ワークピースにねじ山を形成するねじ山作成工具

本発明は、ワークピースにねじ山を形成するねじ山作成工具に関する。

ねじ山の作成または再構成のために、切削過程と非切削過程の両方、およびねじ切り工具が知られている。切削によるねじ山の作成は、ねじ山フライトの領域でワークピースから材料を除去することに基づいている。非切削によるねじ山の作成は、ワークピースの変形に基づいており、圧力によってワークピースにねじ山フライト(thread flight)を作成する。使用中のねじ山作成工具および加工方法の概要は、Handbuch der Gewindetechnik und Frastechnik [Manual of threading practice and milling practice], 発行元:EMUGE-FRANKEN, 出版社:Publicis Corporate Publishing, 発行年:2004 (ISBN 3-89578-232-7)に記載されている。以下では、単に「EMUGEマニュアル」と呼ぶ。

切削によるねじ山作成の範囲には、タップ(EMUGEマニュアル、chapter 8, pages 181 to 298を参照)、ねじ切りフライス(EMUGEマニュアル、chapter 10, pages 325 to 372を参照)、および、雄ねじのみであるが、ねじ切りダイス(EMUGEマニュアル、chapter 11, pages 373 to 404を参照)が含まれる。

タップは、作成されるねじ山のねじピッチの下方で雄ねじに沿って切刃またはねじ切り歯が配置されているねじ切り工具である。ねじ山の作成中、タップは、工具軸に対して軸方向に送り運動される一方、ワークピースの円筒形コアホール内で工具軸の周りに回転運動される。回転速度は、ねじピッチに応じた軸方向送り速度によって決まる。タップの工具軸がコアホールの中心軸と同軸にされ、タップの切刃がコアホール壁でワークピースと恒久的に係合して(連続切削)、コアホール壁に連続的なねじ山フライトを作成する。

非切削によるねじ山作成工具の範囲には、いわゆる盛り上げタップ(cold-forming tap)(EMUGEマニュアル、chapter 9, pages 299 to 324を参照)と、雄ねじのみであるが、ねじ転造工具(EMUGEマニュアル、chapter 11, pages 373 to 404を参照)が含まれる。

盛り上げタップは、略螺旋形に包囲するねじ山プロファイルを持つねじ山作成工具である。ねじ山プロファイルに沿って、丸みを帯びた多角形コーナー領域によって形成される複数の加圧ローブ(pressing lobe)(成形歯(shaping teeth)、冷間成形歯(cold-forming teeth)、成形ウェッジ(shaping wedge)とも呼ばれる)が配置される。これらは互いにオフセットされ、外方に突出しており、盛り上げタップの略多角形断面を形成する。ねじ山の作成中、盛り上げタップは、タップと同様に工具軸に対して軸方向に送り運動される一方、ワークピースの円筒形コアホール内で工具軸の周りに回転運動される。盛り上げタップの工具軸は、コアホールの中心軸と同軸にされる。回転速度と軸方向送り速度が、ねじピッチにしたがって互いに調整される。盛り上げタップの加圧ローブは、コアホール壁でワークピースと恒久的に係合し、塑性変形によりコアホール壁にねじ山フライトを押し込み、コアホール壁に連続的なねじ山フライトを作成する。

さらに、もっぱら切削プロセスによって動作し、ドリルおよびねじ切りフライスで構成される複合工具が知られている。具体的には、いわゆるドリルねじ切りフライス(EMUGEマニュアル、chapter 10, page 354を参照)と、いわゆる円形ドリルねじ切りフライス(EMUGEマニュアル、chapter 10, page 355を参照)である。これらを用いて、最初にコアホールを作成し、続いてコアホール内にねじ山を作成することができる。

ねじ山作成工具の工具シャンクは通常、長手軸周りに少なくとも略円形の形態をとるか、および/または、工作機械のチャックにワークピースとは反対側の端部が受け入れられチャックで保持される。ねじ山作成中のタップおよび盛り上げタップの回転方向は、作成されるねじ山のターンの方向に対応する。作成された雌ねじにねじ込まれる既知のねじおよびねじ山は、雌ねじと相補的である連続的な螺旋状の雄ねじを備えている。

本発明の目的は、ねじ山、特に雌ねじを作成する新規な工具を規定することである。

上記の目的は、請求項1の特徴を有する工具を用いて達成される。本発明に係る工具の有利な実施形態および改良形態は、請求項1に従属する請求項から現れる。

請求項1に記載の、ワークピースにねじ山を作成する工具は、工具軸の周りに回転し、ワークピースに溝を作成するための少なくとも一つの溝作成領域と、ワークピースにねじ山を作成するための少なくとも一つのねじ山作成領域とを備えている。 工具軸と平行な軸方向投射で観察すると、各ねじ山作成領域は、少なくとも一つの溝作成領域の背後に配置されており、溝作成領域よりも広がりが小さい。つまり、軸方向投射の断面で観察すると、各ねじ山作成領域が、溝作成領域の投射の内部に(または投影の内部に)完全に含まれる。このため、各ねじ山作成領域は、軸方向と直交する投射面内で、溝の縁(特に溝基部)まで間隔が空いており、および/または、前方に位置する溝作成領域によってワークピース内に作成された溝を通してねじ山作成領域を軸方向に自由に移動し、挿入し、あるいは通過させることができる。

言い換えると、本発明によると、工具は、ワークピースにそれぞれ一つの溝を作成するn個(n≧1)の溝作成領域と、ワークピースにねじ山を作成するm個(m≧1)のねじ山作成領域と、を有している。ここで、mは少なくともnと同じ大きさである。すなわち、m≧nであり、好ましくはm=nである。工具軸と平行な軸方向投射で観察すると、m個のねじ山作成領域は、n個の溝作成領域のうちの一つの背後に配置され(または、その逆に、軸方向投射で観察すると、各ねじ山作成領域の前方に溝作成領域が位置している)、軸方向投射の断面で観察すると、ねじ山作成領域は溝作成領域よりも広がりが小さい。

本発明に係る工具を以下の態様で使用して、ワークピースにねじ山を形成してもよい: 工具のn個の溝作成領域を用いて、ねじ軸に対して工具を略軸方向に移動して、ワークピースの(ねじ軸を包囲する)壁にn個の溝を作成する。工具の各溝作成領域が関連ずる溝を作成する。 ねじ山作成工具の(溝作成領域の背後に位置する)ねじ山作成領域を、ワークピースの壁に作成済みの関連する溝の中に、関連する溝に沿った方向に導入する。ねじ山作成領域は、溝基部からの径方向の間隔を維持するように、関連する溝の中へねじ軸に対して径方向に突出する。 ねじ軸の周りにねじ山作成工具を所定の回転角度だけ回転させ、回転運動の回転速度およびねじピッチに適合させた軸方向送り速度で工具軸と同軸にねじ山作成工具を同時に軸方向に送ることによって、ワークピースの壁の溝に隣接する各壁サブ領域にねじ山を作成する。回転および同時の軸方向送り運動の間、各ねじ山作成領域が関連する壁サブ領域と係合し、ねじ山フライトの関連部分を作成する。回転後、ねじ山作成領域は、再び同一の溝の中に突出するか、壁の別の溝の中に突出する。 ねじ山作成工具のねじ山作成領域を溝に沿った方向に移動して、関連する溝から取り出す。

好適な変形形態では、n個の溝作成領域のうち少なくとも一部が、溝作成切刃を有する切削溝作成領域として形成される。溝作成切刃は特にリーマ(reaming)切刃として形成され、および/または工具の正面に配置される。

切削溝作成領域および/または溝作成切刃のうち少なくとも一部は、軸方向および/または円周方向に、具体的にはチップ分割ステップまたはエッジとして設けられる少なくとも一つのステップまたはエッジを有していてもよい。

好適な変形形態では、溝作成領域が、正面を向いた方向にまたは正面に位置する溝切刃または正面切刃を有している。溝切刃は通常、少なくとも工具の前部において、工具の径方向に最も外側に突出する部分である。

一実施形態では、溝切刃が少なくとも略円形であるか、および/または、溝切刃(42A)の外形が、概して第1ねじ山作成サブ領域またはねじ山作成領域の半径よりも大きい。

一実施形態では、工具軸周りの回転方向で前方にある側面切刃が、円周方向横側で溝切刃に隣接している。好ましくは、工具軸周りの回転方向で後方にある側面領域も、溝切刃に隣接している。ねじ山の作成で生じる回転方向への工具の回転中に、正面切刃がワークピースへ横方向に切り込む。好ましくは、径方向内側で横レーキ面が正面切刃に隣接する。一方、後方側面領域は鈍角である。すなわち、切削作用を有しておらず、凸形であることが好ましい。

