JP2007298141A - ドリルねじ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板材を構造材等の基材に締結するためのドリルねじにおいて、ドリル部の切削性の確保、十字穴等の係合穴の潰れ防止、せん断強度のアップを図る。
【解決手段】ドリルねじは、先端部をドリル部３と成した軸１と、軸１の基端に一体に設けた頭部２とを備えており、軸１にはねじ山４，５が形成されており、頭部２には十字穴７が形成されている。ドリルねじは、炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼の線材を素材としており、焼き入れしてから焼き戻すことによって硬度をＨｖ２５０〜４００に調整している。硬さと靱性とのバランスが取れており、せん断に対する高い抵抗を保持しつつ、大きなトルクが掛かってもドライバビットによって十字穴７が潰れることはなく、かつ、ドリル部３の切削性も良い。
【選択図】図１

Description

本願発明は、先端部に切刃付きのドリル部が形成されているドリルねじ及びその製造方法に関するものである。

下穴加工なしで各種ワークを基材に締結できる自己穿孔ねじとして、軸の先端部に切刃付きのドリル部を形成して、ドリル部によってワークや基材に下穴を切削加工するようになっているドリルねじがある。このドリルねじは、薄鋼板製の基材に各種のワークを締結することに多用されている。

従来、ドリルねじが使用される鋼板製基材は例えば厚さが２〜５ｍｍ程度あるものが多く、そこで、切削機能を高めるため、焼き入れによって硬度を高くしている（例えば特許文献１，２）。

他方、例えば木材同士を締結することに木ねじに代表されるもみ切り式の自己穿孔ねじが多用されている。このもみ切り式の自己穿孔ねじは、炭素鋼やステンレス鋼のような各種の鉄系素材で製造されており、一般には熱処理は施されておらず、防錆を目的としてメッキ等の表面処理を施しているに過ぎない。これは、もみ切り式の自己穿孔ねじは元々、木製部材のような軟質材に使用されているからに他ならない。

しかし、もみ切り式の自己穿孔ねじは、ワークや基材の組織を押し広げることによって当該ワークや基材に進入して行くものであるため、ワークや基材が硬い場合はねじ込み抵抗が高く、また、ワークや基材に割れが生じることがあるという問題があった。そこで、木材同士の締結や薄鋼板製基材への締結にドリルねじを使用することが行われている（例えば特許文献３）。
特開平９−３１７７３３号公報 特開２００４−３５４８号公報 特開２００２−３１１１５号公報

もみ切り式ねじやドリルねじは、木造住宅のような建物において板材を構造材に締結することに多用されているが、例えば、地震によって板材と構造材とを相対的に滑らせる強い力が働いた場合や、壁用の板材に大きな重量の棚類を設けた場合など、ねじに強いせん断力が作用することがある。勿論、建物以外の分野でもねじにせん断力が働くことは多々ある。

ねじに限らず金属材料のせん断強度を高めるには靱性を高くすればよい。従って、ねじを熱処理せずに防錆等の表面処理だけ施して使用することは、せん断力を確保するという点では合理的であると言える。しかし、熱処理を施さないとねじは素材の硬度のままであるため（厳密には、多少の加工硬化はある）、ワークや基材への食い込みが悪く、また、高いねじ込みトルクが生じると抵抗に負けて十字穴のような係合穴がドライバビットで潰されてしまうことがある。

特に、ワークや基材が合板のような緻密な素材からなっていて厚い場合や、基材が鋼板製である場合はねじ込みトルクが高くなるため、これらの問題が顕著に現われる。従って、ドリルねじの切れ味の善し悪しや係合穴の潰れの有無は、作業能率や施工の品質に大きな影響を与える重要な要素になっている。

この点について、硬度と靱性とを両立させる手段として、特許文献１，２に記載されているように、浸炭焼き入れ法により、表面のみの硬度を高くして芯部は素材の硬度のままに保持することが考えられる。しかし、本願出願人会社において実験したところ、必ずしも高いせん断強度を確保することはできなかった。その理由は、表層は硬いためにクラックが入り易く、この表層のクラックをきっかけとして芯部まで破断が進行しやすいためと推測される。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたもので、切削性能と強度に優れたドリルねじを提供することを課題とするものである。

