JP5909747B2 - 軟質金属用セルフタップねじ - Google Patents

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Description

本発明は、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの軟質金属に対して用いられる軟質金属用セルフタップねじに関するものである。
セルフタップねじは、相手部材に形成された下穴にねじ込むことにより下穴の内面にめねじを形成しながら締結する機能を備えたねじであり、予め下穴にタッピング加工を行なう必要がないため、広く使用されている。
セルフタップねじには初期のねじ込みトルクができるだけ低いことが求められる。そのため特許文献１に示されるように、軸の断面形状を多角形状として下穴との接触面積を小さくしたセルフタップねじが実用化されている。
ところがこのような非円形断面のセルフタップねじを製造するには、複雑で高価な金型が必要となり、通常のねじよりも製造コストが高くなるという問題があった。またこのような非円形断面のセルフタップねじは、締結完了状態においても軸部のおねじの全周が相手部材のめねじと均等に噛み合うのではなく、多角形の頂点においては深く噛み合うが、頂点間の部分では噛み込みが浅くなる。そのため、断面円形の通常のねじに比較して、熱の影響を受けた場合などに締結状態における軸力が低くなり易いという問題があった。
また従来のセルフタップねじは、相手部材が鋼鉄であることを想定し、特許文献２に示すように、鋭い切刃を持たせてある。このためアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軟質金属に対して用いた場合には削れ過ぎて大量の切り粉が発生する。特に相手部材がマグネシウム合金の場合、切り粉は環境により発火する可能性があった。
特開平１１−２４７８１７号公報 特許第４２１９２４７号公報
従って本発明の目的は上記した従来の問題点を解決し、初期のねじ込みトルクが低く、締結状態における軸力は高く、複雑で高価な金型は不要であって安価に製造することができ、しかも切り粉の発生量を抑制した軟質金属用セルフタップねじを提供することである。
上記の課題を解決するためになされた本発明は、軸部の先端にテーパ状の縮径部を備え、この縮径部を軟質金属に形成された下穴に挿入してねじ込むことにより下穴にめねじを形成して行くセルフタップねじであって、軸部と縮径部には同一ピッチのおねじが連続的に形成されており、縮径部のおねじのねじ山部には、ねじ込み回転時に後側となる位置に段差部を持つ最大径部と、この段差部から隣接する最大径部に向かって徐々に径を増加させた変径部とを、複数組形成したことを特徴とするものである。
なお、変径部の最小径が、その位置におけるおねじのねじ山高さの３０〜８０％の範囲にあることが好ましい。また前記複数組の組数が、３〜８であることが好ましい。
なお、おねじのねじ山角は通常の６０°とすればよいが、１５°〜４５°とすることも可能である。
本発明の軟質金属用セルフタップねじは、軸部及び縮径部の断面形状は通常のねじと同様に円形であるから、複雑で高価な金型は不要で安価に製造することができ、またおねじが全周でめねじと深く嵌合するので、締結状態における軸力を高く保持することができる。また、縮径部のおねじのねじ山部には、ねじ込み回転時に後側となる位置に段差部を持つ最大径部と、この段差部から隣接する最大径部に向かって徐々に径を増加させた変径部とを複数組形成したので、ねじ込み回転時には軟質金属に形成された下穴の内面は徐々に径を増加させた変径部とこれに続く最大径部とによって塑性変形され、めねじが形成される。このとき最大径部と下穴の内面とは複数点で接触するだけであるから、初期のねじ込みトルクは低くなる。
また本発明の軟質金属用セルフタップねじは、従来のようにねじ込み回転方向の前側に切れ刃を持たないため、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの軟質金属に使用しても、切り粉の発生量を抑制することができる。切り粉は変径部の外周に形成される間隙に、また間隙を通じて排出される。
