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JP2010530514A - ねじ山形成ねじおよびねじ転造ダイス - Google Patents

ねじ山形成ねじおよびねじ転造ダイス Download PDF

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JP2010530514A
JP2010530514A JP2010513162A JP2010513162A JP2010530514A JP 2010530514 A JP2010530514 A JP 2010530514A JP 2010513162 A JP2010513162 A JP 2010513162A JP 2010513162 A JP2010513162 A JP 2010513162A JP 2010530514 A JP2010530514 A JP 2010530514A
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screw
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バラシンガム カルパヤ,
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ユニスティール テクノロジー インターナショナル リミテッド
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Abstract

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

Description

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明の実施形態による、ねじ転造ダイスの面を示す。 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。 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。 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

Claims (13)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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