溝切刃の軸方向後方に、自由面が隣接している。自由面は、溝切刃の外形から、第1加圧ローブまたは第1ねじ山作成サブ領域の半径よりも小さい半径まで、下方に(具体的には直線状にまたは円錐状に)傾斜していることが好ましい。

径方向の内側で、正面レーキ面が溝切刃に隣接している。正面レーキ面は、直線状にまたは凹状に軸方向後方に延び、溝切刃を用いた溝の作成(具体的にはリーミング)の間に生成されるチップがレーキ面上に排出される。好ましくは、正面レーキ面は、軸方向前方の最低点から、工具軸と直交する平坦な中心領域まで延びる。中心領域は、工具の中央ダクトの中央開口を包囲する。中央ダクトを経由して冷却液および/または潤滑剤を供給することができる。

さらなる実施形態では、n個の溝作成領域のうち少なくとも一部が、非切削態様で動作するか、および/またはワークピース材料の塑性変形や圧痕(impression)により動作する溝作成領域として形成される。各溝作成領域は、工具軸周りの円周方向に実質的に延びる成形スパイン(shaping spine)(または成形リッジ、加圧リッジ)を有することが好ましい。軸方向で観察すると、成形スパインは、溝作成領域の径方向で最も高い隆起であり、および/または径方向で最も外側に突出している。成形スパインの軸方向前方には前面が配置されており、これがランオン表面として機能する。溝作成領域は、ランオン表面を用いて最初にワークピースの表面を押し込み、変形力をゆっくりと増加させる。前面は、成形スパインよりも径方向内側に位置するとともに工具の正面に配置される正面プロファイルを、軸方向で成形スパインに接続する。各溝作成領域は、成形スパインの軸方向後方に後面を有している。後面は、成形スパインから軸方向下方に傾斜するとともに、ワークピース材料を流す空き空間を提供する。

成形スパインは、径方向の最も外側に突出する最大部を有することが好ましい。成形スパインは、一つのフランク(flank)では、最大部から、最大部よりも径方向内側に位置する第1終点まで下方に傾斜し、また、別のフランクでは、最大部から、最大部よりも径方向内側に位置する第2終点まで下方に傾斜する。一方の終点が他方の終点よりも径方向内側に位置し、および/または、成形スパインの一方のフランクが他方のフランクよりも短いと好ましい。

正面プロファイルは通常、成形スパインと同形状であり、一つの最大部と、最大部から終点まで下方に傾斜する二つのフランクと、を有している。この場合、前面は、対応する点および線を接続することが好ましい。例えば、正面プロファイルと成形スパインの対応する最大部、および/または対応する終点、および/または対応するフランクを、互いに接続することが好ましい。前面は、正面プロファイルと成形スパインとの間を、実質的に直線状に、内向き凸状に、外向きの曲線状に、または任意の連続関数をたどって軸方向に延びることが好ましい。

一実施形態では、n個の溝作成領域が、工具軸の周りで互いに対して360°/nの一様な角度間隔で配置される。すなわち、n個の溝作成領域が一様に分布する。しかしながら、非一様の分布も可能である。

本発明の一変形形態では、溝作成領域の工具軸周りの角度成分と、その背後に位置するねじ山作成領域の工具軸周りの角度成分が、7.2°から45°の間であり、特に13°から40°の間であり、好ましくは27°から36°の間である。

ねじ山作成領域は通常、ねじ山作成工具の他の外面よりも、径方向外側に突出している。

本発明の一変形形態では、少なくとも一つのねじ山作成領域がねじ山成形領域であり、成形および非切削過程によってねじ山フライトの部分を作成する。および/または、ねじ山作成工具のねじ山作成領域のうち少なくとも一部が、螺旋の線上に配置されたねじ山加圧ローブを有している。ねじ山加圧ローブは、ねじピッチおよびターン方向の観点で、作成されるねじ山に対応する。ねじ山加圧ローブは、ねじ山作成領域内で径方向に最も外側に突出するが、一つまたは複数の溝作成領域よりも径方向外側への広がりは小さい。この場合、ねじ山作成領域は、機能の観点で、盛り上げタップに由来する。

好適な実施形態では、少なくとも一つのねじ山作成領域がねじ山切削領域であり、切削過程によってねじ山フライトの部分を作成する。ねじ山作成工具のねじ山作成領域のうち少なくとも一部が、螺旋の線上に配置されたねじ切り歯を有している。ねじ切り歯は、ねじピッチおよびターン方向の観点で、作成されるねじ山に対応する。ねじ切り歯は、ねじ山作成領域内で径方向の最も外側に突出するが、一つまたは複数の溝作成領域よりも径方向外側への広がりは小さい。ねじ切り歯は、切削方向または回転方向とは反対の方向で、好ましくは外側自由面によって結合される。ねじ切り歯は、作成されるねじ山フライトのねじ山プロファイルの断面に反映されるねじ山切刃または切削プロファイルを有している。

一実施形態では、作成されるねじ山のターン方向と、ねじ切り歯がその上に配置される工具軸周りの螺旋の線のターン方向で切削を行うように、ねじ切り歯が配置され形成される。これは、作成されるねじ山が右ねじである場合、ねじ切り歯も右回りすなわち右向きに切削を行い、作成されるねじ山が左ねじである場合、ねじ切り歯も左回りすなわち左向きに切削を行うことを意味する。

ワークピース内への方向、すなわちワークピースに向かう(外側から内側、または観察者から離れる)方向で観察するときに、ねじ山が時計回りに回転する場合(すなわち回転方向が時計回りであるか、右回転に相当する場合)、ねじ山は右ねじまたは右巻きであると呼ばれる。また、ねじ山が反時計回りに回転する(左回転の)場合、ねじ山は左ねじまたは左巻きであると呼ばれる。同一の用語体系が螺旋の線にも通常は当てはまる。

このように、ねじ山を作成中の工具およびねじ山作成領域の回転方向は、ねじ山のターン方向に対応している。言い換えると、雌ねじの場合、ねじ山にねじ込まれるねじと同じ方向に工具が回転し、雄ねじの場合、ねじ山にねじ込まれるナットと同じ方向に工具が回転する。

一実施形態では、作成されるねじ山のターン方向と、ねじ切り歯がその上に配置される工具軸周りの螺旋の線のターン方向で切削を行うように、ねじ切り歯が配置され形成される。これは、作成されるねじ山が右ねじである場合、ねじ切り歯も右回りすなわち右向きに切削を行い、作成されるねじ山が左ねじである場合、ねじ切り歯も左回りすなわち左向きに切削を行うことを意味する。このように、ねじ山を作成中の工具およびねじ山作成領域の回転方向は、ねじ山のターン方向に対応している。言い換えると、雌ねじの場合、ねじ山にねじ込まれるねじと同じ方向に工具が回転し、雄ねじの場合、ねじ山にねじ込まれるナットと同じ方向に工具が回転する。これは、既知のタップの回転方向と対応する。

しかしながら、本発明の特別な代替実施形態では、作成されるねじ山のターン方向と、ねじ切り歯がその上に配置される工具軸周りの螺旋の線のターン方向と逆向きに切削を行うように、ねじ切り歯が配置され形成される。

本発明に係る工具の特別な形態のおかげで、これが可能になる。なぜなら、ターンイン中にねじ山を常に切削する既知のタップとは対照的に、ワークピースの壁に係合することなく、ワークピースの壁の溝を通してねじ切り歯をワークピース内にまたはワークピース上に最初に移動することができ、ターンアウト中のみねじ山を切削することができるからである。

したがって、作成されるねじ山が右ねじである場合、作成されるねじ山が右ねじである場合、ねじ切り歯が左回りすなわち左向きに切削を行い、作成されるねじ山が左ねじである場合、ねじ切り歯が右回りすなわち右向きに切削を行うことを意味する。したがって、ねじ山を作成中の工具およびねじ山作成領域の回転方向は、ねじ山のターンとは反対方向である。言い換えると、雌ねじの場合、ねじ山から抜かれるねじと同じ方向に工具が回転し、雄ねじの場合、ねじ山から抜かれるナットと同じ方向に工具が回転する。

既知のねじ切り工具またはねじ山冷間成形工具に対する本発明に係る工具の利点は、ねじ山作成工具が、タップまたは盛り上げタップであれば従来から設けられているランオンコーン(run-on cone)または切削開始領域を有する必要がないことである。なお、ランオンコーンまたは切削開始領域では、ねじ切り歯または加圧ローブの最大径方向間隔が、タップまたは盛り上げタップの端部から前進する円錐面に沿って増加する。こうして、止まり穴の場合であっても、より大きな軸長に沿って軸方向に完全なねじ山フライトを作成することが可能になる。なぜなら、ランオンコーンまたは切削開始領域の長さにわたり生じる不完全なねじ山フライトが排除されるからである。さらに、ねじ山作成工具をより短く設計することができる。これは、他の利点はさておき、作業高さが小さい場合には特に好ましい効果である。