本願発明は、ドリルねじとその製法とを含んでいる。請求項１の発明はドリルねじに係るもので、基本構成として、軸とその基端に設けた頭部とを備えており、前記軸のうち頭部と反対側の先端部は切刃を有するドリル部に形成されており、更に、前記軸にねじ山を形成している一方、前記頭部にはドライバ工具が嵌まる係合部を形成している。

そして、特徴として、炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼よりなる線材を素材としており、頭部とねじ山とドリル部とを加工してから焼き入れして更に焼き戻すという熱処理を施すことにより、芯部と表面とを含む全体の硬度がＨｖ２５０〜４００に調整されている。なお、本願発明において線材は棒材も含む概念で使用している。

製法の発明は請求項２に記載したとおりである。すなわち、炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼よりなる線材を素材として、冷間での圧造及び転造によって請求項１の基本構成を有する中間製品を製造し、次いで、前記中間製品を焼き入れすることで全体をＨｖ４００以上の硬度と成し、次いで焼き戻すことにより、芯部と表面とを含む全体の硬度をＨｖ２５０〜４００の範囲に調整する。

本願発明によると、硬度と靱性とのバランスが取れて、ワークや基材に対するドリル部の切削性の良さと十字穴等の係合部の潰れの防止とを確保しつつ、高い破断強度（主としてせん断強度）を得ることができた。その理由は次のとおりと解される。

すなわち、炭素鋼及びクロム・モリブデン鋼の素材の硬度はＨｖ２５０より低いのが通常であるが、焼き入れによる硬度アップにより、ワークや基材に対するドリル部の切削性能がアップすると共に、十字穴等の係合部がドライバビットによって潰れることを防止でき、かつ、ねじの表層も芯部も全体にわたって同じ硬度であることと硬度が高すぎずに靱性を保持していることとが相まって、高い破断強度を確保できると考えられる。

更に述べると、硬度がＨｖ４００以上に高いとねじの軸がせん断荷重や曲げ荷重によってポキリと折れる現象が発生しやすくなるが、本願発明のねじは硬度がＨｖ４００以下であって硬すぎずに靱性があるため、軸にせん断力や曲げ力が作用しても、軸はある荷重に応じて塑性変形して曲がっていってやがて折れる（破断する）という現象を生じており、このため、ねじが瞬間的に折れてワークが基材から離反してしまう現象を著しく抑制できる。硬度はＨｖ２５０〜３５０の範囲が好ましいが、特に好ましいのはＨｖ３００程度であった。

なお、ヘッダーによる頭部の加工や転造ダイスによるねじ山の加工に際してねじに残留応力が生じたりひずみが生じたりすることがあり、表層だけを硬化すると残留応力やひずみが残ったままになって破断しやすくなると推測されるが、本願発明では焼き入れ・焼き戻しという熱処理によって残留応力やひずみが除去されるため組織が均一化しており、このことも、靱性アップに貢献していると推測される。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図２では第１実施形態を示している。

(1).ねじの形態
まず、図１に基づいて第１実施形態に係るドリルねじの形態を説明する。（Ａ）は正面図、（Ｂ）は（Ａ）の右側面図、（Ｃ）は変形例を示す部分的な正面図、（Ｄ）は使用状態を示す図である。

ドリルねじは軸１とその基端に設けた頭部２とを備えている。軸１の先端部はドリル部３になっており、かつ、 軸１には、ドリル部３に近い部分を始端とする２条のねじ山４，５が形成されている。ドリル部３は軸方向に延びる２条の縦溝３ａと、縦溝の先端の部分に位置した２つの切刃３ｂとを備えており、本実施形態では切刃３ｂの角度は１２０度程度に設定している。

ねじ山４は首下近くまで延びているが、ねじ山４，５の終端と頭部２との間にねじ無し部を設けることも可能である。２条のねじ山４，５は同じ高さに設定されているが、例えば２対１程度の比率で高さを変えることも可能である。

