ｂ－Ｂにおけるねじ山１０の高さを高さＨ１とし（図５（ａ））、線Ｃ－Ｃにおけるねじ山１０の高さを高さＨ２とすると（図５（ｂ））、高さＨ２は高さＨ１よりも低く形成されている。他方、略同一位置である線Ｃ－Ｃにおける従来の盛上げタップのねじ山１０の高さを高さＨ３とすると（図５（ｃ））、高さＨ３は高さＨ２よりも低く形成されている。一方で、ねじ山１０又はねじ山１１０の山頂部分の幅、すなわち外径部の幅に関し、上述したように、ねじ山１０の外径部１１の幅Ｌ２は、ねじ山１１０の外径部１１１の幅Ｌ３よりも狭い。

図６は、盛上げタップ１の製造方法を示す模式図である。図６（ａ）は、円形の砥石Ｇ１を用いてねじ山１０を形成する工程を示しており、図６（ｂ）は、円形の砥石Ｇ２を用いてねじ山１０に外径部１１を形成する工程を示している。図６（ａ）及び図６（ｂ）の各々において、左図は図２と同様の断面図であり、右図は対応するねじ部４の正面図である。

図６（ａ）を参照すると、砥石Ｇ１は、その外周面が６０度の三角形断面に形成されている。盛上げタップ１の材料である円柱状のタップ素材３０を中心軸線周りに回転させると共に、砥石Ｇ１を反対方向に回転させ且つ軸方向に移動させることによって、ねじ山１０が形成される。このとき、砥石Ｇ１は、形成しようとする部位に応じて、タップ素材３０に対して径方向外方又は内方に往復動する。具体的には、ねじ山１０の突出部１３の部分を形成するときには、砥石Ｇ１は最も径方向外方に位置し、ねじ山１０の盛り上げ側逃げ部１４ａの端面及び逃げ側逃げ部１４ｂの端面を形成するときには、砥石Ｇ１は最も径方向内方に位置する。図６（ａ）に示された工程によって、山頂部分が尖ったねじ山１０が形成される。次いで、図６（ｂ）の工程に進む。

図６（ｂ）を参照すると、ねじ山１０の山頂部分の縦断面形状を平ら又は緩やかなＲ形状とするように、砥石Ｇ２は、その外周が平面又は凹面状に形成されている。タップ素材３０を中心軸線周りに回転させると共に、砥石Ｇ２を反対方向に回転させ且つ軸方向に移動させることによって、尖ったねじ山１０に外径部１１が形成される。このとき、砥石Ｇ２は、形成しようとする部位に応じて、タップ素材３０に対して径方向外方又は内方に往復動する。具体的には、ねじ山１０の突出部１３の部分の外径部１１を形成するときには、砥石Ｇ２は最も径方向外方に位置し、ねじ山１０の盛り上げ側逃げ部１４ａ及び逃げ側逃げ部１４ｂの外径部１１を形成するときには、砥石Ｇ２は最も径方向内方に位置する。

砥石Ｇ２の往復動による移動量Ｄ２（図６（ｂ）が砥石Ｇ１の往復動による移動量Ｄ１（図６（ａ））と等しいと、従来の盛上げタップのように、幅Ｌ３の一定幅の外径部１１１がねじ山１１０に形成される。他方、砥石Ｇ２の往復動による移動量Ｄ２が砥石Ｇ１の往復動による移動量Ｄ１よりも小さくなるようにすると、図５（ｂ）に示されるような盛上げタップ１のような外径部１１がねじ山１０に形成される。

一般に盛上げタップでは、ねじ部のねじ山の山頂部分に相当する外径部が、被加工物の下穴に食い込み、被加工物の材料を左右に押し広げる。そして、ねじ部のねじ山のフランク面が被加工物の材料をさらに押し広げて盛り上げることで、めねじが形成される。従来の盛上げタップでは、上述したように外径部が周方向に亘り一定幅で形成されている。従来の盛上げタップでは有効径部及び外径部の逃げ角又は逃げ量は一定であるため、有効径部と外径部の位置関係が工具の円周方向にも常に一定である。

本発明の実施形態による盛上げタップ１では、めねじ形成時の被加工物の材料の盛り上げ量を従来の盛上げタップと同等とするように、有効径部２０の逃げ角（第２逃げ角β）を従来の盛上げタップの有効径部１２０の逃げ角と同等にしている。一方で、めねじ形成時に圧力や温度が高く凝着の生じやすいねじ山１０の外径部１１の逃げ角である第１逃げ角αを従来の盛上げタップの外径部１１１の第３逃げ角γよりも小さくしている（図４（ａ））。そのため、ねじ山１０の外径部１１の逃げ量は相対的に有効径部２０の逃げ量よりも小さくなる。結果として、盛上げタップ１の外径部１１は、突出部１３から盛り上げ側逃げ部１４ａ又は逃げ側逃げ部１４ｂに向かうに従って、幅が狭くなるように形成される。

ところで、一般に、盛上げタップにおいて、凝着を防止するための潤滑油剤として、不水溶性切削油剤が用いられているが、近年の環境意識の高まりから、加工現場では不水溶性切削油剤から水溶性切削油剤への切り替えが進んでいる。水溶性切削油剤は、不水溶性切削油剤に比べて冷却性は高いが、潤滑性は極めて劣る。また。潤滑油剤においてリン及び硫黄の極圧添加剤を含まないものが主流となりつつあり、塑性加工の現場では、水溶性油剤への切り替えが大きな課題となっている。