さらに、従来技術と比較して、本発明に係る工具は、軸方向の挿入運動(のみ)で、外部からワークピースの壁上の作業位置へと工具を非常に素早く導くことができる。また、著しく小さな回転角度または著しく少ない回転数でねじ山を作成することができる。最後に、ねじ山の作成後、軸方向の取り出し運動(のみ)で、ワークピースの壁から外部へとねじ切り工具を非常に素早く導くことができる。従来技術によるタッピングまたはねじ山冷間成形の場合、最初のターンイン過程の回転と、工具を引き戻す間の回転で、タップまたは盛り上げタップの複数回の回転が必要である。本発明に係る工具の場合、軸方向の送り運動および取り出し運動と組み合わせて、溝の数および配置に対応して、一回転、あるいは一回転の一部のみであっても十分である。なお、溝の作成に要する追加時間は、ねじ山作成中に節約される時間よりも通常は短い。さらに、本発明によると、軸方向位置に関して、およびねじ山の開始地点に関して、ねじ山を正確に形成することができる。溝は、ねじ山に対し規定された位置を構成する。

ねじ山作成工具の回転の回転角度は、二つの直接隣接する溝の間の角度間隔に対応するように選択されてもよい。および/または、ねじ山作成領域が回転前に突出していた溝と直接隣接する溝の中に、各ねじ山作成領域が回転後に突出するように、ねじ山作成工具の回転の回転角度が選択されてもよい。具体的には、互いに対して360°/nの一様な角度間隔でn個の溝が作成され、回転角度は360°/n、720°/n、または1080°/nである。

溝は、ねじ軸に対して実質的に軸方向におよび/または平行に延びる。

第1の変形形態では、少なくとも一つのねじ山作成領域がねじ山成形領域であり、成形および非切削過程によってねじ山フライトの部分を作成する。具体的には、ねじ山作成領域のうち少なくとも一部が、螺旋の線上に配置されたねじ山加圧ローブを有する。ねじ山加圧ローブは、ねじピッチの点で、作成されるねじ山に対応している。ねじ山加圧ローブは、ねじ山作成領域内で径方向の最も外側に突出する。

第1の変形形態と組み合わせることもできる第2の変形形態では、少なくとも一つのねじ山作成領域がねじ山切削領域であり、切削過程によってねじ山フライトの部分を作成する。具体的には、ねじ山作成工具のねじ山作成領域のうち少なくとも一部が、螺旋の線上に配置されたねじ切り歯を有する。ねじ切り歯は、ねじピッチの点で、作成されるねじ山に対応している。ねじ切り歯は、ねじ山作成領域内で径方向の最も外側に突出する。ねじ切り歯には通常、切削方向または回転方向とは反対の方向に、好ましくは外側自由面が隣接している。

ねじ山作成工具のねじ山切削領域は、通常、ねじ山作成工具の他の外面よりも径方向外側に突出している。

一般に、一つのねじ切り歯または一つのねじ山冷間成形ウェッジのみの外形プロファイルが、この歯またはウェッジによって作成されるねじ山フライト部分の最終的なねじ山プロファイルを既に規定している。

工具の特別な改良形態では、各ねじ山作成領域が、異なるねじ山外形プロファイルを持つ少なくとも二つの軸方向にオフセットされたねじ山作成サブ領域に分割される。任意の所望のねじ山外形プロファイルを、任意の所望の順序で組み合わせることができる。こうすると、異なるねじ山作成サブ領域に対応する異なるねじ山サブ領域において、ねじ山作成工具を用いて作成されたねじ山にねじ込まれるねじのクランプ力を異ならせることが可能になる。具体的には、ねじ山プロファイルが小さい方のねじ山サブ領域にねじ込まれるねじに対し、より大きなクランプ作用を設定することが可能である。

一つの有利な実施形態では、後方ねじ山作成サブ領域の軸方向前方にすなわち正面側に位置する、好ましくは前方ねじ山作成サブ領域である第1ねじ山作成サブ領域が、好ましくは後方ねじ山作成サブ領域である第2ねじ山作成サブ領域よりも、(具体的にはプロファイル先端に、しかし適切な場合はプロファイルの側面にも)少なくとも部分的に小さい寸法または外形寸法を持つねじ山外形プロファイルを有している。

後方ねじ山作成サブ領域によって作成された後方ねじ山サブ領域内に、低いクランプ作用すなわちより緩い力で最初にねじがねじ込まれ、続いて、前方ねじ山作成サブ領域によって作成された前方ねじ山サブ領域に、より大きなクランプ作用すなわちよりしっかりと強い力でねじがねじ込まれることが可能になると好ましい。

一つの特別な改良形態では、第1ねじ山作成サブ領域(具体的には前方ねじ山作成サブ領域)がそれぞれ、ねじ山外形プロファイルにおいて、プロファイルの先端に平坦部を有しており、および/または、第2ねじ山作成サブ領域(具体的には後方ねじ山作成サブ領域)がそれぞれ、第1ねじ山作成サブ領域(具体的には前方ねじ山作成サブ領域)のねじ山外形プロファイルよりも径方向外側に突出するプロファイル先端を有するねじ山外形プロファイルを有している。

一つの有利な実施形態では、ねじ山作成サブ領域(具体的には、第1ねじ山作成サブ領域または前方ねじ山作成サブ領域)の直径は、もう一方のねじ山作成サブ領域(具体的には、第2ねじ山作成サブ領域または後方ねじ山作成サブ領域)の直径よりも小さい。

本発明のこのような改良は、既知のタップまたは盛り上げタップでは技術的に不可能である。

ねじ山が作成されるワークピースの壁は、ワークピースのコアホール(具体的には止まり穴または貫通穴)のコアホール壁であることが好ましく、この結果、ねじ山は雌ねじになる。しかしながら、ワークピースの外壁に雄ねじを作成することも可能である。

例示的な実施形態に基づき、以下で本発明をさらに詳細に説明する。以下の模式的な図面を参照する。

ワークピース内のコアホールの断面図である。

第1方法ステップで作成された二つの溝を有する、図1のコアホールの断面図である。

溝内に配置された二つのねじ山作成領域を有するねじ切り工具が第2方法ステップで挿入された、図2のコアホールの断面図である。

ねじ切り工具が内部に挿入された図3のコアホールの部分断面図であり、第3方法ステップでねじ切り工具がある角度だけ回転されるとともに軸方向送り運動され、ねじ山作成領域がねじ山フライトの一部を作成した様子を示す図である。

ねじ切り工具が内部に挿入された図3および5のコアホールの部分断面図であり、第3方法ステップでねじ切り工具が全角度回転されるとともに軸方向送り運動され、ねじ山作成領域が完全なねじ山フライトを作成した様子を示す図である。

二つの溝を持つコアホール穴と溝の間の完成したねじ山とを備えるワークピースの斜視図である。

図6のコアホールの平面図である。

図7中のVIII−VIII線に沿った、図7のコアホールの断面図である。

非切削態様で動作し二つのねじ山作成領域を有するねじ山作成工具を示す図である。

非切削態様で操作する別のねじ山作成工具の正面図である。

二つのねじ山作成領域とその前方の溝作成領域とを有するねじ山作成工具の斜視図である。

図11のねじ山作成工具の側面図である。

図11および12のねじ山作成工具を90°回転させた側面図である。

図11ないし13のねじ山作成工具の正面図である。

図14中のXV−XVに沿った縦断面図における、図11ないし13のねじ山作成工具の前部を示す図である。

図15中のXVI線を正面の方を向いてねじ切り歯を通して観察したときの、ねじピッチに沿って斜めに傾いた、図11ないし15のねじ山作成工具の前部の断面図である。

図11ないし16のねじ山作成工具を用いて溝およびねじ山が作成された、二つの溝と溝の間の完成したねじ山とを有する止まり穴を持つワークピースの斜視図である。

図17の止まり穴の平面図である。

図18中のXIX−XIX線に沿った、図17の止まり穴の断面図である。

ねじ山作成工具の更なる実施形態の側面図である。

図20のねじ山作成工具を用いて溝およびねじ山が作成された止まり穴を有するワークピースの断面図である。

二つのねじ山作成領域とその前方の非切削溝作成領域とを有するねじ山作成工具の斜視図である。

図22のねじ山作成工具の側面図である。

図22および23のねじ山作成工具の正面図である。

二つのねじ山作成領域とその前方の非切削の凹形の溝作成領域とを有するねじ山作成工具の斜視図である。

対応する部分および寸法は、図1ないし25において同一の参照番号で示されている。

図1は、ワークピース2内のコアホール20の断面図である。コアホール20は、中心軸Mを包囲し直径がDである円筒形のコアホール壁21を有している。中心軸Mに対する径方向が、矢印および参照符号rで示されている。コアホール20は、切削過程により、具体的にはドリル工具またはミリング工具を用いて作成されるのが好ましい。