（Ａ）ではねじ山４，５の始端とドリル部３の終端との間にはある程度の間隔が空いているが、（Ｃ）に示すように、ねじ山４，５の始端をドリル部３に位置させることも可能である。この場合はねじ部６とドリル部３とが部分的に重複している。（Ａ）及び（Ｃ）ともねじ部６の谷径とドリル部３の外径とは同じ径に設定しているが、例えばドリル部３の外径をねじ部６の谷径よりもやや大径に設定するというように、両者を異ならせることも可能である。

頭部２の頂面には、ドライバビットが嵌まる係合部の一例として十字穴７が形成されている。また、本実施形態では、頭部２は縦断面視で外向き凹状のプロフィールを有するラッパ形に形成されている。このラッパ形の頭部２を有するねじは、主として、（Ｄ）に示すように、石膏ボード８を枠材９に締結することに使用されている。枠材９は薄鋼板で断面略Ｃ字状に形成される場合もある。

頭部２の形態は用途によって設定したらよい。例えば、合板のような木製板材を構造材に締結する場合は、頭部２は台錐状の皿頭となすのが好適であり、かつ、斜面にフレキと呼ばれる切刃を複数条形成することも可能である。金具類を締結する場合は、頭部２は鍋頭と成すことも可能であり、更に、六角頭のような多角形頭と成すことも可能である。ドライバビットが嵌まる係合部としては、六角穴等の他の形状の係合穴を形成しても良い。

(2).製造工程・作用
ドリルねじは炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼を素材として製造されており、図２に示す工程を経て製造される。すなわち、まず、炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼から成る線材を用意し、この線材を間欠的に繰り出しつつ端部にヘッダーを使用した冷間鍛造によって頭部２を加工し、次いで、一対のフォージングダイスを使用した冷間圧造によってドリル部３を形成し、次いで、丸ダイスや平ダイスのような転造ダイスを使用した転造によってねじ山４，５を同時に加工し、これにより、ドリルねじとしての外観が完成した中間品を得る。線材からの切断は一般には頭部２の加工と同時に行われるが、頭部２の加工前又は加工後に切断することも可能である。

そして、中間品を加熱してから急冷して焼き入れすることで硬度をＨｖ４００以上に高め、次いで、焼き戻しによって硬度をＨｖ２５０〜４００に低下させる。焼き入れには、例えば、電気炉等の炉で加熱してから油に浸漬して急冷する油焼き入れ法を採用できるが、ねじの芯まで焼き入れできる方法なら他の方法も採用できる。焼き入れに際しての加熱温度は８７０℃以上が好ましく、また、焼き戻しは約１７０℃で１．５時間程度かけて行うのが好ましい。なお、焼き戻しを行ってのち、必要に応じてメッキや焼き付け塗装のような表面処理が行われる。

ドリルねじを使用して石膏ボード８のようなワークを枠材９のような基材に締結した後に、何らかの理由により、図１（Ｄ）に白抜き矢印で示すようにワークと基材とを相対的に滑らせるような大きな荷重が作用し、このため、ねじの軸１にせん断力が働くことがある。そして、本願発明では、発明の効果の欄で述べたように、ドリル部３の切削性確保と十字穴７の潰れ防止とを図りつつ、高いせん断強度を得ることができた。特に、硬度をＨｖ３００程度に調整しておくと、ドリル部３の切削性を可能な限り高めると共に十字穴７の潰れを確実に防止しつつ高いせん断強度を確保できて好適であった。

枠材９のような基材が鋼製である程度以上に厚いと、これに下穴を空けるにはドリルねじを高速で回転させて基材をドリル部３で少しずつ切削する必要がある。すなわち、ドリル部３によるドリリングとねじ山４，５のねじ込みとを同時に行わずに、下穴のドリリングを先行させる必要がある場合がある。ワークが硬い場合や、ワークと基材との間に隙間が空く場合（ワークによるねじ込みによって基材がドリル部３で押されてワークが基材から浮いてしまう場合）も同様である。

そこで、このような用途に使用する場合は、ドリル部３の先端からねじ部６の始端までの長さＬを石膏ボード８のようなワークの厚さＴよりも大きい寸法に設定しておくことにより、ドリリングを先行させて、切削時にねじ山４，５がワークに食い込むことを防止している。

