JP6232187B2 - チッピング抵抗性切削タップ - Google Patents

Description

概して、本発明は切削タップに関し、より詳細には、タップが逆回転する一方でねじをなお切削している時、チッピングを低減することによってタップの寿命を延ばす幾何学的形状を有する切削タップに関する。

ねじを必要とする機構および機械構成要素は技術に長い歴史がある。具体的には、締結具部品としてのねじの使用は、部品を組立体に結合する他の全ての手段を支配している。めねじおよびおねじの両方のねじを生成する多くの方法があるが、実践を経て、タップがめねじを生成する好ましい手段であることが分かっている。現在、めねじを生成する２つのねじ切り方法が存在する。支配的なねじ切り方法は、材料を穴の壁から切削して除去することによってねじれＶ形状ねじを生成するものである。あるいは、めねじを形成するために材料を移動させることによって、めねじを生成することができる。しかしながら、材料を切削することによるねじ切りが一般的に好ましい。その理由は、この方法がより低いトルクを必要とし、より完全なねじ形状を作製するためである。

めねじの形状およびサイズの寸法精度が、ねじ組立体の精密度および密着度を支配する。さらに、ねじ切りの速度は、めねじを作製する費用に影響を有する。

切削タップの作製に使用される２種類の材料がある。高速度鋼は、その高い強度のため、タップに広く使用されている。しかしながら焼結炭化タングステンが、より高い硬度および高温安定性などの特性のため、他の切削工具を作製するための材料として高速度鋼よりも好まれている。残念ながら、炭化タングステンは、高速度鋼よりも強度が低くチッピングを生じやすい。工具形状の改善を通してタップのチッピング抵抗性を上げることにより、炭化タングステンのタップへの使用を普及させることができる。

他の切削工具と違い、タップはねじを完成させた後、穴から取り出すために回転方向を逆転させる必要がある。ねじ切りされた穴は通常２種類の基本構造を有する。通し穴と呼ばれる場合、予めあけられた穴はその部位の厚さを貫通して延びている。通し穴の場合、タップの面取りされた切削部は部位の底部を越えて伸びることが可能で、逆回転される時はもはや部位と係合しない。止まり穴と呼ばれる他の状況が存在する。止まり穴では、予めあけられた穴の深さは部位の厚さに達する前に終端する。止まり穴をねじ切りする時、タップは、予めあけられた穴の深さの部分だけねじ切りすることが可能で、従ってタップは所定のねじ切り深さに至りそして逆回転する時まだねじを切削している。この状況では面取りされた切れ刃に高い応力がかかりそしてチッピングが生じる。

現行技術の切削タップは、特に止まり穴をねじ切りする場合など、逆回転する時なお仕事に従事する場合、チッピングを生じる傾向がある。

図７Ａ〜Ｃは、タップが逆回転する時、工作物になお係合する時の現行技術のタップに関連付けられる問題を示している。図のように反時計回り方向に回転している時、タップは切れ刃のところで切りくずを生成する（図７Ａ）。切りくずの形状は工作物の材料に依存する。延性のある材料は図示のように長い切りくずを形成する傾向にある。タップが所定の深さに達した瞬間、タップは止まり、逆回転する。最も新しく生成された切りくずは穴の壁に付着している。ここで時計回り方向に回転すると、タップの食付き部が、穴に付着した切りくずに乗り上げる。食付き部の逃げ面によって形成された空間のせいで、切りくずは食付き部表面と穴の壁の間に割り込むことができる（図７Ｂ）。タップがさらに逆に回転すると、割り込んだ切りくずが切れ刃に高圧をもたらし、切れ刃のチッピングを引き起こす（図７Ｃ）。

延性および硬度に依存して、ねじ切りされた工作物材料は異なる切りくず形状を生成する。タップ溝のねじれ構造は切りくずに従い変更される。例えば、非常に短い切りくずを生成する鉄などの材料には直線溝タップが使用される。一般に直線溝タップは延性材料の止まり穴のねじ切りに使用することができない。切りくずが長いため、切りくずが溝の中に溜まり結びつき、それが高いねじ切りトルクと、しばしば破損とを引き起こす。延性材料の止まり穴にはねじれ溝タップが使用される。その理由は、タップが前進するとき、ねじれの角度によって切りくずが穴の外に排出されるからである。