図2によると、続いて、二つの軸方向溝22、24がコアホール壁21内に形成される。軸方向溝22、24は、互いにおよび中心軸Mと平行に、中心軸Mに対して直径方向の両側に(すなわち、互いに対して180°オフセットされるように)形成され配置される。溝22、24の外径から測定した深さ、またはコアホール20の元の円筒形のコアホール壁21から測定した深さがtで示されている。この深さtは、溝22と24の両方で同一であることが好ましい。溝22の径方向外側の溝基部が22Bで示されており、これに対応する溝24の溝基部が24Bで示されている。図2内で溝22と24の間を反時計回りに延びるコアホール壁21の壁サブ領域が23で示されており、溝22と24の間で反対側に位置する壁サブ領域が25で示されている。

二つの溝を作成するために、図1および2には描かれていないねじ山作成工具3の二つの溝作成領域が使用される。コアホール20の中心軸Mと工具軸Aとを同軸にして、ねじ山作成工具がコアホール20内に軸方向に挿入される。これについては、図9ないし19に基づいてさらに詳細に説明する。

コアホール20の円周全体およびコアホール壁に対しての(すなわち、360°に対しての)溝22または24の円周成分に対応する角度成分βは、2%から12.5%の間であり、好ましくは7.5%から10%の間である。角度で表現すると、7.2°から45°の間であり、好ましくは27°から36°の間である。切削ねじ山作成工具(例えばタップ)の場合の溝22の角度成分βは、成形ねじ切り工具(shaping threading tool)または冷間成形ねじ切り工具(cold-forming threading tool)(例えば盛り上げタップ(cold-forming tap))の場合よりも、小さくすることも可能である。各壁サブ領域23、25の、残りの円周成分に対応する角度成分yは、(360°−2β)/2=180°−βである。

図3によると、続いて、工具軸Aの周りを回転するねじ山作成工具3が、コアホール20の中心軸Mに対して工具軸Aを同軸にして、コアホール20内に挿入される。ねじ山作成工具3は、工具軸Aに対して直径方向に配置された(または、互いに対して180°オフセットされた)二つのねじ山作成領域32、34を有している。より詳細には、ねじ山作成工具3は、ねじ山作成領域32、34の間に二つの円筒形外面33、35を有している。

ねじ山作成領域32、34は、外面33、35よりも径方向外側に突出している。ねじ山作成工具3の、外面33から外面35までの直径がdで示されている。ねじ山作成領域32、34は、螺旋状の線上に配置されたねじ切り歯32A、34Aを有している(いずれの場合も、図2の断面図では一つのねじ切り歯のみが見える)。螺旋状の線は、工具軸Aの周りに作成されるねじ山のねじピッチに対応する。上記のねじ山作成領域は、ねじ切り歯32A、34Aに隣接する外側自由面32B、34Bを有している。図2では、ねじ切り歯32A、34Aは、工具軸Aの周りの回転方向Sで観察したときに正面側に配置され、自由面32B、34Bは、いずれもねじ切り歯32A、34Aから後方に延びる。ねじ切り歯32A、34Aは、ねじ山作成工具3のねじ山作成領域32、34の、径方向で最も外側に突出している領域である。ねじ切り歯32Aまたは34Aの、ねじ山作成工具3の外周の残りの部分に対する(すなわち、ねじ山作成工具3の外面33、35に対する)径方向の高さがhで示されている。この高さは、ねじ山作成領域32、34の両方で同一であることが好ましい。

各溝22または24の溝基部22B、24Bに対するねじ切り歯32A、34Aの径方向の間隔が、Δrで示されている。この間隔は、溝22、24の両方で同一であることが好ましい。典型的に、径方向の間隔Δrは、溝深さtの1/20から1/5の間である。

ねじ山作成領域32は、径方向rで溝22内に突出し、ねじ山作成領域34は溝24内に突出する。各寸法に対して次式が当てはまる:d

コアホール壁21の壁サブ領域23とねじ山作成工具3の対向する外面33との間の径方向間隔すなわちギャップ幅と、コアホール壁21の壁サブ領域25とねじ山作成工具3の対向する外面35との間の径方向間隔すなわちギャップとが、gで示されている。これは、g=(D−d)/2に対応する。このギャップ幅gと、自由面32Bまたは34Bと溝基部22Bまたは24Bとの間の径方向間隔Δrとは、明瞭さのために誇張したスケールでそれぞれ図示されている。ねじ山作成工具3と、コアホール20のコアホール壁21または溝22、24との間の隙間は、通常はもっと小さい。0.01

図4は、ワークピース2のコアホール20内で、図3に示した位置に対して回転方向Sに角度αだけ回転したねじ山作成工具3を示している。

回転方向Sへの回転運動に加えて、ねじ山作成工具3は、軸方向送り運動または線形送り運動を用いて(図4の断面図では観察することができない)、工具軸Aおよび中心軸Mにと同軸にコアホール20の内部へと移動されている。

軸方向送り運動の送り速度は、同量の時間で工具3が全回転するように、すなわちα=360°の角度だけ回転するように、回転方向Sの回転運動の回転速度および所望のねじピッチPに対して適合される。軸方向の送りすなわち移動は、ねじピッチPに正確に対応する。このため、軸方向送り速度は、ねじピッチPの製品および工具3の回転数に対応している。

ねじ山作成工具3の回転角度αの回転運動と、これと同時のP・α/360°の軸方向送り運動の結果、コアホール20のコアホール壁21に、ねじ山のねじ山フライト(thread flight)の一部が作成される。具体的には、ねじ山フライトは、壁サブ領域25内の溝22から前進するとともに、壁サブ領域23内の溝24から前進する。図示のために、図4の断面図では、作成済みのねじ山フライト36の1ターンで既に作成されているサブ領域の全体が示されている。

ねじ山作成工具3は、互いに軸方向にオフセットされて配置されたねじ切り歯32A、34Aの軸方向列を、ねじ山作成領域32、34内に工具軸Aに対して軸方向に有している。

ねじ山作成工具3の半回転(α=180°)およびP/2の同時送り運動の間に、それぞれの列内のねじ切り歯32A、34Aの数に対応して、軸方向列内のねじ切り歯の数に対応する、ねじ山フライト36の複数のねじ山ターンが作成される。このねじ山ターンはいずれも溝22、24によって中断される。ここで、互いに直径方向の反対側に位置するねじ切り歯32A、34Aは、P/2だけオフセットされて配置される。これは、壁領域23および壁領域25内に別個に作成されたねじ山フライト36の半分のターンが、ねじピッチPを持つ螺旋の線上の所望のねじ山プロファイルに沿って、溝22、24の後で一つになるようにするためである。

ここで、ねじ切り歯32Aまたは34Aの径方向高さhは、ねじ山フライト36の溝基部36Bの、コアホール壁21からの間隔を決定する。

図2ないし4の例において、コアホール20内の溝22と24の間での間隔角度180°の工具3の回転は、上記溝の間にある壁サブ領域23、25の全体をカバーする。この結果、壁サブ領域23、25内にねじ山フライト36が完全に作成される。

半回転した後の状態が図5に示されている。

以前は溝22内に突出していたねじ山作成領域32が、今や直径方向反対側の溝24内に突出し、また、以前は溝24内に突出していたねじ山作成領域34が、今や溝22内に突出しており、それぞれ溝基部24B、22Bに対して径方向の間隔Δrを有している。

この結果、作成されたねじ山フライト36を傷つけることなく、溝24、22に沿ってねじ山作成領域32、34を軸方向外側に移動させることができるので、次のステップで、コアホール20からねじ山作成工具3を中心軸Mに対して軸方向に引き出すことが可能になる。

一般に、溝の数がn>2の場合、およびコアホール壁21内の溝の分布が等間隔または一様である場合、溝の間に完全なねじ山フライトを作成し、かつコアホールから工具を再び引き出すために、360°/nの角度間隔と360°/nの回転で十分である。

溝が非等間隔に配置または非一様に分布している場合、溝内にねじ山作成領域を挿入し引き出すことができるようにするためには、軸対称であるかn回回転対称であって各ねじ山作成領域がわずかな角度の回転の後でも関連する溝内に突出する場合を除き、一般に完全な360°の回転が必要になる。