実施形態の軟質金属用セルフタップねじの全体図である。 縮径部の拡大正面図である。 縮径部の拡大斜視図である。 縮径部を軸線に対して垂直な平面で切断した底面図である。 従来の鋼材用のセルフタップねじの縮径部を、軸線に対して垂直な平面で切断した底面図である。 ねじ込み状態の説明図である。 ねじ込みトルクと破断トルクの測定値を示すグラフである。 最大軸力の測定値を示すグラフである。 ねじ山角度を小さくした場合の軸部を示す正面図である。
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は実施形態の軟質金属用セルフタップねじの全体図であり、１は頭部、２は断面円形で一定径の軸部、３は軸部２の先端に形成されたテーパ状の縮径部である。軸部２と縮径部３には、従来と同様に同一ピッチのおねじが連続的に形成されている。軸部２のおねじは完全ねじであってそのねじ山部４の径は一定であるが、縮径部３のおねじのねじ山部５の径は、先端に向かって順次小径になっている。このように本発明の軟質金属用セルフタップねじは非円形断面のものではないので、複雑で高価な金型は不要で安価に製造することができる。
図２は縮径部３の拡大正面図、図３はその斜視図である。これらの図面に示すように、縮径部３のおねじのねじ山部５には、タッピング機能を発揮させるための凹凸部が複数組形成されている。先ず６は最大径部であり、周方向に所定角度αにわたり延びている。図４に示すように、この最大径部６はその位置におけるねじ山部５の先端径（山径）と同一径である。なお図４は縮径部３を軸線に対して垂直な平面で切断した底面図であるため、紙面の奥側が頭部１であり、右ねじの場合のねじ込み方向は矢印で示すように反時計方向となる。
この最大径部６のねじ込み回転時に後側となる位置には、ほぼ垂直に落ち込む段差部７が形成されている。そして段差部７の底から隣接する最大径部６に向かって徐々に径を増加させ、変径部８を形成している。このため変径部８の外側には間隙９が形成され、この間隙９に、また間隙９を通じて切り粉を排出することができる。段差部７の最小径はその断面位置におけるおねじのねじ山高さの３０〜８０％の範囲とすることが好ましい。８０％を超えるとタッピング機能が低下し、３０％未満であると金型の摩耗が激しくなるからである。
このようにタッピング機能を発揮させるために縮径部３のおねじのねじ山部５に形成される凹凸部は、最大径部６と段差部７と変径部８とから構成されるもので、この実施形態では４組が等間隔で形成されている。しかしその組数は３〜８の範囲で任意に選択することができる。２組の場合にはねじ込み時の安定性が不足し、９組を超えると円に近くなってタッピング機能が低下するからである。
なお参考のため、特許文献２に示された従来の鋼材用のセルフタップねじを図５に示す。従来品ではねじ込み回転時に前側となる位置に切刃１０が形成されており、鋼材に形成された下穴の内面をこれらの切刃１０によって切削する。しかしアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軟質金属に対しては、切刃１０が過度に下穴の内面を削り取るため、後記する実施例に示すように多量の切り粉を発生させることとなるので好ましくない。
このように構成された本発明の軟質金属用セルフタップねじは、図６に示すようにアルミニウム合金やマグネシウム合金などの軟質金属１１に形成された下穴１２にねじ込んで使用されるものであり、縮径部３に形成された凹凸部のうち、最大径部６が下穴１２の内周面に食い込んで塑性変形させ、その部分に縮径部３の上方部分が次第に深く食い込んで最終的に軸部２のねじ山部４に対応する谷部を持つめねじが形成されることとなる。このセルフタップ時に、下穴１２の内面は段差部７の底から徐々に径を増加させた変径部８によって押し広げられるので、切り粉の発生量が抑制される。しかも不可避的に発生した切り粉は段差部７の後側となる位置に形成された間隙９を通じて排出される。