従来技術のタップに現在採用されている対応策は、止まり穴に使用されるタップの食付き部の逃げの量を低減することである。しかし先に言及したように、これはタップと工作物の間のこすれが増大する原因となり得るし、またタップ寿命を短縮し得る。

本発明は、穴から取り出される時にチッピングを生じる傾向があるタップの問題を解決し、その問題は、食付き部の最大逃げの角度がランド角度未満である食付き部表面を有する刃を備えたねじれ溝切削タップを提供し、それによって食付き部の最大逃げの角度の地点とランドとの間に間隔を生成することによって解決される。ねじれ溝タップは、ねじ切りする間、切りくずを穴から除去するため、延性材料の止まり穴をねじ切りする場合特に有効である。

本発明の１つの態様において、切削タップは、軸方向前端と軸方向後端とを有するボデーを備える。ボデーは、軸方向前端に隣接するねじれ溝を備えるねじ付きボデー部と、軸方向後端に隣接する円筒状シャンク部と、中心長手軸とを有する。ねじ付きボデー部は、面取りされた溝付き部分と、一定直径の溝付き部分とを含む。面取りされた溝付き部分は軸方向前端から延び、一定直径の溝付き部分で終わる。一定直径の溝付き部分は切削ねじを含む。切れ刃が、溝と切削ねじとの交差部に形成される。食付き部の逃げ面が、切れ刃からランドのヒールまで半径方向内側に延在する。食付き部の逃げの量は、切れ刃から測定される角度に比例する。食付き部の逃げの量は、切れ刃とヒールとの間のある地点で最大値に達する。食付き部の逃げ面はその地点とヒールとの間に延在し、食付き部の逃げの最大値未満である間隔をランドのヒールに形成するように半径方向外側に向けられる。

本発明の別の態様において、切削タップは、軸方向前端と軸方向後端とを有するボデーを備える。ボデーは、軸方向前端に隣接するねじれ溝を備えるねじ付きボデー部と、軸方向後端に隣接する円筒状シャンク部と、中心長手軸とを有する。ねじ付きボデー部は、面取りされた溝付き部分と、一定直径の溝付き部分とを含む。面取りされた溝付き部分は軸方向前端から延び、一定直径の溝付き部分で終わる。一定直径の溝付き部分は切削ねじを含む。切れ刃が、溝と切削ねじとの交差部に形成される。食付き部の逃げ面が、切れ刃からランドのヒールまで半径方向内側に延在する。食付き部の逃げの量は、切れ刃から測定される角度に比例する。食付き部の逃げは、切れ刃とヒールとの間のある地点で最大値に達する。食付き部の最大逃げの角度は、ランド角度と等しくない。

本発明の別の態様において、切削タップを作製する方法は、
タップの軸方向後端に円筒状シャンク部を、およびタップの軸方向前端に外径を有するねじ付きボデー部を形成するように円筒状シャンクを研削するステップと、
切れ刃を形成するために、ねじ付きボデー部にねじれ溝を研削するステップと、
タップの軸方向前端に食付き部表面を有する面取りされた溝付き部分を形成するように、ねじ付きボデー部を研削してテーパを付けるステップと、
食付き部の逃げを形成するために、タップを切れ刃から離すように回転させる時、研削砥石を半径方向内側に移動させることによって、ランドを備えたねじを形成するようにねじ付きボデー部を研削するステップと、を含み、
それによって、食付き部の逃げは、ねじの切れ刃とランドのヒールとの間のある地点で最大に達する。

本発明の様々な実施形態が示されるが、示される特定の実施形態は請求項を限定するものとして理解されるべきではない。本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更形態および修正形態が作られてもよいことが見込まれる。