一つの利点は、対応するチップの成長およびワークピース内へのねじ切り歯の侵入深さの成長を実現するために、並びに、切削圧力が大きくなりすぎないようにするために、最終的に改良タップであるねじ山作成工具3が、タップの端部から前進する円錐面に沿ってねじ切り歯の最大径方向間隔が増大する部分であるランオンコーン(run-on cone)または切削開始領域を有する必要がないことである。

事前に作成された溝22、24内にねじ山作成領域32、34を係合させる本発明に係るねじ山作成工具3の場合、ねじ切り歯32A、34Aの径方向高さhのように、完全なねじ山プロファイル深さを持つねじ山フライトを一様に作成することができる。また、ねじ山の軸方向ねじ長にわたり観察すると、コアホール20のような止まり穴の場合であっても、従来のタップであればタップのカットスタータ(cut-starter)またはランオンコーンによって作成される不完全なねじ山フライトを持つサブ領域を失うことがない。こうして、180°の回転にわたり作成されるねじ山フライト36が、軸方向ねじ長の全体にわたって完成する。これは、二つの溝22、24の領域内でねじ山フライト36が中断するために生じる特定の強度上のデメリットを上回る利点である。

さらに、溝22、24を作成する追加ステップが必要であるにもかかわらず、溝22、24を持たない円形のコアホールに従来のタップを用いてねじ山を作成する場合よりも短時間で、実際のねじ山作成プロセスを実行することができる。

さらに、有利なことに、具体的にはオイルまたはオイルエアロゾルの形態である冷却液および/または潤滑剤を、溝22、24を通してねじ山作成部位へと導くことが可能であり、またチップ排出のために上記の溝を使用することができる。さらに、少なくとも最後に生成されるチップをねじ切り歯によって溝22、24内に導入し、冷却液および/または潤滑剤を用いて比較的大量のチップをそこに排出することも可能である。

ねじ山作成領域32、34へのまたはそこからの冷却液および/または潤滑剤の輸送のために、および/または、ねじ山作成領域32、34からのチップの排出のために、ねじ山作成工具3が、ねじ山作成領域32、34上にまたはそこに向けて延びる外側の溝および/または内側のダクトを有していてもよい。

図1ないし5のコアホール20は、貫通穴または止まり穴のいずれであってもよい。ワークピースの壁は、図示のように、雌ねじが作成されるワークピース内の連続的なまたは非連続的な穴の内壁であってもよい。しかしながら、本工具は雄ねじの作成にも同様に使用することができる。雄ねじでは、シャンクまたはボルトなどの外壁に溝、続いてねじ山が作成される。ねじ山作成工具のねじ山作成領域が、これと対応して内面に配置されるか内側に向けられ、ワークピースの外壁に外側から工具が係合する。ねじ山作成工具は、ワークピースの壁よりも直径が大きいが、雌ねじの場合には、ねじ山作成工具はワークピースの壁よりも直径が小さい。

図6ないし8は、本発明に係る工具を用いて貫通穴であるコアホール20内に作成されたねじを、ねじ山作成工具3が既に引き出された状態で示す。

コアホール20のコアホール壁21の壁サブ領域23、25に、ねじ山フライト36が完全に作成されており、溝22、24の領域のみでねじ山が中断している。コアホール20の中心軸Mは、(中断した)ねじ山フライト36を持つ作成済みのねじのねじ軸でもある。ねじ山フライト36のねじピッチPが図8に示されている。

さらなる実施形態では、図3ないし5に示した本発明に係る改良タップの代わりに、ねじ山作成工具として、本発明に係る改良された盛り上げタップ(cold-forming tap)が用いられてもよい。この場合、ねじ山作成領域は、ねじ切り歯の代わりに、径方向外側に突出する加圧ローブ(pressing lobe)または冷間成形歯(cold-forming teeth)を備えている。加圧ローブまたは冷間成形歯は、ねじ山作成工具の回転運動および同時の軸方向送り運動の間に、コアホール壁21内への塑性押し込みによって、非切削態様でねじ山フライトを作成する。具体的には、溝の溝基部に対して径方向の間隔を空けて、ねじ山作成領域の中心に加圧ローブが配置されてもよい。

図9および10は、非切削態様で動作する盛り上げタップとして設計された、本発明に係るねじ切り工具3の例示的な実施形態を示す。

ねじ切り工具3は、例えば円筒形である後部9と、後部9に隣接して直径が小さくなる前部8と、を有するシャンク5を備え、シャンクを通して工具軸Aが延びる。後部9の端部には、ねじ切り工具3を駆動する工作機械、具体的には工具軸Aの周りにねじ切り工具3を回転させる工作機械のクランプ手段(具体的にはチャックまたはクランピングジョー)でシャンク5をクランプするための多角形部7または他の形のクランプ領域が形成されている。

前部8は、後部9とは反対側を向き正面に配置される前面6に向けて(すなわち自由端に向けて)、二つのねじ山作成領域32、34を有している。ねじ山作成領域32、34は、ねじ山作成リッジの軸方向列(いずれも工具軸Aと平行に延びる)の形態をしており、工具軸Aの両側に互いに正反対の位置に配置されている。

ねじ山作成リッジは、所望のねじのねじピッチに沿って延び、工具軸Aに対して直角の平面に関してねじピッチ角度だけ傾いている。ねじ山作成リッジは、いずれも一つの加圧ローブまたは成形ウェッジ(shaping wedge)を有している。加圧ローブまたは成形ウェッジは、工具軸Aに対して径方向の最も外側に突出しており、ワークピース内にねじ山フライトを塑性的に付ける。

正面6から突出するねじ山作成領域32の最初の三つのねじ山作成リッジの加圧ローブが、図9内に32−1、32−2、32−3で示されている。ねじ山作成領域34の最初の三つのねじ山作成リッジの加圧ローブは、34−1、34−2、34−3で示されている。図10では、一番前の加圧ローブ32−1、34−1のみを見ることができる。

二つのねじ山作成領域32、34のねじ山作成リッジの半径、すなわち工具軸Aからの間隔は、一定であるか互いに等しい。この点で、正面6で最も前方に位置する成形ウェッジまたは加圧ローブ32−1、32−2、32−3、34−1、34−2、34−3の半径でさえ、互いに等しい。図9および図10の両方に示すように、盛り上げタップすなわちねじ山作成工具3は、初期形成円錐部(initial-forming cone)を有しておらず、したがって最初のねじ山形成ウェッジにおいて半径が増大していない。むしろ、ねじ山作成領域32、34のいずれにおいても、全てのねじ山作成リッジの加圧ローブの半径が同一、すなわち全軸長にわたり一定である。ねじ山作成リッジの加圧ローブ32−1、32−2、32−3を含む、最も外側に突出する成形ウェッジまたは加圧ローブは、工具軸と平行に延びる(つまり、径方向の間隔が一定である)ローブ軸B上に位置している。ねじ山作成領域34の加圧ローブ34−1、34−2、34−3を持つねじ山作成リッジにも同じことが当てはまる。

二つのねじ山作成領域32、34は、介在する外面33、35によって分離されている。外面33、35は、ねじ山作成領域32、34よりも工具軸Aからの半径が小さい、つまり外径が小さい。すなわち、外面33、35は、ねじ山作成領域に対して径方向に凹んでいる。このため、ねじ山作成領域32、34は、ねじ山作成工具3の前部8において径方向に最も外側に突出する部分であり、外面33、35は、ねじ山作成領域32と34の間に空き空間を形成している。

ここで、図10に示すように、ねじ山作成領域32、34はいずれも角度範囲δをカバーしており、外面33、35はいずれも角度範囲εをカバーしている。好ましくは、ε<δ<2.5εであり、および/または、溝(図2)に関して、δ<βおよびγ<εである。加圧ローブ32−1、34−1は、それぞれの角度範囲δの中心または中間に位置することが好ましい。

ねじ山作成領域32、34の間にある、ねじ山作成工具3の外面33、35は、特殊な形状を有している。図9に示すように、外面33、35は、最初にねじ山作成領域32、34の一方に直接隣接して内向きに凹む部分を形成し、続いて外向きに凸状に膨らんでバルジ(隆起)52、54に至る。