上述した盛上げタップ１によれば、水溶性油剤下においても従来の盛上げタップと比べて、ねじ部４のダメージを軽減し且つ凝着の発生も低減すると共に、タッピングトルクを減少させることができる。また、上述した盛上げタップ１によれば、山頂部分である外径部１１における応力集中を緩和し、フランク面における面圧の急激な上昇を抑えることができることから、被加工物の凝着を低減することが可能となる。特に、外径部１１の第１逃げ角αが６°～１２°の範囲であり且つ有効径部２０の第２逃げ角βが９°～１６°の範囲であって、これら範囲において、外径部１１の第１逃げ角αが有効径部２０の第２逃げ角βよりも１°～５°だけ小さいことが好ましい。

凝着の低減及びタッピングトルクの減少について、上述した盛上げタップ１を用いて実際にめねじを形成した結果を図７及び図８を参照しながら説明する。

図７は、盛上げタップによって形成されためねじの拡大写真である。図７（ａ）は、盛上げタップ１によって形成されためねじ４０の拡大写真であり、図７（ｂ）は、参考例として従来の盛上げタップによって形成されためねじ１４０の拡大写真である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）のいずれにおいても同じ条件及び機械とし、ＳＵＳ３０４に対し、２０倍に希釈した水溶性切削油剤を用いて１５ｍ／ｍｉｎの切削速度でめねじの形成を行った。

図７（ａ）を参照すると、盛上げタップ１によって形成されためねじ４０の表面、特にフランク面４１において、凹凸や付着物がほとんど観察されず、フランク面４１が非常に平滑に形成されていることが分かる。他方、図７（ｂ）を参照すると、従来の盛上げタップによって形成されためねじ１４０の表面、特にフランク面１４１において、被加工物を盛上げタップによって加工するときに生じたであろう被加工物の金属組織の剥離による凹凸１４２や、剥離した金属組織に起因する付着物、すなわち凝着物１４３が観察される。要するに、本発明の実施形態による盛上げタップ１によれば、従来の盛上げタップよりも被加工物の金属組織の剥離を低減することができ、めねじ４０の表面の凹凸及び凝着物の付着を低減することができる。したがって、盛上げタップ１によれば、より良好なめねじを形成することができる。

図８は、盛上げタップによってめねじを形成するときのタッピングトルクの時系列的変化を示す図である。図８（ａ）は、盛上げタップ１によってめねじを形成するときのグラフであり、図８（ｂ）は、参考例として従来の盛上げタップによってめねじを形成するときのグラフである。図８の各グラフにおいて、横軸が時間［ｓ］を示し、縦軸がタッピングトルク［Ｎ・ｍ］を示す。

図８（ａ）を参照すると、ポイント５０では、盛上げタップ１のねじ山１０、特に食付き部４ａのねじ山が回転しながら初めて被加工物に作用する。次いで、ポイント５１では、食付き部４ａがすべて作用した状態である。次いで、盛上げタップ１が回転しながら略線形にタッピングトルクが上昇してめねじの形成が行われる。次いで、ポイント５２では、盛上げタップ１を引き抜くため逆回転が開始される。最後に、ポイント５３でめねじの加工が完了する。

他方、図８（ｂ）を参照すると、図８（ａ）と同様に、ポイント１５０では、従来の盛上げタップのねじ山、特に特に食付き部のねじ山が回転しながら初めて被加工物に作用する。次いで、ポイント１５１では、食付き部がすべて作用した状態である。次いで、盛上げタップが回転しながらタッピングトルクが上昇してめねじの形成が行われる。しかしながら、図８（ａ）のグラフの傾向と異なり、タッピングトルクの上昇は、略線形ではない。特にポイントＥにおいてタッピングトルクが急激に上昇する。タッピングトルクの急激な上昇は、被加工物の金属組織の剥離、さらには凝着が生じた結果、抵抗が増大したことによると考えられる。要するに、本発明の実施形態による盛上げタップ１によれば、従来の盛上げタップよりも容易に良好なめねじを形成することができる。

盛上げタップ１では、盛り上げ側逃げ部１４ａにおける外径部１１の幅と逃げ側逃げ部１４ｂにおける外径部１１の幅とが等しく形成されているが、逃げ側逃げ部１４ｂにおける外径部１１の幅が盛り上げ側逃げ部１４ａにおける外径部１１の幅よりも広くなるように形成してもよい。食付き部４ａの勾配角を、図１に示されるように一定ではなく、徐々に盛り上げ量を小さくするように、正面から見て二次曲線形状にしてもよい。盛上げタップ１は、外径基準寸法がＭ３～Ｍ１６のめねじを形成する用であることが好ましい。

１ 盛上げタップ
２ シャンク
３ 加工部
４ ねじ部
５ 溝部
１０ ねじ山
１１ 外径部
１２ 谷部
１３ 突出部
１４ａ 盛り上げ側逃げ部
１４ｂ 逃げ側逃げ部
２０ 有効径部

Claims (2)

1. 被加工物の下穴を塑性変形させてめねじを形成する盛上げタップであって、
   複数のねじ山を備えたねじ部と、前記ねじ部を分断するように長手方向に設けられた複数の溝部と、を有し、
   前記ねじ山の外径部の幅が、前記溝部に近いほど狭くなるように構成されていることを特徴とする盛上げタップ。
2. 前記ねじ山において、外径部の逃げ角が有効径部の逃げ角よりも小さい請求項１に記載の盛上げタップ。