しかも、最大径部６が下穴１２の内周面に食い込む位置は下穴の全周ではなくこの実施形態では４か所であるから、初期のねじ込みトルクは低くなる。また最終的な締結は軸部２の完全ねじによって行われるので、締結状態における軸力は通常のねじを用いた場合と同等となる。
本発明の軟質金属用セルフタップねじの機能を確認するため、上記の実施形態で説明した構造の軟質金属用セルフタップねじと、特許文献１に示した断面形状がおむすび形状のセルフタップねじとを用い、ねじ込みトルク、破断トルク、最大軸力を比較した。ねじサイズは何れもＪＩＳに規定されるＭ６とし、アルミニウム合金に内径が５．２〜５．８ｍｍの下穴を形成してテストを行った。
図７にねじ込みトルクと破断トルクの測定値を示した。白抜きの記号が特許文献１のセルフタップねじ、黒色の記号が本発明品である。図７に示すとおり、ねじ込みトルクと破断トルクに関しては、両者間に大きな差はなかった。
同様に、最大軸力の測定を行った。その結果を図８のグラフに示した。白抜きの記号で示す特許文献１のセルフタップねじは、下穴径が大きくなるに連れて最大軸力の低下が認められた。その理由は前記したとおり、頂点のみの接触であるため、軸力が発生するとせっかく成形しためねじを破壊してしまい、トルクが増加するためである。
次に、ねじ込み時と弛め時における切り粉の発生量を比較した。このテストは本発明品のほか、特許文献１に示した断面形状がおむすび形状のセルフタップねじと、特許文献２に示した前向きの切れ刃を持つセルフタップねじとを用いて行なった。アルミニウム合金板に３種類のサイズの下穴を貫通させ、ねじ込み時と弛め時に下穴の下方に落下した切り粉の量を目視し、１０段階で評価した。
その結果は表１に示す通りであり、特許文献２に示した前向きの切れ刃を持つセルフタップねじは多量の切り粉を発生したが、特許文献１に示した断面形状がおむすび形状のセルフタップねじの切り粉の発生量はそれよりも少なかった。また本発明品はさらに少なく、特に実用上問題となる締付け時の切り粉発生量はごく僅かであった。
Figure 0005909747
上記した第１の実施形態においては、軸部２と縮径部３に形成されたおねじのねじ山角度は従来通りの６０°であるが、第２の実施形態においては、ねじ山角度βを図９に示すように１５°〜４５°とした。このようにねじ山角度βを小さくすると、先端がシャープになるためねじ込みトルクが低下するとともに、発生する切り粉量を減少することができる。
以上に説明したように、本発明の軟質金属用セルフタップねじは、ねじ込みトルクが低く、最大軸力は高く、熱影響などによる軸力低下が少なく、安価に製造することができ、しかも切り粉の発生量を抑制できるなどの顕著な作用効果を有するものである。
１ 頭部
２ 軸部
３ 縮径部
４ ねじ山部
５ ねじ山部
６ 最大径部
７ 段差部
８ 変径部
９ 間隙
１０ 切刃
１１ 軟質金属
１２ 下穴

Claims (4)

  1. 軸部の先端にテーパ状の縮径部を備え、この縮径部を軟質金属に形成された下穴に挿入してねじ込むことにより下穴にめねじを形成して行くセルフタップねじであって、
    軸部と縮径部には同一ピッチのおねじが連続的に形成されており、
    縮径部のおねじのねじ山部には、ねじ込み回転時に後側となる位置に段差部を持つ最大径部と、この段差部から隣接する最大径部に向かって徐々に径を増加させた変径部とを、複数組形成したことを特徴とする軟質金属用セルフタップねじ。
  2. 変径部の最小径が、その位置におけるおねじのねじ山高さの３０〜８０％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の軟質金属用セルフタップねじ。
  3. 前記複数組の組数が３〜８であることを特徴とする請求項１に記載の軟質金属用セルフタップねじ。
  4. おねじのねじ山角を１５°〜４５°としたことを特徴とする請求項１に記載の軟質金属用セルフタップねじ。
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