図10では、中間の凹部がない、凸状の外向きバルジのみが設けられている。

凸状のバルジ52、54によって、優れた剛性が実現される。

二つのねじ山作成領域32、34のねじ山作成リッジの直径または半径は一定である。すなわち、正面6で最前方に位置している外向きに突出する成形ウェッジ32−1、32−2、32−3の外径は、いずれも同一である。このように、盛り上げタップすなわちねじ山作成工具3は、ねじ基部におけるねじ山フライトの連続的な深化または差し込み(working-in)のために、最初のねじ山成形ウェッジにおいて外径が増加する初期形成円錐部またはランオン領域を有していない。むしろ、最初の三つのねじ山作成リッジ32−1、32−2、32−3に基づき示されるように、全てのねじ山作成リッジおよび成形ウェッジの半径が、ねじ山作成領域32、34のいずれでも同一、すなわち全軸長にわたり一定である。ねじ山作成リッジの最も外側に突出する成形ウェッジまたは加圧ローブは、工具軸Aと平行にすなわち一様な径方向間隔を有して延びるローブ軸B上に位置している。同じことが、ねじ山作成領域34のねじ山作成リッジにも当てはまる(図9には表れていない)。空き空間52、54およびねじ山作成領域32、34の特殊な形状により、図1ないし8のようなねじ山作成のために、図9または図10に示すねじ冷間成形工具3を使用することが可能になる。すなわち、ワークピース2内に事前に作成された溝22、24内に、ねじ山作成領域32、34が軸方向に挿入され、続いて、ねじ山作成領域32、34が再び関連する溝22、24内で停止するまで、または反対側の溝24、22内で停止するまで、ねじ山作成工具3が上述した態様で回転される。その後、ワークピース2から工具3を再び軸方向に引き出すことができる。

図11ないし16は、本発明に係る複合工具4の様々な実例を示す。複合工具4の前部8には、二つの切削ねじ山作成領域32、34に加えて、ねじ山作成領域32の軸方向前方に溝作成領域42が、ねじ山作成領域34の軸方向前方に溝作成領域44が、正面6に配置されている。

各溝作成領域42、44は、軸方向前方を向き正面6に位置している溝切刃42A、44Aを有している。溝切刃42A、44Aは、径方向で最も外側に突出している領域であり、また、前部8において工具3の径方向外側に位置するこれらの領域のうち、軸方向で最も前方に位置する領域でもある。

溝切刃42A、44Aは、少なくとも略円形であってもよい。図15に示すように、溝切刃42Aの半径r0は、第1ねじ山作成サブ領域321の半径r1よりも、半径差Δrだけ大きく、また、第2ねじ山作成サブ領域322の半径r2(図15では、半径r1と同一である)よりも、半径差Δrだけ大きい。

各溝切刃42A、44Aには、工具軸Aの周りの回転方向Sにおいて前方にある側面切刃42D、44Dが、円周方向において横方向に隣接している。また、工具軸Aの周りの回転方向Sにおいて後方にある側面領域42E、44Eが、円周方向で横方向に隣接している。

ねじ山作成のために行われる回転方向Sへの工具4の回転の間、正面切刃42D、44Dがワークピース内を横方向に切削する。チップを排出するためのレーキ面42F、44Fが径方向内側で正面切刃に隣接する。一方、後面領域42E、44Eは鈍角であり、好ましくは凸形である。なぜなら、後面領域は追従するだけであり、切削を行う必要がないからである。

溝切刃42A、44Aの軸方向後方には、自由表面42B、44Bが隣接している。図15に示すように、自由表面42B、44Bは下方に傾斜している。具体的には、半径r0から第1加圧ローブ32−1の半径r1よりも小さい半径になるまで線形にまたは円錐状に傾斜している。

溝切刃42Aの径方向内側には、正面レーキ面42Cが隣接している。溝切刃44Aの径方向内側には、レーキ面44Cが隣接している。レーキ面は、軸方向後方に直線状にまたは凹状に曲がって延びる。溝切刃42A、44Aを用いた溝のリーミング中に生成されるチップがレーキ面上に排出される。レーキ面42C、44Cは、軸方向前方の最低点から、工具軸Aと直交する平坦な中心領域51まで延びる。中心領域は、工具4の中心ダクト50の中心開口部を包囲している。中心ダクト50を経由して冷却液および/または潤滑剤を供給することができる。

図11ないし16に係る複合工具4における二つのねじ山作成領域32、34は、好ましくは切削作用を付与するように設計されており、工具軸Aの周りの回転方向Sにおいて前方に配置された複数のねじ切り歯32A、34Aを有している。ねじ切り歯の外側切刃は、作成されるねじのプロファイルの形状に一致する。ねじ切り歯32A、34Aにより生成されるチップ用の、径方向内側に延びるレーキ面が、それぞれ32C、34Cで示されている。ねじ切り歯32A、34Aの回転方向Sと逆側には、外側自由面32B、34Bが隣接している。外側自由面32B、34Bは、回転方向Sにおいて後方にありわずかに外向きに膨らんでいる側面領域32E、34Eで終了する。

正面6から前進して観察すると、それぞれ一つのねじ切り歯を有する、ねじ山作成領域32の最初の三つのねじ山作成サブ領域が、32−1〜32−3で示されている。

ねじ切り歯32A、34Aは、ねじ山作成領域32、34の径方向で最も外側に突出している領域である。図16から明瞭に分かるように、溝作成領域42、44は、ねじ山作成領域32、34よりも径方向にさらに外側に突出している。

二つのねじ山作成領域32と34は、介在する工具4の外面33、35によって互いに分離されている。ねじ山作成領域の前方に位置する溝作成領域42、44は、介在する工具4の外面43、45によって互いに分離されている。外面33、35と外面43、45とは、ねじ山作成領域32、34および溝作成領域42、44よりも、工具軸Aからの半径が小さく、すなわち外径が小さく、切削ねじ山作成領域32、34と溝作成領域42、44との間に空き空間を形成する。空き空間は、チップの排出の役目も果たす。

製造を簡単にするために、ねじ山作成領域32、34、溝作成領域42、44、外面33、35、および外面43、45の、回転方向Sの前後にある側方領域の形状および輪郭は、互いに適合されることが好ましい。具体的には、工具軸Aに沿った直角投写内で上下に位置するかまたは合同であることが好ましい。すなわち、例えばレーキ面32Cと42F、側面領域32Eと42E、外面33と43、および外面35と45が、互いに適合される、具体的には共に削られる。

複合工具3の外面33、43と外面35、45はそれぞれ、切刃に直接隣接する凹状に内向きに延びる部分、すなわち溝切刃42D、44Dとねじ切り歯32A、34Aを最初に形成する。この部分は、それぞれレーキ面32C、42Cと、レーキ面42F、44Fとを形成し、続いて、凸状に外向きに膨らんでバルジ52、54に至る。その後、他方の側で外側に延び、凸状の側面領域32E、34Eと側面領域42E、44Eとに至る。凸状のバルジ52、54のために、トルクに対する優れた剛性と安定性が実現する。

工具4の軸方向送り運動と軸方向のリーミングすなわち切削プロセスの間、溝切刃42D、44Dの輪郭が、溝22、24の溝輪郭にそれぞれ反映される。それに続く回転運動の間、ねじ切り歯32A、34Aがねじ山フライト36を作成する。

図11ないし16に示す実施形態では、溝切刃42A、44Aが、工具軸Aと直交する共通の平面内に位置する。すなわち、軸方向で同じ高さにある。このため、切刃の裏側すなわち溝切刃の背後に位置する溝作成領域42、44の自由面42B、44Bは、ねじピッチに対応した異なる長さになる。しかしながら、図示しない実施形態では、溝作成領域42、44の軸長を等しくできるように、溝切刃42A、44Aが、互いに対してねじピッチ分だけ軸方向にオフセットされて配置されていてもよい。

本発明によると、溝作成領域は、一つの溝(例えば22または24)と次の溝(例えば24または22)の間のわずかな回転のみでねじ山を加工する。ねじ山の螺旋の一部を形成するとともに溝によって互いに中断または分離される、個々のねじ山フライト部分が作成される。各ねじ山作成領域と、各ねじ切り歯、ねじ山成形歯またはウェッジは、次の溝までの回転の間のみ、関連する個別に作成されるねじ山フライト部分を作成する。すなわち、溝がn個の場合、360°/nの回転角度にわたり、ねじ山作成領域およびそのねじ切り歯またはねじ山形成ウェッジがねじ山フライト部分を通過し、一度だけねじ山フライト部分を作成する。次の一つの溝までの各ねじ山作成領域の回転の間、すなわち720°/nの工具の回転の間、二つの溝の間のねじ山フライト部分を、二つの連続するねじ山作成領域およびそれらのねじ切り歯またはねじ山成形ウェッジのみが通り抜け、これを連続的に加工する。反対に考えると、各ねじ山作成領域と、各ねじ切り歯またはねじ山成形歯またはねじ山成形ウェッジが、二つの連続する個別のねじ山フライト部分でワークピースの表面を加工する。すなわち、一つは、i=1(1≦i≦n)の第1溝とi=2の次の溝との間であり、もう一つはi=2の次の溝とその次の一つの溝(i=3、但しn=2の場合には再びi=1)との間である。m360°/nだけ回転する一般的なケース(但し、mは整数)では、並んで位置するm個のねじ切り歯またはねじ山成形ウェッジが、同一のねじ山フライト部分を加工する。極めてまれな状況では、mが2より大きくなるように選択されるか、または多くて3であるが、常にm=1で十分である。