本発明のねじれ溝付き切削タップの例示的実施形態の等角図である。 本発明の直線溝付き切削タップの例示的実施形態の側面図である。 図１の切削タップの軸方向前端のねじ付きボデー部の部分的拡大断面図である。 図１のねじれ溝付き切削タップの一定直径の溝付き部分の部分的拡大断面図である。 本発明の例示的実施形態による食付き部の逃げを備えた切削ねじの断面図である。 従来の食付き部の逃げを備えた切削ねじの拡大断面図である。 本発明の例示的実施形態による食付き部の逃げと間隔とを備えた切削ねじの拡大断面図である。 切削工程中の従来の切削タップのチッピング破損を示し、切削タップが順方向の回転を示す。 切削工程中の従来の切削タップのチッピング破損を示し、切削タップが順方向（図７Ａ）の回転の次に逆方向に回転する様子を示す。 切削工程中の従来の切削タップのチッピング破損を示し、切削タップが図７Ｂの逆方向の回転の次にさらに逆方向に回転する様子を示す。

ここで図１および２を参照すると、ねじれ溝２２を備えた切削タップ１０が本発明の実施形態により示されている。切削タップ１０は、軸方向前端１４および軸方向後端１６を備えた細長いボデー１２を有する。切削タップ１０は、軸方向後端１６に隣接する円筒状シャンク部（ブラケット１８）および軸方向前端１４に隣接するねじ付きボデー部（ブラケット２０）、ならびに中心長手軸１７を有する。シャンクは、タップがホルダ内で回転しないように所望により四角部を有してもよい。

切削タップ１０は、ホルダによって、その円筒状シャンク部１８で機械工具などに動作可能に接続される。ねじ付きボデー部２０は、軸方向前端１４を始点としそこから軸方向後方方向に延在する面取りされた溝付き部分２４を有する。面取りされた領域２４は、軸方向後方方向に延在して円筒状シャンク部１８との接合部で終端する一定直径（または仕上げ）部分２６と結合する。

図１に示されるような、ねじれ溝タップ１０に関する上の記載は、直線溝タップに適用できることは認識されよう。

特定のねじ切り用途に関して、右ねじれを有するねじれ溝タップは、切りくずを穴（右ねじ）から手前に排出し、止まり穴で有効である。左ねじれ溝付きタップは、切りくずをタップ（右ねじ）の先へ送り、通り穴で有効である。

特定用途に関して、直線溝を備えたタップは、短い切りくずを生成する鋳鉄などの材料に有効である。直線溝タップでは、溝は切りくずを溜めることによって穴から運び出す。

次に図３および４を参照すると、タップ１０の構造と切削食付き部の周囲の詳細とが示される。面取りされた溝付き部分２４は長さ４４を有し、中心長手軸１７に対してある角度４６で形成されている。一定直径（または仕上げ）溝付き部分２６は、概して２８で示される一連のＶ形切削ねじを有する。各切削ねじ２８は切れ刃２９を有し、外径３２で頂部３０によって、および内径３６で谷底部３４によって先が切り取られている。外径３２と内径３６との間の直径として定義されるピッチ直径３８は、切削タップ１０の長手軸１７に対して、左ねじフランク４０ａおよび右ねじフランク４０ｂの位置を効果的に定める。図４は、ねじフランク４０ａ、４０ｂ間の内角４２が約６０度であるねじ２８を示すが、他の角度も可能であることが認識されるべきである。例えば、内角４２は、約３０度〜約９０度の範囲であることができる。ねじ切り後、ねじフランク４０ａ、４０ｂおよびねじ頂部３０は、新たに形成されためねじと接触する。一般に、タップ１０の内径３６は、穴（図示せず）の内径より大きくなるように意図的に設計され、従ってめねじと接触しない。

切削タップ１０は、タップ１０のねじ付きボデー部を溝削り加工することによって形成された連続する切れ刃２９によってめねじ形状を作製する。タップ１０の一定直径（または仕上げ）溝付き部分２６の第１完全ねじ２８によって最終ねじ形状が得られるまで材料は穴の壁から除去される。タップ１０の第１完全ねじ２８を過ぎたねじは、タップを正確に案内するために使用され、使用後にタップ１０を再研削させる。

図５に示されるように、面取りされた切れ刃２９はそれぞれ、切削作業の間切れ刃の後に続く逃がした食付き部表面４８を有する。食付き部の逃げ５４の総量は、典型的には、ランド５２のヒール５０において半径方向に計測される。特定量の食付き部の逃げ５４を有することが重要である。逃げが少なすぎると、タップと工作物との間に摩擦的なこすれが生じる。過剰量の逃げは、溝面と食付き部表面との間の切れ刃において小さな内角をもたらす。この状態は、脆弱な切れ刃とチッピングをもたらす。従って不十分なあるいは過剰な逃げは、タップ寿命を短縮するであろう。