例えば木製板材を木製構造材に締結する場合や、石膏ボードを木製枠材に締結する場合は、ワーク及び基材へのねじ山４，５の進入とドリル部３による切削とが同時に行われても支障ないので、図１（Ｃ）のようにねじ山４，５をドリル部３に箇所から立ち上げても良い。

なお、ワーク及び基材が石膏ボードや木材のような軟質材であるため、ワークと基材との相対的な滑り作用が生じると、ねじの軸１はワーク及び基材を潰し変形させながら曲がっていき、荷重が許容限度を超えると破断する。従って、厳密に見ると、ねじの軸１にはせん断力のみでなく曲げ力と引っ張り力も作用している。

(3).ドリル部の他の形態
図３〜図４では本願発明を適用できるドリル部の他の形態を示している。このうち図３に示す第２実施形態では、ドリル部３は４本の峰状切刃３ｂを有するピンポイント式の四角錐形に形成されている。また、２条のねじ山４，５は高さが異なっている。ワーク及び基材が木材のような軟質材である場合や、基材が例えば０．８ｍｍ以下の鋼板製部材である場合は、このような形状のドリル部３も使用できる。

ドリルねじにおいてドリル部の形態として様々の形態が知られているが、本願発明ではこれら各種の形態のドリル部を採用できる。また、ドリル部３は切削によって加工することも可能である。更に、軸の形態やねじ山の形態なども、用途に応じて様々に具体化できる。

図４に示す第３実施形態では、ドリル部３の外径をねじ部６の谷径よりも小径に設定しており、かつ、ねじ部６の先端部は先窄まりのテーパ状になっている。この実施形態では、ドリル部３で枠材９に下穴を空けてからねじ部６が枠材９に進入するに際して、枠材９はねじ部６によって押し広げられることになり、このため枠材９に対するねじ山４，５の引っ掛かりが良くなって締結強度を向上できる。但し、枠材９がある程度以上に厚いとねじこみ抵抗が過度に高くなるので、枠材９の厚さが例えば１．２ｍｍ程度以下の場合に好適であると言える。

本願発明を適用したねじの構造及び使用状態を示す図である。 製造工程を示すフロー図である。 ドリルねじの形態の別例である第２実施形態を示す図である。 ドリルねじの形態の別例である第３実施形態を示す図である。

符号の説明

１ 軸
２ 頭部
３ ドリル部
３ｂ 切刃
４，５ ねじ山
６ ねじ部
７ 係合部の一例としての十字穴
８ ワークの一例としての石膏ボード
９ 基材の一例としての枠材

Claims (2)

1. 軸とその基端に設けた頭部とを備えており、前記軸のうち頭部と反対側の先端部は切刃を有するドリル部に形成されており、更に、前記軸にねじ山を形成している一方、前記頭部にはドライバ工具が嵌まる係合部を形成しているドリルねじであって、
   炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼よりなる線材を素材としており、頭部とねじ山とドリル部とを加工してから焼き入れして更に焼き戻すという熱処理を施すことにより、芯部と表面とを含む全体の硬度がＨｖ２５０〜４００に調整されている、
   ドリルねじ。
2. ａ：軸とその基端に設けた頭部とを備えている、
   ｂ：前記軸のうち頭部と反対側の先端部は切刃を有するドリルねじに形成されている、
   ｃ：前記軸にはねじ山が形成されている、
   ｄ：前記頭部にはドライバ工具が嵌まる係合部を形成している、
   という構成のドリルねじの製造方法であって、
   炭素鋼又はクロム・モリブデン鋼よりなる線材を素材として、冷間での圧造及び転造によって前記ａ〜ｄの構成を有する中間製品を製造し、次いで、前記中間製品を焼き入れすることで全体をＨｖ４００以上の硬度と成し、次いで焼き戻すことにより、芯部と表面とを含む全体の硬度をＨｖ２５０〜４００の範囲に調整する、という工程を経ることを特徴とする、
   ドリルねじの製造方法。

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