一つのみのねじ切り歯またはねじ山成形ウェッジ(または、最大でm個のねじ切り歯またはねじ山成形ウェッジ)の外形が、上記の歯またはウェッジによって作成されるねじ山フライト部分の最終的なねじ山プロファイルを既に定義している。

こうして、本発明によると、実用的に任意の事前に定義されたねじ山プロファイルを持つ個々のねじ山フライト部分でねじ山を構成することが可能になる。各ねじ山フライト部分のねじ山プロファイルは、他のねじ山フライト部分から独立して、360°/nの回転中にねじ山フライト部分に割り当てられる単一のねじ切り歯またはねじ山成形ウェッジ(または、m360°/nだけ回転する場合、最大でm個の関連するねじ切り歯またはねじ山成形ウェッジ)の外形プロファイルと相補的になるように反映され成形される。

既知のタップまたは盛り上げタップの場合、ねじ山フライト部分への歯の個別割り当ては不可能である。さらに、従来技術に係る工具の場合、正面に最も近い軸方向前方に位置する軸方向最前面のねじ切り歯またはねじ山成形歯は、回転運動中に、ねじ長の全体にわたりねじ山フライトの全体を通して導かれ、最後のねじ山に対応する、パイロットねじ山プロファイルを持つパイロットねじ山フライトを作成する。上記のパイロットねじ山フライトおよびパイロットねじ山プロファイルは、ねじ山プロファイルのねじ山基部および/またはねじ山フランクにおいて、後続のねじ切り歯またはねじ山成形歯によって、さらに加工されるかまたは再加工される。例えば、前から二番目のねじ切り歯またはねじ山成形歯は、最前のねじ切り歯またはねじ山成形歯と前から二番目のねじ切り歯またはねじ山成形歯との間の距離をパイロットねじ山の全長から引いた長さにわたり、最前のねじ切り歯またはねじ山成形歯によって作成されたパイロットねじ山フライトを通り抜ける。ねじ山の螺旋に沿って配置されワークピース上の同一点で引き続き加工を実行するねじ切り歯またはねじ山成形歯によって、ねじ山フランクを持つねじ山フライトのねじ山プロファイルがワークピース内に引き続き加工される。この加工順序は、既知のねじ切り工具のランオン領域で特に顕著である。

本発明により、ねじ長にわたるねじ山の軸方向分割が可能になる。これは、タップまたは盛り上げタップでは今まで不可能であった。原理的に、任意の所望のねじ山プロファイルを、任意の所望の順序または組み合わせで、異なるねじ山部分に作成することができる。工具の前進方向すなわちねじ山内への方向において第2ねじ山フライト部分の前に位置する第1ねじ山フライト部分が、第2ねじ山フライト部分よりも(具体的にはねじ山基部において、適切な場合にはねじ山フランクにおいて)小さな寸法または外寸を持つねじ山フライトを有しているようなねじ山を、作成することさえ可能である。これは、既知のタップまたは盛り上げタップでは技術的に不可能である。

図20は、本発明に係るそのような改良を図解するため、本発明に係るねじ山作成工具14のさらなる例示的な実施形態を示し、図21は、図20のねじ山作成工具14を用いてワークピースの止まり穴に作成されたねじ山を示す。

図12に示したねじ山作成工具4を開始点とする、図20に示すねじ山作成工具14のさらなる実施形態では、溝作成領域42の軸方向後方にあるねじ山作成領域32と、溝作成領域44の軸方向後方にあるねじ山作成領域34とが、工具軸Aに対して互いに軸方向にオフセットして配置された二つのねじ山サブ領域72と82、二つのねじ山サブ領域74と84に、それぞれ分割されている。

正面6の側に配置され、関連する溝作成領域42または44に直接隣接して配置される前方ねじ山作成サブ領域72または74では、図12と比べると、ねじ山切削プロファイルまたは外形プロファイルにおいて、歯の先端領域に一つの平坦部32Fまたは34Fが存在するねじ切り歯32A、34Aが設けられている。平坦部は、ワークピース内に相補的に作成されるねじ山フライトのねじ山基部に反映される。

一方、正面6とは反対側の、前方ねじ山作成サブ領域72または74の背後に位置する後方ねじ山作成サブ領域82または84では、作成されるねじ山の完全なねじ山プロファイルに対応するねじ山切削プロファイルまたは外形プロファイルがねじ切り歯32Aまたは34Aに与えられている。図20の例では、ねじ切り歯32A、34Aは、より鋭いか外縁またはスパイン(尾根)に融合する歯先端32Gを有している。歯先端は、ワークピース内のねじ山フライトの対応して形成されるねじ山基部に反映される。

前方ねじ山作成サブ領域72、74の軸長がL1で示されている。また、後方ねじ山作成サブ領域82、84の軸長がL2で示されている。厳密に述べると、180°オフセットされている二つのねじ山作成サブ領域72、74、または82、84は、一つのねじピッチの半分P/2だけ互いに対して軸方向にオフセットされている。ねじピッチPは、ねじ切り歯32A、34Aの互いに対する軸方向間隔の二倍である。

図21に示すねじ山36を作成するために、図20のねじ山作成工具14が、工具軸Aを中心軸と同軸にしてまたは中心軸と一致させて、中心軸Mに対して軸方向に、ワークピース2のコアホール20内へと最初に送られる。ここで、溝作成領域42、44が、コアホール壁21に関連する軸方向溝22、24を作成する。正面6側の工具の前方で観察すると、ねじ山作成領域32が溝22内で溝作成領域42の背後に配置され、ねじ山作成領域34が溝24内で溝作成領域44の背後に配置される。

続いて、工具軸Aの周りで工具が180°回転され、その過程で、ねじ山作成領域32が溝24内に配置され、ねじ山作成領域34が溝22内に配置されるまで、すなわち上記のねじ山作成領域が正反対になるまで、工具が前方(または後方)に移動、すなわちコアホール20内に(または外に)ねじピッチの半分P/2だけ移動される。

この加工運動の間、前方ねじ山作成サブ領域72の各ねじ切り歯32Aが、ねじ36のねじ山サブ領域76(サブ領域76は順方向の前方にある)内で溝22と溝24の間に正確に一つの関連するねじ山フライト部分を作成する。また、前方ねじ山作成サブ領域74の各ねじ切り歯34Aが、溝24と溝22の間に正確に一つの関連するねじ山フライト部分を作成する。各ねじ山フライト部分は、関連するねじ切り歯32A、34Aの外形プロファイル(本実施例では、例えば台形の締まり嵌めねじ)に正確に対応するねじ山プロファイルを有している。ねじ切り歯32A、34Aの外側平坦部32F、34Fが、ねじ山フライト部分の対応する平坦なまたは浅いねじ山基部36Fに反映されている。ここで、ねじ36の前方ねじ山サブ領域76の軸長は、ねじ山作成工具14のねじ山作成サブ領域72、74の長さL1に実質的に対応しており、例えば図示のように、合計で16個のねじ山フライトまたはねじピッチPであってもよい。しかし、長さL1およびねじピッチPの数は限定されない。前方ねじ山サブ領域76の、中心軸Mと直角にねじ山基部36Fから反対側のねじ山基部36Fまでを測定した直径がEで示されている。

ねじ山作成工具14の同一の加工運動の間、順方向に対して後方にあるねじ36のねじ山サブ領域86では、後方ねじ山作成サブ領域82の各ねじ切り歯32Aが、溝22と溝24の間に正確に一つの関連するねじ山フライト部分を作成する。また、後方ねじ山作成サブ領域84の各ねじ切り歯34Aが、溝24と溝22の間に正確に一つの関連するねじ山フライト部分を作成する。再び、各ねじ山フライト部分は、関連するねじ切り歯32A、34Aの外形プロファイル(本実施例ではメートルねじ)に正確に対応するねじ山プロファイルを有している。ねじ切り歯32A、34Aの稜線(ridge)状の歯先端32G、34Gが、後方ねじ山サブ領域86内のねじ山フライト部分の対応するねじ山基部36Gに反映される。ねじ36の後方ねじ山サブ領域76の軸長は、ねじ山作成工具14の後方ねじ山作成サブ領域82、84の長さL2に実質的に対応しており、例えば図示のように、合計で3個のねじ山フライトまたはねじピッチPであってもよいが、一般的な性質を限定するものではない。後方ねじ山サブ領域86の、ねじ山基部36Gから反対側のねじ山基部36Gまでを中心軸Mと直角に測定した直径がFで示されている。