図６Ａに示されるように、従来技術のタップ１００は、切れ刃２９からランド５２まで延在する連続的に逃がした食付き部表面４８を有する。半径方向内側に向けられた食付き部の逃げ５４の量は、切れ刃２９から測定された角度５６に比例する。食付き部の逃げ５４の量は、切れ刃からタップのランド５２の幅６０をわたりタップ１００のヒール５０まで連続的に増大する。従って食付き部の逃げ５８の最大値がヒール５０で測定され、ランド角度６２と食付き部の最大逃げの角度は等しい。

発明されたタップが図６Ｂに示される。従来技術のタップと同様、食付き部表面４８は切れ刃２９から半径方向内側に逃がされる。従来技術のタップと違い、食付き部の逃げ５４は、切れ刃２９とヒール５０との間の点６４（すなわち、ランド５２のヒール５０に達する前）で増大が止まる。食付き部の逃げ５４が最大値に達した後、食付き部表面４８は半径方向外側に向けられ、従来技術のタップ１００のヒール５０における食付き部の逃げ５４よりかなり小さい間隔６６を形成する。この間隔６６は小さいため、切りくずが食付き部表面４８と穴の壁との間に割り込むことはできない。切れ刃２９のチッピングが回避されるばかりでなく、切削からの逃げを自由に最適化することができる。

発明されたタップの最大逃げの角度６８はランド５２の幅６０に依存し、用途およびねじ切りされる材料に応じてランド角度６２の１５パーセントから８５パーセントまでの範囲であってもよい。１５パーセントの最大逃げの角度６８が、非常に大きいランド角度６２を有するタップに適切であるが、非常に小さいランド角度６２を有するタップには８５パーセントが適切である。

最大逃げの角度６８とヒール５０との間の回復した表面の形状は重要ではなく、製造方法の影響を受ける。ヒール５０における間隔６６は切りくずの厚さと関連付けられる。切りくずの厚さは常に各切れ刃２９の送り量以上であるため、切りくずが食付き部表面４８と穴の壁との間に割り込むのを回避するためには間隔６６は切れ刃あたりの送り量未満とするべきである。

本発明はいかなる数の溝またはねじれ溝を備えたタップにも適用できる。小さい直径のタップには２または３つの溝が現実的である。中程度のサイズ範囲のタップには４つの溝が使用され、大きいサイズのタップは５つの溝を有し得る。サイズの範囲は、使用される溝の数に関して重なり得る。その理由は、この特性が用途に依存するためである。また本発明はいかなる食付き部の長さにも適用できる。止まり穴で使用されるタップは一般的に３ねじピッチ以下の食付き部の長さを有するが、タップが完全なねじ切り深さに達する場合、より長い食付き部の長さ（最高１０ねじピッチ）を有するタップを工作物に係合させることができる。

作製方法

タップ１０は、コバルト結合炭化タングステンから構成される基材か、高速度鋼のどちらかから作製される。基材を処理する第１のステップは、心あり円筒トラバース研削（ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｔｒａｖｅｒｓｅ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｏｎ ｃｅｎｔｅｒｓ）などの方法によって、または切込み送り心なし研削方法（ｃｅｎｔｅｒｌｅｓｓ ｉｎｆｅｅｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ）によって、素材を精密な円筒許容範囲に研削する。このステップの間、円筒状シャンクが、タップ１０の軸方向後端１６の円筒状シャンク部１８を形成するサイズに研削され、ねじ付きボデー部２０の外径３８が、タップ１０の軸方向前端１４に形成される。一般的に、円筒状シャンク部１８の直径は名目ねじ直径にほぼ等しいが、円筒状シャンク部１８の直径は、大きい直径のタップの場合、名目ねじ直径より小さくてもよく、あるいは小さい直径のタップの場合、より大きくてもよい。オプションとして、素材をタップ１０の軸方向最後端のシャンクの一部として研削することを含んでもよい。