ねじ山サブ領域76、86にこのようにして作成された全てのねじ山フライト部分は、ねじピッチがPである共通のねじ山螺旋上に位置する。

図示した例示的な実施形態では、前方ねじ山サブ領域76の直径Eが、後方ねじ山サブ領域86の直径Fよりも小さい。こうすると、前方ねじ山サブ領域76では、スクリューまたはねじ切りボルト用のクランプ作用を実現できる一方で、完全なねじ山として形成された後方ねじ山サブ領域76では、このようなクランプ作用は生じない。

図示した例示的な実施形態とは対照的に、ねじ山プロファイルの他の実用的な任意の軸方向分布を持つねじ山を作成することが可能である。例えば、後方ねじ山サブ領域86内でクランプ作用が生じるように、前方ねじ山サブ領域76におけるねじ山プロファイルと、後方ねじ山サブ領域86におけるねじ山プロファイルとを、単に逆にしてもよい。

ねじ切り歯32A、34Aを用いてねじ山作成領域32、34を切削する代わりに、またはこれに加えて、全ての実施形態において、ワークピースに成形作用を付与するねじ山作成領域32、34を設けてもよい。すなわち、ワークピースを押し込んでワークピースを塑性変形させ、例えば図9または図10に示したようなねじ山加圧ローブを有するねじ山作成領域32、34を設けてもよい。

さらに、2より多数の(例えば3つまたは4つの)ねじ山作成領域を設けることも可能である(いずれの場合も、複合工具の場合はその前方に溝作成領域が配置される)。ねじ山作成領域が一様分布で(すなわち、一様な角度間隔で)配置されてもよいし、非一様な分布で配置されてもよい。

図示しないさらなる実施形態では、既知の盛り上げタップまたはタップのように、工具の複数回の回転中に連続するパスでねじ山フライトの深さを作成するために、ランオン円錐領域におけるねじ山加圧ローブまたはねじ切り歯の径方向外側の寸法が、最終的なねじ山深さに対応する最大の外寸になるまで、増加するようにしてもよい。この実施形態は、ねじ長が比較的大きい場合に特に適しており、ねじ山作成過程の間に工具に作用するトルクを低減する。

最後に、工具の切削またはチップ除去による溝作成領域の代わりにまたはこれに加えて、非切削態様で動作し、特に塑性変形または圧痕(impression)によって材料に溝を加工する溝作成領域を設けることも可能である。

非切削態様で動作するこのような溝作成領域42、44を有する工具4の二つの例示的な実施形態が、図22ないし25に示されている。

各溝作成領域42、44は、工具軸Aの周りに実質的に円周方向に延びる中心成形スパイン(または成形リッジ、加圧リッジ)42G、44Gを有している。工具軸Aの軸方向で観察すると、成形スパイン42G、44Gは、溝作成領域42、44の径方向で最大の隆起である。すなわち、成形スパイン42G、44Gは、工具軸Aに対して最大の径方向間隔を有し、径方向で最も外側に突出している。

各溝作成領域42、44は、成形スパイン42G、44Gの軸方向前方に、前面42F、44Fを有している。前面42F、44Fは、前面プロファイル42G’、44G’から成形スパイン42G、44Gまで軸方向に上昇する。前面プロファイル42G’、44G’は、工具4の正面6上で成形スパイン42G、44Gよりも径方向のさらに内側に位置し、ランオン表面を形成している。溝作成領域42、44は、ランオン表面を用いて最初にワークピースの表面を押し込み、変形力をゆっくりと増加させる。

成形スパイン42G、44Gの背後では、溝作成領域42、44の後面42H、44Hが軸方向に隣接している。後面42H、44Hは、成形スパイン42G、44から軸方向に下方に傾斜している。

成形スパイン42G、44G自体は、円周方向で観察すると、径方向の最も外側に突出する隆起、具体的には最大部42I、44Iを有している。成形スパインは、両円周方向で最大部42I、44Iから径方向下方に傾斜している。具体的には、一つのフランク(側面)42J、44Jでは、最大部42I、44Iよりも径方向のさらに内側に位置する後方終点42L、44Lまで下方に傾斜し、別のフランク42K、44Kでは、最大部42I、44Iよりも径方向のさらに内側に位置する前方終点42M、44Mまで下方に傾斜している。図24の例では、終点42M、44Mは、終点42L、44Lよりも径方向にさらに内側に位置しており、フランク42J、44Jはフランク42K、44Kよりも短い。すなわち、最大部42I、44Iは、溝作成領域42、44の後部領域42E、44Eと後方終点42L、44Lにより接近して位置している。溝作成領域42、44のこの非対称な形状のために、溝の成形中の工具の剛性が高まり、および/または、後に続くねじ山作成領域32、34に適応している。対称的な設計も可能である。

正面プロファイル42G’、44G’は、成形スパイン42G、44Gと同様の形状であり、最大部42I’、44I’と、最大部から終点42L’、44L’まで下方に傾斜しているフランク42J’、44J’と、最大部から終点42M’、44M’まで下方に傾斜しているフランク42K’、44K’と、を有している。前面42F、44Fは、対応する最大部42Iと42I’、44Iと44I’を接続し、対応する終点42Lと42L’、44Lと44L’を接続する。自明なことに、前面42F、44Fは、その間にあるフランク42Jと42J’、44Jと44J’、42Kと42K’、44Kと44K’を接続する。

図22ないし24の例示的な実施形態では、前面42F、44Fが、正面プロファイルと成形スパインとの間で軸方向に実質的に直線的に延びるか、図25の例示的な実施形態のように内向きの凹形の曲線状に延びる。変形力の所望の成長または軸勾配に応じて、前面42F、44Fは、これらのまたは他の多数の異なる形状をとることができる。

成形スパイン42G、44Gと前面42F、44Fからなる円周方向の両側で下方に傾斜するくさび形状によって、溝作成領域42、44をワークピース内へと軸方向に移動させるときに、ワークピース材料を側方にすなわち円周方向に流すことが可能になる。

図22ないし25の例示的な実施形態では、工具4のねじ山作成領域32、34は、図11ないし14の切削作用を付与するように設計されている。しかし、例えば図20のような他の設計であってもよいし、図9のような非切削態様で動作するように設計してもよい。

ワークピースの好適な材料は金属、具体的にはアルミニウム合金、マグネシウム合金、および他の軽金属であるが、本発明はこれらの材料に限定されない。さらに、ワークピースとして、特に鋼鉄または他の材料からなる圧肉または中実のワークピース、薄肉の部品または金属板の両方を使用することができる。

2 ワークピース、 3、4 ねじ山作成工具、 5 シャンク、 6 正面、 7 多角形、 8 前部、 9 後部、 14 ねじ山作成工具、 20 コアホール、 21 コアホール壁、 22、24 溝、 22B、24B 溝基部、 23、25 壁領域、 32、34 ねじ山作成領域、 32−1、32−2、32−3 加圧ローブ、 32A、34A ねじ切り歯、 32B、34B 自由面、 32C、34C レーキ面、 32E、34E 側面領域、 32F、34F 平坦部、 32G、34G 歯先端、 33、35 外面、 36 ねじ山フライト、 36F ねじ山基部、 42、44 溝作成領域、 42A、44A 溝切刃、 42B、44B 自由面、 42C、44C レーキ面、 42D、44D 正面切刃、 42E、44E 後方側面領域、 42F、44F 前面、 42G、44G 成形スパイン、 42G’、44G’ 正面プロファイル、 42H、44H 背面、 42I、44I 最大部、 42I’、44I’ 最大部、 42J、44J フランク、 42J’、44J’ フランク、 42K、44K フランク、 42K’、44K’ フランク、 42L、44L 終点、 42L’、44L’ 終点、 42M、44M 終点、 42M’、44M’ 終点、 43、45 外面、 50 ダクト、 51 中心領域、 52、54 バルジ、 55 ドリル領域、 56 切削領域、 62、64 バルジ、 72、82 ねじ山作成サブ領域、 74、84 ねじ山作成サブ領域、 76、86 ねじ山サブ領域、 321、322 ねじ山作成サブ領域、 A 工具軸、 B ローブ軸、 D コアホール直径、 E、F ねじ山直径、 d 工具直径、 g ギャップ幅、 S 回転方向、 M 中心軸、 P ねじピッチ、 t 溝深さ、 r 半径、 r0、r1、r2 半径、 h 径方向高さ、 Δr 径方向間隔、 L1、L2 軸長、 α 回転角度、 β、γ 角度、 δ、ε 角度。