次のステップでは、切れ刃２９を食付き部と組み合わせて提供するように１つ以上の溝２２を研削する。溝２２は直線状またはねじれ状であってよく、右ねじか左ねじのどちらかと任意に組み合わせた右ねじれか左ねじれのどちらかであってよい。

次のステップでは、ねじれ状に、内径３６および外径３２とともに、Ｖ形ねじフランク面４０を形成するようにねじ付きボデー部２０を研削する。Ｖ形ねじフランク面４０と外径３８は、ねじ切りの間に生成されるめねじを複製する。ねじ切り用途に依存して、ねじフランク面４０、および内径３６と外径３２を逃がしても逃がさなくてもよい。

ねじ付きボデー部２０の面取りされた溝付き部分２４を研削して、穴への進入がテーパ化されるように角度４６のテーパを付け、かつ、ランド角度未満の角度で、切れ刃から逃げが最大に達する点まで逃げを増大させ、その後、タップのヒールにわずかな間隔を形成するように逃げを減少させる食付き部表面を付ける。この形状を、逃げがカムによって生成される従来の研削機械で直線溝付きタップに形成することは可能であるが、この形状をこの技術によってねじれ溝付きタップに形成することは不可能である。ねじれ溝付きタップには、発明された形状を形成するようにＣＮＣ工具研削盤をプログラミングすることができる。

研削後、切れ刃および他の鋭利なコーナーに小さい半径を形成するように研磨媒体または研磨ブラシを用いてタップ１０をホーニング仕上げしてもよい。結果として得られる半径は０〜１００マイクロメートルであってもよい。さらにこのホーニング仕上げは、これら切れ刃の強度を増す。

プロセスの最終ステップとして、タップ１０を、窒化金属、炭化金属、炭窒化金属、ホウ化金属、および／または酸化金属の耐摩耗層（図示せず）で任意選択的にコーティングしてもよく、上記金属は、アルミニウム、ケイ素、および周期表のＩＶａ族、Ｖａ族およびＶＩａ族からの遷移金属、のうちの１種以上から選択される。この層は、単一の単層として、または交互層を含む多層で堆積される。これら耐摩耗層の上に低摩擦層を堆積することもできる。

有益性

本発明のタップは、止まり穴をねじ切りする時など、タップが逆回転する一方で、なお係合してねじを切削する時に、タップの切れ刃のチッピングを低減することによって、既存のタップ技術を上回る多数の有利性を有する。チッピングの低減により、焼結炭化タングステンなどの耐熱性および耐摩耗性で勝るが強度で劣る基材の使用が許容される。さらに、本発明のタップは、精度、工具寿命、および、めねじを作製できる速度を改善することによって既存のタップ技術を上回る多数の利点を有する。

本明細書で参照した特許および出版物は、参照により本明細書に援用される。

現在好ましい実施形態を記載したが、本発明は添付の請求項の範囲内で他の方法で具現化されてもよい。

１０ 切削タップ
１２ 細長いボデー
１４ 軸方向前端
１６ 軸方向後端
１７ 中心長手軸
１８ 円筒状シャンク部
２０ ねじ付きボデー部
２２ ねじれ溝
２４ 面取りされた溝付き部分
２６ 一定直径部分
２８ Ｖ形切削ねじ
２９ 切れ刃
３０ 頂部
３２ 外径
３４ 谷底部
３６ 内径
３８ ピッチ直径
４０ ねじフランク面
４０ａ 左ねじフランク
４０ｂ 右ねじフランク
４２ 内角
４４ 長さ
４６ 角度
４８ 食付き部表面
５０ ヒール
５２ ランド
５４ 食付き部の逃げ
５６ 角度
５８ 食付き部の逃げ
６０ 幅
６２ ランド角度
６４ 地点
６６ 間隔
６８ 角度
１００ 従来技術のタップ

Claims (10)

1. 軸方向前端と軸方向後端とを有するボデーを備えた切削タップであって、
   前記ボデーが、前記軸方向前端に隣接するねじれ溝を備えたねじ付きボデー部と、前記軸方向後端に隣接する円筒状シャンク部と、中心長手軸とを有し、
   前記ねじ付きボデー部が、面取りされた溝付き部分と、一定直径部分とを含み、
   前記面取りされた溝付き部分が前記軸方向前端から延び、前記一定直径部分で終了し、
   前記一定直径部分が切削ねじを含み、切れ刃が前記ねじれ溝と前記切削ねじとの交差部に形成され、食付き部の逃げが前記切れ刃からランドのヒールまで半径方向内側に延在し、
   食付き部の逃げの量が、前記切れ刃と前記ヒールとの間のある地点で最大値に達し、且つ前記切れ刃と前記食付き部の逃げの量が最大に達する点との間においては、前記食付き部の逃げの量は、切れ刃から測定される角度に比例し、
   前記食付き部の逃げは、前記切れ刃と前記食付き部の逃げの量が最大に達する点との間の領域においては凸状に形成されているとともに、前記食付き部の逃げの量が最大に達する点とヒールとの間の領域においても凸状に形成され、且つ前記ランドの前記ヒールにおいては前記食付き部の逃げの量が前記最大値よりも小さくなるように形成される、切削タップ。
2. ヒール部において形成される逃げが切刃あたりの送り量未満である、請求項１に記載の切削タップ。
3. 前記食付き部の最大逃げの前記地点が、前記切れ刃と前記ヒールとの間にある、請求項１に記載の切削タップ。
4. 前記食付き部の最大逃げの角度が、ランド角度に等しくない、請求項１に記載の切削タップ。
5. 前記食付き部の最大逃げの前記角度が、前記ランド角度の１５パーセント〜８５パーセントの範囲内にある、請求項４に記載の切削タップ。
6. 軸方向前端と軸方向後端とを有するボデーを備えた切削タップであって、
   前記ボデーが、前記軸方向前端に隣接するねじれ溝を備えたねじ付きボデー部と、前記軸方向後端に隣接する円筒状シャンク部と、中心長手軸とを有し、
   前記ねじ付きボデー部が、面取りされた溝付き部分と、一定直径部分とを含み、
   前記面取りされた溝付き部分が前記軸方向前端から延び、前記一定直径部分で終了し、
   前記一定直径部分が切削ねじを含み、切れ刃が前記ねじれ溝と前記切削ねじとの交差部に形成され、食付き部の逃げが前記切れ刃からランドのヒールまで半径方向内側に延在し、
   食付き部の逃げの量が、前記切れ刃と前記ヒールとの間のある地点で最大値に達し、且つ前記切れ刃と前記食付き部の逃げの量が最大に達する点との間においては、前記食付き部の逃げの量は、切れ刃から測定される角度に比例し、
   食付き部の最大逃げの角度がランド角度に等しくない、切削タップ。
7. 前記食付き部の最大逃げの前記角度が、前記ランド角度の１５パーセント〜８５パーセントの範囲内にある、請求項６に記載の切削タップ。
8. 前記食付き部の逃げが、食付き部の最大逃げの前記地点と前記ヒールとの間に延在し、前記食付き部の逃げの最大値未満である間隔を前記ランドの前記ヒールに形成するように半径方向外側に向けられる、請求項６に記載の切削タップ。
9. ヒール部において形成される逃げが切刃あたりの送り量未満である、請求項８に記載の切削タップ。
10. 切削タップを作製する方法であって、
    前記切削タップの軸方向後端に円筒状シャンク部を、および前記切削タップの軸方向前端に外径を有するねじ付きボデー部を形成するように円筒状シャンクを研削するステップと、
    切れ刃を形成するために、前記ねじ付きボデー部にねじれ溝を研削するステップと、
    面取りされた溝付き部分を形成するために、前記ねじ付きボデー部を研削してテーパを付けるステップと、
    ランド角度未満の角度で、切れ刃から逃げが最大に達する点まで食付き部の逃げが切れ刃から測定される角度に比例するように逃げを増大させ、その後、逃げを減少させて前記切削タップのヒールにおける逃げの量が逃げの最大量よりも小さくなるように食付き部表面を形成するステップと、を含み、
    それによって、前記食付き部の逃げが、切削ねじの切れ刃とランドのヒールとの間のある地点で最大値に達する、方法。
    

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